JPH03504416A - タービンブレード隙間制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 タービンブレード隙間制御装置 本発明はタービンの作動パラメータの変化時、タービンの各ブレードの先端とエ ンジンハウジングとの間の隙間を設定限度内に維持するための制御装置に関する 。

現在、高性能航空機を運転するための最′も効率的な動力源はガスタービンエン ジンである。このようなタービンエンジンは高温および高圧で作動するので、タ ービンブレードおよびハウジングのような個々の部品は必ずしも同じ速度で膨張 したり収縮したりするのではない。かかるエンジンの効率はブレードの先端とエ ンジンハウジングとの間の隙間に直接依存している。ブレード先端の隙間を制御 する一方法はタービンの回転数７分および航空機の運転高度に基づいた空気の流 れを使用してエンジンハウジングを冷却することによって隙間を減少させる開ル ープによる。この種の制御は圧力および温度の変化の結果起こる広範囲なエンジ ン試験および測定に基づいている。かかる測定を行う一般方法はレーザ光ビーム 、光フアイバ光学系、およびエンジンハウジングに位置決めされたプリズムの使 用による。プリズムはエンジンハウジングに位置決めされ、レーザビームをスロ ット孔を通してブレードの先端に投射する。ブレードの先端とハウジングとの間 の隙間が変化すると、レーザビームの投射像が変化する。この変化は光フアイバ 光学系によりコンピュータに送られ、そこで算出を行って隙間を設定限度に戻す のに必要きされる空気を定める。この方法は精々、限られた精度で隙間制御を行 うことができるだけである。何故なら、同一条件下で製造されるすべてのエンジ ンは、部品が名目上同じであっても、同じようには作動しないからである。

ガスタービンエンジンの燃料効率を向上させる効果的方法はブレード先端の隙間 を制御する閉ループを使用する方法である。ブレード隙間のより正確な制御を達 成するこきによって、より小さい平均隙間を維持することができる。隙間が０． ０３８ｃｍ増すどきに、新式の大型ターボファンエンジンを作動するのに１％余 分の燃料を必要とするものと推定された。エンジン室の作動温度が高く、各ター ビンブレードの先端によりエンジンハウジングの摩耗が時々引き起こされるので 、各エンジンについて、実際の隙間を連続的に検知するのは困難であった。

レーザによる隙間測定方法は、汚染に対して敏感であり、摩耗を補償することが できず、また装置のコストおよび重量が比較的高いので、定期飛行用途には適し ていない。

米国特許第３．７５４．４３３号はハウジングに対するコンプレッサブレード先 端の近接を検知する構造体を開示している。この構造体は、基準圧力とコンプレ ッサからオリフィスを通る空気の流れをコンプレッサブレードにより遮断するこ とによって生じる平均圧力との圧力差に応答する。この種の構造体は、より高い 温度およびタービン室から流出する作動流体中の燃焼生成物の含有量が圧力差を 発生させるのに使用されるオリフィスに悪影響を及ぼすので、タービンブレード 隙間を検知するのに満足すべきものではない。

米国特許第４．６３２．６３５号はタービンブレード先端とハウジングとの間の 空間関係を制御するための空気圧センサ装置を開示している。

この装置は満足すべき方法で作動するが、製造に供されなかった。

本発明は、ロータブレード先端とエンジンハウジングの壁部との間の隙間の連続 測定用の簡単で、信頼性のある頑丈な制御装置を開発しようとする研究の成果で ある。この装置では、一連の空気圧センサプローブがハウジングの壁部に位置決 めされている。源からの圧力Ｐ１の流体を各プローブの検知室右よび基準室に供 給する。検知室および基準室からの流体は、夫々、検知オリフィスおよび基準オ リフィスと通ってエンジンハウジングに流入する。壁部に対するブレードの先端 の近接により影響されない基準オリフィスを通る流れは基準室に流体圧Ｐ２を生 じ、一方、検知オリフィスに対する先端の近接の結果、検知室の流体圧がＰ２“ へ変化する。引続き、各プローブからの流体圧Ｐ２およびＰ２′は空気圧マルチ プレクサ−に出力される。フルテブレクサーはプローブに連結された制御弁およ び一連の圧力弁を有している。マルチプレクサ−における電源ユニットは制御弁 および一連の圧力弁に接続されており、中央コンピュータユニットからの作動入 力に応答してエネルギ信号を制御弁および一連の圧力弁に供給する。制御弁およ び一連の圧力弁は検知トランスデユーサおよび基準トランスデユーサに連結され ている。これらのトランスデユーサは同一であり、米国特許第４．４２２．３３ ５号により充分に述べられている。中央コンピュータユニットからの作動信号に 応答して、電源ユニットは制御弁を付勢して流体圧Ｐ、を検知トランスデユーサ および基準トランスデユーサの検知室へ流し、基本すなわち基準信号を生じる。

その後、制御弁を消勢し、一連の圧力弁を次々に付勢して出力流体圧Ｐ、および Ｐ、”を検知トランスデユーサ及び基準トランスデユーサの検知室に出力する。

検知トランスデユーサ及び基準トランスデユーサにより測定された圧力差を表す 信号を中央コンピュータユニットで評価して作動信号を生じる。この作動信号を 基本すなわち基準信号により変更してブレードの先端とタービンハウジングとの 間の隙間を表す絶対信褥を生じる。

この制御装置の利点によれば、マルチプレクサ−により基準信号を連続的に更新 して温度、高度およびエンジンの作動流体圧の変化を補償してタービンブレード の先端とエンジンハウジングとの所望の隙間を維持する。

本発明の目的は、作動入力が、キャパシタンス圧カドランスデューサからコンピ ュータに供給された電気信号により評価されたものとして、プローブの検知オリ フィスおよび基準オリフィスを通る流体の流れにより種々の位置で生じる一連の 測定差圧から得られる、タービンブレード隙間制御装置を提供することである。

図面の参照しながら本明細書を読むことにより、これらの利点およに目的が明ら かになるであろう。

第１図はタービンブレード先端と壁部との空間関係を検知し、本発明の原理によ り作動コンピュータユニットに接続された圧力トランスデユーサに出力するため の作動圧力信号をマルチプレクサ−に供給するために壁部の種々の位置に位置決 めされたプローブを有するタービンエンジンの作動室の断面図である。

第２図は第１図のプローブおよびこれと壁部との関係の拡大断面図である。

タービンエンジン８は室１２を内部に位置決めしたハウジング１０を有している 。ハウジング１０を取り囲むマニホールド１４の内径部には、源からの冷却空気 すなわちファン又は低圧コンプレッサの空気を導管１８を通してハウジング１０ の周囲へ差し向けるための一連の開口部１６．１６”、・・・　１６″が位置決 めされている。成る状況下では、流体のより一様な分布を行うために、導管１８ とマニホールド１４との間に１つより多い連結部が存在するのがよい。

ハウジングにベヤリング（図示せず）で保持されたシャフト２０が室１２の中へ 延びている。このシャフト２０に固着されたノ１ブ２２は、そこに取付けられた 複数のブレード２４．２４°、・・・２４”を有する。燃焼ガスがブレード２４ ．２４′、・・・　２４”を通り越して移動すると、ンヤフト２０が室１２内で 回転される。

各ブレード２４の先端２６と室１２の壁部２８との間には、設定隙間ｒｘＪが形 成される。タービンエンジン８は、ハウジング１０、シャフト２０、ハブ２２及 びブレード２４．２４゛、・・・　２４”が加熱され、室１２を通って流れる燃 焼ガスの高圧にさらされると、膨張する。ハブ２２およびブレード２４．２４° 、・・・　２４Ｎがハウジング１０より速い速度で膨張すると、各ブレード２４ の先端２６が隙間Ｘを閉じた後に壁部２８と接触し、先端２６または壁部２８を 摩耗する。膨張速度が安定するかあるいは減速した後で、かかる摩耗はタービン エンジンの効率に悪影響を及ぼす。壁部ｌＯがハブ２２およびブレード２４．２ ４°、・・・　２４’より速く膨張すると、隙間Ｘを越え、その結果も、タービ ンエンジン８の効率が低下する。

ハウジング１０の膨張／収縮速度をタービンブレード２４．２４′、・・・２４ ”およびハブ２２の膨張／収縮速度と釣り合わせ、それにより所望の隙間Ｘを維 持するために、本発明の原理により構成されたタービンエンジン８用の制御装置 ３０が設けられる。

流体圧Ｐ１を有する源からの流体は導管３６を通って壁部２８に位置決めされた プローブ３４．３４’　、３４”のハウジング３２．３２’　、３２”へ流れる 。プローブ３４の数は変化しても良く、成る状況下では、ブレード２４．２４′ 、・・・　２４Ｎの先端２６と壁部２８との関係についての適切な情報を与える のに、１つのプローブで充分であることもあるが、複数のプローブ３４の使用に より、この関係をより正確に理解することができるということがわかった。

各プローブは同一であるので、以下の説明は各プローブ３４．３４°、３４′′ に当てはまり、そのうちのプローブ３４を第２図の拡大断面図に示しである。

第２図に示すように、圧力Ｐ１の流体は入口ポート３８を通ってプローブ３４の ハウジング３２に入り、室４０に流入する。室４０は基準室４４に連なる第１開 口部４２と、検知室４８に連なる第２開口部４６とを有している。ハウジング３ ２の第１オリフイス５２が基準室４４とエンジン８の室１２へ開口した凹部５０ とを連通させている。ハウジング３２の第２オリフイス５４が検知室４８と室１ ２とを直接連通させている。ブレード２４．２４′、・・・２４”は先端２６． ２６゛、・・・　２６’と壁部２８との間に所望の隙間Ｘを有している。流体は 基準オリフィス５２および検知オリフィス５４を通って流体圧Ｐ３を有する室１ ２の中へ流れる。凹部５０は、ブレード２４．２４°、・・・　２４”の先端２ ６と壁部２８との隙間が小さくても、触れていても、オリフィス５２からの流体 の流れがこの隙間によって影響されないほど、十分に大きい。

逆に、検知オリフィス５４は、タービンブレード２４．２４°、・・・　２４’ の先端２６が検知オリフィス５４と整合される度に、その有効面積が減少される ように、先端隙間と比較して、オリフィス５２の大きさの略２分の１の小さい直 径を有している。有効面積は先端隙間Ｘと等しいか、あるいは比例している。ブ レード２４．２４′、・・・　２４″がオリフィス５４を通り越して移動するこ とにより、検知室４８からの流体の流れにパルスを生じる。検知室４８内の流体 の圧縮性により、これらのパルスを緩和するが、検知室４８内の平均流体圧の上 昇が起こり、Ｐ２′の流体圧が生じる。この流体圧の変化はブレード２４．２４ °、・・・　２４’の先端２６と壁部２８との隙間に匹敵することがわかった。

プローブ３４．３４’　、３４Ｎからの基準流体圧Ｐ２は導管５８．５８’　、 ５８Ｎによって制御装置３０のマルチプレクサ−構造体６２へ伝達され、検知流 体圧Ｐ２’　は導管６０．６０°、６ＯＮによって制御装置３０のマルチプレク サ−構造体６２へ伝達される。

マルチプレクサ−構造体６２は基準通路６４および検知通路６６をもったハウジ ング６１を有している。このハウジング６１に位置決めされた基準ソレノイド弁 ６８は、通路６５により通路６４に連通された入口ボート７２と、通路６６に連 通された出口ボート７４とをもった孔７０を有している。制御部材すなわち電源 部材７８からの入力によるソレノイド７６の付勢によって、電流がコイル８０に 流れ、プランジャ８２をばね８４に対抗して移動させて基準通路延長部６５と通 路６６とを連通させる。ハウジング６１に位置決めされた一連の第１ソレノイド 弁８８．８８’　、８８’が導管５８．５８’、５８“から基準通路６４への基 準流体圧Ｐ、の伝達を制御し、ハウジング６１に位置決めされた一連の第２ソレ ノイド弁９０．９０’　、９０″が導管６０．６０’、６０“から検知通路６６ への基準流体圧Ｐ２′の伝達を制御する。ソレノイド弁８８．８８°、８８”お よび９０．１００’　、９０’はすべて、制御部材７８に連結され、また夫々、 導管９６．９８を介して入力部を有する供給圧トランスデユーサ９２．９４に連 結されている。

トランスデユーサ９２．９４は構造が同じであるので、第１図に示すトランスデ ユーサ９２についてのみ基本的な詳細を説明する。

かかるトランスデユーサについての限られた詳細は米国特許第４、４２２．３３ ５号により十分に述べられている。

トランスデユーサ９２は密封圧力室９９をもったハウジング９７を有している。

第１石英ディスク１００がその外面に印刷された導電性パターン１０２と、その 内面に設けられた共通電極１０４とを有している。第２石英ディスク１０６が、 その内面に設けられ、４つのコンデンサ信号板に分割された電極１０８と、その 外面１１０に印刷された導電性パターントとを有している。両電極１０４．１０ ８は分離部を横切って互いに対向して４つのコンデンサを構成している。環状ガ ラスフリット１１２が分離部すなわち間隙を構成しており、また電極１０４．１ ０８間の空間を密封して基準室１１４を構成している。各トランスデユーサ９２ ．９４の電極１０４．１０８は中央コンピュータユニット１１６に接続されてい る。

コンピュータ１１６はマルチプレクサ−酵素体６２０制御部材７８と、冷却空気 を導管１８に差し向ける制御弁１１８とに接続されている。

作動中、シャフト２０が回転してブレード２４．２４゛、・・・２４９を室１２ 内で移動させ、一方、ファンまたは低圧コンプレッサの冷却空気が導管１８内を マニホールド１４まで流れる。マニホールド１４に入った空気はハウジングｌＯ の開口部１６．１６゛　、・・・　１６Ｎを通って流れ、次いで、周囲の環境へ 流れる。

同時に、流体圧Ｐ１を有する源からの空気は導管３６内をプローブ３４．３４’ 　、３４Ｎまで流れる。次いで、空気は各プローブ３４の開口部４２を通って基 準室４４に流入し、そして基準オリフィス５２から室１２に流出する。基準オリ フィス５２の大きさおよび室１２内の流体圧Ｐ、により、基準室４４内に流体圧 Ｐ２を生じ、その一方、空気は開口部４６を通って検知室４８に流入し、オリフ ィス５４を通って室１２に流入する。各ブレード２４．２４°、・・・２４Ｎの 先端２６がオリフィス５４を１通り越して移動することにより、室４８からの流 れを制限し、その結果、室４８内の流体圧Ｐ２がＰ、゛まで上昇する。

マルチプレクサ−構造体６２はコンピュータ１１６から論理信号すなわち作動信 号を受は入れ、１秒ごとに作動信号を次々に出力する。初めに、ソレノイド弁６ ８を作動して流体圧Ｐ２を導管５８から通路セグメント６５を通して検知通路６ ６に伝達して圧カドラスジューサ９２の室９９に送る。室９９内が流体圧Ｐ２で ある場合、石英基質１００．１０６は、キャパシタンスの変化の結果、反応して 誤差信号すなわち基準信号を出力する。この誤差信号すなわち基準信号は中央コ ンピュータ１１６に記憶される。成る時間（約２５０−、１７秒）後、ソレノイ ド弁６８に対する作動信号が停止し、ばね８４がプランジャ８２を移動させて弁 座８１に着座させて入口ボート７２と出口ポート７４との間の流体圧Ｐ２の伝達 を防ぐ。その後、プローブ３２と関連したソレノイド弁８８．９０を付勢して流 体圧Ｐ２をトラスジューサ９４に伝達し、流体圧Ｐ　２　’をトラスジューサ９ ２に伝達する。トラスジューサ９４の石英板すなわちディスクが流体圧Ｐ、に反 応して基準信号すなわち基本信号を出力し、この信号をコンピュータ１１６に供 給する。同時に、トラスジューサ９２の石英板すなわちディスクが流体圧Ｐ２° に反応して検知信号すなわち作動信号を出力し、この信号をコンピュータ１１６ に供給する。作動信号を基本信号および／または誤差信号により変更して絶対信 号を生じる。この絶対信号はブレード２４．２４°、・・・　２４″′の先端２ ６と壁部２８との間の隙間Ｘを表している。その後、ソレノイド８８’　、９０ ’　、８８’、９ＯＮを次々に付勢し、プローブ３２′、３２Ｎについての基準 信号および作動信号をコンピュータ１１６に供給する。ブレード２４．２４′、 ・・・　２４１′の先端２６と壁部２８との関係の全体走査すなわち全体の評価 は１秒で行われる。この評価中、トラスジューサ９２．９４はこの制御装置３０ で少なくとも３つの機能を行う。すなわち、１）プローブ３２．３２°、３２Ｎ からの空気圧俳号を電気信号に変換する。

２）各プローブごとに差圧（Ｐ、−Ｐ、“）／Ｐ、を算出すなわち測定する。

３）マルチプレクサ−構造体６２からソレノイド弁への作動信号を同期化する。

所望の隙間Ｘに応じて、コンピュータ１１６は制御弁１１８に信号を供給して導 管１８を通る冷却空気の流量を制御する。マニホールド１４への冷却空気の流量 の変化によりハウジング１０が反応して所望の隙間Ｘを維持する。

国際調査報告 国際調査報告 ｕｓ　８９０４７０３ ＳＡ　　　　３２４７３

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．作動室を設けたエンジンハウジングと、該エンジンハウジングに位置決めさ れ、上記作動室内へ延びるシャフトと、該シャフトに取付けられ、上記作動室内 で回転できる複数のブレードとを有し、上記ブレードの各々はエンジンハウジン グに隣接した位置まで延びる先端を有してエンジンハウジングとの間に所望の隙 間を構成し、温度、圧力、エンジン速度よりなるエンジン作動パラメータにより 上記隙間が影響されるタービンエンジンにおいて、第１室および第２室をもった ハウジングを有するプローブを備えており、上記第１室は上記作動室に連なる第 １オリフィスと、流体圧Ｐ１を有する流体源に連なる第１入口ポートとを有して おり、上記流体源は上記第１オリフィスを通って上記作動室に流入して上記第１ 室内に流体圧Ｐ２を生じ、上記第２室は上記作動室に連なる第２オリフィスと、 流体圧Ｐ１を有する上記流体源に連なる第２入口ポートとを有しており、上記流 体源は上記第２オリフィスを通って上記作動室に流入し、各プレードの上記先端 は上記第２オリフィスを通る流体の流れを制限して上記第２室内に流体圧Ｐ２′ を生じるようになっており、 上記第１室に連結された制御弁、上記第１室に連結された第１弁および上記第２ 室に連結された第２弁を有する多マルチプレクサー手段と、 検知圧力室から基準圧力室を分離するための壁部を有する圧力トランスデューサ 手段とを備え、上記基準圧力室は上記第１弁に連結されており、上記検知圧力室 は上記制御弁および上記第２弁に連結されており、 作動入力に応答して上記制御弁を次々に付勢し、流体圧Ｐ２を検知圧室へ流し、 上記壁部の前後に生じる圧力差から基本信号を生じ、その後、上記第１および第 ２弁を付勢して流体圧Ｐ２を上記基準圧力室に伝達し、流体圧Ｐ２′を上記検知 圧力室に伝達して上記壁部の前後に生じる圧力差から作動信号を生じ、該作動信 号を上記基本信号により変更して上記先端とエンジンハウジングとの間の隙間を 表す絶対信号を定めるようになっている作動コンピュータ手段を備えていること を特徴とするタービンエンジン。
2. ２．上記圧力トランスデューサ手段は空気圧信号を作動コンピュータ手段に伝達 するための電気信号に変化させることを特徴とする請求項１に記載のタービンエ ンジン。
3. ３．上記圧力トランスデューサ手段からの上記電気信号は制御弁および第１およ び第２弁を次々に作動するためにマルチプレクサー手段に供給されることを特徴 とする請求項２に記載のタービンエンジン。
4. ４．上記プローブ手段は、多重化手段の作動サイクル中にブレードの先端につい ての平均隙間を得るためにエンジンハウジングのまわりに位置決めされた複数の 検知ユニットを有していることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン 。
5. ５．マルチプレクサー手段の上記作動サイクルは約１秒で完了することを特徴と する請求項４に記載のタービンエンジン。
6. ６．上記マルチプレクサー手段は、 基本信号を発生させる際の流体圧伝達を制御するための第１ソレノイド弁と、 上記プローブ手段の各検知ユニットと連結された第２および第３ソレノイド弁と 、 上記作動コンピュータ手段からの作動信号に応答して流体圧表示値を次々に上記 圧力トランスデューサ手段に供給する電気制御装置とを有していることを特徴と する請求項５に記載のタービンエンジン。
7. ７．上記圧力トランスデューサ手段は、上記流体圧Ｐ２を受け入れて基準信号を 発生させるように接続された第１石英コンデンサ部材と、 流体圧Ｐ２′を受け入れて作動信号を発生させるように接続された第２石英コン デンサ部材とを有しており、上記コンピュータ手段は上記作動信号および基準信 号を分析して隙間関係を定めることを特徴とする請求項６に記載のタービンエン ジン。