(57)【要約】【課題】軽量で、コンプレッサ部の外径を増加させずに、他の外部部品と干渉することがない可変ベーン同期機構を提供する。【解決手段】可変ベーン２６，２８の列の同期回転機構を収容した内径側ベーンシュラウド１４を備えている。内径側ベーンシュラウド１４は、周方向に延びたギア溝を有する。可変ベーン２６，２８は、内径側の端部において、ベーンシュラウド１４に回転可能に取り付けられている。可変ベーン２６，２８は、内径側の端部にベーンギア３４を備え、このギアがギア溝内で回転可能である。各ベーンギア３４の間には、アイドルギア３６が配置されている。ベーン列の中の一つの駆動ベーン２６がアクチュエータ１８によって回転すると、残りの従動ベーン２８が、ベーンギア３４およびアイドルギア３６のギア列からなる同期機構によって等しい量回転する。【選択図】図１
2007024052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内径側ベーンシュラウドと外径側ファンケースとの間に周方向に配列された複数の回転可能なステータベーンを有する可変ベーンアッセンブリにおいて、
回転可能なステータベーンの各々の内径側の端部に支持されたベーンギアと、
複数の回転可能なステータベーンが同期回転するように上記ベーンギアの間に配置されてなる複数のアイドルギアと、
を備えたことを特徴とする可変ベーンアッセンブリ。
【請求項２】
上記内径側ベーンシュラウドは、上記のベーンギアおよび複数のアイドルギアを受ける溝を有することを特徴とする請求項１に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項３】
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項４】
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントおよび前側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記のベーンギアおよび複数のアイドルギアを受ける溝を有することを特徴とする請求項３に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項５】
ギア溝を備えた内径側ベーンシュラウドと、
各々が、内径側の端部を備えるとともに、上記ギア溝内に配置されたベーンギアを有する複数のステータベーンと、
上記ギア溝内に配置され、各ベーンギアを接続した複数のアイドルギアと、
を備え、１つのステータベーンがある量回転したときに上記ベーンギアおよび上記アイドルギアによって複数のステータベーンが等量回転するように構成されていることを特徴とする可変ベーンアッセンブリ。
【請求項６】
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項５に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項７】
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントおよび前側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記のギア溝を有することを特徴とする請求項５に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項８】
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントおよび前側ベーンシュラウドコンポーネントが、複数のステータベーンの上記の内径側の端部を受けるソケット部を備えることを特徴とする請求項５に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項９】
ガスタービンエンジンに用いられるステータベーン部であって、
外径側ファンケースと、
ギア溝を備えた内径側ベーンシュラウドと、
上記内径側ベーンシュラウド内で回転する第１の内径側の端部と、上記外径側ファンケース内で回転する第１の外径側の端部と、上記ギア溝内で回転する駆動ギアと、を備えてなる駆動ベーンと、
上記駆動ベーンの上記外径側の端部を回転するアクチュエータと、
各々が、上記内径側ベーンシュラウド内で回転する第２の内径側の端部と、上記外径側ファンケース内で回転する第２の外径側の端部と、上記の内径側の端部に設けられた従動ギアと、を備えてなる複数の従動ベーンと、
上記ギア溝に沿って回転可能に配置された複数のアイドルギアであって、上記駆動ベーンが上記アクチュエータによりある量回転したときに上記従動ギアおよびおよび上記複数のアイドルギアによって上記従動ベーンが等量回転するように、上記駆動ギアと上記従動ギアとを接続した複数のアイドルギアと、
を備えてなるステータベーン部。
【請求項１０】
上記内径側ベーンシュラウドは、前側ベーンシュラウドコンポーネントと後側ベーンシュラウドコンポーネントとから構成されることを特徴とする請求項９に記載のステータベーン部。
【請求項１１】
上記前側ベーンシュラウドコンポーネントおよび後側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記のギア溝を有することを特徴とする請求項１０に記載のステータベーン部。
【請求項１２】
上記後側ベーンシュラウドコンポーネントおよび前側ベーンシュラウドコンポーネントが、上記の第１の内径側の端部および第２の内径側の端部を受けるソケット部を備えることを特徴とする請求項１０に記載のステータベーン部。
【請求項１３】
外径側ファンケースと内径側ベーンシュラウドとを有するガスタービンエンジン用の可変ベーンであって、
ブレード部と、
上記ファンケース内で回転する外径側の端部と、
上記内径側ベーンシュラウド内で回転する内径側の端部と、
上記内径側の端部の先端に設けられたギアと、
を備えてなる可変ベーン。
【請求項１４】
上記外径側の端部は、外径側ファンケース内で回転するトラニオンを含むことを特徴とする請求項１３に記載の可変ベーン。
【請求項１５】
上記内径側の端部は、内径側ベーンシュラウド内で回転するトラニオンを含むことを特徴とする請求項１３に記載の可変ベーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳しくは、ガスタービンエンジンに用いられるベーンシュラウドに関する。
【０００２】
本発明は、米国海軍による契約番号N00019-02-C-3003に基づく米国政府の支援によってなされたものであり、米国政府は本発明について所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
この発明は、米国で同日に出願された下記の米国特許出願に関連する。J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「内径側ベーンシュラウド用のラックアンドピニオン式可変ベーン同期機構」（整理番号U73.12-002）、J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「内径側ベーンシュラウド用の同期リング式可変ベーン同期機構」（整理番号U73.12-003）、J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「内径側可変ベーン駆動機構」（整理番号U73.12-005）、J.GiaimoおよびJ.Tirone IIIが発明した「可変ステータベーン用の軽量鋳造内径側ベーンシュラウド」（整理番号U73.12-006）。
【０００４】
ガスタービンエンジンは、圧縮した空気中の燃料を燃焼させて、高温でかつ圧力および密度が増大したガスを生成することにより動作する。高温ガスは、最終的には排気ノズルを通して押し出されるが、排気ノズルによって排出ガスの速度が増加し、航空機を推進する推力が生成される。また高温ガスは、ファンを回転させるためにタービンの駆動に用いられ、上記ファンによってガスタービンエンジンのコンプレッサ部へ空気が送られる。さらに高温ガスは、タービンの駆動により、コンプレッサ部内のロータブレードを駆動するためにも用いられ、このコンプレッサ部によって、燃焼室へ圧縮空気が供給される。このガスタービンエンジンのコンプレッサ部は、一般に、ロータブレードとステータベーンとからなる段を複数備えている。各々の段において、回転ブレードが静止しているベーンを通して空気を送る。各々のロータ／ステータの段により、空気の圧力および密度が増大する。ステータは、２つの目的つまり、空気の運動エネルギを圧力へ変換すること、ロータから流入してきた空気の流れの方向を変えて、次のコンプレッサ段へ案内すること、を果たしている。
【０００５】
ガスタービンエンジンによって推進する航空機の速度範囲は、コンプレッサ部で生成される空気圧力のレベルに直接に相関する。航空機の速度が変化すると、ガスタービンエンジンを通る空気流の速度が変化する。従って、後続のコンプレッサ段におけるロータブレードに対する空気の入射方向は、航空機の速度が異なると、違ったものとなる。ガスタービンエンジンの性能を全速度範囲に亘って（とりわけ高速／高圧領域において）より効率的に高める一つの方法は、可変ステータベーンを用いることであり、これにより、後続のコンプレッサ段におけるロータに対する空気流の入射方向を最適化することが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
可変ステータベーンは、一般に、外径側ファンケースと内径側ベーンシュラウドとの間に周方向に多数配列される。従来は、可変ステータベーンの同期機構がファンケースの外側に配置されていた。このようなシステムでは、コンプレッサ部全体の外径が増大し、望ましくないとともに、許容されない大きさになりうる。また、固定したステータベーンを備えたガスタービンエンジンを、可変ステータベーンを用いたものに改良することは常に不可能であった。ファンケースの外側に可変ベーン同期機構を後付けしようとすると、ファンケースの外側に位置するガスタービンエンジンの他の外部部品と干渉してしまう。これらの外部部品を他の位置へ移動することは通常不可能であり、あるいは高コストとなる。また、同期機構は、ガスタービンエンジンの重量増加を招く。従って、軽量で、かつコンプレッサ部の外径を増加させず、しかもガスタービンエンジンの他の外部部品と干渉することがない可変ベーン同期機構が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、可変ベーンの列の同期回転機構を収容した内径側ベーンシュラウドを備えている。特に、本発明は、周方向に延びたギア溝を有する内径側ベーンシュラウドを備えている。可変ベーンの列は、内径側の端部において、上記ベーンシュラウドに回転可能に取り付けられている。可変ベーンは、内径側の端部にギアを備え、このギアが上記ギア溝内で回転可能である。各可変ベーンのギアの間には、アイドルギアが配置されている。個々の可変ベーンの一つが駆動源によって回転すると、可変ベーン列の中の他の可変ベーンが、上記のギアおよびアイドルギアによって等しい量回転する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明が適用されるガスタービンエンジンのステータベーン部１０の一部切欠の正面図を示している。ステータベーン部１０は、ファンケース１２と、ベーンシュラウド１４と、可変ベーン列１６と、アクチュエータ１８と、を備えている。ベーンシュラウド１４は、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０と後側ベーンシュラウドコンポーネント２２とを有し、これらが内径側ベーンソケット部２４を形成している。ソケット半部つまり凹部が、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２の各々に設けられ、ソケット部２４を形成している。図１では、ソケット部２４の内部を示すために、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の一部のみが図示されている。
【０００９】
可変ベーン列１６は、駆動ベーン２６と複数の従動ベーン２８とから構成されている。これらの駆動ベーン２６と従動ベーン２８は、本発明のギア式可変ベーン同期機構により、内径側ベーンシュラウド１４の内側で連結されている。従って、アクチュエータ１８により駆動ベーン２６が回転すると、従動ベーン２８は同じ量回転する。
【００１０】
通常、従動ベーン２８はベーンシュラウド１４の全体を囲っている。ソケット部２４が見えるように、可変ベーン列１６の一部のみを図示している。駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、ファンケース１２におけるステータベーン部１０の外径部ならびにベーンシュラウド１４におけるステータベーン部１０の内径部において、回転可能に取り付けられている。駆動ベーン２６の個数は、実施例によって異なり、１個だけでもよい。一実施例においては、可変ベーン列１６は、５２個の従動ベーン２８と２個の駆動ベーン２６とを備える。駆動ベーン２６は従動ベーン２８と類似した構造を有する。一実施例においては、駆動ベーン２６は、アクチュエータ１８から加わる力に耐えるように、頑丈な構造を有している。
【００１１】
内径側ベーンシュラウド１４は、該内径側ベーンシュラウドの全周よりも小さな大きさのコンポーネントとして構成することができる。一実施例においては、図１に示すように、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、内径側ベーンシュラウド１４の全周のほぼ１／６（つまり６０°）のセクションに区分されている。この場合、２つのセクションは、９個の半割状ソケット部２４を有し、１つのセクションは、８個の半割状ソケット部２４を有する。この小型化した前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、駆動ベーン２６および従動ベーン２８をソケット部２４に挿入するときに、駆動ベーン２６および従動ベーン２８の内径側端部の下での前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の位置決めに寄与する。分割型ファンケースの設計に用いられる一実施例においては、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２は、内径側ベーンシュラウド１４の全周のほぼ１／２（つまり１８０°）のセクションに区分されており、この場合は、各セクションが２６個の半割状ソケット部２４を有する。さらに、他の実施例においては、本発明のギア式可変ベーン同期機構を、小さなセグメントとして構成することができ、例えば分割型ファンケースの設計用に、ほぼ１／２（つまり１８０°）のセグメントとすることができる。
【００１２】
ステータベーン部１０は、一般的に、ガスタービンエンジンのコンプレッサ部内で、ロータブレード部の下流つまり後方に位置する。前段のロータブレード部ないしはファンによって、空気がステータベーン部１０内に押し込まれる。ステータベーン部１０を通過した空気は、通常、さらに設けられたロータブレード部へと流れる。駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、ガスタービンエンジンのコンプレッサ部を通る空気の流れを制御するために、各々の放射状の位置の上で回転する。本発明のギア式可変ベーン同期機構は、これらの回転を連係させる。
【００１３】
図２は、可変ベーン列１６のセグメントの前面の斜視図であり、本発明のギア式可変ベーン同期機構を示している。ギア式同期機構の内部構成を示すために、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２は図示していない。従動ベーン２８は、内径側ベーンシュラウド１４のソケット部２４内での回転のために、内径側トラニオン３０を備える。従動ベーン２８は、ファンケース１２（図１参照）のボス内での回転のために、外径側トラニオン３２を備える。通常、少なくとも１つの外径側トラニオン３２がファンケース１２外側の駆動源に接続される。内径側トラニオン３０は、ベーンシュラウド１４のソケット部２４内で回転するように構成されている。
【００１４】
本発明のギア式同期機構は、内径側ベーンシュラウド１４の内側に配置されている。ギア式同期機構は、ベーンギア３４とアイドルギア３６とを含む。このギア式同期機構は、被駆動ギア（ベーンギア３４）とアイドルギア（アイドルギア３６）とが交互に設けられた単純なギアトレーンである。このギアトレーンは、互いに噛み合ったギアがベーンシュラウド１４内で閉ループ状をなすように、円形に整列している。他の実施例においては、ギアトレーンが円弧状のセグメント、例えば分割型ファンケースの設計用のほぼ半円形（つまり１８０°）のセグメント、の形に構成されている。内径側トラニオン３０は従動ベーン２８をギア式同期機構に連結している。従って、外径側トラニオン３２の一つ、例えば駆動ベーン２６の外径側トラニオン３２が、駆動源によって回転すると、従動ベーン２８は、ギアトレーンを介して一斉に回転する。
【００１５】
内径側トラニオン３０は、その内径側の端部にベーンギア３４を含む。各ベーンギア３４の間にアイドルギア３６が位置している。ベーンギア３４は、前側シュラウドコンポーネント２０および後側シュラウドコンポーネント２２が組み合わされた状態において、ベーンシュラウド１４の内径側ギア溝内に位置している。アイドルギア３６は、このベーンシュラウド１４の内径側ギア溝内に回転可能に取り付けられている。一実施例においては、交互に配置されたベーンギア３４とアイドルギア３６とが、可変ベーン列１６全体に関連して、ベーンシュラウド１４の周囲全体に亘って連続している。一実施例においては、可変ベーン列１６は、５４個のベーンギア３４と５４個のアイドルギア３６とを含む。
【００１６】
図３は、図２のギア式可変ベーン同期機構の底部をステータベーン部の中心側から見た図を示す。ベーンギア３４Ａ〜３４Ｄは、従動ベーン２８の内径側の端部つまり内径側トラニオン３０の先端に配置されている。これらのベーンギア３４Ａ〜３４Ｄは、ベーンシュラウド１４の内径側ギア溝内で回転可能となっている。アイドルギア３６Ａ〜３６Ｃは、ベーンギア３４Ａ〜３４Ｄの間にあり、上記内径側ギア溝内に回転可能に取り付けられている。
【００１７】
１つあるいは複数の外径側トラニオン３２が駆動源によって回転すると、個々の従動ベーン２８の回転はギア式同期機構によって等しいものとなる。例えば、アクチュエータ１８によってステータベーン２８Ａが時計回り方向（図３参照）に回転したとすると、アイドルギア３６Ａはステータベーン２８Ａによって反時計回り方向に回転する。残りのベーンギア３４Ｂ〜３４Ｄおよびアイドルギア３６Ｂ〜３６Ｃも同様にして回転する。ベーンギア３４Ｂは、アイドルギア３６Ａによって時計回り方向に回転する。アイドルギア３６Ｂは、ベーンギア３４Ｂによって反時計回り方向に回転する。ベーンギア３４Ｃは、アイドルギア３６Ｂによって時計回り方向に回転する。アイドルギア３６Ｃは、ベーンギア３４Ｃによって反時計回り方向に回転する。ベーンギア３４Ｄは、アイドルギア３６Ｃによって時計回り方向に回転する。このようなベーンギアとアイドルギアとの交互の回転は、同様にギアトレーンの全長に亘って続く。従って、１つのベーンの駆動により、従動ベーン２８の全体が同じ量だけ回転する。
【００１８】
図４は、本発明における内径側ベーンシュラウド１４の後側ベーンシュラウドコンポーネント２２の一部を前方から見た斜視図を示している。後側ベーンシュラウドコンポーネント２２は、駆動ベーン２６および従動ベーン２８の内径側トラニオン３０を受ける後側凹部３８Ａ〜３８Ｈを備えている。内径側トラニオン３０は、ベーンギア３４が後側内径側ギア溝４０Ａ内に位置するような形で、後側凹部３８Ａ〜３８Ｈ内に挿入されている。アイドルギア３６は、後側凹部３８Ａ〜３８Ｈの中間位置となる位置４２Ａ〜４２Ｇにおいて、この後側ギア溝４０Ａ内に回転可能に配置されている。
【００１９】
図５は、本発明における内径側ベーンシュラウド１４の前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の一部を後方から見た斜視図を示している。前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、駆動ベーン２６および従動ベーン２８の内径側トラニオン３０を受ける前側凹部４４Ａ〜４４Ｈを備えている。この前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、後側凹部３８Ａ〜３８Ｈと前側凹部４４Ａ〜４４Ｈとが各々一致するようにして、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２と結合される。内径側トラニオン３０は後側凹部３８Ａ〜３８Ｈおよび前側凹部４４Ａ〜４４Ｈの内側に配置され、ベーンギア３４は、後側ギア溝４０Ａおよび前側ギア溝４０Ｂの内側に配置される。アイドルギア３６は、前側凹部４４Ａ〜４４Ｈの中間位置となる位置４６Ａ〜４６Ｇにおいて、後側ギア溝４０Ａおよび前側ギア溝４０Ｂの内側に配置される。このようにして、駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、前側シュラウドコンポーネント２０および後側シュラウドコンポーネント２２によって保持される。ベーンギア３４およびアイドルギア３６からなるギアトレーンは、個々のステータベーン２６の同期回転を行うように、後側ギア溝４０Ａおよび前側ギア溝４０Ｂの内部に動作可能に配置される。従って、ガスタービンエンジンの後続の部分へ流入すべくステータベーン部１０を流れ出る空気流の方向を、このギア式可変ベーン同期機構を用いて制御することができる。
【００２０】
以上、この発明の一実施例について説明したが、当業者であれば自明なように、本発明の範囲内でその形態や細部を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明が適用されるガスタービンエンジンのステータベーン部の一部切欠の正面図。
【図２】本発明のギア式可変ベーン同期機構を示す可変ベーン列のセグメントの前面の斜視図。
【図３】図２のギア式可変ベーン同期機構の底部をステータベーン部の中心側から見た図。
【図４】本発明における内径側ベーンシュラウドの後側ベーンシュラウドコンポーネントの一部を前方から見た斜視図。
【図５】本発明における内径側ベーンシュラウドの前側ベーンシュラウドコンポーネントの一部を後方から見た斜視図。
【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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【外国語明細書】
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