JP2007113567A - ゼロ運転クリアランスシステムおよびブレード先端クリアランス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張および熱収縮を利用せずにブレード先端／シュラウドクリアランス距離を所望のように実現する。
【解決手段】ロータアッセンブリ３０の半径方向外側のシュラウド５２は、ロータブレードの先端部４２と整列するブレードシール面５４を備える。シール面５４は、ロータ３０のブレード先端と実質的に同じ角度を有する。先端部４２とシール面５４との間にクリアランス距離５６が延びている。アクチュエータ５８により、シュラウド５２およびロータ３０の一方または両方が、他方に対して軸方向に移動する。この軸方向の移動により、ロータアッセンブリ３０が配設された圧縮機２６の各段の先端部４２とシール面５４との間のクリアランス５６が変わる。本発明によりガスタービンエンジンの過渡状態および定常状態の運転の間、圧縮機のブレード先端クリアランスが所望のように維持され、ガスタービンエンジンの効率が向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンにおけるブレード先端部のクリアランスに関する。

軸流型ガスタービンエンジンにおいては、空気は、圧縮機で圧縮され、燃焼器内で燃料と混合されて燃焼され、次いで１つまたは複数のシャフトを介して圧縮機を駆動するタービンを通って膨張する。そのようなエンジンの総合効率は、他の要素の中でも、圧縮機が空気を圧縮する効率、およびタービンが燃焼生成物を膨張させる効率の関数である。圧縮機は、通常、ファンと、タービン部の低圧タービンに連結したシャフトにより駆動する低圧圧縮機と、タービン部の高圧タービンに連結したシャフトにより駆動する高圧圧縮機と、を備える。高圧圧縮機および低圧圧縮機は多段式であり、空気は、回転軸（長手方向の軸）と同心である一連の圧縮機のロータおよびステータを通って軸方向に流れる。

圧縮機の段は連続して配列されている。各々の段により、エンジンを通る空気が圧縮され、それにより空気の圧力が徐々に増加する。圧縮機に亘る全圧力の増加は、各段を通って徐々に増す圧力増加の合計であり、流体損失に対応して調節される。したがって、ガスタービンエンジンの効率を最大限にするように、所定の燃料流で、圧縮機の各段に亘る圧力上昇（以下、圧力比と呼ぶ）を最大限にすることが望ましい。

効率など種々の理由により、ロータのブレード先端部とロータを囲むケーシングとの間のクリアランスを最小限にすることが特に望ましい。ブレード先端のクリアランスを維持する従来技術の解決方法では、ロータを囲むケーシングの半径方向の部分を巧みに利用する摩耗性（アブレイダブル）クリアランス制御システムや能動的なクリアランス制御システムが用いられている。しかし、摩耗性システムでは、一度シールが摩耗してしまうと調節できなくなることが問題となる。さらに、一度設置されると、ロータおよびケーシングの熱的および遠心の反応によってのみクリアランスが決定される。従来技術の能動的なクリアランスシステムでは、その応答時間が問題となる。従来技術の能動的なクリアランスシステムでは、冷却空気の流れ（または流れの欠如）をメカニズムとして利用し、熱膨張や熱収縮によりケーシングを動かして、所望のクリアランスを実現している。そのようなシステムでは、ケーシングの熱応答時間、およびケーシングの熱応答とロータディスクの熱応答との不整合による影響を受けやすい。

図１は、従来技術のガスタービンエンジンにおける典型的なブレード先端クリアランスと応答時間との関係を示すグラフである。位置Ａにおいて、エンジンは定常アイドリング状態（すなわち、回転数（ｒｐｍ）が低く、かつコアガス温度が低い状態）で動いている。位置Ｂでは、エンジンが急速に加速される（例えば、離陸時の加速）。加速の結果、ブレード先端クリアランスが大幅に減少して、位置Ｃでクリアランスが最小となる。この位置におけるクリアランスの変化は、ロータアッセンブリの遠心荷重およびブレードの熱膨張の結果によるロータアッセンブリの機械的成長がほぼ全面的な要因である。

加速に伴うコアガスの温度上昇により、次いでロータアッセンブリを囲むケーシングの半径方向の熱膨張が生じる（位置Ｃから位置Ｄへ）。位置Ｄと位置Ｅとの間におけるクリアランスの減少は、結果として生じたロータディスクの熱膨張が要因である。ロータアッセンブリ（特にロータディスク）の質量がより大きいため、ケーシングの熱応答と比べて、ロータアッセンブリの熱応答が遅くなる。位置Ｅにおいて、結果として生じたクリアランスの安定は、ディスク、ブレードおよびケーシングの最終的な温度、遠心による引力、ならびにロータアッセンブリとケーシングにおける各部品の熱膨張係数の関数である。

位置Ｅと位置Ｆとの間におけるクリアランスの大幅な増加は、減速の結果として生じる。減速により、ロータアッセンブリにかかる遠心荷重が減少するとともに、ブレードが急速に冷却されるため、ロータアッセンブリの機械的成長が減少する。通常の条件では、クリアランスは、位置Ｆと位置Ｉとの間に延びる線で示したように減少する。しかし、クリアランスは、ディスクおよびケーシングの熱応答によって異なる。

位置Ｇと位置Ｈとの間において急加速が実行された場合、従来技術の圧縮機におけるクリアランスは著しく減少する。クリアランスの減少は、以下の（１）〜（３）の組合せによって生じる。（１）ほぼ直後のロータアッセンブリの機械的成長、（２）減速後のケーシングの相対的に早急な熱応答速度の結果、既に減少しているケーシングの内径の寸法、（３）ロータの相対的に遅い熱応答のためロータアッセンブリの寸法が減少していないこと。（２）および（３）の要素に関しては、ケーシングとロータアッセンブリとの間における熱応答の差により、既にケーシングが実質的に熱膨張前の寸法に戻っているのに対して、ロータアッセンブリが熱膨張前の寸法に戻っていないという事態が生じる。位置Ｈでは、結果として生じたシールの摩耗が示されている。従来技術のガスタービンエンジンにおいては、位置Ｈにおけるクリアランスが最悪の状態のクリアランスとして選択されることが多く、位置Ｈに対応する運転状態に適応するようにブレード先端クリアランスが設計される。その結果、ブレード先端部とケーシングとの間のクリアランスは、位置Ｈで最小となるが、このクリアランスは正常の運転条件（例えば、位置Ａ〜Ｇ）下での最適値よりも小さい。

したがって、ガスタービンエンジンの過渡状態および定常状態の運転の間、所望の圧縮機のブレード先端クリアランスを維持する装置および方法の改善が必要である。

さらに、ガスタービンエンジンの過渡状態および定常状態の運転の間、所望の圧縮機のブレード先端クリアランスとともに、タービンのクリアランスを小さく維持する装置および方法の改善が必要である。

本発明によると、ガスタービンエンジンのゼロ運転（ランニング）クリアランスシステムは、軸方向に延びる回転軸の周囲で回転可能であるとともに、先端部をそれぞれ備えた複数のブレードを有するガスタービンエンジン圧縮機の１つまたは複数の第１のロータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリに隣接して配設された前記ガスタービンエンジン圧縮機の１つまたは複数の第１のステータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともにブレードシール面を有する１つまたは複数の第１のシュラウドセグメントと、前記軸方向に延びる回転軸の周囲で回転可能であるとともに、先端部をそれぞれ備えた複数のブレードを有するガスタービンエンジンのタービンの１つまたは複数の第２のロータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリに隣接して配設された前記ガスタービンエンジンタービンの１つまたは複数の第２のステータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともにブレードシール面を有する１つまたは複数の第２のシュラウドセグメントと、アクチュエータと、を備え、前記ブレード先端部および前記ブレードシール面が、互いに対応する幾何学形状を備え、かつ前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びるクリアランス距離を有し、前記アクチュエータが、前記クリアランス距離を変更するために、前記第１のロータアッセンブリおよび前記第２のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とする。

本発明によると、ガスタービンエンジン内のブレード先端クリアランスを制御する方法は、各々がブレード先端部を備えた複数のブレードをそれぞれ有する１つまたは複数の第１のロータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリに隣接して配設された１つまたは複数の第１のステータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともに１つまたは複数のブレードシール面を有するシュラウドと、を備えるとともに、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリの各々における前記ブレード先端部が、前記１つまたは複数のブレードシール面の少なくとも１つに対応する幾何学形状を有し、かつ前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びるクリアランス距離を有する圧縮機を提供するステップと、各々がブレード先端部を備えた複数のブレードをそれぞれ有する１つまたは複数の第２のロータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリに隣接して配設された１つまたは複数の第２のステータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともに１つまたは複数のブレードシール面を有するシュラウドと、を備えるとともに、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリの各々における前記ブレード先端部が、前記１つまたは複数のブレードシール面の少なくとも１つに対応する幾何学形状を備え、かつ前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びるクリアランス距離を有するタービンを提供するステップと、前記シュラウドに対して、前記１つまたは複数のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能なアクチュエータを提供するステップと、前記クリアランス距離を変更するように前記アクチュエータを用いて、前記シュラウドに対して前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリおよび第２のロータアッセンブリを軸方向に動かすステップと、を含む。

本発明の利点は、ガスタービンエンジンの効率を向上させるメカニズムを提供することである。ロータブレード先端部とブレードシール面との間のクリアランスを調節する速度により、効率の向上が可能となる。本発明のアクチュエータにより、１つまたは複数の構成部品の熱膨張および熱収縮によって調節するシステムに必要な時間に比べて、僅かな時間でロータアッセンブリが軸方向に移動する。その結果、熱膨張および熱収縮によるブレードクリアランスシステムを用いたエンジンと比べ、本発明を用いたエンジンのブレード先端部とシュラウドブレードシール面との間における最小限に設計されたクリアランスがより小さくなる。

さらに、本発明の利点は、本発明により、ブレード先端部とシュラウドブレードシール面との間のクリアランスが運転中に選択的に調節されることである。

本発明の他の利点は、本発明により、ブレード先端部とシュラウドブレードシール面との間のクリアランスが摩耗に適応するように選択的に調節されることである。

図２および図３を参照すると、ファン部１２、圧縮機１４，燃焼器１６およびタービン１８を備えたガスタービンエンジン１０が概略的に図示されている。エンジン１０は、軸方向に延びる中心線２２を有する。外気はファン部１２を通ってエンジン１０に流入する。流入した空気の一部は、その後、コアガス流として圧縮機１４、燃焼器１６およびタービン１８を通ってノズルから流出する。

圧縮機１４は、単一のユニットであってもよいし、低圧圧縮機２４および高圧圧縮機２６に分割されていてもよい。低圧圧縮機２４および高圧圧縮機２６の各々（または、単一の圧縮機ユニット）は、複数のステータアッセンブリ２８およびロータアッセンブリ３０を備える。ステータアッセンブリ２８は複数のセグメントを備えており、各セグメントは、内側プラットフォームと外側プラットフォームとの間に配設された１つまたは複数のステータベーンを備える。各ステータアッセンブリ２８のセグメントにより、ロータアッセンブリ３０に隣接して環状の構造物が集合的に形成される。

各ロータアッセンブリ３０は、複数のブレード３２と、軸方向に延びるエンジン１０の中心線２２の周囲で回転可能なディスク３４と、を備える。ディスク３４は、ハブ３６と、リム３８と、それらの間に延びるウエブ４０と、を有する。ブレード３２は、リム３８に取り付けられ、リム３８から半径方向外側に延びている。各ブレード３２は、軸方向の中心線２２に対してある角度を備えて設けられた先端部４２を有しており、この先端部４２の角度は、０°より大きい（すなわち、ブレード先端部の角度は、軸方向中心線２２と平行ではない）。特定のロータアッセンブリ３０における各ブレード３２の先端角度は、該ロータアッセンブリ３０内におけるいずれのブレード３２も同じである。しかし、異なったロータアッセンブリ３０では、ブレード先端部の角度が異なっていてもよい。低圧圧縮機２４内の複数のロータアッセンブリ３０は、互いに機械的に取り付けられているため、一体的に回転する。また、高圧圧縮機２６内の複数のロータアッセンブリ３０も、互いに機械的に取り付けられており、一体的に回転する。

シャフトにより、圧縮機１４とタービン１８が連結されている。低圧圧縮機２４および高圧圧縮機２６を含んだ実施例においては、高圧圧縮機２６は、第１のシャフト４４（ＨＰシャフト）により高圧タービン４６に連結されており、低圧圧縮機２４は、第２のシャフト４８（ＬＰシャフト）により低圧タービン４９に連結されている。

図３および図４を参照すると、周方向に延びるシュラウド５２が、各ロータアッセンブリ３０の半径方向外側に設けられている。各シュラウド５２は、１つのセグメントまたは複数のセグメントから構成されていてもよい。シュラウド５２は、ロータアッセンブリ３０のブレード先端部４２と半径方向に整列するブレードシール面５４を備える。ブレードシール面５４は、ロータアッセンブリ３０のブレード先端部の角度と実質的に同じ角度で設けられている。すなわち、ブレード先端部の角度とシュラウドのブレードシール面の角度は実質的に同じであり、いずれも軸方向の中心線２２に対して、０°を超える所定の角度を有する。シュラウドブレードシール面５４の半径方向内側に設けられたロータブレード先端部４２の形態は（シール面５４および先端部４２のいずれも軸方向の中心線２２に対して、０°を超える所定の角度を有する）、対応する円錐形の幾何学形状に沿ったものとなる。ブレード先端部４２とブレードシール面５４との間に延びる距離５６は、ロータアッセンブリ３０とシュラウド５２との間のクリアランス距離５６と呼ばれる。

圧縮機１４のロータアッセンブリ３０は、アクチュエータアッセンブリ５８に取り付けられている。アクチュエータ５８は、シュラウド５２のセグメントおよびロータアッセンブリ３０の一方または両方を、それらの残りの一方に対して軸方向に動かすように選択的に運転可能である。シュラウド５２のセグメントおよびロータアッセンブリ３０の一方または両方が、それらの残りの一方に対して相対的に動くことにより、ロータアッセンブリ３０が配設された圧縮機１４（つまり圧縮機１４の低圧圧縮機２４および高圧圧縮機２６）の各段におけるブレード先端部４２とブレードシール面５４との間のクリアランス距離５６が変わる。

図３および図６に示された実施例においては、アクチュエータ５８は、モータ５９（例えば、図示した油圧モータ）を備える。モータ５９は、エンジン１０の軸方向中心線２２に対して概ね垂直に設けられたタワーシャフト６０（以下、「クリアランス駆動」タワーシャフト６０と呼ぶ）に連結している。クリアランス駆動タワーシャフト６０により、低圧圧縮機２４または高圧圧縮機２６の一方がシュラウド５２に対して可動となる。例示することを目的として、図３では、高圧圧縮機２６に機能的に連結されたアクチュエータ５８を図示している。別の実施例では、低圧圧縮機２４にアクチュエータ５８を連結させてもよいし、低圧圧縮機２４および高圧圧縮機２６に別々のアクチュエータ５８をそれぞれ連結させてもよい。クリアランス駆動タワーシャフト６０の一方の端部は、機能的にモータ５９に連結しており、他方の端部は、ギア機構６２に連結している。図６では、補助駆動シャフト６４と同軸に配置された高圧圧縮機（ＨＰＣ）のクリアランス駆動タワーシャフト６０が図示されている。別の実施例においては、他のタワーシャフトの配列を用いてもよい。ギア機構６２は、回転運動を直線運動に変換するメカニズムによって（１つまたは複数の）ロータアッセンブリ３０に連結している。例えば、ねじ機構を用いて、所望の直線運動をもたらしてもよい。ねじ機構の実施例については、以下に説明する。しかし、本発明は、回転運動および直線運動を用いる装置に限定されない。ある用途においては、リニアアクチュエータを用いてもよい。

図６〜図８に示された実施例においては、ギア機構６２は、クリアランス駆動タワーシャフト６０に取り付けられた第１のかさ歯車（ベベルギア）６６と、ねじ機構の一形式であるボールねじ型アクチュエータ７０に取り付けられた第２のかさ歯車６８と、を備える。ボールねじアクチュエータ７０は、高圧圧縮機２６のロータアッセンブリ３０に連結している。具体的には、ボールねじアクチュエータ７０は、第１の部材７４と第２の部材７６との間に設けられた複数の玉軸受（ボールベアリング）７２を備える。第１の部材７４は、第２のかさ歯車６８に取り付けられているとともに、ケーシングベアリング８０を介してケーシング７８（シュラウド５２を含む）に取り付けられている。第１の部材７４は、ケーシングベアリング８０の玉軸受８４を受ける外径周方向溝部８２と、ボールねじアクチュエータ７０の玉軸受７２を受ける内径らせん溝部８６と、を備える。同様に、ボールねじアクチュエータ７０の第２の部材７６は、シャフトベアリング９２の玉軸受９０を受ける内径周方向溝部８８と、ボールねじアクチュエータ７０の玉軸受７２を受ける外径らせん溝部９４と、を備える。ボールねじアクチュエータ７０が組み立てられると、第１の部材７４および第２の部材７６のらせん溝部８６，９４が互いに向き合い、ボールねじアクチュエータの玉軸受７２用のらせん状通路が形成される。ボールねじアクチュエータ７０の第１の部材７４が回転すると、ボールねじアクチュエータ７０の第２の部材７６（回転しないようにロータアッセンブリ３０に取り付けられている）が第１の部材７４に対して軸方向に移動する。その結果、第２の部材７６に取り付けられた高圧圧縮機２６のロータアッセンブリ３０が軸方向に移動する。

別の実施例においては、アクチュエータ５８は、前述したものと同様のモータ５９（例えば、油圧モータ）およびタワーシャフト６０を備える。しかし、別の実施例では、タワーシャフト６０に係合したギア機構６２は、種々の異なったギアの組合せおよびギアの形式（例えば、かさ歯車と平歯車やシャフトなどの組合せ）を備えていてもよい。例えば、図３および図８に示した実施例には、ベアリング支持部９８に取り付けられた歯車９６が含まれる。ギア機構６２は、ベアリング支持部９８に取り付けられた歯車９６に係合するギア９９を備える。ベアリング支持部９８は、さらに、ケーシング７８のねじ部１０２と嵌合するねじ部１００を備える。モータ５９によりタワーシャフト６０が回転すると、ケーシング７８に対してベアリング支持部９８が回転する。ケーシング７８とベアリング支持部９８との間のねじ噛合により、回転しているベアリング支持部９８が、軸方向に移動する。その結果、シャフトベアリング９２および取り付けられた高圧圧縮機２６のロータアッセンブリ３０が軸方向に移動する。

前述のアクチュエータ５８、ギア機構６２およびモータ５９の組合せは、１つまたは複数ロータアッセンブリ３０の軸方向への移動を実現する方法を示す実施例であり、本発明はこれらの実施例に限定されない。

図３および図５を参照すると、多くのガスタービンエンジン１０においては、コアガス流路の外側で圧縮機のロータアッセンブリ３０とステータアッセンブリ２８との間をシールするナイフエッジシール機構１０４が用いられており、また、同様のナイフエッジシールがタービンセクションに用いられている。通常、ナイフエッジシール機構１０４は、ロータアッセンブリのディスク３４のウエブ４０やリム３８から外側に延びるフランジに取り付けられたナイフエッジ部１０６を備える。ステータアッセンブリ２８には、摩耗性パッド１０８が取り付けられており、（１つまたは複数の）ナイフエッジ部１０６に対向するように配設されている。従来技術の用途においては、ナイフエッジ部１０６により、エンジン１０の運転中、摩耗性パッド１０８がチャネル（溝）状に削られる。チャネル（溝）は、ナイフエッジ部１０６と半径方向に並ぶ。チャネルの深さは、摩耗性パッド１０８に対してナイフエッジ部１０６が半径方向に最大限に侵入することにより規定される。最大限の深さを有するチャネルが形成されると、前述の最大限の侵入に満たない半径方向の位置（部分出力運転時など）では、ナイフエッジ部１０６と摩耗性パッド１０８との間に空気の漏出が生じる。

本発明においては、コアガス流路の外側で、ロータアッセンブリ３０とステータアッセンブリ２８との間をシールするようにナイフエッジシール機構１０４を用いることが許容される。しかし、本発明においては、ナイフエッジ部１０６を摩耗性パッド１０８に対して半径方向に最大限に侵入させることで、ナイフエッジ部１０６と摩耗性パッド１０８との間のクリアランスを規定していない。代わりに、本発明では、予備成形されたチャネル１１０またはナイフエッジ部１０６の位置に適応する輪郭を備えるようにエンジンの運転により形成されたチャネルを有する摩耗性パッド１０８を利用する。図５では、所定の形状を有するチャネル１１０を備えた摩耗性パッド１０８が図示されている。チャネル１１０の形状により、ナイフエッジ部１０６と摩耗性パッド１０８との間の半径方向のギャップは、ナイフエッジ部１０６と摩耗性パッド１０８との間の相対的な軸方向の位置に基づいて変化する。最適なチャネル１１０の幾何学形状は、所定の用途を分析することにより確定される。例えば、チャネル１１０の一方の側に隣接して、第１の半径方向のギャップを設け、かつ異なった運転条件に適応するように、チャネル１１０の反対側に第２の半径方向のギャップを設けることができる。種々の運転条件に適応する種々のチャネル１１０の幾何学形状を用いてよく、本発明のシール機構は、特定のチャネル１１０の幾何学形状に限定されない。

図４を参照すると、本発明のいくつかの実施例では、センサ機構１１６を用いて、ブレード先端クリアランスが積極的に制御される。例えば、マイクロ波センサを用いて、ロータブレード先端部４２とシュラウド５２との間のクリアランスギャップを測定することが周知である。本発明では、以下に説明するように、センサを用いて測定された情報に基づいて、ロータアッセンブリ３０のブレード先端部４２とシュラウド５２のブレードシール面５４との間のクリアランスを修正することができる。

本発明の運転中、高圧圧縮機２６のロータアッセンブリ３０は、ブレード先端４２とシュラウド５２との間に所望のクリアランスをもたらす最初の軸方向位置に位置している。ガスタービンエンジン１０の運転条件が、第１の運転条件（例えば、定常アイドリング状態）から第２の運転条件（例えば、離陸時の加速状態）に変更されたほぼ直後に、ロータブレード先端部４２とシュラウド５２との間のクリアランスが変わり始める。クリアランスは、エンジン１０が新たな運転条件における定常状態に達するまで変化し続ける。クリアランスが完全に変化するのに必要な時間は、利用するガスタービンエンジン１０の特性、および第１の運転条件と第２の運転条件との間の変化の大きさによって異なる。

ロータブレード先端部４２とシュラウド５２との間のクリアランスの変化に対応するように、本発明のブレード先端クリアランス装置が起動され、シュラウド５２およびロータアッセンブリ３０の一方または両方を、それらの残りの一方に対して動かす。前述の実施例においては、クリアランス距離５６を増加または減少させるように、高圧圧縮機２６のロータアッセンブリ３０をシュラウド５２のブレードシール面５４に対して移動させる。

本発明のブレード先端クリアランス装置の利点は、ブレード先端クリアランス距離５６を変更する速度である。本発明の装置では、所望のクリアランス状態をもたらすように熱膨張（または熱収縮）する構成部品に対して冷却空気を利用しない。熱膨張／熱収縮は、比較的進行が遅い。それに対して、本発明の装置では、シュラウド５２およびロータアッセンブリ３０の一方を他方に対して動かすように、機械的なアクチュエータ５８を利用する。したがって、ブレード先端クリアランスを変更する速度は、アクチュエータ５８の動作速度によって異なる。

センサ１１６を用いてブレード先端部４２とシュラウド５２との間のクリアランスを検知する実施例においては、本発明の装置であるアクチュエータ５８を制御するように、センサの信号が入力データとして用いられる。検知データを収集する速度は、用途に適応するように変更される。例えば、設定された間隔で検知データが収集され、次いで、必要に応じてクリアランスを調節するように該データが用いられる。別の実施例においては、ある特定の事象が生じた際に、あるいは事象による要因および周期的な収集の組合せにより、センサ１１６を起動させることができる。いずれ場合にも、検知データが収集されると、ブレード先端／シュラウドクリアランス５６を必要に応じて調節するための入力データとして該データが用いられる。

例えば、所定の運転条件の設定に対応する所望のブレード先端／シュラウドクリアランス距離５６を、検知された実際のクリアランスの値と比較して、これらのクリアランスの差を求めることができる。その差が所定の許容範囲を超える場合には、ブレード先端クリアランス距離５６を許容範囲内にまで減少させるように、アクチュエータ５８を選択的に運転させて、シュラウド５２または（１つまたは複数の）ロータアッセンブリ３０の一方を、これらの残りの一方に対して軸方向に移動させることができる。あるいは、エンジンの軸方向および半径方向のクリアランス特性を確定するように、計器を用いて一連のエンジン試験を実施してもよい。収集されたデータにより、アクチュエータの制御アルゴリズムの基準が提供される。

図９を参照すると、ガスタービンエンジン１０の圧縮機６０Ａの別の実施例が図示されている。圧縮機６０Ａは、単一のユニットであってもよいし、低圧圧縮機および高圧圧縮機に分割されていてもよい。圧縮機６０Ａは、複数の片持ち式のステータアッセンブリ６２Ａおよびロータアッセンブリ６４Ａを備える。片持ち式のステータアッセンブリ６２Ａは、複数のセグメントを備え、各セグメントは、外側プラットフォームに取付けられるとともにロータアッセンブリ６４Ａに隣接して設けられた１つまたは複数のステータベーン７５を有する。各ステータベーン７５は、軸方向の中心線２２に対して、０°を超える所定の角度で設けられた先端部７６Ａを備える。すなわち、片持ち式ステータベーンの先端部７６Ａは、中心軸２２に対して平行ではない。特定の片持ち式ステータベーンアッセンブリ６２Ａにおける各ステータベーン７５の先端部の角度は、該片持ち式ステータベーンアッセンブリ６２Ａ内のいずれのステータベーン７５でも同じである。しかし、異なった片持ち式ステータベーンアッセンブリ６２Ａは、異なったベーン先端角度を有していてもよい。

各ロータアッセンブリ６４Ａは、複数のブレード６６Ａと、軸方向に延びるエンジン１０の中心線２２の周囲で回転可能なディスク６８Ａと、を備える。ディスク６８Ａは、ハブ（図示せず）と、リム７０Ａと、それらの間に延びるウエブ７２Ａと、を有する。ブレード６６Ａは、リム７０Ａに取り付けられ、該リムから半径方向外側に延びている。各ブレード６６Ａは、軸方向の中心線２２に対してある角度で設けられた先端部７４Ａを有し、この先端部７４Ａの角度は、０°より大きい（すなわち、ブレード先端部の角度は、軸方向中心線２２と平行ではない）。特定のロータアッセンブリ６４Ａにおける各ブレード６６Ａの先端部の角度は、該ロータアッセンブリ６４Ａ内のいずれのブレード６６Ａでも同じである。しかし、異なったロータアッセンブリ６４Ａにおいては、ブレード先端角度が異なっていてもよい。圧縮機６０Ａ内のロータアッセンブリ６４Ａは、互いに機械的に取り付けられているため、一体的に回転する。

周方向に延びるシュラウド８０Ａは、各ロータアッセンブリ６４Ａの半径方向外側に設けられている。各シュラウド８０Ａは、１つのセグメントまたは複数のセグメントから構成されていてもよい。シュラウド８０Ａは、ロータアッセンブリ６４Ａのブレード先端部７４Ａと半径方向に整列するブレードシール面８２Ａを備える。ロータアッセンブリ６４Ａは、片持ち式ステータベーンアッセンブリ６２Ａのベーン先端部７６Ａと半径方向に整列するベーンシール面８３を備える。ブレードシール面８２Ａおよびベーンシール面８３は、それぞれロータアッセンブリ６４Ａのブレード先端角度および片持ち式ステータアッセンブリ６２Ａのベーン先端角度と実質的に同じ角度で設けられている。すなわち、ブレード先端角度およびベーン先端角度、ならびにシュラウドのブレードシール面の角度およびベーンシール面の角度は、実質的に同じであるとともに、軸方向の中心線２２に対して０°を超える所定の角度で配置されている。ブレードシール面８２Ａおよびベーンシール面８３の半径方向内側および外側にそれぞれ位置するロータブレード先端部７４Ａおよびステータベーン先端部７６Ａの形態（これらは全て軸方向の中心線２２に対して、０°を超える所定の角度を有する）は、対応する円錐形の幾何学形状に沿ったものとなる。ブレード先端部７４Ａとブレードシール面８２Ａとの間に延びる距離９０Ａは、ブレード先端クリアランスと呼ばれ、ベーン先端部７６Ａとベーンシール面８３との間の距離９１は、ベーン先端クリアランスと呼ばれる。

図１０では、軸方向のロータ位置に基づいて、ガスタービンエンジン１０のタービン部１８内のブレード先端クリアランスを制御するようにゼロ運転（ランニング）クリアランスシステムを用いた実施例が図示されている。本実施例を、図３に図示された圧縮機の実施例または図９に図示された圧縮機の別の実施例と組み合わせもよい。あるいは、圧縮機のクリアランス制御を用いずに、図１０に図示されたタービンブレードのクリアランス制御の実施例を実施してもよい。図１０を参照すると、ガスタービンエンジン１０のタービン１８内には、１つまたは複数の第２のステータベーンアッセンブリ１０２Ａおよび１つまたは複数の第２のロータアッセンブリ１０４Ａが設けられている。アッセンブリ１０２Ａ，１０４Ａは、前述の圧縮機１４と同様の方法で取付けられて、形成されている。

図１０を参照すると、前述の圧縮機２６のようにブレード先端部および対応するシール面により形成される円錐状表面（エンジン１０の中心線２２に対して０°を超える所定の角度を有する）の形状を有する流路が、ゼロ運転クリアランスシステムにより変更される。ゼロ運転クリアランスアクチュエータアッセンブリによりロータアッセンブリが後方に移動する場合には、この角度により、タービン先端クリアランス１０１が最小になる。別の実施例においては、アクチュエータアッセンブリによりロータアッセンブリが前方に移動する場合に、タービン先端クリアランスの最小化をもたらす流路を選択してもよい。

圧縮機１４のロータアッセンブリ３０について記載したように、タービンロータアッセンブリ１０４Ａは、アクチュエータ５８に取り付けられている。アクチュエータ５８は、圧縮機１４のロータアッセンブリ３０およびタービン１８のロータアッセンブリ１０４Ａを軸方向に動かすように選択的に運転可能である。ロータアッセンブリ１０４Ａおよびシール面１２０が相対的に移動することにより、タービン１８におけるクリアランス距離１０１が変わる。同時に、圧縮機ロータアッセンブリ３０が相対的に移動することにより、圧縮機１４の各段におけるブレード先端部４２とブレードシール面５４との間のクリアランス距離５６が変わる。圧縮機１４，６０Ａのロータアッセンブリ３０，６４Ａ、およびタービン１８のロータアッセンブリ１０４Ａは、本明細書において意図されかつ図３〜図１０に図示された全ての実施例おいて前述の記載と同様の方法で軸方向に駆動されることが意図されている。前述のアクチュエータ５８、ギア機構６２およびモータ５９の組合せは、１つまたは複数のロータアッセンブリ３０，６４Ａ，１０４Ａを軸方向に移動させる方法を示す実施例である。

圧縮機のブレード先端クリアランスの能動的制御について前述した図４のセンサ機構１１６は、同時に圧縮機１４（または別の実施例の圧縮機６０Ａ）およびタービン１８のブレード先端クリアランスを能動的に制御するように用いられることが意図されている。圧縮機およびタービンのブレード先端クリアランスの同時制御では、圧縮機およびタービンの性能を考慮した最適な全エンジン運転をもたらす軸方向のロータ位置を選択するように、圧縮機１４およびタービン１８から検知された先端クリアランスならびに制御アルゴリズムが利用される。

センサ１１６を用いてブレード先端部とシュラウドと間のクリアランスを検知する実施例においては、アクチュエータ５８を制御するようにセンサ信号を入力データとして用いることができる。検知データを収集する速度は、用途に適応するように変更され得る。例えば、設定された間隔で検知データを収集し、次いで、必要に応じてクリアランスを調節するように該データを用いることができる。別の実施例においては、ある特定の事象が生じた際に、あるいは事象による要因および周期的な収集の組合せにより、センサ１１６を起動することができる。いずれ場合にも、検知データが収集されると、ブレード先端とシュラウドとの間のクリアランスを必要に応じて調節するための入力データとして該データが用いられる。

例えば、所定の運転条件設定に対応する所望のブレード先端／シュラウドクリアランス距離５６，９０Ａ，１０１を、検知された実際のクリアランスの値と比較して、これらのクリアランスの差を求めることができる。その差が所定の許容範囲を超えている場合には、ブレード先端クリアランス距離５６，９０Ａ，１０１を許容範囲まで減少させるように、アクチュエータ５８を選択的に運転させて、ロータアッセンブリ３０，６４Ａ，１０４Ａを軸方向に動かすことができる。

別の実施例においては、エンジンの軸方向および半径方向のクリアランス特性を確定するように、計器を用いて一連のエンジン試験を実施してもよい。収集されたデータにより、アクチュエータの制御アルゴリズムの基準が提供される。

別の実施例においては、本明細書に記載されたゼロ運転クリアランスシステムを備えるガスタービンエンジンは、図１０に意図されているように冷却空気を利用してもよい。シュワルツ（Ｓｃｈｗａｒｚ）らによる米国特許第５，００５，３５２号明細書およびグリフィン（Ｇｒｉｆｆｉｎ）らによる米国特許第４，２７９，１２３号明細書に記載された熱能動的なクリアランス制御システムを利用して、タービン１８に冷却空気を供給してもよい。熱能動的なクリアランス制御システムでは、図１０に図示されているように、シュラウド８０Ａの上部に配置されたスプレーチューブ１００Ａが用いられる。

本明細書に記載されたゼロ運転クリアランスシステムの利点は、該システムがクリアランス距離に対して反応かつ調節する速度である。ゼロ運転クリアランスシステムは、ガスタービンエンジンが加速し得るのと同じ速さで、またはそれよりも速く反応する。例えば、出力が増加した際に、電子エンジン制御装置（ＥＥＣ）により、運転上の不安定性を防止するように適切な方法で、圧縮機の可変ステータが動かされ、エンジンの抽気が停止され、かつより多い燃料流の供給が指示されなければならない。ゼロ運転クリアランスシステムを加えることにより、ガスタービンエンジンが、より少ない予備の安定性マージン（ｒｅｓｅｒｖｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍａｒｇｉｎ）で作動することが可能となり、圧縮機の段がより少なくなるためにエンジンが軽量になる。また、高圧圧縮機のケーシングとディスクとの間、および高圧タービンのケーシングとディスクとの間の熱反応の不整合を軽減するように重いケースを形成する必要がないため、その結果得られるガスタービンエンジンはより軽量になる。エンジンシールの不整合が均等である場合には、ゼロ運転クリアランスシステムにより、全エンジンシールの不整合を修正することができる。圧縮機が一定の内径壁部を備える場合には、外径壁部の円錐角が最大になり、高圧圧縮機が低圧圧縮機により接近して整列し得るために、高圧圧縮機と低圧圧縮機との間に必要な移行ダクトの長さが短くなる。そのため、結果として得られるガスタービンエンジンがさらに軽量になる。ハニカム／ナイフエッジシールのリムキャビティ熱（ｒｉｍ ｃａｖｉｔｙ ｈｅａｔ）が生じない片持ち式ステータベーンを用いた場合には、結果として得られるガスタービンエンジンでは、全体の圧力比および圧縮機の出口温度がより高くなり得る。この特徴は、圧縮機およびタービンのディスク材料における冶金の限定のために、軍用および商用の圧縮機においてゼロ運転クリアランスシステムを利用する際に有利となる。

ゼロ運転クリアランスシステムおよび熱能動的なクリアランス制御システムの組合せに関しては、熱能動的なクリアランス制御システムの反応が遅い場合があるが、本明細書に記載された軸方向に移動するロータアッセンブリ機構の適当な制限を超えて半径方向のクリアランスを大きく変更する場合には、熱能動的なクリアランス制御システムは非常に効果的である。本明細書に記載されたゼロ運転クリアランスシステムとともに用いた場合に、熱能動的なクリアランス制御システムは、上昇出力に対する加速に適応するため巡航状態時に部分的なオープンクリアランスを備えて作動するように意図的に計画される。この「オープンクリアランススケジュール」では、巡航出力が減少するにつれて、すなわち航空機により燃料が消費されるにつれて、クリアランスがますます大きくなる。そのため、「オープンクリアランススケジュール」は「巡航ランプ（ｃｒｕｉｓｅ ｒａｍｐ）」スケジュールとして知られている。巡航出力設定が減少すると、上昇出力をもたらす出力変更のため急速なロータの成長が著しくなるために、このオープンスケジュールが必要となる。ゼロ運転クリアランスシステムは、ロータの過渡的な膨張と同程度に速いか、あるいは該膨張よりも速いため、本明細書に記載されたゼロ運転クリアランスシステムにより、熱能動的なクリアランス制御システムに必要なこの残存のクリアランスが最小限になる。ゼロ運転クリアランスシステムを用いてオープンクリアランスを排除することにより、タービン（特にブレードおよびシールからの漏出が大きく、特に燃料消費性能を犠牲にしている単一の段の高圧タービン）の効率が改善される。

従来の典型的なエンジンの圧縮機におけるブレード先端クリアランスと応答時間との関係を示すグラフ。 ガスタービンエンジンの概略的断面図。 複数の段を有する高圧圧縮機の概略的断面図。 ブレード先端部とシュラウドシール面の概略図。 ナイフエッジ部および摩耗性パッドを有するナイフエッジシールの概略図。 モータ、タワーシャフト、ギア機構およびアクチュエータの実施例の概略図。 図６と同様のボールねじアクチュエータの分解図。 モータ、タワーシャフト、ギア機構およびアクチュエータの実施例の概略図。 複数の片持ち式ステータを有するとともに、本発明のゼロ運転クリアランスシステムを用いた高圧圧縮機の概略図。 熱能動的なクリアランス制御システムとともに、本発明のゼロ運転クリアランスシステムを用いた高圧タービンの概略図。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン
１２…ファン部
１４…圧縮機
１６…燃焼器
１８…タービン
２２…中心線
２４…低圧圧縮機
２６…高圧圧縮機
２８…ステータアッセンブリ
３０…ロータアッセンブリ
３２…ブレード
３４…ディスク
３６…ハブ
３８…リム
４０…ウエブ
４２…ブレード先端部
４４…第１のシャフト
４６…高圧タービン
４８…第２のシャフト
４９…低圧タービン
５２…シュラウド
５４…ブレードシール面
５６…ブレード先端／シュラウドクリアランス距離
５８…アクチュエータ
５９…モータ
６０…クリアランス駆動タワーシャフト
６０Ａ…圧縮機
６２…ギア機構
６２Ａ…ステータアッセンブリ
６４…補助駆動シャフト
６４Ａ…ロータアッセンブリ
６６…第１のかさ歯車
６６Ａ…ブレード
６８…第２のかさ歯車
６８Ａ…ディスク
７０…ボールねじアクチュエータ
７０Ａ…リム
７２…玉軸受
７２Ａ…ウエブ
７４…第１の部材
７４Ａ…ブレード先端部
７５…ステータベーン
７６…第２の部材
７６Ａ…ベーン先端部
７８…ケーシング
８０…ケーシングベアリング
８０Ａ…シュラウド
８２…外径周方向溝部
８２Ａ…ブレードシール面
８３…ベーンシール面
８４…玉軸受
８６…内径らせん溝部
８８…内径周方向溝部
９０…玉軸受
９０Ａ…ブレード先端／シュラウドクリアランス距離
９１…距離
９２…シャフトベアリング
９４…外径らせん溝部
９６…歯車
９８…ベアリング支持部
９９…ギア
１００…ねじ部
１００Ａ…スプレーチューブ
１０１…ブレード先端クリアランス距離
１０２…ねじ部
１０２Ａ…第２のステータベーンアッセンブリ
１０４…ナイフエッジシール機構
１０４Ａ…第２のロータアッセンブリ
１０６…ナイフエッジ部
１０８…摩耗性パッド
１１０…チャネル
１１６…センサ
１２０…シール面

Claims (16)

1. ガスタービンエンジンのゼロ運転クリアランスシステムであって、
   軸方向に延びる回転軸の周囲で回転可能なガスタービンエンジン圧縮機の１つまたは複数の第１のロータアッセンブリであって、各々がブレード先端部を備えた複数のブレードをそれぞれ有する１つまたは複数の第１のロータアッセンブリと、
   前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリに隣接して配設された前記ガスタービンエンジン圧縮機の１つまたは複数の第１のステータアッセンブリと、
   前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともに、ブレードシール面を有する１つまたは複数の第１のシュラウドセグメントと、
   前記軸方向に延びる回転軸の周囲で回転可能な前記ガスタービンエンジンのタービンの１つまたは複数の第２のロータアッセンブリであって、各々がブレード先端部を備えた複数のブレードをそれぞれ有する１つまたは複数の第２のロータアッセンブリと、
   前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリに隣接して配設された前記ガスタービンエンジンのタービンの１つまたは複数の第２のステータアッセンブリと、
   前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともに、ブレードシール面を有する１つまたは複数の第２のシュラウドセグメントと、
   アクチュエータと、
   を備え、
   前記ブレード先端部および前記ブレードシール面が、互いに対応する幾何学形状を備え、かつ前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びるクリアランス距離を有し、前記アクチュエータが、前記クリアランス距離を変更するために、前記第１のロータアッセンブリおよび前記第２のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とするガスタービンエンジンのゼロ運転クリアランスシステム。
2. 前記アクチュエータが、ねじ機構を備え、前記ねじ機構の少なくとも一部が回転すると、前記第１のロータアッセンブリおよび前記第２のロータアッセンブリが軸方向に一緒に移動するように、前記ねじ機構が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
3. 前記ねじ機構が、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリおよび第２のロータアッセンブリに対して可動に配置された部材の間にねじ噛合を備えることを特徴とする請求項２に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
4. 前記ねじ機構が、ボールねじアッセンブリを備えることを特徴とする請求項２に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
5. 前記ボールねじアッセンブリが、回転可能な第１の部材と、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリおよび第２のロータアッセンブリに取り付けられた第２の部材と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
6. 前記ガスタービンエンジンの圧縮機が、低圧圧縮機および高圧圧縮機を備え、前記アクチュエータが、前記高圧圧縮機内における複数の第１のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
7. 前記ガスタービンエンジンのタービンが、低圧タービンおよび高圧タービンを備え、前記アクチュエータが、前記高圧タービン内における複数の第２のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
8. 前記ガスタービンエンジンの圧縮機が、低圧圧縮機および高圧圧縮機を備え、前記アクチュエータが、前記低圧圧縮機内における複数の第１のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
9. 前記ガスタービンエンジンのタービンが、低圧タービンおよび高圧タービンを備え、前記アクチュエータが、前記低圧タービン内における複数の第２のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
10. 前記アクチュエータが、前記第１のロータアッセンブリおよび前記第２のロータアッセンブリを軸方向に一緒に動かすように選択的に運転可能であることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
11. 前記クリアランス距離を検知する１つまたは複数のセンサをさらに備える請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
12. 前記１つまたは複数の第１のステータアッセンブリおよび前記１つまたは複数の第２のステータアッセンブリが、それぞれ片持ち式であることを特徴とする請求項１に記載のゼロ運転クリアランスシステム。
13. ガスタービンエンジン内のブレード先端クリアランスを制御する方法であって、
    ブレード先端部をそれぞれ備えた複数のブレードを有する１つまたは複数の第１のロータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリに隣接して配設された１つまたは複数の第１のステータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともに１つまたは複数のブレードシール面を有するシュラウドと、を備えるとともに、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリの各々における前記ブレード先端部が、前記１つまたは複数のブレードシール面の少なくとも１つに対応する幾何学形状を備え、かつ前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びるクリアランス距離を有する圧縮機を提供するステップと、
    ブレード先端部をそれぞれ備えた複数のブレードを有する１つまたは複数の第２のロータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリに隣接して配設された１つまたは複数の第２のステータアッセンブリと、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリの半径方向外側に配設されるとともに１つまたは複数のブレードシール面を有するシュラウドと、を備えるとともに、前記１つまたは複数の第２のロータアッセンブリの各々における前記ブレード先端部が、前記１つまたは複数のブレードシール面の少なくとも１つに対応する幾何学形状を備え、かつ前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びるクリアランス距離を有するタービンを提供するステップと、
    前記シュラウドに対して、前記１つまたは複数のロータアッセンブリを軸方向に動かすように選択的に運転可能なアクチュエータを提供するステップと、
    前記クリアランス距離を変更するために前記アクチュエータを用いて、前記シュラウドに対して前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリおよび第２のロータアッセンブリを軸方向に動かすステップと、
    を含むブレード先端クリアランス制御方法。
14. 所定の運転条件の設定に対応して、前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びる所望のクリアランス距離を設定するステップと、
    前記ブレード先端部と前記ブレードシール面との間に延びる実際のクリアランス距離を検知するステップと、
    差分値を求めるために、前記所望のクリアランス距離と前記検知された実際のクリアランス距離とを比較するステップと、
    前記アクチュエータを用いて前記差分値を減少させる方向に前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリおよび第２のロータアッセンブリを前記シュラウドに対して軸方向に一緒に動かすステップと、
    をさらに含む請求項１３に記載のブレード先端クリアランス制御方法。
15. 前記軸方向に動かすステップが、前記１つまたは複数の第１のロータアッセンブリおよび第２のロータアッセンブリを軸方向に一緒に動かすことを含む請求項１３に記載のブレード先端クリアランス制御方法。
16. 前記１つまたは複数の第１のステータアッセンブリおよび前記１つまたは複数の第２のステータアッセンブリが、それぞれ片持ち式であることを特徴とする請求項１３に記載のブレード先端クリアランス制御方法。
    

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