JP5235602B2 - タービンエンジンの高圧タービン内のブレード先端における隙間の制御 - Google Patents

Description

本発明は、航空機のターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジンなどのタービンエンジン内の高圧タービンに関する。

タービンエンジンは基本的に、コンプレッサ、燃焼室、およびタービンを含む。コンプレッサは燃焼室に加圧空気を供給し、タービンは燃焼室から到来する高温ガスを受け取って、そこからエネルギーを抽出する。燃焼室の直ぐ下流に位置付けられたタービンの段は、一般的に高圧段と呼ばれているが、これは、ブレードが周囲に設けられたディスクであって、ケーシングによって保持された静止密封リングによって全体に取り囲まれたディスクを含む。

ブレードの先端と密封リングとの間の半径方向の隙間は、ブレードによって掃き流されるゾーンの外側の加圧空気の通路を最小化することによってタービンの性能が阻害されるのを防止するために、可能な限り小さくなければならない。しかしこの半径方向の隙間は、ブレード先端の密封リングに対する摩擦を避けるように、充分になければならない。

ブレードの先端と密封リングとの間の半径方向の隙間は、タービンのロータの熱膨張および機械膨張と、タービンのステータ、特にそのケーシングおよび密封リングの熱膨張とに依存している。

タービンエンジンの動作の様々な局面において、半径方向の隙間は、タービンのロータとステータとを備える要素の動きに起因して、また特に、こうした動きが両方向にあり、タービンエンジンのスピンドルのまわりで不均一に分配される場合があることから、大きく変化する場合がある。

特に臨界再加速と一般的に呼ばれている動作サイクル、即ちタービンエンジンが安定化された全速度から低速度に極めて短時間で移行し、次いで即座に全速度に戻る動作サイクル中は、半径方向の隙間は最低限度の値を超えてしまう。実際に、ロータディスクの熱膨張に起因する動きは、全速度から低速度への移行中、ディスクの大きな質量、またその結果生じる長い熱応答時間に起因してゆっくりとしている。ステータの要素の質量が小さくなる程、それらの熱応答はより速くなる。したがって、全速度への急激な再加速では、低速度で熱的に安定化される時間が未だ経過していないロータと、減速で動作条件に到達することができたステータとの間で半径方向の隙間が小さくなる。加速によって生じた遠心力はロータのさらなる膨張を引き起こし、それに対応して半径方向の隙間を縮小し、ブレードの先端が密封リングと接触した場合に、部品の時期尚早の摩耗を引き起こすことが可能となる。

したがって、ロータの応答に対してステータ要素の熱応答が速いほど、再加速サイクル中の、ブレードの先端と密封リングとの半径方向の隙間が小さくなり、時期尚早の摩耗のリスクが高くなると考えられる。

本発明は、特にこれらの問題に対する簡単、経済的、かつ効果的な解決策を提供して、従来技術の欠点が克服されるのを可能にすることを目的としている。

本発明は、具体的には、タービンエンジン内のタービン段のステータ要素の熱反応を遅らせて、再加速時の、タービン内の可動ブレードの先端とこれらのブレードを取り囲む密封リングとの間の半径方向の隙間の縮小を制限することを目的としている。

本発明は、より一般的には、ステータ要素の動きをタービンエンジンのスピンドルのまわりで均一にして、ブレード先端における半径方向の隙間の縮小を制限することを目的としている。

したがって本発明は、タービンのケーシングによって保持された密封リングの内側で回転するブレードを備えたホィールと、ケーシングおよびリングの間に取り付けられた環状の熱保護シートと、を含むタービンエンジン内のタービン段であって、環状の熱保護シートは、端部同士で取り付けられかつピンによってケーシングに取り付けられた複数の湾曲プレートによって形成されている、タービン段を提案する。

この環状の熱保護シートは、タービンのケーシングの断熱を向上させて、その熱的応答を遅らせ、熱膨張をより均一にすることを可能にする。

このシートの組み立てをし易くして、組み立ておよび維持管理のコストを縮小するために、環状シートは、隣接して取り付けられかつケーシングに取り付けられる少なくとも２つの湾曲プレートによって形成される。

本発明の他の特徴によると、ピンはケーシングのオリフィス内に圧着され、有利にケーシングの外側の端部を含み、その端部は、ピンの端部上に装着されかつケーシングの半径方向外側面に当てられたワッシャ上に圧着され、ワッシャは好ましくは、その内部周辺で面取りされ、少なくとも１つの溶接点によってケーシングに取り付けられている。

これらのワッシャを使用することによって、ピンの圧着中にケーシングが損傷されるのを防止することが可能となる。

有利には、ピンは湾曲プレートのオリフィス内に係合され、ピンの半径方向内側の端部に、湾曲プレートのオリフィスの縁部を支持する環状縁部を含んで、これらのプレートのケーシングへの適切な取り付けを保証するようにしている。

本発明の好ましい実施形態では、各湾曲プレートが３つのピンによってケーシングに取り付けられ、そのうちの１つは湾曲プレートの中間部の中央オリフィス内に入り、他の２つは上記湾曲プレートの端部のオリフィス内に入る。湾曲プレートの中間部の中央オリフィスは、ピンの横方向寸法に対応する寸法を有し、プレートをピンに、円周方向に滑らせて組み立たてるように、プレートの各端部のオリフィスは、ピンの横方向寸法よりも大きな寸法を有する。

各プレートの中央オリフィスによる取り付けによって、プレートをケーシングに対して固定することが可能になる。一方、プレートの端部を滑らせて組み立てることによって、これらの端部をケーシングに接続させながら、プレートが円周方向に僅かに動くのを可能にして、これらのプレートの熱膨張がプレートよりも僅かに冷たいタービンのケーシングの熱膨張よりも一般的に大きいという事実を考慮に入れている。

各プレートの一方端部は、隣接プレートの対応する端部が接続されるためのジョイントカバーを形成し、またはこれを有利に備え、そのジョイントカバーは、取付けピンを通すためのオリフィスを備え、好ましくは溶接によって湾曲プレートの端部に取り付けられている。

このジョイントカバーは、隣接する２つのプレートのオリフィスが重ねられると同時にこれらのプレートの位置合わせを、したがって、上記プレートによって形成された熱保護シートの全体の円環形状を保持することを可能にする。

本発明の他の特徴によると、各ピンの半径方向内側部分は、ピンの環状端縁部をケーシングから所定間隔に維持するためのスペーサ内に取り付けられ、またはそのスペーサを形成し、湾曲プレートは好ましくは、それらの半径方向外側面で突出しかつケーシングとの点状または準点状の接触部を形成する隆起を備える。

プレートの隆起に関連付けられたスペーサは、環状の熱保護シートとケーシングとの間に充分なギャップが設けられるのを可能にして、ケーシングの断熱を高めることが可能な空隙を作り出す。

さらに、隆起の形状は、プレートとケーシングとの間の熱交換表面を最小化するように選択されている。

本発明は特に、タービンエンジン内の高圧タービン段に関する。

本発明はまた、ターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジンなどのタービンエンジンであって、上述のタイプのタービン段を含むタービンエンジンに関する。

本発明はまた、上述のタイプの環状の熱保護シートを形成することを目的とした湾曲プレートにも関する。

非限定的な実施例としてここに提供した、添付の図面を参照した以下の説明を読めば、本発明がより充分に理解されることが可能となり、本発明の他の詳細、利点、および特徴がより明らかになる。

図１ａは、上流から下流にかけて、コンプレッサ１２、燃焼室１４、およびガスタービン１６を含む、知られているタイプのタービンエンジン１０の一部分を示す。

タービン１６は、高圧段であって、燃焼室１４の直ぐ下流に位置付けられ、燃焼室からの高温ガス流を受け取ってこれらのガスを１つまたは複数の低圧段にもたらし、その後排出させることを目的とした高圧段を備える。高圧段は、ロータを、高圧コンプレッサロータが結合されたシャフトに取り付けて含み、低圧段は、ロータを、タービンエンジンの入り口に位置付けられたファンが結合されたシャフトに取り付けて含む。

高圧タービン段のロータは、ディスク１８の周囲から半径方向に延在する、燃焼室１４からのガスの力によってロータを駆動することを目的とした可動ブレード２０を備えたディスク１８を含む。

ディスク１８は、密封リング２２によって取り囲まれている。密封リング２２は、摩耗性材料の層で半径方向内側面を覆われた隣接した複数の環状セクションによって形成され、フランジ２６によって外部ケーシング２８に自体は接続されている、タービンのケーシング２４によって保持されている。密封リング２２は、タービンの性能を最適化するように、ディスク１８の可動ブレード２０によって掃き流される区域の外側のガス流を制限することを目的としている。

図１ｂで示したように、密封リング２２のセクションは、実質的にＵ字形状の断面を備えたケーシング２４の環状部分３０によって支持され、２つの半径方向の翼部３２、３４が、タービンの内側と基部３６とに向けて導かれている。半径方向の翼部３２、３４はそれらの端部で、当業者に知られている方法で、密封リング２２のセクションを組み立てるための軸方向縁部３８、４０を含む。

タービンのケーシング２４のＵ字形状断面を備えた部分３０と密封リング２２とは、燃焼室のバイパス空間（図１ａの符号４６で示す）から到来して上流の半径方向翼部のオリフィス４８内を通ってくる冷却空気４４をリングセクションに供給するための空洞４２を形成する。

さらに、密封リング２２のセクションは、それらの半径方向外側面に配置された衝撃シート５０で覆われている。

図２ａは、本発明による環状の熱保護シート５２を示す。これは、空洞４２内で、タービンのケーシングの部分３０の基部３６にピンによって取り付けられて、ケーシングの熱応答を遅らせるようにすることを目的としている。

ここに示した実施例では、この熱保護シート５２は、互いと同一である２つの準環状湾曲プレート５４、５６によって形成されている。

各湾曲プレート５４、５６はその中間部に中央オリフィス５８を有する。中央オリフィス５８を図２ｂで拡大して示しているが、これは、湾曲プレート５４、５６を基部３６に取り付けるためのピンを通すことを目的としている。オリフィス５８は、プレート５４、５６がタービンのケーシング２４に対して固定されることを可能にするように、ピンの寸法と実質的に等しい寸法を有する。

さらに、各湾曲プレート５４、５６は、実質的に互いに同一である楕円形の２つのオリフィスを備える。その第１オリフィスは、プレートの端部の一方の近傍に形成され、他方オリフィスは、湾曲プレートの他方端部に溶接されたジョイントカバー内に形成される。

２つの湾曲プレートは、各プレートのジョイントカバーのオリフィスを、他のプレートのジョイントカバーを備えていない端部のオリフィスと融合させることによって互いに組み立てられている。

したがって、図２ｃは、ケーシングに取り付けられたピン７０が２つのオリフィス６６および６８を通ることを可能にするように、ジョイントカバーのオリフィス６６がプレート５６のオリフィス６８と位置合わせされるように、湾曲プレート５４のジョイントカバー６２が設けられた端部６０が、他方の湾曲プレート５６のジョイントカバーのない端部６４の付近に配置されているところを示す。これらのオリフィスの楕円形状は、プレート５４、５６のそれぞれの取付けピン７０に対するプレート５４、５６のそれぞれの僅かな並進移動を可能にすることによって、プレートの端部６０、６４をタービンケーシング２４上に滑らせて組み立てることを可能にする。

湾曲プレート５４、５６は、隆起またはピン７２であって、プレート５４、５６と基部３６との間の空隙を維持するように、湾曲プレート５４、５６の半径方向外側面で突出し、タービンケーシング２４のＵ字形状断面を備えた部分３０の基部３６との実質的に点状の接触部として働くことを目的とした隆起またはピン７２を備える。

図３は、図１ｂと類似の、湾曲プレート５４のピン７２を通過する平面による断面図を示す。

プレート５４は、空隙７８の密封を保証するように、タービンの内側に向かって湾曲され、それぞれが、タービンケーシング２４のＵ字形状断面を備えた部分３０の翼部３２および３４と接触した縁部７４、７６を備える。プレート５４の下流縁部７６は、湾曲プレート５４の振動を制限することを目的とした密封リング２２上でプレート５４を支持し、半径方向に案内する脚部も形成する。

基部３６と湾曲プレート５４との間で作り出された空隙７８は、タービンケーシング２４の熱絶縁が最適化されるのを可能にする。

図４は、図３と類似の断面図であるが、プレート５４および５６を一緒に、ケーシング２４のＵ字形状断面を備えた部分３０の基部３６に取り付けるために、プレート５６の端部のオリフィス内に、かつプレート５４のジョイントカバー６２のオリフィス内に係合されたピン７０を通過する平面による断面図である。

ピン７０はスカートを含み、タービンケーシング２４の外側の、スカートの端部８０は、ピンのスカートの端部８０上に装着された、少なくとも１つの溶接点によって基部３６の半径方向外側面に当てられまたは取り付けられたワッシャ８２上に圧着されている。ワッシャはその内側周囲で面取りされている。ワッシャ８２は、ピン７０を圧着する際にケーシング２４の損傷が回避されることを可能にする。

ピン７０はその半径方向内側端部にヘッド８４も含み、タービンの外側に面したその表面は、ジョイントカバー６２のオリフィスの縁部を支持する環状縁部８６を形成する。

さらに、ピン７０は、スペーサ８８内に取り付けられており、スペーサ８８は、ピンがプレート５６およびジョイントカバー６２に接触するのを防止されることを可能にしながら、ピンのヘッド８４の環状縁部８６を、ケーシング２４のＵ字形状断面を備えた部分３０の基部３６から所定間隔に維持して、空隙７８のための充分なギャップを保障するようにしている。

図５は図３と類似の断面図であるが、上記プレートを基部３６に取り付けるためにプレート５４の中間部の中央オリフィス５８内に係合されたピン９０を通過する平面による断面図である。

ピン９０は上述のピン７０と同じタイプであることから、特に製造コストを軽減するように、湾曲プレートの中央取付けのレベルでのジョイントカバーの不在を補償するために、ジョイントカバー６２の厚みと実質的に等しい厚みを備えた追加のワッシャ９２が、プレート５４のオリフィス５８の縁部とピン９０の環状縁部８６との間に挿入されている。

代替え方法として、スペーサは、図６および図７で示したように取り付けピン自体によって形成されることが可能である。

図６では、図４のようにプレート５４と５６の一緒のケーシング２４への取付けを示し、ピン９４は、タービンのケーシング２４のＵ字形状断面を備えた部分３０の基部３６の半径方向内側面へのピンの接触縁部を形成した肩部９６を備える。したがって、ピンのこの肩部９６とヘッド８４との間に含まれたピン９４の部分は、ギャップとこのギャップ内に作り出された空隙７８とを維持するスペーサとして作用する。

プレートのそれらの中間部での取付けに関して、図５で示したスペーサに対する代替え案のように、ワッシャ９２と一緒に同じピン９４が使用されることが可能である。

図７は、他の代替え案を示しており、ここではジョイントカバーの不在を補償するためのワッシャの必要を回避するように、ピン９４と同じタイプのピン９８であるが上記ピン９４の長さより短い長さを備えたピン９８が使用されている。

一般的に、本発明による環状熱保護シート５２は、それを、タービンケーシング２４のＵ字形状断面を備えた環状部分３０の内側に組み立てることを可能にするために２つの湾曲プレートを含む。

湾曲プレートは一般的にそれらを支持するタービンケーシングよりも大きな膨張を被る傾向を有することから、湾曲プレートの端部を滑らせて組み立てることによって、熱膨張差の現象を考慮に入れることが可能になる。

本発明による熱保護シートは、タービンケーシングの熱応答が遅らされることを可能にして、再加速時の、タービンにおける、可動ブレードの先端とこれらのブレードを取り囲む密封リングとの間の半径方向の隙間の縮小が、可動ブレードの先端と密封リングとの間の接触を防止するのに充分に小さいままとなるようにする。

知られているタイプのタービンエンジンの部分的軸断面略図である。 図１ａのＩｂの部分的詳細拡大図である。 本発明による熱保護シートの斜視略図である。 図２ａのＩＩｂの詳細拡大図である。 図２ａのＩＩｃの詳細拡大図である。 本発明の第１実施形態によるタービン段の、第１切断面による部分的軸断面略図である。 図３のタービン段の、第２切断面による部分的軸断面略図である。 図３のタービン段の、第３切断面による部分的軸断面略図である。 本発明の第２実施形態の、第２切断面による部分的軸断面略図である。 図６のタービン段の、第３切断面による部分的軸断面略図である。

符号の説明

１０ タービンエンジン
１２ コンプレッサ
１４、４６ 燃焼室
１６ ガスタービン
１８ ディスク
２０ 可動ブレード
２２ 密封リング
２４ ケーシング
２６ フランジ
２８ 外部ケーシング
３０ 環状部分
３２、３４ 翼部
３６ 基部
３８、４０ 軸方向縁部
４２ 空洞
４４ 冷却空気
４８、６６、６８ オリフィス
５０ 衝撃シート
５２ 熱保護シート
５４、５６ 湾曲プレート
５８ 中央オリフィス
６０、６４ 端部
６２ ジョイントカバー
７０、７２、９０、９４、９８ ピン
７４、７６ 縁部
７８ 空隙
８０ スカートの端部
８２、９２ ワッシャ
８４ ヘッド
８６ 環状縁部
８８ スペーサ
９６ 肩部

Claims (13)

1. ケーシングによって保持された密封リングの内側で回転するブレードを備えたホィールと、ケーシングおよびリングの間に取り付けられた環状の熱保護シートと、を含み、環状の熱保護シートが、端部同士で取り付けられかつピンによってケーシングに取り付けられた複数の湾曲プレートによって形成され、
   ピンが湾曲プレートのオリフィス内に係合され、それらの半径方向内側端部で、湾曲プレートのオリフィスの縁部を支持する環状縁部を含み、
   各湾曲プレートが３つのピンによってケーシングに取り付けられ、そのうちの１つが湾曲プレートの中間部の中央オリフィス内に入り、他の２つが湾曲プレートの端部のオリフィス内に入る、タービンエンジン内のタービン段。
2. ピンがケーシングのオリフィス内に圧着されている、請求項１に記載のタービン段。
3. ピンがケーシングの外側に端部を含み、その端部が、ピンの端部上に装着されかつケーシングの半径方向外側面に当てられたワッシャ上に圧着されている、請求項２に記載のタービン段。
4. ワッシャがその内部周囲で面取りされ、少なくとも１つの溶接点によってケーシングに取り付けられている、請求項３に記載のタービン段。
5. 湾曲プレートの中間部の中央オリフィスが、ピンの横方向寸法に対応した寸法を有し、プレートの各端部のオリフィスが、プレートをピンに円周方向に滑らせて組み立てることができるように、ピンの横方向寸法よりも大きな寸法を有する、請求項１に記載のタービン段。
6. 各プレートの一方端部が、隣接するプレートの対応する端部が接続されるためのジョイントカバーを形成し、そのジョイントカバーが取付けピンを通すためのオリフィスを備える、請求項５に記載のタービン段。
7. 各ピンの半径方向内側部分が、ピンの環状端縁部をケーシングから所定間隔を置いて維持するスペーサ内に取り付けられ、またはそのスペーサを形成する、請求項１に記載のタービン段。
8. 各湾曲プレートが、それらの半径方向外側面で突出しかつケーシングとの点状または準点状の接触部を形成する隆起を備える、請求項１に記載のタービン段。
9. ターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジンなどのタービンエンジンであって、請求項１に記載のタービン段を含む、タービンエンジン。
10. 請求項１に記載のタービン段の環状熱保護シートを形成することを目的とした湾曲プレートであって、取付けピンを組み立てるためのオリフィスを含み、各湾曲プレートが、取付けピンの組み立てのためにその中間部に中央オリフィスを、その端部それぞれにオリフィスを含み、各湾曲プレートの中間部の中央オリフィスが、取付けピンの横方向寸法に対応した寸法を有し、各プレートの端部のオリフィスがピンの横方向寸法よりも大きな寸法を有する、湾曲プレート。
11. 各プレートの端部が、隣接するプレートの対応する端部に接続されることが可能となるためのジョイントカバーを形成し、または備え、ジョイントカバーが取付けピンを通すためのオリフィスを備える、請求項１０に記載の湾曲プレート。
12. 各ジョイントカバーが溶接によって対応するプレートの端部に取り付けられている、請求項１１に記載の湾曲プレート。
13. 外部面から突出した隆起を備える、請求項１２に記載の湾曲プレート。

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