JP4124552B2

JP4124552B2 - 高圧コンプレッサの固定子

Info

Publication number: JP4124552B2
Application number: JP2000154077A
Authority: JP
Inventors: パスカル・ジエラール・ジエルベ; パスカル・ミシエル・ダニエル・ルジユヌ; カルメン・ミロクール; ジヤツキー・セルジユ・ノデ; パトリス・シユエ; モニク・アンドレ・トール
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: US6390771B1; EP1059420A1; DE60016505D1; FR2794816A1; FR2794816B1; EP1059420B1; DE60016505T2; JP2001012396A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの高圧コンプレッサに適用可能な均一な構造を有する固定子に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービンエンジンの回転子と固定子の構造は、しばしば、機械を通じて流れる流れから引き出される空気によって冷却あるいは通気される。二重の通気が２つの空気吸引源とともに使用されるか、あるいは、固定子と回転子とが更に上流側で最初に通気された後に、固定子および回転子の下流側セクションが通気される。下流側通気のために引き出された空気は、既に空気が圧縮された機械の部分から生じる。これにより、上流側の通気空気よりも高い温度に空気が加熱される。羽根の端部で遊びが過度に増大しないように、固定子および回転子の径を正確に設定するという一般的な問題は、通気状態が不均一であるため、解決することが非常に難しい。遊びが過度に増大すると、空気漏れが増大し、効率損失が大きくなる。逆に、遊びを無くすと、回転羽根が固定子に擦れつく。これらの状態は、２つの通気源にそれぞれ晒されるセクション間で、異なった温度および熱膨張を形成する。コンプレッサに近接して配置されるセクションを有する機械の様々なセクションは、それらが通気空気もしくはガス流ノズルの高温空気の近くにあるかどうかに応じて、異なる温度に加熱され、これにより、他の問題が生じる。セクションが異なる温度に加熱されると、固定子内に等しくない膨張、変形、応力が生じる。速度変化の局面時に前記問題が局部的に深刻となるような所定の領域で温度変化が急速に大きくなる。これらの状態下で十分に満足し得る構造はまだ知られていない。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、通気領域の接合点の両側で固定子の構造部分が分割されるとともに、上流通気部に晒されるセクションと下流側通気に晒されるセクションとの間で固定子が異なるように構成される。最も一般的な形態において、本発明は、空気の上流側通気と上流側通気よりも高温の下流側通気とが与えられるコンプレッサの固定子から成る。また、固定子は、ガス流ノズルを取り囲むシュラウドを備えている。また、上流側通気に晒されるシュラウドの第１のセクションと、下流側通気に晒されるシュラウドの第２のセクションとを備え、前記第１のセクションは、全周にわたって切れ目がない環状の構造体を有するとともに、第１の材料によって形成され、また、この第２のセクションは、互いに並んで配置され、第１の材料の膨張係数よりも高い膨張係数をもつ第２の材料によって形成された円弧状のセクタを備えることを特徴とする。
【０００４】
第１の材料は、ＴＡ６Ｖ、チタン合金、ＩＮＣ０９０９、ＴｉＡＬ、１０×１０^−６ｍ／℃よりも小さい平均線膨張係数をもつ同様の金属間化合物のような膨張係数が低い材料の中から選択され、第２の材料は、ＩＮＣ０７１８またはこれと同様のニッケル合金、ＲＥＮＥ７７、約１５×１０^−６ｍ／℃の平均線膨張係数をもつ誘導体（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ）のような膨張係数が高い材料の中から選択される。
【０００５】
本発明の詳細、特徴、目的、利点について、以下、図面を参照しながら説明する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１に示されるような高圧コンプレッサは、シャフト２のラインによって駆動される中央の回転子１を備えている。回転子１は、複数のリング４から成る流線型のエンベロープ３によって構成されている。複数のリング４は、互いに並列に配置されているとともに、複数の可動羽根６のステージと直角な複数のディスク５によって分けられている。固定子７が回転子１を取り囲んでいる。固定子７は、本体８の内部に、本発明に係るセクション９を備えている。このセクション９は、支持ケーシング１０とシュラウド１１とによって構成されている。シュラウド１１は、ケーシング１０によって支持され、回転子１の方へ向けられるとともに、環状のガス流ノズル（ジェットまたは噴出口）１２を形成している。可動羽根６のステージと固定羽根１３のステージは、ガス流を整流するため、ガス流ノズル１２に配置されている。固定羽根のステージは、シュラウド１１に連結されるとともに、可動羽根のステージと互い違いに配置されている。一般に、回転子１のエンベロープ３の前方に配置された固定羽根１３の端部は、連結リング１４を支持している。連結リング１４には、ハニカム構造を有し、或いはより一般的には容易に侵食される「アブレイダブル」と呼ばれる材料から成る環状のストリップ１５が設けられている。この構造は、対向するエンベロープ３から直立するリブ１６によってえぐられ、このリブ１６とともに気密なラビリンスシールを構成する。しかしながら、可動羽根６の端部は、どの構成要素にも嵌合しておらず、シュラウド１１に近接して終端している。
【０００７】
固定子７の内部セクション９には切れ目（不連続部）が存在している。この切れ目は、ノズル１２から空気を引き出すための開口を形成している。これらの開口は図中に１７、１８で示されている。また、これらの開口は、セクション９と本体８との間に配置されたチャンバ１９、２０にそれぞれ開口している。主に、ケーシング１０を通気してケーシング１０を所定の温度および熱膨張にするために、ノズル１２から引き出された空気はこれらのチャンバを通じて流される。また、回転子１の内側は、まず、回転子１の上流側に配置され且つエンベロープ３を貫通する孔２１を通じて通気される。チャンバ１９内に入り込む空気と略同じ温度の冷却空気が、この孔２１を通じて引き込まれ、第２の開口１８と略直角にエンベロープ３を貫通する他の孔２２によって引き出される。チャンバ１９、２０は、それらがそれぞれ前方に位置する２つの通気領域に固定子７を分割する。これらの通気領域は、セクション９を２つに分割する下流側チャンバ２０の入口開口１８の両側に配置されている。２つの通気領域は、同様な位置において、孔２２の両側で回転子１にも存在する。
【０００８】
特に、回転子１と固定子７の両者を同一の通気状態とすることによって、回転子１と固定子７の様々なセクション間の熱膨張を等しくする予防策にもかかわらず、可動羽根６とシュラウド１１との間に適度な遊びが存在するようにするだけの満足できる動作状態を達成することが極めて困難であることは、経験が証明している。この問題は、より高温の空気が循環して高温の通気状態になる下流側のセクションにおいて、より深刻となる。したがって、シュラウド１１（図２Ａおよび図３参照）は、複数のセクタ２３として構成されなければならない。セクタ２３の数は、例えば１０個であり、全周にわたって変えることができる。また、セクタ２３の長手方向の長さも変えることができる。この例は、複数のセクタ２３から成る２つの環体（サークル）を備えている。２つの環体は、固定羽根１３を支持する前側部分と、可動羽根６のステージと直角に配置された後側部分とから成る。複数のセクタ２３’から成る第３の環体も存在する。この第３の環体は、短く、可動羽根６のステージと対向する部分を備えているだけである。互いに隣り合うセクタ２３、２３’同士は柔軟性（可撓性）を有する封密タブ２４によって連結されている。封密タブ２４は、セクタの縁部に設けられた長手方向に延びる溝内に位置されている。また、封密タブ２４の両端部２５は、連続するセクタ２３、２３’から成る環体間で互いに連結されている。また、互いに隣り合うセクタは、前記溝内に設けられた他の可撓性タブ２６によって連結されている。このタブ２６は、セクタ２３、２３’の縁部に対して単に径方向或いは斜め径方向を成し、第１のタブ２４からケーシング１０に向けて延びている。このような構成は、この場所で非常に高温のノズル１２からのガスがセクタ２３、２３’間で漏れ、このガスがケーシング１０に達してケーシング１０を損傷させることを防止する場合に、有効である。特に、タブ２４、２６は、セクタ２３、２３’から成る各環体とケーシング１０に連結されたリング２８との間にある空の容積２７を断熱する。なお、容積２７を断熱材で満たすことも可能である。したがって、ケーシング１０は前側のチャンバ２０に入る空気に晒されるだけであり、一方、シュラウド１１はノズル１２からの空気に晒されるだけである。連続する複数のリング２８は、これらの終端に位置するフランジ２９を用いて、互いに連結されるとともに、本体８に対して連結されている。また、フランジ２９はボルト３０によって互いに結合されている。セクタ２３、２３’を連結して組み立てるために使用される方法は、以下の通りである。すなわち、各セクタは後部リップ３１を備えており、後部リップ３１は、後方に向かって内側に突出するとともに、径方向外側に配置されたリング２８の一方のリップ３２と、セクタ２３の前方もしくは更に下流側に配置されたリング２８の前方に位置して前方に向かうリップ３３、３３’との間で挟持されている。また、セクタ２３、２３’は、リップ３３とともに作用するもう１つの外側リップ３４を備えており、後側に向けて方向付けられたリップ３１、３２がこれらリップ３３、３４間で挟持される。セクタ２３’は、前方に１つのリップのみを備えている点が異なる。このリップ３５は、後側に向けて方向付けられており、更に前側に配置されたリング２８の溝３６内に収容されている。組み立てのこのような方法は、図２Ｂに示されるシュラウドリングを固定する標準的な構成よりも簡単である。図２Ｂに示される構成において、リップ３１、３２は、ステープル状の断面を有する別個のシール３７によって連結されるとともに、シュラウドの一部は比較的高いリブ３８を有している。このリブ３８は前方に方向付けられたリップ３９で終端するとともに、隣接するリングの溝内に収容されている。それにもかかわらず、好ましい場合には、このあまり有利でない構成を採用しても良い。どちらの構成が選ばれるとしても、ほぞ連結（ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇｔｅｎｏｎｓ）のシステム５０により、セクタ２３、２３’を角度方向でリング２８に連結することができ、多くの実施形態が当業者にとって可能となる。
【０００９】
シュラウド１１を円弧状のセクタ２３、２３’として構成すれば、ケーシング１０の温度よりも急速に高まるシュラウド１１の温度に起因して重大な応力が全周にわたって形成されることを回避できる。それにもかかわらず、シュラウド１１が受ける大きな熱膨張によって、円弧状のセクタ２３、２３’と湾曲可能な可撓性タブ２４、２６との間の遊びが減少する。したがって、シュラウド１１が不規則に変形して楕円形状や波形状になり、ひいては、可動羽根６の端部で遊びが変化し、更には、径方向の過度の膨張によってシュラウド１１がケーシング１０に擦り付けられるといった虞が回避される。セクタ２３、２３’をリング２８に連結するために使用する方法は、十分に可撓性があり、重大な応力を受けることなく変形を吸収する。構造を簡単にし且つ機械的な強度を向上させるために、リング２８は全周にわたって切れ目がないことが望ましい。また、速度変化時の加熱によってリング２８ができる限り急速に膨張するように、リング２８は、セクタ２３、２３’と同様、膨張係数が高い材料、すなわち、熱伝導が良好な材料によって形成される。回転子１が固定子７のリング２８と同じ材料によって形成されることが望ましい。ＩＮＣ０７１８や膨張係数が高い同様のニッケル合金は、コンプレッサのこの下流側のセクションのために使用できる。
【００１０】
図４および図５に示されるように、固定子７の上流側セクションは、それが受ける温度変化が僅かであることから、別の構造を有している。この領域において、ケーシング１０は、ボルト４２によって互いに連結されたリング４０を備えている。リング２８の場合と同様、ボルト４２はリング４０の端部のフランジ４１を本体８とともに挟持している。しかしながら、これらのリング４０もまた、径方向内側に延びる突出部４３、４３’を備えている。突出部４３、４３’は、空気流ノズル１２に面しており、したがって、ノズル１２の温度に晒される。２つの突出部４３は、十分に広く、可動羽根６の各ステージと対向して延びている。
【００１１】
この例において、シュラウド１１は、突出部４３、４３’と固定羽根１３の支持リング４４とによって構成されている。リング４４は、前方で終端するとともに、後方では突出部４３、４３’の溝内に入るリップ４５で終端している。ほぞ連結の機械システム４６は、リング４０を同軸なリング４４に連結し、これらリング４０、４４が相対的に回転することを防止する。下流側の設計と比較される主な相違点は、リング４０と同様にリング４４が全周にわたって切れ目がないという点である。上流側では、加熱が低く、また、ケーシング１０とシュラウド１１との温度差も低いため、両者を同じ構造とすることが簡単且つ有益であり、これにより、変形および過度の応力のリスクを低減できる。また、シュラウドに使用される材料の膨張係数は、ケーシングの下流側セクションを構成するために使用される材料のそれよりも低い。その理由は、これらの材料が受ける緩やかな膨張が、過渡的な局面時の膨張の発生に対してわずかな調整作用を有し、可動羽根の端部における遊びのより良い制御をもたらすからである。インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）９０９やこれと類似の合金、あるいは、ＴｉＡｌやこれと類似の金属間化合物が推奨される。また、この場合も、回転子１は、組み合わされる固定子のリング４０に使用される材料と同じ膨張係数を有する材料、例えばチタン合金によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの高圧コンプレッサを示す図である。
【図２Ａ】コンプレッサの固定子の下流側セクションの拡大図である。
【図２Ｂ】本発明の他の可能な実施形態に係る、図２Ａと同様の拡大図である。
【図３】コンプレッサの下流側セクションの断面図である。
【図４】コンプレッサの上流側セクションの断面図である。
【図５】本発明の上流側セクションの拡大図である。
【符号の説明】
１回転子
１０支持ケーシング
１１シュラウド
１７上流側通気
１８下流側通気
１９、２０チャンバ
２３、２３’ セクタ
２４、２６タブ
２８、４０リング
３１、３２、３４リップ
４３、４３’ 突出部

Claims

上流側通気（１７、１９）と、上流側通気よりも高温の下流側通気（１８、２０）とが備えられ、ガス流ノズル（１２）を取り囲むシュラウド（１１）を含むコンプレッサの固定子であって、上流側通気（１７）に晒されるシュラウドの第１のセクションと、下流側通気に晒されるシュラウドの第２のセクションとを備え、前記第１のセクションは、全周にわたって切れ目がない環状の構造体（４４）を有するとともに、第１の材料によって形成され、第２のセクションは、互いに並んで配置され、第１の材料の膨張係数よりも高い膨張係数をもつ第２の材料によって形成された円弧状のセクタ（２３）を備えることを特徴とするコンプレッサの固定子。
第１の材料は、ＴＡ６Ｖ、チタン合金、ＩＮＣ０９０９、ＴｉＡＬ、１０×１０^−６ｍ／℃よりも小さい平均線膨張係数をもつ同様の金属間化合物のような膨張係数が低い材料の中から選択され、第２の材料は、ＩＮＣ０７１８またはこれと同様のニッケル合金、ＲＥＮＥ７７、約１５×１０^−６ｍ／℃の平均線膨張係数をもつ誘導体のような膨張係数が高い材料の中から選択されることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
シュラウド（１１）を支持するケーシング（１０）を備え、ケーシング（１０）は、上流側通気のためのチャンバ（１９）と下流側通気のためのチャンバ（２０）とを画定し、このケーシングが、これら２つのチャンバに面して、全周にわたって切れ目のない環状の構造体（２８、４０）を有していることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
ケーシング（１０）は、シュラウドの第１のセクションに面しておよびシュラウドの第２のセクションに面して、切れ目のないアセンブリを構成するように延びるリング（２８、４０）を備えていることを特徴とする請求項３に記載の固定子。
シュラウドの第２のセクションに面するケーシングの各リングは、シュラウドの並置セクタ（２３、２３’）と端部に一対の同軸リップ（３２、３４）を主に備えたセクタ（２３）との環状の各アセンブリにそれぞれ連結され、前記リップは、隣接するアセンブリの端部対向セクタ（２３、２３’）のリップ（３１）と、隣接する環状アセンブリに連結されたケーシングのリングのリップ（３２）とを挟持することを特徴とする請求項４に記載の固定子。
シュラウドの第１のセクションに面するケーシングのリングは、固定子のリング間で延び且つノズル（１２）を形成する突出部（４３、４３’）を備え、シュラウドのリングは突出部間でかみ合わされていることを特徴とする請求項３に記載の固定子。
セクタ（２３、２３’）は可撓性タブ（２４、２６）によって連結されていることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
シュラウドの第１および第２のセクションは、回転子（１）のセクションに面して配置されるとともに、第１および第２の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固定子。