JPH11502913A - エアフォイルの軸方向のクリアランスを制御するために断熱被膜を施したガスタービンエンジンケーシング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスタービンエンジン１０のエンジンケーシング２０は、回転２２及び固定２４エアフォイルの間での軸方向のクリアランスを制御するために、選択的に断熱被膜６０が施されている。被膜６０は、エンジンケーシングの比較的薄い部分に施されており、ガスタービンエンジンの運転の過度状態におけるエンジンケーシングのこれらの部分の熱膨張を遅らせる。選択的に被膜が施されたエンジンケーシングは、過度状態において実質的に均一な加熱及び熱膨張を可能とし、それにより、ガスタービンエンジンのベーン２４の軸方向での傾きを減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】 エアフォイルの軸方向のクリアランスを制御するために 断熱被膜を施したガスタービンエンジンケーシング 技術分野 本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン用のエア フォイル間の軸方向のクリアランスに関する。 従来の技術 ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機、燃焼機及びタービンを備える。ガス タービンエンジンの各セクションは、長手軸に沿って順にエンジンケーシング内 に配置されている。空気は、エンジンを軸方向に流れる。周知の通り、圧縮機で 圧縮されたガスは、燃料と混ざり、燃焼機で点火及び燃焼される。燃焼機より発 生する高温生成物は、タービンで膨張し、それにより、タービンが回転して、圧 縮機が駆動される。 圧縮機及びタービンは、両方とも固定ベーン及び回転ブレードが交互に配置さ れた列を有する。ブレードは、回転ディスク内に固定される。ベーンは、一般的 にエンジンケーシングから突出した片持ち翼になっている。各ベーンの径方向外 側のそれぞれの端部は、前方接続部及び後方接続部でエンジンケーシングに固定 されている。 エンジンの作動中に、ベーンとブレードが互いに接触しないこと は不可欠である。ベーンが一つでもブレードの回転経路を妨害すると、ブレード の高い回転速度の結果、ブレードの列全体が凹んだり、曲がったり、損傷を受け たりする。比較的小さなブレードの損傷であっても、回転ブレードが受ける遠心 力によって損傷が大きくなってしまう。このことによって、ブレード又はその一 部が最終的に喪失するおそれがある。更に、ブレードの径方向内側部分では、よ り大きな遠心力によって破損が起こりやすくなるので、その部分での損傷は更に 望ましくない。 ベーンとブレードの列の間の軸方向クリアランスは、固定ベーンと回転ベーン との間の干渉を防ぐために設けられている。最適なガスタービンエンジンの性能 を得るためには、ブレードとベーン間の軸方向クリアランスを最小にすることが 望ましい。しかし、ベーンとブレード間の干渉の可能性による危険を回避するた めに、クリアランスは十分に大きくする必要もある。 いくつかの要因によって、ベーンとブレードの間の干渉の危険性は高くなる。 軸方向のクリアランスに影響する一つの要因は、ガスタービンエンジンの通常運 転の結果将来的に起こり得る摩耗、即ち経時摩耗である。通常の摩耗によって、 エンジン部品間のはめ合いがゆるみ、部材間での軸方向の運動が増大するおそれ がでてくる。経時摩耗によって軸方向の運動が起こる可能性があるので、このよ うな摩耗を補償するように、所望のクリアランスよりも大きな軸方向クリアラン スを設けることが必要となる。 また、ベーンとブレード間の干渉の危険性を高める他の要因としては、エンジ ンケーシング内で膨張率が異なることが挙げられる。 エンジンケーシングは、金属で製造され、互いに厚みが異なっている部位を含む 。過度状態のエンジン運転において、エンジンケーシングの異なる部分は、異な る速度で過熱する。薄い部分は、厚い部分よりも急速に過熱して膨張する。ベー ンの前方アタッチメントポイント、即ち前方接続部でのエンジンケーシングの厚 みは、ベーンの後方接続部でのエンジンケーシングの厚みよりも厚い。従って、 過度状態において、前方接続部が比較的遅く膨張する一方で、後方の接続部は、 比較的速く膨張する。後方の接続部領域におけるこのような膨張によって、後縁 と呼ばれるベーンの後方部分は、径方向外向きに移動し、一方、前縁と呼ばれる ベーンの前方部分は、実質的に静止したままになる。ベーンの後縁の径方向外径 部分のこのような動きによって、ベーンの径方向内径部分はブレードに向かって 傾き、それにより、ブレードとベーン間の軸方向の間隙が減少してその径方向内 側部分でブレードの損傷が起こるおそれが生じる。 現在、このような軸方向の間隙の問題は、厳しい寸法許容差を設けることによ って対処されている。初期の軸方向クリアランスは、エンジンケーシングの異な る膨張率を考慮して、また、将来の摩耗を予想して、所望のクリアランスよりも 大きく設けられていることが多い。付加的な軸方向のクリアランスによって、静 止及び回転する構造間にシールを施すことは困難になり、余剰の重量が付加され 、ガスタービンエンジンの空気力学に負の影響がもたらされる。 ベーン及びブレードの接触の危険性を減少させる一つの試みには、エンジンケ ーシング全体を通して熱膨張率が実質的に等しくなるようにエンジンケーシング の薄い部分の厚みを増す方法がある。しか し、その結果生じる余剰重量によって、ガスタービンエンジン全体の効率が悪影 響を受けてしまう。更に、比較的古いエンジンにおいては、摩耗によりエンジン ケーシングのはめあい部品及びベーンが過度に侵食された場合、実際にあるエン ジンケーシングに厚みを加えることは不可能なので、エンジン全体を取り替える ことが必要となってしまう。しかし、エンジンケーシングを取り替えるための費 用は、かなり高額である。 発明の開示 本発明の目的は、ガスタービンエンジン全体の効率を損なわないでガスタービ ンエンジンのエアフォイル間の軸方向クリアランスを制御することである。 本発明によると、内部にガスタービンエンジンの各セクションが配置されたエ ンジンケーシングでは、選択的に断熱被膜を施して過度状態においてその部分の 熱膨張を遅くすることで、エアフォイル列の間の軸方向クリアランスを制御する 。断熱被膜は、ガスタービンエンジンケーシングの比較的薄い部分に施される。 この被膜は、エンジンケーシングのローカルな熱膨張を遅らせて、被膜が施され た部分の近くに配置されてエンジンケーシングから突出した片持ち翼になってい るベーンが軸方向に傾くことを防止する。 本発明の主要な利点の一つは、ガスタービンエンジンの重量を大きく増加させ ることなく、エアフォイル間の軸方向クリアランスを制御することができる点で ある。本発明のもう一つの主要な利点は、はめ合い、安定状態、及びエンジン性 能に影響を与えないで、また 既にあるガスタービンエンジンの部品を交換しないで、新しく生産されたガスタ ービンエンジンと同様に既に使用されているガスタービンエンジンでも上記被膜 を使用することができる点である。 本発明の上記及びその外の目的及び利点は、以下の実施形態の詳細な説明及び 付随する図面によってより明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、ガスタービンエンジンの簡略化された部分切欠き図である。 図２は、図１のガスタービンエンジンのガスタービンエンジンケーシングに取 り付けられたブレード及びベーンの拡大及び簡略化された部分説明図である。 図３は、本発明に係る断熱被膜が選択的に施された図２のガスタービンエンジ ンケーシングの拡大及び簡略化された部分説明図である。 発明の最良の実施形態 図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、長手軸１８に沿って配置さ れた圧縮機１２、燃焼機１４、及びタービン１６をそれぞれ有する。ガスタービ ンエンジン１０の上記セクション１２、１４、及び１６は、ガスタービンエンジ ンケーシング２０内に設けられている。空気２１は、ガスタービンエンジン１０ の各セクション１２、１４及び１６を通って流れる。圧縮機１２及びタービン１ ６は、回転ブレード及び固定ベーンが交互に配置された列を備える。 回転ブレード２２は、回転ディスク２６上に固定されており、固定ベーンは、エ ンジンケーシング２０上に取り付けられている。ブレード２２とベーン２４の間 には、軸方向のクリアランスが設けられている。 図２を参照すると、各ブレード２２は、内径プラットフォーム３０と、外径プ ラットフォーム３２と、がフランジ部となっているエアフォイル部２８を含む。 各ブレード２２の内径プラットフォーム３０は、回転ディスク２６に固定されて いる。各固定ベーン２４は、内径バットレス４０と、外径バットレス４２と、が フランジ部となっているエアフォイル部３８を含む。外径バットレス４２は、前 方フック４４及び後方フック４６を備える。前方フック４４は、前方接続部４８ でエンジンケーシング２０にゆるく載置されている。後方フック４６は、後方接 続部５２でエンジンケーシング２０の各レール５０の間にはめ込まれる。図３に 最もよく示されているように、各レール５０は、レール上部面５４、レール外部 面５６、及びレール内部面５８をそれぞれ備える。 タービンケーシング２０は、前方接続部４８において、後方接続部５２よりも 質量及び厚みが大きい。断熱被膜６０は、エンジンケーシング２０の厚みが比較 的薄いレール外部面５６上に施される。レール内部面５８及びレール上部面５４ には、被膜６０は施されない。被膜６０の厚さ、種類、及び軸方向の幅は、特定 のガスタービンエンジンの実際の大きさ及び必要性によって決まる。 ガスタービンエンジン１０が作動するのに伴って、圧縮機１２を通って流れる 空気２１の温度及び圧力は上昇し、それにより、吸入 空気流２１の圧縮が行われる。圧縮された空気は、燃料と混ざり、燃焼機１４で 点火及び燃焼される。燃焼機１４より発生する高温生成物は、タービンに入る。 タービンブレードによって、高温の空気は膨張してスラストを発生し、圧縮機１ ２を駆動するためのエネルギーが抽出される。 圧縮機１２内の圧縮空気の温度及びタービン１６内の高温生成物の温度は、非 常の高温である。エンジンケーシング２０全体は、初めの段階では低温である。 エンジン１０が作動し始めると、エンジンケーシング２０は、加熱し始める。被 膜６０によって、エンジンケーシング２０の比較的薄い部分の熱膨張の速度は低 下し、それにより、上記断熱被膜で覆われたエンジンケーシングの比較的薄い部 分の熱膨張と、エンジンケーシング２０の比較的厚い部分の熱膨張と、は同程度 となる。 従って、エンジンケーシング２０の比較的薄い部分及び比較的厚い部分は、過 度状態において実質的に同等の割合で膨張する。ケーシングが過度状態において このように同等の膨張率を有することにより、前方及び後方の接続部４８及び５ ２は、確実に、ほぼ同じ率で膨張することが可能となる。それにより、ベーン２ ４を傾けるおそれのある、ベーン２４の後方フック４６に生じる引っ張り力を最 小に押さえることができる。例えば、コネチカット、ハートフォード(Hartford, Connecticut)のユナイテッドテクノロジーズコーポレイション(United Technolo gies Corporation)の一部門であるプラットアンドホイットニー社(Pratt & Whit ney)製造のＪＴ８Ｄガスタービンエンジンでは、断熱被膜を用いることによって ベーン２４ の軸方向での傾きを少なくとも．０７０インチ減少させることができる。 本発明は、新しく生産されるガスタービンエンジン及び現在使用されているガ スタービンエンジンの両方にとって有用である。新しいガスタービンエンジンで は、ブレード２２及びベーン２４の間での軸方向クリアランス２７を減少させる ことができる。固定ベーン２４と回転ブレード２２との間の軸方向クリアランス ２７は、より小さい方が望ましいということには、いくつかの理由がある。第一 に、クリアランス２７がより小さければ、固定及び回転構造間でより優れたシー ルを提供することができることが挙げられる。第二に、空気力学的に優れている ことがある。更に、第三に、ガスタービンエンジン１０の全重量を減少させるこ とができることがある。そして、最後に、ガスタービンエンジン１０をよりコン パクトに製造することができることが挙げられる。 比較的古いエンジンに関しては、断熱被膜６０を用いることによって、通常運 転による摩耗を補償することができる。金属部品の摩耗によって部品はゆるくな りやすく、従って、傾きが大きくなる。一度断熱被膜６０が施されると、ベーン ２４の傾きは減少し、それにより、ベーン２４と回転ブレード２２の間で干渉が 起こる可能性は減少する。本発明は、既に使用されているエンジンケーシングを 交換又は一新する場合に比べて低価格の形態を提供する。 本発明のもう一つの利点は、断熱被膜が二分の一ポンド以下のほとんど無視す ることのできる程度の重量しかガスタービンエンジンの重量に付加しない点であ る。 エンジンケーシングの熱膨張を遅くするためには、どのような断熱被膜を使用 してもよい。しかし、プラットアンドホイットニー社製造の二層被膜であるＰＷ Ａ２６５は、同じくプラットアンドホイットニー社製造のＪＴ８Ｄのエンジンで 最適の結果をもたらす。ＰＷＡ２６５被膜は、ビネ等に付与されて本発明と同じ 承継人であるプラットアンドホイットニーに譲渡された米国特許第４，８６１， ６１８に開示されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスタービンエンジンであって、圧縮機と、燃焼機と、タービンと、をそれ ぞれ含み、前記ガスタービンエンジンは、エンジンケーシング（２０）内に配置 されており、 前記ケーシングは、前方接続部（４８）と、後方接続部（５２）と、を備え、 前記圧縮機及び前記タービンは、固定ベーン（２４）と、回転ブレード（２２ ）が交互に設けられた列を含み、前記回転ブレードは、回転ディスク（２６）に 固定され、前記ベーンは、前記前方接続部及び前記後方接続部での連結によって 前記エンジンケーシング（２０）に取り付けられており、 前記前方接続部（４８）は、前記後方接続部（５２）よりも質量及び厚みが大 きく、 前記後方接続部は、前記ベーンを受けるためのレール内部面（５８）と、前記 レール内部面に隣接して前記ケーシングの内部面を構成するレール外部面（５６ ）と、を備えるガスタービンエンジンにおいて、 軸方向に制限された範囲で周方向の全周囲に渡って伸びるように前記レール外 部面（５６）に施された断熱被膜（６０）を有し、前記内部レール（５８）面に は、被膜は施されておらず、 これにより、前記回転ブレードと、前記固定ベーンと、の間の軸方向の間隙を 維持するように前記接続部の周囲に配置された前記ベーンの傾きが最小化される ことを特徴とするガスタービンエンジン。