JP2020125745A - コンプレッサケース及びガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】熱荷重に起因する応力集中と変形を同時に抑えることができるガスタービンエンジンのコンプレッサケースを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンにおいて、コンプレッサケースの内壁１２と外壁１５とが連続する部分の外面側に、内壁の半径方向に平行であり稜線が直線状である三角形状の複数の直線リブ３０を、周方向に間隔をおいて設けた。【効果】曲線リブ２０において応力が１カ所（矢印ＳＰ１）に集中する現象が解消され、集中する応力の値も低減し、リブ全体に発生する応力値が緩和される。コンプレッサケースの寿命が伸び、チップクリアランスを一定に維持して空気の圧縮性能を維持し、インペラとインサートの接触を回避できる。【選択図】図５

Description

本発明は、タービンとコンプレッサを備えたガスタービンエンジンにおいてコンプレッサを収納する筐体であるコンプレッサケースに係り、特に熱荷重に起因する変形と応力集中を同時に抑えることができるコンプレッサケースに関するものである。

特許文献１には、ガスタービンエンジンにおけるコンプレッサケースの発明が開示されている。この発明のコンプレッサケースは、第１及び第２のインペラを囲むケーシングであり、第１インペラで圧縮された空気を第２インペラに供給するリターン部と、第２インペラのベーン部分を囲む第２シュラウド部と、第２インペラで圧縮された空気を半径方向外方に流す第２ディフューザ部を備えている。そして、ケーシングの変形を小さく抑えるため、第２シュラウド部とリターン部を第１の支持部品であるインナーサポートによって連結し、第２ディフューザ部とリターン部を第２の支持部品であるアウターサポートによって連結している。

特許文献２は、本願出願人による先願特許出願の公開公報であって、ここにはガスタービンエンジンにおける燃焼器の発明が開示されている。図１は、特許文献２の図１に相当する該ガスタービンエンジンの断面図であり、図２は該ガスタービンエンジンのコンプレッサケースの斜視図である。図３は、該コンプレッサケース及びインペラを駆動軸の軸線の上半部について断面で示すとともに、駆動時に熱荷重によって発生する変位を有限要素法による構造解析によって算出し、その結果を同断面上に濃淡のコンターで表したものである。

図１に示すように、このガスタービンエンジン１は、燃料噴射ノズル２から供給される燃料が燃焼する燃焼筒３と、燃焼筒３を外挿して設けられ燃焼筒３との隙間が空気の供給路となる外筒４と、燃焼筒３から供給された燃焼ガスで駆動されるブレード１８を備えたタービン５と、空気を圧縮する２段のインペラ６を備えたコンプレッサ７と、前記ブレード１８と前記インペラ６が取り付けられて軸受８で支持された共通の駆動軸９とを備えており、さらに前記コンプレッサ７の２段のインペラ６と、駆動軸９の一部及び軸受８を収納するコンプレッサケース１０を備えている。

図１〜図３に示すように、コンプレッサケース１０は、駆動軸９とインペラ６の基部が挿通する中心孔１１を備えた円板状の内壁１２と、内壁１２の中心孔１１にボルトで連結された管状の部材であるインサート１３（図２には不図示）と、内壁１２の内面との間に所定の間隔をおいてボルトで連結された環状の部材であるディフューザ１４と、駆動軸９と平行な軸線を備え、内壁１２の外周縁に連続して一体に設けられた環状の外壁１５とを備えている。

特に図３に示すように、環状の外壁１５には、タービン５側のケースに取り付けられるタービン側フランジ１６と、コンプレッサ７の吸気側のケースに取り付けられる吸気側フランジ１７が一体に設けられている。

また、特に図３に示すように、内壁１２の中心孔１１に取り付けられたインサート１３は、空気圧縮の下流側（図示右側）に向けて内径が拡大する管状の部材であり、空気圧縮の下流側に向けて外径が拡大する翼状の部材であるインペラ６を、所定のクリアランス（図中に示すようにチップクリアランスと称する。）をもって収納することができる。

また、特に図３に示すように、インサート１３を含むコンプレッサケース１０の内面（図３において右面）とディフューザ１４の隙間は、コンプレッサ７によって圧縮された空気の通路となっている。この通路は、前述した燃焼筒３と外筒４の隙間に繋がっており、コンプレッサ７で圧縮された空気が前記隙間から燃焼筒３に供給されるようになっている。

以上説明したように、コンプレッサケース１０はコンプレッサ７を覆い、圧縮空気を閉じ込めて燃焼筒３へ空気を導く機能と、駆動軸９の軸受８を保持する機能を有する構造体であるが、図３においてコンプレッサケース１０の一方にある吸気側フランジ１７の側は、吸気側であるため常に常温の空気で冷やされているが、コンプレッサケース１０の他方にあるタービン側フランジ１６の側は、燃焼筒３やタービン５の燃焼熱を受け、またコンプレッサ７が圧縮した高温空気からも高い熱を受ける。このように、コンプレッサケース１０は常温レベルから圧縮機吐出空気温度に近い高温（３００度程度）までの大きな熱落差が生じる過酷な環境下にあり、熱荷重による変形を伴いやすい部品であり、駆動時に変形する場合がある。

すなわち、コンプレッサケース１０が熱で変形し、図３においてコンプレッサ７の外輪（インペラ６の外周縁）とインサート１３との隙間（チップクリアランス）が狭くなる方向に変位が生じた場合には、インペラ６とインサート１３が接触する可能性がある。逆にチップクリアランスが拡がる方向に変位が生じた場合には、コンプレッサ７の空力性能が著しく低下し、機関性能が悪化する可能性がある。また、このようにコンプレッサケース１０が変形すると、軸受８の位置が変わるため駆動軸９が正規の位置から変位し、運転時に発生する機関の振動が増加する可能性がある。

このような熱変形を抑制するため、図１に示すガスタービンエンジン１では、図４（ａ）の部分拡大図に示すように、曲線リブ２０をコンプレッサケース１０に一体に設けている。この曲線リブ２０は、略三角形状であり、その稜線（斜辺）は凹状の曲線ＣＬである。曲線リブ２０は、前記コンプレッサケース１０の内壁１２と外壁１５とが連続する部分の外面側、すなわち圧縮された空気が通過する部分と反対側に設けられている。そして図２にも示す通り、曲線リブ２０は、内壁１２の半径方向、すなわち図２に示す中心孔１１の半径方向と平行であり、周方向について所定角度間隔で複数枚が放射状に設けられている。図２の例では、１０枚のリブが３６度間隔で放射状に設けられている。

しかしながら、図３に示すように、コンプレッサケース１０の一方にある吸気側フランジ１７の側は、吸気側であるため常に常温の空気で冷やされているため変位が小さいが、コンプレッサケース１０の他方にあるタービン側フランジ１６の側は、燃焼筒３やタービン５の燃焼熱を受け、またコンプレッサ７が圧縮した高温空気から高い熱を受けるため変位Ｄ２で示すように大きな変位を示す。一方、吸気側フランジ１７とタービン側フランジ１６を有する外壁１５に一体とされた円板状の内壁１２は相対的に変形前の当初の形状を保とうとする。このため、外壁１５と内壁１２が連続する部分に設けた曲線リブ２０には、外壁１５のタービン側フランジ１６の変位Ｄ２によって圧縮と曲げの力が重畳して作用する。

これによって曲線リブ２０の曲線状の稜線（斜辺）には、局所的に圧縮応力が集中する現象が発生する。図５（ａ）は、所定の外力が加わった際に曲線リブ２０上に発生する応力を有限要素法による構造解析によって算出し、その結果を曲線リブ２０の立体図上に濃淡のコンターで表したものである。この図から分かるように、曲線リブ２０による応力の緩和は十分とは言えず、また矢印ＳＰ１で示すように、曲線状の稜線（斜辺）において、駆動軸９の半径方向の外方（外壁１５側）の一部分に、高い応力の集中（コンターの濃度階調で最高度）が発生する。このように局所的な圧縮応力の集中は、疲労寿命の低下を招来する可能性がある。

また、図３に示すように、コンプレッサケース１０のタービン側フランジ１６が、高い熱を受けて矢印Ａで示すようにタービン５側の斜め上方に向けて大きな変位Ｄ２を示すと、仮に曲線リブ２０がなければ、タービン側フランジ１６に取り付けられたインサート１３は、タービン側フランジ１６の前記変位に伴ってインペラ６からＲ方向に離れるように変位してチップクリアランスが拡がると考えられる。図３に示すように、タービン側フランジ１６と内壁１２の間に曲線リブ２０を設けてコンプレッサケース１０の剛性を高めると、タービン側フランジ１６の前記変位Ｄ２は抑制されるものの、上述のように曲線リブ２０の曲線状の稜線（斜辺）に、局所的に圧縮応力が集中する現象が発生する。

特開平９−４５９９号公報 特開２０１３−２２７８８５号公報

本発明は、以上説明した先行技術において本願発明者が見出した課題に鑑みてなされたものであり、熱荷重に起因する応力集中と変形を同時に抑えることができるコンプレッサケースと、これを備えたガスタービンエンジンを提供することを目的としている。

前記の課題を達成するため、請求項１に記載されたコンプレッサケースは、
燃焼ガスで駆動されるブレードを備えたタービンと、
空気を圧縮するインペラを備えたコンプレッサと、
前記ブレードと前記インペラが取り付けられた駆動軸と、
を備えたガスタービンエンジンに設けられ、
前記駆動軸と前記インペラの基部が挿通する中心孔を備えた円板状の内壁と、前記駆動軸と平行な軸線を備え前記内壁の外周縁に連続して設けられた環状の外壁とを備え、前記内壁の内側に前記インペラを所定のクリアランスをもって収納するとともに圧縮された空気の通路を構成するコンプレッサケースであって、
前記コンプレッサケースの前記内壁と前記外壁とが連続する部分の外面側に、前記内壁の半径方向に平行であり稜線が直線状である三角形状の複数のリブを、周方向に間隔をおいて設けたことを特徴としている。

請求項２に記載されたコンプレッサケースは、請求項１に記載のコンプレッサケースにおいて、
前記リブは、前記内壁の半径方向と前記稜線がなす角度が４０度から５０度の範囲とされていることを特徴としている。

請求項３に記載されたガスタービンエンジンは、
燃焼ガスで駆動されるブレードを備えたタービンと、
空気を圧縮するインペラを備えたコンプレッサと、
前記ブレードと前記インペラが取り付けられた駆動軸と、
前記駆動軸と前記インペラの基部が挿通する中心孔を備えた円板状の内壁と、前記駆動軸と平行な軸線を備え前記内壁の外周縁に連続して設けられた環状の外壁とを備え、前記内壁の内側に前記インペラを所定のクリアランスをもって収納するとともに圧縮された空気の通路を構成するコンプレッサケースと、
を備えたガスタービンエンジンであって、
前記コンプレッサケースの前記内壁と前記外壁とが連続する部分の外面側に、前記内壁の半径方向に平行であり稜線が直線状である三角形状の複数のリブを、周方向に間隔をおいて設けたことを特徴としている。

請求項１に記載されたコンプレッサケース及び請求項３に記載されたガスタービンエンジンによれば、コンプレッサケースの内壁と外壁とが連続する部分の外面側に、内壁の半径方向に平行で稜線が直線状である三角形状の複数のリブを、周方向に間隔をおいて設けたので、応力が１カ所に集中する現象が解消され、集中する応力の値も低減し、リブ全体に発生する応力の値が緩和された。そのため、コンプレッサケースの寿命が伸び、チップクリアランスを一定に維持して空気の圧縮性能を維持するとともにインペラとインサートの接触を回避できる。

請求項２に記載されたコンプレッサケースによれば、内壁の半径方向と稜線がなす角度を最適値の範囲内に設定することにより、請求項２に記載されたコンプレッサケースの発明による効果を最大限とすることができる。

本願発明者が本願に先立って発明したガスタービンエンジンの全体構造を示す断面図である。 図１に示すガスタービンエンジンのコンプレッサケースの斜視図である。 図１に示すガスタービンエンジンのコンプレッサケース及びインペラを駆動軸の軸線の上半部の断面で示すとともに、駆動時に熱荷重によって発生する変位を有限要素法による構造解析によって算出し、その結果を同断面上に濃淡のコンターで表した図である。 分図（ａ）は、図１に示すガスタービンエンジンのコンプレッサケースに設けられた曲線リブを示す図であり、分図（ｂ）は、本願発明の実施形態に係るコンプレッサケースに設けた直線リブを示す図である。 分図（ａ）は、所定の外力が加わった際に曲線リブ上に発生する応力を有限要素法による構造解析によって算出し、その結果を曲線リブの立体図上に濃淡のコンターで表した図であり、分図（ｂ）は、所定の外力が加わった際に直線リブ上に発生する応力を有限要素法による構造解析によって算出し、その結果を実施形態の直線リブの立体図上に濃淡のコンターで表した図である。 分図（ａ）は、実施形態の直線リブの形状と、同直線リブの稜線と内壁の半径方向Ｒとがなす角度αを示す図であり、分図（ｂ）は、実施形態の直線リブが所定の熱荷重を受けた場合に、角度αをパラメータとして有限要素法によって算出した変位測定点ＤＰの変位量とリブ上最大圧縮応力の値を示す一覧表であり、分図（ｃ）は、分図（ａ）のＣ−Ｃ切断線における断面図である。 図６（ｂ）の一覧表に示した数値に基づき、横軸を角度α、縦軸を無次元化した変位量で表した表図である。 図６（ｂ）の一覧表に示した数値に基づき、横軸を角度α、縦軸を無次元化した応力値で表した表図である。

本発明は、本願発明者が本願に先立って発明した図１〜図３に示すガスタービンエンジン１のコンプレッサケース１０において、曲線リブ２０を直線リブに改良したことを特徴とするものである。従って、以下の実施形態の説明では、直線リブの構成とその効果を、曲線リブ２０と比較しつつ説明する。図１〜図３に示したコンプレッサケース１０を含むガスタービンエンジン１の構成中、曲線リブ２０を除いた部分は本実施形態の構成と同一であるため、その部分に関する「発明が解決しようとする課題」での記載は実施形態の説明及びその解釈において援用するものとする。

図４（ｂ）に示すように、実施形態の直線リブ３０は、略三角形状であり、その稜線（斜辺）は直線ＳＬである。直線リブ３０は、前記コンプレッサケース１０の内壁１２と外壁１５とが連続する部分の外面側、すなわち圧縮された空気が通過する部分と反対側に設けられている。そして図２にも示す通り、内壁１２の半径方向、すなわち図２に示す中心孔１１の半径方向と平行であり、周方向について所定角度間隔で複数枚が放射状に設けられている。図２の例では、１０枚のリブが３６度間隔で放射状に設けられている。

図５（ｂ）は、ガスタービンエンジン１の駆動時に発生する熱によって直線リブ３０上に発生する応力を有限要素法による構造解析によって算出し、その結果を直線リブ３０の立体図上に濃淡のコンターで表したものである。この図から分かるように、直線リブ３０では、図５（ａ）に示す曲線リブ２０よりも、全体的にコンターの階調が薄く、全体として応力が緩和されている。さらに、直線リブ３０では、直線状の稜線（斜辺）の両端付近にある矢印ＳＰ２で示す２カ所の位置に、応力の集中が見られる。すなわち、図５（ａ）に示す曲線リブ２０では応力が一カ所に集中する現象が起きているが、これが解消されている。また、この２カ所の応力集中に見られる応力値は、コンターの濃度が最高度よりも数段階低い階調となっており、図５（ａ）に示す曲線リブ２０において矢印ＳＰ１で示した箇所の応力値よりも小さい。

図６（ａ）は、実施形態の直線リブ３０の形状と、直線リブ３０の稜線と内壁１２の半径方向Ｒとがなす角度αを示す図である。分図（ｂ）は、分図（ａ）に示す直線リブ３０に所定の熱荷重が加わった場合において、駆動軸９の半径方向Ｒに関する変位測定点ＤＰ（図３参照）の変位量と、リブ上最大圧縮応力の値を、角度αをパラメータとして有限要素法によって算出した結果を示す一覧表である。分図（ｃ）は、分図（ａ）のＣ−Ｃ切断線における断面図である。なお、図６（ａ）、（ｃ）中には、駆動軸９の軸線方向をＺで示し、これに直交するコンプレッサ７とタービン５の半径方向をＲで示している。また、図６（ｂ）中に示す変位量とリブ上最大圧縮応力は無次元化した相対値である。

図７は、横軸を角度α、縦軸を変位量として、図６の一覧表に示した各数値をプロットした図である。この図において、曲線リブ２０の同条件下における変位量を太い実線の横線で示した。この図から分かるように、直線リブ３０では角度αが４５度に近づくほど変位量が小さくなり、曲線リブ２０の場合よりも変位量が小さくなるのは３０度から６０度の間であり、４０度から５０度の間の角度がより好ましい。

図８は、横軸を角度α、縦軸を応力値として、図６の一覧表に示した各数値をプロットした図である。この図において、曲線リブ２０の同条件下における応力値を太い実線の横線で示した。この図から分かるように、直線リブ３０では角度αが４５度に近づくほど応力値が小さくなり、曲線リブ２０の場合よりも応力値が小さくなるのは３５度から５０度の間であり、４０度から４５度の間の角度がより好ましい。

このように本実施形態では、コンプレッサケース１０において、円板状の内壁１２と環状の外壁１５とが連続する部分の外側に、円板状の内壁１２の半径方向に平行で、斜辺が直線である複数枚の直線リブ３０を周方向に所定間隔で設けたので、応力が集中する箇所を分散し、応力が集中した位置における応力値を小さくすることができた。さらに、角度αの他、以下に説明する直線リブ３０の他の形態項目の値を最適化することにより、応力集中箇所の分散と、応力集中箇所における応力値の低減の効果をさらに改善することができる。

図６（ｃ）に示すｒは、駆動軸９の軸方向Ｚと平行な視線で見た場合に、直線リブ３０と外壁１５とが連続する角部分を加工した丸みの半径を示す。また、ｔは、円板状の内壁１２の周方向（又は軸方向Ｚ及び半径方向Ｒの両方に直交する方向）について測定した直線リブ３０の厚さである。本実施形態において、半径ｒ及び厚さｔを、先行技術である図１に示したガスタービンエンジン１のコンプレッサケース１０における半径ｒ及び厚さｔよりも大きくすることにより、直線リブ３０による応力集中箇所の分散と、応力集中箇所における応力値の低減の効果を、さらに高めることができる。

１…ガスタービンエンジン
５…タービン
６…インペラ
７…コンプレッサ
９…駆動軸
１０…コンプレッサケース
１１…中心孔
１２…内壁
１５…外壁
１８…ブレード
２０…曲線リブ
３０…直線リブ

Claims (3)

1. 燃焼ガスで駆動されるブレードを備えたタービンと、
   空気を圧縮するインペラを備えたコンプレッサと、
   前記ブレードと前記インペラが取り付けられた駆動軸と、
   を備えたガスタービンエンジンに設けられ、
   前記駆動軸と前記インペラの基部が挿通する中心孔を備えた円板状の内壁と、前記駆動軸と平行な軸線を備え前記内壁の外周縁に連続して設けられた環状の外壁とを備え、前記内壁の内側に前記インペラを所定のクリアランスをもって収納するとともに圧縮された空気の通路を構成するコンプレッサケースであって、
   前記コンプレッサケースの前記内壁と前記外壁とが連続する部分の外面側に、前記内壁の半径方向に平行であり稜線が直線状である三角形状の複数のリブを、周方向に間隔をおいて設けたことを特徴とするコンプレッサケース。
2. 前記リブは、前記内壁の半径方向と前記稜線がなす角度が４０度から５０度の範囲とされていることを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサケース。
3. 燃焼ガスで駆動されるブレードを備えたタービンと、
   空気を圧縮するインペラを備えたコンプレッサと、
   前記ブレードと前記インペラが取り付けられた駆動軸と、
   前記駆動軸と前記インペラの基部が挿通する中心孔を備えた円板状の内壁と、前記駆動軸と平行な軸線を備え前記内壁の外周縁に連続して設けられた環状の外壁とを備え、前記内壁の内側に前記インペラを所定のクリアランスをもって収納するとともに圧縮された空気の通路を構成するコンプレッサケースと、
   を備えたガスタービンエンジンであって、
   前記コンプレッサケースの前記内壁と前記外壁とが連続する部分の外面側に、前記内壁の半径方向に平行であり稜線が直線状である三角形状の複数のリブを、周方向に間隔をおいて設けたことを特徴とするガスタービンエンジン。