(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジン間隙制御のために適用可能な装置及び方法を提供する。【解決手段】エンジンケーシングエレメントは、少なくとも１つの間隙制御キャビティ１３を有し、該間隙制御キャビティは、間隙制御キャビティ内壁によって画定されており、かつ間隙制御キャビティ長手方向延在範囲を有する。少なくとも１つの挿入部材１４は、間隙制御キャビティ内に配置されている。挿入部材は、流れ案内機能及び熱伝達向上機能のうちの少なくとも一方を生じさせるように配置及び構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの間隙制御キャビティ（１３）を有し、該間隙制御キャビティは、間隙制御キャビティ内壁（１３８）によって画定されており、かつ間隙制御キャビティ長手方向範囲を有する、エンジンケーシングエレメント（１１０１）であって、
前記間隙制御キャビティ内に少なくとも１つの挿入部材（１４）が配置されていることを特徴とする、エンジンケーシングエレメント。
【請求項２】
前記挿入部材（１４）は、流れ案内機能及び熱伝達向上機能のうちの少なくとも一方を生じさせるように配置及び構成されている、請求項１記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項３】
少なくとも１つの空間（１３５，１３６，１５５）が、前記挿入部材（１４）と前記間隙制御キャビティ内壁（１３８）との間に形成されており、前記挿入部材及び前記間隙制御キャビティのそれぞれの長手方向範囲の少なくとも一部に沿って延びている、請求項１又は２記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項４】
挿入部材長手方向延在範囲は、少なくともほぼ間隙制御キャビティ長手方向範囲と一致している、請求項１から３までのいずれか１項記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項５】
前記挿入部材（１４）は、少なくとも１つの支持セクション（１４２，１４３）を有し、該支持セクションにおいて、前記挿入部材は、前記間隙制御キャビティ内に支持されており、特に前記支持セクションは、挿入部材長手方向端部に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項６】
前記挿入部材（１４）は、少なくとも２つの支持セクション（１４２，１４３）を有し、該２つの支持セクションは、特に２つの反対側の挿入部材長手方向端部に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項７】
前記挿入部材は、ダクト（１５２）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のケーシングエレメント。
【請求項８】
前記空間（１５５）は、前記間隙制御キャビティ内壁（１３８）と、ダクト壁（１５１）外面との間に設けられている、請求項３記載のケーシングエレメント。
【請求項９】
ダクト壁（１５１）外面には、突出部及び凹部のうちの少なくとも一方、特に複数の突出部及び複数の凹部のうちの少なくとも一方が設けられており、前記突出部及び／又は凹部は、前記空間の範囲にわたって不均一な空間幅を提供し、特に前記空間を通る流れにおいて乱流を発生及び／又は増強させるのに適しており、さらに特に前記ダクト（１５２）は、２つの開放した前端部を有する、請求項７又は８記載のケーシングエレメント。
【請求項１０】
前記挿入部材（１４）は、ダクト（１５２）を有し、ダクト壁（１５１）は、少なくとも１つの貫通開口（１４４）を有し、特に複数の貫通開口を有し、これにより、前記ダクト壁は穿孔されており、特に前記少なくとも１つの貫通開口は、インピンジメント穴として適応及び構成されており、特に前記ダクト（１５２）は、開放した前端部と、閉鎖した前端部（１５４）とを含む、請求項１から９までのいずれか１項記載のケーシングエレメント。
【請求項１１】
ダクト壁（１５１）外面は、少なくともほぼダクト壁外面全体において間隙制御キャビティ内壁（１３８）と隙間なしに密着接触して配置されており、さらに特にダクト壁内面には、突出部及び凹所（１５８）のうちの少なくとも一方、特に複数の突出部及び／又は複数の凹部のうちの少なくとも一方が設けられており、前記突出部及び／又は凹部は、ダクトの不均一な内面を提供しており、特に、前記ダクトを通る流れにおいて乱流を発生及び／又は増強させるのに適している、請求項７記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項１２】
前記挿入部材（１４）は、プレート状セクションを有し、該プレート状セクションは、第１の面（１４５）と、第２の面（１４６）と、２つの側面（１４７）とを有し、
該プレート状セクションの第１の面（１４５）と、間隙制御キャビティ内壁（１３８）及びダクト壁内面のうちの一方との間に第１の空間（１３５）が形成されており、
プレート状セクションの第２の面（１４６）と、間隙制御キャビティ内壁（１３８）及びダクト壁内面のうちの一方との間に第２の空間（１３６）が形成されており、
特に前記第１の空間（１３５）と前記第２の空間（１３６）との間に流体接続が設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項１３】
少なくとも１つの貫通開口（１４４）が、プレート状セクションの第１の面（１４５）からプレート状セクションの第２の面（１４６）まで延びており、特に複数の貫通開口が、プレート状セクションの第１の面からプレート状セクションの第２の面まで延びており、さらに特に前記少なくとも１つの貫通開口は、インピンジメント穴として配置及び構成されている、請求項１２記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項１４】
前記プレート状セクションの第１の面（１４５）及び前記プレート状セクションの第２の面（１４６）うちの少なくとも一方に、突出部及び凹部のうちの少なくとも一方、特に複数の突出部及び／又は複数の凹部のうちの一方が設けられており、前記突出部及び／又は凹部は、それぞれの空間（１３５，１３６）の範囲にわたって不均一な空間幅を提供し、特に前記空間を通る流れにおいて乱流を発生及び／又は増強させるのに適している、請求項１２記載のエンジンケーシングエレメント。
【請求項１５】
間隙制御キャビティ（１３）に少なくとも２つの流体ポート（１３３，１３４）が設けられており、第１の流体ポート（１３３）は、ダクト内側流れチャネル（１５２）、及び挿入体プレート状セクションの第１の面（１４５）と間隙制御キャビティ内壁（１３８）との間に設けられた第１の空間（１３５）のうちの一方と流体接続しており、第２の流体ポート（１３４）は、ダクト壁外面と前記間隙制御キャビティ内壁との間に設けられた空間（１５５）、及び挿入体プレート状セクションの第２の面（１４６）と前記間隙制御キャビティ内壁との間に設けられた第２の空間（１３６）のうちの一方と流体接続されており、特に第１及び第２のポートは、間隙制御キャビティの同じ長手方向端部に配置されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のエンジンケーシングエレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本開示は、請求項１の前提部に記載のエンジンケーシングエレメントの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
幾つかの実施の形態では、本開示は、ターボエンジンケーシング用のケーシングエレメントに関する。このようなターボエンジンは、制限することなく、ターボ圧縮機、蒸気タービンを含む膨張タービン、ターボチャージャ及びガスタービンエンジンを含み、前記ガスタービンエンジンは少なくとも１つのターボ圧縮機及び少なくとも１つのタービンを含む。このようなガスタービンエンジンは、例えば、発電機を駆動する発電ガスタービンとして、自動車駆動のため、航空機推進のため、又は機械的な駆動が要求されるその他の用途のために提供されてもよい。ガスタービンエンジンは、１つ又は複数のタービン及び／又は圧縮機を含んでもよく、通常、少なくとも１つのタービンと１つの圧縮機とが互いに駆動接続されていてよく、１つのタービンは、直接又はギヤセットを介して、機械的駆動を要求する装置に接続されていても、されていなくてもよい。このようなガスタービンエンジンは、当該技術分野において公知である。上に提供された簡単な概略は、包括的であると考えられなくてよく、典型的な参照としてのみ提供されている。
【０００３】
開示は、さらに、エンジン間隙制御のために適用可能な装置及び方法を提供する。制御すべきこのような間隙は、通常、回転ブレードと固定部分との間又はターボエンジンの固定ベーンと回転部分との間に見られてもよい。例えば、ターボエンジンベーン又はブレードのシュラウド付き又はシュラウドなし先端部に存在する間隙は、回転及び固定のエンジン構成部材の間の機械的接触を回避するために最小限の間隙を維持しながら、ブレード又はベーン先端部を通過する作動流体損失を最小限にするように制御されてもよい。
【０００４】
さらに、前記装置及び方法は、例えば、多段ターボ圧縮機の最後の、すなわち最も下流の段及び／又は多段タービンの最初の、すなわち最も上流の段において適用されてもよい。
【０００５】
発明の背景
可動及び固定のエンジン部分が突き合わされ、相対移動を行うエンジンのセクションにおいて、固定及び可動のエンジン構成部材の接触領域を横切って差圧が見られるのに対し、作動流体の漏れ流が生じることがあり、これは、ひいてはエンジン効率を低下させ得る。これは、特に、ターボエンジンにおいてブレード又はベーンリングにおいて当てはまる。典型的には、固定及び可動部分の高い相対速度のため、さらにはプロセスおいて固有の潜在的に高い温度により、密閉した封止を提供することはできない。したがって、ブレード及びベーンの先端部と、並置された相対的に移動する構成部材との間に、最小限の空間が維持される必要がある。エンジンの様々な構成部材は異なる熱膨張を有し、さらに作動パラメータの変化により異なる時間挙動で膨張又は収縮するので、間隙は、最悪の場合の条件に適用させられる必要があるのに対し、他の作動状態における間隙は、要求される最小間隙を超過し、その結果、性能低下を生じる。前記性能低下は、封止システムによって減じられてもよいが、作動中に変化する間隙の問題が残る。
【０００６】
問題を解決するための様々な試みが公知である。幾つかのアプローチは、ロータ及びステータの材料ペアリングを適合させることにより問題を解決しようとしてきた。米国特許出願公開第２０１０／００３１６７１号明細書及び米国特許出願公開第２０１２／００４５３１２号明細書は、ステータにおける低熱膨張材料の適用を提案している。
【０００７】
従来技術、例えば米国特許出願公開第２００２／０００９３６１号明細書及び米国特許出願公開第２００８／０２３２９４９号明細書に記載された機械的なシステムは、ロータを軸方向にシフトさせることを提案している。これは、このようなシステムの機械的な複雑さの他に、目標とする間隙の変化を達成するためにブレードの独特の倒角を必要とし、小さな倒角を有する又は倒角を有さないタービンブレードには適用不可能である。
【０００８】
例えば米国特許第８５３４９９６号明細書に提案された他の機械的なシステムは、ステータ部分の半径方向移動を提案している。しかしながら、これは、ステータが周方向でセグメントに分割されることを必要とし、これらのセグメントは、互いに対して相対移動を行うことができる必要があり、ひいては、その結果、エンジンの全体的な性能に不利な影響をもたらす付加的な漏れ空間を生じる。
【０００９】
その他のシステムが技術分野において公知であり、この場合、ステータ部分が冷却又は加熱され、これにより、ステータの熱的収縮又は膨張を行い、間隙を制御する。米国特許出願公開第２００５／０１０９０３９号明細書は、複数のステータを適用するシステムを開示しており、この場合、ステータのうちの１つは、熱的に活性化され、能動的な間隙制御のために適用される。欧州特許第１７９８３８１号明細書は、制御された流れによって作動させられる内側ベーンキャリヤを開示している。ステータの外面における対流及び／又はインピンジメントによって熱交換が実現される。この方法は、低い熱慣性を有する薄いベーンキャリヤケーシングを必要とする。欧州特許第２１８２１７５号明細書は、エンジンの外側ハウジングにおいて間隙制御が行われる領域においてエンジンの固定部分を支持することを開示している。高温ガス部分は、セグメント化されたリングによって支持されている。セグメント化されたリングは、間隙作動に能動的に寄与しないが、外側ハウジング部分によって作動させられる。
【００１０】
米国特許出願公開第２００６／０２２５４３０号明細書は、ガスタービンエンジンの圧縮機間隙を能動的に制御するシステム及び方法を開示している。ガスタービンエンジンの内側ケーシングは、間隙が制御される領域において、流体が選択的に供給されてもよい軸方向間隙制御チャネルを有しており、前記流体は、軸方向に延びたチャネルを通流し、前記チャネルの周囲のハウジングを選択的に冷却又は加熱する。これにより、ハウジングの熱的膨張又は収縮が達成される。この文献によれば、間隙制御チャネルの軸方向供給及び排出端部に、プレナムが配置されている。供給される流体の使用の有効性は、チャネルの内壁と、チャネルを通流する流体との熱伝達に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／００３１６７１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１２／００４５３１２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／０００９３６１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０２３２９４９号明細書
【特許文献５】米国特許第８５３４９９６号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５／０１０９０３９号明細書
【特許文献７】欧州特許第１７９８３８１号明細書
【特許文献８】欧州特許第２１８２１７５号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００６／０２２５４３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本開示の課題は、従来技術の欠点を克服する装置及び方法を提供することである。本開示のより具体的な課題は、能動的な間隙制御、特にブレード及び／又はベーン先端部間隙制御、及びエンジン及び特にターボエンジンに存在するその他の半径方向間隙の制御のための、技術分野において公知の装置及び方法を改良する装置及び方法を提供することである。これは、間隙制御のために提供される流体と、制御流体が提供される間隙制御キャビティの壁部との熱伝達を改良することによって達成されてもよく、制御のための反応時間を改良するのに適していてもよく、他方では、必要とされる間隙制御流体の量を減じるために機能してもよい。本開示のさらに別の態様では、間隙制御キャビティから出てくる間隙制御流体の使用は、より効率的となる。その結果、開示のさらに別の態様では、間隙制御流体の量を減じることによって及び／又は間隙制御の効率を高めることによって及び／又は間隙制御のために提供される流体のより効率的な排出を提供することによって、全体的なエンジン効率が高められる。開示のその他の態様は、明示的に言及されているかどうかにかかわらず、より詳細な説明を考慮することによって当業者に明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
開示の課題は、請求項１の特徴を含む装置を提供することによって達成される。
【００１４】
エンジンケーシングエレメントであって、少なくとも１つの間隙制御キャビティを有し、間隙制御キャビティは、間隙制御キャビティ内壁によって画定されており、かつ間隙制御キャビティ長手方向範囲を有し、前記間隙制御キャビティ内に少なくとも１つの挿入部材が配置されている、エンジンケーシングエレメントが提供される。
【００１５】
エンジンケーシングエレメントは、この関連において、例えば長手方向範囲、半径方向範囲及び周方向範囲を含んでもよいエンジンケーシングの一部として理解されてもよい。前記ケーシングは、制限することなく、少なくともほぼ円柱又は円錐台、又は前記のいずれかのセクションに似ているか又はこれらを形成していてもよい。横断面は、３６０°未満又は１８０°未満の周方向角度範囲を有する部分円であってもよく、幾つかの実施の形態では、１８０°に等しい周方向角度範囲を有する半円であってもよく、又は円であってもよい。エンジンケーシングエレメントは、例えば、タービンケーシング、圧縮機ケーシング、ガスタービンエンジンケーシング又はターボチャージャケーシングの一部、特にエンジンの固定の構成部材の一部であってもよい。エンジンケーシングエレメントは、例えば、水平方向に分割されたエンジンハウジングの上側又は下側の部分であってもよい。エンジンケーシングエレメントは、１つ又は複数のガイドベーン又はガイドベーンの複数の列を含んでもよく、又はガイドベーンを収容及び／又は固定する手段を含んでもよい。同様に、エンジンケーシングエレメントは、ヒートシールド等をエンジンケーシングエレメントに取り付ける手段を有してもよい。ケーシングエレメントは、ベーンキャリヤであってもよい。
【００１６】
エンジンケーシングエレメントが特定のエンジン及び１つ又は複数の所定の位置において使用するために設計されていることを考慮して、エンジンケーシングの向き又は範囲はそれぞれ、エンジンの向きと十分に規定された相関関係を有してもよい。これにより、幾つかの実施の形態では、エンジンケーシングエレメントの長手方向範囲は、少なくともほぼエンジン又はロータ軸方向に対して平行であってもよい。同様に、半径方向範囲は、エンジン又はロータそれぞれの半径方向に対して平行であってもよく、周方向範囲は、ロータ周方向と少なくともほぼ同じであってもよい。したがって、以下の明細書において前記エンジン又はロータの方向に対してなされる言及は、エンジンケーシングエレメントの範囲又は方向に対する言及と等しいと考慮及び理解されてもよい。この関連において、それは完全に意味をなし、エンジン上流及び下流軸方向の向きに言及するための十分に規定された開示を提供する。
【００１７】
能動的な間隙制御のために上記で引用した技術において公知の周方向に分割されたケーシングの場合とは異なり、本明細書に開示される周方向セグメントは、互いに独立した相対移動を行う必要はなく、互いにしっかりと固定されていてもよく、それらの間の空間を回避し、ひいては、全体的なエンジン性能にとって不利な付加的な漏れ流を回避するということが注目され、かつ認められるであろう。
【００１８】
幾つかの態様では、エンジンケーシングエレメントは、エンジンハウジングの一部であってもよく、特に内側ケーシング又はハウジングのエレメントであってもよく、さらに特にベーンキャリヤであってもよい。
【００１９】
エンジンケーシングエレメントは、１つ又は複数の間隙制御キャビティを有してもよい。複数の間隙制御キャビティは、エンジンケーシングエレメント周方向に沿って均等に又は不均等に分配されていてもよく、前記分配は、所望の空間的な熱交換配分に依存してもよい。間隙制御キャビティは、エンジンケーシングエレメント長手方向範囲と同じ方向に長手方向に延びていてもよく、幾つかの実施の形態では少なくともほぼエンジン軸方向に対して平行に延びていてもよい。幾つかの実施の形態では、少なくとも１つの間隙制御キャビティは、製造のためのアクセス性に応じて、貫通孔又は盲孔であってもよい。この場合、エンジンケーシングエレメント内に間隙制御キャビティを画定している間隙制御キャビティ壁は、穴又はボアによって形成された面によって規定されている。間隙制御キャビティは、したがって、一定の直径又は段付けされた直径を有してもよく、挿入体の雄型カウンターパートが受け入れられてもよい雌型モールステーパ又はその他の自動ロック雌型テーパを有してもよい。
【００２０】
間隙制御キャビティ内に配置された挿入部材は、流れ案内機能及び熱伝達向上機能のうちの少なくとも一方を生じさせるように配置及び構成されている。この機能を達成するために提案された前記機能及び特徴は、以下でより詳細に説明される。さらに、挿入部材の長手方向範囲は、少なくともほぼ間隙キャビティ長手方向範囲と一致させられていてもよい。
【００２１】
本明細書に開示されたエンジンケーシングエレメントの１つの態様によれば、少なくとも１つの空間が、挿入部材と間隙制御キャビティ内壁との間に形成されており、挿入体及び間隙制御キャビティのそれぞれの長手方向範囲の少なくとも一部に沿って延びている。容易に認められるように、前記空間を提供する場合、通流領域は、挿入体を備えない間隙制御キャビティと比較して減じられており、全体の流れ体積に関して、間隙制御キャビティ壁との前記空間を通って方向付けられる流体流の接触面積の比は、著しく増大されていてもよい。すなわち、全体の間隙制御流体流を減じる一方で、間隙制御流体流のより大きな部分がエンジンケーシングエレメントとの熱伝達に関与する。さらに、間隙制御流体流の乱流が増強されてもよく、これは、ひいては、エンジンケーシングエレメントと間隙制御流体流との間の熱伝達のさらなる向上を生じる。間隙制御流体はこれにより、さらに効率的に利用される。
【００２２】
開示の別の態様では、挿入部材は、少なくとも１つの支持セクションを有し、該支持セクションにおいて、挿入部材は、間隙制御キャビティ内に支持されおり、特に前記支持セクションは、挿入部材長手方向端部に配置されている。別の実施の形態では、挿入部材は、少なくとも２つの支持セクションを有し、２つの支持セクションは、特に２つの反対側の挿入部材長手方向端部に配置されていてもよい。少なくとも１つの支持セクションの外面は、したがって、間隙制御キャビティの対応する長手方向セクションにぴったりと受け入れられてもよい。特に、支持セクション、さらに特に複数の支持セクションのうちの１つは、間隙制御キャビティの対応するセクションに締りばめにより受け入れられてもよい。例えば、挿入部材の支持セクションは雄型円筒ジオメトリを特徴としてもよいのに対し、間隙制御キャビティのカウンターパートセクションは、対応する雌型円筒ジオメトリを特徴としてもよい。別の実施の形態では、支持セクション、特に複数の支持セクションのうちの１つの支持セクションは、自動ロッキングウェッジを形成してもよいのに対し、対応する雌型ウェッジは、間隙制御部材に形成されていてもよい。前記支持セクションは、例えば、自動ロッキング雄型テーパであってもよいのに対し、対応する雌型テーパは、間隙制御キャビティに設けられている。さらに別の実施の形態では、支持セクションは雄ねじ山を有してもよいのに対し、対応する雌ねじ山は間隙制御キャビティに設けられており、挿入体は、間隙制御キャビティに螺入されてもよい。複数の支持セクションが存在する場合、複数の実施の形態が考えられ、その場合、支持セクションのうちの１つのみが間隙制御キャビティ内にロッキング係合でしっかりと保持されるのに対し、他の１つは、間隙制御キャビティ内のカウンターパート雌型ジオメトリに遊びばめで受け入れられている。特に遊びばめが、挿入部材の遠位側、特に、挿入部材を間隙制御キャビティ内に取り付けるときに最初に挿入される側に配置されているならば、これは、組立を大幅に容易にする。また、製造のより高い精度を要求する間隙制御キャビティ内の雌型係合面は、間隙制御キャビティの近位端部に存在し、したがって、前記雌型係合面を機械加工することが容易になることが分かるであろう。幾つかの実施の形態では、対応する遠位係合面は、より小さくてもよく、例えば、挿入部材及び間隙制御キャビティのそれぞれの近位端部における直径よりも小さな直径を有してもよい。これも、組立を容易にすることが分かるであろう。
【００２３】
支持セクションが間隙制御キャビティを閉塞しかつ封止するために機能してもよいことが理解される。例えば、幾つかの実施の形態では、遠位支持セクションは、貫通孔又はボアとして提供された間隙制御チャネルを封止してもよい。また、支持セクションは、間隙制御流体供給及び／又は排出ポートを提供してもよい貫通孔を有してもよい。
【００２４】
挿入部材を間隙制御キャビティ内にロックする複数の方法が考えられる。幾つか例を挙げると：
挿入部材は、キャビティ又はエンジンケーシングエレメントに螺入されてもよく、適切な雄ねじ山が挿入体に設けられ、対応する雌ねじ山が間隙制御キャビティ又はエンジンケーシングエレメントに設けられる。
挿入部材は、挿入部材を間隙制御キャビティ又はケーシング内に焼ばめすることによってロックされてもよい。
挿入部材は、間隙制御キャビティ又はケーシングとかしめられてもよい。
挿入部材はロッキングねじによってロックされてもよい。
挿入部材には、フランジが設けられてもよく、このフランジが次いでケーシングに螺合される。
挿入部材は、チャネル又はケーシングに溶接されてもよい。
プレスばめが挿入部材及び／又はケーシングの間に形成されてもよい。
挿入部材は、自動ロッキングウェッジ又はテーパによってロックされてもよい。
挿入部材をケーシングに又は間隙制御キャビティ内にロックする他の方法は、当業者に容易に明らかになるであろう。
【００２５】
幾つかの典型的な実施の形態では、挿入部材は、内部ダクトを有してもよい。すなわち、例えば、挿入部材は管状セクションを有してもよい。前記管状セクションは、幾つかの場合、円形の横断面を特徴としてもよいが、例えば、幾つか例を挙げれば、矩形、長円形、だ円形、多角形などの異なる横断面を有してもよい。ダクトの流れ横断面は、ダクトの長手方向範囲に沿って一定であっても、又は変化していてもよい。別の実施の形態では、ダクト壁外面は、一定の又は変化する横断面寸法を有してもよい。ダクトは、少なくとも１つの開放した前端部を有してもよい。作動時、間隙制御流体は、前記開放した前端部を通じてダクトに供給されてもよく、これにより、前記開放した前端部は、間隙制御流体供給ポートを提供する。
【００２６】
さらに、間隙制御キャビティ内壁と、ダクト壁の外面との間に、空間が設けられてもよい。前記空間の横断面積は、間隙制御キャビティの長手方向範囲に沿って変化していても、又は一定であってもよい。変化する空間横断面積は、幾つかの実施の形態では、長手方向範囲に沿って一定の横断面を有する間隙制御キャビティを提供し、長手方向範囲に沿って変化するダクト壁外面寸法を備えるダクトを有する挿入部材を提供することによって、達成されてもよい。
【００２７】
挿入部材のダクトセクションは、間隙制御キャビティの横断面図において同心又は偏心に間隙制御キャビティ内に配置されてもよい。この場合、空間は、ダクト壁外面の周囲に対称的に設けられてもよいか、又は空間幅はダクトセクションの周囲に周方向で変化していてもよい。さらに、挿入部材のダクトセクションの長手方向は、間隙制御キャビティの長手方向と一致させられてもよいか、又は間隙制御キャビティの長手方向に対して傾斜して配置されていてもよい。ダクトセクションの傾斜した配置は、間隙制御キャビティの長手方向に沿って変化する空間を生じてもよい。
【００２８】
挿入部材がダクトセクションを有する実施の形態では、間隙制御キャビティの間隙制御流体供給ポート及び間隙制御流体排出ポートは、間隙制御キャビティの同じ長手方向側に配置されていてもよく、間隙制御流体供給ポートはダクトの内部に流体接続されており、間隙制御流体排出ポートは空間に流体接続されている。この手段の効果として、ダクト内の間隙制御流体流と、空間における間隙制御流体流とは、間隙制御キャビティの長手方向範囲に沿って反対方向に向けられることが認められるであろう。
【００２９】
さらに別の典型的な実施の形態では、ダクト壁外面には、突出部及び凹部のうちの少なくとも一方、特に複数の突出部及び複数の凹部のうちの少なくとも一方が設けられており、前記突出部及び／又は凹部は、空間の範囲にわたって不均一な空間幅を提供する。突出部及び／又は凹部は、前記空間を通る流れにおいて乱流を発生又は増強するようなサイズ及び形状を有してもよい。乱流を増強することにより、空間内の流体流と、間隙制御キャビティ内壁との熱交換が高められてもよい。
【００３０】
らせん形の流れ案内エレメントは、ダクト壁の外面に沿って延びていてもよい。前記らせん形の流れ案内エレメントは、空間幅全体を横切って延びていても、延びていなくてもよい。別の実施の形態では、ベーンがダクト外壁に配置されていてもよく、これにより、空間内にスワーラを提供し、間隙制御キャビティ内及びダクト外壁の周囲に旋回流を発生させる。別の実施の形態では、ダクトは、２つの開放した前端部を有してもよい。前記端部のうちの第１の端部は、間隙制御流体供給ポートとして機能してもよく、この間隙制御流体供給ポートを通って、間隙制御流体がダクトに進入してもよく、第２の開放した前端部へ案内され、この第２の開放した前端部において間隙制御流体はダクトから空間内へ排出される。
【００３１】
ダクト状の挿入セクションを有する挿入部材を備えるエンジンケーシングエレメントのさらに別の態様では、ダクト壁は、少なくとも１つの貫通開口を有してもよく、特に複数の貫通開口を有してもよく、これにより、ダクト壁は穿孔されている。さらに、ダクトは、間隙制御流体の供給用の１つの開放した前端部と、１つの閉鎖された前端部とを有してもよい。少なくとも１つの貫通開口は、インピンジメント穴として適応及び構成されていてもよく、これにより、間隙制御流体はダクトの内部から、間隙制御キャビティ内壁に衝突するジェットとして排出される。閉鎖された前端部により、第１の開放した前端部を通ってダクトへ供給される全ての間隙制御流体は、前記貫通開口を通ってダクトから排出される。貫通開口は、ダクト壁において等しく分配されていてもよい。他の実施の形態では、単位ダクト壁表面当たりの貫通開口の数及び／又は貫通開口のサイズは、長さに沿って及び／又はダクト壁の周囲にわたって変化していてもよい。これにより、例えば、ダクトから排出されかつ間隙制御キャビティ内壁へ方向付けられる間隙制御流体のジェットは、エンジンケーシングエレメントの吸熱表面のより近くに配置された間隙制御キャビティ内壁セクション、すなわち、例えば間隙制御キャビティ内壁の半径方向内方に配置された部分へ主に方向付けられてもよい。しかしながら、貫通孔のこのような配列は、間隙制御キャビティ内の及び間隙制御キャビティへの熱フラックスの詳細な考慮を受けてもよい。
【００３２】
さらに別の実施の形態では、ダクト壁外面は、少なくともほぼダクト壁外面全体において、間隙制御キャビティ内壁表面と隙間なし密着接触して配置されていてもよい。これにより、挿入部材は、少なくともほぼ、間隙制御キャビティ内壁を被覆するスリーブを構成している。ダクト壁内面には、特に、突出部及び／又は複数の凹部、又はその他の乱流発生手段が設けられていてもよく、前記突出部及び／又は凹部はダクトの不均一な内面を提供する。前記突出部及び／又は凹部は、特に、前記ダクトを通る流れにおいて乱流を発生及び／又は増強するのに適していてもよい。幾つかの実施の形態では、らせん形の流れ案内エレメントが、ダクトの内面に沿って延びていてもよい。ダクト内に旋回流を発生させるためにダクト内にスワーラが配置されていてもよい。前記特徴は、複雑な形式での間隙制御キャビティの内部の機械加工の必要なしに間隙制御キャビティの内側に乱流発生手段を提供するために機能してもよい。この関連において、ケーシング、又は間隙制御キャビティ内壁それぞれと、挿入体との間の良好な伝導性熱伝達を達成するために、ダクト状挿入部材が間隙制御キャビティ内に焼ばめされると有利であることが分かるであろう。
【００３３】
本開示による別の実施の形態では、挿入部材は、プレート状セクションを有し、前記プレート状セクションは、第１の面と、第２の面と、２つの側面とを有する。プレート状セクションの第１の面と、間隙制御キャビティ内壁及びダクト壁内面のうちの一方との間に第１の空間が設けられており、プレート状セクションの第２の面と、間隙制御内壁及びダクト壁内面のうちの一方との間に第２の空間が設けられている。特に、第１の空間と第２の空間との間に流体接続が提供されていてもよい。前記流体接続は、プレート状セクション側面と、間隙制御キャビティ内壁との間の開放した空間によって提供されてもよい。しかしながら、プレート状セクション側面が少なくともほぼ間隙制御キャビティ内壁と同一平面を成し、これにより、前記側面と間隙制御キャビティ内壁との間に少なくとも間隙制御流体の大きな流れは生じないような実施の形態が考えられる。したがって、流体接続は、プレート状セクションにおける少なくとも１つの貫通開口によって提供されてもよく、前記開口は第１の面から第２の面まで延びている。特に、前記少なくとも１つの貫通開口は、インピンジメント穴として配置及び構成されていてもよく、これにより、間隙制御キャビティ内壁に向かって方向付けられた間隙制御流体のジェットが貫通開口から排出される。再び、異なる文脈で前に説明したように、突出部及び／又は凹部又はあらゆるその他の適切な乱流発生手段は、プレート状セクションの第１の面又は第２の面、又は両面に配置されていてもよく、これにより、特に乱流発生器を提供し、熱伝達を高める。
【００３４】
挿入部材のプレート状セクションは、間隙制御キャビティ内において様々なジオメトリ及び／又は配列を有してもよい。例えば、プレート状セクションは、一定の厚さを特徴としてもよい。別の実施の形態では、プレート状セクション厚さは、挿入部材の長手方向範囲に沿って変化してもよく、これは、間隙制御キャビティの長手方向範囲に沿って変化する空間幅を提供するように機能してもよい。プレート状セクションは、間隙制御キャビティ内に中央に配置されてもよく、これは等しい横断面の第１及び第２の空間を提供する。プレート状セクションは、偏心して配置されてもよく、これにより、第１及び第２の空間は異なる空間幅を有する。プレート状セクションの長手方向範囲は、間隙制御キャビティの長手方向範囲と一致していてもよい。他の実施の形態では、プレート状セクションは傾斜して配置されていてもよく、これにより、第１及び第２の空間の空間幅は、一定の厚さのプレート状セクションが提供されている場合、間隙制御キャビティの長手方向範囲に沿って逆に変化する。
【００３５】
上記説明から分かるように、間隙制御キャビティ内での挿入部材の使用は、間隙制御キャビティ内壁と流体との熱伝達を高め、これにより間隙制御流体流の要求を減じることによって、間隙制御キャビティに供給される流体の使用を著しく高めるように機能してもよい。さらに、異なるジオメトリを特徴とする挿入部材を選択することにより、間隙制御流体と間隙制御キャビティ内壁との間の熱伝達特性は、間隙制御キャビティジオメトリを変化させる必要なく、また間隙制御キャビティの内部の高価な機械加工の必要なく、容易に適応させられてもよい。
【００３６】
本開示によるエンジンケーシングエレメントの別の実施の形態では、間隙制御キャビティに少なくとも２つの流体ポートが設けられており、第１の間隙制御流体供給ポートは、挿入部材ダクト、及び挿入部材プレート状セクションの第１の面と間隙制御チャネル内壁との間に設けられた第１の空間のうちの一方と流体接続しており、第２の間隙制御流体排出ポートは、ダクト壁外面と間隙制御チャネル内壁との間に設けられた空間、及び挿入体プレート状セクションの第２の面と間隙制御キャビティ内壁との間に設けられた第２の空間のうちの一方と流体接続されている。特定の実施の形態では、第１及び第２のポートは、間隙制御キャビティの同じ長手方向端部に配置されている。
【００３７】
さらに、上述のように少なくとも１つのエンジンケーシングエレメントを備えるエンジンケーシングが開示されている。エンジンケーシングは、この開示の幾つかの態様において、例えば膨張タービン、圧縮機、ガスタービンエンジン又はターボチャージャなどのターボエンジンのケーシングであってもよい。上述のようなエンジンケーシングエレメントは、有利には、例えば最後の圧縮機段及び／又は第１のタービン段用のステータエレメントとして配置されていてもよい。さらに、固定部分及び可動部分を有し、固定部分は、上述のようなエンジンケーシングを含み、特に、本開示によるエンジンケーシングエレメントを含む、エンジンが開示されている。エンジンは、例えば、膨張タービン、圧縮機、特にターボ圧縮機、ガスタービンエンジン又はターボチャージャであってもよい。
【００３８】
以下の開示は、熱的作動に基づく能動的間隙制御システムを備え、少なくとも１つのケーシングエレメント、又はケーシングは、作動中に通流する間隙制御流体の流れを選択的に案内するための流体供給ポート及び流体排出ポートを含む間隙制御キャビティを有する、ターボエンジン、特にガスタービンエンジン及び膨張タービンに関する。間隙制御キャビティは、特にベーンキャリヤに設けられていてもよい。以下に説明される実施の形態に関して、間隙制御キャビティは、挿入部材を有していても、有していなくてもよい。
【００３９】
少なくとも１つの排出ポート、特に全ての排出ポートは、ターボエンジン内の主作動流体流路に流体接続されていてもよい。排出された間隙制御流体は、次いで、エンジンにさらに有効な仕事を提供するために使用されてもよく、全体的なエンジン効率を高める。
【００４０】
少なくとも１つの排出ポート、特に全ての排出ポートは、例えばタービンベーンなどの冷却を要するタービン構成部材、又はステータプラットフォーム及びヒートシールドに接続されていてもよい。排出された間隙制御流体は、次いで、エンジン構成部材を冷却し、ひいては専用の冷却空気を節約するためにさらに使用され、これにより、全体的なエンジン効率を高める。
【００４１】
少なくとも１つの排出ポート、特に全ての排出ポートは、膨張タービンの選択されたステータキャビティに接続されていてもよい。これにより、排出された間隙制御流体は、膨張タービン主流からの高温流体吸込みに対して前記キャビティをパージするために使用される。これは、内燃ガスタービンエンジンの膨張タービンにおける高温燃焼ガス流からの高温燃焼ガス吸込みに対してステータキャビティをパージする場合に特に有利であることが分かるであろう。
【００４２】
排出された間隙制御流体を効率的に使用する場合、エンジンの全体的効率が高められてもよい。
【００４３】
間隙制御作動は、間隙制御流体の温度及び／又は質量流量によって制御される。前記間隙制御流体流パラメータは、一方では開ループ制御において、エンジン作動パラメータに基づいて制御されてもよい。作動パラメータは、エンジン負荷、タービン入口における温度、さらに負荷変化の速度を含んでもよい。他方では、間隙制御流体流パラメータは、閉ループ制御において、間隙及び／又は温度の測定に基づいて制御されてもよい。例えば、ステータ温度は、測定されてもよく、単独で又はその他の測定されたデータ及び／又は作動データと組み合わせて、間隙制御流体流パラメータを制御するために使用されてもよい。ステータの周囲にわたって分配された複数の間隙制御キャビティにより、これらのキャビティへの流体流を個々に制御することが可能であり、間隙は、複数の周方向位置において制御及び最適化されてもよく、不均一性が補償されてもよい。
【００４４】
本開示のさらに別の態様では、エンジンの固定部分と可動部分との間の間隙を能動的に制御する方法が開示される。
【００４５】
１つの態様では、方法は、少なくとも１つの間隙制御キャビティを有するエンジンケーシングエレメントを提供し、作動流体流又は間隙制御流体流を提供し、前記間隙制御流体流に乱流及び／又は旋回を発生させ、間隙制御流体流を間隙制御キャビティに供給することを含む。
【００４６】
別の態様では、方法は、少なくとも１つの間隙制御キャビティを有するエンジンケーシングエレメントを提供し、作動流体流又は間隙制御流体流を間隙制御キャビティに提供し、間隙制御キャビティの内壁に向かって方向付けられた間隙制御流体の少なくとも１つのジェットを発生させることを含む。
【００４７】
さらに別の態様では、方法は、少なくとも１つの間隙制御キャビティを有するエンジンケーシングエレメントを提供し、作動流体流又は間隙制御流体流を間隙制御キャビティに提供し、間隙制御キャビティ内の前記間隙制御流体において乱流及び／又は旋回を発生させる及び／又は増強することを含む。
【００４８】
上述の方法は、間隙制御キャビティ内に配置された挿入部材を提供することをさらに含んでもよい。
【００４９】
エンジンケーシングエレメントは、ターボエンジンの内側ケーシングのエレメント、特にベーンキャリヤであってもよい。
【００５０】
供給流を均一化し、間隙制御キャビティへ少なくともほぼ層流を提供する、間隙制御キャビティの供給及び排出ポートにおけるプレナムの適用を開示した、上記で引用した米国特許出願公開第２００６／０２２５４３０号明細書の開示とは反対に、本開示では、間隙制御キャビティを通る乱流が求められており、これにより、間隙制御キャビティ内壁と、間隙制御流体流との間の熱伝達を高めている。
【００５１】
上述の装置及び方法の特徴は互いに組み合わされてもよいことが理解される。
【００５２】
図面の簡単な説明
ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】膨張タービンの概略的な縦断面図である。
【図２】膨張タービンの概略的な横断面図である。
【図３】開示されたエンジンケーシングエレメントを有する膨張タービンの縦断面図である。
【図４】挿入部材を備える間隙制御キャビティの第１の典型的な実施の形態を示す図である。
【図５】図４に示された挿入部材のより詳細な図である。
【図６】挿入部材を備える間隙制御キャビティの別の典型的な実施の形態を示す図である。
【図７】図６に示された挿入部材のより詳細な図である。
【図８】挿入部材を備える間隙制御キャビティの第３の典型的な実施の形態を示す図である。
【図９】内部スリーブとして配置された挿入部材を備える間隙制御キャビティの１つの実施の形態を示す図である。
【００５４】
図面は概略的であり、発明の理解のために必要とされない特徴は省略されている。さらに、図示された実施の形態は、本明細書に開示された発明の可能な実施の形態であるが、上記で開示されかつ請求項に記載された発明はこれらに限定されると理解すべきではない。
【００５５】
発明の様々な実施の形態の詳細な説明
図１は、多段実膨張タービン１の縦断面図を概略図で示している。記載を簡略にするためにタービンの半分のみが示されている。タービンは、ステータ１１と、ロータ１２とを有する。ステータは、内側ハウジング１１１と、この図には示されていない外側ハウジングと、ベーン１１２，１１３，１１４，１１５とを有する。内側ハウジング１１１は、タービンガイドベーンが取り付けられるベーンキャリヤとしても機能する。ロータ１２は、シャフト１２１と、ブレード１２２，１２３，１２４，１２５とを有する。当業者によって認められるように、この図では作動流体主流はタービンを通ってブレード及びベーンに沿って右から左へ流れている。内側ハウジング１１１は、ほぼタービンの軸方向に延びる間隙制御キャビティ１３を有する。間隙制御キャビティ１３は、最初の２つのタービン段の領域に配置されており、第１及び第２の段のベーン１１５及び１１４と、第１及び第２の段のブレード１２５及び１２４とが配置されている範囲をカバーしている。最初の２つのタービン段における温度は、下流のタービン段における温度よりも高いことが認められるであろう。なぜならば、タービン作動流体は、後続のタービン段において膨張しながら冷却されるからである。間隙制御流体供給流１３１と、間隙制御流体排出流１３２とが概略的に示されている。この例では、供給流は、タービン作動流体主流の方向に関して上流端部において間隙制御キャビティに導入され、タービン作動流体主流に関して下流でタービン第３段へ排出される。したがって、排出された間隙制御流体は、下流タービン段においてタービンに有効な仕事を加えてもよい。この特定の例では、間隙制御キャビティにおける間隙制御流体流は、タービン作動流体主流の方向で下流へ流れるように示されているが、間隙制御流体流供給が下流端部において間隙制御キャビティに進入しかつ上流端部において排出される上流構成が選択されてもよく、再び前記方向はタービン作動流体主流に関する。間隙制御流体流がタービン内へ排出されるならば、排出された間隙制御流体をタービン内へ導入する位置は、排出された間隙制御流体の圧力が進入位置におけるタービン主流の圧力よりも高くなるように、選択されなければならない。
【００５６】
ここで図２を参照する。図２は、タービン１の概略的な横断面図を示している。ロータ１２は極めて単純化して示されており、シャフト及びブレードに関する詳細は一切示されていない。ロータ１２は、ステータ又はケーシング１１に収容されている。ケーシング１１は、内側ハウジング１１１と、外側ハウジング１１７とを有する。ケーシングは、上側半分と、下側半分とに水平に分割されており、内側ハウジング上側半部１１０１及び外側ハウジング上側半部１１０３と、内側ハウジング下側半部１１０２及び外側ハウジング下側半部１１０４とをそれぞれ含んでいる。それぞれの上側及び下側半部は、例えばねじ結合によってフランジ（符号なし）においてしっかりと結合されている。ガイドベーンはこの図には示されていない。内側ハウジング、例えばベーンキャリヤ１１１は、複数の間隙制御キャビティ若しくはチャネル１３を有し、そのうちの幾つかのみが符号で示されている。複数の間隙制御キャビティ若しくはチャネル１３は、内側ハウジング１１１の軸方向セクション内に又は軸方向セクションを通って、又はそれぞれケーシングエレメント１１０１及び１１０２内に又はケーシングエレメントを通って軸方向に延びている。
【００５７】
ここで再び図１を参照する。毎秒数百メートルの速度に達し得る、ブレード先端部とケーシングとの相対移動を可能にするために、ブレード１２２，１２３，１２４，１２５の先端部と内側ケーシング１１１との間に、間隙が必要とされる。同様に、ベーン１１２，１１３，１１４，１１５と、ロータとの間に、先端部間隙が必要とされる。前記先端部間隙は、ロータ及びステータ部品のために選択された様々な材料により、またロータ及びステータが受ける様々な温度により、エンジンの作動中に変化する。さらに、ロータ及びステータは、過渡作動モードの間の温度変化に対して異なる応答時間を有する。したがって、先端部間隙は、あらゆる作動条件下で維持されるように設計される必要がある。言い換えれば、ほとんどの作動条件下では、安全な作動を保証しかつ回転部分と固定部分との接触を回避するために、先端部間隙は必要以上に大きくなっている。他方では、前記間隙を通ってブレード及びベーンの先端部を超えて生じる漏れ流は、エンジンに有効な仕事を提供せず、ひいてはエンジン効率を低下させる。したがって、間隙制御流体供給流１３１が、間隙制御キャビティ１３へ提供され、間隙制御キャビティ１３を通って案内される。ケーシング温度よりも低い温度において間隙制御流体流を提供する場合、内側ケーシング１１１は収縮し、これにより、先端部間隙を減じる。ケーシング温度よりも高い温度で間隙流体流を提供する場合、内側ケーシング１１１は膨張し、これにより、先端部間隙を拡大させる。先端部間隙制御手段が設けられるタービンの領域は、第１のタービン段に減じられてもよい。なぜならば、第１のタービン段は最も大きな幅の温度変化を受けるからである。さらに、第１のタービン段のブレード及びベーンが最も短いので、任意の先端部間隙における相対的な漏れ流は、下流のタービン段におけるよりも大きい。同様に、例えばターボ圧縮機では、能動的な間隙制御の適用は、最後の最も下流の圧縮機段に制限され得る。
【００５８】
ケーシングの膨張及び収縮は、間隙制御流体の温度及び／又は質量流量を調節することによって制御されてもよい。このような制御は、エンジンの温度及び負荷条件に基づいてもよいが、タービンにおける局所的温度及び／又は間隙測定に基づく閉ループ制御で行われてもよい。
【００５９】
図３は、膨張タービンの異なる実施の形態を縦断面図で示している。それぞれの構成部材を備えるロータ１２及びステータ１１は、図１に関して詳細に説明されているので、ここでは詳細な説明は省略する。間隙制御キャビティには、タービン主流の流れ方向に関して下流側から間隙制御流体供給流１３１が供給される。間隙制御キャビティ１３は、より詳しく後述する挿入部材１４を有する。この挿入部材は、他の機能の中でも特に、制御流体が間隙制御チャネル内で独立した方向に案内されるように、間隙制御キャビティを２つのセクションに分割するために適していてよい。したがって、間隙制御排出ポートは、間隙制御キャビティの、間隙制御供給ポートと同じ長手方向端部に配置されていてもよい。排出された間隙制御流体１３２は、この実施の形態では、ガイドベーン１１４へ案内され、第２のタービン段のガイドベーン１１４を冷却するために使用される。したがって、第２のタービン段ガイドベーン１１４には、付加的な冷却空気を供給する必要がないか、又はより少ない付加的な冷却空気が供給される必要があり、これは、エンジン効率及び性能をさらに高めることを助ける。
【００６０】
ここで、挿入部材を有する間隙制御キャビティ１３の典型的な実施の形態を示す図４を参照する。間隙制御キャビティ１３は、ハウジング又はケーシングエレメント１１０１に形成されている。間隙制御キャビティ１３は、間隙制御流体供給流１３１が提供されてもよい間隙制御流体供給ポート１３３と、そこから間隙制御流体排出流１３２が排出されてもよい間隙制御流体排出ポート１３４とを有する。間隙制御キャビティ１３は、間隙制御キャビティ内壁１３８によって画定されている。この典型的な実施の形態では、間隙制御キャビティは、以下の説明のために、長手方向に延びる、長手方向範囲を有する円筒形のボアであると仮定されてもよいが、これは、限定的であると理解すべきではなく、その他の間隙制御キャビティジオメトリが可能であり、当業者は、以下に提供される説明を他のジオメトリに適用することができる。さらに、さらなる説明を一切することなく、長手方向の意味及び間隙制御キャビティの範囲は明らかである。挿入部材１４は、間隙制御キャビティ１３内に設けられている。挿入部材１４は、プレート状セクション１４１を有する。挿入部材１４は、さらに、挿入部材１４の長手方向端部に配置された第１及び第２の端部セクションを有する。端部セクションは、支持セクション１４２，１４３として機能し、支持セクションによって、挿入部材は支持され、キャビティ１３内にロックされてもよい。挿入部材のプレート状セクション１４１は、間隙制御キャビティ１３の内部スペースを第１の空間１３５と第２の空間１３６とに分割している。第１の空間１３５は、プレート状部材の第１の面１４５と、間隙制御キャビティ内壁１３８との間に形成されており、第２の空間１３６は、プレート状部材の第２の面１４６と、間隙制御キャビティ内壁１３８との間に形成されている。間隙制御流体供給流１３１は、間隙制御流体供給ポート１３３を通って第１の空間１３５へ提供され、間隙制御流体流３１として空間を通って、間隙制御キャビティ又は挿入部材１４の長手方向にそれぞれ流れる。間隙制御流体流３１は、適切な手段を通って第２の空間１３６内へ案内される。第１及び第２の空間の間の流体連通は、この典型的な実施の形態では、より詳しく後述されるインピンジメント穴によって提供され、インピンジメントジェット３２の形式で第２の空間１３６に流入する。前記インピンジメントジェットは、大きな推進力で間隙制御キャビティ壁１３８に向かって方向付けられ、間隙キャビティ内壁に形成されたあらゆる結果的な熱的境界層を貫通し、これにより、熱伝達を高める。第２の空間１３６は、この例では、間隙制御キャビティの半径方向内側、すなわち、ロータのより近くに配置された側、又はエンジン軸線よりに配置されていてもよい。これは、最大の熱取込みが生じる間隙制御キャビティの側であってもよい。ジェット３２の形式で第１の空間から第２の空間へ排出された間隙制御流体流は、次いで、第２の空間を通って間隙制御キャビティの長手方向に、参照符号３３によって示したように、第１の空間１３５における間隙制御流体流３１の方向とは反対方向に流れ、間隙制御流体排出ポート１３４を通って間隙制御流体排出流１３２として排出される。見られるように、挿入部材の端部及び支持セクション１４２及び１４３は、間隙制御キャビティの長手方向端部を閉塞しており、これにより、端部セクションと、間隙制御キャビティ内壁との間を間隙制御流体が全く又はほとんど通過しない。しかしながら、この典型的な実施の形態では、間隙制御流体排出ポート１３４は、端部及び支持セクション１４３に形成されている。認められるように、間隙制御流体流３１及び３３が空間を通流するとき、間隙制御流体と間隙制御キャビティ内壁１３８との間で熱交換が生じる。ケーシング１１１の温度と比較した間隙制御流体の温度に応じて、ケーシングは冷却又は加熱されてもよい。したがって、間隙制御流体の温度及び／又は質量流を制御する場合、ケーシング１１１は、制御可能に冷却又は加熱され、そのこと自体は、上述のように先端部間隙を制御するために使用されるケーシング１１１の熱的膨張又は収縮を生ぜしめる。
【００６１】
図５は、図４に示したような挿入部材１４をより詳細に示している。図５に示したような挿入部材１４は、端部セクション１４２及び１４３と、端部セクションの間に配置されかつ端部セクションの間に長手方向に延びるプレート状セクション１４１とを有する。プレート状セクション１４１は、第１の面１４５と、第２の面１４６と、２つの側面１４７とを有する。プレート状セクションの幅は、特に図４に示した実施の形態では、側面が間隙制御キャビティ内壁とほぼ同一平面をなし、ひいては第１及び第２の空間の間に少なくともほぼ密閉された封止を提供するようになっている。したがって、第１の空間から第２の空間への制御流体流は、全てが、以下でより詳細に説明されるインピンジメント穴１４４を通流する。間隙制御流体が側面と間隙制御キャビティ内壁との間で第１の空間から第２の空間へ排出されるように、プレート状セクション側面と間隙制御キャビティ内壁との間に側部空間が形成されてもよい他の実施の形態が考えられる。その限度で、側部空間の幅が間隙制御キャビティ又は挿入部材それぞれの長手方向範囲に沿って変化するように、プレート状セクションの幅が挿入部材の長手方向範囲に沿って変化していてもよい。図５に示された挿入部材１４は、さらに、インピンジメント穴１４４の配列を有する。インピンジメント穴１４４の配列は、プレート状セクションの第１の面１４５からプレート状セクションの第２の面１４６まで延びており、図４に示したように、流体がインピンジメント穴１４４を通流したときにインピンジメントジェットを提供するように配置及び構成されている。プレート状セクションにおけるインピンジメント穴の分配は、間隙制御キャビティ内で達成すべき熱伝達特性に応じて、この典型的な実施の形態に示されたものとは異なるように選択されてもよい。さらに、挿入部材１４の支持セクション１４２及び１４３は、間隙制御キャビティの雌型円筒形セクションに嵌合するための雄型円筒形状を有する。この典型的な実施の形態では、支持セクション１４３は、組立て中にまず間隙制御キャビティに挿入される遠位端部セクションであってもよく、端部セクション外面と間隙制御キャビティ内壁との間に遊びばめが達成されるようにサイズ決めされていてもよい。近位端部セクション１４２は、間隙制御キャビティ内壁の対応する長手方向セクションとのロッキングばめを達成するようにサイズ決めされていてもよい。近位端部セクション１４２は、雄型ロッキングテーパとして成形されていてもよく、その場合、間隙制御キャビティの対応する長手方向セクションは、対応する雌型ロッキングテーパとして成形されていてもよい。挿入部材１４のロッキング手段を、組立て中に最後に間隙制御キャビティに挿入される挿入部材の部分である近位端部に配置する場合、間隙制御キャビティへの挿入部材１４の取付けは大幅に容易になる。
【００６２】
再び図４を参照すると、この典型的な実施の形態では、プレート状セクション１４１は、一定の厚さを有し、対称的に、かつ間隙制御キャビティ長手方向範囲に対して平行に配置されている。その結果、間隙制御キャビティの長手方向範囲に沿って第１及び第２の空間１３５及び１３６の一定の幅と、前記空間の同じ幅とが得られる。しかしながら、プレート状セクションは、非対称に配置されてもよく、間隙制御キャビティ長手方向範囲に対して傾斜して延びていてもよく、及び／又は可変の厚さを特徴としてもよく、その場合、第１及び第２の空間１３５及び１３６は互いに異なってもよい及び／又は間隙制御キャビティ１３の長手方向範囲に沿って可変空間幅を特徴としてもよい。
【００６３】
挿入部材を有する間隙制御キャビティの別の実施の形態が、図６に示されている。間隙制御キャビティ１３はこの場合、ケーシングエレメント１１０１における盲孔として形成されている。挿入部材１４は、例えばチューブに似たダクト壁セクション１５１によって画定されたダクト１５２を有する。間隙制御流体供給ポート１３３は、挿入部材１４の一方の長手方向端部に形成されており、ダクト１５２と流体接続されている。間隙制御流体供給流１３１は、供給ポートに供給され、ダクト１５２へ案内され、挿入部材又はダクトの第２の長手方向端部においてダクトからそれぞれ排出される。間隙制御供給流体は、次いで、間隙制御キャビティ内壁との熱交換関係において、ダクト壁外面と間隙制御キャビティ内壁１３８との間に設けられた環状の空間を通流し、その後、間隙制御流体排出流１３２として間隙制御流体排出ポート１３４を通って排出される。図７に関して説明するように、ダクトの外壁は、環状空間を通る間隙制御流体流において乱流を増強及び／又は発生させる乱流発生手段を有し、乱流はひいては、間隙制御キャビティ壁と、前記空間内の間隙制御流体流との間の熱伝達を高める。さらに、挿入部材には、円筒形の支持セクション１４２が設けられている。円筒形の支持セクション１４２は、上述の形式で間隙制御キャビティ内に挿入部材１４を支持及びロックするように機能する。
【００６４】
ダクトを有する挿入部材の１つの実施の形態が、図７により詳細に示されている。挿入体は、支持セクション１４２と、ダクト壁１５１とを有する。らせん形の流れ案内エレメント１５３が、ダクト壁外面の長手方向範囲に沿って延びている。流れ案内エレメントは、ダクト壁外面と間隙制御キャビティ内壁との間に形成された空間のほぼ横断面全体にわたって延びるように設計されていてもよい。その結果、空間における間隙制御流体のらせん形の流れが生ぜしめられる。図６に関して開示されるような別の実施の形態では、流れ案内エレメントは、空間の一部のみにわたって半径方向に延びており、間隙制御キャビティ内壁と間隙制御流体との間の熱伝達を高めるために空間内の流れの乱流を発生及び／又は増強するように機能する。また、ダクト壁外面にその他の乱流発生エレメントが配置されてもよい。
【００６５】
図８に示された実施の形態では、ダクト壁１５１を含みかつ基本的にダクト壁１５１から成る挿入部材１４が、間隙制御キャビティ内に配置されている。複数の半径方向に突出したストラットは、支持セクション１４２及び１４３を形成している。挿入部材１４のダクトセクションは、ダクト壁の外面と間隙制御キャビティ内壁との間に空間１５５、この実施の形態ではほぼ環状の空間を形成している。ダクトに供給される間隙制御キャビティ流体流１３１のためのアクセスを提供するためにダクトの第１の前端部は開放しているのに対し、ダクトの第２の前端部１５４は閉鎖されている。ダクト壁１５１は、複数のインピンジメント穴１４４によって穿孔されている。間隙制御流体供給流１３１は、間隙制御流体供給ポート１３３を通ってダクト１５１に提供され、間隙制御キャビティ内壁に向かって方向付けられたジェットとしてインピンジメント穴１４４を通ってダクトから排出される。次いで、間隙制御流体は、間隙制御流体排出ポート１３４に向かって流れ、間隙制御流体排出流１３２として間隙制御キャビティから排出される。この実施の形態では、インピンジメント穴１４４は、ダクト壁１５１においてほぼ均一に分配されて示されているが、インピンジメント穴は、ダクト壁の周方向及び長手方向範囲に沿って異なって分配されていてもよい。しかしながら、インピンジメント穴のこのような分配は、所要の熱伝達の詳細な考慮の対象となる。
【００６６】
図９は、さらに別の典型的な実施の形態を示している。挿入体１４は、ダクト壁外面と間隙制御キャビティ内壁との間にほぼ空間を有することなく間隙制御キャビティ内に配置されたダクト壁１５１によって画定されたダクトを有する。例えば、挿入体１４は、間隙制御キャビティ内へ焼ばめされてもよい。ダクトは、例えば環状隆起部又は突出部又はくぼみの形式で設けられた、ダクト壁の内面に設けられた複数の乱流発生器１５８を有する。これらの乱流発生器は、ダクトを通流する間隙制御流体の流れにおいて乱流を増強するために機能する。間隙制御キャビティ内へ焼ばめされた挿入部材により、ダクト壁外面と間隙制御キャビティ内壁との間に良好な熱伝導が生じる。この手段により、乱流発生器が間隙制御キャビティ１３内に設けられてもよく、間隙制御キャビティを通流する間隙制御流体と、ケーシングとの間の熱伝達は、間隙制御キャビティ内壁をさらに機械加工する必要なく高められてもよい。
【００６７】
膨張タービンに関連して、選択された典型的な実施の形態を用いて発明が説明されているが、これらの典型的な実施の形態、及び膨張タービンの文脈は、この文献の開示又は請求項の範囲のために制限しない。
【符号の説明】
【００６８】
１  膨張タービン
１１  ステータ、ケーシング
１２  ロータ
１３  間隙制御キャビティ
１４  挿入部材
３１  間隙制御流体流
３３  間隙制御流体流
１１１  内側ハウジング又はケーシング
１１２，１１３，１１４，１１５  ベーン
１１７  外側ハウジング又はケーシング
１２１  シャフト
１２２，１２３，１２４，１２５  ブレード
１３１  間隙制御流体供給流
１３２  間隙制御流体排出流
１３３  間隙制御流体供給ポート
１３４  間隙制御流体排出ポート
１３５，１３６  空間
１３８  間隙制御キャビティ内壁
１４１  挿入部材のプレート状セクション
１４２，１４３  挿入部材の支持セクション
１４４  インピンジメント穴
１４５  プレート状セクションの第１の面
１４６  プレート状セクションの第２の面
１４７  プレート状セクションの側面
１５１  ダクト壁、ダクト状セクション
１５２  ダクト
１５３  流れ案内エレメント
１５４  ダクト前端部
１５５  空間
１５８  乱流発生器
１１０１  内側ハウジング又はケーシング上側半部、エンジンケーシングエレメント
１１０２  内側ハウジング又はケーシング下側半部
１１０３  外側ハウジング又はケーシング上側半部
１１０４  外側ハウジング又はケーシング下側半部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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