JP5383973B2 - ガスタービンエンジンアクティブクリアランス制御の使用済み冷却空気を排気するシステム及び方法 - Google Patents

ガスタービンエンジンアクティブクリアランス制御の使用済み冷却空気を排気するシステム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、アクティブクリアランス制御装置に見られるようなフランジなどのガスタービンエンジンリングの熱制御に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンリング及び又はフランジに衝突した後の熱制御流体を排気するための装置及び方法に関する。
スラスト、燃料消費率(SFC)及び排気ガス温度(EGT)マージンなどのエンジン性能パラメータは、タービンブレードチップとブレードチップを取り囲んでいるガスケット(static seal)又はシュラウドとの間のクリアランスに強く依存している。アクティブクリアランス制御は、高高度巡航状態である定常状態下でケーシングを高圧及び低圧タービンブレードチップに対して収縮させるための、一般に熱制御空気と呼ばれているエンジンファン及び又は圧縮機からの冷たい空気又は比較的熱い空気の流れを調整し、かつ、高圧及び低圧タービンケーシングに噴射する良く知られている方法である。これらの空気は、ブレードチップの周りの、熱制御リングとして機能しているフランジ又は擬似フランジなどのシュラウド又はシールを支持するために使用されている他の静的構造に向けて流すことも、噴射することも可能であり、あるいは衝突させることも可能である。使用済みの熱制御空気は、冷却中の外側ケーシングと、冷却空気を熱制御リングに供給し、衝突させるために使用されている分配マニホルドとの間の環状領域に蓄積することができる。熱制御空気と熱制御リングの間の熱伝達を従来の設計と比較して大きくし、延いては熱制御空気をより有効に利用することができることが大いに望ましい。したがって、熱制御リングに衝突し、かつ、熱制御リング全体に沿って外側に向かって半径方向に熱制御リングを洗う安定した熱制御空気の流れが提供されることが望ましい。
米国特許第4,765,742号公報 米国特許第4,804,905号公報 米国特許第5,100,291号公報 米国特許第5,205,115号公報 米国特許第5,219,268号公報 米国特許第5,281,085号公報 米国特許第6,035,929号公報 米国特許第6,152,685号公報 米国特許第6,185,925号公報 米国特許第6,464,457号公報 米国特許第6,902,371号公報 米国特許第6,949,939号公報
熱空気排気システムは、噴射孔を備えた噴射管によって、外側ケーシングに取り付けられた少なくとも1つの熱制御リング及び又は外側ケーシングに噴射された後の熱制御空気を、外側ケーシングと、外側ケーシングの軸方向に延在する部分を取り囲む分配マニホルドとの間の環状領域から周方向に排気するための、周方向に延在する排気通路を備えている。熱空気排気システムの一例示的実施形態は、さらに、分配マニホルドのベースパネルに取り付けられたバッフルであって、該ベースパネルとの間に、環状領域から排気される熱制御空気が通る排気通路を形成するように輪郭が施されたバッフルを備えている。排気通路は、バッフルを貫通する半径方向に面した排気孔によって形成された排気通路入口、及びバッフルとベースパネルの間の、周方向に面した排気通路出口によって形成された排気通路出口を有している。
ガスタービンエンジン熱制御装置は、さらに、複数のヘッダアセンブリの複数のプレナムに流体供給関係で接続された環状供給管を有するマニホルドと、複数のプレナムのうちの少なくとも1つに流体供給関係で接続された複数の環状噴射管とを備えている。噴射管は、熱制御空気が外側ケーシング及び又は外側ケーシングに取り付けられた少なくとも1つの熱制御リングに衝突するように配向された噴射孔を有している。環状セグメントステータシュラウドは、外側ケーシングに取り付けられており、タービンロータのタービンブレードの半径方向外側ブレードチップの周囲を取り囲んでいる。熱制御装置のより特定の実施形態は、外側ケーシングに取り付けられた少なくとも2つの熱制御リングと、噴射管によって噴射された後の熱制御空気を外側ケーシングとマニホルドの間の環状領域から周方向に排気するように動作させることができる、周方向に延在する排気通路とを備えている。
熱制御空気を排気するための方法には、外側ケーシングと、ケーシングの軸方向に延在する部分を取り囲む分配マニホルドとの間の環状領域で、噴射孔を有する噴射管を使用して、外側ケーシングに取り付けられた少なくとも1つの熱制御リング及び又は外側ケーシングに熱制御空気を噴射するステップと、次に、周方向に延在する排気通路を介して熱制御空気を周方向に排気するステップが含まれている。この方法の一例示的実施形態には、さらに、熱制御空気を周方向に排気している間、排気通路を介して熱制御空気を流すステップが含まれている。排気通路は、分配マニホルドのベースパネルに取り付けられ、該ベースパネルとの間に排気通路を形成するように輪郭が施されたバッフルとバッフルの間に形成されている。排気通路を介して熱制御空気を流すステップには、さらに、バッフルを貫通する半径方向に面した排気孔によって形成された排気通路の排気通路入口を介して排気通路に熱制御空気を流入させるステップと、次に、排気通路を介して熱制御空気を流すステップと、引き続いて、バッフルとベースパネルの間の、周方向に面した排気通路出口によって形成された排気通路出口を介して熱制御空気を排気通路の外へ流出させるステップが含まれている。
以下、本発明の上記態様及び他の特徴について、添付の図面を参照して説明する。
図1は、アクティブクリアランス制御システム12を備えた航空機用ガスタービンエンジン10の一例示的実施形態の断面を略図で示したものである。エンジン10は、下流側に向かって順に、ファン14を備えたファンセクション13、ブースタすなわち低圧圧縮機(LPC)16、高圧圧縮機(HPC)18、燃焼セクション20、高圧タービン(HPT)22及び低圧タービン(LPT)24を有している。エンジン軸8の周りに配置された高圧シャフト26は、HPT22をHPC18に駆動接続し、低圧シャフト28は、LPT24をLPC16及びファン14に駆動接続している。HPT22は、周囲にタービンブレード34が取り付けられたHPTロータ30を備えている。
圧縮ファン空気サプライ32は、一括して40で示されているタービンブレードチップクリアランス制御装置に軸流空気供給管42を介して供給される熱制御空気36のソースとして使用されている。空気供給管42内に配置されている空気弁44は、空気供給管42に流れる熱制御空気の量を制御している。熱制御空気36は、本明細書において説明されているアクティブクリアランス制御システム12の例示的実施形態の空気を冷却している。冷却空気は、ブースタすなわち低圧圧縮機(LPC)16を取り囲んでいるファンバイパスダクト15から軸流空気供給管42を通ってタービンブレードクリアランス制御装置40の分配マニホルド50へ制御可能に流れている。空気弁44及び図2に示すタービンブレードチップクリアランスCLを制御するために衝突する熱制御空気36の量は、コントローラ48によって制御されている。コントローラ48は、しばしばフルオーソリティディジタル電子制御(FADEC)と呼ばれているディジタル電子エンジン制御システムであり、必要に応じて、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86に衝突する熱制御空気36の量及び温度を制御し、延いてはタービンブレードチップクリアランスCLを制御している。
軸流空気供給管42への空気供給入口19は、ファン14の下流側のファンバイパスダクト15内に配置されている出口ガイドベーン17の下流側に配置されている。分配マニホルド50は、高圧タービン22の一部を取り囲む。マニホルド50は、複数のヘッダアセンブリ57の複数のプレナム56に冷却空気を分配している環状供給管54を備えている。これらのヘッダアセンブリ57から、図2及び図3に示すようにエンジン軸8の周りを取り囲んでいる複数の環状噴射管60に冷却空気が分配される。
図3及び図4を参照すると、複数のプレナム56のうちの2つが、HPT22の周りに周方向に配置された複数のヘッダアセンブリ57の各々に配置されている。複数のヘッダアセンブリ57の各々は、図2及び図7により詳細に示すベースパネル58を備えている。ベースパネル58の半径方向の外面62には、図5、及び図8に示すように、周方向に間隔を隔てた二重の箱型ヘッダ61が、ろう付け又は他の方法で取り付けられている。プレナム56は、ヘッダ61とベースパネル58の間に形成されている。複数のヘッダ61の各々は、T形フィッティング68によって供給管54に接続されている。図7に示すように、第1の細長いパネル孔63がベースパネル58を貫通して配置されており、図5及び図2に示すように、プレナム56から複数の噴射管60への冷却空気の流れを可能にしている。噴射管60はセグメント化されており、ヘッダアセンブリ57の一部であるベースパネル58に取り付けられた弓形セグメントを形成している。噴射管60の円周端67は、それぞれキャップ73で密閉され、シールされている。
図2は、前方ケースフック69及び後方ケースフック70によってHPT22の半径方向外側ケーシング66に取り付けられた第1のタービンステータアセンブリ64を示したものである。ステータアセンブリ64は、前方シュラウドフック74及び後方シュラウドフック76によって第1のタービンステータアセンブリ64の環状セグメントシュラウドサポート80に取り付けられたシュラウドセグメント77を有する環状セグメントステータシュラウド72を備えている。シュラウド72は、ロータ30のタービンブレード34を取り囲んでおり、ブレード34の半径方向外側ブレードチップ82の周りからの流れのリークを少なくしている。アクティブクリアランス制御システム12を使用して、詳細にはエンジン10の巡航運転の間、外側ブレードチップ82とシュラウド72の間の半径方向ブレードチップクリアランスCLが最小化される。
タービンブレードチップクリアランスCLを小さくすることにより、より小さい運転燃料消費率(SFC)が提供され、延いては燃料が著しく節約されることはこの業界では良く知られている。前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86は、ブレードチップクリアランスCLを最小の時間遅れ及び最少の熱制御(運転状態に応じて冷却又は加熱)空気流量でより効果的に制御するために提供されている。前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86は、外側ケーシング66に取り付けられているか、さもなければ結合されており、また、それぞれのケーシングと一体化することも(図2に示すように)、ケーシングにボルト止めするか、さもなければ他の方法で締め付けることも、あるいは密閉係合した状態でケーシングから機械的に分離することも可能である。
本明細書において説明されている前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86は、擬似フランジとも呼ばれている。また、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86は、ケーシングの端部に見られるようなボルト止めフランジ87であってもよい。熱制御リングは、ブレードチップクリアランスCLを調整するために、シュラウドセグメント77を半径方向に内側に向かって(また、必要に応じて外側に向かって)より効果的に移動させるための熱制御質量を提供している。前方ケースフック69及び後方ケースフック70は、熱制御リングに衝突する熱空気の変化に対する応答を改善するために、通常、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86の位置、あるいはそれらの軸方向の近傍に、半径方向に内側に向かって配置されている。
複数の噴射管60は、本明細書においては、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86のベース102に熱制御空気36(冷却空気)が衝突し、それによりシュラウドセグメント77が半径方向に内側に向かって移動し、ブレードチップクリアランスCLが緊密になるよう、つまりクリアランスCLが最小化されるように配向された噴射孔100を備えた、第1、第2及び第3の噴射管91〜93を有するものとして示されている。ベース102は、フィレット104の、外側ケーシング66とフィレット104の中心106の間の部分に配置されている。より詳細には、噴射孔100は、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86のフィレット104の中心106に熱制御空気36(冷却空気)が衝突し、それによりシュラウドセグメント77が半径方向に内側に向かって移動し、ブレードチップクリアランスCLが緊密になるよう、つまりクリアランスCLが最小化されるように配向されている。第1の噴射管91は、前方熱制御リング84の前方に軸方向に配置されている。第2の噴射管92は、前方熱制御リング84と後方熱制御リング86の間に軸方向に配置されており、フィレット104の中心106に熱制御空気36が衝突するように配向された円形の2列99の噴射孔100を有している。第3の噴射管93は、後方熱制御リング86の後方に軸方向に配置されている。
熱制御リングのフィレット104のベース102又は中心106に衝突する熱制御空気36は、熱制御リングの前側110及び又は後側112、及び又は外側ケーシング66、あるいは半径方向外側に面した、熱制御リングの前側110と後側112の間の面に空気を導く場合と比較すると、熱制御空気つまり冷却空気のより有効な用途を提供している。フィレット104のベース102又は中心106に衝突する熱制御空気36は、衝突した熱制御空気によって生じる空気の流れが、半径方向に外側に向かって熱制御リング及び又はフランジ全体を洗うことになるため、熱制御リング及びフランジを介した熱伝達を大きくしている。複数の環状噴射管60は、本明細書においては、ボルト止めフランジ87の前側110の近傍の外側ケーシング66に熱制御空気36が衝突するように配向された噴射孔100を備えた第4及び第5の噴射管94及び95を有するものとして示されている。
第1の噴射管91は、ヘッダアセンブリ57から半径方向に内側に向かって細長く延在し、かつ、第1の熱制御リングのフィレット104に向かって軸方向を後方に向かって細長く延在する。第2の噴射管92は、ヘッダアセンブリ57から外側ケーシング66へ向かって、半径方向に内側に向かって細長く延在する。第5の噴射管95は、ヘッダアセンブリ57から外側ケーシング66へ向かって、半径方向に内側に向かって細長く延在しており、概ね白熱電球断面形状120を有している。白熱電球断面形状120の円形半径方向外側断面部分114は、移行セクション118によって、より小さい円形半径方向内側断面部分116に接続されている。細長い半径方向環状噴射管は、ヘッダアセンブリ57から半径方向に内側に向かって細長く延在しており、したがってそれらの個々の噴射孔100は、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86のベース102及びボルト止めフランジ87又はそれらの近傍、あるいは熱制御リングのフィレット104の中心106に熱制御空気36(冷却空気)が衝突するよう、より良好に配向されている。
衝突管のこの細長い断面形状により、標準の管では到達することができないクリアランス領域の近傍に冷却空気を衝突させることができる。この細長い断面形状の衝突管は、空気が熱制御リングに到達するまでの間に移動しなければならない衝突距離を最短化している。衝突距離を最短化することにより、熱空気が移動する距離がより短くなり、付与される熱がより少なくなり、また、熱制御リングのベースに衝突する前の噴射速度がより高速になるため、熱空気をより有効なものにすることができる。そのため、同じ量の熱空気流すなわち冷却流に対して、HPTブレードとシュラウドの間のより優れたクリアランス制御が得られる。したがってエンジンSFCが改善され、HPT効率が向上する。また、使用に伴うエンジン劣化時にHPT効率を維持する能力が改善され、飛行時間が長くなり、かつ、ボルト止めフランジ部分のケーシングの寿命が長くなる。
図2、図5、図6及び図8〜図11は、噴射管60によって熱制御リング及び/又は外側ケーシング66に噴射された後の熱制御空気36を、外側ケーシング66と分配マニホルド50の間の概ね環状領域128から周方向に排気するための、周方向に延在する排気通路126を備えた使用済み熱空気排気システム124を示したものである。図2及び図11を参照すると、排気通路126は、本明細書においては、分配マニホルド50のベースパネル58の半径方向外側に面した表面132にろう付け又は他の方法で取り付けられたバッフル130によって形成されているものとして示されている。バッフル130は、バッフル130とベースパネル58の間に排気通路126が形成されるように輪郭が施されている。排気通路126は、図2、図5及び図7に示すように、ベースパネル58を貫通する半径方向に面した排気孔136によって形成された排気通路入口134を有している。排気通路126は、バッフル130とベースパネル58の間の概ね周方向に面した排気開口である排気通路出口138を有している。この構造により、外側ケーシング66と分配マニホルド50の間の環状領域128内における、加熱又は冷却された使用済み熱制御空気36の蓄積が防止され、また、前方熱制御リング84及び後方熱制御リング86に安定した流れの熱制御空気36を衝突させることができ、熱制御リング全体に沿って、半径方向に外側に向かって洗うことができる。
以上、本明細書において、本発明の好ましく、かつ、例示的と思われる実施形態について説明したが、当業者には本明細書における教示から本発明の他の改変が明らかであろう。したがって、このようなあらゆる改変は、本発明の真の精神及び範囲の範疇に属するものとして、特許請求の範囲の中で保護されているものとする。したがって、添付の特許請求の範囲で定義され、かつ、差別化されている本発明は、特許によって保護されるべきものである。
ケーシングと熱制御リングの間のフィレットに熱制御空気が衝突するように配向された噴射孔を有する環状噴射管を備えたアクティブクリアランス制御システムを備えた航空機用ガスタービンエンジンを示す略横断面図である。 図1に示すヘッダアセンブリを示す略横断面図である。 図2にそのうちの1つを示す複数のヘッダアセンブリを備えた、図1に示すアクティブクリアランス制御システムの熱空気分配マニホルドを示す斜視図である。 図2に示すヘッダアセンブリを示す斜視図である。 図2及び3に示す熱空気分配マニホルド及びヘッダアセンブリの一部を示す、半径方向に外側に向かって見た斜視図である。 図5に示す熱空気分配マニホルドのより大きな部分を示す、半径方向に外側に向かって見た斜視図である。 図5に示すヘッダアセンブリのベースパネルを示す、半径方向に内側に向かって見た斜視図である。 図5に示すヘッダアセンブリのベースパネル及び噴射管を示す、半径方向に外側に向かって見た拡大斜視図である。 バッフルとベースパネルの間の排気通路及び図5に示すヘッダアセンブリの排気通路を示す、半径方向に内側に向かって見た拡大斜視図である。 図4及び5に示すヘッダアセンブリの噴射管を示す、半径方向に内側に向かって見た切欠斜視図である。 図4に示すヘッダアセンブリの箱型ヘッダ、バッフル及びベースパネルを示す、半径方向に内側に向かって見た拡大斜視図である。
8 エンジン軸
10 ガスタービンエンジン
12 クリアランス制御システム
13 ファンセクション
14 ファン
15 ファンバイパスダクト
16 ブースタすなわち低圧圧縮機(LPC)
17 出口ガイドベーン
18 高圧圧縮機(HPC)
19 空気供給入口
20 燃焼セクション
22 高圧タービン(HPT)
24 低圧タービン(LPT)
26 高圧シャフト
28 低圧シャフト
30 高圧タービンロータ
32 空気サプライ
34 タービンブレード
36 熱制御空気
40 制御装置
42 空気供給管
44 空気弁
48 コントローラ
50 マニホルド
54 供給管
56 プレナム
57 ヘッダアセンブリ
58 ベースパネル
60 複数の環状噴射管
61 箱型ヘッダ
62 外面
63 第1の細長いパネル孔
64 ステータアセンブリ
66 外側ケーシング
67 円周端
68 T形フィッティング
69 前方ケースフック
70 後方ケースフック
72 ステータシュラウド
73 キャップ
74 前方シュラウドフック
76 後方シュラウドフック
77 シュラウドセグメント
80 シュラウドサポート
82 外側ブレードチップ
84 前方熱制御リング
86 後方熱制御リング
87 ボルト止めフランジ
91 第1の噴射管
92 第2の噴射管
93 第3の噴射管
94 第4の噴射管
95 第5の噴射管
99 円形の2列
100 噴射孔
102 ベース
104 フィレット
106 中心
110 前側
112 後側
114 半径方向外側断面部分
116 半径方向内側断面部分
118 移行セクション
120 白熱電球断面形状
124 熱空気排気システム
126 排気通路
128 環状領域
130 バッフル
132 半径方向外側に面した表面
134 排気通路入口
136 排気孔
138 排気通路出口
CL クリアランス

Claims (3)

  1. ガスタービンエンジン熱制御装置(40)であって、当該装置が、
    複数のヘッダアセンブリ(57)の複数のプレナム(56)に流体供給関係で接続された環状供給管(54)を備える熱空気分配マニホルド(50)であって、外側ケーシング(66)の軸方向に延在している部分を取り囲む熱空気分配マニホルド(50)と、
    前記複数のプレナム(56)のうちの少なくとも1つに流体供給関係で接続された複数の噴射管(60)であって、熱制御空気(36)が外側ケーシング(66)及び/又は前記外側ケーシング(66)に取り付けられた少なくとも1つの熱制御リング(84)に衝突するように配向された噴射孔(100)を有する複数の噴射管(60)と、
    前記噴射管(60)によって前記熱制御空気(36)が前記外側ケーシング(66)及び/又は前記外側ケーシング(66)に取り付けられた少なくとも1つの熱制御リング(84)に噴射された後で、前記外側ケーシング(66)と前記マニホルド(50)との間の環状領域(128)から前記熱制御空気を周方向に排気するように動作させることができる、周方向に延在する排気通路(126)と、
    前記分配マニホルド(50)のベースパネル(58)に取り付けられたバッフル(130)であって、該バッフル(130)と前記ベースパネル(58)との間に前記排気通路(126)を形成するように輪郭形成されたバッフル(130)と
    を備えており、前記排気通路(126)が、前記ベースパネル(58)を貫通する半径方向に面した排気孔(136)によって形成された排気通路入口(134)と、前記バッフル(130)と前記ベースパネル(58)との間の周方向に面した排気通路出口(138)とを有しており、前記噴射管(60)の少なくとも1つが前記熱制御リング(84)及び/又は前記外側ケーシング(66)に向かって細長く延在する細長い断面形状を有している、装置(40)。
  2. 前記ベースパネル(58)の半径方向外面(62)に取り付けられた、前記ベースパネル(58)との間に前記プレナム(56)を形成しているヘッダ(61)を備え、該ヘッダ(61)が前記供給管(54)に接続されているヘッダアセンブリ(57)と、
    前記ベースパネル(58)を貫通して配置された、前記熱制御空気(36)を前記プレナム(56)から前記複数の噴射管(60)へ流すための入口を形成している第1のパネル孔(63)と、
    前記ベースパネル(58)の半径方向外側に面した表面(132)にろう付け又は他の方法で取り付けられた前記バッフル(130)と
    をさらに備える、請求項1記載の装置(40)。
  3. 外側ケーシング(66)と、前記ケーシング(66)の軸方向に延在している部分を取り囲む分配マニホルド(50)との間の環状領域(128)で、噴射孔(100)を有する複数の噴射管(60)を使用して、前記外側ケーシング(66)に取り付けられた少なくとも1つの熱制御リング(84)及び/又は前記外側ケーシング(66)に熱制御空気(36)を噴射するステップと、次に、周方向に延在している排気通路(126)の周方向に面した排気通路出口(138)から前記熱制御空気(36)を周方向に排気するステップとを含む、熱制御空気(36)を排気するための方法であって、
    前記噴射管(60)の少なくとも1つが前記熱制御リング(84)及び/又は前記外側ケーシング(66)に向かって細長く延在する細長い断面形状を有しており、
    前記熱制御空気(36)を周方向に排気するステップが、
    前記分配マニホルド(50)のベースパネル(58)に取り付けられたバッフル(130)であって、該バッフル(130)と前記ベースパネル(58)との間に前記排気通路(126)を形成するように輪郭形成されたバッフル(130)とバッフル(130)の間に形成された排気通路(126)を通して前記熱制御空気(36)を流すステップと、
    前記ベースパネル(58)を貫通する半径方向に面した排気孔(136)によって形成された前記排気通路(126)の排気通路入口(134)を介して前記排気通路(126)に前記熱制御空気(36)を流入させるステップと、
    次に、前記排気通路(126)を介して前記熱制御空気(36)を流すステップと、
    引き続いて、前記バッフル(130)と前記ベースパネル(58)の間に形成された前記周方向に面した排気通路出口(138)から前記熱制御空気(36)を前記排気通路(126)の外へ流出させるステップとをさらに含む、方法。
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