(57)【要約】【課題】製造が容易であり、効率を向上させ、かつボタン端部とステータベーンのオーバハング部との間の交差領域の強度を高める改良された可変ステータベーンを提供する。【解決手段】例示的な可変ステータベーンアッセンブリは、少なくとも１つのボタン３８と、ボタン３８に隣接するベーンエアフォイル４０と、ボタン３８とエアフォイル４０との間に画定されたフィレット５２と、を備える。一実施例では、このフィレット５２は、一定半径を画定するとともに、ボタン３８を超えて、ベーンエアフォイル４０のオーバハング部５８の長さの６０％よりも少なくとも長い距離に亘って延びている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変ステータベーンアッセンブリであって、
少なくとも１つのボタンと、
前記少なくとも１つのボタンに隣接するベーンエアフォイルであって、前記少なくとも１つのボタンと前記ベーンエアフォイルの後縁との間に延びるオーバハング部を有するベーンエアフォイルと、
前記少なくとも１つのボタンと前記ベーンエアフォイルとの間に画定されたフィレットと、
を備え、
前記フィレットは、一定の半径を画定するとともに、前記少なくとも１つのボタンを超えて、前記ベーンエアフォイルの前記オーバハング部の長さの６０％より長い距離に亘って延びていることを特徴とする可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項２】
前記フィレットの少なくとも一部が、前記少なくとも１つのボタンによって画定されたボタン面および前記ベーンエアフォイルの各々に接することを特徴とする請求項１に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項３】
前記フィレットが、ベーン−ボタンフィレット部と、混成表面フィレット部と、構造表面フィレット部と、を画定することを特徴とする請求項１に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項４】
前記ベーン−ボタンフィレット部が、前記少なくとも１つのボタンと前記ベーンエアフォイルとの間に画定されることを特徴とする請求項３に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項５】
前記構造表面フィレット部が、前記ベーンエアフォイルと構造表面との間に画定され、
前記構造表面が、平面および曲面の少なくとも一方によって、空間的に画定されることを特徴とする請求項３に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項６】
前記構造表面フィレット部が、前記ベーンエアフォイルおよび前記構造表面の各々に接することを特徴とする請求項５に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項７】
前記混成表面フィレット部が、前記ベーン−ボタンフィレット部と前記構造表面フィレット部との間に画定されるとともに、前記少なくとも１つのボタンと前記構造表面とを接続することを特徴とする請求項５に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項８】
前記ベーン−ボタンフィレット部と前記混成表面フィレット部とを接続する移行表面をさらに備え、
前記移行表面は、半径を画定するように混成され、前記混成表面フィレット部は、前記移行表面の前記半径に少なくとも部分的に追従することを特徴とする請求項３に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項９】
前記少なくとも１つのボタンが、ボタン端部を画定し、前記混成表面フィレット部は、前記ボタン端部に隣接して配置され、
前記構造表面フィレット部は、前記ボタン端部と前記ベーンエアフォイルの前記後端との間で徐々に減少することを特徴とする請求項３に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項１０】
前記フィレットは、前記少なくとも１つのボタンを超えて、前記ベーンエアフォイルの前記オーバハング部の前記長さの９０％より長い距離に亘って延びていることを特徴とする請求項１に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項１１】
前記フィレットは、前記ベーンエアフォイルの前記後端まで延びることを特徴とする請求項１０に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項１２】
前記フィレットの前記一定半径は、その長さの１００％に亘って画定されることを特徴とする請求項１に記載の可変ステータベーンアッセンブリ。
【請求項１３】
複数の凹部を画定するケーシングと、
前記ケーシングの前記複数の凹部の少なくとも一部内に収容される複数のステータベーンと、
を備えるガスタービンエンジン用の圧縮機であって、
前記複数のステータベーンの各々は、少なくとも１つのボタンと、ベーンエアフォイルと、フィレットと、を備え、
前記ベーンエアフォイルは、前記少なくとも１つのボタンと、前記ベーンエアフォイルの後端との間に延びるオーバハング部を有し、
前記フィレットは、一定の半径を画定するとともに、前記少なくとも１つのボタンを超えて、前記ベーンエアフォイルの前記オーバハング部の長さの６０％より長い距離に亘って延びていることを特徴とするガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項１４】
前記フィレットは、ベーン−ボタンフィレット部と、混成表面フィレット部と、構造表面フィレット部と、を画定し、
前記ベーン−ボタンフィレット部は、前記少なくとも１つのボタンと前記ベーンエアフォイルとの間に画定され、
前記構造表面フィレット部は、前記ベーンエアフォイルと構造表面との間に画定され、
前記混成表面フィレット部は、前記ベーン−ボタンフィレット部と前記構造表面フィレット部との間に画定されることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項１５】
前記構造表面が、第１の面内に少なくとも部分的に位置し、前記ボタンが、第２の面内に少なくとも部分的に位置し、
前記第１の面が、前記第２の面を横切ることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項１６】
前記構造表面が曲面によって画定されることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項１７】
前記ベーン−ボタンフィレット部と前記混成表面フィレット部とを接続する移行表面をさらに備え、
前記移行表面は、半径を画定するように混成され、前記混成表面フィレット部は、前記移行表面の前記半径に少なくとも部分的に追従することを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項１８】
前記フィレットは、前記少なくとも１つのボタンを超えて、前記ベーンエアフォイルの前記オーバハング部の前記長さの９０％より長い距離に亘って延びていることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項１９】
前記フィレットの前記一定半径は、その長さの１００％に亘って画定されることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【請求項２０】
前記フィレットは、前記ベーンエアフォイルの前記後端まで延びていることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン用圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、さらに詳細には、拡張フィレットを有するステータベーンアッセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、エンジン内に燃焼用の圧縮空気を供給するように、高圧圧縮機および低圧圧縮機を備える。高圧圧縮機および低圧圧縮機は、通常、複数のロータディスクを備える。ステータベーンは、圧縮機の軸に沿って各ロータディスク間に延びている。多くのガスタービンエンジン圧縮機は、圧縮機の軸と交差する軸を中心として回転する可変ステータベーンを備える。可変ステータベーンの上記軸を中心とする回転によって、燃焼中のガスタービンエンジンの圧縮機内における空気流、および空気の圧縮が調整される。
【０００３】
図１に示されるように、可変ステータベーン１１は、通常、ステータベーン１１の各端（一端のみを図示）において画定されたボタン１３を備える。このボタン１３は、ステータベーン１１の流路側の端部を支持するとともに、ステータベーン１１を両側に回動させるトラニオン１５を支持する。エンジンケーシング内における利用可能な空間の大きさが制限されているため、ボタン１３の直径が制限され、ボタン１３がベーンエアフォイル１７の全体を支持することができないことがある。その結果、ベーンエアフォイル１７の一部が、ボタン端部２３から突出する（すなわち、ベーンのオーバハング（突出）部１９が形成される）。ボタン１３は、ケーシング壁の孔内に嵌入される。この孔は、可変ステータベーン１１の回転に適合するようになっている。
【０００４】
ボタン端部２３と、ベーンエアフォイル１７のオーバハング部１９との間の交差領域２１は、剛性のあるボタン１３によって支持されない。これは、ボタン１３とベーンエアフォイル１７との間に画定された交差領域２１が、ベーンのオーバハング部１９の全体に亘って延在しない補強フィレット２５によって支持されるためである。通常、フィレット２５は、一定の半径を有するフィレットであり、ボタン端部２３のすぐ後方まで延びている。従って、剛−軟移行領域（stiff-to-soft transition area）が、交差領域２１の付近に生じる。この結果、ベーンエアフォイル１７のオーバハング部１９は、曲げによる高振動を著しく受けやすく、高応力も受けやすくなる。不都合なことに、ボタン端部２３と、ベーンエアフォイル１７のオーバハング部１９との間の交差領域２１に生じる高振動および高応力によって、ステータベーン１１に亀裂および破損が生じてしまうことがある。
【０００５】
高振動および高応力による亀裂に対するステータベーンの感受性を低減させるいくつかの可変ステータベーン設計が知られている。周知のステータベーンアッセンブリの一例としては、ボタン端部と、ベーンエアフォイルのオーバハング部との間の交差領域が、局部的に厚くなっている（肥厚化されている）ものがある。この局部的な肥厚部分は、前方に（ボタンへと）延びるとともに、オーバハング部によって画定される長さの略６０％に亘って後方に（ベーンのオーバハングへと）延びる厚さ増加部分を含む。肥厚部分は、交差領域に伴うベーンの撓み性、振動および局部的な応力集中を低減させるために設けられる。しかし、このような設計により、空気流が局部的に妨害されてしまい、空気流がベーンエアフォイル表面の最適な個所に達するまで空気流は肥厚部分の周りを迂回することとなる。この空気流の迂回に伴って効率が損なわれ、さらに、空気流がベーンエアフォイル表面から剥離する個所においては、より顕著に効率が損なわれてしまう。さらに、交差領域の局部的な肥厚化に必要となる材料の追加に伴って、重量が増加する不都合も生じる。
【０００６】
ボタン端部とベーンオーバハング部との間の交差領域における局部的な応力集中の因子を低減させる第２の例として、交差部において、エアフォイル表面をベーンエアフォイルの翼幅（スパン）方向に局部的に切除することが挙げられる。この目的は、ステータベーンの内側コーナ部の最小半径を大きくすることにある。このステータベーン設計により、ベーンエアフォイルに大きな開口が形成されるため、圧縮機の正圧側から負圧側に空気が大量に漏出することとなり、これにより、効率が著しく低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した周知のステータベーン設計に伴う空力学的な性能の損失を軽減させる手段は、交差領域におけるコーナ部の半径を変化させること（すなわち、可変半径フィレットを設けること）によってなされている。しかし、これによって、部品の製造が、不可能ではないにしても、困難になることがある。
【０００８】
従って、製造が簡単であり、かつ効率を向上させるとともに、ボタン端部とステータベーンのオーバハング部との間の交差領域の強度を高める改良された可変ステータベーンを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
例示的な可変ステータベーンアッセンブリは、少なくとも１つのボタンと、ボタンに隣接するベーンエアフォイルと、ボタンとエアフォイルとの間に画定されたフィレットと、を備える。一実施例では、このフィレットは、一定の半径を画定するとともに、ボタンを超えて、ベーンエアフォイルのオーバハング部の長さの６０％よりも少なくとも長い距離に亘って延びている。
【００１０】
ガスタービン用の例示的な圧縮機は、複数の凹部を有するケーシングと、ケーシングの凹部内に収容された複数のステータベーンと、を備える。各ステータベーンは、ボタンと、ベーンエアフォイルと、フィレットと、を備える。ベーンエアフォイルは、ボタンとベーンエアフォイルの後端との間に延びるオーバハング部を備える。一実施例では、このフィレットは、一定の半径を画定するとともに、ボタンを超えて、ベーンエアフォイルのオーバハング部の長さの６０％よりも少なくとも長い距離に亘って延びている。
【００１１】
本発明の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるだろう。詳細な説明に付随する図面については、後で簡単に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、ファン１２と、低圧圧縮機１４と、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、高圧タービン２０と、低圧タービン２２と、排気ノズル２４と、を備える。ガスタービンエンジン１０は、エンジン中心線Ａの周りに画定されており、このエンジン中心線Ａを中心として、種々のエンジンセクションが回転する。周知のように、ファン１２によって空気がタービンエンジン１０内に流入し、低圧圧縮機１４および高圧圧縮機１６を通って流れる。この空気と燃料が混合され、燃焼器１８内で燃焼が生じる。燃焼によって生じた排気は、高圧タービン２０および低圧タービン２２を通って流れ、排気ノズル２４を通ってエンジンから流出する。この図は、極めて概略的である。しかし、上記のパラメータは、意図するガスタービンエンジンを単に例示するものにすぎないことを理解されたい。すなわち、本発明は、他のエンジン構造にも適用可能である。
【００１３】
図３を参照すると、交互に配列されたロータブレード２６およびステータベーン２８を図示するため、低圧圧縮機セクション１４を部分的に破断して示している。ステータベーン２８の少なくとも一部は、可変（回転可能な）ステータベーンである。各ステータベーン２８は、エアフォイル３０を備え、各ロータブレード２６は、エアフォイル３２を備える。ロータブレード２６は、周知の方法によって、エンジン中心線Ａを中心として回転する。エアフォイル３０は、作動媒体ガスが低圧圧縮機１４を通過する際に、この媒体ガスの流れを導くように、外側ケーシング３４から内側に延びている。
【００１４】
図４を参照すると、例示的な可変ステータベーンアッセンブリ２９が示されている。可変ステータベーン２８は、外径トラニオン３６と、外径ボタン３８と、ベーンエアフォイル４０と、内径ボタン４２と、内径トラニオン４４と、を備える。外側ケーシング３４は、可変ステータベーン２８の外径トラニオン３６および外径ボタン３８を収容する凹部４６を画定する。この凹部４６は、可変ステータベーン２８の翼幅（翼の長さ）方向の回転軸Ｓを中心とする回転に適合するようになっている。一実施例では、翼幅方向の回転軸Ｓは、エンジン中心軸Ａと直交する。しかし、翼幅方向の回転軸Ｓは、エンジン中心軸Ａに対して所定の角度をなして配置されてもよい。内側シュラウド４８は、内径ボタン４２および内径トラニオン４４を収容する、各可変ステータベーン２８用の凹部５０を画定する。この凹部５０は、可変ステータベーン２８の翼幅方向の回転軸Ｓを中心とする回転に適合するようになっている。一実施例として、ベーンエアフォイル４０は、長さＬを画定する。外径ボタン３８は、長さＬの一端に配置され、内径ボタン４２は、長さＬの他端、すなわち、外径ボタン３８と対向する端部に配置されている。
【００１５】
図５を参照すると、ステータベーンアッセンブリ、例えば、図３の例示的なステータベーンアッセンブリ２９に用いられる例示的な可変ステータベーン３３が示されている。可変ステータベーン３３は、フィレット５２を備える。このフィレット５２は、ベーンエアフォイル４０の後縁５４に隣接する箇所まで延びている。一実施例として、フィレット５２は、ボタン３８を超えて、ベーンエアフォイル４０によって画定されたオーバハング（突出）部５８の長さの６０％よりも少なくとも長い距離、実際には、オーバハング部５８の長さの９０％よりも長い距離に亘って延びている。他の実施例では、フィレット５２は、ベーンエアフォイル４０によって画定された翼弦Ｃの全体に亘って延びている。さらに他の実施例では、フィレット５２は、ベーンエアフォイル４０の後縁５４まで延びている。
【００１６】
フィレット５２は、その長さの９０％を超える長さ、一実施例では、その長さの全体に亘って、一定の半径を画定する。フィレットの半径は、フィレットの大きさを表す。フィレットの断面スライスは、円弧、すなわち、円の切片をなす。この円の半径は、フィレットの半径である。もし、この半径が、断面スライスがフィレットに沿って取られる箇所とは無関係に同一である場合、このフィレットは、可変半径ではなく、一定半径を有することになる。フィレット５２の実際の半径は、ステータベーンの各ボタンと、ベーンエアフォイルとの間に必要な剛性などのガスタービンエンジン１０の設計上の特定パラメータに応じて変動することを理解されたい。
【００１７】
例示的なボタン３８は、ボタン面５６を備える。本実施例では、外径ボタン３８に関して開示されているが、内径ボタン４２も同様の特徴を有することを理解されたい。ベーンのオーバハング部５８は、ボタン端部５７と後端５４との間に延びる部分であって、これは、ボタン３８によって支持されないベーンエアフォイル４０の部分である。ボタン端部５７により、例示的なステータベーン３３のボタン３８とオーバハング部５８との間に画定される交差領域のコーナ部６９が画定される。
【００１８】
オーバハング部５８は、切断面６０を画定する。この切断面６０は、湾曲面であって、これにより、空気流がエアフォイル４０の一方の側から他方の側に容易に流れることが可能となる。すなわち、切断面６０は、回転面をなしている。加えて、切断面６０は、可変ステータベーン３３と、可変ステータベーン３３が取り付けられて回転する外側ケーシング３４（または内側シュラウド４８）との間で物理的に干渉しないことが要求される。オーバハング部５８と、外側ケーシング３４または内側シュラウド４８との間の空間の大きさは、ガスタービンエンジン１０の正圧側（すなわち、上流側）から負圧側（すなわち、下流側）への（エンジン効率を低下させる）空気の漏出を最小限にするように可能な限り最小にする必要がある。
【００１９】
フィレット５２は、ボタン端部５７と後縁５４との間で、徐々に減少する。従って、フィレット５２によって加えられた材料の量は、後縁５４に達する前に徐々になくなる。フィレット５２は、可変ステータベーン３３の表面に沿った空気流の通路を滑らかにする。フィレット５２がボタン端部５７において終端をなしていないため、空気流は、局部的に急激に膨張せず、かつベーンエアフォイル４０から剥離しない。さらに、フィレット５２が一定の半径を有しているので、ベーンエアフォイルとボタンとの境界面における局部的な不連続性が実質的に低減し、これにより、ベーンエアフォイル４０のオーバハング部５８に通常生じ得る局部的な応力が低減する。加えて、フィレット５２が可変ステータベーン３３の後縁５４まで延びているため、ボタン３８とオーバハング部５８との間の剛−軟移行領域が実質的に縮小される。
【００２０】
図６および図７を参照すると、フィレット５２は、複数の部分を含む。例えば、フィレット５２は、ベーン−ボタンフィレット部６２と、混成表面フィレット部６４と、構造表面フィレット部６６と、を含む。図示した実施例では、ベーン−ボタンフィレット部６２は、ボタン４２とベーンエアフォイル４０との間に画定される。本実施例では、内径ボタン４２に関して図示、説明しているが、外径ボタン３８に対しても同様の構成が用いられることを理解されたい。一実施例では、フィレット５２は、内径ボタン４２のボタン表面およびベーンエアフォイル４０の両方に接している。従って、ベーン−ボタンフィレット部６２は、ボタン４２とベーンエアフォイル４０との間に容易に形成される。すなわち、ベーン−ボタンフィレット部６２は、２つの表面に接しているので、一定半径を有するベーン−ボタンフィレット部６２を容易に形成することができる。
【００２１】
フィレット５２の構造表面フィレット部６６は、可変ステータベーン３３のオーバハング部５８と関連する。この領域では、構造表面フィレット部６６は、ボタン４２による補強がなされずに、ベーンエアフォイル４０と構造表面７０との間に幾何学的に画定かつ配置される。構造表面７０は、フィレット５２がボタン４２のボタン端部６７から離れるが、ベーンエアフォイル４０に隣接し、かつ接するように（すなわち、２つの表面に接するように）、フィレット５２を配置させるために必要となる。
【００２２】
一実施例では、構造表面７０は、第１の表面７２内に少なくとも部分的に配置されており、最終的なステータベーンでは、この構造表面７０は、該ベーンの一部分に亘っている（図６参照）。例示のため、第１の表面７２を平面として示している。構造表面７０は必要とされないが、構造表面７０の一部分は、可変ステータベーン３３の製造プロセス中に存在してもよい。例えば、構造表面７０は、可変ステータベーン３３の製造中に金属から形成され、製造後、この金属を切除してもよい。しかし、構造表面７０の全て（または一部）が、最終的な部品に含まれてもよい。
【００２３】
構造表面フィレット部６６は、ベーンエアフォイル４０と構造表面７０のエッジ１００との間に画定される（図７を参照）。一実施例では、構造表面７０は平面である。他の実施例では、構造表面７０は曲面である。例示的な構造表面７０は、ベーンエアフォイル４０のオーバハング部５８に沿って構造表面フィレット部６６を配置させる第１の表面を付与することが可能なあらゆる幾何学的な構造表面であってもよいことを理解されたい。
【００２４】
第２の表面７４は、ボタン４２によって画定される。例示のため、第２の表面７４を平面として示している。一実施例では、第２の表面７４は、構造表面７０によって画定された第１の表面７２を横切っている。第１の表面７２と第２の表面７４との間の角度関係は、可変ステータベーン３３の大きさ、およびガスタービンエンジン１０に関連する他の設計上の特定パラメータに応じて変動する。従って、構造表面フィレット部６６の実際の幾何学的な配置は、その形状、およびボタン４２と構造表面７０との関係を変更することによって、パラメータ的に変更される。ボタン端部６７と、ステータベーン３３の後端５４との間のフィレット５２の漸減は、第１の表面７２と第２の表面７４との間の角度関係に基づいて、オーバハング部５８に沿って位置付けられ、画定される。
【００２５】
混成表面フィレット部６４は、ボタン４２のボタン端部６７に隣接して（すなわち、ボタン４２とベーンエアフォイル４０と間に画定される交差領域付近に）配置される。一実施例では、混成表面フィレット部６４は、ベーン−ボタンフィレット部６２と構造表面フィレット部６６との間において、該フィレット部６２，６６の間に滑らかな移行をもたらすように画定される。加えて、混成表面フィレット部６４は、ボタン４２を構造表面７０に接続する。
【００２６】
移行表面７６は、ベーン−ボタンフィレット部６２と混成表面フィレット部６４とを接続する。好ましくは、移行表面７６は、ベーン−ボタンフィレット部６２と混成表面フィレット部６４との間に滑らかな移行表面をもたらすとともに、ベーンエアフォイル４０とボタン４２との間の交差領域に沿った空気流に擾乱を生じさせる流路を横切るコーナ部を生じさせないように、単純な半径を有して混成される。混成表面フィレット部６４は、ベーン−ボタンフィレット部６２と構造表面フィレット部６６とを接続するために、移行表面７６の半径によって画定された輪郭に追従する。移行表面７６の実際の大きさは、可変ステータベーン３３の設計上の特定パラメータに依存する。
【００２７】
以上の説明は、単に例示的なものであり、限定的に解釈されるものではない。当業者であれば、いくつかの修正が本発明の範囲内においてなされ得ることを認識されるであろう。そのため、本発明の真の範囲および内容を決定するように、特許請求の範囲を検討されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】先行技術による可変ステータベーンを示す図。
【図２】ガスタービンエンジンの断面図。
【図３】交互に並ぶロータブレードおよびステータブレードを示すように部分的に破断されたガスタービンの圧縮機セクションの透視図。
【図４】ケーシング内に取り付けられた可変ステータベーンの概略図。
【図５】本発明の一実施例による拡張フィレットを有するステータベーンアッセンブリを示す図。
【図６】拡張フィレットを形成する構造表面を有する例示的なステータベーンアッセンブリを示す図。
【図７】例示的な構造表面が部分的に形成された、拡張フィレットを有する例示的なステータベーンのボタンの端面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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