(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）のための間隙形成構造体であって、第１の回転可能な部材（２６、４２、４８、５４、７２、９８、１１４）と、第２の回転不能な部材（２０、９４、１１８）とを有し、上記第１及び第２の部材のそれぞれ対向する表面間に画定されたギャップ（３６、７４、１０２、１０６、１１０、１２２、１３０）を備え、同ギャップが当該第１の部材の回転軸線（３２）に対して軸方向に傾斜しているような間隙形成構造体において、
軸方向運動手段（３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４）を設け、上記軸方向運動手段（３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４）は、上記第１の部材（２６、４２、４８、５４、７２、９８、１１４）の回転により生じる遠心力が、上記第１の部材（２６、４２、４８、５４、７２、９８、１１４）の回転速度に応答して、上記対向する表面間の上記ギャップ（３６、７４、１０２、１０６、１１０、１２２、１３０）を増大させる傾向を有する軸方向に上記第１の部材と第２の部材との間の相対運動を自動的に生じさせることを特徴とする間隙形成構造体。
【請求項２】
上記軸方向運動手段が上記第１の部材（２６、４２、４８、５４、７２、９８、１１４）を回転運動の源に接続する接続部材（３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４）の形をしていることを特徴とする請求項１に記載の間隙形成構造体。
【請求項３】
上記接続部材（３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４）が上記軸方向の運動を生じさせるように回転運動時に枢動し及び（又は）撓むことを特徴とする請求項２に記載の間隙形成構造体。
【請求項４】
軸方向後方へ下降する下降偃角がある場合、上記接続部材（３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４）が上記回転運動の源から後方方向へ部分的に延びることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項５】
軸方向後方へ上昇する上昇偃角がある場合、上記接続部材（３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４）が上記回転運動の源から前方方向へ部分的に延びることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項６】
複数の上記第１の部材（４２）が上記接続部材（４０）に接続されることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項７】
上記ギャップ（３６、７４）が上記第１の部材（２６、４２、４８、５４、７２、９８、１１４）の上記回転軸線（３２）に対して３ないし３０°の角度で傾斜することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項８】
上記第１の部材（２６、４２、４８、５４、７２）が上記軸方向の運動の一部又は全部を生じさせるように回転運動中に撓むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項９】
上記構造体がすべての回転速度において一定のギャップ幅を提供するように配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項１０】
上記第１の部材がコンプレッサブレード（２６、４２、４８、５４、６６、９８）であり、上記第２の部材がコンプレッサケーシング（２０、２２、９４）であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項１１】
ガスタービンエンジン（１０）のためのコンプレッサ（１３、１４）において、
上記コンプレッサ（１３、１４）が、コンプレッサブレード（２６、４２、４８、５４、６６、９８）とコンプレッサケーシング（２０、２２、９４）との間に設けた、請求項１ないし１０のいずれかに記載の１又はそれ以上の間隙形成構造体を有することを特徴とするコンプレッサ。
【請求項１２】
上記第１の部材がタービンブレード（１１４）であり、上記第２の部材がタービンケーシング（１１８）であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項１３】
タービンにおいて、
上記タービンが請求項１２に記載の間隙形成構造体を組み込んでいることを特徴とするタービン。
【請求項１４】
上記第２の部材がコンプレッサ（１３、１４）のステータ（６８）又はガスタービンエンジン（１０）のタービン（１６、１７、１８）であり、上記第１の部材がロータ（７０）の一部（７２）であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項１５】
上記間隙形成構造体がラビリンスシール（６０）の形をしていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の間隙形成構造体。
【請求項１６】
上記対向する表面（６２、８４、８６）の一方が輪郭付けされており、当該対向する表面が補足的な輪郭を有することができることを特徴とする請求項１５に記載の間隙形成構造体。
【請求項１７】
上記対向する表面の一方（８６）が複数の突起を有することを特徴とする請求項１６に記載の間隙形成構造体。
【請求項１８】
上記対向する表面の一方が鋸歯状の輪郭を有することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の間隙形成構造体。
【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のための間隙形成構造体、ガスタービンエンジンのためのコンプレッサ、ガスタービンエンジンのためのタービン及びこのような間隙形成構造体を組み込んだガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいては、熱効果及び遠心効果がエンジンの作動範囲にわたってコンプレッサロータ組立体の直径を変化させる。これが、ブレード先端部とケーシングとの間の間隙を変更させる。先端間隙を制御しようとする既存の方法は機械的に複雑になるか及び（又は）エンジンの効率を悪化させるような傾向を有していた。空気的な応用を含む多くのガスタービンエンジンはスプール回転速度の範囲で運転する必要があり、その作動範囲内ですべての速度において十分な効率、サージマージン及び流れを維持する必要がある。
【０００３】
ロータの遠心力の増大は回転速度に伴って閉鎖状態を増大させ、従って、組立てられた間隙が高パワーにおける運転間隙よりも著しく大きくする固有の要求を生じさせる。これは、運転間隙が、始動中、低又は中パワーで、また、巡航速度で、大きく維持されることを意味する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、ガスタービンエンジンのための間隙形成構造体が提供され、この構造体は第１の回転可能な部材と第２の回転不能な部材とを有し、それぞれ第１及び第２の部材上の対向する表面間にギャップが画定され、このギャップは第１の部材の回転軸線に対して傾斜しており；軸方向運動手段が設けられ、この手段は、第１の部材の回転速度に応答して、対向する表面間のギャップを増大させる傾向を有するような方向において、第１及び第２の部材の一方の相対運動を自動的に生じさせる。
【０００５】
第１の部材の回転により生じる遠心力が軸方向の運動を生じさせるように、軸方向運動手段を配置することができる。
軸方向運動手段は第１の部材を回転運動の源に接続する接続部材の形をとることができる。接続部材は軸方向の運動を生じさせるように回転運動時に枢動し及び（又は）撓むことができる。
【０００６】
複数の第１の部材を接続部材に接続することができる。
下降偃角がある場合、接続部材は好ましくは回転運動の源から後方方向へ部分的に延びる。
【０００７】
上昇偃角がある場合、接続部材は好ましくは回転運動の源から前方方向へ部分的に延びる。
ギャップは好ましくは第１の部材の回転軸線に対して３ないし３０°の角度で傾斜する。
【０００８】
第１の部材は軸方向の運動の一部又は全部を生じさせるように回転運動中撓むことができる。
構造体はすべての回転速度において実質上一定のギャップ幅を提供するように配置することができる。
【０００９】
第１の実施の形態においては、第１の部材はコンプレッサブレードとすることができ、第２の部材はコンプレッサケーシングとすることができる。
本発明はまたガスタービンエンジンのためのコンプレッサを提供し、このコンプレッサは、コンプレッサブレードとコンプレッサケーシングとの間に設けた、上述したいずれかの間隙形成構造体を有する。
【００１０】
第２の実施の形態においては、第１の部材はタービンブレードであり、第２の部材はタービンケーシングである。
本発明はまた本発明に係る間隙形成構造体を組み込んだタービンを提供する。
【００１１】
第３の実施の形態においては、第２の部材はコンプレッサのステータ又はガスタービンエンジンのタービンであり、第２の部材はロータの一部である。
第４の実施の形態においては、間隙形成構造体はラビリンスシールの形をしている。
【００１２】
対向する表面の一方は輪郭付けすることができ、対向する表面は補足的な輪郭を有することができる。対向する表面の一方は複数の突起を有することができる。対向する表面の一方は鋸歯状の輪郭を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１を参照すると、全体を符号１０で示すガスタービンエンジンは、流れの軸方向の順番に、空気吸入口１１と、推進ファン１２と、中圧コンプレッサ１３と、高圧コンプレッサ１４と、燃焼器１５と、高圧タービン１６、中圧タービン１７及び低圧タービン１８を備えたタービン構造体と、排気ノズル１９とを有する。
【００１４】
ガスタービンエンジン１０は、吸入口１１に入った空気がファン１２により加速されて２つの空気流を生じさせるように作動する：第１の空気流は中圧コンプレッサ１３内へ入り、第２の空気流は推進スラスト力を提供する。中圧コンプレッサは、空気を更に圧縮する高圧コンプレッサ１４へ空気を送給する前に、そこへ導かれる空気流を圧縮する。
【００１５】
高圧コンプレッサ１４から排出される圧縮された空気は燃焼器１５内へ導かれて、空気が燃料と混合され、混合物が燃焼される。その結果として生じた燃焼生成物は次いで膨張し、それによって、高圧、中圧及び低圧タービン１６、１７、１８を駆動し、その後、ノズル１９を通して排出され、付加的な推進スラスト力を提供する。高圧、中圧及び低圧タービン１６、１７、１８は適当な相互接続シャフトにより高圧コンプレッサ１４、中圧コンプレッサ１３及びファン１２をそれぞれ駆動する。
【００１６】
図から分かるように、中圧及び高圧コンプレッサ１３、１４のためのケーシング２０、２２はファン１２から離れるように収斂し、そのため、下降偃角が存在する。３つのタービン１６、１７、１８のためのケーシング２４はファン１２に向かって収斂し、そのため、上昇偃角が存在する。
【００１７】
図２は中圧コンプレッサ１３の一部を示す。ロータブレード２６は駆動アーム３０に接続したロータディスク２８上に装着された状態で示してある。ケーシング２０はエンジンの中心線３２に対して角度αで傾斜していることが分かる。
【００１８】
駆動アーム３０は、使用時に、回転中、ロータディスク２８がディスク２８の軸方向の後方片寄り部３４において作用する遠心荷重によって生じるモーメントのために外方及び前方へ運動するように、配置される。この構成はロータブレード２６とケーシング２０との間に実質上一定の量のギャップ３６を維持させることを意図するものである。この一定の量を維持するため、図示のような上方運動ｄｅｌＹの量及びｄｅｌＸにより示すような前方運動は次の等式とすべきである：
［式１］
ｄｅｌＸ・ｓｉｎ（α）＝ｄｅｌＹ・ｃｏｓ（α）
図３は単一の駆動アーム４０に装着された多段コンプレッサドラム３８に適用されている図２の原理を示す。ドラム３８は複数のロータブレード４２を装着している。
【００１９】
図４はロータ４６及びブレード４８を有する別の単一のコンプレッサ段４４を示す。この例においては、ロータブレード４８自体の回転中の輪郭の変化が前方の軸方向運動を生じさせる。これは、ブレード先端部において所要の軸方向運動を生じさせるために翼のスタックの断面を最初に選択することを必要とする。また、できる限り、次の等式を満足することが望ましい：
［式２］
ｄｅｌＸ・ｓｉｎ（α）＝ｄｅｌＹ・ｃｏｓ（α）
ｄｅｌＸはブレード４８のみにより発生し、一方、ｄｅｌＹはロータ先端部及びディスク４６により発生する。それぞれの位置５０、５２は図４ａに示し、これらの位置では、ロータはそれぞれ休止し及び速度を出している。
【００２０】
図５は駆動アーム５８を備えたディスク５６上の別の単一のロータブレード５４を示す。ラビリンスシール６０がロータアーム５６の後部に設けられ、シール６０のヘッド６２は角度αを示す図５ａに一層詳細に示してある。図５の構成は同様の態様で働き、次の等式を満足する場合は、ラビリンスシール６０内のギャップは実質上一定に維持される：
［式３］
ｄｅｌＸ・ｓｉｎ（α）＝ｄｅｌＹ・ｃｏｓ（α）
ここでは、ｄｅｌＸ及びｄｅｌＹはロータ先端部ではなくラビリンスシールにおいてのものである。
【００２１】
図６は駆動アーム６４、ロータブレード６６及びブレード６６の背後のステータ６８を備えた構成を示す。ロータブレード６６はドラム７０に装着され、その一部７２はステータ６８に対して傾斜したギャップ７４を提供するように後方へ延びる。ロータ７０従って駆動アーム６４の回転がギャップ７４を実質上一定に維持するために後方運動を生じさせるように、ギャップ７４は下方及び前方に傾斜し、駆動アームは前方にクランク屈曲している。
【００２２】
図７は前方方向（図の左方向）にクランク屈曲した駆動アーム８２に装着されたステータシールを示す。シール７６は上方及び下方の板８４、８６を有し、これらの板の間のギャップは前方方向（図の左方向）へ下方に向いている。複数の突起８８が板８６上に設けられ、シール効果を向上させる。
【００２３】
図８は図７と同様の修正された構成の一部を示すが、ここでは、鋸歯状の輪郭９０は上方の板９２上に設けられる。歯状の輪郭のぎざぎざは提供されるシール効果を向上させるように突起８８に対応する。
【００２４】
図９は、ケーシング９４が外方へ傾斜し、従って上昇偃角を提供する点を除いて図２に示すものと同様のコンプレッサの一部を示す。それ故、ロータブレード９８のための実質上一定の先端間隙を提供するように使用中外方及び後方へ運動する駆動アーム９６を提供するため、アーム９６はその装着部１００に対して前方で対面する。
【００２５】
図１０は上昇偃角を有する内壁先端間隙１０２を備えたコンプレッサ構成を示し、それ故、これまた、前方で対面する駆動アーム１０４が提供される。図１１はコンプレッサ内の同様の内壁先端間隙１０６を示す。しかし、この例においては、下降偃角が存在し、それ故、駆動アーム１０８は後方で対面する。
【００２６】
図１２ないし図１５はタービンを備えた異なる可能な構成を示す。図１２は下降偃角を備えた先端間隙１１０を提供する状態を示す。この例においては、駆動アーム１１２の軸方向の後方片寄り装着部１１６において作用する遠心荷重により生じるモーメントのため、タービンブレード１１４が回転中に外方及び前方へ運動するように、駆動アーム１１２は後方で対面する。図１３はケーシング１１８の上昇偃角が存在し、それ故、前方で対面する駆動アーム１２０が提供される点を除いて図１２と同様の構成を示す。
【００２７】
図１４においては、上昇偃角を有する内壁１２４に対して先端間隙１２２が提供される。前方で対面する駆動アーム１２６が提供され、そのため、内壁１２４は軸方向の前方片寄り装着部１２８において作用する遠心荷重により生じるモーメントのために外方及び後方へ運動する。図１５はまた内壁１３２に関する先端間隙１３０をも示す。この例においては、下降偃角が存在し、それ故使用中に外方及び前方の運動を提供するために、後方で対面する駆動アーム１３４が設けられる。
【００２８】
従って、コンプレッサ又はタービンのロータのまわりで若しくはラビリンス又は他のシールのそれぞれの素子内で、回転速度に無関係にギャップを実質上一定に維持する最適なギャップを提供する上述した種々の構成が存在する。例えば熱効果を使用する従来の構成と対比して、本発明の構成は瞬時の調整を提供する。
【００２９】
本発明の範囲から逸脱することなく種々の他の修正を行うことができる。
特に重要と思われる本発明のこれらの特徴に注意を引くように上述の説明で努力を試みたが、特定の強調を行ったと否とに拘わらず、出願人は、今まで参照し図面に示したいかなる特許性のある特徴又は特徴の組み合わせに関しても保護を求めるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ガスタービンエンジンの半部分の概略断面図である。
【図２】本発明に係る第１のコンプレッサの一部の概略側面図である。
【図３】本発明に係る第２のコンプレッサの一部の概略側面図である。
【図４】図４は本発明に係る第３のコンプレッサの一部の、図２と同様の図であり、図４ａは図４の一部の詳細図である。
【図５】図５は本発明に係るラビリンスシールの概略側面図であり、図５ａは図５の一部の詳細図である。
【図６】本発明に係るコンプレッサの片持ち梁式のステータの概略図である。
【図７】本発明に係るステータシールの一部の概略側面図である。
【図８】図７と同様の修正された構造体の一部の概略側面図である。
【図９】本発明に係る別のコンプレッサ形状の一部の概略側面図である。
【図１０】本発明に係る更に別のコンプレッサ形状の一部の概略側面図である。
【図１１】本発明に係る他のコンプレッサ形状の一部の概略側面図である。
【図１２】本発明に係る別のタービン形状の一部の概略側面図である。
【図１３】本発明に係る更に別のタービン形状の一部の概略側面図である。
【図１４】本発明に係る他のタービン形状の一部の概略側面図である。
【図１５】本発明に係る更に他のタービン形状の一部の概略側面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    ガスタービンエンジン
１３    中圧コンプレッサ
１４    高圧コンプレッサ
１６    高圧タービン
１７    中圧タービン
１８    低圧タービン
２０、２２、９４    ケーシング
２６、４２、４８、５４、６６、９８    ロータブレード
３０、４０、５８、６４、９６、１０４、１０８、１１２、１２０、１２６、１３４    駆動アーム
３２    エンジン中心線
３４    片寄り部
６０    ラビリンスシール
６２    ヘッド
６８    ステータ
７０    ドラム
７２    ドラムの一部
７４    ギャップ
８４    上方の板
８６    下方の板
１０２、１０６、１１０、１２２、１３０    先端間隙
１１４    タービンブレード
１１８    ケーシング
【図１】
0004722553.tif 000002
【図２】
0004722553.tif 000003
【図３】
0004722553.tif 000004
【図４】
0004722553.tif 000005
【図５】
0004722553.tif 000006
【図６】
0004722553.tif 000007
【図７】
0004722553.tif 000008
【図８】
0004722553.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004722553.tif 000013
【図１３】
0004722553.tif 000014
【図１４】
0004722553.tif 000015
【図１５】
0004722553.tif 000016