JP2008121685A - 浸出間隙制御タービン - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンに関し、ガスタービンエンジンの効率向上と能動的間隙制御を可能にする。
【解決手段】タービン２２は、ロータディスクから半径方向外向きに延びるタービンブレード４０の列と、前記ブレード４０の列を囲むタービンシュラウド４４と、ハンガー４６を支持し、その結果前記シュラウド４４を支持する半径方向内向きに突出するフック７０を有するタービンケース４８と、を備え、前記ケース４８が、前記フック７０の上方で半径方向外向きに延びる制御レール７６のペアを含み、前記レール７６が有孔であり、貫通して加圧制御空気３４を配向し、前記フック７０における前記ケース４８の熱による半径方向運動を制御し、その結果、前記シュラウド４４の半径方向位置を制御するように構成される。
【選択図】図３

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。
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。

タービンブレードの列がタービンシュラウドによって囲まれる。シュラウドは、半径方向外向きに延びるレールのペアを有するタービンケースによって支持される。該レールは有孔であり、貫通して加圧制御空気を配向し、ケースの熱による半径方向運動を制御し、その結果、ケースから支持されたシュラウドの半径方向位置を制御するようにする。

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。 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。ブレード４０は、中空であり、従来の内部冷却通路を含む。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。

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、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）装置又はシステム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。

詳細には、ＨＰタービン２２は、タービンケース４８を囲む環状チャンバ又はプレナム５２を含む。環状分配マニフォルド５４は、プレナム５２の内部に適切に取り付けられ、ケース４８内の改良部分と協働してその熱応答速度を高めるように特に構成されている。

ＡＣＣシステム５０の例示的な構成は、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に選択的に配向又は分配して、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。迂回された圧縮機排出空気はまた、複合ＡＣＣシステムにおいてブレード冷却に使用して、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、且つ分配マニフォルド５４を内包して、タービンブレード４０の冷却において後で使用するためにケース４８の外側から使用済み制御空気３４ｃを集める。

第２の回路６２は、第１段ブレード４０に供給する従来の流路に使用済み空気３４ｃを戻すために、燃焼器の外側及び内側ケーシングを貫通して半径方向に延びた移送管体の列を含むことができ、使用済み空気は、高温ＣＤＰ空気と適切に混合されてブレードの過度な冷却を防止する。

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２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圧縮機排出空気３４ｂの流れを選択的に制御又は変更する。

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、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、分配マニフォルド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（アクティブ）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を熱交換器から分配マニフォルド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が分配マニフォルド５４介して殆ど又は全く提供されない。

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、該プレナム５２内に協働する分配マニフォルド５４が配置され、ブレード先端間隙Ｇの能動間隙制御を行うようにする。詳細には、分配マニフォルド５４は、第１の回路６０の出口端部に流れ連通して連結され、そ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マニフォルド５４から分配されて、タービンケース４８の温度を制御し、更に詳細にはタービンケース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。

分配マニフォルド５４は、第１の回路６０と流れ連通して連結されて、冷却圧縮機排出空気３４ｂを受け取り、また第１のバイパス６４とも流れ連通して連結され、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及び冷却排出空気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からの使用済み制御空気３４ｃ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。

タービンシュラウド４４は、周囲のタービンケース４８から支持されるので、環状ケース４８の熱膨張及び収縮は、運転中の半径方向間隙Ｇのサイズ並びにその円周方向の変動又は均一性の両方を制御する。

従って、タービンケース４８は、分配マニフォルド５４と協働して、改善された間隙制御に望ましいようにケースの加熱及び冷却中にその熱応答速度を有意に改善する改良構成を有する。

図４及び５は、タービンケース４８の改善された特徴部を分離して示し、図６は、これら特徴部と特に協働するための分配マニフォルド５４の特徴部を分離して示している。

図３及び４に示す環状タービンケース４８は、前方及び後方取付フランジ７２、７４間で軸方向に離間された軸方向離間支持フック７０のペアを含む。２つのフランジ７２、７４は、半径方向外向きに延び、２つのフック７０は、半径方向内向きに延び、又は突出している。

取付フランジは、タービンケースをエンジンケースの隣接部分に従来の方法で取り付けるための取付ボルト（図示せず）を受け入れる対応する貫通孔の列を有しする。２つのフック７０は、円周方向に延び、環状ハンガー４６を支持するための何らかの従来の構成を有することができ、該環状ハンガー４６は、同様に従来の構成でタービンシュラウド４４を支持するための追加のフックを含む。

タービンケースは更に、一体的な制御リング又はレール７６のペアを含み、これらは、互いに軸方向に間隔を置いて配置され、２つのフック７０のそれぞれの上方でこれらと半径方向にほぼ整列して半径方向外向きに延びる。

レール７６は、ほぼ矩形断面の完全リングであって、これらは従来方式で無孔又は中実ではなく有孔であることを除いて従来の構成を備えており、この有孔であることは、図３で全体的に３４で示された加圧制御空気を貫通して直接配向させて、下にあるフック７０でのタービンケース４８の熱による半径方向の膨張及び収縮移動を制御し、その結果、支持されたタービンシュラウド４４の半径方向位置及び半径方向間隙Gの大きさを制御することを目的とする。

有孔レール７６は、該レールの温度を急速に変えるために制御空気が貫通して配向されるときの内部熱伝達に影響を与え、これは、外部衝突冷却を受ける従来の中実レールの外部熱伝達とは大きく異なる。

図３に示す２つのレール７６は、互いから及び相対する末端フランジ７２、７４から軸方向に間隔を置いて配置されて、レールの両側に対応する前方、中間、及び後方流れプレナム又はキャビティ７８、８０、８２を定め、各キャビティは、ケースの周辺で円周方向に延びている。前方環状キャビティ７８は、前方フランジ７２と第１のレール７６との間に軸方向に定められる。中間環状キャビティ８０は、２つのレール７６自体の間に軸方向に定められる。更に、後方環状キャビティ８２は、第２のレールと後方フランジ７４との間に定められる。

図４及び５に最もよく示されるように、２つのレール７６の各々は、隣接するキャビティ間を流れ連通してレールを貫通し軸方向に延びる多数の又は複数の小さな浸出冷却孔８４を含む。浸出孔８４は、レール７６の環状方向範囲全体にわたって分散されて、レールの熱伝達能力を最大にする。

例えば、個々の孔８４は、約３０ミル（０．７５ｍｍ）の流れ直径と、直径の数倍の比較的近接したピッチ間隔を有し、この結果、２つのレールの各々の全体にわたって数千の浸出孔が分散されることになる。

孔８４は、好ましくは、例えば約３０°の鋭角の傾斜角度Aでレール７６を貫通して円周方向に傾けられ、これに応じて制御空気３４をレール７６自体の外表面に沿って円周方向に排出する。

図４及び５において、浸出孔８４は、円周方向にのみ傾けられ、半径方向には傾けられていないが、別の実施形態では、複合傾斜を行うために半径方向にも追加して傾けることができる。

孔の種々の実施形態において、各孔８４の個々の長さを最大にし、従って、運転中に対流熱伝達を受ける利用可能な内部表面積を最大にするためには、円周方向の傾斜が望ましい。

更に、孔８４の円周方向傾斜は、レールの外表面の周りでの排出された制御空気の円周方向の流れを促進し、レールの熱伝達を更に高め、２つのレールの熱応答速度を増大させるようになる。

２つのレール７６内の浸出孔８４の内部密度を最大にするために、孔８４は、レール７６の長さに沿った円周方向とレール７６の厚さにわたる軸方向との両方に交互配置された幾つかの列で配列されるのが好ましい。浸出孔は、長期の有効運転年数を保証するためにレールに対する応力及び強度限度に従って、最大密度でレール内に導入されるべきである。

しかしながら、２つのレール７６は、図４に示すように対応する無孔のフィレット８６においてタービンケース４８の外表面と連結するのが好ましく、これによって、運転中の応力が低減される。同様に、２つのレール７６の各々は、周囲の分配マニフォルド５４とのシシール接触を高めるために同様に無孔且つ中実である先端８８を定めるほぼ矩形の半径方向外端部を有する。従って、浸出孔８４は、無孔内側フィレットと外側先端との間で各レール７６の中間部分又は半径方向中間部分上にのみ配置される。

環状の分配マニフォルド５４は、図３に示すプレナム５２によって提供される限定された空間内で２つのレール７６を囲み、更に開口出口９０の１つ又はそれ以上の列を含み、第１の回路６０から受け取った制御空気３４を対応する制御キャビティ内に配向して排出し、浸出孔８４を貫流させる。

上述のように、２つのレールの半径方向外側先端は、好ましくは無孔であり、マニフォルド５４が、レールに適切にシール連結されて、中間キャビティ８０を内包し、更に中間キャビティを浸出孔８４以外の前方及び後方キャビティから分離することができるようにする。これに対応して、マニフォルド５４の出口９０は、制御空気３４の全てを最初に前方キャビティ７８に供給するために、該前方キャビティ７８とのみ流れ連通して配置される。

図３及び６に示す分配マニフォルドは、比較的薄い金属板から適切に形成し、横断面で２つのレール７６を囲む限定された空間内に適合するように構成することができる。ピストンリングのようなリングシール９２のペアが、２つのレール７６の全周に延びることができ、複数の保持ボルト及びスペーサによって保持された環状リテーナ９４によりマニフォルドの内表面に接して適切に保持される。ボルトは、リテーナ９４において露出された協働ナットを有し、対応する頭部は、マニフォルドの内壁及び外壁を架橋するアクセスカップ内側に露出する。

図３に示すように、２つのリングシール９２の各々は、対応するレールの無孔先端に軸方向に当接し且つ周囲のマニフォルドに半径方向に当接しており、更に、保持ボルトをリテーナ９４に適切に締結することによりレールに接して押し付けることができる。

このようにして、リングシール９２及び協働するリテーナ９４は、２つのレール７６間に摩擦シールを形成し、中間キャビティ８０を密封し、更に周囲のマニフォルド５４自体から好都合に懸架される。

運転中、分配マニフォルド５４は２つのレール７６と協働し、制御空気３４を前方キャビティ７８、中間キャビティ８０、及び後方キャビティ８２に順次配向する。制御空気は、最初に、環状前方キャビティ７８に供給され、次いで、第１の制御レール７６内の浸出孔８４を介して中間キャビティ８０内に軸方向に配向される。

次に、制御空気は、２つのレールの外表面上にわたって中間キャビティ８０を通って円周方向に循環し、次いで、第２のレール内の浸出孔８４を介して後方キャビティ８２内に排出される。

このようにして、制御空気の全体積及び流量は、２つの制御レール７６の各々を順に通過し、個々の浸出孔８４を通る制御空気の速度を最大にすることにより、レールにおける熱伝達を最大にする。

その結果、これはタービンケース４８の熱応答を大幅に増大させ、ブレード先端を囲むタービンシュラウド４４の内径をより急速に変化させて、これに対応して半径方向間隙Gのサイズが制御される。

更に、３つのキャビティ７８、８０、８２を通る制御空気の環状の完全循環は、キャビティの温度の円周方向の均一性を改善し、従って、タービンケース及び支持されるシュラウドの真円度が改善される。

図６に示す分配マニフォルド５４は、好ましくは、無孔の円周方向バッフル１００によって環状後方チャンバ９８と分離された環状前方チャンバ９６に分割される。また、図３に更に示すように、出口９０は、共通の前方キャビティ７８内で軸方向に離間して配置され、且つタービンケースの全周で円周方向に離れて交互に配置された２つの列で配列することができる。

同様に、２つの環状チャンバ９６、９８は、好ましくは、約１８０°離間して配置された共通の開口入口１０２を共有し、これらの入口は、軸方向バッフル１０４によって境界付けられる。

このようにして、対応する入口１０２は、第１の回路６０と流れ連通して配置されてこれから制御空気を受け入れ、この２つの入口の各々から２つのチャンバ９６、９８が相対して円周方向に延びる。次いで、制御空気３４は、２つの環状チャンバ９６、９８を通って相対する円周方向に分配され、その結果、出口９０の対応する列に送られる。

出口９０の２つの列は、相対する方向から別個に供給されるので、個々の出口９０を通る流量は、入口から最も遠く離れた出口まで順次減少している。２つのチャンバ９６、９８内で逆流を提供することにより、２つのチャンバからの軸方向に隣接した出口のペアを通る集合流は、分配マニフォルド５４の円周の周りで実質的に均一にすることができる。

マニフォルド５４は、前方及び後方チャンバ９６、９８の相補的な部分を互いに連結する適切な円周方向末端ソケットを備えた、２つのハーフリングセグメントで作製されるのが好ましい。

図３に示すように、２つの制御レール７６の上方では利用可能な半径方向空間が少ないので、後方チャンバ９８は、前方チャンバ９６よりも局所的に半径方向でより薄くなり、軸方向ではより長く延びている。このようにして、２つのチャンバ９６、９８の各々の円周方向流れ面積を互いに実質的に等しくし、出口９０の２つの対応する列からの制御空気３４の分配の均一性を改善することができる。

ガスタービンエンジンにおける能動間隙制御の基本は、図３に示すタービンシュラウド４４が取り付けられるタービンケースである。有孔の制御レール７６を備えた改良されたタービンケース４８は、特別に構成された分配マニフォルド５４と組み合わせて使用して、該タービンケースの熱伝達応答速度を大きく向上させることができる。

改良されたケース４８及びマニフォルド５４は、追加の利点を得るために、上記で開示された例示的な制御システム５０において使用することができるが、タービンケースの膨張及び収縮を制御するために加熱又は冷却された空気を利用する他の従来的な能動間隙制御システムで使用することもできる。

基本運転では、制御空気３４は、シュラウド４４を支持するタービンケース４８に適切に供給される。次いで、制御空気は、制御レール７６内の浸出孔８４を介して配向され、ケース４８の半径方向の熱膨張及び収縮運動を制御し、その結果半径方向のブレード先端間隙を制御する。

１つの運転モードにおいては、高温ＣＤＰ空気３４ａは、図３に示すキャビティ７８、８０、８２及び浸出孔８４を介して配向されて、タービンブレード４０の列の加速又はリバースト中にタービンケース４８を急速に加熱し熱膨張させて、周囲のシュラウド４４との先端摩擦を防止する。浸出孔８４による熱伝達の増大は、同様の膨張率でのタービンブレードの急加速中にタービンケース４８の急速膨張を可能にし、半径方向間隙の望ましくない減少を防止する。

更に、ガスタービンエンジンの能動間隙制御巡航運転中、冷却ＣＤＰ空気３４ａは、キャビティ７８、８０、８２及び浸出孔８４を介して順次配向され、タービンケース４８を冷却し熱収縮させて、ブレード先端とタービンシュラウド４４との間の半径方向間隙を減少させることができる。

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。また、当該熱応答速度の更なる増大により、タービンケース４８及び協働する分配マニフォルド５４が改善される。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。

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。 分離された状態の図３に示すタービンケースの一部の等角断面図。 図４の線５−５に沿ったタービンケース内の制御レールの円周方向断面図。 図３の線６−６に沿った分配マニフォルドの内側平面図。

符号の説明

１−３ 弁
１０ ガスタービンエンジン
１２ 中心軸
１４ ファン
１６ ブースタ圧縮機
１８ （ＨＰ：高圧）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 タービンケース
５０ 能動間隙制御（ＡＣＣ）システム
５２ プレナム
５４ 分配バッフル
５６ 熱交換器（ＨＸ）
５８ 入口回路
６０ 第１の回路
７０ フック
７２ 前方フランジ
７４ 後方フランジ
７６ レール
７８ 前方キャビティ
８０ 中間キャビティ
８２ 後方キャビティ
８４ 浸出孔
８６ フィレット
８８ 先端
９０ 出口
９２ リングシール
９４ リテーナ
９６ 前方チャンバ
９８ 後方チャンバ
１００ 円周方向バッフル
１０２ 入口
１０４ 軸方向バッフル

Claims (10)

1. ロータディスク（４２）から半径方向外向きに延びるタービンブレード（４０）の列と、
   前記ブレード（４０）の列を囲むタービンシュラウド（４４）と、
   ハンガー（４６）を支持し、その結果前記シュラウド（４４）を支持する半径方向内向きに突出するフック（７０）を有するタービンケース（４８）と、
   を備え、
   前記ケース（４８）が、前記フック（７０）の上方で半径方向外向きに延びる制御レール（７６）のペアを含み、
   前記レール（７６）が有孔であり、貫通して加圧制御空気（３４）を配向し、前記フック（７０）における前記ケース（４８）の熱による半径方向運動を制御し、その結果、前記シュラウド（４４）の半径方向位置を制御するようにする、
   ことを特徴とするタービン（２２）。
2. 前記レール（７６）が、軸方向に離間して配置され、該レールの両側に前方、中間、及び後方キャビティ（７８、８０、８２）を定め、前記レール（７６）の各々が、前記キャビティ間を流れ連通して軸方向に貫通して延びる複数の浸出孔（８４）を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記孔（８４）が、前記空気を前記レール（７６）に沿って円周方向に排出するために前記レール（７６）を貫通して円周方向に傾斜されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のタービン。
4. 前記レール（７６）を囲み、前記空気（３４）を前記キャビティ（７８、８０）内へ配向して前記浸出孔（８４）を貫流させるための出口（９０）の列を含む環状マニフォルド（５４）を更に備える、
   ことを特徴とする請求項３に記載のタービン。
5. 前記マニフォルド（５４）が、前記レール（７６）にシール連結されて前記中間キャビティ（８０）を内包し、前記出口（９０）が前記前方キャビティ（７８）内に配置されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載のタービン。
6. 前記マニフォルド（５４）が、円周方向バッフル（１００）によって環状後方チャンバ（９８）から分離された環状前方チャンバ（９６）を更に含み、前記出口（９０）が、前記前方キャビティ（７８）と流れ連通して前記前方及び後方チャンバ（９６、９８）内で２列に配列されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載のタービン。
7. 前記前方及び後方チャンバ（９６、９８）が、軸方向バッフル（１０４）によって境界付けられた共通の入口（１０２）を共有し、前方空気を前記チャンバ（９６、９８）内で相対する円周方向に送るようにする、
   ことを特徴とする請求項６に記載のタービン。
8. 前記レール（７６）が、無孔フィレット（８６）において前記ケース（４８）に連結し、且つ前記マニフォルド（５４）にシール連結された無孔の半径方向外側先端（８８）を有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のタービン。
9. 前記ケース（４８）が、
   前記レール（７６）から軸方向前方に間隔を置いて配置されて、前記レール（７６）との間に前記前方キャビティ（７８）を定める前方フランジ（７２）と、
   前記レール（７６）から軸方向後方に間隔を置いて配置されて、前記後方キャビティ（８２）を定める後方フランジ（７４）と、
   を更に含み、
   前記中間キャビティ（８０）が、前記レール（７６）間で軸方向に定められる、
   ことを特徴とする請求項５に記載のタービン。
10. 前記浸出孔（８４）が、前記レール（７６）に沿った円周方向と前記レール（７６）を通る軸方向との両方で交互に配置された列で配列される、
    ことを特徴とする請求項５に記載のタービン。

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