JP2017110652A - 活性高圧圧縮機クリアランス制御 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンエンジンは、テイクオフ中の推力生成を向上するよう、最小限の圧縮機クリアランスで動作するよう設計されている。しかし、クルージング状態では、圧縮機段の動作温度はテイクオフ時よりも高いため、圧縮機の部品の熱膨張により圧縮機クリアランスが大きくなる。テイクオフ状態におけるガスタービンエンジンの動作に影響を及ぼすことなくクルージング状態における圧縮機クリアランスを減少することより、テイクオフ状態における推力生成への影響を最小にしてクルージング状態中のガスタービンエンジンの燃料効率を向上させる。
【解決手段】圧縮機クリアランス制御システムは、冷却用空気源１２６、圧縮機ケーシング１１２及び圧縮機ケーシング中に画成される冷却用空気流路１２８を含む。流路は、圧縮機内に閉ループを画成するよう、冷却用空気源から冷却用空気を受ける入口１３２及び冷却用空気源に冷却用空気を排出する出口１４０を含む。
【選択図】図２
【解決手段】圧縮機クリアランス制御システムは、冷却用空気源１２６、圧縮機ケーシング１１２及び圧縮機ケーシング中に画成される冷却用空気流路１２８を含む。流路は、圧縮機内に閉ループを画成するよう、冷却用空気源から冷却用空気を受ける入口１３２及び冷却用空気源に冷却用空気を排出する出口１４０を含む。
【選択図】図２
Description
開示する分野は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、特に、圧縮機ケースの能動冷却を用いたフライトの様々な段における圧縮機のクリアランスを制御する方法及びシステムに関する。
ガスタービンエンジンは、典型的には、燃焼器に運ぶために流れ込む気流を圧縮する多数の圧縮機段を含む。ロータ動翼及び圧縮機ケーシングは、地上動作、テイクオフ、及び、クルージング等の動作の様々な段において様々な温度に曝され、その結果、熱膨張又圧縮機の部品の収縮化が生ずる。典型的には、圧縮機段の部品は、テイクオフ中の推力生成を向上するよう、最小限の圧縮機クリアランスで動作するよう設計されている。しかしながら、クルージング状態では、圧縮機段の動作温度はテイクオフ時よりも高いため、圧縮機の部品の熱膨張により圧縮機クリアランスが大きくなる。圧縮機クリアランスが大きくなると、クルージング状態におけるガスタービンエンジンの動作の効率性が低下する。テイクオフ状態におけるガスタービンエンジンの動作に影響を及ぼすことなくクルージング状態における圧縮機クリアランスを減少することより、テイクオフ状態における推力生成への影響を最小にしてクルージング状態中のガスタービンエンジンの燃料効率を向上させることができる。
一実施形態では、圧縮機クリアランス制御システムが提供される。圧縮機クリアランス制御システムは、冷却用空気源、圧縮機ケーシング、及び、圧縮機ケーシング中に形成される冷却用空気流路を含む。流路は、圧縮機内に閉ループを画成するよう、冷却用空気源からの冷却用空気を受けるよう構成される入口、及び、冷却用空気を排出するよう構成される出口を含む。
別の実施形態では、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、回転部品と、回転部品から半径方向外方に位置し、回転部品との間に一次流路を形成する静止部品とを有する。ガスタービンエンジンは、更に、冷却用空気源と、静止部品中に画成される冷却用空気流路とを有する。冷却用空気流路は、一次流路に近接して位置決めされ、冷却用空気源からの冷却用空気をチャネリングして静止部品の冷却を容易にするよう構成される。
更なる別の実施形態では、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。該方法は、回転部品から半径方向外方に静止部品を結合して、回転部品と静止部品の間に一次流路を画成することを含む。冷却用空気源は、静止部品と流れ連通状態で結合される。該方法は、更に、一次流路に近接して静止部品に冷却用空気流路を形成し、冷却用空気源を冷却用空気流路と流れ連通状態で結合して流路を通って冷却用空気をチャネリングし、静止部品の冷却を容易にすることを含む。冷却用空気源と冷却用空気流路は、圧縮機内に閉ループを画成する。
本開示の上述の及び他の特徴、態様、及び、利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことでより良く理解されるであろう。図面中、同様の記号が同様の部品に付与される。
図１は、例示的なガスタービンエンジンの概略図である。
図２は、図１に示すガスタービンエンジンと使用され得る例示的な圧縮機の断面図である。
図３は、例示的な圧縮機クリアランス制御システムの第二の回路を示す図２の圧縮機の前方部分の拡大図である。
図４は、例示的な圧縮機クリアランス制御システムの第一の回路を示す図２の圧縮機の後方部分の拡大図である。
様々な実施形態の特定の特徴が示される図面がある一方で、示されない図面もあるが、これは利便性のためである。任意の図面の任意の特徴が、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照される及び／又は請求され得る。
特に記載がない限り、本願の図面は開示する実施形態の特徴を示すことを意図している。これらの特徴は、開示する一つ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムに適用可能であると考えられる。このように、図面は、本願記載の実施形態を実施するために必要であると当業者に公知の全ての従来の特徴を含むことを意図していない。
以下の明細書及び特許請求の範囲では、以下の意味を持つよう定義される多数の用語が参照される。
単数形の冠詞は、文脈で明確にその他と記載されない限り、複数の参照を含む。
「任意の」又は「任意的な」は、後に説明する事象または状況が生ずるか生じないかを意味し、事象が生ずる場合及び事象が生じない場合を説明が含むことを意味する。
明細書及び特許請求の範囲において本願中で使用される近似言語は、関連する基本機能を結果として変えることなく許容範囲内で変化し得る任意の定量的表現を変更するよう適用され得る。従って、「約」「大体」、及び、「大幅に」といった一つの用語又は複数の用語によって変更される値は、特定される正確な値に限定されてはならない。少なくとも幾つかの場合では、近似言語は、値を測定する機器の精度に対応し得る。ここで明細書及び特許請求の範囲にわたって、範囲限界が組み合わされる及び／又は交換されてもよく、このような範囲は、文脈又は言語による他の記載がない限り、識別され、含まれるサブ範囲全てを含む。
以下の詳細な説明は、限定的でなく、例として本開示の実施形態を示す。本開示が静止部材、並びに、静止部材内に形成されるダクト内の回転軸の周りを回転する回転部材を含む本体の静止部材を冷却する方法及びシステムに一般的適用されると考えられる。ある例示的な実施形態では、本体はガスタービンエンジンであり、静止部材はガスタービンエンジンの圧縮機の圧縮機ケーシングであり、回転部材は圧縮機ケーシング内に形成されるダクト内の回転軸周りに回転するロータ組立体である。本体の静止部材を冷却するガスタービンエンジンクリアランス制御システム及び方法の様々な実施形態がこの例示的な実施形態に関連して説明されるが、ガスタービンエンジンクリアランス制御システム及び方法が、制限なく、本願で定める任意の本体の静止部材を冷却するのに適していることは理解されるであろう。
本願で記載する 圧縮機クリアランス制御システムの実施形態は、ガスタービンエンジンの圧縮機の少なくとも一つの圧縮機ケーシング内に形成される空気通路を介して空気を方向付ける。圧縮機クリアランス制御システムは、冷却用空気源、圧縮機ケーシング、及び、圧縮機ケーシング中に画成される冷却用空気流路を含む。流路は、圧縮機内に閉ループを形成するよう、冷却用空気源からの冷却用空気を受けるよう構成される入口、及び、冷却用空気源又は圧縮機における別の箇所に冷却用空気を排出するよう構成される出口を含む。
本願記載の圧縮機クリアランス制御システムは、ガスタービンエンジンの圧縮機の部品を冷却する公知の方法に優る利点を提供する。より具体的には、圧縮機クリアランス制御システムは、圧縮機ケーシングの熱膨張を防止又は軽減して、圧縮機ケーシングとロータ動翼の先端との間に最小クリアランスを維持する。作動中、空気が圧縮機中を一次流路に沿って移動してその圧力が増加すると、その温度も上昇する。熱エネルギーの少なくとも一部分は、圧縮機ケーシングに伝達され、それにより、ケーシングが熱膨張に曝される。何の措置も講じられない場合、ケーシングの熱膨張によりロータ動翼の先端とケーシングの半径方向内側表面との間の隙間のサイズが結果として増大し、エンジンの効率性が低下する。本願記載の圧縮機クリアランス制御システムは、ケーシングの半径方向内側部分に画成される流路に沿って冷却用気流をチャンネリングして、ケーシングの冷却や熱膨張の最小化又は防止を容易にし、エンジンの効率性を向上させる。
図１は、長手軸１１を有する例示的なガスタービンエンジン組立体１０の概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２と、コアガスタービンエンジン１３とを備える。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、及び、高圧タービン１８を含む。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０は、低圧タービン２０を更に含んでもよい。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外方に延在するファン動翼２４の配列を含む。エンジン１０は、吸入側２８及び排出側３０を有する。ガスタービンエンジン組立体１０は、例えば、ファン組立体１２、圧縮機１４、高圧タービン１８、及び、低圧タービン２０に回転及び軸方向サポートを提供するよう利用される複数の軸受組立体（図１には図示せず）も含む。
作動中、入口気流４８はファン組立体１２を通って流れ、気流スプリッタ４４によって第一の部分５０と第二の部分５２に分けられる。気流の第一の部分５０は圧縮機１４中をチャネリングされ、気流は更に圧縮されて燃焼器１６に運ばれる。燃焼器１６からの熱い燃焼生成物（図１では図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動して、エンジン推力を生成するために利用される。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２から放出された気流の第二の部分５２を、コアガスタービンエンジン１３の周りで回避するために利用されるバイパスダクト４０も含む。より具体的には、バイパスダクト４０は、ファンケーシング又はシュラウド４２の内壁４３とスプリッタ４４の外壁４５との間で延在する。
図２は、ガスタービンエンジン１０と使用され得る圧縮機１４及び例示的な圧縮機クリアランス制御システム１００の断面図である。図２に示す例示的な実施形態では、圧縮機１４は高圧圧縮機である。圧縮機１４は、回転組立体１０２と静止組立体１０４とを含み、これら組立体は一緒に結合されて圧縮機１４を通る一次流路１０６を画成する。具体的には、回転組立体１０２は、ロータディスクに結合されたロータ動翼１１０をそれぞれ含む複数のロータディスク１０８を有する。静止組立体１０４は、前方部分１１４及び後方部分１１６を有する圧縮機ケーシング１１２を含む。静止組立体１０４は、ケーシング１１２に結合された複数のステータ静翼１１８も含む。圧縮機１４は、複数の段を有し、各段はロータ動翼１１０の列とステータ静翼１１８の列とを含む。この配置では、一次流路１０６は、複数の互いにかみ合ったステータ静翼１１８及びロータ動翼１１０を含む。例示的な実施形態では、各ロータ動翼１１０は、隙間１２４が先端部分とケーシングの間に設けられるよう、ケーシング１１２の半径方向内側表面１２２に近接して位置決めされる先端部分１２０を含む。本願に記載するように、クリアランス制御システム１００により、隙間１２４のサイズが容易に最小化され、ガスタービンエンジン１０の動作の効率性が向上される。
例示的な実施形態では、圧縮機クリアランス制御システム１００は、冷却用空気源１２６を含み、該冷却用空気源から、冷却用空気の流れが抽出されて圧縮機ケーシング１１２中に画成される流路１２８に沿ってチャネリングされる。一実施形態では、冷却用空気源１２６は、バイパスダクト４０からのバイパス空気５２である。別の実施形態では、冷却用空気源１２６は、ファン組立体１２からのファン空気４８である。一般的に、冷却用空気源は、クリアランス制御システム１００に低温低圧の空気を供給する、コア１３の外側からの任意の空気源である。このような空気をクリアランス制御システム１００で使用すると、他のエンジン１０システムからの空気の一部分を除去する効果が最小限になり、従って、エンジン１０の性能の効果も最小限になる。
例示的な実施形態では、流路１２８は、ケーシング１１２の後方部分１１６を通って冷却用空気をチャネリングする第一の回路１３０を含む。第一の回路１３０は、源１２６からの冷却用空気を受けて、後方部分１１６を通って冷却用空気をチャネリングする、空気源１２６と流れ連通状態で結合される入口１３２を含む。第一の回路１３０は、更に、後方部分１１６内からの冷却用気流を冷却用空気源１２６に排出して戻す、空気源１２６と流れ連通状態で結合される出口１３４を含む。このように、流路１２８の第一の回路１３０は、圧縮機１４内に閉ループシステムを画成する。例示的な実施形態では、入口１３２は、一次流路１０６の方向に対して出口１３４の下流に位置決めされ、クリアランス制御システム１００は一次流路１０６の方向と反対の方向に冷却用流路１２８に沿って冷却用空気をチャネリングする。このような構成により、最初に後方部分１１６の後方段を通る冷却用空気のチャネリングを容易にする。これは、後方段が最も熱い部分であり、ケーシング１１２を流れる際に冷却用空気の温度が上昇するためである。代替的には、入口１３２は、一次流路１０６と同じ下流方向においてクリアランス制御システム１００が冷却用空気を冷却用流路１２８に沿ってチャネリングするよう、出口１３４の上流に位置決めされる。
同様にして、例示的な実施形態では、流路１２８は、ケーシング１１２の前方部分１１４を通って冷却用空気をチャネリングする第二の回路１３６を含む。第二の回路１３６は、源１２６からの冷却用空気を受けて、前方部分１１４を通って冷却用空気をチャネリングする、空気源１２６と流れ連通状態で結合される入口１３８を含む。第二の回路１３６は、更に、前方部分１１４内からの冷却用気流を冷却用空気源１２６に排出して戻す、空気源１２６と流れ連通状態で結合される出口１４０を含む。このように、流路１２８の第二の回路１３６も、圧縮機１４内に閉ループシステムを画成する。例示的な実施形態では、入口１３８は、一次流路１０６の方向に対して出口１４０の下流に位置決めされ、クリアランス制御システム１００は一次流路１０６の方向と反対の方向で冷却用流路１２８に沿って冷却用空気をチャネリングする。このような構成により、最初に前方部分１１４の後方段を通る冷却用空気のチャネリングを容易にする。これは、後方段が最も熱い部分であり、ケーシング１１２を流れる際に冷却用空気の温度が上昇するためである。代替的には、入口１３８は、一次流路１０６と同じ下流方向においてクリアランス制御システム１００が冷却用空気を冷却用流路１２８に沿ってチャネリングするよう、出口１４０の上流に位置決めされる。
上述の通り、第一の回路１３０及び第二の回路１３６は、それぞれ独立した入口１３２、１３８及び出口１３４、１４０を含むため、回路１３０及び１３６は独立した閉ループ回路となる。別の実施形態では、クリアランス制御システム１００は、回路１３０及び１３６が単一の連続的な閉ループ流路１２８を形成するよう、第一の回路１３０の出口１３４と第二の回路１３６の入口１３８とを結合するダクト１４２（破線で示す）を有する。
図３は、圧縮機クリアランス制御システム１００の第二の回路１３６の冷却用空気流路を示す、圧縮機ケーシング１１２の前方部分１１４の拡大図である。例示的な実施形態では、前方部分１１４は、互いと結合された複数のリング１４４を含む。より具体的には、前方部分１１４は後方フランジ１４８を含む第一のリング１４６、前方フランジ１５２及び後方フランジ１５４を含む第二のリング１５０、及び、前方フランジ１５８を含む第三のリング１５６を有する。例示的な実施形態では、第一のリング１４６の後方フランジ１４８は、後方フランジ１４８及び前方フランジ１５２に形成される整列された開口部（図示せず）中に締め具１６０を挿入することで、隣接する第二のリング１５０の前方フランジ１５２に結合される。同様にして、第二のリング１５０の後方フランジ１５４は、後方フランジ１５４及び前方フランジ１５８に形成される整列された開口部（図示せず）中に締め具１６０を挿入することで、隣接する第三のリング１５６の前方フランジ１５８に結合される。図３では、前方部分１１４が三つのリング１４４を有するとして示されているが、前方部分１１４は、本願に記載するようにクリアランス制御システム１００の動作を容易にする任意の数のリング１４４を含む。
例示的な実施形態では、第一のリング１４６は第一の空洞１６２を含み、第二のリング１５０は第二の空洞１６４を含み、第三のリング１５６は第三の空洞１６６を含む。空洞１６２、１６４、及び、１６６は、ケーシング１１２の半径方向内側表面１２２に近接したそれぞれのリング１４６、１５０、及び、１５６に画成され、組み合わせられることでケーシング１１２を通る流路１２８の一部分を形成する。各空洞１６２、１６４、及び、１６６は、空洞１６２、１６４、及び、１６６内に曲がった路を形成する少なくとも一つの流れ中断特徴１６８を含み、冷却用空気は前方部分１１４の各リング１４６、１５０、及び、１５６の冷却を最適化するよう、所定の時間量にわたって各空洞１６２、１６４、及び、１６６内の流路１２８に沿って流れる。
例示的な実施形態では、第一のリング１４６は、第一の複数の円周方向に離間された入口１７０を含み、第二のリング１５０は第一の複数の円周方向に離間された出口１７２及び第二の複数の円周方向に離間された入口１７４を含み、第三のリング１５６は第二の複数の円周方向に離間された出口１７６を含む。入口１７０は、第一のリング１４６の空洞１６２と流れ連通状態で結合される。同様にして、出口１７６は第三のリング１５６の空洞１６６と流れ連通状態で結合される。入口１７４及び出口１７２は、第二のリング１５０の空洞１６４と流れ連通状態で結合され、その反対側に位置決めされる。例示的な実施形態では、各入口１７０は、第二のリング１５０の空洞１６４内の冷却用空気が第一のリング１４６の空洞１６２にチャネリングされるよう、対応する出口１７２と流れ連通状態で結合される。同様にして、各入口１７４は、第三のリング１５６の空洞１６６内の冷却用空気が第二のリング１５０の空洞１６４にチャネリングされるよう、対応する出口１７６と流れ連通状態で結合される。このように、冷却用空気は、源１２６から入口１３８にチャネリングされ、続いて、出口１４０を通って源１２６に戻るよう排出される前に流路１２８の第二の回路１３６に沿って、空洞１６６、出口１７６、入口１７４、空洞１６４、出口１７２、入口１７０、及び空洞１６２それぞれを順番に通される。
例示的な実施形態では、前方部分１１４のリング１４４は、３Ｄ印刷とも呼ばれる積層造形を用いて製造される。より具体的には、積層造形により、空洞１６２、１６４、及び、１６６は、入口１７０、１７４や出口１７２、１７６と共にケーシング１１２内に形成される。代替的には、リング１４４は、鋳造、機械加工、及び、ＥＤＭ等の任意の製造方法によって製造されるが、これらの方法に制限されない。
図４は、圧縮機クリアランス制御システム１００の第一の回路１３０の冷却用空気流路を示す、圧縮機ケーシング１１２の後方部分１１６の拡大図である。例示的な実施形態では、後方部分１１６は、互いに結合される複数のリング１７８を含む。より具体的には、後方部分１１６は、後方フランジ１８２を含む第一のリング１８０、前方フランジ１８６及び後方フランジ１８８を含む第二のリング１８４、前方フランジ１９２及び後方フランジ１９４を含む第三のリング１９０、及び、前方フランジ１９８を含む第四のリング１９６を有する。例示的な実施形態では、第一のリング１８０の後方フランジ１８２は、後方フランジ１８２及び前方フランジ１８６に形成される整列された開口部（図示せず）中に締め具１６０を挿入することで、隣接する第二のリング１８４の前方フランジ１８６に結合される。同様にして、第二のリング１８４の後方フランジ１８８は、後方フランジ１８８及び前方フランジ１９２に形成される整列された開口部（図示せず）中に締め具１６０を挿入することで、隣接する第三のリング１９０の前方フランジ１９２に結合される。更に、同様にして、第三のリング１９０の後方フランジ１９４は、後方フランジ１９４及び前方フランジ１９８に形成される整列された開口部（図示せず）中に締め具１６０を挿入することで、隣接する第四のリング１９６の前方フランジ１９８に結合される。図４では、後方部分１１６が四つのリング１７８を有するとして示されているが、後方部分１１６は、本願に記載するようにクリアランス制御システム１００の動作を容易にする任意の数のリング１７８を含む。
例示的な実施形態では、第一のリング１８０は第一の空洞２００を含み、第二のリング１８４は第二の空洞２０２を含み、第三のリング１９０は第三の空洞２０４を含み、第四のリング１９６は第四の空洞２０６を含む。空洞２００、２０２、２０４、及び、２０６は、ケーシング１１２の半径方向内側表面１２２に近接したそれぞれのリング１８０、１８４、１９０、及び、１９６に画成され、組み合わせられることでケーシング１１２を通る流路１２８の一部分を形成する。各空洞２００、２０２、２０４、及び、２０６は、空洞２００、２０２、２０４、及び、２０６内に曲がった路を形成する少なくとも一つの流れ中断特徴１６８を含み、冷却用空気は後方部分１１６の各リング１８０、１８４、１９０、及び、１９６の冷却を最適化するよう、所定の時間量にわたって各空洞２００、２０２、２０４、及び、２０６内の流路１２８に沿って流れる。
例示的な実施形態では、第一のリング１８０は、第一の複数の円周方向に離間された入口２０８を含み、第二のリング１８４は、第一の複数の円周方向に離間された出口２１０及び第二の複数の円周方向に離間された入口２１２を含む。同様にして、第三のリング１９０は、第二の複数の円周方向に離間された出口２１４及び第三の複数の円周方向に離間された入口２１６を含み、第四のリング１９６は、第三の複数の円周方向に離間された出口２１８を含む。入口２０８は、第一のリング１８０の空洞２００と流れ連通状態で結合され、出口２１８は、第四のリング１９６の空洞２０６と流れ連通状態で結合される。入口２１２及び出口２１０は、第二のリング１８４の空洞２０２と流れ連通状態で結合され、その反対側に位置決めされ、入口２１６及び出口２１４は、第三のリング１９０の空洞２０４と流れ連通状態で結合され、その反対側に位置決めされる。例示的な実施形態では、各入口２０８は、第二のリング１８４の空洞２０２内の冷却用空気が第一のリング１８０の空洞２００にチャネリングされるよう、対応する出口２１０と流れ連通状態で結合される。同様にして、各入口２１２は、第三のリング１９０の空洞２０４内の冷却用空気が第二のリング１８４の空洞２０２にチャネリングされるよう、第三のリング１９０の対応する出口２１４と流れ連通状態で結合される。更に、各入口２１６は、第四のリング１９６の空洞２０６内の冷却用空気が第三のリング１９０の空洞２０４にチャネリングされるよう、第四のリング１９６の対応する出口２１８と流れ連通状態で結合される。このように、冷却用空気は、源１２６から入口１３２にチャネリングされ、出口１３４を通って源１２６に戻るよう排出される前に、流路１２８の第一の回路１３０に沿って空洞２０６、出口２１８、入口２１６、空洞２０４、出口２１４、入口２１２、空洞２０２、出口２１０、入口２０８、及び、空洞２００それぞれを順番に通される。
例示的な実施形態では、後方部分１１６のリング１７８も、３Ｄ印刷とも呼ばれる積層造形を用いて製造される。より具体的には、積層造形により、空洞２００、２０２、２０４、及び、２０６は、入口２０８、２１２、及び、２１６及び出口２１０、２１４、及び、２１８と共にケーシング１１２内に形成される。
作動中、ロータ動翼先端１２０と圧縮機ケーシング１１２の半径方向内側表面１２２との間に隙間１２４が画成される。本願に記載するように、エンジン１０の効率性を向上させるよう隙間１２４のサイズが最小化される。空気が一次流路１０６に沿って移動してその圧力が増加すると、その温度も上昇する。熱エネルギーの少なくとも一部分は、圧縮機ケーシング１１２に伝達され、それにより、ケーシング１１２は熱膨張され得る。何の措置も講じられない場合、ケーシング１１２の熱膨張によりロータ動翼先端１２０と半径方向内側表面１２２との間の隙間１２４のサイズが結果として増大し、エンジン１０の効率が低下する。
例示的な実施形態では、クリアランス制御システム１００は、ケーシング１１２の半径方向内側部分に画成される流路１２８に沿って冷却用気流をチャネリングして、ケーシング１１２の冷却や熱膨張の最小化又は防止を容易にし、エンジン１０の効率性を向上させる。冷却用空気は、低温低圧空気の源１２６から得られ、ケーシング１１２中をチャネリングされ、源１２６に戻るよう排出されるため、圧縮機１４内に閉ループシステムが画成される。例えば、高圧力のブリード空気ではなくこのような空気を使用すると、エンジン１０の効率性が低くなる。
本願記載の例示的なシステム及び方法は、公知の圧縮機ケーシングの少なくとも幾つかの欠点を克服する。更に、本願記載のシステム及び方法は、圧縮機ケーシングの半径方向内方部分に画成される冷却用空気流路を含む。より具体的には、流路は、圧縮機ケーシングを通るよう低温低圧空気をチャネリングし、一次流路内の比較的高い温度の気流に近接したケーシングの部分を冷却する。このように、圧縮機ケーシングの熱膨張は減少されるか防止され、ロータ動翼先端とケーシングの半径方向内側表面との間に画成される隙間のサイズは最小に制御される。
上述の圧縮機クリアランス制御システムの技術的効果は隙間の最小化にあり、これにより全体的なエンジン効率性が向上される。更に、クリアランス制御システムは、ファン組立体及び／又はバイパスダクトからの低温低圧空気を使用してケーシング中をチャネリングする。システムが閉じているため、冷却回路への又は冷却回路からの漏れが最小化される。これにより、低温低圧冷却用空気の使用が可能になる。一次流路からのブリード空気を使用しないことにより、比較的多くの空気が一次流路を通ってチャネリングされ、エンジンの効率性が向上される。
圧縮機クリアランス制御システムの例示的な実施形態は、詳細に上述している。圧縮機クリアランス制御システム、及び、このようなシステムや装置を動作する方法は、本願記載の特定の実施形態に制限されず、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本願記載の他の構成要素及び／又はステップとは独立して且つ別個に利用され得る。例えば、該方法は、冷却システムを必要とする他のシステムと組み合わせて使用されてもよく、本願に記載するようなタービンエンジンシステム及び方法だけとの実施に制限されない。
本発明の様々な実施形態の特定の特徴を示す図面もあれば、示さない図面もあるが、これは、便宜上のためのみである。本発明の原理により、図面の任意の特徴が任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照されてもよく及び／又は請求されてもよい。
記載したこの記述は、例を用いて、最良の形態を含むこの発明を開示して、かつ、いかなる当業者に対しても、任意の装置またはシステムを作成し用いることおよび任意の統合された方法を実行することを含んだこの発明の実施をすることができるようにもする。特許を受けることができるこの発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含みうる。そうした他の実施例は、特許請求の範囲の字義どおりの用語と異なるものではない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義どおりの用語と実体のない差異をもつ同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
圧縮機クリアランス制御システムであって、
冷却用空気源と、
圧縮機を包囲する圧縮機ケーシングと、
前記圧縮機ケーシング中に画成される冷却用空気流路であって、前記流路は、前記圧縮機内に閉ループを画成するよう、前記冷却用空気源から冷却用空気を受けるよう構成される入口、及び、前記冷却用空気を排出するよう構成される出口を含む、冷却用空気流路を備える圧縮機クリアランス制御システム。
［実施態様２］
前記圧縮機ケーシングは、互いに結合される複数のリングを有し、前記複数のリングの各リングは前記流路を少なくとも部分的に画成する空洞を有する、実施態様１記載のシステム。
［実施態様３］
前記複数のリングの各リングは、前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された入口、及び、前記複数の入口の反対側で前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された出口の少なくとも一方を有する、実施態様２記載のシステム。
［実施態様４］
前記複数の入口、前記複数の出口、及び、前記空洞が前記流路を画成するよう、前記複数の入口の少なくとも一つの入口は隣接するリングの前記複数の出口のうちの対応する出口と流れ連通状態で結合される、実施態様３記載のシステム。
［実施態様５］
前記圧縮機ケーシングは、後方部分及び前方部分を有し、前記流路は前記後方部分中を流れる第一の回路及び前記前方部分中を流れる第二の回路を有する、実施態様１記載のシステム。
［実施態様６］
前記第一の回路及び前記第二の回路の各回路は、前記第一の回路及び前記第二の回路それぞれが前記圧縮機内に閉ループを有するよう、前記冷却用空気源と流れ連通状態にある独立した入口及び独立した出口を有する、_Ref432920248実施態様５記載のシステム。
［実施態様７］
前記第一の回路は前記第二の回路の入口と流れ連通状態で結合される出口を有する、実施態様５記載のシステム。
［実施態様８］
前記入口は、冷却用空気が一次流路の方向と反対の第一の方向に移動するよう、前記出口の軸方向下流に位置決めされる、実施態様１記載のシステム。
［実施態様９］
前記流路は一次流路に近接して前記圧縮機ケーシングの半径方向内側部分に形成される、実施態様１記載のシステム。
［実施態様１０］
前記冷却用空気源はバイパス空気及びファン空気の少なくとも一方を有する、実施態様１記載のシステム。
［実施態様１１］
ガスタービンエンジンであって
回転部品と、
前記回転部品から半径方向外方に位置決めされ、前記回転部品との間に一次流路を形成する静止部品と、
冷却用空気源と、
前記静止部品中に画成される冷却用空気流路であって、前記一次流路に近接して位置決めされ、前記冷却用空気源からの冷却用空気をチャネリングして前記静止部品の冷却を容易にするよう構成される冷却用空気流路と、を備えるガスタービンエンジン。
［実施態様１２］
前記冷却用空気流路は、前記静止部品内に閉ループを画成するよう、前記冷却用空気源からの冷却用空気を受けるよう構成される入口、及び、前記冷却用空気源に前記冷却用空気を排出するよう構成される出口を含む、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１３］
前記静止部品は、互いに結合される複数のリングを有し、前記複数のリングの各リングは前記冷却用空気流路を少なくとも部分的に画成する空洞を有し、前記複数のリングの各リングは前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された入口、及び、前記複数の入口の反対側で前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された出口の少なくとも一方を有する、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１４］
前記複数の入口、前記複数の出口、及び前記空洞が前記冷却用空気流路を画成するよう、前記複数の入口の少なくとも一つの入口は隣接するリングの前記複数の出口のうちの対応する出口と流れ連通状態で結合される、実施態様１３記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１５］
前記静止部品は後方部分及び前方部分を有し、前記流路は前記後方部分中を流れる第一の回路及び前記前方部分中を流れる第二の回路を有し、前記第一の回路及び前記第二の回路の各回路は、前記第一の回路及び前記第二の回路それぞれが前記静止部品内に閉ループを有するよう、前記冷却用空気源と流れ連通状態にある独立した入口及び独立した出口を有する、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１６］
前記静止部品は後方部分及び前方部分を有し、前記冷却用空気流路は前記後方部分中を流れる第一の回路及び前記前方部分中を流れる第二の回路を有し、前記第一の回路は前記第二の回路の入口と流れ連通状態で結合される出口を有する、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１７］
ガスタービンエンジンを組み立てる方法であって、
回転部品から半径方向外方に静止部品を結合して、前記回転部品との間に一次流路を画成し、
冷却用空気源を前記静止部品と流れ連通状態で結合し、
前記一次流路に近接して前記静止部品に冷却用空気流路を形成し、
前記冷却用空気源を前記冷却用空気流路と流れ連通状態で結合して前記流路を通って冷却用空気をチャネリングし、前記静止部品の冷却を容易にすることを含み、前記冷却用空気源と前記冷却用空気流路は前記静止部品内に閉ループを画成する、方法。
［実施態様１８］
前記冷却用空気流路を形成することは、積層造形を用いて前記冷却用空気流路を形成することを含む、実施態様１７記載の方法。_Ref186119820
［実施態様１９］
前記静止部品を結合することは、前記回転部品から半径方向外方に複数のリングを結合することを含み、_Ref41746131_Ref94268081_Ref110837770前記冷却用空気流路を形成することは複数の円周方向に離間された入口及び複数の円周方向に離間された出口の少なくとも一方、及び、その間の空洞を各リングに形成することを含む、実施態様１７記載の方法。
［実施態様２０］
前記複数のリングを結合することは、第一のリングの各入口が隣接する第二のリングの対応する出口と流れ連通状態で結合されるよう前記複数のリングを結合することを含み、前記複数の入口、前記複数の出口、及び、前記空洞は前記冷却用空気流路を画成する、実施態様１９記載の方法。
［実施態様１］
圧縮機クリアランス制御システムであって、
冷却用空気源と、
圧縮機を包囲する圧縮機ケーシングと、
前記圧縮機ケーシング中に画成される冷却用空気流路であって、前記流路は、前記圧縮機内に閉ループを画成するよう、前記冷却用空気源から冷却用空気を受けるよう構成される入口、及び、前記冷却用空気を排出するよう構成される出口を含む、冷却用空気流路を備える圧縮機クリアランス制御システム。
［実施態様２］
前記圧縮機ケーシングは、互いに結合される複数のリングを有し、前記複数のリングの各リングは前記流路を少なくとも部分的に画成する空洞を有する、実施態様１記載のシステム。
［実施態様３］
前記複数のリングの各リングは、前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された入口、及び、前記複数の入口の反対側で前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された出口の少なくとも一方を有する、実施態様２記載のシステム。
［実施態様４］
前記複数の入口、前記複数の出口、及び、前記空洞が前記流路を画成するよう、前記複数の入口の少なくとも一つの入口は隣接するリングの前記複数の出口のうちの対応する出口と流れ連通状態で結合される、実施態様３記載のシステム。
［実施態様５］
前記圧縮機ケーシングは、後方部分及び前方部分を有し、前記流路は前記後方部分中を流れる第一の回路及び前記前方部分中を流れる第二の回路を有する、実施態様１記載のシステム。
［実施態様６］
前記第一の回路及び前記第二の回路の各回路は、前記第一の回路及び前記第二の回路それぞれが前記圧縮機内に閉ループを有するよう、前記冷却用空気源と流れ連通状態にある独立した入口及び独立した出口を有する、_Ref432920248実施態様５記載のシステム。
［実施態様７］
前記第一の回路は前記第二の回路の入口と流れ連通状態で結合される出口を有する、実施態様５記載のシステム。
［実施態様８］
前記入口は、冷却用空気が一次流路の方向と反対の第一の方向に移動するよう、前記出口の軸方向下流に位置決めされる、実施態様１記載のシステム。
［実施態様９］
前記流路は一次流路に近接して前記圧縮機ケーシングの半径方向内側部分に形成される、実施態様１記載のシステム。
［実施態様１０］
前記冷却用空気源はバイパス空気及びファン空気の少なくとも一方を有する、実施態様１記載のシステム。
［実施態様１１］
ガスタービンエンジンであって
回転部品と、
前記回転部品から半径方向外方に位置決めされ、前記回転部品との間に一次流路を形成する静止部品と、
冷却用空気源と、
前記静止部品中に画成される冷却用空気流路であって、前記一次流路に近接して位置決めされ、前記冷却用空気源からの冷却用空気をチャネリングして前記静止部品の冷却を容易にするよう構成される冷却用空気流路と、を備えるガスタービンエンジン。
［実施態様１２］
前記冷却用空気流路は、前記静止部品内に閉ループを画成するよう、前記冷却用空気源からの冷却用空気を受けるよう構成される入口、及び、前記冷却用空気源に前記冷却用空気を排出するよう構成される出口を含む、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１３］
前記静止部品は、互いに結合される複数のリングを有し、前記複数のリングの各リングは前記冷却用空気流路を少なくとも部分的に画成する空洞を有し、前記複数のリングの各リングは前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された入口、及び、前記複数の入口の反対側で前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された出口の少なくとも一方を有する、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１４］
前記複数の入口、前記複数の出口、及び前記空洞が前記冷却用空気流路を画成するよう、前記複数の入口の少なくとも一つの入口は隣接するリングの前記複数の出口のうちの対応する出口と流れ連通状態で結合される、実施態様１３記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１５］
前記静止部品は後方部分及び前方部分を有し、前記流路は前記後方部分中を流れる第一の回路及び前記前方部分中を流れる第二の回路を有し、前記第一の回路及び前記第二の回路の各回路は、前記第一の回路及び前記第二の回路それぞれが前記静止部品内に閉ループを有するよう、前記冷却用空気源と流れ連通状態にある独立した入口及び独立した出口を有する、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１６］
前記静止部品は後方部分及び前方部分を有し、前記冷却用空気流路は前記後方部分中を流れる第一の回路及び前記前方部分中を流れる第二の回路を有し、前記第一の回路は前記第二の回路の入口と流れ連通状態で結合される出口を有する、実施態様１１記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１７］
ガスタービンエンジンを組み立てる方法であって、
回転部品から半径方向外方に静止部品を結合して、前記回転部品との間に一次流路を画成し、
冷却用空気源を前記静止部品と流れ連通状態で結合し、
前記一次流路に近接して前記静止部品に冷却用空気流路を形成し、
前記冷却用空気源を前記冷却用空気流路と流れ連通状態で結合して前記流路を通って冷却用空気をチャネリングし、前記静止部品の冷却を容易にすることを含み、前記冷却用空気源と前記冷却用空気流路は前記静止部品内に閉ループを画成する、方法。
［実施態様１８］
前記冷却用空気流路を形成することは、積層造形を用いて前記冷却用空気流路を形成することを含む、実施態様１７記載の方法。_Ref186119820
［実施態様１９］
前記静止部品を結合することは、前記回転部品から半径方向外方に複数のリングを結合することを含み、_Ref41746131_Ref94268081_Ref110837770前記冷却用空気流路を形成することは複数の円周方向に離間された入口及び複数の円周方向に離間された出口の少なくとも一方、及び、その間の空洞を各リングに形成することを含む、実施態様１７記載の方法。
［実施態様２０］
前記複数のリングを結合することは、第一のリングの各入口が隣接する第二のリングの対応する出口と流れ連通状態で結合されるよう前記複数のリングを結合することを含み、前記複数の入口、前記複数の出口、及び、前記空洞は前記冷却用空気流路を画成する、実施態様１９記載の方法。
１０ ガスタービンエンジン組立体
１２ ファン組立体
１３ コアガスタービンエンジン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２４ ファン動翼
２６ ロータディスク
２８ 吸入側
３０ 排出側
４０ バイパスダクト
４２ ファンケーシング又はシュラウド
４３ 内壁
４４ スプリッタ
４５ 外壁
４８ ファン空気
５０ 第一の部分
５２ 第二の部分
１００ クリアランス制御システム
１０２ 回転組立体
１０４ 静止組立体
１０６ 一次流路
１０８ ロータディスク
１１０ ロータ動翼
１１２ ケーシング
１１４ 前方部分
１１６ 後方部分
１１８ ステータ静翼
１２０ ロータ動翼先端
１２２ 半径方向内側表面
１２４ 隙間
１２６ 空気源
１２８ 冷却用流路
１３０ 第一の回路
１３２ 入口
１３４ 出口
１３６ 第二の回路
１３８ 入口
１４０ 出口
１４２ ダクト
１４４ 複数のリング
１４６ 第一のリング
１４８ 後方フランジ
１５０ 第二のリング
１５２ 前方フランジ
１５４ 後方フランジ
１５６ 第三のリング
１５８ 前方フランジ
１６０ 締め具
１６２ 第一の空洞
１６４ 第二の空洞
１６６ 第三の空洞
１６８ 流れ中断特徴
１７０ 入口
１７２ 出口
１７４ 入口
１７６ 出口
１７８ 複数のリング
１８０ 第一のリング
１８２ 後方フランジ
１８４ 第二のリング
１８６ 前方フランジ
１８８ 後方フランジ
１９０ 第三のリング
１９２ 前方フランジ
１９４ 後方フランジ
１９６ 第四のリング
１９８ 前方フランジ
２００ 第一の空洞
２０２ 第二の空洞
２０４ 第三の空洞
２０６ 第四の空洞
２０８ 入口
２１０ 出口
２１２ 入口
２１４ 出口
２１６ 入口
２１８ 出口
１２ ファン組立体
１３ コアガスタービンエンジン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２４ ファン動翼
２６ ロータディスク
２８ 吸入側
３０ 排出側
４０ バイパスダクト
４２ ファンケーシング又はシュラウド
４３ 内壁
４４ スプリッタ
４５ 外壁
４８ ファン空気
５０ 第一の部分
５２ 第二の部分
１００ クリアランス制御システム
１０２ 回転組立体
１０４ 静止組立体
１０６ 一次流路
１０８ ロータディスク
１１０ ロータ動翼
１１２ ケーシング
１１４ 前方部分
１１６ 後方部分
１１８ ステータ静翼
１２０ ロータ動翼先端
１２２ 半径方向内側表面
１２４ 隙間
１２６ 空気源
１２８ 冷却用流路
１３０ 第一の回路
１３２ 入口
１３４ 出口
１３６ 第二の回路
１３８ 入口
１４０ 出口
１４２ ダクト
１４４ 複数のリング
１４６ 第一のリング
１４８ 後方フランジ
１５０ 第二のリング
１５２ 前方フランジ
１５４ 後方フランジ
１５６ 第三のリング
１５８ 前方フランジ
１６０ 締め具
１６２ 第一の空洞
１６４ 第二の空洞
１６６ 第三の空洞
１６８ 流れ中断特徴
１７０ 入口
１７２ 出口
１７４ 入口
１７６ 出口
１７８ 複数のリング
１８０ 第一のリング
１８２ 後方フランジ
１８４ 第二のリング
１８６ 前方フランジ
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１９０ 第三のリング
１９２ 前方フランジ
１９４ 後方フランジ
１９６ 第四のリング
１９８ 前方フランジ
２００ 第一の空洞
２０２ 第二の空洞
２０４ 第三の空洞
２０６ 第四の空洞
２０８ 入口
２１０ 出口
２１２ 入口
２１４ 出口
２１６ 入口
２１８ 出口
Claims (10)
- 圧縮機クリアランス制御システム（１００）であって、
冷却用空気源（１２６）と、
圧縮機（１４，１０４）を包囲する圧縮機ケーシング（１１２）と、
前記圧縮機ケーシング中に画成される冷却用空気流路（１２８）であって、前記流路は、前記圧縮機内に閉ループを画成するよう、前記冷却用空気源から冷却用空気を受けるよう構成される入口（１３２）、及び、前記冷却用空気を排出するよう構成される出口（１４０）を含む、冷却用空気流路と
を備えるシステム。 - 前記圧縮機ケーシング（１１２）は、互いに結合される複数のリング（１４８，１５０，１５６）を有し、前記複数のリングの各リングは前記流路を少なくとも部分的に画成する空洞（１６２，１６４，１６６）を有する、請求項１記載のシステム（１００）。
- 前記複数のリングの各リング（１４８，１５０，１５６）は、前記空洞（１６２，１６４，１６６）と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された入口（１７０，１７４）、及び、前記複数の入口の反対側で前記空洞と流れ連通状態で結合される複数の円周方向に離間された出口（１７２，１７６）の少なくとも一方を有する、請求項２記載のシステム（１００）。
- 前記複数の入口、前記複数の出口、及び、前記空洞が前記流路（１２８）を画成するよう、前記複数の入口の少なくとも一つの入口（１７０，１７４）は隣接するリング（１４８，１５０，１５６）の前記複数の出口のうちの対応する出口（１７２，１７６）と流れ連通状態で結合される、請求項３記載のシステム（１００）。
- 前記圧縮機ケーシング（１１２）は、後方部分（１１６）及び前方部分（１１４）を有し、前記流路（１２８）は前記後方部分中を流れる第一の回路（１３０）及び前記前方部分中を流れる第二の回路（１３６）を有する、請求項１記載のシステム（１００）。
- 前記第一の回路及び前記第二の回路の各回路（１３０，１３６）は、前記第一の回路及び前記第二の回路それぞれが前記圧縮機（１４，１０４）内に閉ループを有するよう、前記冷却用空気源（１２６）と流れ連通状態にある独立した入口（１３２，１３８）及び独立した出口（１３４，１４０）を有する、請求項５記載のシステム（１００）。
- 前記第一の回路（１３０）は前記第二の回路（１３６）の入口（１３８）と流れ連通状態で結合される出口（１３４）を有する、請求項５記載のシステム（１００）。
- 前記入口（１３２）は、冷却用空気が一次流路（１０６）の方向と反対の第一の方向に移動するよう、前記出口（１４０）の軸方向下流に位置決めされる、請求項１記載のシステム（１００）。
- 前記流路（１２８）は一次流路（１０６）に近接して前記圧縮機ケーシング（１１２）の半径方向内側部分（１２２）に形成される、請求項１記載のシステム（１００）。
- 前記冷却用空気源（１２６）はバイパス空気（４８，５２）及びファン空気（４８，５０）の少なくとも一方を有する、請求項１記載のシステム（１００）。
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| US14/970,968 US10738791B2 (en) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | Active high pressure compressor clearance control |
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