JP2016070266A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンのタービンのノズルガイドベーンと、それを支持する内側プラットフォームに作用する熱応力を低減する。【解決手段】 ガスタービンエンジンのタービン３２のノズルガイドベーン３５の径方向内端に接続された内側プラットフォーム４７と、内側プラットフォーム４７から径方向内側に延びる第１隔壁部材４８と、第１隔壁部材４８に径方向内端部が固定されて内側プラットフォーム４７に径方向外端部が対峙する第２隔壁部材５０とにより、内側プラットフォーム４７の軸方向略全長にオーバラップする環状の中温空間５１を形成し、第２隔壁部材５０の径方向内側にコンプレッサ２３から低温の空気が供給される低温空間５２を形成したので、中温空間５１の温度を燃焼ガスの温度および空気の温度の中間温度に維持することで、外側プラットフォーム４６およびノズルガイドベーン３５に対する内側プラットフォーム４７の温度差を小さくして熱応力を低減することができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、コンプレッサで圧縮した空気に燃料を混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼により発生した高温の燃焼ガスが供給されるタービンが、上流側のノズルガイドベーンおよび下流側のタービンブレードを含むガスタービンエンジンに関する。

下記特許文献１には、ガスタービンエンジンのタービンダクトの主流路１６を流れる高温の燃焼ガスがエンジン内の低温空間１８に漏洩するのを防止することで、エンジン部品を熱的損傷から保護する技術が記載されている。この技術は、タービンダクトの主流路１６に配置されたステータベーン（ノズルガイドベーン）２４の環状のプラットフォーム２５の径方向内側に高温ガス再循環ポケット１４を形成したもので、主流路１６を流れる燃焼ガスと低温空間１８の空気とを高温ガス再循環ポケット１４に導入して混合・循環させた後に主流路１６に戻すことで、高温ガスが直接低温空間１８に漏洩するのを防止するようになっている。

米国特許第５５４５００４号明細書

ところで、この種の従来のガスタービンエンジンでは、主流路に臨むステータベーンと、そのステータベーンを支持する径方向内外のプラットフォームとには比較的に高温の燃焼ガスが接触するが、径方向内側のプラットフォームの外壁面（主流路と反対側の壁面）が比較的に低温の冷却空気に接触して冷却されるため、ステータベーンおよび径方向外側のプラットフォームの温度に対して径方向内側のプラットフォームの温度が低くなり、その温度勾配により特にステータベーンと径方向内側のプラットフォームとの接続部に大きな熱応力が発生する問題がある。

米国特許第５５４５００４号明細書に記載されたものは、ステータベーン２４のプラットフォーム２５の径方向内側に高温ガス再循環ポケット１４が形成されているため、燃焼ガスおよび空気の混合により中温となる高温ガス再循環ポケット１４が主流路１６と低温空間１８との間に介在することで、温度勾配を緩和してステータベーン２４とプラットフォーム２５との接続部の熱応力を低減できる可能性がある。しかしながら、高温ガス再循環ポケット１４はプラットフォーム２５の軸方向全長のうちの一部にしか対向しておらず、しかも高温ガス再循環ポケット１４の内部に低温の空気を導入して積極的に冷却しているため、プラットフォーム２５が過度に冷却されて温度勾配を充分に緩和できず、依然として大きな熱応力が発生する懸念がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ガスタービンエンジンのタービンのノズルガイドベーンと、それを支持する内側プラットフォームに作用する熱応力を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、 コンプレッサで圧縮した空気に燃料を混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼により発生した高温の燃焼ガスが供給されるタービンが、上流側のノズルガイドベーンおよび下流側のタービンブレードを含むガスタービンエンジンであって、前記ノズルガイドベーンの径方向内端を支持する内側プラットフォームと、前記内側プラットフォームから径方向内側に延びる第１隔壁部材と、前記第１隔壁部材に径方向内端部が固定されて前記内側プラットフォームに径方向外端部が対峙する第２隔壁部材とにより、前記内側プラットフォームの軸方向略全長にオーバラップする環状の中温空間を形成し、前記第２隔壁部材の径方向内側に前記コンプレッサから空気が供給される低温空間を形成したことを特徴とするガスタービンエンジンが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記内側プラットフォームの下流側端部と前記第２隔壁部材の下流側端部との間に前記タービンブレードのプラットフォームの上流側端部を挿入することで、前記ノズルガイドベーンおよび前記タービンブレード間の隙間からの燃焼ガスの漏れを防止するシール部を構成したことを特徴とするガスタービンエンジンが提案される。

尚、実施の形態の高圧コンプレッサ２３は本発明のコンプレッサに対応し、実施の形態の逆流燃焼室２９は本発明の燃焼室に対応し、実施の形態の低圧タービン３２は本発明のタービンに対応し、実施の形態の第２低温空間５２は本発明の低温空間に対応し、実施の形態の低圧タービンブレード５６は本発明のタービンブレードに対応する。

請求項１の構成によれば、コンプレッサで圧縮した空気に燃料を混合して燃焼室で燃焼させ、燃焼により発生した高温の燃焼ガスが供給されるタービンは、上流側のノズルガイドベーンおよび下流側のタービンブレードを含む。ノズルガイドベーンの径方向内端を支持する内側プラットフォームの径方向内側にコンプレッサから低温の空気が供給される低温空間を直接形成すると、内側プラットフォームの径方向外側を流れる高温の燃焼ガスとの温度差により内側プラットフォームおよびノズルガイドベーンに大きな熱応力が発生してしまうが、内側プラットフォームと、内側プラットフォームから径方向内側に延びる第１隔壁部材と、第１隔壁部材に径方向内端部が固定されて内側プラットフォームに径方向外端部が対峙する第２隔壁部材とにより、内側プラットフォームの軸方向略全長にオーバラップする環状の中温空間を形成し、第２隔壁部材の径方向内側にコンプレッサから低温の空気が供給される低温空間を形成したので、中温空間の温度を燃焼ガスの温度および空気の温度の中間温度に維持することで、外側プラットフォームおよびノズルガイドベーンに対する内側プラットフォームの温度差を小さくして熱応力を低減することができる。

また請求項２の構成によれば、内側プラットフォームの下流側端部と第２隔壁部材の下流側端部との間にタービンブレードのプラットフォームの上流側端部を挿入してシール部を形成したので、ノズルガイドベーンおよびタービンブレード間の隙間からの燃焼ガスの漏れを防止することができる。このとき、シール部の一方のリップを構成する内側プラットフォームの下流側端部は比較的に高温の燃焼ガスに接触して熱膨張量が大きくなり、シール部の他方のリップを構成する第２隔壁部材の下流側端部は低温の空気に接触して熱膨張量が小さくなるが、内側プラットフォームの下流側端部と第２隔壁部材の下流側端部とは相互に対峙するだけで相互に固定されていないため、前記熱膨張量の差が吸収されて熱応力が緩和される。

ツインスプール型ターボファンエンジンの全体構造を示す図。 図１の２部詳細図。 図２の３部拡大図。

以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のツインスプール型ターボファンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもターボファンエンジンの運転が継続される。

ターボファンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

図２は、ターボファンエンジンの高圧タービン３１の出口部分から低圧タービン３２の入口部分にかけての詳細図であり、高圧タービンホイール３４の外周に設けられた高圧タービンブレード４１の下流側に、燃焼ガスを低圧タービン３２に導く円環状のインタータービンダクト４２が接続される。インタータービンダクト４２は径方向外側のアウターダクト４３と径方向内側のインナーダクト４４とで構成される。低圧タービン３２のノズルガイドベーン３５は、径方向に放射状に延びる複数のベーン本体４５と、ベーン本体４５の径方向外端部を支持する環状の外側プラットフォーム４６と、ベーン本体４５の径方向内端部を支持する環状の内側プラットフォーム４７とで構成され、外側プラットフォーム４６はアウターダクト４３の下流側に連続し、内側プラットフォーム４７はインナーダクト４４の下流側に連続する。

インタータービンダクト４２のインナーダクト４４の下流端から第１隔壁部材４８が径方向内側に一体に延びており、インナーダクト４４の内周面と第１隔壁部材４８の外周面との間に、環状の第１低温空間４９が区画される。また第１隔壁部材４８の中間部に突設したフランジ４８ａに第２隔壁部材５０の一端が接合されており、第２隔壁部材５０の他端がノズルガイドベーン３５の内側プラットフォーム４７の下流端に僅かな隙間を介して、あるいは軽く接触するように対峙することで、内側プラットフォーム４７、第１隔壁部材４８および第２隔壁部材５０間に実質的に閉じた環状の中温空間５１が区画される。そして第２隔壁部材５０の径方向内側に第２低温空間５２が区画される。

高圧コンプレッサホイール２７（図１参照）や高圧タービンホイール３４を支持する高圧系シャフト１６は複数部材に分割されており、それらの間に軸方向に延びる第１空気通路５３および第２空気通路５４が形成される。第１空気通路５３および第２空気通路５４の上流端は高圧コンプレッサホイール２７の出口に臨んでおり、下流端はそれぞれ第１低温空間４９および第２低温空間５２に連通する。

図２および図３に示すように、内側プラットフォーム４７の下流端から外側リップ４７ａが突出し、その径方向内側に対峙するように第２隔壁部材５０の下流端から内側リップ５０ａが突出する。低圧タービンホイール３６の外周にプラットフォーム５５を介して複数の低圧タービンブレード５６が放射状に支持されており、プラットフォーム５５の上流端から突出する突起５５ａが外側リップ４７ａおよび内側リップ５０ａ間に隙間を有して嵌合する。外側リップ４７ａ、内側リップ５０ａおよび突起５５ａはシール部５７を構成する。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気の混合気が燃焼して発生した燃焼ガスは、高圧タービン３１のノズルガイドベーン３３および高圧タービンブレード４１を通過して高圧系シャフト１６を駆動した後にインタ−タービンダクト４２に流入し、インタ−タービンダクト４２の下流の低圧タービン３２のノズルガイドベーン３５および低圧タービンブレード５６を通過して低圧系シャフト１５を駆動する。

インタ−タービンダクト４２の下流側に配置されたノズルガイドベーン３５の外側プラットフォーム４６および内側プラットフォーム４７の内壁面は、逆流燃焼室２９から供給される高温の燃焼ガスに接触して熱膨張する。一方、ガスタービンエンジンの内部を冷却すべく、高圧コンプレッサ２３の下流から取り出された比較的に低温の冷却空気は、高圧系シャフト１６の内部に形成した第１、第２空気通路５３，５４を介して第１低温空間４９および第２低温空間５２に供給される。

このとき、仮に第２隔壁部材５０および中温空間５１が存在しないとすると、内側プラットフォーム４７の外壁面（径方向内面）が直接冷却空気に接触して冷却され、高温の燃焼ガスで加熱された外側プラットフォーム４６およびノズルガイドベーン３５と、低温の冷却空気で冷却された内側プラットフォーム４７との間に大きな温度差が発生し、特にノズルガイドベーン３５および内側プラットフォーム４７の接続部に大きな熱応力が作用する懸念がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、内側プラットフォーム４７の径方向内側に第１隔壁部材４８および第２隔壁部材５０により実質的に閉じられた中温空間５１が形成されており、中温空間５１の内部の空気の温度は高温の燃焼ガスの温度および低温の冷却空気の温度の中間の温度に維持され、内側プラットフォーム４７の両面はそれぞれ高温の燃焼ガスおよび中温の空気に接触することで、内側プラットフォーム４７が過度に冷却されることが回避され、温度勾配が緩和されて熱応力が低減する。また中温空間５１を区画する第１隔壁部材４８および第２隔壁部材５０の両面は、それぞれは中温の空気および低温の冷却空気に接触することで、温度勾配が緩和されて熱応力が低減する。

特に、中温空間５１は内側プラットフォーム４７の軸方向略全長に亙ってオーバラップするように形成されているため、内側プラットフォーム４７の外壁面（径方向内面）を均等に中温空気に接触させ、内側プラットフォーム４７の温度を軸方向に均一化して熱応力を一層低減することができる。

また内側プラットフォーム４７の下流端の外側リップ４７ａと、第２隔壁部材５０の下流端の内側リップ５０ａとの間に低圧タービンブレード５６のプラットフォーム５５の突起５５ａを嵌合させてシール部５７を構成したので、低圧タービン３２を流れる燃焼ガスが第２低温空間５２に漏出するのを防止することができる。このとき、高温の燃焼ガスに接触する内側プラットフォーム４７の熱膨張量は大きくなり、低温の冷却空気に接触する第２隔壁部材５０の熱膨張量は小さくなるが、内側プラットフォーム４７および第２隔壁部材５０は相互に結合されることなく相対移動可能に対峙しているため、シール部５７の部分に熱膨張量の差による応力が発生するのが防止される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では軸方向に２段に配置されたノズルガイドベーン３５のうち、上流側のノズルガイドベーン３５の内側プラットフォーム４７に中温空間５１を対向させているが、任意のノズルガイドベーン３５の内側プラットフォーム４７に中温空間５１を対向させても良い。

２３ 高圧コンプレッサ（コンプレッサ）
２９ 逆流燃焼室（燃焼室）
３２ 低圧タービン（タービン）
３５ ノズルガイドベーン
４７ 内側プラットフォーム
４８ 第１隔壁部材
５０ 第２隔壁部材
５１ 中温空間
５２ 第２低温空間（低温空間）
５５ プラットフォーム
５６ 低圧タービンブレード（タービンブレード）
５７ シール部

Claims (2)

1. コンプレッサ（２３）で圧縮した空気に燃料を混合して燃焼室（２９）で燃焼させ、燃焼により発生した高温の燃焼ガスが供給されるタービン（３２）が、上流側のノズルガイドベーン（３５）および下流側のタービンブレード（５６）を含むガスタービンエンジンであって、
   前記ノズルガイドベーン（３５）の径方向内端を支持する内側プラットフォーム（４７）と、前記内側プラットフォーム（４７）から径方向内側に延びる第１隔壁部材（４８）と、前記第１隔壁部材（４８）に径方向内端部が固定されて前記内側プラットフォーム（４７）に径方向外端部が対峙する第２隔壁部材（５０）とにより、前記内側プラットフォーム（４７）の軸方向略全長にオーバラップする環状の中温空間（５１）を形成し、前記第２隔壁部材（５０）の径方向内側に前記コンプレッサ（２３）から空気が供給される低温空間（５２）を形成したことを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記内側プラットフォーム（４７）の下流側端部と前記第２隔壁部材（５０）の下流側端部との間に前記タービンブレード（５６）のプラットフォーム（５５）の上流側端部を挿入することで、前記ノズルガイドベーン（３５）および前記タービンブレード（５６）間の隙間からの燃焼ガスの漏れを防止するシール部（５７）を構成したことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン。

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