(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】可変ベーンアッセンブリは、可変ベーン列１６を同期回転する同期リング機構を備える。この可変ベーンアッセンブリは、駆動ベーン２６と、同期リング３８と、ベーンアーム３４と、複数の従動ベーン２８と、複数の従動アームと、を備える。駆動ベーン２６の内径側の端部は、内径側ベーンシュラウド１４において回転する。同期リングは、内径側ベーンシュラウド内部チャネルにおいて回転する。ベーンアーム３４は、駆動ベーンの内径側の端部を同期リングに結合する。複数の従動ベーン２８は、従動アームを介して、同期リング３８に結合する。駆動ベーン２６が、駆動源１８により回転するとき、複数の従動ベーン２８は、同期リングと従動アームとを介して、同じ角度回転する。【選択図】図３
2007024049.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、
内径側ベーンシュラウドの内部チャネル内に回転可能に配置された同期リングと、
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、複数の回転可能なステータベーンの各々のステータベーン内径側の端部を同期リングに結合する複数のベーンアームと、
を備えることを特徴とする可変ベーンアッセンブリ。
【請求項２】
内径側ベーンシュラウドが、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３】
後側ベーンシュラウドコンポーネントが内部チャネルを備えることを特徴とする請求項２に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項４】
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、回転可能な複数のステータベーンの内径側の端部を受けるソケットを備えることを特徴とする請求項２に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項５】
内部チャネルを備える内径側ベーンシュラウドと、
内径側ベーンシュラウド内で回転する第１の内径側の端部を備える駆動ベーンと、
内径側ベーンシュラウドの内部チャネルで回転可能である同期リングと、
駆動ベーンの内径側端部を同期リングに結合するベーンアームと、
各々が内径側ベーンシュラウド内で回転する第２の内径側の端部を有している複数の従動ベーンと、
第２の内径側の端部を同期リングに結合する複数の従動アームと、を備え、駆動ベーンがある角度回転したときに、複数の従動ベーンが同期リングおよび従動アームを介して同じ角度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】
内径側ベーンシュラウドが、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】
後側シュラウドコンポーネントが内部チャネルを備えることを特徴とする請求項６に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項８】
後側ベーンシュラウドコンポーネントおよび前側シュラウドコンポーネントが、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を備えることを特徴とする請求項６に記載の可変ベーンアッセンブリ。
【請求項９】
外径側ファンケースと、
内部チャネルを備える内径側ベーンシュラウドと、
内部チャネル内で回転するように構成された同期リングと、
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、内径側のベーンシュラウド内で回転する第１の内径側の端部と、を備える駆動ベーンと、
駆動ベーンの第１の内径側の端部を同期リングに結合する駆動アームと、
駆動ベーンの外径側の端部を回転させるアクチュエータと、
各々が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の内径側の端部とを備えた複数の従動ベーンと、
第２の内径側端部を同期リングに結合する複数の従動アームと、を備え、駆動ベーンがアクチュエータによりある角度回転したときに、複数の従動ベーンが同期リングおよび従動アームを介して同じ角度回転するように構成されているガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１０】
内径側のベーンシュラウドが、前側シュラウドコンポーネントと後側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に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１１】
前側シュラウドコンポーネントおよび後側シュラウドコンポーネントが、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を備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１２】
後側シュラウドコンポーネントが内部チャネルを備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１３】
第１の内径側の端部および第２の内径側の端部が、留め具用チャネルを備えることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１４】
留め具用チャネルが、ねじ式の留め具を受けるロッキングインサートを備え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ステータベーン部。
【請求項１５】
駆動アームおよび複数の従動アームを、第１の内径側の端部および第２の内径側の端部に、各々保持するように、留め具用チャネルに挿入された留め具を有することを特徴とする請求項１３に記載のガスタービン用ステータベーン部。
【請求項１６】
上記留め具が、駆動ベーンおよび複数の従動ベーンを内径側ベーンシュラウドに回転可能に保持するボタンを備えることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１７】
上記ボタンが、駆動アームおよび複数の従動アームを、駆動ベーンおよび複数の従動ベーンに、各々保持することを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１８】
第１の内径側の端部および第２の内径側の端部が、矩形断面を有するベーンアームポストを備えることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項１９】
駆動アームの端部および従動アームの各々の端部が、矩形断面を有する環状部を備えることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項２０】
同期リングが、内径側ベーンシュラウドの内部チャネル内での同期リングの真円度を維持するようにバンパーを備えることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
【請求項２１】
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において、
ブレード部と、
ファンケース内で回転する外径側の端部と、
内径側ベーンシュラウド内で回転する内径側の端部と、
ベーンアームを受けるように内径側の端部に配置されたアームポストと、
を備えることを特徴とするガスタービンエンジン用の可変ベーン。
【請求項２２】
上記アームポストが、ねじ式の留め具を受ける留め具用チャネルを備えることを特徴とする請求項２１に記載のガスタービンエンジン用の可変ベーン。
【請求項２３】
上記留め具用チャネルが、ねじ式の留め具のねじを受けるロッキングインサートを備えることを特徴とする請求項２２に記載のガスタービンエンジン用の可変ベーン。
【請求項２４】
上記内径側の端部が、内径側ベーンシュラウド内で回転するトラニオンを備えることを特徴とする請求項２１に記載のガスタービンエンジン用の可変ベーン。
【請求項２５】
上記外径側の端部が、外径側ファンケース内で回転するトラニオンを備えることを特徴とする請求項２１に記載のガスタービンエンジン用の可変ベーン。
【請求項２６】
上記内径側の端部が、可変ベーンを内径側ベーンシュラウド内で回転可能に固定するボタンを備えることを特徴とする請求項２１に記載のガスタービンエンジン用の可変ベーン。
【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可変ステータベーンアッセンブリに関する。
【０００２】
本発明は、米国海軍による契約番号 N00019-02-C3003 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の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ギアトレーン可変ベーン同期機構」（整理番号U73.12-004）、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に変換すること、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１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角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、可変ベーン列を同期回転させる可変ベーンアッセンブリに関する。この可変ベーンアッセンブリは、駆動ベーンと、同期リングと、ベーンアームと、複数の従動ベーンおよび従動アームと、を含む。駆動ベーンの内径側の端部は、内径側ベーンシュラウドにおいて回転する。同期リングは、内径側ベーンシュラウドの内部チャネルにおいて回転する。ベーンアームは、駆動ベーンの内径側の端部を同期リングに結合している。複数の従動ベーンは、従動アームによって同期リングに結合している。駆動ベーンが、駆動源により回転するとき、複数の従動ベーンは、同期リングと従動アームにより同じ角度回転する。
【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と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、本発明の同期リング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が回転するとき、従動ベーン２８は同じ角度回転する。
【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。本発明の同期リング式可変ベーン同期機構は、分割型ファンケースの設計用に、ほぼ１／２（つまり１８０°）のセグメントのような小型のセグメントとして構成することができる。さらに、他の実施例においては、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を、フルリング（つまり３６０°）式ファンケースの設計用に、同期リング式可変ベーン同期機構に沿って、フルリングとすることができる。
【００１２】
ステータベーン部１０は、一般に、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ファンによって、空気がステータベーン部１０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流れる空気を制御するために、各々の放射状の位置で回転する。本発明の同期リング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、ファンケース１２と本発明の内径側ベーンシュラウド１４との間に配置されるステータベーン列１６の一部の拡大図を示す。駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、内径側端部の内径側ベーンシュラウド１４のソケット部２４において、回転可能である。駆動ベーン２６および従動ベーン２８は、外径側端部のファンケース１２において、回転可能である。３−３線は、従動ベーン２８Ａの内径側端部がソケット部２４Ａに挿入されている、内径側ベーンシュラウド１４に沿って位置している。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が互いに合わさり、可変ベーン列１６の内径側端部を保持するためのソケット部２４を形成する。
【００１４】
図３は、ソケット部２４Ａにおける内径側ベーンシュラウド１４のベーンを示している、図２の３−３線に沿った断面図を示す。内径側ベーンシュラウド１４は、前側シュラウドコンポーネント２０と、後側シュラウドコンポーネント２２と、ソケット部２４Ａと、内部チャネル３０と、クリアランスホール３２と、を備える。ベーンアーム３４は、トラニオンフープ３６と、ピンホール３７と、を備える。同期リング３８は、ラグ４０と、バンパー４２と、を備える。従動ベーン２８Ａは、ロッキングインサート４４と、トラニオン４６と、ベーンアームポスト４８と、留め具用チャネル５０と、を備える。
【００１５】
ロッキングインサート４４は、留め具用チャネル５０の内側に保持される。ベーンアーム３４のトラニオンフープ３６は、ベーンアームポスト４８の上に挿入される。ボタン５２は、留め具５４の頭部の周りに保持される。その後、留め具５４が、留め具用チャネル５０に挿入されて、ロッキングインサート４４にねじ込まれる。ボタン５２は、トラニオン４６に対してトラニオンフープ３６を押しつけ、これをベーンアームポスト４８の周囲に保持する。一実施例においては、ベーンアームポスト４８とトラニオンフープ３６とは、トラニオンフープ３６がベーンアームポスト４８の上に挿入された状態で、これらが互いに回転することができないように、矩形状の輪郭を有している。ファンケース１２に、従動ベーン２８Ａと、ベーンアーム３４と、留め具５４と、ボタン５２と、が取付けられる。このような処理が、従動ベーン２８および駆動ベーン２６全てに繰り返される。バンパー４２は、同期リング３８の下面に配置され、同期リングが内部チャネル３０を通る円形の経路に維持されることに寄与する。同期リング３８は、後側シュラウドコンポーネント２２の内側に配置される。その後、同期リング３８とともに後側シュラウドコンポーネント２２が、トラニオン４６に対して配置される。ピン５６は、クリアランスホール３２を介して配置され、ピンホール３７に挿入されて、ベーンアーム３４をラグ４０にしっかりと固定する。ピン５６は、ラグ４０にきつく嵌合され、ベーンアーム３４は、ピン５６において旋回することができる。可変ベーン列１６の複数の従動ベーン２８および駆動ベーン２６は、同様に同期リング３８に結合される。
【００１６】
前側シュラウドコンポーネント２０は、ソケット部２４Ａがボタン５２の周囲に嵌合するように、後側シュラウドコンポーネント２２に対して配置される。ボタン５２は、従動ベーン２８Ａをソケット部２４Ａ内で旋回可能に保持するために用いられる。前側シュラウドコンポーネント２０は、周知なように、後側シュラウドコンポーネント２２に固定される。
【００１７】
同期リング式可変ベーン同期機構を作動させる間、アクチュエータ１８が、駆動ベーン２６を回転させる。駆動ベーン２６のベーンアーム３４は、同様に、トラニオン４６の周りを回転する。同期リング３８は、駆動ベーン２６のベーンアーム３４によって押し出され、内部チャネル３０内を回転する。従って、同期リング３８は、従動ベーン２８に結合しているベーンアーム３４を引っ張る。これにより、アクチュエータ１８によって駆動ベーン２６が回転した角度と同じ角度従動ベーン２８を回転させる。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を出た空気の流れの方向を、同期リング式可変ベーン同期機構を用いて制御することができる。
【００１８】
本発明の同期リング式可変ベーン同期機構は、より小型のセグメントとして構成することができる。一実施例においては、同期リング３８は、分割型ファンケースの設計用に、第１および第２のセグメントに分割されている。
【００１９】
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】
【００２０】
【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の一部切欠の正面図。
【図２】ファンケースと本発明の内径側ベーンシュラウドとの間に配置されたステータベーン列の部分的な拡大図。
【図３】ベーンソケット部において、内径側ベーンシュラウドを示している図２の３‐３線に沿った断面図。
【符号の説明】
【００２１】
２０…前側ベーンシュラウドコンポーネント
２２…後側ベーンシュラウドコンポーネント
３０…内部チャネル
３４…ベーンアーム
３８…同期リング
４６…トラニオン
４８…ベーンアームポスト
【図１】
2007024049.tif 000003
【図２】
2007024049.tif 000004
【図３】
2007024049.tif 000005
【外国語明細書】
2007024049000001.pdf