JP2742998B2 - 冷却空気供給マニホールド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はガスタービンエンジンのタービンロータへ冷
却空気を供給する構造体に係る。 従来の技術 ガスタービンエンジンのロータは、ロータの角速度に
適合するよう選定された接線方向の速度成分を有するよ
う冷却空気を放出するマニホールド構造体によりロータ
の半径方向内方の部分へ供給される空気の流れにより冷
却されるようになっていることが多い。例えば1984年３
月６日付にて発行された米国特許第4,435,123号に記載
された構造体がガスタービンエンジン内に装着され、エ
ンジンの種々の部分の間をシールする環状のシール面等
を支持するようになってことが多い。マニホールド構造
体は上流側の圧縮機セクションより供給される加圧され
た環状の流れより冷却空気を受ける。 当業者には理解され得る如く、放出される冷却空気が
均一性であることが加熱された燃焼生成物中に曝される
タービンロータの半径方向外方の構造体やブレードに好
ましい冷却効果を達成する点で主要な因子である。空気
流の均一性に加えて、冷却システムの作動を変化させた
り栓塞や他の流れの異常を検出するためには、タービン
ロータに隣接する冷却空気流空間内の圧力を検出するこ
とが必要である。 またガスタービンエンジンの開発に詳しい人には、或
る特定のエンジンに於けるタービンの第一段の冷却要件
は、パワー出力を増減すべくエンジンの構造がグレード
アップされると、その使用期間中に変化することが多い
ことが理解されよう。従来の冷却空気マニホールドの構
造に於ては、タービンロータの冷却要求の変化を受入れ
るためには空気流路及びその孔の大きさを変更する必要
があり、そのため各一群の関連するエンジン構造毎に複
数個の同様の互換性のない部品が必要になる。同様にエ
ンジンの構成材料の変化、使用寿命の増大の如く現場に
於ける或る特定のエンジンに対するロータ冷却要求の変
化により、そのエンジンに現在使用されているマニホー
ルドを取外して所望の冷却空気流を供給するよう製造さ
れた他のマニホールドに置換えることが必要になる。 従って当技術分野に於て必要とされているものは、タ
ービンロータへ均一な空気流を供給することができ、ま
た交換することなく種々の流量にて冷却空気を供給する
よう容易に適合化され得るマニホールドである。 発明の概要 従って本発明の目的は、ガスタービンエンジン等の回
転するタービンロータディスクの半径方向内方の面に隣
接する領域へ冷却空気の環状の旋回流を供給する空気流
マニホールドを提供することである。 本発明の他の一つの目的は、タービンロータディスク
の面に隣接する領域へ冷却空気を均一に分配するよう構
成された空気流マニホールドを提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、ガスタービンエンジ
ン内にマニホールドを装着するための手段であって、マ
ニホールドを通過させる空気の流れを乱すことのない手
段を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、タービンロータディ
スクの冷却要件に応答してマニホールドを通過する空気
の流量を調節する手段を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、マニホールドの出口
圧力及び冷却空気の流量を検出するための一体的な圧力
タップを設けることである。 本発明によれば、回転するタービンロータディスクの
半径方向の内方の部分に対し冷却空気の旋回流を接線方
向へ噴射する冷却空気マニホールドは、実質的に軸線方
向に流れる環状の加圧された空気流より冷却空気を受
け、その空気をマニホールドのノズルまで半径方向内方
へ導く複数個の互いに隣接する同一の流路よりなり、ノ
ズルへ導かれた冷却空気は回転するディスクに対し接線
方向に放出される。本発明によるマニホールドはロータ
の回転軸線の周りに実質的に対称であり、流路は二つの
実質的に切頭円錘形の壁であってそれらの間に複数個の
フローディバイダを有する壁により郭定されている。マ
ニホールドの装着は、装着ボルトを受入れるようフロー
ディバイダの厚さを増大し、これによりマニホールドが
その内部を流れる空気流を乱すことなくエンジンケー
ス、即ちエンジンフレームに固定され得るようにするこ
とによって行なわれる。 フローディバイダは放出される冷却空気を加速し冷却
空気に接線方向の速度成分を与える放出ノズルを形成す
るよう、マニホールドの出口を近接した領域に於て湾曲
されている。各流路は流体の内部圧力損失やアンバラン
スな空気流を発生させることがある従来の共通空気の入
口及びプレナム構造を有していない。 本発明によるマニホールドの他の一つの特徴は、マニ
ホールド全体の構成を変えることなくマニホールドを通
過する空気の流量を調節し得ることである。かかる流量
の調節は、本発明に於ては、各流路の入口に隣接した位
置に対応する流れ遮断プレートを受ける平坦面を設ける
ことにより達成される。遮断プレートはマニホールドへ
流入する空気の流れを遮断し、これにより空気流の冷却
性能を修正するための容易な手段を与える。追加の空気
流が必要とされる場合には、タービンロータに近接した
位置にて切頭円錘形の壁に厚さが増大された領域が設け
られ、該領域を貫通して流量調節孔が穿孔され、これに
より冷却空気の一部が放出ノズルをバイパスしてマニホ
ールドより放出される。 またマニホールドは軸線方向に流れる加圧された空気
流とロータディスクに取付けられたタービンブレードの
半径方向内方の部分との間に冷却空気の二次流を与え
る。複数個の傾斜された孔がタービンの入口に隣接する
第三の切頭円錘形の壁に形成された半径方向外方の周縁
フランジに形成されている。これらの傾斜された孔は高
温の燃焼ガスがディスクの面を越えて半径方向内方へ流
れることを阻止すべく、ディスク及びブレードに対し接
線方向に二次空気流を放出する。 本発明によるマニホールドの更に他の一つの特徴は、
マニホールドのノズルより放出される空気を受けるエン
ジン空間と圧力検出手段に接続するための上流側圧力ポ
ートとの間に延在する圧力タップ通路が設けられている
ことである。従って冷却空気の放出圧がマニホールド内
の冷却空気流を乱すことなく回転するディスクに近接し
た位置に於て検出される。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例にいて
詳細に説明する。 実施例 第１図はガスタービンエンジンの脱一のタービンロー
タ段の近傍の部分を示す断面図である。タービンロータ
ディスク10及びブレードは環状のサイドプレート16とタ
ービンロータディスク10との間を半径方向外方へ流れる
冷却空気14の流れにより冷却されるようになっている。
冷却空気14の流れは本発明による環状の冷却空気マニホ
ールド20のノズル18より放出される。冷却空気マニホー
ルド20はインナバーナライナ24の半径方向内側を流れる
加圧された冷却空気22の環状の実質的に軸線方向に流れ
る流れより冷却空気を受けるようになっている。 冷却空気22は半径方向に延在するダートリフレクタ26
の周りを流れ、マニホールド20内に形成された複数個の
流路28へ流入する。各流路の入口30は、後に説明する如
く流れ遮断プレートを受ける平坦面32により囲繞されて
いる。マニホールドとディスクとの間及びマニホールド
とサイドプレートとの間にはそれぞれ回転シール34及び
36が配置されており、これらのシールはディスク10の面
11に隣接する空間60よりエンジンの低圧領域内へ排出さ
れる冷却空気14が漏洩することを阻止する。 第２図は上述の特徴以外の特徴が明瞭に理解されるよ
うエンジンより取外された本発明によるマニホールド20
を示す断面図である。遮断プレート38が入口30の一部を
覆い、これにより流路28内へ流入する空気の流れを制限
する位置に図示されている。マニホールド20は実質的に
切頭円錐形の第一の壁40とこれより隔置された切頭円錐
形の第二の壁42とよりなっており、これらの壁はそれら
の間に配置された複数個のフローディバイダ46と共働し
て個々の流路28を形成している。第一及び第二の壁は入
口30よりノズル18まで半径方向内方且軸線方向下流側へ
延在している。切頭円錐形の第三の壁44が流路28の入口
30の近傍より半径方向外方且下流側へ延在しており、バ
ーナライナ24の後端を支持する周縁装着フランジ66を有
している。 第３図及び第４図は流路28を流れる冷却空気の流れを
最も良好に示している。各流路28はフローディバイダ46
により隣接する流路より分離されている。従来のマニホ
ールドの構造とは異なり、本発明によるマニホールド20
は受けた冷却空気がノズル18より放出される前に冷却空
気を混合したり分配したりしない。各流路28はそれぞれ
入口30及びノズル18を有しており、これにより冷却空気
が通過するための遮断部のない完全に郭定された流路を
与えている。各フローディバイダ46の半径方向内方の部
分は周方向に傾斜されており、これにより放出される冷
却空気14に対し所望の速度及び旋回を与える複数個の接
線方向に向けられたノズル18を形成している。 本発明によるマニホールド20は、各フローディバイダ
46の厚さが増大されたボス領域54に設けられた対応する
装着孔52を貫通して軸線方向に延在する複数個の装着ボ
ルト50によりエンジンフレーム48に固定されている（第
１図参照）。各フローディバイダ46に厚さが増大された
ボス領域54を設けることにより、各流路28を通過する冷
却空気の流れを乱したり剥離させたりすることなく、本
発明によるマニホールド20をエンジンフレーム48に固定
的に装着することができる。 複数個の入口を経て受入れた空気の流れがマニホール
ド内のプレナム領域に於て混合され、しかる後複数個の
ノズル孔を経て放出される従来の構造とは異なり、本発
明によるマニホールド20によれば、それを流れる冷却空
気流の各部分を導くための注意深く構成された完全に郭
定された流路が与えられる。かくして流路が均一である
ことにより、従来のマニホールドの構造に於ては達成す
ることができなかった均一な空気の供給が可能になる。 マニホールド20の二重壁及びディバイダ構造により、
従来のプレナム型の構成に比してマニホールドの構造的
強度を低減することなく薄く軽量な壁を使用することが
できる。更に厚さが増大されたボス領域54はマニホール
ド20を局部的に強化する機能及び隣接する流路28の間に
冷却空気の流れを分割する機能の二つの機能を果たすの
で、余分な独立の装着構造の必要性が回避され、また従
来のマニホールドに比して軽量化が達成される。 前述の如く、関連するガスタービンエンジンの寿命全
体に亙り種々のパワーレベルに於けるタービンロータの
冷却要求を受入れるためには、マニホールドを通過する
冷却空気の流れを集合的に又は局部的に変化させること
が必要である。かかる変化は、第６図に最も明瞭に示さ
れている如く、流路の入口30の一部を覆う一つ又はそれ
以上の遮断プレート38を設けることにより達成されてよ
い。遮断プレートは当技術分野に於てよく知られた溶接
や他の手段により固定されてよく、また対応する流路28
内へ適当な量の空気を導入する大きさに設定される。 僅かな流量の調節及び全流量の僅かな増大は第２図及
び第８図に示された流量調節ボス56により行なわれてよ
い。流量調節ボス56はマニホールドの切頭円錐形の第一
の壁40の厚さが増大された部分であり、該部分に流路28
内の冷却空気の一部が対応するノズル18をバイパスし、
サイドプレートとマニホールドとの間の回転シール36に
隣接するタービンディスク空間60へ流入し得るように必
要に応じて流量調節孔を58が穿孔されている。流量調節
孔58の大きさを適正に設定することにより、該孔を通過
するバイパス冷却空気の流量がシール36を通過すると考
えられる冷却空気の漏洩量に適合し、これによりマニホ
ールドのノズル18より放出される半径方向に流れる冷却
空気14の冷却効果を向上させるよう制御されてよい。 ブレード12の半径方向内方の部分に対する追加の冷却
が、第三の壁44の半径方向外方の周縁部に設けられた複
数個の傾斜された孔62により行われるようになってい
る。第２図及び第７図に示された傾斜された孔62は、タ
ービンロータディスク10の上流側面に隣接して二次冷却
空気を接線方向に放出し、これにより高温の燃焼ガスが
タービンブレードのプラットホーム64（第１図参照）を
通過して半径方向内方へ流れることを阻止するような方
向にて設けられている。この傾斜された孔62はフランジ
66に穿孔されており、穿孔を容易に行ない得るようマニ
ホールドに形成された加工工具を近接するための溝68を
有している。 本発明によるマニホールド20の二重壁構造によれば、
回転するディスク10に隣接した領域に冷却空気14の均一
な流れを形成することができるが、タービンディスク空
間60内、従って冷却空気14の流れの圧力を検出するため
の単純な圧力タップ孔を設けることができない。本発明
によるマニホールド20に於ては、第５図に示されている
如く、タービンディスク空間60とマニホールドの上流側
面に設けられた圧力タップ孔72とを流体的に連通接続す
る内部圧力タップ通路70を設けることにより、従来の必
要な圧力検出機能が維持されている。圧力タップ通路70
はマニホールド内に形成され、一対のフローディバイダ
46の周方向中間に位置している。図示の実施例に於て
は、圧力タップ孔72は装着ボルト50と同一の半径方向位
置にあるものとして図示されているが、マニホールドの
上流側面の種々の位置であって圧力検出手段（図示せ
ず）とに適宜に接続し得る位置に設けられてもよい。 かくして本発明によるマニホールド20はガスタービン
エンジン内のタービンロータディスク10の上流側面11上
に冷却空気の均一な流れを供給するのに非常に適した一
体的で調節可能な冷却空気構造体である。 以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】 第１図はタービンロータディスク、燃焼器の排出端部、
及び本発明によるマニホールドを示す軸線に沿う断面図
である。 第２図は周囲のエンジン構造体より分離された本発明に
よるマニホールドを示す断面図である。 第３図は本発明によるマニホールドの一部を示す斜視図
である。 第４図は切頭円錐形の上流側の壁が除去された状態にて
マニホールドの互いに隣接する流路を示す斜視図であ
る。 第５図は圧力タップ通路を通るマニホールドの断面図で
ある。 第６図は遮断プレートが取付けられた状態にて一つの流
路の入口を示す部分断面図である。 第７図はマニホールドの半径方向外方の周縁部に設けら
れた冷却孔を示す部分断面図である。 第８図は流量調節ボス及びその内部に設けられた孔を示
す部分断面図である。 10……タービンロータディスク,12……ブレード,14……
冷却空気,16……サイドプレート,18……ノズル,20……
マニホールド,22……冷却空気,24……バーナライナ,26
……ダートディフレクタ,28……流路,30……入口,32…
…平坦面,34、36……シール,38……遮断プレート,40…
…第一の壁,42……第二の壁,44……第三の壁,46……フ
ローディバイダ,48……エンジンフレーム,50……装着ボ
ルト,52……装着孔,54……ボス領域,56……流量調節ボ
ス,58……流量調節孔,60……タービンディスク空間,62
……傾斜された孔,64……プラットフォーム,66……フラ
ンジ,70……圧力タップ通路,72……圧力タップ孔

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．回転するタービンディスク（10）の一方の側へ冷却
   空気の環状の旋回流を供給する冷却空気供給マニホール
   ドにして、前記タービンディスク（10）に隣接した位置
   より半径方向外方且つ軸線方向上流側へ延在する実質的
   に切頭円錘形の第一の壁（40）と、前記第一の壁より半
   径方向内方且つ軸線方向上流側に隔置された実質的に切
   頭円錘形の第二の壁（42）と、前記第一の壁と前記第二
   の壁との間に延在して両壁間に複数の冷却空気流路（2
   8）を形成する複数のフローディバイダ（46）とを有
   し、前記冷却空気流路の各々は入口（30）と出口とを有
   し、前記フローディバイダの各々の半径方向内側の端部
   は前記タービンディスクの回転軸線に対し周方向に傾斜
   して前記冷却空気流路の出口部に複数の傾斜した冷却空
   気排出ノズル（18）を形成しており、これによって前記
   冷却空気流路（28）の各々はそれに属する前記冷却空気
   入口（30）より前記冷却空気排出ノズル（18）迄個別に
   連通した通路を形成しており、前記フローディバイダ
   （46）の各々の上流端部は厚みが増大されたボス領域
   （54）を有しており、該ボス領域には装着ボルト（50）
   を通す装着孔（52）が設けられている冷却空気供給マニ
   ホールド。