JP5095062B2 - ガスタービンエンジンのステータケース - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンのステータケースに関し、より具体的には、エンジンのロータに一致した過渡変形を有するステータケースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、ステータと該ステータに回転可能に取り付けられた１つ又はそれ以上のロータを有する。ロータは、周方向の列に配置されたブレードを有する。ブレードの各々は、根元から先端まで外向きに延びる。ステータは、１つ又はそれ以上の管状のケースから形成され、該ケースは、ロータブレードがケースの内部で回転するようにロータを収納する。ガスタービンエンジンの圧縮機セクションにおいては、ブレード先端とケースの内部表面との間の間隙を最小にしてエンジンの失速マージン及び効率を改善することが望ましい。ガスタービンエンジンのタービンセクションにおいては、ブレード先端とケースの内部表面との間の間隙を最小にしてエンジン効率を改善することが望ましい。
【０００３】
ロータブレード先端と内部表面との間の間隙は、ブレード先端の変形とステータケースの内部表面の変形により定まる。ブレード先端の変形は、高速回転するロータの遠心力による機械的ひずみ、及び高温の流路ガス温度による熱膨張により生じる。更に、ケースの内部表面の変形は、機械的ひずみと熱膨張の関数である。これらの変形は、ロータ及びステータケースの機械的ひずみ及び熱膨張を制御することにより調整することができる。一般に、ロータブレード先端とステータケースの内部表面との間の間隙が、特に定常状態のエンジン運転中に最小になるように変形を調整することが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、ステータケースの変形は、主として冷却空気をケースの部分に導いて変形を減少させることにより制御され、それによってブレード先端とケースの内部表面との間の間隙を減少させてきた。若しくは、周方向のリブをブレード先端の直ぐ上方のケースに形成して、ステータの変形を減少させた。しかしながら、ガスタービンエンジンの失速マージン及び効率を改善するために更に間隙を減少させる必要性がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のいくつかの特徴のなかで、注目することができるのは、ステータとロータとを有するガスタービンエンジン用のステータケースの構成である。ロータは、複数の周方向のブレード列を有する。各ブレードは、根元から先端まで半径方向外向きに延びる。ケースは、前方端と後方端との間で軸方向に延びる管状のシェルを含む。シェルは、ガスタービンエンジンのロータの少なくとも一部を受けるような寸法及び形状にされた中空の内部を形成する内部表面を有する。ケースはまた、シェルの前方端から半径方向外向きに延びる円形の前方フランジとシェルの後方端から半径方向外向きに延びる円形の後方フランジとを含む。更に、ケースは、隣接するブレード列の間でシェルから半径方向外向きに延びる円形のリブを含む。リブは、複数のロータブレードの先端の過渡変形にほぼ一致するようにシェルの過渡変形を調整し、管状のシェルの内部表面とロータブレードの先端との間の過渡間隙を減少させるような寸法及び形状にされている。
【０００６】
別の形態において、本発明は、ステータとステータに回転可能に取り付けられたロータとを備えるガスタービンエンジンを含む。ステータは上述のようなケースを含む。
【０００７】
本発明の他の特徴は、一部は明らかであり、また一部は以下に指摘されるであろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
対応する参照符号は、図面の幾つかの図を通して対応する部品を示す。
【０００９】
さて図面参照すると、特に図１には、ガスタービンエンジン（一部を示す）が全体を参照符号１０で示される。エンジン１０は、ステータ（全体を１２で示す）とステータに回転可能に取り付けられた１つ又はそれ以上のロータ（全体を１４で示す）とを有する。図1は高圧圧縮機のステータとロータを示しているが、本発明がタービンのようなエンジンの他の部分にも応用することができることは当業者には明らかであろう。ロータ１４は、周方向列に配置されたブレード１６を有する。ブレード１６の各々は、根元１８から先端２０まで外向きに延びる。ステータ１２は、ブレード先端２０を取り囲む内部表面２４を有する、全体を２２で示す管状のケースを含む。当業者には明らかなように、ブレード先端２０とケース２２の内部表面２４との間の間隙２６を最小にすることが望ましい。
【００１０】
全体を３０（図３）で示す本発明のステータケースと従来技術におけるステータケースの間の相違をより分かり易く示すために、図２を参照して従来技術のステータケース２２を更に詳細に説明する。従来技術のケース２２は、軸方向分割線３６において接合された２つのケース半割体３４から形成された管状のシェル３２を含む。各ケース半割体３４は、半割体を固締具（図示せず）で接合するための、そのそれぞれの側面に沿って軸方向に延びるフランジ３８を有する。シェル３２は、前方端４０と該前方端に対向する後方端４２との間で軸方向に延びる。更に、シェル３２の内部表面２４は、ガスタービンエンジン１０のロータ１４（図１）の少なくとも一部を受けるような寸法及び形状にされた、全体を４４で示す中空の内部を形成する。円形の前方フランジ４６が、ケース２２をシェルの前方に配置された第１のステータ構成部品４８（図１）に接続するために、シェル３２の前方端４０から半径方向外向きに延びる。同様に、円形の後方フランジ５０が、ケース２２をシェルの後方に配置された第２のステータ構成部品５２（図１）に接続するために、シェル３２の後方端４２から半径方向外向きに延びる。マニホルド６０が、流路から取り出された加圧空気をエンジン１０の他の部分に導くために、ケース２２の後方端４２寄りに設けられる。更に、円筒形のボス６２の周方向列が、可変ピッチステータ羽根６４（図１）を、隣接するブレード１６の列の間でシェルの内部表面２４の内側に保持するために、シェル３２から外向きに延びる。各々のボス６２の列は、対応する可変ピッチステータ羽根６４の列から直ぐ外側に配置される。更に、ボス６２は、ボスを支持するためにまた製造の便宜上からウェブ６６（図２）によって結合される。従来は、ウェブ６６の幅は、エンジン重量を軽減するために最小限にされてきた。ステータ１２の他の特徴は、従来のものと変わりがないので、これ以上詳細には説明しないことにする。
【００１１】
図３は、本発明のステータケース３０を示す。ステータケース３０は、円形のリブ７０がボス６２及びウェブ６６の代わりにシェル３２から半径方向外向きに延びていること以外は、上述の従来技術のステータケース２２と同じである。ボス６２及びウェブ６６の場合と同様に、リブ７０は、隣接するロータブレード１６の列の間に配置される。更に、リブ７０は、可変ステータ羽根６４（図１）の各列の半径方向外側に配置される。この位置で、リブ７０は、羽根６４の外側プラットホーム（図示せず）により高温の流路ガスから遮蔽される。従来技術の圧縮機ケース（図示せず）の一部にはリブを有するものもあるが、それらはブレード先端の間ではなくブレード先端の上方に配置されている。本発明のリブ７０は、羽根の外側プラットホームにより流路ガスから熱的に遮蔽されるので、本発明のケース２２は、従来技術のリブ付きケースより流路ガスからの加熱による熱変形が小さくなる。リブ７０は熱的に遮蔽されるので、加熱された流路ガスに曝されるリブの表面積がより狭くなり、リブに伝達される熱エネルギーはより少なくなる。図３に更に示すように、リブ７０は、可変ステータ羽根６４をシェル３２に取り付けるために、リブの周りで一定の角度間隔でリブを半径方向に貫通する一連の孔７２を有する。
【００１２】
リブ７０は、ロータブレード１６の先端２０の過渡変形にほぼ一致するように、シェル３２の過渡変形を調整するような寸法及び形状にされている。当業者には明らかなように、リブ断面積を増せば増すほど機械的ひずみを減少させ、シェル３２の熱応答を緩やかにすることになる。シェル３２の変形をブレード先端２０の変形に一致させることにより、管状のシェル３２の内部表面２４とロータブレード１６の先端２０との間の過渡間隙２６は、減少される。リブ７０は、管状のシェル３２の内部表面２４とロータブレード１６の先端２０との間の過渡間隙２６を最小にするような寸法及び形状にされているのがより好ましい。更に、リブ７０は、シェル３２の変形を調整して、シェルの内部表面２４の非真円度を低下させるような寸法及び形状にされている。この非真円度は、軸方向のフランジ３６がシェル３２の他の部分より剛性が高く機械的及び熱的負荷に影響されることが少ない結果である。当業者には明らかなように、間隙を減少及び／又は最小にするために、また非真円度を低下させるために必要とされるリブ７０の寸法及び形状は、エンジンの特定の形状及び運転条件に応じて変化することになる。しかしながら、リブ７０の寸法及び形状を決めることは、通常のよく知られている工業技術手順を用いて達成することができる。
【００１３】
本発明は圧縮機ケースに関して説明してきたが、間隙を減少及び／又は最小にするために、タービンケースにリブを加えることもできることは、当業者には明らかであろう。圧縮機の失速マージンを増大させるのに加えて、従来の圧縮機のボス及びウェブ構造を一様の長方形断面を有するリブに置き換えることにより、機械加工作業をなくすことによってケース２２を製造することに関連する費用を低減する。
【００１４】
本発明又はその好ましい実施形態の要素を説明する場合に、限定的意味での「１つ」、「２つ」、「複数」及び「多数」などの数詞の特定のないものは、１つ又はそれ以上の要素があることを意図する。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的であって、記載した要素以外に更なる要素があってもよいことを意味せんとするものである。
【００１５】
本発明の技術的範囲から逸脱することなく、上述の構成において様々な変更がなされ得るので、上述の説明中に含まれるかまたは添付の図面中に示される全ての事項は、例示的な意味であって限定する意味ではないと解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術のガスタービンエンジンの一部の垂直断面図。
【図２】 従来技術の圧縮機ケースの斜視図。
【図３】 本発明の圧縮機ケースの斜視図。
【符号の説明】
２４ シェルの内部表面
３０ ステータケース
３２ 管状のシェル
３４ シェルの半割体
３６ 分割線
３８ フランジ
４０ シェルの前方端
４２ シェルの後方端
４４ 中空の内部
４６ 円形の前方フランジ
５０ 円形の後方フランジ
６０ マニホルド
７０ 円形のリブ
７２ リブの一連の孔

Claims (5)

1. ステータ（１２）と該ステータ（１２）に回転可能に取り付けられたロータ（１４）とを有し、該ロータ（１４）が複数の周方向のブレード（１６）列を有しており、該ブレード（１６）の各々が根元１８）から先端（２０）まで半径方向外向きに延びている、ガスタービンエンジン（１０）用のステータケース（２２）であって、
   前方端（４０）と該前方端（４０）に対向する後方端（４２）との間で軸方向に延び、前記ガスタービンエンジン（１０）のロータ（１４）の少なくとも一部を受けるような寸法及び形状にされた中空の内部（４４）を形成する内部表面（２４）を有する管状のシェル（３２）と、
   該ケース（２２）を前記シェル（３２）の前方に配置された第1のステータ構成部品（４８）に接続するために、前記シェル（３２）の前方端（４０）から半径方向外向きに延びる円形の前方フランジ（４６）と、
   該ケース（２２）を前記シェル（３２）の後方に配置された第２のステータ構成部品（５２）に接続するために、前記シェル（３２）の後方端（４２）から半径方向外向きに延びる円形の後方フランジ（５０）と、
   前記複数のブレード（１６）列のうちの隣接するブレード（１６）列の間で前記シェル（３２）から半径方向外向きに延びる連続する円形のリブ（７０）と、
   を含み、
   該円形のリブ（７０）は、前記複数のロータブレード（１６）の先端（２０）の過渡変形にほぼ一致するように半径方向及び軸方向に延びる断面を有して前記シェル（３２）の過渡変形を調整し、それによって前記管状のシェル（３２）の内部表面（２４）と前記複数のロータブレード（１６）の先端（２０）との間の過渡間隙を減少させるような寸法及び形状にされている、
   ことを特徴とするステータケース（２２）。
2. 前記リブ（７０）は、前記複数のブレード（１６）列のうちの隣接する列の間で、前記シェル（３２）の内部表面（２４）の内側に取り付けられたステータ羽根（６４）の周方向列の半径方向外側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のステータケース（２２）。
3. 前記リブ（７０）は、前記複数のブレード（１６）列のうちの隣接する列の間で、前記シェル（３２）の内部表面（２４）の内側に取り付けられた可変ステータ羽根（６４）列の半径方向外側に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のステータケース（２２）。
4. 前記リブ（７０）は、前記可変ステータ羽根（６４）を前記シェル（３２）に取り付けるために、該リブ（７０）の周りで一定の角度間隔で該リブ（７０）を半径方向に貫通する一連の孔（７２）を含むことを特徴とする、請求項３に記載のステータケース（２２）。
5. 前記シェル（３２）は、軸方向の分割線（３６）において接合される２つの半割体（３４）を含んでおり、前記分割線（３６）の各々は、前記半割体（３４）を接合してそれによって前記シェル（３２）を形成するための、前記半割体（３４）上の軸方向フランジ（３８）をかみ合わせることにより形成され、
   前記リブ（７０）は、前記シェル（３２）の変形を調整して、前記管状のシェル（３２）の内部表面（２４）の非真円度を低下させるような寸法及び形状にされている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のステータケース（２２）。

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