JP2015519517A - 航空機エンジンのためのガスタービン - Google Patents

Abstract

航空機エンジンのためのガスタービン（１）においては、外側側面（６）によって画定されたステータ本体（５）は、外側側面（６）上に空気を分配するための複数の周チューブ（１１）を備えた空冷デバイス（８）によって冷却されている。各周チューブ（１１）は、冷却気流（１３）を外側側面（６）に向けて、および互いに隣接した周チャネル（１８）の２つのグループの間に得られ且つ周チャネル（１６）を離れる空気の流れによって取り巻かれる個々の周チャネル（１６）内にガイドするための複数の出口（１２，３０）を備えている。

Description

本発明は、航空機エンジンのためのガスタービンに関する。

既知の通り、航空機エンジンのためのガスタービンは、本体または外側ケーシングを備えたステータ部と、ステータ部の内側に配置され且つステータ部に接続されたロータ部と、を具備している。

熱荷重の影響、およびその結果として作動温度の変化のためにステータ部とロータ部との間のクリアランスを最適化することにより生じる変形を制御するために、通常は平滑な面を備えたケーシングの外側側面上に冷却空気の噴流を導くことによって、外側ケーシングを冷却することが知られている。気流を変化させ、特定の領域内に空気を導くことによって、相対運動における様々な部品の変形を制御することが可能である。

現在知られている解決策においては、冷却デバイスが使用されており、そのデバイスでは、空気は外側ケーシングを取り囲んだチューブグリッドを使用して分配され、複数の外側長手方向空気供給チューブおよび複数の内側周方向空気分配チューブを具備している。分配チューブは長手方向チューブから冷却空気を受け取り、分配チューブには空気出口開口部が設けられ、この開口部は外側側面に向かって面しており、且つ周方向において互いに離間されて、ケーシングの外周全体に沿って空気を分配する。

ケーシングの外側側面の様々な部分への空気の衝突を最適化するために、前述の出口開口部は、所望の気流を得るようにサイズ決定されており、周チューブは外側側面から所定の距離、通常は数ミリメートルオーダーだけ離間されて配置されている。

上に定義されたタイプの既知の冷却デバイスは、一般的に使用されているものの、比較的重く、それは周チューブの近位がケーシングの外側側面に接近しているので、使用されているチューブ、特に空気分配のためのチューブが、高い熱荷重を支持するために、鋼製でなければならないためである。

それに加えて、所定の数値を過ぎると、既知のデバイスは、同レベルの冷却効率のための気流を減少させるか、または同レベルの気流に関して冷却を増大することが不可能である。

空気分配のための内側周方向チューブがタービンのステータ部に形成された外側チャネル内に配置された空冷デバイスを備えたガスタービンは、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、および特許文献５に開示されている。

欧州特許出願公開第０ ８９２ １５３号明細書 米国特許出願公開第２００５／１２９４９９号明細書 欧州特許出願公開第１ ７９８ ３８２号明細書 欧州特許出願公開第１ ２０５ ６３７号明細書 欧州特許出願公開第２ ２３６ ７７２号明細書

本発明の目的は航空機エンジンのためのガスタービンを提供することであり、実施形態の特徴は、単純且つ安価な様式において前述の課題が解決されることが可能なことである。

本発明によれば、航空機エンジンのためのガスタービンは請求項１に請求されたように提供されている。

本発明は、実施形態の非限定的な例を示した添付図を参照して、ここに記載される。

本発明の原理による航空機のためのガスタービンの好適な実施形態を、明確化のために部品を除外してブロックフォームおよび断面において図式的且つ実質的に示した図である。 図１の冷却システムを部分的に示した斜視図である。 図１の詳細を断面において拡大して示した図である。 図１の詳細の変化形を示した、図３に類似した図である。 図１の詳細のさらなる変化形を示した、図４に類似した図である。

図１において、航空機エンジンのためのガスタービンが、参照符号１によってまとめて示されている。タービン１は、参照符号２によってまとめて示された中空の外側ステータ本体、タービン軸４に関して回転する内側ロータ本体３、およびそれ自体公知であり詳細には示されていないシールを具備しており、シールはステータ本体２とロータ本体３との間に配置されている。

図１および図３を参照すると、ステータ本体２はその外側側面６によって区切られた外側ケーシング５を具備し、外側側面は直線の長手母線を備えているか、または湾曲セクションおよび／または直線セクションから成る。図示された実施例においては、側面６の中間部の母線は、参照符号７によって示されている。母線７は軸４に対して傾斜されている（図１）。

外側ケーシング５は空冷デバイス８によって冷却されており、図２を参照すると、このデバイスは外側ケーシング５を取り囲んだチューブのケージ９を具備している。次に、ケージ９は、複数の縦空気供給チューブ１０および外側側面６上の空気を分配するための複数の内側周チューブ１１を具備している。周チューブ１１は縦チューブ１０から冷却空気を受け、周チューブ１１の内周に沿って空気を分配するための複数の出口開口部１２または穴が設けられている。したがって、各開口部１２は外側側面６に面しており、実質的に母線７に直交した軸１４を備えた、対応した冷却気流１３を通すことが可能である（図３）。

各周チューブ１１の気流１３は外側側面６の個々の部分１５に衝突する。各部分１５は個々の開口部１２に面した凹面を備えて窪んでおり、外側側面６に形成された連続的な周方向溝またはチャネル１６を部分的に画定し、チャネル１６の最大深さの位置において気流１３によって交差される。

特に記載された実施例においては、各チャネル１６は、前述の気流の軸１４を含み且つ個々の最大深さ位置を通過した径方向面に関して対称である。図示されていない変化形によれば、１つ以上のチャネル１６は前述の径方向面に関して非対称である。

常に図３を参照すると、周方向チャネル１８の２つのグループがチャネル１６の対向した側の外側側面６上に設けられており、これらは個々のチャネル１６に相互に隣接して、且つ平行である。チャネル１８はチャネル１６の個々の通路ハーフセクション以下の通路ハーフセクションを備え、最大深さはチャネル１６の最大深さよりも小さく、チャネル１６とともに局所的にチャネル１６の周りの外側側面６を修正し、表面を平滑ではなく溝付きまたは波形にしている。添付図および図１に見られているように、特に、周チューブはチャネル１６および１８ならびに外側側面６の母線７の完全に外部に延びている。

好都合なことに、周方向チャネル１８の２つのグループは、軸１４を含んだ前述の径方向面に関して対称に配置されている。

さらに図３を参照すると、冷却デバイス８は各周チューブ１１に関して、個々の周チューブ１１と外側側面６との間に差し込まれた、関連した周方向シールドおよびサポート壁２０をさらに具備している。周方向壁２０は、側面に隣接した壁２０から離間された側面６から外向きに延びたスペーサ５ａを利用して外側ケーシング５に堅固に取り付けられており、個々の周チューブ１１からの同一の周方向壁２０の距離よりも大きい距離だけ外側側面６から離れて配置されている。

各壁２０は、各開口部１２における気流の通路のための個々の径方向開口部２２を備え、外側側面６とともに参照符号２３によって示された長手環状ダクトを画定している。環状ダクト２３は開口部２２および個々の周チャネル１６におけるテーパセクション、ならびに個々のチャネル１８からの距離を増大した領域を備えた２つの対向した長手端部セクション２４を備えている。

外側側面６に面した壁２０の内側面２６は、好都合に断熱材量の層２７に覆われており、この層は少なくとも１つの、例えばアルミニウムの反射材料の外層を具備し、周チューブ１１に向かう熱の通路を遮る熱障壁を形成している。

各周チューブ１１は複数のスペーサ要素２９によって壁２０の外側側面６に接続されており、周チューブ１１と、関連した壁２０と、の間において周チューブ１１に衝突する冷却気流３０ａが通ることを可能にしており、それは図３に示されている。このようにして、前述の熱障壁の効果を増大している。

常に図３を参照すると、冷却デバイス８は各開口部１２に関して、対応した冷却気流１３のための個々のガイドダクト３０をさらに具備し、各ダクト３０は好都合に円形管状部３１によって形成され、ダクトは対応した周チューブ１１と周方向壁２０との間に延びており、対応した開口部２２によって形成された端部セクションを備えている。

好都合に、各出口開口部２２は母線７に平行に測定された寸法または直径Ａを有し、これは対応した出口１２よりも大きく、同一方向において測定された個々の周チャネル１６の幅Ｂよりも小さい。

一変化形によれば、すべてまたはいくつかの開口部２２の寸法Ａは、幅Ｂおよび少なくともいくつかのチャネル１８の幅よりも大きく、それは図３において破線によって示されている。好都合に、すべてまたはいくつかの開口部２２の寸法Ａは、少なくともいくつかのチャネル１６またはチャネル１８の深さよりも大きい。

さらなる変化形によれば、チャネル１８は、チャネル１６の寸法と同一またはそれに相当した寸法を有する。

前述の幾何形状は外側側面６の幾何形状の変化を可能にし、結果的に冷却の効果を増大することが可能である。

好都合なことに、各ダクト３０はチャネル１６に向かって拡張しており、関連した管状部３１は気流３０ａの一部の入り口または流入のための、関連したダクト３０内に流れ込む側方開口部または通路３３を備え、気流３０ａは気流１３によってダクト内に吸引される。

好適に、周チューブ１１、関連した壁２０、個々のスペーサ２９、および個々の管状部３１はポリマ材料から形成されており、好都合なことに、一部品として形成された１つ以上の部分によって形成されている。

図５に示された変化形においては、冷却デバイス８は壁２０を欠いており、カバー層２７は管状部３１および周チューブ１１の外側側面のみを覆っている。

図４に示されたさらなる変化形によれば、好都合に略直線の母線を有する周方向壁２０は、関連した周チューブ１１の下のみに延びており、スペーサ２９によって常に周チューブ１１に接続されており、周方向壁はスペーサと協働して関連した周チューブ１１のための支持構造を形成し、同一の周チューブ１１に関して遮蔽している。

前述の事項より、記載されたタービン１において、特別な冷却デバイスは使用される空気の量を顕著に減少し、一方で現在使用されているシステムの冷却効果を、ステータ部によって生じた同一の放射荷重のために変化させないことが明白である。

前述の事項は、主に冷却空気１３の噴流に衝突するステータ部の従来の平滑な外側側面が、顕著な放熱の増大を可能にした凹形状または溝付きの周方向面によって置換されたことによるものである。実験的に、側方第２チャネル（チャネル１８）が冷却気流１３に衝突する主チャネル１６とともに横並びに配置され、これらの第２チャネルが主チャネル１６の形状および幾何形状と同一または異なった形状および幾何形状を有する場合に、放熱がなおさら高効率になることを確立することが可能であった。前述の事項は、これらの第２チャネルが乱流発生部として作用し、同様に最大相対速度が外側側面６に衝突する空気の塊に関して測定される領域において正確に熱交換面を増大している結果である。チャネル１６および１８のハーフセクションの形状および断面は、気流１３の特性の関数において変化する。

本発明によれば、気流１３は、他の部位との間で気流１３に関して真の遮蔽も形成した管状部３１によって形作られている。実際に、各冷却気流１３の形状は、ダクト３０の円錐形状を変更することによって、および／または側方通路３３を通じて周チューブ１３に衝突する気流の一部を引き込むことによって制御されることが可能である。

壁２０は、コーティングが周チューブ１１に向かって熱の通路を遮る場合の熱遮蔽と、環状ダクト内において移動する気流２３のための流体遮蔽と、の両方を形成することによって、ステータ部からの放熱を増大しており、したがって、周チューブ１１に衝突する他の外部縦気流によって発生した外乱、および例えば上流の冷却気流１３によって発生した気流に対して反応しにくい。

最後に、周チューブ１１を外側側面６から比較的離れた位置、且つ前述したように、母線７およびチャネル１６と１８との外側の位置に配置すること、ならびにステータ本体から発生する熱の流れを遮り且つチューブ１１に向けること、は、チューブおよび壁２０の両方の製造に関して、ならびに一般的に全体の熱遮蔽に関して、現在の鉄ベース材料以外の材料の使用、特にポリマ材料または複合材料のような明らかに軽量な材料の使用を可能にする。

ポリマ材料または複合材料の使用は、構造壁をモノリシックに、またはそうでなければチューブ１１の支持機能ならびに任意の幾何形状および／またはサイズの周チューブの提供の機能を伴って製造することを可能にする。

修正および変化が、独立請求項において定義された保護の範囲から逸脱することなく、記載されたデバイス８に与えられることがこれまでの記載から明白である。

特に、壁２０は実施例によって示された幾何形状と異なった幾何形状、特に流れガイドダクトを備えたもしくは備えていない平坦面を有することが可能である。

最後に、気流およびしたがって熱交換の面のさらなる増大の目的のために、チャネルは示されたものとは異なった数、異なったサイズ、および異なった幾何形状とすることが可能であり、および／または頂上部はチャネル１６に隣接した位置において外側側面６上に設けられることが可能である。

１ ・・・タービン
２ ・・・外側ステータ本体
３ ・・・内側ロータ本体
４ ・・・タービン軸
５ ・・・外側ケーシング
６ ・・・外側側面
７ ・・・母線
８ ・・・空気冷却デバイス
９ ・・・ケージ
１０ ・・・縦空気供給チューブ
１１ ・・・内側周チューブ
１２ ・・・出口開口部
１３ ・・・気流
１６ ・・・チャネル
１８ ・・・周方向チャネル
２０ ・・・周方向壁
２２ ・・・開口部
２３ ・・・環状ダクト
２６ ・・・内側面
２７ ・・・層
２９ ・・・スペーサ
３０ ・・・ガイドダクト
３１ ・・・円形管状部

Claims (21)

1. ステータを具備した航空機エンジンのためのガスタービンであって、前記ステータは、
   長手母線を有する外側側面によって画定された外側ケーシングと、該外側ケーシングのための空冷手段と、を具備し、
   該空冷手段は前記外側側面に冷却空気を分配するための、前記外側側面自身の外側に配置された複数の周チューブを具備し、各前記周チューブには前記外側側面の対応部に噴射される個々の冷却気流のための複数の出口が設けられ、各面部分は、個々の前記出口に面した凹面を備えて窪んでおり、且つ内側に前記気流が衝突する個々の周チャネルを部分的に画定しており、前記周チューブは前記長手母線および前記周チャネルの外側に配置されていることを特徴とするガスタービン。
2. 各前記流れは前記母線に直交したそれぞれの軸を有することを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記冷却手段は、前記周チャネルの対向した長手側に配置されたさらなる周チャネルの２つのグループをさらに具備し、前記さらなる周チャネルは、個々の前記周チャネルの通路ハーフセクションの横断面よりも小さい通路ハーフセクションの横断面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. 前記冷却手段は、前記周チャネルの対向した長手側に配置されたさらなる周チャネルの２つのグループをさらに具備し、前記さらなる周チャネルは、個々の前記周チャネルの深さよりも小さい深さを有することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
5. 前記周チャネルの少なくとも一部は、直線の前記母線に平行に測定された前記出口の１つの寸法よりも小さい深さを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービン。
6. 前記周チャネルの少なくとも一部は、直線の前記母線に平行に測定された前記出口の１つの寸法よりも小さい幅を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービン。
7. 各前記出口および対応した前記気流は、最大深さの位置において個々の前記周チャネルと交差した個々の軸に沿って延びていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービン。
8. 各前記周チャネルは、前記外側側面の母線に直交し且つ個々の前記最大深さの位置を通過した径方向面に関して対称であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のタービン。
9. 前記冷却手段は、前記外側側面と各前記周チューブとの間に挿入された周方向壁をさらに具備し、該周方向壁は前記気流の通路のための径方向開口部を備え、且つ前記外側側面とともに個々の長手環状ダクトを画定していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のタービン。
10. 前記周方向壁は、個々の前記周チューブからの同一の周方向壁の距離よりも大きい距離だけ前記外側側壁から離間されて配置されていることを特徴とする請求項９に記載のタービン。
11. 前記長手環状ダクトは、前記径方向開口部および個々の前記周チャネルにおいてテーパセクションを備えていることを特徴とする請求項９または１０に記載のタービン。
12. 前記周方向壁と個々の前記周チューブとの間に差し込まれた離間手段をさらに具備し、該離間手段は、冷却気流の通路が前記周チューブと、関連した前記周方向壁と、の間の前記周チューブに突き当たることを可能にしていることを特徴とする請求項１１に記載のタービン。
13. 前記冷却手段は、前記外側側面に面した前記周方向壁の面上に配置された断熱材量の層をさらに具備していることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載のタービン。
14. 前記冷却手段は、前記外側側面に面した位置において前記周方向壁によって担持された反射面をさらに具備していることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載のタービン。
15. 前記周方向壁上に得られた前記開口部の少なくとも一部は、前記外側側面の母線に平行に測定された寸法を有し、該寸法は、前記冷却気流が衝突する位置における、前記周チャネルの同一の方向において測定された幅よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービン。
16. 前記冷却手段は、各前記出口に関して個々の管状部を具備し、対応した前記気流の前記周チューブと、対応した前記周方向壁と、の間の広がりをガイドしていることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載のタービン。
17. 前記管状部は、前記外側側面に向かって広がったガイドダクトを画定していることを特徴とする請求項１６に記載のタービン。
18. 各前記管状部には、冷却空気の塊のために個々の前記ガイドダクト内に側方入口開口部が設けられており、前記空気の塊は個々の前記周チューブによって供給される塊とは異なっており、個々の前記気流によって対応した前記ダクト内に引き込まれることを特徴とする請求項１６または１７に記載のタービン。
19. 前記冷却手段は、前記周方向分配チューブの前記外側側面の少なくとも一部をカバーした熱障壁を具備していることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一項に記載のタービン。
20. 前記冷却手段は、各前記出口に関して個々の管状本体を具備し、前記外側側面に向かって個々の前記周方向分配チューブから放出される対応した前記気流をガイドしていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のタービン。
21. 前記管状本体は、前記外側側面に向かって拡張する対応した前記流れのガイドダクトを画定していることを特徴とする請求項２０に記載のタービン。

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