JPS5882003A - ガスタ−ビンエンジンの間隙制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンエンジンに係り、更に詳細には
ロータ組立体及びステータ組立体の互いに対向するシー
ル要素間の１ｌｌｌｉを制御する方法及び装置に係る。

ガスタービンエンジン工業界に於ては、エンジンの性能
はロータ組立体及びステータ組立体の互いに対向するシ
ール要素間を経て流れる作動媒体ガスの漏洩量に反比例
していることが良く知られている。従ってかかる間隙を
低減するための種々の方法が常に研究開発されている。

かかる方法の一つは、１ＩＩＩをエンジンの運転条件の
関数として設定する能動的−線制御に関するものである
。この制御方法の目的は、安定したエンジン運転条件下
に於て最小の間隙を確立し、しかも相対的に回転する構
成！！東同士が破壊的に干過渡運転時に設定せんとする
ことである。

米国特許第３．０３９．７３７号、同第３，９６６．３
５４号、同第３，９７５，９０１号、同第４．２１３．
２９６号はロータブレードの先端の１ＩｌｌＩＩを局部
的に制御する方法及び構造の代表的なものである。ロー
タブレードの先端部より離れる方向へシールを駆動すべ
く比較的高温の空気を使用する実施例もあれば、ロータ
ブレードの先端部へ向けてシールを駆動させるために比
較的低温の空気を使用する実施例もある。これらの方法
は同一の構造体に同時に組込まれることもある。

本願出願人であるユナイテッド・チクノロシーズ・コー
ポレイシミンの一〇のディビジョンであるｐｒａｔｔ　
　ｇ、　　Ｗｈｉｔｎｅｙ　　Ａｉｒｃｒａｆｔにより
構造されているＪＴ９Ｄ−７８４の如き最近の民生航空
機用ガスタービンエンジンには、エンジンの多数のセグ
メントに対し機能してステータ要素の熱成長をロータ要
素の熱成長に正確に一致させる間＠制ｗ＠ｇが組込まれ
ている。主として冷却空気又は加熱空気が制御されるべ
きセグメントのエンジンケースの外向に噴射され、これ
により所望の収縮又は膨張が発生するようになっている
。米国特許第４．０６９．６６２号、同第４．０１９゜
３２０号、同第４．２７９．１２３号は外部型の閣隙制
御装習に採用される概念の代表的なものである。

ガスタービンエンジンのセグメントを冷却する進歩した
方法には、エンジンケースの内部に於て冷却空気を広く
分布させることが含まれている。

冷却空気は作動媒体ガス流路とエンジンケースとの藺に
てエンジンの内部に流される。

米国特許第３．９５７．３９１号、同第３．９７５．１
１２号、同第４．００５，９４６号、同第４．２４２．
０４２号には上述の如き概念が示されている。

上述の如き従来技術による方法及び装置が有効であるに
も拘らず、ガスタービンエンジン工業界の科学者やエン
ジニアは冷却空気及び加熱空気を賢明に使用する改良さ
れた間隙制御装置を希求し５− 続けている。

本発明の目的は、ガスタービンエンジンのロータ組立体
及びステータ組立体の互いに対向するシール要素間の間
隙を能動的に制−する方法及び装置を提供することであ
る。

本発明によれば、能動的間隙制御装置内に於けるタービ
ンケース温度修正空気の流量及び温度が、エンジンの運
転条件に応答して比較的低温且低圧の空気と比較的高温
且＾圧の空気との比率を調節することにより変化される
。

本発明の一つの詳細な実施例によれば、タービンケース
温度修正空気はＶ】−されるべきタービンケースを囲繞
する一つ又はそれ以上の環状空間へ流れ、次いでタービ
ンケースの内部へ流れてエンジンの作動媒体ガス流路に
近接した構成要素を冷却する。

本発明の一つの主要な特徴は、エンジンケースの温度を
修正するために二源空気が使用されるということである
。比較的低圧且低潟の圧縮機空気が一つ又はそれ以上の
ｉｌｌ／混合弁に於て比較的６一 ｌ４瀉且＾圧の空気と混合される。調節／混合弁は８源
よりの空気の混合比率を変化させて種々の流量及び温度
にてエンジンケースの冷却を行なうことができるように
なっている。

本発明の一つの詳細な実施例に於ては、制御されるべき
エンジンケースはシュラウドにより囲繞されており、シ
ュラウドはエンジンケースより隔Ｈ−ｐれている。エン
ジンケースとシュラウドとの闇の空間にはエンジンケー
ス温度修正空気が゛流れ得るようになっている。濃度修
正空気はその空間よりエンジンケースに設けられた孔を
経てエンジンの内部へ流入し、これによりエンジンの作
動媒体ガス流路に近接した構成要素を冷却する。

本発明の一つの主要な利点は、エンジンケースの直径を
制御するためにエンジンケース温度修正空気が賢明に使
用されるということである。ロータ構造体とステータ構
造体との閤のシールに於ける内部間隙は、変化するエン
ジン運転条件の下に於てエンジンケースの直径を０−夕
の熱成長に合わせることによって最小限に抑えられる。

本発明を他の観点から見れば、作動媒体ガス流路に近接
したエンジン構成要素を保護するために使用されるター
ビン冷却空気が、エンジンケースの温度を予備的に修正
すべく、途中に於てそらして流される。圧縮機空気を上
述の如き補助的な目的に連続的に使用することにより、
また現実的な間隙制御により、エンジンの性能が改善さ
れる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

添付の第１図に本発明による概念を組込み得る航空機用
のガスタービンエンジンが一部切欠いて示されている。

このエンジンは低圧圧縮機セクション１０と、高圧圧縮
機セクション１２と、燃焼セクション１４と、高圧ター
ビンセクション１６と、低圧タービンセクション１８と
を含んでいる。

図示のエンジンは、高圧タービンセクション１６のロー
タ組立体２２を高圧圧縮機セクション１２のロータ組立
体２４に接続する第一〇軸２０と、低圧タービンセクシ
ョン１８のロータ組立体２８を低圧圧縮機セクション１
０のロータ組立体３０に接続する第二の軸２６とを有す
る二重〇−タ型のエンジンである。

それぞれのロータ組立体は低圧圧縮機ケース３２、高圧
圧縮機ケース３４、＾圧タービンケース３６、低圧ター
ビンケース３８内に収納されている。一つのブレード４
０により示されている如き複数列のロータブレードがロ
ータ組立体上にてエンジンケースへ向けて半径方向外方
へ延在している。また一つのベーン４２により示されて
いる如く、複数列のステータベーンがエンジンケースよ
り支持されており且ブレード４０に対し交互の位置にて
エンジンケースより半径方向内方へ延在している。これ
らの数列のロータブレードと数列のステータベーンとの
間には作動媒体ガスのための流路４４がエンジンを貫通
して軸線方向に延在している。

数列のロータブレード４０は、実質的に円筒形の７ウタ
エアシール４６により囲繞されている。ｌ〇−タブレー
ドの先端に対するアウタエアシール４エンジンケースの
直径及びロータブレードのｍ度の関数である。特にター
ビンセクション内に於ては、間隙と呼ばれるこれらアウ
タエアシールとＯ−タブレードとの間の相対位置は、ロ
ータブレード及びエンジンケースが互いに異なる温度環
境に曝されるので、エンジンの運転範囲全体に亙って大
きく変化する。第４図の曲線Ａはエンジンの運転条件の
関数としてタービンセクション位置に於けるロータブレ
ード４０の先端部の半径方向付−を示している。また第
４図の曲線Ｂはエンジンの運転条件の関数として対応す
るタービンセクション位置に於けるアウタエアシール４
６０半径方向位置を示している。これら二つの曲線間の
間隙Ｘは優に説明する本発明による能動的１Ｉｌｌｉｔ
ＩＩＩＩｌｌの概念を組込まれていないエンジンに於け
る二つの相対的に回転する構成要素間の所期の間隙を示
している。

第１図に示されたエンジンの装部を拡大して示す第２図
゛は、本発明の概念を実施するためのｉｎｔマニホール
ド５０とが設けられており、第一のマニホールド４８は
比較的低圧且低濃の圧縮段に於て圧縮機と流体的に連通
しており、第二のマニホールド５０は最終圧縮段の下流
側の如き比較的＾圧且高温度の圧縮段に於て圧縮機と流
体的に連通している。第一のマニホールド４８は低圧導
！！５２により調節／混合弁５４と接続されており、第
二のマニホールド５０は高圧導管５６により調節／混合
弁５４に接続されている。

調節／混合弁５４は圧縮機より二源空気を受はＨ８空気
の流量を調節して所望の温度、圧力、及び流量の混合空
気流を形成することができるよう構成されている。実施
例によってはこの調節／混合弁５４は、それぞれ個別の
温度、圧力、及び流量を有する二つの空気流を形成し得
るよう構成されてよい。調節／混合弁５４からの空気流
は一つ又はそれ以上の導管５８をく経てエンジンのター
ビンセクションへ導かれる。図示の実施例に於ては、エ
ンジンの図に於て背後の側に第二の調節／混合弁（図示
せず）が設けられており、この第二の調節／混合弁は第
二の導！Ｉ６０を経て下流側位置にてタービンケース上
に空気流を放出し得るようになっている。図示の第一の
導管５８は高圧のタービンセクション１６に空気流を噴
射し得るようになっており、図示の第二の導管６０は低
圧タービンセクション１８に空気流を噴射し得るように
なって、いる。

ガスタービンエンジンのタービンセクションの縦断面を
拡大して示す第３図は、調節／混合弁５４より第一の導
管５８を経て高圧タービンセクション１６へ、また第二
の導管６０を経て低圧タービンセクション１８へ流れる
空気流の分布を示している。低圧タービンセクション１
８に於ては、ケース３８はインナケース６２とアウタケ
ース、即ちシュラウド６４とを含む二重壁構造にて構成
されている。調節／混合弁５４よりの空気流はエンジン
の運転条件の関数としてケースの温度を修正すべく、イ
ンナケース６２とシュラウド６４との閣の空ｆ１６６内
へ流れる。従って修正空気はインナケース６２に形成さ
れた孔６８を経てエンジンの内部へ流入し、しかる後タ
ービンセクションの構成要素を冷却する。

エンジンの作動中に於ては、作動媒体ガスは３０：１程
度の圧力比にまでタービンセクション内に於て圧縮され
、燃料と混合されてその混合気が弯焼セクションに於て
燃焼される。燃焼セクションよりの高温の流体はタービ
ンセクションを経て膨張され、圧縮機を駆動するための
駆動力が発生され゛る。負型的なエンジンのタービンセ
クションを横切る圧力は、海面レベルに於ける離陸条件
下に於ては、各連続する圧縮段に於て大気圧より３ｉ　
ｂａｒ程度の圧力にまで増大する。これに対応してター
ビンセクションを横切る温度も海面レベルに於ける離陸
条件下に於ては、各連続する圧縮段に於て周囲温度より
６２０℃程度の温度にまで上昇する。タービンセクショ
ンの入口に於ける温度は１３７０℃程度である。エンジ
ンの運転サイクル全体に厘すエンジン濃度が環部に変化
することにより、種々の環境の影響の下で回転構造体と
静止構造体との闇の間隙を制御する必要が生じる。

１３一 本発明の概念は、０−タとエンジンケースに支持された
シールとの間の間隙をそれらの熱成長に対応して小さく
維持すべく、エンジンの運転サイクルに応じてエンジン
ケースを加熱又は冷却することである。かぐしてエンジ
ンケースを加熱又は冷却すべく、エンジンケース温度修
正空気が使用される。温度修正空気はエンジンの圧縮機
より冷却されるべきエンジンケースの所定のセグメント
へ導かれる種々の比率の加熱空気と冷却空気との混合気
である。前述の調節／混合弁の如き調節／混合弁よりの
流体として生成されるエンジンケース温度修正空気の代
表的な特性が高圧タービン及び低圧タービンについてそ
れぞれ下記の表１及び表２に示されている。圧力、温度
、及び流量はアイドル、海面レベルに於ける離陸、巡航
条件に於ける１８０００ｋｌ）推力クラスのエンジンに
ついての代表的な値である。表１及び表２の各データは
、第一の調節／混合弁には高圧タービンケースに噴射さ
れ且そのＩ！度を制御するための二源空気が供給され、
また第二の調節／混合弁には低圧タービ１４− ンケースに噴射され且その８１度を制御するための二部
空気が供給されるよう構成されたスプリット型のシステ
ムのためのデータである。

八 一υ 弘 傳田 罐 １５− 又はそれ以上の調節／混合弁のそれぞれは空気流を生成
するよう、エンジンの運転条答して制御され得るもので
ある。エンジンＤ帽Ｌロータの回転速度、エンジンの圧
高度、マツハ数、タービン帽り排気ガス如きエンジン運
転条件の代表的なバラメー節／混合弁を制御するための
パラメータと定される。上述の代表的なエンジンについ
軸の回転数、高度、及び飛行マツハ数が調合弁を制御す
るためのパラメータとして下３に示されている如く選定
された。

１８− 第４図に於て、曲線Ｃは、検出されたパラメータ、即ち
軸の回転速度、＾度、飛行マツハ数に応じて、本発明に
従って支持ケースの温度を修正することにより、エンジ
ンの運転範囲全体に亙って変化されるアウタエアシール
の半径方向の位置を示している。ＩＩＩＩＹは、０−タ
ブレードの先端とそれに対応するアウタエアシールとの
間の間隙を示している。この間隙は間隙が制御されない
条件下に於ける場合（間隙Ｘ）よりも大きく低減される
だけでなく、０−タブレードの先端の半径方向位置に形
状的に正確に対応している。もっとも破壊的な干渉を回
避するに必要な最小の間隙は確保される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンエンジンのそ゛の一部を切２０− 欠いて示す正面図である。 第２図は第１図に示されたガスタービンエンジンの一部
を拡大して示す部分図である。 第３図はエンジンの内部に於ける冷却空気の分布を示す
エンジンのタービンセクションの一部を示す断面図であ
る。 第４図はガスタービンエンジンの０−夕とステータとの
閤の相対灼熱成長を示すグラフである。 １０・・・低圧圧縮機セクション、１２・・・高圧圧縮
機セクション、１４・・・燃焼セクション、１６・・・
高圧タービンセクション、１８・・・低圧タービンセク
ション、２０・・・第一の軸、２２・・・高圧タービン
セクションのロータ組立体、３０・・・低圧圧縮機セク
ションのロータ組立体、３２・・・低圧圧縮機ケース３
４・・・高圧圧縮機ケース、３６・・・＾圧タービンケ
ース、３８・・・低圧タービンケース、４０・・・０−
タブレード、４２・・・ステータベーン、４４・・・流
路。 ４６・・・アウタエアシール、４８・・・第一のマニホ
ールド、５０・・・第二のマニホールド、５″２・・・
低圧聯２１− 管、５４・・・調節／混合弁、５６・・・高圧導管、５
８・・・導管、６０・・・第二の導管、６２・・・イン
ナケース。 ６４・・・シュラウド、６６・・・空間、６８・・・孔
特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代　　理　　人　　　弁理士　　　明　　石　　　昌　
　毅２２−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスタービンエンジンのロータ組立体及びステー
   タ組立体の互いに対向するシール要素の閣の間隙を制御
   する方法にして、 エンジンの圧縮機より比較的低圧且低潟の空気を調節／
   混合弁へ流す過程と、　　　。 エンジンの圧縮機より比較的高圧且高潟の空気を前記調
   節／混合弁へ流す過程と、 エンジンの運転条件に機能的に関連した比率にて前記調
   節／混合弁に於て前記比較的低圧且低瀉の空気と前記比
   較的＾圧且ａ％濃の空気とを混合する過程と、 前記混合された空気をエンジンのタービンセクションへ
   流しそのケースに対し噴射し、これにより前記ケースの
   直径を熱的に変化させて前記ロータ組立体と前記ステー
   タ組立体との閤の間隙を制御する過程と、 を含んでいることを特徴とする方法。
2. （２）ステータ組立体により囲繞されたロータ組立体に
   て構成された圧縮機セクション及びタービンセクション
   を有するガスタービンエンジンに於て、タービンケース
   の直径を変化させて前記ロータ組立体と前記ステータ組
   立体との間の間隙を制御するための装置にして、 圧縮機より比較的低圧且低潟の空気及び比較的＾圧且高
   易の空気を受け、エンジンの運転条件に機能的に関連し
   た比率にて前記二つの空気を混合し、その混合空気を吐
   出することのできる調節／混合弁と、 前記圧縮機に設けられ前記比較的低圧且低瀉の空気を収
   集するためのマニホールドと、前記比較的低圧且低濃の
   空気を収集する前記マニホールドを前記調節／混合弁に
   接続する導管と、前記圧縮機に設けられ比較的高圧且高
   潟の空気を収集するためのマニホールドと、 前記比較的＾圧且高濃の空気を収集する前記マニホール
   ドを前記調節／混合弁に接続する導管と、前記調節／混
   合弁より吐出された混合空気を前記タービンケースへ導
   くための導管と、を含んでいることを特徴とするガスタ
   ービンエンジン。