(57)【要約】  １またはそれを超える粒子アレスタ・リングがガスタービン環状流路の湾曲した半径方向流れ部分に装着される。アレスタ・リングは、タービン・ホイールと環状流路出口との間の視覚経路のラインを遮断する。アレスタ・リングは比較的高いエネルギ粒子がガスタービン・ハウジングから出ることを実質的に阻止する。したがって、周囲機器および構造に対して付随的な損傷を実質的に阻止し、および／または振動誘発疲労破壊に陥らないようにし、および／またはスタータ・タービンのサイズ包絡面を増加させない。
2005511949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身を貫通する流体流路（１０８）を有するハウジング（１０２）であって、前記流体流路が流体入口（１０６）から実質的に軸方向に沿った軸方向流れ部分（１１２）を通り、次いで実質的に湾曲した半径方向流れ部分（１１４）を通り出口（１１０）まで延びているハウジング（１０２）と、
前記ハウジング（１０２）内に回転自在に装着されたタービン・シャフト（１２４）を有し、前記軸方向流れ部分（１１２）まで半径方向に延びる少なくとも２つのタービン・ブレード（１３０）をさらに有するタービン・ホイール（１２２）と、
前記タービン・シャフト（１２４）に連結されていて、回転運動を外部装置に与える出力シャフト機構（１２０）と、
内周部分（２０４）および外周部分（２０６）によって境界を定められた主本体部分（２０２）を有する少なくとも１つの粒子アレスタ・リング（１３８）であって、前記内周部分（２０４）が前記タービン・ブレード（１３０）の直近に定置されるように前記湾曲した半径方向流れ部分（１１４）内にそれぞれ装着される粒子アレスタ・リング（１３８）と、
を備えたエアタービン・スタータ（１００）。
【請求項２】
各粒子アレスタ・リング主本体部分（２０２）は、前記内周部分（２０４）と前記外周部分（２０６）との間に延びる実質的に湾曲した断面を有する、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
各粒子アレスタ・リング主本体部分（２０２）は、実質的に円錐形に形成されている、請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記湾曲半径方向流れ部分（１１４）は所定の長さまで延び、各粒子偏流リング（１３８）が前記所定の長さに実質的に沿って延びる、請求項１に記載のタービン。
【請求項５】
各粒子アレスタ・リング主本体部分（２０２）は、そこに形成された少なくとも２つのフランジ部材（２０８）を有し、各フランジ部材が実質的に平坦な平坦部分を有する、請求項１に記載のタービン。
【請求項６】
各フランジ部材（２０８）がそこを貫通する開口（２１０）を有する、請求項１に記載のタービン。
【請求項７】
前記湾曲した半径方向流れ部分（１１４）の一部に少なくとも２つのねじ切り開口と、ならびに
各粒子アレスタ・リング（１３８）を前記半径方向流れ部分（１１４）に装着するように前記フランジ部材開口（２１０）の一方を通り前記ねじ切り開口まで延びる少なくとも２つの締結具（４０４）と、
をさらに備えた、請求項６に記載のタービン。
【請求項８】
前記タービン・ハウジング（１０２）内に装着されたカッタ・リング（１３６）をさらに備え、該カッタ・リング（１３６）はそこから軸方向に延びる少なくとも２つのピンを有し、各ピンが前記タービン・ホイール（１２２）の直近に定置される端部を有する、請求項１に記載のタービン。
【請求項９】
前記タービン・ハウジング（１０２）内に配置されていて、前記タービン・ブレード（１３０）の少なくとも外周部分を包囲する格納リング（１３２）をさらに備えた、請求項１に記載のタービン。
【請求項１０】
前記粒子アレスタ・リング（１３８）の数は２である、請求項１に記載のタービン。
【請求項１１】
各粒子アレスタ・リング（１３８）が前記タービン・ホイール（１２２）と前記流路出口（１１０）との間の視覚経路のラインを遮断する、請求項１に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン・エンジンに関し、さらに詳しくは、タービン・ハウジング内で内部機械故障が発生した際に周囲機器への損傷を阻止するようにスタータ・タービンに配置される高エネルギ粒子アレスタ（阻止器）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファン・ジェットエンジンを含む多くの比較的大型のタービン・エンジンは、それらの回転を開始するためにエアタービン・スタータ（ＡＴＳ）を使用することがある。ＡＴＳは、自動車用スタータが自動車エンジンの付近に配置されているのと同様に、ジェットエンジン付近に装着される。ＡＴＳは、圧縮空気のような高圧流体源に連結されることがある。圧縮空気はＡＴＳのタービン・ホイールに衝突して、それを比較的高速に回転させる。ＡＴＳは、ジェットエンジンに連結（おそらくは１またはそれを超える歯車を介して）される出力シャフトを含む。出力シャフトの回転は、ジェットエンジンに回転を開始させる。本発明の出願人、Ｈａｍｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．は長年にわたってＡＴＳの設計、開発、製造を成功裏に携わってきた。
【０００３】
エアタービン・スタータは、強固に製造され、運転上安全である。それにもかかわらず、安全第一主義のためにおよび／または特定の規制要請のために、ＡＴＳは特定の非常にあり得ない条件の下で起こるかも知れない特定の仮想故障モードについて解析されることがある。例えば、ＡＴＳが解析されるところの仮想故障モードの一つの特定のタイプは、タービン・ホイールの故障である。タービン・ホイールの故障は、タービン・ホイール・ハブ、タービン・ホイール・ブレード、もしくは両者を含めたタービン・ホイール自体の仮想故障によって生じる、またはタービン・ホイールを回転自在に装着しているスラスト・ベアリング組立体の故障によって生じることもある。いかに特殊な仮想故障モードであろうが、タービン・ホイール故障が比較的高速回転速度（例えば、数千ｒ．ｐ．ｍ．）で起きたならば、高エネルギをもった破片または粒子がＡＴＳハウジングから放出され、大型タービン・エンジンを含む周囲の構成部品および構造に損傷を与えることもある。
【０００４】
比較的高いエネルギをもった破片がＡＴＳハウジングを突き抜け、それに付随する損傷を引き起こすことを阻止するために、多くのＡＴＳは格納リングを備えている。格納リングは、比較的高強度の材料からつくられ、タービン・ホイールから半径方向外方に定置される。いくつかのＡＴＳは、タービン・ホイール・ハブに近接して定置されたカッタ・リングをも備えている。カッタ・リングは、スラスト・ベアリングが故障した場合に、タービン・ブレードを切断するように動作する。
【０００５】
上述の格納機構は、大部分の破片がＡＴＳハウジングを突き抜けることを阻止するであろうが、比較的高エネルギの粒子がＡＴＳの流体排出通路からＡＴＳをいぜんとして出ることもある。高エネルギのこれら粒子の吐出を阻止するために、ＡＴＳは、ＡＴＳハウジングに装着されかつ排出出口上に定置された複数の平坦円板を含むこともある。しかし、これら円板は、排出通路から吐き出される粒子の一部のみを阻止するだけである。したがって、付随する損傷はいぜんとして起こる。その１つの理由は、円板がそれらの構造および配置のために、排出出口の視覚経路のラインにて生ずる粒子を遮断しえないことである。これら円板のもつ別の弱点は、それらを振動誘発疲労に導くようなその形状にある。さらに、円板はＡＴＳハウジングに装着されるので、ＡＴＳのサイズ包絡面が増加するという弱点もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようにして、高エネルギ粒子がタービン・ハウジングから出ることを実質的に阻止する粒子アレスタの要請がある。振動誘発疲労破壊を招かない粒子アレスタの要請も追加的にある。装着されたとき、タービンのサイズ包絡面を増加させない粒子アレスタの要請もある。本発明は、これらの要請に向けられている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、比較的高いエネルギを有する粒子がガスタービン・ハウジングを出ることを実質的に阻止し、したがって、周囲機器および構造に対して付随的損傷が生ずることを実質的に阻止し、および／または振動誘発疲労破壊に陥らないようにし、および／またはスタータ・タービンのサイズ包絡面を増加させないガスタービン用粒子アレスタを提供する。
【０００８】
本発明の一つの観点においては、ガスタービンは、タービン・ハウジングと、タービン・ホイールと、少なくとも１つの粒子アレスタ・リングとを含む。タービン・ハウジングは、そこを貫通する環状流体流路を有する。環状流体流路は、流体入口から実質的に軸方向に沿った流れ部分（軸方向流れ部分）を通り、次いで実質的に湾曲した半径方向流れ部分を通り出口まで延びている。タービン・ホイールは、タービン・ハウジング内に回転自在に装着され、軸方向流れ部分まで半径方向に延びる少なくとも２つのタービン・ブレードを有する。粒子アレスタ・リングは、内周部分および外周部分を有し、内周部分がタービン・ブレードの直近に定置されるように湾曲した半径方向流れ部分内に装着される。
【０００９】
本発明の別の観点においては、粒子アレスタ・リングは、ガスタービン・エンジンに挿入可能に設けられる。ガスタービン・エンジンは、流体入口から実質的に軸方向に沿った流れ部分（軸方向流れ部分）を通り、次いで実質的に湾曲した半径方向流れ部分を通り、流体出口まで延びる環状流体流路を有し、かつ、タービン・ハウジング内に回転自在に装着され、軸方向流れ部分まで半径方向に延びる少なくとも２つのタービン・ブレードをもつタービン・ホイールを有する。粒子アレスタ・リングは、内周部分および外周部分によって境界を定められた主本体部分を有する。主本体部分は、実質的に円錐形形状を有し、内周部分と外周部分との間に延びる実質的に湾曲した断面を有する。
【００１０】
本発明のさらに別の観点においては、流体入口から実質的に軸方向に沿った流れ部分（軸方向流れ部分）を通り、次いで実質的に湾曲した半径方向流れ部分を通り、流体出口まで延びる環状流体流路を有し、かつ、タービン・ハウジング内に回転自在に装着され、軸方向流れ部分まで半径方向に延びる少なくとも２つのタービン・ブレードをもつタービン・ホイールを有するガスタービン・エンジンにおいて、内周部分および外周部分によって境界を定められた主本体部分を有する少なくとも１つの粒子アレスタ・リングを含むようにタービンを変更する方法は、少なくともハウジングの一部分を分解する工程を含む。次いで、少なくとも１つの粒子アレスタ・リングは半径方向流れ部分に挿入され、内周部分がタービン・ブレードの直近に定置されるようにタービン半径方向流れ部分内に各粒子アレスタ・リングを装着する。
【００１１】
本発明のその他の独立した特徴および利点は、本発明の原理を例示する添付図面と関連して下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ターボファン・ジェットエンジンのような大型タービンの回転を開始するように用いられる代表的なエアタービン・スタータ（ＡＴＳ）の部分断面図が図１に示されている。ＡＴＳ１００は、ハウジング組立体１０２内に収納されている。ハウジング組立体１０２の一端は、圧縮空気をハウジング組立体１０２内に向ける入口プレナム１０４に連結される。ハウジング組立体１０２は、入口プレナム１０４から圧縮空気を受ける入口１０６を含む。入口１０６において受けられた圧縮空気は、環状流路１０８を通って流れ、半径方向出口１１０を介してハウジング組立体１０２から出る。環状流路１０８は、半径方向流れ部分１１２と実質的に湾曲した半径方向流れ部分１１４とを含む。半径方向流れ部分１１２は、流体入口１０６直近でハウジング組立体１０２内に装着されたステータ組立体１１６を介して形成される。環状流路１０８を半径方向外方に広げる半径方向流れ部分１１４が、ハウジング組立体１０２とその中に装着された排出ハウジング１１８との間に形成される。出力シャフト１２０は、ハウジング組立体１０２の別の端部から延び、直接にまたは歯車列によって出力シャフト１２０に連結される航空機ジェットエンジンのような別のタービン・エンジンに回転運動を与えるように用いられる。
【００１３】
タービン・ホイール１２２は、ハウジング組立体１０２内に回転自在に装着される。特に、タービン・ホイール１２２は、ハブ部分１２６から排出ハウジング１１８を通って延び、かつ、１またはそれを超えるスラスト・ベアリング組立体１２８を用いて回転自在に装着されるシャフト１２４を有する。タービン・シャフト１２４は、簡明のために、さらに図示も記載もされない様々な従来のハードウエア装置を介して出力シャフト１２０に連結される。複数のタービン・ブレード１３０は、ハブ部分１２６から環状流路１０８まで半径方向に延びる。さらに詳しく言えば、タービン・ブレード１３０は、半径方向流れ部分１１４の直接上流で軸方向流れ部分１１２内に定置される。
【００１４】
実質的に円形をした円形格納リング１３２、シール・ハウジング１３４、カッタ・リング１３６（それらの各々は簡単に説明する）、粒子アレスタ・リング１３８（詳細に説明する）が図１に示されている。格納リング１３２は、ハウジング組立体１０２内に装着され、タービン・ブレード１３０の外周部分を包囲する。格納リング１３２は、比較的強い金属製のリングであって、タービン・ホイール故障から発生されかつ格納リング１３２に投げられた破片がハウジング組立体１０２を突き抜けることを阻止する。シール・ハウジング１３４はタービン・シャフト１２４の一部を包囲し、１またはそれを超えるロータリ・シール１３５を収納する。カッタ・リング組立体１３６は、シール・ハウジング１３４に装着される。カッタ・リング１３６はリング１３６から軸方向に延びる複数のピンを含み、例えば、炭化タングステンのような硬質材料から構成される。上述したように、カッタ・リング組立体１３６のピンは、ＡＴＳ１００内の故障によってタービン・ホイール１２２が図１において右にずれた場合、タービン・ホイール１２２からタービン・ブレード１３０を切断する。
【００１５】
図２および図３に詳しく示される粒子アレスタ・リング１３８に戻れば、それが、内周２０４、外周２０６、実質的に湾曲した断面を有する実質的に円錐形をした主本体部分２０２を有していることがわかる。特に、粒子アレスタ・リング１３８は、軸方向面内および半径方向面内で湾曲されている。このようにして、内周２０４は、外周２０６とは同一平面にはない。複数の実質的に平坦なフランジ部材２０８は、粒子アレスタ・リング１３８の主本体部分２０２に形成され、粒子アレスタ・リング１３８の周りに離間されている。開口２１０は、各フランジ部材２０８を貫通して形成される。フランジ部材２０８とおよび粒子アレスタ・リング１３８の周囲の開口２１０との間隔は、排出ハウジング１１８の形状にもとづいて均等にまたは不均等になっていてもよいことがわかる。粒子アレスタ・リング１３８を排出ハウジング１１８に装着するように用いられるねじ切り締結具４０４は、フランジ部材２０８に形成された開口２１０を通過する。他の数の開口が用いられてもよいが、好適実施例においては、粒子アレスタ・リング１３８は３つの開口２１０を含む。
【００１６】
粒子アレスタ・リング１３８は、限定はされないが、鋼、アルミニューム、インコネル合金、モネル合金を含む高強度金属材料から好ましくは構成される。しかし、それはインコネル合金から構成されるのが好ましい。さらに、単独の粒子アレスタ・リング１３８のみが図示記載されているが、２またはそれを超える偏流リング１３８が半径方向流れ部分１１４内に装着されてもよい。しかし、複数の粒子アレスタ・リング１３８を使用することがタービン性能に逆効果を与えることもあるので、単独の粒子アレスタ・リング１３８のみが好ましい。
【００１７】
図１に示すように、粒子アレスタ・リング１３８は、環状流路１０８の半径方向流れ部分１１４内に装着される。図４にさらに詳しく示されているように、粒子アレスタ・リング１３８は、２またはそれを超えるスペーサ４０２および排出ハウジング１１８に形成されたねじ切り開口に嵌合する２またはそれを超えるねじ切り締結具４０４を用いて、半径方向流れ部分１１４内に装着されてもよい。続く図面と同様に図４に示す格別な実施例においては、３つのスペーサ４０２と３つのねじ切り締結具４０４とが、排出ハウジング１１８に形成された先在するねじ切り維持開口４０６に嵌合する。本発明は、３つの開口、スペーサ、ねじ切り締結具の使用に限定されず、他の数の開口が排出ハウジング１１８および粒子アレスタ・リング１３８に形成されてもよく、それらは他の数のスペーサ４０２およびねじ切り締結具４０４を利用できる。
【００１８】
上述したように、粒子アレスタ・リング１３８は、内周２０４、外周２０６、実質的に湾曲した断面を有し、環状流路１０８の半径方向流れ部分１１４に装着される。特に、粒子アレスタ・リング１３８は、半径方向流れ部分１１４の実質的に全長にそって延び、その内周２０４がタービン・ブレード１３０直近に定置されるように装着される。この断面形状および装着位置によって、粒子アレスタ・リング１３８は、タービン・ホイール１２２から半径方向流れ部分１１４を通り、半径方向出口１１０まで延びる視覚経路のライン（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ  ｐａｔｈ）を遮断する。
【００１９】
正常なタービン運転中、圧縮空気は圧縮空気源から入口プレナム１０４に向けられる。空気は入口１０６を通り、環状流路１０８に流れる。そこから、圧縮空気は軸方向流れ部分１１２を通過し、軸方向流れ部分１１２まで延びるタービン・ブレード１３０に衝突して、タービン・ホイール１２２を回転させる。圧縮空気は半径方向流れ部分１１４に流れ込み、粒子アレスタ・リング１３８を通過し、半径方向流体出口１１０から出る。
【００２０】
タービン故障の際には、金属破片および粒子が、ＡＴＳ１００の他の部分からばかりではなく、タービン・ホイール１２２から解放される。多くの重い破片および粒子が、格納リング１３２によってハウジング組立体１０２内に収容される。しかし、比較的軽い粒子の多くは、比較的高エネルギで排出流体にそって半径方向流体出口に向かって一掃される。これらの粒子は排出流体よりも高い密度を有しているので、粒子の軌道は流体流れによって大きく影響されない。このようにして、粒子は実質的に直線状である軌道で移動する傾向がある。上述したように、粒子アレスタ・リング１３８の断面形状および装着位置がタービン・ホイール１２２と半径方向出口１１０との間の視覚経路の直線ラインを遮断する。その結果、半径方向出口１１０に到達する粒子が粒子アレスタ・リング１３８に衝突し、著しい量の運動エネルギを与え、比較的無害な破片となる。
【００２１】
粒子アレスタ・リング１３８は、新規に構成されたＡＴＳ１００に装着するために有用であるばかりではなく、１またはそれを超える粒子アレスタ・リング１３８を有していない既存のＡＴＳ１００にも装着されてもよい。そのために、ハウジング組立体１０２の一部が分解されて、環状流路１０８の半径方向流れ部分１１４を形成する排出ハウジング１１８の少なくとも一部分を露出する。そのとき、排出ハウジング１１８が先在ねじ切り維持開口４０６を有していないならば、複数のねじ切り開口４０６が排出ハウジング１１８に設けられる。ねじ切り開口４０６が定置され、粒子アレスタ・リングのフランジ部材２０８に形成された開口２１０と一緒に置かれるように離間される。１またはそれを超える（好ましくは１つ）粒子アレスタ・リング１３８が、ねじ切り締結具４０４およびスペーサ４０２を用いて半径方向流路１１４に装着される。
【００２２】
すぐ上に述べた変更例をつくるために、該変更例をつくる設備として、図５に示されているもののようなキット５００を用いてもよい。好ましくは、キット５００は、粒子アレスタ・リング毎に少なくとも１つまたはそれを超えるスペーサ４０２および３またはそれを超えるねじ切り締結具４０４を含む。キット５００は、その他の適切な構成部品および／またはＡＴＳ１００に粒子アレスタ・リング１３８を装備するのに必要な工具を含んでいてもよい。キット５００は、搬送、保管、またはその他の目的のために適切な容器５０２を含んでいてもよい。
【００２３】
粒子アレスタ・リング１３８は、周囲の設備および構成部品に仮想損傷を与えるほどの十分なエネルギをもって、粒子が半径方向出口１１０から出ることを阻止する。粒子アレスタ・リング１３８の形状は、タービン・ホイール１２２と半径方向出口１１０との間の視覚経路のラインを遮断するばかりではなく、偏流リング１３８を比較的剛性にし、したがって、振動誘発疲労破壊に対する抵抗をつくる。さらに、粒子アレスタ・リング１３８はタービン・ハウジング１０２内に完全に定置されるので、粒子アレスタ・リング１３８は取扱い中に損傷から保護され、ＡＴＳ１００のサイズ包絡面に影響を受けない。
【００２４】
本発明は好適実施例を参照して記載されたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更がなされ、均等物がその要素と交換されうることは、当業者であれば理解されるであろう。さらに、多くの変更例が本発明の本質的範囲から逸脱することなく本発明の教示に対して格別の状況または材料に適応されてもよい。したがって、本発明を実施するために意図された最良モードとして開示された格別の実施例に本発明が限定されず、本発明が添付特許請求の範囲内のすべての実施例を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例にもとづくエアタービン・スタータの部分断面図である。
【図２】図１に示すエアタービンに装備される本発明にもとづく代表的粒子アレスタ・リングの端面図である。
【図３】図２の３−３線から見た図２に示す粒子アレスタ・リングの横断面図である。
【図４】エアタービン・スタータの主要部分解斜視図であって、図２および図３の粒子アレスタ・リングが図１のエアタービン・スタータ内にどのように装着されるかを示す。
【図５】エアタービン・スタータを変更するために用いられるキットの代表的実施例を示す。
【図１】
2005511949.tif 000003
【図２】
2005511949.tif 000004
【図３】
2005511949.tif 000005
【図４】
2005511949.tif 000006
【図５】
2005511949.tif 000007
【国際調査報告】
2005511949.tif 000008
2005511949.tif 000009
2005511949.tif 000010