JP2008075657A - ブレード先端間隙を改良するケーシングの遮熱シートのセット - Google Patents

Abstract

【課題】既存の構造に大きな修正を加えない、低コストで実施できる解決法を見出す。
【解決手段】本発明は、タービンケーシング（９）と、タービンシュラウドリング（１３）と、シュラウドリング（１３）をケーシング（９）に連結するシュラウドリング支持部（１１）とを備えるガスタービンエンジンのタービンステータに関する。ステータは、支持部（１１）に、タービン側に位置決めされる遮熱部を形成する要素が設けられるものである。この解決方法は、過渡的な動作段階中に遊びの取り分を縮小することを可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明はターボ機械の分野に関し、運動するタービンブレードの先端とケーシングとの間隙を制御する手段を目的としている。

ガスタービンエンジンは従来、１段または複数段のコンプレッサと、燃焼室と、１つまたは複数のタービン段とを備える。コンプレッサはタービンに連結されており、燃焼室に空気を供給し、作りだされた高温ガスがタービンに向けて送られて、それらのエネルギーが抽出される。コンプレッサのロータとタービンのロータとはそれらの周囲にブレードセットを有し、これらは、シュラウドリングを形成する環状のステータ構成要素の内部のエンジン軸線に対して直角に運動している。ブレードはこのシュラウドリングに対して動作間隙を享受する。この間隙は、摩擦が運動部の回転を緩慢化することのないよう充分な大きさがなければならいが、ブレードセットの活動表面から相当量の流体がそれるのを防止するように制御する必要もある。したがって可能な最高の効率を保証するために、この間隙を制御することが重要である。

本発明はタービンモータの動作間隙、より詳しくは燃焼室の直ぐ下流に位置決めされたロータの動作間隙に関する。多軸エンジン、即ち複数であって一般的に３本以下の独立した軸を備えたエンジンでは、これは高圧軸となる。

ブレード先端の半径方向の間隙は、ロータとステータとの間の様々な半径方向の熱機械的な運動の結果である。図１は、高圧タービンの領域で見たガスタービンエンジン１の軸方向の片側断面図を示している。タービンロータ３が備えるディスク３１には、そのへりのまわりに配布された、また中心軸に対して横断方向に取り付けられたブレード３３が設けられている。ロータは、ここでは底部しか見ることができない燃焼室７と連通するノズル案内翼段５の下流に位置決めされている。ケーシング９はフランジによって組み付けられたいくつかのシェルリングからなる。燃焼室のケーシング９１と高圧タービンのケーシング９６とには区別がある。これら２つのケーシングはフランジ付アセンブリ９５によって保持されている。ケーシングは燃焼室の要素と、上流ノズル案内翼５と、下流ノズル案内翼１５と、シュラウドリング１３用の支持部１１とを支持する。

このようにブレード３３の先端とシュラウドリング１１との径方向間隙は、いくつかのタイプの運動の結果である。

温度変化の際の材料膨張から生じる熱的変位
回転する部品に掛かる遠心力の変化と圧力変化とから生じる機械的変位
ディスク、ブレード、およびステータ要素は、機械的変位および熱的変位のいずれをも受ける。

したがって、エンジンの様々な動作段階中、常に同じ方向にならないこうした変位のために、半径方向間隙は一定ではない。特にロータとステータとは、等しい振幅の変位を有してはおらず、同じ熱反応時間を有してもいない。

図２は、時間経過におけるエンジン速度の変化の関数として、ロータＲとステータＳそれぞれの変位の変化を示している。このように、過渡的な間隙Ａの取り分（ｔａｋｅ−ｕｐ）は熱安定化の後に得られた間隙Ｂの取り分よりも大きいことが分かる。間隙の取り分とは、ロータの変位の大きさからステータの変位の大きさを差し引いたものを意味するものと理解されたい。

これが作られている要素の熱膨張を制御するために、換気手段を備える間隙制御装置を使用することが、知られているやり方である。換気用空気が、流量を制御されて、コンプレッサの１箇所または複数箇所から抽気される。このような間隙制御装置が組み込まれて、高圧タービンブレードの先端の間隙を可能な限り縮小し、エンジンの性能を高める。これは一般的に、英語の略語ＦＡＤＥＣによって知られている場合が多い全機能デジタル電子制御によって管理されている。この手段は、関係するステータの要素の熱的変位に作用するように、この要素に送られる空気温度および流量を制御する。

ある種のエンジンに対して、これらの能動的な間隙制御手段に対処するための試みがなされてきた。この場合のブレード先端の間隙は、エンジンの耐用期間中のブレードの最大摩耗が、機械の性能を越えることがないように設定される。この最大摩耗は、エンジンの耐用期間中に認められる間隙の最大の取り分の関数として決定され、ステータとロータとの変位に基づいている。この最大の取り分は一般に、当分野で臨界リバーストとして知られているサイクル中に認められる。このようなサイクルは、安定化された全開動作速度から、速度を短時間で低アイドルに低下させ、次いでここでも短時間で全開まで再加速を起こすことからなる。

このサイクル中、隙間の取り分は以下の理由から大きい。

ロータが全開で安定化されてからは、このロータの大きな質量とその後の長時間にわたる熱反応時間とのために、低アイドルに向かう動作速度の急な変化が指令されるときのディスクの熱膨張による変位はゆっくりとしている。

ステータ要素も全開速度で安定化されているが、質量がより小さいため、より急速な熱反応を有する。

全開動作速度に速やかに再加速したところでは、ロータは、その長い熱反応時間のために、未だ低アイドルで熱的に安定化されてはいない。これとは対照的に、ステータは既に低アイドルの動作条件に到達している。したがって、この時点では遊びの取り分があり、ブレード先端の間隙は小さいということになる。

この加速のためにディスクは遠心変位を受け、これが一時的に追加の遊びの取り分をもたらす。この追加の遊びの取り分は、ブレード先端がシュラウドリングと接触することから部品の消耗を起こす。

ロータの熱反応に対してケーシングの熱反応がより急速であるほど、間隙の取り分が大きくなり、再加速中のブレード先端摩耗がより大きくなる。

本発明の第１の目的は、この問題に対する解決策を見出すことである。

他の目的は、既存の構造に大きな修正を加えない、実施するのに低コストである解決法を見出すことである。

本発明によれば、タービンケーシングと、タービンシュラウドリングと、シュラウドリングをケーシングに連結するシュラウドリング支持部とを備えるガスタービンエンジンのタービンステータは、支持部に、タービン側に位置決めされた遮熱部を形成する要素が設けられるものである。

したがってこの解決法は、燃焼室から出た流れの高温ガスの温度の影響を遅延させる遮熱部を使用することによって、ステータの熱反応時間を増加させることにある。この解決法は、効果的であることが判明していることから極めて有利である。さらに、これは比較的単純な手段を使用して実施することができる。

したがって、他の特徴によって、遮熱部を形成する要素は、支持部表面に対して空間を形成するシートを備える。好みによって、この空間はガスによって吹き流されない死空洞を形成する。他の実施形態によると、この空間は断熱材料を含む。

より詳しくは、本発明はステータであって、その支持部が一方側でタービンケーシングに固定させるための径方向フランジを、また他方側でシュラウドリングの要素を固定する手段を備えるステータに適用される。この支持部は有利に、全体として円錐台形状の仕切り壁を形成し、シュラウドリングの要素を固定する手段は、シュラウドリングの要素を挟む２つの径方向のフランジを備える。

特定の一実施形態によると、遮熱を形成する要素は、２つの径方向フランジの間に固定された第１シートを備える。この要素はまた、シュラウドリングの要素を固定する手段と支持部をケーシングに固定するための径方向フランジとの間に軸方向に位置決めされた第２シートも備える。

本発明を、添付図面に基づいた限定しない実施形態を参照して次に述べる。

図３は、本発明の解決方法を組み込んだ、ケーシング９へのシュラウドリング１３の取り付けの拡大詳細図を示す。この実施例によるリング支持部１１は、環状仕切り壁などの、エンジンと同じ軸線を備えた実質的に円錐台形状の金属の仕切り壁からなる。この支持部は単一の部片として形成されるが、同等に、１つの環状エンティティを形成するように一緒に接合されたいくつかのリング部からなることもできる。支持部１１は、高圧またはＨＰタービンシュラウドリングを形成する要素１３を取り付けるための径方向フランジ１１ａおよび１１ｂを備える。この実施例による取り付け具は舌状タイプおよび溝タイプである。燃焼室に向かう上流での固定に対しては、要素１３の背面は、軸方向の開口部溝１３ａを形成するように形状化され、これが径方向フランジ１１ｂの軸方向返し部１１ｂ１と協働する。要素１３の下流での固定も溝１３ｂによって行われ、その外枝はフランジ１１ａの軸方向返し部１１ａ１に対して当接しクランプ１７によって定位置で保持される。

上流ノズル案内翼５は、ボルトによって径方向フランジ１１ｂに固定される。

支持部１１はそれ自体が径方向横断フランジ１１ｃを介してタービンケーシング９３に取り付けられる。このフランジは、ケーシング９の様々な要素を連結するフランジアセンブリ９５に挿入される。支持部１１は能動的な間隙制御を有さず、これを達成する換気手段も有さない。

本発明によれば、遮熱部は支持部１１の内部面、即ちエンジンのガスストリーム内に面する面に位置決めされている。遮熱部は有利に、２つの径方向フランジ１１ａと１１ｂとの間で支持壁１１と平行に位置決めされた第１シートからなる。このシートは溶接、ロウ付け、ネジ締め、または任意の他の固定手段よって支持部に固定される。シート２１は空洞２１ａを形成するように仕切り壁１１から離れている。この空洞は死空間であること、即ち空洞が含むガスが巡廻しないことが好ましい。例えばこれは閉鎖空洞である。このようにガスのクッションが遮熱質量を形成する。しかし必要に応じてこの空洞は他の遮熱材料を含むことができる。第２のシートも同じように、そこから少しはなれた仕切り壁１１の内部面に、フランジ１１ｂの上流で位置決めされる。このシートは仕切り壁に溶接、ロウ付け、ネジ締めなどされ、仕切り壁１１と死空洞２２ａを形成する。この死空洞に含まれたガスの遮熱質量はこのように遮熱層を形成する。

支持部１１は、シート２１および２２と同様に金属から作られる。安定化速度での動作では、ブレード先端３３とリング１３との間隙は一定であり、規定値である。この間隙は、運動部品と静止部品が受ける機械的原因による変形と熱的原因による変形との間の均衡から生まれる。過渡的な状態では、この均衡はとれていない。特に臨界リバーストの場合、既に説明したように、速度の急速な低下段階で、駆動流れのガス温度が落下する。遮熱部によって、支持部の温度落下に対する反応は、従来技術による仕組みの反応と比較して緩慢化される。これは、急激な再加速またはそれに続くリバーストの間、遠心力の増大によって起こるロータの径方向の変位が、シュラウドリングの要素に干渉しないということを意味する。ブレード先端とシュラウドリングの要素との間に接触はない。ブレード先端のすり材の摩耗も、要素の磨耗性表面の摩耗も認められない。

検査の結果によって、この解決方法が効果的であること、その結果機械の効率が向上されることが証明されている。さらに、シートを取り付けることは特別高コストではない。全体として、この解決方法は効果的かつ経済的である。

燃焼室の直ぐ下流の高圧タービンの領域のガスタービンエンジンの一部の一実施例の軸方向半断面図である。 動作間隙を形成するロータブレード先端とステータ要素との変位分Ｄをそれぞれに示す図である。 遮熱を形成する要素が設けられたタービンケーシングの部分のより詳細な拡大図である。

符号の説明

５、１５ ノズル案内翼
７ 燃焼室
９ タービンケーシング
１１ 支持部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 径方向フランジ
１１ａ１ １１ａの返し部
１１ｂ１ １１ｂの返し部
１３ シュラウドリング
１３ａ、１３ｂ 溝
１７ クランプ
２１、２２ シート
２１ａ、２２ａ 空洞
３１ ディスク
３３ ブレード先端
９１ 燃焼室のケーシング
９３ タービンケーシング
９５ フランジアセンブリ
９６ 高圧タービンのケーシング

Claims (10)

1. タービンケーシングと、タービンシュラウドリングと、シュラウドリングをケーシングに連結するシュラウドリング支持部とを備えるガスタービンエンジンのタービンステータであって、支持部に、タービン側に位置決めされた遮熱部を形成する要素が設けられ、一方側だけに径方向フランジを備え、そのフランジを介して支持部がタービンケーシングに固定されている、タービンステータ。
2. 遮熱部を形成する要素が、支持表面に対して空間を形成するシートを備える、請求項１に記載のステータ。
3. 空間がガスによって吹き流されない死空洞を形成する、請求項２に記載のステータ。
4. 前記空間が遮熱材料を含む、請求項２または３に記載のステータ。
5. 支持部が前記径方向フランジの反対側に、囲み輪部の要素を固定する手段を備える、請求項１、２、３または４に記載のステータ。
6. 支持部が円錐台形状の仕切り壁の形態である、請求項５に記載のステータ。
7. シュラウドリングの要素を固定する手段が、要素を挟む２つの径方向フランジを備える、請求項５に記載のステータ。
8. 遮熱部を形成する要素が、２つの径方向フランジの間に固定された第１シートを備える、請求項７に記載のステータ。
9. 遮熱部を形成する要素が、囲み輪部の要素を固定する手段と、支持部をケーシングに固定する径方向フランジとの間で軸方向に位置決めされた第２シートを備える、請求項８に記載のステータ。
10. 請求項１から９の一項に記載のタービンステータを備える、タービンエンジン。

Images