JP6392014B2 - ガスタービンエンジンのタービンケーシングと翼先端とのクリアランスの軸線方向位置決めに関するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は概して、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンの圧縮機内またはタービン部分内の内部ケーシングの軸線方向位置を、異なるエンジン運転状態において流路圧に基づくのみならず、隣接する回転部品と非回転部品との間のギャップクリアランスを有利に調整して制御する本方法を用いて受動的に制御する装置に関する。

当分野の当業者が理解していることであるが、ガスタービンエンジンの効率は、多くの要素に依存し、これらの要素のうちの１つの要素が、例えば動翼先端、およびこれらの動翼の外側先端を取り囲むケーシングシュラウドのような隣接する回転部品と非回転部品との間の半径方向クリアランスである。クリアランスが大き過ぎる場合、許容できない程度の作動流体漏れが生じ、結果的に効率の低下を招く。クリアランスが小さ過ぎる場合、所定の条件下で、部品の間の接触が生じ、これらの部品に損傷が及ぶ危険がある。

回転部品と非回転部品との間の接触の可能性は、或る範囲のエンジン運転状態で発生する。例えば、温度差がエンジンに生じると、回転部品および非回転部品が異なる量だけ半径方向に膨張収縮する場合が多いので、１つのこのような状態は、エンジン回転速度が高くなるか、または低くなる方向に変化する場合である。例えば、エンジンが加速すると、ロータの熱膨張が通常、ケーシングの熱膨張よりも遅れて発生する。安定状態では、ケーシングの膨張は普通、ロータの膨張に非常に近く一致する。エンジンが減速すると、ケーシングの収縮がロータよりも高速に起こる。これらの種類の問題は、ケーシングをロータの熱膨張にこれらの状態において一致させるのは困難である場合が多いので、始動時および電源遮断時にも発生する。

普通、機械的または熱的に作動する制御機構が、翼先端クリアランスを維持または低減して漏れを最小限に抑えるために、これまで当分野において提案されてきた。しかしながら、誰も最適化された設計、または効率的な設計を提示していない。詳細には、能動制御系はフィードバックループ、制御系、余分な構成部品を必要とするので、コストを機械に付加してしまう。受動系が同様の結果をもたらすことができる場合、これらの受動系は、通常、より少ない部品点数、より低いコストで済み、かつより大きな堅牢性を必要とする更に簡易化された作動方式を有するので望ましいことが理解できるであろう。従って、狭い先端−シュラウド間クリアランスを、エンジンの運転範囲全体を通じて維持してエンジン性能を向上させ、燃料消費量を低減するクリアランス制御機構を改善する必要が依然としてある。更に、内部ケーシングを軸線方向に位置決めする従来の方法およびシステムは通常、エンジンの圧縮機部分およびタービン部分が同様に不完全であるとしても提供されており、そしてこれらの構造の軸線方向位置を制御する方法およびシステムを改善する商業的要求があることを理解されたい。理解できることであるが、このような制御方法が、コスト効率良く、堅牢に、そして効率的に構成される場合、制御方法は、本明細書において記載される特定の例示的な使用法以外の他の使用法に供することができる。

米国特許第７６８６５６９号明細書

従って、本出願は、ガスタービンの内部ケーシングの軸線方向位置を、過渡的なエンジン運転状態におけるエンジンの流路内の変化する圧力に応じて受動的に変化させるシステムについて記載する。前記システムは、前記内部ケーシングを外部ケーシングに摺動可能に接続して、前記内部ケーシングを第１位置と第２位置との間で軸線方向に移動させる接続アセンブリと、環状空間を流路圧に対して加圧する手段と、前記内部ケーシングに前記第１位置に向かって軸線方向予荷重を付与する付勢手段と、前記環状空間内の圧力を受けて、前記付勢手段の軸線方向予荷重に対抗して前記内部ケーシングに軸線方向荷重を付与するように構成される内部ケーシング受圧面と、を含むことができる。

本出願は更に、流路に対する内部ケーシングの軸線方向位置を、軸線方向に離間する第１流路領域と第２流路領域との間の圧力差に応じて受動的に変化させる方法について記載し、前記方法は、前記内部ケーシングを前記外部ケーシングに摺動可能に接続して、第１軸線方向位置と第２軸線方向位置との間で軸線方向に移動させる工程と、前記第１軸線方向位置に向かって誘導される静的予荷重で、前記内部ケーシングに軸線方向荷重を付与する工程と、環状空間を第１環状空間および第２環状空間に分割して、前記第１環状空間と前記第２環状空間との間の圧力差を維持する工程と、前記第１環状空間を、前記第１流路領域の圧力に対して加圧し、前記第２環状空間を、前記第２流路領域の圧力に対して加圧する工程と、前記内部ケーシングを両側受圧面で構成する工程であって、第１受圧面が前記第１環状空間内に配置され、第２受圧面が前記第２環状空間内に配置される、前記構成する工程と、を含む。これらの両側受圧面は、前記第２軸線方向位置に向かって誘導される動的圧力荷重で前記内部ケーシングに軸線方向荷重を付与するように構成することができる。前記動的圧力荷重は、前記第１環状空間内の圧力が前記第２環状空間内の圧力を上回る量に応じて設定することができる。

本出願は更に、上流位置と下流位置との間の内部ケーシングの軸線方向位置を、エンジン運転状態に応じて受動的に変化させる方法について記載し、前記方法は、前記内部ケーシングを外部ケーシングに摺動可能に接続して、下流位置と上流位置との間で軸線方向に移動させる工程と、、作動流体を前記流路内の軸線方向離間圧力領域から吸入することにより、環状空間内に高圧領域および低圧領域を形成する工程と、前記内部ケーシングを両側受圧面で構成する工程と、を含み、第１受圧面は、前記環状空間の前記高圧領域内に配置され、第２受圧面は、前記環状空間の前記低圧領域内に配置されて、前記内部ケーシングに前記上流位置に向かって、前記環状空間の前記高圧領域内の圧力が前記低圧領域内の圧力を上回る量に応じて軸線方向荷重を付与する。

本出願は更に、内部ケーシングの軸線方向位置を受動的に制御する方法について記載し、前記方法は、前記内部ケーシングを外部ケーシングに摺動可能に接続して、収束方向の第１軸線方向位置と発散方向の第２軸線方向位置との間で軸線方向に移動させる工程と、機械的付勢手段により生じる静的荷重を利用して前記第１軸線方向位置に向かって前記内部ケーシングに軸線方向予荷重を付与する工程と、作動流体を前記流路の高圧吸入口および低圧吸入口から吸入する工程と、前記環状空間において、前記吸入作動流体により生じる圧力で前記内部ケーシングの両側受圧面に軸線方向荷重を付与して、動的圧力荷重で前記機械的付勢手段に対抗する工程と、を含み、前記動的圧力荷重は、前記高圧吸入口と前記低圧吸入口との間の現在の圧力差に直接関連するように設定される。

本出願のこれらの特徴、および他の特徴は、好適な実施形態についての以下の詳細な説明を、図面および添付の請求項と併せて考察することにより明らかになる。

本出願のこれらの特徴、および他の特徴は、本発明の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明を、添付の図面と併せて注意深く検討することにより、一層完全に理解され、そして評価される。

本出願の特定の実施形態を用いることができる例示的なガスタービンの断面模式図である。 図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機の断面図である。 図１の燃焼タービンエンジンのタービンの断面図である。 従来の設計によるガスタービン圧縮機に通常見られる例示的な流路アセンブリの断面模式図である。 ガスタービンエンジンに見ることができる流路の簡易断面模式図であり、本発明の特定の態様を示している。 本発明の特定の態様による内部ケーシングと外部ケーシングとの間の接続アセンブリの断面模式図である。 本発明の他の態様による内部ケーシングと外部ケーシングとの間の接続アセンブリの断面模式図である。

以下の説明では、従来の技術および本発明の両方の例を提供するだけでなく、本発明の場合における、幾つかの例示的な実施形態および説明的な実施形態を提供する。以下の例は、本発明の全てのあり得る応用形態について網羅するようにはなっていないことを理解されたい。以下の例は、特定の種類のタービンエンジンに関連して提示されるが、本発明の技術は、関連技術分野の当業者が理解するように、他の種類のタービンエンジンに適用することができる。

特定の専門用語を選択して、本発明を以下の文において記述することができる。可能な限り、これらの用語は、該当する技術分野で普通に使用される専門用語に基づいて選択されている。更には、このような用語は多くの場合、異なる解釈が行われることを理解されたい。例えば、本明細書において、ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（単一の構成部品）と表記される場合、この表記は、他の箇所では、ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（複数の構成部品）から成るものとして記述される、または本明細書において、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（複数の構成部品を含む）と表記される場合、この表記は、他の箇所では、ｓｉｎｇｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（単一の構成部品）であるとして記述される。本発明の範囲を理解するためには、使用される特定の専門用語に注意を払うだけでなく、それに付随する記述および前後関係に加えて、用語が幾つかの図を指すときの様式、および勿論、添付の請求項における専門用語の正確な使用法を含む、言及され、かつ記載される構成要素の構造、構成、機能、および／または使用法にも注意を払う必要がある。

幾つかの記述用語は、タービンエンジン内の構成部品およびシステムを記述するために恒常的に使用されるので、これらの用語をこの節の始めに定義しておくことは有用であることが分かる。従って、これらの用語、およびこれらの用語の定義は、特に断らない限り、以下の通りとする。「ｆｏｒｗａｒｄ」および「ａｆｔ」という用語は、別の特異的要素が無い場合は、ガスタービンの向きを基準とする方向を指す。すなわち、「ｆｏｒｗａｒｄ」とは、エンジンの前方、または圧縮機側を指し、「ａｆｔ」とは、エンジンの後方、またはタービン側を指す。これらの用語の各々は、エンジン内の移動または相対位置を指すために用いることができることを理解されたい。「ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ」および「ｕｐｓｔｒｅａｍ」という用語は、導管内を移動する流れの概略方向を基準とする特定の導管内の位置を指すために用いられる。「ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ」という用語は、流体が、特定の導管内を流れる方向を指すのに対し、「ｕｐｓｔｒｅａｍ」とは、方向の反対方向を指す。

従って、例えば圧縮機内を流れる空気から成り、次に、燃焼器内の燃焼ガスになる、タービンエンジン内の流体の主要な流れは、圧縮機の上流側の上流位置から流れ始めて、タービンの下流側の下流位置で流れ終えるものとして記述することができる。以下に詳細に説明される普通の種類の燃焼器内の流動方向を記述する場合、圧縮機放出空気は通常、燃焼器の後方側（燃焼器の長手軸線、およびｆｏｒｗａｒｄ／ａｆｔの違いを定義する前述の圧縮機／タービン位置を基準にして）に向かって密集するインピンジメント冷却孔を通って燃焼器に流入する。一旦、燃焼器に入ると、圧縮空気は、内部チャンバの周りに、燃焼器の前方側に向かって形成される流動環状空間によって案内され、燃焼器の前方側では、空気流が内部チャンバに流入し、空気流の流動方向を反転させ、燃焼器の後方側に向かって流れる。冷却通路内を流れる冷媒流は、同じようにして処理することができる。

中心共通軸周りの圧縮機およびタービンの構成だけでなく、特定の燃焼器の種類に共通する円筒形状が与えられる場合、軸を基準とする位置を記述する用語を使用する。この点に関連して、「ｒａｄｉａｌ」という用語は、軸に垂直な移動または位置を指すことを理解されたい。これに関連して、中心軸からの相対距離を記述する必要がある。この場合、第１構成要素が第２構成要素よりも中心軸に近接して収納されている場合、第１構成要素は、第２構成要素の「ｒａｄｉａｌｌｙ ｉｎｗａｒｄ（半径方向内側）」または「ｉｎｂｏａｒｄ（内側）」に在るとして記述される。これとは異なり、第１構成要素が第２構成要素よりも中心軸から離れて収納されている場合、第１構成要素は、第２構成要素の「ｒａｄｉａｌｌｙ ｏｕｔｗａｒｄ（半径方向外側）」または「ｏｕｔｂｏａｒｄ（外側）」に在るとして記述される。更に、「ａｘｉａｌ」という用語は、軸に平行な移動または位置を指すことを理解されたい。最後に、「ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ」という用語は、軸回りの移動または位置を指す。上に説明したように、これらの用語は、エンジンの圧縮機部分およびタービン部分内を延在する共通中心軸を基準として適用することができるが、これらの用語は、エンジンの他の構成部品またはサブシステムを基準として使用することもできる。例えば、多くの機械に共通する円筒形状の燃焼器の場合、これらの用語に相対的な意味を付与する軸とは、最初は円筒形である断面形状の中心を通って延びるが、タービンに近付くにつれて、より環状形状に近い形状に移行するような長手中心軸である。

図１は、本発明の実施形態を使用することができる公知のガスタービンエンジン１０の部分断面図である。図示のように、ガスタービンエンジン１０は普通、圧縮機１１と、１つ以上の燃焼器１２と、タービン１３と、を含む。流路は、ガスタービンエンジン１０内を通過するように画定されることを理解されたい。通常運転状態では、空気は、空気取入口からガスタービンエンジン１０に流入することができ、次に、圧縮機１１に供給することができる。圧縮機１１内の複数の軸線方向多段動翼は、空気流を圧縮して、圧縮空気供給流を生成する。次に、圧縮空気は、燃焼器１２に流入し、主燃料噴射装置２１内に誘導され、主燃料噴射装置２１は圧縮空気を燃料と混合して空燃混合気を生成する。空燃混合気を燃焼室内で燃焼させて、燃焼生成物の高エネルギー流体を生成する。次に、この高温ガスのエネルギー流体がタービン１３内で膨張し、このタービン１３がエネルギーを高温ガスから取り出す。

図２は、図１の燃焼タービンエンジンに使用することができる例示的な軸線方向多段圧縮機１１の図を示している。図示のように、圧縮機１１は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機の配列動翼１４および後段の圧縮機の配列静翼１５を含むことができる。このように、第１段は、中心シャフトの回りを回転する圧縮機の配列動翼１４、および運転状態では静止した状態を保持する後段の圧縮機の配列静翼１５を含むことができる。

図３は、図１の燃焼タービンエンジンに使用することができる例示的なタービン部分またはタービン１３の部分図を示している。タービン１３は、複数の段を含むことができる。例示的な３段を示しているが、これよりも多い、または少ない段をタービン１３に設けることができる。第１段は、運転状態でシャフトの回りを回転する複数のタービンバケットまたはタービン動翼１６、および運転状態では、静止した状態を保持する複数のノズルまたはタービン静翼１７を含むことができる。これらのタービン静翼１７は普通、周方向に互いに離間し、回転軸の回りに固定される。これらのタービン動翼１６は、タービンホイール（図示せず）に取り付けられて、シャフト（図示せず）の回りを回転することができる。タービン１３の第２段が更に図示されている。第２段は同様にして、複数の周方向離間タービン静翼１７、および後段の複数の周方向離間タービン動翼１６を含み、これらのタービン動翼１６もまた、タービンホイール（図示せず）に取り付けられて回転する。第３段が更に図示され、第３段は同様にして、複数のタービン静翼１７、およびタービン動翼１６を含む。これらのタービン静翼１７およびこれらのタービン動翼１６は、タービン１３の高温ガス流路に設けられることを理解されたい。高温ガス流路内を通過する高温ガス流の方向は、矢印で指示される。

１つの運転例では、圧縮機動翼１４が軸線方向圧縮機１１内で回転すると、空気流を圧縮することができる。燃焼器１２では、エネルギーは、圧縮空気が燃料と混合され、そして点火されると放出される。次に、燃焼器１２から結果的に流れ出す作動流体と表記することができる高温ガス流は、タービン動翼１６に沿って流れるように誘導され、作動流体が流れることによって、シャフト回りのタービン動翼１６の回転が生じる。これにより、作動流体流のエネルギーが回転翼の機械エネルギーに変換され、そして動翼６１およびシャフトが接続されているので、シャフトが回転する。次に、シャフトの機械エネルギーを利用して、圧縮機動翼１４の回転を駆動して、必要な圧縮空気供給流を生成し、更に、例えば発電機が電力を発生させることができる。

図４は、本発明の実施形態を使用することができる圧縮機１１の例示的な流路５４アセンブリの断面模式図を示している。圧縮機１１は、交互に並んだ動翼１４および静翼１５を含む軸線方向流路５４を画定する。これらの動翼１４は、ロータディスク４３から延出し、このロータディスク４３は、図示のように、流路５４の内側境界を画定する回転構造を含むことができる。これらの静翼１５は、固定内部ケーシング５１から延出し、この固定内部ケーシング５１は、流路５４の外側境界５５を画定する。外部ケーシング５２は、内部ケーシング５１の周りに同心円状に形成されて、ケーシング間環状空間または環状空間５３がこれらのケーシングの間に形成される。図示のように、内部ケーシング５１は、接続アセンブリ７５を介して外部ケーシング５２に接続することができ、接続アセンブリ７５は、機械的に固定される半径方向接合フランジを含む。図示のように、接続アセンブリ７５は、環状空間５３を軸線方向積層空間に分割し、これらの軸線方向積層空間は、互いに対してシール８０によって気密密閉される。図示のように、環状空間５３のこれらの積層空間の各々は、積層空間を流路５４に形成される吸入口に接続する吸入通路６６を含む。内部ケーシング５１と外部ケーシング５２との間の取り付けアセンブリの性質から想到されるように、外部ケーシング５２または流路５４に対する内部ケーシング５１の軸線方向移動は可能ではない。

次に、図５〜７を参照すると、機械装置の例示的な実施形態が図示されており、この機械装置によって、異なるエンジン運転状態において流路５４内に発生する圧力差に応じて、内部ケーシング５１の軸線方向位置決めを受動的に制御することができる。本発明の一部として、機械制御装置だけでなく、機械制御装置に関連する新規な方法および手順を用いて、内部ケーシング５１の位置決めを効率的に制御して、ガスタービンエンジン１０内の回転構造と静止構造との間に通常、発生する漏洩通路を狭くする。本発明は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機１１部分またはタービン１３部分のいずれにも使用することができることを理解されたい。以下に説明する特定の実施形態のうちの幾つかの実施形態によれば、特定の構成部品の軸線方向配置は、流路が収束し、そして発散する方向を基準にして記述され、この方向は、円錐形流路５４（すなわち、流路は、軸線方向に斜めになった、または傾いた境界形状を有する）を基準にして指示することができる。

図５は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機１１またはタービン１３のいずれにも観察することができる例示的な流路５４の簡易断面模式図を提供し、本発明の特定の態様を例示するために提供される。図４に示すように、外部ケーシング５２は、内部ケーシング５１の周りに同心円状に配置されて、環状空間５３を外部ケーシング５２と内部ケーシング５１との間に形成することができる。内部ケーシング５１は、流路５４の外側境界５５を画定することができる。図示のように、外側境界５５は、エンジンの長手軸線に対して軸線方向に傾斜させることができる。上に説明した軸線方向傾斜の向きに関して、流路５４が収束する収束方向７２、および流路５４が発散する発散方向７１を指示することができることを理解されたい。更に、流路５４が仮に、圧縮機１１の流路であったとすると、収束方向７２は下流方向に一致し、発散方向７１は上流方向に一致することを理解されたい。更に、収束方向７２は、圧力がガスタービンエンジン１０の運転中に上昇する方向である。これとは異なり、流路５４がタービン１３内に画定される場合、収束方向７２は上流方向に一致し、発散方向７１は下流方向に一致する。収束方向７２は圧力が上昇する方向のままである。明瞭性を期して、図５についての詳細な説明では、流路５４を流路が圧縮機１１の一部であるとして説明するが、これらの原理は、タービン１３、特に軸線方向位置が収束方向または発散方向について設定される場合のタービン１３に当てはめることもできるが、その理由は、いずれの場合においても、圧縮機１１内、またはタービン１３内のいずれであるかに関係なく、流路５４に沿った圧力は、収束方向に上昇する。以下に更に詳細に説明するように、内側境界５５も軸線方向に傾斜する形状を含むことができる。

図５は、配列静翼６２の上流に配置される配列動翼６１を示している。これらの動翼６１は外側先端４１を有することができ、これらの外側先端４１は、外側境界５５にギャップクリアランス６５を隔てて対向し、このギャップクリアランス６５は、外側先端４１と外側境界５５との間に画定される。これらの静翼６２は内側先端４２を有することができ、これらの内側先端４２は、内側先端４２と内側境界との間に画定されるギャップクリアランス６７を隔てて内側境界５５に対向している。

図示のように、接続アセンブリ７５は、内部ケーシング５１を外部ケーシング５２に摺動可能に接続して、軸線方向に移動させるように構成することができる。接続アセンブリ７５の一部として、コンプレッションバネ７９のような付勢構造を使用して、内部ケーシング５１に、収束方向７２に軸線方向予荷重を付与することができる。好適な実施形態では、付勢構造は、Ｂｅｌｌｅｖｉｌｌｅ（ベルビル）ワッシャーまたはコンプレッションバネ７９（コンプレッションバネはディスクバネとしても知られている）を含むことができる。他の実施形態では、リーフバネまたは金属発泡体のような、或いは磁気付勢手段を含む他の種類のバネまたは付勢系のような他の付勢手段を使用することができる。

環状空間５３は、流路５４の吸入口と流体連通する吸入通路６６を含むことができる。このように、流路５４内の圧力に直接関連する、または比例する環状空間５３内の圧力を実現することができる。図示のように、好適な実施形態では、接続アセンブリ７５は、環状空間５３を、この場合は収束方向７２に対応する第１環状空間または下流環状空間５７と、そしてこの場合は発散方向７１に対応するおよび第２環状空間または上流環状空間５８とに分割するように構成される。接続アセンブリ７５はシール８０を含むことができ、このシール８０は、下流環状空間５７を上流環状空間５８から流体密閉して、圧力差を下流環状空間５７と上流環状空間５８との間で維持するように構成される。シール８０は、本明細書において記載される目的および機能を達成する従来の任意の種類のシールとすることができる。シール８０は、接続アセンブリ７５内に図示のように組み込むことができる、またはシール８０は個別部品とすることができることを理解されたい。

下流環状空間５７は、流路５４の第１吸入口と流体連通する吸入通路６６を含むことができる。このように、流路５４の特定位置の圧力に直接関連する、または比例する圧力を下流環状空間５７内に発生させることができる。上流環状空間５８は、流路５４の第２吸入口と流体連通する吸入通路６６を含むことができる。このように、流路５４の第２の特定位置の圧力に直接関連する、または比例する圧力を上流環状空間５８内に発生させることができる。図示のように、２つの吸入位置は、流路５４に沿って軸線方向に離間させることができる。好適な実施形態では、これらの吸入口は、配列動翼６１の各側に配置される。これらの吸入口の広い軸線方向間隔を利用して、相当大きく異なる圧力レベルを、流路５４の２つの吸入口の間の圧力差が、２つの吸入口の間の距離が長くなるにつれて徐々に大きくなるので、上流環状空間５８および下流環状空間５７の各環状空間内に意図的に発生させることができることを理解できるであろう。燃焼器１１内では、燃焼器１１の吸入口が更に下流にあるとすると、下流環状空間５７は、上流環状空間５８の圧力よりも高い圧力を有することになることを理解できるであろう。

内部ケーシング５１は、環状空間５３の境界を画定する外側表面を含む。図示のように、内部ケーシング５１は、内部ケーシング５１が、下流環状空間５７および上流環状空間５８の両方の環状空間に臨む表面領域または受圧面を含むように構成することができる。このように構成されると、内部ケーシング５１の表面が各環状空間５７，５８内の圧力を受け、これにより、各環状空間５７，５８内のこの圧力レベルに比例する力が内部ケーシング５１に加わることになることを理解できるであろう。内部ケーシングの表面領域のうちの幾つかの表面領域の向きが与えられる場合、この力または荷重は、軸線方向指向成分を含むことを理解できるであろう。結果的に生じるこの荷重の軸線方向指向成分は、本明細書では「ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏａｄ（圧力荷重）」と表記することができる。更に、下流環状空間５７および上流環状空間５８の各環状空間から、荷重が内部ケーシング５１にこのようにして付与されて、互いに対向する方向の軸線方向圧力荷重が発生することを理解できるであろう。下流環状空間５７内の圧力は、上流環状空間５８内の圧力よりも大きいので、本発明のシステムは、正味の力または圧力荷重が、内部ケーシング５１に発散方向７１に加わるように構成される。更に、本発明のシステムは、結果として生じるこの圧力荷重が、下流環状空間５７内の圧力が上流環状空間５８内の圧力を上回る量に応じた、または比例する動的荷重となるように構成することができる。各環状空間５７，５８内の圧力が、流路５４の特定領域の圧力に直接関連するので、内部ケーシング５１に結果的に加わる軸線方向圧力荷重は、流路５４の特定位置の間の圧力差（すなわち、２つの吸入口の間の圧力差）に直接関連する、または比例するように設定することができることを理解できるであろう。従って、本発明の配置によって、エンジンオペレータは、内部ケーシング５１に加わる特定の圧力荷重レベルに応じた措置を講じる受動制御を利用することができるが、その理由は、このような荷重レベルが、流路５４内の圧力差を反映し、この圧力差が今度は、特定のエンジン運転状態を反映するからである。

１つの好適な実施形態では、流路の外側境界５５は、内部ケーシング５１が軸線方向に移動すると漏洩通路が狭くなる形状を含んでいる。この例では、システムは、内部ケーシング５１の軸線方向移動を開始させる所定の閾値圧力荷重を生じるエンジン運転状態が、漏洩通路が広い運転状態でもあるように構成することができる。図示のように、本発明の態様によれば、傾斜外側境界または軸線方向傾斜外側境界５５は、内部ケーシング５１を発散方向または上流方向に軸線方向に移動させることにより漏洩通路（ギャップクリアランス６５のような）を狭くするために使用することができる流路形状である。この軸線方向傾斜の種々の態様について、以下に更に詳細に説明する。

図示のように、１つの好適な実施形態では、接続アセンブリ７５は、半径方向係止構造を含み、この半径方向係止構造では、軸線方向突出環状体と表記することもできる内部ケーシングフランジ７７が、２つの外部ケーシングフランジ７８の間に形成されるスロットに嵌め込まれるが、他の構成が可能であることを理解できるであろう。図示のように、スロットの幅は、内部ケーシングフランジ７７の軸線方向幅よりも大きくすることができる。このように、スロットの対向側壁が内部ケーシング５１の軸線方向移動の限界または範囲を規定する。スロットの対向側壁はメカニカルストップ位置となり、これらのメカニカルストップ位置を超える内部ケーシング５１の軸線方向移動は阻止される。軸線方向移動範囲は、タービンエンジンの種類、流路構造、および運転状態を含む幾つかの要素によって異なる可能性がある。特定の好適な実施形態によれば、内部ケーシング５１の軸線方向移動の軸線方向範囲は、０．１５〜０．３５インチである。特定の実施形態では、接続アセンブリ７５はコンプレッションバネ７９を含み、このコンプレッションバネ７９を使用して、内部ケーシング５１を初期位置に向かって付勢する。この場合、コンプレッションバネ７９は、内部ケーシングフランジ７７をスロットの収束方向の側壁または下流方向の側壁に向けて押圧する。図示のように、好適な実施形態では、コンプレッションバネ７９は、内部ケーシングフランジ７７に係合する第１端部と、スロットの発散方向の側壁または上流方向の側壁に係合する第２端部と、を有する。

図６および７は、接続アセンブリ７５の拡大図を提供する。図６では、内部ケーシング５１が初期位置に収まっており、この初期位置は、内部ケーシングフランジ７７が下流側ストップ位置（この場合は外部ケーシングフランジ７８）に押圧保持される位置である。図７では、内部ケーシング５１が、コンプレッションバネ７９から加わる力よりも大きい圧力荷重によって上流方向または発散方向に押されている。この位置では、コンプレッションバネ７９は、内部ケーシングフランジ７７と外部ケーシングフランジ７８との間で圧縮され、特定の実施形態によれば、方向に更に移動するのを、外部ケーシングフランジ７８の一部であるメカニカルストップ位置によって阻止される。

更に図示されているように、上流側の外部ケーシングフランジ７８、およびコンプレッションバネ７９は、ネジ切り接続部８５を含むことができ、このネジ切り接続部８５によって、コンプレッションバネ７９からの予荷重による圧縮量を調整することができる。このように、コンプレッションバネ７９の静的荷重は、内部ケーシング５１の軸線方向移動が、特定の運転状態で起こるように、すなわちコンプレッションバネ７９からの予荷重よりも大きい圧力差が流路５４内に発生して、内部ケーシング５１の軸線方向移動を開始させる運転状態で起こるように変えることができる。更に詳細には、コンプレッションバネ７９からの軸線方向予荷重は、ａ）第１エンジン運転状態では、軸線方向予荷重が、内部ケーシング５１の受圧面に対する軸線方向圧力荷重を超えて、内部ケーシング５１が初期位置を保持し、ｂ）第２エンジン運転状態では、内部ケーシング５１の受圧面に対する軸線方向圧力荷重が軸線方向予荷重を超えて、第２位置に向かう軸線方向移動が開始されるような閾値に設定することができる。図示のように、ネジ切り接続部８５は、コンプレッションバネ７９の上流側端部が、上流側の外部ケーシングフランジ７８に螺合可能に収容されて、回転調整によってコンプレッションバネ７９の端部を軸線方向に変位させるように構成される。

配列静翼６２は、動翼６１の直ぐ下流に配置され、かつ内部ケーシング５１に取り付けられる。これらの静翼６２は、流路５４の内側境界５５を画定する回転構造に対向する内側先端４２を有する。内側ギャップクリアランス６５は、静翼６２の内側先端４２と流路５４の内側境界５５との間に画定される。特定の実施形態では、流路５４の内側境界５５は、軸線方向傾斜を含む。好適な実施形態では、内側境界５５の軸線方向傾斜によって流路５４が、軸線方向傾斜外側境界６５と同じ方向に収束する。外側境界５５の軸線方向傾斜が与えられる場合、動翼６１と内部ケーシング５１との間のギャップクリアランス６５は、内部ケーシング５１が発散方向に移動するにつれて狭くなり、これは、上に説明したように、付勢予荷重を超えると発生することが理解できるであろう。図５に示すように、ギャップクリアランス６７および内側流路境界５６（内側流路境界５６は、多くの従来のタービンエンジンに見られる通常の内側流路境界である）の配置が与えられる場合、内部ケーシング５１の同じ軸線方向移動によって、内側ギャップクリアランス６７が広くなる。しかしながら、外側境界５５に沿った傾斜を内側境界５６に沿った傾斜よりも急峻にすると、漏洩通路の正味の閉塞状態が生じる。例えば、外側境界５５の軸線方向傾斜角６４は５°〜３５°とすることができ、内側境界５６の軸線方向傾斜角６４は０°〜２５°である。他の構成も可能である。漏洩通路の閉塞を更に確実に行うために、動翼６１の外側先端４１は、外側境界５５の軸線方向傾斜とほぼ同じ軸線方向傾斜を含むことにより、これらの外側先端４１の前方縁と後方縁との間において、外側境界５５からの略一定のずれ量を設けて、外側先端４１と外側境界５５との間で保つことができる。同じ構成を、これらの内側先端４２と内側境界５６との間に設けることもできる。

本発明では更に、方法およびプロセスについて説明し、この方法およびプロセスにより、上に説明した機械システムを用いることができる。１つの例示的な実施形態によれば、本発明は、圧縮機１１内の内部ケーシング５１の軸線方向位置を、上流位置と下流位置との間でエンジン運転状態に応じて受動的に変化させる方法を含む。方法は、内部ケーシング５１を外部ケーシング５２に摺動可能に接続して、下流位置と上流位置との間を軸線方向に移動させる工程と、作動流体を流路５４の軸線方向離間圧力領域から吸入することにより、環状空間５３に高圧領域および低圧領域を形成する工程と、内部ケーシング５１を、両側受圧面、環状空間５３の高圧領域に配置される第１受圧面、および環状空間５３の低圧領域に配置される第２受圧面によって構成して、荷重を内部ケーシング５１に上流位置の方に向かって、環状空間５３の高圧領域の圧力が、環状空間５３の低圧領域の圧力を上回る量に応じて軸線方向に付与する工程と、を含むことができる。方法は更に、流路５４の外側境界５５および内側境界５５を設定して、静止構造と回転構造との間の漏洩通路が、内部ケーシング５１が、第１軸線方向位置にあるときに広くなり、内部ケーシング５１が、第２軸線方向位置にあるときに狭くなるようにする工程を含むことができる。

別の実施形態では、圧縮機またはタービンの内部ケーシング５１の軸線方向位置を受動的に制御する方法について説明する。この例では、内部ケーシング５１は、軸線方向傾斜外側境界５５を画定し、この外側境界５５は、外側境界５５を基準にして、流路５４が収束する収束方向、および流路５４が発散する発散方向を規定する。この実施形態は、内部ケーシング５１を外部ケーシング５２に摺動可能に接続して、収束方向の第１軸線方向位置と発散方向の第２軸線方向位置との間を軸線方向に移動させる工程と、機械的付勢手段から生じる静的荷重を使用して、第１軸線方向位置に向かって内部ケーシング５１に軸線方向予荷重を付与する工程と、作動流体を、流路５４の高圧吸入口および低圧吸入口から吸収する工程と、環状空間５３内において、吸収作動流体から生じる圧力で内部ケーシング５１の両側受圧面に軸線方向荷重を付与することにより、機械的付勢手段に対抗する方向に動的圧力荷重を加える工程と、を含むことができ、動的圧力荷重は、高圧吸入口と低圧吸入口との間の現在の圧力差に直接関連するように設定される。上に説明したように、両側受圧面は、第１受圧面および第２受圧面を含むことができ、動的圧力荷重は、第１受圧面に発散方向に向かって、高圧吸入口から吸入される作動流体から生じる圧力で軸線方向荷重を付与し、第２受圧面に収束方向に向かって、低圧吸入口から吸入される作動流体から生じる圧力で軸線方向荷重を付与することにより生成することができる。方法は更に、内部ケーシング５１が第１軸線方向位置に位置することが好ましい第１エンジン運転状態を、対向する回転構造と静止構造との間に画定される漏洩通路クリアランスに基づいて判断する工程、および内部ケーシング５１が第２軸線方向位置に位置することが好ましい第２エンジン運転状態を、漏洩通路クリアランスに基づいて判断する工程を含むことができる。一旦、これが完了すると、エンジンオペレータおよび／または部品設計者は次に、第２エンジン運転状態の動的圧力荷重が、第１エンジン運転状態の動的圧力荷重を上回る量を測定することができる。次に、これらの運転状態の間のこの圧力荷重差を使用して、機械的付勢手段が、第１軸線方向位置に向かって内部ケーシング５１に軸線方向予荷重を付与する量を調整することができる。詳細には、軸線方向予荷重は、第２エンジン運転状態の動的圧力荷重が、第１エンジン運転状態の動的圧力荷重を上回る量に応じて設定することができる。静的予荷重は、静的予荷重が動的圧力荷重よりも第１エンジン運転状態において大きく、かつ動的圧力荷重よりも第２エンジン運転状態において小さいように設定することができる。

当分野の当業者であれば、幾つかの例示的な実施形態に関連して上に説明した多くの種々の特徴および構成は、本発明の他の可能な実施形態を構成するために選択的に適用することもできることを理解できるであろう。簡潔性を期して、そして当分野の当業者の能力を考慮に入れて、可能な繰り返しの全てを詳細に提供または説明している訳ではないが、以下の幾つかの請求項またはその他の記述に包含される全ての組み合わせ、および可能な実施形態は、本出願の一部を構成するものである。更に、本発明の幾つかの例示的な実施形態についての上の説明から、当分野の当業者であれば、改善、変更、および変形を想到することができるであろう。当業者が想到することができるこのような改善、変更、および変形もまた、添付の請求項に包含されるものである。更に、これまでの内容は、本出願に記載される実施形態のみに関し、多くの変更および変形は本明細書において、以下の請求項およびこれらの請求項の均等物により規定される本出願の思想および範囲から逸脱しない限り加えることができることを理解できるであろう。

１０ ガスタービンエンジン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４、６１ 動翼
１５、６２ 静翼
１６ タービン動翼
１７ タービン静翼
２１ 主燃料噴射装置
４１ 外側先端
４２ 内側先端
４３ ロータディスク
５１ 内部ケーシング
５２ 外部ケーシング
５３ 環状空間
５４ 流路
５５ 外側境界
５６ 内側流路境界、内側境界
５７ 下流環状空間
５８ 上流環状空間
６４ 軸線方向傾斜角
６５ 軸線方向傾斜外側境界
６５、６７ ギャップクリアランス
６６ 吸入通路
７１ 発散方向
７２ 収束方向
７５ 接続アセンブリ
７７ 内部ケーシングフランジ
７８ 外部ケーシングフランジ
７９ コンプレッションバネ
８０ シール
８５ ネジ切り接続部

Claims (9)

1. 圧縮機（１１）およびタービン（１３）のうちの一方の内部に画定される流路（５４）を有するガスタービンエンジン（１０）において、前記流路（５４）は、外側境界（５５）に対向する外側先端（４１）を有する周方向離間配列動翼（１４、６１）を、前記外側境界（５５）と前記外側先端（４１）との間に画定されるギャップクリアランス（６５、６７）を隔てて含み、内部ケーシング（５１）は前記外側境界（５５）を画定し、外部ケーシング（５２）は、前記内部ケーシング（５１）の周りに配置されて、環状空間（５３）を前記外部ケーシング（５２）と前記内部ケーシング（５１）との間に形成し、前記内部ケーシング（５１）の軸線方向位置を、過渡的なエンジン運転状態における前記流路（５４）内の変化する圧力に応じて受動的に変化させるシステムは、
   前記内部ケーシング（５１）を前記外部ケーシング（５２）に摺動可能に接続して、前記内部ケーシング（５１）を第１位置と第２位置との間で軸線方向に移動させる接続アセンブリ（７５）と、
   前記環状空間（５３）を、流路圧に対して加圧する少なくとも１つの吸入通路であって、前記環状空間（５３）の前記流路（５４）の吸入口と流体連通する少なくとも１つの吸入通路と、
   前記内部ケーシング（５１）を前記第１位置に向かって軸線方向予荷重を付与する付勢手段と、
   前記環状空間（５３）内の圧力を受けて、前記付勢手段の軸線方向予荷重に対抗して前記内部ケーシング（５１）に軸線方向荷重を付与するように構成される内部ケーシング受圧面と、
   を備え、
   前記軸線方向予荷重は、
   ａ）第１エンジン運転状態において、前記軸線方向予荷重が、前記内部ケーシング受圧面の軸線方向荷重を超えて、前記内部ケーシング（５１）を前記第１位置に保持し、
   ｂ）第２エンジン運転状態において、前記内部ケーシング受圧面の前記軸線方向荷重が、前記軸線方向予荷重を超えて、前記第２位置に向かう軸線方向移動が開始するように設定される、システム。
2. 前記流路が、前記内部ケーシング（５１）が前記第１位置から前記第２位置に移動すると、漏洩通路を狭くするように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記流路が、軸線方向傾斜を有する外側境界（５５）を有し、
   前記流路（５４）は、前記内部ケーシング（５１）から延出する周方向離間配列静翼（１５、６２）を含む、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記軸線方向傾斜に対して、前記流路（５４）が収束する収束方向（７２）、および前記流路（５４）が発散する発散方向（７１）が定義され、
   前記第１位置から前記第２位置への前記内部ケーシング（５１）の前記軸線方向移動は、前記発散方向（７１）に生じる、
   請求項３に記載のシステム。
5. 流路（５４）を画定する軸線方向圧縮機（１１）を有し、かつ流路（５４）内に配置されるガスタービンエンジン（１０）において、周方向離間配列動翼（１４、６１）は、外側境界（５５）に対向する外側先端（４１）を、前記外側境界（５５）と前記外側先端（４１）との間に画定されるギャップクリアランス（６５、６７）を隔てて有し、内部ケーシング（５１）は、前記流路（５４）の前記外側境界（５５）、および前記内部ケーシング（５１）と前記内部ケーシング（５１）の周りに同心円状に配置される外部ケーシング（５２）との間に形成される環状空間（５３）の内側境界（５６）を画定する両側面を含み、前記流路（５４）に対する内部ケーシング（５１）の軸線方向位置を、軸線方向に離間する第１流路領域と第２流路領域との間の圧力差に応じて受動的に変化させる方法であって、前記方法は、
   前記内部ケーシング（５１）を前記外部ケーシング（５２）に摺動可能に接続して、第１軸線方向位置と第２軸線方向位置との間で軸線方向に移動させる工程と、
   前記第１軸線方向位置に向かって誘導される静的予荷重で前記内部ケーシング（５１）に軸線方向荷重を付与する工程と、
   前記環状空間（５３）を第１環状空間および第２環状空間に分割して、前記第１環状空間と前記第２環状空間との間の圧力差を維持する工程と、
   前記第１環状空間を、前記第１流路領域の圧力に対して加圧し、前記第２環状空間を、前記第２流路領域の圧力に対して加圧する工程と、
   前記内部ケーシング（５１）を両側受圧面で構成する工程であって、第１受圧面が前記第１環状空間内に配置され、第２受圧面が前記第２環状空間内に配置される、前記構成する工程と、
   を含み、
   前記両側受圧面は、前記第２軸線方向位置に向かって誘導される動的圧力荷重で前記内部ケーシング（５１）に軸線方向荷重を付与するように構成され、前記動的圧力荷重は、前記第１環状空間内の圧力が前記第２環状空間内の圧力を上回る量に応じて設定される、
   方法。
6. 前記第１環状空間を加圧する前記工程では、吸入通路（６６）を介して前記第１流路領域を前記第１環状空間に流体接続し、
   前記第２環状空間を加圧する前記工程では、吸入通路（６６）を介して前記第２流路領域を前記第２環状空間に流体接続し、
   静的予荷重で前記内部ケーシング（５１）に荷重を付与する前記工程では、前記内部ケーシング（５１）を、コンプレッションバネ（７９）で機械的に付勢し、
   前記コンプレッションバネ（７９）は、前記静的予荷重を調整する手段を含み、
   前記方法は更に、前記静的予荷重を所望の閾値に調整する工程を含む、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記所望の閾値は、前記静的予荷重が、
   ａ）前記動的圧力荷重を、第１エンジン運転状態において超えることにより、前記内部ケーシング（５１）が第１軸線方向位置を採るようになり、
   ｂ）前記静的予荷重を前記動的圧力荷重が、第２エンジン運転状態において上回ることにより、前記第２軸線方向位置への前記内部ケーシング（５１）の軸線方向移動が開始するような閾値を含み、
   更に、前記流路（５４）の境界を設定して、前記第１軸線方向位置から前記第２軸線方向位置への軸線方向移動によって、漏洩通路を狭くする工程を含み、
   前記内部ケーシング（５１）の前記第１軸線方向位置は下流位置を含み、前記内部ケーシング（５１）の前記第２軸線方向位置は上流位置を含み、
   更に、前記内部ケーシング（５１）の軸線方向移動範囲を規定するメカニカルストップ位置を設定する工程を含み、
   前記静的予荷重を調整する前記手段は、ネジ切り接続部（８５）を含む、
   請求項６に記載の方法。
8. 圧縮機（１１）を有するガスタービンエンジン（１０）において、流路（５４）は、前記圧縮機（１１）内を通るように画定され、前記流路（５４）は、作動流体が前記流路（５４）内を流れる流れを基準とする下流方向および上流方向を有し、内部ケーシング（５１）は、前記下流方向に円錐状に傾斜する軸線方向傾斜形状を有する外側境界（５５）を画定し、周方向離間配列動翼（１４、６１）は前記流路（５４）内に配置され、前記動翼（１４、６１）は、前記外側境界（５５）に対向する外側先端（４１）を、前記外側境界（５５）と前記外側先端（４１）の間に画定されるギャップクリアランス（６５、６７）を隔てて有し、外部ケーシング（５２）は前記内部ケーシング（５１）の周りに同心円状に配置されて、環状空間（５３）を前記外部ケーシング（５２）と前記内部ケーシング（５１）との間に形成し、上流位置と下流位置との間の前記内部ケーシング（５１）の軸線方向位置を、エンジン運転状態に応じて受動的に変化させる方法であって、前記方法は、
   前記内部ケーシング（５１）を前記外部ケーシング（５２）に摺動可能に接続して、下流位置と上流位置との間で軸線方向に移動させる工程と、
   作動流体を前記流路（５４）内の軸線方向離間圧力領域から吸入することにより、前記環状空間（５３）内に高圧領域および低圧領域を形成する工程と、
   前記内部ケーシング（５１）を両側受圧面で構成する工程と、
   を含み、
   第１受圧面は、前記環状空間（５３）の前記高圧領域内に配置され、第２受圧面は、前記環状空間（５３）の前記低圧領域内に配置されて、前記内部ケーシング（５１）に前記上流位置に向かって、前記環状空間（５３）の前記高圧領域内の圧力が前記低圧領域の圧力を上回る量に応じて軸線方向荷重を付与する、
   方法。
9. 圧縮機（１１）およびタービン（１３）のうちの少なくとも一方の内部を通過するように画定される流路（５４）を有するガスタービンエンジン（１０）において、内部ケーシング（５１）は軸線方向傾斜外側境界（６５）を画定し、該軸線方向傾斜外側境界（６５）は、前記軸線方向傾斜外側境界（６５）を基準として、前記流路（５４）が収束する収束方向（７２）、および前記流路（５４）が発散する発散方向（７１）を定義し、外部ケーシング（５２）は、前記内部ケーシング（５１）の周りに同心円状に配置されて、環状空間（５３）を前記外部ケーシング（５２）と前記内部ケーシング（５１）との間に形成し、前記内部ケーシング（５１）の軸線方向位置を受動的に変化させる方法であって、前記方法は、
   前記内部ケーシング（５１）を前記外部ケーシング（５２）に摺動可能に接続して、前記収束方向（７２）の第１軸線方向位置と前記発散方向（７１）の第２軸線方向位置との間で軸線方向に移動させる工程と、
   機械的付勢手段により生じる静的荷重を利用して、前記内部ケーシング（５１）に前記第１軸線方向位置に向かって軸線方向予荷重を付与する工程と、
   作動流体を前記流路（５４）の高圧吸入口および低圧吸入口から吸入する工程と、
   前記環状空間（５３）において、前記吸入作動流体により生じる圧力で、前記内部ケーシング（５１）の両側受圧面に軸線方向荷重を付与して前記機械的付勢手段に動的圧力荷重で対抗する工程と、
   を含み、
   前記動的圧力荷重は、前記高圧吸入口と前記低圧吸入口との間の現在の圧力差に直接関連するように設定される、
   方法。