JP2008144758A - タービンエンジン、およびその遠心圧縮機においてゼロ運転クリアランスを発生させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定構造と回転構造との両方の相対的な動きを補い、定常状態および過渡状態の運転の間に、固定構造と回転構造との間に極小のクリアランスを維持する。
【解決手段】タワーシャフト係合装置３４は、圧縮機３２に取付けられたメインロータシャフトに適切に係合されたタワーシャフトを保持している。このタワーシャフトは、ギアボックス、油圧ポンプ、燃料ポンプ、および当業者に周知の他のエンジン構成要素に動力を供給する。ロータ移動装置３６は、遠心圧縮機のロータを軸方向に動かす。タワーシャフト係合装置３４は、この軸方向の動きを吸収し、主ロータシャフトとタワーシャフトとを連結する複数のギアの適切な係合を維持する。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧縮機に関し、詳しくは、極小の運転クリアランス（ｒｕｎｎｉｎｇ ｃｌｅａｒａｎｃｅｓ）を有する遠心圧縮機に関する。

個人用、商業用、および軍事用の航空機の多くが、ガスタービンエンジンにより動力を与えられる。ガスタービンエンジンは、地上を走る車両の動力、電力の発生、および種々の液体やガスの圧送を含む多くの地上の用途に動力を供給するためにも使われる。これらのガスタービンのすべてが、２種類の主な型式の圧縮機を採用する。すなわち、（１）軸流圧縮機と（２）遠心圧縮機である。遠心圧縮機は、回転軸に対して垂直方向に空気流の向きを変える。遠心圧縮機は、各ブレードの外周側で高速なブレード速度になるように流れを加速させることにより、空気流に仕事をする。

図１Ａおよび図１Ｂに、単段式遠心圧縮機および多段式遠心圧縮機が示されている。遠心圧縮機の性能は、概して、圧縮機を横断する圧縮比と、空気やその他のガスが圧縮機を通して圧送されるときの流量（ｒａｔｅ）と、理想的な圧縮機と比べて追加的な仕事がどのくらい要求されるかを示す効率ファクタと、により特徴づけられる。

図２に、シャフトに軸方向の圧縮段をもたない単段式遠心圧縮機１２を備えたガスタービンエンジン１０が示されている。この圧縮機は、単段式タービン１４により回転する。運転の間に、遠心圧縮機１２の固定構造および回転構造は、いずれも動く。固定構造の相対的な動きに起因して、固定壁が、回転ブレードへ近づいたり離れたりするように動く。これに加えて、圧力により生じる構造のたわみ、径方向および軸方向の熱膨張、ならびに径方向および軸方向の誤差の蓄積も、圧縮機クリアランスを生じさせることにつながる。圧縮機の内部の基準点に対する圧力たわみの絶対的な大きさは、離陸出力あるいは飛行中の最大出力条件において極大になる傾向がある。しかし、極大たわみの絶対量だけで、ロータに隣接する固定構造の輪郭が設定されるわけではない。この輪郭は、ロータ部と固定壁部の熱膨張率の違いにより生じる固定壁の輪郭と回転ブレードの輪郭との著しい不整合によっても設定される。熱膨張による不整合の影響を強める最悪の場合は、「高温リバースト（ｈｏｔ‐ｒｅｂｕｒｓｔ）」が発生する場合である。高温リバーストとは、高出力が長い期間に亘って設定され、その後、臨界的な低出力の期間が続いた後に、高出力に戻す加速が行われることである。この状況が、回転構造および固定構造の輪郭と、２つの壁の間に顕著な不整合が生じるような中程度出力の定常状態における不整合の大きさと、を設定する。

図３に、遠心式圧縮機１２の固定壁輪郭１８とロータブレード２０との間に形成された低温時のクリアランス１６を示す。タービンエンジンを運転していない場合、固定壁の輪郭１８と回転ブレード２０の輪郭とは整合しない。固定壁の輪郭１８および回転ブレードの輪郭２０は、もっとも厳しい過渡的な「狭窄点（ｐｉｎｃｈ ｐｏｉｎｔ）」の条件において、（製造誤差を吸収し、摩擦を避けるためのある程度のマージンの範囲で）整合するように、固定壁の輪郭１８、回転ブレードの輪郭２０、およびこれらの間に低温で形成されるクリアランス１６が構成されている。したがって、高温リバーストの過渡的な条件が、固定構造と回転構造との間の輪郭および極小のクリアランスを設定するので、巡航状態すなわち中程度出力条件でのロータブレードの輪郭１８と固定構造の輪郭２０との完全な整合は不可能である。図４は、回転構造輪郭２０に対する固定構造輪郭１８を、過渡的な極小クリアランスの状態（「高温リバースト」）２２と、定常状態（「巡航」）２４と、過渡的な極大クリアランスの状態（「減速」）２６と、において示している。高温リバースト２２および減速２６の点線は、説明のために基準として固定されている回転構造の輪郭に対して、固定構造は、前後方向および内外方向に、すべて異なる比率で位置が変化していることを示している。巡航における輪郭２４は、高温リバースト２２と減速２６との間に位置し、それゆえ、ロータと完全には整合し得ないことに留意されたい。

したがって、固定構造と回転構造との相対的な動きを補い、定常状態および過渡状態の運転中に、固定構造と回転構造との間に極小のクリアランスを維持する必要がある。

本発明によるタービンエンジンは、ロータと、ロータに設けられた少なくとも１つの遠心圧縮機ボアと、少なくとも１つの遠心圧縮機ボアに設けられ、少なくとも１つの固定壁に隣接して配置された少なくとも１つのブレードと、を含む遠心圧縮機と、遠心圧縮機を囲むハウジングと、遠心圧縮機に連結して配置されたタービンと、ロータに連結して配置されたスラストベアリングと、スラストベアリングに接合された上記の少なくとも１つの固定壁に対してロータを動かす手段と、を備える。

本発明の他の態様によるタービンエンジンの遠心圧縮機においてゼロ運転クリアランスを発生させる方法は、概して、遠心圧縮機のロータの少なくとも１つのブレードと、少なくとも１つのブレードに隣接して配置された少なくとも１つの固定壁と、の間にクリアランスを有する遠心圧縮機を提供するステップと、定常状態の運転効率でタービンエンジンを運転するステップと、タービンエンジンを定常状態または過渡的な極小状態から過渡的な極大状態へ減速させるステップと、タービンエンジンを定常状態または過渡的な極大状態から過渡的な極小状態へリバーストさせるステップと、定常状態の運転効率を維持するために、減速またはリバーストに応答してクリアランスを調節するステップと、を含む。

図５は、ゼロ運転クリアランス遠心圧縮機３２、タワーシャフト係合装置３４、およびロータ移動装置３６を備えたガスタービンエンジンの断面図を示している。タワーシャフト係合装置３４は、圧縮機３２に取付けられた主ロータシャフトに適切に係合されたタワーシャフトを保持している。このタワーシャフトは、ギアボックス、油圧ポンプ、燃料ポンプ、および当業者に周知の他のエンジン構成要素に動力を供給する。ロータ移動装置３６は、遠心圧縮機のロータを軸方向に動かす。タワーシャフト係合装置３４は、この軸方向の動きを吸収して、主ロータシャフトとタワーシャフトとを連結する複数のギアの適切な係合を維持する。このタワーシャフト係合装置は、当業者に周知のように、能動的な装置としてもよいし、受動的な設計としてもよい。

図６に、遠心圧縮機３２の固定構造および回転構造が示されている。図６に示されている矢印は、固定構造自体の相対的な動きを表している。この相対的な動きに起因して、第１の固定壁３８が回転ブレード４０へ近づいたり離れたりするように動く。複数の双方向の矢印が、圧縮機のクリアランスを開くことにつながる、圧力たわみ、径方向および軸方向の熱膨張、ならびに径方向および軸方向の誤差の蓄積の影響を表している。基準点としてのボールベアリング４２に対する圧力たわみの絶対的な大きさは、最大エンジン入口圧力でのエンジン運転条件における最大出力時に、極大となる傾向がある。最大のエンジン入口圧力とは、例えば、地上用途のガスタービンに対する環境気圧や多くの航空機ガスタービンに対する海面気圧である。
図７にも、遠心圧縮機３２の固定構造および回転構造が示されている。この図に示されている矢印は、回転構造自体の相対的な動きを表している。これらの矢印は、圧縮機クリアランスを開くことにつながる径方向および軸方向の誤差の蓄積、過渡的な熱膨張および熱収縮、ならびに圧力たわみの影響を表している。

図８は、ゼロ運転クリアランス遠心圧縮機３２の圧縮流路５０を示している。固定壁３８、スラストベアリング４２、固定構造壁４４、および遠心圧縮機ボア４６は、すべて径方向および軸方向に熱膨張および圧力たわみを受けている。スラストベアリング４２を発端とする動きの総体的な蓄積が、最も内側にある固定壁４４で表出する。最も内側にある固定壁４４と、固定壁３８との間で、両方の壁に接触して配置されているＷシール（Ｗ−ｓｅａｌ）５２が、最も内側にある固定壁４４の固定壁３８に対する熱膨張と、軸方向の動きとを許容する。蓄積される熱膨張および圧力たわみは、固定壁３８が絶えず膨張できるほど大きい。固定壁３８は、フランジ５４，５６にボルト留めされつつ、Ｗシール５２によって図６に示される矢印の方向に膨張することを許容されるので、応力を蓄積しない。この固定壁３８は、Ｗシール５２がなければ、動きを制限する必要があるか、自由な動きを許容されるかのいずれかである。動きを制限された場合には、より大きな応力を蓄積するであろう。対比的に、自由な動きを許容された場合には、固定壁３８およびフランジ５４、５６に、より多くの動きが積み上げられ、回転構造すなわち回転ブレード４０と干渉するであろう。

図４に示すように、回転ブレード４０に対する固定壁３８の軸方向および径方向の動きは整合していない。説明のため、回転ブレード４０は基準として固定され、この回転ブレード４０に対して固定壁３８がどのように動くかを示している。定常状態２４の内外にある過渡的な極値、すなわち過渡的な極小２２および過渡的な極大２６は、固定壁３８の動きの極値を表している。ゼロ運転クリアランス遠心圧縮機３２が動作していないときに、過渡的な極大における各点は、それぞれの厚さの違いにより、回転ブレード４０が、固定壁３８と同じ程度には冷やされていないという事実を反映する。タービンエンジン３０が再活性化したとき、あるいはリバーストしたときに、固定壁３８は、過渡的な極小２２で表されるように最も干渉する。

図９に示されるように、ゼロ運転クリアランス遠心圧縮機３２は、タワーシャフト係合装置３４およびロータ移動装置３６と組み合わされており、さらに、固定壁３８の輪郭にもっとも整合するようにロータの位置決めを行うためにエンジン制御コンピュータと協働するセンサ６０を選択的に備え得る。固定壁に対してロータを移動させる目的は、回転構造と固定構造との摩擦を避けつつ、極小クリアランスを維持することである。スラストベアリング４２の位置に設けられたロータ移動装置３６が、電子エンジン制御装置の命令を受けて、回転構造を移動させる。そして、定常状態における回転ブレード４０と固定壁３８との間の極小クリアランスが、図９に示されるように達成され得る。図９に示される定常状態条件２４での遠心圧縮機３２は、摩擦を避けつつ、できる限る効率のよい運転を提供する。

選択的にセンサ６０が採用された場合、固定壁３８と回転ブレード４０との間に存在するクリアランスを、選択された１つの位置または複数の位置で追跡する。この選択的に採用されるセンサ６０は、回転ブレード４０に対する固定壁３８の位置を検知することができるセンサであればよい。例えば、マイクロ波センサが、調整回路として動作するアルゴリズムでプログラミングされ、かつガスタービンエンジン３０の電子エンジン制御装置（図示せず）と協働するように利用され得る。このアルゴリズムの制御ロジックは、ロータ移動装置３６を使用して可能な程度までクリアランスを開いたり極小にしている裏で、機構の動きを実行させる。ロータ移動装置が、スラストベアリングアセンブリ、すなわちスラストベアリング４２を軸方向に動かし、延いては、回転しているブレード４０を固定壁３８に対して軸方向に動かす。当業者であれば、エンジンを低出力から高出力まで加速するのに必要とする時間よりも短い時間に、（油圧または機械的な手段により）ロータをある位置から別の位置へ移動させることができる軸方向の移動機構を提供できることに留意されたい。このようにして、エンジンの過渡現象の完了よりも先に、ロータを移動させることができ、最適に輪郭を定められたロータおよびこれに隣接する壁構造から、最大の効率が達成される。

本発明のゼロ運転クリアランス遠心圧縮機は、回転部および固定部の両方の相対的な動きを補完するようにロータを軸方向に移動させることにより、定常状態および過渡状態の運転の間に、極小クリアランスを維持するように回転構造と固定構造との間のギャップを許容する。このクリアランスの調整が、圧縮機の効率と安定性をともに向上させる。スラストベアリングの位置に設けられたロータ移動装置が、電子エンジン制御装置の命令を受けて回転構造を移動させ、選択的に採用されるセンサは、回転構造と固定構造との間のクリアランスを継続的に読むことができる。

図１０に、所望の軸方向のロータ移動を実現するロータ移動装置３６の多くの可能な代替的な機構のうちの１つを示している。この代替例は、ベアリングマウント６２に取付けられた平歯車（ｓｐｕｒ ｇｅａｒ）６１を含む。ギア機構６３は、ベアリングマウント６２に取付けられた平歯車６１に係合するギア６４を含む。またベアリングマウント６２は、ケーシング６７のねじ部６６と噛合うねじ部６５を有する。モータ６９によってシャフト６８が回転することにより、ベアリングマウント６２がケーシング６７に対して回転する。ケーシング６７とベアリングマウント６２との間のねじの係合により、回転しているベアリングマウント６２を軸方向に移動させることができる。結果的に、メインシャフトのベアリング７０およびこれに取付けられた遠心ロータアッセンブリ７１も軸方向に移動する。

上述の作動システム７２、ギア機構６３、および駆動モータ６９は、遠心回転アッセンブリ７１の軸方向の動きがどのように達成され得るかを示す一例であり、当業者に理解されるように、本発明は、ここに記した例だけに限定するものではない。

本発明の１つまたは複数の実施例について記述したが、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることを理解されたい。したがって、他の実施例も本発明の特許請求の範囲に含まれる。

従来技術の単段式遠心圧縮機を示す図。 従来技術の多段式遠心圧縮機を示す図。 従来技術の単段式タービンエンジンにより回転する遠心圧縮機を備えるガスタービンエンジンの断面図。 従来技術の遠心圧縮機の固定構造輪郭と回転構造輪郭との間の低温時のクリアランスの説明図。 従来技術のガスタービンエンジンのさまざまな運転状態における回転構造の輪郭に対する固定構造の輪郭の説明図。 本発明のゼロ運転クリアランス遠心圧縮機、タワーシャフト係合装置、およびロータ移動装置を備えるガスタービンエンジンの断面図。 図５の遠心圧縮機の内部の回転構造に対する固定構造の動きを示す説明図。 図５の遠心圧縮機の内部の固定構造に対する回転構造の動きを示す説明図。 図５の遠心圧縮機の圧縮流路を示す説明図。 本発明のゼロ運転クリアランス遠心圧縮機を備えたガスタービンエンジンのさまざまな運転状態における回転構造の輪郭に対する固定構造の輪郭を示す説明図。 図５のガスタービンエンジンに対する代替的なロータ移動装置を示す断面図。

符号の説明

３８…固定壁
４０…回転ブレード
４６…遠心圧縮機ボア
５０…圧縮流路

Claims (17)

1. ロータと、
   上記ロータに設けられた少なくとも１つの遠心圧縮機ボアと、
   上記少なくとも１つの遠心圧縮機ボアに設けられ、少なくとも１つの固定壁に隣接して配置された少なくとも１つのブレードと、
   を含む遠心圧縮機と、
   上記遠心圧縮機を囲むハウジングと、
   上記遠心圧縮機に連結して配置されたタービンと、
   上記ロータに連結して配置されたスラストベアリングと、
   上記スラストベアリングに接合された上記の少なくとも１つの固定壁に対して上記ロータを動かす手段と、
   を備えるタービンエンジン。
2. 上記少なくとも１つのブレードが、第１の固定壁に隣接して配置されてい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. 上記ロータを動かす手段が、ロータ移動装置からな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。
4. 上記ロータのロータシャフトに連結して配置されたタワーシャフトと、該タワーシャフトに連結して配置されたタワーシャフト係合装置と、をさらに備え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。
5. 上記タワーシャフト装置が、上記ロータと上記タワーシャフトとの間に配置された少なくとも１つのギアと接触して配置されてい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. 上記スラストベアリングの第１の端部が第２の固定壁に接続され、上記スラストベアリングの第２の端部が上記ロータに接続されてい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。
7. 上記少なくとも１つの固定壁に設けられ、かつ上記少なくとも１つのブレードに隣接して配置されたセンサをさらに備え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。
8. 電子エンジン制御装置をさらに備え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。
9. 上記少なくとも１つの固定壁に設けられ、かつ上記少なくとも１つのブレードに隣接して配置されたセンサと通信するように配置された電子エンジン制御装置をさらに備え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。
10. 上記ロータを動かす手段が、上記少なくとも１つの固定壁に対して上記ロータを軸方向に動かす手段をさらに含む請求項１に記載のタービンエンジン。
11. 遠心圧縮機のロータの少なくとも１つのブレードと、該少なくとも１つのブレードに隣接して配置された少なくとも１つの固定壁と、の間にクリアランスを有する遠心圧縮機を提供するステップと、
    定常状態の運転効率でタービンエンジンを運転するステップと、
    上記タービンエンジンを上記定常状態または過渡的な極小状態から過渡的な極大状態へ減速させるステップと、
    上記タービンエンジンを上記定常状態または過渡的な極大状態から上記過渡的な極小状態へリバーストさせるステップと、
    上記定常状態の運転効率を維持するために、上記減速または上記リバーストに応答して上記クリアランスを調節するステップと、
    を含むタービンエンジンの遠心圧縮機においてゼロ運転クリアランスを発生させる方法。
12. センサを使用して上記クリアランスを検知するステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
13. 上記検知するステップが、上記少なくとも１つの固定壁に設けられ、かつ上記ブレードに隣接して配置されたセンサを使用して上記クリアランスを検知することを含む請求項１２に記載の方法。
14. 上記調節するステップが、上記クリアランスを実質的に減少させるために、上記ロータを軸方向に移動させることをさらに含む請求項１１に記載の方法。
15. 上記調節するステップが、上記減速に応答して上記クリアランスを実質的に減少させるために、上記ロータを軸方向に移動させることをさらに含む請求項１４の方法。
16. 上記調節するステップが、上記リバーストに応答して上記クリアランスを実質的に減少させるために、上記ロータを軸方向に移動させることをさらに含む請求項１４に記載の方法。
17. 上記減速または上記リバーストに応答して上記クリアランスを調整することにより、上記定常状態の運転効率を維持することをさらに含む請求項１１に記載の方法。

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