JPH10505144A - 先端すきまのダイナミック制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスタービンエンジン（１０）は、根本（３３）と先端（３４）および圧力側（３２）と吸引側（３０）を有する複数の回転翼羽根（２４）を、含んでいる。回転翼羽根（２４）はエンジンケース（１１）に収納されている。可変位置エンジンケースライナー（５０）は、エンジンケース（１１）の径方向内方にしてかつ回転翼羽根（３４）の径方向外方に、配置されている。ライナー（５０）とエンジンケース（１１）間に配置されたバイアス手段（６）は、ライナー（５０）を、エンジンケース（１１）から径方向内方に押圧する。回転翼羽根（２４）の先端（３４）は、圧力側（３２）で、回転翼羽根（２４）の回転方向に対して、角度付けされており、ライナー（５０）に対して圧縮された空気を反射する。ライナー（５０）は、その位置を調整し、ガスタービン（１０）の異なる動作条件中に、ライナー（５０）と先端（３４）間の先端すきまを最小に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】 先端すきまのダイナミック制御 技術分野 この発明は、ガスタービンエンジンに係り、特に圧縮機ケースと回転羽根間の 先端すきまに関する。 発明の背景 一般のガスタービンエンジンは、エンジンケースに収納されるとともに、圧縮 機、燃焼器、およびタービンを含んでいる空気は、エンジンのタービン部を通し て軸方向に流れる圧縮機で圧縮された空気は、燃料と混合され、燃焼器で燃焼さ れ、それからタービン内に拡散され、これによってタービンを回転させるととも にコンプレッサを駆動する。 圧縮機は、回転エアホイル又は回転翼羽根および固定エアホイル又は羽根の列 を、含んでいる。各回転翼羽根は前縁および羽根の根本から先端まで伸びる後縁 、および圧力側および吸引側を持っている。各回転翼羽根は回転翼ディスクに固 定される。エアホイルの各列又はステージは、空気を圧縮するのに役立つ。かく して、羽根の後縁で各ステージを出るに当たっての空気の圧力は、羽根の前縁で 各ステージに入るに当たっての空気の圧力よりも高い。また、羽根の圧力側は吸 引側よりも高い圧力空気を持っている。 相対的に大きな先端すきまが圧縮機回転翼羽根とエンジンケース 間の先端の間に存在する時に、問題が起こる。先端すきまは羽根の圧力側からの 高い圧力空気を羽根の低圧力吸引側領域に漏れさせる。高圧力漏れ空気は再び圧 縮されなければならないので、漏れはガスタービンエンジン特性を効率の悪いも のにし、働きのある部分を１回以上遂行するために圧縮機を必要とする。 先端すきまの大きさは、ガスタービンエンジンの動作条件によって変わるとと もに、エンジンケースと回転翼アッセンブリの膨張と収縮の異なる量と割合に関 連する。エンジンケースの膨張と収縮は圧力と温度の関数であり、回転翼と羽根 アッセンブリの膨張と収縮は、圧縮機内の回転翼とデイスクの遠心力と温度によ って影響される。また、エンジンケースと回転翼アッセンブリは異なる物質で作 られ、各々異なる膨張係数を持っている。回転翼アッセンブリとエンジンケース の比較的な容量は、エンジン動作の過渡段階中の先端すきまにおける変化に貢献 する要素である。回転翼アッセンブリはエンジンケースよりも大きな質量を持っ ているので、エンジンケースを加熱するよりも回転翼アッセンブリを加熱するほ うが長い時間がかかる。結局、エンジンケースは回転翼アッセンブリよりも速く 膨張する。 ガスタービンエンジンが動作を始めるにつれて、回転翼アッセンブリは、遠心 力に帰因してほとんど直ちに膨張し、先端すきまを減少させる。それから、エン ジンケースは、圧力の増加によって膨張し、先端すきまを増加させる。圧力増加 によるエンジンケースの膨張量は、回転翼アッセンブリの膨張力と異なる。従っ て、エンジンケースは、増加した温度による熱膨張にさらされ、さらに先端すき まを増加させる。回転翼と羽根アッセンブリは、また、増加した温度により熱膨 張して、先端すきまを減少させる。回転翼アッセンブリはエンジンケースよりも 重いので、回転翼アッセンブリの熱膨張率はエンジンケースの熱膨張率よりも遅 く、それ故に、回転翼は加熱するのに長い時間を要する。羽根とエンジンケース のすきまの間の先端すきまは、不均一に変わり、しばしば比較的大きなギャップ を生じ、高い圧力の空気を低圧力空気領域に漏れさせ、かくしてエンジンの効率 を低下させる。 先端すきまを小さくするという一つの試みでは、一般のガスタービンエンジン はエンジンケース内のすり減り易いライナーを使用する。回転翼羽根の先端は、 すり減り易いライナーに接触し、それから物質を刻み出す。動作のある点で、先 端すきまがゼロになり、動作の他の全ての点では回転翼羽根との間にギャップが あり、そのギャップは摩耗による物質の除去によって生じ、高圧空気の低圧空気 領域への好ましくない漏れが行われる。摩耗し易いライナーのさらなる問題は、 きつい着陸又は飛行が行われる間に、エンジンケースとは違って反射することで ある。その結果、回転翼羽根は摩耗し易いライナーから他の物質を刻み出し、先 端すきまを永久に拡大する。 先端すきまを小さくするために使用される他の試みは、大きな質量の回転翼と 羽根アッセンブリの熱膨張率をより一致させるために、大きな質量のエンジンケ ースを作ることである。この試みは、ガスタービンエンジンのある動作条件の間 は先端すきまを小さくするけれども、アイドルでの先端すきまを増す。もちろん 、この試みはエンジンの全重量の増加をきたす。 先端すきまを減少させるために使用される他の解決方法は、エンジンケースと 回転翼アッセンブリとの間の熱的な不均衡を減らすことである。この効果は、エ ンジンケースの熱的な膨張と収縮を回転翼と羽根アッセンブリの熱的な膨張と収 縮に相互に関連させるために、熱い又は冷い空気をケースのまわりにポンピング することによって達成される。この処理に関連して多くの欠点がある。第１に、 この処理は熱的な膨張と収縮を制御するために高価で複雑なハードウェアを必要 とする。第２に、ハードウェアを追加することによって重量が大きくなる。最後 に、その試みはエンジンからの熱い又は冷い空気を抜き出す必要があり、効率が 悪くなる。かくして、現在では、回転翼羽根とエンジンケースライナーのすきま 間の先端すきまを効果的に小さくする大きな必要性が、まだ残っている。 発明の開示 本発明の目的はガスタービンエンジンの全効率を増すことである。 さらに、本発明の目的は、回転翼羽根とエンジンケースライナーの先端間の先 端すきまを、ガスタービンエンジンの全ての段階で、小さくすることである。 本発明によれば、ガスタービンエンジンは、エンジンケースの内方でかつ回転 翼羽根の径方向外方に配置された可変位置エンジンケースを含んでおり、異なる エンジン動作条件の間の位置を変え、回転翼羽根とエンジンケースライナー間の 先端すきまが、全てのエンジン動作条件の間に、最小にされる。ガスタービンエ ンジンは、各羽根の圧力側に角度付けされた面を有する複数の回転翼羽根を、含 んでいる。角度またはベベル面は、高圧力空気をライナーの方向に反射し、これ により、ライナーを、このライナーに径方向外方に作用する力に帰因するダイナ ミック圧力にさらす。羽根の先端に近いライナーを維持するために、ライナーは 、このライナーとエンジンケース間に配置されたバイアス手段からの径方向内方 の力にちらされる。従って、ライナーは回転翼羽根の先端に対してその位置を変 え、回転翼羽根の先端とライナー間に、最小の先端すきまが維持される。 本発明によれば、最小の先端すきまが、大きな重量に科せられることなくかつ 複雑なハードウェアを追加することなく、ガスタービンエンジンの動作の全段階 を通して維持される。 本発明の前述および他の目的および利点は、添付図面に示されているような、 次の模範的な実施例の詳細な説明によって、より明白になる。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明を用いるガスタービンエンジンの簡略化された部分的断面図 である。 第２図は、本発明による第１図の回転翼羽根の拡大された等測図である。 第３図は、第２図の回転翼羽根の拡大された平面図である。 第４図は、回転翼羽根の回転方向における４−４線に沿う第３図の断面図でる 。 第５図は、本発明による、調整可能なエンジンケースライナーを 有する圧縮機の拡大等測図である。 第６図は第５図の簡略断面図である。 第７図は、本発明の他の実施例による、調整可能なエンジンケースライナーを 持つ圧縮機の、簡略化された断面図である。 発明を実施するための最良な形態 第１図を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、エンジンケース１１内に 収納されており、圧縮機１２，燃焼器１４およびタービン１６を含んでいる。空 気２０はエンジン１０の部分１２，１４，１６を通して軸方向に流れる。圧縮機 １２内で圧縮された空気２０は、燃焼器１４内で燃焼される燃料と混合され、そ れからタービン１６内で膨張され、タービン１６を回転させるとともに圧縮機１ ２を駆動する。圧縮機１２は、固定エアホイル又は羽根２２の複数の交互な列を 含んでおり、エアホイル又は回転翼羽根２４を回転させる。回転翼羽根２４は回 転翼ディスク２６に固定されている。エアホイルの列または段階は、空気２０の 圧縮に貢献する。 第２図を参照すると、回転翼羽根２４は、この回転翼羽根２４の根本から先端 ３４および前縁３６から後縁３８まで伸びる、吸引側および圧力側３２を、含ん でいる。各回転翼羽根２４の各先端３４は、もちろん第３図と第４図にも示され ているように、吸引側３０に隣接する本質的に平らな先端面４３と圧力側３２上 のベベル又は角度付けされた面４４を、含んでいる。ベベル面４４は、前縁３６ 又は後縁３８を面取りすることなく、本質的に羽根の先端の全長にわたって伸び ている。 第５図および第６図を参照すると、エンジンケース１１は、このエンジンケー スの径方向内方に配置された複数の可変位置エンジンケースライナー５０を、含 んでいる。各ライナー５０は、内側５５，外側５６，円周方向に伸びるとともに エンジン１０の前後方向に走る段付けされたライナー端５７，および前後方向に 伸びるとともに円周方向に走る前後縁５８を含んでいる。２つの隣接するライナ ー５０のライナー端５７は、対向する関係で段付けされており、互いにＺ−形接 合５９で重複している。接合５９は、隣接するライナー片５０間で接触している 。 エンジンケース１１とライナー５０間に配設された複数のバネ６０は、各ライ ナー５０をエンジンケース１１から羽根２４の方向にかり立てる。バネ６０は接 合５９でライナーに力を加える。ライナー５０の動きは、ケース１１のまわりに 円周方向に走る複数の止め具６２によって制限される。止め具６０は、ライナー ５０の前後縁５８を支持するとともに、その径方向内方の動きを制限する。 第６図に示すように、先端３４の平らな先端面４３とライナー５０の内側５５ は先端すきま７０を規定する。ガスタービンエンジン１０の全ての動作条件の間 に、羽根２４の平らな先端面４３とライナー５６の内側５５間の先端すきま７０ は、最小でなければならない。ガスタービンエンジンが動作していない時は、先 端すきま７０は、最小であって、ほぼ０．０５０８〜０．１２７０ミリメートル である。ライナー５０は、止め具６２に対して静止するように、バネ６０によっ てかき立てられる。エンジン１０が動作を始めると、羽根２４は、第３，５図の 矢印７５で示すように、時計方向に回転 する。羽根２８の圧力側３２の空気圧は、確立され、かつ吸引側３０の空気圧よ りも高くなる。速度が増すにつれて、異なる時間と割合で、羽根とライナーの膨 張と収縮が増す。圧縮機１２の圧力が確立されるにつれて、羽根の圧力側の空気 圧と先端の空気圧が確立する。ベベル面４４は、ライナー５０に向かう空気を反 射し、動圧を生じるとともに、ライナーをその中にさらす。動圧によって生じる 径方向外方の力にさらされるライナー５０は、エンジンケース１１に向って径方 向外方に動き、バネ６０に打ち勝ってこのバネを圧縮する。バネ６０が圧縮され るにつれて、ライナー５０は、径方向外方に動き、ライナー５０の内側５５に接 触することなく、かつ回転翼羽根２４の先端３４とライナー５０の内側５５間の 大きな先端すきまを持つことなく、羽根２４を回転させる。 処理は反覆され自己修正を行う。先端すきまが小さ過ぎると、先端３４とライ ナー５０間の高圧空気が漏れでるべき通路がないので、ベベル面４４とライナー ５０の内側５５との間に圧力が確立し、バネ６０に打ち勝ってライナー５０に径 方向外方に力を加える。先端すきま７０が大き過ぎると、ベベル面４４とライナ ー５０間の高圧空気は回転翼羽根２４の低圧吸引側３０に漏れ出る。高圧空気が 漏れ出るにつれて、ベベル面４４とライナー５０間の空気の圧力は減少し、バネ ６０はライナー５０を径方向内方に押圧し、先端すきま７０を減少させる。かく して、羽根２４の先端３４に対するライナー５０の位置は再調整され、本質的に 一定で最小の先端すきまを維持する。 羽根の回転方向に対するベベル面４４の寸法と角度は圧縮機１２ 内の回転翼２４の各段階で変わる。また、ベベル面４４の寸法と角度は、圧縮機 １２とバネ６０の特定な特性に依存する。最良なモードの実施例は本質的に平坦 な先端面４３を有するものとしての回転翼羽根２４を示しているけれども、平坦 な先端面４３は本発明の基本ではない。平坦な先端面４３は、ライナー５０と接 触してもすり切れないということである。 本発明の他の実施例として、ライナー５０の位置が、エアホイル２４の形状を 仕立てることによって調整されるとともに、ベベルを含まない。エアホイル２４ を傾けるか又はその形状を変えることによって、エアホイル先端３４はその回転 方向に対して角度付けされており、ベベル面４４と同じ結果が得られる。回転方 向に対して角度付けされているエアホイル２４の先端３４は、ベベル面４４と同 じ方法で、高圧空気をライナー５０の方に反射する。 さらに、本発明の上述の実施例はバイアス手段としてバネ６０を示しているけ れども、例えば、第７図に示すように、ライナー５０とエンジンケース１１間の パイプ８０を通して押し送られる、圧縮機段階から抽出される圧縮空気のような 、他のバイアス手段を使用できる。ライナー５０の径方向外方の圧力とライナー ５０の径方向外方の圧力との差によって、ライナーの調整が達成される。 発明は模範的な実施例について開示されているけれども、発明の精神と範囲か ら逸脱することなく、種々の変形、省略、および追加が可能であることは、当業 者によって理解できるものである。例えば、ライナー端５７は、むしろＺ−形の 縁であるよりも、真直ぐ縁であってもよい。また、ライナーの内側５５は、滑ら か又はすり減 り易いようなどちらかであるように作ることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．エンジンケースに収納され根本と先端および圧力側と吸引側を有する複数の 回転翼羽根を含むガスタービンエンジンであって、 前記エンジンケースに径方向内方にしてかつ前記回転翼羽根の前記先端の径方 向外方に配置され、かつ前記エンジンケース内に径方向に移動可能に支持された 複数の可変位置エンジンケースライナーによって構成され、 各前記回転翼羽根が、該回転翼羽根の圧力側上に、前記回転翼羽根の回転方向 に対して角度付けされた面を有し、前記可変位置エンジンケースライナーを径方 向外方に動かすために、高圧空気が前記角度付けされた面から径方向外方に反射 される、ことを特徴とするガスタービンエンジン。 ２．さらに、前記エンジンケースと各前記ライナー間に配設されたバイアス手段 によって構成され、このバイアス手段は前記ライナーを前記エンジンから径方向 内方に押圧することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のガスタービン エンジン。 ３．前記バイアス手段がバネであることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に 記載のガスタービンエンジン。 ４．前記バイアス手段が、押し込まれた空気であることを特徴とする、特許請求 の範囲第２項に記載のガスタービンエンジン。 ５．さらに、前記ライナーの径方向内方に配設された複数の止め具によって構成 され、前記複数の止め具は前記ライナーの径方向内方の動きを制限することを特 徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のガスタービンエンジン。 ６．各前記ライナーがＺ−形接合で隣り合う前記ライナーに接合し、２つの隣接 するライナーは運転段階で互いに重複することを特徴とする、特許請求の範囲第 １項に記載のガスタービンエンジン。 ７．前記回転翼羽根が、該回転翼羽根の前記吸引側の本質的に平坦な先端面を有 することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のガスタービンエンジン。 ８．前記回転翼羽根は前縁と後縁を有し、前記角度付けされた面が前記前縁と後 縁のショートを停止することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のガスタ ービンエンジン。 ９．エンジンケースに収納され根本と先端および圧力側と吸引側を有する複数の 回転翼羽根を含むガスタービンエンジンであって、 前記エンジンケースに径方向内方にしてかつ前記回転翼羽根の前記先端の径方 向外方に配置され、かつ前記エンジンケース内に径方向に移動可能に支持されて いるとともに、全ての運転条件中に先端すきまを小さくするために前記回転翼羽 根の前記先端に対して位置 を調整する複数の可変位置エンジンケースライナーによって構成され、 各前記回転翼羽根が、該回転翼羽根の圧力側上に、前記回転翼羽根の回転方向 に対して角度付けされた面を有し、前記可変位置エンジンケースライナーを径方 向外方に動かすために、高圧空気が前記角度付けされた面から径方向外方に反射 される、ことを特徴とするガスタービンエンジン。