JP2009243444A - ジェットエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】重量増加や構造の複雑化を招来することなく、急加速時においてもシュラウドと動翼チップとの接触が防止され、かつ、チップクリアランスを小さくして定格時のタービン効率を向上させることができるジェットエンジンを提供する。
【解決手段】燃焼器ライナの外周部を囲んで設けられ冷却空気が流入可能な環状の二次空気通路を形成し後部に二次空気を排出する排出口を有するケースと、燃焼器ライナの後方に配置され外周側に動翼を有しこの動翼に二次空気通路から排出される二次空気及び燃焼ガスが導かれることにより回転されるタービンロータと、ケースに支持されタービンロータの周囲に配置されたステータとを備え、ステータの熱容量は、ケースの熱容量より大きな値となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機に用いられるジェットエンジンに関する。

従来の一般的なジェットエンジンは、航空機に用いられるものであって、筒状のケースをベースとして備えている。ケースの内側には、エンジン本体を装備する筒状の燃焼器ライナが一体的に設けられており、燃焼器ライナの内側には、主流路が形成されている。エンジン本体は、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備えている。ケースの内周面と燃焼器ライナの外周面との間には、環状の二次空気流路（バイパス流路）が形成されている。

ジェットエンジンを稼働させると、主流路及び二次空気流路に空気を送り込むことができる。そして、主流路に送り込まれた空気は、圧縮工程及び燃焼工程等を経て、燃焼ガスとして主流路から後方向へ噴出される。また、二次空気流路に送り込まれた空気は、燃焼器ライナを覆うようにバイパス流路から後方向へ噴出される。これにより、ジェットエンジンから推進力を得ることができる。

タービンは、回転系のタービンロータと、このタービンロータの周囲に配置された静止系のステータとから構成されている。これらタービンロータとステータとの間には、接触による破損を回避するため、ある一定のクリアランスが保たれている。ステータのシュラウド底面と、タービンロータの動翼チップとの隙間を、チップクリアランスと呼ぶ。

このタービンにおいては、主流ガスが動翼に回転力を与えることにより、圧縮機を回す原動力になる。そして、チップクリアランスが増大すると、この隙間から主流ガスがバイパスしてしまうため、動翼で十分な仕事ができず、タービン仕事効率が低下することとなる。そのため、ジェットエンジンにおけるタービン仕事効率を向上させるには、タービンチップクリアランスをできるだけ小さくすることが必要である。

タービンチップクリアランスを小さくするための技術は、従来から多数提案されている。例えば、特許文献１には、熱容量の小さいステータの変位を、熱容量の大きいタービンロータの変位に合わせることにより、チップクリアランスの開きをできるだけ小さくして、チップクリアランスの改善を図る技術が記載されている。

また、シュラウドの位置を動的にコントロールし、定格出力時にシュラウドをタービンロータ側に下げるようにしたジェットエンジンも提案されている。

米国特許４３３０２３４号公報

前述のようなジェットエンジンにおいて、チップクリアランスを狭めるためにステータ側の変位のコントロールを行うが、以下のような課題がある。

すなわち、急加速時においても、シュラウドと動翼チップとが接触しないように、チップクリアランスをある程度空けておく必要がある。一方で、定格時のタービン効率を向上するためには、チップクリアランスをできるだけ小さくする必要がある。

シュラウドと動翼チップとの接触は確実に避ける必要があるため、接触しないことを必須の条件としたうえで、チップクリアランスを小さくしている。

ジェットエンジンにおけるチップクリアランスは、ジェットエンジンの加速時においては、図６に示すように、環状部品であるケースが熱膨張により外径（＋側）に向かって変位し、セグメント部品であるステータは、ケースの内径を基準として、熱膨張により内径（−側）に向かって変位する。すなわち、図７中の（ａ）に示すように、セグメント部品である複数のステータ１１は、環状部品であるケース３の内周部にそれぞれが取付けられており、ケース３の内径よりも小径の円弧を形成している。このとき、各ステータ１１相互の間には、間隙が形成されている。これらケース３及びステータ１１が高温になると、各ステータ１１は、図８中の（ａ）及び（ｂ）に示すように、周方向及び半径方向の各方向に熱膨張することになる。すると、図７中の（ｂ）に示すように、ケース３は熱膨張により内径が拡大するのに対して、各ステータ１１は、熱膨張により、各ステータ１１間の間隙が狭まるとともに、形成している円弧の内径が縮小する。しかし、各ステータ１１は、それぞれがケース３の内周部に取付けられているため、ケース３に追従して外径方向に移動されることとなる。

これらケース３及びステータ１１の熱膨張の総和によって、ステータ１１の変位、すなわち、シュラウドの底面（タービンに対向する面）の変位が決まる。ここで、ケース３の熱膨張による変位とステータ１１の熱膨張による変位とが相殺している間は、ステータ１１の変位は少なくなる。このとき、タービンロータの外径が遠心力と熱膨張により増大するので、チップクリアランスが極めて小さくなるときが生ずる。このときを加速時のピンチポイントといい、このピンチポイントにおいてもシュラウドと動翼チップとが接触しないことが必要である。

なお、シュラウドの位置を動的にコントロールすることは、大型のジェットエンジンにおいては採用されているが、重量増加や構造の複雑化を招来するという問題がある。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであり、重量増加や構造の複雑化を招来することなく、急加速時においてもシュラウドと動翼チップとの接触が防止され、かつ、チップクリアランスを小さくして定格時のタービン効率を向上させることができるジェットエンジンを提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
燃焼器ライナの外周部を囲んで設けられ冷却空気が流入可能な環状の二次空気通路を形成し後部に二次空気を排出する排出口を有するケースと、前記燃焼器ライナの後方に配置され外周側に動翼を有しこの動翼に前記二次空気通路から排出される二次空気及び燃焼ガスが導かれることにより回転されるタービンロータと、前記ケースに支持され前記タービンロータの周囲に配置されたステータとを備え、前記ステータの熱容量は、前記ケースの熱容量より大きな値となっていることを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有するジェットエンジンにおいて、前記ステータは、前記ケースに接続されたシュラウドハンガと、このシュラウドハンガに支持されたシュラウドとからなり、前記シュラウドハンガは、前記ケースをなす材料よりも比熱の大きな材料により形成されていることを特徴とするものである。

構成１を有する本発明に係るジェットエンジンにおいては、ステータの熱容量がケースの熱容量より大きな値となっているため、加速時において、ステータよりもケースが早く熱膨張するため、ステータがタービンロータ側に接近することが防止され、ステータとタービンロータとの接触が防止される。

構成２を有する本発明に係るジェットエンジンにおいては、ステータを構成するシュラウドハンガは、ケースをなす材料よりも比熱の大きな材料により形成されているので、加速時において、ステータよりもケースが早く熱膨張するため、ステータがタービンロータ側に接近することが防止され、ステータとタービンロータとの接触が防止される。

すなわち、本発明は、重量増加や構造の複雑化を招来することなく、急加速時においてもシュラウドと動翼チップとの接触が防止され、かつ、チップクリアランスを小さくして定格時のタービン効率を向上させることができるジェットエンジンを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るジェットエンジンにおける要部拡大図である。

本発明の実施の形態に係るジェットエンジンは、航空機に用いられるエンジンであって、図１に示すように、筒状のケース（環状部品）３をベースとしている。このケース３の内側には、図示しないエンジン本体を装備する筒状の燃焼器ライナ７が一体的に設けられており、この燃焼器ライナ７の内側には、主流路（エンジン流路）９が形成されている。ケース３と燃焼器ライナ７との間は、冷却用の二次空気が導入される環状の二次空気流路（ダクト）１０となっている。

このジェットエンジンにおけるエンジン本体の構成について簡単に説明すると、次のようになる。すなわち、燃焼器ライナ７の前部には、燃料を案内する燃料ノズルが設けられている。また、燃焼器ライナ７内には、主流路９に送り込まれた空気を低圧圧縮する低圧圧縮機が設けられており、この低圧圧縮機の後方側には、低圧圧縮された圧縮空気をさらに高圧圧縮する高圧圧縮機が設けられている。そして、高圧圧縮機の後側には、高圧圧縮された圧縮空気の中で燃料を燃焼させる燃焼器が設けられている。

また、燃焼器ライナ７の後側には、タービンロータ２５が設けられており、このタービンロータ２５は、燃焼器からの燃焼ガスの膨張によって駆動されるとともに、高圧圧縮機を連動して駆動するものである。

タービンロータ２５の周囲には、ケース３に支持されたステータ１１が配置されている。このステータ１１は、ケース３に接続されたシュラウドハンガ１２と、このシュラウドハンガ１２に支持されたシュラウド１３とからなる。

なお、燃焼器ライナ７の後部には、主流路９から噴出された燃焼ガスを案内する排気流路２９が設けられている。主流路９に送り込まれた空気は、圧縮工程及び燃焼工程等を経て、燃焼ガスとして主流路９から後方向へ噴出される。また、二次空気流路１０に送り込まれた二次空気は、燃焼器ライナを覆うように二次空気流路１０から後方向へ噴出される。これにより、ジェットエンジンから推進力を得ることができる。

図３は、ジェットエンジン各部の熱膨張の状態を示すグラフである。

このジェットエンジンにおいては、図３に示すように、環状部品であるケース３は、このジェットエンジンの加速時においては、熱膨張により外径（＋側）に向かって変位する。一方、セグメント部品であるステータ１１は、ケース３の内径を基準として、熱膨張により内径（−側）に向かって変位する。これらケース３及びステータ１１の熱膨張の総和によって、ステータ１１の変位、すなわち、シュラウド１３の底面（タービンロータ２５に対向する面）の変位が決まる。

このジェットエンジンにおいては、ステータ１１の熱容量が、ケース３の熱容量より大きな値となっていることにより、チップクリアランスの改善が図られている。ステータ１１の熱容量を大きくするには、例えば、シュラウドハンガ１２を、ケース３をなす材料よりも比熱の大きな材料により形成するとよい。ステータ１１の熱容量の値は、ケース３の熱容量の約２倍程度が好ましい。

図２は、本発明に係るジェットエンジンにおける要部拡大図である。

また、ステータ１１の熱容量を大きくするには、図２に示すように、シュラウドハンガ１２の体積を大きくすることとしてもよい。

図４は、本発明に係るジェットエンジン各部の熱膨張の状態を示すグラフである。

すなわち、このジェットエンジンにおいては、図４に示すように、ステータ１１の熱応答速度が、ケース３の熱応答速度よりも遅くなっている。したがって、加速初期には、ステータ１１の熱膨張が少ないため、ステータ１１は、ケース３の熱膨張による変位が大きくなる。そして、加速後半では、ステータ１１が遅れて伸びるため、定格時には、チップクリアランスが狭くなる。

図５は、本発明に係るジェットエンジンにおけるチップクリアランスを示すグラフである。

この結果、図５中の（ａ）に示すように、加速時のピンチポイントを緩和することが可能になる。そして、初期クリアランスを従来構造より小さくすることができる。すなわち、図５中の（ｂ）に示すように、ピンチポイントのクリアランスが緩和される分だけ、初期クリアランスを小さく設定することができ、定格時におけるチップクリアランスを従来より小さくすることができ、タービン性能改善が可能になる。

本発明に係るジェットエンジンは、構造は従来のジェットエンジンと同じであるため、構成の複雑化や重量増加が招来されることがなく、また、コスト増加も抑えられる。

なお、本発明は、前述の発明の実施の形態の説明に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他種々の態様で実施可能である。

本発明に係るジェットエンジンにおける要部拡大図である。 本発明に係るジェットエンジンにおける要部拡大図である。 ジェットエンジン各部の熱膨張の状態を示すグラフである。 本発明に係るジェットエンジン各部の熱膨張の状態を示すグラフである。 本発明に係るジェットエンジンにおけるチップクリアランスを示すグラフである。 従来のジェットエンジンにおけるチップクリアランスを示すグラフである。

符号の説明

３ ケース
７ 燃焼器ライナ
９ 主流路
１１ ステータ
１２ シュラウドハンガ
１３ シュラウド
２５ タービンロータ
２９ 排気流路

Claims (2)

1. 燃焼器ライナの外周部を囲んで設けられ、冷却空気が流入可能な環状の二次空気通路を形成し、後部に二次空気を排出する排出口を有するケースと、
   前記燃焼器ライナの後方に配置され、外周側に動翼を有しこの動翼に前記二次空気通路から排出される二次空気及び燃焼ガスが導かれることにより回転されるタービンロータと、
   前記ケースに支持され、前記タービンロータの周囲に配置されたステータと
   を備え、
   前記ステータの熱容量は、前記ケースの熱容量より大きな値となっている
   ことを特徴とするジェットエンジン。
2. 前記ステータは、前記ケースに接続されたシュラウドハンガと、このシュラウドハンガに支持されたシュラウドとからなり、シュラウドハンガは、前記ケースをなす材料よりも比熱の大きな材料により形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載のジェットエンジン。

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