JP5114797B2 - ターボ機械においてタービンの過速度を抑えるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機用ジェットエンジンなどのターボ機械において、きわめて稀な現象ではあるが破滅的な結果となり得るタービン軸の破損に対する防護のために、過速度を抑えるための装置に関する。

この軸が破損すると、タービンのロータは、ロータの回転速度を抑えていたファンから切り離されるが、タービンのブレードは、ターボ機械の燃焼室から出るガスによって回転を続ける。その結果、タービンが「過速度」または「高速回転」となり始め、ロータに破裂を生じかねない過大な遠心力が加わり、破裂によってタービンの外側ケーシングのみならず、このターボ機械を装備している航空機の機体にも穴をあける恐れがある。したがって、過速度の抑制は、ターボ機械において絶対に順守されなければならない制約である。

過速度を抑制するための知られている装置は、一般的には、タービン軸の破損およびロータブレードに作用するガスの圧力から生じるタービンロータの下流への変位を利用している。

すなわち、タービンロータを機械的に減速させるための装置はすでに提案されており、それらは、ロータによって支持された手段であって、タービン軸の破損後に下流方向に変位して、ロータを減速させるべくステータに属する対応する手段へと押し付けられる手段を備える。

また、ステータ案内羽根を移動可能または枢動可能に取り付けることも提案されており、ロータが、タービン軸の破損後に下流方向に変位する結果としてこれらの羽根を圧迫し、ブレードの経路へと枢動させて破壊して、タービンの回転を減速させる。しかしながら、この知られている解決策は、比較的複雑かつ高価につく。

知られている装置は、比較的緩慢であって、有効性が損なわれがちであるという欠点を有する。これは、タービンロータの慣性が小さいがために過速度の発生がより短時間のうちに生じる危険のある小型のエンジンの場合に、特に不利に働く。

さらに、これらの装置は、構成要素間の積極的な接触を必要としているため、ロータが固定の構成要素から跳ね返される場合や、このロータが旋回を開始する場合に、効力を発揮しない可能性がある。

構成要素間の摩擦にもとづくこれらの減速装置においては、その効果が、温度や構成要素間に作用する力などの多数の不確かなパラメータに関係するため、予測困難である。

さらに、知られている装置のいくつかは、全体としてのタービンの質量を増加させるとともに、タービンの構成要素の空気力学的形状を変化させることになり、エンジン性能にとって不利であるという欠点をかかえている。

本発明の一特定の目的は、これらの問題に対する簡潔、経済的、かつ効果的な解決策を提供し、従来技術の欠点の回避を可能にすることにある。

本発明の他の目的は、ターボ機械においてタービンの過速度を抑制するための装置について、信頼性および応答速度の要件をより満足に満たすことにある。

これらの目的のため、本発明は、ターボ機械においてタービン軸の破損の場合にタービンの過速度を抑制するための装置であって、タービンの少なくとも１つの段のブレードをせん断するための手段を備え、このせん断手段が、ピンをブレードの経路へと推進するための手段を備え、この推進手段が、タービンまたはターボ機械のケーシングに取り付けられ、タービンが過速度を受けていることまたはこのタービンの軸が破損したことを検出する手段によって制御される装置を提案する。

ピンによって迎撃されたブレードが、このピンとの衝突の作用のもとで破壊され、それらの破片が、他のロータブレードおよびタービンのステータの羽根へと進み、これらを破壊する。もはやブレードによって駆動されることがないロータは、過速度の結果として何かを破壊することがもはやあり得ない。

この装置の本質的な利点は、ロータの変位に依存しておらず、この変位の発生を待つことなく動作開始でき、したがってより高速な応答が保証され、装置の速度が、いまや推進手段の応答時間によってのみ決まる点にある。さらに、この装置の動作は、これまでの特定の装置と異なり、タービンが跳ね返されても、あるいはロータが旋回を始めても、不利になることがない。

本発明の好ましい実施形態によれば、推進手段が、爆発性の物質のカプセルを、カプセルの爆発時にピンを案内するために適したシリンダに収容して備える。

有利には、例えばアジ化ナトリウムなど、爆発の作用のもとでガスを発生させることができる物質のペレットが、このシリンダにおいて爆発性の物質のカプセルの付近に配置される。

このようにして、カプセルの爆発によって生み出され、必要に応じて上述のペレットによって生成されるガスの放出によって生み出される爆風が、ピンをブレードの経路へと前進させ、ブレードを破壊する。アジ化ナトリウムのペレットの使用は、自動車用エアバッグの分野において知られているが、最適な反応速度を可能にする。

代案として、エンジンから流れ出る加圧ガスまたは加圧ガスのリザーバから供給される加圧ガスを運んで利用してもよい。

本発明の好ましい実施形態においては、シリンダが、ブレードの経路へと開いているケーシングの開口に一致してこのケーシングの外側に取り付けられるとともに、開いた端部および閉じられた他端を備え、開いた端部によってケーシングへと取り付けられ、閉じた他端が爆発性の物質のカプセルを含む。

ピンは、過速度の発生が検出されるまで、または低圧タービンの軸の破損が検出されるまでの非動作の状態にあるときは、完全にシリンダの内側に延在する。ピンは、円柱形の本体を有し、円柱形の本体の一端が、ケーシングへと取り付けられたシリンダの端部においてスライド可能に案内され、円柱形の本体の他端は、円柱形の本体の直径およびシリンダの開放端の直径よりも大きな直径の頭部を備え、ピンをシリンダ内に保持するための部材を形成している。

したがって、非動作状態においては、ピンがタービンを通過するガスの流れをまったく妨げず、したがってエンジンの性能に不利をもたらすことがない。

過速度の発生または低圧タービンの軸の破損が検出されると、爆発およびガスの放出からの推力がピンの頭部に加わって、ピンが激しく推進され、ピンの頭部がシリンダの開口の縁に当接してピンをシリンダ内に保持するまで、シリンダの開放端を通ってスライドする。

有利には、ケーシングの開口が、ターボ機械の動作温度に耐えることが可能でありかつ過速度の発生が検出された場合にピンによって破ることが可能である材料で製作された破断ディスクによって閉じられており、好ましくは、ピンが、この破断ディスクを貫くことができるスパイクを有し、このスパイクは、円柱形の本体において頭部とは反対側の端部に形成される。

この破断ディスクのおかげで、ピンが非動作位置においてシリンダの内側に固定され、過速度の発生または低圧タービンの軸の破損の検出の結果として爆発およびガスの放出が生じたときにのみ、ピンに加わる激しい推力の結果として、ピンが破断ディスクを貫いてシリンダから出ることができる。さらに、この破断ディスクは、タービンを通過するガスがピンおよび爆発カプセルを含むシリンダへと進入することがないようにしている。

シリンダは、有利には、ケーシングへの取り付けのための横リムと、爆発性の装薬をタービンが過速度を受けていることまたはこのタービンの軸が破損したことを検出するための手段へと電気的に接続するための手段とを備える
さらに、本発明は、航空機用ジェットエンジンなどのターボ機械であって、上述した形式の過速度抑制装置を備えるターボ機械に関する。

本発明の他の利点および特徴は、あくまで本発明を例示に限定されることなく添付の図面を参照しつつ行われる以下の説明を検討することによって、明らかになるであるであろう。

まず図１を参照すると、４つのディスク１２、１４、１６、１８を環状のフランジ２０によって互いに軸方向に組み立てて備えるとともに、ブレード２２をブレード２２の半径方向内側のブレード根元部によってディスク１２、１４、１６、１８の外周のスロットに取り付けて支持している低圧タービンのロータが描かれている。ロータは、ディスク１４および１６の環状のフランジ２０の間の環状のフランジ２８によって固定された駆動テーパ２６によって、タービン軸２４へと接続されている。

ブレードの各段２２の間には、半径方向外側の端部の適切な手段によって低圧タービンのケーシング３２へと取り付けられた固定の羽根の各段３０が存在している。

本発明によるタービン過速度抑制装置４０が、タービンケーシング３２が接続されてなる排気ケーシング３４の外表面に取り付けられている。このように配置された装置４０は、タービンの最終段に組み合わせられているが、任意のタービン段について使用することが可能である。

さらに、タービンは、ロータの過速度が始まったことを検出するための手段、またはこのタービンの軸２４の破損を検出するための手段を備え、これらの手段は、参照符号３６として概念的に描かれている。

図２に最もよく見られるように、過速度抑制装置４０は、きわめて硬い金属で作られたピン４２をシリンダ４４に収容して備え、シリンダ４４が、ケーシング３４へと押し当てられた端部に、１つ以上のねじ４８によってケーシング３４の外表面に形成された取り付けプレート５０へと固定される横リム４６を有し、シリンダ４４は、ケーシングへと取り付けられた端部において開いており、他端において閉じている。

ピン４２は、２つの端部にそれぞれスパイク５６および頭部５４を備える円柱形の本体５２を有し、頭部５４が、ピンをシリンダ内に保持するための部材を形成すべく、円柱形の本体５２よりも大きな直径を有する。頭部５４がシリンダ４４の閉じた端部の付近に位置する一方で、スパイク５６は、シリンダ４４の開放端に面している。

参照符号３８によって概念的に示されており、おそらくはアジ化ナトリウムまたは他の何らかのガス発生物質のペレットである爆発性の装薬が、シリンダの内部において、ピンの頭部５４とシリンダの閉じた端部との間の空の空間５８に配置されている。

シリンダ４４は、タービンのロータの最後の段のブレード２２の経路へと開いているケーシング３４の開口６０に一致して取り付けられている。この開口６０は、円柱形の本体５２の直径よりもわずかに大きく、頭部５４の直径よりもわずかに小さい直径を有する。

図２に示した非動作位置においては、ピン４２がシリンダ４４に完全に収容されており、開口６０が、ターボ機械の動作温度に耐えることができ、かつ強力なスラストの作用のもとでピン４２のスパイク５６によって孔をあけることができる樹脂またはマスチックなどの物質で製作された破断ディスクによって封じられている。

電気接続手段６４が、タービンが過速度を受けていることを検出するための手段、またはこのタービンの軸２４の破損を検出するための手段３６によって爆発性の装薬を制御できるよう、シリンダ４４および横取り付けリム４６へと接続された横支持部６２に取り付けられている。

上述の装置は、以下のように機能する。

タービン軸２４の破損の結果としてのタービンロータの過速度の発生が検出され、あるいはタービン軸２４の破損が検出されると、検出手段３６が、爆発性の装薬３８の爆発を開始させるべく接続手段６４に加えられる信号を生成し、アジ化ナトリウムペレットによる窒素の急激な放出を生じさせる。信号が、貯蔵リザーバからの加圧ガスの供給またはエンジンから流れ出る加圧ガスの供給へとつながるバルブの開放を生じさせてもよい。

ガスによって頭部５４へと加えられる強力なスラストの作用のもとで、ピンが、そのスパイク５６によって開口６０を閉じている破断ディスクを貫き、図３に示されているように頭部５４が開口６０の縁に突き当たるまで、開口６０を通ってタービン内へと前進する。

この結果、ピン４２の一部分が上述のブレード２２の経路に位置し、すなわちこれらのブレードがピン４２に激突する。

ブレードが破壊されることで、タービンのロータの過速度の危険が防止される。

本発明による装置の応答時間は、きわめて短く、約４０ミリ秒（過速度の検出に１０ｍｓ、装薬の爆発およびピンの前進に３０ｍｓ）である一方で、従来技術において知られている装置の応答時間は、１００ｍｓを超えている。

本発明による装置を備えるターボジェットエンジンの低圧タービンの軸断面の半部分概略図である。 図１の一部分の拡大の概略図であり、本発明によるタービン過速度抑制装置を非動作の位置に示している。 図２と同様の図であり、タービン過速度抑制装置を動作位置に示している。

符号の説明

１２、１４、１６、１８ ディスク
２０ フランジ
２２ ブレード
２４ タービンの軸
２６ 駆動テーパ
２８ フランジ
３０ 羽根
３２ ケーシング
３４ 排気ケーシング
３６ 検出手段
３８ 爆発性の装薬
４０ タービン過速度抑制装置
４２ ピン
４４ シリンダ
４６ 横リム
４８ ねじ
５０ 取り付けプレート
５２ （ピンの）本体
５４ （ピンの）頭部
５６ （ピンの）スパイク
５８ 空間
６０ 開口
６２ 横支持部
６４ 電気接続手段

Claims (14)

1. ターボ機械においてタービン軸の破損の場合の過速度を抑制する装置であって、
   タービンの少なくとも１つの段のブレードをせん断する手段を備え、
   このせん断手段が、ピンをブレードの経路へと推進する手段を備え、
   この推進手段が、タービンまたはターボ機械のケーシングに取り付けられ、タービンが過速度を受けていることまたはこのタービンの軸が破損したことを検出する手段によって制御される、装置。
2. 推進手段が、ピンを案内するシリンダに収容された爆発性の物質のカプセルを備える、請求項１に記載の装置。
3. シリンダが、さらにガス発生物質のペレットを含む、請求項２に記載の装置。
4. ガス発生物質のペレットが、アジ化ナトリウムである、請求項３に記載の装置。
5. ピンを推進する手段が、加圧ガスの供給源へと接続されている、請求項１に記載の装置。
6. シリンダが、ブレードの経路へと開いているケーシングの開口に一致してこのケーシングの外側に取り付けられるとともに、開いた端部および閉じられた他端を備え、開いた端部によってケーシングへと取り付けられ、閉じた他端が爆発性の物質のカプセルを含む、請求項１に記載の装置。
7. 過速度の発生が検出されるまでの非動作の状態において、ピンが、シリンダの内側に完全に収容されるとともに、シリンダの閉じた端部に位置する頭部を頭部の直径よりも小さな直径である円柱形の本体に接続して有し、頭部に対して反対側である本体の端部が、ケーシングへと取り付けられたシリンダの端部においてスライド可能に案内されている、請求項６に記載の装置。
8. ピンの頭部が、シリンダの開放端の直径よりも大きい直径を有し、ピンをシリンダ内に保持する部材を形成している、請求項７に記載の装置。
9. ケーシングの開口が、ターボ機械の動作温度に耐えることが可能でありかつ過速度の発生が検出された場合にピンによって破ることが可能である材料で製作された破断ディスクによって閉じられている、請求項６に記載の装置。
10. ピンが、円柱形の本体においてケーシングの開口に面する端部に形成されたスパイクを有する、請求項６に記載の装置。
11. シリンダが、シリンダの開放端に、ケーシングへの取り付け用に横リムを備える、請求項６に記載の装置。
12. シリンダが、爆発性の装薬をタービンが過速度を受けていることまたはこのタービンの軸が破損したことを検出する手段へと電気的に接続するための手段のための支持部を備える、請求項６に記載の装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の過速度抑制装置を備える、ターボ機械。
14. 航空機用ジェットエンジンである、請求項１３に記載のターボ機械。

Images