JPH0120320B2 - - Google Patents

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JPH0120320B2
JPH0120320B2 JP55101394A JP10139480A JPH0120320B2 JP H0120320 B2 JPH0120320 B2 JP H0120320B2 JP 55101394 A JP55101394 A JP 55101394A JP 10139480 A JP10139480 A JP 10139480A JP H0120320 B2 JPH0120320 B2 JP H0120320B2
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JP
Japan
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cooling air
stator
stator structure
control system
rotor
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JP55101394A
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Hooru Jonsuton Richaado
Haabaato Natsupu Marukorumu
Edowaado Koruson Chaarusu
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication of JPS5634931A publication Critical patent/JPS5634931A/ja
Publication of JPH0120320B2 publication Critical patent/JPH0120320B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/023—Details or means for fluid extraction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/164—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of an axial flow wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine

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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はガスタービンエンジンに関し、特に、
定常および過渡運転中にロータとシユラウド間お
よびステータとロータ間の間隙を極めて少なくす
る装置に関する。
［従来技術］ タービンエンジンが方式、設計および材料の変
更によつてますます高い信頼性と効率を有するよ
うになるにつれ、ロータとシユラウド間およびス
テータとロータ間の過大な間隙による損失は多く
の設計要目においてますます重要になつている。
元来、間隙制御に関する主な努力はタービンとシ
ユラウドの関係の制御に向けられていたが、最近
では圧縮機のロータとシユラウドおよびステータ
とロータの関係が考慮の対象となりつつある。
多くのタービンエンジンの用途では、様々な定
常回転速度で運転することと、規則的な運転過程
中所望に応じてこれらの速度間を移行することが
必要である。例えば、航空機動力用のジエツトエ
ンジンでは、操縦者が回転速度を任意に所望値に
変え得ることが必要である。その結果生じた温度
とロータ回転速度の変化に伴つて、ロータとそれ
を囲むシユラウド、ステータとの間に相対的な膨
張が生じ、そして所望の効率を保つためにはこの
相対膨張を制御しなければならない。制御の目的
は、ステータとロータの相互干渉を防ぎながらス
テータとロータの間隙を最小に保つことである。
なお、前記の干渉が生ずると、摩擦が生ずるの
で、その後の運転中半径方向間隙が増加してしま
う。過渡運転要件を考慮すると、前述のように、
ロータとシユラウド間の相対的な機械的膨張また
は熱膨張のパターンが非常に困難な問題を提起す
る。仮に系が定常状態でのみ働くとすれば、ロー
タとステータ間に所望の狭い間隙を確立して両要
素間に摩擦干渉を起こすことなく最大限の効率を
得ることは比較的簡単なことである。しかし、過
渡運転要件を満たすために、エンジンは一般に相
対膨張が極限に達する運転状態の間好適な間隙を
有するように設計され、通常、高温ロータ・リバ
ースト（reburst）に対して設計される。従つて、
エンジン運転時間が一般に最も長い巡航運転状態
を含む他の運転状態の間は、両機素間の間隙は最
大効率に好適な最小間隙より大きくなる可能性が
ある。
ターボ機械の翼端間隙を最小にする従来の一方
法は、様々なエンジン運転状態におけるロータと
シユラウドの半径方向応答を整合するに役立つ熱
特性を示す様々な材料を適当に選択することであ
る。従つて、シユラウドの材料の熱膨張率または
シユラウド支持材料の熱膨張率は極めて重要な設
計要目である。しかし、それだけでは適当な間隙
制御をなすには不十分である。
従来の他の方策はシユラウド構造体またはシユ
ラウド支持構造体上に冷却空気を流してロータの
熱膨張パターンの整合を良くすることである。例
えば、圧縮機の空気を用いて冷却空気の温度また
は流量を変えるようにされた。なお、圧縮機の空
気の流量または温度は当然エンジン回転速度の変
化と共に変わる。このような受動的なシステムは
比較的良好な間隙特性をもたらすが、それでもな
お最善の効率を得るには不適当であるかも知れな
い。
［本発明の目的］ 本発明の目的は、ガスタービンエンジンの過渡
および定常運転で、ロータおよびシユラウドまた
はステータの間隙を最小にすることである。
［本発明の構成］ 本発明によれば、ステータ構造体の外面に沿つ
て軸方向に延びていて、ステータ構造体の外面に
沿う軸方向通路に冷却空気流を流す冷却空気マニ
ホルドを設けて、これによりステータ構造体の熱
膨張を制御してロータとシユラウドまたはステー
タとの間隙を制御し、更に空気導出ダクトおよび
弁を設けて、所定のガスタービン運転中に冷却空
気を冷却空気マニホルドから選択的にそらすよう
にする。
［実施例］ 第１図はターボフアンエンジン１１に適用され
た本発明を全体的に１０で示す。エンジン１１は
コアエンジン１２を備え、このコアエンジンは直
列に配置された圧縮機１３と燃焼器１４と高圧タ
ービン１６から成る。圧縮機１３はコアロータ１
７により高圧タービン１６に連結されてそれに駆
動され、圧縮機入口１８において比較的低圧の低
温空気を受入れ、そして圧縮機排出点１９におい
て高圧高温状態の空気を排出する。次いで、この
高圧空気は燃料と混合され、燃焼器１４内で点火
され、温度が更に上昇して高圧タービン１６に入
る。高圧タービン１６を通つた後、高温ガスは低
圧タービン２２を通る。この低圧タービンは低圧
用連結軸２４を介してフアン２３を駆動する。
軸流圧縮機１３の詳細を第２図に示す。この圧
縮機はロータ２６を有し、このロータは複数の軸
方向に相隔たるデイスク２７を有し、各デイスク
はその外周において１列の圧縮機動翼２８を支持
ている。動翼２８の隣り合う列間に、動翼列と交
互に周方向に間隔をおいて静翼２９の列が配設さ
れ、静翼２９は筒形ケーシングすなわちステータ
構造体３１に取付けられそれに支持されている。
静翼２９は従来の方法、例えば、静翼バンド３２
をステータ構造体３１に形成されたＴ形の周方向
スロツト３３にはめ込むことによつてステータ構
造体３１に固定される。
圧縮機流路３４の半径方向内側において、静翼
２９とロータ２６との間の境界域は、静翼２９の
端部に取付けられたハニコム構造体３６とロータ
２６の多歯ラビリンスシール３７との相互係合に
よる漏止め構造を有する。シール３７の歯はハニ
コム３６に形成された溝にはまり込んで静翼とロ
ータ間の圧縮機空気の軸方向流を阻止する障害物
を構成する。
流路３４の半径方向外側では、このような漏止
め構造は実用的ではない。回転速度が比較的低い
場合、例えば、低圧タービンにおいては「動翼シ
ユラウド」を動翼の外端に取付けてハニコム面を
静止シユラウドに係合させることができるが、高
速の圧縮機ロータに対してこのような取付けをな
すことは困難である。従つて、この境界では、流
路３４の内側の境界におけると同様、ロータとス
テータ間の相対膨張に適応する手段がなければ、
空気の漏流が動翼先端を通過して効率損失の原因
になる。本発明の意図はこのような構造の改良に
ある。
第１図と第２図を参照するに、本発明装置は冷
却空気マニホルド３８を含み、このマニホルドは
ステータ構造体３１の一部分の外側にそれを囲む
ように取付けられている。本発明を一般的に述べ
ると、第１図に示すように、マニホルド３８は、
その前端に空気を送給するための、全体的に３９
で示す冷却空気送給手段と、マニホルド３８の下
流端から流出する空気を受入れるための、全体的
に４１で示す冷却空気放出手段とを有する。冷却
空気は制御機構４２の働きによつて選択的にマニ
ホルド３８に送給される。制御機構４２は液圧ま
たは空気圧作動器４４のような従来の手段によつ
て弁手段４３を動かす。また、制御機構４２によ
り冷却空気は流路４７を通つて導出ダクト４６に
直接流入させることができる。もちろん、弁手段
４３はマニホルド３８内の流れと空気送給手段３
９内の流れが共に生ずるように中間位置に調節す
ることができる。すなわち、導出ダクト４６に入
る冷却空気は、冷却空気マニホルド３８から冷却
空気放出手段４１を通過した空気、または空気送
給手段３９から直接流路４７を通過した空気、あ
るいは両経路から同時に送り込まれた空気であ
る。この空気はその後下流に流れ、高圧または低
圧タービン構成部品を従来の仕方で冷却するため
に用いられる。
制御機構４２は選定されたエンジン運転パラメ
ータに応じて働く。好適実施例では、センサ４８
がコア回転速度を検出し、その結果生じた出力信
号が線５１に沿つて制御機構４２に達する。この
作用については後に詳述する。
次に、好適実施例の特定構造についてみると、
第２図に示すように、冷却空気マニホルド３８は
分流器すなわち前側フイン５２と中間フイン５
３，５４を含み、これらのフインはステータ構造
体３１の外面５６に取付けられ、半径外方に外側
カバー５７まで延在している。この外側カバーは
マニホルド３８を通流する空気の外側境界を形成
する。前記フイン５２と中間フイン５３，５４に
は複数の穴が設けられ、これらの穴によつて冷却
空気は供給空洞５８から後方に導かれ、ステータ
構造体外面５６に沿つてマニホルド３８を通り、
放出空洞５９に達する。この放出空洞は冷却空気
放出手段４１の一部をなすものである。マニホル
ド３８と放出空洞５９との間に流体を通すため
に、出口６１がマニホルド外側カバー５７と、ス
テータ構造体３１から半径方向外方に延在する後
ろ側フランジ６２との間に形成されている。。放
出空洞５９は、冷却空気外側カバー５７のほか、
後ろ側ケーシング６３と外側ケーシング６４とに
よつて画成されている。外側ケーシンゲ６４には
開口６６が形成され、弁手段４３によつて放出空
洞５９と導出ダクト４６との間の流体流通を生じ
る。この開口を通る空気流は後述の方式で制御さ
れる。
空気供給空洞５８はステータ構造体３１と、マ
ニホルド前側フイン５２と、外側ケーシング６４
とによつて画成されている。冷却空気が、ステー
タ構造体３１に形成された複数の入口６７を経て
供給空洞５８に入るようにされている。冷却空気
は圧縮機流路３４から静翼列６８と入口６７を通
つて供給空洞５８に入り、そこで冷却空気マニホ
ルド３８に入るかまたはそれに入らずに開口６９
を経て導出ダクト４６に流入する。
冷却空気流入口６７は静翼列６８の後縁域に配
置されているが、これは機械的に好ましい位置で
あり、また圧縮機の空気力学的性能をそれほど損
なうことがない。
両流路間の冷却空気流の切換え制御のため、導
出ダクト４６にはフラツパ弁または類似の二方弁
７１が設けられている。この弁は環状フランジ７
２に枢着され、実線で示したような作用位置と、
点線で示したような不作用位置との間を移動し得
る。作用位置にある時、フラツパ弁７１は止め部
７３を係合して、開口６９からの空気流を阻止
し、従つて、空気は冷却空気マニホルド３８を通
つて放出空洞５９に入り、さらに開口６６を通つ
て導出ダクト４６に流入する。フラツパ弁７１が
点線で示した不作用位置に置かれた時は、冷却空
気マニホルドを通る空気流が阻止されて別路をと
る。すなわち、供給空洞５８からの空気は開口６
９を通つて導出ダクト４６に入る。フラツパ弁７
１の中間位置は、マニホルド３８と開口６９とに
冷却空気流を分配する。
エンジンのほとんどの正常な定常運転状態で
は、制御機構４２によつてフラツパ弁７１は作用
位置に置かれ、従つて、冷却空気はステータ外面
５６上を流れかつケーシングの各フインに衝突し
て、ステータケーシング構造体３１を所望の比較
的低い温度に保つ。その効果はステータケーシン
グ３１の寸法を減らして、ステータとロータの間
隙を最小にすることである。過渡運転中、例え
ば、スロツトルチヨツプ、バースト、リバースト
の間は、回転速度センサ４８は回転速度の変化を
検知し、その結果生じた信号は線５１を通つて制
御機構４２に達する。制御機構４２は、フラツパ
弁７１を完全作用位置と不作用位置との間にわた
つて動かすことにより、系を調節する。
一般に、かなりの加速中は、冷却空気をマニホ
ルド３８に通流させる。かなりの加速の結果生じ
た空気の圧力上昇のため、冷却空気の温度がステ
ータの温度より高くなることがあり、その冷却空
気をマニホルド３８に通してステータを膨張さ
せ、ステータと膨張するロータ間の摩擦を避ける
ことができる。他方、かなりの減速中は、エンジ
ンを通る空気流は減少し、もはや間隙は重要な問
題でないため、マニホルド３８を通る冷却空気を
遮断し、ステータ自身で冷却させるので、ステー
タはゆつくり収縮する。
すなわち、この制御系は、定常状態の運転中
は、間隙の減少をもたらして効率を高める。過渡
状態はマニホルド３８の空気流を一時的に遮断し
て摩擦を防ぐことによつてなされる。
本発明の目的を達成するに当たり、他の多様な
設計と形状を用い得ることはもちろんである。例
えば、制御系をスロツトル位置、温度、圧力、間
隙または時間遅れに応答させ得ることは理解され
よう。また、弁手段はフラツパ弁以外の種類のも
のでよく、油圧機械式、空気式、電子式手段、ま
たはその他の手段によつて操作され得る。
さらに、弁をオンオフ弁として説明したが弁は
他の位置でも働き得る。例えば、幾らかの空気を
絶えず冷却マニホルドに流し続けることが望まし
い場合があろう。この場合、弁は点線で示したよ
うに完全に閉ざされることはない。また、弁は第
２図に示した両位置間の任意の中間位置に調節さ
れ得る。さらにまた、本発明は、一般にエンジン
が定常状態で作動中に作用し、かつエンジンが過
渡状態で作動中に作用しない（オンオフ）ものと
して説明されたが、本冷却系は他のパラメータま
たは運転状態に関しても制御され得るものである
ことを理解されたい。例えば、航空機の上昇飛行
中、エンジンが厳密に定常状態で作動していなく
ても制御系を働かせることが好ましいかも知れな
い。
さらに、シユラウドを第２図に一体ケーシング
３１の一部分として示したが、シユラウド摩擦面
を分離可能な被着された分割形バンドの面とする
ことも可能であり、これらのバンドは静翼バンド
に同様に保持されるかまたは静翼バンドの延長体
として形成され得る。この場合、間隙制御は主と
して、シユラウド支持構造体を選択的に冷却する
ことによつてなされる。
［発明の効果］ 本発明はガスタービンエンジン動作の全段階で
ステータ構造体の熱膨張を有効に制御してガスタ
ービンエンジンのロータの熱膨張と調和させる。
タービンの定常状態動作では、空気はマニホルド
３８を流通してステータ構造体を冷却し、これに
よりそれが熱膨張してタービンロータから遠のく
のを防ぎ、むしろケーシングがロータに向つて収
縮し、ロータの外周とステータの内周との間の間
隙を最小にする。過渡状態では、たとえば突然に
加速するとき、冷却空気は圧力増加により加熱空
気となつて、定常状態に達するまでステータを膨
張させ得るし、減速中は、冷却空気流はマニホル
ドからわきへ向けられるので、ステータはよりゆ
つくりと収縮し得る。したがつて、本発明では、
ステータの熱膨張をロータの熱膨張と調和させ
て、その間の間隙を最小とすることができ、この
動作は適当に制御してエンジンの動作に調和す
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を包含するガスタービンエンジ
ンの概略図、第２図は本発明を適用した圧縮機上
部の軸方向断面図である。 １３…圧縮機、２６…ロータ、２８…動翼、３
１…ステータ構造体、３８…冷却空気マニホル
ド、４６…導出ダクト、４７…流路、５６…ステ
ータ構造体外面、５８…供給空洞、５９…放出空
洞、６１…冷却空気流出口、６６…開口、６７…
冷却空気流入口、６８…静翼、６９…開口、７１
…弁、８０…油圧又は空気圧源。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ステータ構造体によつてそれと半径方向に近
    接するように囲まれた複数のロータ段を有する型
    の圧縮機を含むガスタービンエンジン用の間隙制
    御系であつて、(a)前記ステータ構造体の熱膨張を
    制御するために、前記ステータ構造体の外面に沿
    つて軸方向に延びていて、前記ステータ構造体の
    外面に沿う軸方向通路に冷却空気流を流す冷却空
    気マニホルドと、(b)所定のガスタービンエンジン
    運転状態中、前記冷却空気流を前記冷却空気マニ
    ホルドから選択的にそらす空気導出ダクトおよび
    弁と、を有する間隙制御系。 ２ 前記冷却空気マニホルドが、軸方向の一点に
    おいて、前記ステータ構造体の外面に通ずる冷却
    空気流入口を有し、また軸方向の他の点におい
    て、前記ステータ構造体の外面と通ずる冷却空気
    流出口を有する、特許請求の範囲第１項記載の間
    隙制御系。 ３ 前記冷却空気流入口が前記ステータ構造体に
    形成されている特許請求の範囲第２項記載の間隙
    制御系。 ４ 前記冷却空気流出口が前記ステータ構造体か
    ら半径方向外方に延びている特許請求の範囲第２
    項記載の間隙制御系。 ５ 前記冷却空気マニホルドが、前記圧縮機と前
    記ステータ構造体の外面との間の連通をなす冷却
    空気流入口をさらに含む、特許請求の範囲第１項
    記載の間隙制御系。 ６ 前記圧縮機が複数の静翼を備え、かつまた前
    記冷却空気流入口が前記静翼の後縁域に配設され
    ている、特許請求の範囲第５項記載の間隙制御
    系。 ７ 前記所定のガスタービンエンジン運転状態の
    一つが前記ガスタービンエンジンの過渡運転であ
    る、特許請求の範囲第１項記載の間隙制御系。
JP10139480A 1979-07-25 1980-07-25 Active gap control system for turboomachine Granted JPS5634931A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/060,449 US4329114A (en) 1979-07-25 1979-07-25 Active clearance control system for a turbomachine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5634931A JPS5634931A (en) 1981-04-07
JPH0120320B2 true JPH0120320B2 (ja) 1989-04-14

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ID=22029551

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JP10139480A Granted JPS5634931A (en) 1979-07-25 1980-07-25 Active gap control system for turboomachine

Country Status (7)

Country Link
US (1) US4329114A (ja)
JP (1) JPS5634931A (ja)
CA (1) CA1159660A (ja)
DE (1) DE3028137A1 (ja)
FR (1) FR2462555B1 (ja)
GB (1) GB2054741B (ja)
IT (1) IT1228129B (ja)

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