JP3911309B2 - 軸流ガスタービンエンジン用チップシュラウド組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、軸流ガスタービンエンジン用チップシュラウド組立体に関し、より詳細には、この種エンジンの圧縮機のブレードエアフォイルのチップ部で空気を再循環させて圧縮機ストール（失速）の発生を減少させるシュラウドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば航空機に用いられている型式の軸流ガスタービンエンジンにおいては、空気が圧縮機セクションで圧縮され、それから燃焼器セクションで燃焼させられる燃料に混合され、それからタービンセクションを通して膨張させられ、これによりタービンセクションがひとつ又はそれ以上のシャフトを介して圧縮機セクションを駆動する。このようなエンジンの総合効率は、とりわけ、圧縮機セクションで空気を圧縮する効率の函数である。
【０００３】
しかして、圧縮機セクションは、典型的に、低圧圧縮機と高圧圧縮機とを包含し、低圧圧縮機はタービンセクションの低圧タービンに接続されているシャフトにより駆動され、また高圧圧縮機はタービンセクションの高圧タービンに接続されているシャフトにより駆動される。これら低圧及び高圧圧縮機は、各々、図１に示されるように、エンジンの長手方向軸線１００のまわりを回転する圧縮機ブレード１０を数段備えている。各ブレード１０は、エアフォイル１２と、ブレードプラットホーム１４と、ブレードチップ１６とを有し、エアフォイル１２はブレードプラットホーム１４から延びてブレードチップ１６で終っている。そして、ブレードチップ１６は外側空気シールであるチップシュラウド１８に非常に接近して回転する。このチップシュラウド１８は、所定の段におけるブレード１０のブレードチップ１６のまわりを円周方向に延びており、ブレードプラットホーム１４とチップシュラウド１８とが、それぞれ、圧縮機を通しての空気流れ用ガスパスの半径方向内側及び外側境界部を限定する。
【０００４】
ブレードの段は連続して配置されており、空気が各ブレード段を通して吐出されると、空気の圧力は漸次的に増加する。圧縮機を通しての全体の圧力増加は、各ブレード段を通しての漸次的な圧力増加の総和である。したがって、ガスタービンエンジンの効率を最大にするためには、所定の燃料流量で、圧縮機の各ブレード段にわたっての圧力上昇（以下、“圧力比”と称する）を最大にすることが望まれる。
【０００５】
また、軸流ガスタービンエンジンの設計が直面する問題のひとつとして、圧縮機のストールとして知られている現象がある。この圧縮機ストールとは、圧縮機の所定の段のブレードより空気に与えられるエネルギが該圧縮機の所定の段にわたっての圧力比に打ち勝つのに不十分であるために、圧縮機の段の一部分を通しての空気の流れが止められる現象をいう。このような現象を矯正する作用がないと、圧縮機ストールは圧縮機の段を通して広まり、エンジン速度を維持するのに十分な空気を燃焼器に供給することができなくなる。そして、ある状況の下では、圧縮機を通しての空気の流れが逆方向となってしまい、この現象は圧縮機サージとして知られている。以上述べた航空機推進動力装置の圧縮機ストール及びサージはエンジン異常であり、もしこれらを矯正できなければ、人々は航空機に不安を抱き、航空機に乗るのをためらうであろう。
【０００６】
特に高圧圧縮機の圧縮機ストールはエンジン設計において非常に大きな関心ごとであり、その圧縮機ストールは圧縮機の所定の段内の幾つかの場所で発生し始めるが、これら圧縮機ストールの共通の現象として、渦が発生するブレードチップから圧縮機ストールが広がる。そして、ブレードチップにおける空気流れの軸方向運動量は、空気流れに沿う他の場所におけるそれよりも小さくなる傾向があると考えられている。したがって、このことから、圧縮機ストールの原因として、このような小さい運動量が想定されることは明らかである。
【０００７】
航空機エンジンの作動時間が蓄積されて長くなると、ブレードチップは摩耗してチップシュラウドからより大きく離れ、ブレードチップとチップシュラウドとの間の隙間が増大してしまう。そして、当業者であれば、このブレードチップとチップシュラウドとの間の隙間が増大すると、渦がより大きくなり、上述した小さい軸方向運動量を有する空気流れの割合が大きくなることを容易にわかるであろう。したがって、エンジンの設計において、高圧圧縮機のブレードチップで軸方向運動量が減少する問題を除去することが探究されてきている。
【０００８】
その一例として、エンジンの高圧圧縮機におけるブレードチップとチップシュラウドとの間の隙間が過剰に大きくなるのを防止するようにチップシュラウドを改良した有効な装置が、米国特許第５，２８２，７１８号明細書に開示されている。この米国特許第５，２８２，７１８号明細書に開示されているチップシュラウド組立体は、図２に示されるように、内方リング２０と外方リング２２とから成っている。高圧圧縮機への適用においては、これらのリング２０，２２は最初に鍛造され、それから空気流れを導いて効率損失を最小にする何百の小さい複雑な羽根２４がリング２０，２２の一方に機械加工される。それから、内方リング２０及び外方リング２２は分割され、その後内方リング２０は外方リング２２に例えばボルト、リベット、溶接又はそれらの組合せによる取付け手段２６を用いて取付けられる。この従来のチップシュラウド組立体は、有効ではあるけれども、しかし、羽根２４を機械加工するのに非常に多くの時間が必要とされるので、高価である問題がある。
【０００９】
したがって、従来技術のストールに対する利益、すなわち従来のチップシュラウド組立体と匹敵するほどの最小な効率損失でもって、ストールを防止できると共に、製造コストを従来と比較してかなり減少することができるチップシュラウド組立体が要望されている。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、従来技術のストールに対する利益、すなわち従来のチップシュラウド組立体と匹敵するほどの最小な効率でもってストールを防止できるに加え、従来と比較して製造コストをかなり減少することができると共に、保全性及び安全性を増大することができるチップシュラウド組立体を提供することにある。
【００１１】
この目的を達成するために、本発明によれば、チップシュラウド組立体は、分割されて複数のアーチ形セグメントから成る環状シュラウドを包含し、各セグメントが半径方向外側表面と、半径方向内側表面とを包含し、この半径方向内側表面が第１の列を形成する複数の第１の穴と、第２の列を形成する複数の第２の穴とを包含し、これら第１の列と第２の列とがセグメントの長さに沿って円周方向に延びていると共に、第１の列が第２の列に関して間隔を置いている。また、円周方向に延びるプレナムが半径方向内側表面から半径方向外側に間隔を置いており、複数の第１の通路が第１の穴のひとつからプレナムに延びていると共に、複数の第２の通路が第２の穴のひとつからプレナムに延びている。プレナムは第１及び第２の通路の各々を通して半径方向内側表面に連通し、また第１の通路の各々の長さは該通路が延びる第１の穴の直径の少なくとも３倍とされている。
【００１２】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利益は添付図面を参照して詳述する下記の最良の実施の形態についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
図３は、本発明の好適な実施例によるチップシュラウド組立体３０を示す。チップシュラウド組立体３０は基準軸線３４のまわりを円周方向に延びる環状シュラウド３２を包含し、該基準軸線３４はチップシュラウド組立体３０がエンジン内に設けられるとエンジンの長手方向軸線１００（前述した図１を参照）を形成する。環状シュラウド３２は複数のアーチ形シュラウドセグメント３６から成り、その１つのセグメントの一部分が図４（図３の４−４線断面図）に示されている。再び図３及び図４を参照するに、環状シュラウド３２の各セグメント３６は、エンジンケース４０に従来公知の適当な手段によって固定されている。そして、各セグメント３６は円周方向に延びる長さ４２を有し、すべてのセグメント３６の長さ４２の総和が環状シュラウド３２の円周を定める。また、各セグメント３６はアーチ形部材３８を包含し、このアーチ形部材３８は半径方向外側表面４４と、半径方向内側表面４６とを有する。半径方向内側表面４６は、図４に示されるように、第１の列５０を形成する複数の第１の穴４８と、第２の列５４を形成する複数の第２の穴５２とを包含する。各列５０、５４はセグメント３６の長さに沿って円周方向に延びており、かつ第１の列５０は基準軸線３４に関して第２の列５４から軸方向に間隔を置いている。
【００１４】
また、各セグメント３６は、図３に示されるように、半径方向内側表面４６から半径方向外側に間隔を置いて、円周方向に延びるプレナム５６を包含する。このプレナム５６の半径方向の最も内方の境界部は、半径方向内側表面４６の半径方向の最も外方に位置しているプレナム表面５８を形成する。そして、このプレナム表面５８は複数の第３の穴６０と、複数の第４の穴６２とを包含する。更に、各セグメント３６はプレナム表面５８と半径方向内側表面４６との間を延びる複数の第１の通路６４と第２の通路６６とを包含し、各通路６４、６６は第１の端６８、７０と第２の端７２、７４とを有する。各第１の穴４８は第１の通路６４のひとつの第１の端６８を形成し、またプレナム表面５８の第３の穴６０のひとつは前記第１の通路６４のひとつの第２の端７２を形成する。同様に、第２の穴５２の各々は第２の通路６６のひとつの第１の端７０を形成し、またプレナム表面５８の第４の穴６２のひとつは前記第２の通路６６のひとつの第２の端７４を形成する。したがって、各第１の通路６４は第１の穴４８のひとつからプレナム５６に延びており、また各第２の通路６８は第２の穴５２のひとつからプレナム５６に延びており、その結果、プレナム５６は第１及び第２の通路６４、６６の各々を通して半径方向内側表面４６に連通する。第１の穴４８の直径と第３の穴６０の直径とは同一であり、第１の通路６４の各々の長さ７６はこの第１の通路６４の第１の端６８を形成する第１の穴４８の直径の少なくとも３倍でなければならない。この割合は、前述した高い渦巻き空気を排除するための臨界である。
【００１５】
図４に示されるように、各第１の通路６４の第１の穴４８は、同じ第１の通路６４の第３の穴６０からセグメント３６の長さ４２に沿って円周方向に間隔を置いている。また、図３に示されるように、各第１の通路６４の第１の穴４８は同じ第１の通路６４の第３の穴６０から基準軸線３４に関して軸方向に間隔を置いている。同様に、各第２の通路６６の第２の穴５２は同じ第２の通路６６の第４の穴６２から基準軸線３４に関して軸方向に間隔を置いている。
【００１６】
再び図３を参照するに、本発明の好適な実施例によれば、プレナム５６はシュラウド３２内の内部空洞であり、また通路６４、６６の各々は円形の断面を有する。しかし、選択的に、各通路６４、６６は図５に示されるような矩形の断面、又は特定の適用において必要とされる他の断面を有することができる。そして、シュラウド３２は複数のセグメント３６から成っているので、各セグメント３６はすべてのセグメントの内部空洞の総和がシュラウド３２の円周方向プレナム５６を形成する内部空洞を有する。
【００１７】
次に作用について説明する。圧縮機ブレード１０のチップからのガスパス内の高い渦巻き空気は、第２の穴５２内に入り、それから第２の通路６６を通してプレナム表面５８の第４の穴６２を出て、プレナム５６内に流れる。空気は、それから、プレナム５６を通してプレナム表面５８の第３の穴６０に流れる。空気は、それから、第１の通路６４を通して第１の穴４８に流れ、ここで空気は圧縮機ブレード１０の前縁近くのガスパスに戻されて注入される。前述した米国特許に記載されている羽根付き通路の型式のチップシュラウドの分野においてはよく知られているように、空気をガスパス内に戻して注入する角度は、圧縮機ブレード１０の速度及びガスパス内の空気速度の函数である。これらのパラメータは、所望の注入角度を得るために第１の穴４８と連通している第３の穴６０に関しての該第１の穴４８のそれぞれの位置を決定する。各第１の通路６４における長さに対しての直径の割合は、第４の穴６２からプレナム５６を通して進む渦巻きのほとんどを除去し、したがってガスパスに戻されて注入される空気は本質的に渦巻きの成分を有していない。
【００１８】
本発明の好適な第２の実施例が、図６に示されている。この第２の実施例は通路と穴に関しては前述した好適な第１の実施例と同一であるが、しかし、この第２の実施例では、プレナム５６がシュラウド３２の内部の空洞によって形成されていない。すなわち、これに代えて、プレナム５６は各セグメント３６の半径方向外側表面４４に形成されてセグメント３６とエンジンケース４０との間に位置するくぼみ７８によって形成されている。したがって、プレナム表面５８は半径方向外側表面４４の一部分を形成する。しかし、プレナム表面５８はエンジンケース４０に関して間隔を置いており、したがってエンジンケース４０とプレナム表面５８との間にプレナム５６が限定される。
【００１９】
なお、従来公知の種類のアブレイダブル（ａｂｒａｄａｂｌｅ）材料を、特定のエンジンへの適用のためには必要なものとして、本発明の上記ふたつの実施例における各半径方向内側表面４６に取付けることができる。
【００２０】
以上述べた本発明による環状シュラウドは、従来のシュラウドとは次の点で異なっている。すなわち、本発明によれば、プレナム５６を通過する空気の渦巻きが、プレナム５６内に設けられる従来の複雑で高価な羽根を用いるのに代えて、正確な寸法にされた第１の通路６４を用いることによって、本質的に除去される。したがって、本発明の羽根なしプレナム５６を用いることにより、製造コストを従来よりもかなり減少することができ、また、従来のシュラウドと比較してシュラウドを経済的に製造することができ、更に、効率の損失を伴う圧縮機のストールに対する保護も従来と比べてひけを取らないものである。
【００２１】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、請求した本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の圧縮機ブレード及びチップシュラウドを示す図である。
【図２】米国特許第５，２８２，７１８号明細書に開示されている型式のチップシュラウドの断面図である。
【図３】本発明の好適な第１の実施例によるチップシュラウドの断面図である。
【図４】図３の線４−４に沿って上記第１の実施例における半径方向内側表面を示す平面図であって、通路が円形の断面を有する例を示す。
【図５】図４と同様の図であるが、通路が矩形の断面を有する例を示す平面図である。
【図６】本発明の好適な第２の実施例によるチップシュラウドの断面図であって、プレナムがエンジンケースとセグメントとによって限定されている例を示す。
【符号の説明】
３０ チップシュラウド組立体
３２ 環状シュラウド
３４ 基準軸線（エンジンの長手方向軸線）
３６ シュラウドセグメント
３８ アーチ形部材
４０ エンジンケース
４２ 長さ
４４ 半径方向外側表面
４６ 半径方向内側表面
４８ 第１の穴
５０ 第１の列
５２ 第２の穴
５４ 第２の列
５６ プレナム
５８ プレナム表面
６０ 第３の穴
６２ 第４の穴
６４ 第１の通路
６６ 第２の通路
６８ 第１の端
７０ 第１の端
７２ 第２の端
７４ 第２の端
７６ 長さ
７８ くぼみ

Claims (4)

1. 軸流ガスタービンのエンジンケースと一緒に用いられるチップシュラウド組立体において、
   前記エンジンケースに固定されて基準軸線のまわりに円周方向に延びる環状シュラウドを包含し、この環状シュラウドが複数のアーチ形セグメントを包含し、これらの各セグメントが円周方向に延びる長さを有して、これらセグメントのすべての長さの総和が前記環状シュラウドの円周を定め、
   かつ各セグメントが、アーチ形部材と、円周方向に延びるプレナムと、複数の第１の通路と、複数の第２の通路と、を包含し、
   前記アーチ形部材が半径方向外側表面と、半径方向内側表面とを有し、
   前記半径方向内側表面が第１の列を形成する複数の第１の穴と、第２の列を形成する複数の第２の穴とを有し、これら第１の列と第２の列とが前記セグメントの前記長さに沿って円周方向に延びていると共に、前記第１の列が前記第２の列に関して間隔を置いており、
   また、前記プレナムが前記半径方向内側表面から半径方向外側に間隔を置いて位置しており、
   更に、前記第１の通路の各々が前記第１の穴のひとつから前記プレナムに延びていると共に、前記第２の通路の各々が前記第２の穴のひとつから前記プレナムに延びており、かつ前記第１及び第２の通路の各々が第１の端と第２の端を有して、前記プレナムが前記第１及び第２の通路の各々を通して前記半径方向内側表面に連通しており、
   前記プレナムは、前記半径方向内側表面の半径方向外側にプレナム表面を包含し、このプレナム表面が、複数の第３の穴と、複数の第４の穴と、を包含し、前記第３の穴の各々が前記第１の通路の前記第２の端となると共に、前記第４の穴の各々が前記第２の通路の前記第２の端となり、
   かつ前記第１の通路の前記第１の穴は、同じ第１の通路の前記第３の穴から前記セグメントの前記長さに沿って円周方向に間隔を有するとともに、前記基準軸線に関して軸方向に間隔を有し、
   かつ前記第１の通路の通路長は、前記第１の穴の直径の少なくとも３倍であることを特徴とするチップシュラウド組立体。
2. 請求項１記載のチップシュラウド組立体において、前記第２の穴の各々が前記第２の通路のひとつの第１の端を形成すると共に、前記第２の通路の各々の第２の穴がその第４の穴から前記基準軸線に関して軸方向に間隔を置いている、チップシュラウド組立体。
3. 請求項２記載のチップシュラウド組立体において、前記プレナムが前記シュラウドの内部空洞から成る、チップシュラウド組立体。
4. 請求項２記載のチップシュラウド組立体において、前記プレナムが前記セグメントの各々の半径方向外側表面に形成したくぼみから成り、前記プレナムが前記半径方向外側表面と前記エンジンケースとによって限定されている、チップシュラウド組立体。

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