JP2010127279A - エンジン構成要素を冷却するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンの回転部材を提供する。
【解決手段】本回転部材は、長手方向軸線周りで回転可能であるほぼ円筒形シャフト（１３６）と、円錐形シャフト部分（１３４）によりシャフトに結合されたハブ（１２８、１３０）とを含み、円錐形シャフト部分は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された空気通路（１４２）を含み、複数の空気通路の少なくとも１つは、非円形断面を含む。前記断面は、楕円形とすることができる。また、前記断面の長軸（４０２）を、単一の軸方向位置において前記円錐形シャフト部分を囲む円周線に対して斜めにすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンの内部構成要素に対する冷却を維持するための方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知のタービンエンジン高圧タービンディスクは、ダブテール継手を使用して複数のブレードをディスクに取付けるようになった半径方向外側リムスロットを含む。様々な運転負荷の間にリム上に作用する力と組合されたスロットの寸法により、ディスクの寿命が短縮される傾向がある。ディスクの寿命を制限する傾向があるリムの領域の強度を高めるために、スロットの寸法は、変更することができる。しかしながら、ディスクの強度を高めるようにダブテールスロット形状を変更することは、スロットにおいて取付けられたブレードに対するブレード冷却回路圧力及び冷却流量マージンを減少させる可能性がある。

さらに、リムを改良することによってディスクの寿命を向上させることにより、ディスクの前方内側シャフト空洞内における粒子侵食が新たな寿命制限領域となる。ディスクの前方内側シャフト空洞内における粒子侵食を解消することは、シャフトとディスクとの間の深いポケットを排除することによって達成される。しかしながら、この変更により、孔が配置されるディスクハブとシャフトの領域との間における変位の減衰（軽減）の減少のために、シャフト空気孔の上部に過度の応力集中が生じる。

米国特許第７，３３１，７６３ Ｂ２号公報 米国特許第６，８６０，７２２ Ｂ２号公報 米国特許第６，７４９，４００ Ｂ２号公報 米国特許第６，５６１，７５８ Ｂ２号公報 米国特許第５，１４３，５１２号公報 米国特許出願公開第２００７／０１４０８６４ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００７／０１４０８５６ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００５／０１９１１６８ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００５／００５３４６０ Ａ１号公報

１つの実施形態では、タービンエンジンの回転部材は、長手方向軸線周りで回転可能であるほぼ円筒形シャフトと、円錐形シャフト部分によりシャフトに結合されたハブとを含み、円錐形シャフト部分は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された空気通路を含み、また複数の空気通路の少なくとも１つは、非円形断面を含む。

別の実施形態では、タービンディスクを形成する方法を提供する。タービンディスクは、シャフト部分に結合されたハブ、半径方向外側リム、及びそれらの間で延びるウェブを含む。本方法は、タービンディスク上にブレードを受ける第１のブレードスロット深さを決定するステップと、第１のブレードスロット深さよりも小さくかつリム内における応力を減少させるのを可能にする第２のブレードスロット深さを決定するステップと、第２のスロット深さを使用してリムを形成するステップと、非円形断面を有する少なくとも１つの空気通路を含むシャフト部分を形成するステップとを含む。

さらに別の実施形態では、タービンエンジンシステムは、長手方向軸線周りで回転可能であるディスクを含む。ディスクは、円錐形シャフト部分に結合されたハブを含み、円錐形シャフト部分は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された空気通路を含み、複数の空気通路の少なくとも１つは、非円形断面を含む。

以下の図は、本明細書に説明する方法及びシステムの例示的な実施形態を示している。

本発明の例示的な実施形態による高圧タービン組立体の高圧タービン第１段ディスク組立体及び第２段ディスク組立体の断面図。 図１に示す高圧タービン第１段ディスク組立体及び第２段ディスク組立体の拡大断面図。 本発明の例示的な実施形態による高圧タービン第１段ディスク組立体の側面図。 本発明の例示的な実施形態による、図１に示す空気通路の概略図。 円形状孔を備えた、図１に示す円錐形シャフト継手の後方向き斜視図。 本発明の例示的な実施形態による、図１に示す円錐形シャフト継手の後方向き斜視図。

以下の詳細な説明は、限定としてではなく実施例として本発明の実施形態を示している。本発明は、工業用、商業用及び住宅用用途におけるタービンエンジン構成要素の実施形態に対する一般的な用途を有することを意図している。

本明細書で使用する場合に、数詞のない表現による要素又はステップは、そうでないことを明確に記載していない限り、複数の要素又はステップを排除するものではないと理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴を同様に組入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図していない。

図１は、本発明の例示的な実施形態による高圧タービン組立体１００の断面図である。この例示的な実施形態では、高圧タービン組立体１００は、高圧タービン第１段ディスク組立体１０２及び第２段ディスク組立体１０４を含む。第１段ディスク組立体１０２及び第２段ディスク組立体１０４は、例えばＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣＦ６−８０型航空機ガスタービンエンジンのようなガスタービンエンジンのエンジン中心線１０６の周りを囲んで配置されている。第１及び第２段ディスク組立体１０２及び１０４は、第１及び第２のディスク１０８及び１１０を含み、これら第１及び第２のディスク１０８及び１１０は、それぞれ第１及び第２のタービンブレード１１６及び１１８をダブテール嵌合として受ける第１及び第２の溝付きリム１１２及び１１４を有する。第１及び第２のブレード１１６及び１１８は、それらのそれぞれの第１及び第２のリム１１２及び１１４内にそれぞれ第１の前方及び後方ブレードリテーナ１２０並びに第２の前方及び後方ブレードリテーナ１２２によって軸方向に保持される。第１及び第２のディスク１０８及び１１０は、それぞれ第１及び第２のリム１１２及び１１４から第１及び第２のハブ１２８及び１３０まで半径方向内向きに延びる第１及び第２のウェブ１２４及び１２６を含む。第１段ディスク組立体１０２は、ディスク１０８の第１のハブ１２８からほぼ円筒形のシャフト１３６に向かって軸方向前方に延びる円錐形シャフト継手１３４の半径方向外側に設置された冷却空気デスワーラ１３２を含む。冷却空気１３８の流れは、高圧圧縮機吐出口（図示せず）から空洞１４０、デスワーラ１３２を通してまた複数の空気通路１４２の少なくとも１つを通して送られ、空気通路１４２は、搭載ディスク組立体１０２及び１０４に冷却空気を送る。冷却空気１３８の流れの少なくとも一部分は、第１及び第２のリム１１２及び１１４内のスロット１４４及び１４６に送られる。冷却空気１３８の流れはさらに、スロット１４４及び１４６からブレード１１６及び１１８に送られる。スロット１４４及び１４６は、ブレード１１６及び１１８への冷却空気用の冷却空気回路の一部分を形成するので、スロット１４４及び１４６の寸法は、冷却回路を通しての損失水頭の少なくとも部分的決定要素となる。例えば、スロット１４４及び／又は１４６の断面積はその寸法が減少した場合には、ブレード１１６及び／又は１１８への冷却空気１３８の流れは、減少することになる。この例示的な実施形態では、スロット１４４及び／又は１４６の断面積は、その寸法を減少させて、第１及び第２のリム１１２及び１１４に対する応力損傷を減少させるのを可能にする。空気通路１４２もまた冷却回路の一部分を形成し、従って冷却通路１４２の断面積もまた、ブレード１１６及び／又は１１８への冷却空気回路における損失水頭に影響を与える。空気通路１４２の断面積を増大させることによって、冷却回路における損失水頭を減少させ、それによってスロット１４４及び１４６の寸法を減少させたことによる損失水頭の増大を補償することができる。しかしながら、空気通路１４２の直径を単に増大させるだけでは、空気通路１４２及びハブ１２８の領域における応力が増大することになることが確認された。

図２は、高圧タービン第１段ディスク組立体１０２及び第２段ディスク組立体１０４（図１に示す）の拡大断面図である。円筒形シャフト１３６への円錐形継手１３４と第１のハブ１２８との間に環状空洞１４８が形成され、環状空洞１４８は、円錐形継手１３４及び第１のハブ１２８の交差部において閉鎖され、また該第１のハブ１２８の内径（ＩＤ）１５２において、冷却空気デスワーラ１３２を通過した冷却空気１３８の流れに開口しかつ露出される。冷却空気１３８の流れ内のダスト及びデブリは、連続エンジン運転による時間の経過と共に、空洞１４８内に捕捉された状態になりかつ堆積する可能性がある。冷却空気１３８の流れは、回転する第１のハブ１２８に対して軸方向及び円周方向の両方向の速度を有する。冷却空気１３８の流れ内に同伴されたデブリは、回転する第１のハブ１２８の回転内表面１５４を円周方向に擦過し、時間の経過と共に第１のハブ１２８及び第１のディスク１０８に対して損傷を生じさせるおそれがある。環状空洞１４８は深いポケットとして形成されて、空気通路１４２の位置においてディスクハブ膨張からの影響を大きく軽減させる。このポケットを取除いて内表面１５４の侵食を排除することは、空気通路１４２の位置（空気通路１４２の位置は、デスワーラ１３２の位置によって固定される）における影響の軽減を低下させる。空気通路１４２は、十分な影響の軽減を維持しかつ使用可能な応力を保証するような形状及び配向にされる。この例示的な実施形態では、空気通路１４２は、デスワーラ１３２の出口と整列した状態で配置されて、ディフューザ／インペラの延長部として作用して、孔の壁が流れに作用し、それによってディスク１０８に対する冷却空気１３８の流れの圧力を上昇させかつ該流れの旋回を減少させるのを可能にする。

図３は、本発明の例示的な実施形態による高圧タービン第１段ディスク組立体１０２の側面図である。図３には、ディスク組立体１０２を第１の実施形態３０２として二点鎖線で表し、それに重ねた状態で第２の実施形態３０４として実線で表して、第２の実施形態３０４の輪郭と第１の実施形態３０２の輪郭との間の差異がより明確に判るようにしている。第１の実施形態３０２は、第１の深さ３０６を有するリムスロット１４４を含む。第２の実施形態３０４は、第２の深さ３０８を有するリムスロット１４４を含む。第１の実施形態３０２では、第１の深さ３０６は、ディスク組立体１０２の寿命を短縮させる傾向にあるスロット１４４内の応力の増大の少なくとも部分的な要因となる。より大きなスロット底面半径を可能にする第２の深さ３０８を使用してディスク組立体１０２を形成することによって、スロット１４４内の応力が大幅に減少する。しかしながら、より浅いスロット１４４の深さはまた、該スロット１４４内における冷却通路の断面積を減少させ、またブレード１１６（図１に示す）への冷却空気１３８の流量を低下させる。より浅いスロット１４４によって得られたディスク組立体１０２の寿命の向上の故に、空洞１４８における侵食が、より浅いスロット１４４以上の寿命制限領域となりかつ解決すべき新しい課題を引き起こす。

侵食問題に対する解決策は、深い空洞１４８のポケットを排除することによって得られる。しかしながら、空洞１４８は、遠心的及び熱的負荷によるハブ１２８の膨張からの空気通路１４２への影響を軽減させる働きをする。影響の軽減の低下を補正しかつ適切なレベルまで応力を減少させるために、空気通路の形状、位置及び配向を変更しかつブレード１１６及び／又は１１８に対する適切な冷却空気圧力を回復させるために、空気通路の面積を増大させる。

図４は、本発明の例示的な実施形態による空気通路１４２（図１に示す）の概略図である。この例示的な実施形態では、空気通路１４２は、それに限定されないが、例えば楕円形状のような非円形状を含む。空気通路１４２の楕円形状は、長軸４０２及び短軸４０４を含む。空気通路１４２は、長軸における幅４０６及び短軸４０４における深さ４０８を有する。空気通路１４２の楕円形状の中心を通る円周線４１０は、軸方向位置で円錐形シャフト継手１３４を囲む。円錐形シャフト継手１３４は、高圧タービン（ＨＰＴ）から高圧圧縮機（ＨＰＣ）に大きなトルクを伝達するので、空気通路１４２の短軸は、円周線４１０に対して角度αだけ傾いている。１つの実施形態では、角度αは、円周方向線４１０に対して５度〜２０度の角度である。別の実施形態では、角度αは、長軸４０２の中心に近接して最大ピーク応力を維持するように約１５度となっている。これにより、実施可能な最大半径上にかつ空気通路１４２の表面上の最も有利な位置内に位置させた状態でピーク応力を維持することによって、あらゆる運転において大幅な応力減少（トルクによる応力を含む）及び高い堅牢性が得られる。新規な形状の空気通路１４２により得られた応力減少は、シャフト前方内側ポケット空洞１４８の排除を可能にした。

空気通路１４２の楕円形状により、該空気通路１４２に近接してピーク孔応力を許容不能に増大させない状態で、大きな直径を有する円形開口部よりも大きい開口面積を得ることができる。より大きな開口面積により、流れ回路圧力の向上が可能になる。深いポケット空洞１４８を排除することと組合せて、ハブ１２８に近接した円錐形シャフト継手１３４内には空間がないことにより、空気通路１４２を円形孔として拡大することは実施可能なものではなかった。さらに、デスワーラ１３２との関連で空気通路１４２のパターンのクロッキング（時計方向回転）位置を選択することにより、空気通路１４２から半径方向内向きの流れ接線方向マッハ数の制御を可能にしかつ圧力回復を可能にする点で、非円形状孔は、デスワーラ１３２のディフューザ延長部として機能するような寸法、形状及び配向にされる。

図５Ａは、円形状孔５０２を含む円錐形シャフト継手１３４（図１に示す）の後方向きに見た斜視図である。図５Ａに示すように、孔５０２は、据付け時におけるデスワーラのベーンの位置を示すデスワーラクリップ５０４に対して約２度クロックされている（時計方向回転している）。図５Ｂは、本発明の例示的な実施形態による円錐形シャフト継手１３４（図１に示す）の後方向き斜視図である。この例示的な実施形態では、空気通路１４２は、円錐形シャフト継手１３４を貫通して延びる楕円形状通路である。空気通路１４２の長軸４０２は、円周線４１０に対して約１５度傾いている。空気通路１４２は、据付け時におけるデスワーラ１３２内のベーンの位置に対して約７度クロックされている。複数の取付けクリップ５０４の位置は、デスワーラ１３２の所定の位置を示している。角度βは、デスワーラ１３２との関連での中心４１２のクロッキング位置の量を表している。１つの実施形態では、角度βは、約３度〜約５度である。別の実施形態では、角度βは、約５度〜約１０度である。この例示的な実施形態では、角度βは、約７度である。角度βを約７度に設定することはまた、接線方向マッハ数を許容可能な値まで減少させた。

タービンディスクを形成する方法及びシステムの上述した実施形態は、タービンエンジンの構成要素に対する冷却を行いかつそのような構成要素における応力を減少させるための費用効果がありかつ信頼性がある手段を提供する。より具体的には、本明細書に記載した方法及びシステムは、全体として高圧タービンディスク組立体の寿命が向上するように、該組立体の構成要素の寿命を向上させることを可能にする。その結果として、本明細書に記載した方法及びシステムにより、費用効果がありかつ信頼性がある方法でタービンエンジンを形成しかつ運転することが可能になる。

以上、タービンディスクを形成しかつ保守するための例示的な方法及びシステムを詳細に記載している。この図示した装置は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各々の構成要素は本明細書に記載したその他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。各システム構成要素はまた、その他のシステム構成要素と組合せて使用することもできる。

本開示は様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本開示が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは分るであろう。

１００ 高圧タービン組立体
１０２ 第１段ディスク組立体
１０４ 第２段ディスク組立体
１０６ エンジン中心線
１０８ 第１のディスク
１１０ 第２のディスク
１１２ 第１のリム
１１４ 第２のリム
１１６ 第１のブレード
１１８ 第２のブレード
１２０ 第１の前方及び後方ブレードリテーナ
１２２ 第２の前方及び後方ブレードリテーナ
１２４ 第１のウェブ
１２６ 第２のウェブ
１２８ 第１のハブ
１３０ 第２のハブ
１３２ デスワーラ
１３４ 円錐形シャフト継手
１３６ 円筒形シャフト
１３８ 冷却空気
１４０ 空洞
１４２ 空気通路
１４４ リムスロット
１４６ スロット
１４８ 空洞
１５２ 内径（ＩＤ）
１５４ 内表面
３０２ 第１の実施形態
３０４ 第２の実施形態
３０６ 第１の深さ
３０８ 第２の深さ
４０２ 長軸
４０４ 短軸
４０６ 幅
４０８ 深さ
４１０ 円周線
４１２ 中心
５０２ 孔
５０４ クリップ

Claims (10)

1. タービンエンジンの回転部材であって、
   長手方向軸線周りで回転可能であるほぼ円筒形シャフト（１３６）と、
   円錐形シャフト部分（１３４）により前記シャフトに結合されたハブ（１２８、１３０）と、を含み、
   前記円錐形シャフト部分が、複数の円周方向に間隔を置いて配置された空気通路（１４２）を含み、
   前記複数の空気通路の少なくとも１つが、非円形断面を含む、
   回転部材。
2. 前記断面が、楕円形である、請求項１記載の回転部材。
3. 前記断面が、長軸（４０２）及び短軸（４０４）を含み、
   前記長軸が、単一の軸方向位置において前記円錐形シャフト部分を囲む円周線に対して斜めになっている、
   請求項１または２に記載の回転部材。
4. 該回転部材が、半径方向ディフューザをさらに含み、
   前記複数の空気通路（１４２）の少なくとも１つが、前記ディフューザのベーンに対してクロックされている、
   請求項１乃至３のいずれか１項記載の回転部材。
5. 該回転部材が、半径方向ディフューザをさらに含み、
   前記複数の空気通路（１４２）の少なくとも１つが、前記ディフューザのベーンに対して約３度〜約１５度クロックされている、
   請求項１乃至３のいずれか１項記載の回転部材。
6. 該回転部材が、半径方向ディフューザをさらに含み、
   前記複数の空気通路（１４２）の少なくとも１つが、前記ディフューザのベーンに対して約５度〜約１０度クロックされている、
   請求項５記載の回転部材。
7. 該回転部材が、半径方向ディフューザをさらに含み、
   前記複数の空気通路（１４２）の少なくとも１つが、前記半径方向ディフューザに対して約７度クロックされている、
   請求項６記載の回転部材。
8. 該回転部材が、半径方向ディフューザをさらに含み、
   前記複数の空気通路（１４２）の少なくとも１つが、前記ディフューザのベーンの半径方向内側開口部と半径方向に整列している、
   請求項１乃至３のいずれか１項記載の回転部材。
9. 該回転部材が、半径方向ディフューザをさらに含み、
   前記複数の空気通路（１４２）の少なくとも１つが、ディスク（１０８、１１０）に送られる空気の圧力を増大させるのを可能にするように前記ディフューザと半径方向に整列している、
   請求項１乃至の３のいずれか１項記載の回転部材。
10. 長手方向軸線周りで回転可能であるディスク（１０８、１１０）を含み、
    前記ディスクが、円錐形シャフト部分に結合されたハブ（１２８、１３０）を含み、
    前記円錐形シャフト部分が、複数の円周方向に間隔を置いて配置された空気通路（１４２）を含み、
    前記複数の空気通路の少なくとも１つが、非円形断面を含む、
    タービンエンジンシステム。

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