JP2009144708A - ターボ機械における排気ケーシングのハブキャビティの封止 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の排気ケーシングを提供する。
【解決手段】ターボ機械の排気ケーシングは、排気ガスの流れを案内し、ケーシング内部にハブキャビティを画定するための円筒状ジャケットを含む。円筒状ジャケットは、その両端部に、環状フランジと、内側へ延在し、環状リムと共に形成される径方向環状部とを含み、環状リムは、排気ケーシングの内壁の環状溝内で受承されて、ほぼ封止される形でハブキャビティを閉塞するように設計される。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、航空機ターボジェットなどのターボ機械の排気ケーシングに関し、より詳細には、本発明は排気ケーシング内のハブキャビティの封止に関する。

ターボ機械の排気ケーシングはタービンから下流側に取り付けられ、一般に、それぞれ径方向内壁と径方向外壁であって、径方向アームにより相互に接続される２つの同軸の円筒状壁を備える。内壁は、タービンからの排気の流れを案内するための円筒状ジャケットにより包囲される。

円筒状ジャケットは、排気ケーシングの内壁に締結される下流側端部を有し、上流側端部でターボ機械の軸に向かって自由に延びる径方向環状部を有し、円筒状ジャケットと排気ケーシングの内壁とが共に、一般にハブキャビティと呼ばれるキャビティを画定するようにする。

このキャビティは、円筒状ジャケットの径方向環状部の内端部で開口している。

その結果、上流側からの空気はハブキャビティ内に流れ込み、この空気は上流側開口部を介してキャビティを貫通し、ターボ機械の高圧圧縮機と低圧圧縮機との間から取り込まれる。このことにより、ターボ機械の燃費に負の影響を及ぼす。

ハブキャビティ内の冷却空気の流れは、排気ケーシングの内壁と上記ケーシングの径方向アームの径方向内端部とを冷やす傾向があるが、アームの径方向外側部は排気ガスの流れにより比較的高温で保たれる。このことは、寿命に悪影響を及ぼす可能性がある径方向アームの大きな温度勾配につながる。

さらに、径方向環状部は自由であるので、円筒状ジャケットはターボ機械のロータの周波数にほぼ対応する振動モードを示し、そのためにロータと共振する可能性があり、円筒状ジャケットの寿命に悪影響を与える可能性がある強い振動を生成する。

本発明の特定の目的は、こうした問題点に対する簡単で、費用がかからず、そして効果的な解決策を提供することであり、これにより先行技術の欠点を避けることができる。

この目的のため、本発明は、ターボ機械の排気ケーシングを提供する。それぞれ径方向内壁および径方向外壁の２つの同軸円筒状壁であって、径方向アームにより相互に接続される円筒状壁と、径方向内壁の下流側端部に固定され、径方向内壁と協働してハブキャビティを画定し、径方向外壁と協働して排気ガスの流れ空間を画定する円筒状ジャケットであって、その上流側端部はターボ機械の軸に向かって延在する径方向環状部を含む円筒状ジャケットとを備える排気ケーシングであって、ジャケットの径方向環状部はその内端部で、ほぼ封止される形で径方向に摺動することにより排気ケーシングの円筒状内壁と協働する環状リムを含むことを特徴とする。

円筒状ジャケットの径方向部分の環状リムは、空気がハブキャビティ内に流入するのを防ぐ働きをする。

これにより排気ケーシングの径方向アームの温度勾配が最小になり、ひいては径方向アームの寿命を増大させ、またターボ機械の圧縮機から取り込まれる空気の量を低減することになる。

径方向の摺動接続は、ハブキャビティを十分に封止することにつながり、その一方ではターボ機械の運転温度で生じる熱膨張の結果として円筒状ジャケットに現れる機械的応力を避ける。

さらに、円筒状ジャケットの上流側端部を軸方向に保持することは、ジャケットの振動モードの周波数を上げることにつながり、ひいては、ジャケットの寿命に悪影響を与える共振現象（例えば、ターボ機械のロータとの共振現象）を避けることになる。

本発明の別の特徴によれば、排気ケーシングの内壁は、それぞれ上流側フランジおよび下流側フランジの２つの環状フランジを有し、両フランジは径方向外側へ延在し、軸方向の間隙を有する円筒状ジャケットの環状リムを受承するための環状溝を形成するように互いに対向して配置されて、円筒状ジャケットと径方向内壁との間で封止接続をし、ジャケットの環状リムが径方向に移動できるようにする。

本発明の好ましい実施形態では、排気ケーシングの内壁の２つのフランジの各々は、熱膨張により生じる円筒状ジャケットの環状リムの径方向変位の最大許容振幅よりも大きい径方向寸法を示す。

したがって、少なくとも環状リムの径方向移動が所定の最高温度に対応する最大値を超えない限り、円筒状ジャケットの環状リムは熱膨張の影響下では排気ケーシングの内壁の２つのフランジにより形成された環状溝から外れる恐れがない。この最大値は、ターボ機械の通常運転では円筒状ジャケットが越える恐れがない値である。

ターボ機械が停止した時、円筒状ジャケットの環状リムは排気ケーシングの内壁の環状溝のほぼ底部まで延びるのが好ましい。

このことは、円筒状ジャケットに許容可能な熱膨張の振幅を最大にすることにつながる。

本発明の別の特徴によれば、円筒状ジャケットは、ターボ機械が停止状態にある時、ハブキャビティを封止するために、径方向環状部の環状リムの上流面を排気ケーシングの内壁の上流側環状フランジに押圧するように弾性的にプレストレスが加えられる。

あるいは、円筒状ジャケットは、ターボ機械が停止状態にある時、ハブキャビティを封止するために、径方向環状部の環状リムの下流面を排気ケーシングの内壁の下流側環状フランジに押圧するように弾性的にプレストレスが加えられる。

作動時の熱膨張現象は、環状リムの上流面が排気ケーシングの内壁の上流側環状フランジに押圧されるように環状リムを上流側に移動させる傾向があり、これによりキャビティの封止を維持することができる。

円筒状ジャケットの径方向環状部の環状リムは、その径方向外端部に円筒状カラーを含む。カラーは、上流側に延在し、排気ケーシングの内壁の上流側環状フランジを支承するための径方向当接部を形成する。

本発明の別の実施形態では、円筒状ジャケットの径方向環状部は、冷気のストリームを通過させるためのオリフィスを含む。

この実施形態は、ハブキャビティが通気される必要がある状況に良く適している。この時、オリフィスのサイズは、必要な通気レベルに応じて選択され、循環空気の流速が制御されるようにする。

本発明はさらに、上述のタイプのターボ機械の排気ケーシング用の円筒状ジャケットを提供する。ジャケットはその端部の一方に環状リムを含み、その他の端部に内側へ延びる径方向環状部を含み、径方向環状部はその径方向内端部に円筒状カラーと共に形成される径方向環状リムを含むことを特徴とする。

本発明はさらに、上述した排気ケーシングを取り付けられたターボ機械を提供する。

非限定的な例として説明された以下の記述を読むことにより、また添付図面を参照することにより、本発明はより良く理解され、本発明の他の詳細、利点、特徴がより明らかになる。

本発明のターボ機械の排気ケーシングの斜視図である。 図１の排気ケーシングに取り付けるための、本発明の円筒状ジャケットの斜視図である。 図１の排気ケーシングを含むターボ機械の軸方向部分断面図である。 図３ａのＩＩＩａ部の拡大図である。

図１は、構造的な径方向アーム１６により相互に接続される、それぞれ径方向内壁１２および径方向外壁１４の２つの同軸円筒状壁を備えるターボ機械の排気ケーシング１０を示す。

円筒状ジャケット１８は、排気ケーシング１０の径方向内壁１２の周囲に取り付けられる。

図２に示されるこのジャケット１８は、排気ケーシング１０の径方向アーム１６を受承するために下流側方向に開口する切り欠き部２２が形成された円筒状壁２０を備える。

円筒状ジャケット１８は、その下流側端部に排気ケーシング１０に締結するための径方向環状フランジ２４を含み、その上流側端部に径方向内側へ延在する径方向環状部２６を含む。

以下でより詳しく説明するように、本発明によれば、ジャケット１８は径方向環状部２６の径方向内端部に形成される環状リム２８を含む。

ジャケット１８および排気ケーシングの径方向外壁１４は、図３ａで部分的に示されるように、ターボ機械内の排気ガス用の環状流れ空間を画定する。

図３ａは、低圧タービン３０から下流側に取り付けられる排気ケーシング１０を示す。低圧タービン３０は、ブレード３４を担持し、上流側圧縮機に接続されるシャフト（図示せず）を回転駆動するディスク３２をよく知られている形で備える。

排気ケーシング１０は、ケーシングの内壁１２の上流側端部から径方向外側へ延在し、円筒状ジャケットの径方向環状フランジ２４を締結させる下流側径方向壁３６を有する。

内壁１２および排気ケーシング１０の下流側径方向壁３６は、円筒状ジャケット１８と共に、一般にハブキャビティと呼ばれるトロイダルキャビティ３８を画定する。

先行技術のターボ機械では、円筒状ジャケットの径方向環状部は、その径方向端部で自由であり、したがって、上記径方向環状部の自由端部と排気ケーシングの内壁の上流側端部との間でハブキャビティの環状開口部を形成する。

この構成に伴う欠点を避けるために、図２を参照して上述したように、本発明の円筒状ジャケット１８は、ジャケットの径方向環状部２６の内端部で形成され、図３ａで示されるように、外側に開口し２つの径方向フランジにより形成される環状溝（図３ｂ）に係合される環状リム２８を有する。２つの径方向フランジは、それぞれ上流側フランジ４２と下流側フランジ４４であって、互いに対向し、ほぼ密封的にハブキャビティ３８を閉塞するために排気ケーシング１０の内壁１２に固定され、上記キャビティに冷気が流入するのを防ぐことができる。

一例として、下流側フランジ４４は、排気ケーシング１０の内壁１２の上流側端部から径方向外側へ延在するシュラウド４６の径方向外端部に形成される。

一例として、上流側フランジ４２は、一般にオイル回収ケーシングと呼ばれる内部ケーシング５０を排気ケーシング１０に締結するための径方向フランジ４８を延長するように形成されてもよい。内部ケーシング５０は、排気ケーシング１０から上流側に、タービンシャフトと上記タービンのロータのディスク３２との間で軸方向に延在する。

さらに、円筒状ジャケット１８の環状リム２８は、その径方向外端部に、上流側に延在し、排気ケーシング１０の内壁１２の上流側環状フランジ４２を支承するための径方向当接部を形成する円筒状カラー５２を含む。

図３ｂに示されるように、円筒状ジャケット１８の環状リム２８を環状溝４０内で径方向に摺動させるために、環状リム２８が溝４０内の例えば１ｍｍ（ミリメートル）の軸方向の間隙と係合できるように、溝４０の軸方向の大きさは環状リム２８の厚みより少し長い。

リム２８が溝４０内を径方向に移動できることで、ターボ機械の作動時に、排気ケーシング１０内の温度上昇により引き起こされる熱膨張現象の結果として円筒状ジャケット１８に現れる機械的応力を避けることにつながる。

さらに、円筒状ジャケット１８は、ターボ機械が停止される時、周囲温度で環状リム２８が環状溝４０のほぼ底部まで延びるように形成される。

このことで、許容できる環状リム２８の外側径方向の移動の量を最大にすることにつながる、すなわち、円筒状ジャケット１８の熱膨張の影響下で、リム２８が環状溝４０から外れる径方向の移動を最大にすることにつながる。

排気ケーシングの径方向フランジ４２、４４は、リム２８が溝４０から外れるリスクを避けるために、ターボ機械の通常運転において最大許容値であると見なされる環状リム２８の径方向移動の値より大きい径方向寸法を示す。

さらに、円筒状ジャケット１８とケーシングの内壁１２との間の接続の最も確実な封止のために、ターボ機械が停止状態にある時に、ジャケットはその環状リム２８の上流面５４を排気ケーシング１０の内壁１２の上流側フランジ４２の下流面５６を押圧するように、ジャケット１８は軸方向にプレストレスが加えられる。

作動時、円筒状ジャケットの熱膨張はさらに、ケーシングの上流側フランジ４２にリム２８によりかけられる圧力を増大させる傾向があり、その結果、ハブキャビティ３８が恒久的に確実に封止される。

あるいは、円筒状ジャケット１８は、環状リム２８の下流面５８を排気ケーシング１０の内壁１２の下流側フランジ４４の上流面６０に押圧するために軸方向にプレストレスが加えられてもよい。その状況下で、ハブキャビティ３８内部の空気圧が排気ケーシングから上流側の空気圧よりも大きくなる場合、または円筒状ジャケット１８の熱膨張により環状リム２８が上流側に移動することになる場合、リムは瞬時に排気ケーシングの上流側フランジ４２に押圧され、その結果、ハブキャビティ３８の封止が維持される。

その上流側端部が定位置で保持されるので、円筒状ジャケット１８は先行技術よりも高い周波数の固有の振動モードを示す。

このことは、ジャケット１８とターボ機械のロータとの共振のリスクを大幅に低減し、ジャケット１８の寿命を改善する。

さらに、上述したように、ハブキャビティ３８の封止は、排気ケーシングの径方向アーム１６の寿命を改善することにつながる。

それにもかかわらず、ハブキャビティ３８内の一定の通気レベルを維持することが必要であるかもしれない。この場合、ジャケット１８の径方向環状部２６内に所定の直径の空気入口オリフィスを備えることが有利になることがある。

１０ 排気ケーシング
１２ 内壁
１４ 外壁
１６ アーム
１８ ジャケット
２０ 円筒状壁
２２ 切り欠き部
２４ 環状フランジ
２６ 環状部
２８ 環状リム
３０ 低圧タービン
３２ ディスク
３４ ブレード
３６ 下流側径方向壁
３８ ハブキャビティ
４０ 環状溝
４２ 上流側フランジ
４４ 下流側フランジ
４６ シュラウド
４８ 径方向フランジ
５０ 内部ケーシング
５２ 円筒状カラー
５４ 環状リムの上流面
５６ 上流側フランジの下流面
５８ 環状リムの下流面
６０ 下流側フランジの上流面

Claims (10)

1. それぞれ径方向内壁および径方向外壁の２つの同軸円筒状壁であって、径方向アームにより相互に接続される円筒状壁と、径方向内壁の下流側端部に固定され、径方向内壁と協働してハブキャビティを画定し、径方向外壁と協働して排気ガスの流れ空間を画定する円筒状ジャケットであって、その上流側端部はターボ機械の軸に向かって延在する径方向環状部を含む円筒状ジャケットとを備えるターボ機械の排気ケーシングであって、ジャケットの径方向環状部がその内端部で、ほぼ封止される形で径方向に摺動することにより排気ケーシングの円筒状内壁と協働する環状リムを含むことを特徴とする、排気ケーシング。
2. 排気ケーシングの内壁が、それぞれ上流側フランジおよび下流側フランジの２つの環状フランジを有し、両フランジが径方向外側へ延在し、軸方向の間隙を有する円筒状ジャケットの環状リムを受承するための環状溝を形成するように互いに対向して配置されて、円筒状ジャケットと径方向内壁との間で封止接続をし、ジャケットの環状リムが径方向に移動できるようにすることを特徴とする、請求項１に記載の排気ケーシング。
3. 排気ケーシングの内壁の２つのフランジの各々が、熱膨張により生じる円筒状ジャケットの環状リムの径方向変位の最大許容振幅よりも大きい径方向寸法を示すことを特徴とする、請求項２に記載の排気ケーシング。
4. ターボ機械が停止した時、円筒状ジャケットの環状リムが排気ケーシングの内壁の環状溝のほぼ底部まで延びることを特徴とする、請求項２に記載の排気ケーシング。
5. 円筒状ジャケットが、ターボ機械が停止状態にある時、ハブキャビティを封止するために、径方向環状部の環状リムの上流面を排気ケーシングの内壁の上流側環状フランジに押圧するようにプレストレスが加えられることを特徴とする、請求項２に記載の排気ケーシング。
6. 円筒状ジャケットが、ターボ機械が停止状態にある時、ハブキャビティを封止するために、径方向環状部の環状リムの下流面を排気ケーシングの内壁の下流側環状フランジに押圧するようにプレストレスが加えられることを特徴とする、請求項２に記載の排気ケーシング。
7. 円筒状ジャケットの径方向環状部の環状リムが、その径方向外端部に、上流側に延在し、排気ケーシングの内壁の上流側環状フランジを支承するための径方向当接部を形成する円筒状カラーを含むことを特徴とする、請求項１に記載の排気ケーシング。
8. 円筒状ジャケットの径方向環状部が、循環空気のストリームを通過させるためのオリフィスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の排気ケーシング。
9. 一方の端部に環状リムを含み、他方の端部に内側へ延在する径方向環状部を含む、請求項１に記載のターボ機械の排気ケーシング用の円筒状ジャケットであって、径方向環状部はその径方向内端部に円筒状カラーと共に形成される径方向環状リムを含むことを特徴とする、円筒状ジャケット。
10. 請求項１に記載の排気ケーシングを含むことを特徴とする、ターボ機械。

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