JP4156256B2 - ロータ組立体の先端間隙を維持するための方法および装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンのロータ組立体の先端間隙を維持するための方法および装置に関する。
【0002】
【発明の背景】
ガスタービンエンジンは、一般に圧縮機とロータ組立体を備えるタービンとの周りで周方向に延びるエンジンケーシングを含む。ロータ組立体は、少なくとも1列の回転ブレードを含み、該回転ブレードはブレード根元からブレード先端まで半径方向外向きに延びる。周方向の先端間隙が回転するブレード先端とエンジンケーシングの間に形成される。
【0003】
エンジンの運転中に、エンジンが発生する熱によりロータ組立体の熱膨張が生じ、先端間隙が周方向に不均一になる。その結果、ロータブレード先端とエンジンケーシングの間に偶発的な摩擦が発生する。ロータブレード先端とエンジンケーシングの間に摩擦が続くと、ロータブレードが早期に故障する原因につながる。
【0004】
エンジン性能を最適化でき、ロータブレード先端とエンジンケーシングの間の偶発的な摩擦を最小限にするために、少なくともいくつかの既知のエンジンは間隙制御装置を備えている。間隙制御装置は、エンジンケーシングに冷却空気を供給し、エンジンケーシングを熱収縮させ、ブレード先端の偶発的な摩擦を最小限にすることを可能にする。エンジンケーシングを周方向に熱的に冷却する必要があるので、間隙制御装置はエンジンの周りで周方向に連結された複数の複合ダクト装置を備える。しかしながら、エンジンは、運転中に熱収縮及び熱膨張するので、間隙制御装置もまた、シールを備えるすべり継手と支持ブラケットを複数含む。時間の経過と共に、エンジン運転中に発生する振動応力に連続して曝されることにより、すべり継手とシールの早期故障を招き、最終的に間隙制御装置の故障に至る可能性がある。
【0005】
【発明の概要】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジンは、コスト効果があり信頼性が高い方法でロータ組立体の有効寿命を延ばすことができる能動間隙制御装置を含む。エンジンは、先端間隙がロータ組立体とエンジンケーシングの間に形成されるように、ロータ組立体の周りで周方向に延びるエンジンケーシング内に入れられた、少なくとも1つのロータ組立体を含み、先端間隙がロータ組立体とエンジンケーシングの間に形成される。間隙制御装置は、互いに連結されエンジンの周りで周方向に延びる複数のパネルを含む。間隙制御装置の各パネルは、パネルと一体に形成された周方向供給ダクトを含む。隣接する周方向供給ダクトは、柔軟性のある接続ダクトにより流体連通状態で連結される。
【0006】
運転中には、間隙制御装置に冷却空気が供給される。次に冷却空気はエンジンケーシングの周りで周方向に分配される。冷却空気が導入される結果、エンジンケーシングは熱収縮し、従って、先端間隙を維持し、エンジンケーシングに対するブレード先端の偶発的な摩擦を防止し、エンジン性能を最適化することができる。その結果、間隙制御装置はコスト効果があり信頼性が高い方法でロータ組立体の有効寿命を延ばすことができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
図1は、ファン組立12と高圧圧縮機14と燃焼器16とを含むガスタービンエンジン10の概略図である。エンジン10はまた、高圧タービン18と低圧タービン20とブースタ22とを含む。ファン組立12は、ロータディスク26から半径方向外向きに延びるファンブレード24の列を含む。エンジン10は、吸気側28と排気側30とを有する。
【0008】
運転中に、空気はファンブレード24を通って流れ、加圧された空気が高圧圧縮機14に供給される。高度に加圧された空気が燃焼器16に送られる。燃焼器16からの空気流がタービン18、20を駆動し、タービン20がファン組立12を駆動する。
【0009】
図2は、間隙制御装置を備える、図1に示すガスタービンエンジン10の一部の側面図である。1つの実施形態では、ガスタービンエンジン10は、オハイオ州シンシナティのGeneral Electric Companyから市販されているGE90型エンジンである。ガスタービンエンジン10は、高圧タービン18と低圧タービン20とを備える。本技術において既知のように、タービン18、20の各々は、少なくとも1列の周方向に間隔をおいて配置されたロータブレード(図示せず)を備えるロータ組立体(図示せず)を含む。ロータブレードの各々は、根元(図示せず)から先端(図示せず)まで半径方向外向きに延びている。
【0010】
環状のエンジンケーシング46が、ガスタービンエンジン10の周りで周方向に延び、圧縮機14から燃焼器16とタービン18、20の周りに延びている。ケーシング46は、ロータブレードの半径方向外側に配置され、ブレードが回転するとき、先端間隙が、周方向にエンジンケーシング46とロータブレード先端の間に形成される。
【0011】
間隙制御装置40は、エンジンケーシング46に接続される。制御装置40は、複数のパネル52と複数の中空ダクト54とを含む。より具体的には、間隙制御装置40は、能動間隙制御装置(ACC)として知られており、以下にさらに詳細に記述するように、冷却空気をエンジン10に分配し、ロータブレード先端とエンジンケーシング46の間の先端間隙の制御を可能にする。
【0012】
ダクト54は、接続ダクト60と遷移ダクト62とを含む。以下にさらに詳細に記述するが、接続ダクト60は、時としてパネルジャンパとして知られており、エンジン周りに隣接するパネルを周方向に連結する。遷移ダクト62は、間隙制御装置を加圧された冷却空気源に流体連通状態で連結する。1つの実施形態において、冷却空気は、高圧圧縮機14(図1に示す)の段から抽出され、遷移ダクト62を介して間隙制御装置40に供給される。
【0013】
以下にさらに詳細に記述するように、間隙制御装置のパネル52の各々は、周方向供給ダクト70を含む。より具体的には、周方向供給ダクト70の各々は、各パネル52と一体に形成される。1つの実施形態では、パネル52は型成形されたステンレス鋼パネルである。パネル52はエンジン10の周りで周方向に延びるように連結される。より具体的には、パネル52はエンジン10の周りに延び、エンジンのタービンロータ組立体18、20の各々から半径方向外側に位置している。従って、パネル52の第1のセット72は高圧タービン20の周りで周方向に延び、パネル52の第2のセット74は低圧タービン18の周りで周方向に延びる。1つの実施形態では、パネル52の各セット72、74は8つの個別のパネル52を含む。セット72と74の隣接するパネルは、互いに連結される。
【0014】
運転中に、エンジン10の動作によって発生する熱によりロータ組立体の熱膨張が生じ、先端間隙が周方向に不均一(凸凹)になる。その結果、ロータブレード先端とエンジンケーシング46の間に偶発的な摩擦が発生する。しかしながら、高圧圧縮機14の1つの段から冷却空気が抽出され、遷移ダクト62を介して間隙制御装置40に供給される。次に、冷却空気は、間隙制御装置40によってエンジンケーシング46に供給され、エンジンケーシング46の周りで周方向に分配される。
【0015】
冷却空気がケーシング46中に導入されることにより、ケーシング46は熱収縮し、それにより先端間隙を維持し、エンジンケーシング46に対するブレード先端の偶発的な摩擦を防止する。つまり、間隙制御装置40は冷却空気を周方向に分配し、そのため効果的な熱伝達と半径方向の熱収縮を促進する。冷却空気が周方向に分配されるので、間隙制御装置は、実質的に均一な熱伝達を促進し、その結果、実質的に均一な先端間隙を得ることができる。
【0016】
図3は、間隙制御装置40の一部の拡大図である。より具体的には、図3は、パネル52の第2のセット74の一部の拡大図である。図4は、間隙制御装置40の部分概略図である。間隙制御パネル52の各々は、一対の側端縁84で接続された前端縁側80及び後端縁側82を含む。隣接するパネル52は、パネル52がエンジン10(図1に示す)の周りで周方向に延びるように互いに連結される。1つの実施形態では、各パネル52の側端縁84は互いにろう付けされる。
【0017】
周方向供給ダクト70の各々は、各パネルの前端縁側82とほぼ平行に延びる縦軸(図示せず)を有する。さらに、周方向供給ダクト70の各々は、2つの入口85を含む。入口85は、周方向供給ダクト70が距離86だけパネル52の外表面88から半径方向外側に位置するように、長さ86を有する。さらに、周方向供給ダクト70の各々はまた、出口90も含む。
【0018】
接続ダクト60は、周方向供給ダクト70がエンジン10の周りで周方向に流体連通状態で連結されるように、隣接するパネル52をエンジン10の周りで周方向に連結する。より具体的には、パネル52は、装置40が第1の側92と第2の側94に分割されるように互いに連結される。装置の第1の側92と第2の側94はそれぞれ入口マニホールド(図示せず)に連結される。
【0019】
接続ダクト60の各々は、各周方向供給ダクト70に連結され、隣接する周方向供給ダクトの出口90の間を延びて、各接続ダクト60が各周方向供給ダクトの出口90に流体連通状態で連結される。例示的な実施形態では、ラジエータクランプ96で各接続ダクト60を各周方向供給ダクト70に連結する。接続ダクト60は柔軟性があり、隣接する周方向供給ダクト70間の軸方向の不整合を吸収する。1つの実施形態では、接続ダクト60はシリコンで製造される。
【0020】
運転中に、冷却空気98が、高圧圧縮機14(図1に示す)の1つの段から抽出され、遷移ダクト62(図2に示す)を介して間隙制御装置40に供給される。別の実施形態では、ファンのバイパス空気が間隙制御装置40に供給される。より具体的には、冷却空気98は最初に入口マニホールドに供給され、該入口マニホールドが空気流をそれぞれ装置の第1の側92と第2の側94との間に分割する。次いで、冷却空気98は、各装置の第1の側92と第2の側94の第1のパネル100に入り、それぞれの第1のパネルの周方向供給ダクト70と入口85とを介して導かれる。冷却空気98は次に、接続ダクト60を介して各後続の隣接パネル52に供給される。
【0021】
図5はガスタービンエンジン10(図1に示す)に使用できる間隙制御装置200の別の実施形態の拡大図である。図6は、間隙制御装置200の部分概略図である。間隙制御装置200は図2、図3及び図4に示す間隙制御装置40と実質的に類似しており、間隙制御装置40の構成要素と同一の間隙制御装置200の構成要素は、図2、図3及び図4で使用したのと同一の参照符号を用いて図5及び図6において特定する。従って、間隙制御装置200は、能動間隙制御(ACC)として知られており、冷却空気をエンジン10に分配し、ロータブレード先端(図示せず)とエンジンケーシング46(図1に示す)の間の先端間隙の制御を可能にする。
【0022】
制御装置40は、複数のパネル202に流体連通状態で連結された遷移ダクト62(図2に示す)を含む。間隙制御装置のパネル202の各々は、周方向供給ダクト204を含む。より具体的には、周方向供給ダクト204の各々は、各供給ダクト204が各パネル202の外表面206に隣接するように、各パネル202と一体に形成される。1つの実施形態では、パネル202は型成形されたステンレス鋼パネルである。パネル202の各々は、一対の側端縁213で接続された前端縁側210と後端縁側212を含む。隣接するパネル202は、パネル202がエンジン10(図1に示す)の周りで周方向に延びるように互いに連結される。1つの実施形態では、各パネル202の側端縁213は互いにろう付けされる。
【0023】
周方向供給ダクト204の各々は、各パネルの前端縁側212とほぼ平行に延びる縦軸(図示せず)を有する。さらに、周方向供給ダクト204の各々は、入口214と出口216を含む。入口214と出口216の間の周方向供給ダクトは、半径方向にエンジン10中に空気を供給するプレナムとして機能する。
【0024】
複数の接続ダクト220は、周方向供給ダクト204がエンジン10の周りで周方向に流体連通状態で連結されるように、隣接するパネル202をエンジン10の周りで周方向に連結する。より具体的には、パネル202は、装置200が第1の側222と第2の側224に分割されるように互いに連結される。装置の第1の側222と第2の側224はそれぞれ入口マニホールド(図示せず)に連結される。
【0025】
接続ダクト220の各々は、各周方向供給ダクト204に連結され、周方向供給ダクトの出口216と隣接する供給ダクトの入口214の間を流体連通状態で延びる。例示的な実施形態では、ラジエータクランプ226で各接続ダクト220を各周方向供給ダクト204に連結する。接続ダクト220は柔軟性があり、隣接する周方向供給ダクト204間の軸方向の不整合を吸収する。1つの実施形態では、接続ダクト220はシリコンで製造される。
【0026】
運転中に、冷却空気98が、高圧圧縮機14(図1に示す)の1つの段から抽出され、遷移ダクト62を介して間隙制御装置200に供給される。別の実施形態では、ファンのバイパス空気が間隙制御装置200に供給される。より具体的には、冷却空気98は最初に入口マニホールドに供給され、該入口マニホールドが空気流をそれぞれ装置の第1の側222と第2の側224との間に分割する。次いで、冷却空気98は各装置の第1の側222と第2の側224の第1のパネル230に入り、それぞれの第1のパネルの周方向供給ダクト204を介してパネル202に導かれ、また供給ダクト216を介して導かれる。冷却空気98は次に、接続ダクト220を介して各後続の隣接パネル202に供給される。
【0027】
前述した間隙制御装置はコスト効果があり信頼性が高い。間隙制御装置は、パネルと一体に形成された複数の周方向供給ダクトを含む。隣接するパネルの周方向供給ダクトは、柔軟性のある接続ダクトと連結され、該接続ダクトは後続のパネルに空気流を供給する。運転中に、冷却空気がエンジンケーシング周方向に均一に分配されるので、間隙制御装置は実質的に均一な先端間隙を維持することを可能にする。その結果、この間隙制御装置は、コスト効果があり信頼性が高い方法でロータ組立体の有効寿命を延ばすことができる。
【0028】
本発明を、種々の特定の実施形態について説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想と技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガスタービンエンジンの概略図。
【図2】 間隙制御装置を備える、図1に示すガスタービンエンジンの一部の側面図。
【図3】 図2に示す間隙制御装置の一部の拡大図。
【図4】 図3に示す間隙制御装置の部分概略図。
【図5】 図1に示すガスタービンエンジンに使用できる間隙制御装置の別の実施形態の拡大図。
【図6】 図5に示す間隙制御装置の部分概略図。
【符号の説明】
10 ガスタービンエンジン
18 高圧タービン
20 低圧タービン
40 間隙制御装置
46 エンジンケーシング
52 パネル
54 中空ダクト
60 接続ダクト
62 遷移ダクト
70 周方向供給ダクト
72 パネルの第1のセット
74 パネルの第2のセット
Claims (13)
- ガスタービンエンジン(10)のための間隙制御装置(40)を組み立てる方法であって、
該エンジンがエンジンケーシング(46)と複数のロータブレードを備える少なくとも1つのロータ組立体とを含み、前記間隙制御装置が複数のパネル(52)を含んでおり、該方法は、
一体の周方向ダクト(70)を備える複数のパネルを設ける段階と、
少なくとも1つのパネルを空気源に連結する段階と、
前記間隙制御装置が前記エンジンケーシングに向けて半径方向内向きに冷却空気(98)を分配できるようにするために、前記ロータ組立体の周りで周方向に延びるように前記複数のパネルを互いに連結する段階と、
を含み、
前記複数のパネル(52)を互いに連結する前記段階が、隣接するパネルの前記周方向ダクト(70)の間に接続ダクト(60)を連結する段階をさらに含むことを特徴とする方法。 - 前記接続ダクト(60)を連結する前記段階が、柔軟性のあるシリコン製接続ダクトを各周方向ダクト(70)に連結する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のパネル(52)を設ける段階が、それぞれが少なくとも1つの入口(85)を備える複数のパネルを設ける段階をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のパネル(52)を設ける段階が、それぞれが少なくとも1つの出口(90)を備える複数のパネルを設ける段階をさらに含むことを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- ガスタービンエンジン(10)の周りに冷却空気(98)を周方向に分配するように構成された、ガスタービンエンジンのための間隙制御装置(40)であって、該間隙制御装置が該エンジンの周りで周方向に延びる複数のパネル(52)を含み、該パネルの各々が一体の周方向供給ダクト(70)を含み、
前記エンジン(10)が少なくとも1列のロータブレードを含み、前記間隙制御装置が、隣接するパネルの周方向供給ダクト(70)を連結するように構成された複数の接続ダクト(60)をさらに含むことを特徴とする装置。 - 前記接続ダクト(60)が、柔軟性のあるシリコン製ダクトを含むことを特徴とする、請求項5に記載の間隙制御装置(40)。
- 前記接続ダクト(60)の各々が、前記周方向供給ダクト(70)の各々に固定されることを特徴とする、請求項5に記載の間隙制御装置(40)。
- 複数のロータブレードを備えるロータ組立体を含むガスタービンエンジン(10)であって、
前記ロータ組立体の周りで周方向に延びるエンジンケーシング(46)と、
該エンジンケーシングを通して該エンジンの周りで周方向に冷却空気(98)を分配するように構成された間隙制御装置(40)と、を含み、
該間隙制御装置が該エンジンの周りで周方向に延びる複数のパネル(52)を含み、該パネルの各々が一体の周方向供給ダクト(70)を含み、
前記間隙制御装置(40)が、前記エンジンケーシング(46)に向けて半径方向内向きに冷却空気(98)を供給できるようにさらに構成され、
前記間隙制御装置( 40 )が、隣接するパネルの前記周方向供給ダクト( 70 )を連結するように構成された複数の接続ダクト(60)をさらに含むことを特徴とするガスタービンエンジン(10)。 - 前記間隙制御装置(40)が、前記接続ダクト(60)の各々を前記周方向供給ダクト(70)に連結するように構成された複数のクランプ(96)をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載のガスタービンエンジン(10)。
- 前記間隙制御装置(40)の前記接続ダクト(60)が、柔軟性のあるシリコン製ダクトを含むことを特徴とする、請求項8に記載のガスタービンエンジン(10)。
- 前記パネル(52)の各々が、少なくとも1つの入口(85)を含むことを特徴とする、請求項8に記載のガスタービンエンジン(10)。
- 前記パネル(52)の各々が、少なくとも1つの出口(90)をさらに含むことを特徴とする、請求項8に記載のガスタービンエンジン(10)。
- 前記間隙制御装置の複数のパネル(52)が8つのパネルを含み、前記間隙制御装置が、前記エンジンケーシング(46)と前記ロータブレードの間に冷却空気(98)を供給するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項8に記載のガスタービンエンジン(10)。
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