JP2006207584A - 形状記憶合金を含むタービンエンジンステータ及び間隙制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転ブレード配列組立体（１１）との間に半径方向ギャップ（２６）をはさんで並置した状態のタービンエンジンステータ組立体（１８）を提供する。
【解決手段】本タービンエンジンステータ組立体（１８）は、半径方向に可動のシュラウド（２０）と、少なくとも１つの形状記憶合金（ＳＭＡ）で作られたギャップ制御部材（２８）とを含む。ＳＭＡは、エンジン作動中に該ＳＭＡの周りの温度に対応して所定量だけ変形してギャップ（２６）の半径方向長さを変更するように選択されかつ予め調整されている。流体流れ手段（３０）は、エンジン作動中に所定温度でＳＭＡに流体（３４）を供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンステータ組立体に関し、より具体的には、タービンエンジンステータ組立体内の固定シュラウド面と並置したブレード配列部材の回転面との間の作動間隙を制御するための装置及び方法に関する。

軸流タービンエンジン、典型的にはガスタービンエンジンの形態は、エンジンの流路を形成する働きをする固定組立体の半径方向内部に回転組立体を含む。実施例は、流入空気を加圧する回転圧縮機組立体と、エンジン燃料燃焼の生成物から動力を引き出す回転タービン組立体とを含む。このような組立体は、周囲のステータ組立体内部に回転ブレードの段を有し、ステータ組立体は、回転ブレードの協働する面から間隔を置いて配置されたシュラウド面を含む。タービンエンジンの効率は、少なくとも部分的に、並置したシュラウド面と回転ブレードとの間の間隙若しくはギャップにより決まる。間隙が大き過ぎる場合には、そのようなギャップ間で望ましくないエンジン流路流体の漏洩が発生して、エンジン効率の低下を生じることになる。間隙が小さすぎる場合には、そのような組立体の回転及び固定部材間で干渉が起こり、そのような協働する面の１つ又はそれ以上に損傷を生じるおそれがある。
米国特許第６，３６７，２５３号公報 米国特許第６，０６５，９３４号公報 米国特許第６，１３５，７１３号公報 米国特許第６，２２０，５５０Ｂ１号公報 英国特許出願第２，３５４，２９０Ａ号公報

このような装置における間隙の問題を複雑にしているのは、このようなタービンエンジン組立体間の間隙がエンジン作動条件（エンジン作動中に協働する部材が受けるところの、加速、減速、或いはその他の熱的状態若しくは遠心力条件における変化など）と共に変化することである、ということが事実としてよく知られている。このような組立体用の間隙制御の機構は、アクティブ間隙制御システムと呼ばれ、選択した間隙条件をエンジン作動中においても維持するための機械的システム即ち材料の熱膨張／収縮特性に基づいたシステムを有している。このようなシステムでは、一般的に、エンジンの作動サイクルで用いられている空気などを犠牲にして、加熱または冷却目的でかなりの量の空気を使用する必要がある。改良型のアクティブ間隙制御手段を提供することにより、エンジン流路におけるこのような加熱又は冷却目的の流体に対する必要性を低下せしめることは、エンジン効率を高めることに資する。

本発明の一つの形態は、エンジン作動前に第１の半径方向ギャップ長を有するギャップをはさんでタービンエンジン回転ブレード配列組立体の周りに円周方向に間隔を置いて配置されたタービンエンジンステータ組立体を含む。ステータ組立体は、ギャップの第１の半径方向境界面を形成するシュラウド内面を有する円周方向シュラウドを有し、また回転ブレード配列組立体は、ギャップの第２の半径方向境界面を形成するブレード配列部材外面を有するブレード配列部材を含む。このような形態では、ステータ組立体は、半径方向に可動であるシュラウドと、形状記憶合金（ＳＭＡ）で作られた少なくとも１つのギャップ制御部材と、ギャップ制御部材のＳＭＡに所定温度で例えば空気のような流体を供給する流体流れ手段とを含む。ギャップ制御部材のＳＭＡは、エンジン作動中に流体の温度に対応して所定量だけ変形するように選択されかつ予め調整されて、タービンエンジン作動中に第１の半径方向ギャップ長を所定量だけ変更するようにシュラウド内面をブレード配列部材外面に対して半径方向に移動させる。

別の形態では、本発明は、例えばシュラウド内面のような円周方向固定面と例えばブレード配列部材外面のような円周方向回転面との間のギャップの半径方向長さを変更する方法を提供する。本方法の形態は、固定面が半径方向に移動するのを可能にする手段を設ける段階を含む。エンジン作動前に用いるために第１の半径方向ギャップ長が選択され、またエンジン作動中に用いるために少なくとも１つの付加的半径方向ギャップ長が選択される。固定面に作動可能に結合された、ＳＭＡで作られた部材が設けられる。ＳＭＡは、エンジン作動前に第１の半径方向ギャップ長のギャップをはさんで固定面及び回転面を位置決めしかつエンジン作動中に該ＳＭＡの周りの温度に対応して所定量だけ変形するように選択され、予め調整されかつ成形される。流体流れ手段は、エンジン作動中に所定温度で流体をＳＭＡに供給して、固定面を回転面に対して半径方向に少なくとも１つの付加的半径方向ギャップ長まで移動させるようにＳＭＡを所定量だけ変形させる。例えば、ＳＭＡは、エンジン作動前にブレード配列部材外面に対して第１の半径方向ギャップ長でシュラウド内面を位置決めするように予め調整され、かつエンジン作動中に流体の所定温度に対応して少なくとも１つの付加的半径方向ギャップ長でシュラウド内面を位置決めするように予め調整される。

形状記憶合金（ＳＭＡ）と呼ばれる合金で作られた物品が、１つの物理的形状から少なくとも別の物理的形状への変化を可能にする温度関連の固体微細組織相の変化を被るような金属合金の例が幾つか報告されている。このような相変化が起こる温度は一般的に、合金の臨界又は遷移温度と呼ばれる。広く知られかつ報告されたＳＭＡは、ニチノール合金とも呼ばれるチタンニッケル合金である。より最近報告されたより耐熱タイプのＳＭＡは、Ｎｂ又はＴａと合金化したＲｕの合金であり、この合金は、それぞれ室温から最高約１１００°Ｃ又は約１４００°Ｃまで変化すると言われている形状記憶遷移温度を生じる。特定の用途では、遷移温度は組成の改質によって変化させることができると報告されている。

作動中において１つの形状から他の少なくとも１つの形状に変化することを意図した物品をこのような合金から製造する場合には、その物品は、その遷移温度以上で作動させる使用を意図した第１の形状にもたらされる。このような第１の形状は、固体微細組織相の変化が起こる遷移温度即ち臨界温度以上の温度で、合金の物品プリフォームを加工しかつ焼きなますことによって作製される。しかしながら、その臨界温度以下では、このような合金は展性があり、第１の形状のその物品は、所望の第２の形状に、例えばほぼ室温で組立体内に包含することができるように、変形することができる。その後、例えば物品の実用作動中に、その第２の形状のＳＭＡ物品は、臨界温度以上に加熱されると、微細組織相変化を生じ、それにより物品は第１の形状に戻ることになる。

ＳＭＡについて記載しかつＳＭＡで作られた物品を特定している多数の刊行物の代表的なものは、航空機着陸装置用のＳＭＡアクチュエータに関するＫｕｔｌｕｃｉｎａｒの米国特許第６，３６７，２５３号である。Ｊａｃｏｔ他の米国特許第６，０６５，９３４号、Ｄｏｍｚａｌｓｋｉ他の米国特許第６，１３５，７１３号及びＭｃＫｉｌｌｉｐ，Ｊｒ．の米国特許第６，２２０，５５０Ｂ１号のような米国特許は、ヘリコプタ回転翼又はタブ制御に関係したアクチュエータにおけるＳＭＡの使用を記載している。さらに、Ｃａｒｅ他の英国特許出願公開第２，３５４，２９０Ａ号は、ガスタービンエンジン構成部品内の空気冷却用流量制御弁としてのＳＭＡの使用を記載している。

本発明の種々の形態によると、タービンエンジンステータ組立体には、それらの間のギャップをはさんで並置した円周方向回転ブレード部材に対して半径方向に可動な円周方向固定シュラウドと、ＳＭＡの周りの温度に対応してシュラウドを半径方向に移動させるＳＭＡで作られたギャップ制御部材と、前もって選択していた選択温度で例えば空気のような流体をＳＭＡに供給する流体流れ手段との組合せが設けられている。ギャップ制御部材のＳＭＡは、エンジン作動中にＳＭＡの周りの温度に対応して所定量だけ変形するように選択されかつ予め調整される。本明細書で用いる場合、「半径方向の」又は「半径方向に」という用語を用いる語句は、ほぼエンジン軸線から離れる又は該エンジン軸線に向かうようなタービンエンジン内での全体的な又は主たる移動又は位置取りを意味する。同様に、「軸線方向に」という用語を用いる語句は、ほぼエンジン軸線に沿った又は該エンジン軸線の方向における位置取りを意味し、「円周方向の」又は「円周方向に」という用語を用いる語句は、エンジン軸線の周りでのほぼ円周方向における位置決め又は方向付けを意味する。

本発明は、図面を参照することによってさらに完全に理解されることになり、図面において、図１は、全体を符号１０で示しかつエンジン軸線１２の周りで円周方向に見た、軸流ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部の概略部分断面図である。タービンセクション１０は、固定タービンベーン１６に軸方向に隣接した回転タービンブレード１４のような円周方向回転ブレード配列部材の全体を回転ブレード組立体（符号１１で示す）を含む。タービンセクション１０内に含まれているのは、全体を符号１８で示すタービンステータ組立体であり、このタービンステータ組立体は、一般的にはタービンブレード１４の周りで円周方向に組立てられた複数の円周方向に隣接するシュラウドセグメントから成る円周方向固定タービンシュラウド２０を含む。シュラウド２０は、ブレード配列部材外面２４と並置した状態で内面２２を有し、これら面は、シュラウド内面２２とブレード配列部材外面２４との間のギャップ２６のそれぞれ第１の境界面及び第２の境界面を表す。上述したように、ギャップ２６の半径方向長さは、タービンエンジンの効率に影響を与えることになる。従って、ギャップ２６の半径方向長さは、様々なエンジン作動条件中に可能な限り小さく維持することが望ましい。

ステータ組立体１８内に含まれるのは、図面において強調するために断面図で示したギャップ制御部材２８である。この実施形態におけるギャップ制御部材２８は、ＳＭＡで作られかつシュラウド２０に作動可能に結合されたステータ組立体１８内に固定されたところの、円周方向リング状部材である。例えば、ギャップ制御部材２８は、シュラウド２０と直接接触した状態とすることも、或いは図面に示すように１つ又はそれ以上の中間ステータ組立体部材を介してシュラウド２０と間接的に接触した状態とすることもできる。シュラウド２０は、該シュラウド２０を支持する部材若しくは手段の移動に対応して半径方向に可動である。

ギャップ制御部材２８と協働するのは、図面に示すように、ギャップ制御部材２８に（例として、ギャップ制御部材２８の周りに）流体を供給する流体流れ手段３０である。例として、エンジン作動条件の関数として、可変所定温度の空気を供給することができる。流体流れ手段３０と関連しているのは、公知のタイプの流体流れ制御装置（図示せず）であってよく、その場合に、この流体流れ制御装置は、流体流れ手段用の流体の温度を選択的に変化させるように、エンジンの他の部分並びに（又は）その周りからの例えば空気のような流体を選択するための公知の予めプログラムされた流体弁と弁制御装置とを用いる。例えば、流体温度を変化させる自由度のために、空気及び／又は燃焼生成物を含むエンジン流路内流体と外部の周囲空気とは、圧縮機の様々な部分からと（または）、流体流れ手段とを通して付与するようになった周囲空気とから必要に応じて選択することができる。図面では、流体流れ手段３０は、所定温度でギャップ制御部材２８の周りに例えば軸方向前方の圧縮機（図示せず）からの空気のような流体３４を供給する開口部３２を含むほぼ円周方向の空気流チャンバ又はマニホルドとして表されている。ギャップ制御部材２８のＳＭＡは、エンジン作動中に流体３４の温度に対応して所定量だけ変形するように選択されかつ予め調整される。流体３４の温度は、例えば圧縮機の段、周囲の空気又はそれらの混合物などの流体源を適切に選択することによって変化させることができる。

本発明の実施形態によると、シュラウド２０は、タービンブレード１４に向かって若しくは該タービンブレード１４から離れるようにほぼ半径方向に可動である。シュラウド２０は、エンジン実用作動中にギャップ制御部材２８が選択的に変形すると、ギャップ制御部材２８による力を受けて移動する。図面の実施形態では、このような力は、ステータ組立体１８の中間部材３６を介してシュラウド２０に伝達される。このようなシュラウド２０の移動は、シュラウド内面２２をブレード配列部材外面２４に向かってまたは該部材外面２４から離れるように移動させ、それによってギャップ２６の半径方向長さを変更しかつ表面２２及び２４間の間隙を能動的にかつ選択的に制御してエンジン効率を向上させる。

図２に一部の概略部分断面図として、ギャップ制御部材２８の別の実施形態を示す。この実施形態では、断面として全体を符号２８で示されたギャップ制御部材は複数の円周方向に別個の部分３８、４０及び４２を含むものであり、これらは、全体的に接して実質的に連続したセグメントギャップ制御部材を形成する。図３に一部の概略部分断面図として、ギャップ制御部材２８のさらに別の実施形態を示す。断面として全体を符号２８で示したギャップ制御部材は、複数の間隔を置いて配置された別個の円周方向リング４４及び４６を含む。各このような別個の部分は、様々なエンジンの作動条件中にギャップ２６の制御を高めるように選択した温度遷移特性を有する同一のＳＭＡ又は異なるＳＭＡで作ることができる。

本発明の別の形態は、エンジン作動中に例えばシュラウド内面２２のような円周方向固定面と例えばブレード外面２４のような円周方向回転面との間の例えばギャップ２６のようなギャップの半径方向長さを変更する方法を提供する。本方法は、固定面２２が半径方向に移動するのを可能にする手段を設ける段階を含む。第１の半径方向ギャップ長は、エンジン作動前に用いるように選択され、また少なくとも１つの付加的半径方向ギャップ長は、エンジン作動中における様々な作動条件に対して選択される。ＳＭＡで作られたギャップ制御部材２８は、固定面２２に作動可能に結合された状態で設けられる。ＳＭＡは、エンジン作動前に第１の半径方向ギャップ長のギャップ２６をはさんで固定面２２及び回転面２４を位置決めしかつエンジン作動中にＳＭＡの周りの温度に対応して所定量だけ変形するように選択され、予め調整されかつ成形される。流体流れ手段３０は、所定温度で流体３４をギャップ制御部材２８のＳＭＡに供給するように構成される。

本発明は、タービンエンジンステータ組立体が、様々なエンジン作動条件の間に、固定シュラウドの面と並置した回転ブレード配列部材の面との間の半径方向ギャップ長を変更することができるように構成した。特定の実施例、材料並びに構造及び形状の組合せに関連して本発明を説明してきたが、それらは本発明の技術的範囲を何ら限定するのではなくて、本発明の代表的なものであることを意図していることを理解されたい。例えばタービンエンジンの設計及び操作にまたＳＭＡ材料などの用途及び構造に関係した様々な当業者には、特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱することなく本発明に変更及び修正を加えることができることが分かるであろう。

回転タービンブレードの周りに配置されかつその中にＳＭＡギャップ制御部材の１つの実施形態を含むガスタービンエンジンタービンステータ組立体の一部の概略部分断面図。 ステータ組立体内にＳＭＡギャップ制御部材の別の実施形態を含む、図１と同様の概略図。 ステータ組立体内にＳＭＡ部材のさらに別の実施形態を含む、図１と同様の概略図。

符号の説明

１０ タービンセクション
１１ 回転ブレード配列組立体
１２ エンジン軸線
１４ タービンブレード
１６ 固定タービンベーン
１８ ステータ組立体
２０ シュラウド
２２ シュラウド内面
２４ ブレード配列部材外面
２６ ギャップ
２８ ギャップ制御部材
３０ 流体流れ手段
３２ 開口部
３４ 流体
３６ 中間部材
３８、４０、４２、４４、４６ 別個のＳＭＡ部分

Claims (8)

1. タービンエンジン作動前において第１の半径方向ギャップ長を有するギャップ（２６）を横切っているタービンエンジン回転ブレード配列組立体（１１）の周りに円周方向に間隔を置いて配置されたタービンエンジンステータ組立体（１８）であって、
   該ステータ組立体（１８）は、前記ギャップ（２６）の第１の半径方向境界面を規定するシュラウド内面（２２）を有する円周方向シュラウド（２０）を備え、
   前記回転ブレード配列組立体（１１）は、前記ギャップ（２６）の第２の半径方向境界面を規定するブレード配列部材外面（２４）を有するブレード配列部材（１４）を有し、
   前記円周方向シュラウド（２０）は、半径方向に可動であり、
   前記ステータ組立体（１８）は、少なくとも１つの形状記憶合金（ＳＭＡ）で作られた少なくとも１つのギャップ制御部材（２８）を、該ギャップ制御部材（２８）のＳＭＡに所定温度で流体（３４）を供給する流体流れ手段（３０）と組合せた状態で有し、
   前記ギャップ制御部材（２８）のＳＭＡが、エンジン作動中に流体（３４）の温度に対応して所定量だけ変形するように選択されかつ予め調整されて、エンジン作動中に前記第１の半径方向ギャップ長を所定量だけ変更するように前記円周方向シュラウド（２０）及びシュラウド内面（２２）を前記ブレード配列部材外面（２４）に対して半径方向に移動させることを特徴とするステータ組立体（１８）。
2. 前記流体流れ手段（３０）が、前記ＳＭＡの周りに流体（３４）を供給することを特徴とする請求項１記載のステータ組立体（１８）。
3. 前記流体流れ手段（３０）が、エンジン作動中に流体（３４）の温度を選択的に変化させるための流れ制御装置を含むことを特徴とする請求項１記載のステータ組立体（１８）。
4. 前記ギャップ制御部材（２８）が、複数の別個のＳＭＡ部分（３８、４０、４２／４４、４６）を含むことを特徴とする請求項１記載のステータ組立体（１８）。
5. 前記複数の別個のＳＭＡ部分（３８、４０、４２／４４、４６）が、少なくとも２つの異なるＳＭＡを含むことを特徴とする請求項４記載のステータ組立体（１８）。
6. タービンエンジンにおいて円周方向固定面（２２）と円周方向回転面（２４）との間のギャップの半径方向長さを変更する方法であって、
   前記固定面（２２）が半径方向に移動するのを可能にする手段（３６）を設ける段階と、
   エンジン作動前に用いる第１の半径方向ギャップ長を選択する段階と、
   エンジン作動中に用いる少なくとも１つの付加的半径方向ギャップ長を選択する段階と、
   前記固定面（２２）に作動可能に結合された、ＳＭＡで作られかつ前記ＳＭＡがエンジン作動前に前記第１の半径方向長さのギャップ（２６）をはさんで前記固定面（２２）及び回転面（２４）を位置決めしかつエンジン作動中に該ＳＭＡの周りの温度に対応して所定量だけ変形するように選択され、予め調整されかつ成形されたギャップ制御部材（２８）を設ける段階と、
   エンジン作動中に所定温度で流体（３４）を前記ＳＭＡに供給して、前記固定面（２２）を前記回転面（２４）に対して半径方向に少なくとも１つの付加的半径方向ギャップ長まで移動させるように所定量だけ変形させる流体流れ手段（３０）を設ける段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
7. 前記固定面（２２）が、シュラウド（２０）の内面であり、
   また前記回転面（２４）が、ブレード配列部材（１４）の外面であることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記流体流れ手段（３０）が、前記ＳＭＡの周りに流体（３４）を供給することを特徴とする請求項６記載の方法。

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