【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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における固定子機構及び固定子機構の冷却方法に関する。 なお、本発明はガスタービンエンジンの分野において開発されたものであるが、軸流回転機械全般に適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン型の軸流回転機械は、圧縮部と、燃焼部と、タービン部とを備えている。 動作媒体ガスの流路がエンジンの各部を通って延在している。 動作媒体ガスは圧縮部において圧縮される。 圧縮ガスは燃焼部において燃料と混合され、燃焼によってエネルギーが付加される。 この高温高圧ガスは膨脹しながらタービン部を通過する。

【０００３】エンジンのタービン部には回転子機構が設けられている。 回転子機構は、回転ディスクと、動作媒体流路を横切り外側に向かって延在する回転翼とを備えている。 ガスがタービン部を通過する際、回転子機構によりガスからエネルギーが取り出される。

【０００４】固定子機構が回転子機構を囲周して延在している。 固定子機構は回転子機構を支持するとともに、
動作媒体ガスを動作媒体流路に封入するための圧力容器を形成する。 一般に、固定子機構は、外側ケーシングと、高温の動作媒体ガスを封入する内側ケーシングとを備えている。 内側ケーシングは、静止羽根の列と、回転子機構に近接して設けられた内側空気シールや外側空気シールなどのシール部材の列とを支持している。

【０００５】ガス流が固定子機構を通過する際、静止羽根はガスによる空力負荷を受ける。 この負荷は静止羽根から内側ケーシングに伝達され、内側ケーシングに応力を発生させる。 さらに、外側空気シール及び静止羽根は、これらの部材を通過もしくはこれらの部材上を流動する動作媒体ガスにより加熱される。 この熱は伝導作用により内側ケーシングに伝えられ、内側ケーシングを不均一に加熱して内側ケーシングにさらなる応力を発生させ、内側ケーシングの疲労寿命に悪影響を及ぼす。

【０００６】そこで、冷却用空気をタービン部に供給し、内側ケーシングを冷却する。 内側ケーシングを冷却することにより、内側ケーシングにおける温度勾配及びこの温度勾配に関連して生じる内側ケーシングにおける熱応力が減少する。

【０００７】冷却可能な内側ケーシングを提供するためのひとつの構成は、周囲連続型外側ケーシングと周囲分割型内側ケーシングを含んでいる。 各分割部には、静止羽根列及び外側空気シール列の一部が搭載されている。
この構成によれば、内側ケーシングの周囲連続性を中断することにより、内側ケーシングにおける熱応力を減少させるという利点がある。 しかしながら、分割化構造には、高温の動作媒体ガスが内側ケーシングを越えて径方向外側に漏出するのを防ぐために、ガス流路の圧力よりも高圧で冷却用空気を供給しなければならないという欠点もある。 高温動作媒体ガスが内側ケーシングを越えると、隣接する構造に異常に高い温度勾配を生ぜしめ熱応力を増大させて熱疲労寿命を減少させる可能性がある。
また、ガス流路の低圧域において、冷却用空気のガス流路への漏出が発生する。 これは、冷却用空気を、内側ケーシングに隣接するガス流路内の最高圧力よりも高圧にしなければならないからである。 さらに、高圧を得るために、冷却用気体を圧縮するための仕事量が増加する。
この、冷却用気体を圧縮するために要する仕事によって、回転機械の効率は低下せざるを得ない。

【０００８】また、別の構成として、エンジンに複数個の周囲連続型ケーシングを設け、これらのケーシングを互いに連結し、冷却用空気を動作媒体流路に供給するものがある。 このような構造は、例えば、「多軸双流構造のガスタービンジェットエンジン」と題する米国特許第４，８４１，７２６号に開示されている。 これらのケーシングは周囲連続型であるため、気体を低圧で供給できる。 ここで、気体の圧力は、高温動作媒体の流路に隣接する流出位置の圧力よりも高ければよい。 この構成によれば、加圧に要する仕事を減少させることによりエンジン効率は向上する。 しかし、内側ケーシングの固着部に抗して内側ケーシングが膨脹しようとするため、内側ケーシングにかなりの熱応力が発生する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の目的は、動作媒体流路内の最高圧力よりも低圧で冷却用空気を供給できるとともに、内側ケーシングと外側ケーシングとの熱膨脹差にもとづく応力発生を回避できる固定子構造を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による固定子構造は、隣接するケーシングに連結され構造的負荷を支える周囲連続型外側ケーシングと、上記外側ケーシングから径方向に離間して設けられ上記外側ケーシングとの間に冷却用空気室を形成する周囲連続型内側ケーシングとを備え、上記内側ケーシングは周方向に延在して動作媒体ガスの流路を画定するとともに上記流路内に延在する静止羽根と外側空気シールとを支持し、上記内側ケーシングの一端を上記外側ケーシングに気密固定して上記内側ケーシングを支持するとともに上記外側ケーシングと上記内側ケーシングの間へのガスの流入を防ぎ、上記内側ケーシングの他端を自由端として上記外側ケーシングと上記内側ケーシングの軸方向及び径方向における相対的な熱成長を吸収できるように構成したことを特徴とする。

【００１１】本発明の一態様によれば、上記内側ケーシングは上記外側ケーシングに第１の位置において固定され、この第１の位置において、上記内側ケーシング及び上記外側ケーシングに冷却用空気をあてて、上記内側ケーシングと上記外側ケーシング間の温度勾配を減少させる。

【００１２】本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンの運転方法は、上記内側ケーシングに対して冷却用空気を衝突させて上記内側ケーシングを冷却するとともに上記冷却用空気を加熱する過程と、上記冷却用空気を上記外側ケーシング内の通路及び径方向延在部を介してエンジン内部に流入させる過程と、加熱された冷却用空気を回転ディスクに衝突させて回転ディスクを加熱し回転ディスクの内側部分における温度勾配を減少させる過程とを含む。

【００１３】本発明の主な特徴は、周囲連続型外側ケーシングと周囲連続型内側ケーシングとを備えた固定子構造である。 本発明の別の特徴は、内側ケーシングの上流側端部である。 内側ケーシングの上流側端部は外側ケーシングに固定されている。 この位置におけるさらに別の特徴は、内側ケーシング及び外側ケーシングに隣接する冷却用空気室と、内側ケーシング外側の冷却用空気の充填室である。 さらに別の特徴は、内側ケーシングの下流側端部である。 非動作状態の設置時において、内側ケーシングの下流側端部は、径方向及び軸方向において外側ケーシングから離間している。 動作状態における熱成長により、内側ケーシングは軸方向に移動するとともに径方向外側に移動して外側ケーシングと密接する。 さらに別の特徴は、内側ケーシングの肉厚部である。 これらの肉厚部により、静止羽根の取付け部を外側ケーシングに係合させることができる。 さらに別の特徴は、冷却用空気室を供給マニホルドと衝突マニホルドに分割する緩衝板である。 緩衝板には選択的に配置された穴が設けられ、衝突空気を、静止羽根列と外側空気シール列とを支持する内側ケーシングの肉厚部に導いている。

【００１４】本発明の主な利点は、内側ケーシングとして圧力容器を用い、隣接する動作媒体流路の最高圧力よりも低圧の冷却用空気を内側ケーシングに対して使用できるようにして、エンジン効率を改善したことである。
別の利点は、曲げ負荷に耐える構造的な外側ケーシングと、外側空気シールを搭載するための非構造的かつ刻彫された内側ケーシングとを採用し、内側ケーシングと、
回転子機構のまわりに内側ケーシングにより定置された外側空気シールの集密性によりエンジン効率を改善したことである。 さらに別の利点は、内側ケーシングと外側ケーシングの接合点に冷却用空気をあてることにより内側ケーシングの接合点側の端部における熱応力を減少させるとともに、内側ケーシングの他端が外側ケーシングに対して径方向及び軸方向に成長するのを許すことにより内側ケーシングと外側ケーシング間の熱成長差を吸収し熱応力の発生を減少させて、内側ケーシング及び外側ケーシングの熱疲労寿命を改善したことである。 本発明の一態様における利点は、内側ケーシングにより加熱された冷却用空気を集め、この加熱された冷却用空気をエンジン内部に導入し回転ディスクの内側部位を加熱するために用いて回転ディスクにおける温度勾配及びその結果としての熱応力を減少させることにより、エンジン効率と回転子機構の疲労寿命を改善したことである。

【００１５】

【実施例】上述した本発明の特徴と利点をより明確にするため、以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施例による軸流回転機械１０の側面立面図である。 図示のエンジンは、動作媒体ガスのための環状流路１１を有する軸流ガスタービンエンジンである。

【００１７】エンジンは、圧縮部１２と、燃焼部１４
と、タービン部１６とを備えている。 タービン部１６
は、動作媒体ガスからエネルギーを抽出するためのパワータービン１８と自由タービン２２を含んでいる。 圧縮部１２からの圧縮ガスの導管２４を介して、圧縮部１２
はタービン部１６と連通している。 弁２６は、これらのガスの流れを制御するものであり、電子的エンジン制御部などの制御手段２８を介してエンジンパラメータに応答する。 冷却用空気のための第２の流路３２は、燃焼室３４のまわりに燃焼部１４内を通過して延在している。

【００１８】図２は、タービン部１８の一部の拡大断面図である。 タービン部１８は、エンジンの軸Ａのまわりに配置された回転子機構３６を含んでいる。 回転子機構３６は、回転ディスク３８と、回転翼４２及び４４などの、動作媒体流路を横切って径方向外側に向かって延在する回転翼列とを備えている。

【００１９】固定子機構４６は、回転子機構３６のまわりを囲周して延在し、動作媒体流路を画定している。 固定子機構４６は、構造的な外側ケーシング４８と非構造的な内側ケーシング５２とを備えている。 内側ケーシング５２は、静止羽根５４及び５６などの静止羽根列を支持し定置している。 これらの静止羽根は、動作媒体流路を横切って内側に向かって，回転子機構３６の近傍まで延在している。 内側ケーシング５２は、さらに、外側空気シール５８及び６２などの外側空気シール列を支持し定置している。 外側空気シール５８は、回転翼列を囲周して配置されている。 各外側空気シールは回転翼に密接し、動作媒体ガスが外側空気シールを越えて漏出するのを防いでいる。

【００２０】構造的な外側ケーシング４８は、エンジンの軸のまわりに軸方向及び周方向に延在している。 外側ケーシング４８は周囲連続型である。 外側ケーシング４
８は、上流側端部６４及び下流側端部６６とを有している。 これらの端部のおのおのは、フランジ６８及び７２
により、隣接する固定子構造と係合できるようになっている。 ボルトナット構造７４及び７６などの複数個のボルトナット構造が外側ケーシング４８を貫通して延在し、外側ケーシング４８を隣接する固定子構造に固定している。 外側ケーシング４８はエンジンの主な構造的要素であり、動作状態においてエンジンに印加される曲げ荷重に耐える。

【００２１】外側ケーシング４８は、エンジンの周囲空気などの比較的低温の空気内に置かれ、周囲空気にさらされることにより外側を冷却される。 さらに、外側ケーシング４８は、開口８２などの局部開口を有し、これらの局部開口は外側ケーシングを貫通して延在している。
これらの局部開口により、外側ケーシング４８を導管２
４を介して加圧冷却用空気源と連通させることができる。

【００２２】外側ケーシング４８は、外側ケーシング４
８の上流側端部６４に隣接する内延フランジ８４を含んでいる。 この内延フランジ８４により、外側ケーシング４８を内側ケーシング５２に係合させることができる。
内延フランジ８４は、外側ケーシング４８の上流側端部６４から軸方向に離間し、その間に第１の冷却用空気室８６を形成している。 第１の冷却用空気室８６は、図１
に示される燃焼部１４を通過して延在する冷却用空気流路３２などの冷却用空気源と連通している。

【００２３】内延フランジ８４には、フランジ８４を貫通して延在する複数個の穴８８が設けられている。 穴８
８を設けたことにより、フランジ８４から、隣接する静止羽根列５４の外側の下流方向に冷却用空気を通過させることができる。 羽根冷却用空気供給部９２が、静止羽根５４と内側ケーシング５２の間に配置されている。

【００２４】非構造的内側ケーシング５２も、固定子構造の一部である。 内側ケーシング５２は周囲連続型で、
動作媒体流路１１のための圧力容器として機能する。 内側ケーシング５２は、外側ケーシング４８に対して軸方向に延在し、外側ケーシング４８から径方向内側に離間してその間に第２の冷却用空気室９４を形成している。

【００２５】内側ケーシング５２は上流側端部９６及び下流側端部９８を有している。 設置状態において、下流側端部９８は外側ケーシング４８から径方向及び軸方向にそれぞれ間隙Ｇｒ及びＧａをおいて離間している。 下流側端部９８は、内側ケーシング５２が外側ケーシング４８に接触するまで、径方向及び軸方向に自由に成長できる。

【００２６】上流側端部９６は、外側ケーシング４８の上流側フランジ８４に固着されている。 図示の例では、
複数個のボルトナット構造１０４が、外側ケーシング４
８の上流側フランジ８４及び内側ケーシング５２の上流側端部９６を貫通して延在している。 このように、繋合具により、外側ケーシング４８に対する内側ケーシング５２の軸方向及び径方向の動きに抗して、内側ケーシング５２を外側ケーシング４８に固定する。 設置状態において、内側ケーシング５２の下流側端部９８は外側ケーシング４８に対して軸方向及び径方向に自由に移動でき、内側ケーシング５２は外側ケーシング４８から片持ち部として延在している。

【００２７】内側ケーシング５２は、内側ケーシング５
２の上流側端部９６及び下流側端部９８の間に配置された第１の表面１０６及び第２の表面１０８を有している。 第１及び第２の表面１０６及び１０８は、動作状態において熱成長に応答して外側に拡張することにより外側ケーシング４８と気密係合し、第２の冷却用空気室９
４を第１の空気充填室１１２と、第２の空気充填室１１
４と、第３の空気充填室１１６とに分割する。 第１の空気充填室１１２は、フランジ８４あるいはボルト１０４
の穴８８を介して、外側ケーシング４８の上流側フランジ８４の上流にある第１の空気室８６と連通している。
第２の空気充填室１１４は、導管２４を介して冷却用空気源と連通している。 第３の空気充填室１１６は、冷却用空気が内側ケーシング５２に衝突したあとで、使用した冷却用空気を回収する。

【００２８】内側ケーシング５２は、隣接する部分と比較して径方向厚さの大きい複数個の肉厚部１１８，１２
０，１２２を有している。 これらの肉厚部は、溝１２４
などの周方向に延在する溝に嵌合して、静止羽根５４及び５６と外側空気シール５８及び６２とを係合させる。
これら肉厚部は、静止羽根と外側空気シールから熱を受けとる。 これら肉厚部は、内側ケーシング５２のこれらの位置に対する衝突空気により選択的に冷却される。

【００２９】緩衝板１２６が、内側ケーシング５２と外側ケーシング４８の間の第２の空気充填室１１４内に配置されている。 この緩衝板１２６により、第２の空気充填室は供給マニホルド１２８及び衝突マニホルド１３２
に分割される。 複数個の衝突穴１３４が、静止羽根と外側空気シールを係合する径方向肉厚部に位置合わせされている。 衝突穴１３４により、冷却用空気を、静止羽根と外側空気シールの内側ケーシング５２に対する接合部位の要部に衝突させる。

【００３０】第３の空気充填室１１６は、穴１３６に示されるような複数個の穴を介して衝突マニホルド１３２
と連通状態にある。 すなわち、第３の空気充填室１１６
は、冷却用空気が内側ケーシング５２から熱を得るために径方向内側に流れた後で衝突マニホルド１３２から排気される冷却用空気を回収する。

【００３１】第３の空気充填室１１６は、外側ケーシング４８に設けた一連の通路１３８を介して、周方向に延在するマニホルド１４２と連通状態にある。 複数個の中空部１４４が、動作媒体流路１１を横切って径方向内側に向かい構造部１４６の近傍まで延在している。 構造部１４６の開口１４８は、冷却用空気（内側ケーシング５
２との衝突により加熱された）を隣接する回転ディスク３６の内側部分に対して放出するための流路１５２を構成する。 冷却用空気は、回転ディスク３６を加熱し、回転ディスク３６の内側部分と動作媒体流路１１に隣接する外縁部分との間に生じる温度勾配を減少させる。

【００３２】図３は、図２に示したタービン部１８の一部拡大図であり、内側ケーシング５２の下流側端部９８
をより詳細に示している。 図３に示すように、外側ケーシング４８には、径方向内側に延在するフランジ１５６
が設けられ、フランジ１５６は溝１５８を有している。
動作状態において、溝１５８により、フランジ１５６を内側ケーシング５２に係合させることができる。 非動作状態において、内側ケーシング５２の下流側端部９８
は、軸方向に隙間Ｇａ、径方向に隙間Ｇｒをおいて、溝１５８の表面から離間している。 動作状態において、内側ケーシング５２は径方向外側に拡張して溝１５８の表面と係合し、冷却用空気が外側空気シールに向かって、
さらに動作媒体流路に向かって、径方向内側に漏出するのを防いでいる。

【００３３】内側ケーシング５２の下流側端部９８は、
第１の径方向厚さＲ１を有する第１の部分を有している。 第２の部分は第１の部分から軸方向に離間した上流側の位置にある。 第２の部分は第１の径方向厚さＲ１よりも大きい第２の径方向厚さＲ２を有している。 第３の部分は、第１の部分と第２の部分の間に延在している。
第３の部分は、第１の径方向厚さＲ１もしくは第２の径方向厚さＲ２の半分（１／２）以下の第３の径方向厚さＲ３を有している。 第３の部分は、隣接する部分と比較して相対的に径方向に柔軟である。 そこで、動作状態において内側ケーシング５２が外側ケーシング４８に向かって外側に拡張する際、径方向におけるある程度の許容性をもって第１の部分と外側ケーシング４８の溝１５８
の表面とを接触させることができる。

【００３４】図１に示すガスタービンエンジン１０の運転中、動作媒体ガスは、動作媒体流路１１に沿って流下する。 動作媒体ガスは圧縮部１２において圧縮され、ガス圧が上昇する。 動作媒体ガスは、燃焼部１４に流入し、ここで燃料と混合され燃焼により動作媒体ガスにエネルギーが付加される。 高温の動作媒体ガスは、タービン部１６及び１８を通過しつつ膨脹し、回転翼と静止羽根に対して周方向の力を及ぼす。 さらに、高温の動作媒体ガスは、熱移動により、静止羽根５４及び５６と外側空気シール５８及び６２に熱を奪われる。

【００３５】熱伝導により、静止羽根５４及び５６と外側空気シール５８及び６２を介して内側ケーシング５２
に熱が移動する。 冷却用空気は、第１の室８６を経て内側ケーシング内側の静止羽根の近傍の位置と、第１の空気充填室内の内側ケーシングの外側の位置に流れる。

【００３６】また、冷却用空気は、圧縮部１２から導管２４を介しても流れる。 冷却用空気の流動は、制御弁２
６と制御手段２８により、エンジンの動作パラメータに応答して調節される。 この冷却用空気は、緩衝板１２６
の外側にエンジンを囲周して延在する供給マニホルド１
２８に流入する。 冷却用空気は、タービン部の上流側端部においては動作媒体流路１１の圧力よりも低圧であり、タービン部の下流側端部においては動作媒体流路１
１の圧力よりも高圧である。 冷却用空気は、供給マニホルド１２８から、緩衝板１２６を介して衝突マニホルド１３２を横切り、内側ケーシング５２の要部に流れる。

【００３７】内側ケーシング５２は、第２の空気充填室１１４を動作媒体流路１１から隔離する圧力容器として機能する。 したがって、第２の空気充填室１１４から流出する冷却用空気の圧力は、内側ケーシング５２が外側ケーシング４８に対して自由に動く区域の第３の空気充填室１１６に隣接する動作媒体流路内の圧力よりも高ければ充分である。 これにより、冷却用空気の圧力をタービン部入口における動作媒体流路内の圧力よりも低くでき、冷却用空気を圧縮するために大量の仕事を必要としなくて済み、エンジン効率が向上する。

【００３８】第１の室８６を通過してつぎに第１の空気充填室１１２に至る冷却用空気により、内側ケーシング５２と外側ケーシング４８の双方は冷却用空気にさらされる。 最後に、羽根冷却用空気供給域９２は冷却用空気を内側ケーシング５２の内部に供給する。 さらに、外側ケーシング４８は、外側ケーシング４８に接する周囲空気により冷却される。 その結果、内側ケーシング５２と外側ケーシング４８の接合点における内側ケーシング５
２と外側ケーシング４８の温度は非常に低くなり、熱応力を大幅に減少させ、内側ケーシング５２の疲労寿命を延長する。

【００３９】上述したとおり、エンジンが非動作状態から動作状態に移るとき、内側ケーシング５２の下流側端部９８は、外側ケーシング４８に対して径方向及び軸方向に自由に動き、外側ケーシング４８における熱応力を減少させる。 また、内側ケーシング５２の第１の部分（厚さＲ１）と第２の部分（厚さＲ２）の間の第３の部分（厚さＲ３）の厚さを減少させて内側ケーシング５２
の端部に柔軟性を持たせたことによっても熱応力が減少する。

【００４０】最後に、第２の空気充填室１１４は、内側ケーシング５２から冷却用空気に熱を移動させる熱交換器として機能する。 冷却用空気は、冷却用空気を下流方向から径方向内側にタービン部１６内へ導くことのできるよう、充分な圧力を有している。 冷却用空気は回転ディスク３６の内側部分に衝突して、回転ディスクにおける温度勾配を減少させる。

【００４１】以上、本発明を実施例を参照して詳細に説明したが、本発明の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは言うまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の固定子構造によれば、周囲連続型の外側ケーシングと周囲連続型の内側ケーシングを設け、内側ケーシングの一端を外側ケーシングに固定し、内側ケーシングの他端は自由端として外側ケーシングに対して軸方向及び径方向に自由に移動できるため、動作時の熱膨脹を吸収して熱応力発生を回避し、固定子構造の疲労寿命を改善できる。 さらに、周囲連続型の内側ケーシングは圧力容器として機能するため、動作媒体流路内の最高圧力よりも低圧で冷却用空気を供給でき、圧縮に要する仕事を節約して機械効率の向上に貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による軸流回転機械の側面立面図であり、便宜上、エンジンの一部を除去して示した図である。

【図２】図１に示す回転機械のタービン部の一部の側面立面図であり、内側ケーシングと外側ケーシングとの関係を明示するために、部分的に断面で示した図である。

【図３】図２に示す内側ケーシングの下流側端部の拡大図である。

【符号の説明】

１０…軸流回転機械 １１…動作媒体流路 １２…圧縮部 １４…燃焼部 １６…タービン部 １８…パワータービン ２２…自由タービン ２４…導管 ２６…弁 ２８…制御手段 ３２…第２の流路 ３４…燃焼室 ３６…回転子機構 ３８…回転ディスク ４２…回転翼 ４４…回転翼 ４６…固定子機構 ４８…外側ケーシング ５２…内側ケーシング ５４…静止羽根 ５６…静止羽根 ５８…外側空気シール ６２…外側空気シール ６４…外側ケーシングの上流側端部 ６６…外側ケーシングの下流側端部 ６８…フランジ ７２…フランジ ７４…ボルトナット構造 ７６…ボルトナット構造 ８２…開口 ８４…内延フランジ ８６…第１の冷却空気室 ８８…穴 ９２…羽根冷却用空気供給部 ９４…第２の冷却空気室 ９６…内側ケーシングの上流側端部 ９８…内側ケーシングの下流側端部 １０４…ボルトナット構造 １０６…内側ケーシングの第１の表面 １０８…内側ケーシングの第２の表面 １１２…第１の空気充填室 １１４…第２の空気充填室 １１６…第３の空気充填室 １１８…肉厚部 １２０…肉厚部 １２２…肉厚部 １２４…溝 １２６…緩衝板 １２８…供給マニホルド １３２…衝突マニホルド １３４…衝突穴 １３６…穴 １３８…通路 １４２…マニホルド １４４…中空部 １４６…構造部 １４８…開口 １５２…流路 １５６…フランジ １５８…溝

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