JP2007064224A - 固定子構体内部における接触を調整する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン動作中の固定子羽根の励起応答の減少を助ける。
【解決手段】タービンエンジンの固定子羽根４０は、ベース６２及びエーロフォイル６０を含む。ベースは、固定子羽根をタービンエンジンの内部に結合するように構成される。エーロフォイルは、ベースから半径方向外側へ延びる。ベースは、上流側の側面９２及び下流側の側面９４により一体に結合され且つ周囲方向に互いに離間して配置された１対の側面９０及び９１を含み、ベースの少なくとも一部分は、凹部として形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、タービンエンジンに関し、特に、タービンエンジンの固定子構体の内部における接触を調整する方法及び装置に関する。

少なくともいくつかの周知の回転子構体は、周囲方向に互いに離間して配置された少なくとも１列の回転子ブレードを含む。各列の回転子ブレードは、軸方向に互いに離間して配置された１対の回転子羽根列又は回転子ブレード列の間に位置決めされる。ここで、各列の回転子羽根又は回転子ブレードは、周囲方向に互いに離間して配置される。少なくともいくつかの周知の固定子羽根は、ベースと、ベースから半径方向外側へ延びる一体に形成されたエーロフォイルとを含むように製造される。各ベースは、固定子羽根が回転子構体の内部に形成された流路を貫通して半径方向に延びるように、固定子羽根をエンジン内部に結合するように構成される。

少なくともいくつかの周知の固定子構体の内部においては、各固定子羽根のベースは、ほぼ楔形又は矩形であるので、ベースの半径方向外側の面は、ベースの半径方向内側の面の長さより長い弓形の長さを有することになる。楔形であることにより、固定子羽根を固定子構体の内部に周囲方向に結合するのが容易になる。しかし、そのような固定子羽根の内部においては、ベースのこの幾何学形状は、周囲方向接触として知られる隣接する固定子羽根の接触、並びに軸方向接触として知られる各固定子羽根とケーシングとの接触の調整を正確に予測することを困難にする。その結果、回転子の動作中、そのような固定子羽根により発生される励起応答は、予測される実験上の振動数と整合しない場合が多くなる。時間の経過に伴って、励起応答が増加すると、固定子羽根の耐用年数が短くなってしまうこともある。

１つの面においては、タービンエンジンの固定子構体を組み立てる方法が提供される。方法は、各ベースの一部分の中に凹部を形成することと、各ベースの凹部が、エンジン動作中の複数の固定子羽根の各々の励起応答の減少を助けるように、固定子羽根をタービンエンジンの内部に周囲方向に互いに離間する配列で結合することとから成る。

別の面においては、タービンエンジンの固定子羽根が提供される。固定子羽根は、ベース及びエーロフォイルを含む。ベースは、固定子羽根をタービンエンジンの内部に結合するように構成される。エーロフォイルは、ベースから半径方向外側へ延びる。ベースは、上流側の側面及び下流側の側面により一体に結合され且つ周囲方向に互いに離間して配置された１対の側面を含み、ベースの少なくとも一部分は、エンジン動作中の固定子羽根の励起応答の減少を助けるために、凹部として形成される。

更に別の面においては、回転子軸と回転子軸の周囲に周囲方向に互いに離間して配置された複数の固定子羽根とを含む回転子構体が提供される。各固定子羽根は、ベースとベースから半径方向外側へ延びる一体に形成されたエーロフォイルとを含む。各ベースは、上流側の側面及び下流側の側面により一体に結合され且つ周囲方向に互いに離間して配置された１対の側面を含み、各ベースの少なくとも一部分は、回転子動作中の複数の固定子羽根の各々の励起応答の減少を助けるために、凹部として形成される。

図１は、発電機１６に結合されたガスタービンエンジン１０の一例を示した概略図である。本実施形態においては、ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２と、タービン１４と、単一の一体構造回転子又は軸１８に配置された発電機１６とを含む。別の実施形態では、軸１８は、複数の軸セグメントに分割され、各々の軸セグメントは、隣接する軸セグメントに結合されて、１本の軸１８を形成する。圧縮機１２は、燃焼器２０に圧縮空気を供給する。燃焼器２０において、空気は燃焼器に供給される燃料２２と混合される。一実施形態においては、エンジン１０は、サウスカロライナ州グリーンビルのGeneral Electric Companyより市販されている6Cガスタービンエンジンである。

動作中、空気は圧縮機１２を通って流れ、圧縮された空気は燃焼器２０に供給される。燃焼器２０からの燃焼ガス２８は、タービン１４を推進する。タービン１４は、軸１８、圧縮機１２及び発電機１６を長手方向軸３０に関して回転させる。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示される）と共に使用されてもよい固定子羽根４０の一例を示した拡大斜視図である。特に、本実施形態においては、固定子羽根４０は、圧縮機１２（図１に示される）のような圧縮機の内部に結合される。図３は、１対の固定子羽根４０を示した正面図であり、ガスタービンエンジン１０（図１に示される）のような回転子構体と共に使用される固定子構体の内部で組み立てられたときの隣接する固定子羽根４０の相対周囲方向向きを示す。図４は、１対の固定子羽根４０（図３に示される）の線４‐４に沿った横断面図である。本実施形態においては、各固定子羽根４０は、ここで説明される特徴を含むように変形されている。

固定子構体の内部で組み立てられたとき、各固定子羽根４０は、軸１８（図１に示される）のような回転子軸に関して周囲方向に延びるエンジンケーシング（図示せず）に結合される。当該技術において周知のように、組み立てが完了した状態にあるとき、周囲方向の各列の固定子羽根４０は、隣接する回転子ブレードの列（図示せず）の間に軸方向に配置される。特に、固定子羽根４０は、エンジン性能の向上を助けるように、固定子構体を通して流体流れを搬送するような向きに形成される。本実施形態においては、周囲方向に隣接する固定子羽根４０は同一であり、それぞれ、回転子構体及び固定子構体の内部に形成された流路を半径方向に横断するように延びる。更に、各固定子羽根４０は、ベース又はプラットフォーム６２から半径方向外側へ延びるエーロフォイル６０を含む。本実施形態では、エーロフォイル６０は、ベース６２と一体に形成される。

各エーロフォイル６０は、第１の側壁７０及び第２の側壁７２を含む。第１の側壁７０は凸形であり、エーロフォイル６０の吸込み側を形成する。第２の側壁７２は凹形であり、エーロフォイル６０の圧力側を形成する。側壁７０及び７２は、エーロフォイル６０の前縁部７４及び軸方向に離間して配置された後縁部７６において一体に接合される。特に、エーロフォイルの後縁部７６は、エーロフォイルの前縁部７４から翼弦に沿って、下流側へ離間して配置される。第１の側壁７０及び第２の側壁７２は、それぞれ、翼幅に沿って、ベース６２に隣接して位置する根元部からエーロフォイル先端部８０まで長手方向又は半径方向外側へ延びる。

ベース６２は、固定子羽根４０をケーシングに固着するのに好都合である。本実施形態においては、ベース６２は、「矩形面」ベースとして知られており、１対の周囲方向に離間して配置された側面９０及び９１を含む。側面９０及び９１は、上流側の面９２及び下流側の面９４により一体に結合される。あるいは、ベース６２は、弓形の面を含むことも可能である。実施形態においては、側面９０及び９１は同一であり、互いにほぼ平行である。別の実施形態では、側面９０及び９１は平行ではない。更に、本実施形態においては、上流側の面９２及び下流側の面９４も、互いにほぼ平行である。

１対の一体に形成されたハンガ１００及び１０２は、それぞれ対応する面９２及び９４から延びる。当該技術において周知のように、固定子羽根４０を固定子構体の内部に固着するのを助けるために、ハンガ１００及び１０２は、ケーシングと係合する。本実施形態においては、ハンガ１００及び１０２の各々は、ベース６２の半径方向外側の面１０４に隣接して、それぞれ対応する面９２及び９４から外側へ延びる。

回転子の動作中に、周囲方向に隣接する固定子羽根４０の接触の調整を助けるために、本実施形態においては、周囲方向側面９０及び９１のうち少なくとも一方の側面は、凹部又はスカラップ部分１１０を含む。凹部１１０の一部分は、ベース６２の半径方向外側の面１０４と半径方向内側の面１１２との間に延びる。凹部１１０の大きさ及び向きは、回転子動作中の隣接する固定子羽根４０の接触の量を調整するのに適するように形成される。特に、実施形態においては、凹部１１０は、ヒンジ１１６が半径方向内側の面１１２に隣接して形成されるように、半径方向外側の面１０４から半径方向内側の面１１２に向かって延びる。従って、隣接する固定子羽根が固定子構体の内部に結合されたとき、間隙１１８が隣接する固定子羽根４０の間に形成され、固定子羽根の接触は、ヒンジ１１６に沿った接触のみに限定される。その結果、隣接する固定子羽根４０は、必然的に回転子構体流路に沿って線状に接触することになる。あるいは、ヒンジ１１６と側面９１との間のいずれかの場所で、線状接触が行われてもよい。

更に、回転子の動作中に、それぞれの固定子羽根４０とエンジンケーシングとの接触の調整を助けるために、本実施形態においては、上流側の面９２は、凹部１２０を含む。凹部１２０は、側面９０と側面９１との間で上流側の面９２を横切るように延びる。凹部１２０の大きさ及び向きは、上流側の面９２に沿った固定子羽根４０とエンジンケーシングとの接触の量を調整するのに適するように形成される。特に、本実施形態においては、凹部１２０は、ハンガ１００からヒンジ１１７に向かって延びる。その結果、各固定子羽根４０とエンジンケーシングとの線状接触が調整される。あるいは、凹部１２０に沿ったいずれかの場所で、線状接触が行われてもよい。

凹部１２０及び１１０の組み合わせは、固定子間の接触及び固定子とケーシングとの接触を調整するのに好都合である。接触の調整が改善されることにより、各固定子のベース６２がより正確に形成されるようになるため、固定子羽根の固有振動数は、予測される実験上の振動数に整合するように更に正確に最適化される。更に、各固定子羽根４０の内部で誘起される励起応答を減少するのが容易になるので、部品の障害は減少し、固定子羽根の耐用年数が延びる。

以上説明した固定子羽根は、回転子構体の性能を最適化するための費用効率及び信頼性に優れた方法を提供する。特に、各固定子羽根は、エンジン動作中に各固定子羽根の内部で誘起される励起応答を減少できるように、各固定子羽根との周囲方向接触及び軸方向接触の調整を助ける凹部を含む。その結果、ベースの幾何学形状が再形成されることにより、固定子構体の耐用年数は延び、費用効率及び信頼性に優れた方法により、ガスタービンエンジンの動作効率は改善される。

以上、固定子羽根及び固定子構体の実施形態を詳細に説明した。固定子羽根は、ここで説明された特定の実施形態に限定されず、各固定子羽根の構成要素は、ここで説明された他の構成要素とは関係なく、別個に利用されてもよい。例えば、各固定子羽根の凹部は、他の固定子羽根、あるいは他の固定子構体又は他の回転子構体において形成されるか、又はそれらと組み合わせて使用されてもよく、ここで説明された固定子羽根４０と組み合わせての実施のみに限定されない。本発明は、多くの他の羽根構成、固定子構成及び回転子構成と関連して実現及び利用される。

種々の特定の実施形態に関して本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で、変形を伴って本発明を実施できることは当業者には認識されるであろう。

ガスタービンエンジンの一例を示した概略図である。 図１に示されるガスタービンエンジンと共に使用されてもよい固定子羽根の一例を示した拡大斜視図である。 図２に示される１対の固定子羽根を示した正面図であり、図１に示されるガスタービンエンジンのようなエンジンの内部で組み立てられたときに位置決めされた隣接する固定子羽根の相対周囲方向向きを示す。 図３に示される１対の固定子羽根を示した線４‐４に沿った横断面図である。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン、１２…圧縮機、１４…タービン、１８…回転子軸、４０…固定子羽根、６０…エーロフォイル、６２…ベース、９０、９１…側面、９２…上流側の面、９４…下流側の面、１０４…半径方向外側の面、１１０…凹部、１１２…半径方向内側の面、１１６、１１７…ヒンジ、１２０…凹部

Claims (10)

1. タービンエンジン（１０）の固定子羽根（４０）において、
   前記固定子羽根を前記タービンエンジンの内部に結合するように構成されたベース（６２）と;
   前記ベースから半径方向外側へ延びるエーロフォイル（６０）とを具備し、前記ベースは、上流側の側面（９２）及び下流側の側面（９４）により一体に結合され且つ周囲方向に互いに離間して配置された１対の側面（９０及び９１）を具備し、前記ベースの少なくとも一部分（１１０）は、エンジン動作中の前記固定子羽根の励起応答の減少を助けるために、凹部として形成される固定子羽根（４０）。
2. 前記ベース（６２）の前記凹部（１１０）は、エンジン動作中の前記固定子羽根と隣接する固定子羽根との接触の量の調整を助ける請求項１記載の固定子羽根（４０）。
3. 前記固定子羽根は、ケーシングに結合され、前記ベース（６２）の前記凹部（１１０）は、エンジン動作中の前記固定子羽根と前記ケーシングとの接触の量の調整を助ける請求項１記載の固定子羽根（４０）。
4. 前記固定子羽根の凹部（１１０）は、エンジン動作中の前記固定子羽根内部における共振応答の更に正確な予測を助ける請求項１記載の固定子羽根（４０）。
5. 前記固定子羽根のベース（６２）と周囲方向に隣接する固定子羽根のベースとの接触の制限を助けるために、前記凹部（１１０）は、前記周囲方向に互いに離間して配置された側面（９０、９１）のうち少なくとも一方の中に形成される請求項１記載の固定子羽根（４０）。
6. 前記固定子羽根のベースとエンジンケーシングとの接触の調整を助けるために、前記凹部（１１０）が、前記ベースの上流側の側面（９２）及び前記ベースの下流側の側面（９４）のうち一方の中に形成される請求項１記載の固定子羽根（４０）。
7. 前記ベース（６２）は、半径方向外側の面（１０４）及び半径方向内側の面（１１２）を更に具備し、前記凹部（１１０）は、前記半径方向外側の面から前記半径方向内側の面に向かって延びる請求項１記載の固定子羽根（４０）。
8. 回転子軸（１８）と、
   前記回転子軸の周囲に周囲方向に互いに離間して配置された複数の固定子羽根（４０）と、
   を備え、
   前記固定子羽根の各々は、ベース（６２）と、前記ベースから半径方向外側へ延びる一体に形成されたエーロフォイル（６０）とを具備し、前記ベースの各々は、上流側の側面（９２）及び下流側の側面（９４）により一体に結合された周囲方向に互いに離間して配置された１対の側面（９０、９１）を具備し、前記ベースの各々の少なくとも一部分は、回転子動作中の前記複数の固定子羽根の各々の励起応答の減少を助けるために凹部として形成されている、回転子構体（１２）。
9. 前記ベース（６２）の各々の前記凹部（１１０）は、回転子動作中の前記複数の固定子羽根のうち周囲方向に隣接する対の固定子羽根の接触の量の調整を助ける請求項８記載の回転子構体（１２）。
10. 前記凹部（１１０）の各々は、前記ベースの周囲方向に互いに離間して配置された側面（９０、９２）のうち少なくとも一方の中に形成される請求項９記載の回転子構体（１２）。

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