JP2970945B2 - ガスタービンケースに対する冷却流量の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
のタービンケースに対する冷却空気流量を制御する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンエンジンの回転タービンブ
レードの先端と周囲の環状シュラウドとの間の稼働クリ
アランスの低減を防止することは、ガスタービンエンジ
ンの設計者や製造者を悩ましている技術的課題である。
このクリアランス減少の問題に対する有効な技術のひと
つに、ケースを冷却する目的で外部冷却空気を支持ター
ビンケースに吹き付ける方法がある。その様な冷却空気
流量を正確に調節することによって、シュラウドを充分
回転ブレードの先端に近づけることができ、回転ブレー
ド段をバイパスするタービン作動流体の量を減少させる
ことができる。しかし、シュラウドとブレード先端が接
触する程には近づけてはいない。冷却流量を調節する方
法が有効であるかどうか決めるために、エンジンスロッ
トル及び出力レベルの変化に対するタービンケース及び
ロータブレードの応答が、綿密に調査された。

【０００３】「ガスタービンエンジンのクリアランスの
制御方法」と題するＦ．Ｍ．シュワルツ（Ｓchwarz）等
の米国特許出願第０７／３７２，３９８号及び「運転モ
ードに関する動的クリアランス制御」と題する同じく
Ｆ．Ｍ．シュワルツ等の米国特許出願第０７／３７０，
４３４号には、ブレード先端とシュラウドが干渉しあう
ことなく、スロットルすなわちエンジン出力を増大させ
るために、定常状態の冷却空気流量のスケジュールを調
節する方法が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の方法では、ガス
タービンエンジンの最新の出力レベルの履歴を考慮に入
れていない。最新の出力レベルの履歴は、エンジンの先
行する減速の短時間内に、再加速する間のブレード先端
対シュラウドの干渉の発生を予測するのに重要であるこ
とがわかった。定常状態にある通常飛行出力で動作して
いるエンジンは、エンジン出力の急激な減少の後に、ブ
レード先端対シュラウドのクリアランスの急激な過渡増
加を経験する。この増加は、タービンロータ角速度の減
速から生ずる。エンジンのロータ速度にのみ応答する定
常状態冷却空気流量スケジュールで動作するエンジンに
対して、この増加したクリアランスは、続いて過渡的な
減少を受ける。これは、エンジンのタービン部を今現在
通過している相対的に低い温度の作動流体と関連して、
タービンケースに向けられた冷却空気によって、ケース
温度が下げられ、それによってその直径が小さくなるた
めである。

【０００５】エンジン減速後のこの初期時においては、
作動流体の温度が下がるので、タービンロータもまた冷
却され、径方向に収縮する。しかし、タービンロータ
は、ケースより一層重いため、周囲のタービンケースよ
りも大きな熱容量を有する。従って、定常状態の低出力
に対応する大きさになるまでには長い時間を要する。タ
ービンロータが定常状態の対応する大きさに達する前
に、ケースが冷却され、定常状態の低出力の直径となる
初期の減速後のこの時間に、エンジンが通常運転出力に
再加速される場合、問題が起こることがわかった。再加
速によって、タービンロータ速度が急速に増大し、ター
ビンブレードへの遠心力が回復する。それによって、タ
ービンブレードが径方向に広げられ、ブレード先端対シ
ュラウドの干渉が起こる。タービンを通過する作動流体
の温度は、再加速によって高くなるが、ケースへの熱的
効果は、増大したロータ速度がタービンブレード先端の
径方向成長を引き起こす程急には、ケースを再膨張させ
ない。

【０００６】従って、通常運転出力からの先行する減速
の後に、ガスタービンエンジンの再加速を許容する方法
が求められている。

【０００７】本発明の目的は、減速に続いて起こる再加
速中のタービンロータのブレード先端と周囲シュラウド
の間のラビングすなわち径方向干渉を防止する方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロータ速度の
降下を検知し、タービンケース冷却空気弁用コントロー
ラに対し、減速の過渡効果が及ぼされる期間、その弁を
一時的に閉成するよう指令を与える。その時間が経過し
た時点で、コントローラが開放され、弁及びタービンケ
ース冷却システムが通常動作に戻される。

【０００９】

【作用】弁を閉じることによって、外部ケース冷却空気
が取り除かれ、タービンを流れる熱せられた燃焼生成物
により、ケースが温められる。その一時的に一層温かい
ケースは、ロータブレードの先端とケース支持シュラウ
ドの間の稼働クリアランスを増す。この付加クリアラン
スは、タービンロータが定常状態の減速出力に達する前
に、全負荷運転への再加速の結果としてのブレード先端
の短時間径方向成長を受け入れるに充分である。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例について、特に図３を参照し
ながら説明する。図３は、ファンケース１２、及び多数
の巻回放出管３６の開口（図示せず）から放出される比
較的に冷たい空気を受けて冷却されるタービンケース９
を有するターボファンガスタービンエンジンを示してい
る。その放出管３６は、それに設けられた開口３２によ
ってファンケース１２から冷却空気を受け取る供給ヘッ
ダ３４から、冷却空気を供給される。冷却空気流量は、
以下に開示されるような方法によって動作するコントロ
ータ４２によって制御される調節弁４４によって、調節
される。

【００１１】前述の従来技術の欄で述べたように、ター
ビンケース９に比較的冷たい空気を直接当てることによ
り、タービンケース温度が下げられ、それ故その直径が
小さくされる。それによって、タービンロータ（図示せ
ず）のブレードの先端と、外側タービンケース９内に同
心的に支持されている周囲環状シュラウドすなわち空気
シール（図示せず）との間の径方向クリアランスが減少
される。ターボファンエンジン１０の構造は、技術的に
詳細に知られているので、ここでは繰り返し説明しな
い。

【００１２】図１は、巡航出力にある定常状態運転から
フライトアイドル出力レベルあるいは他のかなり低減さ
れた出力レベルへ、エンジン出力レベルが減少した後の
ブレード先端対シュラウドのクリアランスの過渡応答を
示している。その出力レベルの減少は、ゼロに等しい時
間で起こり、δ_MINに対応する定常状態クリアランスか
ら、クリアランスの急激な増加を生じさせる。ブレード
先端対シュラウドのクリアランスの急激な増加は、ロー
タ速度の対応する減少の結果である。すなわち、この増
加は、タービンブレードへの遠心力が低減し、それによ
りタービンブレード先端の全直径が低減するために生ず
る。

【００１３】図１の破曲線１０２は、冷却システムの現
時点の技術による結果を表している。そこでは、タービ
ンケース９に対する冷却空気流量が、ロータ速度の関数
として制御されている。図１から明確に理解されるごと
く、初め、クリアランスは増大するが、その後、曲線１
０２によって表わされるクリアランスδは、タービンケ
ース９の温度が定常状態、部分出力レベルに向かうと、
過渡的に減少する。その後、重いタービンロータがその
下方の平衡温度に達すると、クリアランスは徐々に部分
出力定常状態レベルδ_IDLEまで増加する。従って、時間
についてのクリアランスの変化は、比較的薄いタービン
ケース９とそれより一層重いタービンロータ（図示せ
ず）との間の熱容量及び応答不整合の結果として存在す
る。その不整合は、巡航レベルからアイドル出力レベル
までのエンジン出力の減少のすぐ後の期間中に生ずる。
ここでは、タービンロータとタービンケースとの間の温
度不整合が最も大きくなり、ブレード先端とシュラウド
を干渉から守る本発明の方法が、最も効果的となる。

【００１４】その問題は、この過渡期間中にエンジン出
力レベルの増大の効果を観察することによって、最も良
く認識される。破曲線１０４は、タービンロータがフラ
イトアイドル温度に達する前に、巡航出力レベルに戻る
エンジンの次の加速のブレード先端からそれを包囲して
いるシュラウドまでのクリアランスについての効果を示
している。ロータ速度の比較的急激な増加は、遠心力を
タービンブレードに再度付加し、ブレード先端直径の増
加をもたらす。この増加は、比較的急激であり、タービ
ンケース９への作動流体の増大温度の同時熱効果よりも
急速に生ずる。従って、ブレード先端は、干渉するすな
わちブレード先端とシュラウドのラビングを引き起こす
タービンケースよりも急速に径方向に成長する。その不
整合は、図１に示される如く、δ_MINよりも下にある曲
線１０４の行程１０６によって示されている。

【００１５】この行程１０６は、ブレード先端とシュラ
ウド間の接触を生じさせ、シュラウド部材を削り、がス
タービンエンジンのその後の運転中にシュラウドとブレ
ード先端間のクリアランスを永久的に広げ、ガスタービ
ンエンジンの全体効率を下げ、燃量消費を増し、さらに
シュラウドの寿命を短くする。包囲シュラウドすなわち
空気シールの重要な部分が削られることによって、例え
ば曲線１０４によって示されるように、一行程の効果
が、外部タービンケース冷却の使用によって得られる効
率の利点をかなりあるいは完全に消してしまう。

【００１６】本発明に係る方法は、タービンケースとタ
ービンロータ間の一時的な熱不整合が、大幅な減速すな
わちエンジン出力の低減の後に続いて生じるという認識
の基に、エンジン出力レベルの減少が検出されるとき
に、冷却流量調節コントローラ４２の動作を一時的に遮
断することによって、この不整合を効果的に処理するも
のである。本発明に係る方法は、エンジン出力レベルの
減少後、或る時間、調節弁４４を実質的に閉じることに
よって、タービンケース９に対する冷却空気流量を一時
的に遮断するものである。減少時間の長さは、初期のエ
ンジン出力レベルとその減少の大きさの両方の関数であ
る。

【００１７】本発明に係る方法を用いることによる過渡
的効果が図１に実曲線１０８によって示されている。従
来技術に関して、巡航レベルからアイドルレベルへのエ
ンジン出力レベルの減少は、タービンロータ速度の減少
の結果として、急激なクリアランスδの増大をもたら
す。本発明の方法に関しては、タービンケース９に対す
る冷却空気流量を一時的に取り除くことによって、それ
によりタービンケース温度しいてはケース直径の増加を
もたらすことによって、この増加したクリアランスが維
持される。

【００１８】タービンロータに熱的平衡を与えるに充分
な時間が経過した後、冷却空気流量の制御は、時間
Ｔ₁，Ｔ₂及びＴ₃で始まる曲線を与える通常のコントロ
ーラ４２に戻される。上記の如く、Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃は、
初期のロータ速度及びその減少の大きに依存する。

【００１９】再加速曲線１１０からわかるように、本発
明に係る方法は、エンジン出力レベルの減少後過渡的不
整合の間、ブレード先端とシュラウドとの間の径方向ク
リアランスを増加させることによって、充分な径方向ク
リアランスを与え、最小限必要なクリアランスδ_MINよ
りも下の行程を経験することなく、エンジンを減少出力
から全出力すなわち巡航出力に再加速させ得る。

【００２０】本発明に係る方法が、タービンケースへの
冷却空気流量をしゃ断する時間、ブレード先端とシュラ
ウドの間に与えられた増大したクリアランスによって、
エンジン効率は一時的に低下される。その様な効率の低
下は、巡航出力すなわち動作出力からのエンジン出力レ
ベルの大幅な減少の後にのみ、かつ次の再加速の間にエ
ンジンに干渉が発生することを防止するために充分な時
間のみ生ずることに留意されたい。この効率の低減が飛
行サイクル当たり平均一回発生し、約１２０秒間エンジ
ンの動作に影響を与える。従って、一時的なエンジン効
率の低減はシュラウド部材の永久的損傷及びブレード先
端対シュラウドのクリアランスの永久的増大を避け得る
ことに比較すれば大きな問題ではない。これは、通常の
営業フライト中のエンジン出力レベル設定を検討するこ
とによって評価される。

【００２１】図２は、エンジン出力レベルの減少後に、
本発明によって課せられる遅延時間Ｐ_Dの長さを計算す
るため、本発明による方法によって使用されるスケジュ
ールの例を示している。本発明に係る方法は、エンジン
出力レベルの測定として、ロータ速度すなわち２個のス
プールガスタービンエンジンの場合には、高ロータ速度
を使用する。従って、曲線１１２、１１４、１１６、１
１８及び１２０は、初期のロータ速度、Ｎ_2INIT初期値
を表し、一方、水平軸は、調節弁４４の制御を通常のコ
ントローラに戻す前に、遅延時間を決定するために本発
明に係る方法によって使用されるロータ速度Ｎ₂の減少
の大きさを表している。

【００２２】例えば、１１,５００ｒｐｍのロータ速
度、及び４,０００ｒｐｍのロータ速度の段階的減少
で、図２のスケジュールを用いる本発明の方法は、制御
をコントローラ４２に戻す前に、約４１０秒間調節弁を
閉位置に維持する。また、図２から解るように、１０,
２５０ｒｐｍよりも小さい初期タービン速度では、いか
なる大きさのｒｐｍの減少に対しても、タービンケース
９への冷却空気流量をいかなる場合もしゃ断する必要が
ない。また、図２は、冷却空気流量のしゃ断を開始する
ロータ速度Ｎ₂の変化の下限を表している。この５００
ｒｐｍの下限値は、それ以下ではタービンロータとケー
スの間の熱的不整合がそれ程重要でないエンジン出力レ
ベルの変化の実際の下限値を表している。図２は、単に
高ロータ初期速度と高ロータ速度の変化の間の関係のひ
とつの表現であり、例えばタービンケースの熱的応答、
タービンロータの熱的応答、タービンケース冷却システ
ムの冷却容量などによっては、他の式やスケジュールが
使用され得る。従って、遅延スケジュールは所定のエン
ジンの型に対して実験的に計算され得るかまたは決定さ
れ得る。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービンエンジン
の巡航速度からの減速に続いて生ずる再加速中のタービ
ンロータのブレード先端と周囲シュラウドの間のラビン
グすなわち径方向干渉が効果的を防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】次の再加速に向かう減速後のブレード先端とシ
ュラウドの間の径方向クリアランスの過渡応答を示すグ
ラフである。

【図２】高ロータｒｐｍ及び高ロータ初期ｒｐｍの減少
の関数として、弁しゃ断時間を示すグラフである。

【図３】調節された冷却空気流量をタービンケースの外
側に配送するためのシステムを備えたガスタービンエン
ジンの概略構成を示している。

【符号の説明】

９ タービンケース １０ ガスタービンエンジン １２ ファンケース ３２ 開口 ３４ ヘッダ ３６ 排出管 ４２ コントローラ ４４ 調節弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−35105（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−315624（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−111104（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01D 11/08 F01D 25/12 F02C 7/16 - 7/18

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケースとその内部に配置されたロータと
   の間の径方向クリアランスを制御するために、タービン
   ケースに対する冷却空気流量を制御する方法であって、
   （ａ）冷却空気流量のスケジュールを定常状態角速度の
   関数として与えるステップ、（ｂ）ロータの角速度を測
   定するステップ、（ｃ）与えられたスケジュール及び測
   定された角速度に応答して、空気流量制御弁を位置付け
   るステップ、（ｄ）ロータ角速度の変化速度をモニタす
   るステップ、及び（ｅ）モニタされたロータ角速度が予
   め選択された値よりも大きく減少したとき、上記弁を閉
   成させるステップ、から成り、モニタ値の減少の後予め
   選択された時間、上記弁が閉成状態に維持されることを
   特徴とする制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、予め選
   択された値が５００ｒｐｍであることを特徴とする制御
   方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の方法において、予め選
   択された時間がモニタ値が減少する前のロータ角速度の
   関数であることを特徴とする制御方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の方法において、予め選
   択された時間がさらにモニタ値減少の大きさの関数であ
   ることを特徴とする制御方法。