JPS6363721B2 - - 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におけるタービ
ン回転部分と周囲シユラウドとの間隙を制御する
手段に関する。

本発明においては、ターボ機械にタービン回転
部分と周囲シユラウドとの間隙を制御するための
制御系が設けられる。この制御の目的を達成する
ため、内部通路を有する複数の制御リングがター
ビンケーシングと一体に設けられ、エンジン運転
中に内部通路を流れる流体によつて熱的に膨張収
縮してタービンシユラウドの半径方向位置を制御
する。シユラウドの膨縮はタービン回転部分の膨
縮と整合され、エンジンが全出力から低出力まで
の範囲にわたつて運転される間狭い間隙を維持す
る。

本発明の一実施例において、制御リングの膨縮
を起こすのに用いられる流体は、エンジンの燃焼
器部を囲む区域から取られた圧縮機排出空気であ
る。便利なことに、この空気の温度と圧力は上記
機能に望ましいものと密接に合致する。本制御系
は、制御リングの寸法、位置および構造と共に圧
縮機空気の量と圧力を利用し、エンジン運転の適
当な期間中タービンシユラウドを膨縮させる。

添付図面の第１図はガスタービンエンジン１０
を示す。このエンジンはフアン部１２と圧縮機１
４と燃焼器１６と高圧タービン１８と低圧タービ
ン２０から成り、これらの構成部はすべて直列に
配置されている。高圧タービン１８の内側には、
タービンシユラウド２２内で回転するタービン部
分が装着されている。第１図に示すこれらのター
ビン回転部分はタービンロータ部として当業者に
知られており、このロータ部は総体的に２４で示
されている。高圧タービン１８の主要構成部のあ
るものは回転しない。これらはタービンステータ
２６として知られている。

第２図は本発明を適用した高圧タービン１８お
よびそれと関連する構造を詳細に示す。タービン
ステータ部２６は前置静翼２８と中間静翼３０を
含む。静翼２８，３０の主要機能は高温タービン
ガスを適切に導いて動翼３２，３４に衝突させる
ことであり、こうしてガスの慣性力によりタービ
ンロータ部２４が回転する。この慣性力伝達の効
率はエンジン全効率の主要因の一つである。この
伝達の効率を高める一手段はタービン動翼３２，
３４の先端と周囲のタービンシユラウド２２との
間を通る高温ガスの流量を減らすことである。こ
の流路を通るガスは極めてわずかの慣性力しか動
翼に伝達しない。この望ましくない流路を通るガ
スの量は、タービン動翼先端とシユラウド２２と
の間隙を狭くすることによつて減らされる。そし
てこれが本発明の目的である。

タービン翼端間隙は、タービン動翼３２，３４
の先端の半径方向膨縮に合うようにタービンシユ
ラウド２２を半径方向に膨縮させることによつて
減らされる。シユラウド２２の半径方向位置は、
タービンケーシング４０から半径方向外方に突出
する比較的質量の多いリングすなわち環状構造体
３６，３７，３８，３９を熱的に膨縮させること
によつて制御される。

第２図に示す本発明の実施例では、リング３
６，３７，３８，３９の熱膨縮のために圧縮機排
出空気が用いられる。この圧縮機排出空気は燃焼
器の周囲の区域から取出される。代替実施例で
は、リングのすべてまたは選定された幾つかを制
御するために上流側圧縮機段から抽出された段間
空気を用いてもよい。リング内の通路を通る空気
の流路は概略的に陰影矢印で示されている。本間
隙制御系は、制御リングに対する圧縮機空気の熱
的効果を適切に制御するために、制御リングの適
切に選定された寸法、位置および構造と共に圧縮
機排出空気の既存有効圧力を利用する。これを達
成する方式については後に詳述する。

制御リング３６，３７，３８，３９の半径方向
移動はシユラウド支持体４２，４３を介してター
ビンシユラウド２２に物理的に伝達される。各シ
ユラウド支持体は、実質的に箱形の断面形状が形
成されるようにシユラウド２２の一部分と物理的
に連結している。リング３６，３７，３８，３９
の各々はこの箱形形状の半径方向片側の半径方向
外方に注意深く位置づけられている。これによ
り、各リングはシユラウド支持体の半径方向片側
の膨縮とシユラウド２２の対応部分の膨縮に一層
直接的な影響を与え得る。タービンシユラウド支
持用構成部は、リング温度制御機能が働くにつれ
てタービンケーシングが占めようとする半径方向
位置からの逸脱を防ぐために、分割されるかまた
はのこぎりで切断されるように設計される。従つ
て箱形形状とそれに対応するリング位置付けとの
組合せにより、シユラウド部分の「傾き（tilt）」
と隣接動翼端に対する不整合とをひき起こすこと
なくシユラウド位置の非常に正確な制御が可能で
ある。もし不整合が発生すれば、タービン動翼の
一部分がシユラウドの一部分と「摩擦（rub）」
を起こす。この種の「摩擦」はタービン翼端と対
応タービンシユラウドとの不整合をひき起こし、
その後のエンジン運転中タービン翼端間隙を大き
くする。

最初、ガスタービンエンジンは始動された後ア
イドリングで運転される。アイドリング中は、エ
ンジン出力は多量である必要はなく、またエンジ
ン効率は重要ではない。これを考慮して、タービ
ン翼端間隙を比較的高レベルに設定し得る。他
方、高スロツトル運転および（または）巡航運転
中は、エンジン出力は長時間にわたつて多量でな
ければならない。このような条件の下では、効率
は重要であり、そしてタービン翼端間隙は合理的
な限りできるだけ少なくなければならない。巡航
運転中にタービン翼端間隙を比較的少なくするこ
とは、制御リング３６，３７，３８，３９内に、
巡航時は比較的低温の圧縮機排出空気を通すこと
によつて達成される。こうすると、制御リングが
収縮し、それに応じてタービンシユラウド２２の
半径方向収縮が生じてタービン翼端間隙を減ら
し、タービン効果を高める。

巡航運転中のこの望ましい効果は、エンジンの
加速、減速等の過渡運転中に生ずる諸問題によつ
て複雑になる。エンジンの過渡運転中は、高温タ
ービンガスの局所熱効果と高い回転速度によつて
生ずる半径方向膨張とにより、タービンシユラウ
ドの半径方向膨張を急速に回転するタービン部分
の半径方向膨張に合わせることは特に困難にな
る。過渡運転中は効率は比較的重要でないが、シ
ユラウド２２がタービン動翼３２，３４に物理的
に干渉しないように間隙を保つことは不可欠であ
る。干渉が生ずると「摩擦」が生じてタービン動
翼３２，３４とシユラウド２２の一部分が除去ま
たは擦除されてしまう。その後エンジンが巡航状
態で運転されると、タービン翼端間隙は、動翼と
シユラウドの擦除部分に応じて増加し、その結果
タービン効率がかなり低下する。

エンジン過渡運転中の「摩擦」を防ぐため、本
発明は次のような現象、すなわち、空気循環が弱
い空洞中に配置された大形の重い環状構造体が固
有の比較的遅い加熱速度と冷却速度をもつという
現象を利用する。本発明において、第２図に示し
てあるリング３６，３７，３８，３９は、タービ
ン周囲の、空気循環が比較的弱い区域に配置され
ている。リングの質量を比較的多くすることと、
周囲空気循環を制限することにより、エンジン過
渡運転中のタービンシユラウド加熱冷却速度を制
御し得る。特に、燃焼器周囲域から少量の高圧圧
縮機排出空気をリング内に入れることにより、か
つまた、この空気をリング内で循環させることに
より、次のような望ましい過渡応答特性が得られ
る。

１ エンジン加速…エンジンが加速される時、燃
焼器周囲域からの圧縮機空気は、圧縮によつて
空気になされた仕事と燃焼器１６からの熱伝達
のため、比較的高温である。リング３６，３
７，３８，３９を通るこの高温空気の循環は、
タービンシユラウド２２を半径方向外方に移動
させて熱膨張中のタービンから遠ざけるような
熱膨張をひき起こしかつそれを制御する。実際
には、過渡運転の初期加速部分の間の熱的効果
はもしあつたとしてもほんのわずかである。こ
れにより、「摩擦」とその結果タービン動翼３
２，３４とシユラウド２２に生ずるおそれのあ
る損傷が防止される。第３図はエンジン加速中
のタービンステータおよびロータ構成部の半径
方向膨張の計算値を示すグラフである。膨張曲
線４６は本発明を適用しない従来のエンジンに
おけるステータの膨張を示す。曲線４８は本発
明をエンジンに適用した場合のタービンステー
タの膨張を示す。曲線５０は本発明を適用した
エンジンかまたは適用しないエンジンにおける
タービンロータの膨張を示す。本発明を適用し
たエンジンの場合の方がステータとロータの膨
張速度がはるかに良く合致することは第３図に
おいて明白である。この特性は、加速によつて
誘起されるタービン入口温度の「行過ぎ
（overshoot）」を大いに減らすという重要な利
点を有する。この「行過ぎ」は間隙が著しく大
きい時に操縦系によつて特定のエンジン出力が
要求される時に生ずるものである。このような
非効率的な間隙値で特定出力を得るには余分な
燃料を燃焼する必要がある。この過剰燃料の燃
焼により、高圧タービンの静翼と動翼は過渡的
に正常設計温度より高い温度になり、従つて、
部品の寿命が短縮する。本発明はこの「行過
ぎ」をかなり減らすものである。

２ エンジン減速…エンジンが高出力設定値から
低出力設定値へ減速される時、圧縮機排出圧力
はエンジン回転速度と共に非常に低い値まで低
下する。その結果、冷却されたリング３６，３
７，３８，３９を通る空気の循環強度は低くな
り、そしてリングの冷却応答速度は非常に遅く
なる。これは単に、リング以外のエンジン部分
が冷却するのに対し、リングは空気循環の低い
環境において比較的高温に留まるからである。
この遅延応答パターンは非常に望ましいことで
ある。なぜなら、それはタービンシユラウド２
２を半径方向に膨張した状態に保つので、急速
な再加速（リバースト）時にタービン動翼３
２，３４が翼端摩擦とシユラウド２２の損傷を
起こしにくくなるからである。

第４図はエンジン減速中のタービンのロータお
よびステータ構成部の半径方向収縮の計算値を示
すグラフである。収縮曲線５２は従来のエンジン
におけるステータの収縮を示し、そして曲線５４
は本発明を包含するエンジンにおけるステータの
収縮を示す。曲線５６は本発明を適用したエンジ
ンかまたは適用しないエンジンにおけるロータの
収縮を示す。第４図からただちにわかるように、
本発明を包含するエンジンにおけるステータの収
縮はかなり遅く、従つて、比較的大きな翼端間隙
を保つので、エンジンは動翼端の摩擦を起こすこ
となく再加速され得る。

本発明の上述の特徴により、動翼端間隙を非常
に狭く設定することが可能になる。従来比較的大
きな間隙の設定を必要とした、あるいはエンジン
劣化度の増大をひき起こしたようなステータとロ
ータ間の過渡応答差はもはや問題にする必要はな
い。本発明によつて性能向上と劣化度の低減が可
能である。リング材料と循環空気温度をロータ材
質を調和するように選定することによつて、加速
と様々な定常出力設定値との間の間隙の拡大は極
めてわずかになる。タービンケーシングとリング
の形状および冷却空気流量の適切な設計と、適切
な材料選定によつて、タービンシユラウドの膨張
をロータの膨張に近似させることができる。これ
は、過渡運転中の動翼端の摩擦を防止しながら定
常運転中の間隙をより一定にかつ比較的低く設定
することを可能にする。これらの特徴はすべて、
いかなる外部または内部の冷却マニホルド、配
管、あるいは制御系検知装置も付加することなく
得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンエンジンを部分的に破断
しかつ部分的に断面で示す概略図、第２図は本発
明の一実施例を包含するガスタービンエンジンの
高圧タービンの拡大断面図、第３図はエンジン緩
速状態からスロツトル全開状態まで、即ち加速の
タービンステータとタービンロータの膨張を示す
グラフで、４６は先行技術ステータ、４８は本発
明に係るステータ、５０はロータの膨張を示し、
第４図はスロツトル全開状態からエンジン緩速状
態まで、即ち減速のタービンステータとタービン
ロータの収縮を示すグラフで５２は先行技術のス
テータ、５４は本発明に係るステータ、５６はロ
ータを示す。 ２２……タービンシユラウド、３２，３４……
タービン動翼、３６，３７，３８，３９……間隙
制御リング、４０……タービンケーシング、４
２，４３……シユラウド支持体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機部と、ある範囲の温度と回転速度にわ
   たる運転のために周方向タービンシユラウド構造
   体内でそれと狭小間隙関係をもつて回転するター
   ビン部分を有するタービン部とを有するターボ機
   械であつて、該ターボ機械が、前記タービン部を
   囲むタービンケースと構造的に一体に設けられた
   少なくとも一対の間隙制御リングとを備え、該間
   隙制御リングは該リングの熱膨張を制御するため
   に流体を該対のリングを通るように導くための内
   部通路を有する半径方向延在構造体を有し、該対
   のリングはタービンシユラウドの一つと略半径方
   向に整合していて、該対のリングの第１のリング
   は該タービンシユラウドの上流端と略半径方向に
   整合し、該対のリングの第２のリングは該タービ
   ンシユラウドの下流端と略半径方向に整合してい
   て、また前記タービンシユラウドと前記タービン
   回転部分との間隙を制御するために前記対の間隙
   制御リングの熱膨張による半径方向移動に応じて
   該タービンシユラウドの半径方向移動を生ずるよ
   うにするシユラウド支持体を備えるターボ機械。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のターボ機械にお
   いて、リング温度とそれに対応する半径方向膨張
   が様々なターボ機械定常運転の合間のロータ膨張
   と密接に調和するように、温度及び圧力が変化す
   る前記流体を導く手段を備えたターボ機械。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のターボ機械にお
   いて、ターボ機械加速中前記流体が前記タービン
   部に対して比較的高い圧力と温度で比較的多量供
   給され、これにより、前記間隙制御リングが熱膨
   張し半径方向に膨張して前記タービンシユラウド
   と急速に半径方向膨張をなすタービン回転部分と
   の干渉を防止するようにし、ターボ機械の定常運
   転中前記流体が前記タービン部に対して適当な温
   度と圧力で供給され、これにより前記制御リング
   が熱的に反応して前記タービン回転部分と前記タ
   ービンシユラウドとの間隙を減らすようにし、タ
   ーボ機械減速中前記流体が比較的低圧で比較的少
   量供給され、これにより減速中前記タービンシユ
   ラウドの熱収縮を遅らせて前記間隙を拡大し、こ
   うしてその後のエンジン加速時に前記タービンシ
   ユラウドと前記タービン回転部分との干渉を防止
   するようにしたターボ機械。 ４ 特許請求の範囲第２項記載のターボ機械にお
   いて、前記流体が該ターボ機械の燃焼器部を囲む
   領域から導かれた圧縮機の放出空気であるターボ
   機械。 ５ 特許請求の範囲第１項記載のターボ機械にお
   いて、一つ以上の前記対のリングが、前記タービ
   ンシユラウドに連結して断面形状が箱形の構造を
   形成し対応するタービンシユラウドを支持するタ
   ービンシユラウド支持体と整合しているターボ機
   械。 ６ 特許請求の範囲第１項記載のターボ機械にお
   いて、前記内部通路が、前記リングの熱膨張を制
   御するため各リングの中に空気を循環する手段を
   含むターボ機械。 ７ 特許請求の範囲第６項記載のターボ機械にお
   いて、前記タービン部が、前記タービンシユラウ
   ドの各列の内に回転可能に配置された少なくとも
   ２列のタービン動翼を有し、該タービン動翼列の
   それぞれが前記間隙制御リングの個別の対を備え
   ているターボ機械。