JP4393797B2 - 圧縮機の抽気ケース - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはターボ機械用のケース構造体に関し、より具体的には、抽気流装備を含むケースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、加圧された空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、空気は燃料と混合され点火されて、高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流に向かって１つ又はそれ以上のタービンに流れ、該タービンは、ガスからエネルギーを取り出し、圧縮機に動力を供給し、また飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行う。圧縮機は、一般的に多数の段を含み、該多数の段の各々は、固定ステータベーンの列とロータに固定された圧縮機ブレードの隣接する列とを含む。１つ又はそれ以上の段からの加圧された空気の一部分は、タービンセクションの冷却、機体の加圧、氷結の防止、又は他の用途のために取り出されることができる。
【０００３】
内側及び外側ケースを含むケース組立体が、圧縮機ロータを囲む。大量の抽出空気を取り出すために、環状の抽気スロットが、外側ケースと内側ケースとの間に形成される。内側ケースは、ロータほど質量が大きくなく、また加圧され加熱された空気中に浸されている。従って、内側ケースは、急速な熱応答性をもち、つまり、空気流の温度が変化したときロータより急速に膨張又は収縮する。このことが、推力ドループ及び擦過として知られている現象を生じさせ、この現象により効率の低下及びエンジン損傷の可能性を引き起こす。従来技術による解決法は、内側及び外側ケースを互いにしっかりと締結して内側ケースにより良好な支持を与えようとするものであった。しかしながら、従来技術による設計は、片持ち梁状のシュラウドセクションを含み、このシュラウドセクションが１つ又はそれ以上のブレード段を囲む内側ケースの部分において望ましくない半径方向の動きをするようになる。
【特許文献１】
特開昭６２−１５３５０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、熱応答性が減少した圧縮機の抽気ケースに対する必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の必要性は、環状の外側ケースと内側ケースとを含む抽気ケース組立体を提供する本発明により満たされる。内側ケースは、半径方向内面と対向する半径方向外面を有する環状のシュラウド部分と該半径方向外面から半径方向外向きに延びるほぼ平らなフランジとを含む。フランジは、該フランジを貫通して形成された円周方向配列の抽気開口を備える。フランジは、内側ケースの熱応答性を減少させるように外側ケースに取付けられる。
【０００６】
本発明及び従来技術に優るその利点は、付属の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付した特許請求の範囲を読めば明らかになるであろう。
【０００７】
本発明と見なされる主題は、本明細書の冒頭部分に具体的に指摘されかつ明確に請求されている。しかしながら、本発明は、付属の図面に関連してなされた以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面において様々な図を通して同一の参照符号は同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１は、従来技術による圧縮機組立体１０を示す。圧縮機組立体１０は、軸方向に交互に配置された多数のロータ段１２及びステータ段１４を備える。各ロータ段１２は、回転ディスク又はスプール（図示せず）に取付けられた円周方向配列の圧縮機ブレード１６を含む。各ステータ段１４は、ケース組立体２０に取付けられた円周方向配列の固定ステータベーン１８を含む。
【０００９】
ケース組立体２０は、圧縮機組立体１０のロータ段１２を囲む。ケース組立体２０は、環状の半径方向に延びる部分２６により互いに接合された環状の外側ケース２２及び環状の内側ケース２４を備える。環状の抽気スロット２８が、外側ケース２２の後方に面する壁面３０と内側ケース２４の前方に面する壁面３２との間に形成される。抽気スロット２８は、作動ガス流路３４からの加圧された空気流の一部分を受けて、それをプレナム３６に流すのに役立つ。内側ケース２４は、作動ガス流路３４の外側境界を形成し、圧縮機ブレード１６の先端４０に対するシール面を形成する半径方向内側流路面３８を有する。効率的な作動のために、ケース組立体２０は、圧縮機ブレード１６の先端４０と内側ケース２４の流路面３８との間に、図１にＣと示される一様に小さい半径方向の隙間を作るように公知の方法で設計される。半径方向隙間Ｃの相対的寸法は、図示の目的のために誇張されている。
【００１０】
この従来技術による設計では、抽気スロット２８の直ぐ後方にある内側ケース２４の部分が、ケース組立体２０の半径方向に延びる部分２６から片持ち梁状に支持されている。エンジン運転中に例えば高出力設定に向けてエンジン出力レバーを急速移動させるのに応答して、空気流の温度が突然上昇した場合、内側ケース２４は、ロータ１２よりも急速に膨張し、流路面３８と圧縮機ブレード１６の先端４０との間の半径方向隙間Ｃを増大させる。このことは、圧縮機ブレード１６の下流側からのより高圧の空気の逆流を許すことになり、圧縮機１０の効率及び失速マージンを低下させる。
【００１１】
逆に、例えば、低出力設定に向けてエンジン出力レバーを急速移動させるのに応答して、空気流の温度が突然低下した場合、内側ケース２４は、ロータ１２よりも急速に収縮する。このことは、流路面３８と圧縮機ブレード１６の先端４０との間の半径方向隙間Ｃを減少させ、この両者間に、「擦過」として知られる接触を生じさせることになり、この接触により、構成部品を損傷させるか又は流路面３８上に配置されることができる何らかのアブレイダブル材料４２を極度に摩耗させる可能性がある。このことにより、半径方向隙間Ｃがその意図した寸法以上に増大することになる。
【００１２】
図２は、本発明によって構成された例示的な圧縮機の抽気ケース組立体４６を組み込んだ圧縮機組立体４４を示す。抽気ケース組立体４６の基本的な構成部品は、外側ケース４８と、内側ケース５０と、後部ケース５２とである。内側ケース５０は、環状の抽気スロット５４が外側ケース４８の後部壁面５６と内側ケース５０の第１シュラウド部分６０の前部壁面５８との間に形成されるように、外側ケース４８から軸方向に間隔を置いて配置される。外側ケース４８は、従来技術の外側ケース２２と類似した環状の構造体であり、この環状の構造体は、圧縮機の段１２の一部を囲み、また複数の段１４のステータベーン１８に対する取付け位置を形成する。外側ケース４８は、軸方向により短く、抽気スロット５４の軸方向位置とほぼ整列する後部フランジ６２を有するという点で従来技術の外側ケース２２とは異なる。
【００１３】
後部ケース５２は、軸方向に延びるアーム６４及び半径方向に延びるアーム６６を有する環状の構成部品であり、これらアームは結合されてほぼＬ字状の断面を形成する。軸方向に延びるアーム６４の前端部６８は、該前端部に取付けられた第１の半径方向に延びるフランジ７０を有し、また軸方向に延びるアーム６４の後端部７２は、該後端部に取付けられた第２の半径方向に延びるフランジ７４を有する。フランジ７０及び７４の各々は、複数のボルト孔７６を備える。環状で軸方向に延びる第２シュラウド部分７８が、半径方向に延びるアーム６６の半径方向内端部８０に配置される。円周方向の取付け溝８２又は他の類似の構造が、第２シュラウド部分７８の前端部８４に形成されて、隣接するステータベーン１８の取付けレール８６を受けることができる。
【００１４】
図３及び図４は、内側ケース５０をより詳細に示す。内側ケース５０は、半径方向に面する内面９０に対向する半径方向に面する外面８８を有するほぼ円筒形の第１シュラウド部分６０を備える環状の構成部品である。この図示された実施例では、内側ケース５０は、連続した円形のリングであり、その小さなセグメントが図３に示される。しかしながら、内側ケース５０はまた、複数の円弧形セグメントを含むようにすることもできる。第１シュラウド部分５０の内面９０は、作動ガス流路３４の外側境界の一部を形成し、かつ圧縮機ブレード１６の先端４０に対するシール面を形成する。公知の種類のアブレイダブル材料４２が、内面９０上に配置されることができる。円周方向の取付け溝９２又は他の類似の構造が、第１シュラウド部分６０の後端部９４に形成されて、隣接するステータベーン１８の取付けレール９６を受ける（図２参照）ことができる。前部壁面５８が、内面９０及び外面８８を接合する。前部壁面５８は、流れスクープ９８を形成するように内面９０に対して鋭角をなして配置される。
【００１５】
ほぼ平らなフランジ１００が、外面８８から半径方向外向きに延びる。円周方向配列の抽気開口１０２が、第１シュラウド部分６０に半径方向に隣接してフランジ１００を貫通して形成される。円周方向配列の取付け孔１０４が、抽気開口１０２の半径方向外側でフランジ１００を貫通して形成される。
【００１６】
再び図２を参照すると、抽気ケース組立体４６は、内側ケース５０のフランジ１００を外側ケース４８の後部フランジ６２と後部ケース５２の第１フランジ７０との間に設置することにより組み立てられる。これら３つのフランジは、図示したボルトのような複数の固締具１０６を用いて互いに固定される。内側ケース６０のフランジ１００は、抽気スロット５４の直ぐ後方のブレード列の軸方向位置と整列される。「ブレード列の軸方向位置と整列される」とは、フランジ１００の軸方向位置が、ブレード１６の前部縁と後部縁との間にくることを意味する。第１シュラウド部分６０の半径方向の膨張又は収縮が実質的に直接的な引張り又は圧縮によってフランジ１００に伝えられることになるように、該フランジ１００が設置される限り、該フランジ１００は、ブレード１６の軸方向の広がりに沿う任意の特定の位置と正確に整列される必要はない。組み立てられたとき、外側ケース、内側ケース及び後部ケースは、ステータベーン１８の列と共に、協働して環状のプレナム１０８を形成する。環状のシール１１０を、ステータベーン列１４の周りに配置して、作動ガス流路３４とプレナム１０８との間の漏洩を防止することができる。１つ又はそれ以上のポート１１２が、後部ケース５２の軸方向アーム６４に形成される。抽出空気マニホルド１１４が、ポート１１２に接続されて、プレナム１１４からの抽出空気を受けて該抽出空気を必要な位置にダクトで導くことができる。
【００１７】
運転中、圧縮され加熱された空気が、作動ガス流路３４を通って流れる。流れの一部分が、図２にＡと表示される矢印により示されるように、抽気スロット５４、抽気開口１０２及びプレナム１０８中に反らされる。例えば高出力位置又は低出力位置に向けてエンジン出力レバーを急速移動させることに応答して、空気流の温度が突然上昇又は低下した場合、内側ケース５０は、ロータ１２よりも急速に膨張又は収縮する傾向があり、従来技術の圧縮機ケースに関して上述したように、内面９０と圧縮機ブレード１６の先端４０との間の半径方向隙間Ｃを増大又は縮小させる。しかしながら、本発明においては、内側ケース５０は、シュラウド部分６０から真っ直ぐ半径方向外側に延びるフランジ１００によって、相対的により質量がありかつ堅固な外側ケース４８に対して機械的にしっかりと締結されている。この構造的配置は、内側ケース５０の半径方向の移動量を大きく減少させる。フランジ１００には、引張り又は圧縮により直接的に荷重が加わるので、片持ち梁状の支持体と組み合わされていたシュラウド部分６０の撓みが殆どないか又は全くない。このように熱応答性が減少することにより、運転状態の変化による半径方向隙間Ｃの変動が減少し、このことにより圧縮機の効率が向上し、またより精密な設計許容差が実現できるようになる。
【００１８】
以上は、環状の外側ケースと内側ケースとを含む抽気ケース組立体を説明したものである。内側ケースは、半径方向内面と対向する半径方向外面を有する環状のシュラウド部分と、半径方向外面から半径方向外向きに延びるほぼ平らなフランジとを含む。フランジは、該フランジを貫通して形成された円周方向配列の抽気開口を備える。フランジは、内側ケースの熱応答性を減少させるように外側ケースに取付けられる。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、それら実施形態に対する様々な変更を添付の特許請求の範囲に記載した本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく成し得ることは、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】 従来技術による圧縮機組立体の概略部分断面図。
【図２】 本発明によって構成された圧縮機組立体の概略部分断面図。
【図３】 本発明の圧縮機組立体に用いられる内側ケースの正面図。
【図４】 図３の内側ケースの線４−４に沿って取られた図。
【符号の説明】
１２ ロータ段
１４ ステータ段
１６ 圧縮機ブレード
１８ ステータベーン
３４ 作動ガス流路
４４ 圧縮機組立体
４６ 抽気ケース組立体
４８ 環状の外側ケース
５０ 内側ケース
５２ 後部ケース
５４ 環状の抽気スロット
６０ 第１シュラウド部分
６４ 軸方向に延びるアーム
６６ 半径方向に延びるアーム
７８ 第２シュラウド部分
８２ 円周方向溝
８６、９６ 取付けレール
１０８ プレナム
１１０ 環状のシール
１１２ ポート
１１４ 抽出空気マニホルド

Claims (7)

1. それに取付けられた複数の半径方向外向きに延びるブレード（１６）を有するロータ（１２）と、
   後部壁面を有する環状の外側ケース（４８）と、
   環状の内側ケース（５０）と、
   を含み、該内側ケース（５０）は、
   前記ブレードを囲み、かつ半径方向に面する外面（８８）と対向する半径方向に面する内面を有し、該内面及び外面が前部壁面（５８）により接合されている第１シュラウド部分（６０）と、
   前記外面から半径方向外向きに延び、前記外側ケースに接合され、前記ブレードの軸方向の位置と整列され、それを貫通して形成された複数の抽気開口（１０２）を有するフランジ（１００）と、
   を備え、
   前記内側ケース（５０）は、環状の抽気スロット（５４）が前記外側ケース（４８）の前記後部壁面と該内側ケース（５０）の前記第１シュラウド部分（６０）の前記前部壁面との間に形成されるように、前記外側ケース（４８）から間隔を置いた関係で配置されており、
   前記フランジ（１００）は、前記第１シュラウド部分（６０）の外面から真っ直ぐに半径方向外向きに延び、その軸方向位置が、前記抽気スロット（５４）の直ぐ後方のブレード（１６）の前部縁と後部縁との間にあることを特徴とする圧縮機組立体（４４）。
2. 複数の半径方向内向きに延びるステータベーン（１８）を含み、該ベーンの各々が前端部（９６）及び後端部（８６）を有する環状のバンドを備えるステータ列（１４）と、半径方向内向きに延びるアーム（６６）に接合された軸方向前方に延びるアーム（６４）を備え、該半径方向内向きに延びるアームが環状の第２シュラウド部分（７８）を備える環状の後部ケース（５２）と、
   を更に含み、
   前記ステータ列は、前記内側ケースの前記第１シュラウド部分（６０）と前記後部ケースの前記第２シュラウド部分（７８）との間に配置されている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機組立体。
3. 前記ステータ列の前記環状のバンドの各々は、
   該バンドの前記前端部に配置され、かつ前記第１シュラウド部分（６０）に形成された円周方向溝（９２）に受けられる前部レール（９６）と、
   該バンドの前記後端部に配置され、かつ前記第２シュラウド部分（７８）に形成された円周方向溝（８２）に受けられる後部レール（８６）と、
   を備えることを特徴とする、請求項２に記載の圧縮機組立体。
4. 前記ステータ列の周りに配置された環状のシール（１１０）を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機組立体。
5. 前記第１シュラウド部分（６０）の前記半径方向内面上に配置されたアブレイダブル材料を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機組立体。
6. 前記前部壁面（５８）は、前記内面に対して鋭角をなして配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮機組立体。
7. 前記フランジ（１００）は、前記抽気開口（１０２）の半径方向外方で該フランジ（１００）を貫通して形成された円周方向配列の取付け孔（１０４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の抽気ケース組立体（４６）。

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