JPS6157441B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はタービンブレード先端部とエンジンケ
ーシングに接続されたシール或はシユラウドとの
間の間隙がエンジンの種々の運転モード中適正に
維持されるガスタービンエンジンに係り、特に前
記間隙を制御する装置に係る。

米国特許第3391904号及び同第3583824号及び同
第4019320号に開示されている如く、ブレードの
先端シール及びエンジンケーシングの支持部分の
膨張や収縮を制御してタービンエンジンの性能を
最適なものとするためにガスタービンエンジン内
に於て圧縮機或はフアンからの冷却空気を使用す
ることは従来よりよく知られている。そしエンジ
ン運転中のタービンブレードとシールとの間の間
隙が大きすぎれば、そのエンジンの燃料消費率や
動力出力が影響を受ける。他方ブレードとシール
との間の破壊的な相互干渉を回避するためには、
エンジンのすべての運転モード中充分な間隙が維
持されなければならない。

すべての運転モード中エンジンのタービンセク
シヨンに於るシール間隙を一定に維持すること
は、タービンロータ及びエンジンケーシングの両
方に於る熱的過渡変化のために複雑になつてい
る。エンジン始動時にはロータの熱成長が比較的
早いのに比べ一般にエンジンケーシングの熱成長
は遅くロータの熱成長よりも時間的に遅れる。ブ
レード先端部とケーシングにより支持されたシー
ルとの間の相互干渉を阻止するためには、かかる
タービンロータの初期の急激な熱成長を受入れる
比較的大きな間隙が必要である。熱的過渡変化が
終わると、エンジンケーシングの膨張はロータの
膨張に追いつき従つて更にタービンブレードとシ
ールとの間に過剰な間隙が存在するようになる。
定常運転条件に於る間隙及びエンジン始動条件時
に於る間隙により高温の燃焼ガスがタービンブレ
ードを越えて漏出し、これによりエンジンの出力
が低下し又燃料消費率が増大する。

もしエンジンが始動後直ちにアイドル条件より
加速されるとかかるシール間隙の問題は更に悪化
される。というのはロータの遠心力による成長が
そのロータの急激な熱成長率に寄与することとな
るからである。エンジンケーシングを冷却するた
めにエンジン始動時及び高出力運転時を通じて冷
却空気が適量に使用されれば、かかるケーシング
の熱成長率は更に低減される。

最近のエンジンに採用されている一つの解決策
に於ては、エンジン始動条件下に於ては比較的温
暖であり且つ初期にはエンジンケーシングの膨張
を補助する多量の圧縮空気が使用される。しかし
この解決策は使用される空気の温度が低いので充
分ではない。

最近のエンジンに採用されている他の一つの解
決策に於ては、エンジンの定常運転中にエンジン
ケーシングの外部へ導かれる多量の圧縮空気が使
用されている。かかる状況に於る圧縮空気は比較
的冷温であり従つて熱せられたケーシングを収縮
してロータにより近接させることになる。これら
両方の解決策が上述した米国特許第3583824号に
開示されているが、これらは圧縮機からの多量の
空気を必要とする。従つてタービンの性能は高め
られるが圧縮機の仕事が浪費される。

米国特許第3736751号には、面シール要素の位
置を制御するためにエンジンのタービンセクシヨ
ン内の高温ガスを利用することが開示されてい
る。エンジンからの高温ガスはシール要素を通過
して漏出し、シール要素を支持する熱的に膨張可
能な制御チユーブを通つて流れる。かかるチユー
ブの膨張によつて回転ブレードと非回転シール要
素との間の間隙が低減され且つチユーブへ至る高
温ガスの流量が低減される。冷温の空気もこのチ
ユーブを経て供給され且つ絞りにより低圧の領域
へ吐出される。従つてこれら高温の流体と冷温の
流体との流量がバランスを保たれればシール要素
とブレードとの間に或る予め選択された間隙が存
在するようになる。しかしかかる従来技術の装置
に於ては、制御されるシール間隙はエンジンケー
シングに於るブレード先端部の間隙ではなく軸線
方向の間隙である。

本発明の主要な目的は、タービンブレードとエ
ンジンケーシングより支持された先端シールとの
間の間隙を制御することである。タービンロータ
及びケーシングに関連するそれぞれの熱成長率が
互いに異なつているにもかかわらずエンジンのす
べての運転モードに亘つて充分であり且つ非常に
小さな間隙が維持される。

本発明はガスタービンエンジンに於るタービン
ロータブレードとエンジンケーシングより支持さ
れたブレード先端シールとの間の間隙を制御する
装置にある。高温の燃焼ガスの一部がタービン内
の流路より抽気され、且つエンジンの始動中エン
ジンケーシングを越えて導かれ、これによりケー
シングを加熱して或る増大された成長率にてケー
シングを膨張せしめービンロータの熱成長に近似
させる。エンジンの始動に関連する熱的過渡変化
が終わつた後、空気或は流体媒体（これより燃焼
プロセス中に燃焼ガスが発生される）が圧縮機よ
り抽気され且つ所要の間隙を維持すべくエンジン
ケーシングの壁部を越えて導かれる。

本発明の装置はエンジンケーシングと熱を交換
する関係にてタービンセクシヨン内に延在する流
体導管装置を含む熱交換装置を採用している。流
体導管装置はその一つの形態に於てはエンジンケ
ーシング内に設けられた室或はジヤケツトであ
り、タービン内のガス流路と連通接続され比較的
高温のガスを受けるようになつており又かかる高
温のガスが吐出される下流側端部を有している。
この流体導管装置の上流側端部は圧縮機に接続さ
れて比較的冷温の圧縮空気を受るようになつてい
る。流量制御装置が高温の燃焼ガス及び圧縮空気
の両方の流量を制御しエンジンケーシングの膨張
や収縮を制御し且つ適正なシール間隙を確立する
ようになつている。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

添付の第１図は本発明を採用したガスタービン
エンジン１０の主要な構成要素を解図的に示して
いる。このエンジンは中心線或はエンジン軸線１
２の周りに対称的に構成されており、従つてこの
エンジンの下方部分のみが図示されている。エン
ジンの前方の部分は、空気の如き流体作動媒体を
導入してその空気を或る高圧にて燃焼セクシヨン
１６内へ吐出する圧縮セクシヨン１４を含んでい
る。燃焼セクシヨン１６内に於ては空気が燃焼プ
ロセス中燃焼と組合わされ、燃焼ガス流路に沿つ
てタービンセクシヨン１８を通して高速度にて排
出される。かかる高温の燃焼ガスがタービンロー
タ２０，２２を駆動する。タービンロータ２０，
２２は駆動軸２８により圧縮機の最終段２４，２
６に接続されている。又高温の燃焼ガスはタービ
ンセクシヨン１８の後段にある他のタービンロー
タをも駆動して内軸２９内に機械的動力を発生す
る。かかる高温の燃焼ガスはエンジンの後方部に
於てデイフユージを経て排出されて推進スラスト
を発生する。

エンジンケーシング３０がガスタービンエンジ
ンの主要な構成要素を囲繞しており且つそれらの
間の負荷及び応力を担持しており、圧縮セクシヨ
ンに於るステータベーン３４，３６及び燃焼セク
シヨン内にエンジン軸線１２の周りに等間隔に隔
置して設けられたバーナカン或は燃焼室３８及び
タービンセクシヨン内のステータベーン４０，４
２のための構造的マウント或は支持体として機能
する。圧縮機の最終段２４，２６に取付けられた
ロータブレード４６，４８はそれぞれステータベ
ーン３４，３６との間にて回転し且つ圧縮空気を
環状のデイフユーザ５０内へポンプ送りする。こ
のデイフユーザより空気は種々の燃焼室３８内へ
吐出される。冷却空気ブリードパイプ５４が圧縮
セクシヨン１４の最終段２６に於てエンジンケー
シング３０に接続されており、エンジンケーシン
グ３０とタービンセクシヨンを通るガス流路との
間に環状室或は環状ジヤケツト５６の形で設けら
れた熱交換導管まで圧縮空気の限られた部分を燃
焼セクシヨンの周りに後方へ迂回供給するように
なつている。以下に詳細に説明する如く、冷却空
気はタービンセクシヨンに於るシユラウド或は先
端シールとタービンのロータブレード５８との間
の間隙に影響を及ぼす熱膨張を制御するために使
用される。

第２図は本発明によりタービンセクシヨン１８
内に於るシール間隙を制御する構造体を詳細に示
している。エンジンのかかる領域（タービンセク
シヨン）に於るエンジンケーシング３０は複数個
の相互に接続されたシエルセクシヨン６４，６
６，６８よりなつている。これらのシエルセクシ
ヨンはエンジンを囲繞しており、その製造及びエ
ンジンの組立を容易にすべくセグメントに分割さ
れてよい。ステータベーン４０はシエルセクシヨ
ン６６に固定的に取付けられており、タービンセ
クシヨン１８の入口に於て高温の燃焼ガスをガス
流路に沿つて案内する環状列のインレツトベーン
を構成している。第一段のタービンブレード５８
の下流側に設けられたステータベーン４２もシエ
ルセクシヨン６６と６８との間にてケーシングに
固定的に取付けられている。ベーン４０と同様こ
のステータベーン４２もエンジン軸線の周りに環
状列に配列されており、ロータブレード５８より
タービンセクシヨン１８の後段に設けられたロー
タブレードまで高温の燃焼ガスを案内するように
なつている。

シユラウド或はブレード先端シール７０がステ
ータベーン４０，４２のそれぞれのアタツチメン
トの間にてシエルセクシヨン６６に接続されてお
り、それぞれ対応する一対のナイフエツジ７６，
７８より半径方向に隔置して配置された一対の摩
耗ストリツプ７２，７４を担持している。かかる
摩耗ストリツプを含む先端シール７０はそれをシ
エルセクシヨン６６に装置するのを容易にすべく
セグメントに分割されており、シエルセクシヨン
６６より隔置された位置に支持されて第１図に解
図的に図示された環状の熱交換室或はジヤケツト
５６の一部を構成している。

ナイフエツジ７６，７８はブレード５８の先端
部に於てタービンロータの周りに周縁方向に延在
しており、摩耗ストリツプと共働してブレードを
越える流路を流れる高温の燃焼ガスのためのラビ
リンス型のガスシールを構成している。かくして
燃焼ガスはタービンブレードを迂回することはで
きず、もしかかるナイフエツジと摩耗ストリツプ
との間に非常に小さな或は比較的小さな間隙が維
持されればエンジンの効率は維持される。摩耗ス
トリツプは一般にハニコムの如き摩耗性材料より
構成されており、一方ナイフエツジは鉄鋼或は他
の材料にて構成された構造的要素である。

シエルセクシヨン６６と先端シール７０との間
に形成された熱交換ジヤケツト５６は、熱交換用
の流体をケーシング３０の内壁に沿つて導きこれ
によりケーシングの収縮或は膨張を制御すべく、
先端シール７０の上流方向及び下流方向へ延在し
ている。先端シール７０はケーシング３０より支
持されているので、タービンとこのシールとの間
の間隙は、その間隙が小さすぎる場合にケーシン
グを熱して膨張させ、逆にその間隙が大きすぎる
場合にそのケーシングを冷却して収縮することに
より制御される。

熱交換ジヤケツト５６はその上端部に於ては圧
縮機より冷却空気を供給するパイプ５４と連通し
ている。図に於て矢印ａにて図示されている如く
空気がこのジヤケツト内へ流入し、又第４図に図
示された環状に設けられた一連のオリフイス８２
を経てジヤケツトの下流側セクシヨンに流入す
る。前記オリフイスはステータベーン４０のため
の支持構造を貫通して軸線方向に延在している。
冷却空気をジヤケツト内にて案内するために、バ
ツフルリング８４がステータベーン４０のルート
セクシヨンとシエルセクシヨン６６との間にサン
ドイツチ状に挾まれており、この点より冷却空気
はジヤケツト５６を経てオリフイス８２と同様で
あるがそれよりも大きな環状に配列された一連の
出口孔８４まで下流方向へ、或は図に於て矢印ｄ
にて図示されている如くマニホルド８８及び電気
的に駆動される排出弁９０を経て導かれる。排出
弁９０はケーシングを囲繞する大気の如く圧力の
低い領域へ冷却空気を排出し、以下に詳細に説明
する制御装置１００により作動されるようになつ
ている。マニホルド８８は第３図に図示されてい
る如くエンジン１０の周りに分布された複数個の
スタツドコネクタ９２により幾つかの点に於てエ
ンジンケーシング３０に接続されている。

作 動 作動に於ては、ケーシングのシエルセクシヨン
６６によりその一部が形成された熱交換ジヤケツ
ト５６を経て導入される流体にてエンジンケーシ
ング３０を膨張或は収縮することによりシール間
隙が制御される。エンジン始動条件中のジヤケツ
トの膨張は、ベーン４０とシール７０との間のガ
ス流路より漏出する高温の燃焼ガスにより行わ
れ、且つタービンロータの膨張率に近似するよう
制御される。定常運転中のジヤケツトの収縮は、
ブリードパイプ５４を経て圧縮機よりジヤケツト
へ供給される冷却空気により行われる。排出弁９
０及び制御装置１００は流れ制御装置として機能
し、高温の燃焼ガス或は冷温の圧縮空気のいずれ
の熱交換流体がジヤケツト５６を通過しているか
を決定する。流れの制御はジヤケツト５６内の圧
力を調整することにより行われ、流体はすべての
エンジン運転モード中ブレードとシールとの間の
実質的に一定の極く小さな間隙を維持するよう制
御されるのが好ましい。圧縮空気は圧縮機より吐
出される空気と同一の高い圧力にてオリフイス８
２へ供給されるので、又タービンセクシヨンへ入
る燃焼ガスは僅かに低い圧力を有しているので、
排出弁９０が閉じられている時にはブレードを越
える高温ガス流路とこれを囲繞するジヤケツトと
の間に僅かな圧力勾配が存在し、この圧力勾配は
排出弁９０により逆転されて高温の燃焼ガス或は
冷却空気のいずれかをジヤケツトを通して出口孔
８４へ流すようにすることができる。

タービンのロータブレード及びエンジンケーシ
ングが冷温状態にある状態でのエンジン始動中に
は、排出弁９０が制御装置１００により開かれて
ジヤケツト５６内の圧力レベルが比較的低いもの
となる。図に於て矢印ｂにて図示されている如
く、タービンを通るガス流路からの高温ガスが、
ステータベーン４０とシール７０との間に且つそ
れらの周りに漏出流路及び孔により形成されたジ
ヤケツトと連通した部分を経て、ジヤケツト５６
内に流入する。かかる流路より流入した高温ガス
の一部が図にて矢印ｃにて図示されている如く、
オリフイス８２を通過する比較的冷温の圧縮空気
の大部分或はすべてと一緒にマニホルド８８内に
流入する。しかし矢印ｅにて図示されている如く
高温ガスの実質的な部分もシエルセクシヨン６６
の内壁の内側を通過し、ケーシング３０を急激に
加熱してこれを膨張する。これと同時にタービン
ロータ及びブレード５８の熱的過渡変化によりロ
ータがシール７０へ向けて半径方向外方へ成長せ
しめられるが、ケーシング３０も膨張してシール
を同様に半径方向に移動させるので、これらの間
に破壊的な相互干渉が起ることはない。

本発明のほとんどの実際的な実施例に於ては、
タービンロータ及びブレードの熱的過渡変化によ
りケーシングに沿つて流れる高温ガスよりもより
急激な半径方向の成長が発生されるので、かかる
成長を受入れるためにエンジン始動条件中には僅
かにより大きな間隙が必要とされる。しかしエン
ジンが定常運転条件に到達すると、かかる間隙は
排出弁９０を閉じてジヤケツト５６内の圧力レベ
ルがガス流路内の圧力以上に上昇するようにする
ことによつて除去される。

かかる圧力の上昇はオリフイス８２を経てジヤ
ケツト内に流入する冷却空気により行われる。空
気はジヤケツト５６を経てその下流側の出口孔８
４まで流れる。次いでシエルセクシヨン６８内の
ガス流路に合流する。排出弁９０が閉じられてい
れば圧縮機からの冷却空気の一部はバツフル８４
を経て流れ漏出流路を逆流して矢印ｂ，ｃとは反
対方向に高温の燃焼ガス内に流入する。しかし冷
却空気の大部分はケーシング３０の内壁に沿つて
流れ、シエルセクシヨン６６を冷却してケーシン
グを収縮し、シールとタービンブレード先端部と
の間の間隙を低減する。

排出弁９０、したがつてジヤケツト５６内の圧
力及びこれを通る流れの流量を制御する制御装置
１００は、この弁を作動すべく種々の信号に応答
してよい。この制御装置はタービン或は圧縮機の
回転速度、或はブレード先端部を通過するガス漏
洩量を示すエンジン内の圧力レベルに応答してよ
い。或はこの制御装置はロータ速度に直接応答し
てもよい。又この制御装置はタービンの構成要素
の膨張或は収縮により発生されるシール間隙を間
接的に測定する手段であるタービンセクシヨン内
の温度を検出してもよい。更にこの制御装置はエ
ンジン始動後或る予め定められた時間作動する時
間遅延スイツチであつてもよい。

要するに本発明は、ガスタービンエンジン内の
シール間隙を制御することに係り、特にエンジン
の始動期間中熱的過渡変化がある場合のシール間
隙を制御することに係る。エンジンケーシング３
０の熱成長をタービンロータの成長率とほぼ釣合
つた成長率に加速するために、ガス流路からの高
温ガスがケーシング３０と熱交換関係にある導管
装置或はジヤケツト５６を経て導かれる。一度定
常運転条件に到達し且つ熱的過渡変化がなくなる
と、圧縮機より吐出された比較的冷温の空気流が
必要に応じてジヤケツトを径て導かれてケーシン
グを収縮し且つシール間隙を小さくする。高温の
燃焼ガス或は冷温の圧縮空気のいずれかの流量を
制御する一つの手段は、ジヤケツト内の圧力を制
御する排出弁９０及び弁制御装置１００である。

以上に於ては本発明をその好ましい実施例につ
いて説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、種々の修正並びに省略が可能
であることは当業者にとつて明らかであろう。例
えば、第２図に図示された流体導管装置或はジヤ
ケツト５６はタービンセクシヨンの一段に対して
のみ機能するが、同様の基礎構造により数段に対
し機能するようになつていてもよいことは明らか
であろう。

排出弁６０はジヤケツトを通る加熱流体及び冷
却流体の流量を制御する唯一の手段を表わしてお
り、ブリードパイプ５４内に装着された制御弁が
エンジンの始動モード中冷却空気の供給を阻止し
且つ高温ガスがジヤケツトを通過し得るようにす
ることが理解されよう。このような場合オリフイ
ス８２は必要ではない。排出弁９０を含む図示の
装置も、添付の図に図示された独立のブリードパ
イプ５４を有するのではなく、二重の壁を有する
ケーシングが採用されて圧縮機より冷却空気を供
給するようになつているエンジン構造体にも適し
ている。

上述の如く、圧縮機からの冷却空気は排出弁９
０が開かれている時はジヤケツト５６を流れるこ
とはない。なぜならば、マニホルド８８がオリフ
イス８２を通過するほとんどすべての空気を吸収
するからである。又高温の燃焼ガスは排出弁９０
が開かれている時にのみジヤケツト５６内を流れ
る。逆に排出弁９０が閉じられている時には高温
ガスは全然ジヤケツト５６内を流れない。なぜな
らば、冷却空気の圧力はタービンを通るガス流路
内の高温ガスの圧力よりも僅かに高く、このこと
によりジヤケツトとガス流路との間に正の圧力勾
配が発生されるからである。かくして高温の燃焼
ガス及び冷却空気は互いに異なつた期間中即ち互
いに重なり合わない非オーバラツプ期間中にジヤ
ケツト５６内を流れる。より精巧な弁装置及び制
御装置を使用すれば、もし必要ならば高温の流体
と冷温の流体とを混合してエンジンケーシング３
０の収縮や膨張をより正確に制御することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンエンジンの圧縮セクシヨ
ン、燃焼セクシヨン、タービンセクシヨンの各部
材を解図的に示すガスタービンエンジンの部分断
面図である。第２図はエンジンのタービンセクシ
ヨンの拡大部分断面図であり、一つの実施例に於
る本発明の詳細な点を示している。第３図は第２
図に図示された本発明の一つの実施例により幾つ
かの点に於てガスタービンエンジンに接続された
排出弁及びマニホルドの解図である。第４図は第
２図の線４−４によるエンジンケーシングの部分
断面図である。 １０……ガスタービンエンジン、１２……エン
ジン軸線、１４……圧縮セクシヨン、１６……燃
焼セクシヨン、１８……タービンセクシヨン、２
０，２２……タービンロータ、２４，２６……圧
縮機の最終段、２８……駆動軸、２９……内軸、
３０……エンジンケーシング、３４，３６……ス
テータベーン、３８……燃焼室、４０，４２……
ステータベーン、４６，４８……ロータブレー
ド、５０……デイフユーザ、５４……ブリードパ
イプ、５６……環状室或はジヤケツト、５８……
ロータブレード、６４，６６，６８……シエンセ
クシヨン、７０……シユラウド或はブレード先端
シール、７２，７４……摩耗ストリツプ、７６，
７８……ナイフエツジ、８２……オリフイス、８
４……バツフルリング、８８……マニホルド、９
０……排出弁、９２……コネクタ、１００……制
御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービンブレードを囲むタービンシエルセク
   シヨンを含むエンジンケーシングと、該タービン
   シエルセクシヨンによりその内側に支持されたシ
   ユラウドとを有し、前記タービンシエルセクシヨ
   ンと前記シユラウドの間にジヤケツトが形成され
   ているガスタービンエンジンのためのシール間隙
   制御装置にして、前記ジヤケツトはその上流部に
   て当該エンジンの圧縮セクシヨンに接続されて該
   圧縮セクシヨンより圧縮された空気を供給される
   ようになつていると同時に当該エンジンのタービ
   ンセクシヨンの作動媒体流路の上流部に接続され
   て該作動媒体流路より高温の作動媒体を供給され
   るようになつており、前記ジヤケツトの下流部は
   該ジヤケツトの前記上流部が接続されている前記
   作動媒体流路の部分より下流側に位置する部分に
   て前記作動媒体流路に接続されており、前記ジヤ
   ケツトの前記上流部には開かれたとき前記圧縮セ
   クシヨンより当該ジヤケツトの前記上流部へ供給
   された圧縮空気を主として収集し且つ排出する排
   出手段が接続されていることを特徴とするシール
   間隙制御装置。 ２ 特許請求の範囲第１項のシール間隙制御装置
   にして、前記排出手段は前記ジヤケツトの前記上
   流部に対応する位置にある前記タービンシエルセ
   クシヨンの周縁部に沿つて隔置され前記ジヤケツ
   トの前記上流部の周方向の異なる位置にて該ジヤ
   ケツトの前記上流部に個々に連通する複数個のス
   タツドコネクタと、前記スタツドコネクタに接続
   されこれらスタツドコネクタを通る流体流を単一
   の排出通路へ向けて収集するマニホールドと、前
   記単一の排出通路に接続された排出弁とを含んで
   いること特徴とするシール間隙制御装置。