JP4759765B2 - ガスタービンエンジンのタービンシャフトの破損時の減速のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野、特にマルチフローターボジェットエンジンに関し、機械のシャフトの破損を検出して、可能な限り短時間で機械を停止することが可能であるシステムに関する。

多軸マルチフローターボファンジェットエンジンでは、ファンは低圧タービンにより駆動される。ファンロータをタービンロータに接続するシャフトが破損すると、タービンにおける機械的負荷が突然なくなるが、エンジンのガスフローはエネルギーをロータに伝え続ける。これにより、ロータの回転速度の急激な上昇が生じ、これが降伏応力に達して破裂し、続いて破滅的な結果が生じてしまう可能性がある。

このような事態が生じた場合に、ロータを減速するための手段が提案されてきた。シャフトの破損によるロータの軸方向の位置ずれにより、その運動エネルギーの散逸のための機構の作動が始動される。これは、たとえば隣接するノズルガイド翼アセンブリのフィンに関することが可能であり、これがロータブレードの間に配置されるようにロータブレードに向かって旋回されてその径路を遮断する。運動エネルギーは、部品の相互の摩擦、変形または破損さえしてしまうことにより散逸する。この解決法では、ブレードに生じる損傷により多大な修理費用が生じてしまう。

燃焼室に供給される燃料の到達が遮られて、ロータを加速させるエネルギー源を除去することも提案されてきた。１つの解決法は、過速度が検出されると燃料供給を遮断するために、冗長測定手段を使用してシャフトの回転速度を監視することである。ＵＳ６４９４０４６によると、シャフトの２つの端部においてシャフトベアリングで回転数が測定されて、リアルタイムで継続的に比較される。
米国特許第６４９４０４６号明細書

本発明は、ガスタービンエンジンにおいて、シャフトを駆動し、ステータ内で回転可能であるロータを備えるタービンの回転速度を、上記シャフトが破損した場合に低下させるための簡単かつ効果的な方法を目的としている。

本方法は、ロータの下流にあるステータの面上の温度を測定し、測定信号をロータの減速を制御する制御手段に伝達することからなる。上記制御手段は、温度が閾値に達するとロータの減速を制御するよう設計されている。この減速手段は好ましくは、エンジン燃焼室への燃料供給の制御を管理するコンピュータである。温度が規定の閾値に達すると、コンピュータは燃料供給を停止する。

ロータは非常に短い距離を軸方向に移動するだけでステータに接触し、直ちに摩擦によって著しく加熱されることとなる。これは出力が高いためである。したがって、温度の測定は、シャフト破損の特徴を迅速に示す非常に効果的な指標となる。実質的に同時に燃料供給を停止することにより、過速度の開始を回避することが可能になり、または最終的にはタービンロータへのエネルギーの主要補給路を除去することによりこれを制限することが可能になる。この手段により、安全性の向上につながる破裂に関するマージンの増加、質量の低減または回転部品に必要な強度を低減させることが可能になる。

１つの有利な手段は、熱電対センサを用いて温度を測定することである。少なくとも１つ、好ましくは複数の熱電対センサが、機械の軸の周囲に分配される。

別の特徴によると、温度閾値は、エンジン作動中に達成されることが可能である最高温度を超える温度である。これにより、特に高温ガスが取り込まれたことによる誤作動の危険性を回避する。

本発明は、ガスタービンエンジンにおいて、シャフトを駆動しステータに対して回転可能であるロータを備えるタービンの回転速度を、上記シャフトが破損した場合に低減させるための装置にも関する。この装置は、ロータの近くに配置されるとともにエンジン燃料制御部材に接続されてステータの温度を検知する温度センサを備え、上記制御部材は、センサにより出された信号が規定の閾値を超えている場合に燃料の供給を停止するよう設計されている。装置は、１つまたは複数のセンサを備えることが可能であり、リムを有するタービンディスクを備えるタービンを有し、センサ（複数を含む）はステータの下流にリムに近接して配置される。

別の特徴によると、センサは熱電対センサであり、セラミックまたは金属コーティングによりステータに固定されるプローブを備える。この手段は、熱電対プローブが隣接するロータから近い距離に配置され、同時にこれを通常作動時には保護し、これによりロータとステータとの間の接触が熱電対プローブの急速な加熱を生じさせ、燃料供給に関して迅速に対処が可能であることを可能にする。

その他の特徴および利点は、本発明の、これに限定的されない実施形態の説明を図面とともに参照することにより明らかになる。

図１はガスタービンエンジンのタービン１の断面の一部を示す。二軸式バイパスエンジンでは、タービン区分１は、不図示の燃焼室からの高温ガスを受ける高圧タービン２を備える。高圧タービンロータ２のブレードを通過したガスは、固定されたノズルガイド翼アセンブリ３により低圧タービン区分５へ向けられる。この区分５は、ここではドラム状に形成されたロータ６と、複数の、ここでは５つのブリスク６１から６５の集合とから構成される。エアフォイルと根元部とを備えるブレードが通常は個別に、リムに形成されるハウジング内でディスクの周辺に取り付けられる。固定ノズルガイド翼アセンブリ７が、ガス流を可動性のブレードに対して適切に下流に向けるためにタービンステージ間に挿入される。このアセンブリは、低圧タービン区分５を形成する。タービンロータ６は高圧シャフト（不図示）と同心のシャフト８に取り付けられ、高圧シャフトはエンジン前部に向かって軸方向に延伸し、ここでファンロータに取り付けられる。回転アセンブリは、エンジンの前部および後部に配置される適切なベアリングにより支持される。

図１は、排気ケーシング１０と呼ばれる構造ケーシング内でベアリング９に支持されるシャフト８を示す。排気ケーシングには、航空機に取り付けるための取り付け手段が設けられている。

エンジン作動中に、シャフト８が誤って破損した場合には、ガスにより加わる圧力により低圧タービンの可動部品が後方へ移動し、図面の右側に向かって動く。さらに、高温ガスがタービンまでの径路において可動ブレードに与え続ける接線推進力と組み合わされる荷重が消えることによりこれらの回転は加速され、またこれらの直径が増大する。

本発明によると、タービンロータの暴走を回避するために、燃料制御は、燃焼を停止させるように操作される。エネルギーが追加されなければ、軸方向および径方向の運動により生じる接触による摩擦の結果、ロータ速度は急速に低下する。

温度センサ１１、好ましくは複数のセンサが、シャフトの破損後に軸方向または径方向の移動に続き、移動する部品と極めて早期に接触するタービン区分のステータの部分に配置される。

有利には、これらのセンサは、排気ケーシング１０に、より詳細にはステータの部分１０Ａ上に、エンジン軸線ＸＸから、ディスク６５のリム６５Ａのタービンの最後のステージからの距離に相当する距離で配置される。センサは、ステータの部分１０Ａにおいて、リム６５Ａに向かう面に可能な限り近いように配置される。この距離は、ロータが、センサが組み込まれるステータの部分と主に接触可能であるような短い距離であることが望ましい。ロータが後方に動かされると、リム６５Ａは回転を続けながらステータ１０Ａと接触する。摩擦により熱が生じ、ステータ１０Ａの温度が上昇する。センサ１１を適切に配置することにより、相互に接触する面の温度上昇から極めて短い時間の分のみの遅れで温度上昇を検知することが可能になる。

別の好ましい位置は、第１タービンステージのノズルガイド翼アセンブリの下である。

好ましくは熱電対センサが使用される。知られているように、熱電対は、環境、すなわち測定されるべき温度と接触するプローブを形成する高温接点を備える。このプローブは、基準温度に保たれる冷接点にワイヤによって接続されている。

図示される実施形態によると、センサプローブ１１は、ディスク６５Ａのリムに対向するステータ１０の部分１０Ａの上流側面に接合または固定されるセラミックまたは金属体１３内に組み込まれる。プローブを制御部材に接続する熱電対のワイヤ１４は、燃焼室への燃料供給を制御するコンピュータまで、排気ケーシング１０の径方向アーム１０Ｂの空隙を通り案内される。図２に示されるように、高温接点を有するプローブは、取り付けられるセラミックまたは金属体の表面から距離Ｄ離れており、この距離は、エンジンの通常作動時には高温ガスから保護される必要があるということを踏まえた上で、接触の際に迅速に反応するために可能な限り短くされる。

図２では、たとえばジルコニアまたはアルミナに基づくセラミックからなる、またはたとえばＮｉＣｏＡｌに基づく合金、またはＮｉＡｌに基づく合金のような金属からなる部分１３は、プラズマビームを用いて溶着されることが可能である。溶着の厚さは、たとえば２ｍｍから４ｍｍ程度であることが可能である。したがって、プローブ１１は距離Ｄの分離間して組み込まれることが可能であり、この距離は迅速な加熱を可能にする短い距離である。

図３は、一連の指令を概略的に示す。プローブは、測定温度に対応する信号を生成し、コンピュータ１００に送信する。これはたとえば、エンジンの制御部材であり、英語の頭字語ＦＡＤＥＣで知られる、全自動デジタルエンジンコントロールである。これは、ガスタービンエンジンの燃焼室の供給のための配管１２０における燃料バルブ１１１の制御装置１１０を管理する。

測定温度が、規定の閾値を超えると、コンピュータは、燃料バルブ１１１を閉じる指令を送信する。閾値はたとえば、ＥＧＴ（排気ガス温度）マージンを超える値である。これは、所望の推進力を得るためにエンジンが作動されるべき温度と、保証された温度との間の差である。

本発明の装置を含む二軸式ガスタービンエンジンのタービンの軸方向の断面を示す。 温度センサに合わせて図１のＩＩ−ＩＩに沿って切られた断面を示す。 燃料制御装置の簡易化された図を示す。

符号の説明

１ タービン
２ 高圧タービン
３、７ 固定ノズルガイド翼アセンブリ
５ 低圧タービン
６ ロータ
８ 高圧シャフト
９ ベアリング
１０ 排気ケーシング
１０Ａ ステータ部分
１０Ｂ 径方向アーム
１１ 温度センサ
１３ セラミックまたは金属体
１４ ワイヤ
６１、６２、６３、６４、６５ ブリスク
６５Ａ リム
１００ コンピュータ
１１０ 制御装置
１１１ 燃料バルブ
１２０ 配管

Claims (9)

1. シャフトを駆動し、ステータ内で回転可能であるロータを備えるタービンの回転速度を、前記シャフトが破損した場合に低下させるための、ガスタービンエンジンにおける方法であって、ロータの下流にあるステータの面上の点で温度を測定し、測定信号をロータの減速を制御する制御手段に伝達することからなり、温度が閾値に達すると前記制御手段がロータの減速を制御するよう設計されている、方法。
2. 制御手段が、エンジン燃焼室への燃料供給のための制御装置である、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの熱電対センサを用いて温度が測定される、請求項１または２に記載の方法。
4. 複数の熱電対センサを用いて、タービンの軸の周囲に分散する複数の点で温度が測定される、請求項３に記載の方法。
5. 温度閾値は、エンジンの作動時に達することが可能である最高温度を超えている、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ガスタービンエンジンにおける、シャフトを駆動しステータに対して回転可能であり、リムが備えられるタービンディスクを有するロータを備えるタービンの回転速度を、前記タービンシャフトが破損した場合に低減させるための装置であって、ロータの近くに配置されるとともにエンジン燃料制御部材に接続されてステータの温度を検知する温度センサを備え、前記部材は、センサにより出された信号が規定の閾値を超えている場合に燃料の供給を停止するよう設計されており、熱電対プローブはステータにてリムのすぐ下流に配置されている、装置。
7. センサが熱電対式である、請求項６に記載の装置。
8. 複数の熱電対プローブを備える、請求項７に記載の装置。
9. 熱電対プローブが、セラミックコーティングによりステータに固定される、請求項６に記載の装置。

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