JP2005507049A - 空冷タービンを有するタービンエンジン - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明はタービンエンジンに関し、特に、タービンブレードが分流された空気によって冷却されるタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
航空機のターボジェットやターボファンに使用されているようなタービンエンジンは、一般的にハウジング内に、エンジン内の流体の流れの方向に前方から後方に向かって、ファンセクションと、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含む。これらのセクションは、エンジンの中心軸を中心として回転するように、ひとつもしくはそれ以上の同心軸上に取り付けられた回転部品を有する。
【0003】
ファンセクションは空気をエンジン内に引き込む。空気は、圧縮機セクションで圧縮され、燃焼セクション内で燃料と混合され、その混合気が点火される。燃焼ガスは燃焼セクションから排出され、タービンセクション内のひとつもしくはそれ以上のタービンを駆動する。
【0004】
一般的に第1の段の高圧タービン(HPT)ブレードは、溶解を防ぐように「P3」空気と呼ばれる燃焼前の高圧空気を利用して冷却されている。具体的には、P3空気は接線方向のオンボード型インジェクタ(TOBI)ノズルを通過する。このTOBIノズルはP3空気の相対的な全体温度を一般的に約100°F(55℃)下げる。温度が下がったP3空気は高圧タービンディスク/カバープレートに送られ、高圧タービンブレードを通される。そこで一般的にP3空気は高圧タービンブレードをシャワーヘッド冷却により冷却する。
【0005】
しかしながら、高圧P3空気の利用は熱力学的に効率が悪く、TOBIとその付属部品はエンジンの重量を増やし、複雑にさせている。
【0006】
よって、米国特許第6,227,801号は、低圧でかつ低温のP2x空気を、タービンエンジンの圧縮機セクション、すなわち圧縮機セクションの高圧(P3)排気口の上流側から分流する改良されたタービンエンジンを開示しており、該特許の内容は参照としてここに援用される。しかしながら、効果的にするために、P2x空気は高圧タービンブレードの静圧より高い圧力を有する領域から分流される。一般的にこのためには、P2x空気は圧縮され、この圧縮の結果として加熱された後に分流されることが要求される。
【0007】
したがって、温度と圧力が低い空気を分流して、高圧タービンを冷却するという改良された方法が望まれている。さらに高圧タービンの冷却に関連する部品の重量がより軽いエンジンが望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
よって、本発明の目的は、エンジンの圧縮機セクションの低圧部から低温空気を分流してエンジンの高圧タービンを冷却する改良されたタービンエンジンを提供することである。有利なことには、低圧空気は圧縮機セクションから分流されてその圧力をその後で上げることができる。好ましくは、圧力は中間キャビティ内で上げられ、そこで分流された空気の回転エネルギーが静圧に転換される。これはキャビティ内の空気の接線速度による空気の動圧を静圧に転換するキャビティ内の閉塞部によって達成されてもよい。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一態様によれば、タービンエンジンは、吸入した空気を高圧空気と中間圧空気に圧縮するための圧縮機セクションと、圧縮機セクションと連通関係にあり、圧縮された空気とともに燃料を燃焼する燃焼セクションと、燃焼セクションからの燃焼ガスと連通関係にあり、中間圧空気よりも低圧の先端を有するタービンブレードを備えるタービンセクションとを含む。圧縮機セクションの上流側にある実質的に環状のキャビティは、中間圧空気と連通関係にあるブリードと、中間圧空気の動圧を転換して中間圧空気の静圧を上昇させるキャビティ内の閉塞部とを備える。キャビティと連通関係にある入口とタービンブレードと連通関係にある出口とを有する導管は、昇圧された中間圧空気をタービンブレードに導く。
【0010】
本発明の他の態様によれば、連通関係にある、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含むタービンエンジン内の部品が冷却される。その方法は、(i)燃焼セクションに流入する最も高圧の空気より低温の中間圧空気を圧縮機セクションから分流し、(ii)分流された中間圧空気の圧力を、タービンセクション内で回転するタービンブレードの静圧を超えるまで昇圧させ、(iii)昇圧された中間圧空気を回転するタービンブレードに導いてタービンブレードを冷却することを含む。
【0011】
本発明の他の態様や特徴は、以下に記載される発明の具体的な実施例の説明を添付図面と併せて検討することにより、当業者には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】
図1は本発明の実施例によるガスタービンエンジン10を示す。エンジン10はファンセクション12とコアエンジンとを有し、該コアエンジンは、流れに沿って、圧縮機セクション14と、燃焼セクション16と、タービンセクション18と、排気セクション20とを含み、これらはすべてエンジンハウジング22内に取り付けられている。
【0013】
圧縮機セクション14は多段である。タービンセクション18は、単段の高性能タービンのみを有することが好ましい。しかしながら、タービンセクション18は多段のタービンを有してもよい。タービンセクション18内の少なくともひとつのタービンは、シャフト24を介して圧縮機セクション14の最終段と回転可能に連結している。シャフト24は、その後方側をローラーベアリングアセンブリ25によって、前方側をスラストベアリングアセンブリ28によってハウジング22内に支持されている。
【0014】
図2は、タービンエンジン10の一部、すなわち圧縮機セクション14の後方側および燃焼セクション16の前方側を断面で示す。図示されているように、圧縮機セクションの最終段は、燃焼セクション16と連通関係にある回転インペラー30であることが好ましい。
【0015】
燃焼セクション16は、燃焼器ケース32とディフューザーアセンブリ36の一部を構成するディフューザーケース34とによって両側に形成されている。ディフューザーアセンブリ36はさらにディフューザーパイプ38と支持体40を有する。高圧P3空気はディフューザーパイプ38から排出される。
【0016】
ディフューザーパイプ38は燃焼セクション16内にあり、インペラー30の先端と燃焼セクション16間の連通を提供し、インペラー30から燃焼セクション16のP3領域42へP3ガスを導く。当業者に理解されるように、また米国特許第5,862,666号に詳述されているように、ディフューザーパイプ38は主として、インペラー30から排出される空気の接線速度を減速させる働きをする。
【0017】
さらに、燃焼セクション16には燃焼器ライナー44があり、燃焼器ライナー44は、ケース支持体48によってエンジンハウジング22に取り付けられた燃焼室46を画定している。燃焼室46は燃焼セクション16の高圧部42と連通関係にある。また、燃焼室46は燃料ノズル50とも連通関係にある。
【0018】
タービンセクション18は高圧タービン54を有し、高圧タービン54はローター56とブレード58を有する。ブレード58は好ましくは、燃焼セクションからのガスと連通関係にあるタービンセクション18内の第一ブレードであり、そのためエンジン10内のもっとも高温のガスと連通している。カバープレート60が、高温のガスを吸い込まないように冷却空気を遮断し、回転キャビティ64を画定する。カバープレート60内にある孔62は、燃焼セクション16とローター56との間の導管を提供する。
【0019】
導管76は、インペラー30の出口上流側に位置する中間圧キャビティ80から延在する。典型的なキャビティ80はしばしば「P28x」キャビティと呼ばれる。キャビティ80は図3において正面図で示されている。ブリード82は、圧縮機セクション14の中間圧空気の領域から出て、圧縮機セクション14からキャビティ80へ中間圧空気を抽気する。具体的にいうと、この例のキャビティ80は離間して配された3枚の環状の壁84、85、86で構成されている。よってキャビティ80は、その形状はおおむねドーナツ形であって、図2に図示されているように均一な断面を有し、図3に図示されるように、図2の線III−IIIに沿ったおおむね環状の断面を有する。ブリード82は内壁84に形成された実質的に円周方向の溝で、インペラー30の出口上流側に位置する。分離壁(図3)の形態を持つさらなる閉塞部88が、キャビティ80内で実質的に半径方向に延び、エンジン10の中心軸を中心としたキャビティ80内での抽気の循環を止める。導管76の入口はキャビティ80の内部と連通関係にあり、閉塞部88のすぐ上流側の外壁85から延在する。
【0020】
運転中は、ファンセクション12(図1)が空気をエンジン10に引き込む。空気は、ファンセクション12から圧縮機セクション14へ流れ、そこで多段の圧縮機によって圧縮される。圧縮の最終段は図2に図示されているインペラー30である。高圧(P3)空気はインペラー30の先端から出る。この高圧空気の大部分はディフューザーパイプ38によって燃焼セクション16に送られる。そしてP3空気の多くは燃焼室46に入り、ノズル50からの燃料と混ざって燃焼する。燃焼されたガスは燃焼室46の後方側から出て、高圧タービンブレード58を通過する。
【0021】
従来のタービンエンジンでは、ブレード58はタービンケーシング56の後方のカバーに向けて、TOBI(図示せず)を通って噴出されたP3ガスによって冷却される。詳細は米国特許第6,227,801号に記述されている。タービンブレードの冷却シャワーヘッドは噴出された空気をブレードにわたって分散させて、ブレードが溶けないようにする。
【0022】
しかしながら、本発明の実施例および図2に示されるように、好ましくは金属の管である導管76は、(P2x空気として知られている)抽気をキャビティ80すなわちインペラー30の低圧領域から前縁を経て高圧タービンブレード58を通過させる。つまり、導管76の入口はキャビティ80からの空気をバッフル70と連結している排出口へ送る。バッフル70とカバープレート60は、カバープレート60のすぐ上流の領域を画定する。この領域からの空気は、孔62を通ってローター56の直前のキャビティ64に導かれ、図示されているように、高圧タービンブレード58を通過する。これが可能であるのは、主として、高圧タービンブレード58の前縁がP3領域よりも低圧で、さらに重要なことにはキャビティ80内のP2x空気より低圧であるためである。都合のよいことに、キャビティ80は圧縮機セクション14から抽気され、分流されたP2x空気の静圧を上昇させる。つまり、図3に示されているように、キャビティ80に抽気された空気は通常エンジン10の軸を中心として循環するが、閉塞部88で止められる。その結果、抽気の(接線速度による)回転エネルギーに関連する動圧は、キャビティ80内の静圧の上昇に転換される。好ましくは、導管76への入口は静圧が最も高い閉塞部88の近くにある。
【0023】
都合の良いことに、キャビティ80で生成された静圧の上昇によって、圧縮機セクション14のより低温の部分から空気を抽気することができる。閉塞部88が存在することによってキャビティ内の静圧が約30%上昇すると推測される。閉塞部88がない状態でこのような上昇を得るには、圧縮空気の温度が約100°F(55℃)高い圧縮機セクション14の領域に向かって軸方向前方にブリード82を移動させなければならない。これにより、P2x空気は、高圧タービンブレード58前縁の静圧より実質的に高くない静圧を有する圧縮機セクション14の領域から抽気することが可能となる。実際には、高圧タービンブレード58前縁の静圧より低い静圧を有する空気が圧縮機セクション14から抽気されてもよい。この抽気の圧力はその後、閉塞部88によって高められる。
【0024】
有利なことに、抽気されたP2x空気は、P3空気より熱力学的にコストがかからない。P2x空気は圧力が低く、さらに有利なことに、領域50におけるP3空気より低温である。抽気されたP2x空気が低圧であればあるほど、低温である。したがって、高圧タービンブレード58の冷却におけるP2x空気の利用、そして、その結果として生じるP3空気利用の減少は、エンジン全体の効率を向上させる。さらに、抽気が低圧であればあるほど、この空気に使われるエネルギーが減り、全体的なエンジン運転の効率が上がる。
【0025】
さらに重要なことに、P2x空気がP3空気より低温であるので、従来の高圧タービンブレードの一部であるシャワーヘッドを除去するとともに、主としてP3空気の温度を下げるように機能する従来のTOBIノズルの使用も廃止することができる。低圧のP2x空気を利用してシャワーヘッドを除去することによって、要求されるブレード供給圧が減少する。これは従来のブラッシュシールの除去を可能にする。加えて、導管76によって導かれたP2xは、従来のバッフルを除去することによって、後方のベアリングキャビティ26に送ることもできる。圧縮機セクション14から低圧空気を分流することの上述および他の利点は米国特許第6,227,801号に詳述されている。
【0026】
さらに、分流されたP2x空気は、P3空気の代わりにシャフト24にも送られてもよい。P2x空気はより低温なので、シャフト24はインコネル(登録商標)のような耐熱合金の代わりに鋼から作られてもよく、これはエンジン製造のコストの削減につながる。
【0027】
ここで明らかなように、キャビティ80は、抽気の静圧を上昇させるように作用するさまざまな方法で形成できる。例えば、キャビティ80の断面はほとんどすべての適切な形状が採用できる。さらに、閉塞部88は隔壁として形成される必要はなく、また半径方向に延長する必要もない。圧縮機セクション14から抽気された空気の静圧を上昇させる働きをするものであれば、キャビティ80内のいかなる閉塞部も閉塞部88を形成するために用いることができる。同様に、導管76への入口は閉塞部88に近接していることが望ましいが、キャビティ80の内部と連通する他の適当な場所に備えることも可能である。
【0028】
ここに記述された実施例は本発明を実施するための好ましい態様の単なる例示であって、形状、サイズ、部品の配置および動作の詳細は変更が可能なものであり、本発明はそれらに限定されるものではない。本発明は前述された代表的なエンジンのほかに、既存のエンジンの設計を修正するだけで容易に実施されてもよい。本発明はむしろ、請求の範囲で定められる発明の範囲内におけるこのような変更すべてを含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明に係る実施例のタービンエンジンの側面図である。
【図2】図1の一部の拡大断面図である。
【図3】図2のIII-IIIに沿った断面図である。
Claims (11)
- 吸い込んだ空気を高圧空気と中間圧空気に圧縮する圧縮機セクションと、
前記圧縮機セクションと連通関係にあり、かつ圧縮された空気とともに燃料を燃焼する燃焼セクションと、
前記燃焼セクションからの燃焼ガスと連通関係にあり、かつ前記中間圧空気より低い圧力の先端を有するタービンブレードを備えるタービンセクションと、
前記圧縮機セクションの上流側にあり、かつ前記中間圧空気と連通関係にあるブリードと、前記中間圧空気の動圧を転換して前記中間圧空気の静圧を上昇させるキャビティ内の閉塞部と、を備える実質的に環状のキャビティと、
前記キャビティと連通関係にある入口と前記タービンブレードと連通関係にある出口とを有し、昇圧された前記中間圧空気を前記タービンブレードに導く導管と、
を含むタービンエンジン。 - 前記閉塞部は中心軸に対して実質的に半径方向に延びる壁を含むことを特徴とする請求項1のタービンエンジン。
- 前記ブレードは前縁を備え、前記中間圧空気は前記前縁の近傍の静圧より低いか、もしくはわずかに高い圧力を有することを特徴とする請求項1のタービンエンジン。
- 前記導管は前記圧縮機セクションから前記タービンセクションまでの管を含むことを特徴とする請求項1のタービンエンジン。
- 前記タービンブレードはシャワーヘッド冷却アセンブリーを備えていないことを特徴とする請求項1記載のタービンエンジン。
- 前記導管は前記タービンブレードへの冷却空気の主要供給源を提供することを特徴とする請求項1記載のタービンエンジン。
- タービンエンジン内の部品を冷却する方法であって、前記タービンエンジンは、連通関係にある、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含み、前記方法は、
前記燃焼セクションに流入する高圧空気より低温の中間圧空気を前記圧縮機セクションから分流し、
前記分流された中間圧空気の圧力を、前記タービンセクション内で回転するタービンブレードの静圧を超えるまで昇圧させ、
昇圧された前記中間圧空気を前記回転するタービンブレードに誘導して該タービンブレードを冷却することを含むことを特徴とする方法。 - 前記昇圧は、前記中間圧空気をキャビティに抽気し、前記中間圧空気の回転エネルギーを転換させて、該中間圧空気の静圧を上昇させることを含むことを特徴とする請求項7の方法。
- 前記タービンブレードの前縁は、昇圧後の前記中間圧空気の圧力よりも低い静圧を有することを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記誘導は、中間圧空気を高圧タービンブレード上に誘導することを含むことを特徴とする請求項7記載の方法。
- 吸入した空気を高圧空気と中間圧空気に圧縮する圧縮手段と、
前記圧縮手段からの圧縮空気と混合された燃料を燃焼する燃焼手段と、
前記燃焼手段からの燃焼ガスと連通関係にあり、かつタービンブレードを有するタービンセクションと、
前記圧縮手段から中間圧空気を抽気する抽気手段と、
前記中間圧空気の圧力を前記タービンブレードの静圧以上に昇圧させる昇圧手段と、
昇圧された前記中間圧空気を前記昇圧手段から前記タービンブレードに誘導して該タービンブレードを冷却する誘導手段と
を含むタービンエンジン。
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