JP2018505336A - 航空機タービンエンジンのタービンアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、連続して配置される第１のブレード付きロータ（１２）と、ブレード付きステータ（１３）と、第２のブレード付きロータ（１４）とを少なくとも備え、ロータ（１２，１４）が、シャフト（２）に取り付けられ、封止プレート（２０）が、ステータ（１３）とシャフト（２）との間に延在し、第１のロータ（１２）とステータ（１３）との間に配置される第１の凹所（Ｃ１）をステータ（１３）と第２のロータ（１４）との間に配置される第２の凹所（Ｃ２）から分離し、減圧手段（３００，３１）が、第１の凹所（Ｃ１）の内部に配置される、タービンエンジン（１）のタービンアセンブリ（１０）であって、前記減圧手段（３００，３１）が、第１の凹所（Ｃ１）の中に延在する複数の実質的に半径方向の再圧縮フィン（３００）を備えることを特徴とする、タービンアセンブリに関する。

Description

本発明は、タービンエンジンのタービンに関する。

十分な質量の空気量を噴射するために、一定速度での圧力の増加が、吸気圧縮機によって得られる。次いで、機械を通過する空気の酸素中の燃料、一般的に灯油の燃焼によって、かなりのエネルギー放出が生じる。

タービンエンジンは、空気取入れ口に配置される圧縮機をはじめとする、いくつかの回転要素を駆動するように燃料燃焼によって放出されるエネルギーの一部を回収するタービンを備える。

図１に示されるもののタイプのバイパス型タービンエンジンにおいては、タービンは、通常、１つまたは複数の高圧（ＨＰ）段（ステータ−ロータ）および１つまたは複数の低圧（ＢＰ）段からなる。

特に、ＨＰタービンにおいては、２つの段を有するものが最良の性能を有するものの中にあることが認められる。

しかしながら、ＨＰタービン、たとえば２段ＨＰタービン特有の１つの問題は、２つのディスク間凹所の間の流体密封性を制御することである。知られている２段タービン１０を示す図２を参照すると、ブレード付きステータ１１および第１のブレード付きロータ１２（ブレード付きディスク）によって形成される第１段が示されており、第２段は、第２のブレード付きステータ１３および第２のブレード付きロータ（１４）（もう１つのブレード付きディスク）によって形成される。ステータ１１，１３のアセンブリは、固定ブレードを形成し（ステータ１１，１３は、タービンエンジン１のケーシングに取り付けられる）、ロータ１２，１４のアセンブリは、可動ブレードを形成する（ロータ１２，１４は、シャフト２に取り付けられる）。

言及された２つのディスク間凹所は、第２のステータ１３の両側に配置され、第２のステータ１３の上流（第１のロータ１２と第２のステータ１３との間）には第１の凹所Ｃ１が認められ、下流（第２のステータ１３と第２のロータ１４との間）には第２の凹所Ｃ２が認められる。

第１の凹所（または上流凹所）Ｃ１および第２の凹所（または下流凹所）Ｃ２は、（プレート２０が取り付けられる）第２のステータ１３のプラットフォームからシャフト２まで延在する封止プレート（ステータ／シュラウド）２０によって分離される。プレート２０は、実質的に環状の形状のプレートである。

冷却のために、流体は、第２のステータ１３のプラットフォームを通して第１の凹所Ｃ１に注入され、そこから、第１のロータ１２および第２のステータ１３のプラットフォームの間の隙間を通して再び外に出る。

しかし、図２にまた見ることができるように、この流体の一部は、プレート２０とシャフト２との間の接合点で漏出し、第２の凹所Ｃ２と合流し、そこから、これは、第２のステータ１３および第２のロータ１４のプラットフォームの間の隙間によって再び外に出る。この流れは第２のステータ１３を短絡し、したがって、僅かな効率損失を生じる。

この現象に対処するために、たとえばラビリンスシール２１を追加することによって、プレート２０とシャフト２との間の接合点での流体密封性を改善する試みがなされている。しかしながら、この点における流体密封性の制御は、プレート２０およびシャフト２が互いに対して移動するという点で複雑である。

本発明は、２つのディスク間凹所Ｃ１とＣ２との間の流体密封性の問題を簡単かつ効果的に解決することによって状況を改善する。

本発明は、連続的に配置される第１のブレード付きロータと、ブレード付きステータと、第２のブレード付きロータとを少なくとも備え、ロータが、シャフトに取り付けられ、封止プレートが、ステータとシャフトとの間に延在し、第１のロータとステータとの間に配置される第１の凹所をステータと第２のロータとの間に配置される第２の凹所から分離し、減圧手段が、第１の凹所の内部に配置される、タービンエンジンのタービンアセンブリを提案する。

このアセンブリは、減圧手段が、第１の凹所の中に延在する複数の実質的に半径方向の再圧縮フィンを備えることを特徴とする。

ここで、タービンとは、特に、２つのディスク間凹所の間の流体密封性の制御が設計上および製造上の努力を必要とする任意の高速タービンを意味する。高速タービンが意味するものとは、航空機タービンエンジンの高圧タービンに生じる圧力に類似した圧力で動作する任意のタービンである。この種のタービンは、より遅い低圧タービンをも有するタービンエンジンの高圧タービンと比較して、高速タービンとして特徴付けられ得る。

他の有利かつ非限定的な特徴によれば、
・前記フィンは、第１のロータの下流面に配置され、
・フィンは、第１のロータの薄肉部に配置され、
・第１のロータは、複数のブレードを備え、タービンアセンブリは、第１のロータの各ブレードに対して１つのフィンを備え、
・フィンは湾曲した遠位端を有し、
・第１の凹所の内側の前記減圧手段はまた、再圧縮フィンに面する第１の凹所の中に配置される補助封止プレートを備え、
・フィンおよび補助封止プレートは相補的な形状を有し、
・第１の凹所の内部の減圧手段は、第１の凹所と第２の凹所との間の圧力差を少なくとも５０％だけ減少させるように構成され、
・第１の凹所の内部の減圧手段は、第１の凹所と第２の凹所との間の圧力差を少なくとも９０％だけ減少させるように構成され、
・前記ブレード付きステータは、第２のステータであり、タービンアセンブリがまた、第１のロータの上流に配置される第１のブレード付きステータを備え、
・ステータの上流の圧力は、ステータの下流の圧力よりも大きい。

本発明の他の特徴および利点は、好ましい実施形態の後に続く説明を読むと明らかになるであろう。この説明は、添付の図面を参照して与えられることになる。

知られているタービンエンジンを示す図である。 従来技術による２段タービンを示す図である。 従来技術による２段タービンの詳細を示す図である。 本発明によるタービンの一実施形態を示す図である。 本発明によるタービンの第１のロータの実施形態を示す図である。 本発明によるタービンの第１のロータの実施形態を示す図である。

流体密封性
図３ａを参照すると、ディスク間シールの透過性は、ディスク間凹所Ｃ１およびＣ２に広がる圧力環境に大きく依存するが、それは、第２のステータ１３を通過する際の流れの膨張の程度によって制約される。実際、定義によれば、圧力は、タービンの各部材１１，１２，１３，１４において減少し、特に、第２のステータ１３の上流の圧力は、こうして第２のステータ１３の下流の圧力よりも小さい。実際には、この第２のステータ１３の下流の圧力Ｐ_{ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ}は、ステータ１３の上流の圧力Ｐ_{ｕｐｓｔｒｅａｍ}の約０．４〜０．８倍（約０．５倍が有利である）になる。通常、Ｐ_{ｕｐｓｔｒｅａｍ}およびＰ_{ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ}は、数バール程度である。この強い差が、ラビリンスシール２１における漏れの可能性を増加させる。

このシールの固有の性能を向上させることは常に可能であるが、最小限の組み付け隙間、ＮＩＤＤＡタイプのアブレイダブルカートリッジの一体化、またはディスク間内部の空間の使用などの状況により、これが決して完璧であり得ないことは確実である。

本発明は、シール２１におけるシール性能をさらに向上することによってではなく、この問題の原因、すなわち２つのキャビティＣ１とＣ２との間の圧力差に抗して作用することによって、ディスク間の透過性の問題を解決することを提案する。

より正確には、連続的に配置される第１のブレード付きロータ１２、ブレード付きステータ１３、および第２のブレード付きロータ１４を少なくとも備えるタービンエンジン１のタービンアセンブリ１０が提案される。実際には、ブレード付きステータ１３は、（導入部で説明したように）第２のステータであり、タービン１０はまた、上流に配置される第１のステータ１１を備える。「上流」または「下流」において、考慮されるのは流体の流れの方向であり、圧縮チャンバを離れると、流体は、第１のステータ１１、次いで第１のロータ１２、次いで第２のステータ１３、および最後に第２のロータ１４を次々と通過することになる。第１のステータ１１およびロータ１２は、タービン１０の第１段を構成し、第２のステータ１３およびロータ１４は、第２段を構成する。好ましくは、タービン１０は、２段であるが、代替的に、追加の段を備えることができる。

第２のステータ１３のみが本タービンアセンブリ１０の範囲内で不可欠であることが理解されよう。また、これは、以下では説明において「ステータ」１３と呼ばれることになる。

ロータ１２，１４は、シャフト２に取り付けられる。それらは、空気が循環する内壁／外壁を有するプラットフォームから始まり、流れを規定するそれらの全周にわたって延在する複数の半径方向ブレードを有する。

特に、ロータ１２，１４は、一体構成であり得る（したがって部品１のブレードすべてを支持し得る）か、またはブレードを構成するように単一のブレード（ブレード「根元」）をそれぞれ支持する複数の基本部材から形成され得る。第１の場合は、使用される用語は、ブリスクであり、第２の場合は、ブレード付きホイールである。ある場合には、ブレードの場合のように、ロータ１２，１４は、通常、（質量低減のために）そのプラットフォームの下に薄肉部１２０を有する。

ステータ１１および１３に関しては、ブレードは外部ケーシングに取り付けられる。それらは、部品１の半径方向外壁（ガスが内部に流れ、ブレードが中心に向かって延在する）と、ロータ１２，１４についてはハブを画定することによって場合によっては部品１の半径方向内壁（ガスがその周りを通過する）とを画定するプラットフォームを有する。

また、ステータ１１，１３は、単一体であってもなくてもよく、固定されても、または可動ブレードを有してもよい。

そのうえ、封止プレート２０は、ステータ１３とシャフト２との間に延在し、第１のロータ１２とステータ１３との間に配置される第１の凹所Ｃ１を、ステータ１３と第２のロータ１４との間に配置される第２の凹所Ｃ２から分離する。先に説明したように、これは、実質的に環状の形状のプレートであり、通常、ラビリンスシール２１によって終端される。

また、本タービンアセンブリ１０は、これがまた第１の凹所Ｃ１の内部に減圧手段３００，３１を備えるという点で、ディスク間の透過性の問題を解決する。

圧力リバランシング
図３ｂを参照すると、第１の凹所Ｃ１の内部の減圧手段３００，３１は、凹所Ｃ１の内部のｐバールの圧力の減少と、はるかに小さい程度までの凹部Ｃ２の内部の圧力の減少（ｐ’バールだけ、

とを誘発する。

このため、以下では本説明において、ｐ’はゼロと仮定する）とをもたらす。凹所Ｃ１およびＣ２の各々の圧力が均一でない場合がある限りにおいて、「第１の凹所Ｃ１の内部の圧力」および「第２の凹所Ｃ２の内部の圧力」が意味するものとは、それぞれラビリンスシール２１の両側の、各凹所の最も中央部分の内部の圧力であることに留意されたい。

前述の実施例に戻ると、

および

のそれぞれの圧力（手段３００，３１がアクティブの場合）が得られる。

２つの凹所Ｃ１とＣ２との間の圧力差Δ（すなわち、ラビリンスシール２１の端部における圧力勾配）は、

から

まで低減される。

好ましくは、圧力の減少は、圧力デルタがかなり低減され、すなわち、第１の凹所Ｃ１および第２の凹所Ｃ２の圧力がバランスする、すなわち

すなわち

という傾向にあるようなものである。

したがって、第１の凹所Ｃ１の内部の減圧手段３００，３１は、圧力差Δが少なくとも２つに分割される（すなわち、

換言すれば

）、あるいは少なくとも１０で割られる（すなわち、

換言すれば

）ように構成されることが有利である。

第１の凹所Ｃ１と第２の凹所Ｃ２との間の圧力差の低減あるいは相殺は、封止の問題を低減しあるいは無効にし、圧力が等しいならば、封止が不完全の場合でも第１の凹所Ｃ１から第２の凹所Ｃ２への流れはもはや存在しない。

第１の凹所Ｃ１の内部の機械的吸引から始めて、第１の凹所Ｃ１の内部の減圧手段３００，３１の非常に多くの実施形態が可能であることが理解されよう。

好ましくは、図３ｂに示されような「局所的な」遠心圧縮機の効果を再現する複数の再圧縮フィン３００が使用される。

遠心圧縮機
遠心圧縮機は、流体を軸２の周りで回転駆動し、その結果として、凹所Ｃ１の底部（中心）から頂部（流れの合流点において、外側）に向かって流体の強制移動、すなわちその半径方向の移動を遠心力によって駆動する機構である。したがって、これにより圧力勾配が生じる。

より正確には、回転中の流体システムの場合、静圧平衡法則は、式：

によって与えられることが想起され、
ここで、
ρ：空気の単位体積あたりの質量（ｋｇ／ｍ^３）
ｒ：半径（ｍ）
Ｗ_ａｉｒ：空気の回転速度（ｒａｄ／ｓ）
Ｗ_{ｒｏｔｏｒ}：固体の回転速度（ｒａｄ／ｓ）
Ｋｅ：エントレインメント係数＝

である。

したがって、遠心圧縮機は、流体を回転させることによって、Ｋｅが最大化されたときに最大化される第１の凹所における遠心効果をバランスさせる逆圧力勾配を生じる。

したがって、圧縮機は、定義によれば所与の領域（ここでは、凹所Ｃ１とステータ１３の上流の流れとの間の合流点）における圧力の上昇を引き起こすように設計される装置であるが、また、流体が「圧送される」もう１つの領域（ここでは、凹所Ｃ１の内部の、すなわち中心の方に最も遠い）における圧力の低下を引き起こす効果を有することが理解されよう。したがって、減圧手段としての圧縮機の使用は、逆説的であるように思われるが、何ら問題は生じない。

フィン
好ましくは、遠心圧縮機の効果は、第１の凹所Ｃ１の中に延在する複数の実質的に半径方向の再圧縮フィン３００によって得られる。換言すれば、減圧手段３００，３１は、前記複数の再圧縮フィン３００を備える。

第１のロータ１２が凹所Ｃ１の回転時にすでに固体を構成している限りにおいて、第１のロータ１２の下流面にフィン３００を配置すれば十分である。したがって、ロータ１２の回転は、第１の凹所Ｃ１の内部の遠心圧縮および減圧の所望の効果を自然にかつ自動的に推進する。フィン３００は、係数Ｋｅを最大化するように構成される。

再圧縮フィンをタービンに配置することがすでに知られているが、決して第１の凹所Ｃ１にではなく、まして第１のロータ１２の下流面にではなく、もっと強い理由から第１の凹所Ｃ１の内部の圧力を低減する目的ではないことが留意されよう。

たとえば、出願米国特許第４７５９６８８号明細書は、第１のロータの上流面に面する再圧縮フィンを提案している。この種のフィンは（ステータと一体であることが留意されるであろうが）、第１のロータ内の流体循環を、およびしたがってその冷却を促進する目的で流体を圧送するためにのみ使用される。それらは、第１のロータ１２と共に回転する現在のフィン３００とは無関係である。

ロータ１２を示す図４ａを参照すると、フィン３００は、第１のロータ１２の薄肉部１２０に配置されることが好ましい。この薄肉部の端部において、フィン３００は、湾曲した遠位端３０１を有する。これらのフィンをできるだけ流れに接近させておくことが望ましい。

この種の構成は、（第１の凹所Ｃ１の底部における）ロータ（１２）によるいわゆる換気、または（導入部で説明したように）ステータ１３による換気の場合には好ましい。実際、フィン３００は、ここでは、（ラビリンスシール２１の近くの）第１のロータ１２の（冷却用の）供給孔の出口に直接見出される。フィン３００の出口半径は、質量／機械的強度／性能利得の妥協の結果である。

あるいは、第１のロータのプラットフォームの下方の、「セルの底部を通る」いわゆ
る換気の場合は、フィンによって生成される「ダクト」の入口損失水頭を制限するように、上昇中にＫｅ＝１を保持する流れまでのセルの底部の半径を発端とする薄肉部１２０よりも高くフィン３００を配置することが望ましい。

いずれにしても、ロータ１２の周りにブレードがあるのと同じくらい多くのフィン３００（すなわち、図４の場合のように、ロータが、分離したブレードを受け入れることができるホイールである場合には穴）があることが好ましい。さらに、半径方向流路断面積が大きく（損失水頭の制限）、フィン３００が薄い（質量付加の制限）ことが好ましい。

フィン３００の追加は、空気と第１のロータ１２との間の交換係数を減少させる（Ｋｅはできるだけ１に近いので、ロータ１２のディスクと流体との間の相対接線速度は事実上ゼロである）ことが留意され、それは、下流面の空気の温度に対するロータの「感度」の低下を引き起こし、それにより、
− 第１のロータ１２の熱制御、
− 上流面に起こり得る追加の再圧縮フィンの場合の軸線方向の温度勾配の減少、したがってディスクの漏れの減少、およびロータ／ステータ隙間の改善
が可能になる。

さらに、フィン３００は、第１のロータ１２の応答時間を増加させ、それは、加速および減速段階中の第１のロータ１２の減速、したがってロータ／ステータ隙間の使用のピークの減少、および関連する摩耗のリスクの低減を可能にする。

補助プレート
それらの効果を増幅するために、フィン３００は、前記フィン３００に面する第１の凹所Ｃ１に配置される補助封止プレート３１を伴ってもよい。図３ｂおよび図４ｂに明らかなこの種の補助プレート３１により、エアギャップが減少し、損失水頭が低減し、（流体が第１のロータ１２の速度で回転するように拘束されるので）より容易にＫｅが１に近づくことになり得る。

Claims (11)

1. 連続的に配置される第１のブレード付きロータ（１２）と、ブレード付きステータ（１３）と、第２のブレード付きロータ（１４）とを少なくとも備え、ロータ（１２，１４）が、シャフト（２）に取り付けられ、封止プレート（２０）が、ステータ（１３）とシャフト（２）との間に延在し、第１のロータ（１２）とステータ（１３）との間に配置される第１の凹所（Ｃ１）をステータ（１３）と第２のロータ（１４）との間に配置される第２の凹所（Ｃ２）から分離し、減圧手段（３００，３１）が、第１の凹所（Ｃ１）の内部に配置される、航空機タービンエンジン（１）用のタービンアセンブリ（１０）であって、前記減圧手段（３００，３１）が、第１の凹所（Ｃ１）の中に延在する複数の実質的に半径方向の再圧縮フィン（３００）を備えることを特徴とする、タービンアセンブリ。
2. 前記フィン（３００）が、第１のロータ（１２）の下流面に配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. フィン（３００）が、第１のロータ（１２）の薄肉部（１２０）に配置される、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 第１のロータ（１２）が、複数のブレードを備え、タービンアセンブリ（１０）が、第１のロータ（１２）の各ブレードに対して１つのフィン（３００）を備える、請求項２および３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
5. フィン（３００）が、湾曲した遠位端（３０１）を有する、請求項２から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. 第１の凹所（Ｃ１）の内部の前記減圧手段（３００，３１）がまた、再圧縮フィン（３００）に面する第１の凹所（Ｃ１）の中に配置される補助封止プレート（３１）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. フィン（３００）および補助封止プレート（３１）が、相補的な形状を有する、請求項１および６の組み合わせに記載のアセンブリ。
8. 第１の凹所（Ｃ１）の内部の減圧手段（３００，３１）が、第１の凹所（Ｃ１）と第２の凹所（Ｃ２）との間の圧力差を少なくとも５０％だけ減少させるように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
9. 第１の凹所（Ｃ１）の内部の減圧手段（３００，３１）が、第１の凹所（Ｃ１）と第２の凹所（Ｃ２）との間の圧力差を少なくとも９０％だけ減少させるように構成される、請求項８に記載のアセンブリ。
10. ブレード付きステータ（１３）が、第２のステータであり、タービンアセンブリがまた、第１のロータ（１２）の上流に配置される第１のブレード付きステータ（１１）を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
11. ステータ（１３）の上流の圧力が、ステータ（１３）の下流の圧力よりも大きい、請求項１から１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。

Images