JP2015531447A - タービンエンジンケーシング及びロータホイール - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンエンジンのケーシング１２と、ケーシング１２内に配置されるブレード付きロータホイール１４とを有する、アセンブリに関する。ケーシング１２は、摩耗性材料からなる周方向ストリップ２４を備える内壁２０を備える。ブレードの先端に合せるようにして、ケーシングは上流側に摩耗性材料からなるストリップを有すると共に、下流側に周方向溝３０を有する。摩耗性材料の前記ストリップは下流側を前記周方向溝３０によって定められる。周方向溝３０の下流端は軸線方向においてブレード１８の後縁１８Ｂに合わせるか、あるいは前記後縁よりも下流側に配置される。この配置によって、タービンエンジンのケーシング１２内の摩耗性材料の使用を最適化する。【選択図】図２

Description

本発明は、タービンエンジンケーシングと、そのケーシング内に配置されたブレード付きロータホイールとを有するアセンブリに関する。

ケーシングは、ケーシング内で回転するように取り付けられた１つ以上のロータホイールを収納する場合もある。

タービンエンジンの効率を最適化するために、ブレードは、通常、その先端がケーシングの内壁に可能な限り近接して通るように配置されている。

このような配置の場合、特に航空機やヘリコプターの航空エンジンが作動する際の最初の数時間の間、ブレードが熱膨張したり、遠心力作用によってブレードが伸長したりして、ブレードの先端がケーシングの内壁に接触してしまうことが往々にしてある。

ケーシングの壁面を損傷するこのような接触を回避するため、既知の方法では、タービンエンジンのケーシングの内面に摩耗性材料（即ち、摩耗を前提としてそこに置かれる材料）からなるストリップを取り付けることが度々あり、ストリップはブレード先端に合わせるようにケーシングの内側に配置される。

この場合、ブレードの長さは、タービンエンジンがフルスピードで運転する時にブレードが摩耗性材料のストリップに接触するような長さに設定される。

この摩擦力の影響下で、タービンエンジンの作動する最初の数時間の間に、摩耗性材料のストリップは、それがもはやブレードと接触しなくなる形状に到達するまですり減ることになる。このようにして得られた形状は、ブレード先端とケーシングの間のクリアランスを最小にするようなものである。

それにもかかわらず摩耗性材料のストリップとブレード先端の間で生じる接触・摩擦は、結果として摩耗や振動、あるいは実際にタービンエンジンの寿命や良好な運転に好ましくない衝撃を引き起こすことにもなる。

それ故、これらの事象の大きさを最小限に抑える必要がある。

この目的のため、ある特許文献では、各ブレードの先端がそれらの上流端よりも下流端で実質的に短くなるように配置されたロータホイールを含むケーシングを記載している（例えば、特許文献１参照。）。この解決策により、少なくともブレード先端の下流部分とケーシングとの間には間隙が存在することが保証できるようになる。

しかしながら、そのためにはブレードの表面積を減じなければならず、ひいては流体に対するブレードの仕事量が減り、それによってロータホイールの効率を減少させることになる。

国際公開第２０１２／０２５３５７号

従って、本発明の目的は、ブレードとケーシングの間の間隙を最小限に抑えることができ、ブレードとケーシングの間の接触・摩擦をできるだけ低く抑え、かつブレードに対し最大効率を保つ、ケーシング及び／又はブレードの配置構造を提案することにある。

本発明の目的は、タービンエンジンのケーシングと、前記ケーシング内に配置されるブレード付きロータホイールとを有し、前記ケーシングの内壁は、摩耗性材料からなる周方向ストリップを備えるアセンブリにおいて、前記ブレードの先端に合わせる形で、前記ケーシングはその上流側に摩耗性材料からなるストリップを有すると共に、下流側に周方向溝を有し、摩耗性材料の前記ストリップは下流側を前記周方向溝によって定められ、周方向溝の下流端は軸線方向においてブレードの後縁に合せるか、あるいは前記後縁よりも下流側に配置されるアセンブリによって達成される。

ブレードの先端に合せる形で上流側に摩耗性材料からなるストリップと、下流側に周方向溝とを備えた、以上に定義したケーシングとロータホイールのアセンブリは、以下の利点を有する。

摩耗性材料からなるストリップは、各ブレードの先端に合せるようにして、それらの上流部分の真上に配置される。具体的に言えば、それは、減じられるべきブレード先端とケーシングの間の間隙にとって最も有効となるように、ブレード先端の上流部分の真上にある。

その結果、それは摩耗性材料のストリップの使用が最大に正当化されるようにブレード先端の上流部分に位置する。この領域では、ストリップがあることによりブレード先端とケーシングの間で最小の間隙を達成することができる。

逆に、ブレード先端の下流部分では、ブレード先端とケーシングの間に間隙があることはそれほど重要ではない。本発明によれば、この領域においてはブレード先端とケーシングの間の衝突を回避することを優先することが好ましい。

この目的のために、本発明では、ケーシングは、摩耗性材料のストリップのすぐ下流側に溝を有する。このため溝の底部は摩耗性材料のストリップよりも凹んでいる。言い換えれば、溝の半径は摩耗性材料のストリップ（具体的には、その内面）の半径よりも大きい。

半径におけるこの差は、その前縁から後縁にかけて実質上一定なる半径を有するブレードが、タービンエンジンの使用中はブレードが周知の形でストリップを磨滅させるように摩耗性材料のストリップに非常に近い上流部分と、溝の面ひいてはケーシングの面と接触することは殆ど無いような上流部分とを備えた先端を持つことができることを意味している。

ロータホイールの空気力学的効率を最適化するため、周方向溝の下流端をブレード先端の下流端に合わせるか、あるいは実質的に一致するように配置しても良い。

変形例としては、ブレードとケーシングの間のどんな衝突をも回避するために、周方向溝の下流端をブレードの後縁よりも軸線方向下流側に配置することも可能である。

その際、周方向溝の下流端は、ブレードの後縁からの軸線方向距離が、ブレード先端で測定されるブレードの軸線方向翼弦の５％〜２０％となるような距離を隔てて配置されることが好ましい。この距離によって、周方向溝は、ブレードの先端に対し、それらの公称位置に対する移動に充分な範囲を与えることが可能になる。

本発明により、ケーシングは最適化された接触面を提供し、好ましくは最小の軸線方向長さを持つ摩耗性材料のストリップを備えることでブレードとケーシングとの間の接触・摩擦を最小限に抑えることができる。

以下に示すような様々な改善点を、それぞれ単独で、あるいは組み合わせた状態で有利に提供することができる。
・摩耗性材料のストリップによって形成された溝の面とは別に、溝は凹状の軸線方向断面を有してもよい。
・溝の底部は筒状部分を有してもよい。
・摩耗性材料のストリップによって形成された溝の面とは別に、溝は上流から下流への全地点において凹状となる軸線方向断面を有してもよい。
・溝は、その下流側において、特に円形のアーチ状断面を有する凹状連結フィレットにより、ケーシングの内壁に接続されてもよい。
・溝は、その下流側において、実質的に円錐台形の面により、ケーシングの内壁に接続されてもよい。
・溝の底部の半径は、摩耗性材料のストリップの最大半径よりも小さくてもよい。
・摩耗性材料のストリップによって形成されてもよい溝の面は円錐台形であってもよく、その円錐台の角度は少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°であってもよい。延長により、摩耗性材料のストリップによって形成される溝のこの面は、ケーシングに対して横切る方向に延びる平面内に形成されてよく、ケーシングの軸線に対して垂直であってもよい。
・溝は漏れを生じないものであったり、漏れない底部を持ってもよい。言い換えれば、溝はガスや流体を通すためのダクトに接続されていない。それは、ガスの抽出や送達を可能にするものでなく、ブレードとケーシングとの間の衝突を回避することでブレード先端を自由に回転させる働きをするものでしかない、及び
・摩耗性材料のストリップはブレードの軸線方向広がりの３０％〜７０％に及ぶ。

本発明は又、以上のように定義されたケーシング又はアセンブリ（ケーシング＋ロータホイール）を備えたタービンエンジン用軸流コンプレッサを提供する。

最後に、本発明は、以上のように定義されたケーシングを少なくとも１つ備えるタービンエンジンを提供する。

非限定的例として与えられた各実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、本発明をより一層理解することができ、その利点もより明らかになる。その説明は以下の添付図面を参照するものである。

発明のケーシングを備えたコンプレッサの一部分の概略図である。 本発明の第１実施形態において、ブレードを含むコンプレッサの一部分の概略的軸線方向断面図である。 本発明の第２実施形態を示す、図２とそれに同様な断面図である。 本発明の第３実施形態を示す、図２とそれに同様な断面図である。 本発明の第４実施形態を示す、図２とそれに同様な断面図である。 本発明の第５実施形態を示す、図２とそれに同様な断面図である。 本発明の第６実施形態を示す、図２とそれに同様な断面図である。

図１はタービンエンジンの軸流コンプレッサを示している。この軸流コンプレッサは、内部にロータホイール１４を搭載するケーシング１２を有している。従来と同様に、ロータホイール１４それ自体はロータディスク１６を有し、同ディスクには軸対称な形で放射状ブレード１８が固定されている。ロータホイールはケーシング１２内で回転軸線Ａの周りを回転できるように配置されている。

ケーシング１２はガス流路を形成する内壁２０を有する。この内壁は、通常は実質的に円錐形の回転面を形成し、本例の場合、それは軸線方向でロータホイール１４に合わせた筒状である。

本発明によるブレード１８とケーシング１２の内壁２０の配置構造は、図２〜図７の様々な実施形態として示される。

種々の図面において、同一または類似の要素には同じ参照番号が付されている。さらに、図３〜図７に夫々示された様々なケーシングは、本文に記載する相違点を除いて図２に示すものと同一である。

図２〜図７の各々において、ケーシング１２の上流端（ケーシングを通るガスの意図的流動方向において）は図面の左側に位置する。

ブレード１８の各々は、前縁１８Ａ、後縁１８Ｂ及び先端１９を有している。

ロータホイール１４に対し軸線方向に合わせた形で、ケーシング１２の半径方向内方部分は主に２つの部分、即ち金属又は金属合金（チタン、アルミニウム、スチール等、…合金）からなる実質的に筒状のスリーブ２２と、スリーブ２２の金属とは異なり、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金からなるような摩耗性材料のストリップ２４とから構成される。

ブレード１８の上流側及び下流側で、スリーブ２２の半径方向内方面２３は実質的に筒状である。この面の半径Ｒは、ブレード１８の先端で測定してロータホイール１５の最大半径よりも若干大きい。スリーブ２２にはロータホイール１４を通ったガス流れを運ぶための内部チャネルや通路を備えていない。

ブレード１８の端部に合わせるか対面するようにしてスリーブ２２はハウジング２６を備える。このハウジングはスリーブ２２内を空洞化したものであって、軸線Ａ周りに回転面を持つ円周方向溝の形態をとる。このハウジング２６の底面２７は通常、略筒状である。

同様にスリーブの形態なるストリップ２４はハウジング２６内に配置され、その上流部分を占有する。

この結果、ブレード１８の先端に対面してケーシングは、その上流側に摩耗性材料からなるストリップ２４を有し、その下流側に単なるハウジング２６の下流部分である周方向溝３０を有する。

ストリップ２４は半径方向内方面２５を有する。スリーブ２４の厚さ（半径方向）は、スリーブ２４がハウジング２６内に配置された状態でスリーブ２２の内側面２３とストリップ２４の内側面２５が互いに連続し合い、同じ半径Ｒ（図２）を提供するように決定される。ストリップ２４の高さ位置での面２３（スリーブ２２の内側）とハウジング２６の底部２７の面との間の半径差はストリップ２４の厚さに等しい。

ストリップ２４の面２５の上流端は、軸線方向においてブレード１８の前縁１８Ａと実質的に一致するか、あるいはそれよりも若干上流側に配置される。

本発明との関連において、ストリップ２４の面２５は、面２３に対して不連続（位置的及び／又は接線方向的に）となる場合もあることを留意されたい。例えば、ストリップ２４の内方半径はスリーブ２２の面２３の半径よりも僅かに小さかったり、僅かに大きい場合もあり得る。

ストリップ２４の下流端はブレード１８の前縁１８Ａと後縁１８Ｂの間で軸線Ａに沿ってその中間に位置している。一般に、摩耗性材料からなるストリップ２４は、ブレードの軸線方向広がりの少なくとも３０％に及ぶことが好ましい。更に、ブレードの軸線方向広がりの７０％以上を占有することにはあまり意味がない。

ストリップ２４のすぐ下流側には溝３０がある。溝の上流側はストリップバンド２４によって定められ、その底部と下流側はスリーブ２２によって定められる。

一般に、その上流側から下流側にかけて、溝３０は３つの連続した部分、即ち、ストリップ２４によって定められた上流部分３２、底部３４、及び下流部分３６を有している。

上流部分はストリップ２４の下流側面によって形成される。逆に、底部３４と下流部分３６は摩耗性材料から形成されていない。

それらはスリーブ２２内に直接、形成されている。

図２〜図６に示す各実施形態では、この面は、ケーシング１２の軸線Ａを横切る平面内に配置されている。その結果、上流側面３２は、溝３０の上流端において、流体通路の径が突然に増加する“外方”段差部を形成する。

底面３４はハウジング２６の底面の一部分である。図２〜図４及び図７の各実施形態では、ハウジング２６は筒状の底面を与え、このためこれらの実施形態では、底面２７は筒状である。

最後に、面３２のように、溝３０の下流側面３６は、ケーシング１２の軸線Ａを横切る平面内に配置されるようにしても良い（図２に示した実施形態）。その結果、溝３０の下流側面３６は、溝の下流端において流体通路の径が突然に減少する“内方”段差部を形成し、再び部品２２の内面の径と等しくなる。

溝３０の面３６の下流端は、軸線方向においてブレード１８の後縁１８Ｂに実質的に一致するか、あるいはそれよりも若干下流側に位置するように配置される。

このようにして溝３０は凹状の軸線方向断面を有する。

図３〜図７は溝３０の様々な実施形態を示している。

図３及び図４の実施形態は、溝３０の下流側面３６の配置構造という点で図２の実施形態と異なる。即ち、
・図３では、下流側面３６は軸線Ａ周りで円錐台形状となっている。即ち、溝３０は、その下流端において、実質的に円錐台の面を介してケーシングの内壁２０に接続され、底部３４を壁２０に接続する軸線方向一定なる傾斜部を形成している。この形状はブレード１８の先端の下流端における乱流形成を有効に制限している。
・図４では、下流側面３６は円弧状断面を有する凹状連結フィレットある。この連結フィレットの上流端は、溝３０の底部３４と位置的、かつ接線方向的に連続している。

加えて、これら２つの実施形態では、底面３４の軸線方向広がりは第１の実施形態よりも小さく、逆に下流側面３６の軸線方向広がりは大きい。これらの実施形態では、面３４はブレード１８の後縁よりも上流側で終端し、後縁と合わせた形ではない。即ち、溝３０の下流側面３６は、ブレード１８の後縁の上流側において底面３４の下流端から、軸線方向後縁に至るまで、あるいはそれよりも下流側まで延びる。

更に、図３、図４および図６の実施形態では、周方向溝の下流端は、ブレード１８の後縁１８Ｂに合わせるように配置されず、それよりも下流側に位置している。

従って、これらの様々な実施形態では周方向溝の下流端は、軸線Ａに沿ってブレードの後縁１８Ａから測定して、ブレード先端でのブレード軸線方向翼弦の５〜２０％の範囲の軸線方向距離を隔てて配置される。そのブレードの“軸線方向翼弦”の値は、図示したように、軸線Ａに沿ったブレードの前縁１８Ａと後縁１８Ｂとの間の距離に対応している。

図５の実施形態は図４のそれと類似している。唯一の違いは、ハウジング２６の底部の形状にある。

図２〜図４の実施形態とは異なり、図５の実施形態ではハウジング２６の底部は２つの部分、即ち、ストリップ２４を受容する上流部分と溝３０を形成する下流部分とに分割される。これら２つの部分は双方共、形状は筒状であり、上流部分は下流部分よりも大きな内径を有し、その結果、これらの２部分は肩部３８によって分離されている。

肩部３８は、ストリップ２４を特に軸線方向において予め定めた位置で保持する働きをする。

図６は、底面２４と下流側面３６が連続した状態の実施形態を示しており、それらの間に認知できる程の境界は存在していない。

総じて、面３４と面３６は単一の面４０を構成する。

この面４０は、上流側から下流側にかけてのあらゆる地点において場所的に完全に凹状の軸線方向断面を呈するため、その結果としてこの面部分には如何なる直線区分を持たない。その形状は任意性のあるものでも良いが、理想的には、タービンエンジンの全ての動作モードにおいて面３４及び面３６（ひいては面４０）がブレード１８と接触されないままであることが確実となるべく、実験的あるいは計算によって決定されるべきである。

最後に、図７は、溝３０の上流側面３２の形状という点で、図３に示されるそれとは異なる実施形態を示している。

ケーシングの軸線Ａに垂直となるこの上流側面の代わりに、上流側面３２は軸線Ａの周りで円錐台形状である。この軸線に対し、その面は頂点αにおいて４５°に等しい角度を成す。

摩耗性材料のストリップ２４の不必要な過大寸法化を回避するために、角度αは４５°以下でないことが好ましい。

記述した様々な実施形態では、ブレード１８の先端１９はきっちりと壁２０の半径方向内側に位置している。加えて、ブレードの長さ（半径方向に測定した場合）一定である。

これら２つの特徴のいずれも、本発明にとって必須なものではない。

本発明に関連して、ブレードはロータホイールの軸線に沿った位置に応じて変化する長さ（半径方向に測定した場合）を有しても良い。従って、ブレードは全半径（ロータホイールに取り付けられた状態でのブレードの総半径）が軸線方向に可変するものでも良い。

本発明に関連して、ブレードの全半径は又、ロータホイールのすぐ上流側又は下流側にあるケーシングの内面の半径よりも、場合によっては大きくても良く、あるいはブレードの全半径はその半径よりも少なくとも局部的に（即ち、ロータホイールの軸線方向に沿う、ある軸線方向範囲だけに亘って）大きくても良い。この場合、ブレードの先端はケーシングの壁の中へと、少なくとも局部的に貫入する。

またブレードは、特に上述した実施形態に示したように、ケーシングに対して不均一な半径方向間隙を与えるものでも良い。

この結果、ブレードの全半径は、ブレードのすぐ上流側又は下流側でのケーシングの面の内径（Ｒ）よりも小さくても大きくても良い。ブレードの全半径は又、ロータホイールの軸線に沿った位置に応じて、これら２つの形態の間で変化するものでも良い。

Claims (11)

1. タービンエンジンのケーシング（１２）と、前記ケーシング内に配置されるブレード付きロータホイール（１４）とを有し、前記ケーシング（１２）の内壁（２０）は、摩耗性材料からなる周方向ストリップ（２４）を備えるアセンブリにおいて、
   前記ブレードの先端に合せるようにして前記ケーシングは上流側に摩耗性材料からなるストリップを有すると共に、下流側に周方向溝（３０）を有し、摩耗性材料の前記ストリップは下流側を前記周方向溝（３０）によって定められ、周方向溝（３０）の下流端は軸線方向においてブレード（１８）の後縁（１８Ｂ）に合わせるか、あるいは前記後縁よりも下流側に配置されることを特徴とするアセンブリ。
2. 摩耗性材料の前記ストリップによって形成された溝の面（３２）とは別に、溝の軸歩行断面は凹状である請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記周方向溝の底部（３４）は筒状部分を有する請求項１又は２に記載のアセンブリ。
4. 摩耗性材料の前記ストリップによって形成された溝の面とは別に、溝（３０）の軸歩行断面は、その上流側から下流側へと全ての地点において凹状である請求項２に記載のアセンブリ。
5. 前記周方向溝は、その下流側において、特に円形のアーチ状断面を有する凹状連結フィレット（３６）により、ケーシングの内壁（２０）に接続される請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. 前記周方向溝は、その下流側において、実質的に円錐台形の面（３６）により、ケーシングの内壁（２０）に接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. 溝の底部（３４）の半径は、摩耗性材料の前記ストリップの最大半径よりも小さい請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
8. 摩耗性材料の前記ストリップによって形成された溝の面は円錐台形であり、その円錐台の角度は少なくとも４５°、好ましくは少なくとも６０°である請求項１〜７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
9. 前記周方向溝（３０）は漏れ防止型の底部を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
10. 摩耗性材料の前記ストリップは、前記ブレードの軸線方向広がりの３０％〜７０％に及ぶ請求項１〜９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のアセンブリを少なくとも１つ備えたタービンエンジン。

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