JP2006233970A - 熱遮蔽体を備えたターボ機械の内部ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の欠点を改善するターボ機械内部ケーシングを提供する。
【解決手段】本発明は、ターボ機械のロータ１のケーシングと可動ブレード１１との間の間隙１２の改良に関する。本発明は、特に、航空機のターボジェットエンジンに適用される。さらに詳細には、本発明は、ターボ機械の内部ケーシング２１に関し、この内部ケーシングは、２つの隣接するシュラウド２３を一体に結合するフランジ２４を備える複数の環状シュラウド２３を有する。本発明によれば、この内部ケーシング２１は、さらに、２つの隣接シュラウド２３に接触するフランジ２４を覆う、少なくとも１つの周辺熱遮蔽体５と、熱遮蔽体５の凹状内側表面５１ａ、５２ａとフランジ２４との間に配置されている、第１の熱絶縁体８で満たされる空洞６とを含む。熱遮蔽体５は、端と端を結合した複数のセクタ５０から形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械のケーシングと可動ロータブレードとの間の間隙における改良に関し、詳細には、この目的のために提供されるケーシングと、このようなケーシングを備えるターボ機械とにも関する。本発明は、特に、航空機のターボジェットエンジンに適用される。

従来のターボ機械は、一般に複数のディスクを有する、少なくとも１つのロータリアセンブリまたはロータを備える。複数のブレードを備える各ロータディスクは、各ディスクの周辺を囲む固定シュラウドに対して回転する。ブレードに対して一連のシュラウドが、ターボ機械の内部ケーシングを構成する。

ロータディスクのブレードの先端と、内部ケーシングの対向するシュラウドとの間には、間隙がある。ターボ機械の性能およびその動作性能を向上させるために、すなわち、航空機の飛行範囲全体にわたりどのような異常もなく、ターボ機械の作動を向上させるために、理想的には、このような間隙を可能な限り小さくする必要がある。この理由は、これら間隙が増加すると、ターボ機械の効率の大幅な低下、したがって過剰な燃料消費に結びつくためである。さらに、間隙が増加すると、過渡的段階の間に、すなわち加速または減速の間にサージングを生じることがあり、これにより、ターボ機械の堅牢性を低下させる。間隙のこれら変化、特にターボ機械の機械的および熱的作動条件の変化は、様々な理由から説明できる。

例えば、温度変化は、ロータとケーシングとの間の異なる熱膨張率または熱収縮率を発生する。さらに、ロータに作用する遠心力およびケーシングに作用する力、特に空気圧力は、機械的変形を発生させる。ターボ機械の作動中は、ロータおよびケーシングの軸方向および径方向の両方の変位が生じる。

ロータおよびケーシングの変位は、様々な大きさを有し、過渡的に様々な挙動を示すため、固定部分および可動部分は、エンジンの全作動サイクルにわたり変位を受けることになる。したがって、これらの影響による問題点は、大きい温度変化およびロータの回転速度変動が観察される、ターボ機械の過渡段階で悪化する。

第１の事例は、内部ケーシングがロータより大きく膨張し、これにより、径方向間隙を増加させるときに発生する。これとは逆に、第２の事例は、内部ケーシングがロータより大きく収縮し、これにより、磨耗によるブレード先端の不可逆な劣化および／またはシュラウド表面の不可逆な劣化、および第１の事例に戻る際の径方向間隙の悪化した増加を生じる。これらの欠点は、ターボ機械の性能および動作性能に有害である。

コンプレッサを通って流れる空気流の実質的な部分は、ターボ機械または航空機の氷結防止のためまたは特定構成要素の冷却のためなど様々な必要条件のために、内部ケーシングに近接する抽気空洞から抽気される。これら実質的な空気の抽気により、内部ケーシングを熱的な観点から急速に応答させ、内部ケーシングが、ロータに対して径方向の急速な変位を受けるようさせる。ロータは、ロータに対向しているケーシングに比べて変位速度が遅いため、内部ケーシングの変位速度を低減させて、過渡状況における間隙を減少させる必要がある。
米国特許第５３３０３２１号明細書 米国特許第６０３５９２９号明細書 英国特許第２３８８４０７号明細書 米国特許第５１２７７９４号明細書

ターボ機械の径方向間隙を改良する装置は、従来技術から知られており、詳細には、米国特許第５３３０３２１号、米国特許第６０３５９２９号、および英国特許第２３８８４０７号から知られている。しかし、これらの装置は、すべて能動装置であり、これは、それら装置が作動するためには、ターボ機械に入る空気流の一部を抽気する必要があることを意味する。このとき、この追加の抽気は、タービンを働かせるためのコンプレッサにより空気出口から抜き取られるため、ターボ機械の効率を低下させる。さらに、これら装置は、大型部品の追加、および／または工業的な規模で製造するには複雑な部品の追加によって、ターボ機械の特殊な変更を必要とする。

ターボ機械の径方向間隙を改良する別の装置は、米国特許第５１２７７９４号から知られている。これは、外部ケーシングと内部ケーシングとの間の連結の剛性に起因する、内部ケーシングの同心変形を防止するために、外部ケーシングを外部空気流から隔離するように構成された熱遮蔽体に関する。しかし、この装置は、ターボ機械の構成変更を必要とし、また既存のエンジンモデルに適合できないために、満足できるものではない。さらに、上記文書に記載される、複数の段を覆いかつ外部ケーシングの外側に配置される熱遮蔽体は、局所的には作用せず、言い換えると、間隙の近傍では作用せず、そのためその効率が低下する。

本発明の目的は、２つの隣接シュラウドを一体に結合するフランジを備えた複数の環状シュラウドを含むターボ機械内部ケーシングを提供することにより、上述の欠点を改善することであり、この内部ケーシングはさらに、
２つの隣接シュラウドに接触するフランジを覆う、少なくとも１つの周辺熱遮蔽体と、
熱遮蔽体の凹状内側表面とフランジとの間に配置される、第１の熱絶縁体で満たされる空洞とを含む。

有利には、熱遮蔽体は、効率を高める複数のシール手段を含む。特に、前記熱遮蔽体は、その凹状内側表面に、一方では、少なくとも１つの突出した周辺シーリングリブを有し、この周辺シーリングタブは、対向するフランジ方向に向けられ、かつ前記フランジに接触し、および／または、他方では、対向するフランジの形状に一致する少なくとも１つの横断方向のシーリングリブを有する。

本発明による熱遮蔽体は、端と端を結合した複数のセクタから形成される。

熱遮蔽体の断面は、様々な形状にできる。重要な点は、第１の熱絶縁体が、熱遮蔽体の凹状内側表面とフランジとの間に配置されるように、それが、２つの隣接シュラウドの接触しているフランジを覆うことができるように、熱遮蔽体の内側表面が、凹状であることである。

２つの隣接シュラウドの接触しているフランジの全体形状を考慮に入れれば、熱遮蔽体は、理想的にはＵ字形の断面を有する。

有利には、熱遮蔽体は、ロータディスクブレードに対して内部ケーシングの急速な過剰な膨張に起因する望ましくない影響が局部的に減少し、同時に、ケーシングおよびロータの変位の応答時間および変位の大きさを調和させることを可能にする。

さらに、この利点は、ターボ機械を実質的に構造変更せずに達成され、さらに、本発明による熱遮蔽体を既存のターボ機械モデルに適合させることもできる。

本発明の別の利点は、特に複数のセクタによる熱遮蔽体の構造のために、ターボ機械への取り付けが簡単であることである。

本発明は、さらに、少なくとも１つのこのような熱遮蔽体を含む内部ケーシングを装着したターボ機械に関する。

本発明は、以下の詳細な説明を読むことにより明らかに理解され、その利点もさらに明瞭になるであろう。

説明は、添付図面を参照してなされる。

図１は、複数のロータディスク１０を有する、ターボ機械のロータリアセンブリまたはロータ１を示す。各ロータディスク１０は、１つのコンプレッサ段に対応し、各ディスク１０の外側周辺に径方向に配置された複数のブレード１１を備える。

翼２０と称される固定ブレードは、コンプレッサの各可動ブレード１１の間に挿入され、ケーシング２（これも固定されている）に固定されたステータを構成する。ケーシング２は、内部ケーシング２１および外部ケーシング２２を含む。内部ケーシング２１は、一体に結合された複数の軸方向に隣接した環状シュラウド２３からなる。ブレード１１を備える各ロータディスク１０は、各ディスクの周辺を囲むシュラウド２３に対して回転できる。ブレードに対向して配置された一連の隣接シュラウド２３は、ターボ機械の内部ケーシング２１を構成する。

外部ケーシング２２は、ターボ機械の回転軸に直角な任意の一平面内で、ケーシング２の内側部分２１の環状シュラウド２３より本質的に大きい直径の、別の一連の環状シュラウド２６により形成され、それにより、複数の抽気空洞４が、内部ケーシング２１と外部ケーシング２２との間で画定される。

径方向の間隙１２は、各ロータディスク１０のブレード先端１１と、内部ケーシング２１の外皮を構成する対向するシュラウド２３との間に存在し、内部ケーシングの外皮は、空気力学的な空気流３の部分を再構成する。

コンプレッサを通って流れる空気流の実質的な部分は、様々な目的で抽出される。コンプレッサから来る抽気空気は、内部ケーシング２１の開口４０を通り抽気空洞４に流れ込む。これら実質的な空気の抽気により、内部ケーシング２１を熱的な観点から急速に応答させ、内部ケーシングがロータ１に対して径方向の急速な変位を受けさせる。ロータ１は、ロータに対向しているケーシングに比べて変位速度が遅いため、過渡状態における間隙１２を減少させるように、内部ケーシング２１の変位速度を低減させる必要がある。

図１は、間隙１２が、２つの隣接シュラウド２３間の交差部の近傍にあることを示す。シュラウド２３は、そのフランジ２４により一体に固定され、このフランジは、本質的にターボ機械の回転軸に対して径方向外側に延び、すなわち、隣接の抽気空洞４の方向に延びる。さらに、２つの隣接シュラウド２３間の交差領域は、交差部を形成する構成要素の質量が小さくなると、熱環境により敏感である。熱遮蔽体５は、径方向間隙１２の関連する問題が発生する領域において効果的である。

ターボ機械の高圧コンプレッサに関連する図１に示される例は、これに限定されるものではないのは明らかである。なぜなら、本発明は、同一問題が発生するターボ機械のあらゆる部分に実施できるからである。

図２は、本発明による熱遮蔽体５の作用を示す。熱遮蔽体５は、周辺輪郭の形状であり、２つの軸方向に隣接するシュラウド２３の接触フランジ２４を覆う。熱遮蔽体５は、凹状内側表面５１ａ、５２ａと凸状外側表面５３を有する。さらに、第１の熱絶縁体８で満たされる空洞６が、熱遮蔽体５の凹状内側表面５１ａ、５２ａとフランジ２４との間にある。

本発明の目的に関して、「輪郭」という用語は、全長にわたってほぼ一定である、ある特定の形の断面を有する実質的に細長い形状の構成要素を意味する、と理解されたい。

２つの隣接シュラウド２３の接触フランジ２４の全体形状のため、熱遮蔽体５の断面の理想的形状は、Ｕ字形となる。この理由は、熱遮蔽体５が、２つの隣接シュラウド２３の接触フランジ２４を覆い、熱遮蔽体５の凹状内側表面５１ａ、５２ａとフランジ２４との間に空洞６が配置されることが、望ましいからである。当業者であれば、同一目的を達成するための多数の形状を想定できる。例えば、「馬蹄形」またはオープンリング形または楕円形の形状の断面での構成が考えられる。

特に輪郭がＵ字形である場合、空洞６は、一方では、Ｕ字のアーム部５２と対向するフランジ２４との間のポケット６２により、および／または、他方では、Ｕ字のベース部５１と対向するフランジ２４との間の周辺ハウジング６１により形成される。したがって、フランジ２４は、抽気空洞４から完全に隔離される。

第１の実施形態においては、図２および図５に示すとおり、空洞６を満たす第１の熱絶縁体８は、不活性空気であってもよい。したがって、フランジ２４の径方向表面２５および周辺表面２６は、本質的にポケット６２および／または周囲ハウジング６１内の不活性空気と接触する。したがって、本質的に、フランジ２４は、強制対流熱交換でなく自然対流熱交換を受ける。この熱遮蔽体５がない場合、フランジ２４は、抽気空洞４内に直接置かれることになる。熱遮蔽体５の効率を高めるには、空気は、可能な限り不活性でなければならず、言い換えると、固定部分に対して動かない空気でなければならない。

第２の実施形態においては、図６に示すとおり、空洞６を満たす第１の熱絶縁体８は、ガラス繊維、またはシリカウールのフェルト、または熱絶縁性能が知られている任意の他の材料であってもよい。

第３の実施形態においては、図７に示すとおり、熱遮蔽体５は、第２の熱絶縁体９で満たされた外皮５４で形成されることができ、この第２の熱絶縁体９は、ガラス繊維、またはシリカウールのフェルト、または熱絶縁性能が知られている任意の他の材料であってもよい。外皮５４は、可撓性金属板で構成できる。このとき、この熱遮蔽体５の外形は、上述の２つの実施形態の熱遮蔽体５とほぼ同一であり、第１の熱絶縁体８が空洞６を満たす。好ましくは、この第１の熱絶縁体８は、不活性空気である。

本発明による熱遮蔽体５のＵ字形のベース部５１により画定される凹状内側周辺表面５１ａは、ターボ機械の回転軸に対して最小の内部半径を有さなければならず、この内部半径は、抽気空洞４からフランジ２４を隔離する連続周辺空洞を得るように、フランジ２４の周辺表面２６の最大半径より大きい。高さＨを画定する上述のこれら半径間の距離は、必要条件および随意選択に応じて変更できる。この高さＨが大きくなると、本発明による熱遮蔽体５の効率は高くなる。

同様に、Ｕ字のアーム部５２の凹状内側表面５２ａと、Ｕ字の前記アーム部５２の対向するフランジ２４の径方向表面２５との間の距離により画定される、ポケット６２の幅Ｌが大きくなると、本発明による熱遮蔽体５の効率は高くなる。同様に、幅Ｌは、必要条件および随意選択に応じて変更できる。

抽気空洞４内の空気が、フランジ２４の肩部においてＵ字のアーム部５２の端部を通り、ポケット６２内に完全に漏れ出すのを防止するために、熱遮蔽体５は、その凹状内側表面のＵ字のアーム部５２の少なくとも１つの端部に、周辺シーリングリブ５５を有し、前記周辺シーリングリブ５５は、対向するフランジ２４の方向に突出して、そのフランジに接触する。

同様に、抽気空洞４内の空気が、周辺ハウジング６１内に完全に漏れ出すのを防止するために、熱遮蔽体５は、Ｕ字の凹状内側表面５１ａ、５２ａに、対向するフランジ２４の形状に一致する横断方向のシーリングリブ５９を有する。

熱遮蔽体５の特に有利な特徴の１つは、熱遮蔽体が、端と端を結合した複数のセクタ５０により形成されていることである。好ましくは、セクタ５０は、同一であって、それにより、熱遮蔽体５の製造を簡単化する。

例えば、熱遮蔽体５が、４５°の角度のセクタから構成される場合、シュラウド全体にわたり配置された一連のフランジ２４を覆うには、８つのセクタ５０が必要となる。言うまでもなく、この例は、限定を意味するのでなく、熱遮蔽体の多くの代替形態を考えることができる。

各セクタ５０は、第１の端部５６および第２の端部５７を有する。輪郭の断面は、第１の端部５６を含むセクタ５０の全長にわたりほぼ一定である。第２の端部５７の断面だけは、前記セクタ５０の全長に比べて比較的短い長さにわたり、セクタ５０の残りの部分から区別される。この長さは、図３に示された例では、前記セクタ５０の全長の約５％である。詳細には、第２の端部５７は、第１の端部５６の断面サイズより大きい断面サイズを有し、第２のセクタ５０ｂの第２の端部５７は、図４に示すように、第２のセクタ５０ｂに近接する第１のセクタ５０ａの第１の端部５６に重なる。

ロータブレード１１の回転で生じる圧縮空気流れのために、抽気空気の流出流れは、一般に、抽気空洞４内の周辺を流れる接線成分を有する。図４に示される、２つの近接セクタ５０ａと５０ｂとの重なり部分では、第２のセクタ５０ｂの凹状内側表面が、各セクタ５０間の漏れを制限するように、第１のセクタ５０ａの凸状外側表面に一致する。このように、本発明のこの特徴は、抽気空気の周辺流れによる熱遮蔽体５の効率の低下を防止し、熱絶縁体８は、最大限の熱絶縁を維持する必要がある。重なり部分では、２つの近接セクタ５０ａおよび５０ｂの端部は、セクタ５０ｂの可変部分５７ａの短い一部分により一体に結合される。

再び本発明の効率を高める目的に関しては、好ましくは、第２の端部５７と第１の端部５６の重なりは、抽気空気の周辺流れの方向を考慮する必要がある。詳細には、セクタ５０は、フランジ２４の周りに配置されなければならず、各セクタ５０の第１の端部５６は、周辺空気流れの下流側に配置され、各セクタ５０の第２の端部５７は、周辺空気流れの上流側に配置されることにより、抽気空気が、任意のセクタ５０の第１の端部５６から第２の端部５７に流れ、その結果、この熱遮蔽体５が抽気空気のためのスクープになることを防止する。

各セクタ５０は、ボルト７によりフランジ２４に固定される。このように、各セクタ５０は、セクタ５０をボルト７でフランジ２４に固定するための複数の円形穴５８を有する。図３では、Ｕ字の各アーム５２にある円形穴５８は、相互に面しており、これにより、図１に示すとおり、熱遮蔽体５およびフランジ２４の両方を軸方向に貫通するボルト７による固定を可能にする。

さらに、各セクタ５０は、その凹状内側表面５１ａ、５２ａの各円形穴５８位置に、セクタに対向するフランジ２４の表面に向かって突出する支持面５８ａを有する。

各セクタは、さらに、その凸状外側表面５３の各円形穴５８位置に、ボルト７の一端を受け入れるカウンターボア５８ｂを有する。

ターボ機械の高圧コンプレッサの下流側部分の断面図である。 本発明の第１の実施形態による熱遮蔽体を有する内部ケーシングの、２つの隣接シュラウドの断面斜視図である。 本発明による熱遮蔽体を形成するセクタの１つの斜視図である。 本発明による熱遮蔽体を形成する２つの近接セクタの、重なり部分の部分斜視図である。 本発明による熱遮蔽体の第１の実施形態の断面図である。 本発明による熱遮蔽体の第２の実施形態の断面図である。 本発明による熱遮蔽体の第３の実施形態の断面図である。

符号の説明

１ ロータ
２ ケーシング
３ 空気流
４ 抽気空洞
５ 熱遮蔽体
６ 空洞
７ ボルト
８ 第１の熱絶縁体
９ 第２の熱絶縁体
１０ ロータディスク
１１ ブレード
１２ 空隙
２０ 翼
２１ 内部ケーシング
２２ 外部ケーシング
２３、２６ 環状シュラウド
２４ フランジ
２５ 径方向表面
２６ 周辺表面
４０ 開口
５０ セクタ
５０ａ 第１のセクタ
５０ｂ 第２のセクタ
５１ Ｕ字のベース部
５１ａ、５２ａ 凹状内側表面
５２ Ｕ字のアーム部
５３ 凸状外側表面
５４ 外皮
５５、５９ シーリングリブ
５６ 第１の端部
５７ 第２の端部
５８ 円形穴
５８ａ 支持面
５８ｂ カウンターボア
６１ 周辺ハウジング
６２ ポケット

Claims (19)

1. ２つの隣接するシュラウドを一体に結合するフランジを備える複数の環状シュラウドを含む、ターボ機械内部ケーシングであって、
   ２つの隣接シュラウドに接触するフランジを覆う、少なくとも１つの周辺の熱遮蔽体と、
   熱遮蔽体の凹状内側表面とフランジとの間に配置されている、第１の熱絶縁体で満たされる空洞とをさらに含む、ターボ機械内部ケーシング。
2. 熱遮蔽体が、その凹状内側表面に、少なくとも１つの突出した周辺シーリングリブを含み、該周辺シーリングリブが、対向するフランジ方向に向けられ、かつ前記フランジに接触する、請求項１に記載のターボ機械内部ケーシング。
3. 熱遮蔽体が、その凹状内側表面に、対向するフランジの形状に一致する少なくとも１つの横断方向のシーリングリブを含む、請求項１に記載のターボ機械内部ケーシング。
4. 熱遮蔽体が、端と端を結合した複数のセクタにより形成される、請求項１に記載のターボ機械内部ケーシング。
5. 複数のセクタが同一である、請求項４に記載のターボ機械内部ケーシング。
6. 各セクタが、第１の端および第２の端を有し、第２の端が、第１の端の断面サイズより大きい断面サイズを有し、第２のセクタの第２の端が、第２のセクタに近接する第１のセクタの第１の端に重なる、請求項４に記載のターボ機械内部ケーシング。
7. ２つの隣接するセクタの重なり部分では、第２のセクタの凹状内側表面が、第１のセクタの凸状外側表面に一致する、請求項６に記載のターボ機械内部ケーシング。
8. セクタが、フランジ周りに端と端を付けて配置され、各セクタの第１の端が、周辺空気流れの下流側に配置され、各セクタの第２の端が、周辺空気流れの上流側に配置され、周辺空気流れが、内部ケーシング周りを流れる、請求項６に記載のターボ機械内部ケーシング。
9. 各セクタが、セクタをボルトでフランジに固定するための複数の円形穴を含む、請求項４に記載のターボ機械内部ケーシング。
10. 各セクタが、その凹状内側表面上の各円形穴位置に、セクタに対向するフランジ表面の方向に突出する支持面を含む、請求項９に記載のターボ機械内部ケーシング。
11. 各セクタが、その凸状外側面面上の各円形穴位置に、ボルトの一端を受け入れるカウンターボアを含む、請求項９に記載のターボ機械内部ケーシング。
12. 熱遮蔽体が、ベース部および２つのアーム部を備えるＵ字形の断面を有する、請求項１に記載のターボ機械内部ケーシング。
13. 空洞が、Ｕ字のアーム部とＵ字の前記アーム部に対向するフランジとの間のポケットにより形成される、請求項１２に記載のターボ機械内部ケーシング。
14. 空洞が、Ｕ字のベース部とＵ字の前記ベース部に対向するフランジとの間の周辺ハウジングにより形成される、請求項１２に記載のターボ機械内部ケーシング。
15. 第１の熱絶縁体が、不活性空気、ガラス繊維、およびシリカウールフェルトから選択される、請求項１に記載のターボ機械内部ケーシング。
16. 熱遮蔽体が、ガラス繊維およびシリカウールフェルトから選択された、第２の熱絶縁体で満たされた外皮により形成される、請求項１に記載のターボ機械内部ケーシング。
17. 第２の熱絶縁体が、ガラス繊維およびシリカウールフェルトから選択される、請求項１６に記載のターボ機械内部ケーシング。
18. 外皮が、可撓性金属板で構成されている、請求項１６に記載のターボ機械内部ケーシング。
19. 請求項１に記載の内部ケーシングを備える、ターボ機械。

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