JP2014514501A - ターボ機械タービンノズル用の封止装置 - Google Patents

ターボ機械タービンノズル用の封止装置 Download PDF

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Abstract

タービン(10)ロータ(11)を有し、前記タービン(10)ノズル(25)は、少なくとも1つの内側環状プラットフォーム(26)を有し、前記タービン(10)ロータ(11)は、実質的に軸方向において配設された下流スポイラ(40a)を有する、ターボ機械タービン(10)のノズル(25)用の封止装置であって、前記封止装置は、オーバーラップクリアランスを形成するように、内側プラットフォーム(26)の内側面とタービン(10)のロータ(11)の下流スポイラ(40a)との間で半径方向に配設された少なくとも1つの封止シート(50a、50b)を有することを特徴とする。

Description

本発明は、航空機のターボジェットエンジンまたはターボプロップエンジンなどのターボ機械の分野に関し、さらに詳しくは、このようなターボ機械のタービン用の封止装置に関する。
例えば、前方ファンおよび2つのスプールを有するこのようなターボ機械は、上流から下流の方向に、ファン、低圧コンプレッサ、高圧コンプレッサ、燃焼室、高圧タービン、および低圧タービンを有する。
慣例により、本出願においては、「上流」および「下流」という用語は、ターボジェットエンジン内における空気の流れの方向との関係において規定されている。同様に、慣例により、本出願においては、「内部」および「外部」、「下部」および「上部」、ならびに「内側」および「外側」という用語は、エンジンの軸との関係において半径方向に規定されている。従って、エンジンの軸に沿って延在するシリンダは、エンジンの軸に対向している内側面と、その内側表面とは反対側の外側表面とを有する。
ターボ機械低圧タービンは、タービンシャフトを有し、この上部には、それぞれがインペラおよびノズルを有する複数の連続したステージが取り付けられている。それぞれのインペラは、その外側周囲に実質的に半径方向のブレードを担持するディスクを有し、異なるインペラのディスクは、適切な手段により、互いに、かつ、タービンのロータの駆動シャフトに同軸状に接続されている。それぞれのノズルは、内側環状プラットフォームおよび外側環状プラットフォームを有し、これらの環状プラットフォームの間には、実質的に半径方向の羽根が延在している。ノズルの外側プラットフォームは、タービンの外側ケーシングに留め、かつ、固定するための手段を有する。ノズルの組立体は、ステータとして知られている、原動機の固定部分を形成している。
内側プラットフォームは、タービンの内側に向かって半径方向に延在する壁と、壁に接続された環状リングとを有する。従って、壁および環状リングは、タービンノズルとタービンロータの間に、上流空洞および下流空洞を画定している。ノズルのリング、半径方向の壁、および内側プラットフォームは、全体的に単一の鋳物から形成されている。
動作の際に、ノズルの羽根は、タービンの流路内を流れる高温のガスに晒される。流路内のガスの温度は、相対的に高く、通常、900℃のレベルであり、ノズルの内側プラットフォームとロータの間の領域内の温度は、これよりも低く、例えば、約700℃である。
空気の還流を制限することになる流路と空洞の間のこの温度の違いを解決するために、バッフルタイプの封止を形成するように、壁および環状リングによって画定された上流空洞内に封止バッフルを画定する上流スポイラを有するタービンロータが知られている。
機械の完全性に対する潜在的なリスクおよび流量の損失や渦の発生などのタービン性能の低下をもたらすロータのディスクの加熱を回避できるようにする封止を保証するために、タービンロータの下流スポイラおよび内側プラットフォームの上流部分は、それぞれのステージごとに、軸方向において部分的にオーバーラップしている。従って、タービンの動作の際に、オーバーラップクリアランスとして知られている、タービンロータの下流スポイラと内側プラットフォームの上流部分との間のクリアランスがゼロ未満であるときに、良好な封止が保証される。
タービンが過速度運転している際には、別の問題が生じる。過速度運転問題は、例えば、動作の際の低圧タービンシャフトの破損を考えた際に生じる。これは、過速度として知られているタービンの回転速度の大幅な増加をもたらす。タービンの、従って、航空機の完全性に対して深刻な結果をもたらしうるこの誤動作を停止するには、ロータ組立体が空気力学的力の影響下において(ノズルの組立体を有する)ステータとの関係においてスリップすることにより、ステータのノズルの固定ブレードとロータの可動ブレードとの間の接触をもたらすことになるという点に基づいて、ノズルブレード上の最大数のランナーブレードを破壊することが望ましい。
流路の上部レベルにおけるまたは流路の中央におけるロータの可動ブレードのトレーリングエッジとノズルのリーディングエッジの間に位置する有害な過速度クリアランスと、流路の下部レベルにおけるロータの可動ブレードのトレーリングエッジとノズルのリーディングエッジとの間に位置する有害ではない過速度クリアランスとは、区別されている。
過速度運転を最良に制御し、これにより、タービンの完全性を維持するために、まずは、有害ではない過速度クリアランスの前に、有害な過速度クリアランスを埋めなければならず、すなわち、これをゼロにしなければならない。これは、この階層性を保証するために、有害ではない過速度クリアランスを増大させなければならないことを意味している。
図1に示されているように、また、前記図1を参照して後述するように、有害ではない下部流路の過速度クリアランスの増大は、オーバーラップクリアランスの減少を伴い、逆もまた同様であるという矛盾に遭遇する。
本発明の目的は、これらの欠点のうちの少なくともいくつかを克服するというものであり、前記タービンノズルは、少なくとも1つの内側環状プラットフォームを有し、前記タービンロータは、実質的に軸方向において配設された下流スポイラを有し、前記封止装置は、タービンのロータの内側プラットフォームと下流スポイラとの間に半径方向において配設された少なくとも1つの封止シートを有する、タービンロータを有するターボ機械タービンのノズル用の封止装置に関し、該装置は、封止シートが接触の際にタービンロータによって押し潰されるように、封止シートとタービンロータとの間の軸方向のクリアランスが、内側プラットフォームとタービンロータとの間の軸方向のクリアランスを下回っていることを特徴としている。
従って、封止シートとタービンロータとの間の軸方向のクリアランスは、過速度状態のタービンロータのスリップの際に使用されるエネルギーにより、接触の際に、「可溶性(fusible)」のシートが押し潰されるように、内側プラットフォームとタービンロータとの間の軸方向クリアランスを下回っている。この結果、タービンシャフトの破損と関連した過速度運転の際に、内側プラットフォームの前に、シートに衝突することが可能となり、かつ、内側プラットフォームとタービンロータの間における有害なクリアランスと有害ではないクリアランスとの間の階層性をさらにオープンな状態に維持するができる。
さらには、本発明による装置によれば、シートに起因し、下流スポイラのオーバーラップを増大させることが可能であり、この結果、過速度クリアランスの減少を回避しつつ、封止が改善され、これにより、タービンの軸方向の寸法(すなわち、長さ)と、従って、タービンの質量との低減が可能となる。また、この結果、取り囲んでいる部品の乱れ(turbulence)および加熱と、従って、タービン性能の低下とを制限することもできる。
封止シートによる下流スポイラのオーバーラップクリアランスは、好ましくは、内側プラットフォームによる下流スポイラのオーバーラップクリアランスを上回っているかまたはこれと等しい。従って、オーバーラップクリアランスと過速度クリアランスは、結合されてはおらず、従って、これにより、これらを最適化することが可能である。また、この結果、より良好なオーバーラップも保証されることになり、これは、機械の性能と、取り囲んでいる部品の運用寿命とに直接的な影響を及ぼす。
封止シートは、有利には、タービンロータとの接触の際のシートの押し潰しを制御するべく、少なくとも1つのキャンバーを有するように構成されている。従って、この結果、タービンシャフトの破損の際に、制御され、かつ予期されている方式により、タービンのロータによって封止シートを押し潰すことができる。さらには、このキャンバーは、封止シートの座屈(buckling)をも促進する。
封止シートは、有利には、少なくとも1つの点においてノズルに固定されている。
本発明の別の特徴によれば、封止シートは、上流スポイラの下部部分の下方に延在している。この結果、ノズルの半径方向の壁とタービンロータとの間の上流空洞内に補助バッフルを生成することにより、乱れをさらに制限することができる。
本発明の別の特徴によれば、封止シートは、半径方向の壁にまたは内側プラットフォームにろう付けすることにより、固定されている。このろう付けは、非常に局所化されており、従って、過速度運転の際に迅速に破壊される。
封止シートは、有利には、環状の要素または複数のセクタ化要素(sectorised element)を有する。この結果、装置に内側プラットフォームと同一の変形が加わることを考えると、長時間にわたって前記装置の機械的強度を保証するができる。また、この結果、封止を機能強化することもできる。
本発明の一特徴によれば、環状要素は、前記環状要素の周囲の全体にまたはその一部にわたって分布したスロットと、タービンの動作の際のスロットの伝播を防止するための、スロットの端部における穿孔とをさらに有する。
あるいは、この代わりに、対として、セクタ間シート(intersector sheet)により、またはセクタ化ライン(sectorisation line)に沿ったオーバーラップにより、セクタ化要素を接続することもできる。
また、本発明による装置は、上流スポイラに対して実質的に垂直に配設されると共に上流スポイラの下部部分の下方における空気流路表面を低減するように構成されたカットオフ要素を有してもよい。この結果、乱れが低減され、封止が向上される。
また、本発明は、少なくとも1つのタービンノズルと、少なくとも1つのタービンロータとを有するターボ機械タービンにも関し、前記タービンノズルは、少なくとも1つの内側環状プラットフォームを有し、前記タービンロータは、実質的に軸方向において配設された少なくとも1つの下流スポイラを有し、前記タービンは、上述の装置を有する。
本発明のその他の特徴および利点については、非限定的な例として付与されている添付図面(同一の参照符号が類似の品目に付与されている)を参照して提供されている以下の説明から明らかとなろう。
従来技術による第1のロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第1の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第2の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第3の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第4の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第5の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第6の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 本発明による装置の第7の実施形態を有するロータの軸方向断面図である。 スロットおよび穴を有する本発明による装置の平面図である。 その封止シートがセクタ化されている本発明による装置の平面図である。 そのセクタ化された封止シートがオーバーラップしている本発明による装置の平面図である。
本発明は、航空機のターボ機械のタービンを参照して説明されているが、同一のまたは類似の方式によって動作する任意のタイプのガスエンジンのタービンにも適用可能である。
まず、図1を参照すれば、図1はタービン10のロータ11の回転軸(図示されてはいない)を通過する平面におけるターボ機械の低圧タービン10の概略断面半体図である。タービン10のロータ11は、ディスク12を有し、このディスク12は、環状フランジ14によって互いに同軸状態において結合され、かつ、ディスク12の外側周囲におけるその半径方向内側の端部に、例えば、ダブテール方式またはこれに類似した方式によってブレード根元部によって取り付けられた可動ブレードの環状の列16を担持している。ロータ11は、ディスク12の環状フランジ14間において環状フランジ(図示されてはいない)によって固定された駆動コーン(図示されてはいない)によってタービンシャフトに接続されている。また、ディスク12上において可動ブレード16を軸方向において保持するための環状プレート22も、ディスク12間に取り付けられており、そのそれぞれが、2つの隣接するディスク12の環状フランジ14間において軸方向にクランプされた半径方向の壁24を有する。可動ブレードの列16間には、ノズル25が存在しており、これらのノズル25は、それぞれ、固定羽根の環状の列28によって相互接続された2つの環状プラットフォーム、すなわち、内側プラットフォーム26と外側プラットフォーム(図示されてはいない)をそれぞれ有する。ノズル25の外側プラットフォームは、低圧タービン10のケーシング(図示されてはいない)上において適切な手段によって留められる。ノズル25の内側プラットフォーム26は、それぞれ、半径方向の壁30を有し、この半径方向の壁30は、プラットフォーム26の内側表面から半径方向を内向きに延在しており、かつ、その内側周囲において、磨滅可能な材料から製造された環状要素34の円筒形の支持リング32に接続されている。従って、内側壁26、半径方向壁30、および環状リング32の間に画定されている領域は、2つの空洞31aおよび31bを形成している。
これらの磨滅可能な要素34は、プレート22によって担持された外側環状ワイパ36の半径方向外側に、かつその反対側に配置されている。ワイパ36は、その封止プレーンがタービンロータ11の回転軸13に対して平行であるラビリンス封止を形成し、これにより、これらの封止材を通じた軸方向における空気の通過を制限するように、磨滅可能な要素34と摩擦によって相互作用するように意図されている。
円筒形リング32は、ノズル25の内側プラットフォーム26の半径方向の壁30の反対側の側部から実質的に軸方向に延在する上流環状リムおよび下流環状リムを有する。それぞれのノズル25のリング32および半径方向の壁30は、このノズル25の内側プラットフォーム26と共に単一の鋳物として形成してもよい。
実質的に円筒形の上流スポイラおよび下流スポイラ40aおよび40bは、可動ブレード16のルート17上において軸方向に突出することにより、空洞31aおよび31b内に延在し、かつ、これにより、バッフル効果によってこれらの環状リムならびに内側プラットフォーム26の上流エッジおよび下流エッジと相互作用し、ラビリンス封止の領域内における半径方向を内向きのタービン10の流路からの高温ガスの通過を制限するように形成されている。
図1は、タービンロータ11の下流スポイラ40a上におけるノズル25の内側プラットフォーム26のオーバーラップによって形成されたオーバーラップクリアランス41を示している。また、図1は、それぞれ、ノズル25の内側プラットフォーム26の上流端部とタービン10のロータ11との間に、および、タービン10のロータ11の下流スポイラ40aの端部とノズル25の半径方向壁30との間に、過速度クリアランス45aおよび45bをも示している。この結果、有害ではない過速度クリアランス45aおよび45bの増加がオーバーラップクリアランス41の減少を伴い、この逆もまた同様であるという矛盾がもたらされる。
図2から図6は、1つまたは複数のシート50aおよび/または50bを有する本発明による封止装置の複数の実施形態を示している。シートとは、例えば、複合材料やプラスチック材料などの、当業者が本発明において使用するべく適合させることができる金属または任意の材料などの材料のプレートを意味するものと理解されたい。
この結果、過速度クリアランス45aおよび45bの低減を伴うことなしに、オーバーラップクリアランス43が増大する。すなわち、オーバーラップクリアランス43と過速度クリアランス45aおよび45bは、結合されてはおらず、従って、有害なクリアランスの前に有害ではない過速度クリアランス45aおよび45bが埋められないことを保証するためには、1つの非接触状態を確立すること、すなわち、オーバーラップクリアランス43とは無関係に過速度クリアランス45aおよび45bをパラメータ化することが残っているのみである。
過速度運転の際には、内側プラットフォーム26との接触の前の封止シート50aおよび/または50bとのタービン10のロータ11の接触を保証するために、封止シート50aおよび/または50bの間のクリアランス46が過速度クリアランス45aを下回っていることを保証する必要がある。これは、オーバーラップクリアランス43がオーバーラップクリアランス41を上回っていなければならないことを意味している。
オーバーラップクリアランス43とオーバーラップクリアランス41の間の差は、それ自体が過速度運転のために寸法設定(例えば、約7mm)されているクリアランス45aの代わりに、非接触運転のために寸法設定(例えば、動作の際に約1mmの最小値)されているクリアランス46を確立した結果としてもたらされる。オーバーラップの差は、クリアランス45aとクリアランス46の間の差に対応している。
図2に示されている本発明による封止装置は、封止シート50aを有し、この封止シート50は、例えば、金属から製造され、ノズル25の内側プラットフォーム26と上流スポイラ40aの間に延在するノズル25の半径方向壁30の上流面上に取り付けられ、かつ、下流スポイラ40aとの間にオーバーラップクリアランス43を形成するように構成されている(換言すれば、部分的に軸方向において下流スポイラ40aとオーバーラップするように構成されている)。本発明による封止装置によって形成されるこのようなオーバーラップクリアランス43は、ノズル25の内側プラットフォーム26および下流スポイラ40aによって形成されるオーバーラップクリアランス41と等しいかまたはこれを上回っており、この結果、過速度クリアランスの増大を回避しつつ、封止が改善される。
封止装置が、有害ではない過速度クリアランスを示すことを防止するべく、封止シート50aは、例えば、タービンシャフトの破損の際に、望ましく、かつ予期された方式により、可動ロータブレードによって押し潰されるように、前記シートが、その軸方向の剛性の一部を喪失し、これにより、「可溶性の要素」として機能するように、予め反ったシートであってもよい。
さらには、このようなシートの追加は、ノズル25の内側プラットフォーム26の下方の空洞31aの低減を伴っており、この結果、オーバーラップと同様に、取り囲んでいる部品の加熱と、性能の低下とが制限される。
封止装置は、図3および図4に示されているように、封止シート50aと、封止シート50bとを有してもよい。これら2つの封止シート50aおよび50bは、例えば、この補助バッフルの追加によってより良好なオーバーラップを提供するべく、U字形状方式によって取り付けてもよく、これは、空洞31aをより良好に閉鎖すると共に、これにより、乱気流を制限するという効果を有する。
封止シート50aおよび50bによる下流スポイラ40aのオーバーラップの長さは、等しくてもよく、あるいは、異なっていてもよいことに留意されたい。
図5に示されている封止装置においては、シート50aは、半径方向の壁30に対して固定されるのに加えて、例えば、ろう付け点により、内側プラットフォーム26の内側表面に対して固定されている。これら2つの固定点は、本発明による封止装置によって誘発されうる振動を低減する効果を、または、場合によっては、これを除去する効果を有する。
図6aに示されている封止装置においては、シート50aは、図2に示されているものと同一であり、封止を機能強化し、これにより、空洞31a内における乱気流を低減するべく、カットオフ要素52により、空洞31aをさらに閉鎖することが可能になっている。この改善の結果、ロータの加熱を低減することができる。
図2から図6aに示されている本発明による装置の実施形態においては、封止シート50aおよび50bは、例えば、ろう付けにより、半径方向の壁30上に取り付けてもよい。
図6bおよび図6cは、それぞれ、ノズル25の内側プラットフォーム26上に取り付けられた本発明による装置を示している。これら2つの解決策は、その結果、シートの端部が空気力学的力の影響下において流路の内部において上昇することが防止されていることから、流路を強力にテーパー化させるのに非常に適している。また、これらの解決策によれば、シートが相対的に小型になり、例えば、前記シートを半径方向においてノズルの下部プラットフォームの下方にろう付けすることにより、すべての半径方向の羽ばたきが除去されることから、発生可能な振動問題を回避することもできる。従って、また、これらの解決策によれば、ノズル25および可動ブレード16の半径方向の位置の変更を要することなしに、最小限の半径方向のクリアランスと、従って、最小限のトレーリング断面とを得ることができる。また、本発明による装置のその他の実施形態と同様に、シートを予め座屈させることにより、その押し潰しを促進および制御してもよい。
本発明による封止装置は、タービンのステージのうちの1つまたは複数のステージ上に、あるいは、そのすべてのステージ上に取り付けてもよいことに留意されたい。
封止装置は、タービンの1つまたは複数のステージの周囲の全体または一部にわたってはめ込んでもよい。
封止シート50aおよび/または50bは、単一の環状(360°)要素から、または複数のセクタ化された要素から形成されてもよい。
例えば、タービンシャフトが破損したときにロータとの接触の際にさらに容易に折り畳まれるように、1つまたは複数の封止シート50aおよび50bの軸方向の剛性を自発的に低下させてもよい。この目的のために、例えば、1つまたは複数の封止シート50aおよび50bをセクタ化またはスリット化してもよい。
図7は、その一部分が様々な場所またはスロット54において周方向にスリット化された、例えば、50aなどの封止シートを示している。穴または穿孔56は、封止シート50aの剛性または硬さをさらに低減する。また、穿孔56は、タービンの動作の際にスロット54の伝播をも防止する。また、これらは、スロット54の機械加工のための基準点でもある。
図8は、セクタ化された、すなわち、セクタ59によって分離された要素を有する封止シート、例えば50aを示している。例えば、一方または両方のシートセクタ50a上でろう付けされたオーバーラップ要素またはセクタ間シート58により、セクタ59を埋めることによって封止を機能強化することができる。
本発明による封止装置の封止シート、例えば、50aなどの封止シートのセクタ化により、具体的には、装置に内側プラットフォーム26と同一の変形が加わることを考えると、長時間にわたって前記装置の機械的強度を保証することができる。
図9に示されている、例えば、50aなどの封止シートのセクタ化においては、2つのシート50aが横断方向のセクタ化ライン60に沿ってオーバーラップしており、例えば、2つのシートセクタ50aは、傾斜60していてもよい。この場合においては、補助オーバーラップ要素の追加を要することなしに封止の保証を可能にしているのは、2つのシートセクタ50aの形状である。

Claims (10)

  1. タービン(10)ロータ(11)を有し、前記タービン(10)ノズル(25)は、少なくとも1つの内側環状プラットフォーム(26)を有し、前記タービン(10)ロータ(11)は、実質的に軸方向において配設された下流スポイラ(40a)を有し、前記封止装置は、内側プラットフォーム(26)とタービン(10)のロータ(11)の下流スポイラ(40a)との間で半径方向に配設された少なくとも1つの封止シール(50a、50b)を有する、ターボ機械タービン(10)のノズル(25)用の封止装置であって、装置は、封止シート(50a、50b)が接触の際にタービンロータによって押し潰されるように、封止シート(50a、50b)とタービン(10)ロータ(11)のと間の軸方向のクリアランス(45’a)が内側プラットフォーム(26)とタービン(10)ロータ(11)との間の軸方向クリアランス(45a)を下回っていることを特徴とする、装置。
  2. 封止シート(50a、50b)が、ロータ(11)の下流スポイラ(40a)との間に、オーバーラップクリアランス(43)を形成し、封止シート(50a)による下流スポイラ(40a)の前記オーバーラップクリアランス(43)は、内側プラットフォーム(26)による下流スポイラ(40a)のオーバーラップクリアランス(41)を上回っているかまたはこれと等しい、請求項1に記載の封止装置。
  3. 封止シート(50a、50b)が、タービン(10)ロータ(11)との接触の際に封止シート(50a、50b)の押し潰しを制御するように、少なくとも1つのキャンバーを有するように構成されている、請求項1または2のいずれかに記載の封止装置。
  4. 封止シート(50a)が、少なくとも1つの点においてノズル(25)に固定されている、請求項3に記載の封止装置。
  5. 封止シート(50b)が、下流スポイラ(40a)の下部部分の下方に延在する、請求項1から4のいずれか一項に記載の封止装置。
  6. 前記装置が、下流スポイラ(40a)に対して実質的に垂直に配設されると共に下流スポイラ(40a)の下部部分の下方の空気流路表面を低減するように構成されたカットオフ要素(52)をさらに有する、請求項1から5のいずれか一項に記載の封止装置。
  7. 封止シート(50a、50b)が、環状要素(50a、50b)または複数のセクタ化要素(50a、50b)を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の封止装置。
  8. 環状要素(50a、50b)が、前記管状要素(50a、50b)の周囲にわたって分布したスロット(54)と、タービン(10)の動作の際のスロット(54)の伝播を防止するための、スロット(54)の端部における穿孔(56)とをさらに有する、請求項7に記載の封止装置。
  9. セクタ化要素(50a、50b)が、セクタ間シート(58)により、またはセクタ化ライン(60)に沿ったオーバーラップにより、対として接続されている、請求項8に記載の封止装置。
  10. 少なくとも1つのタービン(10)ノズル(25)と、少なくとも1つのタービン(10)ロータ(11)とを有するターボ機械タービン(10)であって、前記タービン(10)ノズル(25)は、少なくとも1つの内側環状プラットフォーム(26)を有し、前記タービン(10)ロータ(11)は、実質的に軸方向において配設された少なくとも1つの下流スポイラ(40a)を有し、前記タービンは、請求項1から9のいずれか一項に記載の装置を有する、ターボ機械タービン。
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