JP2000257448A - ベイ冷却タービンケーシング - Google Patents
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Abstract
静翼30を支持しており、その間を高温燃焼ガスが流れ
る。バッフル50はケーシングを取り囲んで冷却ダクト
を画成する。ナセル42はタービンケーシングを取り囲
んでおり、ベイ空気を受入れる入口46とベイ空気を排
出する出口48とをもつベイ44を画成する。冷却ダク
トは、タービンケーシングに沿って流れてケーシングを
選択的に冷却するためのベイ空気を受入れる入口54を
有している。
Description
エンジンに関し、具体的にはガスタービンエンジン内部
の冷却に関する。
空気を圧縮機で圧縮し、燃焼器で燃料と混合・点火して
高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは数段のタービ
ンを通して下流に流れ、タービン段で燃焼ガスからエネ
ルギーが抽出される。タービン段には1列のノズル静翼
が含まれていて、燃焼ガスを転向かつ加速して対応する
1列のタービン動翼に送り込み、動翼列で燃焼ガスから
エネルギーが抽出され支持ディスクを回転する。高圧タ
ービン(HPT)が燃焼器から最初に燃焼ガスを受入れ
て圧縮機を駆動する。また、低圧タービン(LPT)が
HPTの下流に配設されていて、追加エネルギーを抽出
して圧縮機上流のファンを駆動するが、ファンが推力を
発生して飛行中の航空機を推進する。
で、作動中の耐用寿命を得るためにそれらの温度を制限
しなければならない。また、タービン構成部の温度制御
は、ステータ部とロータ部の間のクリアランスを減じて
エンジンの熱力学的効率を最大にするためにも必要であ
る。
ら抽出される空気の一部を用いて冷却され、この空気部
分は、そのために特別に形成された専用回路を経て導か
れる。LPTはHPTの下流に配置されているので、通
例抽気冷却を要しない。
アエンジンを取り囲んでいて、通例その前端にファン空
気の少量部分を受入れる入口を有していて、その空気に
よりナセルとコアエンジンの様々なケーシングとの間に
画成されるベイをパージする。パージ空気出口はナセル
後端近くに設けられているので、パージ空気は低速でベ
イを通ってベイ内の燃料蒸気を除去するとともに、それ
により若干の冷却をなす。
外面でパージ空気に付され、それ以外には冷却されな
い。タービンケーシングは様々な列のノズル静翼とター
ビンシュラウドとを支持し、これらの静翼とシュラウド
は協働ロータ構成部とともに適当なクリアランスをなす
ように保たれる。ロータ構成部とステータ構成部は作動
中膨張収縮するので、クリアランスも膨張収縮するが、
ステータ構成部とロータ構成部の間に望ましくない摩擦
を引起こすことなく、なるべく小さく保たれるべきであ
る。
から冷却される。例えば、アクティブ(積極的)なクリ
アランス制御を用いてタービンケーシングを選択的に冷
却し、ひいてはクリアランスを制御して効率を高める。
しかし、このような方式によればエンジンの複雑さと費
用が増加する。
及びパッシブ(受動的)なクリアランス制御をなすこと
が望ましい。
を支持しており、その間を高温燃焼ガスが流れる。バッ
フルはケーシングを取り囲んで冷却ダクトを画成する。
ナセルはタービンケーシングを取り囲んでおり、ベイ空
気を受入れる入口とベイ空気を排出する出口とをもつベ
イを画成する。冷却ダクトは、タービンケーシングに沿
って流れてケーシングを選択的に冷却するためのベイ空
気を受入れる入口を有している。
て、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい例示的
実施形態を本発明のさらなる目的及び効果と併せて具体
的に説明する。
ァンガスタービンエンジン10を例示する。このエンジ
ンは長手軸中心軸線12を中心として軸対称であり、直
列に連通したファン14と多段軸流圧縮機16と燃焼器
18と高圧タービン(HPT)20と低圧タービン(L
PT)22とを含んでいる。作動中、空気24がファン
を通過して圧縮機に入り、そこで数段にわたって圧縮さ
れて燃焼器に導かれ、燃焼器内で燃料と混合・点火され
て高温燃焼ガス26を発生する。燃焼ガスは次いでHP
T20及びLPT22を流れ、HPTとLPTでそれぞ
れ圧縮機とファンを駆動するためのエネルギーが燃焼ガ
スから抽出される。
が、LPT22は、燃焼ガスを導くための複数列のノズ
ル静翼30が固定された環状タービンケーシング28を
含んでいる。LPTは、それぞれのロータディスク34
から半径方向外方に延在する複数列のタービン動翼32
も含んでいる。静翼30は対応する動翼列の上流に配設
され、燃焼ガスを転向させ加速して次いで複数の動翼列
に通す。
ール36を支持しているが、シール36は通例ハニカム
の形態であり、隣接ロータディスクから半径方向外方に
延在する対向シール歯38と協働して、それらの間の半
径方向クリアランスすなわち間隙で段間シールをなす。
40が、各動翼列の上方でタービンケーシング28に固
定されていて、各動翼の動翼先端と共にそれぞれのクリ
アランスすなわち間隙を画成する。作動中、内側シール
クリアランスと翼先端クリアランスをなるべく小さく保
ってそれらを通過する燃焼ガス漏れを低減するのが望ま
しい。漏れを減らさないとエンジン効率が低下するから
である。しかし、燃焼ガスはタービンの種々異なる構成
部を種々異なる温度に加熱して熱膨張収縮差を引き起こ
し、それに応じて翼先端クリアランスと内側シールクリ
アランスの寸法が変化する。そのため、ケーシング内部
のこれらのクリアランスのパッシブクリアランス制御を
なすためタービンケーシング28を冷却するのが望まし
い。
セル42を含んでいて、ナセル42は圧縮機と燃焼器と
高圧タービンを含めたコアエンジンを取り囲んでいる
が、低圧タービンも取り囲んでいて、その周囲に環状プ
レナムすなわちベイ44を画成している。ベイ44はそ
の前端に入口46を含んでいるが、入口46はナセルを
貫通した1以上の開口の形態をなしていて、ファン14
下流のファンダクトを介してファン14と連通してお
り、ファンによって圧縮された空気の一部を同じく符号
24で表したベイ空気すなわちパージ空気として用いる
ためファンダクトから受入れる。ベイ44は軸方向後端
に出口48も含んでいるが、出口48は、ベイ空気をエ
ンジンから排出するため、実質的に連続した周方向スロ
ット又は一連の開口の形態をしている。
向に取り囲んでいて、ケーシング28から半径方向外方
に離隔してケーシング28との間に環状の流れダクトす
なわち冷却ダクト52を画成する。
クト52は、その軸方向前端にベイ44からベイ空気を
受入れるための入口54と、軸方向反対側の端すなわち
後端にベイ空気をベイ出口48から排出するための出口
56とを含んでいる。
シング28と協働してタービンケーシングを選択的に冷
却し、かかる冷却によって、例えば内側シール36にお
けるクリアランスをパッシブに制御する。改良されたパ
ッシブクリアランス制御法では、ノズル静翼30は、ロ
ータディスク34の対応歯38の半径方向上方に内側シ
ール36を懸架すべく、ケーシング28の内面に固定さ
れる。ファン空気の一部がファン14からケーシング2
8周囲のベイ44に分岐される。ベイ44に導かれたベ
イ空気はバッフル50で制限されて冷却ダクト52を通
して加速され、ケーシング28の表面を軸方向後方に流
れてケーシングを選択的に冷却する。
出口56を通過し、さらにベイ出口48を通ってベイ4
4の下流端から排出される。このように、ベイ44の中
に導かれた当初低速のベイ空気は、ベイから燃料蒸気を
パージするだけでなく、次いでタービンケーシング28
の選択的な冷却にも用いられてその寿命を向上するとと
もにクリアランス制御を改善しそれに応じてエンジン効
率を高める。
壁の形態にある環状シール58が、バッフル50をナセ
ル42に固定し、ベイ空気が冷却ダクト52をバイパス
してベイ出口48に向かうのを阻止する。タービンケー
シングを冷却するため、シール58はバッフル50と協
働してベイ空気が主に冷却ダクト52だけを流れように
制限する。
空気を加速しタービンケーシングの半径方向外面の強制
対流冷却を達成すべく、冷却ダクト52がその上流のベ
イ44の比較的大きな流れ面積と比べて最小流れ面積の
スロート部を概略画成するようにナセル42から半径方
向内方に離隔している。
ング28の周囲に全周にわたって延在しており、ケーシ
ングを円周方向に実質的に均一に冷却してケーシング周
囲の温度差を低減もしくは解消するが、さもなくば内側
シール36のクリアランスが変化してしまう。
タービンケーシング28は、複数の軸方向に離隔したタ
ービュレータ60を含んでいるが、これらのタービュレ
ータ60はタービンケーシング28の外周上に半径方向
外方に延在していて、タービンケーシング28と一体に
形成されており、それぞれ所定の位置でケーシングの対
流冷却を選択的に増進する。
例示する。タービュレータ60は、内側シール36での
クリアランスをパッシブ制御すべく、ノズル静翼30の
固定支持部に対して特定の位置に配設される。タービン
ケーシング28は、ノズル静翼30と動翼シュラウド4
0を慣用的手法で支持するためケーシングの局部拡張部
分としてケーシングから半径方向内方に延在した複数の
環状支持フック62を含んでいる。個々の支持フック6
2は、その直下のノズル静翼の半径方向外側バンドの対
応取付けフックを支持するとともに、軸方向に隣接した
静翼列間及び対応支持フック間に装着された外側シュラ
ウド40を支持している。
ービュレータ60は好ましくは、冷却ダクト52を通過
するベイ空気の流れを局所的に加速・妨害することによ
りタービンケーシングの強制対流冷却を増進するととも
にその下にあるフック62から熱を除去する熱放散フィ
ンとして作用させるため、対応支持フック62と整合し
ている。
は、対応支持フック62の半径方向外方でベイ空気の熱
伝達冷却効果を局所的に高め、もって支持静翼列の各々
で局所的にタービンケーシング28の熱膨張収縮を制御
し、もって内側シール36とロータシール歯38の間の
クリアランスを制御するのに有効である。
れている外側シュラウド40の半径方向位置も制御さ
れ、動翼先端クリアランスが制御される。
するだけでなく、ベイ空気が冷却ダクト52内で加速さ
れることでタービンケーシング28の強制対流冷却もな
されるので、さらに有利に用いることができる。タービ
ュレータ60は、下側の支持フック62に対応した軸方
向位置に計画的に配設され、さらに一段と効果的にフッ
ク62から熱を除去してタービンケーシングの熱膨張収
縮を制御し、もって内側シール36及び外側シュラウド
40でのパッシブクリアランス制御を与える。図2に示
すタービュレータ60は、好ましくは、対応支持フック
62の箇所にだけ配置され、最高温度に付され冷却を高
める必要のある支持フックの箇所にだけ、例えば低圧タ
ービンの最初の3段に配置される。
方向幅は、その対流冷却促進効果及び対応フック62か
らの熱抽出フィンとしての作用効果を最大にする寸法と
し得る。フック62はケーシング28の周りに周方向に
延在するので、タービュレータ60も好ましくは同様に
ケーシングの周囲に周方向に全円リングとして延在す
る。
向に複数セグメントに分割してもよく、対応支持フック
62近くに1以上の軸方向群をなして配設し得る。ター
ビュレータは周方向のみに延在し、冷却ダクト52を通
過する空気流の軸方向に垂直に向いていてもよいし、或
いは、タービュレータを複数セグメントに分割し、接線
方向に傾けてもよいし、周方向に互いに平行に傾けても
よく、山形又はV形の形状を有し得る。タービュレータ
60は、下側の支持フック62とともに一体タービンケ
ーシング28として共に鋳造又は鍛造することによって
形成し得る。タービュレータは、支持フック62との相
対的な熱的質量が支持フックからの熱抽出が最大となる
サイズとし得る。
ービンケーシング28の冷却がなされ、従来のエンジン
では得られなかった利点が追加される。タービンケーシ
ングの改良冷却が、内側シール36のパッシブクリアラ
ンス制御及びタービンケーシングに固定された外側シュ
ラウド40のパッシブクリアランス制御とともに達成さ
れる。
考えられるものを説明してきたが、本明細書の教示内容
から本発明のその他の変更は当業者には自明であり、従
って、かかる変更すべてが本発明の技術的思想及び技術
的範囲に属するものとして特許請求の範囲に包含される
ことを望むものである。
グ冷却を有するターボファンガスタービンエンジンの軸
方向部分断面図。
冷却用バッフルを含めて示す拡大部分断面図。
ンケーシングの部分をさらに拡大した部分断面図。
Claims (11)
- 【請求項1】 タービンケーシング28、 上記ケーシングに固定されていて燃焼ガスを導く1列の
ノズル静翼30、 ケーシングを取り囲みその半径方向外方に離隔してい
て、上記ケーシングの周囲にベイ44を画成しているる
ナセル42、 軸方向前端にベイ空気を受入れる入口46と軸方向後端
に上記ベイ空気を排出する出口48とを有している上記
ベイ、 上記ケーシング28を取り囲みその半径方向外方に離隔
していて、上記ケーシングとの間にケーシングを選択的
に冷却するための冷却ダクト52を画成しているバッフ
ル50、及び軸方向前端に上記ベイから上記ベイ空気を
受入れる入口54と軸方向後端に上記ベイ空気を上記ベ
イ出口に排出する出口56とを有している上記冷却ダク
ト、を含んでなる、タービン冷却装置。 - 【請求項2】 ナセル42とバッフル50の間に延在し
ていて、冷却ダクト52内を流れるように前記ベイ空気
を制限するシール58をさらに含んでなる、請求項1記
載の装置。 - 【請求項3】 バッフル50がナセル42から半径方向
内方に離隔していて、前記冷却ダクトを流れる前記ベイ
空気を加速する、請求項2記載の装置。 - 【請求項4】 バッフル50が前記ケーシング28の周
りに周方向に延在していて、前記ケーシングを周方向に
冷却する、請求項3記載の装置。 - 【請求項5】 前記ケーシングの外周上に半径方向外方
に延在していて、前記ケーシングの対流冷却を増進する
複数の軸方向に離隔したタービュレータ60をさらに含
んでなる、請求項4記載の装置。 - 【請求項6】 ケーシング28から半径方向内方に延在
する複数の支持フック62をさらに含んでなり、タービ
ュレータ44が上記フックの対応するものと整合してい
て上記フックから熱を抽出する、請求項5記載の装置。 - 【請求項7】 ケーシング28の内側に複数列に配置さ
れた複数のタービン動翼32、 上記動翼列の対応するものの上流に配置されていて、前
記フック62で支持された複数のタービン静翼30、及
び前記動翼列の対応するものの半径方向上方に離隔して
いて、静翼と静翼の間にフック62で支持された複数の
シュラウド40をさらに含んでなる、請求項6記載の装
置。 - 【請求項8】 タービンケーシング28に固定されてい
て燃焼ガスを導くノズル静翼と、タービンケーシングの
半径方向下方にあるロータとのクリアランスを制御する
方法であって、 エンジンのファン14からの空気の一部を上記ケーシン
グを取り囲むベイ44の上流端に分岐し、 上記ベイからの空気を上記ケーシングの表面を軸方向後
方に流れるように加速して前記ケーシングを選択的に対
流冷却し、かつ上記ベイ空気を上記ベイの下流端から排
出することを含んでなる方法。 - 【請求項9】 前記冷却ダクト52内を流れるように上
記ベイ空気を制限して前記ケーシングを選択的に冷却す
ることをさらに含んでなる、請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 前記ベイ空気を前記ケーシングの周り
に周方向に分布させて前記ケーシングを全周にわたって
均等に冷却することをさらに含んでなる、請求項9記載
の方法。 - 【請求項11】 前記ケーシングが、タービン静翼30
と動翼シュラウド40とを支持する複数の一体フック6
2を含んでいて、前記フックの半径方向外方で前記ベイ
空気の熱伝達冷却を局所的に増大することをさらに含ん
でなる、請求項10記載の方法。
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