JP3764169B2 - エアフォイルの軸方向のクリアランスを制御するために断熱被膜を施したガスタービンエンジンケーシング - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン用のエアフォイル間の軸方向のクリアランスに関する。
従来の技術
ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機、燃焼機及びタービンを備える。ガスタービンエンジンの各セクションは、長手軸に沿って順にエンジンケーシング内に配置されている。空気は、エンジンを軸方向に流れる。周知の通り、圧縮機で圧縮されたガスは、燃料と混ざり、燃焼機で点火及び燃焼される。燃焼機より発生する高温生成物は、タービンで膨張し、それにより、タービンが回転して、圧縮機が駆動される。
圧縮機及びタービンは、両方とも固定ベーン及び回転ブレードが交互に配置された列を有する。ブレードは、回転ディスク内に固定される。ベーンは、一般的にエンジンケーシングから突出した片持ち翼になっている。各ベーンの径方向外側のそれぞれの端部は、前方接続部及び後方接続部でエンジンケーシングに固定されている。
エンジンの作動中に、ベーンとブレードが互いに接触しないことは不可欠である。ベーンが一つでもブレードの回転経路を妨害すると、ブレードの高い回転速度の結果、ブレードの列全体が凹んだり、曲がったり、損傷を受けたりする。比較的小さなブレードの損傷であっても、回転ブレードが受ける遠心力によって損傷が大きくなってしまう。このことによって、ブレード又はその一部が最終的に喪失するおそれがある。更に、ブレードの径方向内側部分では、より大きな遠心力によって破損が起こりやすくなるので、その部分での損傷は更に望ましくない。
ベーンとブレードの列の間の軸方向クリアランスは、固定ベーンと回転ベーンとの間の干渉を防ぐために設けられている。最適なガスタービンエンジンの性能を得るためには、ブレードとベーン間の軸方向クリアランスを最小にすることが望ましい。しかし、ベーンとブレード間の干渉の可能性による危険を回避するために、クリアランスは十分に大きくする必要もある。
いくつかの要因によって、ベーンとブレードの間の干渉の危険性は高くなる。軸方向のクリアランスに影響する一つの要因は、ガスタービンエンジンの通常運転の結果将来的に起こり得る摩耗、即ち経時摩耗である。通常の摩耗によって、エンジン部品間のはめ合いがゆるみ、部材間での軸方向の運動が増大するおそれがでてくる。経時摩耗によって軸方向の運動が起こる可能性があるので、このような摩耗を補償するように、所望のクリアランスよりも大きな軸方向クリアランスを設けることが必要となる。
また、ベーンとブレード間の干渉の危険性を高める他の要因としては、エンジンケーシング内で膨張率が異なることが挙げられる。エンジンケーシングは、金属で製造され、互いに厚みが異なっている部位を含む。過度状態のエンジン運転において、エンジンケーシングの異なる部分は、異なる速度で過熱する。薄い部分は、厚い部分よりも急速に過熱して膨張する。ベーンの前方アタッチメントポイント、即ち前方接続部でのエンジンケーシングの厚みは、ベーンの後方接続部でのエンジンケーシングの厚みよりも厚い。従って、過度状態において、前方接続部が比較的遅く膨張する一方で、後方の接続部は、比較的速く膨張する。後方の接続部領域におけるこのような膨張によって、後縁と呼ばれるベーンの後方部分は、径方向外向きに移動し、一方、前縁と呼ばれるベーンの前方部分は、実質的に静止したままになる。ベーンの後縁の径方向外径部分のこのような動きによって、ベーンの径方向内径部分はブレードに向かって傾き、それにより、ブレードとベーン間の軸方向の間隙が減少してその径方向内側部分でブレードの損傷が起こるおそれが生じる。
現在、このような軸方向の間隙の問題は、厳しい寸法許容差を設けることによって対処されている。初期の軸方向クリアランスは、エンジンケーシングの異なる膨張率を考慮して、また、将来の摩耗を予想して、所望のクリアランスよりも大きく設けられていることが多い。付加的な軸方向のクリアランスによって、静止及び回転する構造間にシールを施すことは困難になり、余剰の重量が付加され、ガスタービンエンジンの空気力学に負の影響がもたらされる。
ベーン及びブレードの接触の危険性を減少させる一つの試みには、エンジンケーシング全体を通して熱膨張率が実質的に等しくなるようにエンジンケーシングの薄い部分の厚みを増す方法がある。しかし、その結果生じる余剰重量によって、ガスタービンエンジン全体の効率が悪影響を受けてしまう。更に、比較的古いエンジンにおいては、摩耗によりエンジンケーシングのはめあい部品及びベーンが過度に侵食された場合、実際にあるエンジンケーシングに厚みを加えることは不可能なので、エンジン全体を取り替えることが必要となってしまう。しかし、エンジンケーシングを取り替えるための費用は、かなり高額である。
発明の開示
本発明の目的は、ガスタービンエンジン全体の効率を損なわないでガスタービンエンジンのエアフォイル間の軸方向クリアランスを制御することである。
本発明によると、内部にガスタービンエンジンの各セクションが配置されたエンジンケーシングでは、選択的に断熱被膜を施して過度状態においてその部分の熱膨張を遅くすることで、エアフォイル列の間の軸方向クリアランスを制御する。断熱被膜は、ガスタービンエンジンケーシングの比較的薄い部分に施される。この被膜は、エンジンケーシングのローカルな熱膨張を遅らせて、被膜が施された部分の近くに配置されてエンジンケーシングから突出した片持ち翼になっているベーンが軸方向に傾くことを防止する。
本発明の主要な利点の一つは、ガスタービンエンジンの重量を大きく増加させることなく、エアフォイル間の軸方向クリアランスを制御することができる点である。本発明のもう一つの主要な利点は、はめ合い、安定状態、及びエンジン性能に影響を与えないで、また既にあるガスタービンエンジンの部品を交換しないで、新しく生産されたガスタービンエンジンと同様に既に使用されているガスタービンエンジンでも上記被膜を使用することができる点である。
本発明の上記及びその外の目的及び利点は、以下の実施形態の詳細な説明及び付随する図面によってより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ガスタービンエンジンの簡略化された部分切欠き図である。
図２は、図１のガスタービンエンジンのガスタービンエンジンケーシングに取り付けられたブレード及びベーンの拡大及び簡略化された部分説明図である。
図３は、本発明に係る断熱被膜が選択的に施された図２のガスタービンエンジンケーシングの拡大及び簡略化された部分説明図である。
発明の最良の実施形態
図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、長手軸１８に沿って配置された圧縮機１２、燃焼機１４、及びタービン１６をそれぞれ有する。ガスタービンエンジン１０の上記セクション１２、１４、及び１６は、ガスタービンエンジンケーシング２０内に設けられている。空気２１は、ガスタービンエンジン１０の各セクション１２、１４及び１６を通って流れる。圧縮機１２及びタービン１６は、回転ブレード及び固定ベーンが交互に配置された列を備える。回転ブレード２２は、回転ディスク２６上に固定されており、固定ベーンは、エンジンケーシング２０上に取り付けられている。ブレード２２とベーン２４の間には、軸方向のクリアランスが設けられている。
図２を参照すると、各ブレード２２は、内径プラットフォーム３０と、外径プラットフォーム３２と、がフランジ部となっているエアフォイル部２８を含む。各ブレード２２の内径プラットフォーム３０は、回転ディスク２６に固定されている。各固定ベーン２４は、内径バットレス４０と、外径バットレス４２と、がフランジ部となっているエアフォイル部３８を含む。外径バットレス４２は、前方フック４４及び後方フック４６を備える。前方フック４４は、前方接続部４８でエンジンケーシング２０にゆるく載置されている。後方フック４６は、後方接続部５２でエンジンケーシング２０の各レール５０の間にはめ込まれる。図３に最もよく示されているように、各レール５０は、レール上部面５４、レール外部面５６、及びレール内部面５８をそれぞれ備える。
タービンケーシング２０は、前方接続部４８において、後方接続部５２よりも質量及び厚みが大きい。断熱被膜６０は、エンジンケーシング２０の厚みが比較的薄いレール外部面５６上に施される。レール内部面５８及びレール上部面５４には、被膜６０は施されない。被膜６０の厚さ、種類、及び軸方向の幅は、特定のガスタービンエンジンの実際の大きさ及び必要性によって決まる。
ガスタービンエンジン１０が作動するのに伴って、圧縮機１２を通って流れる空気２１の温度及び圧力は上昇し、それにより、吸入空気流２１の圧縮が行われる。圧縮された空気は、燃料と混ざり、燃焼機１４で点火及び燃焼される。燃焼機１４より発生する高温生成物は、タービンに入る。タービンブレードによって、高温の空気は膨張してスラストを発生し、圧縮機１２を駆動するためのエネルギーが抽出される。
圧縮機１２内の圧縮空気の温度及びタービン１６内の高温生成物の温度は、非常の高温である。エンジンケーシング２０全体は、初めの段階では低温である。エンジン１０が作動し始めると、エンジンケーシング２０は、加熱し始める。被膜６０によって、エンジンケーシング２０の比較的薄い部分の熱膨張の速度は低下し、それにより、上記断熱被膜で覆われたエンジンケーシングの比較的薄い部分の熱膨張と、エンジンケーシング２０の比較的厚い部分の熱膨張と、は同程度となる。
従って、エンジンケーシング２０の比較的薄い部分及び比較的厚い部分は、過度状態において実質的に同等の割合で膨張する。ケーシングが過度状態においてこのように同等の膨張率を有することにより、前方及び後方の接続部４８及び５２は、確実に、ほぼ同じ率で膨張することが可能となる。それにより、ベーン２４を傾けるおそれのある、ベーン２４の後方フック４６に生じる引っ張り力を最小に押さえることができる。例えば、コネチカット、ハートフォード(Hartford,Connecticut)のユナイテッドテクノロジーズコーポレイション(United Technologies Corporation)の一部門であるプラットアンドホイットニー社(Pratt & Whitney)製造のＪＴ８Ｄガスタービンエンジンでは、断熱被膜を用いることによってベーン２４の軸方向での傾きを少なくとも．０７０インチ減少させることができる。
本発明は、新しく生産されるガスタービンエンジン及び現在使用されているガスタービンエンジンの両方にとって有用である。新しいガスタービンエンジンでは、ブレード２２及びベーン２４の間での軸方向クリアランス２７を減少させることができる。固定ベーン２４と回転ブレード２２との間の軸方向クリアランス２７は、より小さい方が望ましいということには、いくつかの理由がある。第一に、クリアランス２７がより小さければ、固定及び回転構造間でより優れたシールを提供することができることが挙げられる。第二に、空気力学的に優れていることがある。更に、第三に、ガスタービンエンジン１０の全重量を減少させることができることがある。そして、最後に、ガスタービンエンジン１０をよりコンパクトに製造することができることが挙げられる。
比較的古いエンジンに関しては、断熱被膜６０を用いることによって、通常運転による摩耗を補償することができる。金属部品の摩耗によって部品はゆるくなりやすく、従って、傾きが大きくなる。一度断熱被膜６０が施されると、ベーン２４の傾きは減少し、それにより、ベーン２４と回転ブレード２２の間で干渉が起こる可能性は減少する。本発明は、既に使用されているエンジンケーシングを交換又は一新する場合に比べて低価格の形態を提供する。
本発明のもう一つの利点は、断熱被膜が二分の一ポンド以下のほとんど無視することのできる程度の重量しかガスタービンエンジンの重量に付加しない点である。
エンジンケーシングの熱膨張を遅くするためには、どのような断熱被膜を使用してもよい。しかし、プラットアンドホイットニー社製造の二層被膜であるＰＷＡ２６５は、同じくプラットアンドホイットニー社製造のＪＴ８Ｄのエンジンで最適の結果をもたらす。ＰＷＡ２６５被膜は、ビネ等に付与されて本発明と同じ承継人であるプラットアンドホイットニーに譲渡された米国特許第４，８６１，６１８に開示されている。

Claims (1)

1. ガスタービンエンジンであって、圧縮機と、燃焼機と、タービンと、をそれぞれ含み、前記ガスタービンエンジンは、エンジンケーシング（２０）内に配置されており、
   前記ケーシングは、前方接続部（４８）と、後方接続部（５２）と、を備え、
   前記圧縮機及び前記タービンは、固定ベーン（２４）と、回転ブレード（２２）が交互に設けられた列を含み、前記回転ブレードは、回転ディスク（２６）に固定され、前記ベーンは、前記前方接続部及び前記後方接続部での連結によって前記エンジンケーシング（２０）に取り付けられており、
   前記前方接続部（４８）は、前記後方接続部（５２）よりも質量及び厚みが大きく、
   前記後方接続部は、前記ベーンを受けるためのレール内部面（５８）と、前記レール内部面に隣接して前記ケーシングの内部面を構成するレール外部面（５６）と、を備えるガスタービンエンジンにおいて、
   軸方向に制限された範囲で周方向の全周囲に渡って伸びるように前記レール外部面（５６）に施された断熱被膜（６０）を有し、前記内部レール（５８）面には、被膜は施されておらず、
   これにより、前記回転ブレードと、前記固定ベーンと、の間の軸方向の間隙を維持するように前記接続部の周囲に配置された前記ベーンの傾きが最小化されることを特徴とするガスタービンエンジン。

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