JPH0610709A - ガスタービンエンジンの抽出空気の温度勾配を減少させるケーシングアセンブリ、ガスタービンエンジン用抽気装置、及びガスタービンエンジンのケーシング歪みを制御する方法 - Google Patents

ガスタービンエンジンの抽出空気の温度勾配を減少させるケーシングアセンブリ、ガスタービンエンジン用抽気装置、及びガスタービンエンジンのケーシング歪みを制御する方法

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JPH0610709A
JPH0610709A JP5121003A JP12100393A JPH0610709A JP H0610709 A JPH0610709 A JP H0610709A JP 5121003 A JP5121003 A JP 5121003A JP 12100393 A JP12100393 A JP 12100393A JP H0610709 A JPH0610709 A JP H0610709A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧縮機ケーシングの周方向熱歪みを減少させ
るケーシングアセンブリを提供する。 【構成】 圧縮機ケーシングは、少なくとも１つの出口
ダクト３６を有している環状外側ケーシング２０と、外
側ケーシングと同軸に配置されており、プレナム１９を
画成すべく外側ケーシングから半径方向内方に隔てられ
ている環状内側ケーシング１４と、プレナム２４を画成
すべく外側ケーシングから内方に延在している半径方向
ディスク２１、２２と、プレナム２４に入る抽出空気の
周方向速度よりも大きな半径方向速度を抽出空気に付与
すべく内側ケーシングに配設されている複数の小面積抽
気開口２８と、各抽気開口上に配設されている空気管３
２と、空気管上に配設されており、ディスク２１、２２
と係合してケーシング１４、２０を支持するバッフル３
４とを含んでいる。抽出空気が外側ケーシングに衝突
し、外側ケーシングに生ずる周方向温度勾配を十分減少
させることにより歪みを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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、航空機ガスタービンエンジンの圧縮機ケ
ーシング設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】代表的な航空機ガスタービンエンジン
は、空気を圧縮する圧縮機を含んでおり、圧縮された空
気はその後、燃焼器部内で燃料と混合されて点火され、
その結果生じた燃焼ガスがタービンを駆動する。圧縮機
とタービンとはケーシングによって囲まれており、空気
はこれらのケーシングを通って抽気されるか、又は分配
される。通例、空気の一部は圧縮機から抽出空気として
抽出され、タービン、動翼、軸受及び歯車のようなエン
ジン部品の冷却と、航空機内の客室与圧とに用いられて
いる。
【０００３】代表的な圧縮機では、内側ケーシング又は
流路が外側ケーシングと同心であると共に、静翼を保持
している。内側ケーシングは又、圧縮機の動翼を囲んで
いる。圧縮機から抽出される空気は通例、内側ケーシン
グを通って流れ、内側ケーシングと外側ケーシングとの
間に形成されているプレナム内に集められ、次いで圧縮
機外側ケーシングに設けられている管を通って放出され
る。
【０００４】空気を抽出する従来の一装置では、内側ケ
ーシングに抽出孔又はスロットが設けられており、これ
らの抽出孔又はスロットは、圧縮機空気の一部をプレナ
ム内に導く。次いで、この抽出空気はプレナム内を周方
向に流れて、外側ケーシング内の最も近い出口管に達
し、そこで圧縮機から放出される。この抽気方法に関す
る問題点は、空気が内側ケーシングの供給スロットから
外側ケーシングの出口管に流れるにつれて、空気の速度
が増すことである。従って、抽出空気の熱伝達能力は、
抽出空気の速度に正比例するので、２つの出口管の間の
中間点で比較的低くなると共に、出口管で比較的高くな
る。
【０００５】抽出空気が外側ケーシングを加熱するにつ
れて、出口管に隣接している外側ケーシングの部分は、
出口管の間のケーシング部分よりも急速に膨張し、そし
てこの不均等な加熱により、外側ケーシングが変形して
その真円度が減少する。内側ケーシングは外側ケーシン
グによって支持されているので、内側ケーシングも真円
度が減少する。このような歪みは望ましくない。なぜな
ら、内側ケーシングは動翼を囲んでいると共に、翼端と
内側ケーシングとの間の間隙が増す結果、圧縮機効率が
低下するからである。
【０００６】本出願人は以前、空気を圧縮機から抽出し
てケーシングの周方向熱歪みを減少させる抽気アセンブ
リを設計した。この抽気アセンブリは複数のバッフル
（隔壁板）を含んでおり、これらの複数のバッフルは、
プレナム内に配置されていると共に、外側ケーシングか
ら半径方向内方に隔てられている。バッフルの各々に
は、異なる出口管とそれぞれ連通している１つの中間開
口が設けられており、バッフルの各々の対向端部は又、
中間開口から周方向に離れて延在している。バッフルは
内側及び外側ケーシングの間において、出口管の各々の
周囲の流れシールドをもたらしており、これにより、空
気は中間開口を通るように導かれて、関連する出口管に
流れる。
【０００７】このアセンブリは、圧縮機ケーシングの周
方向熱歪みを減少させるが、圧縮機の製造の複雑さ及び
費用を増大させると共に、圧縮機の重量を増大させる。
従って、圧縮機ケーシングの周方向熱歪みを減少させ、
しかも圧縮機の複雑さ、費用及び重量を増大させないよ
うな装置が必要である。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮
機からの空気の抽出に関連する周方向のケーシング温度
勾配を減少させることにより、ケーシングの歪みを減少
させる圧縮機ケーシングアセンブリである。このケーシ
ングアセンブリは、複数の供給開口を有している内側ケ
ーシングを含んでおり、これらの供給開口は、従来の構
造のものよりも小さい面積を有している。これらの小面
積供給開口は、抽出空気が内側及び外側ケーシングの間
のプレナムに入るときに、抽出空気に半径方向外向き速
度を与える。この半径方向外向き空気速度は周方向空気
速度よりも大きく、従って、抽出空気は外側ケーシング
壁に衝突する。抽出空気のこの衝突の結果、外側ケーシ
ングの加熱がより均等になるので、外側ケーシングの周
方向温度勾配が減少し、従って、外側ケーシングの歪み
は極めて少なくなる。
【０００９】好適な実施例において、本発明は、航空機
ガスタービンエンジンの第７段ステータディスクの出口
に適用される。隣り合っている支持ディスクの内径が増
加されており、そして円筒形バッフルプレートが、これ
らの支持ディスクと圧縮機の内側ケーシングとの間に挿
入されている。バッフルプレートは、半径方向に延在し
ている複数の空気管を含んでおり、これらの複数の空気
管は、小面積供給開口と連通している。好適な実施例で
は、２８対の供給開口と空気管とが存在しており、これ
に対し、従来のケーシング設計では、供給開口は８つに
過ぎず、空気管は存在していない。供給開口数の増加
と、供給開口面積の減少と、空気管の使用とにより、外
側ケーシングに沿う温度勾配の大きさが減少する。
【００１０】
【発明の目的】従って、本発明の目的は、圧縮機外側ケ
ーシングの歪みを最小にするガスタービンエンジン用ケ
ーシングアセンブリを提供すること、抽気に関連する周
方向温度勾配を減少させるケーシングアセンブリを提供
すること、抽出空気をケーシングプレナム内に次のよう
な半径方向速度で、即ち出口ダクトに流れ、そして出口
ダクトから出る抽出空気の周方向速度よりも大きい半径
方向速度で送給するケーシングアセンブリを提供するこ
と、抽出空気を導くためのバッフルを不要にするケーシ
ングアセンブリを提供すること、及び製造費が比較的安
く且つ製造し易いケーシングアセンブリを提供すること
である。
【００１１】本発明の上述及び他の目的は、以下の詳述
と図面とから更によく理解されよう。
【００１２】
【実施例の記載】図１に示すように、ガスタービンエン
ジンの総体的に参照番号１０で表された軸流圧縮機は、
圧縮機段５〜１０を含んでおり、圧縮機段５〜１０は、
環状列を成している動翼Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９
及びＲ１０を有している。これらの動翼列は、軸１３に
装着されていると共に、エンジンのタービン部（図示せ
ず）によって回転される。円筒形の内側ケーシング１４
は、環状列を成している静翼Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８及
びＳ９を含んでおり、これらの静翼列は、エンジン中心
線１６に向かって半径方向内方に突出していると共に、
動翼Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９及びＲ１０の列の間
に隔設されている。内側ケーシング１４は内壁１７と、
外壁１８とを備えており、内壁１７と、外壁１８とは、
両壁間に内側ケーシングプレナム１９を画成している。
【００１３】内側ケーシング１４は円筒形外側ケーシン
グ２０の半径方向内側に配置されていると共に、軸方向
に相隔たっており半径方向に延在しているディスク２１
及び２２と、後ろ側圧縮機コーン２３とによって支持さ
れている。内側ケーシング１４は、エンジン中心線１６
の周りに外側ケーシング２０と同様に延在していると共
に、環状の圧縮機プレナム２４を形成しており、プレナ
ム２４内にディスク２１及び２２が延在している。
【００１４】圧縮機１０の動作中、空気流２６が軸方向
下流に向かって動翼Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９及び
Ｒ１０、並びに静翼Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８及びＳ９の
それぞれの翼列を通流することにより圧縮される。内側
ケーシング１４の内壁１７は、先端間隙Ｃを画成すべ
く、動翼Ｒ５〜Ｒ１０の先端から半径方向外方に隔てら
れており、これらの間隙Ｃは、圧縮機１０の効率を低下
させる圧縮機空気２６の漏れを防止するように、できる
だけ小さくされている。
【００１５】圧縮機空気２６は段７において（静翼Ｓ７
の後ろで）抽出され、この空気は先ず、動翼Ｒ７及び静
翼Ｓ７の列から、内側ケーシング１４の内壁１７に設け
られている周方向に相隔たった複数の抽気孔２７を通っ
て、内側ケーシングプレナム１９に入ることにより抽出
される。好適な実施例では、９９個の抽気孔２７が内側
ケーシング１４の内壁１７に配設されている。抽出空気
３１は、高速で、内側ケーシング１４の外壁１８に配設
されている周方向に相隔たった複数の小面積抽気開口２
８を経て圧縮機プレナム２４内に吸引される。好適な実
施例では、２８個の抽気開口２８が外壁１８に存在して
いる。
【００１６】内側ケーシング１４の内壁１７と外壁１８
とは、周方向に相隔たっている複数の側壁１２ａ、１２
ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ及び１２ｆによって隔てら
れていると共に支持されている。各抽気開口２８の半径
方向外側には、抽出空気３１を外側ケーシング２０に向
けて圧縮機プレナム２４に導く空気管３２が配置されて
いる。各空気管３２の上面上には、ディスク２１及び２
２と係合している円筒形バッフルプレート３４が配置さ
れている。バッフルプレート３４は、ディスク２１及び
２２を空気管３２と連結しており、これらは一緒に、
又、後ろ側圧縮機コーン２３と共に、内側及び外側ケー
シング１４及び２０を支持している。
【００１７】抽出空気３１は圧縮機プレナム２４内に集
められ、半径方向外方に導かれて外側ケーシング２０を
通流し、そして出口ダクト３６を通って放出される。周
方向に相隔たっている少なくとも２つの出口ダクトが各
段に用いられており、３つ若しくは図２に示すように４
つ、又は更に多くの出口ダクトが、所望に応じて用いら
れている。
【００１８】本発明の抽気開口２８は、複数の抽気開口
が内側ケーシング１４の外壁１８に配設されるように、
小さな面積を有している。小面積供給開口の正確な数
は、開口面積が十分小さい限り変えることができる。即
ち、供給開口が、抽出空気が圧縮機プレナム２４に入る
際の抽出空気の周方向速度よりも大きな半径方向速度を
抽出空気に与えることができる限り、小面積供給開口の
正確な数を変えることができる。
【００１９】図３に示すように、抽出空気３１はプレナ
ム２４を通流し、そして外側ケーシング２０の内面３０
に衝突し、事実上外側ケーシング２０の内面３０からは
ね返って、引き続きプレナム２４内を流動し、結局、出
口ダクト３６を通って流出する。圧縮機プレナム２４内
の抽出空気３１のこのはね返り効果により、抽出空気
は、プレナム内を周方向に流れる際の抽出空気に生ずる
周方向熱伝達を均等に制御し得る。抽出空気の熱伝達能
力はプレナム内で均等に分散されるので、周方向温度勾
配は、十分減少して外側ケーシングの歪みを抑制する。
この温度勾配は、従来のケーシング設計から６０％だけ
減少される。
【００２０】外側ケーシング２０の周方向熱歪みを減少
させることにより、それに対応する内側ケーシング１４
の周方向熱歪みも減少させられる。先端間隙Ｃの周方向
変化が維持され、従って、圧縮機空気２６の漏れによる
圧縮機１０の効率損失を低下させる。翼端間隙の問題
は、内側ケーシング１４に沿ってロータ段Ｒ７及びＲ１
０の位置で特に多発した。これらの位置は比較的歪みが
発生し易い箇所であった。なぜなら、これらの位置は、
後ろ側圧縮機コーン２３が両圧縮機ケーシングを連結し
ている所であると共に、支持体２１が両圧縮機ケーシン
グを以前連結していた所であるからである。本圧縮機ケ
ーシングの設計は、ケーシング２０の温度勾配を減少さ
せることにより、全動翼の先端間隙を維持する。
【００２１】内側ケーシング１４は又、段５の直前で内
側ケーシングに設けられている抽気孔４２を通って内側
ケーシング１４と外側ケーシング２０との間の低圧ター
ビン用プレナム４０に入る抽出空気３８によって冷却さ
れる。バッフルプレート３４は前方へ段６内に延びてお
り、抽出空気の一部３８ａを上方にそらして防氷用出口
４６に向ける。この抽出空気の一部３８ａは防氷機能が
必要なときに用いられる。バッフルプレート３４は又、
抽出空気の一部３８ｂを下方にそらして空気管３２に向
ける。
【００２２】下方にそれた抽出空気の他部３８ｄは、空
気管３２相互の間を流れ続けて、段８、９及び１０にお
ける低圧タービン用プレナム４０に入る。最終的に、抽
出空気３８は低圧タービン用出口ダクト５６を通って、
低圧タービン用プレナム４０を出る。上述の抽気方法
は、ガスタービンエンジン圧縮機段において、抽出空気
を集めると共に外側ケーシングの出口ダクトから抽出空
気を放出するために特に有用であるが、本発明はタービ
ン段においても適用することができ、タービン段に導か
れる抽出空気の分配に有用である。従来のタービンは通
例、分配マニホルドを含んでおり、この分配マニホルド
は、図１に示す圧縮機プレナム２４によく似ており、タ
ービンの動翼と静翼とを囲んでいる。又、抽出空気を分
配マニホルド内に導くように、図１に示したのと同様な
入口ダクトが設けられている。圧縮機におけるように、
タービンに導入される抽出空気の速度は、抽出空気が入
口ダクトを通流する際に最大となり、そして入口ダクト
相互の間において減少する。タービンケーシングにも同
様の周方向熱歪みが生ずる。従って、複数の小面積抽気
開口をタービンの内側ケーシングに設けることにより、
抽出空気は分配マニホルドに入る際に比較的高い速度を
有し、そして外側ケーシングに衝突することにより、周
方向温度勾配を制御して、外側タービンケーシングの歪
みを最小にする。
【００２３】以上、図面に示す本発明の好適な実施例に
ついて説明したが、開示した構造に対して本発明の範囲
内で様々な改変が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気の抽出のために本発明を組み込んだガスタ
ービンエンジン圧縮機の一例の概略断面立面図である。
【図２】図１の線３−３に沿った圧縮機の概略断面図で
あって、内側ケーシングに設けられている複数の小面積
供給開口を示す図である。
【図３】図２の拡大断面図であって、抽出空気の外側ケ
ーシングへの衝突を示す図である。
【符号の説明】
１０ 軸流圧縮機 １４ 内側ケーシング １９ 内側ケーシングプレナム ２０ 外側ケーシング ２１、２２ ディスク ２３ 後ろ側圧縮機コーン ２４ 環状圧縮機プレナム ２７ 抽気孔 ２８ 抽気開口 ３２ 空気管 ３４ バッフル ３６ 出口ダクト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ジェームス・ファーロン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、ワイルドブルーク・コート、 8720番 (72)発明者 ハロルド・ポール・リーク，ジュニア アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、コットンウッド・ドライブ、 8480番 (72)発明者 ジョン・デイヴィット・ビブラー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、アパートメント・ビー350、リップル マン・ロード、11351番

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの出口ダクトを有してい
    る環状外側ケーシングと、 該外側ケーシング内に同軸に設けられていると共に、プ
    レナムを画成すべく該外側ケーシングから隔てられてい
    る環状内側ケーシングと、 前記内側及び外側ケーシングを支持すると共に、該内側
    及び外側ケーシングの間にプレナムを画成する手段と、 前記プレナムに入る抽出空気の周方向速度よりも大きな
    半径方向速度を抽出空気に付与する手段とを備えてお
    り、 前記抽出空気は、該抽出空気が前記出口ダクトを出る際
    に、前記外側ケーシングに衝突して、該外側ケーシング
    に生ずる周方向温度勾配を当該ケーシングアセンブリの
    歪みを防止するために十分なほど減少させている、ガス
    タービンエンジンの抽出空気の温度勾配を減少させるケ
    ーシングアセンブリ。
  2. 【請求項２】 半径方向速度を抽出空気に付与する前記
    手段は、前記内側ケーシングに配設されている比較的小
    さな面積の複数の抽気開口を含んでいる請求項１に記載
    のケーシングアセンブリ。
  3. 【請求項３】 前記内側ケーシングに配設されている抽
    気開口は、２８個である請求項２に記載のケーシングア
    センブリ。
  4. 【請求項４】 前記プレナム内において各抽気開口上に
    配設されており、抽出空気を前記外側ケーシングに向け
    る空気管を更に含んでいる請求項３に記載のケーシング
    アセンブリ。
  5. 【請求項５】 前記内側及び外側ケーシングを支持する
    前記手段は、前記外側ケーシングから前記内側ケーシン
    グに向かって延在している半径方向ディスクである請求
    項１に記載のケーシングアセンブリ。
  6. 【請求項６】 前記内側及び外側ケーシングを支持する
    前記手段は、前記空気管上に配設されており前記半径方
    向ディスクと係合するバッフルプレートを含んでいる請
    求項５に記載のケーシングアセンブリ。
  7. 【請求項７】 前記内側及び外側ケーシングを支持する
    前記手段は、前記外側ケーシングから前記内側ケーシン
    グまで延在している後ろ側圧縮機コーンを含んでいる請
    求項６に記載のケーシングアセンブリ。
  8. 【請求項８】 前記抽気開口は、１つの圧縮機段内に配
    設されている請求項７に記載のケーシングアセンブリ。
  9. 【請求項９】 前記抽気開口は、１つのタービン段内に
    配設されている請求項４に記載のケーシングアセンブ
    リ。
  10. 【請求項１０】 少なくとも１つの出口ダクトを有して
    いる環状外側ケーシングと、 該外側ケーシングと同軸に設けられていると共に、該外
    側ケーシングから半径方向内方に隔てられている環状内
    側ケーシングと、 前記外側ケーシングから前記内側ケーシングに向かって
    延在していると共に、プレナムを画成している半径方向
    ディスクと、 前記内側及び外側ケーシングを支持するように、前記外
    側ケーシングから前記内側ケーシングまで延在している
    後ろ側圧縮機コーンと、 前記内側ケーシングに配設されており、前記プレナムに
    入る抽出空気の周方向速度よりも大きな半径方向速度を
    抽出空気に付与する複数の小面積抽気開口とを備えてお
    り、 高速の抽出空気は、該抽出空気が前記出口ダクトを出る
    際に、前記外側ケーシングに衝突すると共に、前記外側
    ケーシングに生ずる周方向温度勾配を減少させることに
    より前記外側ケーシングの歪みを防止しているガスター
    ビンエンジン用抽気装置。
  11. 【請求項１１】 空気管上に配設されており、前記半径
    方向ディスクと係合するバッフルプレートを更に含んで
    いる請求項１０に記載の抽気装置。
  12. 【請求項１２】 前記内側ケーシングに配設されている
    抽気開口は、２８個である請求項１１に記載の抽気装
    置。
  13. 【請求項１３】 前記プレナム内において各抽気開口上
    に配設されており、抽出空気を前記外側ケーシングに向
    ける空気管を更に含んでいる請求項１２に記載の抽気装
    置。
  14. 【請求項１４】 圧縮機段に配置されている請求項１３
    に記載の抽気装置。
  15. 【請求項１５】 複数の動翼及び静翼により空気を圧縮
    する段階と、 内側ケーシングに配設されている複数の小面積抽気開口
    を通して圧縮された空気の一部を抽出する段階と、 抽出空気がプレナムに入る際に、抽出空気の周方向速度
    よりも大きな半径方向速度を抽出空気に付与する段階
    と、 抽出空気の熱伝達能力を均等に分散させるように、抽出
    空気を外側ケーシングに衝突させる段階と、 抽出空気を出口ダクトを通して放出する段階とを備えた
    ガスタービンエンジンのケーシング歪みを制御する方
    法。
  16. 【請求項１６】 圧縮機ケーシング用である請求項１５
    に記載のケーシング歪みを制御する方法。
  17. 【請求項１７】 タービンケーシング用である請求項１
    ５に記載のケーシング歪みを制御する方法。
  18. 【請求項１８】 前記温度勾配は、６０％減少している
    請求項８に記載のケーシングアセンブリ。
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