JP2007077990A - ガスタービンエンジンにおけるタービンロータブレードの先端隙間の制御 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドリング速度から高速に移るとき、または高速運転に移るときに発生する、ガスタービンエンジンのタービンにおけるブレードの先端の隙間の過大な消耗に関連する、従来の問題に対する解決策を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンにおけるタービンロータの可動ブレード（１６）の先端と、ブレードを囲む外部ケーシングのタービンリング（２２）との間の隙間（１８）は、ターボ機械がアイドリング速度または高速で運転されるたびに、一時的にタービンリングの内径を増加することにより増加され、これにより、アイドリング速度からより速い速度への移行時または高速で運転しているときに、タービンリングと接触することによるブレードの先端の磨耗を避けるかまたは最小化する。隙間は、外部ケーシングを加熱すること、詳細には、外部ケーシングにより保持される少なくとも１つの抵抗回路（３０）を電気的に加熱することにより、増加される。
【選択図】図３

Description

本発明はガスタービンエンジン用のターボ機械タービンに関し、さらに詳細には、タービンロータの可動ブレードの先端と、ブレードを囲む固定外部ケーシングのタービンリングまたはシュラウドとの間の、隙間の制御に関する。

タービンでは、可動ブレードの先端の半径方向の隙間は、ターボ機械の性能に影響を与える重要なパラメータである。運転中の隙間が小さければ小さいほど、タービンの性能は向上する。

ブレードの先端隙間は、回転部と固定部との間、すなわち、タービンロータを形成するディスクおよびブレードと、リングまたはより詳細にはケーシングのタービンリング部分を含むタービンケーシングとの間の寸法の、様々な変化に依存する。これらの寸法変化は、ブレード、ディスクおよびケーシングの温度変化に関連する熱的な原因と、詳細には、ディスクおよびブレードに作用する遠心力の影響、および固定部および回転部において作用する圧力の影響による、機械的な原因との両方から起こる。

タービンリングと接触することによるブレードの先端への損傷を制限するために、タービンリングはブレードに対面する面に磨耗材料の層を備える。したがって、先端におけるブレードの磨耗は、磨耗材料に溝を掘るブレードの先端に限定されるが、このような磨耗は完全には除去されない。

ブレードの先端における隙間に対する有効な制御がなされない状態では、この隙間の値は、エンジンの耐用年数の間におけるブレードの最大磨耗が許容限界内に留まるような値に設定される。この磨耗は、「使い切られる」または「消耗される」隙間の最大量の関数である。用語「隙間の消耗」は、ここでは、ブレードおよびタービンリングの半径方向における寸法変化の間の差を意味するために使用される。したがって、隙間はターボ機械が運転中に生じる最大隙間の消耗の関数として設定される。

隙間の制御システムはよく知られており、可能な限り隙間を制限してタービンの性能を最適化する役割を果たす。このようなシステムは、一般に、タービンリングの外面にまたはリングを支持するケーシングの部分に冷却空気を導くことにより作動し、この空気自体はターボ機械の圧縮機および／またはファンから取り込まれる。例えば、ターボ機械の全自動デジタルエンジンコントロール（ＦＡＤＥＣ）により制御される、このような隙間の制御システムは、一般に複雑である。

航空機用ガスタービンエンジンでは、飛行巡航速度、巡航速度よりも遅い飛行アイドリング速度、飛行アイドリング速度より遅いアイドル速度、および巡航速度より速い高速度を含む、いくつかの可能な運転速度が存在する。飛行巡航速度は、飛行の大部分の間に採用される公称速度である。飛行アイドリング速度は、着陸前のアプローチ段階の間に特に採用される。アイドル速度は主に地上で使用される。高速度は離陸および上昇中に採用される。

隙間の消耗が極めて大きくなる状態、すなわちアイドル速度から急速に加速する状態、さらに詳細には、アイドリング自体が高速度における運転の段階に続く状態が存在する。

高い速度からアイドリング速度に移ると、温度が低下し、高速度状態の後に回転部の半径方向の寸法において結果として生じる変化が、かなり大きな重量を有するロータディスクの熱的慣性のためにゆっくりと起こる。しかしながら、ケーシングの重量はより軽いため、その寸法はより急激に変化し、安定したアイドリング状態に急速に到達する。その後、ブレードの先端における隙間は小さくなる。隙間が小さい状態からより高速へと再加速すると、回転部分に加えられる遠心力から生じる半径方向の寸法変化は急激であり、温度の上昇に起因するケーシングの半径方向の任意の寸法変化の前に発生する。これはケーシングおよび回転部品の寸法が安定する前に、隙間の大きな一時的な過大消耗を引き起こす。図１において、これは、アイドリングから高速に移る（例えば、アイドリングから離陸のための高速度に）ターボ機械の運転速度の変化、タービンリングの寸法変化、およびブレードの先端における寸法変化をそれぞれ示す、曲線Ａ、ＢおよびＣにより示され、カーブＢとＣの間の相違Ｅは隙間の消耗（または変化）を表す。高速に到達した直後の隙間の消耗におけるピークが確認できる。

隙間のかなり大きな消耗を引き起こす別の状態は、高速に移るときに発生し、この状態においては、機械的な原因（遠心力）によるロータの寸法変化は、熱的な原因によるタービンリングの寸法変化より前に発生する。

冷却空気をタービンリングに吹き付けて隙間を制御することにより、これらの問題を解決することはできない。

ブレードの先端の隙間の有効な制御が存在しない場合、すべての状態におけるブレードの先端とタービンリングの間のあらゆる接触を避ける隙間の設定は、巡航速度において隙間の値が過大になる結果となり、それによりタービンの性能を低下させるため、考えることができない。

したがって、隙間の過大消耗が発生する場合、ブレードの然るべき磨耗量を認めることが必要である。

ケーシングを電気的に加熱することにより、ブレードの先端とケーシングの間の隙間を増加させることが、米国特許第５６３０７０２号明細書において考えられている。しかしながら、これは、高温の間に再スタートするときの、工業用ターボ機械の圧縮機に適用される。

独国特許出願公開第４３０９１９９号明細書では、空気または他の冷却流体により、あるいは誘導による電気的加熱によって、多段タービンの個々のタービンリングの温度を制御することを考えている。
米国特許第５６３０７０２号明細書 独国特許出願公開第４３０９１９９号明細書

本発明の目的は、アイドリング速度から高速に移るとき、または高速運転に移るときに発生する、ガスタービンエンジンのタービンにおけるブレードの先端の隙間の過大な消耗に関連する、上述した問題に対する解決策を提供することである。

この目的は、ガスタービンエンジンにおけるタービンの可動ロータブレードの先端と、ブレードを取り囲む外部ケーシングのタービンリングとの間の、隙間を制御する方法により達成される。本発明によるこの方法においては、アイドリング速度および／または高速で運転する間、タービンリングの内径を増加させて隙間を一時的に増加させることにより、加速の結果として起こるタービンリングとの接触によりブレード先端の磨耗を回避または最小化する。

用語「アイドリング速度」はここでは、ターボ機械の公称運転速度より遅い速度を意味するのに用いられ、用語「高速」は公称速度より速いスピードを意味するのに用いられる。ガスタービン航空機エンジンにおいて、アイドリング速度は飛行巡航速度より遅い速度であり、また、飛行アイドリング速度より遅い可能性もある。これに対して高速は飛行巡航速度より速い速度である。

このように、先端がタービンリングと接触することにより、ある特定の状態下でのブレード先端の磨耗を引き起こす隙間の過大消耗について懸念することなく、アイドリング速度と高速の間の公称速度においてタービンに極めて優れた性能を持たせることが可能な、ブレード先端の隙間を有することができる。加えて、性能が大幅に低下しない運転段階の間、すなわちアイドリング速度で運転するとき、または限定された持続期間となる運転段階の間、すなわち高速運転のとき、隙間の増加が起こる。

隙間は、有利には、加熱、詳細には電気エネルギーの付加による加熱により、増加される。

加熱は、外部ケーシングにより保持される少なくとも１つの抵抗回路に電気を供給することにより、または外部ケーシングまたは外部ケーシングにより保持される少なくとも１つのサセプター（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）との誘導結合により、達成される。

本発明はさらに、ガスタービンエンジンにおけるタービンの可動ロータブレードの先端と、ブレードを囲む外部ケーシングのタービンリングとの間の、隙間を制御するシステムを提供する。このシステムは、タービンリングの内径を増加することにより隙間を増加するのに適する装置と、アイドリング速度における運転段階中および／または高速運転段階中に上記装置を作動させ、また他の運転段階の間において上記装置の作動を中断するのに適する回路と、を含む。

システムの特徴によれば、隙間を増加させるのに適する装置は、電気的、詳細には抵抗的または誘導的である加熱装置である。

特定の実施形態においては、加熱装置を作動するために必要な電気エネルギーは、タービンのロータに結合される発電機により供給される。

本発明はさらに、上述の隙間制御システムを備えたガスタービンエンジンを提供する。隙間を増加する装置の作動を制御するのに適する回路は、有利には、エンジンのＦＡＤＥＣシステムに組み込まれる。

本発明は例示に限定されることなく、添付図面を参照して与えられる以下の説明を読むことにより、詳細に理解されるであろう。

よく知られているように、ガスタービンエンジンにおいては、高圧タービン１（図２）がタービンノズルを介して燃焼チャンバ２から来る燃焼ガスを受け入れ、上記ガスを低圧タービン３に送り、その後排出する。高圧タービンは、加圧空気を燃焼チャンバに供給する高圧圧縮機４のロータと結合されたシャフトに取り付けられ、一方、低圧タービンはエンジンの入口に位置するファンに結合されたシャフトに取り付けられる。

図３に示されているとおり、高圧タービンは、その軸Ｘ−Ｘとしてエンジンの軸を有するシャフト１２に結合されたタービンロータ１０を備える。ロータ１０は、図示されていない機械的手段によりシャフト１２に結合されるディスク１４と、ディスク１４から半径方向に突き出て、ディスクに取り付けられた複数の可動ブレード１６とを備える。

ロータ１０は、外部タービンケーシング２４により保持されるタービンリング２２を備えるタービンケーシング２０に囲まれており、タービンリング２２自体は一体に接続されるフランジ２４ａ、２６ａにより外側シェル２６に固定されている。

タービンリング２２は複数の隣接するセクタまたはセグメントで構成されている。リング２２は内側に磨耗材料の層２２ａを備えており、ブレードの先端２６ａに対して隙間１８を残すようにブレード１６を囲む。

リング２２のセクタは、軸Ｘ−Ｘの方向に向き、かつウェブ２８ｃにより相互結合される２つの半径方向のフランジ２８ａおよび２８ｂを備える、ほぼＵ字形断面を有する外部ケーシング２４の環状部分２８により支持される。端部では、フランジ２８ａおよび２８ｂは従来の方式でリングのセクタを取り付けるリムを備える。

本発明によれば、タービンケーシング２０は、制御された方法により、タービンリング２２の内径を増加することを可能にする装置を備える。

図３および図４で示される例においては、タービンリングの内径はタービンの外部ケーシング２４に結合された抵抗型加熱回路３０による熱膨張により増加する。例として、回路３０は、絶縁層３４に埋め込まれている１つ以上の導体３２を有するシートの形状である。利便性および有効性の理由のために、抵抗性シート３０は、タービンリングのセクタを支持する部分２８の外側の外部ケーシング２４に固定されている。図２および図３で示されるとおり、抵抗性シート３０は、ウェブ２８ｃの外側面と、フランジ２８ａ、２８ｂと一直線にウェブ２８ｃから外側に半径方向に突き出る、２つの補強フランジ２８ｄ、２８ｅの対向する面とを覆う。回路３０については別の配置も採用できるが、好ましくは、タービンリングに面して、および最も高温の領域に近くない部分に配置される。

回路３０は、ロータ１０のシャフト１２に連結された交流発電機により生成される電力を提供され、この交流発電機は航空機に電力を供給する。電気接続は、外側シェル２６を貫通する導体（図示せず）を介してなされる。図５に概略的に示されているとおり、制御されるスイッチ回路３２は、交流発電機３４と抵抗回路３０の間に挿入されている。スイッチ３２は、全自動コントロールシステムまたはエンジンのＦＡＤＥＣ３６により生成される制御信号により制御される。

ＦＡＤＥＣ３６は、アイドリング速度および高速での運転段階の間においてスイッチ３２を閉じるようにプログラムされ、運転の他のすべての段階の間はスイッチ３２を開く。なお、用語「アイドリング速度」は、好ましくは、飛行アイドリング速度より遅い速度での運転を意味し、用語「高速」は、飛行巡航速度より速い速度での運転を意味すると理解されたい。それでもなお、回路３０は、飛行アイドリング速度においても電力を供給される。

このように、アイドリング速度および高速における運転段階の間、電力は回路３０に対して維持され、それにより、ブレードの先端において隙間１８は増加する。このような段階の間の結果として生じるエンジン性能の低下は、一般に過渡的であるため不利にならない。その結果、アイドリング速度での運転からより高速での運転への移行、または高速運転への移行において、消耗され得る隙間のより広いマージンを提供し、このマージンはブレードに即座に作用する遠心力の効果に適応するのに適している。ブレードの先端における磨耗は結果的に最小化され、さらに、巡航速度で運転している間、タービン性能の点で有利である隙間を有することを可能にする。

回路３０は、単一部分として、または直列にまたは並列に電力を提供される複数の並列部分（またはシート）として、実現できる。

図６は、誘導結合により加熱が生成される、別の実施形態を示す。絶縁体４４に埋め込まれた１つ以上のコイル４２により構成される誘導回路４０は、タービンの外部ケーシング２４に結合され、これにより、ケーシングの一部分２８または上記部分の少なくとも一部が誘導結合される。外部ケーシング２４の材料との直接誘導結合が不十分な場合、ケーシングを、サセプター形成素子に結合でき、例えば、一部分２８の外側に固定して、リングのセクタを支持することができる。

タービンリングの内径の増加が、アイドリング速度での運転中および高速での運転中の両方でなされるとして、上に説明されているが、直径のこの増加はこれらの２つの速度の１つでのみ適用できる。さらに、アイドリング速度での運転中および／または高速での運転中の両方での、リングの内径の増加による隙間の制御は、また、低圧タービンにも適用できる。

本発明は、タービンの大部分の活動である巡航速度での運転において、タービンを最適に作動できる点において注目に値し、本発明では、冷却空気を吹き付ける冷却システムを必要とせず、また短い期間（高速）の運転段階の間、あるいはタービン性能が隙間の増加により大幅に低下しない期間（アイドリング速度）だけになされる、（実現が容易である手段を必要とする）タービンリングの加熱を備える。

運転速度の変化、およびガスタービンエンジンのタービンにおけるステータおよびロータの半径方向の寸法における対応する変化をそれぞれ示す、曲線グラフである。 ガスタービンエンジンの非常に概略的な図である。 本発明の実施形態におけるガスタービンエンジンのタービンの部分における断片的な図である。 図３のタービンのケーシングの一部分の詳細を示す、概略的な斜視図である。 図３のタービンのケーシングに結合された加熱装置の制御のための回路の図である。 本発明の別の実施形態におけるガスタービンエンジンのタービンの一部分の断片的な概略図である。

符号の説明

１ 高圧タービン
２ 燃焼チャンバ
３ 低圧タービン
４ 高圧圧縮機
１０ タービンロータ
１２ シャフト
１４ ディスク
１６ 可動ブレード
１８ 隙間
２０ タービンケーシング
２２ タービンリング
２２ａ 磨耗材料の層
２４ 外部タービンケーシング
２４ａ、２６ａ、２８ａ、２８ｂ フランジ
２６ 外側シェル
２８ｃ ウェブ
２８ｄ、２８ｅ 補強フランジ
３０ 抵抗性加熱回路
３２ 導体
３４ 絶縁層
３６ ＦＡＤＥＣ
４０ 誘導回路
４２ コイル
４４ 絶縁体

Claims (15)

1. 第１にガスタービンエンジンのタービンのロータの可動ブレード（１６）の先端と、第２にブレードを囲む外部ケーシングのタービンリング（２２）との間の、隙間（１８）を制御する方法であって、この方法は、
   アイドリング速度での運転段階の間において、タービンリングの内径を一時的に増加させて隙間を増加させることにより、後続の加速の結果としてタービンリングと接触することによるブレードの先端の磨耗を回避または最小化することを特徴とする、方法。
2. 第１にガスタービンエンジンのタービンのロータの可動ブレード（１６）の先端と、第２にブレードを囲む外部ケーシングのタービンリング（２２）との間の、隙間（１８）を制御する方法であって、この方法は、
   高速での運転段階への変化の間において、タービンリングの内径を一時的に増加させて隙間を増加させることにより、高速への移行における加速の結果としてタービンリングと接触することによるブレードの先端の磨耗を避けるまたは最小化することを特徴とする、方法。
3. 高速での運転段階への変化の間において、タービンリングの内径を一時的に増加させて隙間を増加させることにより、高速への移行における加速の結果としてタービンリングと接触することによるブレードの先端の磨耗を避けるまたは最小化することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 隙間が外部ケーシングの加熱により増加する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 加熱が電気エネルギーの供給により生成される、請求項４に記載の方法。
6. 加熱が、外部ケーシングに保持される少なくとも１つの抵抗回路（３０）に電力を供給することにより達成される、請求項５に記載の方法。
7. 加熱が、誘導回路（４０）と外部ケーシングとの、または外部ケーシングにより保持される少なくとも１つのサセプターとの誘導結合により達成される、請求項５に記載の方法。
8. 第１にガスタービンエンジンのタービンのロータの可動ブレード（１６）の先端と、第２にブレードを囲む外部ケーシングのタービンリング（２２）との間の隙間（１８）を制御するシステムであって、このシステムは、
   タービンリング（２２）の内径の増加により隙間を増加させるのに適する装置（３０、４０）と、アイドリング速度における運転段階および高速運転段階からなる、２つの運転段階の少なくとも一方の間において上記装置を作動させ、エンジンの他の運転速度の間において上記装置の作動を中断するのに適する回路と、
   を備える、システム。
9. 隙間が増加させるのに適する前記装置は、外部ケーシングを加熱する装置（３０、４０）である、請求項８に記載のシステム。
10. 加熱装置（３０、４０）が電気式である、請求項９に記載のシステム。
11. 加熱装置が、外部ケーシングにより保持される少なくとも１つの抵抗回路（３０）を備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 加熱装置が、外部ケーシングまたは外部ケーシングにより保持されるサセプターと結合される少なくとも１つの誘導回路（４０）を備える、請求項１０に記載のシステム。
13. 加熱装置を操作するのに必要な電気エネルギーが、タービンのロータに連結される発電機（３４）により供給される、請求項１０に記載のシステム。
14. 隙間制御システムを装備している、請求項８から１３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
15. 全自動デジタルエンジンコントロール（ＦＡＤＥＣ）（３６）を装備したガスタービンエンジンであって、装置の操作を制御するのに適した前記回路がＦＡＤＥＣに組み込まれている、請求項１４に記載のガスタービンエンジン。

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