JP5615808B2 - 可動ブレードの径方向の隙間を制御するためのハウジングの取付けが改善されたタービンエンジン用の高圧タービン - Google Patents

Description

本発明は、航空機のターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械の高圧タービンに関する。

ターボ機械の高圧タービンは、環状に並んだ固定案内翼から形成されたディストリビュータと、ディストリビュータの下流側において、端同士を接して円周方向に配置されたリングセクタを円筒形または先細りの切頭円錐形に組み立てて回転自在に取り付けられた羽根車(bladed wheel)とを含む少なくとも1つの段を備える。これらのリングセクタは、前端および後端で環状支持体に取り付ける手段を備え、その環状支持体はタービンの外側ケーシングに固定される。

羽根車の可動ブレードとリングセクタとの間の径方向の隙間は、ブレードの端部とリングセクタとの間の摩擦を避けながらターボ機械の効率を改善するために最小にしなければならない。こうした摩擦があると、これらの端部で磨耗を引き起こし、全ての稼働状況下でターボ機械の効率を低下させることになる。

径方向の隙間を最小限に抑えるように固定リングの周りに設置した環状クラウンの使用が既に開示されており、その環状クラウンを通してターボ機械の他の部分から空気が流れる。したがって、流れる空気は、固定リングの外面上に噴射され、固定リングを熱膨張または熱収縮させ、したがってその直径が変わる。熱膨張および熱収縮は、タービンの動作速度に応じてバルブによって制御され、ダクトに入る空気の流れおよび温度を制御するためにそのバルブを制御することができる。ダクトおよびバルブから構成されたアセンブリは、通常、ブレード翼端隙間コントロールボックスと呼ばれる。

したがって、本出願人は、噴射空気によって効率的かつ均一に冷却できるため特に性能が高いコントロールボックスを開示する特許出願１を提示している。

図1および図1Aに、ターボ機械高圧タービンの外側ケーシング上にあるコントロールボックスアセンブリの一例を示す。これらの図に、ねじリング45によって、直径に沿って正反対の2つの点でタービン10の外側ケーシング22に固定されたコントロールボックス40の壁400を示す。

発明者らは、高圧タービンを備えるターボ機械の動作中に、コントロールボックスに振動が生じ、その振動によりその取付け点に損傷が生じる虞があることを観察した。その取付け点にクラックが生じるリスクがある。

FR2865237

本発明の目的は、ターボ機械の高圧タービンの動作中に、外側ケーシングへのコントロールボックスの取付け点で負荷を乱すのを防止する解決策を開示することである。

これを実現するために、本発明の目的は、
- 外側ケーシングと、
- 環状に並んだ固定案内翼から形成された少なくとも1つのディストリビュータと、
- ディストリビュータの下流側に回転自在に設置された羽根車と、
- 回転ブレードの周囲に配置されたリングを形成するアセンブリと、
- 回転ブレードの翼端とリングとの間の径方向の隙間を制御するデバイスであって、穿孔した環状ヘッダを支持する、かつ互いにある距離だけ離間された少なくとも2つの点において外側ケーシングに固定されたコントロールボックスを備えるデバイスと、
- リングを支持し、外側ケーシングに固定された環状支持体と
を備えるターボ機械用の高圧タービンにおいて、
一方の端部が環状支持体に固定され、他方の端部が、コントロールボックスの上流側で、所与の圧力で単純な軸方向の支承部によって支持された、所定の可撓性を有する環状の要素をさらに備え、所定の可撓性を有し所与の圧力で支承する環状の要素が、このようにしてターボ機械の動作中に発生するボックスの振動の少なくとも一部のための緩衝装置を形成することを特徴とする、ターボ機械用の高圧タービンである。

本発明で使用できるコントロールボックスの有利な一例が、特許出願１に記載の実施形態で開示されている。したがって、この先行出願の内容全体が本出願に包含される。

本発明によれば、ターボ機械の励起モードで生成するボックスの振動エネルギーは、追加の環状の要素が湾曲することにより、軸方向の支承部における摩擦とコントロールボックスの制動との組み合わせによって放散される。

これにより、取付け点に生じるクラックのリスクが避けられて、いくらかの振動負荷が危険ではない状態になる。

言い換えると、本発明による緩衝要素は、有害な振動モードの発達を阻害する。

したがって、コントロールボックスの耐用年数が改善される。

一実施形態によれば、環状の緩衝要素は、金属プレートを機械加工または成形して作製した金属部分である。

有利には、環状の緩衝要素の形状は、連続したクラウンから構成され、そのクラウンは、環状支持体に固定され、クラウンから傾斜した、等間隔に離間された同一で複数のブレードによって延びており、それらのブレードの湾曲した端部は、ボックスの上流側との圧力支承部を形成する。

好ましくは、環状の緩衝要素のブレードの数は18の倍数に等しい。いくつかの研究により、直径0.680mの円周に沿って等間隔に分配された例えば72枚のブレードを用いると、この選択は完璧に満足するものになることが示されている。

有利な変形の一実施形態によれば、コントロールボックスおよび環状の緩衝要素は、同じ材料から作られる。

別の変形体によれば、耐磨耗材料が、緩衝要素とボックスの上流側との間の支承領域に挿入され、そのため、摩擦による緩衝装置またはボックスの磨耗が低減される。層状の耐磨耗材料は、好ましくは、緩衝要素との支承領域のボックスの上流側に配置される。

変形の一実施形態によれば、環状の緩衝要素は、少なくとも2つの角度セクタから構成され、それらの角度セクタは、端部同士が固定されて、緩衝装置の完全な環状の形状が形成される。したがって、緩衝要素は、好ましくは、2つ、6つ、または18個の角度セクタから構成され、それらの角度セクタは、端部同士が固定されて、緩衝装置の完全な環状の形状が形成される。

好ましくは、環状の緩衝要素は、軸方向のスペーサストップも取り付けるスクリュによって環状支持体に固定される。これらの部品は、通常、ストッププレートと呼ばれる。

金属部分は、等間隔に配置され、クラウンセクタに関して傾斜した、同一で複数のブレードによって延びる連続したクラウンの少なくとも1つの角度セクタを構成することができ、それらのブレードの端部は湾曲している。

最後に、本発明は、上記で説明したような高圧タービンを備えるターボ機械にも関する。

本発明の他の利点および特徴は、以下の図を参照しながら一例として与えられる詳細な説明を読んだ後で明らかになるであろう。

外側ケーシングへのコントロールボックスの取付け点におけるターボジェット高圧タービンの概略断面図である。 外側ケーシングに取り付けられたコントロールボックスの取付けゾーンを示す図1の詳細図である。 本発明によるターボジェット高圧タービンの長手方向概略部分半断面図である。 本発明による緩衝要素の詳細斜視図である。 外側ケーシングへのコントロールボックスの取付け点に設けられた本発明による高圧タービンの部分断面斜視図である。

図1に、高圧タービン10がターボ機械の燃焼室12の下流側かつ低圧タービン14の上流側に配置された、航空機のターボジェットまたはターボプロップなどのターボ機械の一部分を概略的に示す。

燃焼室12は回転式の外壁50を備え、その回転式の外壁50はその下流端で、先細りの切頭壁58(tapered and truncated wall)の径方向内側の端部に連結される。切頭壁58は、径方向外側の端部に径方向外側の環状フランジ60を備え、その環状フランジ60を使用して、燃焼室の外側ケーシング64上で対応する環状フランジ62に切頭壁58を取り付ける。

高圧タービン10は単一のタービン段を備え、そのタービン段には、環状に並んだ固定案内翼から形成されたディストリビュータ16、およびディストリビュータ16の下流側で回転自在に適合された羽根車18がある。

低圧タービン14はいくつかのタービン段を備え、これらの段もそれぞれ、ディストリビュータおよび羽根車を備える。図1では、上流の高圧段のディストリビュータ16のみを見ることができる。

高圧タービンの羽根車18は、リングセクタ20のほぼ円筒形のアセンブリの内側で回転し、それらのリングセクタ20は、端同士を接して円周方向に配置され、環状支持体24を介して外側のタービンケーシング22から吊設される。この環状支持体24は、リングセクタ20をその内周に取り付ける手段26を備え、壁28を含む。その壁28は、外側で上流方向に延在し、径方向外側の端部でタービンの外側ケーシング22を取り付けるための径方向外側のフランジ30に連結される。フランジ60は、フランジ30とタービンケーシング22のフランジ62との間で軸方向に挿入され、適切なスクリュナット手段7によって軸方向にこれらのフランジの間にクランプ留めされる。

環状支持体24は、その内周に、上流および下流の径方向の、2つの環状の壁34、36をそれぞれ備え、それらの壁34、36は、円筒形の壁38を介して互いに連結されている。径方向の壁34、36は、それらの径方向内側の端部で下流に向いた円筒形のリム90を備え、それらのリムは、リングセクタ20の下流および上流の端部で適合された円周のフック92,94と協働する。断面がC字形の環状ロックデバイス96が、支持体の下流にある円筒形リム90の下流端で、かつリングセクタの下流のフック94上で、アセンブリをロックするように軸方向に係合する。

環状支持体24の壁28および燃焼室の先細りの切頭壁58は、環状の封じ込め部分80を画定し、その封じ込め部分80には、先細りの切頭壁58に形成されたオリフィス82を通して循環空気および冷却空気が供給される。封じ込め部分80と環状空隙86との間に流体連絡を作り出して、環状支持体の円筒形の壁38によって外側で境界が定められたリングセクタ20を冷却するために、環状支持体24の上流の径方向の壁34に、図示していないオリフィスが形成される。

ディストリビュータの外壁66は、その上流端および下流端にそれぞれ環状の溝74を備え、それらの溝74は、径方向外側に向かって開いている。それらの溝74に環状のシールパッキン76が収容され、シールパッキン76は、ガスがタービンの流れから径方向外側に外壁66を通過するのを防止し、逆に、空気が封じ込め部分80から径方向内側にタービン流れの中に通るのを防止するように、先細りの切頭壁58上および環状支持体24の上流径方向の壁34上にそれぞれ形成された円筒形のリブ78と協働する。

可動ブレード18の翼端とリング20との間の径方向の隙間も、タービンの効率を上げるために最小限に抑えなければならない。

したがって、隙間を制御するために追加のデバイスDを設ける。このデバイスDは、円形のコントロールボックス40を備え、そのコントロールボックス40は、固定リング20、より厳密には環状支持体24を囲む。

ターボ機械の可動速度に応じて、コントロールボックス40は、環状支持体24の上流のリブ240および下流のリブ242に空気を吹き付けることによってこれらのリブを冷却または加熱するように設計される。環状支持体24は、こうした空気が環状支持体24に接触するときに収縮または膨張し、それにより、ブレード翼端18での隙間を変化させるように、タービンの固定リングセグメント20の直径が縮小または拡大する。

コントロールボックス40は、固定リングアセンブリの環状支持体24を囲む少なくとも3つの環状空気循環ヘッダ41、42、および43を支持する。これらのヘッダは、軸方向に互いに間隔をあけて配置され、互いにほぼ平行である。これらのヘッダは、各リブ240、242の側面の各面にそれぞれ配置され、これらのリブの形状にほぼ一致する。

コントロールボックス40は、空気循環ヘッダ41、42、および43に空気を供給する、図示していない空気収集チューブも備える。その空気収集チューブは、ヘッダ41、42、および43を囲み、空気ダクト44を通してそれらに空気を供給する。

例示の実施形態では、こうしたコントロールボックス40は、互いにクランプ留めされた半分のシェル2つから構成され、直径に沿って正反対の2つの点(図1)において、ねじリング45によって外側ケーシング22に固定される。

発明者らは、上記で説明した高圧タービン10を備えるターボ機械の動作中に、取付け点45に生じるクラックのリスクがある可能性があることを観察している。発明者らは、これは、コントロールボックス40がその取付け点45で損傷が生じる虞がある有害な振動を受けることによるものであると実証している。

図1および図1Aに、取付け孔46の近傍に生じるクラックのリスクがある正確なゾーンZを表す楕円の輪郭を概略的に示す。

本発明は、コントロールボックス40から上流に(図2および図4)、環状支持体24および外側ケーシング22で境界を定められた空隙の内側に、所定の可撓性を有する環状の要素5を設置することによってこうしたクラックのリスクを軽減する。

要素5は、その一方の端部51が、スクリュ/ナットシステム29によって環状支持体24に固定され、他方の端部52が、コントロールボックス40の上流部分401と接触して、所与の圧力で単純に軸方向に支承される。

したがって、所与の圧力で支承する、所定の可撓性を有するこの環状の要素5は、タービンの動作中に生成されるコントロールボックス40の振動の少なくとも一部に対する緩衝装置を形成する。

したがって、本発明に従って提供されるダンピングは、ターボ機械の動作中に環状の要素がその端部51、52間で湾曲することにより、軸方向の支承部52における摩擦とコントロールボックス40の制動の組み合わせによってターボ機械の動作中に発生するボックス40の振動からエネルギーを放散する手段である。言い換えると、緩衝要素5は、ヘッダ41、42、および43のエネルギー放散およびダイナミックダンピングを改善し、それにより回転ブレード18の径方向の隙間を制御する。

このように設けられた緩衝要素5は、外側ケーシングへのコントロールボックス40の取付け方(図4)を変える必要なしにコントロールボックス40からの機械振動負荷を避ける。

例示の実施形態では、緩衝要素5を形成する角度セクタはそれぞれ、プレートを形成することによって得られる金属部分である。

図3に示すように、緩衝要素5の形状は連続したクラウン51から構成され、そのクラウン51は、環状支持体に固定され、クラウン51に関して傾斜した、等間隔に配置された同一で複数のブレード510によって延びている。それらのブレード510の湾曲した端部52は、ボックスの上流部分401との圧力支承部を形成する。ボックスの上流部分で圧力支承部を作るこれらのブレード510は、例えば、連続した2つのブレード510の間の空間53によって図示する「のこ歯」タイプの機械加工によって、連続した金属部分から作ることができる。必要に応じて、特に、ボックス上で得られる所与の支承圧力に応じて、作られるのこ歯の幅を変えることによって、周囲全体に沿ったブレード510の数を変更することができる。緩衝要素5のブレードの数は18の倍数に等しい。例えば、72枚に等しいブレードの数が望ましい。36または144枚のブレードを用いることもできる。コントロールボックス40および緩衝要素5は、好ましくは、同じ材料から作られ、その材料はHastelloy(登録商標)Xタイプ合金でもよい。

相互の摩擦においてコントロールボックス40または緩衝要素5の磨耗が早まることを防止し、摩擦によるエネルギーの放散を改善するように、緩衝要素5とボックス40の上流部分401との間の支承ゾーン52で耐磨耗材料を挿入することが好ましい。CoCrAlYSiを含むTribaloy(登録商標)800またはTribaloy(登録商標)800タイプの合金を使用することもできる。挿入する材料は、有利には、緩衝要素5との支承ゾーン52のボックス40の上流部分401上に配置された層状の耐磨耗材料でもよい。このようにしてラフに配置すると、摩擦係数が変更され、エネルギーの放散が改善される。

緩衝要素5は、少なくとも2つの角度セクタから構成され、それらの角度セクタは、端部同士が固定され、緩衝装置の完全な環状の形状が形成される。最少の2つの角度セクタが、取付け領域51で生じる、高圧タービンの環状支持体24とのアセンブリおよび膨張の制約の差を満足させる。角度セクタの数は自由に増やすことができる。例えば、端部同士が固定され緩衝装置の完全な環状の形状を作る2つ、6つ、または18個の角度セクタでよい。スペーサの軸方向のストップ部品88を取り付けるためにも使用されるスクリュ/ナット29によって各セクタを環状支持体に取り付けることができるので、18が同一の角度セクタの特に有利な数である。これらの部品は、通常、ストッププレートと呼ばれる。

したがって、本発明によれば、角度セクタの数およびブレードの数は、セクタを同一にすることができるようにスクリュの数の倍数でなければならない。

したがって、本発明は緩衝要素を固定する追加の手段を必要としないので、軸方向のストップ部品を固定するために現行のスクリュ/ナットシステム29によって取り付けることができる角度セクタによって角度セクタを作る手段が有利である。

上記で説明した本発明は、緩衝要素が：
- 作製が容易であり(容易に組み立てられる金属部分5)、
- 環境を変えずに(他の部品を固定するために既に提供されているスクリュ/ナットを用いて、外側ケーシング22と環状支持体の間の現行の構造上の空隙中にその部分を固定する、コントロールボックスの固定方法に変更がない)現行の高圧タービンに適合可能であることによって、
コントロールボックスがその上に適合されるターボ機械の動作中に、そのコントロールボックスに加えられる有害な機械的負荷の問題を解決するので有利である。

5 環状の要素
7 スクリュナット手段
10 高圧タービン
12 燃焼室
14 低圧タービン
16 ディストリビュータ
18 羽根車、ブレード翼端
20 リングセクタ
22 タービンケーシング、外側ケーシング
24 環状支持体
26 リングセクタ20をその内周に取り付ける手段
28 壁
29 スクリュ/ナットシステム
30 フランジ
34 径方向の壁
36 径方向の壁、スペーサ
38 壁
40 コントロールボックス
41 環状空気循環ヘッダ
42 環状空気循環ヘッダ
43 環状空気循環ヘッダ
44 空気ダクト
45 ねじリング、取付け点
46 取付け孔
50 回転式の外壁
51 クラウン、端部、取付け領域
52 湾曲した端部、支承部、支承ゾーン
53 空間
58 切頭壁
60 環状フランジ
62 環状フランジ
64 外側ケーシング
66 ディストリビュータの外壁
74 環状の溝
76 環状のシールパッキン
78 円筒形のリブ
80 封じ込め部分
82 オリフィス
86 環状空隙
240 上流のリブ
242 下流のリブ
401 上流部分、支承領域
510 ブレード
D デバイス
Z ゾーン

Claims (12)

1. - 外側ケーシングと、
   - 環状に並んだ固定案内翼から形成された少なくとも1つのディストリビュータ(16)と、
   - 前記ディストリビュータの下流側に回転自在に設置され、かつ回転ブレードを具備してなる、羽根車(18)と、
   - 前記回転ブレードの周囲に配置されたリング(20)を形成するアセンブリと、
   - 前記回転ブレードの翼端と前記リングとの間の径方向の隙間を制御するデバイス(D)であって、穿孔した環状ヘッダ(41、42、43)を支持する、かつ互いにある距離だけ離間された少なくとも2つの点において前記外側ケーシング(22)に固定されたコントロールボックス(40)を備えるデバイス(D)と、
   - 前記リング(20)を支持し、前記外側ケーシング(22)に固定された環状支持体(24)と、
   を備えるターボ機械の高圧タービン(10)において、
   一方の端部(51)が前記環状支持体(24)に固定され、他方の端部(52)が、前記コントロールボックス(40)の上流側(401)で、所与の圧力で単純な軸方向の支承部によって支持された、所定の可撓性を有する環状の要素(5)をさらに備え、所定の可撓性を有し所与の圧力で支承する前記環状の要素が、このようにして前記ターボ機械の動作中に発生するボックスの振動の少なくとも一部のための緩衝装置を形成することを特徴とする、ターボ機械の高圧タービン(10)。
2. 前記環状緩衝要素(5)が、金属プレートを機械加工または成形して作製した金属部分である、請求項1に記載の高圧タービン(10)。
3. 前記環状緩衝要素(5)の形状が、連続したクラウン(51)から構成され、前記クラウン(51)が、前記環状支持体(24)に固定され、クラウンから傾斜した、等間隔に離間された同一で複数のブレード(510)によって延びており、前記ブレード(510)の湾曲した端部(52)が、前記ボックス(40)の上流側(401)との圧力支承部を形成する、請求項1または2に記載の高圧タービン(10)。
4. 前記環状緩衝要素(5)のブレード(510)の数が18の倍数に等しい、請求項3に記載の高圧タービン(10)。
5. 前記コントロールボックス(40)および前記環状緩衝要素(5)が同じ材料から作られる、請求項1から4のいずれか一項に記載の高圧タービン(10)。
6. 耐磨耗材料が、前記環状緩衝要素と前記ボックスの上流側との間の前記支承領域に挿入され、そのため、摩擦による前記緩衝装置または前記ボックスの磨耗が低減される、請求項1から5のいずれか一項に記載の高圧タービン(10)。
7. 層状の耐磨耗材料が、前記緩衝要素(5)との前記支承領域(401)において前記ボックス(40)の上流側に配置される、請求項6に記載の高圧タービン(10)。
8. 前記環状緩衝要素が、少なくとも2つの角度セクタから構成され、前記角度セクタが、端部同士が固定され、前記緩衝装置の完全な環状の形状を形成する、請求項1から7のいずれか一項に記載の高圧タービン(10)。
9. 前記環状緩衝要素が、2つ、6つ、または18個の角度セクタから構成され、前記角度セクタは、端部同士が固定され、かつ前記緩衝装置の完全な環状の形状を形成する、請求項8に記載の高圧タービン(10)。
10. 前記環状緩衝要素が、前記環状支持体に軸方向のストッププレート(88)も取り付けるスクリュによって前記環状支持体に固定される、請求項1から9のいずれか一項に記載の高圧タービン(10)。
11. 前記金属部分が、等間隔に配置されかつ連続したクラウン(51)に関して傾斜した、同一で複数のブレード(510)によって延びる連続したクラウン(51)の緩衝要素(5)を具備してなり、前記ブレード(510)の端部(52)が湾曲している、請求項2に記載の高圧タービン(10)。
12. 請求項1から11のいずれか一項に記載の高圧タービンを備えるターボ機械。