JP2001012396A - 高圧コンプレッサの固定子 - Google Patents

高圧コンプレッサの固定子

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JP2001012396A JP2000154077A JP2000154077A JP2001012396A JP 2001012396 A JP2001012396 A JP 2001012396A JP 2000154077 A JP2000154077 A JP 2000154077A JP 2000154077 A JP2000154077 A JP 2000154077A JP 2001012396 A JP2001012396 A JP 2001012396A
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カルメン・ミロクール
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パトリス・シユエ
Monique Andree Thore
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    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 不均一な通気に起因する問題を解決できる、
ガスタービンエンジンの高圧コンプレッサに適した固定
子を提供する。 【解決手段】 固定子は温度が異なる２つの通気１７、
１８を備えている。固定子の上流側セクションがケーシ
ング１０とシュラウド１１とによって構成されるととも
に、これら両者が全周にわたって切れ目がなく、熱膨張
率の低い材料によって形成されることが推奨される。し
かし、下流側において、シュラウドは、熱膨張率が高い
材料から成る円弧状の複数のセクタを使用して構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンの高圧コンプレッサに適用可能な均一な構造を有す
る固定子に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】ガスタービンエンジン
の回転子と固定子の構造は、しばしば、機械を通じて流
れる流れから引き出される空気によって冷却あるいは通
気される。二重の通気が２つの空気吸引源とともに使用
されるか、あるいは、固定子と回転子とが更に上流側で
最初に通気された後に、固定子および回転子の下流側セ
クションが通気される。下流側通気のために引き出され
た空気は、既に空気が圧縮された機械の部分から生じ
る。これにより、上流側の通気空気よりも高い温度に空
気が加熱される。羽根の端部で遊びが過度に増大しない
ように、固定子および回転子の径を正確に設定するとい
う一般的な問題は、通気状態が不均一であるため、解決
することが非常に難しい。遊びが過度に増大すると、空
気漏れが増大し、効率損失が大きくなる。逆に、遊びを
無くすと、回転羽根が固定子に擦れつく。これらの状態
は、２つの通気源にそれぞれ晒されるセクション間で、
異なった温度および熱膨張を形成する。コンプレッサに
近接して配置されるセクションを有する機械の様々なセ
クションは、それらが通気空気もしくはガス流ノズルの
高温空気の近くにあるかどうかに応じて、異なる温度に
加熱され、これにより、他の問題が生じる。セクション
が異なる温度に加熱されると、固定子内に等しくない膨
張、変形、応力が生じる。速度変化の局面時に前記問題
が局部的に深刻となるような所定の領域で温度変化が急
速に大きくなる。これらの状態下で十分に満足し得る構
造はまだ知られていない。
【０００３】
【課題を解決するための手段】本発明では、通気領域の
接合点の両側で固定子の構造部分が分割されるととも
に、上流通気部に晒されるセクションと下流側通気に晒
されるセクションとの間で固定子が異なるように構成さ
れる。最も一般的な形態において、本発明は、空気の上
流側通気と上流側通気よりも高温の下流側通気とが与え
られるコンプレッサの固定子から成る。また、固定子
は、ガス流ノズルを取り囲むシュラウドを備えている。
また、上流側通気に晒されるシュラウドの第１のセクシ
ョンと、下流側通気に晒されるシュラウドの第２のセク
ションとを備え、前記第１のセクションは、全周にわた
って切れ目がない環状の構造体を有するとともに、第１
の材料によって形成され、また、この第２のセクション
は、互いに並んで配置され、第１の材料の膨張係数より
も高い膨張係数をもつ第２の材料によって形成された円
弧状のセクタを備えることを特徴とする。
【０００４】第１の材料は、ＴＡ６Ｖ、チタン合金、Ｉ
ＮＣ０９０９、ＴｉＡＬ、１０×１０−６ｍ／℃よりも
小さい平均線膨張係数をもつ同様の金属間化合物のよう
な膨張係数が低い材料の中から選択され、第２の材料
は、ＩＮＣ０７１８またはこれと同様のニッケル合金、
ＲＥＮＥ７７、約１５×１０−６ｍ／℃の平均線膨張係
数をもつ誘導体（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）のような膨
張係数が高い材料の中から選択される。
【０００５】本発明の詳細、特徴、目的、利点につい
て、以下、図面を参照しながら説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１に示されるような高圧コンプ
レッサは、シャフト２のラインによって駆動される中央
の回転子１を備えている。回転子１は、複数のリング４
から成る流線型のエンベロープ３によって構成されてい
る。複数のリング４は、互いに並列に配置されていると
ともに、複数の可動羽根６のステージと直角な複数のデ
ィスク５によって分けられている。固定子７が回転子１
を取り囲んでいる。固定子７は、本体８の内部に、本発
明に係るセクション９を備えている。このセクション９
は、支持ケーシング１０とシュラウド１１とによって構
成されている。シュラウド１１は、ケーシング１０によ
って支持され、回転子１の方へ向けられるとともに、環
状のガス流ノズル（ジェットまたは噴出口）１２を形成
している。可動羽根６のステージと固定羽根１３のステ
ージは、ガス流を整流するため、ガス流ノズル１２に配
置されている。固定羽根のステージは、シュラウド１１
に連結されるとともに、可動羽根のステージと互い違い
に配置されている。一般に、回転子１のエンベロープ３
の前方に配置された固定羽根１３の端部は、連結リング
１４を支持している。連結リング１４には、ハニカム構
造を有し、或いはより一般的には容易に侵食される「ア
ブレイダブル」と呼ばれる材料から成る環状のストリッ
プ１５が設けられている。この構造は、対向するエンベ
ロープ３から直立するリブ１６によってえぐられ、この
リブ１６とともに気密なラビリンスシールを構成する。
しかしながら、可動羽根６の端部は、どの構成要素にも
嵌合しておらず、シュラウド１１に近接して終端してい
る。
【０００７】固定子７の内部セクション９には切れ目
（不連続部）が存在している。この切れ目は、ノズル１
２から空気を引き出すための開口を形成している。これ
らの開口は図中に１７、１８で示されている。また、こ
れらの開口は、セクション９と本体８との間に配置され
たチャンバ１９、２０にそれぞれ開口している。主に、
ケーシング１０を通気してケーシング１０を所定の温度
および熱膨張にするために、ノズル１２から引き出され
た空気はこれらのチャンバを通じて流される。また、回
転子１の内側は、まず、回転子１の上流側に配置され且
つエンベロープ３を貫通する孔２１を通じて通気され
る。チャンバ１９内に入り込む空気と略同じ温度の冷却
空気が、この孔２１を通じて引き込まれ、第２の開口１
８と略直角にエンベロープ３を貫通する他の孔２２によ
って引き出される。チャンバ１９、２０は、それらがそ
れぞれ前方に位置する２つの通気領域に固定子７を分割
する。これらの通気領域は、セクション９を２つに分割
する下流側チャンバ２０の入口開口１８の両側に配置さ
れている。２つの通気領域は、同様な位置において、孔
２２の両側で回転子１にも存在する。
【０００８】特に、回転子１と固定子７の両者を同一の
通気状態とすることによって、回転子１と固定子７の様
々なセクション間の熱膨張を等しくする予防策にもかか
わらず、可動羽根６とシュラウド１１との間に適度な遊
びが存在するようにするだけの満足できる動作状態を達
成することが極めて困難であることは、経験が証明して
いる。この問題は、より高温の空気が循環して高温の通
気状態になる下流側のセクションにおいて、より深刻と
なる。したがって、シュラウド１１（図２Ａおよび図３
参照）は、複数のセクタ２３として構成されなければな
らない。セクタ２３の数は、例えば１０個であり、全周
にわたって変えることができる。また、セクタ２３の長
手方向の長さも変えることができる。この例は、複数の
セクタ２３から成る２つの環体（サークル）を備えてい
る。２つの環体は、固定羽根１３を支持する前側部分
と、可動羽根６のステージと直角に配置された後側部分
とから成る。複数のセクタ２３’から成る第３の環体も
存在する。この第３の環体は、短く、可動羽根６のステ
ージと対向する部分を備えているだけである。互いに隣
り合うセクタ２３、２３’同士は柔軟性（可撓性）を有
する封密タブ２４によって連結されている。封密タブ２
４は、セクタの縁部に設けられた長手方向に延びる溝内
に位置されている。また、封密タブ２４の両端部２５
は、連続するセクタ２３、２３’から成る環体間で互い
に連結されている。また、互いに隣り合うセクタは、前
記溝内に設けられた他の可撓性タブ２６によって連結さ
れている。このタブ２６は、セクタ２３、２３’の縁部
に対して単に径方向或いは斜め径方向を成し、第１のタ
ブ２４からケーシング１０に向けて延びている。このよ
うな構成は、この場所で非常に高温のノズル１２からの
ガスがセクタ２３、２３’間で漏れ、このガスがケーシ
ング１０に達してケーシング１０を損傷させることを防
止する場合に、有効である。特に、タブ２４、２６は、
セクタ２３、２３’から成る各環体とケーシング１０に
連結されたリング２８との間にある空の容積２７を断熱
する。なお、容積２７を断熱材で満たすことも可能であ
る。したがって、ケーシング１０は前側のチャンバ２０
に入る空気に晒されるだけであり、一方、シュラウド１
１はノズル１２からの空気に晒されるだけである。連続
する複数のリング２８は、これらの終端に位置するフラ
ンジ２９を用いて、互いに連結されるとともに、本体８
に対して連結されている。また、フランジ２９はボルト
３０によって互いに結合されている。セクタ２３、２
３’を連結して組み立てるために使用される方法は、以
下の通りである。すなわち、各セクタは後部リップ３１
を備えており、後部リップ３１は、後方に向かって内側
に突出するとともに、径方向外側に配置されたリング２
８の一方のリップ３２と、セクタ２３の前方もしくは更
に下流側に配置されたリング２８の前方に位置して前方
に向かうリップ３３、３３’との間で挟持されている。
また、セクタ２３、２３’は、リップ３３とともに作用
するもう１つの外側リップ３４を備えており、後側に向
けて方向付けられたリップ３１、３２がこれらリップ３
３、３４間で挟持される。セクタ２３’は、前方に１つ
のリップのみを備えている点が異なる。このリップ３５
は、後側に向けて方向付けられており、更に前側に配置
されたリング２８の溝３６内に収容されている。組み立
てのこのような方法は、図２Ｂに示されるシュラウドリ
ングを固定する標準的な構成よりも簡単である。図２Ｂ
に示される構成において、リップ３１、３２は、ステー
プル状の断面を有する別個のシール３７によって連結さ
れるとともに、シュラウドの一部は比較的高いリブ３８
を有している。このリブ３８は前方に方向付けられたリ
ップ３９で終端するとともに、隣接するリングの溝内に
収容されている。それにもかかわらず、好ましい場合に
は、このあまり有利でない構成を採用しても良い。どち
らの構成が選ばれるとしても、ほぞ連結（ｉｎｔｅｒｌ
ｏｃｋｉｎｇ ｔｅｎｏｎｓ）のシステム５０により、
セクタ２３、２３’を角度方向でリング２８に連結する
ことができ、多くの実施形態が当業者にとって可能とな
る。
【０００９】シュラウド１１を円弧状のセクタ２３、２
３’として構成すれば、ケーシング１０の温度よりも急
速に高まるシュラウド１１の温度に起因して重大な応力
が全周にわたって形成されることを回避できる。それに
もかかわらず、シュラウド１１が受ける大きな熱膨張に
よって、円弧状のセクタ２３、２３’と湾曲可能な可撓
性タブ２４、２６との間の遊びが減少する。したがっ
て、シュラウド１１が不規則に変形して楕円形状や波形
状になり、ひいては、可動羽根６の端部で遊びが変化
し、更には、径方向の過度の膨張によってシュラウド１
１がケーシング１０に擦り付けられるといった虞が回避
される。セクタ２３、２３’をリング２８に連結するた
めに使用する方法は、十分に可撓性があり、重大な応力
を受けることなく変形を吸収する。構造を簡単にし且つ
機械的な強度を向上させるために、リング２８は全周に
わたって切れ目がないことが望ましい。また、速度変化
時の加熱によってリング２８ができる限り急速に膨張す
るように、リング２８は、セクタ２３、２３’と同様、
膨張係数が高い材料、すなわち、熱伝導が良好な材料に
よって形成される。回転子１が固定子７のリング２８と
同じ材料によって形成されることが望ましい。ＩＮＣ０
７１８や膨張係数が高い同様のニッケル合金は、コンプ
レッサのこの下流側のセクションのために使用できる。
【００１０】図４および図５に示されるように、固定子
７の上流側セクションは、それが受ける温度変化が僅か
であることから、別の構造を有している。この領域にお
いて、ケーシング１０は、ボルト４２によって互いに連
結されたリング４０を備えている。リング２８の場合と
同様、ボルト４２はリング４０の端部のフランジ４１を
本体８とともに挟持している。しかしながら、これらの
リング４０もまた、径方向内側に延びる突出部４３、４
３’を備えている。突出部４３、４３’は、空気流ノズ
ル１２に面しており、したがって、ノズル１２の温度に
晒される。２つの突出部４３は、十分に広く、可動羽根
６の各ステージと対向して延びている。
【００１１】この例において、シュラウド１１は、突出
部４３、４３’と固定羽根１３の支持リング４４とによ
って構成されている。リング４４は、前方で終端すると
ともに、後方では突出部４３、４３’の溝内に入るリッ
プ４５で終端している。ほぞ連結の機械システム４６
は、リング４０を同軸なリング４４に連結し、これらリ
ング４０、４４が相対的に回転することを防止する。下
流側の設計と比較される主な相違点は、リング４０と同
様にリング４４が全周にわたって切れ目がないという点
である。上流側では、加熱が低く、また、ケーシング１
０とシュラウド１１との温度差も低いため、両者を同じ
構造とすることが簡単且つ有益であり、これにより、変
形および過度の応力のリスクを低減できる。また、シュ
ラウドに使用される材料の膨張係数は、ケーシングの下
流側セクションを構成するために使用される材料のそれ
よりも低い。その理由は、これらの材料が受ける緩やか
な膨張が、過渡的な局面時の膨張の発生に対してわずか
な調整作用を有し、可動羽根の端部における遊びのより
良い制御をもたらすからである。インコネル（Ｉｎｃｏ
ｎｅｌ）９０９やこれと類似の合金、あるいは、ＴｉＡ
ｌやこれと類似の金属間化合物が推奨される。また、こ
の場合も、回転子１は、組み合わされる固定子のリング
４０に使用される材料と同じ膨張係数を有する材料、例
えばチタン合金によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの高圧コンプレッサを示
す図である。
【図２Ａ】コンプレッサの固定子の下流側セクションの
拡大図である。
【図２Ｂ】本発明の他の可能な実施形態に係る、図２Ａ
と同様の拡大図である。
【図３】コンプレッサの下流側セクションの断面図であ
る。
【図４】コンプレッサの上流側セクションの断面図であ
る。
【図５】本発明の上流側セクションの拡大図である。
【符号の説明】
１ 回転子 １０ 支持ケーシング １１ シュラウド １７ 上流側通気 １８ 下流側通気 １９、２０ チャンバ ２３、２３’ セクタ ２４、２６ タブ ２８、４０ リング ３１、３２、３４ リップ ４３、４３’ 突出部
フロントページの続き (72)発明者 カルメン・ミロクール フランス国、77170・ブリー・コント・ロ ベール、クロ・ドウ・ビルムノン・３ (72)発明者 ジヤツキー・セルジユ・ノデ フランス国、91070・ボンドウフル、リ ユ・デ・ペルドリ・８ (72)発明者 パトリス・シユエ フランス国、91230・モンジユロン、ア レ・ガストン・ボニエ・４ (72)発明者 モニク・アンドレ・トール フランス国、91560・クローヌ、アブニ ユ・ドウ・ラ・プレーヌ・オート、９

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上流側通気（１７、１９）と、上流側通
    気よりも高温の下流側通気（１８、２０）とが備えら
    れ、ガス流ノズル（１２）を取り囲むシュラウド（１
    １）を含むコンプレッサの固定子であって、上流側通気
    （１７）に晒されるシュラウドの第１のセクションと、
    下流側通気に晒されるシュラウドの第２のセクションと
    を備え、前記第１のセクションは、全周にわたって切れ
    目がない環状の構造体（４４）を有するとともに、第１
    の材料によって形成され、第２のセクションは、互いに
    並んで配置され、第１の材料の膨張係数よりも高い膨張
    係数をもつ第２の材料によって形成された円弧状のセク
    タ（２３）を備えることを特徴とするコンプレッサの固
    定子。
  2. 【請求項２】 第１の材料は、ＴＡ６Ｖ、チタン合金、
    ＩＮＣ０９０９、ＴｉＡＬ、１０×１０−６ｍ／℃より
    も小さい平均線膨張係数をもつ同様の金属間化合物のよ
    うな膨張係数が低い材料の中から選択され、第２の材料
    は、ＩＮＣ０７１８またはこれと同様のニッケル合金、
    ＲＥＮＥ７７、約１５×１０−６ｍ／℃の平均線膨張係
    数をもつ誘導体のような膨張係数が高い材料の中から選
    択されることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
  3. 【請求項３】 シュラウド（１１）を支持するケーシン
    グ（１０）を備え、ケーシング（１０）は、上流側通気
    のためのチャンバ（１９）と下流側通気のためのチャン
    バ（２０）とを画定し、このケーシングが、これら２つ
    のチャンバの前方に全周にわたって切れ目のない環状の
    構造体（２８、４０）を有していることを特徴とする請
    求項１に記載の固定子。
  4. 【請求項４】 ケーシング（１０）は、シュラウドの第
    １のセクションの前方およびシュラウドの第２のセクシ
    ョンの前方に、切れ目のないアセンブリを構成するよう
    に延びるリング（２８、４０）を備えていることを特徴
    とする請求項３に記載の固定子。
  5. 【請求項５】 シュラウドの第２のセクションの前方に
    あるケーシングの各リングは、シュラウドの並置セクタ
    （２３、２３’）と端部に一対の同軸リップ（３２、３
    ４）を主に備えたセクタ（２３）との環状の各アセンブ
    リにそれぞれ連結され、前記リップは、隣接するアセン
    ブリの端部対向セクタ（２３、２３’）のリップ（３
    １）と、隣接する環状アセンブリに連結されたケーシン
    グのリングのリップ（３２）とを挟持することを特徴と
    する請求項４に記載の固定子。
  6. 【請求項６】 シュラウドの第１のセクションの前方の
    ケーシングのリングは、固定子のリング間で延び且つノ
    ズル（１２）を形成する突出部（４３、４３’）を備
    え、シュラウドのリングは突出部間でかみ合わされてい
    ることを特徴とする請求項３に記載の固定子。
  7. 【請求項７】 セクタ（２３、２３’）は可撓性タブ
    （２４、２６）によって連結されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の固定子。
  8. 【請求項８】 シュラウドの第１および第２のセクショ
    ンは、回転子（１）のセクションの前方に配置されると
    ともに、第１および第２の材料によって形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の固定子。
JP2000154077A 1999-06-10 2000-05-25 高圧コンプレッサの固定子 Expired - Lifetime JP4124552B2 (ja)

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FR9907315 1999-06-10

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EP (1) EP1059420B1 (ja)
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