JP2003517131A - 先端部クリアランス制御のための分割リング - Google Patents

先端部クリアランス制御のための分割リング

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JP2003517131A
JP2003517131A JP2001545691A JP2001545691A JP2003517131A JP 2003517131 A JP2003517131 A JP 2003517131A JP 2001545691 A JP2001545691 A JP 2001545691A JP 2001545691 A JP2001545691 A JP 2001545691A JP 2003517131 A JP2003517131 A JP 2003517131A
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clearance control
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator

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Abstract

(57)【要約】 ガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置であって、ロータブレード（２４）の段を囲むシュラウド（２０）を備えている。先端部クリアランス制御装置は、一体型の分割リングを含み、この分割リングは、それぞれ反対側に位置するとともに重なり合った端部（２６，２７）を有する。分割リングは、シュラウドの内側面（４６）に直接支持されており、かつエンジンの運転時にシュラウドの熱膨張に対して自動的に調整されるように設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ロータブレードの先端部とそ
の周囲のシュラウドとの間のクリアランスの動的制御に関する。
【０００２】
【背景技術】
ガスタービンエンジンの総合効率を最大にするためには、エンジンのロータブ
レードとその周囲のシュラウドとの間の先端部クリアランスをできる限り小さく
設けることが必要であることは、かなり以前から認識されている。ブレードの先
端部とその周囲のケースとの間の先端部クリアランスは、ガスタービンエンジン
の運転条件に伴って不均一に変動するので、明確な問題が発生する。これは、ロ
ータブレードとケースが異なる熱的および遠心的な膨張特性を有するためである
。実際に、ケースとロータブレードとは、一般に異なる熱膨張係数を有する材料
から製造される。さらに、ケースの膨張および収縮は、圧力および温度の関数で
あるのに対して、ロータブレードの膨張および収縮は、遠心力と、ガスタービン
エンジンの種々の部分内のブレードおよび関連するロータディスクの温度の影響
を受ける。
【０００３】 ガスタービンエンジンのロータブレードとその周囲のケースとの間の先端部ク
リアランスを最小化するとともに制御する１つの方法は、１９９５年１０月１０
日にリオンに付与された米国特許第５，４５６，５７６号に開示されている。こ
の特許は、エンジンケースの内側面から径方向内側に延在する懸吊構造体によっ
て支持されるとともに互いに連結された複数の硬いセグメントで構成されたリン
グによってロータブレードの段を囲むことを教示している。
【０００４】 他の試みとして、１９８３年８月１６日にハーテル等に付与された米国特許第
４，３９８，８６６号には、対向する一対のＬ字型リングの間に、比較的硬い分
割リングを取り付けることが開示されており、Ｌ字型のリングは、エンジンケー
スから径方向内向きに延在する締付構造体によってエンジンケース内に支持され
ている。
【０００５】 上述の特許で開示された先端部クリアランス制御装置は、効果的であるが、エ
ンジンケース内でかつロータブレードの段の周囲に環状のシュラウドを取り付け
るのに必要な径方向の空間を減少させるように設けられるとともに、より単純で
かつコストが低い先端部クリアランス制御装置が求められている。
【０００６】
【発明の開示】
従って、本発明の目的は、製造が比較的単純でかつ経済的な先端部クリアラン
ス制御装置を提供することである。
【０００７】 本発明の他の目的は、ガスタービンエンジンの総重量を最小化することに貢献
する先端部クリアランス装置を提供することである。
【０００８】 本発明のさらに他の目的は、ガスタービンエンジンの径方向寸法を最小化する
ことに貢献する先端部クリアランス制御装置を提供することである。
【０００９】 本発明のまたさらに他の目的は、ロータブレードの段を通って流れる高温の燃
焼ガスからエンジンケースを効率的に分離するように設けられた先端部クリアラ
ンス制御装置を提供することである。
【００１０】 従って、本発明によると、ロータブレードの段を囲むシュラウドを備えるガス
タービン用の先端部クリアランス制御装置が提供される。この先端部クリアラン
ス制御装置は、分割リングを備えており、この分割リングは、ロータブレードを
囲むとともにシュラウドの膨張および収縮に対して調整されるように、径方向外
側に向かって柔軟に付勢されてシュラウドと接触するように設けられている。分
割リングは、エンジンの運転時に膨張および収縮することが可能となるように、
単一の位置で分割されている。
【００１１】 また、本発明によると、ロータブレードの段を囲むようにシュラウド内に設け
られたリングを備える先端部クリアランス制御装置が提供される。このリングは
、ロータブレードの先端部とともに先端部クリアランスを定める径方向内側面を
有する。このリングは、単一の位置で分割されており、エンジンの運転時に周方
向に膨張および収縮することが可能となっている。また、このリングは、少なく
とも部分的に弾性があるとともに、径方向外向きに付勢されてシュラウドと接触
するように設けられており、エンジンの運転時におけるシュラウドの径方向の膨
張によってシュラウド内でリングが緩むことが防止されている。
【００１２】 本発明のさらに一般的な形態では、ロータブレードの段を囲むシュラウドを備
えるガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置が提供される。この
先端部クリアランス制御装置は、一体型のリングを含み、このリングは、ロータ
ブレードのそれぞれの先端部から径方向のある距離だけ離れてロータブレードを
囲むようにシュラウド内に取付可能に設けられている。一体型のリングは、単一
の分割位置に設けられ、かつそれぞれ反対側に位置するとともに重なり合った第
１の端部と、第２の端部と、を備えており、これらの端部によって、エンジンの
運転時に熱膨張に対する調整が可能となっていると同時に、ロータブレードの周
囲に環状のシールが提供されている。この構成では、シールの改良によって、従
来のシュラウドセグメントに比べてシュラウドの冷却に必要な冷却流が有利に減
少する。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照すると、エンジンケース１２に囲まれたガスタービンエンジン１０
が示されている。ガスタービンエンジンは、従来の構造のものであり、圧縮部１
４、燃焼部１６、およびタービン部１８を含む。空気は、圧縮部１４を通って軸
方向に流れ、ここで圧縮される。続いて、圧縮空気は、燃料と混合されるととも
に燃焼部１６内で燃焼されてから、タービン部１８で膨張してタービンを回転さ
せ、これによって圧縮部１４を駆動する。
【００１４】 タービン部１８は、エンジンケース１２に固定されたタービンシュラウド２０
を含む。タービンシュラウド２０は、燃焼部１６から排出される燃焼ガスの流れ
を横切って延在するステータベーン２２とロータブレード２４との交互の段を囲
んでいる。ロータブレード２４の各段は、従来のロータディスク２５（図２ａ参
照）に回転可能に取り付けられている。各段のロータブレード２４の径方向外側
には、周方向に隣接するリングライナ２６が設けられている。
【００１５】 図２ａは、タービンシュラウド２０内でかつロータブレード２４の所定の段の
周囲に設置された１つのリングライナ２６を示している。リングライナ２６は、
ロータブレード２４の段を完全に囲むとともに、ロータブレード２４の先端部２
８とともに環状の先端部クリアランスＣ（図３参照）を定める径方向内側面２７
を有する。以下で説明するように、リングライナ２６は、エンジンの運転時に先
端部クリアランスＣを最小化するとともに制御する先端部クリアランス制御装置
として機能する。
【００１６】 リングライナ２６は、一体として形成され、単一の位置で分割されている。図
２ｂで最もよく示されているように、リングライナ２６は、第１の段付き端部３
０と、第１の段付き端部３０の反対側でかつこの端部３０と重なり合った第２の
段付き端部３２と、を備える。第１の段付き端部３０は、リングライナ２６の径
方向外側面３６に設けられた凹部３４を有し、第２の段付き端部３２は、リング
ライナ２６の径方向内側面２７に相補的に設けられた凹部３８を有する。突出部
４０が、第２の段付き端部３２から径方向内向きに延在するとともに、第１の段
付き端部３０との間を封止するように端部３０と接触しており、これにより、リ
ングライナ２６の重なり合った接合部が封止されている。第２の段付き端部３２
は、自由な終端部４２を備えており、この終端部４２は、膨張のための間隙Ｇを
形成するように凹部３４の径方向の終端壁４４から周方向に離間されている。膨
張のための間隙Ｇは、ライナリング２６が高温の燃焼ガスにさらされたときに、
リングの直径すなわち先端部クリアランスＣに実質的に影響を与えずに、ライナ
リング２６の周方向の膨張を可能とする。
【００１７】 図２ａに示したリングライナ２６は、離間された複数の台座４８によってター
ビンシュラウド２０の内側壁４６に直接支持されており、台座４８は、ライナリ
ング２６の外側面３６から径方向外向きに延在している。台座４８は、さらに、
図２ａの矢印５２で示されているように、入口孔５０を通してタービンシュラウ
ド２０とリングライナ２６との間に導かれる冷却流体の冷却効果を高めるための
攪拌機としても機能する。
【００１８】 リングライナ２６は、少なくとも部分的に弾性材料からなるとともに、静止状
態において、その外径がタービンシュラウド２０の内径よりも僅かに大きく設け
られている。従って、リングライナ２６は、エンジン１０の運転時におけるター
ビンシュラウド２０の段階的な熱膨張に対して調整されるように、初期状態で予
め圧縮される。ライナリング２６は、タービンシュラウド２０内の定位置に設置
されると、静止状態の位置に戻り、タービンシュラウド２０の内側面４６に対し
て径方向外向きに押し付けられる。従って、エンジンの運転時にタービンシュラ
ウド２０の熱膨張が起こると、ライナリング２６は、自動的に径方向外向きに膨
張してタービンシュラウド２０の膨張を補償する。本発明のこの特徴によって、
ライナリング２６がタービンシュラウド２０内で緩んだり、たるんだりすること
が防止され、よって、種々のエンジン動作にわたってライナリング２６がロータ
ブレード２４に対して適切に位置決めされる。タービンシュラウド２０の内側面
４６上にライナリング２６をこのように取り付けることによって、タービンシュ
ラウド内にライナリングを取り付けるのに通常必要な径方向の空間を有利に最小
化することができ、このことは、エンジンの全体的な重量の減少につながる。さ
らに、タービンシュラウド２０の内側面にスプリットリング２６を取り付ける本
発明の方法は、精密に機械加工された寸法を有するタービンシュラウドにひっか
ける必要のある、セグメント化された従来のライナリングに比べて経済的である
。
【００１９】 図３に示すように、ライナリング２６は、ロータブレード２４およびライナリ
ング２６の上流側および下流側にそれぞれ配置された一対の保持リング５４，５
６によってハウジング内の定位置に軸方向で保持されている。保持リング５４，
５６は、さらに、ライナリング２６の前方面および後方面を封止するように機能
する。ライナリング２６とタービンシュラウド２０との間の相対的な回転動作を
防止するために、回転防止装置（図示省略）も設けられている。例えば、ライナ
リング２６は、相補的な凸部と溝との構成によって、タービンシュラウド２０に
回転不能に保持することができる。
【００２０】 本発明の好適実施例では、分割リング２６は、ガスタービン用途で経験される
高温に耐性のある弾性材料から分割された状態で鋳造される。例えば、分割リン
グ２６は、ニッケルまたはコバルトの合金から形成可能である。分割リング２６
の径方向内側面２７と径方向外側面３６は、それぞれ高温の燃焼ガスと冷却空気
にさらされるので、これらの面２７，３６の間の温度勾配を避けるために、分割
リング２６を非常に薄くする必要がある。
【００２１】 一体型のライナリングの使用は、必要な冷却流の量を減少させる点でも従来の
セグメント化されたリングに比べて有利であり、これは、リングの連続性によっ
て連結されるセグメントの接合部で一般に形成されるおそれのある漏れ流路がな
くなるためである。さらに、一体型のライナリングの使用は、タービンシュラウ
ド２０を燃焼ガスからより良好に分離することに貢献し、これによって、エンジ
ンの運転時にタービンシュラウド２０が比較的低温すなわち比較的円形に保持さ
れる。
【００２２】 上述したリングライナ２６は、また、従来のライナセグメントが直線状に広が
ることによって生じる負荷をなくすことで、タービンシュラウド２０に加わる機
械的な負荷を減少させ、改善された先端部クリアランス制御を提供する。さらに
、本発明のリングライナ２６は、セグメントが直線状に広がることによる先端部
クリアランスの直接的な減少を少なくする。
【００２３】 最後に、上述の先端部クリアランス制御装置は、ガスタービンエンジン１０の
圧縮部でも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の好適実施例に係る軸方向に離間されたライナリングを使用したタービ
ン部の内部構造を示す、エンジンケースの一部を切り欠いたガスタービンエンジ
ンの概略説明図である。
【図２ａ】 １つのライナリングの詳細を示すタービン部の横断面図である。
【図２ｂ】 図２ａに示したライナリングの部分的な拡大断面図である。
【図３】 図２ａのライナリングがガスタービンエンジン内でどのように定位置に軸方向
で保持されているかを示すタービン部の部分的な断面図である。
【図４】 図２ａのライナリングの径方向外側面の平面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年１月９日（２００２．１．９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】 他の試みとして、１９８３年８月１６日にハーテル等に付与された米国特許第
４，３９８，８６６号には、対向する一対のＬ字型リングの間に、比較的硬い分
割リングを取り付けることが開示されており、Ｌ字型のリングは、エンジンケー
スから径方向内向きに延在する締付構造体によってエンジンケース内に支持され
ている。 １９８７年６月２日にハバルー等に付与された米国特許第４，６６９，９５４ 号には、タービン用のアブレイダブルリングが開示されており、このアブレイダ ブルリングは、少なくとも１つの開いたリング部材を含み、このリング部材は、 該リング部材に設けられた切れ目に挿入されたばねの補助を受けて周囲の構造体 に対して締め付けられた状態に保持される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】 上述の特許で開示された先端部クリアランス制御装置は、効果的であるが、燃 焼ガスからシュラウドを引き続き効率的に分離すると同時に、 エンジンケース内
でかつロータブレードの段の周囲に環状のシュラウドを取り付けるのに必要な径
方向の空間を減少させるように設けられるとともに、より単純でかつコストが低
い先端部クリアランス制御装置が求められている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置であっ
    て、ロータブレードの段を囲むシュラウドを備えており、前記先端部クリアラン
    ス制御装置は、分割リングを含み、この分割リングは、前記ロータブレードを囲
    むとともに、前記シュラウドの膨張および収縮に対して調整されるように、径方
    向外向きに柔軟に付勢されて前記シュラウドと接触するように設けられており、
    前記分割リングは、エンジンの運転時に膨張および収縮することが可能となるよ
    うに、単一の位置で分割されていることを特徴とするガスタービンエンジン用の
    先端部クリアランス制御装置。
  2. 【請求項２】 前記分割リングは、それぞれ反対側に位置するとともに重なり
    合った第１の端部と、第２の端部と、を備えていることを特徴とする請求項１記
    載のガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置。
  3. 【請求項３】 それぞれ反対側に位置するとともに重なり合った前記第１の端
    部と、前記第２の端部とは、対向する位置にそれぞれ段を有するとともに、前記
    ロータブレードの周囲に環状のシールを形成するように接合状態に保持されてい
    ることを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン用の先端部クリアラン
    ス制御装置。
  4. 【請求項４】 それぞれ反対側に位置するとともに重なり合った前記第１の端
    部と、前記第２の端部とは、前記分割リングの径方向内側面と径方向外側面にそ
    れぞれ段を有することを特徴とする請求項３記載のガスタービンエンジン用の先
    端部クリアランス制御装置。
  5. 【請求項５】 前記分割リングは、少なくとも部分的に弾性があり、かつ静止
    状態で前記シュラウドの内径よりも僅かに大きい外径を有しており、これにより
    、前記分割リングは、前記シュラウド内で定位置に設置されたときに径方向内向
    きに圧縮されることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の先端
    部クリアランス制御装置。
  6. 【請求項６】 前記分割リングは、一体型の弾性材料から形成されていること
    を特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御
    装置。
  7. 【請求項７】 前記分割リングと前記シュラウドとの間に冷却流体が通過する
    に従って熱伝達を促進するために、前記分割リングの径方向外側面に沿って離間
    された複数の台座状の部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載のガ
    スタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置。
  8. 【請求項８】 前記離間された台座状の部材は、前記シュラウドと直接接触す
    るように、前記分割リングから径方向外向きに延在していることを特徴とする請
    求項７記載のガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置。
  9. 【請求項９】 ロータブレードのそれぞれの先端部から径方向のある距離だけ
    離れて前記ロータブレードの段を囲んでいるシュラウドを備えるガスタービンエ
    ンジンにおける先端部クリアランス制御装置であって、この先端部クリアランス
    制御装置は、リングを含み、このリングは、前記ロータブレードを囲むように前
    記シュラウド内に取付可能に設けられているとともに、前記先端部とともに先端
    部クリアランスを定める径方向内側面を有し、さらに、前記リングは、エンジン
    の運転時に周方向で膨張および収縮することが可能となるように単一の位置で分
    割されているとともに、少なくとも部分的に弾性があり、かつエンジンの運転時
    における前記シュラウドの径方向での膨張に応じて前記シュラウド内で緩まない
    ように、径方向外向きに付勢されて前記シュラウドと接触するように設けられて
    いることを特徴とする先端部クリアランス制御装置。
  10. 【請求項１０】 前記リングは、それぞれ反対側に位置するとともに重なり合
    った第１の端部と、第２の端部と、を備えていることを特徴とする請求項９記載
    の先端部クリアランス制御装置。
  11. 【請求項１１】 それぞれ反対側に位置するとともに重なり合った前記第１の
    端部と、前記第２の端部とは、対向する位置にそれぞれ段を有するとともに、前
    記ロータブレードの周囲に環状のシールを形成するように接合状態に保持されて
    いることを特徴とする請求項１０記載の先端部クリアランス制御装置。
  12. 【請求項１２】 それぞれ反対側に位置するとともに重なり合った前記第１の
    端部と、前記第２の端部とは、前記リングの前記径方向内側面と反対側の径方向
    外側面にそれぞれ段を有することを特徴とする請求項１１記載の先端部クリアラ
    ンス制御装置。
  13. 【請求項１３】 前記リングは、静止状態で前記シュラウドの内径よりも僅か
    に大きい外径を有しており、これにより、前記リングは、前記シュラウド内で定
    位置に設置されたときに径方向内向きに圧縮されることを特徴とする請求項９記
    載の先端部クリアランス制御装置。
  14. 【請求項１４】 前記リングは、一体構造を有することを特徴とする請求項１
    ３記載の先端部クリアランス制御装置。
  15. 【請求項１５】 前記ばね付勢されたリングと前記シュラウドとの間に冷却流
    体が通過するに従って熱伝達を促進するために、前記リングの径方向外側面に沿
    って離間された複数の台座状の部材が設けられていることを特徴とする請求項９
    記載の先端部クリアランス制御装置。
  16. 【請求項１６】 前記離間された台座状の部材は、前記シュラウドと直接接触
    するように、前記リングから径方向外向きに延在していることを特徴とする請求
    項１５記載の先端部クリアランス制御装置。
  17. 【請求項１７】 ガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置であ
    って、ロータブレードの段を囲むシュラウドを備えており、前記先端部クリアラ
    ンス装置は、前記ロータブレードの先端部からそれぞれ径方向のある距離だけ離
    れて前記ロータブレードを囲むように前記シュラウド内に取付可能に設けられた
    一体型のリングを含み、前記一体型のリングは、単一の分割位置に設けられ、か
    つそれぞれ反対側に位置するとともに重なり合った第１の端部と、第２の端部と
    、を備えており、これにより、前記ロータブレードの周囲に環状のシールが提供
    されていることを特徴とするガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御
    装置。
  18. 【請求項１８】 前記一体型のリングは、エンジンの運転時に前記シュラウド
    の膨張および収縮に対して調整されるように、径方向外向きに柔軟に付勢されて
    前記シュラウドと接触するように設けられていることを特徴とする請求項１７記
    載のガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制御装置。
  19. 【請求項１９】 前記一体型のリングは、少なくとも部分的に弾性材料から形
    成されていることを特徴とする請求項１８記載のガスタービンエンジン用の先端
    部クリアランス制御装置。
  20. 【請求項２０】 離間された複数の台座状の部材が、前記シュラウドと直接接
    触するように、前記リングの径方向外側面から径方向外向きに延在していること
    を特徴とする請求項１７記載のガスタービンエンジン用の先端部クリアランス制
    御装置。
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