JP2017089626A - 冷却空気転回ノズルを有するベーンを備えたガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】冷却空気転回ノズルを有するベーンを備えたガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】冷却空気通路１４０と冷却空気通路内に配置されて導管を定める流れ制御インサート１２０とを備えたベーン組立体１０２を有することにより、ロータディスクなどのガスタービンエンジンの高温部分を冷却する転回ノズル１２６がベーン６２に装着され、入口及び出口１３４を備えた転回通路１２８を有し、転回ノズル１２６は流れ制御インサート出口１３８に流体結合され、転回通路１２８は回転軸に対してほぼ半径方向でベーン６２から流出する流れを回転軸の周りで半径方向直線の回転によって定められる平面にほぼ接線方向である流れに転回する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおける構成要素の冷却、より詳細にはガスタービンエンジンのタービンセクションの構成要素の冷却に関連するシステム、方法及び他の装置に関する。

タービンエンジン及び特にガス又は燃焼タービンエンジンは、エンジンを通って多くのタービンブレード上に流れる燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出する回転エンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上及び海上移動並びに発電用に使用されているが、最も一般的には、ヘリコプターを含む航空機などの航空用途に使用される。航空機において、ガスタービンエンジンは、航空機の推進用に使用される。

航空機用のガスタービンエンジンは、エンジン推力を最大にするために高温で作動するよう設計され、よって、高圧タービン及び低圧タービンなどの特定のエンジン構成要素の冷却が必要となる場合がある。通常、冷却は、冷却が必要となるエンジン構成要素に高圧及び／又は低圧圧縮機からの低温の空気をダクト供給することにより達成される。タービンを冷却する際には、冷却空気をタービンベーンの内部に通過させることができる。

冷却を行う１つの手法は、タービンベーンの内部を通じて圧縮機空気を送ることであり、ここで冷却空気がロータに流入して、ブレードが装着された回転ディスクなどのロータの一部分を冷却することができる。効率の損失を避けるために、ベーンから出てロータに流入する冷却空気は、ロータの傾転方向とほぼ整列した向きにされ、回転ディスクの速度と一致することが望ましい。

米国特許第７，２４９，９２８号明細書

１つの態様において、本発明の実施形態は、回転軸を有するガスタービンエンジンのベーン組立体に関し、ここでベーン組立体は、前縁から後縁まで軸方向に延び且つ根元から先端まで半径方向に延びる翼形部本体を有するベーンを備える。ベーンは、翼形部本体を通って半径方向に延び、先端にて入口と根元にて出口とを有する冷却空気通路を含む。流れ制御インサートは、冷却空気通路内に配置され、冷却空気通路入口に対応する入口と、冷却空気通路出口に対応する出口とを有する導管を定める。転回ノズルは、ベーンに装着され、入口及び出口を備えた転回通路を有し、該転回ノズルは、流れ制御インサート出口に流体結合される。転回通路は、転回通路出口からの転回通路中心線が、回転軸に垂直な平面に対して第１の鋭角を形成するようなものである。

別の態様において、実施形態は、回転軸を有するガスタービンエンジンのベーンのための転回ノズルに関し、ここで転回ノズルは、入口及び出口を有する転回通路を備え、転回通路が、少なくとも８０度の滑らかな転回部を通じて局所的に転回する。転回通路は、滑らかな転回部の下流側で縮小断面積を有し、転回ノズルがベーンに装着されたときに、転回通路が、回転軸に対してほぼ半径方向でベーンから流出する流れを、回転軸の周りで半径方向直線の回転によって定められる平面にほぼ接線方向である流れに転回する。

本発明の第１の実施形態による航空機用のガスタービンエンジンの概略断面図。 ベーン組立体の斜視図。 転回ノズルを含む、図２のベーン組立体の内寄り斜視図。 図２及び３のベーン組立体の分解組立図。 図３及び４に示す転回ノズルの斜視図。 図３の線Ｖ−Ｖに沿って見たベーン組立体の拡大断面図。 エンジン中心線、上記中心線に関連して垂直な平面、及び転回ノズルが組み付けられた角度を示す概略図。

本発明の記載の実施形態は、特にガスタービンエンジンにおける構成要素の冷却、より詳細にはガスタービンエンジンのタービンセクションの構成要素の冷却に関連するシステム、方法及び他の装置に関する。説明の目的で、本発明は、航空機のガスタービンエンジンに関して説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、他の移動体用途及び非移動体の産業、商用及び住宅用途など、非航空機応用での汎用用途があることは理解されるであろう。

図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、前方１４から後方１６に延びた略長手方向に延びる軸線又はエンジン中心線１２を有する。エンジン１０は、下流側直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースター又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を有する圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を有する燃焼セクション２８と、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を有するタービンセクション３２と、排気セクション３８と、を含む。

ファンセクション１８は、ファン２０を囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、エンジン中心線１２の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、燃焼ガスを発生するエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、コアケーシング４６によって囲まれ、該コアケーシングは、ファンケーシング４０と結合することができる。

エンジン１０のエンジン中心線１２の周りに同軸に配置されたＨＰシャフト又はスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動可能に接続する。より大きな直径の環状のＨＰスプール４８内でエンジン１０のエンジン中心線１２の周りに同軸に配置されるＬＰシャフト又はスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動可能に接続する。また、スプール４８，５０の一方又は両方に装着されて共に回転するエンジン１０の部分は、個別に又は総称してロータ５１と呼ばれる。

ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６はそれぞれ、複数の圧縮機段５２，５４を含み、ここでは、圧縮機ブレード５８のセットが固定の圧縮機ベーン６０，６２の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段５４において、複数の圧縮機ブレード５８をリング状に設けることができ、エンジン中心線１２に対してブレードプラットフォームからブレード先端まで半径方向外向きに延びることができるが、対応する固定の圧縮機ベーン６２は、回転ブレード５８の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示すブレード、ベーン及び圧縮機段の数は、単に例示の目的で選択されたものであり、他の数が実施可能である点に留意されたい。圧縮機段のブレード５８は、ディスク５３に装着することができ、該ディスク５３は、ＨＰスプール４８及びＬＰスプール５０のうちの対応する方に装着され、各段が固有のディスク５３を有している。ベーン６２は、ロータ５１周りの円周方向配列でコアケーシング４６に装着される。

ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６はそれぞれ、複数のタービン段６４，６６を含み、ここでは、タービンブレード６８，７０のセットが固定のタービンベーン７２，７４（ノズルと呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームからエネルギーを抽出する。単一のタービン段６４において、複数のタービンブレード６８をリング状に設けることができ、エンジン中心線１２に対してブレードプラットフォームからブレード先端まで半径方向外向きに延びることができるが、対応する固定のタービンベーン７２，７４は、回転ブレード６８，７０の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示すブレード、ベーン及びタービン段の数は、単に例示の目的で選択されたものであり、他の数が実施可能である点に留意されたい。

作動時には、回転ファン２０は、周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、次いでＬＰ圧縮機２４は、加圧された周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給し、このＨＰ圧縮機２６が周囲空気を更に加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼器３０において燃料と混合されて点火され、これにより燃焼ガスを発生する。一部の仕事は、ＨＰタービン３４によってこれらのガスから抽出され、これによりＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスは、ＬＰタービンに放出され、該ＬＰタービンが追加の仕事を抽出して、ＬＰ圧縮機２４を駆動し、排気ガスは、最終的には排気セクション３８を介してエンジン１０から放出される。ＬＰタービン３６の駆動により、ＬＰスプール５０がファン２０及びＬＰ圧縮機２４を駆動させるようになる。

ファン２０によって供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４をバイパスし、エンジン１０の一部、特に高温部分の冷却に使用され、及び／又は航空機の他の特徴要素を冷却又は駆動するのに使用することができる。タービンエンジンの関連において、エンジンの高温部分は通常、燃焼器３０の下流側、特にタービンセクション３２であり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直ぐ下流側にあるので、最も高温の部分となる。冷却流体の他の供給源は、限定ではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から放出される流体とすることができる。

図２を参照して、ベーン６２を含むベーン組立体１０２を詳細に説明する。ベーン６２は、翼形部本体としての形状にされ、ここでベーン６２は、前縁１０６及び後縁１０８を有する。ベーン６２は、半径方向直線１１０に沿って根元１１２から先端１１４まで半径方向にわたって延び、ここで根元１１２は内側プラットフォーム１１６に装着され、先端１１４は上側プレート１１８に装着される。インピンジメントインサート（以下、単にインサートと呼ばれる）などの流れ制御インサート１２０は、ベーン６２内に配置されて、ベーン６２の先端に位置する入口１２４を有する導管１２２を定める。

ベーン組立体１０２から内寄りに見た図３を参照すると、転回ノズル１２６が内側プラットフォーム１１６に装着されているのが示されている。転回ノズル１２６は、転回通路１２８と、内側プラットフォーム１１６に当接し、溶接、ろう付け、半田付け又は同様のものによる金属接合を用いて内側プラットフォーム１１６に固定される肩部１３０とを含む。複数のフィン１３２が、転回通路１２８から肩部１３０の下方まで半径方向に延びて、転回通路１２８から熱を奪うようになる。転回通路１２８は、出口１３４にて終端している。

図４は、図３のベーン組立体１０２の分解組立図であり、転回通路１２８が、内側プラットフォーム開口１３８として例示された導管出口内に受けられる肩部１３０の上方に転回通路入口１２５（図５）を有する挿入部分１３６を更に含み、該肩部１３０が挿入ストップとして機能することを示している。この挿入部分１３６は、転回通路１２８を挿入導管１２２に流体結合する。

ベーンは更に、冷却空気通路又は導管通路１４０を含み、ここでインサート導管１２２がベーンの導管通路１４０によって囲まれるようにインサート１２０が配置される。インサート１２０は、インサート壁１４４に沿って配置される複数の孔１４２又はインピンジメント開口を含む。インピンジメント開口は、ベーン組立体１０２が完全に組み付けられたときに、導管１２２と導管通路１４０との間の流体接続を提供する。

図２〜４に示すように、ベーン６２のペアが図示され、全体として、これらの間にノズルと呼ばれるギャップが定められる。また、ベーン組立体１０２は、ベーン６２、内側プラットフォーム１１６、外側プラットフォーム１１５、インサート１２０、及び転回ノズル１２６を含むように図示されているが、ベーン組立体１０２は、より少ない又はより多くの構成要素を含むことができる。

ここで図５を参照して、転回ノズル１２６の詳細を説明する。転回ノズル１２６は、入口１２５及び出口１３４を有する転回通路１２８と、転回部１３１とを定める。転回ノズル１２６は、挿入部分１３６と加速部分１２９とを備えた肘様形状を有し、転回部１３１は、挿入部分１３６から加速部分１２９への移行部に配置される。入口１２５は挿入部分１３６に配置され、出口１３４は第２の部分に配置される。転回ノズル１２６は、肘様形状として示されているが、他の形状も実施可能である。

入口１２５と出口１３４との間に配置される肩部１３０はまた、挿入部分１３６に停止点を提供することにより、転回ノズル１２６の挿入部分１３６の挿入を制限するよう機能する。図示のように、肩部１３０は、転回部１３１の上流側の挿入部分１３６に配置される。肩部１３０の上方に任意選択の開口１４６を設けることができ、これによりベーン６２の内部、特に転回ノズル１２６とベーン６２の接合部の更なる冷却が可能となる。

転回通路１２８において、縮小断面積１４８が設けられる。図示のように、加速部分１２９は、縮小断面積１４８を含む。しかしながら、縮小断面積１４８は、転回通路１２８に沿った任意の場所に配置することができ、出口１３４付近が最も効果的である。断面積１４８は、連続的に縮小する断面積を有するように示されている。しかしながら、縮小断面積１４８は、単一の縮小断面積又は一連の縮小断面積を含めて、連続又は不連続とすることができる。

回転ストップ１５０は、転回通路１２８から突出し、ベーン６２に対する転回ノズル１２６の回転位置を定める。肩部１３０がベーン６２又は内側プラットフォーム１１６に当接するまで挿入部分１３６を挿入することによって、転回ノズル１２６がベーン６２に装着される場合には、場合によっては、転回ノズル１２６が、内側プラットフォーム１１６の一部とすることができる別の構造部分に回転ストップ１５０が当接する位置まで回転して、転回ノズル１２６の回転を制限する。この意味で、回転ストップ１５０はまた、エンジン中心線１２及び該エンジン中心線１２から垂直に延びる半径方向直線１１０に対することを含めて、ロータ５１に対する出口１３４の位置を定める。転回通路は、部分１５２に沿った主半径方向の向きから、部分１５４に沿った回転軸に垂直な平面１５５に対する主平行面に転回する。

図６を参照すると、転回通路１２８は、転回部１３１の下流側に比べて上流側の異なる向きを有する転回通路中心線を有する。パージ空気流１５６は、挿入導管１２２を通り部分１５２に沿って転回ノズル１２６内に移動して、転回ノズル出口１３４にて部分１５４に沿って流出する冷却空気である。転回部１３１の上流側では、転回通路中心線の部分１５２が半径方向直線１１０とほぼ整列している。角度βは、転回通路中心部分１５２と半径方向直線１１０との間に形成される。転回通路１２８は、この角度がゼロ度となるような向きにすることができる。ほとんどの場合、角度βは、１０度未満の小さな鋭角となる。

図７を参照すると、転回通路中心線の部分１５４は、エンジンの回転軸でもあるエンジン中心線１２に垂直な平面１５５に対して角度αを形成する。この角度は鋭角αである。角度αは、１０度未満の比較的小さい角度となることが企図される。ほとんどの場合、角度αは、所与の実施態様においてできる限りゼロに近いことが望ましい角度αがゼロに近いほど、出口１３４から流出するパージ空気流１５６が平面１５５に対して接線方向に近くなる。

作動時には、転回ノズル１２６は、転回に伴う圧力損失を低減するように、ベーン６２から流出するパージ空気流１５６の転回に影響をもたらす。転回量は、半径方向直線１１０に対してほぼ９０度であり、８０〜９０度であることが企図される。滑らかな転回部１３１は、実質的な圧力損失のないパージ空気流１５６の転回、並びに冷却空気の加熱を
最小限にすることを助ける。転回部１３１は、鋭利なコーナーではなく、コーナーに伴う圧力損失を有することなくパージ空気流１５６の転回を可能にする滑らかな円弧状移行部を含む。

転回ノズル１２６はまた、出口１３４から流出するパージ空気流１５６が平面１５５と実質的に接線方向であるようにパージ空気流１５６を整列させる。流出するパージ空気流１５６が平面１５５と接線方向により近づくほど、流入するパージ空気ジェットの速度が回転空気の速度と一致するので、発生する流体摩擦損失（抗力）がより小さくなり、回転空気の全体の温度がより大きく低下する。

転回ノズル１２６はまた、流出するパージ空気流１５６をディスク５３の回転方向に配向すると共に、縮小断面積１４８は、ロータ５１のディスク５３の回転速度に対してパージ空気流１５６を加速させる。パージ空気流１５６の速度がディスク５３の回転速度に近づくほど、ディスク５３によって駆動される必要のある空気流をパージ空気流１５６が生成せず、これにより回転ディスク５３に作用する抗力が低減されるので、効率もまた増大する。例示的な実施形態において、ノズルから流出する冷却空気の速度は、摩擦力又は抗力を最小限にし、冷却空気の温度を最低にすることができる設計制約としてできるだけ高いことが必要である。ロータに衝突する箇所にてノズルから流出する空気の速度は、できる限りロータ速度に近くする必要がある。

製造時には、転回ノズルは、鋳造又は３Ｄプリンティング、或いは、挿入部分と干渉が生じる空気漏洩を依然として低減し、パージ空気がノズルから流出するときの圧力損失を低減し、急転回及び高損失開口／出口に伴う冷却空気の加熱を最小限にするような手段により製造することができる。転回ノズルが所定位置にあるときには、該転回ノズルは、挿入孔と整列する点で自己センタリング機能があり、既存のノズル特徴要素と一致するよう設計されている点で適合されている。

上述のように、転回ノズルは、インピンジメントインサートを含むベーンセグメントに組み付けられたときに、パージ空気をインサートキャビティからホイールスペースキャビティに送り、転回ノズル出口からのより高速のパージ空気速度に移行させることで圧力損失を低減する別個の要素である。パージ空気の転回時の高い圧力低下は通常、パージ空気を強制的に再循環させ、又は内部インサート／パージノズル高温表面を「擦る」急転回及び障害をもたらすことにつながり、結果としてパージ空気の温度を上昇させ、ロータシステムに悪影響をもたらし、ロータ寿命を短縮することになるので、上記のことは有利となる。転回ノズルの別の利点は、ロータ平面に対してできる限り大きな接線成分として加えることによって通常得られるパージ空気ベクトル方向を選ぶ上で十分な融通性を提供し、ホイールスペースキャビティにおける摩擦損失が最小限となる。

転回ノズルはまた、取り付け挿入部分と接合するインピンジメントインサートとの間の接合部にて生じる漏洩を最小限にした状態で、空気をインサートキャビティからホイールスペースキャビティに移行させることができる。転回ノズルの適用は、ファン及びブースターセクションを有するタービンエンジンに限定されず、ターボジェット及びターボエンジンにも適用可能である点は理解されたい。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を含む場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ エンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ 低圧圧縮機
２６ 高圧圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ 高圧タービン
３６ 低圧タービン
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ 高圧シャフト／スプール
５０ 低圧シャフト／スプール
５１ ロータ
５２ 圧縮機段
５３ ディスク
５４ 圧縮機段
５６ 回転ブレード
５８ 回転ブレード
６０ ベーン
６２ ベーン
６４ タービン段
６６ タービン段
６８ タービン段
７０ タービン段
７２ タービンベーン
７４ タービンベーン
１０２ ベーン組立体
１０６ 前縁
１０８ 後縁
１１０ 半径方向直線
１１１ ライナ
１１２ 根元
１１４ 先端
１１６ 内側プラットフォーム
１１８ 上側プレート
１２０ 流れ制御インサート（インサート）
１２２ インサート導管
１２４ インサート導管入口
１２５ 転回ノズル入口
１２６ 転回ノズル
１２８ 転回通路
１２９ 加速部分
１３０ 肩部
１３１ 転回部
１３２ フィン
１３４ 出口
１３６ 挿入部分
１３８ 内側プラットフォーム開口
１４０ 導管通路
１４２ 複数の孔
１４４ 挿入壁
１４６ 任意選択の開口
１４８ 縮小断面積
１５０ 回転ストップ
１５２ 部分
１５４ 部分
１５５ 平面
１５６ パージ空気流

Claims (9)

1. 回転軸（１２）を有するガスタービンエンジン（１０）のベーン（６２，６２）のための転回ノズル（１２６）であって、前記転回ノズル（１２６）が、入口（１２５）及び出口（１３４）を有する転回通路（１２８）を備え、前記転回通路（１２８）が、少なくとも４５度で滑らかな転回部を通じて局所的に転回し、前記転回通路（１２８）が、前記滑らかな転回部（１３１）の下流側で縮小断面積（１４８）を有し、前記転回ノズル（１２６）が前記ベーン（６２，６２）に装着されたときに、前記転回通路（１２８）が、前記回転軸（１２）に対してほぼ半径方向で前記ベーン（６２，６２）から流出する流れを、前記回転軸（１２）の周りで半径方向直線（１１０）の回転によって定められる平面（１５５）にほぼ接線方向である流れ（１５６）に転回する、転回ノズル（１２６）。
2. 前記縮小断面積（１４８）が、前記転回通路の出口（１３４）又はその近傍で連続的に縮小する断面積（１４８）を含む、請求項１に記載の転回ノズル（１２６）。
3. 前記連続的に縮小する断面積（１４８）が、冷却空気（１５６）を前記転回通路の出口（１３４）にてエンジン（１０）の作動回転速度の２０％以内の速度まで加速する、請求項２に記載の転回ノズル（１２６）。
4. 前記滑らかな転回部（１３１）の上流側に挿入ストップ（１３０）として機能する肩部（１３０）を更に備える、請求項１に記載の転回ノズル（１２６）。
5. 前記肩部（１３０）の上流側で前記転回通路（１２８）を通過する孔（１４６）を更に備える、請求項４に記載の転回ノズル（１２６）。
6. 前記転回通路（１２８）から延びて、該転回通路（１２８）から熱を奪うようにする複数のフィン（１３２）を更に備える、請求項１に記載の転回ノズル（１２６）。
7. 前記複数のフィン（１３２）が、前記滑らかな転回部（１３１）の上流側に延びる、請求項６に記載の転回ノズル（１２６）。
8. 前記転回通路（１２８）から突出する回転ストップ（１５０）を更に備える、請求項１に記載の転回ノズル（１２６）。
9. 前記回転ストップ（１５０）が、前記滑らかな転回部（１３１）の下流側にある、請求項８に記載の転回ノズル（１２６）。