JP7431640B2

JP7431640B2 - ガスタービンエンジンのユニゾンリング

Info

Publication number: JP7431640B2
Application number: JP2020061796A
Authority: JP
Inventors: 孝浩安東; 広和佐々木; 英俊竹村; 展大立松; 光紘川勝; 良介浦口; 耕平行
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2024-02-15
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: WO2021199995A1; EP4130491A1; EP4130491A4; JP2021161885A; US11840959B2; US20230147099A1

Description

本発明は、圧縮機、燃焼器及びタービンを備えるガスタービンエンジンのケーシングの外周に沿って配置され、前記圧縮機の複数の可変静翼に連結されるユニゾンリングに関する。

ガスタービンエンジンは、ケーシング内において回転軸に沿って並んで配置された、圧縮機、燃焼器及びタービンを備える（例えば、特許文献１参照）。圧縮機は、回転軸に接続された複数の動翼と、ケーシングに接続された複数の可変静翼とを有する。可変静翼の回動軸部はケーシングの外方に突出し、ケーシングの外周側にはユニゾンリングが配置され、ユニゾンリングのピン孔に挿通されたピンがレバーを介して可変静翼の回動軸部に連結されている。アクチュエータによってユニゾンリングをケーシングの外周面に沿って所望の角度だけ回転させると、その回転がレバーを介して可変静翼の回動軸部に伝達され、可変静翼の角度が変更される。

特開２０１４－４７７８３号公報

アクチュエータによってユニゾンリングを回転させるとき、圧縮機内の圧縮空気から可変静翼が受ける圧力がレバーを介してユニゾンリングに反力として作用する。そのため、ユニゾンリングに曲げ応力及び捩れ応力が発生し、ユニゾンリングが変形し得る。ユニゾンリングが変形すると、可変静翼の角度が目標角度からずれることになる。可変静翼の角度に誤差が生じると、圧縮機の動作が不安定になる、及び、効率低下が発生し得る。

そこで本発明は、ユニゾンリングを工夫して、ガスタービンエンジンの圧縮機の動作安定性の低下、及び、効率低下を防止することを目的とする。

本発明の一態様に係るガスタービンエンジンのユニゾンリングは、圧縮機、燃焼器及びタービンを備えるガスタービンエンジンのケーシングの外周に沿って配置され、前記圧縮機の複数の可変静翼に連結されるユニゾンリングであって、樹脂及び強化繊維を含む繊維強化樹脂を有し、環状体又は複数の円弧体からなり、前記ユニゾンリングの軸線方向に直交する径方向にピンが挿通されるピン孔を有し、前記繊維強化樹脂の前記強化繊維の主配向が、前記ユニゾンリングの周方向に向いている。

前記構成によれば、ユニゾンリングが繊維強化樹脂を含み且つ強化繊維の主配向がユニゾンリングの周方向に向いているため、ユニゾンリングを軽量としながらもユニゾンリングの曲げ剛性を高めることができる。よって、可変静翼の角度誤差を低減でき、ガスタービンエンジンの圧縮機の作動安定性の低下、及び、効率低下を防止できる。

本発明によれば、ユニゾンリングの剛性を高め、ガスタービンエンジンの圧縮機の作動安定性低下、及び、効率低下を防止することができる。

図１は、実施形態に係るガスタービンを示す模式図である。図２は、図１に示すガスタービンエンジンのユニゾンリングの正面図である。図３（Ａ）は、図２のIIA－IIA線断面図である。図３（Ｂ）は、図２のIIB－IIB線断面図である。図４は、図２に示すユニゾンリングの部分斜視図である。図５は、図２に示すユニゾンリングを適用したガスタービンエンジンの要部断面図である。図６は、図５に示すユニゾンリング等を径方向外方から見てユニゾンリングのピン孔の動作軌跡を説明する図面である。図７（Ａ）は、第１変形例のユニゾンリングの断面図である。図７（Ｂ）は、第２変形例のユニゾンリングの断面図である。図７（Ｃ）は、第３変形例のユニゾンリングの断面図である。図８は、断面形状ごとのユニゾンリングの曲げ剛性値のグラフである。図９は、断面形状ごとのユニゾンリングの捩れ剛性値のグラフである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係るガスタービンを示す模式図である。図１に示すように、ガスタービンエンジン１は、ケーシング２を備える。ケーシング２には、圧縮機３、燃焼器４及びタービン５が収容されている。圧縮機３及びタービン５は、互いに回転軸６によって連結されている。圧縮機３は、タービン５に連動して回転することで空気を圧縮し、その圧縮空気を燃焼器４に供給する。燃焼器４から噴出される燃焼ガスは、タービン５を回転させると共に外部に排出される。ガスタービンエンジン１は、航空機エンジンとして利用され得る。

圧縮機３は、複数組の動翼列及び静翼列を有する。圧縮機３の少なくとも１列の静翼列は、それぞれ迎え角を調節可能なようにケーシング２の周方向に並んで配置された複数の可変静翼１１（図５参照）を有する。ケーシング２には、ガスタービンエンジン１の軸線方向に並ぶように複数のユニゾンリング１０が外嵌されている。ユニゾンリング１０は、ケーシング２の外周面に対して周方向に相対回転可能である。ユニゾンリング１０がケーシング２の外周面に沿って周方向（回転方向）に角変位することによって可変静翼１１の迎え角が変更される。

図２は、図１に示すガスタービンエンジン１のユニゾンリング１０の正面図である。図３（Ａ）は、図２のIIA－IIA線断面図である。図３（Ｂ）は、図２のIIB－IIB線断面図である。図４は、図２に示すユニゾンリング１０の部分斜視図である。図２～４に示すように、ユニゾンリング１０は、繊維強化樹脂製の一体成形された環状体である。なお、ユニゾンリング１０は、周状に配置された互いに別体の複数の円弧体からなり全体として実質的に環状を呈する構成としてもよい。

ユニゾンリング１０の軸線Ｘは、ユニゾンリング１０の中心を通ってユニゾンリング１０の径方向Ｒに直交する。ユニゾンリング１０の軸線Ｘが延びる方向（以下、軸線方向Ｘと称する）は、ユニゾンリング１０の径方向Ｒに直交する方向である。ユニゾンリング１０の周方向Ｃは、ユニゾンリング１０の外周面に沿った方向である。即ち、ユニゾンリング１０の周方向Ｃは、軸線方向Ｘから見てユニゾンリング１０の軸線Ｘを中心とした円に沿った方向である。

ユニゾンリング１０の周方向Ｃに直交する断面（ユニゾンリング１０の軸線Ｘを含む断面）において、ユニゾンリング１０は、種々の断面形状を採用し得る。一例として、ユニゾンリング１０は、内板部２１、外板部２２、連結板部２３、一対の内フランジ板部２４及び一対の外フランジ板部２５を有する。内板部２１及び外板部２２は、径方向Ｒに向いた主面を含む円筒形状を有する。外板部２２は、内板部２１から径方向Ｒの外方に離れた状態で内板部２１と同心円状に配置されている。内板部２１及び外板部２２は、周方向に間隔をあけて配置された複数のピン孔２１ａ，２２ａを有する。内板部２１のピン孔２１ａと外板部２２のピン孔２２ａとは、径方向Ｒに見てそれぞれ互いに合致している。

連結板部２３は、軸線方向Ｘに向いた主面を含む環状平板形状を有する。連結板部２３は、内板部２１の軸線方向Ｘの一端を外板部２２の軸線方向Ｘの一端に連結している。内板部２１と外板部２２との間の中間空間Ｓは、軸線方向Ｘにおいて連結板部２３と反対側に向けて開放されている。換言すると、ユニゾンリング１０は、内板部２１の軸線方向Ｘの他端を外板部２２の軸線方向Ｘの他端との間に開口Ｑを有する。

一対の内フランジ板部２４の各々は、軸線方向Ｘに向いた主面を含む環状平板形状を有する。一対の内フランジ板部２４は、互いに軸線方向Ｘに離れている。一対の内フランジ板部２４は、内板部２１の軸線方向Ｘの両端からそれぞれ径方向Ｒの内方に突出している。一対の外フランジ板部２５の各々は、軸線方向Ｘに向いた主面を含む環状平板形状を有する。一対の外フランジ板部２５は、互いに軸線方向Ｘに離れている。一対の外フランジ板部２５は、外板部２２の軸線方向Ｘの両端からそれぞれ径方向Ｒの外方に突出している。

一対の外フランジ板部２５は、部分的に径方向Ｒに突出した支持部２５ａを有する。支持部２５ａは、外フランジ板部２５の一部として一体成形されている。支持部２５ａは、軸線方向Ｘに貫通した支持孔Ｈを有する。支持部２５ａは、ケーシング２に対してユニゾンリング１０を軸線Ｘ周りに角変位させるため、後述するアクチュエータ１８の駆動力が入力される部分である。

本実施形態では、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに直交する断面は、軸線方向Ｘを上下方向にして見て実質的にπ形状を有する。ユニゾンリング１０の周方向Ｃに直交する断面は、その断面が周方向Ｃの何れの位置のものであっても、径方向Ｒにおける寸法Ｌ１が軸線方向Ｘにおける寸法Ｌ２よりも大きい形状を有する。即ち、図３（Ｂ）に示す断面だけでなく、図３（Ａ）に示す断面においても、Ｌ１＞Ｌ２が成り立つ。

ユニゾンリング１０は、前述したように樹脂及び強化繊維を含む繊維強化樹脂で形成されている。前記樹脂は、ビスマレイミド、エポキシ及びポリイミド等から選ばれる樹脂材料からなる。前記強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維等から選ばれる繊維材料からなる。ユニゾンリング１０は、複数の強化繊維シートに樹脂を含侵させてなる複数のプリプレグを積層し、加圧成形して製造される。

前記複数の強化繊維シートは、例えば、強化繊維を一方向に配向したＵＤ材からなるシートと、強化繊維を二方向に配向したファブリック材からなるシートとを含む。ＵＤ材の配向は、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに向いて延びる。ファブリック材の配向の１つは、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに向いて延びる。例えば、ファブリック材の強化繊維の全体のうち、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに延びた強化繊維の割合は、５０％以上とし得る。

ユニゾンリング１０の全体において、前記強化繊維の全ての配向のうち最も多い配向は、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに向いて延びる。即ち、前記繊維強化樹脂の前記強化繊維の主配向が、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに向いている。

前記複数の強化繊維シートは、複数の第１強化繊維シート、複数の第２強化繊維シート及び複数の第３強化繊維シートを含む。第１～第３強化繊維シートのうち２つのシート同士が、部分的に積層される。第１～第３強化繊維シートは、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに直交する断面において互いに異なる方向に分岐して配置されている。

そのため、第１～第３強化繊維シートによって囲まれる隙間が発生する。その隙間には樹脂が含浸された強化繊維フィラーが挿入され、隙間による強度低下が防止される。例えば、強化繊維フィラーには、強化繊維シートを筒状に丸めたものを用いることができる。なお、強化繊維フィラーの強化繊維の主配向は、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに向いていると好ましい。

図５は、図２に示すユニゾンリング１０を適用したガスタービンエンジン１の要部断面図である。図５に示すように、ユニゾンリング１０の内板部２１及び外板部２２のピン孔２１ａ，２２ａには、ピン１３が抜け止めされた状態で径方向Ｒに挿通される。ピン１３は、レバー１４の一端部１４ａに回動自在に挿通される。レバー１４の一端部１４ａは、ユニゾンリング１０の中間空間Ｓにおいてピン１３に回転自在に接続され、ユニゾンリング１０の開口Ｑを通って中間空間Ｓの外側に軸線方向Ｘに延びている。

可変静翼１１は、静翼本体部１１ａ及び軸部１１ｂを有する。静翼本体部１１ａは、圧縮機３内の流体に接触して当該流体を整流する羽根である。軸部１１ｂは、静翼本体部１１ａから径方向Ｒの外方に突出してケーシング２の外側に突出する。レバー１４の他端部１４ｂは、可変静翼１１の軸部１１ｂに対して相対回転不能に締結具１５によって固定される。可変静翼１１の回転軸線Ｙは、軸部１１ｂの軸線である。レバー１４の一端部１４ａが周方向Ｃに変位することで、レバー１４の他端部１４ｂが可変静翼１１を軸線Ｙ周りに角変位させる。

図６は、図５に示すユニゾンリング１０等を径方向Ｒの外方から見てユニゾンリング１０のピン孔２２ａの動作軌跡Ｔを説明する図面である。図６に示すように、一対の外フランジ板部２５の支持孔Ｈ（図２も参照）には、ロッド１７の先端部に回動自在に挿通されたピン１６の両端部が、抜け止めされた状態で挿通されている。ロッド１７は、ユニゾンリング１０の外周面に沿って周方向Ｃに進退するようにアクチュエータ１８に駆動される。なお、図２では、簡略化のためにアクチュエータ１８がロッド１７に直接的に接続された態様で図示されているが、特許文献１のようにアクチュエータ１８とロッド１７との間に図示しないクランク機構等が介在し得る。

アクチュエータ１８の駆動力によってロッド１７が進退すると、ユニゾンリング１０が周方向Ｃにおいて軸線Ｘ周りに角変位する。それに伴い、ピン１３が周方向Ｃに移動してレバー１４が軸線Ｙ周りに回動し、可変静翼１１が軸線Ｙ周りに角変位する。この際、アクチュエータ１８の駆動力は、ユニゾンリング１０の支持部２５ａに入力されるため、ユニゾンリング１０には周方向Ｃにおいて部分的に荷重が入力されることになる（図２では荷重入力部位（支持部２５ａ）が２ヶ所）。よって、ユニゾンリング１０には、径方向Ｒに向けた曲げ変形を生じさせようとする応力が発生する。

また、レバー１４の長さは一定であるため、ピン１３及びピン孔２２ａは、可変静翼１１の軸線Ｙを中心とした円弧状の軌跡Ｔ上を移動することになる。そのため、ユニゾンリング１０は、ロッド１７の進退に伴って、周方向Ｃだけでなく軸線方向Ｘにも僅かに移動する。そうすると、ロッド１７の進退方向がユニゾンリング１０の周方向Ｃと僅かに一致しなくなる。よって、ユニゾンリング１０には、周方向Ｃ周りの捩れ変形を生じさせようとする応力が発生する。

ユニゾンリング１０の断面形状は前述したものに限られず、種々の断面形状を採用することができる。図７（Ａ）は、第１変形例のユニゾンリング１１０の断面図である。図７（Ｂ）は、第２変形例のユニゾンリング２１０の断面図である。図７（Ｃ）は、第３変形例のユニゾンリング３１０の断面図である。なお、ユニゾンリング１０と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。

図７（Ａ）に示すように、第１変形例のユニゾンリング１１０では、図３（Ａ）のユニゾンリング１０に比べ、内板部２１と外板部２２との間の中間空間Ｓを開放する開口Ｑが設けられていない。即ち、ユニゾンリング１１０では、一対の連結板部２３のうち一方が、内板部２１の軸線方向Ｘの一端を外板部２２の軸線方向Ｘの一端に連結し、一対の連結板部２３のうち他方が、内板部２１の軸線方向Ｘの他端を外板部２２の軸線方向Ｘの他端に連結している。なお、他の構成は前述したユニゾンリング１０と同様であるため説明を省略する。

図７（Ｂ）に示すように、第２変形例のユニゾンリング２１０では、外フランジ板部２５が設けられていない。このユニゾンリング２１０においても、径方向Ｒにおける寸法が軸線方向Ｘにおける寸法よりも大きいことが好ましい。なお、他の構成は前述したユニゾンリング１０と同様であるため説明を省略する。

図７（Ｃ）に示すように、第３変形例のユニゾンリング３１０では、内フランジ板部２４が設けられていない。このユニゾンリング３１０においても、径方向Ｒにおける寸法が軸線方向Ｘにおける寸法よりも大きいことが好ましい。なお、他の構成は前述したユニゾンリング１０と同様であるため説明を省略する。

次に、ユニゾンリングの断面形状の違いによる曲げ剛性及び捩れ剛性の違いを検討する。コンピュータシミュレーションを用いて、異なる断面形状のユニゾンリングごとの曲げ剛性値及び捩れ剛性値の計算結果を求めた。本シミュレーションには、Altair Engineering社のソフトウェアであるInspireを用いた。なお、本シミュレーションでは、断面形状以外の条件を互いに同一に設定した。

図８は、断面形状ごとのユニゾンリングの曲げ剛性値のグラフである。図９は、断面形状ごとのユニゾンリングの捩れ剛性値のグラフである。Baseの断面形状は、従来のユニゾンリングの断面形状である矩形形状である。Case1の断面形状は、環状形状である。Case2の断面形状は、I形状である。Case3の断面形状は、馬蹄形状である。Case4は、図７（Ａ）の断面形状である。Case5の断面形状は、図３（Ａ）の断面形状である。Case6は図７（Ｂ）の断面形状である。Case7の断面形状は、図７（Ｃ）の断面形状である。なお、図８及び９のグラフの縦軸は、Baseの断面形状における値を基準とした相対値を示している。

図８に示すように、ユニゾンリングの曲げ剛性については、Base及びCase1に比べ、Case2-7が優れていることが分かった。図９に示すように、ユニゾンリングの捩れ剛性については、Case2-3に比べ、Base及びCase4-7が優れていることが分かった。よって、ユニゾンリングの曲げ剛性及び捩れ剛性の両方については、Case4-7が優れていることが分かった。

以上に説明した構成によれば、ユニゾンリング１０が繊維強化樹脂を含み且つ強化繊維の主配向がユニゾンリング１０の周方向Ｃに向いているため、ユニゾンリング１０を軽量としながらもユニゾンリング１０の曲げ剛性を高めることができる。よって、可変静翼１１の角度誤差を低減でき、ガスタービンエンジン１の圧縮機３の作動安定性低下、及び、効率低下を防止できる。

また、ユニゾンリング１０の周方向Ｃに直交する断面は、径方向Ｒにおける寸法Ｌ１が軸線方向Ｘにおける寸法Ｌ２よりも大きい形状を有することで、ユニゾンリング１０の径方向Ｒの曲げ剛性を更に高めることができる。

また、連結板部２３によって軽量で曲げ剛性を高めながらも、フランジ板部２４，２５によって捩れ剛性も高めることができる。また、内板部２１と外板部２２との間の中間空間Ｓは、軸線方向Ｘにおいて連結板部２３と反対側に向けて開放されているので、可変静翼１１に連結されたレバー１４を内板部２１と外板部２２との間の中間空間Ｓにおいてピン１３に接続することができ、レイアウト自由度を向上できる。

また、ユニゾンリング１０に用いる樹脂は、ビスマレイミド、エポキシ及びポリイミド等から選ばれ、ユニゾンリング１０に用いる強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維等から選ばれるので、高比強度かつ高耐熱性のユニゾンリング１０を実現できる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。ユニゾンリングが繊維強化樹脂製であって強化繊維の主配向がユニゾンリングの周方向に向いたものであれば、ユニゾンリングの断面形状を任意の形状としてもよく、例えば、図８及び９に示した何れの形状としてもよい。ユニゾンリングには、内フランジ板部２４及び外フランジ板部２５が無くてもよい。ユニゾンリングに内フランジ板部２４、及び、外フランジ板部２５が無い場合には、外板部２２の径方向Ｒの外側においてレバー１４がピン１３に接続されてもよいし、内板部２１の径方向Ｒの内側においてレバー１４がピン１３に接続されてもよい。ユニゾンリング１０の周方向Ｃに直交する断面は、径方向Ｒにおける寸法が軸線方向Ｘにおける寸法よりも小さい形状を有するものとしてもよい。

１ガスタービンエンジン
２ケーシング
３圧縮機
４燃焼器
５タービン
１０，１１０，２１０，３１０ユニゾンリング
１１可変静翼
２１内板部
２１ａピン孔
２２外板部
２２ａピン孔
２３連結板部
２４内フランジ板部
２５外フランジ板部
Ｃ周方向
Ｇ隙間
Ｑ開口
Ｒ径方向
Ｓ中間空間
Ｔ軌跡
Ｘ軸線方向
Ｙ軸線

Claims

圧縮機、燃焼器及びタービンを備えるガスタービンエンジンのケーシングの外周に沿って配置され、前記圧縮機の複数の可変静翼に連結されるユニゾンリングであって、
樹脂及び強化繊維を含む繊維強化樹脂を有し、環状体又は複数の円弧体からなり、
前記ユニゾンリングの軸線方向に直交する径方向にピンが挿通されるピン孔を有し、
前記繊維強化樹脂の前記強化繊維の主配向が、前記ユニゾンリングの周方向に向いており、
前記ユニゾンリングは、
前記径方向に向いた主面を含み、前記ピン孔を有し、同心円状に配置された内板部及び外板部と、
前記軸線方向に向いた主面を含み、前記内板部を前記外板部に連結する連結板部と、
前記軸線方向に向いた主面を含み、前記内板部及び前記外板部の少なくとも一方の前記軸線方向の端から前記径方向に突出した少なくとも１つのフランジ板部と、を備え、
前記少なくとも１つのフランジ板部は、前記内板部の前記軸線方向の両端から前記径方向の内方に突出した一対の内フランジ板部を含む、ガスタービンエンジンのユニゾンリング。
前記ユニゾンリングの前記周方向に直交する断面は、前記径方向における寸法が前記軸線方向における寸法よりも大きい形状を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジンのユニゾンリング。
前記少なくとも１つのフランジ板部は、
前記外板部の前記軸線方向の両端から前記径方向の外方に突出した一対の外フランジ板部を含む、請求項１又は２に記載のガスタービンエンジンのユニゾンリング。
前記連結板部は、前記内板部の前記軸線方向の一端を前記外板部の前記軸線方向の一端に連結し、
前記内板部と前記外板部との間の空間は、前記軸線方向において前記連結板部と反対側に向けて開放されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンのユニゾンリング。
前記ユニゾンリングの前記周方向に直交する断面は、前記軸線方向を上下方向にして見てπ形状を有する、請求項１乃至４にいずれか１項に記載のガスタービンエンジンのユニゾンリング。
前記樹脂は、ビスマレイミド、エポキシ及びポリイミドから選ばれ、
前記強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維及びアラミド繊維から選ばれる、請求項１乃至５にいずれか１項に記載のガスタービンエンジンのユニゾンリング。