JPH0333905B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はタービンの通気量を自動的に制御する
装置を備えたタービンエンジンに係わる。

現代のタービンエンジンにおける性能の向上の
追求は作動温度の上昇をうながし、これらの使用
条件に応ずる新素材の装備を要求する。熱膨張の
抑制並びに運転上の改善保持性と部品寿命の追求
の側面からも、例えばタービンのようなより熱い
部分を換気するためのエンジンの冷たい部分から
空気を特定的に抽出するといつたような複合冷却
システムが考案されるに到る。この技術開発は実
際にはタービン入口温度のある程度の上昇を伴な
うことになる。

性能レベル、特に航空応用上の効率又は最大推
力にも影響を与える因子の１つは、タービンエン
ジンの固定部分と回転部分との間の最小かつ充分
な遊隙の調節である。回転部分（翼又は回転翼部
材）の径方向先端と直角に位置した固定翼部材の
径方向膨張／収縮を、この先端の径方向移動に適
合させるため、現在用いられている手段の１つに
この固定翼部材の確実な換気を行なうというもの
がある。

従つて換気空気流量の調節は、後ほど２つの実
施例を説明するが、タービン部材の冷却用又は回
転翼と固定翼間の作動遊隙の調節用にこの空気が
利用されるとしても、タービンエンジンの作動条
件の制御にとつて重要な因子である。

米国特許出願US−Ａ−3975901号は、例えば温
度の異なる２つの気体流束の混合度を決定する装
置を開示しており、この混合流束か気体の２つの
通路に対して熱膨張により径方向に移動するシヤ
ツタを用いてタービン固定翼内壁にさからう方向
へ向かう。しかしこの種の装置を実際に使用する
ことは微妙かつ複雑であり、異なる温度の２つの
気体源の使用を不可欠とする。

米国特許第3029064号は、冷却室の給気制御に
ついて開示しており、それは円筒セグメントに分
割された冠状部材の差動膨張によつてその移動が
制御される蝶形弁を含むタービンの外枠の周りに
配置される。各セグメントは弁に結合し、かつ外
枠に結合した先端を持つており、他方の先端は弁
に結合している。この装置は複数個の弁を用いて
おり、その信頼性の欠除がその有効性を再び疑問
視させる結果となつている。

本発明は公知装置の欠点をまぬがれてタービン
の換気量を自動的に制御することを目的とする。
この自動制御の重要な利点は、タービンの通気流
量の機能を例えば飛行機に搭載したターボジエツ
トエンジンへの航空学的適用における所要任務に
恒久的に適合させることを可能にすることであ
る。その結果、これらの材料にとつて重要なパラ
メータである幾つかの飛行状態における特定消費
のかなりの減少が生じる。従つてこの調整は80％
を超え得る作動時間の大きな割合を占める部分状
態作動位相を調整することができる。本発明ター
ビンエンジンはタービンの通気回路上に径方向に
重ね合わされ、支持部材内に同心円式に配置され
た２個のリングが配置されており、各リングは前
記支持部材の唯一点に固定され、得られた２つの
点は直径方向に相対して向き合い、さらに各リン
グは円周上に沿い分配された開口を含んでおり、
さらに本発明は一方では支持部材を、他方では重
ね合せリングを構成する材料が明確に差異のある
熱膨張係数を所有し、従つてタービンエンジンの
作動状態に従う前記支持部材の温度膨張の関数と
して、リングの開口が換気流を通過させるためぴ
つたり合わさり、あるいは相互に完全に位置がず
れて空気の通過をすべて閉止し、あるいは中程の
通気量を得るため中間位置をとることを特徴とす
る。

開口の形状に従つて通過断面、即ち温度の関数
としての通気量の様々な変化規則を有利に得るこ
とができる。

さらに有利には、支持部材の材質は金属であ
り、重ね合わせリングの材質はセラミツクであ
る。

より有利には、重ね合せリングはタービンの回
転翼段の空気冷却回路上かあるいは回転翼と固定
翼間の遊隙調整のため固定翼リングの換気回路上
に配置されることができ、あるいはまた圧縮機ケ
ーシング内にタービンの通気回路の上流側に、空
気採取レベルで配置されることもできる。

本発明のその他の特性及び利点は、以下に示す
本発明の１具前例の説明並びに有利な２つの適用
例の付図を参照した説明によつてより良く理解さ
れるであろう。

第１図では、部分的に示した本発明タービン
は、タービン外側ケーシング３の内側に取付けら
れた固定翼分配器１及び回転翼回転段２を含む。

分配器１は、外側径方向カバー５及び内側径方
向カバー６間に設けられたステータ翼４を含む。
外側カバー５は、上流側に位置した燃焼室１０の
外側ジヤケツト９にフランジによつて結合された
上流側７及び下流側８径方向フランジを介してケ
ーシング３に固定されておる。ここで上流側及び
下流側というのは、タービンエンジンの気体の主
流束の正規循環方向に関して決定される。タービ
ンのケーシング３は燃焼室の外側ケーシング１１
に上流側フランジによつても結合されている。内
側では、分配器１は翼の円周突出部材１２を含
み、該部材は、内側カバー１５と共に燃焼室の内
側囲い１６を形成する燃焼室内側ジヤケツト１４
のフランジ１３上に上流側で固定される。下流側
では分配器の翼４は、同じく円周突出部材１７を
含む。燃焼室内側カバー１５は、分配器の内側カ
バー６の上流側縁と下流側円周突瞬部材１７に結
合する環形はめ輪１８を介して下流方向へ延伸す
る。径方向フランジ１９は燃焼室内側下流側フラ
ンジ１３に固定され、従つて円周突出部材１２と
一体的である。

このフランジ１９はその下流面に環状溝２０を
含み、さらに下流側では円周突出部材１７はその
上流面に同じく円周溝２１を含んでいる。これら
の溝２０及び２１内には、径方向に重ね合わさつ
て、同心式に配置された２個のリング２２及び２
３が取付けられている。これらのリング２２及び
２３内には、円周上に規則的に分配された開口２
２ａ及び２３ａが設けられている。一方ではリン
グ２２及び２３、他方ではそれらの支持構造、特
に支持フランジ１９及び円周支持突出部１７を構
成する材質は異なり、明確に異なる熱膨張係数を
もつ。

好適具体例によれば、支持構造は金属であり、
リング２２及び２３はセラミツク材料で構成さ
れ、これは例えば１℃当り12×10^-6mmの熱膨張係
数間の差異を生じる。各リング２２又は２３は開
いており、第４ａ，４ｂ，５ａ及び５ｂ図に明確
であるように径方向横断スリツト２２ｂ及び２３
ｂを持ち、各リングは第４ａ及び４ｂ図の固定点
２２ｃ及び２３ｃである唯一点において支持部材
と一体的になつており、一方ではリング２２及び
２３間の他方ではそれらの支持部材間の円周上の
相対移動は各固定点以外では全くの自由を保つ。
第４ａ図は径方向に重ね合わされ、かつ支持部材
１９上に同心式に取付けられた２個のリング２２
及び２３を概略的に示す。各リング２２ｃ及び２
３ｃのそれぞれの固定点は直径方向で対向し合
い、固定点にそれぞれ直径方向で対向し合うスリ
ツト２２ｂ及び２３ｂもまた相互に向き合つてい
る。リングは第４ａ図では低温状態で著るしい熱
膨張がない場合を示し、第４ｂ図では理解の容易
のため得られた移動量を拡大することによつて高
温状態のリングの位置を図示している。この図４
ｂは半径Ｒから半径R′に移つた支持部材１９の
熱膨張を示す。スリツト２２ｂ及び２３ｂの基準
に合わせて、リングの各先端点は距離ｄ＝（R′−
Ｒ）だけ移動した。第４ａ図の固定点とスリツト
の間の中間点に位置するリング２２上の低温での
点Ａ及びリング２３上の点Ｂは、それぞれ第４ｂ
図で相互に逆方向にA′及びB′へ移動した。各移
動距離はｄ／２＝π／２（R′−Ｒ）である。温度差 ΔTと熱膨張係数差Δαとの関数として得られた変
化は、 R′−Ｒ＝Ｒ×Δα×ΔT である。第２図及び第３図で明確な通り、フラン
ジ１３は円周フランジ上に同様に規則的に分配さ
れた切欠き２５と協働する切欠きを含んでいる。

他方では、下流側のタービンの回転翼段２は円
板２６で構成され、この円板上に動翼２７がスロ
ツト２６ａ内に取付けられている。翼２７の先端
と直角に、ステータは従来式に、径方向フランジ
２９及び支持リング３０を介してタービンのケー
シング３に固定された封止リング２８を含んでい
る。ロータ円板２６には、上流側で封止用ラビリ
ンス３２及び３３を支える円板３１もまた結合し
ており、この円板３１には冠状に規則的に分配さ
れた孔３４が設けられている。

以上説明したタービンは、回転翼段２及び特に
円板２６のスロツト２６ａ及びそこに取付けられ
た翼脚部２７を空気により確実に冷却する換気回
路を含む。この換気回路の空気流量は、次の方法
で作動する本発明装置によつて制御される。冷却
エアは燃赦室の囲い１６から採取され、フランジ
１３及び１９の切欠き２４及び２５を通つて重ね
合せリング２２及び２３と分配器内側カバー６の
間に設けられた環形囲い３５内に入り、次にリン
グ２２及び２３の開口２２ａ及び２３ａを横切つ
て前記リング２２及び２３と円形はめ輪１８の間
に設けられた囲い３６に入る。そこからエアは前
記はめ輪１８によつて支えられた加速機３７を横
切り、ラビリンス支持円板３１の孔３４を横切つ
てタービンのロータ円板２６のスリツト２６ａの
方へ向かう。冷却エア回路は第１図の矢印ｆによ
つて示されている。重ね合わせリング２２及び２
３の開口２２ａ及び２３ａは、低温度では相互に
位置のずれた開口２２ａ及び２３ａをエアが通過
することは一切許されないようにして配置されて
いる。

逆に、温度が高い時は、フランジ１９及び円周
突出部１７によつて構成される支持部材の熱膨張
と結合構造は開口２２ａ及び２３ａを相互に連通
させ、これによつてエアの通過を許し、さらにロ
ータ円板２６のスリツト２６ａレベルの冷却に確
保することができる。所定の高作動温度におい
て、例えば最大冷却が与えられるべき遷移加速作
動状態に応じて、一方では開口２２ａ、他方では
開口２３ａの重ね合わせが完全となり、最大通気
流量を得ることができる。

温度変化の関数として、開口２２ａ及び２３ａ
の通過断面の変化から直接生じる空気流量の調節
は、エンジンの作動特性に従つて適合することが
できる。このようにして開口は第６ａ，６ｂ，６
ｃ図に示す通り、例えば長方形、台形又は三角形
など様々な形を許容することができる。第７図の
グラフに示すように、選択された形に従つて温度
の関数としての通過断面の変化法則が得られる
が、第６ａ図に従う長方形開口に対応すれば、そ
れが１次形式であつて曲線ａをとり、第６ｂ及び
６ｃ間の開口にそれぞれ対応すれば非１次形式で
ある曲線ｂ及びｃをとる。

本発明通気量自動制御装置は、タービン部材の
冷却空気供給回路への適用において説明したよう
に、熱膨張がタービンエンジンの作動状態から生
ずる温度変化によつて得られるタービンエンジン
区域で空気流量の調節が必要となるたびごとに適
用され得る。従つて換気調整は採取空気温度変化
に従つて適用される。

次に具体例として第８図を参照して、本発明通
気量制御装置の第２の適用について説明する。第
８図では、部分的に示したタービンは、フランジ
を介して長手方向に組立てられた数個の部材１１
１，１０３及び１０３ａから成る外側ケーシング
を含む。このケーシング上には環形支持部材１３
０が固定されており、該部材は上流及び下流環状
径方向フランジ１３８と１３９とを介して封止リ
ング１２８を支え、該リングはロータ翼１２７の
先端と直角に配置される。規則的に分配された多
孔１４０ａを含む薄板製環形はめ輪１４０は、環
形支持部材１３０の径方向外側に取付けられ、例
えばボール装置１４１を介しこれに当接する。環
形支持部材１３０及びはめ輪１４０はＵ字形断面
をもち、これによつて、第１図〜第７図を参照し
て説明した先行適用例のリング２２及び２３に類
似の径方向へ重ね合わさりかつ同心式に配置され
たリング１２２及び１２３によつて２部分に分割
された環形囲い１４２を構成する。セラミツク材
料製の重ね合わせリング１２２及び１２３は、同
じく開口１２２ａ及び１２３ａを含む。囲い１４
２は径方向外側はめ輪１４３によつて閉じられ、
該はめ輪は外側ケーシング１０３内に同様に設け
られた通路１０３ｂに対応する円周上に分配され
た通路１４３ａをもつ。これらの通路１４３ａ及
び１０３ｂはリール１４４によつて結合され、さ
らに不図示のタービンエンジンの圧縮機の空気採
取回路に結合される。

通気量制御装置の作動は第１図〜第７図を参照
して先に説明した通りである。巡航すなわち低温
度状態では重ね合わせリング１２２及び１２３の
開口１２２ａ及び１２３ａは完全にずれるように
配置されており、従つて気流の到着は停止され
る。タービンステータリングの換気は全く用いら
れず、圧縮機の空気採取は停止される。逆にエン
ジンの加速遷移状態では、満気状態熱気が圧縮機
に抽出され、通路１０３ｂ，１４３ａによつて運
ばれ、囲い１４２に供給される。その結果、重ね
合わせリング１２２及び１２３の金属支持部材１
３０及び１４０の熱膨張が生じ、先に説明したよ
うに、２個のリング１２２及び１２３の逆方向円
周移動は徐々に開口１２２ａ及び１２３ａを合致
させる。従つて多孔１４０ａによる噴気流の衝撃
が円形支持部材１３０の熱膨張をもたらし、さら
にこれらの作動状態においてタービンのロータ・
ステータ間に充分な遊〓を確保することを許す封
止リング１２８の径方向移動をうながす。第８図
の矢印ｆは換気回路を表わす。

次に第９図及び第１０図を参照して別の具体例
についいて説明する。この具体例では、タービン
エンジンの低圧タービンの換気冷却通気量を何ら
かの飛行位相における特定消費減少を可能ならし
めることによつてターボジエツトエンジンの役割
需要に適合させるため、エア供給回路に本発明通
気量制御装置を配置している。第９図及び第１０
図の具体例によれば、本発明装置はタービンエン
ジンの高圧圧縮機のフランジ内部に空気採取が行
なわれる圧力段のレベルに配置されている。第９
図では圧縮機ケーシングは外側フランジによつて
長手方向に組立てられた数個の部材２１１，２０
３を含んでいる。これらのケーシング部材２１
１，２０３は、さらに２５４，２５５のようなス
テータ固定翼の段を支える内側径方向フランジ２
５０，２５１，２５２，２５３も含んでいる。圧
縮機２０３のケーシングのフランジ２５１及び２
５２は、また向き合う円周溝２２０及び２２１を
も含んでいる。これらの溝２２０及び２２１の中
には、径方向に重ね合わさせかつ同心円式に配置
された２個のリング２２２及び２２３が取付けら
れており、これらのリング２２２及び２２３はセ
ラミツク系合成材料で構成されている。径方向内
側及び円形溝２２０及び２２１内でも同様に金属
製の第３のリング２５６が取付けられている。こ
れらのリング２２２，２２３及び２５６内には、
円周上に規則的に分配された開口２２２ａ，２２
３ａ，２５６ａが設けられている。各セラミツク
リング２２２及び２２３は、金属リング２５６に
唯一点で結合している。リング２２２，２２３及
び２５６は開いており、それぞれ２つの固定点は
金属リング２５６の各端に位置している。開口２
２２ａ，２２３ａ及び２５６ａと直角に、圧縮機
ケーシング２０３はコレクタ２５７に外側で通じ
る通路２０３ｂを含んでおり、ここから空気はタ
ービンの方へ送られる。圧縮機ケーシングが２個
の半円筒部分から成る時は、通気量制御装置のリ
ング２２２，２２３及び２５６は同じく２個のセ
クタをそれぞれ含む。セクタの取付方法を第１０
図に示す。

通気量制御装置の作動は、第１図〜第７図を参
照して、あるいは第８図を参照して先に説明した
作動に似通つている。金属リング２５６は、矢印
f′に従う圧縮機流管の採気に対応する熱源に直接
にさらされる。

この場合線形移動は金属リング２５６によつて
制御される。従つて開口２２２ａ，２２３ａ及び
２５６ａの重ね合わせによつて得られる通気スリ
ツトの開閉は、極めて様々な熱膨張係数をもつ材
料、一方ではリング２２２及び２２３用のセラミ
ツク材料、他方ではリング２５６用の金属材料の
リングの相対的膨張によつて調整される。これら
の膨張度の相違は、タービンを換気する必要にも
対応するタービンエンジンの作動条件の関数とし
この空気採取温度の変化によつて引起こされる。

本発明装置をタービンの通気流量制御に適用し
た３つの具体例について、その作動を以上説明し
たが、結論として次のように多くの利点を挙げる
ことができる。

−本装置は流量の大きな変化を可能にする。

−いずれの場合においても円全体にわたり均一
な分布を得ることができる。

−流量の調節が径方向外径を追加的に大きくす
る必要なしに得られ、これは本発明の目指す航空
学的適用に特に有利である。

−本装置は高い作動上の安全性と優れた信頼性
を提供する。

−流量制御部門への広い用途が開かれており、
いずれの場合においても作動により温度変化がも
たらされる。さらに２枚の重ね合わせリング１２
２及び１２３の協働する間に１２２ａ及び１２３
ａの形を決定することによつて、温度の関数とし
ての通過断面の様々な変化法則が得られることか
ら、本発明装置の適用が容易化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の通気量制御装置を回転段の
冷却空気供給回路に結合して備えたタービンをタ
ービンエンジンの軸線を通る長手断面で表わす半
部分図、第２図は、本発明装置内に組付けた支持
部材上に重ね合わせた２個のリングを、第１図の
組部を拡大縮尺で表わす部分斜視図、第３図
は、第２図の支持部材の部分横断面図、第４ａ及
び４ｂ図は、支持部材上に重ね合わせた２個のリ
ングの組立とを、低温と支持部材の熱膨張後の高
温における状態で示したタービンの軸線を通る概
略的横断面図、第５ａ及び５ｂ図は、第１図の装
置に組込んだ重ね合わせリングを低温状態と高温
状態で示した部分展開上面図、第６ａ，６ｂ，６
ｃ図は、第１図の装置の重ね合わせリング上に設
けた開口の様々な形を表わす概略図、第７図は、
第６ａ，６ｂ，６ｃ図に示す開口内の通過断面が
温度の関数として変化する法則を表わす概略的グ
ラフ、第８図は、本発明通気制御装置で第１図に
示す装置と類似の装装を、回転翼と固定翼の間の
遊〓を調節するため固定翼のリングの径方向移動
量調整装置に結合して備えるタービンをタービン
エンジンの軸線を通る縦断面で表わす半部分図、
第９図は、タービンエンジンの圧縮機が本発明通
気制御装置を含んでおり、タービンの通気／冷却
用空気の採取レベルにあることを表わす縦断面半
部分図、第１０図は第９図の装置の横断面半部分
図である。 １…分配器、２…回転段、３…タービン外枠、
４…翼、１０…燃焼室、１７，１９…支持部材、
２２，２３…重ね合わせリング、２２ａ，２２ｂ
…開口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 通気供給回路を有し、かつタービンの通気量
   を自動的に制御する装置を備えているタービンエ
   ンジンであつて、通気回路上で径方向に重ね合わ
   され支持部材内に同心式に配置された２個のリン
   グが配置されており、各リングが開いておつて径
   方向スリツトを含み、前記支持部材に対しそれぞ
   れ前記スリツトと径方向で反対側にある一点にお
   いて固定され、得られた２点が径方向に相対し、
   各リングが円周に沿い規則的に分配された複数の
   開口を含んでいること、さらに重ね合わせリング
   を構成する材料が支持部材を構成する材料の熱膨
   張係数より明らかに小さい熱膨張係数を所有し、
   その結果タービンエンジンの作動条件に従う前記
   支持部材の熱膨張の関数として、あるいはリング
   の開口が換気流を通過させるために一致し、ある
   いはそれらが相互に完全に位置をずらして通気を
   一切閉じ、あるいは調整された通気量を得るため
   の中間位置をとることを特徴とするタービンエン
   ジン。 ２ 支持部材が金属材料で構成され、また重ね合
   わせリングが支持部材の材料の熱膨張係数より明
   らかに小さい熱膨張係数をもつ材料で構成され、
   リングの材料がセラミツク系のものであることを
   特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のター
   ビンエンジン。 ３ 重ね合わせリングの開口が長方形をもち、そ
   の結果通過断面が温度の関数として線形に変化す
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第１項又は
   第２項に記載のタービンエンジン。 ４ 重ね合わせリングの開口が、通過断面の変化
   が温度の非線形関数であるような形状をもつこと
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項又は第２項
   に記載のタービンエンジン。 ５ 重ね合わせリングの開口が台形をもつことを
   特徴とする、特許請求の範囲第４項に記載のター
   ビンエンジン。 ６ 重ね合わせリングの開口が三角形をもつこと
   を特徴とする、特許請求の範囲第４項に記載のタ
   ービンエンジン。 ７ 支持部材が分配器の翼の内側円周突出部の径
   方向壁及び、前記翼の内側突出部に固定された内
   側径方向フランジによつて構成され、その結果燃
   焼室の囲いから採取された空気は前記支持部材の
   環形溝内に取付けられた重ね合わせリングの開口
   を通過した後タービンの回転段の方へこれを冷却
   するために送られることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１項から第６項のいづれか一項に記載の
   タービンエンジン。 ８ ２枚の重ね合わせリングが、同じく前記リン
   グの支持部材を構成するタービンステータの封止
   リングのＵ字形断面の環形支持部材の内側に設け
   られた環形囲いの内部に配置されており、その結
   果ロータとステータとの間の作動時遊隙の調節
   が、噴気流の衝撃によつて引起こされる支持部材
   の熱膨張に従う封止リングの径方向移動を調整す
   ることによつて得られ、噴気流量は前記重ね合わ
   せリングの開口を通過することによつて調節さ
   れ、停止され又は許可され、前記環形囲いがター
   ビンエンジンの圧縮機に空気採取により結合する
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項から第
   ６項のいずれか一項に記載のタービンエンジン。 ９ ２枚の重ね合わせリングが圧縮機ケーシング
   の２個の内側径方向フランジと向き合つて２個の
   環形溝内に取付けられていること、及び補助金属
   リングが通気開口を含む内側径方向側面で重ね合
   わせて配置され、空気採取はコレクタに通じるケ
   ーシングの通路を介してタービンの換気及び冷却
   によつて送られ、さらに各セラミツクリングは前
   記金属リングに前記金属リングの各先端にそれぞ
   れ１点に於いて結合されていることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項から第６項のいずれか
   一項に記載のタービンエンジン。 １０ ２枚の重ね合わせリング及び支持金属リン
   グがそれぞれ２個のセクタを含み、固定点がセク
   タの相対して向き合う先端にそれぞれ分配されて
   いることを特徴とする、特許請求の範囲第９項に
   記載のタービンエンジン。