JP2008121684A - 複合間隙制御エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】改善された能動間隙制御及び効率を有するガスタービンエンジンを提供すること。
【解決手段】ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１８と、燃焼器２０と、周囲のタービンシュラウド４４内部に取り付けられたブレード４０の列を有するタービン２２とを含む。圧縮機１８から抽気された加圧空気を冷却するために熱交換器５６が使用される。分配ネットワーク６０−６６は、熱交換器５６をタービン２２に連結し、熱交換器５６からの空気をブレード４０の下方及びシュラウド４４の上方に選択的に配向し、ブレード先端間隙を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、全体的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンにおける能動間隙制御に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、圧縮機内で空気が加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生する。高圧タービン（ＨＰＴ）において、この燃焼ガスからエネルギーが抽出され、高圧タービンには、１つの駆動シャフトで圧縮機に連結されている。

典型的なターボファン航空機エンジンでは、ファンは、圧縮機の上流側に取り付けられ、ＨＰＴの下流側に取り付けられた低圧タービン（ＬＰＴ）によって作動される。船舶及び工業（Ｍ＆Ｉ）用途では、ＬＰＴは、外部駆動シャフトを作動させ、主用途において推進システム又は発電機に動力を提供する。

圧縮及び燃焼サイクルによって、エネルギーが加圧空気内に導入され、タービン段において燃焼ガスからエネルギーが抽出される。ＨＰＴは、燃焼器から排出された最高温の燃焼ガスに曝されるので、その種々の構成要素は通常、圧縮機からの加圧空気の一部を抽気することによって冷却される。タービン冷却に使用されるあらゆる空気は、燃焼サイクルにより失われるので、エンジンの全体の効率を低下させる。

更に、各タービン段は、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びるタービンロータブレードの列を含み、ブレードの半径方向外側先端は、周囲のタービンシュラウドの内側に組み込まれる。シュラウドは固定され、周囲の環状タービンケースとの間に小さな半径方向間隙又はギャップを維持するように該タービンケースから支持される。

タービンブレードは、燃焼ガスからのエネルギー抽出効率を最大にするように最適化された共通の翼形部輪郭を共有する。ブレード先端ギャップにおける燃焼ガスの漏出は、エンジン効率を更に低下させる。

従って、半径方向ブレード先端の間隙は、できるだけ小さくされるが、あまり小さくすることはできず、さもなければタービンシュラウドに対するブレード先端の望ましくない摩擦により、望ましくない損傷又は構成要素の寿命の短縮を生じる可能性がある。

ブレード先端間隙は、エンジンが低温である時に初期の大きさを有するが、エンジンが運転されてタービンの種々の構成要素が様々な温度に加熱又は冷却されると、ギャップ又は間隙のサイズが変化することになる。

更に、エンジンが種々の出力レベルにわたって運転されると、タービン構成要素は、熱的に膨張及び収縮し、これに応じてブレード先端間隙のサイズに影響を与える。タービンブレードは、運転中に高温燃焼ガスに直接曝されるので、該ブレードは急速に加熱されて、周囲のタービンシュラウドに向けて半径方向外向きに膨張する。

同様に、タービンシュラウドは、周囲のケースから支持された固定構成要素であり、従って、これらを支持するロータディスク上に取り付けられたタービンブレードとは異なる熱膨張及び収縮率を有する。

典型的なターボファン航空機エンジンは、最初に低出力、すなわちアイドルモードで運転し、次いで、離陸及び上昇運転のために出力が増大する。所要の飛行高度で巡航状態に達すると、エンジンは、より低い、すなわち中間出力設定値で運転される。エンジンはまた、航空機が高度を下げて滑走路に着陸するときにはより低い出力で運転され、これに続いて典型的には逆推進運転が用いられ、エンジンは再び高出力で運転される。

出力が増減するエンジンの種々の過渡運転モードにおいて、タービンシュラウド及びブレードは、異なるように膨張及び収縮し、その結果ブレード間隙に影響を与える。リバーストと呼ばれる１つの特に問題のある運転モードにおいては、エンジン出力が急速に増大され、これに応じて、周囲のタービンシュラウドの膨張率よりも大きな膨張率でタービンロータブレードを半径方向外向きに膨張させる。従って、タービンブレード及びタービンシュラウド間の半径方向間隙は、この過渡相の間は減少することになる。

更に、タービンシュラウドに対するブレード先端の望ましくない摩擦を回避するために、初期ブレード先端間隙は、十分に大きく設定される必要があり、上述のように、これはブレード先端漏出に起因してエンジンの全体効率を低下させることになる。

エンジン運転中に可変のブレード先端間隙を良好に制御するために、能動間隙制御（ＡＣＣ）を含む様々な間隙制御構成が知られている。能動間隙制御においては、比較的低温のファン空気又は比較的高温の圧縮機抽気、又はこれらの混合気が、シュラウドが懸架されているタービンケースに送られる。特に、最大効率が求められる航空機の巡航運転中にブレード先端間隙を最小化するために、ケースは必要に応じて加熱又は冷却される。

それでも尚、従来の能動間隙制御システムの有効性は限定されており、特にリバースト状態中に望ましくない先端摩擦を回避するために、比較的大きな公称ブレード先端間隙が依然として必要とされる。

更に、ＨＰＴブレードもまた、典型的には圧縮機の最終段から抽気された圧縮機排出圧力（ＣＤＰ）空気の一部を使用して冷却される。この空気は、中空ブレード内側の内部冷却流路を通って適切に送られ、前縁及びその後方からのフィルム冷却孔及び通常は翼形部正圧側の後縁出口孔又はスロットの列を含む種々の列においてブレードを通じて排出される。このブレード冷却空気は、燃焼プロセスを迂回し、従って、エンジンの効率を更に低下させる。
米国特許第４，５５３，９０１号公報 米国特許第５，２０５，７０８号公報 米国特許第５，２８１，０８５号公報

従って、改善された能動間隙制御及び効率を有するガスタービンエンジンを提供することが望まれる。

ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼器と、周囲のタービンシュラウド内部に取り付けられたブレードの列を有するタービンとを含む。圧縮機から抽気された加圧空気を冷却するために熱交換器が使用される。熱交換器は、分配ネットワークによってタービンに連結され、熱交換器からの空気をブレードの下方及びシュラウドの上方に選択的に送り、ブレード先端間隙を制御する。

好ましい例示的な実施形態に従って、以下の詳細な説明において、本発明並びにその更なる目的及び利点を添付図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１には、例示的なターボファン航空機エンジン１０が概略的に示される。このエンジンは、長手方向又は軸方向中心軸１２の周りで軸対称的であり、例示的用途において航空機のウィング又は胴体（図示せず）に適切に取り付けられ、飛行中の航空機に動力を供給する。

このエンジンは、直列流れ連通の順に、ファン１４、低圧又はブースタ圧縮機１６、高圧（ＨＰ）圧縮機１８、環状燃焼器２０、高圧タービン（ＨＰＴ）２２、及び低圧タービン（ＬＰＴ）２４を含む。

環状ナセル２６は、ファン１４を囲み、ブースタ圧縮機１６の周りで後方に延びる環状バイパスダクト２８を定める。第1の駆動シャフト３０がＨＰＴ２２をＨＰ圧縮機１８に連結し、第2の駆動シャフト３２がＬＰＴ２４をファン１４及びブースタ圧縮機１６に連結する。これら２つの駆動シャフトは、上述の様々なエンジン構成要素の従来構成でエンジン内の対応するフレームの軸受に適切に取り付けられる。

運転中、周囲空気３４がエンジンの入口に入り、ファン１４によって部分的に加圧され、バイパスダクト２８を通って排出されて、推進推力の大部分を提供する。ファンを通過する空気３４ａの一部は、ブースタ圧縮機１６に入り、複数の軸方向段で更に圧縮サイクルを受け、ＨＰ圧縮機１８の複数の軸方向段でも更に圧縮される。

加圧空気３４ａは、圧縮機から排出され、燃焼器２０内で燃料と適切に混合されて高温燃焼ガス３６を発生する。ＨＰＴ２２内で燃焼ガス３６からエネルギーが抽出され、第１の駆動シャフト３０を駆動してＨＰ圧縮機１８に動力を供給する。ＬＰＴ２４内で燃焼ガスから更にエネルギーが抽出され、第2の駆動シャフト３２を駆動してファン１４及びブースタ圧縮機１６に動力を供給する。

上述のようなエンジンは、従来の構成及び動作であり、複数の圧縮段及び複数のタービン段を含む。例えば、ブースタ圧縮機１６は、４つの軸方向段を有することができる。ＨＰ圧縮機１８は、例えば７つの軸方向段を含むことができる。更に、ＨＰＴ２２は、例示的な５段ＬＰＴ２４によって後続された単一段タービンであるのが好ましい。

図２は、直列流れ連通で配置された、高圧圧縮機１８、環状燃焼器２０、及びＨＰＴ２２を含む基本コアエンジンを詳細に示している。

ＨＰＴ２２は、外側及び内側バンド内に適切に取り付けられたステータベーン３８の列を有する第１段すなわちＨＰタービンノズルを含む。これらのベーンに続いて、第１段すなわちＨＰロータディスク４２の周縁すなわちリムに着脱自在に取り付けられた単一の列のＨＰタービンブレード４０がある。ディスク４２は、第1の駆動シャフト３０に固定連結され、該第１の駆動シャフト３０は、高圧圧縮機１８の圧縮機ブレードを支持するロータディスクに固定連結される。

ＨＰ圧縮機１８及びＨＰＴ２２の構成及び動作は従来通りであり、空気３４を加圧し、その後燃焼ガス３６を膨張させてこれからエネルギーを抽出する。特に、空気３４の圧力及び温度は、空気が７段の圧縮機ブレードを通って下流側に流れるにつれて軸方向に増大する。圧縮機ブレードの第７番目の列は、この例示的な構成の圧縮機の最終段を定め、圧縮機排出圧力（ＣＤＰ）空気３４ａと関係した最大圧力及びこれに対応する高い温度で加圧空気を排出する。

図３は、周囲のタービンシュラウド４４の半径方向内側に取り付けられたタービンブレード４０の半径方向外側先端の典型的な配置をより詳細に示している。シュラウドは通常、円周方向セグメントで形成され、離散的なタービンシュラウド４４の列は、同様にセグメントで形成された支持環状ハンガー４６から適切に懸架される。

一方、ハンガーは、前方及び後方取付けフランジ間に間隔を置いて配置された１対の半径方向リブ又はレールを有する周囲の環状タービンケーシング又はケース４８の一部に従来の方式で取り付けられる。

このようにして、タービンシュラウド４４の列は、エンジン内に固定的に取り付けられ、回転タービンブレード４０の列の半径方向外側先端を囲み、これから間隔を置いて配置され、或る初期サイズ又は公称サイズを有する比較的小さな半径方向間隙又はギャップＧを定める。

上記で示したように、運転中におけるギャップＧを通した燃焼ガス３６の漏出は、これに応じてタービン及びエンジンの効率を低下させる。更に、支持ロータディスク上に取り付けられたタービンブレード４０と懸架されたタービンシュラウド４４との熱膨張及び収縮の差異は、離陸からある高度で巡航して、更に滑走路に着陸するまでのエンジンの様々な運転モードの間で当該公称半径方向間隙を変化させる。

図２及び３は、能動間隙制御（ＡＣＣ）システム５０を概略的に示しており、これは、タービンシュラウド４４の列を支持するタービンケース４８を冷却又は加熱するのに選択的に使用される。従って、タービンケース４８自体は、ハンガー４６及びシュラウド４４を支持して半径方向先端間隙又はギャップＧのサイズを制御するＡＣＣマウントを定める。

特に、ＨＰタービン２２は、タービンケース４８を囲む環状の供給マニフォルド又はプレナム５２を含む。環状衝突バッフル５４が、プレナム５２の内部に適切に取り付けられ、ケース４８の２つの半径方向レールの外部輪郭と密接に適合する蛇行部分を有する。

このようにして、比較的低温又は高温の空気を衝突バッフル５４を通じて送り、２つのレールの外表面上に衝突空気の離散ジェットを提供することができ、これは、２つのレールの半径方向の膨張及び収縮、並びに運転中のこれに対応した半径方向先端ギャップＧのサイズに影響を及ぼす。ＨＰＴのこの部分は、半径方向ギャップＧのサイズを制御するための従来のあらゆる構成及び形状を有することができるが、性能を高めるために以下に述べるように変更される。

ＡＣＣシステム５０は、図１に最初に示したように、コアエンジンのカウリング内に取り付けられ、空気−空気熱交換器（ＨＸ）５６が、環状バイパスダクト２８と流れ連通して適切に取り付けられる。熱交換器自体は、従来のどのような構成を有していてもよく、比較的低温のファン空気３４を送る主回路を含み、該主回路内の独立した２次回路で高温ＣＤＰ空気３４ａを冷却するようにする。

図２に示すように、熱交換器５６のこの２次回路は、入口回路５８により圧縮機１８の排出端部に流れ連通して適切に連結され、圧縮機排出空気３４aの一部を熱交換器を通じて送り、ここで主回路を通じて送られたバイパスファン空気３４によって冷却される。

複合分配ネットワークが、ＨＸ５６と流れ連通して配置され、冷却ＣＤＰ空気３４ｂをＨＸ５６からＨＰＴ２２に向けて、冷却する目的で第１段ブレード４０の下方と内部へ、並びに半径方向間隙すなわちギャップＧの大きさ又はサイズを能動的に制御する目的でタービンシュラウド４４の列の上方及び外側へ選択的に配向又は分配する。このようにして、同一又は共通の圧縮機排出空気３４ａを複合ＡＣＣシステムにおいて能動（アクティブ）間隙制御とブレード冷却の両方に使用して、エンジンの性能及び効率を有意に高めるようにすることができる。

図２及び３は、第１の回路６０と、第２の回路６２と、第１のバイパス６４と、第２のバイパス６６とを含む複合分配ネットワークの一部を概略的に示している。これらのネットワーク構成要素は、チューブ又は導管のようなあらゆる従来形の流れ配向構成と、圧縮機排出空気を様々なタービン構成要素に制御された流れで分配、配向、及び分配するためのマニフォルドとを有することができる。

第１の回路６０は、熱交換器５６内の２次回路の排出端部からタービンケース４８に流れ連通して連結され、冷却された圧縮機排出空気３４ｂをタービンケース４８に配向する。

第２の回路６２は、タービンケース４８から第１段タービンブレード４０に流れ連通して連結され、使用された冷却空気３４ｃをブレード自体に配向しそれらを冷却する。

詳細には、第２の回路６２は、プレナム５２に流れ連通して適切に連結され、該プレナム５２は、タービンケース４８を囲み、且つ衝突バッフル５４を内包して、タービンブレード４０の冷却において後で又は複合的に使用するためにケース４８の外側から使用された衝突空気３４ｃを集める。

第１のバイパス６４は、圧縮機１８の排出端部から直接タービンケース４８に流れ連通して連結され、熱交換器５６を完全にバイパスして、高温ＣＤＰ空気３４ａを直接ケースに提供する。第１のバイパス６４は、熱交換器につながる入口回路５８に連結することができ、或いは、構成要素の数、サイズ、及び重量を軽減するために適切な方法で圧縮機排出部に別個に連結することができる。

第２のバイパス６６は、例えば、第１の回路６０の一部において熱交換器５６の２次回路の出口から第２の回路６２内の適当な中間位置に流れ連通で連結されてタービンケース４８をバイパスし、冷却された圧縮機排出空気３４ｂを第２の回路に直接提供して第１段ブレード４０を冷却する。

分配ネットワークの様々な導管を通る流れを制御及び調整するために、第１のバイパス６４は、対応する第１の制御弁１を含み、第２のバイパス６６は、対応する第２の制御弁２を含み、第１の回路６０は、その対応する流れ導管内に直列流れ連通して連結された対応する第３の制御弁３を含む。

これら３つの弁１、２、３は、図３に概略的に示すように、エンジンの電気コントローラ６８によって独立的に制御される電動弁のような従来のあらゆる構成を有することができる。コントローラ６８は別個のコンピュータとすることができ、或いはエンジン内で典型的に見られる他の弁を制御する従来方式で、３つの弁１−３を制御するようにソフトウェアで適切に構成されたエンジンの主制御コンピュータの一部であってもよい。

第１の弁１は、第１のバイパス回路６４内で連結され、タービンケースに対する高温圧縮機排出空気３４ａのバイパス流を選択的に変更又は制御する。

第２の弁２は、第２のバイパス回路６６内で連結され、熱交換器５６から直接タービンブレード４０に対して冷却された圧縮機排出空気３４ｂのバイパス流を選択的に制御又は変更する。

更に、第３の弁３は、第１の流れ回路６０内で連結され、直接タービンケースに対しての冷却された圧縮機排出空気３４ｂの流れを選択的に制御又は変更する。

図３を参照しながら上述したように、ＨＰＴ２２は、タービンケース４８を囲む環状プレナム５２を含み、協働する衝突バッフル５４がプレナム５２内に配置され、ブレード先端間隙Ｇの能動間隙制御を行う。詳細には、衝突バッフル５４は、第１の回路６０の出口端部に流れ連通して連結され、ここから圧縮機排出空気を受け取り、次いで、該圧縮機排出空気がバッフル５４内の衝突孔を介して配向され、この空気をタービンケース４８の外表面に対して、特に２つの制御レールの周りに衝突させて、タービンケース４８の半径方向の膨張及び収縮を制御し、これによって運転中の半径方向間隙Ｇの大きさを制御する。

衝突バッフル５４は、第１の回路６０と流れ連通して連結されて冷却された圧縮機排出空気３４ｂを受け取り、更に第１のバイパス６４と流れ連通して配置されて、冷却されていない、すなわち元の高温の圧縮機排出空気３４ａを受け取るようにする点に留意されたい。２つの制御弁１、３は、高温の排出空気３４ａと冷却排出空気３４ｂの相対量を制御して、タービンケース４８に対するこれらの熱的影響を制御する。タービンケース４８からの使用済み衝突空気（参照符号３４ｃで示されている）は、プレナム５２の内部に集められ、第２の回路６２を介してタービンブレード４０の列に配向される。

図３において部分的に示すように、ブレード４０自体は、従来のあらゆる構成を有し、典型的にはその半径方向の全スパンにわたって延びる内部冷却通路７０を含むことができ、その取付けダブテールのベース端部に第２の回路６２と流れ連通して適切に連結された対応する入口を有する。

ブレード４０と同様に、第１段タービンロータブレードは、一般に、高温ではあるがブレード自体の外側を流れる燃焼ガスよりも低温の圧縮機排出空気３４ａを直接使用することによって冷却される。使用済みのＡＣＣ空気３４ｃは、元の高温ＣＤＰ空気３４ａよりも遙かに低温であり、タービンブレード列の冷却において追加の利点を提供する。

図３に示すコントローラ６８は、３つの弁１、２、３に作動的に連結され、３つの異なる好ましい運転モードにおいて、これら３つの弁及び対応する流れ回路を通る流れを調節するのに好適なソフトウェアで構成され、これら３つの運転モードは、それぞれ、１つの弁が比較的高い又は最大の流量を有し、他の２つの弁が比較的低い又は最小の流量を有し、３つの弁の内の異なる弁を通って流れるのが有利であり好ましい。

より具体的には、図３は、図１に示すターボファンエンジン１０を使用して、第１段ブレード４０自体の対応する冷却と複合的に組み合わせて第１段タービンブレードの先端間隙又はギャップＧを能動間隙制御する方法を実行するためのコントローラ６８の好ましい構成を示している。

本方法は、最初に、圧縮機から熱交換器５６に高温圧縮機排出空気３４ａの一部を抽気することで始まり、次いで、熱交換器５６は、高温の排出空気３４ａを冷却して、冷却排出空気３４ｂを形成する。図１及び２に示すように、初期低温ファン空気３４は、熱交換器５６通って適切に配向され、該熱交換器５６内部で高温ＣＤＰ空気３４ａから熱を除去するヒートシンクを提供する。

３つの弁は各々、ゼロ又は低い流量で貫流を完全に又は殆ど遮断する比較的閉鎖された（Ｃ）位置から、貫通する比較的高い又は最大の流量を有する比較的開放された又は正の（＋）位置まで動作することができる。３つの弁の比較的開放された位置及び比較的閉鎖された位置を用いて、ターボファンエンジンの３つの対応する運転モードを定義することができる。

より具体的には、第１の運転モードは、第１の弁１を実質的に全開すると同時に、第２及び第３の弁２、３を実質的に閉鎖し、第１のバイパス６４を通して分配される高温ＣＤＰ空気３４ａを使用してこれに応じてタービンケース４８を加熱するようにすることで定義することができる。これはＣＤＰ空気モードである。

第２の運転モードでは、第２の弁２が実質的に全開され、第１及び第３の弁１、３が実質的に閉鎖されて、空気流をタービンケース４８にバイパスし、代わりに冷却ＣＤＰ空気３４ｂをタービンブレードに配向する。これはＡＣＣ−ＯＦＦモードである。

更に、第３の運転モードは、第３の弁３を実質的に全開すると同時に、第１及び第２の弁１、２の両方を実質的に閉鎖して、冷却ＣＤＰ空気３４ｂをタービンケース４８に配向してこれを冷却することで定義される。これはＡＣＣ−ＯＦＦモードである。

第１のモードすなわちＣＤＰ空気モードは、エンジンのリバースト又は再加速運転において使用され、衝突バッフル５４を介して高温ＣＤＰ空気３４ａを配向し、タービンケース４８を急速に加熱して、その熱膨張率を増大させることができる。リバーストでは、高温燃焼ガス３６がタービンブレード４０を急速に加熱し、該タービンブレード４０が周囲のシュラウド４４に向って半径方向外向きに膨張するが、支持タービンケース４８の急速加熱により、これに応じてタービンシュラウドを半径方向外向きに移動させ、望ましくない先端摩擦の可能性が回避又は低減される。この利点は、ターボファンエンジンにとって新規のものであり、この熱応答能力の改善が無い従来の能動間隙制御システムにおいては、これまでは実施可能ではなかった。

同様に、典型的な能動間隙制御は、航空機巡航時におけるエンジンの中間出力運転中にのみ実行される。従って、第３のすなわちＡＣＣ―ＯＮ運転モードは、巡航中並びに例えば上昇時にも使用することができ、冷却ＣＤＰ空気３４ｂを熱交換器から衝突バッフル５４に配向し、タービンケース４８を冷却し、且つタービンシュラウド４４の列の直径を熱収縮させて半径方向の間隙Ｇを減少させ、巡航効率を向上させるようにする。

更に、第２のすなわちＡＣＣ―ＯＦＦ運転モードは、エンジンアイドル、又は離陸、或いは減速中に使用して、冷却ＣＤＰ空気３４ｂをシュラウド取付けケース４８の周りでバイパスさせて直接ブレード４０に送り、これらを冷却することができる。従って、ＡＣＣ―ＯＦＦ運転中は、空気流３４ｂが衝突バッフル５４を介して殆ど又は全く提供されない。

３つの制御弁１、２、３は、ゼロから最大までの全流量範囲にわたって完全に調節可能であるので、これらの弁を要求に応じて用いて、ＡＣＣシステム５０内の種々の流れ回路の制御を最適化し、第１段タービンロータブレード４０自体の冷却と組み合わせてタービンシュラウド４４の能動間隙制御を行うことができる。

従って、３つの弁は、熱交換器５６から取付けケース４８、及び取付けケース４８をバイパスする熱交換器５６からの冷却ＣＤＰ空気３４ｂの流れを対応して調整し、更に、ＡＣＣ―ＯＮ及びＯＦＦを含む上述の少なくとも３つの異なる運転モードにおいて熱交換器５６をバイパスする圧縮機１８からの高温ＣＤＰ空気３４ａを調節するのに使用することができる。

タービンシュラウド４４のＡＣＣ取付け並びに第１段タービンロータブレード４０の内部及び外部冷却において、冷却及び未冷却の両方の同じ圧縮機排出空気３４ａを複合的又は二重に使用する上記のＡＣＣシステム５０により多くの利点が得られる。

ＡＣＣシステムの基本的な利点は、エンジンの性能及び効率が大幅に高くなること、並びに、このシステムを実装するのにハードウエア及び重量が追加されるにも拘わらず、燃料消費率（ＳＦＣ）が有意に低下することである。

能動間隙制御のために圧縮機排出空気３４ａが使用されているので、当該空気は、段間抽気又はファン空気よりも高密度であり、これに応じて衝突バッフル５４及びタービンケース４８間の熱伝達を増大させると共に、ケース４８及びこれから懸架されたタービンシュラウド４４の列の熱応答速度が増大する。

更に、熱交換器５６内で圧縮機排出空気３４ａを冷却することにより、冷却された空気の密度は更に高くなり、熱伝達能力及び熱応答が更に増大する。

これに応じて、冷却ＣＤＰ空気の改善された性能は、能動間隙制御とタービンブレード冷却において使用するために圧縮機から抽気される必要のあるＣＤＰ空気の全流量の低減を可能にする。燃焼器２０内の燃焼により多くの空気が利用可能であるので、この抽気の低減は、これに応じてエンジンの効率を増大させる。

従来の能動間隙制御及びタービンブレード冷却は、互いに独立しており、これに応じて異なる必要な流量を有する異なる抽気回路を使用している。従って、ブレード冷却用に通常提供されるＣＤＰ空気は、従来は冷却されていなかった。

これとは対照的に、上記で開示された複合分配ネットワークは、能動間隙制御とブレード冷却の両方のために同じ圧縮機排出空気３４ａを使用し、これに応じて、これまで利用可能でなかった間隙制御システムで使用できる空気の量又は流量が増大する。

従って、冷却ＣＤＰ空気は、能動間隙制御システムとタービンブレード冷却の両方において、これまで可能でなかった大きな利点を提供し、従って、上述の複数の機能のために同じ圧縮機排出空気を複合的又は多重的に使用する点において相乗効果をもたらす。

上述のように、第１のバイパス６４は、タービンケース４８を急速に加熱して、その熱応答速度を増大させ応答時間を短縮するために、分配ネットワークにおいて高温ＣＤＰ空気３４ａの新たな用途を可能にする。このことは、望ましくないブレード先端摩擦を防止するために約０．２５ｍｍといった比較的大きな先端ギャップＧの使用を従来必要としていたリバースト運転において特に重要である。

これとは対照的に、上記で開示されたＡＣＣシステムの改善された性能は、エンジンの通常運転中に公称ブレード先端間隙Gの約半分である約０．１３ｍｍまでの大幅な低減を可能にする。タービンシュラウドは、これまで可能であったよりも大幅に大きな割合で熱膨張し、且つタービンロータブレードの急速な熱膨張に良好に一致させて、タービンシュラウドとタービンロータブレードとの間の望ましくない先端摩擦を防止することができるので、この小さなギャップ又は間隙は、リバースト運転に適応するのに十分である。

タービンブレードのこのより小さな作動間隙により、これに応じて運転中に通過する燃焼ガス漏出が低減されるので、従って、タービン効率及びエンジン性能が更に増大する。この小さな間隙はまた、排気ガス温度（ＥＧＴ）の低下をもたらし、エンジンのウィング装着時間の延長を含む対応する利点を有する。

３つの図に示された複合ＡＣＣシステム５０は、その空間及び重量要件を低減するために、従来の構成要素を使用して、コアエンジンカウリング内部に小形組立体として生成することができる。例えば、空気−空気熱交換器５６は、バイパスダクト２８と適切に流れ連通させてファンナセル２６を支持するストラットの基部においてコアカウリング内部に好都合に配置することができる。コアカウル内に適当な入口スクープを設けて、熱交換器の主回路を介して後方に配向されるファン空気の一部分を受け入れ、また出口通路を介して、ナセルの後縁のファン出口の前にバイパスダクトに空気を戻すようにすることができる。

図２に示すコアエンジンは、半径方向内側及び外側の燃焼器ケーシング７２、７４を含み、これらは、燃焼器２０をその半径方向内側及び外側の両方において完全な環状リングで囲み、前端において従来の環状ディフューザ７６に共に連結される。ディフューザ７６は、圧縮機１８の出口端部に置かれ、環状燃焼器２０を囲むプレナム内への圧縮機排出空気３４ａを拡散する。

第２の流れ回路６２は、好ましくは、内側ケーシング７２の下方に適切に取り付けられた環状の混合室７８を含む。複数の円周方向に離間された移送管体８０が、混合室７８と流れ連通して内側及び外側ケーシング７２、７４を貫通して半径方向に延び、最初にＨＸ５６及びタービンケース４８へ配向された圧縮機排出空気を混合室７８に戻すようにする。

内側ケーシング７２はまた、高温ＣＤＰ空気３４ａの一部を直接混合室７８に提供するために、混合室７８に沿って適切に置かれた混合孔の列を含む。高温ＣＤＰ空気は、混合室７８内でより低温の戻り空気３４と混合され、タービンシュラウド４４の過度の冷却を防止する。

第２の回路６２は、混合室７８の出口端部と支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる第１段タービンロータブレード４０の列との間に流れ連通して配置された環状の流れインデューサ８４を更に含む。流れインデューサ８４は、回転している第１段ロータディスク４２への流れを接線方向で加速するベーン列を含む固定構成要素である。これは、加圧空気をディスク４２の軸方向ダブテールスロットに効率的に配向し、タービンブレード４０のダブテール内に見られる入口に流入させる従来の構成要素である。

冷却空気は、ブレード４０及び内部の冷却通路７０を通って半径方向外向きに流れ、従来の方式でブレード翼形部の正圧及び負圧面内にある出口孔の幾つかの列を介して排出される。

従って、従来の特徴は、第１段タービンロータ及びその上のブレードを冷却するため、及び、ＡＣＣシステムにおいて、複合分配ネットワーク及び協働する熱交換器を組み込むために適当に修正して、タービンシュラウド４４を支持又は取付けケース４８に取り付けるために使用することができる。

分析された１つの例示的な構成においては、ＡＣＣシステム５０は、その重量の増加が比較的小さな状態でターボファンエンジンに導入することができ、しかもエンジンの性能及び効率を大幅に向上させ、これに応じてＳＦＣを有意に低下させることができる。

本明細書において本発明の好ましい例示的な実施形態と考えられるものについて説明してきたが、当業者であれば本明細書の教示から本発明の他の変更形態も明らかになるはずであり、従って、全てのこのような変更形態は、本発明の真の精神及び範囲内に含まれるものとして添付の請求項において保護されることが望まれる。

従って、本特許により保護されることを望むものは、請求項において定義され且つ特定した発明である。

例示的なターボファン航空機エンジンの軸方向概略断面図。 能動間隙制御システムを含む図１に示すコアエンジンの一部の拡大部分概略図。 図２に示す間隙制御システムの拡大概略図。

符号の説明

１−３ 弁
１０ エンジン
１２ 中心軸
１４ ファン
１６ ブースタ圧縮機
１８ 高圧（ＨＰ）圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン（ＨＰＴ）
２４ 低圧タービン（ＬＰＴ）
２６ ナセル
２８ バイパスダクト
３０ 第１の駆動シャフト
３２ 第２の駆動シャフト
３４ 空気
３６ 燃焼ガス
３８ ステータベーン
４０ タービンブレード
４２ ロータディスク
４４ タービンシュラウド
４６ ハンガー
４８ ケース
５０ 能動間隙制御（ＡＣＣ）システム
５２ プレナム
５４ 衝突バッフル
５６ 熱交換器（ＨＸ）
５８ 入口回路
６０ 第１の回路
６２ 第２の回路
６４ 第１のバイパス
６６ 第２のバイパス
６８ コントローラ
７０ 冷却通路
７２ 内側ケーシング
７４ 外側ケーシング
７６ ディフューザ
７８ 混合室
８０ 移送管体
８２ 孔
８４ 流れインデューサ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１０）において、
   圧縮機（１８）と燃焼器（２０）と前記圧縮機（１８）を駆動する高圧（ＨＰ）タービン（２２）と前記ファン（１４）を駆動する低圧タービン（２４）とに直列流れ連通してナセル（２６）内部に取り付けられたファン（１４）を備え、
   前記高圧（ＨＰ）タービン（２２）が、周囲のタービンシュラウド（４４）の内部にこれと半径方向のギャップを有して取り付けられたタービンロータブレード（４０）の列を含み、
   前記ガスタービンエンジンが更に、
   ファン空気（３４）を使用して前記圧縮機（１８）からの加圧排出空気（３４ａ）を冷却するために、前記圧縮機（１８）と流れ連通して前記ナセル（２６）内部のファンバイパスダクト（２８）に配置された熱交換器（５６）と、
   前記熱交換器（５６）と流れ連通して配置され、前記シュラウド（４４）の外側と前記ブレード（４０）の内側の両方で前記ＨＰタービン（２２）に前記圧縮機空気（３４ａ）を選択的に分配するための複数の弁（１−３）を含む分配ネットワークと
   を備えるガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記ネットワークが、前記熱交換器（５６）を前記マウント（４８）に連結する第１の回路（６０）と、前記マウント（４８）を前記ブレード（４０）に連結する第２の回路（６２）とを有し、
   前記ブレード（４０）の周りで前記シュラウド（４４）を支持する能動間隙制御（ＡＣＣ）マウント（４８）と、
   前記第１及び第２の回路（６０、６２）を通る前記圧縮機空気の流れを調節するために、前記ネットワーク内の前記弁（１−３）に作動的に連結されるコントローラ（６８）と、
   を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記ネットワークが更に、
   前記熱交換器（５６）をバイパスするために前記圧縮機１８から前記マウント（４８）まで流れ連通して連結された第１のバイパス（６４）と、
   前記マウント（４８）をバイパスするために、前記熱交換器（５６）から前記熱交換器（５６）まで流れ連通して連結された第２のバイパス（６６）と、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載のエンジン。
4. 前記第１のバイパス（６４）が、貫通するバイパス流を選択的に制御するために直列に流れ連通した第１の弁（１）を含み、
   前記第２のバイパス（６６）が、貫通するバイパス流を選択的に制御するために直列に流れ連通した第２の弁（２）を含み、
   前記第１の回路（６０）が、貫通する流れを選択的に制御するために直列に流れ連通した第３の弁（３）を含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
5. 前記コントローラ（６８）が、前記第１、第２、及び第３の弁（１−３）に作動的に連結され、前記３つの弁（１−３）の内の異なる弁を通る流れをそれぞれ優先させる３つの異なる運転モードで貫通する流れを調整するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
6. 前記マウント（４８）が、
   前記ブレード（４０）の周りで前記タービンシュラウド（４４）の列を支持する環状ケース（４８）と、
   前記ケース（４８）を囲み、前記空気を前記ケース（４８）に衝突させてその半径方向の膨張を制御するために前記第１の回路（６０）と流れ連通させて配置された衝突バッフル（５４）を有するプレナム（５２）と、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
7. 前記ブレード（４０）が、前記第２の回路（６２）と流れ連通して配置された内部冷却回路（７０）を含み、
   前記第２の回路（６２）が、前記ケース（４８）からの使用済み衝突空気を集めて前記ブレード（４０）へ流すために前記プレナム（５２）と流れ連通して連結されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載のエンジン。
8. 前記燃焼器（２０）を囲む内側及び外側燃焼器ケーシング（７２、７４）を更に備え、
   前記第２の回路（６２）が、前記内側ケーシング（７２）の下方に取り付けられた混合室（７８）と、前記内側及び外側燃焼器ケーシング（７２、７４）を貫通して半径方向に延びて前記混合室（７８）と流れ連通している複数の移送管体（８０）とを含む、
   ことを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
9. 圧縮機排出空気（３４ａ）を前記燃焼器（２０）内に拡散するために前記圧縮機（１８）の出口に配置され、且つ前記熱交換器（５６）に連結されたディフューザ（７６）と、
   空気を配向するために前記混合室（７８）及びブレード（４０）間に流れ連通して前記第２の回路（６２）内に配置された流れインデューサ（８４）と、
   を更に備える、
   ことを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
10. 第１の運転モードにおいて前記第１の弁（１）を開放して前記ケース（４８）を加熱する段階と、
    第２の運転モードにおいて前記第２の弁（２）を開放して前記ケース（４８）をバイパスする段階と、
    第３の運転モードにおいて前記第３の弁（３）を開放して、空気を前記ケース（４８）に衝突させることにより前記ギャップの能動間隙制御を行う段階と、
    を含む、請求項７に記載の前記エンジン（１０）を使用する方法。

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