JPS5925847B2 - ガスタ−ビンエンジンのタ−ビン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジン、特にそのタービンに関
する。

ガスタービンエンジンのタービン効率は種々の要因に左
右されるが、その一つは動翼とそれヲ取囲む構造との間
の半径方向のすき間である。

すなわち、そのすき間が大き過ぎると、許容し得ない程
のガス洩れが翼端に生じ、その結果、効率が下る。

しかし洩れを少くするためにすき間を減じて効率を高く
すると、成る運転状況では動翼々端とそれを取囲む構造
とが接触する恐れがある。

エンジン回転速度が増加または減少している時に、特に
この恐れが顕著である。

というのは、タービン要素の熱膨張率が異るために、動
翼と周囲構造との半径方向の膨張、収縮の度合が異るか
らである。

動翼々端のすき間を実質的に一定に保つようにされた装
置を与えることは公知である。

このような装置は通常、動翼々端を取囲む環状シュラウ
ド部材を含み、その部材は実質的に半径方向の動翼翼端
すき間を一定に保つために機械的または熱的に作動され
る。

機械的装置はエンジンの重量が好ましくない程増加する
と同時にその構造を複雑にするという欠点を有する。

熱作動装置は動翼々端すき間が所要の大きさになるよう
な寸法にしたシュラウド部材に見合う値にその温度を保
つようにシュラウド部材へ流す冷却空気流を利用する。

しかし、効果的な冷却が生ずるように、複雑な空気通路
をシュラウド部材に設けなげればならない。

さらにこのようなシュラウド部材は局部的な熱勾配を生
じ易く、その結果、動翼々端のすき間が局部的に異って
くる。

翼端すき間にそのような変動を生ずるのに加えて、局部
的熱勾配がシュラウド部材のひずみ、さらにはき裂を生
ずることもあるので望ましくない。

熱作動による動翼々端すき間維持装置において前記の欠
点を実質的に除いた熱作動装置により動翼々端すき間を
事実上一定値に保つ、ガスタービンエンジン用のタービ
ンを与えることが本発明の目的である。

本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおいて、
動翼の環状列と、環状の半径方向内方に向く表面を画成
し主要部が少くとも１個のヒートパイプにより構成され
前記動翼の翼端と前記環状の半径方向内方に向く表面と
が相互に隣接ししかもその間にすき間を与えるように半
径方向に隔置されるように前記動翼の環状列に対し同軸
にかつその半径方向外方に配置された環状シュラウド部
材と、前記動翼翼端と前記環状の半径方向内方に向く表
向との間のすき間に比例する出力を生じる距離測定装置
と、前記少くとも１個のヒートパイプに温度調節用流体
を向けるための流体指向装置と、前記少くとも１個のヒ
ートパイプへの前記温度調節用流体の流量を調節するた
めの流量調節装置と、前記流量調節装置と前記距離測定
装置とを連結し前記距離測定装置の出力に応答して前記
流量調節装置を制御する制御装置とを備え、充分な量の
前記温度調節用流体が前記少（とも１個のヒートパイプ
にその熱膨張および熱収縮を制御するために送られて前
記半径方向内方に向く表面と前記動翼々端との間の前記
距離測定装置により測定された半径方向すき間が所定の
範囲の値に維持されるようになっているタービンを提供
する。

以下に添付図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

第１図を参照すると、全体を１０で表示されるガスター
ビンエンジンは圧縮機１１、燃焼器１２およびタービン
１３から成る。

ガスタービンエンジン１０は在来の方式で作動する、す
なわち圧縮機１１により圧縮される空気は燃焼器１２の
中で燃料と混合され燃焼される。

発生する高温ガスは圧縮機を駆動するタービン１３を通
過して膨張し、排気ノズル１４を通して大気に排出され
る。

燃焼器１２は環状燃焼室１５を含み、その下流端の一部
分が第２図に示される。

燃焼室１５からの高温ガスはノズルガイドベーンの環状
列によりタービン１３の高圧部１６に振向けられるが、
そのガイドベーンの一つが１７に示される。

この事例では高圧タービン１６は１段の動翼から成り、
その一枚が１８に示される。

実際には高圧タービン１６は２段以上の動翼から成立ち
得ることが判る。

高圧タービン１６は適当な軸（図示せず）により圧縮機
１１の高圧部を１駆動するように結合される。

高圧タービン１６から出る高温ガスはタービン１３の低
圧部１９ヘノズルガイドベーン静翼の第２の環状列によ
り振向けられ、その一枚が２０に見られる。

高圧タービン１６と同様に低圧タービン１９は動翼の１
段から成り、その１枚が２１に見られる。

低圧タービン１９はもう１本の適当な軸（図示せず）に
より圧縮機１１の低圧部を駆動するようにそれに結合さ
れる。

低圧タービン１９から出る高温ガスは出口ガイドベーン
の環状列（図示せず）を通過した後、ノズル１４から大
気中へ排出される。

高圧ノズルガイドベー７１７により振向けられる高温ガ
スができるだけ多く高圧タービン動翼１８の翼形部上を
流れるのを確実にするために、動翼１８の翼端２２が環
状シュラウド２３にできるだけ近い所を通るように配置
される。

第３図に、より明瞭に見られる環状シュラウド２３は動
翼１８の回転軸と同軸に配置される。

ヒートパイプ２５により構成されて、半径方向の内方へ
延びる２個のフランジ２６を設けるようにほぼＵ字形の
断面を有する環状部材２４をシュラウド２３が含む。

本明細書を通じて、「ヒートパイプ」なる語句は密封容
器を含む熱伝達装置を意味しており、該容器は凝縮可能
の蒸気と、該容器の低温部から高温部へ凝縮した蒸気を
輸送させる能力を持つ毛細管装置との双方を包んでおり
、凝縮可能の蒸気は高温部から低温部へとその二つの部
分の間の圧力勾配により輸送され、その蒸気は低温部に
て凝縮される。

水、アンモニヤ、水銀、カリウム、ナトリウム、リチウ
ムおよび鉛の如き物質の蒸気圧の温度に対する変化は大
きくて、たとえば僅か１〜２℃の温度変化が非常に大き
な蒸気圧の変化をもたらす。

従ってこれらの物質の一つを凝縮可能の蒸気として含ん
でいるヒートパイプの長手方向の温度差は極く小さくて
ヒートパイプは事実上等温となる。

実際に、ヒートパイプの有効熱伝導率は同じ質量の無空
の銅棒のそれの５００倍と大きい。

（ヒートパイプの原理は［超高熱伝導の構造Ｊ Ｇｒｏ
ｖｅｒ。

Ｃｏｔｔｅｒ ａｎｄ Ｅｒ１ｃｋｓｏｎ、 Ｊｏｕｒ
ｎａｌ ｏｆ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ
、 ３５，１９９０（１９６４年６月）に、より詳しく
述べられている）。

ヒートパイプ２５の内壁はヒートパイプの毛細管として
働くステンレス鋼の網２７で蔽われている。

しかし多孔質ガラス、金属またはセラミックの如き代替
毛細管材料も使用し得ることが判る。

ヒートパイプ２５がその働きをするためにヒートパイプ
を真空にして少量のナトリウムを凝縮可能の蒸気として
封入する。

しかしヒートパイプ２５の予想作動温度範囲によっては
、他の材料を凝縮可能の蒸気として用いることもできる
。

環状部材２４の半径方向の内方に延びるフランジ２６は
もう一つのフランジ２８を設けられる。

このもう一つのフランジ２８は衝接する複数の金属タイ
ル２９の支持材となるように相互に向って延び、タイル
は動翼１８の翼端から半径方向に隔置されて隣接する環
状の半径方向の内方に向く表面３０を共同して画成して
いる。

タイル２９にフランジ３７を受承する溝３１が設けられ
る。

作動中にタービン１３を通過する高温ガス流からヒート
パイプに伝導される熱量を減少するために、場合により
、金属の代りにセラミック材で作られたタイルを用いた
方がよいこともある。

供給パイプ３４を通してエンジン１０の圧縮機１１から
抜取った冷却空気を供給される中空の環状でほぼ矩形断
面を持つ部材３３を環状室３２は含んでいる。

この矩形断面部材３３の半径方向外面には、冷却空気を
環状部材２４の内面に向けるように配置された成る数の
孔３５が設けられる。

冷却空気は環状部材２４の上流繰返（に設げられた通路
３６とタイル２９に設けられた通路３７とを通して環状
室３２から排出される。

すなわち矩形断面部材３３からの冷却空気は環状室３２
の中の環状部材２４の衝突冷却と、タイル２９が画成す
る半径方向内方に向く表面３０および環状部材２４の前
縁のフィルム冷却とを行う。

距離測定装置３９は環状部材２４とタイル２９とを貫通
し、環状の半径方向内方に向く表面３０と同じ平面に終
っている。

任意の好都合な型式のものでよいが、その測定装置は環
状の半径方向内方に向く表面３０と動翼１８の翼端との
間の半径方向すき間を測定して、すき間に比例する電気
信号を生ずるようになっている。

該装置３９からの出力信号は制御ユニット４０に供給さ
れ、つぎにそのユニットが冷却空気供給パイプ３４の中
の弁４１を働かせる電気信号を生ずる。

制御ユニット４０は、動翼１８の翼端と環状の半径方向
内方に向く表面３０とのすき間の最適な所定範囲に対応
する値に環状部材２４の温度を保つために必要かつ充分
な冷却空気を制御弁４１に通すようになっている。

すなわち該すき間が既定範囲より大きくなったならば、
環状部材２４へ向けられる冷却空気流量が増して、すき
間が再び最適所定範囲の中に入る所まで環状部材を収縮
させる。

環状部材２４はヒートパイプ２５により構成されている
ので、そのように構成されていない類似部材より優れて
いる。

すなわちヒートパイプの熱伝導率は極端に高くて１１局
部的にホット・スポット（過熱点）を生じ難いのでその
ようなホットスポットが誘起する熱勾配により生ずるひ
ずみが避けられる。

これは、種種のタービン作動条件の下で環状部材２４が
事実上環状を保ち、そのため動翼１８の翼端すき間は環
状の半径方向内方を向く表面３０の全体にわたって事実
上軸対称性を保っていることを意味している。

環状部材２４の熱伝導率が非常に高いという事実から得
られるもう一つの利点は、ヒートパイプ２５の冷却系統
を複雑にしないでよいということである。

ヒートパイプ２５の数個所だけを冷却すれば、好ましく
ない熱勾配を生ずることなく全体温度を効果的に下げる
ことが充分可能である。

タービン１３の作動中にタービンを通過するガスの温度
が急速に増大する時期が幾つかある。

動翼１８はそれぞれ比較的質量が小さいのでガス温度が
急速に上昇すると動翼も急速に膨張し、翼端と環状の半
径方向内方に向く表面３０とが接触する可能性が生ずる
。

このような状態が生じた時、供給パイプ３４を通って環
状室３２へ送られる冷却空気の供給を一時的に止める。

この結果、環状部材２４の前縁上のフィルム冷却が無く
なる。

ヒートパイプ２５の一部である環状部材の前縁はそのた
め、タービン１３を通過する高温ガス流に直接露出され
る。

ヒートパイプ２５の高い熱伝導性のためにそれは高温ガ
ス流により急速に加熱されて、ひずみを生ずることなく
急激に熱膨張し、動翼１８の端翼と環状の半径方向内方
に向く表面３０との間のすき間を維持することになる。

この状況では通路３６．３７を通る冷却空気は無いから
タービン１３を通る高温ガスの幾らかは実際にこれらの
通路を通って環状室３２に入る。

しかしこれで加熱の度合は更に早くなりヒートパイプ。

２５の熱膨張も早くなるので、好都合である。

成るタービン作動状態の下で、動翼１８の翼端と環状の
半径方向内方に向く表面３０との接触を避けるために可
能な他の方法がある。

たとえば、動翼１８がヒートパイプ２５より急速に熱膨
張する恐れがある場合、関連構成要素の寸法を適当に決
めることによりそのすき間を最適値より大きくとること
ができる。

第４図に本発明のもう一つの実施例が示される。

第１図に１３で示されるものと似たタービンに取付ける
のに適した動翼４２の環状列が環状シュラウド部材４３
に囲まれている。

動翼４２の翼端と環状シュラウド部材４３との関係は両
者の間に小さな半径方向のすき間があるという点で、第
３図の実施例と似ている。

しかし環状シュラウド部材４３は環状ヒートパイプ４４
のみにより構成される。

すなわち、環状シュラウド部材４３は中に少量のナトリ
ウムを含む密封された真空室４５を画成し、その内壁は
ステンレス鋼の網４６で蔽われている。

冷却空気を環状シュラウド部材４３に向けるように制御
弁４８を持つ冷却空気供給パイプ４７が配置され、また
動翼４２の翼端と環状シュラウド４３とのすき間を測定
するための適当な距離測定装置３９が設けられる。

これらは第３図に示される供給パイプ３４の制御弁４１
および距離測定装置３９に対応するもので、第３図の制
御ユニット４０と同様に作動する制御ユニット５０によ
り制御される。

すなわち第４図の実施例は第３図の実施例と同様に、動
翼４２の翼端と環状シュラウド部材とのすき間を所定範
囲の値に維持するように作動する。

上記に開示された本発明の２つの実施例は主として冷却
空気により熱的に作動されるヒートパイプを設けられて
いるけれども、場合によっては、高温ガスでヒートパイ
プを働かせることも望ましい。

すなわち既述の２つの実施例の冷却空気供給パイプ３４
．４７の代りに高温または低温空気もしくは両者の混合
気を関連ヒートパイプに供給するようにされた供給パイ
プを用いることができる。

低温空気はエンジンの圧縮機１１から、また高温空気は
圧縮機１１の下流端、燃焼器１２またはタービン１３の
適当な位置の如き任意の適当な供給源から取ることがで
きる。

既述の２つの実施例の環状ヒートパイプは網の有効な働
きに関連した問題のために効率が損われるような直径と
なることがある。

その場合、環状シュラウド部材を２個以上のヒートパイ
プにより構成させることもできる。

これらのヒートパイプは協同して環状組立体を画成する
ような分割型となるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるタービンを含むガスタービンエン
ジンの側面図、第２図は第１図に示すガスタービンエン
ジンのタービン部分の断面側面図、第３図は第２図に示
すタービン部分の拡大部分図、第４図は第３図に示すタ
ービンの部分の、も５ 一つの形式の断面側面図。 １０・・・・・・ガスタービンエンジン、１１・・・・
・・圧縮機、１２・・・・・・燃焼器、１３・・・・・
・タービン、１４・・・・・・排気ノズル、１５・・・
・・・燃焼室、１６・・・・・・高圧タービン、１７・
・・・・・ガイドベーン、１８・・・・・・動翼、１９
・・・・・・低圧タービン、２１・・・・・・動翼、２
２・・・・・・翼端、２３・・・・・・シュラウド、２
４・・・・・・環状部材、２５・・・・・・ヒートパイ
プ、２６・・・・・・フランジ、２８・・・・・・フラ
ンジ、３４・・・・・・供給パイプ、３５，３６゜３７
・・・・・・通路、３９・・・・・・距離測定装置、４
１・・・・・・弁、４２・・・・・・動翼、′４３・・
・・・・シュラウド部材、４５・・・・・・真空室、４
６・・・・・・網。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンエンジンのタービンにおいて動翼の環
   状列と、環状の半径方向内方に向（表面を画成し主要部
   が少くとも１個のヒートパイプにより構成され、前記動
   翼の翼端と前記環状の半径方向内方に向く表面とが相互
   に隣接ししかもその間にすき間を与えるように半径方向
   に隔置されるように前記動翼の環状列に対し同軸にかつ
   その半径方向外方に配置された環状シュラウド部材と、
   前記動翼翼端と前記環状の半径方向内方に向く表面との
   間のすき間に比例する出力を生じる距離測定装置と、前
   記少くとも１個のヒートパイプに温度調節用流体を向け
   るだめの流体指向装置と、前記少くとも１個のヒートパ
   イプへの前記温度調節用流体の流量を調節するための流
   量調節装置と、前記流量調節装置と前記距離測定装置と
   を連結し前記距離測定装置の出力に応答して前記流量調
   節装置を制御する制御装置とを備え、充分な量の前記温
   度調節用流体が前記少くとも１個のヒートパイプにその
   熱膨張および熱収縮を制御するために送られて前記半径
   方向内方に向く表面と前記動翼々端との間の前記距離測
   定装置により測定された半径方向すき間が所定の範囲の
   値に維持されるようになっているタービン。 ２ 前記温度調節用流体が冷却空気である、特許請求の
   範囲第１項に記載のタービン。 ３ 前記環状シュラウド部材は中に環状室が画成される
   ような形状を有し、該環状室は前記少くとも１個のヒー
   トパイプにより少くとも部分的に画成されており、前記
   流体指向装置は少くとも部分的に前記環状室の中に配置
   されて前記少くとも１個のヒートパイプの前記環状室を
   少くとも部分的に画成する区域に前記温度調節用流体の
   少くとも一部を向けるような形状を有している、特許請
   求の範囲第１項に記載のタービン。 ４ 前記温度調節用流体が空気である、特許請求の範囲
   第３項に記載のタービン。 ５ 前記環状の半径方向内方に向く表面が複数の通路に
   より前記環状シュラウド部材の中の前記環状室に連結さ
   れている、特許請求の範囲第３項に記載のタービン。 ６ 作動中に前記タービンを通過するガス流に露出され
   ている、前記環状の半径方向内方に向く表面でない前記
   シュラウド部材の区域に前記環状室を連結する付加的な
   通路が前記環状シュラウド部材に設けられ、該通路は該
   区域のフィルム冷却空気を与えるように配置されている
   、特許請求の範囲第５項に記載のタービン。 ７ 少くとも１個のヒートパイプにより構成される前記
   環状シュラウド部材の前記主要部が環状であり２個の半
   径方向内方に延びるフランジを与えるようにほぼＵ字形
   の断面形を有し、前記両フランジは前記環状の半径方向
   内方に向く表面を画成する表面画成部材により橋渡しさ
   れており、前記環状シュラウド部材の主要部と前記表面
   画成部材とが共同して前記環状室を画成するようにされ
   た、特許請求の範囲３項から第６項までのいづれか１項
   に記載のタービン。 ８ 前記表面画成部材が複数の衝接するタイルから成る
   特許請求の範囲第７項に記載のタービン。 ９ 前記タイルが金属製である特許請求の範囲第８項に
   記載のタービン。 １０ 前記タイルがセラミック製である特許請求の範囲
   第８項に記載のタービン。