JP3940377B2 - 燃焼室の端の二重インジェクタシステムによる高圧タービンの上流端プレートの冷却 - Google Patents

Description

本発明は、ターボジェットエンジンの高圧タービンロータを通気する分野に関する。

より正確には、本発明は、ターボマシンの高圧タービンロータ用の通気装置に関し、上記タービンは燃焼室の下流に配置され、第１に、内部開口部と高圧コンプレッサの下流錐体へ固定するための上流フランジとを有するタービンディスクと、第２に、上記ディスクの上流に配置されキャビティによってそれから分離された端プレートであって、同様に内部開口部を有する半径方向の中実内側部分であって上記ディスクの上流フランジがそれを通って延在する半径方向の中実内側部分および上記下流錐体へ固定されるための上流フランジを具備する端プレートと、を具備し、上記装置は、燃焼室の端から取られた空気の第１の流れが供給されるブレードを冷却するための、且つ、上記端プレートの上流に配置された主要インジェクタを経由しておよび上記端プレートを通って形成された通気孔を経由して上記空気の第１の流れを上記キャビティ内に送出するための第１の回路と、高圧コンプレッサの下流に位置する排出バッフルを通って空気の第２の流れが供給される端プレートを冷却するための第２の回路と、を具備し、上記空気の第２の流れの少なくとも一部分は、インジェクタの下に位置する第２のバッフルを通って上記端プレートの上流頂面を通気するように作用する。

図１は、燃焼室２の下流に配置されて、ブレード４を担持するタービンディスク３とディスク３の上流に配置された端プレート５とを具備するそのような高圧タービンロータ１を示す。ディスク３および端プレート５は、ディスク３用には参照符号３ａが付され、端プレート５には参照符号５ａが付されたそれぞれの上流フランジを含み、それらが、ロータ１によって駆動される高圧コンプレッサの下流錐体７の下流端６に固定されるのを可能にする。

ディスク３は、低圧タービンのシャフト９を通る内部開口部８を有し、端プレート５はディスク３のフランジ３ａを囲繞する内部開口部１０と通気孔１１とを有し、燃焼室の端から取られる冷却空気の第１の気流Ｃ１が、通気孔１１を通って端プレート５の下流面とディスク３の上流面との間のキャビティ１２内に送出される。この冷却気流Ｃ１は、半径方向に外向きに流れ、冷却するためにブレード４の根本を含むスロット４ａ内に浸透する。この気流は、燃焼室の端から取られ、端プレート５を燃焼室の端から分離するエンクロージャ１４に配置されたダクト１３に沿って流れ、キャビティ１２内に送出される空気の温度を下げるように、インジェクタ１５によって回転するようにされる。

燃焼室の端から取られる冷却空気の第２の気流Ｃ２は、高圧コンプレッサの下流錐体７を燃焼室２の内側ケーシング１７から分離するエンクロージャ１６内を下流に流れる。この気流Ｃ２は、排出バッフル１８を通って流れ、エンクロージャ１４内に浸透し、そこから、一部分Ｃ２ａが、端プレート５の上流フランジ５ａ内に形成されたオリフィス１９を通って流れ、端プレート５の内腔１０を通り、その半径方向の内側部分を冷却するように作用し、ブレード４用の冷却気流Ｃ１と結合する。第２の気流Ｃ２の別の一部分Ｃ２ｂが端プレート５の上流面を冷却し、インジェクタ１５のまわりを流れ、タービンロータ１の上流パージキャビティ２０内に排気される。

最後に、第２の気流Ｃ２の第３の一部分Ｃ２ｃが、インジェクタ１５の下に位置する第２のバッフル２２を通って端プレート５の上流頂面２１を通気するように作用する。この第３の一部分Ｃ２ｃは、端プレート５とインジェクタ１５との間にある第２のバッフル２２の下流に位置するエンクロージャ２３内に浸透し、インジェクタ１５上に位置する第３のバッフル２４を通ってタービンロータ１の上流パージキャビティ２０内に排気され、そこで第１の気流Ｃ１と混合する。

第２の気流Ｃ２は、下流錐体７を冷却するように作用し、シャフトは、高圧コンプレッサを高圧タービンへおよび端プレート５へ接続する。この第２の気流は、燃焼室に留められた静止壁とロータに留められた回転壁とによって画成された環状スペースに軸方向に流れ、ロータとステータとの間に散逸された力のため加熱される。

機械的強度の仕様に従うように上流端プレートの温度を下げるために、高圧コンプレッサの下流に位置する排出バッフル１８を通る空気Ｃ２の流量を増大し、それをブレード冷却回路内かそうでなければ高圧タービンホイールの上流のタービン気流内に放出する必要がある。この流量の増加は、加熱された空気がブレード冷却回路内に放出されるため、ブレード用の冷却空気の温度を上げ、タービンストリーム内に放出される空気のため、タービンの性能を低下させる。

加えて、インジェクタ１５の下に位置する第２のバッフル２２の下流の端プレートを冷却するための気流Ｃ２ｃは、エンジンの寿命にわたっての操作で発生するような、排出バッフル１８、第２のバッフル２２、およびインジェクタ１５の上に位置する第３のバッフル２４を通って、クリアランスの変化を受けるため、制御することが困難である。

第２のバッフルの下流の端プレートの上流面の温度は、したがって、非常に高く、制御は不十分である。このため、端プレートを作るために特殊な材料を使用する必要になり、適切な寸法づけを必要とする。

米国特許第４８２２２４４号明細書

本発明の目的は、過速度運転用に寸法づけるのをより容易にするため、寿命を延ばすため、および、低コストの材料の使用を可能とするために、端プレートの上流面の温度を下げることである。

本発明によると、この目的は、上記装置が、第１の回路と第２のバッフルの下流に位置するエンクロージャとの間のブランチ接続をさらに具備し、上記ブランチ接続は、上記端プレートの半径方向に内側部分の上流頂面を冷却するために空気の第３の気流を送出し、上記空気の第３の気流は、追加インジェクタによって予回転（ｐｒｅ‐ｒｏｔａｔｉｏｎ）へと移動されることによって達成される。

予め移動され主要インジェクタの下でバッフルの下流に射出されるこの第３の気流は、したがって、第２のバッフルの下流の端プレートの上流面を冷却する空気の相対全体温度を下げるよう作用する。この空気の第３の気流は、インジェクタの下のバッフルからのリーク気流と混合し、高圧タービンホイールに供給するためにタービンの主要インジェクタの下流へ回路内に排出される。

タービンホイール供給回路内に射出される空気は、したがって、従来技術で射出される空気よりも冷たい。

有利には、追加インジェクタは、ロータの回転の方向に接線方向に傾斜する内腔の形態で作られる。

好ましくは、上記内腔は主要インジェクタから空気を取り、これを即座に第２のバッフルの下流に送出する。

本発明の他の利点および特徴は、例としてなされた下記の記載を読み、添付の図面を参照すれば、明らかである。

図１に示される従来技術は、導入部に記載されており、さらなる説明は必要ない。

図２は、タービンロータ１を示し、これは、第２のバッフル２２の下流に位置するエンクロージャ２３が、第１に、第２のバッフル２２を経由してエンクロージャ１４から来るエアリークＣ２ｃによって空気を供給され、第２に、第１の気流Ｃ１を送出するダクト１３とエンクロージャ２３との間に形成されたブランチ接続によって送出される気流Ｃ１ａによって空気を供給されるという事実において、図１に示されるものとは異なっている。ブランチ接続は、一端で主要インジェクタ１５の入口内に開口し他端で第２のバッフル２２からすぐ下流のエンクロージャ２３内に開口する複数の内腔３０によって構成される。内腔３０は円筒形であり、タービンロータ１の回転の方向に接線方向に傾斜する。

図２に見ることができるように、端プレート５の半径方向に内側の部分３１は、形状が分厚く（ｂｕｌｋｙ）、半径方向フランジ５ａへエンジンの前端へ向けて軸方向に延在し、半径方向フランジ５ａはこれをコンプレッサの下流錐体７の下流端６へ固定するように作用する。インジェクタ１５の下に位置するバッフル２２は、半径方向フランジ５ａの周囲に配置される。内腔３０は実質的に半径方向であり、端プレート５の半径方向に内側の部分の頂面３２へ向けて方向づけられる。

内腔３０はタービンロータ１の回転の方向に傾斜するため、内腔３０によって送出される気流Ｃ１ａは、相対全体温度が従来技術の同一領域の冷却空気のものより低い。

温度低下は３０℃であると概算することができる。気流Ｃ１ａは、インジェクタの下のバッフル２２からのリーク気流Ｃ２ｃと混合し、タービンホイールに供給するために回路内の主要インジェクタ１５の下流で除去される。

図２に見ることができるように、半径方向フランジ５ａは、第３の気流Ｃ１ａが端プレート５のすべての冷却を提供するためにそれだけで十分であるため、端プレート５の半径方向に内側の部分３１とタービンディスク３の下流フランジ３ａとの間に位置する環状チャンバ３３に供給するためのオリフィスを有さない。

ブレードを冷却するためにタービンホイールに供給するための回路内に射出されこのように予め移動された空気は、従来の通気におけるブレード用の冷却空気よりも冷たい。温度低下は１５℃であると概算することができ、これは、約０．０６％の特定消費における節約と同等である。

加えて、内腔３０によって送出される冷気流Ｃ１ａは、内腔３０によってキャリブレートされる速度で流れるため、周囲のバッフルを通るクリアランスの変化によって影響されない。

図３において、点線は、端プレート５の内腔３１の温度が、タービンロータの従来の通気でどのように変化するかを示し、一方、連続線は、本発明の通気装置を使用して同一箇所で温度がどのように変化するかを示し、変化は、排出バッフル１８を通るクリアランスの関数として座標で示され、ミリメートル（ｍｍ）で表示される。

本発明の装置では、この温度は実質的に一定であり、従来の通気で同一箇所で得られた温度よりも常に低いことを見ることができる。

図４は、従来の通気（点線での曲線）と本発明の通気装置との両方での、主要インジェクタ１５の下に位置する第２のバッフル２２のクリアランスの関数として端プレート５の内腔３１の温度の変化を示す。

他の条件が同じであるならば、本発明の装置を使用するこのゾーンの温度は、実質的に一定であり、従来の通気を使用して得られる温度よりも低いことを同様に見ることができる。

図５は、従来の通気（点線での曲線）で、および、本発明の装置を用いた通気で、第３のバッフル２４を通るクリアランスの関数として、端プレートの同一箇所で温度がどのように変化するかを示す。この領域の温度は、本発明の通気装置では実質的に一定である。

第３のバッフル２４近傍の端プレート５の温度は、本発明の通気装置では実質的に一定であり、従来の通気で得られた温度よりも低いため、端プレート５は、受ける熱応力が少なく、より安価で作業がより容易である材料から作ることができる。

従来技術の冷却空気回路を示すターボジェットエンジンの高圧タービンロータの軸方向半断面図である。 本発明の冷却装置を含むターボジェットエンジンタービンロータの軸方向半断面図である。 従来の通気装置を使用するときと本発明の通気装置を使用するときとの両方で、コンプレッサの排出バッフルを通るクリアランスの関数として上流端プレートの開口部で温度がどのように変化するかを示すグラフである。 従来の通気装置を使用するときと本発明の通気装置を使用するときとの両方で、インジェクタの下のバッフルを通るクリアランスの関数として上流端プレートの開口部で温度がどのように変化するかを示すグラフである。 従来の通気装置を使用するときと本発明の通気装置を使用するときとの両方で、インジェクタ上のバッフルを通るクリアランスの関数として上流端プレートの開口部で温度がどのように変化するかを示すグラフである。

符号の説明

１ 高圧タービンロータ
２ 燃焼室
３ タービンディスク
３ａ フランジ
４ ブレード
４ａ スロット
５ 端プレート
５ａ 上流フランジ
６ 下流端
７ 下流錐体
８ 内部開口部
９ シャフト
１０ 内部開口部
１１ 通気孔
１２ キャビティ
１３ 第１の回路
１４、１６、２３ エンクロージャ
１５ インジェクタ
１７ 内側ケーシング
１８ 排出バッフル
１９ オリフィス
２０ 上流パージキャビティ
２１ 上流頂面
２２ 第２のバッフル
２４ 第３のバッフル
３０ 内腔
３１ 内側の部分
３２ 頂面
３３ 環状チャンバ
Ｃ１ 第１の気流
Ｃ１ａ 第３の気流
Ｃ２ 第２の気流
Ｃ２ａ 一部分
Ｃ２ｂ 別の一部分
Ｃ２ｃ リーク気流

Claims (6)

1. ターボマシンの高圧タービンロータ用の通気装置であって、前記タービンは、燃焼室の下流に配置され、第１に、内部開口部と高圧コンプレッサの下流錐体へ固定するための上流フランジとを有するタービンディスクと、第２に、前記ディスクの上流に配置されキャビティによってそれから分離された端プレートであって、同様に内部開口部を有する半径方向の中実内側部分であって前記ディスクの前記上流フランジがそれを通って延在する半径方向の中実内側部分および前記下流錐体へ固定されるための上流フランジを具備する端プレートと、を具備し、前記装置は、前記燃焼室の端から取られた空気の第１の流れが供給されるブレードを冷却するための、且つ、前記端プレートの上流に配置された主要インジェクタを経由しておよび前記端プレートを通って形成された通気孔を経由して前記空気の第１の流れを前記キャビティ内に送出するための第１の回路と、前記高圧コンプレッサの下流に位置する排出バッフルを通って空気の第２の流れが供給される端プレートを冷却するための第２の回路と、を具備し、前記空気の第２の流れの少なくとも一部分は、前記インジェクタの下に位置する第２のバッフルを通って前記端プレートの上流頂面を通気するように作用する通気装置であって、
   前記第１の回路（１３）と前記第２のバッフル（２２）の下流に位置するエンクロージャ（２３）との間にブランチ接続をさらに具備し、前記ブランチ接続は、前記端プレート（５）の半径方向に内側の部分（３１）の上流頂面（３２）を冷却するための空気の第３の気流（Ｃ１ａ）を送出し、前記空気の第３の気流（Ｃ１ａ）は追加インジェクタ（３０）によって予回転へと移動されることを特徴とする、通気装置。
2. 前記追加インジェクタは、前記ロータの回転の方向に接線方向に傾斜する内腔（３０）の形態で実施されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記内腔（３０）は、前記主要インジェクタ（１５）の内部から空気を取り込むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記内腔（３０）は、前記第２のバッフルからすぐ下流に空気を送出することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 前記第２のバッフル（２２）は、前記主要インジェクタ（１５）と前記端プレート（５）の前記上流フランジ（５ａ）との間に配置されることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記端プレート（５）の前記上流フランジ（５ａ）は、半径方向であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。

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