JPS5934841B2 - タ−ビンのすきま制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は、一般的にはガスタービン機関に関し、具体
的には、速度および温度が変化する運転状態においてガ
スタービン機関の回転部品と非回転部品の間の半径方向
すきまを制御する装置に関する。

エンジンロータと周囲のステータ構造体の間を通過しう
るいかなる気体も装置のエネルギ損失を意味するから、
高度の効率を維持するように努力しているタービン機関
の製造者達は、エンジンロータと周囲のステータ構造体
との間に可能なかぎり密接したすきまを維持するように
努力を重ねて来た。

単に定常状態のもとて装置を運転するようになっている
なら、ロータとステータの間に所望の密接なすきま関係
を設けて、両要素間に摩擦抵触させることなく最高の効
率を得ることは容易であろう。

しかし、実際には、全てのタービン機関をまず停止状態
から定常速度に移行させ、そして最終的には停止状態に
まで減速しなければならなＧ）。

ロータの速度に変化があると、遠心力によって引き起さ
れる機械的膨張のためにロータの伸びを生ずることにも
なるから、遷移中の運転は前述の理想的な密接したすき
ま状態と両豆しうるものではない。

もちろん、固定のステータが機械的に伸びないから、遷
移運転の期間中側構造体の間に相対的な機械的伸びがあ
ることになる。

更に、タービン機関が停止状態から速度状態に移行する
と、それを通過する気体の温度が比例的に高くなり、こ
うしてロータとステータの両方を温度が変化する状態に
置へこの状態が面構造体の熱膨張の原因となり、もし面
構造体の熱膨張係数が異なると、そして一般にはそうな
のであるが、面構造体の間に相対的熱膨張を生ずるので
ある。

特性的には、ロータは非常に速い速度で回転しうるよう
な大質量要素であることが必要で、従って本来的に非常
に遅い熱的応答（大きい熱慣性）を持っている。

他方、ステータは固定の要素であって、好ましくは、速
い熱的応答（小さい熱慣性）を有し、加速期間中ステー
タが熱膨張して、同期間中のロータの機械的伸びを収容
できるようになっている。

初期のターボ機械は、比較的低い速度と低い温度で運転
するように設計されていた。

固定のシュラウドが冷たい空気に囲まれた構造体によっ
て支持されており、過度運転に対して少量の熱膨張と遅
い熱的反答を示した。

従って、ロータとシュラウド間の相対的すきまはロータ
構造体の半径方向の伸びによって決定された。

しかし、機関の圧縮機の排出空気温度が比較的冷たかっ
たから、そしてターボ機械が比較的遅い速度で運転され
たから、温度と遠心力によるロータの伸びが適温であっ
て、何ら問題を生じなかった。

従って、相対的に回転する部品間の適切なすきま制御が
重要な問題になるとは考えられなかったのである。

技術が進歩し、単段タービンが導入されると、ロータの
運転速度と圧縮機の排気温度が著しく増大した。

その結果遠心力と熱膨張によるロータの半径方向の伸び
が増大するので、両部品間に適当な半径方向のすきまを
維持するためには、シュラウドの適応する伸びが必要と
なった。

そのためには、固定のシュラウドの支持構造体から冷浴
を除去し、その代り、ロータと共に伸びることができる
ような高い温度にそれを置くことが必要であった。

ガスタービン機械のロータ部分とシュラウド部分の効率
と摩耗寿命は、特定の半径方向すきまをもった運転によ
って、最も効果的にしうるから、通常は、最高速度の定
常運転状態において所望のすきまが存在するように機械
を設計することが行われている。

しかし、その結果、過度運転中などの他の運転期間中に
、すきまが所望のすきまより小さいものとなる。

過度運転中適当なすきま制御を設けることによって、こ
の現象に適合するためには、シュラウド支持構造体が熱
膨張係数の小さい材料（低アルファ材料）からなること
が好ましく、そしてこの材料は必要とする大きい冷間す
きまをももたらしたのであった。

しかし、熱膨張係数の小さい材料（低アルファ材料）を
使用すると、部分負荷（Ｐａ ｒ ｔ −Ｐｏｗｅ ｒ
Ｊ転中比較的大きいすきまが存在し、機能低下の原因
となった。

一層速い速度と高い運転温度を有するガスタービン機関
の出現と共に、所望の熱膨張係数の小さい材料（低アル
ファ材料）が、高い運転温度では安全な運転を確保でき
るほど充分に強くないので、不適当であることがわかっ
た。

高温における高強度の必要性から、ニッケル基合金の使
用が必要となった。

ニッケル基合金の熱膨張係数は従来使用された金属のそ
れより特徴的に高いのであった。

ニッケル基合金は、最高運転状態中と、部分負荷（Ｐａ
ｒｔ−Ｐｏｗｅｒ）状態においては適当なすきま制御を
与えたが、回転構造体と非回転構造体間の冷間すきまを
減少した。

そして、過渡運転のある期間では、移動部分と非移動部
分との間に摩擦接触を生じるほどに、すきまが減少し、
その結果摩耗と機関の機能及び効率の低下をもたらした
。

当業者には周知のように、両要素間のすきまは、機関が
部分負荷に減速され次に急速に加速される（高温ロータ
の急な動き）運転時期にある最低値となる。

そして、航空ジェット機関の設計上の重要な規準となっ
ているのは、このすきまである。

タービンロータとシュラウドの間に適当なすきまを維持
することに関連する問題は、ターボ機械における他の相
対的に回転する部品についても同様にいえる。

例えば、タービン機関の全長にわたって、機関の移動部
品と固定部品の間にいろいろな密封装置が配置されてお
り、両部品によって形成される環状室に入る動力流体の
軸方向流を減少するかほとんど無くしてしまう。

これらの密封装置は通常タービンの回転部材と非回転部
材の間に設けられており、タービンの静的密封装置と呼
ばれている。

他の通常の密封装置には、回転する圧縮機の後側部分と
それに外接する固定のケーシングの間に使用されている
ものがある。

これは、通常圧縮機の排気圧密封装置（ＣＤＰ密封装置
）として知られている。

これらの密封装置は、前述したシュラウドと同じ現象の
影響を受けやすく、いろいろな範囲の速度と温度にわた
って運転するときに、効率や摩耗が問題となりうる。

従って、本願発明の目的は、広範囲の速度と温度にわた
って所望のすきまを設けて効率よく運転することのでき
るタービン機関を提供することである。

本願発明の他の目的は、最高運転及び部分動力運転の定
常状態において密接なすきま制御の可能なタービンシュ
ラウド構造体を提供することである。

更に本願発明の別の目的は、低温運転中の大きい冷間す
きまと過渡運転中の許容できるすきまを可能とするター
ビンシュラウド構造体を提供することである。

更に本願発明の別の目的は、ガスタービン機関において
、速度および温度が変化する運転状態の回転部分と非回
転部分との間の半径方向すきまを制御する方法を提供す
ることである。

これらの目的、特徴、利点は、添付図面と以下の記載に
より一層明らかとなろう。

本願発明の一特徴は、ガスタービン［１のシュラウドが
、二重熱膨張係数特性（二重アルファ特性）を有する構
造体によって装着支持されている。

すなわち、肖該支持構造体は、第１の所定の低温範囲に
置かれている間、小さい熱膨張係数を示し、高温範囲に
置かれている間、第２のかなり大きい熱膨張係数を示す
のである。

こうして、合わさっている部品間に、タービンの低温運
転では、所望の大きい冷間すきまが存在し、そして高温
運転では、所望の密接なすきま関係が作り出される。

更に、この二重熱膨張係数特性の支持構造体は、ロータ
の伸びに対するシュラウドの伸びを調整し、こうして部
分負荷（Ｐａｒｔ−Ｐｏｗｅｒ）運転中に密接なすきま
を維持し、過度運転中に存在するすきまを許容できる水
準に維持する。

本願発明の他の特徴によれば、速度および温度が変化す
る運転状態に置かれる回転密封装置の固定要素を支持す
るために二重熱膨張係数の材料（二重アルファ材料）が
使用される。

これにより、固定要素と回転要素のすきまを所望の水準
に維持し、これらの不定運転状態における過度の摩耗を
防止し、効率よい運転を維持する。

一例としては、ガスタービン機関における圧縮機の排気
圧密封装置（ＣＤＰ密封装置）の固定密封部分が、二重
熱膨張係数材料で支持され、所望のすきま特性を有して
いる。

添付図面には、好ましい実施例を図示しであるが、他の
いろいろな改造物や代替構造物も製造することができ、
それらは本願発明の範囲内にある。

第１図には、ターボファン機関１０が示されてあり、フ
ァンロータ１１とコアエンジンロータ１２を含んでいる
。

ファンロータ１１は、円板１６に回転できるように装置
された複数のファン羽根１３及び１４と低圧タービン又
はファンタービン１７を含み、ファンタービン１７は周
知の方法でファン円板１６を駆動する。

コアエンジンロータ１２は、圧縮機１８と圧縮機１８を
駆動する動力タービン又は高圧タービン１９を含む。

コアエンジンは燃焼装置２１を含み、燃焼装置２１が燃
料と空気流を混合し、混合物を点火して、装置内に熱エ
ネルギを放射する。

運転中は、ファン羽根１３及び１４を囲む適当なカウリ
ング又はナセル２３によって設けられた空気人口２２を
通って、空気がガスタービン機関１０に入る。

入口２２から入る空気は、ファン羽根１３及び１４の回
転によって圧縮され、ナセル２３とエンジンケーシング
２６によって形成される環状流路２４と、エンジンケー
シング２６によって外側境界を限定したコアエンジン流
路２７とに分流される。

コアエンジン流路２７に入る圧縮空気は、圧縮機１８に
よって更に圧縮され、そして燃焼装置２１からの高エネ
ルギ燃料と共に点火される。

この高いエネルギを与えられたガス流は、高圧タービン
１９を流れて圧縮機１８を駆動し、そしてファンタービ
ン１７を流れてファンロータ円板１６を駆動する。

ガスは主ノズル２８を通過して、当業者に周知の方法で
、機関に推力を与える。

環状流路２４から排出される加圧空気によっても付加的
な推力が得られる。

ターボファン航空機関に関連して記載しているが、本願
発明は、航海用及び産業用のような他のガスタービン機
関動力カプラントにも利用できることはいうまでもない
。

第１図に示す機関についての記載は、本願発明を適用で
きる型の機関を例示するにすぎない。

次に、機関の燃焼室２１を囲む部分を一層くわしく示す
第２図には、固定の圧縮機ステータ羽根２９と回転する
ロータ羽根３１を有する圧縮機１８が示されており、こ
れらが出口案内羽根３２に向けて後方に高圧空気を排出
する。

圧縮機の排気圧（ＣＤＰ）空気の一部が、出口案内羽根
の内外側を通り、そして環状領域３３及び３４を通るが
、それは後述するような冷却目的に使用されるのである
。

ＣＤＰ空気の主な部分は、出口案内羽根３２を通って、
そして階段状デフユーザ３６を通過し、燃焼装置２１の
中及びその周囲に流れる。

燃焼器２０は、環状の燃焼室を相互に形成するように配
置された外側ライナ３７及び内側ライナ３８を有する。

当該燃焼室内に燃料が、燃焼ケース４１を貫通して内方
へ伸びる燃料ノズル３９によって放射される。

燃焼器の外側ライナ３７と燃焼ケース壁４１とによって
形成される環状流路３５内に入るデフユーザ３６からの
空気流によって、燃焼器２０の冷却が部分的に行われる
。

同様に、燃焼器の内側では、内側ライナ３８とノズル支
持構造体４２によって環状室４０を形成して、燃焼器２
０を部分的に冷却する。

ノズルからの燃料とデフユーザからの空気の混合とその
次の混合物の点火に続いて、熱ガスは燃焼装置２１から
後方へ流れて、周方向に隔たる高圧ノズル４３の列に向
い、そして更に後方・＼流れて高圧タービン１９の周方
向に隔たるタービン羽根４４の列に衝突する。

密接なすきま関係で高圧羽根４４の列に外接する環状シ
ュラウド４６が、適当な摩耗材料で作られ、羽根を密接
に囲み、しかし、シュラウドと羽根の間のすきまが一時
的に無くなる特定の運転時にはいくらかの摩擦係合と摩
耗を生じるようになっている。

シュラウド４６は、環状バンド４７の内側にとり付けら
れた多数の環状扇形部材からなることが好ましく、環状
バンド４７も完全な円を形成する多数の扇形部材からな
っている。

環状バンド４７に対する構造上の支持は、Ｕ型ブラケッ
ト４９によって環状バンド４７にとりつけられ且つ半径
方向内側に伸びているカラーを後端に有するシュラウド
支持体４８によって行われる。

環状バンド４ｒの前方側は、シュラウドハンガ５０と複
数のボルト５１によってシュラウド支持体にとりつけら
れている。

シュラウド支持体４８は、後端においてボルト５３によ
って低圧ノズル支持体５２に結合されており、そして、
ケーシングのまわりを周方向に隔たる複数のボルト５７
によって高圧ノズル支持体５６と共に燃焼ケース４１に
結合されている。

燃焼ケース４１は、冷却装置の一部として、機関の高圧
タービン部分のまわりを後方・＼伸びているが、マニホ
ルド部分５８によって急に拡大され、マニホルド部分５
８とシュラウド支持体４８の間には環状プレナム５９が
形成されている。

複数の空気抽出管６１がプレナム５９と流体結合してお
り、画業者に周知の方法でタービンノズルを冷却するた
めに圧縮機１８の中間段からの抽出空気を運搬している
。

シュラウド支持体４８は常に圧縮機からの抽出空気にさ
らされているから、それが置かれている温度が機関の速
度に対して決め手となることが明らかである。

すなわち、低速度では、抽出空気があまり圧縮されてお
らず、シュラウド支持体４８に達したときに、比較的冷
たいが、高速度では、抽出空気が極度に圧縮されており
、シュラウド支持体４８に達したときに、比較的熱いで
あろう。

もちろん、高圧ノズル支持体５６の穴を通過して環状流
路３５から出た空気の温度によっても、シュラウド支持
体の温度が影響されるであろうことも理解できるだろう
。

従って、シュラウド支持体４８の熱膨張パターンを決定
するのは、これら２種類の空気の異なった温度の組合せ
である。

本願発明に従うと、シュラウド支持体４８とシュラウド
ハンガ５０の両方が二重熱膨張係数特性（二重アルファ
特性）を有する材料からなる。

すなわち、多くの材料とは異なり、二重熱膨張係数材料
（二重アルファ材料）は、ある特定範囲の温度に置かれ
たときに第１の熱膨張係数を示し、他の温度範囲に置か
れたときに第２の熱膨張数を示す。

この特性は、第３図を参照すると明瞭になる。同図では
、二種類の二重熱膨張係数材料について、平均熱膨張係
数を温度の関数として表わしであるが、比較のために、
典型的な熱膨張係数の大きい材料Ｃ高アルファ材料）の
同じ特性をも表わしである。

単一熱膨張係数材料については、熱膨張係数が温度に対
してあまり変化せず、その変化は、だいたい直線関係の
単一な勾配で特徴づけられる。

この熱膨張係数の大きい特性では、以下に明確に記載す
るように、ある過度機関運転中に羽根とシュラウドの間
の機械的抵触が起きる。

次に二重熱膨張係数特性（二重アルファ特性）を有する
材料に関しては、グラフＡ１が１４９〜３４３°Ｃ（３
００〜６５０°Ｆ）の間の温度に置かれた当該材料につ
いて、熱膨張係数が非常に小さく、温度が上昇するとわ
ずかに減少することを示している。

しかし、同材料を３４３〜７６０°Ｃ（６５０〜１４０
０°Ｆ沖温度に置くと、熱膨張係数が温度の上昇に対し
てほとんど直線的に比例して著しく増大する。

同様に、グラフＡ２が、他の二重熱膨張係数材料につい
て示しており、１２１〜４２７°Ｃ（２５０〜８００°
Ｆ）の範囲の負勾配と４２７°Ｃ（８００°Ｆ）より高
温の範囲におけるほとんど直線的な正勾配とによって特
徴づけられている。

このような二重熱膨張係数材料の一例は、市販されてい
るインコ社（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＮｉｃｋｅｌ
Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）ｉ
ｑの商品名インコロイ９０３ （Ｉｎｃｏｌｏｙ９０３
その組成は重量係で、Ｃ最大０．０６、Ｎｉ３６〜４０
、Ｃｏｌ：３−１７、Ｃｂ＋Ｔａ ２．４〜３．５ 、
Ｔ ｉｌ、〜１．９１．’４０．３〜１．２残余Ｆｅ）
として知られているものがある。

前述したように、シュラウド支持構造体に二重熱膨張係
数材料を使用すると、第４図を参照するとわかるが、過
度運転中タービン機関のシュラウド構造体と羽根構造体
との間に所望のすきまを維持できる利点がある。

第４図に示す曲線は、第３図に示す材料を用いたターボ
機械を実１験し得たデータに基づいて抽いたものである
。

第４図は、一連の運転に対するタービン羽根の尖端とシ
ュラウドの間のすきま関係を示すが、シュラウド支持構
造体に３種類の材料を使用している。

まず、熱膨張係数の大きい材料のグラフを見ると定常状
態運転の期間中と部分負荷（Ｐａｒｔ−Ｐｏｗｅ ｒ）
状態ではすきま関係が充分且つ適当である。

しかし、最初の加速に続く期間中、グラフ中Ａ点で示す
ように、すきま関係が成る好ましくない最小にまで減少
する。

同様に、部分負荷への減速があって、すぐに急速な加速
が伴うところ、グラフ中の８点でもすきまが好ましくな
い最小値にまで減少し、そこでは回転部品又は非回転部
品のいずれかから材料が取り去られることがある。

第３図のＡ１ で示されるような熱膨張係数によって特
徴づけられる支持構造体用金属を使用すると、羽根尖端
とシュラウドの間のすきま関係は第４図のグラフＰ１
で示されたものとなる。

定常状態運転と部分負荷状態中所望のすきまを維持でき
るうえ、加速のすぐ後に充分なすきま関係があり、更に
重要なことに、減速のすぐ後で加速前の期間のすきまが
グラフ中Ｃ点で示すように充分にある。

同様に、ギラフＰ２が、第３図の熱膨張係数関係Ａ２を
特徴とする他の二重熱膨張係数材料を使用したときのす
きま関係を示している。

ここでも、加速のすぐ後の期間と、減速と急な加速の間
の期間（点Ｄ）のすきまが充分且つ適当であると思われ
る。

従って、Ａ１又はＡ２ で示される二重熱膨張係数材料
のいずれを使用しても、単一熱膨張係数材料と同程度の
所望の定常状態すきまが得られると共に、所望の過渡す
きまも得られるのである。

どのような特定の型の二重熱膨張係数材料を使用するか
は、使用者の望む特性によって決まり、グラフＰ１及び
Ｐ２の間の又はそれに近い所望の過渡すきま関係を得る
ような特定の特性を示すように適操に選択することがで
きろ。

支持構造体におけるような二重熱膨張係数材料の使用は
、タービンシュラウド以外の他の機関部分においても可
能である。

特に、タービンにおいても、圧縮機領域においても、密
封装置の固定部材を支持するのに当該材料を効果的に使
用でき、奸才しいすきま関係を得る。

第２図に示すように、燃焼装置２１から来た熱い膨張ガ
スは高圧状態でタービンノズル４３とタービン羽根４４
を通過する。

同時に、羽根とタービンの半径方向内側では、冷却空気
が循環して、部品の温度を許容できる温度水準に維持す
る。

冷却空気は圧縮機を囲む環状室４０から発して、孔６３
を通過して環状マニホルド６４に入る。

当該マニホルドから、固定のエキスパンダノズル６６を
通って後方へ向い空洞６７に入る。

空洞６７にはタービン密封円板６８が伸びていて、その
端には当業者に周知の型の歯状密封装置６９が配置され
ている。

冷却空気は、タービン密封円板６８の一方の側の空洞６
７から円板の孔７１を通って他方の側の室７２に入る。

高圧冷却空気と外側の熱いタービンガスとの間の圧力低
下を維持するのは密封装置６９の機能である。

歯状回転密封装置６９が、軟質耐熱材料の固定密封座７
３と合わさっている。

密封座７３が密封装置支持ブラケット７４によって支持
され、当該ブラケット７４がボルト７６及び７７によっ
てタービン構造体に結合されている。

本願発明によると、密封装置支持ブラケット７４が前述
の二重熱膨張係数材料からなり、定常状態と過度運転中
密封庫７３と歯状密封装置６９の間に所望のすきま関係
を得る。

圧縮機１８の後側部分を見ると、圧縮空気が出口案内羽
根３２に入り、前述のように圧縮空気の一部が環状空間
３３に入る。

ここで、回転するコアロータ１２と固定の出口案内羽根
及びデフユーザ集成体との間の界面がＣＤＰ密封装置７
８によって築かれている。

ＣＤＰ密封装置７８は、尚業者には周知の型の歯状密封
装置であり、固定の密封圧７９によって緊密なはめあい
関係で囲まれていて、界面に適当な圧力降下を築いてい
る。

ボルト８２によってノズル支持構造体４２にとりつけら
れた支持ブラケット８１に、階段状の固定密封塵７９が
堅固に取り付けられている。

そして、支持ブラケット８１が、所望の熱膨張特性を有
する前述の二重熱膨張係数材料からなり、ＣＤＰ密封装
置７８と密封圧７９との間に適当なすきま関係を維持し
ている。

本願発明を、二重熱膨張係数材料からなる固定の外側部
品を有する、相対的に回転する部品について記載して来
た。

しかし、当業者にとっては、本願発明がこのような特定
装置に限定されないことは明瞭であろう。

例えば、本願発明を、外側要素が回転し、内側要素が固
定になっている装置に使用することもでき、又、両要素
が異なった速度で回転するためにその間に相対的速度を
生むようなものであってもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明を使用したガスタービン機関の略図
。 第２図は、本願発明の詳細を示すガスタービン機関の部
分図。 第３図は、典型的な単一熱膨張係数材料と対比させた、
本願発明に使用する材料の二重熱膨張特性のグラフ。 第４図は、速度および温度が変化する運転状態における
タービン羽根尖端とシュラウドの間のすきま関係のグラ
フ。 主な符号の説明、４４・・・・・・タービン羽根、４６
・・・・・・シュラウド、４７・・・・・・環状バンド
、４８・・・・・・シュラウド支持部材、５０・・・・
・・シュラウドハンガ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 速度および温度が変化する運転状態に置かれるよう
   になっていて相対的に回転する部品を有する型のターボ
   機械が、回転部材よりも小さい熱慣性を有する相対的に
   固定の部材と半径方向に接近した関係に配置されている
   該回転部材と、前記固定の部材用支持構造体とを有する
   ものにおいて、前記支持構造体は、第１の所定温度範囲
   に置かれている間第１の熱膨張係数を示し、該第１の温
   度範囲より高い第２の所定温度範囲に置かれている間第
   ２の熱膨張係数を示し、前記第２の熱膨張係数は、前記
   第２の温度範囲内で温度が上昇すると、前記第１の熱膨
   張係数よりも一層大きな割合で増加する、ことを特徴と
   するターボ機械。 ２ 第１の熱膨張係数は、第１の温度範囲内で温度が上
   昇すると膨張係数が減少するようにした、特許請求の範
   囲１に記載のターボ機械。