JP2007024051A - 可変ステータベーン用の軽量鋳造用内径側ベーンシュラウド - Google Patents

Abstract

【課題】インベストメント鋳造を用いた飛行可能な重量の内径側可変ベーンシュラウドを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン用の内径側ベーンシュラウド１４は、軽量な鋳造した前側および後側シュラウドコンポーネント２０，２２から構成されている。この前側および後側シュラウドコンポーネント２０，２２は、各コンポーネントを周方向に亘って延びる前側および後側の中空領域３０，３２を備えるように、インベストメント鋳造によって製造される。前側および後側シュラウドコンポーネント２０，２２は、互いに突き合わされて可変ステータベーン１６の内径側の端部を受けるソケット部２４を形成する。
【選択図】図３Ａ

Description

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。

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。

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）。

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。

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。

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。分割型シュラウドの設計においては、ベーンシュラウドは、前側コンポーネントと後側コンポーネントとに分割され、可変ステータベーンの内径側の端部は、２つのコンポーネントの間に保持される。従来は、内径側ベーンシュラウドの前側コンポーネントと後側コンポーネントは、中実の金属部品から製造されている。これらの中実の金属製ベーンシュラウドは、一般的に、重量が関心事とならない地上テスト用のエンジンに使用される。しかしながら、これらの中実のベーンシュラウドは、重量が最大の関心事である航空機のエンジンの製造に用いることには適していない。従って、飛行可能な重量の内径側可変ベーンシュラウドが必要とされている。

本発明は、タービンエンジンのステータベーンの内径側の端部を受けるための内径側ベーンシュラウドに関する。この内径側ベーンシュラウドは、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を備える。前側シュラウドコンポーネントは、規定された長さを有し、この前側シュラウドコンポーネントの長さに亘って延びる前側の中空チャネルを備える。後側シュラウドコンポーネントは、規定された長さを有し、この後側シュラウドコンポーネントの長さに亘って延びる後側の中空チャネルを備える。

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および後側ベーンシュラウドコンポーネント２２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の各々に設けられて、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。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おり、後側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いる。

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。上述した同時係属中の関連出願に記載されているような同期機構により、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が回転するときに、従動ベーン２８は同じ角度回転する。

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。

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。

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、内径側ベーンシュラウド１４のソケット部２４内において回転することが可能である。３‐３線は、内径側ベーンシュラウド１４に沿ってソケット部２４同士の間に位置する。ソケット部２４間で前側シュラウドコンポーネント２０と後側コンポーネント２２とが互いに固定され、内径側ベーンシュラウド１４を形成する。４‐４線は、内径側ベーンシュラウド１４に沿って従動ベーン２８Ａの内径側の端部がソケット部２４Ａに挿入されている位置にある。前側シュラウドコンポーネント２０と後側コンポーネント２２とが一体となり、可変ベーン列１６の内径側の端部を保持するソケット部２４を形成する。

図３Ａは、ベーンソケット部２４の間における内径側ベーンシュラウド１４の３‐３線に沿った断面図を示す。図３Ｂは、図３Ａの内径側ベーンシュラウドの断面の分解図を示す。図３Ａおよび図３Ｂについて、同時に説明する。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、前側の中空領域３０と、後側の中空領域３２と、孔３４と、留め具３６と、ロッキングインサート３７と、開口部３８と、キャップ３９と、凹部４０と、孔４２と、を備える。

周知のインベストメント鋳造技術を用いて、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を製造する間に、前側の中空領域３０および後側の中空領域３２が形成される。一実施例においては、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を鋳造する際に、成形型内にセラミックコアが配置される。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の成形品が、固化されて、冷却された後で、前側の中空領域３０および後側の中空領域３２を各々形成するために、セラミックコアは除去される。前側の中空領域３０および後側の中空領域３２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を製造するために必要な材料の量を低減させ、従って、内径側ベーンシュラウド１４の重量を低減させる。内径側ベーンシュラウド１４は、ガスタービンエンジンの運転中における駆動ベーン２６および従動ベーン２８の保持に十分な程度に頑丈である。さらに、軽量な鋳造された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は、使用されるステータベーンやガスタービンエンジンの設計の必要条件に合わせるように機械加工することが可能である。

前側シュラウドコンポーネント２０は、前側の中空領域３０への作業用の開口部３８とともに鋳造される。他の実施例においては、開口部３８は、鋳造後に機械処理により製造することができる。鋳造後、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の付加的な特徴部を、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０に機械加工することができる。例えば、重量を軽減する手段として、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、凹部４０を機械加工することができる。孔３４および孔４２は、付加的な機械加工ステップにより製造することができる。孔３４および凹部４０の精密な形状および形態は、内径側ベーンシュラウドが使用されるガスタービンエンジンの特定の設計の必要条件に関連する。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、最終的に必要とされる内径側ベーンシュラウド１４の全周より小さいセグメントに構成することができる。一実施例である分割型ファンケースの設計においては、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０は、ほぼ１／６（つまり６０°）のセグメントに区分されており、後側シュラウドコンポーネント２２は、ほぼ１／２（つまり１８０°）のセグメントに区分される。

内径側ベーンシュラウド１４は、留め具３６を用いて、前側シュラウドコンポーネント２０を後側シュラウドコンポーネント２２に固定することにより組立てられる。ロッキングインサート３７は、孔４２から横切るように孔３４内に配置される。留め具３６は、前側の中空領域３０を通過して、孔４２を通過して、孔３４のロッキングインサート３７へと挿入される。キャップ３９は、開口部３８を覆うように配置され、開口部を閉塞して、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０の正面を流線型の（ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ）面とする。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が組立てられる前に、駆動ベーン２６および従動ベーン２８が、ソケット部２４に挿入される。

図４Ａは、ベーンソケット２４における内径側ベーンシュラウド１４の図２の４‐４線に沿った断面図を示す。図４Ｂは、図４Ａの内径側ベーンシュラウドの断面の分解図を示す。図４Ａおよび４Ｂについて、同時に説明する。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、後側ベーンシュラウドコンポーネント２２と、ソケット部２４Ａと、前側の中空領域３０と、後側の中空領域３２と、凹部３３と、開口部３８と、キャップ３９と、を備える。従動ベーン２８Ａは、内径側ベーンシュラウド１４のソケット部２４Ａにおいて旋回するトラニオン４３を含む。ソケット部２４Ａは、凹部２５Ａ，２５Ｂから構成されている。図３Ａに示されるように、前側ベーンシュラウドコンポーネント２０が、留め具３６を用いて後側シュラウドコンポーネントに固定されると、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が一体となりソケット部２４Ａを形成する。ソケット部２４Ａは、トラニオン４３の輪郭を受けるための輪郭を有する。従って、トラニオン４３は、ソケット部２４Ａに保持され、ソケット部２４において回転可能である。凹部３３は、重量を軽減する手段として後側シュラウドコンポーネント２２に、直接に鋳造されるか、機械加工される。

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。

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。 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拡大図。 図２の３‐３線に沿ったベーンストック間の内径側ベーンシュラウドの断面図。 図３Ａの内径側ベーンシュラウドの断面図の分解組立図。 図２の４‐４線に沿ったベーンソケットにおける内径側ベーンシュラウドの断面図。 図４Ａの内径側ベーンシュラウドの断面図の分解組立図。

符号の説明

１４…ベーンシュラウド
３０…前側の中空領域
３２…後側の中空領域
３４，４２…孔
３６…留め具
３９…キャップ
４０…凹部

Claims (25)

1. タービンエンジンのステータベーンの内径側の端部を受けるための内径側ベーンシュラウドであって、
   アーチ形の長さを有するとともに、
   上記の長さに亘って延びる前側の中空チャネルと、後方へ向く凹部と、を備えた前側シュラウドコンポーネントと、
   アーチ形の長さを有するとともに、
   上記の長さに亘って延びる後側の中空チャネルと、ステータベーンの内径側の端部を受けるためのソケット部を形成するように、上記の後方へ向く凹部に合致する前方へ向いた凹部と、を備える後側コンポーネントと、
   を備えることを特徴とするタービンエンジン用ベーンシュラウド。
2. 前側シュラウドコンポーネントが、前側シュラウドコンポーネントの長さに亘って延びる上記の前側中空チャネルへの開口部を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用ベーンシュラウド。
3. 前側シュラウドコンポーネントが、前側の中空チャネルの上記開口部を覆うためのキャップを備えることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン用ベーンシュラウド。
4. 前側シュラウドコンポーネントが、留め具を受けるための孔を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用ベーンシュラウド。
5. 後側ベーンシュラウドコンポーネントが、ねじ式の留め具を受けるための孔を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用ベーンシュラウド。
6. 上記の孔が、ねじ式の留め具を受けるための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５に記載のタービンエンジン用ベーンシュラウド。
7. 上記のねじ式の留め具が、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を結合するように用いられるとともに、留め具がソケット部間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用ベーンシュラウド。
8. 外径側ファンケースと、複数のステータベーンと、内径側ベーンシュラウドと、を備えるタービンエンジン用ステータベーン部であって、
   上記の複数のステータベーンの各々が、内径側の端部と、外径側ファンケース内で回転するための外径側の端部と、を備え、
   上記の内径側ベーンシュラウドが、
   周方向に亘って延びる前側の中空チャネルと、複数の前側の凹部と、を備える前側シュラウドコンポーネントと、
   周方向に亘って延びる後側の中空チャネルと、ステータベーンの内径側の端部を受けるように、上記の前側の凹部に合致する複数の後側の凹部と、を備える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タービンエンジン用ステータベーン部。
9. 後側シュラウドコンポーネントが、ねじ式の留め具を受けるための孔を備えることを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
10. 上記の孔が、ねじ式の留め具を受けるために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９に記載のガスタービンエンジン用ステータベーン部。
11. 前側シュラウドコンポーネントが、前側の中空チャネルへの作業用の開口部を備えることを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
12. 前側シュラウドコンポーネントが、開口部を覆うためのキャップを備えることを特徴とする請求項１１に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
13. 前側シュラウドコンポーネントが、ねじ式の留め具を受けるための複数の孔を備えることを特徴とする請求項８に記載のタービンエンジン用ステータベーン部。
14. アーチ形の本体部と、
    ステータベーンの内径側の端部を受けるための部分的なソケット部を備える接合面と、
    アーチ形の本体部の長さに亘って延びる内部の中空チャネルと、
    を備えることを特徴とするベーンシュラウドセグメント。
15. アーチ形の本体部が、ねじ式の留め具を受けるための孔を備えることを特徴とする請求項１４に記載のベーンシュラウドセグメント。
16. 上記の孔が、ねじ式の留め具を受けるための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１５に記載のベーンシュラウドセグメント。
17. アーチ形の本体部が、内部の中空チャネルへの作業用の開口部を備えることを特徴とする請求項１４に記載のベーンシュラウドセグメント。
18. アーチ形の本体部が、開口部を覆うためのキャップを備えることを特徴とする請求項１７に記載のベーンシュラウドセグメント。
19. アーチ形の本体部が、ねじ式の留め具を受けるための複数の孔を備えることを特徴とする請求項１４に記載のベーンシュラウドセグメント。
20. ステータベーンの内径側の端部を受けるように突き合わされている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を有する内径側ベーンシュラウドにおいて、
    前側シュラウドコンポーネントの内部を通して延びる前側の中空チャネルと、
    後側シュラウドコンポーネントの内部を通して延びる後側の中空チャネルと、
    を備えることを特徴とする内径側ベーンシュラウド。
21. 後側シュラウドコンポーネントが、ねじ式の留め具を受けるための孔を備えることを特徴とする請求項２０に記載の内径側ベーンシュラウド。
22. 上記の孔が、ねじ式の留め具を受けるための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２１に記載の内径側ベーンシュラウド。
23. 前側シュラウドコンポーネントが、前側の中空チャネルへの作業用の開口部を備えることを特徴とする請求項２０に記載の内径側ベーンシュラウド。
24. 前側シュラウドコンポーネントが、上記開口部を覆うためのキャップを備えることを特徴とする請求項２３に記載の内径側ベーンシュラウド。
25. 前側シュラウドコンポーネントが、ねじ式の留め具を受けるための複数の孔を備えることを特徴とする請求項２０に記載の内径側ベーンシュラウド。

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