JP3965607B2 - ロータ組立体用シュラウド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般にはタービンエンジンロータ組立体に関し、より詳細には、ブレード外側チップシール装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
典型的なガスタービンエンジンは、共通の長手方向軸線に沿って設けられた送風機、燃焼器及びタービンを包含する。送風機部及び圧縮器部はエンジンに吸入する空気に仕事を与え、該空気の圧力及び温度を増大させる。そして、燃料が燃焼器でこの仕事を与えられた空気に加えられて燃焼させられる。燃焼の結果として、中心ガス流れの温度は増大する。この温度増大の大きさは幾つかの函数に依存し、そのひとつとして燃焼器に加えられる燃料の量がある。中心ガス流れと呼ばれている燃焼生成物及び未燃空気は、それからエンジンを駆動し、エンジンスラストを発生せしめる。
【０００３】
多くの場合において、タービンは幾つかの段落を包含し、各段落はロータ組立体と少なくともひとつの静翼装置とを有する。中心ガス流れがロータ組立体を回転させ、これによりロータ組立体がエンジンの特定場所で仕事をすることができる。静翼装置は、前方のロータ組立体と後方のロータ組立体との間に設けられて、ロータ組立体に入る又はロータ組立体を出る中心ガス流れを案内する。
【０００４】
航空機の所定高度の定常状態の下では、エンジンの出力設定は燃焼器に注入される燃料の特定流量と相互に関係がある。燃焼する燃料の量に対して発生するスラストのレベルは当該出力設定におけるエンジンの“スラスト燃料消費率”と呼ばれている。他方、過渡時、エンジンが第１の定常状態出力設定から第２の定常状態出力設定に加速されたときには、追加の燃料がスラストの同一レベルを維持するために要求される。したがって、エンジンのスラスト燃料消費率及びエンジンの効率が減少する。
【０００５】
エンジン効率の減少の主たる原因は、エンジン内の異なる熱膨張、例えば複数のタービンロータ組立体のブレードチップとこれらのタービンロータ組立体を囲繞するシュラウドとの間の異なる熱膨張にある。ロータ組立体のブレードチップとシュラウドとの間を通過することが許される中心ガス流れは、ロータ組立体を回転させず、それ故タービン内でロータ組立体が行う仕事を増大させるものではない。この好ましくない過剰な隙間は、急速な加速中に多く生ずるものである。他方、過度の減速では、シュラウドがロータブレードよりも一層速く収縮することを生じさせ、ロータブレードとシュラウドとの間に干渉を生じさせる可能性がある。したがって、性能のためにブレードチップとシュラウドとの間の隙間を最小にすることと、ロータ組立体及びシュラウドの熱膨張及び収縮に適応するように十分に隙間を維持することとは、相反する関係にあるものである。
【０００６】
ガスタービンエンジンにより駆動される曲芸用航空機は、エンジンの出力設定の変化に迅速に応答できるエンジンを要求する。最大許容変化を決定する方法は異なるけれども、出力設定の変化は、典型的にエンジンの燃料流量を変えることにより行われる。ある制御方法においては、タービンエンジンにより発生させられる出力はエンジンのタービン内の中心ガス流れ温度によって制限される。この中心ガス流れ温度は、タービン構成機器がその有効寿命を許容レベル以下に減ずるような温度にさらされるのを除去するための制限函数として用いられる。燃料流量及びそれ故発生するスラストは、タービン温度制御方法の下では、最大タービン温度に達するまで増大することができる。
【０００７】
しかし、このような解決法の欠点は、最大使用可能スラストを過渡段階中使用できないことである。例えば、過度の加速中、最大許容タービン温度に達するまで燃料流量は急激に増大する。しかしながら、最大許容温度に達するまでの時間の長さは、ロータ組立体の熱膨張がシュラウドの熱膨張に追いつくまでの時間の長さよりも短かいものである。その結果として、シュラウドとロータブレードチップの間の隙間は増大する。そして、これにより生じる効率の低下は、エンジンが定常状態（この時間で最大使用可能スラストが生じる）に達するまで、使用スラストを減少させる。最大出力を命令した時間と最大出力が使用可能となる時間との間の時間長さは、性能の遅れを表す。当業者であれば、最大出力が使用可能となることが遅れることは、曲芸用航空機にとって非常に不利なことであることを認識されよう。
【０００８】
このような好ましくない遅れを除去するために、他の制御方法は空気入口とタービン排気口とにわたる圧力差を利用して、出力設定の最大許容変化を制限するようにしている。すなわち、燃焼器の燃料流量を増大すると、タービン排気口の圧力及びそれ故圧力差もまたほぼ直ぐに増大する。その結果として、最大使用可能スラストはほぼ直ぐに使用可能となる。しかし、この解決法の欠点は、過渡時最大出力に関連する所望圧力差がタービンの中心ガス流れ温度をタービン構成機器の所望有効寿命に関連する最大使用温度以上に増大させることである。実際の温度が最大使用可能温度を越える範囲及びこのような状態にさらされる時間は、タービンが過渡状態から定常状態に変わる速度に依存する。したがって、タービン構成機器の性能及び寿命はともにタービンロータ組立体及びシュラウドの熱膨張特性に依存する。
【０００９】
【発明の開示】
本発明は、以上述べた事情に鑑みなされたものである。したがって、本発明は、ロータ組立体のブレードチップとロータ組立体のシュラウドとの間のシールを改良するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、ロータ組立体の熱膨張に適応するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、タービンエンジンの効率を増大するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、ロータ組立体の耐久性を増大するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１３】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、ケース内に設けられたロータ組立体用シュラウドが提供される。このシュラウドは、サスペンション装置と、制御リングと、ブレード外側空気シールとを包含する。サスペンション装置は、制御リングとケースとの間に設けられている。制御リングは、本体と、第１の取付け装置とを包含する。ブレード外側空気シールは、第２の取付け装置を包含する。そして、第１及び第２の取付け装置が協同して、ブレード外側空気シールを制御リングに固定する。
【００１４】
本発明の一態様によれば、制御リングの本体は第１の熱区域と第２の熱区域とを包含する。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、サスペンション装置はフープとばね装置とを包含し、該ばね装置は複数の片持ちばりを有し、各片持ちばりは長さと、幅と、厚さとを有する。そして、片持ちばりはフープと実質的に平行にして長さ方向に延びると共に、制御リングは片持ちばりに締結されている。
【００１６】
以上述べた本発明のひとつの利益は、ロータ組立体のブレードチップとロータ組立体のケーシングとの間のシールが改良されることである。すなわち、本発明によるシュラウドの熱応答はロータ組立体の熱応答と適合する。その結果として、熱応答の差は最小又はなくされ、一層均一な隙間が与えられる。
【００１７】
本発明の他の利益は、エンジンの効率が増大されることである。すなわち、本発明によってブレードチップとシュラウドとの間の隙間に与えられる均一性は、より小さな隙間を形成することを可能にすることにより、エンジンの効率を増大せしめる。また、本発明は、特定の隙間を一定に維持することによっても、エンジンの効率を増大せしめる。すなわち、シュラウドの熱応答はロータ組立体の熱応答と適合するので、それらの間の隙間の変化を最小又はなくすことができる。
【００１８】
本発明の更に他の利益は、ロータ組立体の耐久性が改良されることである。すなわち、本発明によれば、前述した如く、シュラウドとロータ組立体との間に一層均一な隙間を与え、したがってそれらの接触を除去する。シュラウドとロータブレードとの接触は、早期の摩耗及び破壊を生じさせるものである。また、タービン構成機器が好ましくない温度にさらされることが最小とされることから、圧力差方法により制御されるエンジンの耐久性も改良される。
【００１９】
本発明の更に他の利益は、タービン温度制御方法の下で制御されるエンジンの性能が改良されることである。すなわち、ロータ組立体の熱応答とシュラウドの熱応答とが適合することから、それらの間の隙間の変化を最小にする。したがって、中心ガス流れが許容可能な最大温度に達する時間と、ロータ組立体及びシュラウドの熱応答が均一に生じさせられる時間との間の時間長さは最小とされ、当該時間長さに関連する効率の低下も最小とされる。
【００２０】
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。
【００２１】
【発明を実施するための最良の形態】
Ｉ．装置の説明
図１を参照するに、共通の長手方向軸線１４に沿って設けられている送風機（図示せず）、圧縮機（図示せず）、燃焼器１０及びタービン１２を有するガスタービンエンジンは、タービン１２をシールするシュラウド１６を包含する。タービン１２は、前方静翼装置２０と後方静翼装置２２との間に設けられているロータ組立体１８を包含する。各静翼装置２０，２２は、内側ベーン支持体２６の外周まわりに設けられた複数のベーン２４を包含する。各静翼装置２０，２２のベーン２４は、内側ベーン支持体２６と外側ベーン支持体２８，３０との間に延びている。外側ベーン支持体２８，３０はディフューザケース３２に取付けられている。説明を明確にするために、以下、前方静翼装置２０の外側ベーン支持体２８を前方外側ベーン支持体と呼び、また後方静翼装置２２の外側ベーン支持体３０を後方外側ベーン支持体と呼ぶ。前方外側ベーン支持体２８は、図２に示されるように、複数の第１のベント穴３１と、複数の第２のベント穴３３と、第１のレッグ３５と、第２のレッグ３７とを包含する。各第１のベント穴３１の断面積は、各第２のベント穴３３の断面積よりもかなり小さい。第１のレッグ３５と第２のレッグ３７とは、ディフューザケース３２内にアニュラス３９を形成する。
【００２２】
ロータ組立体１８はディスク３６の外周まわりに設けられた複数のブレード３４を包含し、各ブレード３４は根元３８とエアフォイル４０とを包含する。ディスク３６は、ハブ４２と、リム４４と、これらの間に延びるウエブ４６とを包含する。根元３８はディスク４０のリム４４で支えられ、またエアフォイル４０は半径方向外側に延びている。各エアフォイル４０の外側半径方向表面４８は、ブレードチップと呼ばれる。
【００２３】
図２及び図３を参照するに、シュラウド１６はアニュラス４９内に、ディフューザケース３２とブレードチップ４８との間を半径方向にかつ前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間を軸方向に延びるようにして設けられている。シュラウド１６を前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間に設けることにより、両静翼装置２０，２２からシュラウド１６への荷重が最小又は除去される。シュラウド１６は、サスペンション装置５０と、制御リング５２と、ブレード外側空気シール５４とを包含する。サスペンション装置５０は、外側半径方向表面５８及び内側半径方向表面６０を有するフープ５６と、内側半径方向表面６０に取付けたばね装置６２とを包含する。サスペンション装置５０は、外側半径方向表面５８がディフューザケース３２内に圧入されることによって、ディフューザケース３２に固定されている。ばね装置６２は複数の片持ちばり６４を包含し、各片持ちばり６４は長さ６６（図３を参照）と、幅６８（図２を参照）と、厚さ７０（図２及び図３を参照）とを有する。これらの片持ちばり６４は、フープ５６の周囲に４５°ごとに、同一方向に内側半径方向表面６０から外側に延びている。各片持ちばり６４は、内側半径方向表面６０に隣接して長さ方向に延び、かつフープ５６から半径方向内向きに距離７２（図３を参照）だけ離れている。片持ちばり６４は、半径方向ばね定数（ＫR）、軸方向ばね定数（ＫA）及び周方向ばね定数（ＫC）を有するものとして説明される。これら３つのばね定数の大きさは、種々の異なる適用に適するように変えられる。最良の形態では、半径方向ばね定数は軸方向ばね定数よりも小さく、また軸方向ばね定数は周方向ばね定数よりも小さい。
【００２４】
再び図２及び図３を参照するに、制御リング５２は、外側半径方向表面７６と、内側半径方向表面７８と、前方表面８０と、後方表面８２と、ブレード外側空気シール５４（図２を参照）を取付けるための第１の取付け装置８４と、前方表面８０及び後方表面８２から外方に延びる複数のボス８６とを有する本体を包含する。端ぐり穴８８（図２を参照）が、サスペンション装置５０の片持ちばり６４と一致するように間隔を置いて、制御リング５２の外周まわりに設けられている。また、他の端ぐり穴９０が内側半径方向表面７８に設けられ、前述した端ぐり穴８８がこの端ぐり穴９０と外側半径方向表面７６との間に延びている。そして、ナット及びボルト装置７３が端ぐり穴８８に取付けられて、制御リング５２をサスペンション装置５０の片持ちばり６４に取付けている。第１の取付け装置８４は、内側半径方向表面７８から外方に延びる複数の前方フランジ９２及び後方フランジ９４を包含する。これらのフランジ９２，９４は、内側半径方向表面７８を有する“Ｕ”形のサイドウエイを形成する形状に作られ、後述するようにブレード外側空気シール５４を受け入れるための開口スロット９６を有する。
【００２５】
制御リング５２は、更に、第１の熱区域９８と、第２の熱区域１００とを包含する。これらの熱区域９８，１００は異なる速度で膨張及び収縮するように互いに異なっている。換言すれば、制御リング５２が第１の温度での定常状態の寸法から第２の温度での定常状態の寸法に変化するのに必要な時間において、第２の熱区域１００が定常状態の寸法に達する前に、第１の熱区域９８が定常状態の寸法に達するようにする。本発明においては、幾つかの特徴が２つの熱区域９８，１００に熱応答の差を生じさせるのを助長する。すなわち、これらの特徴とは、１）両熱区域が異なる幾何学的形状とされていること、２）一方の熱区域が他方の熱区域よりも一層絶縁されていること、３）両熱区域間の熱エネルギの流れを防止する装置が設けられていることである。
【００２６】
上記第１の特徴は、第１の熱区域９８を第２の熱区域１００よりもかなり薄くして相当軽く作ることによって達成される。その結果として、熱エネルギが第２の熱区域１００に浸透する時間よりも短い時間で、熱エネルギが第１の熱区域９８を浸透する。
【００２７】
図２を参照するに、上記第２の特徴は、制御リング５２の前方及び後方にそれぞれ前方防熱装置１０２及び後方防熱装置１０４を設けることによって達成される。これらの防熱装置１０２，１０４は、制御リング５２の前方表面８０及び後方表面８２の両方に沿って制御リング５２により支えられる複数のタブ（図示せず）によって制御リング５２に固定される。また、制御リング５２から外方に延びる複数のボス８６が、制御リング５２の両側で各側と各防熱装置１０２，１０４との間に隙間１０６を維持する。そして、空気又は他の絶縁物質が隙間１０６を充填する。
【００２８】
上記第３の特徴は、２つの熱区域９８，１００間の熱エネルギの流れを防止する装置１０８を設けることによって達成される。２つの熱区域９８，１００間の熱エネルギの流れを防止する、この装置１０８は、制御リング５２の前方表面８０と後方表面８２との間に延びて第１の熱区域９８と第２の熱区域１００とを分離する複数の穴１１０を包含する。また、これらの穴１１０間のテンドン１１２は２つの熱区域９８，１００間を接続する。そして、これらの穴１１０は空気又は他の絶縁物質を収容する。
【００２９】
２つの熱区域９８，１００の熱応答差は、また、第１の熱区域９８の第１の材料及び第２の熱区域１００の第２の材料として異なる熱特性を有する材料を用いることによって、生じさせることができる。
【００３０】
ブレード外側空気シール５４は、本体と、第２の取付け装置１０３とを包含する。そして、この第２の取付け装置１０３は、前述した第１の取付け装置８４の前方フランジ９２及び後方フランジ９４と協同してブレード外側空気シール５４を固定する複数のフランジ１０５を包含する。
【００３１】
ＩＩ．装置の作用
エンジンの作動中、送風機（図示せず）又は圧縮機（図示せず）から抽出された空気はディフューザケース３２を通過してシュラウド１６に入り、シュラウド１６をエンジンを通過する中心ガス流れの温度よりも低い温度に維持する。この抽出空気は、比較的冷たいものである。しかしながら、この抽出空気は送風機のみによって又は送風機と圧縮機との両方によって仕事が与えられており、それ故エンジンに入る空気よりも高い圧力及び温度とされている。この抽出空気の圧力及び温度はエンジン速度の函数である。すなわち、エンジン速度の増大は送風機及び圧縮機で空気に与えられる仕事の量を増大せしめ、それ故抽出空気の温度及び圧力を増大せしめる。反対に、エンジン速度の減少は抽出空気の仕事量を減少せしめ、それ故抽出空気の温度及び圧力を減少せしめる。したがって、抽出空気がシュラウド１６の要素をどの程度加熱又は冷却するかどうかは、エンジンの出力設定変化の指示及び出力設定の変化の大きさに依存する。
【００３２】
図２を参照するに、加速の瞬間、送風機及び／又は圧縮機の部分によって仕事を与えられて温度及び圧力が増大した空気が抽出され、その後ディフューザケース３２を通過する。それから、この抽出空気は、シュラウド１６を収容するアニュラス４９に入る前に、前方外側ベーン支持体２８に設けられている複数の第１のベント穴３１を通過する。この第１のベント穴３１の断面積は、第１のベント穴３１を横切ってかなりの圧力差を生じさせるほどに十分に小さい。そして、この圧力差によって、抽出空気は前方外側ベーン支持体２８により形成されているアニュラス３９内に比較的高速で推進させられる。ここから、抽出空気は複数の第２のベント３３を通過し、シュラウド１６を収容しているアニュラス４９に入る。この第２のベント穴３３の断面積は、第２のベント穴３３を横切って小さい圧力差を生じさせ又は圧力差を生じさせないほどに十分に大きい。したがって、第１及び第２のベント穴３１，３３は、前方外側ベーン支持体２８により形成されているアニュラス３９と協同して、ディフューザとして働き、１）ディフューザケース３２内の抽出空気とシュラウド１６を囲繞しているアニュラス４９内の抽出空気との間に圧力差を与え、また２）シュラウド１６を囲繞しているアニュラス４９に入る抽出空気の速度を減少させる。そして、抽出空気の速度を減少することにより、空気とシュラウド１６の要素との間の対流熱伝達を減少させる。
【００３３】
空気は、シュラウド１６を囲繞しているアニュラス４９内に入った後、前方防熱装置１０２及び後方防熱装置１０４によってサスペンション装置５０及び制御リング５２の第２の熱区域１００の両方から離れるように偏向させられる。防熱装置１０２，１０４は、空気と制御リング５２との間の対流熱伝達を防止する。また、防熱装置１０２，１０４は制御リング５２の前方表面８０及び後方表面８２に沿って隙間１０６を維持し、この隙間１０６に入れられている絶縁物質を保護する。
【００３４】
第１の熱区域９８に隣接するアニュラス４９に直接入る空気、又は第１の熱区域９８に向って第２の熱区域１００から離れるように偏向されたアニュラス４９内の空気は、制御リング５２の第１の熱区域９８に自由に接近する。その結果として、第１の熱区域９８は熱エネルギを比較的速い速度で主に対流により伝達する。防熱装置１０２，１０４により空気から絶縁された第２の熱区域１００、これら防熱装置１０２，１０４間の絶縁媒体、及び２つの熱区域間の熱伝達防止装置１０８は、対照的に、抽出空気から保護されて、比較的低い熱伝達率を有する。実際、熱エネルギは、主として対流により、防熱装置１０２，１０４及びボス８６又は絶縁媒体を通して、又は熱区域１０２，１０４間に延びる穴１１０間のテンドン１１２を通して、第２の熱区域１００に伝達される。テンドン１１２は熱エネルギの伝導のために２つの熱区域１０２，１０４間に最小の通路を与え、これら２つの熱区域１０２，１０４間の穴１１０内の空気又は他の絶縁物質は熱エネルギの伝導を防止する。
【００３５】
図５は、制御リングの第１の熱区域と第２の熱区域との間の熱応答の相違を示す。始動からアイドルまで、又はアイドルから最大出力まで、第１の熱区域９８は抽出ガスにより決定される定常状態温度に達する。そして、幾らかの時間経過後に、第２の熱区域１００もまた定常状態温度に達する。各熱区域が定常状態温度に達するまでの時間をどの程度にするかは、それ故特定の温度での寸法は、実際の適用のための設計規準となる。最終的には、シュラウド１６の熱応答をロータ組立体１８の熱応答と適合するようにすることであり、これによりシュラウド１６とロータ組立体１８との干渉が除去され、ブレードチップ４８とブレード外側空気シール５４との間の隙間は前述した方法の使用により最小に維持される。したがって、ロータ組立体１８のための温度／時間又は半径方向寸法／時間のグラフは、図５に示されるものと同じとなる。
【００３６】
減速の場合において、その作用は、抽出空気がシュラウド１６よりも初めからより冷たく、それ故熱吸収装置として働いて熱をシュラウド１６から取り除くこと以外は、前述した加速の場合と同じである。すなわち、加速の場合に前述した方法と同じ方法により、制御リング５２の熱区域９８，１００はシュラウド１６の収縮（膨張に対立するものとして）を遅くするように作用し、干渉状態を防止する。そして、幾らかの時間経過後に、シュラウド１６から抽出空気への熱伝達の速度の変化はほぼ零となり、シュラウド１６は定常状態温度となる。
【００３７】
ブレードの隙間制御は重要な事柄であるけれども、シュラウド１６の熱応答をロータ組立体１８の熱応答に適合させること自体によっては、ブレードチップ４８とブレード外側空気エア５４との間の適当な隙間が常に維持されることを保証するものではない。それどころか、シュラウド１６の熱特性をロータ組立体１８の熱特性に適合させることは、加熱及び冷却サイクルがシュラウド１６の外周まわりで均一になるようにさせる。しかしながら、実際上、シュラウド１６及びディフューザケース３２の加熱及び冷却は不均一であり、それ故ロータ組立体１８と同心性を欠くことが普通である。また、航空機に搭載されるガスタービンエンジンは典型的に操縦中重力にさらされる。これは、特に曲芸用航空機の場合に顕著である。重力及び静翼装置の荷重は、ディフューザケース３２及び／又はその中に取付けたブレード隙間制御装置を一時的に互いに関して円周の外に又は中心の外に付勢するものである。
【００３８】
本発明は、これらの問題を、１）外側ベーン支持体２８，３０から独立して、シュラウド１６を前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間のアニュラス４９内に取付けることにより、及び２）ばね装置６２を有するサスペンション装置５０を設けることにより、解決する。前述したように、外側ベーン支持体２８，３０から独立して、シュラウド１６を前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間のアニュラス４９内に取付けることにより、これらベーン支持体２８，３０の荷重を本発明のシュラウド１６よりもむしろディフューザケース３２に直接伝達することができる。その結果として、シュラウド１６はロータ組立体１８の均一及び不均一なたわみの両方に及び／又は荷重に一層有効に応答する。
【００３９】
サスペンション装置５０のばね装置６２は、制御リング５２及びブレード外側空気シール５４を半径方向、軸方向及び周方向に懸架することにより、均一及び不均一な荷重の両方に適応する。すなわち、制御リング５２の半径方向の膨張又は収縮は、片持ちばり６４の厚さ方向のたわみにより適応される。もし制御リング５２の半径方向の膨張又は収縮が不均一であり、又はもしディフューザケース３２が円周の外に変形させられた場合には、サスペンション装置５０の外周まわりに設けられている片持ちばり６４がブレードチップ４８とブレード外側空気シール５４との間の隙間の偏心作用を最小又は除去するのに適当な位置にたわむ。図４は、均一及び不均一な荷重を許容するばね装置６２の半径方向ばね成分（ＫR）の周方向分配を示す。
【００４０】
ディフューザケース３２のゆがみによって、又は重力によってシュラウド１６に与えられた軸方向の力は片持ちばり６４の幅方向のたわみにより適応される。また、片持ちばり６４の幅方向のたわみはブレード外側空気シール５４を適所に維持する偏倚力を与える。後方外側ベーン支持体シール装置１１６とブレード外側空気シール５４との間の締まりばめは、前方の軸方向力を制御リング５２に加え、制御リング５２は片持ちばり６４によって耐えられる。図４は、また、均一又は不均一な荷重を許容するばね装置６２の軸方向ばね成分（ＫA：図４の紙面に対して垂直方向に示される）の周方向分配を示す。
【００４１】
制御リング５２に作用する周方向力は、片持ちばり６４の長さ方向たわみにより適応される。サスペンション装置５０の両側に設けられている片持ちばり６４は、周方向力がシュラウド１６に加えられたときに制御リング５２がロータ組立体１８と同心のままであることを保証する。航空機の操縦中、シュラウド１６はパイロットによりなされた操縦に応答する特定の方向の重力荷重を受ける。サスペンション装置５０の外周まわりの片持ちばり６４の均一な分配は、図４に図式的にみることができるように、少なくともふたつの片持ちばり６４が、重力の方向と無関係に、制御リング５２を一方では圧縮の状態でまた他方では伸張の状態で支持する。
【００４２】
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、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よう。例えば、シュラウド１６のサスペンション装置５０は、前述した最良の形態において、８つの片持ちばり６４を有するものとされている。しかしながら、これに代えて、８つ以上又はそれ以下の片持ちばり６４とすることができる。また、他の例として、ばね装置６２は、前述した最良の形態において、サスペンション装置５０に取付けられている。しかしながら、これに代えて、制御リング５２に取付けられたばね装置６２、又は制御リング５２とディフューザケース３２との間に独立して設けられたばね装置６２を有することも利益のあることである。更に他の例として、２つの熱区域９８，１００間の熱エネルギの流れを防止する装置１０８は、前述した最良の形態において、制御リング５２の前方表面８０と後方表面８２との間に延びる複数の穴１１０とされている。しかしながら、これに代えて、上記装置は２つの熱区域間に固定された絶縁材料とすることができる。更に他の例として、前方外側ベーン支持体２８は、前述した最良の形態において、穴３１，３３を包含し、シュラウド１６を囲繞するアニュラス４９に入る抽出空気のためのディフューザとして働くことができるアニュラス３９を形成している。しかしながら、これに代えて、前方外側ベーン支持体から独立するディフューザを有することも利益あることである。
【００４３】
最後に、前述した本発明の最良の形態はガスタービンエンジン部のロータ組立体１８を囲繞するシュラウド１６を例にして詳述されている。しかしながら、これに代えて、シュラウド１６は、また、ガスタービンエンジンの圧縮機部に設けられているロータ組立体、又はロータ組立体とシュラウドとの間のシールの臨界場所の高温の流体流れにさらされる他のロータ組立体の外周まわりに設けられているシュラウドであってもよいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例を示す、ガスタービンエンジンのタービン部の断面図である。
【図２】図１のＩＩ部を拡大して、シュラウドを詳細に示す図である。
【図３】上記シュラウドの一部分の斜視図である。
【図４】上記シュラウドのサスペンション装置を図式的に示す図である。
【図５】上記シュラウドの制御リングの第１の熱区域及び第２の熱区域における熱応答対時間の差を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ タービン
１４ 長手方向軸線
１６ シュラウド
１８ ロータ組立体
２０ 前方静翼装置
２２ 後方静翼装置
２４ ベーン
２６ 内側ベーン支持体
２８ 前方外側ベーン支持体
３０ 後方外側ベーン支持体
３１ 第１のベント穴
３２ ディフューザケース
３３ 第２のベント穴
３４ ブレード
３５ 第１のレッグ
３６ ディスク
３７ 第１のレッグ
３８ 根元
４０ エアフォイル
４２ ハブ
４４ リム
４６ ウエブ
４８ 外側半径方向表面又はブレードチップ
５０ サスペンション装置
５２ 制御リング
５４ ブレード外側空気シール
５６ フープ
５８ 外側半径方向表面
６０ 内側半径方向表面
６２ ばね装置
６４ 片持ちばり
６６ 長さ
６８ 幅
７０ 厚さ
７２ 離れ距離
７６ 外側半径方向表面
７８ 内側半径方向表面
８０ 前方表面
８２ 後方表面
８４ 第１の取付け装置
８６ ボス
８８ 端ぐり穴
９０ 端ぐり穴
９２ 前方フランジ
９４ 後方フランジ
９６ 開口スロット
９８ 第１の熱区域
１００ 第２の熱区域
１０２ 前方防熱装置
１０３ 第２の取付け装置
１０４ 後方防熱装置
１０５ フランジ
１０６ 隙間
１０８ 熱エネルギの流れを防止する装置
１１０ 穴
１１２ テンドン
１１６ 後方外側ベーン支持体シール装置
【発明の技術分野】
本発明は、一般にはタービンエンジンロータ組立体に関し、より詳細には、ブレード外側チップシール装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
典型的なガスタービンエンジンは、共通の長手方向軸線に沿って設けられた送風機、燃焼器及びタービンを包含する。送風機部及び圧縮器部はエンジンに吸入する空気に仕事を与え、該空気の圧力及び温度を増大させる。そして、燃料が燃焼器でこの仕事を与えられた空気に加えられて燃焼させられる。燃焼の結果として、中心ガス流れの温度は増大する。この温度増大の大きさは幾つかの函数に依存し、そのひとつとして燃焼器に加えられる燃料の量がある。中心ガス流れと呼ばれている燃焼生成物及び未燃空気は、それからエンジンを駆動し、エンジンスラストを発生せしめる。
【０００３】
多くの場合において、タービンは幾つかの段落を包含し、各段落はロータ組立体と少なくともひとつの静翼装置とを有する。中心ガス流れがロータ組立体を回転させ、これによりロータ組立体がエンジンの特定場所で仕事をすることができる。静翼装置は、前方のロータ組立体と後方のロータ組立体との間に設けられて、ロータ組立体に入る又はロータ組立体を出る中心ガス流れを案内する。
【０００４】
航空機の所定高度の定常状態の下では、エンジンの出力設定は燃焼器に注入される燃料の特定流量と相互に関係がある。燃焼する燃料の量に対して発生するスラストのレベルは当該出力設定におけるエンジンの“スラスト燃料消費率”と呼ばれている。他方、過渡時、エンジンが第１の定常状態出力設定から第２の定常状態出力設定に加速されたときには、追加の燃料がスラストの同一レベルを維持するために要求される。したがって、エンジンのスラスト燃料消費率及びエンジンの効率が減少する。
【０００５】
エンジン効率の減少の主たる原因は、エンジン内の異なる熱膨張、例えば複数のタービンロータ組立体のブレードチップとこれらのタービンロータ組立体を囲繞するシュラウドとの間の異なる熱膨張にある。ロータ組立体のブレードチップとシュラウドとの間を通過することが許される中心ガス流れは、ロータ組立体を回転させず、それ故タービン内でロータ組立体が行う仕事を増大させるものではない。この好ましくない過剰な隙間は、急速な加速中に多く生ずるものである。他方、過度の減速では、シュラウドがロータブレードよりも一層速く収縮することを生じさせ、ロータブレードとシュラウドとの間に干渉を生じさせる可能性がある。したがって、性能のためにブレードチップとシュラウドとの間の隙間を最小にすることと、ロータ組立体及びシュラウドの熱膨張及び収縮に適応するように十分に隙間を維持することとは、相反する関係にあるものである。
【０００６】
ガスタービンエンジンにより駆動される曲芸用航空機は、エンジンの出力設定の変化に迅速に応答できるエンジンを要求する。最大許容変化を決定する方法は異なるけれども、出力設定の変化は、典型的にエンジンの燃料流量を変えることにより行われる。ある制御方法においては、タービンエンジンにより発生させられる出力はエンジンのタービン内の中心ガス流れ温度によって制限される。この中心ガス流れ温度は、タービン構成機器がその有効寿命を許容レベル以下に減ずるような温度にさらされるのを除去するための制限函数として用いられる。燃料流量及びそれ故発生するスラストは、タービン温度制御方法の下では、最大タービン温度に達するまで増大することができる。
【０００７】
しかし、このような解決法の欠点は、最大使用可能スラストを過渡段階中使用できないことである。例えば、過度の加速中、最大許容タービン温度に達するまで燃料流量は急激に増大する。しかしながら、最大許容温度に達するまでの時間の長さは、ロータ組立体の熱膨張がシュラウドの熱膨張に追いつくまでの時間の長さよりも短かいものである。その結果として、シュラウドとロータブレードチップの間の隙間は増大する。そして、これにより生じる効率の低下は、エンジンが定常状態（この時間で最大使用可能スラストが生じる）に達するまで、使用スラストを減少させる。最大出力を命令した時間と最大出力が使用可能となる時間との間の時間長さは、性能の遅れを表す。当業者であれば、最大出力が使用可能となることが遅れることは、曲芸用航空機にとって非常に不利なことであることを認識されよう。
【０００８】
このような好ましくない遅れを除去するために、他の制御方法は空気入口とタービン排気口とにわたる圧力差を利用して、出力設定の最大許容変化を制限するようにしている。すなわち、燃焼器の燃料流量を増大すると、タービン排気口の圧力及びそれ故圧力差もまたほぼ直ぐに増大する。その結果として、最大使用可能スラストはほぼ直ぐに使用可能となる。しかし、この解決法の欠点は、過渡時最大出力に関連する所望圧力差がタービンの中心ガス流れ温度をタービン構成機器の所望有効寿命に関連する最大使用温度以上に増大させることである。実際の温度が最大使用可能温度を越える範囲及びこのような状態にさらされる時間は、タービンが過渡状態から定常状態に変わる速度に依存する。したがって、タービン構成機器の性能及び寿命はともにタービンロータ組立体及びシュラウドの熱膨張特性に依存する。
【０００９】
【発明の開示】
本発明は、以上述べた事情に鑑みなされたものである。したがって、本発明は、ロータ組立体のブレードチップとロータ組立体のシュラウドとの間のシールを改良するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、ロータ組立体の熱膨張に適応するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、タービンエンジンの効率を増大するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、ロータ組立体の耐久性を増大するロータブレード外側チップシール装置を提供することにある。
【００１３】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、ケース内に設けられたロータ組立体用シュラウドが提供される。このシュラウドは、サスペンション装置と、制御リングと、ブレード外側空気シールとを包含する。サスペンション装置は、制御リングとケースとの間に設けられている。制御リングは、本体と、第１の取付け装置とを包含する。ブレード外側空気シールは、第２の取付け装置を包含する。そして、第１及び第２の取付け装置が協同して、ブレード外側空気シールを制御リングに固定する。
【００１４】
本発明の一態様によれば、制御リングの本体は第１の熱区域と第２の熱区域とを包含する。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、サスペンション装置はフープとばね装置とを包含し、該ばね装置は複数の片持ちばりを有し、各片持ちばりは長さと、幅と、厚さとを有する。そして、片持ちばりはフープと実質的に平行にして長さ方向に延びると共に、制御リングは片持ちばりに締結されている。
【００１６】
以上述べた本発明のひとつの利益は、ロータ組立体のブレードチップとロータ組立体のケーシングとの間のシールが改良されることである。すなわち、本発明によるシュラウドの熱応答はロータ組立体の熱応答と適合する。その結果として、熱応答の差は最小又はなくされ、一層均一な隙間が与えられる。
【００１７】
本発明の他の利益は、エンジンの効率が増大されることである。すなわち、本発明によってブレードチップとシュラウドとの間の隙間に与えられる均一性は、より小さな隙間を形成することを可能にすることにより、エンジンの効率を増大せしめる。また、本発明は、特定の隙間を一定に維持することによっても、エンジンの効率を増大せしめる。すなわち、シュラウドの熱応答はロータ組立体の熱応答と適合するので、それらの間の隙間の変化を最小又はなくすことができる。
【００１８】
本発明の更に他の利益は、ロータ組立体の耐久性が改良されることである。すなわち、本発明によれば、前述した如く、シュラウドとロータ組立体との間に一層均一な隙間を与え、したがってそれらの接触を除去する。シュラウドとロータブレードとの接触は、早期の摩耗及び破壊を生じさせるものである。また、タービン構成機器が好ましくない温度にさらされることが最小とされることから、圧力差方法により制御されるエンジンの耐久性も改良される。
【００１９】
本発明の更に他の利益は、タービン温度制御方法の下で制御されるエンジンの性能が改良されることである。すなわち、ロータ組立体の熱応答とシュラウドの熱応答とが適合することから、それらの間の隙間の変化を最小にする。したがって、中心ガス流れが許容可能な最大温度に達する時間と、ロータ組立体及びシュラウドの熱応答が均一に生じさせられる時間との間の時間長さは最小とされ、当該時間長さに関連する効率の低下も最小とされる。
【００２０】
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。
【００２１】
【発明を実施するための最良の形態】
Ｉ．装置の説明
図１を参照するに、共通の長手方向軸線１４に沿って設けられている送風機（図示せず）、圧縮機（図示せず）、燃焼器１０及びタービン１２を有するガスタービンエンジンは、タービン１２をシールするシュラウド１６を包含する。タービン１２は、前方静翼装置２０と後方静翼装置２２との間に設けられているロータ組立体１８を包含する。各静翼装置２０，２２は、内側ベーン支持体２６の外周まわりに設けられた複数のベーン２４を包含する。各静翼装置２０，２２のベーン２４は、内側ベーン支持体２６と外側ベーン支持体２８，３０との間に延びている。外側ベーン支持体２８，３０はディフューザケース３２に取付けられている。説明を明確にするために、以下、前方静翼装置２０の外側ベーン支持体２８を前方外側ベーン支持体と呼び、また後方静翼装置２２の外側ベーン支持体３０を後方外側ベーン支持体と呼ぶ。前方外側ベーン支持体２８は、図２に示されるように、複数の第１のベント穴３１と、複数の第２のベント穴３３と、第１のレッグ３５と、第２のレッグ３７とを包含する。各第１のベント穴３１の断面積は、各第２のベント穴３３の断面積よりもかなり小さい。第１のレッグ３５と第２のレッグ３７とは、ディフューザケース３２内にアニュラス３９を形成する。
【００２２】
ロータ組立体１８はディスク３６の外周まわりに設けられた複数のブレード３４を包含し、各ブレード３４は根元３８とエアフォイル４０とを包含する。ディスク３６は、ハブ４２と、リム４４と、これらの間に延びるウエブ４６とを包含する。根元３８はディスク４０のリム４４で支えられ、またエアフォイル４０は半径方向外側に延びている。各エアフォイル４０の外側半径方向表面４８は、ブレードチップと呼ばれる。
【００２３】
図２及び図３を参照するに、シュラウド１６はアニュラス４９内に、ディフューザケース３２とブレードチップ４８との間を半径方向にかつ前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間を軸方向に延びるようにして設けられている。シュラウド１６を前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間に設けることにより、両静翼装置２０，２２からシュラウド１６への荷重が最小又は除去される。シュラウド１６は、サスペンション装置５０と、制御リング５２と、ブレード外側空気シール５４とを包含する。サスペンション装置５０は、外側半径方向表面５８及び内側半径方向表面６０を有するフープ５６と、内側半径方向表面６０に取付けたばね装置６２とを包含する。サスペンション装置５０は、外側半径方向表面５８がディフューザケース３２内に圧入されることによって、ディフューザケース３２に固定されている。ばね装置６２は複数の片持ちばり６４を包含し、各片持ちばり６４は長さ６６（図３を参照）と、幅６８（図２を参照）と、厚さ７０（図２及び図３を参照）とを有する。これらの片持ちばり６４は、フープ５６の周囲に４５°ごとに、同一方向に内側半径方向表面６０から外側に延びている。各片持ちばり６４は、内側半径方向表面６０に隣接して長さ方向に延び、かつフープ５６から半径方向内向きに距離７２（図３を参照）だけ離れている。片持ちばり６４は、半径方向ばね定数（ＫR）、軸方向ばね定数（ＫA）及び周方向ばね定数（ＫC）を有するものとして説明される。これら３つのばね定数の大きさは、種々の異なる適用に適するように変えられる。最良の形態では、半径方向ばね定数は軸方向ばね定数よりも小さく、また軸方向ばね定数は周方向ばね定数よりも小さい。
【００２４】
再び図２及び図３を参照するに、制御リング５２は、外側半径方向表面７６と、内側半径方向表面７８と、前方表面８０と、後方表面８２と、ブレード外側空気シール５４（図２を参照）を取付けるための第１の取付け装置８４と、前方表面８０及び後方表面８２から外方に延びる複数のボス８６とを有する本体を包含する。端ぐり穴８８（図２を参照）が、サスペンション装置５０の片持ちばり６４と一致するように間隔を置いて、制御リング５２の外周まわりに設けられている。また、他の端ぐり穴９０が内側半径方向表面７８に設けられ、前述した端ぐり穴８８がこの端ぐり穴９０と外側半径方向表面７６との間に延びている。そして、ナット及びボルト装置７３が端ぐり穴８８に取付けられて、制御リング５２をサスペンション装置５０の片持ちばり６４に取付けている。第１の取付け装置８４は、内側半径方向表面７８から外方に延びる複数の前方フランジ９２及び後方フランジ９４を包含する。これらのフランジ９２，９４は、内側半径方向表面７８を有する“Ｕ”形のサイドウエイを形成する形状に作られ、後述するようにブレード外側空気シール５４を受け入れるための開口スロット９６を有する。
【００２５】
制御リング５２は、更に、第１の熱区域９８と、第２の熱区域１００とを包含する。これらの熱区域９８，１００は異なる速度で膨張及び収縮するように互いに異なっている。換言すれば、制御リング５２が第１の温度での定常状態の寸法から第２の温度での定常状態の寸法に変化するのに必要な時間において、第２の熱区域１００が定常状態の寸法に達する前に、第１の熱区域９８が定常状態の寸法に達するようにする。本発明においては、幾つかの特徴が２つの熱区域９８，１００に熱応答の差を生じさせるのを助長する。すなわち、これらの特徴とは、１）両熱区域が異なる幾何学的形状とされていること、２）一方の熱区域が他方の熱区域よりも一層絶縁されていること、３）両熱区域間の熱エネルギの流れを防止する装置が設けられていることである。
【００２６】
上記第１の特徴は、第１の熱区域９８を第２の熱区域１００よりもかなり薄くして相当軽く作ることによって達成される。その結果として、熱エネルギが第２の熱区域１００に浸透する時間よりも短い時間で、熱エネルギが第１の熱区域９８を浸透する。
【００２７】
図２を参照するに、上記第２の特徴は、制御リング５２の前方及び後方にそれぞれ前方防熱装置１０２及び後方防熱装置１０４を設けることによって達成される。これらの防熱装置１０２，１０４は、制御リング５２の前方表面８０及び後方表面８２の両方に沿って制御リング５２により支えられる複数のタブ（図示せず）によって制御リング５２に固定される。また、制御リング５２から外方に延びる複数のボス８６が、制御リング５２の両側で各側と各防熱装置１０２，１０４との間に隙間１０６を維持する。そして、空気又は他の絶縁物質が隙間１０６を充填する。
【００２８】
上記第３の特徴は、２つの熱区域９８，１００間の熱エネルギの流れを防止する装置１０８を設けることによって達成される。２つの熱区域９８，１００間の熱エネルギの流れを防止する、この装置１０８は、制御リング５２の前方表面８０と後方表面８２との間に延びて第１の熱区域９８と第２の熱区域１００とを分離する複数の穴１１０を包含する。また、これらの穴１１０間のテンドン１１２は２つの熱区域９８，１００間を接続する。そして、これらの穴１１０は空気又は他の絶縁物質を収容する。
【００２９】
２つの熱区域９８，１００の熱応答差は、また、第１の熱区域９８の第１の材料及び第２の熱区域１００の第２の材料として異なる熱特性を有する材料を用いることによって、生じさせることができる。
【００３０】
ブレード外側空気シール５４は、本体と、第２の取付け装置１０３とを包含する。そして、この第２の取付け装置１０３は、前述した第１の取付け装置８４の前方フランジ９２及び後方フランジ９４と協同してブレード外側空気シール５４を固定する複数のフランジ１０５を包含する。
【００３１】
ＩＩ．装置の作用
エンジンの作動中、送風機（図示せず）又は圧縮機（図示せず）から抽出された空気はディフューザケース３２を通過してシュラウド１６に入り、シュラウド１６をエンジンを通過する中心ガス流れの温度よりも低い温度に維持する。この抽出空気は、比較的冷たいものである。しかしながら、この抽出空気は送風機のみによって又は送風機と圧縮機との両方によって仕事が与えられており、それ故エンジンに入る空気よりも高い圧力及び温度とされている。この抽出空気の圧力及び温度はエンジン速度の函数である。すなわち、エンジン速度の増大は送風機及び圧縮機で空気に与えられる仕事の量を増大せしめ、それ故抽出空気の温度及び圧力を増大せしめる。反対に、エンジン速度の減少は抽出空気の仕事量を減少せしめ、それ故抽出空気の温度及び圧力を減少せしめる。したがって、抽出空気がシュラウド１６の要素をどの程度加熱又は冷却するかどうかは、エンジンの出力設定変化の指示及び出力設定の変化の大きさに依存する。
【００３２】
図２を参照するに、加速の瞬間、送風機及び／又は圧縮機の部分によって仕事を与えられて温度及び圧力が増大した空気が抽出され、その後ディフューザケース３２を通過する。それから、この抽出空気は、シュラウド１６を収容するアニュラス４９に入る前に、前方外側ベーン支持体２８に設けられている複数の第１のベント穴３１を通過する。この第１のベント穴３１の断面積は、第１のベント穴３１を横切ってかなりの圧力差を生じさせるほどに十分に小さい。そして、この圧力差によって、抽出空気は前方外側ベーン支持体２８により形成されているアニュラス３９内に比較的高速で推進させられる。ここから、抽出空気は複数の第２のベント３３を通過し、シュラウド１６を収容しているアニュラス４９に入る。この第２のベント穴３３の断面積は、第２のベント穴３３を横切って小さい圧力差を生じさせ又は圧力差を生じさせないほどに十分に大きい。したがって、第１及び第２のベント穴３１，３３は、前方外側ベーン支持体２８により形成されているアニュラス３９と協同して、ディフューザとして働き、１）ディフューザケース３２内の抽出空気とシュラウド１６を囲繞しているアニュラス４９内の抽出空気との間に圧力差を与え、また２）シュラウド１６を囲繞しているアニュラス４９に入る抽出空気の速度を減少させる。そして、抽出空気の速度を減少することにより、空気とシュラウド１６の要素との間の対流熱伝達を減少させる。
【００３３】
空気は、シュラウド１６を囲繞しているアニュラス４９内に入った後、前方防熱装置１０２及び後方防熱装置１０４によってサスペンション装置５０及び制御リング５２の第２の熱区域１００の両方から離れるように偏向させられる。防熱装置１０２，１０４は、空気と制御リング５２との間の対流熱伝達を防止する。また、防熱装置１０２，１０４は制御リング５２の前方表面８０及び後方表面８２に沿って隙間１０６を維持し、この隙間１０６に入れられている絶縁物質を保護する。
【００３４】
第１の熱区域９８に隣接するアニュラス４９に直接入る空気、又は第１の熱区域９８に向って第２の熱区域１００から離れるように偏向されたアニュラス４９内の空気は、制御リング５２の第１の熱区域９８に自由に接近する。その結果として、第１の熱区域９８は熱エネルギを比較的速い速度で主に対流により伝達する。防熱装置１０２，１０４により空気から絶縁された第２の熱区域１００、これら防熱装置１０２，１０４間の絶縁媒体、及び２つの熱区域間の熱伝達防止装置１０８は、対照的に、抽出空気から保護されて、比較的低い熱伝達率を有する。実際、熱エネルギは、主として対流により、防熱装置１０２，１０４及びボス８６又は絶縁媒体を通して、又は熱区域１０２，１０４間に延びる穴１１０間のテンドン１１２を通して、第２の熱区域１００に伝達される。テンドン１１２は熱エネルギの伝導のために２つの熱区域１０２，１０４間に最小の通路を与え、これら２つの熱区域１０２，１０４間の穴１１０内の空気又は他の絶縁物質は熱エネルギの伝導を防止する。
【００３５】
図５は、制御リングの第１の熱区域と第２の熱区域との間の熱応答の相違を示す。始動からアイドルまで、又はアイドルから最大出力まで、第１の熱区域９８は抽出ガスにより決定される定常状態温度に達する。そして、幾らかの時間経過後に、第２の熱区域１００もまた定常状態温度に達する。各熱区域が定常状態温度に達するまでの時間をどの程度にするかは、それ故特定の温度での寸法は、実際の適用のための設計規準となる。最終的には、シュラウド１６の熱応答をロータ組立体１８の熱応答と適合するようにすることであり、これによりシュラウド１６とロータ組立体１８との干渉が除去され、ブレードチップ４８とブレード外側空気シール５４との間の隙間は前述した方法の使用により最小に維持される。したがって、ロータ組立体１８のための温度／時間又は半径方向寸法／時間のグラフは、図５に示されるものと同じとなる。
【００３６】
減速の場合において、その作用は、抽出空気がシュラウド１６よりも初めからより冷たく、それ故熱吸収装置として働いて熱をシュラウド１６から取り除くこと以外は、前述した加速の場合と同じである。すなわち、加速の場合に前述した方法と同じ方法により、制御リング５２の熱区域９８，１００はシュラウド１６の収縮（膨張に対立するものとして）を遅くするように作用し、干渉状態を防止する。そして、幾らかの時間経過後に、シュラウド１６から抽出空気への熱伝達の速度の変化はほぼ零となり、シュラウド１６は定常状態温度となる。
【００３７】
ブレードの隙間制御は重要な事柄であるけれども、シュラウド１６の熱応答をロータ組立体１８の熱応答に適合させること自体によっては、ブレードチップ４８とブレード外側空気エア５４との間の適当な隙間が常に維持されることを保証するものではない。それどころか、シュラウド１６の熱特性をロータ組立体１８の熱特性に適合させることは、加熱及び冷却サイクルがシュラウド１６の外周まわりで均一になるようにさせる。しかしながら、実際上、シュラウド１６及びディフューザケース３２の加熱及び冷却は不均一であり、それ故ロータ組立体１８と同心性を欠くことが普通である。また、航空機に搭載されるガスタービンエンジンは典型的に操縦中重力にさらされる。これは、特に曲芸用航空機の場合に顕著である。重力及び静翼装置の荷重は、ディフューザケース３２及び／又はその中に取付けたブレード隙間制御装置を一時的に互いに関して円周の外に又は中心の外に付勢するものである。
【００３８】
本発明は、これらの問題を、１）外側ベーン支持体２８，３０から独立して、シュラウド１６を前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間のアニュラス４９内に取付けることにより、及び２）ばね装置６２を有するサスペンション装置５０を設けることにより、解決する。前述したように、外側ベーン支持体２８，３０から独立して、シュラウド１６を前方外側ベーン支持体２８と後方外側ベーン支持体３０との間のアニュラス４９内に取付けることにより、これらベーン支持体２８，３０の荷重を本発明のシュラウド１６よりもむしろディフューザケース３２に直接伝達することができる。その結果として、シュラウド１６はロータ組立体１８の均一及び不均一なたわみの両方に及び／又は荷重に一層有効に応答する。
【００３９】
サスペンション装置５０のばね装置６２は、制御リング５２及びブレード外側空気シール５４を半径方向、軸方向及び周方向に懸架することにより、均一及び不均一な荷重の両方に適応する。すなわち、制御リング５２の半径方向の膨張又は収縮は、片持ちばり６４の厚さ方向のたわみにより適応される。もし制御リング５２の半径方向の膨張又は収縮が不均一であり、又はもしディフューザケース３２が円周の外に変形させられた場合には、サスペンション装置５０の外周まわりに設けられている片持ちばり６４がブレードチップ４８とブレード外側空気シール５４との間の隙間の偏心作用を最小又は除去するのに適当な位置にたわむ。図４は、均一及び不均一な荷重を許容するばね装置６２の半径方向ばね成分（ＫR）の周方向分配を示す。
【００４０】
ディフューザケース３２のゆがみによって、又は重力によってシュラウド１６に与えられた軸方向の力は片持ちばり６４の幅方向のたわみにより適応される。また、片持ちばり６４の幅方向のたわみはブレード外側空気シール５４を適所に維持する偏倚力を与える。後方外側ベーン支持体シール装置１１６とブレード外側空気シール５４との間の締まりばめは、前方の軸方向力を制御リング５２に加え、制御リング５２は片持ちばり６４によって耐えられる。図４は、また、均一又は不均一な荷重を許容するばね装置６２の軸方向ばね成分（ＫA：図４の紙面に対して垂直方向に示される）の周方向分配を示す。
【００４１】
制御リング５２に作用する周方向力は、片持ちばり６４の長さ方向たわみにより適応される。サスペンション装置５０の両側に設けられている片持ちばり６４は、周方向力がシュラウド１６に加えられたときに制御リング５２がロータ組立体１８と同心のままであることを保証する。航空機の操縦中、シュラウド１６はパイロットによりなされた操縦に応答する特定の方向の重力荷重を受ける。サスペンション装置５０の外周まわりの片持ちばり６４の均一な分配は、図４に図式的にみることができるように、少なくともふたつの片持ちばり６４が、重力の方向と無関係に、制御リング５２を一方では圧縮の状態でまた他方では伸張の状態で支持する。
【００４２】
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、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よう。例えば、シュラウド１６のサスペンション装置５０は、前述した最良の形態において、８つの片持ちばり６４を有するものとされている。しかしながら、これに代えて、８つ以上又はそれ以下の片持ちばり６４とすることができる。また、他の例として、ばね装置６２は、前述した最良の形態において、サスペンション装置５０に取付けられている。しかしながら、これに代えて、制御リング５２に取付けられたばね装置６２、又は制御リング５２とディフューザケース３２との間に独立して設けられたばね装置６２を有することも利益のあることである。更に他の例として、２つの熱区域９８，１００間の熱エネルギの流れを防止する装置１０８は、前述した最良の形態において、制御リング５２の前方表面８０と後方表面８２との間に延びる複数の穴１１０とされている。しかしながら、これに代えて、上記装置は２つの熱区域間に固定された絶縁材料とすることができる。更に他の例として、前方外側ベーン支持体２８は、前述した最良の形態において、穴３１，３３を包含し、シュラウド１６を囲繞するアニュラス４９に入る抽出空気のためのディフューザとして働くことができるアニュラス３９を形成している。しかしながら、これに代えて、前方外側ベーン支持体から独立するディフューザを有することも利益あることである。
【００４３】
最後に、前述した本発明の最良の形態はガスタービンエンジン部のロータ組立体１８を囲繞するシュラウド１６を例にして詳述されている。しかしながら、これに代えて、シュラウド１６は、また、ガスタービンエンジンの圧縮機部に設けられているロータ組立体、又はロータ組立体とシュラウドとの間のシールの臨界場所の高温の流体流れにさらされる他のロータ組立体の外周まわりに設けられているシュラウドであってもよいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例を示す、ガスタービンエンジンのタービン部の断面図である。
【図２】図１のＩＩ部を拡大して、シュラウドを詳細に示す図である。
【図３】上記シュラウドの一部分の斜視図である。
【図４】上記シュラウドのサスペンション装置を図式的に示す図である。
【図５】上記シュラウドの制御リングの第１の熱区域及び第２の熱区域における熱応答対時間の差を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ タービン
１４ 長手方向軸線
１６ シュラウド
１８ ロータ組立体
２０ 前方静翼装置
２２ 後方静翼装置
２４ ベーン
２６ 内側ベーン支持体
２８ 前方外側ベーン支持体
３０ 後方外側ベーン支持体
３１ 第１のベント穴
３２ ディフューザケース
３３ 第２のベント穴
３４ ブレード
３５ 第１のレッグ
３６ ディスク
３７ 第１のレッグ
３８ 根元
４０ エアフォイル
４２ ハブ
４４ リム
４６ ウエブ
４８ 外側半径方向表面又はブレードチップ
５０ サスペンション装置
５２ 制御リング
５４ ブレード外側空気シール
５６ フープ
５８ 外側半径方向表面
６０ 内側半径方向表面
６２ ばね装置
６４ 片持ちばり
６６ 長さ
６８ 幅
７０ 厚さ
７２ 離れ距離
７６ 外側半径方向表面
７８ 内側半径方向表面
８０ 前方表面
８２ 後方表面
８４ 第１の取付け装置
８６ ボス
８８ 端ぐり穴
９０ 端ぐり穴
９２ 前方フランジ
９４ 後方フランジ
９６ 開口スロット
９８ 第１の熱区域
１００ 第２の熱区域
１０２ 前方防熱装置
１０３ 第２の取付け装置
１０４ 後方防熱装置
１０５ フランジ
１０６ 隙間
１０８ 熱エネルギの流れを防止する装置
１１０ 穴
１１２ テンドン
１１６ 後方外側ベーン支持体シール装置
Claims (24)
- ケース内に設けられているロータ組立体用シュラウドにおいて、
内側半径方向表面、前方表面、後方表面及び前記内側半径方向表面から外へ延びる第１の取付け装置を有する本体を包含し、この本体が第１の熱区域及び第２の熱区域を包含している制御リングと、
この制御リングが取付けられ、前記制御リングを弾性的に懸架する装置と、
第２の取付け装置を有するブレード外側空気シールと、
を包含し、
前記第１及び第２の取付け装置が協同して前記ブレード外側空気シールを前記制御リングに取付け、また、前記制御リングを弾性的に懸架する前記装置が、内側半径方向表面を有して前記ケースに固定されたフープと、このフープの内側半径方向表面及び前記制御リングに取付けられたばね装置とを包含していることを特徴とするロータ組立体用シュラウド。 - 前記ばね装置が複数の片持ちばりを包含し、各片持ちばりが長さ及び厚さを有すると共に前記フープと実質的に平行にして長さ方向に延び、かつ前記制御リングが前記片持ちばりに締結されている請求項１記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記片持ちばりの各々が半径方向ばね定数、軸方向ばね定数及び周方向ばね定数を有し、前記半径方向ばね定数が前記軸方向ばね定数よりも小さいと共に、前記軸方向ばねが前記周方向ばね定数よりも小さい請求項２記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記第１及び第２の熱区域の一方が他方より異なる速度で膨張及び収縮する請求項２記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記制御リングが、更に、前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間の熱エネルギの伝達を防止する装置を包含している請求項４記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間の熱エネルギの伝達を防止する前記装置が前記制御リングの前記前方表面と前記後方表面との間に延びる複数の穴を包含し、これらの穴が前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間に位置している請求項５記載のロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面に沿って、前記第２の熱区域に隣接して設けた防熱装置を包含し、これらの防熱装置が前記第２の熱区域への又は前記第２の熱区域からの熱エネルギの伝達を防止している請求項６記載のロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記防熱装置と前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面との間に設けた絶縁装置を包含している請求項７記載のロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面から外へ延びる複数のボスを包含し、これらのボスが前記防熱装置を前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面から分離し、かつ前記絶縁装置が前記防熱装置と前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面との間に設けられている請求項８記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記制御リングが、更に、前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間の熱エネルギの伝達を防止する装置を包含している請求項１記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間の熱エネルギの伝達を防止する前記装置が前記制御リングの前記前方表面と前記後方表面との間に延びる複数の穴を包含し、これらの穴が前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間に位置している請求項１０記載のロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面に沿って、前記第２の熱区域に隣接して設けた防熱装置を包含し、これらの防熱装置が前記第２の熱区域への又は前記第２の熱区域からの熱エネルギの伝達を防止している請求項１１記載のロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記防熱装置と前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面との間に設けた絶縁装置を包含している請求項１２記載のロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面から外へ延びる複数のボスを包含し、これらのボスが前記防熱装置を前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面から分離し、かつ前記絶縁装置が前記防熱装置と前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面との間に設けられている請求項１３記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記第１及び第２の熱区域の一方が他方より異なる速度で膨張及び収縮する請求項１４記載のロータ組立体用シュラウド。
- 前記第２の熱区域が膨張及び収縮するよりも速い速度で前記第１の熱区域が膨張及び収縮し、第１の温度での定常状態の寸法から第２の温度での定常状態の寸法に前記制御リングが変化するのに必要な時間において、前記第２の熱区域が定常状態の寸法に達する前に前記第１の熱区域が定常状態の寸法に達するようにした請求項１５記載のロータ組立体用シュラウド。
- ケース内に設けられているガスタービンロータ組立体用シュラウドにおいて、
内側半径方向表面、前方表面、後方表面及び前記内側半径方向表面から外へ延びる第１の取付け装置を有する本体を包含し、この本体が第１の熱区域及び第２の熱区域を包含している制御リングと、
この制御リングが取付けられ、前記制御リングを弾性的に懸架する装置と、
第２の取付け装置を有するブレード外側空気シールと、
を包含し、
前記第１及び第２の取付け装置が協同して前記ブレード外側空気シールを前記制御リングに取付け、また、前記制御リングを弾性的に懸架する前記装置が、内側半径方向表面を有して前記ケースに固定されたフープと、このフープの内側半径方向表面及び前記制御リングに取付けられたばね装置とを包含していることを特徴とするガスタービンロータ組立体用シュラウド。 - 前記ばね装置が複数の片持ちばりを包含し、各片持ちばりが長さ及び厚さを有すると共に前記フープと実質的に平行にして長さ方向に延び、かつ前記制御リングが前記片持ちばりに締結されている請求項１７記載のガスタービンロータ組立体用シュラウド。
- 前記片持ちばりの各々が半径方向ばね定数、軸方向ばね定数及び周方向ばね定数を有し、前記半径方向ばね定数が前記軸方向ばね定数よりも小さいと共に、前記軸方向ばねが前記周方向ばね定数よりも小さい請求項１８記載のガスタービンロータ組立体用シュラウド。
- 前記制御リングが、更に、前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間の熱エネルギの伝達を防止する装置を包含している請求項１９記載のガスタービンロータ組立体用シュラウド。
- 前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間の熱エネルギの伝達を防止する前記装置が前記制御リングの前記前方表面と前記後方表面との間に延びる複数の穴を包含し、これらの穴が前記第１の熱区域と前記第２の熱区域との間に位置している請求項２０記載のガスタービンロータ組立体用シュラウド。
- 更に、前記制御リングの前記前方表面及び前記後方表面に沿って、前記第２の熱区域に隣接して設けた防熱装置を包含し、これらの防熱装置が前記第２の熱区域への又は前記第２の熱区域からの熱エネルギの伝達を防止している請求項２１記載のガスタービンロータ組立体用シュラウド。
- ブレード外側空気シールをケースに弾性的に懸架する装置において、
前記ブレード外側空気シールを取付ける装置を有する制御リングと、
内側半径方向表面を有して前記ケースに固定されたフープと、
このフープの内側半径方向表面及び前記制御リングに取付けられた複数の片持ちばりと、
を包含し、各片持ちばりが長さ及び厚さを有すると共に前記フープと実質的に平行にして長さ方向に延び、かつ前記制御リングが前記片持ちばりに締結されていることを特徴とする、ブレード外側空気シールをケースに弾性的に懸架する装置。 - 前記片持ちばりの各々が半径方向ばね定数、軸方向ばね定数及び周方向ばね定数を有し、前記半径方向ばね定数が前記軸方向ばね定数よりも小さいと共に、前記軸方向ばねが前記周方向ばね定数よりも小さい請求項２３記載のブレード外側空気シールをケースに弾性的に懸架する装置。
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