JP5210891B2 - ２つのエンクロージャ間の連通を確立するためのバルブを備えたガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野に関し、エンジン内部の２つのエンクロージャ間の空気の循環を調整するための手段を提供することを目的とするもので、２つのエンクロージャ間の相対応力は動作条件に応じて変化する。

ガスタービンエンジンは、少なくとも３つの部品、すなわち、空気圧縮機、燃焼チャンバ、タービンを備え、圧縮機は燃焼チャンバに空気を送り込み、燃焼チャンバはタービンを駆動する高温ガスを生成する。タービンは、圧縮機を駆動するシャフトにより圧縮機に接続される。エンジンは、圧縮機を形成するロータ、タービン、これらを機械的接続するシャフトを各々が有する多数のスプールを備え得る。航空分野において、エンジンは通常２つまたは３つのスプールを有する。したがって、エンジンは、ＬＰ（低圧）駆動流体を使用する少なくとも１つの回転スプールとＨＰ（高圧）駆動流体を使用する少なくとも１つの回転スプールとを備え、これら２つのスプールは互いに機械的に独立しており、異なるスピードで回転する。

さらに高性能を求めると、空力的負荷の低減を目的として、特に高圧タービンのエンジンと比べて平均半径を大きくした低圧タービンのエンジンの開発につながる。これは、高圧タービンの段と低圧タービンの入口の段との間に適切な形状の移行管路を配設する必要がある。この移行管路は、エンジンの航空分野の応用のために比較的短い。そのような管路は、そこを通るガスを短い距離にわたって大きく偏向させ、そのために高傾斜であり高拡散性である。移行チャネルにより形成されたスワンネックにおいて十分なガスの流れの質を保つために、ストリームの外壁に沿って空気を吹き付けるための手段が配設されて、濃化や境界層の分離も避けることができる。本出願人は、この問題に関する解決策を開発した。これは、本出願人の名で出願されている仏国特許出願公開第２９０６８４６号明細書に記載されている。吹き付け流体の分配のためのエンクロージャは、移行チャネルの外壁とタービンケーシングの要素との間に配設される。エンクロージャは、流体供給オリフィスを介して移行チャネルの上流側の吸気領域と連通する。この吸気領域は、好ましくは吹き込まれる空気が壁の熱保護のための膜を形成するように、圧縮機内にある。

さらに、移行チャネルの上流側では、駆動ガスの環状ストリームがステータリングにより外側に規定される。ＨＰタービンのブレードの先端とこのリングの内面との間のクリアランスは、エンジンの全ての動作段階でできる限り小さく保たれる。これは、タービンの効率がこのクリアランスに左右されるためである。ＨＰロータとステータとの結合は、動作時に異なる径方向および軸方向に相対変位するため、クリアランスのばらつきが生じ、このばらつきは調整されなければならない。圧縮機内でエンジンの上流側端部から取り込まれた空気は、ステータリングサポートを換気し、動作条件に応じてその膨張を調整するために使用される。その後、換気エンクロージャ内で循環する空気はストリーム内に排気される。これ自体は、知られている。調整機能は、換気空気の非連続的な循環が伴うことに留意されたい。特に、動作条件が安定した時、空気の流れが低減され、遮断される。

仏国特許出願公開第２９０６８４６号明細書

エンジンが、換気エンクロージャ内で循環する換気空気の流れを使用してタービンステータリングの膨張を調整するための手段と、そのすぐ下流側に、移行チャネルの壁の周りに形成される吹き付け空気分配エンクロージャとの両方を備える場合、換気空気を移行チャネル内のストリームの外壁に吹き付ける空気の少なくとも一部として使用するのが望ましい。しかし、動作時に、上記換気エンクロージャと吹き付け空気分配エンクロージャとの間の圧力差は変わる場合がある。したがって、換気空気の循環が遮断され、あるいは低減される場合、換気エンクロージャ内の圧力は分配エンクロージャの圧力より下がる。２つのエンクロージャ間が連通している場合、分配エンクロージャからの望ましくないガスの再流入が生じ、これがステータリングとタービンブレードの先端との間のクリアランスの調整を妨げることになる。

本出願人は、本出願の目的を、ＨＰタービンのステータリングサポートの換気空気を回収することと、確実に換気空気が移行チャネルの外壁への吹き付けに寄与し、一方では吹き付け空気分配エンクロージャからの空気の再流入を防ぐこととした。

本発明によれば、上述の目的は、ＨＰタービンステータリングおよびＨＰ段とＬＰ段との間の移行チャネルの外壁と、ステータリングを調整するための第１のエンクロージャと、移行チャネルの外壁に吹き付け空気を分配するための第２のエンクロージャとを含む２スプールガスタービンエンジンであって、第１のエンクロージャ内の圧力Ｐ１が第２のエンクロージャ内の圧力Ｐ２より大きい時に開弁し、Ｐ１＜Ｐ２の時に閉弁するように構成されたバルブにより調整されるオリフィスを介して、２つのエンクロージャが連通して配置されることを特徴とする、２スプールガスタービンエンジンで達成される。

本発明は、上記オリフィスにより貫通された仕切り壁により分割される２つのエンクロージャを有するエンジンが有利である。

好適な実施形態では、バルブは、オリフィス内に係合される、張り出し部を有する管状要素と、張り出し部を押し付ける閉弁位置と張り出し部から離れた開弁位置との間で管状要素内を移動する閉弁スライダとを含む。

この解決策には、圧力Ｐ１とＰ２が作用する領域が異なるために、２つのエンクロージャ間に著しい圧力差がある時、確実にバルブを開弁し、ひいては確実に装置の動作を安定させるさらなる利点がある。

管状要素は、オリフィス内に固定されるか、あるいは仕切り壁と一体部品として形成されてもよい。

別の特徴によれば、バルブは、管状要素に取り付けられる穴あきカバーを含み、開弁位置でスライダがカバーを押し付ける。

さらなる特徴によれば、バルブは、閉弁位置で、確実に分配エンクロージャと換気エンクロージャとの間の流量を低減するリークオリフィスを有する閉弁スライダを含む。

この解決策は、エンクロージャ間の圧力差が大きくなりすぎるのを防ぐため、有利である。

さらなる特徴によれば、バルブは、張り出し部により結合された小さい径の部分とそれより大きい径の部分との２つの部分を含む管状要素と、より大きい径の部分と協働して管状要素内部へスライダを案内する案内面部分を含むスライダとを含む。

このことが、スライダの柔軟な動作を確実にし、閉弁位置または開弁位置でのジャミングのリスクを低減する。

あるいはバルブは、張り出し部により結合された小さい径の部分とそれより大きい径の部分との２つの部分を含む管状要素と、小さい径の部分と協働して管状要素内部へスライダを案内する案内面部分を含むスライダとを含む。

その他の特徴および利点は、添付図面を参照した、本発明の非限定的な実施形態の以下の説明から明らかになる。

エンジンの軸方向概略断面図である。 本発明によるＨＰタービンの領域のエンジンのケーシングの一部および移行チャネルの一部を示す図である。 本発明のバルブの軸方向断面図である。 本発明のバルブの変形例の軸方向断面図である。 本発明のバルブの変形例の軸方向断面図である。 本発明のバルブの変形例の軸方向断面図である。 本発明のバルブの変形例の軸方向断面図である。

図１は、２スプールターボファン（バイパスターボジェット）エンジンの形のターボ機械の一例を概略的に示す図である。前面のファン２がエンジンに空気を供給する。ファンにより圧縮された空気は、２つの同心流れに分岐される。二次流れは、他のエネルギーを投入せずに直接大気へ排気され、駆動推力の主要部分になる。一次流れは、多数の圧縮段を通って燃焼チャンバ５へ案内され、ここで燃料と混合されて燃焼される。圧縮は、ファンロータと共に回転されＬＰロータの一部を形成する昇圧圧縮機、その次にＨＰ圧縮機により行われる。燃焼チャンバからの高温ガスは種々のタービン段、ＨＰタービン６およびＬＰタービン８に送り込まれる。ＬＰタービンおよびＨＰタービンのロータは、ＬＰ圧縮機およびＨＰ圧縮機のロータにそれぞれ取り付けられ、ファンと圧縮機ロータを駆動する。その後、ガスは大気中に排気される。

ＨＰタービンは単一段のタービンであるが、ＬＰタービン内では、膨張が同じロータの多数の段の間で分散される。移行チャネルはＨＰセクションとＬＰセクションとの間、より正確には、ＨＰタービンのロータとＬＰタービンの入口側分配器との間に形成される。ガスの膨張のために、容積、さらにはストリームの平均直径は増加する。しかし、このように増加しても、分配されない流れ条件に対応したままである。

低圧タービンの効率を増大させるために、空力チャネルのプロファイルが最適化される。このような最適化には、移行チャネルにおける低圧タービン入口の傾斜を増大させることが含まれる。このことにより低圧タービンの平均半径を急に増大させることができる。さらに、チャネル内の拡散を大きくすることにより生じる低圧分配器入口断面の増大は、分配器内でより大きな加速を伴って第１段の性能を増大させる。

しかし、低圧タービン入口の急な傾斜は、高圧タービンからの主流の外壁に沿った境界層の分離のリスクを伴う。このような分離はＬＰタービンの性能を大きく低下させる。

１つの解決策は、高圧タービンの出口の壁を介してガスの大きな流れを噴射することである。この空気の噴射は、一般に、吹き付けと呼ばれる。

図２は、ＨＰタービンの領域のガスタービンエンジンのケーシングの一部およびＨＰタービンの下流側の移行チャネルの入口の一部を示す図である。

ＨＰタービンのロータ（ブレード１４が示されている）は、封止手段を形成するステータリング１５により外側に画定された環状スペース内部で回転可能である。タービンの下流側では、駆動ガスストリームが壁２０により外側に画定される。この壁は、タービンステータリング１５とＬＰタービンの第１段の分配器との間で軸方向に延在する環状セクタのプラットフォームの形を成すが、図面内では見えない。

ステータリング１５は、環状中間部１６に装着されるセクタの形を成す。リング１５のセクタは、上流側では舌状体および溝の接続部により、下流側ではクランプにより、ここで保持される。中間部１６は、外側ケーシング１１内部に収容された内側ケーシング要素１７内で装着される。

内側ケーシング１７は、ＨＰタービンのロータを通る２つの横断面に環状に配置された２つの径方向リブ１７ａ、１７ｂを含む。環状プレート１２は、リブ１７ａ、１７ｂを覆い、外側ケーシング１１の内面を担持する径方向リム１２ｒを有する。したがって、換気エンクロージャ１９は、プレート１２と内側ケーシング１７との間に形成される。リブ１７ａ、１７ｂは、リブの上流側領域とリブの下流側領域との間のガスの循環を可能にする軸方向オリフィス１７ａ１、１７ｂ１により貫通される。換気は、換気エンクロージャ１９の上流側に形成された適切な通路からのガス流Ｆにより行われる。

内側ケーシング１７の径方向フランジ１７ｃの下流側で、吹き付け空気分配エンクロージャ２１は、ほぼ径方向の上流側仕切り壁２１ａ、下流側仕切り壁２１ｂ、また全体の径方向に配向される径方向内側仕切り壁２１ｃ、径方向外側仕切り壁２１ｄを含むように適合されたプレートにより形成される。シールストリップ２２は、内側ケーシング１７の径方向フランジ１７ｃと仕切り壁２１ａとの間に配置される。エンクロージャ２１は、バルブ３０を取り付けられたオリフィス２１ａ１を介してエンクロージャ１９と連通する。エンクロージャ２１は、移行チャネルの壁２０に沿って、径方向内側仕切り壁２１ｃ内に形成される開口部２１ｃ１、管２３、開口部２０ａを介して、ガスストリームと連通する。

バルブ３０は、図３でより詳細に示されている。バルブ３０は、管状部３１と、スライダ３３と、穴あきカバー３５とを備える。管状部３１は、直径ｄ１の第１の円筒部３１ａと、より大きい直径ｄ２（ｄ２＞ｄ１）の第２の円筒部３１ｃと、２つの円筒部３１ａ、３１ｃを接続する張り出し部３１ｂとを備える。スライダは、一面が張り出し部をふさぐように合わせられて、より大きい直径の部分３１ｃ内に収容される。スライダ３３は、環状に配置されたオリフィス３３ａおよび中央オリフィス３３ｂで貫通される。スライダのより大きい径は、円筒部３１ｃの内径に対応する。この部分の上に装着されるカバー３５は、スライダに対する軸方向の当接面を形成する。カバーは、オリフィス３３ａに面する３５ａである中央部が開口している。スライダはカバーに押し付ける開弁位置をとることができ、この場合、オリフィス３３ａはふさがれていない。スライダ３３は、張り出し部３１ｂに押し付ける時、閉弁またはブロック位置をとることができる。この位置では、オリフィス３３ａは張り出し壁により閉弁される。

装置は、以下のように動作する。

内側ケーシング１７の膨張を確実に調整するために、したがって、タービンのブレードの先端のステータリング１５とのクリアランスを確実に調整するために、圧縮機からの空気Ｆはエンクロージャ１９に運ばれ、リブ上を流れる。したがって、ＨＰタービンのステータリング１５の膨張を可能にする。この膨張が、エンジンの動作の種々の段階に応じて空気の流速および空気源を調整することにより、クリアランスを調整する。

この空気の流れはリブ上を流れた後、すぐ下流側に位置するエンクロージャ２１内に仕切り壁２１ａのオリフィス２１ａ１を介して送られ、移行チャネルの壁２０への吹き付けに加えられることで、最適に使用される。

換気エンクロージャ１９と吹き付け空気分配エンクロージャとの間のこのような循環は、エンクロージャ１９内の圧力Ｐ１がエンクロージャ２１内の圧力Ｐ２より大きい場合は、問題は生じない。

エンジンの動作のある段階で、エンクロージャ１９から換気空気の供給を止めるまたは低減させる必要がある場合、また換気空気の供給に関して何もなされない場合、クリアランスを調整することの妨げになるかもしれないエンクロージャ２１とエンクロージャ１９との間の空気またはガスの循環が発生する。

したがって、バルブの機能は、圧力Ｐ１がＰ２より小さい時に、エンクロージャ１９をエンクロージャ２１から離隔することである。バルブ３０はさらに、有利には圧力Ｐ１が印加される領域と圧力Ｐ２が印加される領域との間に差があるように構成され、その結果、閉弁位置（すなわち、スライダが張り出し部を押し付けて閉弁を行う）から開弁位置（安定した動作を確実にするために圧力Ｐ１がＰ２より十分に大きい場合のみ）に移ることができる。

バルブが閉弁位置にある時、図３の解決策は、エンクロージャ２１からエンクロージャ１９への循環を制限し、エンクロージャ１９を確実に加圧することを可能にする中央開口部３３ｂを備える。あるいは、バルブは中央オリフィスを持たない。この場合、バルブは逆止め機能を１つだけ有する。

バルブのその他の実施形態が、図４以降の図に示されている。

図４は、中央開口部１３５ａの周囲に軸方向の突出部１３５ｂを備えたカバー１３５を有する変形バルブ１３０を示す。これらの突出部はスライダの押し付けを制限するものである。バルブのその他の要素は、図３の要素と変わらない。

図５では、バルブ２３０は、より大きい径の円筒部より小さい径の円筒部にあるスライダ２３３であるという点で、上述のバルブとは異なる。スライダはより大きい径の円筒部内部を自由に移動する。カバー２３５は、上述したのと同じように、突出部２３５ｂを有する。空気はスライダの周りを循環し、中央孔２３３ｂを通って、その後軸方向突出部２３５ｂを避け、カバー２３５の中央開口部２３５ａを通り抜ける。

図６では、バルブ３３０は、空気路を形成する切欠部３３３ｂをその外周に備えたスライダ３３３を含む。それ以外は、バルブは、上述のバルブと同じである。

図７では、バルブ４３０は、管状要素４３１の小さい径の部分４３１ａ内に係合される部分４３３ｃを有するスライダ４３３を含む。この部分４３３ｃは、空気路４３３ｃ１を含む。さらに、スライダは、より大きい径の部分４３１ｃ内部に案内され、通過する空気のための開口部４３３ａを備える。これらの開口部４３３ａは、スライダが張り出し部４３１ｂを押し付ける時に張り出し部４３１ｂによりふさがれるように、スライダの外周にある。これらの開口部は、図７に示された切欠手段または掘削により得られる。

これらのバルブの動作は、図３のバルブ３０と同様であるので、その説明は省略する。これらのバルブの形状は、エンジンの動作段階に関係なく、結合させないで動作を可能にする。

２ ファン
５ 燃焼チャンバ
６ ＨＰタービン
８ ＬＰタービン
１１ 外側ケーシング
１２ 環状プレート
１２ｒ リム
１４ ブレード
１５ ステータリング
１６ 環状中間部
１７ 内側ケーシング
１７ａ 上流側リブ
１７ａ１、１７ｂ１、２１ａ１、３３ａ オリフィス
１７ｂ 下流側リブ
１７ｃ フランジ
１９ 換気エンクロージャ
２０ 移行チャネルの外壁
２１ 吹き付け空気分配エンクロージャ
２１ａ 上流側仕切り壁
２１ｂ 下流側仕切り壁
２１ｃ 内側仕切り壁
２１ｃ１、４３３ａ 開口部
２１ｄ 外側仕切り壁
２２ シールストリップ
２３ 管
３０、２３０、３３０、４３０ バルブ
３１ 管状部
３１ａ 第１の円筒部
３１ｂ、４３１ｂ 張り出し部
３１ｃ 第２の円筒部
３３、２３３、３３３、４３３ スライダ
３３ｂ 中央オリフィス
３５、１３５、２３５、４３５ カバー
３５ａ 中央部
１３０ 変形バルブ
１３５ａ、２３５ａ 中央開口部
１３５ｂ、２３５ｂ 突出部
２３３ｂ 中央孔
３３３ｂ 切欠部
４３１ 管状要素
４３１ａ 小さい径の部分
４３１ｃ より大きい径の部分
４３３ｃ 係合部
４３３ｃ１ 空気路
Ｐ１、Ｐ２ 圧力
Ｆ ガス流

Claims (9)

1. ＨＰタービンステータリング（１５）と、ＨＰ段とＬＰ段との間の移行チャネルの外壁（２０）と、ステータリングを調整するための第１のエンクロージャ（１９）と、移行チャネルの外壁に吹き付ける空気を分配するための第２のエンクロージャ（２１）とを含む２スプールガスタービンエンジンであって、第１のエンクロージャ（１９）内の圧力Ｐ１が第２のエンクロージャ（２１）内の圧力Ｐ２より大きい時に開弁し、Ｐ１＜Ｐ２の時に閉弁するように構成されたバルブ（３０）により調整されるオリフィス（２１ａ１）を介して、２つのエンクロージャ（１９、２１）が連通して配置されることを特徴とする、エンジン。
2. ２つのエンクロージャ（１９、２１）が、前記オリフィス（２１ａ１）により貫通された仕切り壁（２１ａ）により分割される、請求項１に記載のエンジン。
3. バルブ（３０）が、張り出し部（３１ｂ）を有するオリフィスに係合される管状要素（３１）と、張り出し部（３１ｂ）を押し付ける閉弁位置と張り出し部（３１ｂ）から離れた開弁位置との間で管状要素（３１）内を移動可能な閉弁スライダ（３３）とを含む、請求項１または２に記載のエンジン。
4. バルブ（３０）が、開弁位置でスライダ（３３）が押し付ける管状要素（３１）に取り付けられる穴あきカバー（３５）を含む、請求項３に記載のエンジン。
5. バルブ（３０）が、張り出し部（３１ｂ）により接続される２つの部分である小さい径の部分（３１ａ）およびより大きい径の部分（３１ｃ）を含む管状要素（３１）と、より大きい径の部分（３１ｃ）と協働してスライダを管状要素（３１）内部へ案内する案内面部分を含むスライダ（３３）とを含む、請求項３または４に記載のエンジン。
6. バルブ（３０）が、閉弁位置において２つのエンクロージャ（１９、２１）間の流量を確実に低減するリークオリフィス（３３ｂ）を有する閉弁スライダ（３３）を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のエンジン。
7. バルブ（４３０）が、張り出し部（４３１ｂ）により接続される２つの部分である小さい径の部分（４３１ａ）およびより大きい径の部分（４３１ｃ）を含む管状要素と、小さい径の部分（４３１ａ）と協働してスライダを管状要素内部へ案内する案内面部分（４３３ｃ）を含むスライダ（４３３）とを含む、請求項３または４に記載のエンジン。
8. バルブ（３０）が、ガスの通路を形成する管状に分布した複数の孔（３３ａ）を有する閉弁スライダ（３３）を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のエンジン。
9. バルブ（３３０）が、複数の径方向の切欠部（３３３ｂ）を有し、それらの間にガスの通路を形成するスライダ（３３３）を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のエンジン。

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