JPH0411728B2 - - 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係り、更に詳
しくは羽根とケーシングの間の翼端間隙の変動を
防止する装置，特にガス発生装置の単軸羽根車装
置の一部である複合軸流−半径流圧縮機であつ
て、本質的に該複合軸流−半径流圧縮機の全長に
わたつて外殻と内殻とからなる圧縮機ケーシング
が設けられている複合軸流−半径流圧縮機の半径
流最終段の外径領域における翼端間隙の変動を防
止する装置を備えたガスタービンエンジンに関す
る。

複合軸流−半径流圧縮機の半径流最終段の外径
領域における翼端間隙は効率，及び圧縮機並びに
エンジン全体の運転状態に決定的な影響を及ぼ
す。

1000kwの出力クラスのエンジンについては上
記翼端間隙が0.1mm〜0.3mmにひろがるとき、圧縮
機の効率は約１％低下し、その結果同時に単位流
量当りの出力も２％低下したときには燃料消費率
は1.6％増加してしまう。

単層の殻の圧縮機ケーシングを有し、且つ固定
軸受が圧縮機の吸気口に設けられている従来のエ
ンジンの構造の場合、圧縮機ケーシングの殻の熱
膨張が他の部分の熱膨張よりも大きいので、組立
てたときと無負荷運転時と全負荷運転時とでは翼
端間隙が比較的大きく変化してしまう。

半径流圧縮機の後で且つ高圧駆動もしくは圧縮
機駆動のタービンの前にガス発生装置の固定軸受
を設けることにより、翼端間隙を比較的許容しう
る値に保持することができる。しかし、固定軸受
の潤滑剤の供給及び排出装置には、その供給管路
が主流を通らざるを得ず、それも、特にデイフユ
ーザ装置の領域の主流を通らざるを得ないという
不利な点があり、それによつて圧縮機の効率に関
する無視できない欠点が付加されてしまい、それ
も比較的厚壁のデイフユーザ案内羽根を通して供
給管路を導くことにより、デイフユーザ案内羽根
によつて伴流の乱流がひきおこされる結果前記欠
点が付加されてしまう。即ち、上記したように玉
軸受として利用されるガス発生装置の固定軸受
の、浮動軸受に比して高い熱量は多量の潤滑剤の
供給及び排出を必要とし、そのため大きな断面積
の供給管路が必要とされ、その大きな断面積の供
給管路によつて、無視できない望ましくない程度
に迄主流が妨げられ、その結果比較的強いきわだ
つた伴流の乱流が生じる。おおむね、局部的なエ
ンジン環境のため、最適な程度に熱を奪う上記固
定軸受の配置は非常に困難となる。

更に上記の問題の範囲に一致させて翼端間隙を
最適にすること、特に強度の負荷の変動又はひん
ぱんに生じる非定常の運転状態のもとでの翼端間
隙を最適にすることを確実に行なうことに関して
は、比較的大きな困難があり、特に利用される圧
縮機ケーシング，及び／又は羽根車の材料につい
ての困難がある。

本発明の課題は叙上の従来の欠点を解消し、比
較的広い運転領域（定常／非定常）にわたつて最
小の極力一定の翼端間隙を特に複合軸流−半径流
圧縮機を提供することにある。

本発明の課題は ａ 圧縮機ケーシングの外殻が該外殻のエンジン
長軸方向の熱膨張係数が圧縮機の羽根車の構成
材料のエンジン長軸方向の熱膨張係数よりも明
らかに少ない材料により構成されていること、 ｂ 圧縮機ケーシングの内殻が該内殻の周方向の
熱膨張係数が圧縮機の羽根車の構成材料の円周
方向の熱膨張係数よりも低く、且つ該内殻の長
手方向の熱膨張係数が圧縮機の羽根車の構成材
料の同長手方向の熱膨張係数とほゞ同一である
材料により構成されていること、 ｃ 圧縮機ケーシングの外殻がエンジン構造の一
部であつて、複合軸流−半径流圧縮機の軸流部
分及び半径流部分を含む全長にわたつて圧縮機
流によつて影響を受けず、内殻と一面Ｐにおい
てのみ連結されており、該内殻は本質的に圧縮
機流の変形力のみを受け、それ以外の負荷を受
けないようにガスタービンエンジンを構成する
ことによつて解決される。

本発明により圧縮機ケーシングは前記の圧縮機
ケーシングの材料及び標準により叙上の従来の欠
点を解消し、無負荷運転と全負荷運転間の翼端間
隙の変動を最小に保つことができる。

羽根板とケーシング間の間隙の成立に本質に羽
根車及びケーシングの熱膨張及び引張伸びが関係
しており、この熱膨張及び引張伸びはエンジンの
負荷の程度により方向と値が種々異なるものであ
る。更にエンジンの非定常運転中の個々の伸び値
は種々に急速する変化する。引張伸び（例えば羽
根車の半径方向伸び及び横方向収縮，及びケーシ
ングの圧力変形）は回転数の変化（＝負荷の伸
張）に従い、一方、熱膨張は、エンジンの構成部
分の温度変化がいわゆる時定数によつておこり、
時定数は上記出力クラスのエンジンの場合、３分
に及ぶので、時間的な遅延を伴なつておきる。

すべての構成部分は（エンジンの回転によつて
おきる）引張伸び及び熱膨張から明らかである三
次元の引張状態下におかれるので、半径方向と軸
方向の全ての膨張は異なつた法則性に従う。

1000kwの出力クラスのエンジンについては、
それは三つの軸方向段と一つの半径方向最終段と
から構成される圧縮機の半径方向最終段の変位
（＝伸び）の例で明らかにされる。

軸方向の変位には、 圧縮機の軸流部分の熱膨張と 圧縮機の半径流部分の横方向収縮 とが関与しており、両者は合わせられると羽根車
の軸流部分の長さが短かくなる。

半径流最終段の熱膨張と横方向収縮は合わせら
れるとほゞ零になるので、全羽根車の軸方向変位
は本質的に軸方向の羽根車の変位によつて示され
る。

この例で考案された半径流最終段の引張伸びと
熱膨張のみが半径方向の変位に関与している。二
つの変位はポシテイブである。

これはケーシングの変位についても同様にあて
はまる。

羽根車の変位とケーシングの変位の和は翼端間
隙を決定するので、軸方向と半径方向の間隙は異
なつた法則に従つて変化する。

上記の説明から、本発明において、ａ）圧縮機
ケーシングの外殻を該外殻のエンジン長軸方向の
熱膨張係数が圧縮機の羽根車の構成材料のエンジ
ン長軸方向の熱膨張係数よりも明らかに少ない材
料により構成し、且つｂ）圧縮機ケーシングの内
殻を該内殻の周方向の熱膨張係数が圧縮機の羽根
車の構成材料の同周方向の熱膨張係数よりも低
く、且つ長手方向の熱膨張係数が圧縮機の羽根車
の構成材料の同長手方向の熱膨張係数とほゞ同一
である材料により構成していることとそれにより
奏せられる翼端間隙の最適化との関連性があきら
かである。

圧縮機の翼端間隙特性に関する有利な影響のほ
かに、二重殻のケーシングは次の利点を提供す
る。

− エンジンの周囲がなめらかである。

− 外側のケーシング殻が前方のエンジン領域の
全ての構造上の機能をひきうけているので、幾
何学的に複雑な、流れに直接にさらされる内殻
を、その負荷が減じられていることによりコス
ト的に有利に、例えば軽金属合金又は場合によ
り配向された又は無配向の炭素短繊維入りモー
ルデイングコンパウンドからなる成形品により
構成することができる。

− 圧縮機の領域の管路及び調整，制御装置を保
護することができる（例えば軍事上用いられた
とき銃撃に対して）。

− 羽根又は羽根車が損傷したときのケーシング
の破壊又破裂を補助的に防ぐことができる。

− 羽根車とケービン領域のケーシングの軸方向
膨張差を明りように減じることができる。それ
であるからとくにいわゆる“とぎ合せるラビリ
ンス”としてタービン領域にラビリンスパツキ
ンを設けることができる。又、比較的高い密封
作用が期待でき、且つガス発生装置（高圧ター
ビン）の圧縮機タービンに関しても有利な効率
が期待できる。

以下本発明につき図面を参照しながら詳細に説
明する。

図面は本発明に係るガスタービンエンジンの実
施例を示す。この図において、ガスタービンエン
ジンの上半分は軸方向断面図で示し、一方下半分
は同軸を中心に回るガスタービンエンジンの外側
ケーシングの下端が切欠された構造図によつて示
されている。

図示のガスタービンエンジンは単軸の複合軸流
−半径流圧縮機を有する単軸のガス発生装置を有
するものであり、図において、１は軸流圧縮機，
２は半径流圧縮機を示す。ガスタービンエンジン
には羽根車とケーシングの間の翼端間隙の変動を
防止する装置が設けられており、それは特に複合
軸流−半径流圧縮機の半径流最終段の半径外側領
域に設けられている。複合軸流−半径流圧縮機
１，２は圧縮機の全長にわたつてのびている二つ
の殻よりなる圧縮機ケーシングを有する。圧縮機
ケーシングの外殻３はガスタービンエンジンの構
造の構成要素であり、圧縮機ケーシングの内殻４
は本質的に圧縮機流の力にのみさらされる。図示
の本発明のガスタービンエンジンにおいて、ガス
発生装置の固定軸受５が圧縮機の吸気口の領域に
設けられている。圧縮機ケーシングの外殻３は該
外殻３のエンジン長軸方向の熱膨張係数が圧縮機
羽根車の構成材料のエンジン長軸方向の熱膨張係
数よりも明らかに低い材料からなる。又、圧縮機
ケーシングの外殻３はどの場所においても圧縮空
気，又は場合によつては圧縮機からの放出もしく
は吐出される空気による衝撃を受けないことが必
要である。又、本発明の図示のガスタービンエン
ジンにおいて、圧縮機ケーシングの内殻４は該内
殻４の周方向の熱膨張係数が圧縮機の羽根車の構
成材料の同周方向の熱膨張係数よりも少なく、該
内殻４の長手方向の熱膨張係数は圧縮機の羽根車
の構成材料から同長手方向の熱膨張係数とほゞ同
一である材料からなる。

本発明のエンジンの別の形成において、圧縮機
ケーシングの外殻３及び／又は内殻４は繊維入り
材料，特にカーボン繊維補強樹脂により作られて
いる。

本発明の別の合目的的な形成において、圧縮機
ケーシングの外殻３は破裂を防ぐために，及び／
又は圧縮機を外部から受ける損傷，例えば武器に
よる銃撃による損傷を防止するために、構造上の
機能を果たす金属材料又は繊維補強材料と保護機
能を果す極めて高い耐衝撃性の繊維からなる複合
構造としてつくられている。ここにおいてケブラ
ー繊維は芳香族ポリイミドの有機繊維である。

本発明の他の形成において、圧縮機ケーシング
の外殻３の全体もしくは一部分が炭素繊維入りの
エポキシ樹脂又はポリイミド樹脂のマトリクスを
ベースとする繊維入り複合材料からなり、比較的
高い分量の炭素繊維が圧縮機ケーシングの長手方
向に配向され、エンジンの長軸方向の前記複合材
料の熱膨張係数が２ないし８×10^-6℃^-1とされ、
但し、チタン製圧縮機の羽根車が用いられると
き、特に4.5×10^-6℃^-1とされる。

このガスタービンエンジンの好ましい実施例に
おいて、圧縮機ケーシングの内殻４の全部もしく
は一部分が配向された又は無配向の短炭素繊維よ
りなるモールデイングコンパウンドからなる成形
品として構成されている。

更に図示の如く、圧縮機ケーシングの内殻４が
エア抜き部（排気用スロツト６）を形成するため
に少なくとも二つの部分的殻７，８に分割され、
該部分的殻は局部的な運転条件により種々に構成
されている。

図面に示す如く、本発明のガスタービンエンジ
ンにおいても同様に単段の半径流圧縮機２（最終
段）が設けられており、図示の複合軸流−半径流
圧縮機の場合、半径流部分の前に接続された圧縮
機の軸流部分１は三段に形成されている。しかし
それ以上の多段の軸流部分の構成もあり得る。

図面において、９はガス発生装置の固定軸受５
を支持する固定の二重壁の圧縮機吸気口ケーシン
グを示す。圧縮機吸気口ケーシング９は担持構造
部分として形成されており、圧縮機吸気口ケーシ
ング９に圧縮機ケーシングの外殻３が該外殻の前
方の殻部分１０によつて固定されている。更に外
殻３は一方の側の前方殻部分１０と他側の半径流
デイフユーザ１２との間に固定された別の殻部分
１１を有する。

更に図面に示す如く、圧縮機ケーシングの内殻
４の部分８は半径流圧縮機カバーデイスクとして
同軸の排気スロツト６によつて圧縮機の軸流部分
１の一部である内殻構造から分離され、且つ半径
流デイフユーザ１２に隣接して、外殻３と内殻４
の間の環状空間部１３の内部で該環状空間部１３
内へ突出する補強部材１４に軸流圧縮機１の内殻
部分７が固定されている。

玉軸受として形成された固定軸受５の吸気口側
の上記した配置に関して、別の浮動軸受１５とし
て形成されたガス発生装置の軸受が半径流圧縮機
２のあとで且つ高圧タービン１６の前に配置され
ることが前提とされる。

半径流デイフユーザ１２は圧縮機の空気の流れ
を本質的に90゜軸方向に方向転換するエルボ１７
を有しており、且つ該エルボ１７に空気の流れを
更に遅くする軸流静止翼列（軸流ガイドバツフ
ル）１９が接続され、且つ該軸流静止翼列から出
て環状逆流燃焼室１８は周知の如く必要な一次燃
焼空気，及び必要な冷却，二次及び三次空気によ
つて衝撃を与えられる。前記軸流静止翼列の一つ
又は多数の静止羽根は浮動軸受１５への供給及び
該軸受１５からの排出用の導管２０により貫通せ
しめられている。

図面に示す如く、ガス発生装置の高圧タービン
ないし圧縮機駆動タービン１６には二段の軸流有
効タービン２１が接続され、その軸糸２２はガス
発生装置の中空軸によつてエンジンの前側に案内
され、有効タービン２１の軸糸２２の一部である
固定軸受は２３で示されている。

ガス発生装置の全ての羽根車装置はとくに圧縮
機の軸流部分１の羽根車デイスク部２４，２５及
び２６と半径流圧縮機２の羽根車デイスク２７及
び高圧タービン１６の羽根車デイスク２８からな
り、前記羽根車デイスク部ないしは羽根車デイス
クはガス発生装置の共通の羽根車装置を形成する
ように相互に羽根車デイスクを横断するウエブな
いしは円筒部分によつて一緒に結合されている。

上記の圧縮機吸気口ケーシング９は外側管路部
分２９及び内側管路部分３０からなり、前記部分
２９，３０は支持ささえとして形成された中空羽
根３１を介して相互に結合されている。支持羽根
３１を通して、アクセサリ駆動軸３２が導かれ、
エンジンの前側の伝導装置３３を介してガス発生
装置の軸と確実伝動しうるように結合されてい
る。

更に、図面から明らかなように圧縮機の多段の
軸流部分１の場合、個々の軸流圧縮機の段の静止
羽根は調節できるように形成されている。ここに
おいて、個々の静止羽根に左から右に順に３４，
３５，３６の番号が附せられている。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明のガスタービンエンジンを示す半
断面半側面図である。 １……軸流圧縮機、２……半径流圧縮機、３…
…外殻、４……内殻、５……固定軸受、６……排
気スロツト、７……内殻を構成する部分的殻、８
……内殻を構成する部分的殻、９……圧縮機吸気
口ケーシング、１０……外殻の殻部分、１１……
外殻の殻部分、１２……半径流デイフユーザ、１
３……環状空間部、１４……補強部材、１５……
浮動軸受、１６……高圧タービン、１７……エル
ボ、１８……環状逆流燃焼室、１９……軸流静止
翼列、２０……導管、２１……軸流有効タービ
ン、２２……有効タービンの軸糸、２３……固定
軸受、２４，２５，２６……羽根車デイスク部
分、２７……半径流圧縮機の羽根車デイスク、２
８……高圧タービンの羽根車デイスク、２９……
圧縮機吸気口ケーシングの外側管路部分、３０…
…圧縮機吸気口ケーシングの内側管路部分、３１
……支持羽根、３２……アクセサリ駆動軸、３３
……伝導装置、３４，３５，３６……静止羽根。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 羽根とケーシングの間の翼端間隙の変動を防
   止する装置，特にガス発生装置の単軸羽根車装置
   の一部である複合軸流−半径流圧縮機であつて、
   本質的に該複合軸流−半径流圧縮機の全長にわた
   つて外殻と内殻とからなる圧縮機ケーシングが設
   けられている複合軸流−半径流圧縮機の半径流最
   終段の外径領域における翼端間隙の変動を防止す
   る装置を具えたガスタービンエンジンにおいて、 ａ 圧縮機ケーシングの外殻３が該外殻のエンジ
   ン長軸方向の熱膨脹係数が圧縮機の羽根車の構
   成材料のエンジン長軸方向の熱膨脹係数よりも
   明らかに少ない材料により構成されているこ
   と、 ｂ 圧縮機ケーシングの内殻４が該内殻の周方向
   の熱膨脹係数が圧縮機の羽根車の構成材料の円
   周方向の熱膨脹係数よりも低く、且つ該内殻の
   長手方向の熱膨脹係数が圧縮機の羽根車の構成
   材料の同長手方向の熱膨脹係数とほぼ同一であ
   る材料により構成されていること、 ｃ 圧縮機ケーシングの外殻３がエンジン構造の
   一部であつて、複合軸流−半径流圧縮機の軸流
   部分及び半径流部分を含む全長にわたつて圧縮
   機流によつて影響を受けず、内殻４と一面Ｐに
   おいてのみ連結されており、該内殻４は本質的
   に圧縮機流の変形力のみを受け、それ以外の負
   荷を受けないことを特徴とするガスタービンエ
   ンジン。 ２ 外殻３及び／又は内殻４が繊維入り複合材
   料，特に炭素繊維補強樹脂からなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のガスタービンエ
   ンジン。 ３ 圧縮機ケーシングの外殻３が破裂の防止及
   び／又は圧縮機の外部から受ける損傷例えば兵器
   による銃撃による圧縮機の損傷の防止のために、
   構造上の機能を果たす金属材料又は繊維補強材料
   と保護機能を果たす極めて高い耐衝撃性の繊維と
   を有する繊維入り複合材料からなる複合構造とし
   てつくられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載のガスタービンエンジ
   ン。 ４ 圧縮機ケーシングの外殻３の全体もしくは一
   部分が炭素繊維入りのエポキシ樹脂又はポリイミ
   ド樹脂のマトリクスをベースとする繊維入り複合
   材料からなり、比較的高い分量の炭素繊維が圧縮
   機ケーシングの長手方向に配向され、エンジン長
   軸方向の前記複合材料の熱膨脹係数が２ないし８
   ×10^-6℃^-1とされ、但し、チタン製圧縮機の羽根
   車が用いられるときは、特に4.5×10^-6℃^-1とさ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項，第
   ２項，又は第３項記載のガスタービンエンジン。 ５ 圧縮機ケーシングの内殻４の全部もしくは一
   部分が配向された又は無配向の短炭素繊維よりな
   るモールデイングコンパウンドからなる成形品と
   して構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項，第２項，第３項，又は第４項記載の
   ガスタービンエンジン。 ６ 内殻４が圧縮機からのエア抜き部例えば６を
   形成するように少なくとも二つの部分的殻７，８
   に分割され、該部分的殻は局部的な運転条件によ
   り種々な構造に構成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項，第２項，第３項，第４
   項，又は第５項記載のガスタービンエンジン。 ７ 半径流最終段を有する複合軸流−半径流圧縮
   機１，２の半径流最終段の前に接続された軸流部
   分が周知の方法で多段に形成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項，第２項，第３
   項，第４項，第５項，又は第６項記載のガスター
   ビンエンジン。 ８ ガス発生装置の固定軸受５を支持する固定の
   二重壁の圧縮機吸気口ケーシング９が担持構造部
   品として形成され、該圧縮機吸気口ケーシング９
   に外殻３が該外殻３の前方殻部分１０によつて固
   定されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項，第２項，第３項，第４項，第５項，第６
   項，又は第７項記載のガスタービンエンジン。 ９ 外殻３が一方の側の前方殻部分１０と多側の
   半径流デイフユーザ１２との間に固定された別の
   殻部分１１を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項，第２項，第３項，第４項，第５項，
   第６項，第７項，又は第８項記載のガスタービン
   エンジン。 １０ 内殻４の部分８が半径流圧縮機カバーデイ
   スクとして同軸の排気スロツト６によつて圧縮機
   の軸流部分１の一部である内殻構造から分離さ
   れ、且つ半径流デイフユーザ１２に隣接して、外
   殻３と内殻４の間の環状空間部１３の内部で該環
   状空間部１３内へ突出する補強部材１４に軸流圧
   縮機部分の内殻部分７が固定されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項，第２項，第３
   項，第４項，第５項，第６項，第７項，第８項，
   又は第９項記載のガスタービンエンジン。 １１ 浮動軸受１５として形成されたガス発生装
   置の別の軸受が半径流圧縮機２のあとで且つ高圧
   タービン１６の前に設けられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項，第２項，第３項，第
   ４項，第５項，第６項，第７項，第８項，第９
   項，又は第１０項記載のガスタービンエンジン。 １２ 半径流デイフユーザ１２が圧縮機の空気の
   流れを本質的に90゜軸方向に方向転換するエルボ
   １７を有しており、且つ環状逆流燃焼室１８への
   入口の前の圧縮機の空気の長さを更に遅くする軸
   流静止翼列１９が設けられ、該軸流静止翼列１９
   の１つ又は多数の静止翼が浮動軸受への供給用の
   導管２０により貫通せしめられていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項，第２項，第３項，
   第４項，第５項，第６項，第７項，第８項，第９
   項，第１０項，又は第１１項記載のガスタービン
   エンジン。