JPH06102988B2 - ガスタービン機関ケーシングの温度制御装置 - Google Patents

ガスタービン機関ケーシングの温度制御装置

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JPH06102988B2
JPH06102988B2 JP5043111A JP4311193A JPH06102988B2 JP H06102988 B2 JPH06102988 B2 JP H06102988B2 JP 5043111 A JP5043111 A JP 5043111A JP 4311193 A JP4311193 A JP 4311193A JP H06102988 B2 JPH06102988 B2 JP H06102988B2
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temperature
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
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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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】本発明は、ガスタービン機関のケーシン
グの温度制御に関し、具体的には、熱を伝達する温度制
御流体通路をシュラウド内に有しており、シュラウドを
半径方向に位置決めするために用いられていると共にシ
ュラウドの位置決めを温度制御するために用いられてい
る温度制御リングを用いたタービン回転子間のすき間の
温度制御に関する。
【０００３】
【関連技術の説明】ガスタービン機関のケーシングの異
なる部分の収縮及び膨張の温度制御を行うために加熱及
び冷却を用いる回転子すき間制御装置が、機関の漏洩損
失を減少させて、比燃料消費量（ＳＦＣ）を改善するた
めに、航空機用ガスタービン機関に用いられている。こ
のような装置の一例が、ポールＳ．シューク及びダニエ
ルＥ．ケインを発明者とする発明の名称「ガスタービン
機関用の固定子アセンブリ」という米国特許番号第４８
２６３９７号に示されており、関連する技術については
この米国特許を参照されたい。この米国特許には、機関
のタービン回転子部と、タービン回転子部の周りに配置
されている対応する固定子部のシュラウドとの間のすき
間を温度制御するために、機関のファン又は圧縮機から
ダクトを介して取り出した空気を吹き付けて、タービン
機関のケーシングのリングを冷却する噴射管を用いてい
るすき間制御装置が開示されている。この米国特許は、
リング、又はこの米国特許で呼ばれている名前で言えば
レールを遮蔽すると共に絶縁することにより、これらの
レールに沿った円周方向の温度勾配を制御しようとして
いる。この遮蔽により円周方向の勾配はなくならない
が、この勾配の大きさ及び厳しさを減少させ、従って、
このような厳しい円周方向の温度勾配が原因となって起
こる応力及びすき間の変化を減少させる。
【０００４】しかしながら、噴射管は熱交換器として振
舞い、伝熱流体の温度の円周方向の変化が避けられない
し、従来知られているような、このような円周方向の変
化に伴う問題も避けられない。リングの温度制御に用い
られる空気の温度が円周方向に変化すると、特に離陸中
のような機関の過渡状態の運転中に、リングの不均等な
膨張及び収縮が生ずる。
【０００５】円周方向の温度変化は機関のケーシング又
はケーシングに関連するリングの機械的な歪みを発生
し、これは普通、円形外れ（アウトオブラウンド）状態
と呼ばれている。このような円形外れ状態は更に、回転
子の羽根と、それを取り囲んでいる固定子のシュラウド
との間、又は回転シールアセンブリと、静止シールアセ
ンブリとの間というように、回転子と、それに対応する
固定子アセンブリとの間の擦れの増加を招く。円形外れ
状態により、動作すき間が増加し、機関の性能が低下
し、機関性能の劣化を招くと共に部品の効率を低下させ
る。温度制御用空気の動作状態での円周方向の変化を補
償するために、ケーシングの部品を製造する際、静止部
品の円周方向の変化には困難で費用のかかる加工を用い
る場合が多い。
【０００６】すき間制御装置の他の例が、ラリーＤ．ク
ライン等を発明者とする発明の名称「すき間制御」とい
う米国特許番号第４３６３５９９号（本出願の被譲渡人
に譲渡されている）に記載されている。この米国特許に
は、タービンの回転子の羽根を取り囲んでいると共にそ
の周りを密封しているタービンシュラウドを支持してお
り、タービンケーシングに一体化されている制御リング
を用いることが開示されている。温度制御用の空気がリ
ングに供給されて、タービン羽根の先端と、その周囲の
シュラウドとの間のすき間を熱的な作用により制御す
る。温度制御用の空気は、燃焼器を取り囲んでいる区域
から、ケーシング及びリングの中を軸方向に伸びている
通路を介してリングに供給される。
【０００７】ゼネラル・エレクトリック社のＣＦ６−８
０Ｃ２ターボファンガスタービン機関は、図８（Ａ）、
図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）に示すケーシングフランジア
センブリを用いている。このケーシングフランジアセン
ブリは、圧縮機ケーシングのフランジ２１０とタービン
ケーシングのフランジ２１６との間にボルト締めされて
いるタービンシュラウド温度制御リング２２０を有して
いる。圧縮機フランジ２１０及びタービンフランジ２１
６は、温度制御リング２２０とそれぞれ向かい合ってい
る圧縮機及びタービンのフランジ冷却空気溝２６０ａ及
び２６０ｂを有している。冷却空気は半径方向入口溝孔
２７０ａを介して、圧縮機のフランジ冷却空気溝２６０
ａに送り込まれる。入口溝孔２７０ａは圧縮機フランジ
２１０に、溝２６０ａに達するまで切り込まれている。
【０００８】圧縮機及びタービンフランジは、ボルト２
４０をぴったりと受け入れるボルト孔２２６を有してい
る。制御リング２２０は、ボルト孔２２６と、拡大され
たボルト孔２３０とを交互に有しており、タービンフラ
ンジ冷却空気溝２６０ｂまで制御リング２２０を通る冷
却空気通路となっている。半径方向の冷却空気排出溝孔
２７０ｂが、フランジアセンブリからの冷却空気の出口
となっている。
【０００９】機関のフランジアセンブリの周りには３４
個のボルト孔があり、リングの周りの温度制御を行うた
めの冷却空気通路となる１７組の半径方向溝孔がある。
冷却空気は相異なる円周方向の場所で溝に供給され、こ
のため、冷却空気温度に円周方向の変化が起こる。従来
技術の他の欠点は、温度制御されるリング又は機関のケ
ーシング部に空気を噴射するために用いられる方法が温
度制御用空気のヒートシンク容量を最大にするものでは
ないために、用いられる温度制御用空気のかなりの量が
有効ではないことである。温度制御用空気の円周方向の
温度変化を最小限に抑える１つの方法が、１９９１年１
１月４日にラリーＷ．プレモンズ等（本出願の発明者を
含む）によって出願された発明の名称「ガスタービン機
関のケーシングの反対向きの流れによる温度制御」とい
う係属中の米国特許出願番号第０７／７８７４９８号に
記載されている。この出願も、本出願の被譲渡人に譲渡
されている。
【００１０】このプレモンズ等の米国特許出願には、機
関のケーシング部と伝熱関係を有する反対向きに流れる
２つの伝熱流体流路によって、機関のケーシング部を温
度制御する手段が開示されている。隣り合っている２つ
の反対向きに流れる噴射管からの温度制御用空気が、当
てられる伝熱流体の質量流量の重みをかけた平均温度に
実質的に円周方向の勾配がないようにして、機関のケー
シングに当てられる。この方法では相当量の空気が用い
られ、その熱エネルギの全部を機関のケーシング及び温
度制御リングの制御に用いることができる前に、温度制
御用空気のかなり多くが流れ去ってしまう。
【００１１】
【発明の概要】本発明は、機関ケーシングの一部の中に
軸方向に設けられており、円周方向に伸びている複数の
流路の中に伝熱流体を流すことにより、機関ケーシング
の一部を温度制御する手段を提供する。これらの流路
は、任意の隣り合っている２つの反対向きに流れる流体
流路から供給される伝熱流体の質量流量で加重された平
均温度に実質的に円周方向の勾配がないように、交互に
反対向きの流れの方向に設けられていることが好まし
い。円周方向に伸びている各々の流路は、伝熱流体を流
すための入口及び出口を有している２つ又はそれ以上の
回路を有していてもよい。
【００１２】好ましい実施例は、機関ケーシングに付設
されている熱制御リング又はフランジである（リングは
ボルト、溶接若しくは他の何等かの結合手段によってケ
ーシングに取り付けられていてもよいし、又はケーシン
グと一体であってもよい）。熱制御リング又はフランジ
は、円周方向にセグメントに分割されていてもよい固定
子アセンブリを支持している。
【００１３】図面に示す本発明の一実施例は、流路を形
成するように外壁によって覆われている何組かの環状溝
路に温度制御用空気を反対向きに流す手段を提供する。
リングは、２つの１８０°扇形部又は４つの９０°扇形
部の各々に３組の円周方向の回路を有しており、第１、
第３及び第５の流路では円周方向の一方の向きに温度制
御用空気が流れ、第２、第４及び第６の流路では反対の
円周方向の向きに温度制御用空気が流れる。マニホルド
を用いて、温度制御用空気を反対向きに流すような形で
溝路に供給する。
【００１４】
【発明の利点】本発明は、空気のような温度制御流体を
流すことにより、環状ケーシング要素を半径方向に移動
させる非常に効率のよい低廉な方法を提供する。本発明
は、リングの内側に円周方向の反対向きに流れる２つの
流路の組を用いることにより、ガスタービン機関のケー
シングと、固定子アセンブリを支持するために用いられ
ている関連するリングとの円周方向の温度変化を実質的
になくする。このことは、リングに沿った任意の点にお
けるリング内の伝熱流体の質量流量で加重された平均温
度をほぼ同じにする。
【００１５】本発明の他の利点は、温度制御流体の熱エ
ネルギ質量の使用を最大にすることである。これによ
り、機関のファン及び圧縮機部から抽出されるコストの
高い空気の使用が最小限に抑えられ、比燃料消費量（Ｓ
ＦＣ）が潜在的に改善されると共に、温度制御用空気を
流すのに必要な管及び弁の寸法及び重量が減少される。
この利点は、温度制御されるケーシングに見られる円形
外れ状態及び円周方向の応力を大幅に減少させ又はなく
し、その伝熱流体の変化は、ケーシングに沿って５０°
Ｆ〜１００°Ｆという程度に少なくなる。
【００１６】本発明は、回転子の羽根の先端と、対応す
る固定子アセンブリとの間の擦れ合いを最小限にするこ
とにより、動作すき間を縮小し、これにより、機関の性
能を改善し、機関の性能の劣化速度を低下させ、部品の
効率を改善する。本発明は、羽根の先端の動作すき間を
更に詰めてガスタービン機関を設計することができるよ
うにして、機関の設計上の燃料効率を改善することによ
り、他の利点をもたらす。
【００１７】本発明の上述及びその他の特徴は、以下図
面に関連して詳しく説明する。
【００１８】
【発明の詳しい説明】図１はＣＦＭ５６シリーズ機関の
ような典型的なガスタービン機関１を示しており、ガス
タービン機関１はファン２と、昇圧機又は低圧圧縮機
（ＬＰＣ）３と、高圧圧縮機（ＨＰＣ）４と、燃焼部５
と、高圧タービン（ＨＰＴ）６と、低圧タービン（ＬＰ
Ｔ）７とを流れに対して直列に有している。高圧軸がＨ
ＰＴ６をＨＰＣ４に駆動接続しており、低圧軸８がＬＰ
Ｔ７をＬＰＣ３及びファン２に駆動接続している。ＨＰ
Ｔ６は、回転子２０の周縁に装着されているタービン羽
根２４を有しているＨＰＴ回転子２０を含んでいる。全
体を参照番号１０で示すタービン羽根すき間制御装置に
上側及び下側の温度制御空気供給管１１ａ及び１１ｂを
介してそれぞれ供給される温度制御空気流の源として、
中間段空気源９ａ及び高段空気源９ｂ（中間段空気源９
ａ及び高段空気源９ｂは典型的には、ＣＦＭ５６機関の
ＨＰＣ４の第４段及び第９段から空気をそれぞれ吸い出
す）が用いられている。反対向きに流れる上側マニホル
ド５８ａと下側マニホルド５８ｂとを含んでいるタービ
ン羽根すき間制御装置１０は、本発明の好ましい一実施
例を示す。タービン羽根すき間制御装置１０は、加熱又
は冷却空気のいずれかのような反対向きに流れる温度制
御流体を有している温度制御リングを含んでいる。本発
明のタービン羽根すき間制御装置１０は、図２及び図３
に更に詳しく示されている。
【００１９】図２について説明すると、タービン羽根す
き間制御装置１０が示されており、上側マニホルド５８
ａは環状内側ケーシング１２と外側ケーシング１４との
間に半径方向に配置されている。全体を参照番号１３で
示す固定子アセンブリが、それぞれ前側及び後側ケーシ
ングフック手段１５ａ及び１５ｂによって、内側ケーシ
ング１２に取り付けられている。固定子アセンブリ１３
は、好ましくはセグメントに分割された環状固定子シュ
ラウド２６を含んでおり、シュラウド２６はシュラウド
フック手段２７ａ及び２７ｂによって、好ましくはセグ
メントに分割されたシュラウド支持体３０に取り付けら
れている。シュラウド２６は回転子２０のタービン羽根
２４に外接しており、半径方向の羽根の先端のすき間Ｔ
を最小限に抑えることにより、羽根２４の半径方向外側
先端の周りから流れが漏れないようにするために用いら
れている。
【００２０】タービン羽根の先端のすき間を小さくする
と、動作時の比燃料消費量（ＳＦＣ）が小さくなり、従
って、燃料が大幅に節約されることが、業界ではよく知
られている。少ない時間的な遅れ及び温度制御（動作状
態に応じて冷却又は加熱）を用いて、すき間Ｔを一層効
果的に制御するために、空気流温度制御リング３２が設
けられている。温度制御リング３２は内側ケーシング１
２に付設されており、（図２に示すように）それぞれの
ケーシングと一体であってもよいし、ケーシングにボル
ト締め若しくはその他の方法で結合してもよいし、又は
機械的には隔離されているが、ケーシングと密封係合す
るようにしてもよい。いずれの実施例でも、制御リング
はすき間Ｔを調節するために、シュラウド２６を半径方
向内向き及び外向きに更に有効に動かして、温度制御用
の質量を供給する。
【００２１】図２に示す実施例は、リング３２を冷却又
は加熱するために、図１のＨＰＣ４の段からの温度制御
用空気を用いている。本発明は、反対向きに流れる何組
かの通路（図２では３組を示す）、時計回りに流す温度
制御空気通路４０ａ及び反時計回りに流す温度制御空気
通路４０ｂを介して温度制御用空気を供給して、ケーシ
ングの軸方向に伸びている各々の環状部、図３に示す実
施例では温度制御リング３２を冷却する。図２では、円
周方向に第１の向きの伝熱流体流路を円の中に“＋”を
付した記号で、そしてそれに対応して反対向きに流れる
流路を円の中に“・”を付した記号で示してある。流路
５０は、リング３２に形成されている溝４７から構成さ
れており、密封ストリップ５７で覆われている。流路５
０は、それぞれのマニホルドの中で、溝４７の一部の上
に密封ストリップが配置されていない場所に入口４９ａ
又は４９ｂを有していると共に、図３及び図４に示す出
口６５ａ又は６５ｂを有している。マニホルドの入口６
０が、図１に示すようにそれぞれの制御空気供給管１１
ａから伝熱流体を受け取るように構成されている。
【００２２】図３には、温度制御リング３２に取り付け
られている上側マニホルド５８ａの概略斜視図が示され
ている。入口４９ａは、温度制御空気供給管１１ａから
の温度制御用空気流が時計回りに流れる第１、第３及び
第５の温度制御空気通路４０ａに流れ込むようにし、上
側マニホルド５８ａの時計回りに配置されている出口６
５ｂが、反時計回りに流れる第２、第４及び第６の温度
制御空気通路４０ｂに対する出口となっている。図３に
示す構成では、温度制御用空気はケーシング１２に沿っ
た４つの角度方向の位置で導入され、それぞれの出口ま
で９０°通過する（図４参照）。空気流通路内にある流
れ阻止部材７１が、流路の端を限定する助けにすると共
に、温度制御用空気を正しい円周方向の向きに通す助け
にするべく用いられている。
【００２３】図４について簡単に説明すると、下側マニ
ホルド５８ｂ、右側マニホルド５８ｃ及び左側マニホル
ド５８ｄが、図２における上側マニホルド５８ａと同様
に構成されており、矢印及び線の通路で示すように、温
度制御用空気は温度制御リング３２内を移動する９０°
回路を形成している。この代わりに、上側マニホルド５
８ａ及び下側マニホルド５８ｂを用いて、図５に示すよ
うな１８０°回路を構成してもよい。図４に示す９０°
回路は図６に図式的に示されており、図５に示す１８０
°回路は図７に図式的に示されており、時計回りに流す
温度制御空気通路４０ａと、反時計回りに流す温度制御
空気通路４０ｂとが反対向きに流れることを具体的に示
している。
【００２４】本発明の原理を説明するために好ましい実
施例を詳しく説明したが、特許請求の範囲に記載される
本発明の範囲内で、好ましい実施例に種々の改変及び変
更を加えることができることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービン回転子すき間制御装置を
有している航空機用高側路比ターボファンガスタービン
機関の略図である。
【図２】図１に示すガスタービン機関のタービン部にあ
る固定子アセンブリに対する向流式温度すき間制御装置
の断面図である。
【図３】図１及び図２に示す機関及び固定子アセンブリ
に対するすき間制御装置の温度制御リング内にある温度
制御空気通路及びマニホルドを部分的に切り欠き且つ分
解して、前側から後向きに見た部分的な斜視図である。
【図４】図３に示す、すき間制御装置のマニホルド及び
温度制御空気通路の部分的な斜視図である。
【図５】図３に示す、すき間制御装置の他の実施例のマ
ニホルド及び温度制御空気通路の部分的な斜視図であ
る。
【図６】図４に示す実施例のすき間制御装置の空気流回
路の簡略斜視図である。
【図７】図５に示す実施例のすき間制御装置の空気流回
路の簡略斜視図である。
【図８】図８（Ａ）は温度制御装置に対する従来のフラ
ンジアセンブリの平面図であり、図８（Ｂ）は図８
（Ａ）の８ａ−８ａ断面から見た従来のフランジアセン
ブリの一部を切り欠いた側面図であり、図８（Ｃ）は図
８（Ａ）の８ｂ−８ｂ断面から見た従来のフランジアセ
ンブリの一部を切り欠いた側面図である。
【符号の説明】
１０ すき間制御装置 １２ 内側ケーシング １４ 外側ケーシング ３２ 温度制御リング ４０ａ 時計回りの温度制御空気通路 ４０ｂ 反時計回りの温度制御空気通路 ５８ａ 上側マニホルド

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービン機関ケーシングの温度制御
    装置であって、 軸方向に相隔たって円周方向に設けられており、前記ケ
    ーシングの軸方向に伸びている部分内に伝熱流体を流す
    複数の伝熱流路を備えたガスタービン機関ケーシングの
    温度制御装置。
  2. 【請求項２】 前記ケーシングの前記軸方向に伸びてい
    る部分は、温度制御リングである請求項１に記載の温度
    制御装置。
  3. 【請求項３】 前記温度制御リングに環状固定子アセン
    ブリを結合しており、前記温度制御リングの膨張及び収
    縮が前記固定子アセンブリの対応する膨張及び収縮を起
    こすように構成されている支持手段を更に含んでいる請
    求項２に記載の温度制御装置。
  4. 【請求項４】 前記固定子アセンブリは、セグメント形
    環状固定子シュラウドを含んでいる請求項３に記載の温
    度制御装置。
  5. 【請求項５】 前記軸方向に相隔たって円周方向に設け
    られている複数の流路は、任意の隣り合っている２つの
    流路が時計回り及び反時計回りに流れる一組の伝熱流路
    を形成するように、交互に反対向きに流れる流路の組を
    含んでいる請求項２の記載の温度制御装置。
  6. 【請求項６】 前記反対向きに流れる伝熱流路の各々
    は、少なくとも２つの回路を含んでおり、該回路は入口
    と出口とを有している請求項５に記載の温度制御装置。
  7. 【請求項７】 前記温度制御リングに環状固定子アセン
    ブリを結合しており、前記温度制御リングの膨張及び収
    縮が前記固定子アセンブリの対応する膨張及び収縮を起
    こすように構成されている支持手段を更に含んでいる請
    求項６に記載の温度制御装置。
  8. 【請求項８】 前記固定子アセンブリは、セグメント形
    環状固定子シュラウドを含んでいる請求項７に記載の温
    度制御装置。
  9. 【請求項９】 前記回路は９０°回路であり、前記入口
    は温度制御流体マニホルド内に配置されていると共に、
    前記出口は前記入口から９０°隔たっている請求項８に
    記載の温度制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記回路は１８０°回路であり、前記
    入口は温度制御流体マニホルド内に配置されていると共
    に、前記出口は前記入口から１８０°隔たっている請求
    項８に記載の温度制御装置。
JP5043111A 1992-03-06 1993-03-04 ガスタービン機関ケーシングの温度制御装置 Expired - Lifetime JPH06102988B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US847394 1992-03-06
US07/847,394 US5219268A (en) 1992-03-06 1992-03-06 Gas turbine engine case thermal control flange

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JPH05340271A JPH05340271A (ja) 1993-12-21
JPH06102988B2 true JPH06102988B2 (ja) 1994-12-14

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ID=25300511

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5043111A Expired - Lifetime JPH06102988B2 (ja) 1992-03-06 1993-03-04 ガスタービン機関ケーシングの温度制御装置

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US (1) US5219268A (ja)
EP (1) EP0559420A1 (ja)
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