JP2007138933A - ガスタービンエンジンの回転子アセンブリを冷却するタービン中央フレームアセンブリ及びガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンの回転子アセンブリを冷却するタービン中央フレームアセンブリ及びガスタービンエンジンを提供する
【解決手段】 本発明は、タービン中央フレームアセンブリを提供する。タービン中央フレームアセンブリは、ファスナカバープレート及びタービン中央フレームを貫通する開口部（４２）のうち少なくとも一方を含むタービン中央フレームを含み、前記ファスナカバープレート及び開口部（４２）のうち少なくとも一方は、タービン中央フレームに隣接して下流側に結合されるタービン（２０）を冷却するのを助けるように構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、タービン回転子の温度を低減する装置に関する。

ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含む。動作中、空気は圧縮機を通って流れ、圧縮された空気は燃焼器へ送り出される。燃焼器において、圧縮空気は、燃料と混合され点火される。その後、加熱された気流は、高圧タービンを通って搬送され、圧縮機を駆動する。更に、動作中、冷却されない高圧タービン羽根は、ガス経路温度のまま、熱を伝導及び／又は対流によってタービン羽根からシャンクを介して高圧タービン円板へ伝達することがある。また、シャンクの漏れによる冷却流れの損失により燃焼ガスが冷却回路に侵入し、タービン円板が燃焼ガス温度にさらされる場合もある。その結果、タービン円板は高温にさらされ、熱疲労を起こす。

タービン円板が高温にさらされ、時には燃焼ガスにさらされることによって発生する損傷の防止を助長するために、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、タービン円板を冷却するための内部冷却回路を含む。特に、冷却空気は、円板の半径方向内側の部分から円板の前面に沿って、ほぼ直線状の経路をたどって円板の半径方向外側まで搬送される。しかし、回転子円板の面に沿って冷却空気を直線的に搬送しても、円板を有効に冷却できない。更に、冷却流路の内部にある種々のファスナ及び／又は羽根保持ピンは、風損によって望ましくない温度上昇を引き起こし、それにより、冷却空気がタービン円板を有効に冷却する能力は、更に低下してしまうであろう。
米国特許第５，８５５，１１２号公報 米国特許第６，５０６，０１５Ｂ２号公報 米国特許第６，５１３，３３５Ｂ２号公報 米国特許第６，５３７，０２８Ｂ１号公報 米国特許第６，９０５，３１０Ｂ２号公報 米国特許出願公開第２００１／００４７６５１Ａ１号 米国特許出願公開第２００４／０００５２２０Ａ１号 米国特許出願公開第２００５／００７９０５０Ａ１号

１つの面においては、タービン中央フレームアセンブリが提供される。タービン中央フレームアセンブリは、ファスナカバープレート及び開口部のうち少なくとも一方を含むタービン中央フレームを含み、開口部は、タービン中央フレームを貫通し、タービン中央フレームに隣接して下流側に結合されたタービンの冷却を促進するように構成される。

別の面においては、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、回転子円板と、回転子円板に結合された複数の羽根と、回転子円板の後面及び複数の羽根に結合され、複数の羽根を回転子円板に固着するように構成された複数の羽根保持装置とを含む。

更に別の面に関し、ガスタービンエンジンを製造する方法が開示される。方法は、タービン中央フレームを提供することと、回転子円板とタービン中央フレームとの間に空洞部が規定されるように、タービン中央フレームから軸方向後方に結合された回転子円板に複数の回転子羽根を結合することと、間隙の中へ冷却空気を搬送するのを助けるためにタービン中央フレームを貫通する少なくとも１つの開口部であって、開口部から排出される冷却空気に、回転子円板に対して著しく速い接線速度（渦）を加えるように構成された開口部を形成することとを含む。

図１は、長手方向軸１１を有するガスタービンエンジンアセンブリ１０の一例を示した概略図である。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２、高圧遠心圧縮機１４及び燃焼器１６を含む。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、高圧タービンアセンブリ１８、低圧タービン２０及びブースタ２２を更に含む。ファンアセンブリ１２は、回転子円板２６から半径方向外側へ延出するファンブレード２４のアレイを含む。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、吸込み側２８及び排気側３０を有する。ファンアセンブリ１２、ブースタ２２及び低圧タービン２０は、第１の回転子軸３２により一体に結合され、圧縮機１４及び高圧タービンアセンブリ１８は、第２の回転子軸３４により一体に結合される。

動作中、空気はファンアセンブリ１２を通って流れ、圧縮された空気はブースタ２２を経て高圧圧縮機１４に供給される。高圧に圧縮された空気は、燃焼器１６へ送り出される。燃焼器１６からの高温の燃焼生成物は、タービン１８及び２０を駆動するために利用され、その結果、タービンは、第１の回転子軸３２を利用してファンアセンブリ１２及びブースタ２２を駆動すると共に、第２の回転子軸３４を利用して高圧圧縮機１４を駆動する。

図２は、高圧タービンアセンブリ１８（図１に示される）の一部を示した拡大横断面図である。図３は、高圧タービン回転子アセンブリ１８（図２に示される）の一部を示した拡大横断面図である。図４は、高圧タービン回転子アセンブリ１８（図２に示される）の一部を示した端面図である。

本実施形態においては、高圧タービンアセンブリ１８は、タービン中央シール支持構造３６の軸方向後方に結合され、中央シール支持構造３６と高圧タービンアセンブリ１８との間に少なくとも部分的に、空洞部３８が規定される。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、中央フレームラビリンスシール４０を更に含む。ラビリンスシール４０は中央シール支持構造３６に結合され、中央シール支持構造３６の半径方向内側の部分と第２の回転子軸３４との間に規定された開口部４２を通って空洞部３８の中へ搬送される空気及び／又は流体の量を減少し且つ／又はそのように空気及び／又は流体が搬送されることを回避するのを助ける。更に、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、高圧タービンアセンブリ１８の軸方向上流側の高圧タービンノズルアセンブリ４４と、ディフューザ部分４６とを含む。本実施形態においては、ディフューザ部分４６の少なくとも一部、高圧タービンノズルアセンブリ４４及び中央シール支持構造３６は、複数の機械式ファスナ４８を使用して一体に結合される。本実施形態においては、ファスナ４８の少なくとも一部、すなわち、ボルト頭部５０は、少なくとも部分的に空洞部３８の中まで延出する。

本実施形態においては、高圧タービンアセンブリ１８は、回転子円板５２と、回転子円板５２に結合された複数の回転子羽根５４とを含む。回転子羽根５４は、回転子円板５２から半径方向外側へ延出し、各々の羽根は、エーロフォイル６０、プラットフォーム６２、シャンク６４及びダブテール６６を含む。プラットフォーム６２は、各エーロフォイル６０がそれぞれ対応するプラットフォーム６２から半径方向外側へ延出するように、エーロフォイル６０とシャンク６４との間に延出する。シャンク６４は、プラットフォーム６２からダブテール６４まで半径方向内側へ延出する。ダブテール６６は、シャンク６４から半径方向内側へ延出し、各回転子羽根５４を回転子円板５２に固着するのを助ける。

プラットフォーム６２は、上流側、すなわち、スカート部７０と、下流側、すなわち、スカート部７２とを含む。プラットフォーム６２は、スカート部７０から外側に延出する前方エンジェルウィング７４とスカート部７２から外側に延出する後方エンジェルウィング７６とを更に含む。本実施形態においては、各回転子羽根５４は、対応する後方エンジェルウィング７６から半径方向内側に第１の管路８２が規定されるように、後方エンジェルウィング７６の下面８０から半径方向内側へ延出する第１の部分７８を更に含む。更に、回転子円板５２は、ほぼＬ字形の部分８４を含む。Ｌ字形部分８４は、回転子円板５２から半径方向外側に第２の管路８８が規定されるように、回転子円板５２の後面８６に結合される。本実施形態においては、第１の管路８２は、第２の管路８８とほぼ同軸に整列され、それにより、それらの管路の間に空洞部９０が規定される。本実施形態においては、Ｌ字形部分８４は、回転子円板５２と一体に形成される。

高圧タービン回転子アセンブリ１８は、複数の回転子羽根５４を回転子円板５２に固着するために利用される複数の羽根保持装置１００を更に含む。各羽根保持装置１００の幅１０２は、羽根保持装置１００の半径方向外側の縁部１０４が少なくとも部分的に管路８２の中に位置決めされ且つ羽根保持装置１００の半径方向内側の縁部１０６が少なくとも部分的に管路８８の中に位置決めされるように選択的に規定される。更に、各羽根保持装置１００の長さ１０８は、少なくとも１つの回転子羽根５４を回転子円板５２に固着するように規定される。本実施形態においては、長さ１０８は、３枚の回転子羽根５４を回転子円板５２に固着するように選択される。更に、本実施形態においては、各羽根保持装置１００が３枚の回転子羽根５４を回転子円板５２に固着する構成が示されるが、１枚、２枚、３枚又は４枚以上の回転子羽根５４を回転子円板５２に結合するように長さ１０８を選択できる。

本実施形態においては、羽根保持装置１００は、それぞれ、可撓性金属材料から製造される。設置の際、半径方向外側の縁部１０４は管路８２の内部に位置決めされ、羽根保持装置１００は、半径方向内側の縁部１０６を管路８８の中に位置決めできるように撓まされ且つ／又は変形される。その後、羽根保持装置１００は、通常の状態、すなわち、撓んでいない状態に戻る。それにより、羽根保持装置１００を管路８２及び８８の内部にそれぞれ維持することができ、その結果、複数の回転子羽根５４は、回転子円板５２に固着される。高圧タービンアセンブリ１８の冷却を助けるために、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ボルトカバー１２０と、タービン中央シール支持構造３６を貫通する少なくとも１つの開口部１２２とを更に含む。

図５は、ボルトカバー１２０を示した斜視図である。図６は、ボルトカバー１２０を示した端面図である。本実施形態においては、ボルトカバー１２０は、第１の側面１３０と、第１の側面１３０とは反対の側の第２の側面１３２と、第１の側面１３０及び第２の側面１３２にそれぞれ結合された半径方向内側の部分１３４とを含む。従って、本実施形態においては、ボルトカバー１２０は、ほぼＵ字形の横断面輪郭形状を有する。第１の側面１３０は、ボルトカバー１２０の周囲に沿って互いに離間して配置された第１の数量の溝穴１４０を含む。各溝穴１４０は、対応するボルト頭部５０を少なくとも部分的に取り囲むようにそれぞれ選択的に規定された幅１４２及び長さ１４４を有する。特に、ディフューザ部分４６、高圧タービンノズルアセンブリ４４及び中央シール支持構造３６を一体に結合するのを助けるために、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ｎ個のボルトを含む。従って、本実施形態においては、ボルトカバー１２０もｎ個の溝穴１４０を含み、各溝穴１４０は、対応するボルト頭部５０を少なくとも部分的に取り囲む。別の実施形態においては、本明細書中で説明されるように、ボルトカバー１２０を中央シール支持構造３６に結合するために利用されるファスナ４８の数量をｍと定義するとき、ボルトカバー１２０は、ｎ−ｍ個の溝穴１４０を含む。

ボルトカバーの第２の側面１３２は、第２の側面を貫通するｍ個の開口部１５０を含む。各開口部１５０は、対応するボルト頭部５０の直径１５４より小さい直径１５２を有する。本実施形態においては、ボルトカバー１２０は、３つの開口部１５０を含む。すなわち、ｍ＝３である。本実施形態においては、ボルト頭部５０を被覆しやすくし、それにより、空洞部３８の内部における冷却流れを改善するために、ボルトカバー１２０は、ガスタービンエンジンアセンブリ１０の内部に結合される。

ボルトカバー１２０を装着するときには、複数の溝穴１４０が、それぞれ対応するボルト頭部５０を少なくとも部分的に取り囲むように、ボルトカバー１２０がガスタービンエンジン１０の内部に位置決めされる。特に、溝穴１４０の大きさは、全てのファスナ４８を取外すことなく、ボルトカバー１２０をガスタービンエンジン１０の内部に装着できるように選択的に規定される。従って、ｍ個のファスナのみが取外され且つ／又は装着されない。その後、ボルトカバー１２０をガスタービンエンジン１０の内部に結合するために、ｍ個のファスナ４８は、それぞれ対応する開口部１５０に挿入される。各開口部１５０は、対応するボルト頭部５０より小さいため、ナット１６０を対応するファスナ４８に結合することにより、ボルトカバー１２０を空洞部３８の内部に固着できる。ボルトカバー１２０は、ほぼＵ字形の横断面輪郭形状を有しているので、ボルト頭部５０は、第１の側面１３０と第２の側面１３２との間に規定された空洞部１６２の中に位置決めされる。更に、第２の側面１３２は、ボルト頭部５０の周囲に空気を搬送するのを助け、それにより、露出したボルト頭部が空洞部３８の中まで延出している場合に発生すると考えられる空洞部３８内部における空気の乱流を減少する。

高圧タービンアセンブリ１８の冷却を助けるために、ガスタービンエンジン１０は、タービン中央シール支持構造３６を貫通する複数の開口部１２２を含む。特に、開口部１２２は、タービン中央シール支持構造３６を貫通し、空洞部３８と流れ連通する。

特に、図７に示されるように、各開口部１２２を通って搬送される冷却空気１９４の中へ高い相対接線速度が誘導されるように、各開口部１２２は、軸方向成分１９０及び接線方向成分１９２を含む。本明細書中で使用される用語である渦は、接線方向冷却空気速度と回転している高圧タービンアセンブリ１８の速度との比として定義される。特に、開口部１２２は、開口部１２２を通って搬送される冷却空気１９４の速度を、動作中の高圧タービンアセンブリ１８の速度より速い速度まで増加することができる。

一実施形態においては、開口部１２２は、中心線軸１１に関して約４５°と約８０°との間の接線角度でタービン中央シール支持構造３６を貫通するように形成される。本実施形態においては、開口部１２２は、中心線軸１１に関して約７０°である接線角度でタービン中央シール支持構造３６を貫通するように形成される。

動作中、高圧タービンアセンブリ１８の冷却を助けるために、冷却空気１９４は、開口部１２２を通って搬送される。特に、冷却空気１９４の中に渦が誘導されるように、冷却空気１９４は、高圧タービンアセンブリ１８に対して接線を成す角度で、開口部１２２を通って搬送される。その後、冷却空気１９４は、ボルトカバー１２０の外面に沿って搬送され、それにより、ボルト頭部５０によって冷却空気に導入可能な抗力に起因する温度上昇（風損）を減少し且つ／又は排除することができる。更に、羽根保持装置１００は、ダブテール６６と回転子円板５２との間に存在可能な間隙をほぼ密封することにより、高圧タービンアセンブリ１８を通る気流の漏れを減少し且つ／又は排除するのを助ける。

以上説明した高圧タービンの回転子冷却システムは、費用効率に優れ、高い信頼性を有する。冷却システムは、タービン中央フレーム支持体と高圧タービン回転子との間にある空洞部の中へ冷却空気を搬送するのを助けるために、少なくとも１つの開口部を含む。開口部は、開口部を通って搬送される冷却空気に渦巻き運動が加えられるように形成される。更に、本明細書中で説明される冷却システムは、空洞部の内部における乱流を減少するのを助けるためのボルトカバーと、回転子羽根を回転子円板に固着するために利用されると共に、タービン羽根とタービン回転子との間で発生可能な気流の漏れを減少し且つ／又は排除できる複数の羽根保持装置とを含む。その結果、空洞部の中へ搬送される冷却空気は、周知の冷却方法と比較して、より効率よく高圧タービン回転子を冷却し、費用効率よく、信頼性のある方法で回転子羽根の耐用年数を延長する。

種々の特定の実施形態に基づいて本発明を説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは、当業者には認識されるであろう。

ガスタービンエンジンの一例を示した概略図である。 図１に示されるガスタービンエンジンの一部を示した拡大横断面図である。 図２に示されるガスタービンエンジンの回転子円板の一部を示した拡大図である。 図３に示されるガスタービンエンジンの回転子円板を示した端面図である。 ボルトカバーの一例を示した斜視図である。 図５に示されるボルトカバーを示した端面図である。 図２に示される冷却開口部を示した横断面図である。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジンアセンブリ、１８…高圧タービン回転子アセンブリ、２０…低圧タービン、３６…中央シール支持構造、３８…空洞部、４２…開口部、４８…ファスナ、５０…ボルト頭部、５２…回転子円板、５４…回転子羽根、８２…第１の管路、８８…第２の管路、１００…羽根保持装置、１２０…ボルトカバー、１３０…第１の側面、１３２…第２の側面、１４０…溝穴、１５０…開口部、１９０…軸方向成分、１９２…接線方向成分、１９４…冷却空気

Claims (10)

1. タービン中央フレームアセンブリであって、
   ファスナカバープレート及び前記タービン中央フレームを貫通する開口部（４２）のうち少なくとも一方を含むタービン中央フレームを備え、
   前記ファスナカバープレート及び開口部（４２）のうち少なくとも一方が、前記タービン中央フレームに隣接して下流側に結合されたタービン（２０）の冷却を助けるように構成されるタービン中央フレームを具備する、タービン中央フレームアセンブリ。
2. 前記開口部（４２）は、前記タービン（２０）と前記タービン中央フレームとの間の間隙の中へ冷却空気を搬送するように構成され、前記開口部は、前記開口部から排出される冷却空気に高い相対接線速度を加えるように構成される請求項１記載のタービン中央フレームアセンブリ。
3. 前記タービン中央フレームアセンブリは、
   前記タービン中央フレームをディフューザに結合するために使用される複数のファスナ（４８）であって、前記ファスナの各々の少なくとも一部は、前記間隙の中へ延出するファスナと；
   前記タービン中央フレームに結合され、前記間隙の内部における冷却空気乱流を減少するのを助けるように構成された少なくとも１つのファスナカバーとを更に具備する請求項１記載のタービン中央フレームアセンブリ。
4. 前記少なくとも１つのファスナカバーは、ほぼＵ字形の横断面輪郭形状を有する請求項３記載のタービン中央フレームアセンブリ。
5. 前記少なくとも１つのファスナカバーは、
   溝穴（１４０）の各々が前記ファスナ（４８）の各々の直径より大きい第１の直径（１５２）を有する、第１の数量の溝穴（１４０）を備える第１の側面（１３０）と；
   開口部（１５０）の各々が前記ファスナの少なくとも一部の直径より小さい第２の直径（１５４）を有する、前記第１の数量の溝穴より少ない第２の数量の開口部（１５０）を備える第２の側面（１３２）と；
   前記第１の側面及び前記第２の側面の間に結合された第３の面とを具備する請求項４記載のタービン中央フレームアセンブリ。
6. 前記タービン中央フレームは、第１の数量のファスナ（４８）と、前記第１の数量のファスナと等しい第２の数量の溝穴（１４０）と、前記第１の数量のファスナより少ない第３の数量の開口部（１５０）とを具備する請求項５記載のタービン中央フレームアセンブリ。
7. ガスタービンエンジン（１０）において、
   タービン中央フレームと；
   前記タービン中央フレームとの間に間隙が規定されるように、前記タービン中央フレームの後方に結合された高圧タービンと；
   前記間隙の中へ冷却空気を搬送するのを助けるために、前記タービン中央フレームを貫通する少なくとも１つの開口部（４２）であって、前記開口部から排出される冷却空気の中へ高い相対接線速度を加えるように構成された開口部と
   を具備するガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記開口部は、前記開口部から排出される冷却空気の中へ高い相対接線速度を加えるように構成された軸方向成分（１９０）及び接線方向成分（１９２）を含む請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記高圧タービンは、
   回転子円板（５２）と；
   前記回転子円板に結合された複数の羽根（５４）と；
   前記回転子円板の後面及び前記複数の羽根に結合され、前記複数の羽根を前記回転子円板に固着するように構成された複数の羽根保持装置（１００）と
   を具備する請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記回転子円板（５２）は、ほぼＬ字形の管路（８２）を具備し、
    前記羽根の各々は、前記回転子円板の管路とほぼ軸方向に整列されたほぼＬ字形の管路を具備し、
    前記羽根のうち少なくとも１つを前記回転子円板に固着するのを助けるために、前記複数の羽根保持装置（１００）は、前記回転子円板の管路及び少なくとも１つの羽根の管路の内部に結合される、請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。

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