JP2002349287A

JP2002349287A - タービン冷却回路

Info

Publication number: JP2002349287A
Application number: JP2002077552A
Authority: JP
Inventors: Christopher Charles Glynn; クリストファー・チャールズ・グリン; Thomas Tracy Wallace; トマス・トレイシー・ウォーラス; Ronald Arthur Dickman; ロナルド・アーサー・ディックマン; Monty Lee Shelton; モンティー・リー・シェルトン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2002-12-04
Also published as: EP1260673A2; EP1260673B1; US20020172591A1; DE60236908D1; US6540477B2; ES2346188T3; EP1260673A3

Abstract

(57)【要約】【課題】タービンディスク（３０）のリム（３０ａ）
に隣接するための後端（３６）を有する流路スリーブ
（３４）を含むタービン冷却回路（３２）を提供する。【解決手段】シールロータ（３８、４２）は、後端か
ら離して配置され、入口穴（４０）の列に隣接する。イ
ンデューサ（４６）は、スリーブ入口穴の半径方向外側
に配置された出口（５０）を有する。さらに、シールス
テータ（５２、５４）は、シールロータを取り囲み、イ
ンデューサ出口の半径方向内側に配置された回転シール
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にガスター
ビンエンジンに関し、より具体的にはタービンブレード
の冷却に関する。

【０００２】

【発明の背景】ガスタービンエンジンにおいては、空気
は圧縮機で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温
の燃焼ガスを生成し、燃焼ガスは下流に向かってタービ
ンへと流れ、タービンは燃焼ガスからエネルギーを取り
出す。最初に高圧タービン（ＨＰＴ）が、最高温の燃焼
ガスを受け、燃焼ガスからエネルギーを取り出し、圧縮
機を駆動する。そして、低圧タービン（ＬＰＴ）が、Ｈ
ＰＴに続いて燃焼ガスから付加的なエネルギーを取り出
し、ターボファンエンジンの圧縮機の上流に設置された
ファンを駆動するのに使用される出力を供給し、飛行中
の航空機に動力を与える。

【０００３】ＨＰＴは、支持しているタービンディスク
のリムから半径方向外向きに延びる中空のタービンブレ
ードの列を含み、各々のブレードは、それらの中に適当
な内部冷却回路を有し、作動中に高温の燃焼ガスによっ
て加熱されているブレードを冷却するために、この内部
冷却回路の中に圧縮機からの空気が導かれる。ブレード
は、作動中にその構造の健全性を維持し、適当な耐用寿
命を保証するために、適当な冷却を必要とする。

【０００４】しかしながら、タービンブレードを冷却す
るために使用される空気は、圧縮機から抽出され、燃焼
過程には使用されないので、ガスタービンエンジンの全
体的効率がその分だけ低下することになる。従って、エ
ンジン効率を維持するためには冷却空気の量を減らすこ
とが望ましいが、ブレードを適切に冷却するためには十
分な空気流が与えられなければならない。

【０００５】必要とされる冷却空気量は、負担空気流と
呼ばれ、その第一の設計目標は、最小限にすべきである
ということである。しかしながら、負担空気流は、加圧
空気が圧縮機からタービンに導かれる際の、圧力損失、
空気漏れ、及び相対的な温度上昇に支配される。

【０００６】タービン冷却空気供給システム又は回路の
構成は、圧縮機の吐出端から軸方向に燃焼器に沿う固定
部材すなわちステータ部材を含んでおり、該部材は、回
転するタービンディスクと協働して、冷却空気をタービ
ンディスクへと導く。個々のタービンブレードは、その
ダブテール部を貫通して延びる底部空気吸込み口を有し
ており、ダブテール部は、タービンディスクのリム内の
対応するダブテールスロットの中に保持されている。

【０００７】典型的な冷却空気供給システムは、圧縮機
の空気にタービンディスクの回転方向の前段スワールを
形成させて、それらの間の圧力損失を最小限にすること
ができる固定インデューサを含む。多くの場合、回転イ
ンペラ羽根がタービンディスク付近に設置され、ディス
クのリムで終わる専用の流路を通じて空気流を押し出し
ている。また、この流路からディスク・リムまでの間
の、冷却空気の望ましくない漏れを最小限にするため
に、固定インデューサと回転ディスクとの間にラビリン
スシールが使用される。

【０００８】タービン冷却回路を設計する上での特有の
ジレンマは、インデューサにとっては、空気の相対的な
温度を下げることができる大きな出口直径を有すること
が望ましいが、これに対応する大きな直径のシールは、
大きなシール間隙を必要とし、冷却空気の漏れを増加さ
せ、負担流を増加させるということである。また、典型
的なガスタービンエンジンへの適用において、作動中に
ラビリンスシール歯が回転するので、この大きな直径
は、遠心負荷の存在下で自立支持できる自由フープ直径
よりも大きくなる。

【０００９】従って、大きな直径のシール歯は、作動中
に生じる遠心負荷に耐えるために一体の支持ディスクに
支持される必要があり、冷却システムの複雑さと重量を
増加させる。

【００１０】更に、固定インデューサからの空気は、作
動中にタービンディスクと共に回転する開口に供給する
必要がある。これら回転開口は、小さく、単一のアスペ
クト比と直径の約２倍の大きなピッチ間隔を有し、回転
作動可能な強度を維持しながら半径方向のフープ部材に
加わる応力を最小限にすることができることが好まし
い。しかしながら、小さな供給開口は、それに対応する
圧力損失を生じさせ、回転ディスクへの所望のスワール
伝達を減少させる。

【００１１】従って、適当な耐久性が維持される一方で
負担流が減少されるタービン冷却空気供給回路を提供す
ることが望まれる。

【００１２】

【発明の概要】タービン冷却回路は、タービンディスク
のリムに隣接するための後端を有する流路スリーブを含
む。シールロータは、該後端から離して配置され、入口
穴の列に隣接する。インデューサは、スリーブ入口穴の
半径方向外側に配置された出口を有する。さらに、シー
ルステータは、シールロータを取り囲み、インデューサ
出口の半径方向内側に配置された回転シールを形成す
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明を、好ましくかつ例示的な
実施形態に従い、更なる目的及び利点と共に、添付の図
面と関連してなされる以下の詳細な説明によりより具体
的に説明する。

【００１４】図１に概略的に示されているのは、飛行中
の航空機に動力を与えるような形状にされた例示的なタ
ーボファン式ガスタービンエンジンの一部である。この
エンジンは、縦軸すなわち軸方向中心軸１０に関して軸
対称であり、環状の燃焼器１６のすぐ上流に配置された
ディフューザに向かって加圧空気１４を吐出する多段軸
流圧縮機１２を含む。燃焼器は、半径方向外側のケーシ
ング１８と半径方向内側のケーシング２０との間に配置
される。

【００１５】燃焼器は、そのドーム端に、該燃焼器の中
に燃料２２を噴射する燃料噴射器を含み、燃料２２が圧
縮器の空気１４と混合されて高温の燃焼ガス２４を生成
し、燃焼器の下流端で排出される。

【００１６】高圧タービン（ＨＰＴ）は、燃焼器のすぐ
下流に配置され、環状のタービンノズル２６を含み、該
タービンノズル２６は、支持ロータディスク３０から半
径方向外向きに延びる第１段目のタービンロータブレー
ド２８の列を通るように燃焼ガスを方向付ける。個々の
ブレード２８は中空であり、その中に適当な冷却回路を
含み、その中を通して圧縮機の吐出空気１４の一部が導
かれ、該ブレードが冷却される。

【００１７】図１と図２の両方に示されているように、
各々のブレードは適当なダブテール部を含み、該ダブテ
ール部は、タービンディスクのリム３０ａ内に形成され
た相補的なダブテールスロットの中に保持される。ディ
スクは更に、リムから半径方向内向きに延び、より幅の
広いハブ３０ｃで終わる軸方向に幅の狭いウェブ３０ｂ
を含み、作動中に発生する遠心力の存在下でタービンブ
レードの列を支持するための十分な強度を有する一体の
タービンディスクを形成する。

【００１８】上述したエンジンの基本的な特徴は、空気
が圧縮機１２で加圧され、燃焼器内で燃料と混合され、
燃焼ガス２４を生成し、該燃焼ガス２４がタービンブレ
ード２８を通り過ぎて流れ、ブレードが燃焼ガスからエ
ネルギーを取り出し、圧縮機自体が駆動される、という
従来の形状のどのようなものでもよい。ＨＰＴは、必要
に応じて段を追加することができ、また通常は、圧縮機
１２の上流に配置された従来型のファン（図示せず）を
駆動する低圧タービン（図示せず）が後続する。この例
示的なターボファン形状のエンジンは、航空機を駆動し
て飛行させるのに使用される。

【００１９】本発明によれば、初めに図１に示されてい
るように、圧縮機１２と第１段目のタービンディスク３
０との間にタービン冷却回路又はシステム３２が設けら
れ、圧縮機の吐出空気１４の一部がタービンブレード２
８に導かれ、該タービンブレード２８が冷却される。従
って、冷却回路は、圧縮機１２及びタービンディスク３
０と協同して作動し、作動中に、燃焼器から排出される
燃焼ガスにより加熱されるブレード２８に、冷却空気を
供給する。

【００２０】冷却回路３２は更に、タービンディスクの
前側をそれらのリムから半径方向内向きに覆う環状の流
路スリーブ３４を含む。流路スリーブは、ディスク・リ
ムの前側に隣接し、それに当接してシール接合される後
端３６を含む。スリーブの中間部分には、第１シール部
材すなわちシールロータ３８が、複数のすなわち４個が
一群となったラビリンス第１シール歯という好ましい形
態で、スリーブ後端から前方に間隔をおいて配置され
る。入口穴４０の列は、第１歯３８のすぐ前方でスリー
ブの中に配置される。

【００２１】スリーブ３４はまた、好ましくは、第２シ
ール部材すなわちシールロータ４２を、スリーブの入口
穴４０にすぐ隣接してスリーブの前端に配置された１つ
のラビリンスシール歯４２の好ましい形態で含む。ま
た、スリーブの大部分は、タービンディスクの前側から
離して配置され、入口穴４０とディスク・リム３０ａと
の間を軸方向に延びる環状の流路４４を形成し、圧縮機
の吐出空気１４の一部をブレードに導き、作動中にブレ
ードを冷却する。

【００２２】ブレードは中空であり、ディスク・リム内
のダブテールスロットの中に取り付けられたブレードの
ダブテール部の底部に、入口を備える。ダブテールスロ
ットは、スリーブ流路４４の後端において該スリーブ流
路４４と流体連通するように配置され、個々のブレード
を通して半径方向上向きに向けられる圧縮機冷却空気を
受け、従来の方法のいずれかによりブレードを冷却す
る。

【００２３】冷却回路はまた、圧縮機と流体連通するよ
うに配置された入口４８と、スリーブ入口穴４０と流体
連通するように、該スリーブ入口穴４０の半径方向外側
に配置された出口５０を備え、それを通り抜ける圧縮機
空気を接線方向に加速し排出する環状のインデューサ４
６を含む。

【００２４】インデューサ４６は、スリーブの入口穴４
０に極めて近接するようにエンジン内に適切に取り付け
られた固定すなわちステータ構造であり、該スリーブの
入口穴４０は、タービンディスク３０に取り付けられ、
作動中に該タービンディスク３０と共に回転する。従っ
て、冷却空気は、固定のインデューサ出口５０と、回転
するスリーブ入口穴４０との間を、最小限の空気漏れで
渡される必要がある。

【００２５】従って、パッドの形態の環状の第１シール
ステータ５２が、インデューサの排出端において、イン
デューサの後側に適切に支持され且つシール接合され、
第１シールロータ３８を比較的小さい隙間又は間隙をも
って取り囲み、該第１シールロータ３８と共に第１回転
シールすなわちラビリンスシールを形成する。

【００２６】同様に、パッドの形態の環状の第２シール
ステータ５４は、出口の前側のインデューサ４６に適当
に支持され且つシール接合され、第２シールロータ４２
を適当に小さい隙間又は間隙をもって取り囲み、該第２
シールロータ４２と共に第２回転シールすなわちラビリ
ンスシールを形成する。

【００２７】本発明において特に重要な点は、流路スリ
ーブ３４及びインデューサ４６の協働的な形状であり、
回転シールが比較的小さいすなわちエンジンの中心線か
ら比較的低い半径を有する一方で、インデューサ出口５
０は、比較的大きいすなわち高い半径を有することがで
き、タービンブレード２８を冷却するための圧縮機の負
担空気流を著しく減少させることを含めて、性能が向上
することである。

【００２８】図１に示されているように、インデューサ
出口５０は、エンジンの中心軸１０から測定された半径
Ａの位置に配置され、２つのラビリンスシールの最大半
径Ｂは、出口半径Ａより小さくなっている。このように
して、少なくとも１つの、好ましくは両方のラビリンス
シールが、それより低い半径でインデューサ出口５０の
半径方向内側に配置される。

【００２９】この形状は、負担空気流を減らすのに極め
て重要であり、またその結果、重要な追加の利点をもた
らす。特に、タービンブレード２８に供給される冷却空
気１４の相対的な温度は、インデューサ出口の半径に逆
比例する。インデューサ出口の半径を大きくすることに
より、相対的に低い温度の空気がタービンブレードに供
給されるので、それゆえ、ブレードを適切に冷却するた
めに必要な負担空気がより少なくて済む。

【００３０】同様に、シール歯３８、４２、及びこれら
によって形成されるシールは、インデューサ出口の半径
方向内側の比較的低い半径位置に配置され、重要な利点
をもたらす。シールは、低い半径を有し、これに対応し
て小さい周長となることから、作動中に空気の漏出が起
こる周方向の隙間の度合いが減ることになる。空気漏れ
が減少すると、負担空気流が減少する。

【００３１】シール歯は、作動中に回転し、熱膨張する
ので、これに応じて、シールパッドと共に形成される隙
間は、高い半径位置のシールとは対照的に低い半径位置
のシールについては小さくなる。シール間隙が小さくな
ると、これに対応して空気の漏れが減り、したがって負
担空気流が更に減ることになる。

【００３２】したがって、低い半径位置のシールに基づ
く重要な利点は、好ましくはシールのためのディスクが
無い形状を含み、支持されるシールステータとの熱的マ
ッチングが向上し、シールの隙間がより小さくなること
である。

【００３３】更に、低い半径位置のラビリンスシール
は、高い半径位置のシールよりも低い空気圧を受けるこ
とになり、低い空気圧は空気流の漏れを減らし、更に負
担空気流が減ることになる。

【００３４】高い半径のインデューサ４６の重要な利点
は、流路スリーブに排出される空気の角運動量が、従来
の低い半径のインデューサによるものと比較して、かな
り増加することである。スリーブ流路４４は、スリーブ
入口穴４０とディスク・リム３０ａとの間において滑ら
かで、障害物が無く、それゆえディスク・リムへの流れ
の減速を制限するために以前使用されていた従来のイン
ペラ羽根を必要としない。インデューサを通じて排出さ
れた高い角運動量の空気は、次いで、滑らかな流路４４
を通じて、圧力損失を最小限にするためにディスク・リ
ムの速度に極めて近い速度にまで減速されることができ
る。しかしながら、必要に応じてインペラ羽根を使用す
ることも可能であるが、空気流の角運動量が高いことか
ら該インペラ羽根の長さは実質的に短くなるであろう。

【００３５】図１に示されているように、冷却空気がス
リーブ入口穴及び流路４４を通り抜けてディスク・リム
へ流れるように閉じ込めるために、インデューサの両側
にシール歯３８及び４２の２つの群が使用される。スリ
ーブ３４は、これ以外の場所では穴が開いておらず、そ
の軸方向の両端においてシール接合され、障害物のない
流路４４が設けられ、最小限の圧力損失でブレードに冷
却空気が導かれることになる。この形状では、インデュ
ーサ出口５０は、対応する歯３８及び４２に形成された
第１及び第２ラビリンスシールの好ましくは両方より
も、大きいすなわち高い半径位置に配置される。

【００３６】図１に示されているように、スリーブ３４
の前部は、好ましくは、第１シール歯３８と第２シール
歯４２との間を軸方向に延び、スリーブの入口穴４０
は、スリーブを通り抜けて半径方向に延び、インデュー
サ出口５０と軸方向に整列し、接線方向に加速された圧
縮機空気１４を半径方向内向きに受ける。

【００３７】流路スリーブ３４の前部は、エンジン中心
軸から比較的小さい半径位置に配置されるので、スリー
ブは、第１シール歯３８及び第２シール歯４２において
それらの自由フープ半径よりも小さく形成されることが
できる。自由フープ半径とは、作動中に生じた、応力を
生成する遠心負荷に対抗して環状の構造物が自立支持で
きる限界を表す慣用的な用語である。自由フープ半径よ
りも大きい半径を有する環状の構造物は、幅広のハブ３
０ｃがリム３０ａと一体に形成されるタービンディスク
３０の場合と同様の方法で、作動中のブレード２８の回
転により生じる大きな遠心負荷に耐えるように、対応す
る支持ディスクを必要とする。

【００３８】従って、流路スリーブ３４は、第１シール
歯３８及び第２シール歯４２において、支持ディスクも
ハブも無い単純な円筒形の、比較的単純な形状とするこ
とができる。スリーブ３４は、後端３６にディスク・リ
ムを接合するために必要とされる厚さと、シールロータ
とステータとの間の局部的な摩擦が存在するこの領域に
おいて円筒形を維持するために、シール歯３８及び４２
の２つの群の下部に構造的な剛性を与えるのに必要とさ
れる厚さ以外では、比較的薄くすることができる。ま
た、流路スリーブ３４の、２つのシールロータ３８及び
４２の間の部分は、必要に応じてわずかに円錐形に又は
円筒形にしてもよい。

【００３９】低い半径位置のラビリンスシールの付加的
な利点は、第１シール歯３８と第２シール歯４２との間
において軸方向にほぼ円筒形の前部を有する流路スリー
ブの、遠心負荷及び応力が減少することである。円筒形
又は円錐形のシェルは、大きな３次元的強度を有し、円
筒形のシェルの低い半径の形状は、作動中の遠心力をよ
り小さくする。

【００４０】流路スリーブの円筒形の前部は、中間の第
１シール歯３８からディスク・リムの前側にシール関係
で当接する後端３６まで半径方向外向きに延びる。流路
スリーブの内面は、スリーブ流路４４の外側境界を定
め、比較的滑らかであり、作動中に該スリーブ流路４４
を通り抜けるように向けられる冷却空気を妨害しない。

【００４１】図１及び図２に示されている好ましい実施
形態では、流路インデューサ４６は、燃焼器の半径方向
内側の内ケーシング２０の後端に適当に支持される。内
ケーシング２０は、圧縮機とタービンディスクとの間を
軸方向に延び、内側流路を形成し、それに沿って圧縮機
の吐出空気の一部が導かれる。燃焼器の環状の内ライナ
ーは、様々なフィルム冷却穴と希釈穴を含み、これらを
通じて作動中に圧縮機空気の一部が燃焼器の中に流入す
る。インデューサ入口４８は、内ケーシング２０内に配
置された対応する入口穴の列の形状になっており、圧縮
機の吐出空気の一部を受けることができる。

【００４２】インデューサ４６は、適当な如何なる形状
を有してもよく、図１及び図２に示された例示的な実施
形態では、インデューサの両端にある入口４８と出口５
０との間を延びるインデューサ羽根５６の列を含む。イ
ンデューサ羽根は、互いに周方向に間隔をもって配置さ
れ、タービンディスク及びそれに取り付けられた流路ス
リーブ３４の回転方向に圧縮機空気を接線方向に加速
し、周方向にスワールを生じさせるために、適当に湾曲
又は傾斜している。

【００４３】このようにして、インデューサによって、
固定インデューサ４６からの圧縮機空気に、タービンデ
ィスクの回転方向に前段スワールを形成させることによ
り、空気が固定インデューサから回転する流路スリーブ
へ流入する際の圧力損失が最小限になる。インデューサ
出口５０は、スリーブ入口穴４０と軸方向に整列するよ
うに配置され、圧縮機空気を、半径方向内向きに前段ス
ワール形成させ、半径方向のスリーブ入口穴４０の列の
中に導く。

【００４４】図１及び図２に示された例示的な実施形態
では、インデューサ羽根５６は、半径方向の羽根であ
り、インデューサ入口４８と出口５０との間を主に半径
方向内向きにのみ延び、軸方向の傾斜はあったとしても
わずかしかない。このようにして、ほぼ真っ直ぐな流路
が、インデューサを通しまたスリーブの入口穴４０内に
向けて半径方向内向きに形成され、次いで冷却空気は、
流路スリーブの内面に沿ってディスクのリムへ半径方向
上向きに向けられる。

【００４５】図３により詳細に示されているように、ス
リーブの入口穴４０は、好ましくはスリーブの周りで周
方向に長円形であり、それにより、前段スワール形成さ
れた圧縮機空気がそれを通じて導かれる利用可能な流路
面積が最大になる。

【００４６】入口穴４０の有効流路面積は、スリーブの
入口穴よりも周方向に狭い軸方向の帯状部５８で穴を周
方向に分離することにより、更に大きくすることができ
る。スリーブ入口穴は、ほぼ長方形の長円形であり、ス
リーブの周りに沿った周方向の長さは、軸方向の幅より
も長い。軸方向の帯状部５８は、スリーブの前端におけ
る環状の第２シール歯４２を第１シール歯３８における
スリーブの穴の開いていない残部に接合し支持する。ま
た、個々の入口穴４０は、適当なフィレットにより帯状
部５８に接合される。

【００４７】スリーブ入口穴４０が形成されている円筒
形のシェルは、比較的小さい半径を有するので、作動中
に比較的低い遠心負荷を受ける。これにより、スリーブ
の耐用寿命に悪影響を及ぼす許容できないほどの高い応
力が作動中に発生することなしに、入口穴４０を十分に
大きい面積にすることが可能となる。

【００４８】典型的なガスタービンエンジン回転部材の
従来の供給開口は小さく、通常は、約２に等しい比較的
高いピッチ間隔で互いに離間して配置される。低い半径
位置のスリーブ入口穴４０は、従来のタービン冷却空気
供給システムで可能なものと比較して、実質的にサイズ
を大きくし、ピッチ間隔を狭くすることができる。入口
穴４０は、著しい圧力損失を防ぐのに望ましいだけ大き
くすることが可能であり、一方、幾つかの帯状部５８
は、第２シールロータ４２を流路スリーブの残部に支持
する。

【００４９】図３に示された低い半径位置の入口穴４０
による別の利点は、それらが比較的薄いシェルに形成さ
れ、スワール形成された空気の高い角運動量を維持しな
がら、インデューサからの比較的高いスワール伝達を得
ることができることである。高いスワール伝達とは、前
段スワール形成されインデューサから排出された空気
を、この形成された前段スワールをさほど減らすことな
く移送させる入口穴４０の能力である。各長円形の入口
穴４０は、等面積の円形穴に対応する、該穴の周りのス
リーブの半径方向の厚さよりも実質的に大きい有効径を
有する。入口穴４０のこの薄い形状と、それらの分離帯
状部５８は、インデューサからの比較的高いスワール伝
達を確実にするものであり、供給回路の性能を更に向上
させ、負担空気流を更に減少させる。

【００５０】図１に示されたタービンディスク３０は、
従来方法のいずれかによって圧縮機１２のロータに接合
される。図１に示された好ましい実施形態では、ロータ
シャフト６０が、タービンディスク３０及び圧縮機１２
のロータに固定的に接合され、作動中にディスクからの
動力を伝達し、圧縮機を回転させる。次に、流路スリー
ブ３４は、タービンディスクにブレードを保持するのに
通常使用されるものと同様なスプリット保持リングを使
用して、流路スリーブ３４の前端においてロータシャフ
ト６０の一部分に固定的に保持しても良いし、或いは、
スリーブは、シャフトに適当にボルト締めしてもよい。

【００５１】図１に示された好ましい実施形態では、ロ
ータシャフト６０は、タービンディスクのウェブ３０ｂ
とハブ３０ｃとの間でタービンディスクに一体に接合さ
れ、軸方向前方に円筒形状で延びる。流路スリーブ３４
は、好ましくは、その両側の前端及び後端においてそれ
ぞれロータシャフト及びディスク・リムに接合される環
状の一体部材である。

【００５２】このロータシャフトの形状では、流路スリ
ーブは、好ましくは、円筒形のロータシャフトの周りの
前部において円筒形であり、ディスクの前面を覆うよう
に半径方向外向きに延びる。その結果生じるスリーブ流
路４４は、円筒形の環として始まり、半径方向外向きに
向きを変えて半径方向の環となり、冷却空気を半径方向
外向きにダブテールスロットにスムーズに導き、個々の
タービンブレードの内部へと流す。

【００５３】図１に示されたタービン冷却空気供給回路
３２の向上した性能の大部分は、高い半径位置のインデ
ューサ出口と、それと協働する低い半径位置のラビリン
スシール及びスリーブ入口穴４０による。図１では、イ
ンデューサ羽根５６は、半径方向に向けられている。

【００５４】図４は、インデューサが、インデューサ入
口４８及び出口５０の間で主に軸方向にのみ延びる軸方
向のインデューサ羽根６２を有する、本発明の別の実施
形態を示す。インデューサ入口４８は、図１に示すもの
よりも前方の位置において内ケーシング２０を貫通して
配置される。また、インデューサ出口５０は、軸流羽根
６２の後端から折れ曲がって延びる変遷部を含み、この
変遷部は、スリーブ入口穴４０の上方において冷却空気
１４の流れを半径方向内向きに変える。

【００５５】インデューサはまた、他の適当な形状を有
することもできる。例えば、羽根を使用してインデュー
サ流路を形成する代わりに、これら流路を、環状の部材
の中を貫通する円筒形、円錐形、又はトランペット形の
開口によって形成することができる。これらの開口は、
周方向に適当に傾斜させることにより、タービンディス
クの回転方向に空気をスワール形成させる。

【００５６】更に、流路スリーブによって形成される回
転シールもまた、異なる形状を有することができる。ラ
ビリンスシールの代わりに、適当なブラシシールを使用
してもよい。

【００５７】図５は、第１シールロータ３８Ａが、一対
の円筒形の平坦部によって形成される１つの実施形態を
示し、該平坦部は、一対のブラシ列の形態で第１シール
ステータ５２Ａと協働して通常の２段ブラシシールを形
成する。同様に、第２シールロータ４２Ａは円筒形の平
坦部によって形成され、この平坦部は、別のブラシ列の
形態の第２シールステータ５４Ａと協働して１段のブラ
シシールを形成する。

【００５８】上で説明したラビリンスシールと同様に、
ブラシシールもまた小さい半径を有し、同様の利益をも
たらす。

【００５９】図面に示された種々の実施形態において、
インデューサ出口は、回転シール及び流路スリーブの入
口穴の比較的低い半径位置と比較して、比較的高い半径
位置になっている。また、これらの実施形態は、この形
状による大きな利点をもたらし、作動中にタービンブレ
ードを冷却するための負担空気流を一層減らすものとな
る。

【００６０】一体の流路スリーブ３４は、形状が比較的
単純で、強固で、自立支持することができ、薄く、軽量
である。比較的低温の圧縮機空気は、比較的低い空力的
損失及び比較的高いスワール伝達で流路スリーブを通り
抜けて、タービンブレードに供給される。低い半径位置
の回転シールは、作動中の該回転シールからの空気流の
漏れを実質的に減少させる。また、比較的薄い流路スリ
ーブ及びその上に位置する低い半径位置のシールロータ
は、固定インデューサに支持されたシールステータとの
優れた過渡的な熱的マッチングをもたらす。シールロー
タと、それと協働するシールステータとの熱的マッチン
グが向上することで、過渡的作動中に両者の間の隙間が
減少し、全体的な負担空気流が更に減少することにな
る。

【００６１】ここでは、本発明の好ましくかつ例示的で
あると考えられる実施形態について説明してきたが、本
発明の他の変更は、本明細書中の教示から当業者には明
らかであり、したがって、本発明の技術思想及び技術的
範囲の中に含まれるこれら全ての変更は、添付の特許請
求の範囲において保護されることが望まれる。

【００６２】従って、本特許によって保護されることが
望まれるのは、冒頭の特許請求の範囲に記載され、特定
されている発明である。なお、特許請求の範囲に記載さ
れた符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術
的範囲を実施例に限縮するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧縮機、燃焼器、及び、これらと協働し本発
明の例示的な実施形態により冷却される高圧タービンを
含む例示的なターボファンガスタービンエンジンの一部
の、概略軸方向断面図。

【図２】図１に示す線２−２に沿ったタービン冷却空
気回路の一部の半径方向部分断面図。

【図３】例示的な実施形態に係る、図１及び図２に示
した流路スリーブの一部の斜視図。

【図４】流路スリーブと協働する軸流インデューサを
含む冷却回路の別の実施形態を示す、図１と同様の軸方
向断面図。

【図５】ブラシシールを使用する別の実施形態を示
す、概略軸方向断面図。

【符号の説明】

１０中心軸１２軸流圧縮機１４加圧空気１６燃焼器１８外ケーシング２０内ケーシング２４燃焼ガス２８タービンブレード３０タービンディスク３０ａディスク・リム３２タービン冷却回路３４流路スリーブ３６後端３８第１シールロータ４０流路スリーブ入口穴４２第２シールロータ４４流路４６インデューサ４８インデューサ入口５２第１シールステータ５４第２シールステータ５６インデューサ羽根６０ロータシャフト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者クリストファー・チャールズ・グリンアメリカ合衆国、オハイオ州、ハミルトン、ニュー・ロンドン・ロード、1230番 (72)発明者トマス・トレイシー・ウォーラスアメリカ合衆国、オハイオ州、メインビル、オーバーブルック・アベニュー、877 番 (72)発明者ロナルド・アーサー・ディックマンアメリカ合衆国、オハイオ州、インディアン・スプリングズ、レッド・アッシュ・コート、6922番 (72)発明者モンティー・リー・シェルトンアメリカ合衆国、オハイオ州、ラブランド、ジェントルウインド・コート、6653番Ｆターム(参考） 3G002 AA03 AA10 AB01 HA08 HA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空気１４を加圧するための圧縮機１２
と、該圧縮機と流体連通するように配置され、前記空気と燃
料２２を混合して燃焼ガス２４を生成する燃焼器１６
と、該燃焼器の下流に配置され、前記圧縮機に接合され、リ
ム３０ａから延びる中空のタービンブレード２８の列を
含むタービンディスク３０と、後端３６が前記ディスクの前記リムに隣接し、前記後端
から前方に離れて第１シールロータ３８が設けられ、該
第１シールロータの前方に入口穴４０の列が配置された
流路スリーブ３４と、を備え、該流路スリーブは、前記
ディスクから離れて配置されて、前記入口穴と前記ディ
スクの前記リムとの間に延び前記圧縮機の空気を前記ブ
レードに導く環状の流路４４を形成しており、前記圧縮機と流体連通するように配置された入口４８、
及び、前記スリーブの前記入口穴と流体連通するように
該スリーブの入口穴より半径方向外側に配置された出口
５０を有するインデューサ４６と、該インデューサにシール関係で接合され、前記第１シー
ルロータを取り囲んで該第１シールロータと共に前記イ
ンデューサ出口の半径方向内側に配置された第１回転シ
ールを形成する第１シールステータ５２と、が設けられ
たことを特徴とするタービン冷却回路３２。
【請求項２】前記スリーブ３４が更に、該スリーブの
前端に、前記入口穴４０に隣接する第２シールロータ４
２を備え、第２シールステータ５４が、前記インデューサ４６にシ
ール接合され、前記第２シールロータを取り囲んで該第
２シールロータと共に第２回転シールを形成する、こと
を特徴とする、請求項１に記載の回路。
【請求項３】前記インデューサの前記出口５０が、前
記第１回転シール及び前記第２回転シールの両方より大
きい半径方向位置に配置されることを特徴とする、請求
項２に記載の回路。
【請求項４】前記スリーブ３４が、前記第１シールロ
ータ３８と第２シールロータ４２との間において軸方向
に延び、前記スリーブ入口穴４０が、スリーブを貫通し
て半径方向に延び、前記インデューサ出口５０と整列
し、該インデューサ出口５０から前記圧縮機空気を半径
方向内向きに受けることを特徴とする、請求項３に記載
の回路。
【請求項５】前記スリーブ流路４４が、前記スリーブ
入口穴４０と前記ディスクの前記リム３０ａとの間にお
いて障害物をもたないことを特徴とする、請求項４に記
載の回路。
【請求項６】前記スリーブ３４が、前記第１シールロ
ータ３８及び前記第２シールロータ４２において、支持
ディスクの無い円筒形であることを特徴とする、請求項
４に記載の回路。
【請求項７】前記スリーブ３４が、前記第１シールロ
ータ３８及び前記第２シールロータ４２において、その
自由フープ半径より小さいことを特徴とする、請求項４
に記載の回路。
【請求項８】前記燃焼器の半径方向内側において前記
圧縮機１２とタービンディスク３０との間を軸方向に配
置されて前記圧縮機空気を導く内ケーシング２０を更に
含み、前記インデューサの前記入口４８が、前記内ケーシング
２０から前記圧縮機空気を受けるように該内ケーシング
内に配置された、ことを特徴とする、請求項４に記載の
回路。
【請求項９】前記インデューサ４６が、該インデュー
サの前記入口４８と前記出口５０との間を半径方向に延
び、前記圧縮機空気に前段スワールを形成させて前記ス
リーブ入口穴４０に向けて半径方向に導く半径方向のイ
ンデューサ羽根５６の列を更に含むことを特徴とする、
請求項８に記載の回路。
【請求項１０】前記インデューサ４６が、該インデュ
ーサの前記入口４８と前記出口５０との間を軸方向に延
びる軸方向のインデューサ羽根６２の列を更に含み、前
記インデューサの前記出口５０が、前記インデューサの
前記羽根の位置からの部分で軸方向から半径方向へと変
遷し、前記圧縮機空気１４に前段スワールを形成させ、
前記スリーブの前記入口穴に向けて半径方向に導くこと
を特徴とする、請求項８に記載の回路。
【請求項１１】前記スリーブの前記入口穴４０が、前
記スリーブ３４の周りで周方向に長円形であることを特
徴とする、請求項４に記載の回路。
【請求項１２】前記スリーブの前記入口穴４０は、周
方向の幅が前記スリーブ入口穴よりも狭い対応する軸方
向の帯状部５８によって周方向に分離されることを特徴
とする、請求項１１に記載の回路。
【請求項１３】前記スリーブの前記入口穴４０の各々
が、該穴の周りの前記スリーブの厚さより大きい有効直
径を有し、これに対応して高い前記インデューサ４６か
らのスワール伝達をもたらすことを特徴とする、請求項
１１に記載の回路。
【請求項１４】前記タービンディスク３０及び圧縮機
１２に固定的に接合され、前記ディスクからの動力を伝
達し、前記圧縮機を回転させるロータシャフト６０を更
に含み、前記スリーブ３４が、その前記前端において前記シャフ
トに固定的に保持されることを特徴とする、請求項４に
記載の回路。
【請求項１５】前記タービンディスク３０が、前記リ
ム３０ａから半径方向内向きに延びるウェブ３０ｂと、
前記ウェブから半径方向内向きに延びる幅広のハブ３０
ｃとを更に含み、前記ロータシャフト６０が、前記ウェブと前記ハブとの
間において前記タービンディスクに固定的に接合され、前記スリーブ３４が、環状の一体部材であり、その前後
両端において、それぞれ前記シャフト及びリムに接合さ
れる、ことを特徴とする、請求項１４に記載の回路。
【請求項１６】前記スリーブ３４が、前記第１シール
ロータ３８と第２シールロータ４２との間において軸方
向にほぼ円筒形であり、前記第１シールロータから前記
後端まで半径方向外向きに延びることを特徴とする、請
求項１５に記載の回路。
【請求項１７】圧縮機１２からタービンディスク３０
に設置された中空のタービンブレード２８まで加圧空気
１４を導くための冷却回路３２であって、後端３６が前記ディスクのリムにおいて該ディスクに隣
接し、前記後端から前方に離れて第１シールロータ３８
が設けられ、該第１シールロータの前方に入口穴４０の
列が配置され、反対側の前端において前記入口穴の前方
に第２シールロータ４２が配置された一体の流路スリー
ブ３４と、前記スリーブの前記入口穴４０の半径方向外側に配置さ
れた出口５０を有するインデューサ４６と、前記インデューサの両側にシール接合され、前記第１シ
ールロータ及び第２シールロータをそれぞれ取り囲んで
該第１シールロータ及び第２シールロータと共に、前記
インデューサ出口の半径方向内側に対応する第１ラビリ
ンスシール及び第２ラビリンスシールを形成する、第１
シールステータ５２及び第２シールステータ５４と、を
含むことを特徴とする回路。
【請求項１８】前記スリーブ３４が、前記第１シール
ロータ３８と第２シールロータ４２との間で軸方向に延
び、前記スリーブの前記入口穴４０が、該スリーブを通
って半径方向に延び、前記インデューサ出口５０と整列
し、そこから前記圧縮機空気を半径方向内向きに受ける
ことを特徴とする、請求項１７に記載の回路。
【請求項１９】前記スリーブ３４が、前記第１シール
ロータ３８及び第２シールロータ４２において支持ディ
スクの無い円筒形であることを特徴とする、請求項１８
に記載の回路。
【請求項２０】前記スリーブ３４が、前記第１シール
ロータ３８及び第２シールロータ４２において、その自
由フープ半径より小さいことを特徴とする、請求項１８
に記載の回路。
【請求項２１】前記インデューサ４６が、その前記出
口５０の反対側に配置された入口４８を更に含み、イン
デューサ羽根５６の列が、前記インデューサの前記入口
と前記出口との間を延びて、前記空気に半径方向の前段
スワールを形成させ、前記スリーブ入口穴４０に向けて
導くことを特徴とする、請求項１８に記載の回路。
【請求項２２】前記インデューサ羽根５６が、前記イ
ンデューサの前記入口と前記出口との間で半径方向に延
びることを特徴とする、請求項２１に記載の回路。
【請求項２３】前記インデューサ羽根６２が前記イン
デューサの前記入口４８と前記出口５０との間で軸方向
に延び、前記インデューサの前記出口が軸方向から半径
方向に延びることを特徴とする、請求項２１に記載の回
路。
【請求項２４】前記スリーブの前記入口穴４０が、前
記スリーブ３４の周りで周方向に長円形であることを特
徴とする、請求項１８に記載の回路。
【請求項２５】前記スリーブの前記入口穴４０は、周
方向の幅が前記スリーブ入口穴より狭い対応する軸方向
の帯状部５８によって周方向に分離されることを特徴と
する、請求項２４に記載の回路。
【請求項２６】前記スリーブの前記入口穴４０の各々
が、該穴の周りの前記スリーブの厚さより大きい有効直
径を有し、これに対応して高い前記インデューサ４６か
らのスワール伝達をもたらすことを特徴とする、請求項
２５に記載の回路。
【請求項２７】前記スリーブ３４が、前記第１シール
ロータ３８と第２シールロータ４２との間において軸方
向にほぼ円筒形であり、前記第１シールロータから前記
後端まで半径方向外向きに延びることを特徴とする、請
求項１８に記載の回路。
【請求項２８】空気１４を加圧するための圧縮機１２
と、該圧縮機と流体連通するように配置され、該圧縮機から
加圧空気を受ける入口４８と、該入口と流体連通するよ
うに配置されたインデューサ羽根５６の列と、該羽根に
よってスワール形成された空気を排出するための出口５
０とを有するインデューサ４６と、中空のタービンブレード２８の列が延びるタービンディ
スク３４のリム３０ａに後端３６が隣接し、第１シール
ロータ３８と第２シールロータ４２との間で軸方向に配
置された入口穴４０の列を含む流路スリーブ３４と、前記インデューサ４６の両側にシール接合され、前記第
１シールロータ及び前記第２シールロータを取り囲んで
前記インデューサ出口の半径方向内側に配置された第１
回転シール及び第２回転シールをそれぞれ形成する、第
１シールステータ５２及び第２シールステータ５４と、
を含むことを特徴とするタービン冷却回路３２。
【請求項２９】前記タービンディスク３０及び圧縮機
１２に固定的に接合され、前記ディスクからの動力を伝
達し、前記圧縮機を回転させるロータシャフト６０を更
に含み、前記スリーブ３４が、その前端において前記シャフトに
固定的に保持される、ことを特徴とする、請求項２８に
記載の回路。
【請求項３０】前記スリーブ３４が、前記第１シール
ロータ３８と第２シールロータ４２との間において軸方
向にほぼ円筒形であり、前記第１シールロータから前記
後端まで半径方向外向きに延びることを特徴とする、請
求項２９に記載の回路。
【請求項３１】前記スリーブの前記入口穴４０が、前
記スリーブ３４の周りで周方向に長円形であることを特
徴とする、請求項３０に記載の回路。
【請求項３２】前記スリーブの前記入口穴４０は、周
方向の幅が前記スリーブ入口穴より狭い対応する軸方向
の帯状部５８によって周方向に分離され、前記スリーブ
の前記入口穴４０の各々が、前記穴の周りの前記スリー
ブの厚さより大きい有効直径を有し、これに対応して高
い前記インデューサ４６からのスワール伝達をもたら
す、ことを特徴とする、請求項３１に記載の回路。
【請求項３３】前記第１シールロータ３８及び前記第
２シールロータ４２が、ラビリンスシール歯を含み、前
記第１シールステータ５２及び第２シールステータ５４
が、これと協働するシールパッドを含むことを特徴とす
る、請求項３２に記載の回路。
【請求項３４】前記第１シールロータ３８Ａ及び前記
第２シールロータ４２Ａが、円筒形のシール平坦部を含
み、前記第１シールステータ５２Ａ及び前記第２シール
ステータ５４Ａが、これと協働するブラシ列を含むこと
を特徴とする、請求項３２に記載の回路。