JP2012520411A - 流体通路および通路閉塞部材を有するロータ要素、ならびにロータ要素を含むタービンエンジン - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータ回転軸の周りに環状表面部分を備え、流体通路（３１）が前記表面部分を通して形成されるロータ要素（３）であって、通路閉塞手段（３１）を備え、前記手段は、ロータ回転速度に応じて変形可能でありかつロータ回転速度に応じて流体流量を調整するように配置される閉塞要素（４）と、前記閉塞手段を形成するように前記閉塞要素（４）に係合する自由端縁（６２）を備え、環状カラー（６）の自由端縁（６２）が閉塞要素（４）の閉塞部分（４３）と共に流体通路（３１）を閉塞するダイアフラムを画定する、環状カラー（６）とを含むことを特徴とする、ロータ要素（３）に関する。

Description

本発明は、タービンエンジンの分野に関し、その主題は、ロータ要素の回転速度に応じてロータ要素を通る流体の流れを制御することである。より詳細には、その主題は、ガスタービンエンジンのタービンロータを冷却することである。

前部ファンおよび２つのスプールを有するターボジェットは、たとえば、ＬＰスプールと呼ばれる低圧スプールおよびＨＰスプールと呼ばれる高圧スプールを備えている。

慣例により、本出願において、「上流に」および「下流に」という用語は、ターボジェットにおける空気の流れの方向に対して定義される。その結果、前部ファンを有する２スプールターボジェットは、従来、上流から下流に向かって、ファン、ＬＰ圧縮機段、ＨＰ圧縮機段、燃焼室、ＨＰタービン段、およびＬＰタービン段を備えている。

燃焼室での燃焼の後に、非常に高い温度のガス流がタービン内で膨張する。非常に高い温度を受けるＨＰタービンの要素は、冷却流体によってスィープされる。

軸方向半断面図に見られる、先行技術によるターボジェットの高圧スプールを表す図１を参照するとわかるように、冷却回路はエンジン内に配置されるが、このエンジンは、燃焼室１の上流に吸い込まれる空気の流れがシールディスク３の下流表面とＨＰタービンロータ５の上流表面との間に配置される冷却空間Ｖの中に挿入される。

タービンの上流のロータとステータとの間にシールを形成することを機能とするシールディスク３は、一般に、ラビリンスディスクと呼ばれている。これは、取付端縁３３と呼ばれる半径方向内側端縁によってＨＰタービンロータ５のタービンディスクに固定される環状部分の形をとる。シールディスク３は、支承端縁３２と呼ばれる半径方向外側端縁がＨＰタービンロータ５のリムの上流表面に押し当たるように、軸方向にプリストレスを与えられる。また、シールディスク３は、環状に配置され、かつシールディスク３とＨＰタービンディスクとの間に冷却空気の流れを挿入できるように配置される複数の通気孔３１を備える。

空気噴射器２は、燃焼室１の周りに流れる空気流を吸い込み、シールディスク３に配置される通気孔３１を介して冷却空間Ｖの中に吸い込んだ気流を噴射し、次いで、冷却空気流は、タービンロータ５のタービンディスクに取り付けられるプラットフォームおよびブレード７を備えるタービンロータ５の冷却回路に分配される。

シールディスク３の通気孔３１は、特に航空機の離陸段階において、エンジンが全速で作動しているとき、および、ガスの温度が最も高いときにＨＰタービンディスクを冷却するに十分な空気流量を可能にするように配置される。

巡航速度において、ガスの温度はそれほど高くはなく、より少ない冷却空気しか必要とされない。空気噴射器２によって供給される冷却空気の流量は調整されないので、ＨＰタービンディスクは、巡航速度において過度に冷却される。

冷却空気の無駄な消費を制限し、特定の燃料消費量を低減するために、燃焼室１の底部を冷却空間Ｖに接続する冷却回路が提案されている。この冷却回路は、開口がエンジン速度に応じて制御される空気流量調整弁を備える。このような弁により、冷却空間Ｖにおける冷却空気流の流量を調整することが可能になる。

米国特許第３，５７５，５２８号明細書

このような装置は、多くの欠点を有する。まずに、所要空間に関して、調整弁を取り付けるために十分な空間をエンジンに配置することが困難である。調整弁は、エンジンの外側に取り付けられるべきである。次いで、たとえば、空気をエンジンの中に再び挿入できるようにする中空状のステータエアフォイルと、冷却空間Ｖの方向の燃焼室の下に案内手段とを設けることによって、エンジンの構造を改変することが必要であろう。最後に、信頼性に関して、弁の故障により、ＨＰタービンの不十分な冷却、および、エンジンの破壊が生じる恐れがある。

米国特許第３，５７５，５２８号明細書は、バイメタル環を備えるロータタービンを冷却するためのシステムを説明しており、このバイメタル環は、空気通路を閉塞するように配置される弁を形成する。

したがって、本発明の目的は、タービンエンジンの回転速度に応じて、冷却空気の流量、および、より一般的にはタービンエンジン内の流体の流量を制御するための手段を作り出すことである。

本発明は、ロータの回転軸の周りの環状表面部分と、前記表面部分を通して配置される流体通路とを備えるタービン−エンジンロータ要素に関する。

ロータ要素は、前記通路を閉鎖するための手段を備えることを特徴とし、前記閉鎖手段は、ロータの回転速度に応じて変形されることができ、かつロータの回転速度に応じて流体流量を調整するように配置される閉鎖要素を備えている。

ロータに流体制御手段を配置すると、機械の中で使用可能な空間が最もよく利用され、弁用の空いた場所を見つける必要がなくなる。

このようなシステムは、故障する恐れのある外部制御システムを一切必要としないので信頼度が高い。さらに、このシステムは、かなりの構造変更を必要とせずに、既存のタービンエンジンに適応され得ることが有利である。

一実施形態によれば、閉鎖要素は環状形状であり、取付け部、テーパ形状の変形可能な本体、および閉鎖部分を備えている。

したがって、閉鎖要素に直接作用し、非常にコンパクトなアセンブリを作り出すために、タービンエンジンのさまざまな運転速度における遠心力の間の差異についての使用が行われる。

ロータ要素は、前記閉鎖手段を形成するために前記閉鎖要素と相互に作用する自由端縁を備える環状シュラウドを備え、環状シュラウドの自由端縁は、閉鎖要素の閉鎖部分と共に、流体通路を閉鎖するダイアフラムを形成することが有利である。より詳細には、閉鎖部分は円筒形状であり、シュラウドの前記自由端縁はリップ形状であり、ダイアフラムは円筒状閉鎖部分とリップとの間に配置される開口によって画定される。

本発明の他の特徴によれば、閉鎖要素は形状記憶合金で作られている。形状記憶合金の使用は、通常、他の金属合金よりも広い弾性範囲を有するので、特に有利である。この用途では、弾性範囲の一部分だけで使用されることによって、形状記憶合金より少ない疲労しか受けず、その耐用年数は他の金属の場合よりも先験的に長い。

また、本発明は、請求項に記載のロータ要素を備えるタービンエンジンにも関する。

したがって、本発明は、タービンディスクおよびシールディスクを有するタービンロータを備えるタービンエンジンに適用され、シールディスクは、タービンディスクを冷却するための流体用の少なくとも１つの通路を備えるとともに、タービンディスクを冷却するための流体用の前記閉鎖手段と共に前記ロータ要素を形成する。

とりわけ、冷却空気の流量を調整するために、巡航速度と全速との間で１０％程度の回転速度の差異が利用される。したがって、閉鎖手段は、全速と呼ばれるタービンロータの第１の回転速度において、決定された開口の流体通路を形成する。また、閉鎖手段は、第１の速度よりも小さい巡航速度と呼ばれるタービンロータの第２の回転速度において、最小開口の流体通路も形成する。

最後に、本発明の解決策により、閉鎖手段は、タービンロータの回転速度がゼロの状態で、最大開口の流体通路を形成することができる。

本発明は、添付の図面の助けによってよりよく理解されるであろう。

先行技術によるタービンエンジンの高圧スプールの軸方向半断面の図である。 本発明によるタービンエンジンのタービンロータのタービンディスクとシールディスクとの間に取り付けられる閉鎖要素を示す図であって、ロータ速度がゼロ（エンジンが停止）のときの閉鎖要素の位置をより詳細に示す図である。 本発明によるタービンエンジンのタービンロータのタービンディスクとシールディスクとの間に取り付けられる閉鎖要素を示す図であって、ロータ速度が高い（全速）ときの閉鎖要素の位置をより詳細に示す図である。 本発明によるタービンエンジンのタービンロータのタービンディスクとシールディスクとの間に取り付けられる閉鎖要素を示す図であって、ロータ速度が低減されている（巡航速度の）ときの閉鎖要素の位置をより詳細に示す図である。 タービンロータの回転速度に応じたダイアフラムの開口を表す曲線の図である。

図１は、２スプールターボジェットなどのタービンエンジンの高圧ＨＰスプールを図示している。上述のように、２スプールターボジェットは、ＬＰスプールと呼ばれる低圧スプールとＨＰスプールと呼ばれる高圧スプールとを備える。

ガスタービンエンジンのＨＰタービンロータの冷却に適用される本発明の解決策を表す図２を参照すると、閉鎖要素４は、ＨＰタービンロータのＨＰタービンディスクと、シールディスクによって形成されるロータ要素との間に取り付けられる。閉鎖要素４は、回転時にシールディスクに固定される。

ＨＰタービンロータ５は、環状部分の形をとり、かつ図１に示されるようにエンジンの軸Ｘに横方向に延在するタービンディスクを備えている。ＨＰタービンディスクは、ＬＰスプールの駆動シャフト（図示せず）が延在する軸方向穴を備える。ＨＰタービンディスクの半径方向外側端縁は、ＨＰタービンディスクの周囲に配置されるハウジングに取り付けられるタービンブレード７を備え、タービンブレード７は、図１に示されるように半径方向外側に延在する。

ＨＰタービンディスクは、窪みが内側に向いた、すなわちエンジンの軸Ｘに向いたシュラウドの形をとる上流取付けフランジ５１を備えている。ＨＰタービンディスク５の上流取付けフランジ５１は、環状に一様に分布される複数の長手方向取付け穴を備える。ＨＰタービンディスクの上流取付けフランジ５１により、ＨＰタービンディスクを、ＨＰ圧縮機および閉鎖要素４に接続されるドラム型のＨＰタービンスプールの要素９に接続することができる。

シールディスク３は、上流から下流に向かって実質的にテーパが付けられ、エンジンの軸Ｘに横方向に延在し、かつエンジンのＨＰタービンスプールの要素９に接続される環状ディスクの形をとっている。シールディスク３は、ＨＰタービンディスクの上流に取り付けられ、回転時にＨＰタービンディスクに固定される。

シールディスク３は、当業者によって通常「リップ」と呼ばれる半径方向ストリップ３５を備え、この半径方向ストリップ３５は、エンジンハウジングに取り付けられる「アブレイブル（ａｂｒａｂｌｅ）」要素３６と一致するように、かつＨＰスプール９と共にシールディスク３の回転中にシールディスク３とエンジンハウジングとの間にラビリンスシールを形成するように配置され、それにより、燃焼室から生じた高温空気の流れがエンジンに伝播されないようにする。

シールディスク３は、半径方向に内側にＨＰタービンスプールの要素９の上流とＨＰタービンディスクの下流に接続される半径方向取付け部３３と、半径方向に外側にＨＰタービンディスクの上流表面に当たっている支承部３２とを備えている。シールディスク３は、支承部３２がＨＰタービンディスクに保持力を加えるように軸方向にプリストレスを与えられ、その結果、特に、ブレード７がＨＰタービンディスクの周囲に配置されるハウジング内で移動しないようにする。

シールディスク３は、ロータの回転軸の周りに環状表面部分を備え、その中に、シールディスク３とＨＰタービンディスクとの間に冷却空気の流れの噴射ができるように配置される、複数の一様に分布される長手方向通気孔３１が作られる。シールディスク３の通気孔３１の上流に配置される空気噴射器２により、エンジンの燃焼室の周りに流れる冷却空気を噴射することができる。通気孔３１は、シールディスク３に冷却流体用の通路を形成する。シールディスク３の半径方向取付け部３３は、ＨＰタービンディスク５の取付け穴と一致するように配置される、環状に一様に分布される複数の長手方向取付け穴を備える。

図２を参照すると、本発明によれば、タービンエンジンは、シールディスク３とＨＰタービンディスクとの間に冷却空気の流れの噴射用の通路を閉鎖するための要素４を備えている。

閉鎖要素４は、シールディスク３とＨＰタービンディスクとの間に、エンジンの軸Ｘに横方向に取り付けられる環状ディスク４またはサイドパネルの形をとっている。閉鎖要素４は、シールディスク３およびＨＰタービンディスクに固定的に取り付けられる。休止位置では、エンジンが停止されると、閉鎖要素４は、上流から下流に向かって実質的にテーパが付けられる。閉鎖要素４は、半径方向内向きに半径方向取付け部４１を備え、その中に、環状に一様に分布される長手方向取付け穴が配置され、半径方向外向きにある閉鎖自在部４３は、環状リム４３１を内向きに折り曲げた円筒状表面の形をとり、円錐台形部分４２は、図２に示されるようにその取付け部４１をその閉鎖自在部４３に接続する。

さらに図２を参照すると、閉鎖要素４には、シールディスク３およびＨＰタービンディスクが固定的に取り付けられている。ボルト８２が、エンジンのＨＰスプールのドラム９の取付け穴、シールディスク３の取付け穴、閉鎖要素４の取付け穴、および、ＨＰタービンディスク５の取付け穴を通って上流から下流の方へ次々に通過する。ボルト８２は、その端部でナット８１と相互に作用する。

この場合、閉鎖要素４は、それ自体が知られている形状記憶合金（ＡＭＦ）で形成される。主要な形状記憶合金は、好ましくは等しい割合でニッケルおよびチタンの合金を含んでいる。形状記憶合金（ＡＭＦ）は、幅広い弾性変形範囲を有するという利点を有する。その弾性範囲の一部分だけで使用されることによって、形状記憶合金は、疲労サイクルをあまり受けない。したがって、その耐用年数は、弾性範囲がより小さい他の金属よりも長い。

タービンエンジンが回転しているとき、閉鎖要素４は、遠心力を受け、弾性的に変形するように作られている。この場合、静止時に上流から下流に向かって実質的にテーパが付けられた閉鎖要素４の円錐台形部分４２は、その閉鎖自在部４３が上流方向に移動するように遠心力の作用を受けて変形される。閉鎖要素４の閉鎖部分４３は、エンジン内の冷却空気の流れ用の通路、すなわちシールディスク３に形成される通気孔３１によって画定される通路を部分的に閉鎖する。

換言すれば、エンジンの回転速度（ＨＰタービンロータ５の速度）が徐々に増大するにつれて、遠心力の作用を受けて、閉鎖要素４は、エンジンの軸Ｘを横断する向きの平面に対して直立する。したがって、エンジンの回転速度に応じて、通路は前記閉鎖要素４によって幾分閉鎖され、したがって、冷却空気の流れの流量を調整する。

図２を参照すると、本発明の好ましい実施形態では、シールディスク３は、下流方向に略長手方向に延在する下流面に配置される閉鎖シュラウド６または敷居を備えている。閉鎖シュラウド６は長手方向の円筒形本体６１を備え、その上流端部はシールディスク３の下流面に接続され、その自由下流端部は閉鎖要素４と相互に作用するように配置される半径方向外向きの環状リップ６２によって終端される。

さらに図２を参照すると、環状閉鎖シュラウド６は、シールディスク３の通気孔３１の半径方向距離よりも大きい半径方向距離のところに配置される。したがって、空気噴射器２がシールディスク３とＨＰタービンディスクとの間に通気孔３１を介して冷却空気の流れを噴射すると、空気の流れは、環状閉鎖シュラウド６の自由端部と閉鎖要素４の閉鎖自在部４３との間を流れてからＨＰタービンディスクに到達し、たとえば、ブレード７の根元とＨＰタービンディスクの周囲に配置されるハウジングとの間を流れる。

環状シュラウド６は、冷却流体用の通路を閉鎖するための手段を形成するために、閉鎖自在部４３と相互に作用し、環状シュラウド６の自由端縁６２は、閉鎖要素４の閉鎖部分４３と共に、流体通路３１を閉鎖するダイアフラムを形成する。

閉鎖シュラウド６の自由端部６２と閉鎖要素４の自在部４３との間の距離は、これ以降「ダイアフラム開口」と称する。ダイアフラム開口（ｅ）が大きければ大きいほど冷却空気の流れの流量は大きい。換言すれば、ダイアフラム開口により、冷却空気の流れの流量を調整することができる。

ＨＰタービンロータ５の回転速度に応じて、閉鎖要素４の変形により、ダイアフラムの開口、および、ひいては冷却空気の流れの流量をプログラムに組み込むことができる。

エンジンが停止されるときの、すなわち休止位置での閉鎖要素４の位置を表す図２を参照すると、ダイアフラム開口ｅ０は大きく、したがって、ＨＰタービンディスクの相当な冷却が可能である。

図３は、閉鎖要素４の２つの異なる位置を示している。分かりやすくするために、閉鎖要素の位置は、休止位置では４と参照付が付けられ、エンジンが高速（１４０００ｒｐｍ）で、たとえば離陸段階において全速で回転するときは４’と参照付が付けられる。

全速では、閉鎖要素４’は、エンジンによって発生される遠心力の作用を受けて半径方向に直立し、閉鎖シュラウド６の自由端部に接近して移動する。換言すれば、離陸中に、閉鎖シュラウド６のリップ６２は、閉鎖要素４’の円筒形部分４３’のキャビティに配置され、空気の流れは、リップ６２の外側表面と自由端部４３’の円筒形部分の内側表面との間を流れる。

閉鎖シュラウド６のリップ６２と閉鎖要素４’の自由端部４３’との間のダイアフラム開口ｅ１は、エンジンが休止しているときよりも小さいが、ＨＰタービンディスクの冷却を可能にするには十分である。相当な流量のある冷却空気の流れＦ１が、閉鎖要素４’の上流に流れる。

閉鎖要素４の閉鎖自在部４３および閉鎖シュラウド６のリップ６２は、離陸中のエンジンの全速時の回転速度、たとえば１４０００ｒｐｍに対応するＨＰタービンロータ５の所定の回転速度の場合に、決定されたダイアフラム開口ｅ２を整えるように形成されることが有利である。閉鎖シュラウド／敷居６または閉鎖要素４のさまざまな形状により、このダイアフラム機能を実現できるであろうことは言うまでもない。

図４は、閉鎖要素４の２つの異なる位置を示している。分かりやすくするために、閉鎖要素の位置は、休止位置では４と参照付を付けられ、エンジンが巡航速度（１２８００ｒｐｍ）、すなわち全速時の回転速度（Ｖｔｏ）より小さい回転速度（Ｖｃ）で動作するときは４’’と参照付を付けられる。

巡航速度では、閉鎖要素４’’は、全速時の位置に対して下流方向に移動し、エンジンによって発生される遠心力は、離陸中よりも小さい。閉鎖シュラウド６のリップ６２は、図４に示されるように閉鎖要素４’’の閉鎖部分４３’’のリム４３１’’と一直線上に配置され、次いで、空気の噴射用の通路は部分的に閉鎖され、または絞られる。

巡航速度（Ｖｃ）では、閉鎖要素４’’は閉鎖シュラウド６の自由端部６２に非常に接近している。閉鎖シュラウド６の自由端部６２と閉鎖要素４’’の自由端部４３’’との間のダイアフラム開口ｅ２は、離陸中よりも小さい。したがって、閉鎖要素４’’の上流に流れる冷却空気の流れＦ２の流量は、離陸（Ｖｔｏ）と比べるとより少ない。実際には、閉鎖要素４の自在部４３は、離陸位置と巡航位置との間で４ｍｍの距離だけ移動される。

図５を参照すると、閉鎖要素４の変形により、エンジンの回転速度に応じてダイアフラム開口ｅを変更することができる。有利なことに、これにより、エンジンの要求に応じて冷却空気の流量を調整することができる。

最後に、エンジンの信頼性に関して、万一閉鎖要素４が故障しても、図３に示されるように（離陸位置では）最大に変形した位置のままであり、その結果、冷却空気のかなりの流量が可能となる。

Claims (8)

1. ロータの回転軸の周りに環状表面部分を備え、流体通路（３１）が前記表面部分を通して配置されるロータ要素（３）であって、前記通路（３１）を閉鎖するための手段を備え、前記手段が、
   ロータの回転速度に応じて変形され、かつロータの回転速度に応じて流体流量を調整するように配置されることができる閉鎖要素（４）であり、取付け部（４１）、テーパ形状の変形可能な本体（４２）、および、閉鎖部分（４３）を備える環状形状をした閉鎖要素（４）と、
   前記閉鎖手段を形成するために前記閉鎖要素（４）と相互に作用する自由端縁（６２）を備える環状シュラウド（６）であり、環状シュラウド（６）の自由端縁（６２）は閉鎖要素（４）の閉鎖部分（４３）と共に、流体通路（３１）を閉鎖するダイアフラムを形成する環状シュラウド（６）とを備えることを特徴とする、ロータ要素。
2. 閉鎖部分（４３）が円筒形状であり、シュラウド（６）の前記自由端縁（６２）が、リップ（６２）の形であり、ダイアフラムが、円筒状閉鎖部分（４３）とリップ（６２）との間に配置される開口（ｅ）によって画定される、請求項１に記載のロータ要素。
3. 閉鎖要素（４）が、形状記憶合金で作られている、請求項２に記載のロータ要素。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ要素（３）を備える、タービンエンジン。
5. タービンディスクおよびシールディスク（３）を有するタービンロータ（５）を備え、シールディスク（３）が、タービンディスクを冷却するための流体用の少なくとも１つの通路（３１）を備え、タービンディスクを冷却するための流体用の前記閉鎖手段と共に前記ロータ要素を形成する、請求項４に記載のタービンエンジン。
6. 閉鎖手段が、全速と呼ばれるタービンロータの第１の回転速度（Ｖｔｏ）において、決定された開口（ｅ２）の流体通路を形成する、請求項５に記載のタービンエンジン。
7. 閉鎖手段が、第１の速度（Ｖｔｏ）よりも小さい巡航速度と呼ばれるタービンロータの第２の回転速度（Ｖｃ）において、最小開口（ｅ１）の流体通路を形成する、請求項６に記載のタービンエンジン。
8. 閉鎖手段が、タービンロータの回転速度がゼロの状態において、最大開口の流体通路を形成する、請求項７に記載のタービンエンジン。

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