JP2013177875A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】タービン動翼に対向して配置されるシュラウドを備えるガスタービンエンジンにおいて、シュラウドに設けられるフィルム冷却孔が閉塞することを防止する。
【解決手段】シュラウドは、タービン動翼に対向する面に設けられる溝部２０と、溝部２０の底部に開口される複数のフィルム冷却孔２１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関するものである。

ターボファンエンジン等のガスタービンエンジンでは、タービン動翼に対向してシュラウドが設けられている。このシュラウドは、タービン動翼のチップ側に配置されており、燃焼器からタービンに向けて流れる燃焼ガスの流路の一部を構成している。

タービン動翼やシュラウドは、燃焼器から排出される高温の燃焼ガスに晒されることから、一般的に冷却機構が備えられている。例えば、特許文献１には、翼面に冷却空気を流すフィルム冷却孔を備えるタービン翼が提案されている。

特開２００２−２２７６０４号公報

ところで、シュラウドを冷却する場合も、特許文献１のようにシュラウドに対してフィルム冷却孔を設け、当該フィルム冷却孔からシュラウドの表面に冷却空気を供給する構造を採用することが考えられる。

しかしながら、熱変形によって、タービン動翼やシュラウドが膨張し、タービン動翼のチップがシュラウドの表面に僅かに擦れる（以下、ラビングする）ことがある。このようにタービン動翼のチップがシュラウドの表面に擦れると、摩擦熱等によってタービン動翼先端あるいはシュラウドの表層が溶融し、長期的にフィルム冷却孔を塞いでしまう場合がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、タービン動翼に対向して配置されるシュラウドを備えるガスタービンエンジンにおいて、シュラウドに設けられるフィルム冷却孔が閉塞することを防止することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、タービン動翼のチップに対向して配置されるシュラウドを備えるガスタービンエンジンであって、上記シュラウドは、上記タービン動翼に対向する面に設けられる溝部と、溝部の底部に開口される複数のフィルム冷却孔とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記溝部が、上記タービン動翼の漏れ流れに対して垂直な方向に伸びて、漏れ流れの方向に複数配列されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記フィルム冷却孔は、上記溝部の底部側の開口部が冷却空気供給側の開口部に対して漏れ流れの下流側となるように傾斜されて配置されているという構成を採用する。

本発明によれば、シュラウドの表層に溝部が設けられ溝部の底部にフィルム冷却孔が開口されている。このため、ラビングする場合であっても、タービン動翼のチップがフィルム冷却孔の開口部分に接触することを防止することができる。この結果、ラビング時に動翼先端部材またはシュラウド材の溶融が起こった場合でも、この溶融物がフィルム冷却孔を閉塞することを防止することができる。

本発明の一実施形態におけるターボファンエンジンの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるターボファンエンジンが備えるシュラウドの一部を示す概略図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の一実施形態におけるターボファンエンジンが備えるタービン動翼と溝部との関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるターボファンエンジンが備えるシュラウドの変形例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るガスタービンエンジンの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の実施形態においては、ガスタービンエンジンの一例であるターボファンエンジンを取り上げて説明を行う。ただし、本発明は、ターボファンエンジンに限定されるものではなく、ガスタービンエンジンであれば適用することが可能である。

図１は、本実施形態のターボファンエンジン１の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態のターボファンエンジン１は、ファンカウル２と、コアカウル３と、ファン４と、低圧圧縮機５と、高圧圧縮機６と、燃焼器７と、高圧タービン８と、低圧タービン９と、シャフト１０と、主ノズル１１とを備えている。

ファンカウル２は、ターボファンエンジン１のなかで最も上流側に配置された円筒形部材であり、空気の流れ方向の上流端及び下流端が開口端とされ、上流端が空気取込口として機能するものである。また、ファンカウル２は、図１に示すように、その内部にコアカウル３の上流側及びファン４を収容している。

コアカウル３は、ファンカウル２よりも小径の円筒形部材であり、ファンカウル２と同様に、空気の流れ方向の上流端及び下流端が開口端とされている。このコアカウル３は、ターボファンエンジン１の主要部である低圧圧縮機５と、高圧圧縮機６と、燃焼器７と、高圧タービン８と、低圧タービン９と、シャフト１０と、主ノズル１１等を内部に収容している。

そして、本実施形態においては、軸方向（図１の左右方向）においてコアカウル３が存在しない領域ではファンカウル２の内部空間が、軸方向においてコアカウル３が存在する領域ではファンカウル２とコアカウル３で挟まれた空間が空気流の流れるダクト１２として機能する。

なお、コアカウル３の内部は、ファンカウル２に取込まれた空気の一部及び燃焼器７で生成される燃焼ガスが通る流路（以下、コア流路と称する）とされている。また、図１に示すように、ファンカウル２とコアカウル３とは、空気の流れ方向から見て同心円状に配置されており、隙間を空けて配置されている。そして、ファンカウル２とコアカウル３との隙間は、ファンカウル２内に取込まれた空気のうち、コア流路に流れこまない残部を外部に排出するバイパス流路とされている。また、ファンカウル２及びコアカウル３は、不図示のパイロンにより航空機の機体に取り付けられている。

ファン４は、ファンカウル２内に流れ込む空気流を形成するものであり、シャフト１０に固定される複数のファン動翼４ａと、バイパス流路に配置される複数のファン静翼４ｂとを備えている。なお、後に詳説するシャフト１０は、空気の流れ方向から見て、半径方向に２つに分割されている。より詳細には、シャフト１０は、芯部である中実の第１シャフト１０ａと、第１シャフト１０ａを囲って外側に配置される中空の第２シャフト１０ｂとによって構成されている。そして、ファン動翼４ａは、シャフト１０の第１シャフト１０ａに固定されている。

低圧圧縮機５は、図１に示すように、高圧圧縮機６よりも上流側に配置されており、ファン４によってコア流路に送り込まれた空気を圧縮するものである。この低圧圧縮機５は、シャフト１０の第１シャフト１０ａに固定される動翼５ａと、コアカウル３の内壁に固定される静翼５ｂとを備えている。なお、環状に配置された複数の静翼５ｂとその軸方向下流側に環状に配置された複数の動翼５ａで１段の翼列をなす。そして、低圧圧縮機５は、軸方向に配置された複数段の翼列により構成される。

高圧圧縮機６は、図１に示すように、低圧圧縮機５よりも下流側に配置されており、低圧圧縮機５から送り込まれた空気をさらに高圧に圧縮するものである。この高圧圧縮機６は、シャフト１０の第２シャフト１０ｂに固定される動翼６ａと、コアカウル３の内壁に固定される静翼６ｂとを備えている。なお、低圧圧縮機５と同様に、環状に配置された複数の静翼６ｂとその軸方向下流側に環状に配置された複数の動翼６ａで１段の翼列をなす。そして、高圧圧縮機６は、軸方向に配置された複数段の翼列により構成される。

燃焼器７は、高圧圧縮機６の下流側に配置されており、高圧圧縮機６から送り込まれる圧縮空気と、不図示のインジェクタから供給される燃料との混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成するものである。

高圧タービン８は、燃焼器７の下流側に配置されており、燃焼器７から排出される燃焼ガスから回転動力を回収し、高圧圧縮機６を駆動するものである。この高圧タービン８は、シャフト１０の第２シャフト１０ｂに固定される複数のタービン動翼８ａと、コア流路に固定される複数のタービン静翼８ｂと、シュラウド８ｃとを備えており、タービン静翼８ｂで整流された燃焼ガスをタービン動翼８ａで受けて第２シャフト１０ｂを回転駆動する。シュラウド８ｃは、タービン動翼８ａのチップに対向して設けられており、燃焼器７から排出された燃焼ガスの流路の一部を形成している。このシュラウド８ｃについては、後に詳しく説明する。

低圧タービン９は、高圧タービン８の下流側に配置されており、高圧タービン８を通過した燃焼ガスからさらに回転動力を回収し、ファン４、低圧圧縮機５を駆動するものである。この低圧タービン９は、シャフト１０の第１シャフト１０ａに固定される複数のタービン動翼９ａと、コア流路に固定される複数のタービン静翼９ｂと、シュラウド９ｃとを備えており、タービン静翼９ｂによって整流された燃焼ガスをタービン動翼９ａで受けて第１シャフト１０ａを回転駆動する。シュラウド９ｃは、燃焼器７から排出された燃焼ガスの流路の一部を形成している。低圧タービンシュラウド９ｃは高圧タービンシュラウド８ｃと同様に、タービン動翼９ａのチップに対向して設けられることもあれば、タービン動翼９ａのチップ部に、タービン動翼９ａと一体となって形成される場合もある。

シャフト１０は、空気の流れ方向に向いて配置される棒状部材であり、タービン（高圧タービン８及び低圧タービン９）にて回収された回転動力をファン４及び圧縮機（低圧圧縮機５及び高圧圧縮機６）に伝達するものである。このシャフト１０は、上述のように、半径方向に２つ分割されて、第１シャフト１０ａと、第２シャフト１０ｂとによって構成されている。そして、第１シャフト１０ａは、上流側に低圧圧縮機５の動翼５ａ及びファン４のファン動翼４ａが取り付けられ、下流側に低圧タービン９のタービン動翼９ａが取り付けられている。また、第２シャフト１０ｂは、上流側に高圧圧縮機６の動翼５ａが取り付けられ、下流側に高圧タービン８のタービン動翼８ａが取り付けられている。

主ノズル１１は、低圧タービン９のさらに下流側に設けられると共に、ターボファンエンジン１の後方に向けて低圧タービン９を通過した燃焼ガスを噴射するものである。そして、この主ノズル１１から燃焼ガスが噴射される際の反作用によってターボファンエンジン１の推力が得られる。

続いて、図２及び図３を参照して、シュラウド８ｃについてより詳細に説明する。なお、シュラウド９ｃが高圧タービンシュラウド８ｃのような形態をとる場合は、上述のように異なる位置に設置されているものの、類似の構成をとる。このため、以下の説明では、図を参照しながらシュラウド８ｃについて説明し、シュラウド９ｃの説明は省略する。

図２は、シュラウド８ｃの一部を示す概略図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。これらの図に示すように、シュラウド８ｃは、タービン動翼８ａに対向する面（燃焼ガス流路面）に設けられる溝部２０と、溝部２０の底部に開口される複数のフィルム冷却孔２１とを備える。

溝部２０は、シュラウド８ｃの燃焼ガス流路面の表層にて燃焼ガス流路面から一定の深さで直線状に設けられており、等間隔で複数設けられている。図３は、タービン動翼８ａと溝部２０との関係を示す模式図である。この図に示すように、複数の溝部２０は、おおよそタービン動翼８ａの腹側８ａ２から背側８ａ１へ向かう方向に配列されている。

フィルム冷却孔２１は、シュラウド８ｃの冷却空気供給側から溝部２０の底部に貫通される貫通孔であり、溝部２０の長手方向に等間隔で複数設けられている。各フィルム冷却孔２１には、不図示の冷却空気供給部から冷却空気が供給される。なお、冷却空気供給部は、例えば、高圧圧縮機６から圧縮空気を抽気し、これを冷却空気としてフィルム冷却孔２１に供給する。

フィルム冷却孔２１に供給された冷却空気は、フィルム冷却孔２１を抜けてシュラウド８ｃの燃焼ガス流路面に沿って流れる。これによってシュラウド８ｃが冷却される。

以上のような本実施形態のターボファンエンジン１では、シュラウド８ｃの表層に溝部２０が設けられ溝部２０の底部にフィルム冷却孔２１が開口されている。このため、熱変形によってタービン動翼８ａ及びシュラウド８ｃが膨張し、タービン動翼８ａのチップがシュラウド８ｃの燃焼ガス流路面とラビングする場合であっても、タービン動翼８ａのチップがフィルム冷却孔２１の開口部分に接触することを防止することができる。この結果、ラビング時に動翼８ａの先端部またはシュラウド８ｃの燃焼ガス流路面で溶融が起こった場合でも、この溶融物がフィルム冷却孔２１を閉塞することを防止することができる。

また、本実施形態のターボファンエンジン１では、溝部２０が、タービン動翼８ａの腹側８ａ２から背側８ａ１に向かう方向に複数配列されている。タービン動翼８ａのチップとシュラウド８ｃとの間では、高圧の腹側８ａ２から背側８ａ１に向けて漏れ流れＲが生じる（図３参照）。これに対して、溝部２０がタービン動翼８ａの腹側８ａ２から背側８ａ１に向かう方向に複数配列されることで、ラビリンスシール効果が生まれ、漏れ流れＲの流量を小さくすることが可能となる。すなわち、本実施形態のターボファンエンジン１では、溝部２０が、タービン動翼８ａの漏れ流れＲに対して垂直な方向に伸びて、漏れ流れＲの方向に複数配列されている。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、溝部２０にフィルム冷却孔２１が一列に配列された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図４（ａ）に示すように、１つの溝部２０に対して、フィルム冷却孔２１を複数列（図４（ａ）においては３列）配列する構成を採用することも可能である。

また、図４（ｂ）に示すように、溝部２０の底部側の開口部が冷却空気供給側の開口部に対して漏れ流れＲの下流側となるように傾斜されて配置されているフィルム冷却孔２２を備える構成を採用することも可能である。このような構成を採用することによって、フィルム冷却孔２２から漏れ流れＲに沿って冷却空気が噴き出されるため、シュラウド８ｃ（９ｃ）の表面に対する冷却空気の密着性を向上させ、冷却効率を向上させることが可能となる。

１……ターボファンエンジン（ガスタービンエンジン）、２……ファンカウル、３……コアカウル、４……ファン、４ａ……ファン動翼、４ｂ……ファン静翼、５……低圧圧縮機、５ａ……動翼、５ｂ……静翼、６……高圧圧縮機、６ａ……動翼、６ｂ……静翼、７……燃焼器、８……高圧タービン、８ａ……タービン動翼、８ａ１……背側、８ａ２……腹側、８ｂ……タービン静翼、８ｃ……シュラウド、９……低圧タービン、９ａ……タービン動翼、９ｂ……タービン静翼、９ｃ……シュラウド、１０……シャフト、１０ａ……第１シャフト、１０ｂ……第２シャフト、１１……主ノズル、１２……ダクト、２０……溝部、２１……フィルム冷却孔、２２……フィルム冷却孔、Ｒ……漏れ流れ

Claims (3)

1. タービン動翼のチップに対向して配置されるシュラウドを備えるガスタービンエンジンであって、
   前記シュラウドは、前記タービン動翼に対向する面に設けられる溝部と、溝部の底部に開口される複数のフィルム冷却孔とを備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記溝部が、前記タービン動翼の漏れ流れに対して垂直な方向に伸びて、漏れ流れの方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. 前記フィルム冷却孔は、前記溝部の底部側の開口部が冷却空気供給側の開口部に対して漏れ流れの下流側となるように傾斜されて配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のガスタービンエンジン。

Images