JP4791048B2 - ケーシング装置 - Google Patents

Description

本発明は、ケーシング装置に関する。より具体的には、本発明は、非限定的に、タービンのような、ガスタービンエンジンの回転構成要素を取り巻くケーシング装置に関する。

ガスタービンエンジンの高圧タービンにおいて、タービン翼先端と翼を取り巻くケーシングとの間に存在する隙間が最小であることを保証することが必要である。

しかし、タービンの作動中、タービンを通る気体の温度によりケーシングは膨張し、これにより、翼の先端とケーシングとの間の空隙が増大する。
例えば、欧州特許明細書０ ８７７ １４９号から、タービン翼列を取り巻くケーシング自体が、冷却空気をケーシングまで導くマニホルドによって取り巻かれるガスタービンエンジンを提供することが既知である。このように導かれた冷却空気によりケーシングは熱収縮し、このため、ケーシングと該ケーシングが取り巻く翼先端との間の隙間が最小となる。かかる配置は、翼先端の隙間が最小となるのを保証する点にて有用ではあるが、これら配置は、ケーシングの外面に装置を提供する結果となる。かかる装置は、重量を増し且つ、例えば、当該ガスタービンエンジンが狭小な空間内に配置されるか又は小型のものであるならば、望ましくないことである。

本発明の１つの目的は、外部に配置された冷却空気マニホルドシステムを採用する装置を有する場合よりも小型である、改良された冷却ケーシング装置を提供することである。

本発明の１つの面によれば、ガスタービンエンジンの回転構成要素を取り巻くケーシング装置であって、構成要素の周りに少なくとも部分的に伸びるよう形成されたケーシング部材を備え、該ケーシング部材が、熱伝達流体が貫通して流れるための流体流路を画成し、該画成された流体流路を通る熱伝達流体の流量、従って、上記ケーシング部材の熱膨張の程度を制御する制御装置を更に備える、ケーシング装置が提供される。

ケーシング部材は、互いに全体として平行に伸びる上記流路を複数画成することができる。該流路又はその各々は、ケーシング部材の上流領域から下流領域まで伸びている。
流体流路の各々は、エンジンの軸方向に伸長可能である。流体流路は、エンジンの周りに互いに隣接して周方向に配置することができる。

上記熱伝達流体の流れは、ケーシング部材の上流領域から下流領域に向かうものとすることができる。
１つの実施の形態において、ケーシング部材には、シール部分を設けることができる。ケーシング部材は、シール部分をケーシング部材の内方に取り付けるための形態物を有することができる。この実施の形態において、シール部分は、ケーシング部材と回転構成要素との間に配置することができる。シール部分は、流体流路を画成し、また、ケーシング部材の流体流路は、流体通路と連通するようにすることができる。

ケーシング装置は、回転構成要素とケーシング装置との間の距離を検出し得るように配置された制御装置を備えることができる。該制御装置は、ケーシング部材に又はケーシング部材と回転構成要素との間のシール部分の何れかに配置することができる。

熱伝達流体は、冷却流体及び（又は）加熱流体とすることができる。１つの実施の形態において、制御装置は、状況の必要に応じて、加熱流体の流れ及び（又は）冷却流体の流れを選ぶことができる。

制御装置は、例えば、該流体流路又はその各々を通る冷却流体の流量を制御し得るように冷却流体供給組立体に電気的に接続することができる。制御装置は、例えば、該流路又はその各々を通る加熱流体の流量を制御し得るように、加熱供給組立体に電気的に接続することができる。

通路は、熱伝達流体の流路に連通可能に接続することができる。好ましくは、ケーシング部材とシール装置との間にチャンバが配置され、これにより熱伝達流体流路から出る熱伝達流体の少なくとも一部が該チャンバに入るようにする。チャンバからの熱伝達流体は、シール部分を通って通路に入り、シール部分に対し冷却又は加熱作用を提供することができる。

好ましくは、制御装置は、ケーシング部材を通る熱伝達流体の流れを制御し、熱伝達流体の流路を通る流量が次のようになる、すなわちケーシング部材の熱応答性が該ケーシング部材により取り巻かれた回転構成要素の半径方向寸法の変化に適合するようになる配置とされるものとする。

ガスタービンエンジンがファンを有する１つの実施の形態において、冷却流体は、エンジンのより低温度領域、好ましくはファンによって駆動される迂回空気から提供される空気とすることができる。別の実施の形態において、冷却空気は、エンジンのコンプレッサにより駆動される空気から提供されるものとすることができる。加熱流体は、エンジンの高温度領域、例えば、低圧タービンから得られた気体として提供することができる。これと代替的に、加熱流体は、例えば、電気ヒータのような加熱装置により提供してもよい。

次に、添付図面を参照して、単に一例としてのみ本発明の実施の形態について説明する。
図１を参照すると、ガスタービンエンジンは、全体として参照番号１０で示されており、また、軸方向流れ系にて、吸気口１１と、推進ファン１２と、中間圧コンプレッサ１３と、高圧コンプレッサ１４と、燃焼装置１５と、高圧タービン１６、中間圧タービン１７及び低圧タービン１８を備えるタービン装置と、排気ノズル１９とを備えている。

ガスタービンエンジン１０は、従来の仕方にて作動し、吸気口１１に入る空気はファン１２により加速され、該ファンは、中間圧コンプレッサ１３内への第一の空気流及び推進力を提供する第二の空気流という、２つの空気流を発生させる。中間圧コンプレッサは、該コンプレッサ内に導かれた空気流を更なる膨張が生ずる高圧コンプレッサ１４に供給する前に、その空気を圧縮する。

高圧コンプレッサ１４から排気された圧縮空気は燃焼装置１５内に導かれ、該燃焼装置内で圧縮空気は燃料と混合され、その混合体は燃焼する。そのとき、形成される高温の燃焼生成物が膨張し、これにより、ノズル１９を通じて排気される前に高圧タービン１６、中間圧タービン１７及び低圧タービン１８を駆動し、追加的な推進力を提供する。高圧タービン１６、中間圧タービン１７及び低圧タービン１８は、それぞれ、適宜な相互接続軸により高圧コンプレッサ１４、中間圧コンプレッサ１３及びファン１２を駆動する。

図２及び図３を参照すると、高圧タービン１６を包み込むケーシング装置２０の周方向断面側面図が図示されている。高圧タービン１６は、円板（図示せず）に取り付けられた半径方向外方に伸びる複数のタービン翼１１６を有している。ケーシング装置２０は、相互に接続された複数のケーシング部材を備えており、その一部のみ、すなわちケーシング部材２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃのみが示されている。当該技術分野の当業者が理解するように、その他のケーシング部材を提供してもよいが、これらは図２に図示されていない。

図２の主ケーシング部材２２Ａは、熱伝達流体が貫通して流れるための複数の流体流路２４を画成する。図３から理解し得るように、熱伝達流体の流路２４は、高圧タービン翼１１６の周りに周方向に互いに隣接して配置されている。

流体流路２４は、タービン１６の上流領域Ａから下流領域Ｂまで軸方向に伸びている。
流体流路２４に沿って流れる熱伝達流体は、以下に説明するように、タービン翼１１６の半径方向外端縁と、タービン翼１１６を取り巻くシール部分２８との間の空隙すなわち先端隙間３０を制御する冷却流体又は加熱流体とし或いはその双方としてもよい。

冷却流体を流体流路２４に供給するため、コンプレッサ１３、１４及びタービン１６、１７、１８を迂回する、ファン１２からの空気の少なくとも一部分は、開口２６を介してケーシング部材２２Ａを通り、その後、矢印Ｘで示すように、上流領域Ａにて流体流路２４内に入り、下流領域Ｂにて該流路から出る。

周方向に伸びる複数のシール部分２８がケーシング部材２２Ｂの半径方向内方に配置されてタービン翼１１６に対するシールを提供する。タービン翼１１６の半径方向外端縁と、シール部分の半径方向内面との間に空隙すなわち先端隙間３０が画成される。先端隙間３０は、タービン翼１１６の先端を渡る空気の漏洩を最小にするのに必要とされる距離に維持されることが望ましい。

タービン１６が作動する間、高温の気体によりケーシング装置２０は膨張し、これにより先端隙間３０の寸法は増大する。流体流路２４を通る冷却空気の流れは、この膨張程度を最小にする。

ケーシング２０の膨張程度を制御するため、測定装置すなわちプローブ３２がシール部分２８に設けられる。該プローブ３２は、翼１１６の先端とシール２８の半径方向内面との間の先端隙間３０を測定する。プローブ３２は、開口２６を通る冷却流体を流体流路２４に導く導管３６（同様に概略図的に図示）内に参照番号３４で概略図的に示した弁３４に電気的に接続される。先端隙間３０が増すに伴い、プローブ３２は、弁３４に更に開放するよう命令し、これにより益々、多量の冷却空気が流体流路２４を通って流れるのを許容し、ケーシング２０の膨張を制限し又は減少させ、これにより、先端隙間３０を小さくする、すなわち先端隙間３０の増加率を減少させる。

特定の状況において、先端隙間を制御し得るよう加熱空気を流体流路２４を通じて供給することが必要であろう。かかる状況において、プローブ３２は、また、導管４０（同様に概略図的に図示）内に参照番号３８で概略図的に示した弁に電気的に接続される。導管３６は、開口２６を通る加熱流体を流体流路２４に導き、先端隙間３０を増大させる。このように、上述したように冷却流体及び加熱流体を使用することにより、先端隙間３０を正確に制御することができる。

加熱流体は、例えば、低圧タービン１８のようなタービン及び（又は）図２に概略図的に破線で示した電気加熱装置４２から提供することができる。
図４を参照すると、図２に示したものと同一の造作構造体の多数を備える更なる実施の形態すなわち、タービン翼１１６の周りに周方向に伸びるケーシング１２０が示されている。ケーシング１２０は、複数のケーシング部材１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃを備えている。シール部分１２８がケーシング部材１２２Ａ、１２２Ｂに取り付けられ且つ、図２に示した実施の形態の場合と同一の仕方にて、タービン翼１１６の半径方向外側先端に対するシールを提供する。

ケーシング部材１２２Ａ、１２２Ｂは、流体流路１２４Ａ、１２４Ｂを画成する。該流体流路１２４Ａ、１２４Ｂは、矢印Ｙで示すように、コンプレッサ１３、１４から又はタービン若しくはその他の適宜な加熱装置４２（図２参照）から熱伝達流体を受け取る。加熱流体は、流体流路１２４Ａ、１２４Ｂの上流領域Ａに入り且つ、下流領域Ｂまで流れる。下流領域Ｂにおいて、熱伝達流体は、２つの流れに分岐する。参照符号Ｙ１で示した第一の流れは、ケーシング装置２０から流れ出て且つ、その後に、排出口まで流れることができる。参照符号Ｙ２で示した第二の流れは、ケーシング部材１２２Ａとシール部分１２８との間に提供された主周方向チャンバ１２６内に流れる。次に、熱伝達流体の第二の流れＹ２は、主周方向チャンバ１２６からシール部分１２８内の熱伝達流路１３４内に流れ、これにより、シール部分１２８に対して熱伝達作用を提供する。

図４に示すように、シール部分２８には、図２に示したプローブ３２と同様のプローブ１３２が設けられ、このプローブは、コンプレッサ、タービン又は加熱装置から流体流路１２４Ａ、１２４Ｂまでの熱伝達流体の流量を制御すべく弁（図４に図示せず）に電気的に接続されている。

作動時、図４に示した実施の形態は、図２に示したものと同様の仕方にて作用し、気体の形態をした熱伝達流体は、流体流路１２４Ａ、１２４Ｂを通ってケーシング１２０の膨張範囲まで流れ、これにより先端隙間３０を制御する。図４に示した実施の形態とほぼ同一である更なる形態変更が図５に示されており、このため、同一の造作構造体は同一の参照番号で表示してある。図４に示した実施の形態は、流体流路の第一の部分１２４Ａが熱伝達流体を周方向に伸びる予備チャンバ１２７内に導き、その後、熱伝達流体は、流体流路の第二の部分１２４Ｂ内に下流流域Ｂまで流れ、この下流領域内で熱伝達流体は２つの流れＹ１、Ｙ２に分離する点にて、図４に示した実施の形態と相違する。参照符号Ｙ２で示した流れは、主周方向チャンバ１２６内に流れ、その後、シール部分１２８の流体流路１３４内に流れる。

このように、熱伝達流体が貫通して流れるのを許容し、ケーシング装置２０の膨張を制御し且つ、制限することを可能にし、これにより、タービン翼１１６の先端とシール部分２８との間の空隙を制御する、ガスタービンエンジン１０に対するケーシング装置２０について説明した。

本発明の範囲から逸脱せずに、各種の形態変更を為すことができる。例えば、ケーシング部材の配置を変更することができる。
上述した装置は、熱伝達流体の流れを能動的に制御せずに、受動的に作動させることが可能なことが更に認識される。この実施の形態の場合、装置は、プローブ３２を備えず、また、先端隙間３０を直接的に測定することもない。

ガスタービンエンジンの上側半体の断面側面図である。 ケーシング装置の第一の実施の形態を示す断面側面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った図である。 ケーシング装置の第二の実施の形態を示す断面側面図である。 ケーソング装置の第三の実施の形態を示す断面側面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１１ 吸気口
１２ 推進ファン
１３ 中間圧コンプレッサ
１４ 高圧コンプレッサ
１５ 燃焼装置
１６ 高圧タービン
１７ 中間圧タービン
１８ 低圧タービン
１９ 排気ノズル
２０ ケーシング装置
２２Ａ 主ケーシング部材
２２Ｂ、２２Ｃ ケーシング部材
２４ 流体流路
２６ 開口
２８ シール部分
３０ タービン翼先端隙間
３２ プローブ
３４ 弁
３６ 導管
３８ 弁
４０ 導管
４２ 加熱装置
１１６ タービン翼
１２０ ケーシング
１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ ケーシング部材
１２４Ａ 流体流路／流体流路の第一の部分
１２４Ｂ 流体流路／流体流路の第二の部分
１２４Ｃ 流体流路
１２６ 主周方向チャンバ
１２７ 予備チャンバ
１２８ シール部分
１３２ プローブ
１３４ 熱伝達流路
Ａ 上流流域
Ｂ 下流流域
Ｙ 熱伝達流体の流れ
Ｙ１ 熱伝達流体の第一の流れ
Ｙ２ 熱伝達流体の第二の流れ

Claims (15)

1. ガスタービンエンジンの回転構成要素を取り巻くケーシング装置であって、回転構成要素の周りに少なくとも部分的に伸びるよう形成されたケーシング部材を備え、該ケーシング部材が、熱伝達流体が貫通して流れるための流体流路を画成し、該画成された流体流路を通る熱伝達流体の流量を制御することによって前記ケーシング部材の熱膨張の程度を制御する制御装置を備え、
   ケーシング部材が、互いに全体として平行に伸びる前記流体流路を複数画成し、該流体流路が、ケーシング部材の上流領域から下流領域へ熱伝達流体を流すように伸び、
   ケーシング部材が、シール部分をケーシング部材の内方に取り付けるための形態物を有し、これにより、シール部分が、ケーシング部材と回転構成要素との間に配置され、
   前記制御装置は回転構成要素とケーシング装置との間の距離を検出し得るケーシング装置。
2. 請求項１に記載のケーシング装置において、流体流路が、エンジンの軸方向に伸びるように配置され且つ、エンジンの周りに互いに隣接して周方向に位置決めされる、ケーシング装置。
3. 請求項１に記載のケーシング装置において、シール部分が、ケーシング部材の少なくとも１つの流体流路と連通する少なくとも１つの流体通路を画成するケーシング装置。
4. 請求項３に記載のケーシング装置において、流体流路から出る熱伝達流体の少なくとも一部が該チャンバに入るようにケーシング部材とシール部分との間にチャンバが配置され且つ、チャンバからの流体がシール部分内の流体通路に入り、シール部分にて熱伝達作用を提供する、ケーシング装置。
5. 請求項１に記載のケーシング装置において、前記制御装置は回転構成要素とシール部分との間の距離を検出し得る、ケーシング装置。
6. 請求項５に記載のケーシング装置において、制御装置が、ケーシング部材に又はケーシング部材と回転構成要素との間のシール部分に、配置される、ケーシング装置。
7. 請求項１に記載のケーシング装置において、制御装置が、流体流路を通る流体の流量を制御し、ケーシング部材の熱応答性を該ケーシング部材により包み込まれた回転構成要素の半径方向寸法の変化に適合させる、ケーシング装置。
8. 請求項１に記載のケーシング装置において、熱伝達流体が冷却流体である、ケーシング装置。
9. 請求項８に記載のケーシング装置において、ガスタービンエンジンがファンを有し、冷却流体が、該ファンによって駆動される迂回空気から提供される空気である、ケーシング装置。
10. 請求項８に記載のケーシング装置において、冷却流体が、エンジンのコンプレッサにより駆動される空気から提供される空気である、ケーシング装置。
11. 請求項１に記載のケーシング装置において、熱伝達流体が加熱流体である、ケーシング装置。
12. 請求項１１に記載のケーシング装置において、加熱流体が、ガスタービンエンジンのタービンから提供されるケーシング装置。
13. 請求項１１に記載のケーシング装置において、加熱流体を提供し得るように熱伝達流体を加熱する加熱装置を備える、ケーシング装置。
14. 請求項１に記載のケーシング装置を内蔵するタービン装置。
15. 請求項１４に記載のタービン装置を内蔵するガスタービンエンジン。

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