JPS6225841B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンに関し、特に可変面積
タービンを組立てる方法と装置に関する。

今日良く理解されているように、ガスタービン
エンジンにおいては、圧縮過程と燃焼過程を通じ
て空気にエネルギーが加えられるとともに、ター
ビンによつてエネルギーが抽出される。ターボフ
アンエンジンでは、圧縮はフアンとその後に続く
多段圧縮機とによつて順次達成され、フアンと圧
縮機はそれぞれ高圧タービンと低圧タービンによ
つて同心連結軸を介して独立的に駆動される。燃
焼は多段圧縮機と高圧タービンとの間に生ずる。
両タービンに利用し得るエネルギーは、圧縮過程
を保つに要するエネルギーよりはるかに多いの
で、過剰エネルギーは高速ガスとしてエンジン後
部の一つ以上のノズルを通つて排出され、反動原
理によつて推力を発生する。

フアンと圧縮機は別々の同心軸に装着されてお
り、軸方向に相隔たる別々のタービンによつて駆
動されるので、両タービンの相対回転速度を調整
する手段を設けることが性能を最適とするに望ま
しい。さらに、フアンと圧縮機によつて空気に加
えられるエネルギーの相対量を制御することが望
ましく、これらの相対量は、いかに多くのエネル
ギーがそれぞれのタービンによつて抽出されるか
によつて制御される。フアンまたは圧縮機の回転
速度が高くなるにつれて、その圧縮機空気量が増
加し、またその逆も言える。さらに、もし１段の
タービン静翼が、各静翼をその縦軸線を中心とし
て回転可能にすることによつて、タービンを通る
流れの断面積を可変にするようになつていれば、
高圧または低圧タービンのエネルギー抽出特性を
調整し得る。すなわち、高圧タービンのエネルギ
ー抽出能力を減らせば、低圧タービンに利用し得
るエネルギーの量は多くなり、フアンは圧縮機に
対して比較的高い回転速度で駆動され得る。また
その逆も可能である。フアンと圧縮機との関係を
調整するこの能力は、ある範囲の運転状態の全域
にわたつて最も効率の良いエンジンを設計するの
に極めて重要である。このような最適エンジン
は、最近、可変サイクルエンジンと呼ばれ、例え
ば、亜音速と超音速の巡航に対して性能を最適に
するように、可変形状構成部を有することを特徴
とする。高圧と低圧のタービンを両方とも可変面
積型にしてエネルギー抽出の調整能力を極めて大
きくすることが、上記可変サイクルエンジンのあ
る種のものの特徴である。

また、経験によれば、密接に連結された全可変
型単段低圧タービンの設計が必要な場合、その結
果として通常２つの構造的特性が生ずる。第１に
可変面積静翼は、その外端の筒形トラニオンを用
いることによつて、構造フレームに片持ち式に支
持され、そしてトラニオンの設置は、静翼の回転
のためにトラニオンを軸受するようにフレームに
形成された孔にトラニオンを半径方向内側から通
すことによつて達成される。第２の特徴は、第１
の特徴の結果である。すなわち、静翼の内側支持
構造体は、２分された形態で装着されねばなら
ず、両半分の一方は静翼列の前方から挿入され、
他の半分は後方から挿入され、こうして両半分の
間に翼端部を保持する。ある特定のエンジンで
は、これは内側構造体の整合された両半分を用い
てなされ、各半分は42個のユニボールを受入れる
42個の整合された半球形の凹みを有し、ユニボー
ルは42枚の静翼の各翼の端部に１個ずつ設けられ
ている。これは非常に費用のかかる形状で、大量
生産には向かないということが既にわかつてい
る。

従つて、外側構造フレームに片持ち式に支持さ
れた可変面積型タービン静翼の内端を支持するこ
とができ、そして高価なユニボールと整合組立体
の使用を要しないようなタービン構造体が必要で
ある。

従つて、本発明の主目的は、ユニボールまたは
２分組立体の整合された両半分以外の手段によつ
て支持される可変面積静翼を有するタービン組立
体を提供することである。

本発明の他の主目的は、可変面積型タービンの
静翼を支持する比較的廉価な構造体を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は可変面積型のタービンを組
立てる改良された方法を提供することである。

上記および他の目的と利点は以下の例示的な説
明と添付の図面から一層明確に理解されよう。こ
れらは本発明の範囲を制限するものではない。

簡略に述べると、上述の目的は、主要保持手段
をなす外側構造フレームによつて片持ち式に支持
された１列の可変面積タービン静翼を備える組立
体において達成される。内側構造フレームが別の
支持をなす。各静翼は翼形部を有し、この翼形部
の両端からトラニオンが突出している。外側トラ
ニオンは、タービンフレームとして機能する構造
的な冷却空気マニホルドに挿入され、そしてこの
マニホルド内で回転するように軸受されている。
また、内側トラニオンを内側バンドセクタ孔に挿
入することによつて、該内側バンドセクタが内側
トラニオンの周囲に設置される。このようなバン
ドセクタが複数個円形に配設されて、タービンを
貫通する流路を部分的に画成している。さらに内
側環状フレームが、それを静翼の内側トラニオン
の端部の下方に滑り込ませることによつて設置さ
れる。この内側フレームには、内側トラニオンと
整合して周方向に列をなす孔が設けられている。
静翼と内側フレーム間の構造的支持をなすため
に、概して筒形のトラニオン延長体を各フレーム
孔に通して関連トラニオンの端部に被せ、次いで
ボルト結合によつて関連トラニオンに取付ける。
こうして、トラニオンではなくてその延長体がフ
レーム孔によつて保持され、そして回転自在に軸
受される。また、冷却空気が冷却空気マニホルド
から静翼と内側トラニオン延長体とを通つて、内
側バンドセクタを冷却するように、冷却空気を導
く通路を設ける。静翼の内側トラニオンとトラニ
オン延長体との構造的に独得な連結によつて、取
付けが容易になるとともに、冷却空気の内部流通
に適する空間が確保される。

次に添付の図面を参照して本発明を説明する。
全図にわたつて同符号は同要素を表す。第１図は
本発明による可変面積タービン１０の一部分の部
分断面略図である。タービン１０はターボフアン
型のガスタービンエンジンの低圧タービンである
が、本明細書における「タービン」という用語
は、高圧タービンと低圧タービンのほか、羽根に
よつて原動流体からエネルギーを抽出するいかな
る種類の機械も包含する。１列のタービン動翼１
２を出た高エネルギーの燃焼ガスは流路１４に入
る。なお、動翼１２は簡単のため１枚だけ図示し
てある。流路１４は、完全な円形をなすように複
数の環状セクタ１６で作られた外側バンドと、こ
の外側バンドと同心の円形をなすように複数の環
状セクタ１８で形成されるのが好ましい内側バン
ドとの間に画成されている。内外両バンド間には
１列の周方向に離隔する可変面積タービン静翼２
０が流路１４を横切つて延在する。静翼２０も簡
単のため１枚だけ図示してある。各静翼には公知
の空冷型の翼形部２１が設けられ、翼形部の外端
と内端はそれぞれ一体の筒形トラニオン２２，２
４によつて支持されている。

次に、静翼２０の外端と関連する構造体であつ
て、静翼を片持ち式に支持しそして冷却空気を導
くものについて述べる。各静翼には翼形部２１と
トラニオン２２との間に筒形カラー２６が設けら
れ、その内面２８は、外側バンドセクタ１６の内
面３０と共に、静翼を通過する流れの通路１４を
部分的に画成するように形成されている。バンド
セクタ１６は、舌部と溝から成る滑り結合部３４
を介して、外側バンド支持体３２によつて拘束さ
れている。外側バンド支持体３２はその前端に半
径方向外方に突出するフランジ３６を有し、この
フランジは剛性の環状高圧タービンケーシング構
造体３８に取付けられている。各外側バンドセク
タ１６は、筒形壁部４０によつて画成された少な
くとも１個の凹形空洞３９を有する。壁部４０の
内端は、カラー２６の内面２８とセクタ１６の内
面３０の輪郭に整合するように截断されている。
環状フランジ４２が、各空洞の基部を部分的に閉
ざし、そしてカラー２６とトラニオン２２との間
の直径段部４４用の座となつて、空洞３９内に静
翼２０を半径方向に位置づける。

外側バンドセクタ１６の周囲には、環状の構造
的な抽気マニホルド４６が存し、このマニホルド
は、第１図と第２図の好適実施例では、冷却空気
を空冷静翼２０に導き分配する手段を追加的な特
徴として有する構造フレームの一例からなる。

簡単に述べると、抽気マニホルド構造体４６は
一体の鋳物であり、静翼を適正位置に保持すると
ともに、翼形部２１にかかる高いガス荷重を受止
める。マニホルド４６は２個の半径方向に相隔た
る薄い鋳造壁４８，５０と１対の内部補強リブ５
２，５４とから成り、両リブは両壁間に延在して
３つの軸方向に相隔たる環状充満室５６，５８，
６０を画成する。外壁４８と関連して複数の周方
向に離隔する入口６２が形成され、これらの入口
は軸方向前方に突出して、冷却流体源、例えば、
軸流圧縮機の中段と連通する。圧縮機中段からは
比較的低温の空気が抽出され、抽気導管６４を通
つて後方に導かれる。この抽出空気は、周方向に
分配されて各環状充満室内に充満し、かくて充満
室は各静翼の冷却流体源となる。

各静翼は、対をなして整合する概して円形の隆
起部６６，６８によつてマニホルド４６内で静翼
の縦軸線を中心して回転し得るように軸受されて
いる。隆起部６６，６８はそれぞれ、静翼トラニ
オン２２を支承するような寸法の軸受座７０，７
２を備えるように中ぐりされている。各静翼は直
径段部４４と、皿形部を有する静翼レバー７４と
によつて拘束され、このレバーは各トラニオンの
外端の凹み７６に挿入され、また隆起部６６上に
張出した概して円形のフランジ７８を有する。静
翼レバー７４は、図示のようにボルト連結８０に
よつてトラニオン２２に取付けられている。

マニホルド４６はまた軸方向に突出する延長部
８２を有する。この延長部は鋳物の一部でもある
いは鋳物に溶接された付加物でもよく、円形フラ
ンジ８４で終つている。フランジ８４は、円形に
配列された複数のボルト８６によつて、剛性高圧
タービンケーシング構造体３８に取付けられ、同
時に図示のように外側バンド支持体のフランジ３
６を押えている。

このようにして、可変面積タービン静翼２０は
外側構造フレーム（抽気マニホルド４６）によつ
て片持式に支持され、そして第２図と第３図に明
示のごとく静翼の縦軸線を中心として回転し得る
態様でフレーム内に保持されている。基本的に、
各静翼は、その外側トラニオン２２を外側バンド
セクタ３０内に挿入しそして、特に、筒形壁４０
と端フランジ４２とによつて形成された空洞に通
すことによつて、タービン組立体内に設置され
る。この時、静翼トラニオン２２は、マニホルド
隆起部６６，６８それぞれの１対の整合した軸受
座７０，７２に挿入された状態にあり、カラー２
６は直径段部４４の所でフランジ４２に着座し、
かくてバンドセクタ３０を静翼カラー２６とマニ
ホルド隆起部６８との間に捕えて、静翼の半径方
向外方の移動を制限する。

静翼レバー７４は皿形部８８を備える。この皿
形部は輪郭が概して円形であるが、２つの平らな
側面９０（第３図）を有する。皿形部８８は同様
の形状を有する凹み７６に緊密にはめ込まれ、そ
して底が凹形トラニオン端キヤツプ９１に当接す
る。従つて、フランジ７８は、トラニオン２２の
外端と隆起部の外端上に張出している。これらの
外端は平らに機械加工されている。静翼レバー７
４はボルト９２とナツト９４によつてトラニオン
２２に固定され、このボルトは静翼レバーの皿形
部８８と凹形端キヤツプ９１それぞれの整合ボル
ト孔９６，９８に通され、ナツト９４と共に皿形
部と端キヤツプを締付けている。ボルト９２は、
冷却空気を充満室５８から静翼の内部に入れる冷
却流体導入孔１００（第２図）から挿入される。
ボルトの頭部１０２はＤ形で、平らな側面１０４
を有する。この側面は、キヤツプ９１から内方に
突出する止め部１０６に当接し、ナツト９４にト
ルクをかけた時のボルトの回転を阻止する。こう
して、抽気マニホルド構造体４６は、静翼にボル
ト止めされた静翼レバーフランジ７８と、静翼直
径段部４４との間に（バンドセクタフランジ４２
と共に）保持されて、静翼の片持ち支持をなし且
つ静翼をエンジンの剛性構造体に位置づけする。
隆起部６６，６８間の半径方向距離は、静翼レバ
ー７４が静翼トラニオン２２の端部に固くボルト
止めされた時、バンドセクタフランジ４２とマニ
ホルド４６が、トラニオン２２の回転を阻止する
程固く直径段部４４と静翼レバーフランジ７８と
の間に締付けられないような距離とすべきであ
る。公知の種類の作動器に取付けた静翼レバーア
ーム１０８が、軸受面７０，７２によつて軸受さ
れた静翼に回転を与える。

次に、各静翼の半径方向内端の追加的な支持に
ついて第１，２，４，５図を参照しながら説明す
る。第１に注意すべきことは、静翼外端と同様
に、内端にも概して筒形の流路画成カラー１１０
が翼形部２１と筒形トラニオン２４との間に設け
られ、カラーとトラニオン間の遷移が直径段部１
１２で生じているということである。特に第４，
５図に参照するに、トラニオン２４は概して中空
の筒形壁１１４を具備し、その端部には２つの相
隔たる内部ウエブ１１６，１１８が設けられ、各
ウエブの中央部付近にそれぞれ内方突出肩部１２
０，１２２を有する。従つて、両ウエブは壁１１
４と共に、トラニオンの内端部内に長円形の孔１
２４とその両側のＤ形孔１２６，１２８とを画成
する。

静翼が外端で片持ち式に支持された後、内側バ
ンドセクタ１８がトラニオン２４に被着されて環
状バンドを形成し、流路１４を部分的に画成す
る。各トラニオンは、１個のバンドセクタに形成
されそして全体的に截断された筒形空洞１３０内
に挿入され、さらに、円形フランジ１３４によつ
て画成されたセクタ基部の孔１３２に通され、か
くてフランジ１３４が直径段部１１２に着座す
る。その後、本実施例では前側誘引構造体１３６
からなる環状の内側構造フレームをトラニオン２
４の先端の下方に滑り込ませることによつて設置
する。

誘引構造体１３６は環状リング１３８を含み、
このリングは、周方向に円形に隔設された複数の
丸い孔１４０を有する。これらの孔は直径がトラ
ニオン２４より大きいが、中心がトラニオンとほ
ぼ一致している。各孔１４０には概して筒形のト
ラニオン延長体１４２が挿入され、図示のように
各トラニオン２４の端部に被着される。延長体１
４２の内径はトラニオンの内径と実質的に同じで
ある。第５図に明示のように、トラニオン延長体
１４２は概して中空の筒形壁１４４を具備し、こ
の壁は１対の内方に突出する円形ラグ１４６，１
４８を有し、両ラグはそれぞれ貫通孔１５０，１
５２を有する。これらの貫通孔は、トラニオンの
基部に設けた長円孔１２４の、肩１２０，１２２
の外側にある部分とほぼ整合する。

延長体１４２をトラニオン２４に取付けるため
に、Ｄ形頭部１５６を有する１対のラグボルト１
５４が、頭を先にして上向きに第４図に示すトラ
ニオン基部を貫通するように挿入される。ボルト
頭部の幅は、それがウエブ１１６，１１８間を通
り抜けられる程度に小さくしてある。挿入された
各ボルトは90゜回され、そしてウエブに当接する
ように降ろされる。その際、ボルト頭部の平らな
側面１５８は互いに対向しかつ両肩１２０，１２
２と当接する。従つて、両肩はボルトの回転を抑
止する。次に、延長体１４２をトラニオンの基部
に被着すると、ボルト軸部１６０はラグ孔１５
０，１５２を通つて下降する。この時ナツト１６
２をボルトに締付けると、ウエブ１１６，１１８
とラグ１４６，１４８はボルト頭部とナツトとの
間に保持され、かくて内側トラニオンの固着延長
体が完成する。この形状は第５図の分解図に図解
されている。各延長体の外径は延長体挿入用の孔
１４０の直径と実質的に同じであるから、静翼は
両端において回転自在に軸受されることになる。
各延長体の頂部近くの外方突出フランジ１６４
が、直径段部１１２と共に、延長体がトラニオン
にボルト止めされた時内側バンドセクタを捕え
る。その後、リング１３８の後縁に沿つて形成さ
れた環状フランジ１６８に誘引体１６６を複数の
周方向に隔設したボルト１７０によつて取付けて
内側構造フレームを完成する。

運転中、抽気マニホルド４６からの冷却空気は
静翼内部通路１７２を通つて冷却機能を発揮す
る。トラニオン２４の基部の孔１２６，１２８
と、ラグ１４６，１４８によつて占有されない延
長体中空内部は、トラニオンとその延長体とを通
る冷却流体を内側構造フレームの冷却流体室１７
４内に導入する手段の一例をなす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービンエンジンの
低圧タービン部の部分断面図、第２図は第１図の
タービンの組立を示す分解斜視図、第３図は本発
明の代表的な可変面積静翼の外端部の詳細を部分
的に断面で示す拡大分解斜視図、第４図は代表的
な可変面積タービン静翼の内側トラニオンの端部
を下から見た図、第５図は本発明のタービンの組
立の詳細を部分的に断面で示す拡大分解斜視図で
ある。 １６，１８…それぞれ外側および内側バンドセ
クタ、２０…静翼、２１…翼形部、２２，２４…
それぞれ外側および内側トラニオン、４６…抽気
マニホルド構造体、１１２…直径段部、１１４…
筒形壁、１１６，１１８…ウエブ、１２０，１２
２…肩、１３２…孔、１３６…誘引構造体、１４
０…孔、１４２…トラニオン延長体、１４４…筒
形壁、１４６，１４８…ラグ、１５０，１５２…
孔、１５４…ラグボルト、１５８…平らな側面、
１６０…ボルト軸部、１６２…ナツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端に第１直径のトラニオンを有する静翼
   と、 タービンを貫通する流路を画成するように前記
   トラニオンの周囲にはめ込まれたバンドと、 前記トラニオンの先端から半径方向に隔たり、
   そして前記トラニオンと概して整合する第２直径
   の貫通孔を有する構造フレームと、 前記第１直径と実質的に等しい内径を有し、内
   部に前記トラニオンが挿入され、また前記第２直
   径に実質的に等しい外径を有し、そして前記構造
   フレーム孔内に回転自在に軸受された概して筒形
   のトラニオン延長体と、 前記延長体を前記トラニオンに取付ける手段と
   を有し、 前記トラニオンが内側壁と２個の端部を有する
   円筒形状であり、前記静翼から離れた端部には２
   個の相隔たる内部ウエブが設けられ、各ウエブが
   その中央付近に肩を有し、 前記トラニオン延長体が１対の突出ラグを有す
   る概して中空の円筒であり、各ラグが、前記肩の
   外方において両ウエブ間の空間と概して整合する
   孔を有し、 前記取付け手段が１対のボルトと１対のナツト
   から成り、各ボルトが平らな側面を有する頭部と
   軸部とを有し、該頭部が前記肩と当接してその回
   転を防ぎ、該軸部が両ウエブ間の空間と両ラグの
   一つに設けた孔とを貫通し、前記ナツトが両ボル
   トに締付けられて両者間に両ウエブと両ラグとを
   保持するタービン組立体。 ２ 前記ボルト頭部の幅が両ウエブ間の空間より
   小さい特許請求の範囲第１項記載のタービン組立
   体。 ３ 前記バンドが円形に配設された複数のセクタ
   から成り、各々の前記セクタが前記トラニオンを
   挿入する貫通孔を有し、前記トラニオンが直径段
   部を有し、前記各々のセクタが前記直径段部と前
   記トラニオン延長体との間に保持されている、特
   許請求の範囲第１項記載のタービン組立体。 ４ 冷却流体が前記トラニオンと前記トラニオン
   延長体を通つて前記フレーム内に入るようにする
   導流手段を含む特許請求の範囲第１項記載のター
   ビン組立体。