JP4060279B2 - ターボ機械の高圧タービンロータ用の通気装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ターボ機械の高圧タービンロータの通気に関する。

より正確には、本発明は、上流側タービンディスクと下流側タービンディスクとを具備する高圧タービンロータ用の通気装置に関する。

図１は、先行技術による従来の高圧タービンロータ１を示し、この高圧タービンロータ１は、燃焼チャンバ２の下流側に配置され、羽根４が装備された上流側タービンディスク３と、羽根６が装備された下流側タービンディスク５とを具備する。

上流側ディスク３には、第１に、上流側ディスク３を低圧タービンのロータシャフト１１のまわりに配置されたスペーサー９に取り付ける上流側フランジ８が設けられ、第２に、下流側ディスク５の上流側フランジ１２にしっかりと組み立てられた下流側フランジ１０が設けられる。２つのフランジ１０および１２の間のアセンブリで、固定ディストリビューター段１８またはスタータに固定された中空構造体１６によって支持される、ディスク間シール１４があることに留意されたい。ラビリンスシール型のディスク間シール１４は、ディストリビューター段１８の各側に配置された２つのロータ段２０および２２の間に分離を形成する。

さらに、下流側ディスク５は下流側フランジ１３を具備し、下流側フランジ１３もまた、低圧タービンのシャフト１１を囲むスペーサー９に組み立てられる。

先行技術によるこの型の従来のタービン１において、燃焼チャンバ２の背部から取られた第１の冷却空気流Ｄ１が、第１に上流側ディスク３に近接して配置される上流側ラビリンスの下流側面によって、第２にこの上流側ディスク３の上流側面によって、境界を定められるキャビティ２６内に出力される。この空気流Ｄ１は、実際に燃焼チャンバ２の背部から取られ、燃焼チャンバ２の背部から上流側ラビリンス２４を分離するチャンバ２９に配置されたダクト２８を介して、ダクトの延長部に沿って配置されかつキャビティ３０内に開口するインジェクタ３６を用いて、特に上流側ラビリンスシール３２および下流側ラビリンスシール３４によって境界を定められるキャビティ３０内に移される。シール３２および３４は、上流側ラビリンス２４に接触するように配置されることに留意されたい。

さらに、キャビティ３０内の冷却空気は、上流側ラビリンス２４の上流側部分に設けられたオリフィス３８を通って、キャビティ２６に侵入することができ、これらのオリフィス３８は、タービンの長手方向軸４０にほぼ垂直に整列される。

このようにして、冷却空気流Ｄ１は、キャビティ２６内を、冷却のために上流側ラビリンス２４の上流側面に沿って第１に長手方向に次いで径方向外側に循環し、次いで、羽根を冷却するために、羽根４の根元を含む区画４ａに入る。

さらに、同様に、燃焼チャンバ２の背部から取られる第２の冷却気流Ｄ２は、チャンバ２９に入り、それぞれ、上流側ラビリンス２４の上流側部分に設けられたオリフィス４４および上流側ディスク３の上流側フランジ８に設けられたオリフィス４２を通って流れる。第２の冷却空気流Ｄ２が、オリフィス４４および４２を通過した後に、環状チャンバ４６を通過する。環状チャンバ４６は、内部はスペーサー９によって境界を定められ、外部は（上流側から下流側へ作用する順番に）、フランジ８、上流側ディスク３の内側リーミング４８、フランジ１０および１２、下流側ディスク５の内側リーミング５０、およびフランジ１３によって境界を定められる。

環状チャンバ４６から始まる第２の冷却空気流Ｄ２の第１の部分Ｄ２ａは、矢印Ｄ２ａによって図式的に示されるように、固定ディストリビューター段１８とロータ段２０との間に位置する間隙１９で合流するために、上流側ディスク３の下流側フランジ１０に形成されたオリフィス５２を通って流れる。参考までに、図１に図式的に表された空気流ｄは、区画４ａでの空気漏れに対応することに留意されたい。

さらに、第２の冷却空気流Ｄ２の第２の部分Ｄ２ｂは、下流側ディスク５の下流側フランジ１３に形成されたオリフィス５４を通って流れ、第１に下流側ディスク５に近接して配置された下流側ラビリンス５８の上流側面によって、第２にこの下流側ディスク５の下流側面によって境界を定められるキャビティ５６に入る。

このようにして、第２の冷却空気流Ｄ２ｂは、冷却のために下流側ラビリンス５８の下流側面に沿ってキャビティ５６内をほぼ径方向外側に循環し、次いで、やはり羽根を冷却するために、羽根６の根元を含む区画６ａに入る。

独国特許出願公開第１９８５４９０７号明細書 仏国特許出願公開第２５９８１７９号明細書 仏国特許出願公開第２７１２０２９号明細書 米国特許第３０４３５６１号明細書

したがって、先行技術によるこの型の従来のタービンにおいて、ロータ通気装置は、２つの別個の冷却回路を有し、各々が２つのタービンディスクの一方に連結され、それぞれ第１の冷却空気流Ｄ１および第２の冷却空気流Ｄ２が供給される。

それにもかかわらず、先行技術によるこの従来の解決方法は、上流側ラビリンスの構成が、非常に複雑で重く、特に高強度熱負荷に耐えることができる特定の材料を使用する必要があるため、その生産コストが非常に高いという意味で制約がある。

さらに、良好な品質の材料が使用されるときでさえ、上流側ラビリンスの耐用年数は比較的限られている。

したがって、本発明の目的は、ターボ機械の高圧タービンロータ用の通気装置を提案することであり、タービンは、燃焼チャンバの下流側に配置され、羽根が装着された上流側および下流側のタービンディスクを具備し、通気装置は、冷却回路を具備し、この冷却回路は、上流側ディスクの上流側に位置するインジェクタが装着され、かつ燃焼チャンバの背部から取られた冷却空気流Ｄが供給され、通気装置は、先行技術による実施形態に関して上述された欠点を少なくとも部分的に克服する。

これを達成するために、本発明の目的は、ターボ機械の高圧タービンロータ用の通気装置であり、タービンは、燃焼チャンバの下流側に配置され、羽根が装着された上流側タービンディスクとやはり羽根が装着された下流側タービンディスクとを具備し、通気装置は、冷却回路を具備し、この冷却回路は、上流側ディスクの上流側に配置されたインジェクタが設けられ、冷却回路は、燃焼チャンバの背部から取られた冷却空気流Ｄが供給される。本発明によると、冷却回路は、インジェクタからの冷却空気流Ｄが、上流側ディスクの上流側フランジに形成されたオリフィスを通過するように配置され、上流側ディスクの上流側フランジが、下流側ディスクの上流側フランジに固定されることができ、冷却空気流Ｄが、上流側ディスクの内側リーミングと下流側ディスクの上流側フランジとの間で下流側軸方向に循環し、下流側ディスクの上流側フランジが、高圧コンプレッサの下流側フランジに取り付けられることができ、上流側ディスクが、中心合わせされることができ、通気装置は、また、単一のラビリンスを具備し、この単一のラビリンスは、２つのタービンディスクの一方に固定され、かつこれら２つのディスクの間に挿入され、冷却空気流Ｄが、上流側ディスクの下流側面と単一のラビリンスの上流側面との間を上流ディスクの羽根に向けて循環する第１の流れＦ１と、下流側ディスクの上流側面と単一のラビリンスの下流側面との間を下流側ディスク羽根へ向けて循環する第２の流れＦ２とに分割される。

有利には、且つ先行技術の実施形態とは異なり、通気装置が、２つのラビリンス、すなわち上流側タービンディスクに結合されたラビリンスおよび下流側タービンディスクに結合されたラビリンスをもはや具備せず、その代わりに、単一のディスク間ラビリンスが設けられ、上流側面および下流側面の各々が冷却空気流を羽根へ向けてガイドするように構成される。結果として、使用される部品の数の減少が、ロータの質量、サイズ、および生産コストをかなり減少させる。さらに、単一のラビリンスの特定の位置は、このラビリンスの熱負荷が、上流側ディスクの上流側に配置されたラビリンスよりも低いことを意味し、これは、主に、燃焼チャンバに対する単一のラビリンスの位置のためであり、冷却空気流Ｄが、上流側ディスクの内側リーミング内に進むときに、冷却空気流Ｄの温度が大幅に低下する程度のためである。この特徴は、したがって、このラビリンスの耐用年数を延ばし、先行技術による上流側ラビリンスの潜在的な耐用年数よりも長くする。

さらに、上流側ディスクの羽根で得られる圧力は、上流側ディスクの下流側面および単一のラビリンスの上流側面によってともに境界を定められた単一のキャビティのため、上流側ディスクの上流側へ冷却空気への注入、内側リーミングを通るこの上流側ディスクのバイパス、および小さなロータ構成要素を作ることの可能性のために、十分であることに留意されたい。

この点で、下流側ディスクの上流側面および単一のラビリンスの下流側面によってともに境界を定められた隣接するキャビティを、有利に使用して、下流側ディスクの羽根への供給圧力を減少させる。この隣接するキャビティ内部が低圧であることは、作ることが困難である過度に小さなサイズの羽根供給穴を提供する必要がないことを意味する。

有利には、ロータは、ロータの構成要素の数が減少するためより小型に作られ、チャンバ下の軸受を、上流側および下流側のディスクにより近接させることができ、羽根の先端で隙間の良好な制御を得ることができ、結果として、高圧タービンのより良好な効率が得られる。

上流側タービンディスクの内側リーミングを通過する冷却空気流Ｄが、比較的短い応答時間を有するように十分に多く、したがって、羽根の先端により短い隙間を設けることができることにも留意されたい。

最後に、本発明によるこの構成は、この操作は、先行技術による実施形態では常に行わなければならないが、この作業が、２つのロータディスクを分離する必要なく、下流側タービンディスクから羽根の除去を必要とする場合には、スタータを速く容易に取り外すことを可能にする。

本発明の他の利点および特定の特徴は、下記に与えられる詳細かつ非限定的な記載を読めば、より明らかになる。

この記載は、添付の図面を参照してなされる。

図２は、本発明の好適な実施の形態によるタービンロータ用の通気装置を具備する、ターボジェットの高圧タービン１００を示す。図２において、図１に示される要素と同一の参照符号を備えた要素は、同一または類似の要素に対応することに留意されたい。

したがって、図２は、先行技術によるタービン１とは異なるタービン１００を示す。これは、第１に、燃焼チャンバ２の背部から取られかつインジェクタ３６を通って流れることができる冷却空気流Ｄが、上流側ディスク３の羽根４および下流側ディスク５の羽根６を同時に供給されるという事実による。

実際に、燃焼チャンバ２からの冷却空気流は、ダクト２８を通過してインジェクタ３６に到達し、ダクト２８およびインジェクタ３６から構成されるこのアセンブリは、上流側ディスク３を、燃焼チャンバ２の背部から分離するチャンバ６２に位置する。

インジェクタ３６から始まる冷却空気流Ｄは、次いで、上流側タービンディスク３の上流側フランジ６６によって部分的に境界を定められるキャビティ６４に侵入する。この上流側フランジ６６の主要な機能は、この上流側ディスク３を下流側ディスク５の上流側フランジ７８に取り付けることである。さらに、このキャビティ６４もまた、好ましくはラビリンスシール型である上流側シール３２および下流側シール３４によってともに境界を定められ、それぞれ、シールの上流側および下流側でインジェクタ３６に近接して配置される。この点で、上流側シール３２は、高圧タービンの下流側フランジ７０と協働し、この下流側フランジ７０は、上流側フランジ６６の径方向外側に配置されている。さらに、上流側シール３２は、キャビティ６４に近接し、上流側フランジ６６の上流端と整合する。さらに、下流側シール３４は、上流側フランジ６６の径方向外側に配置されるように構成される、上流側タービンディスク３の第２の上流側フランジ７２と協働する。このようにして、キャビティ６４から下流側シール３４を通って漏れる冷却空気は、上流側ディスク３の上流側面に沿って羽根４へ向けて、径方向外側に循環することができる。

オリフィス７４が、上流側タービンディスク３の上流側フランジ６６に設けられ、冷却空気流Ｄは、２つのタービンディスク３および５に向けてガイドされることができる。オリフィス７４は、径方向にインジェクタ３６に面して配置されるように構成されることが好ましい。

オリフィス７４を通過した後に、冷却空気流Ｄは、上流側ディスク３の上流側フランジ６６を通って外側に、このディスクの内側リーミング４８によって境界を定められた、軸４０を備えた環状チャンバ７６に侵入する。さらに、環状チャンバ７６は、下流側ディスク５の上流側フランジ７８によって内部に境界を定められ、この上流側フランジ７８は、この下流側ディスク５を上流側ディスク３の上流側フランジ６６に固定し、高圧タービンアセンブリ１００を高圧コンプレッサの下流側フランジ７９に中心合わせするという主要な機能を有する。

冷却空気流Ｄは、次いで、内側リーミング４８と上流側フランジ７８との間を下流側方向に軸方向に循環することができ、上流側タービンディスク３が、冷却空気をその内側リーミング４８に接触させることによって、十分に冷却されることができる。

図２からわかるように、本発明による通気装置は、タービンディスク３および５の間に挿入される単一のラビリンス８０を具備し、これらの２つのディスクの一方に固定される。非限定的な例として、単一のラビリンス８０（ディスク間ラビリンスとも呼ばれる）は、下流側タービンディスク５の第２の上流側フランジ８２に固定される。下流側タービンディスク５は、上流側フランジ７８の径方向外側にあるように配置される。さらに、ラビリンス８０は、２つのロータ段２０および２２の間に設けられた固定ディストリビューター段１８またはスタータに合致するまで径方向に延在し、ディスク５の上流側フランジ７８を囲む内側リーミング８３が設けられる。このリーミング８３は、ディスク３の内側リーミング４８の径に実質的に同一である径を有することが好ましい。

したがって、環状チャンバ７６を通過し、かつ上流側ディスク３の下流側面に到達する冷却空気流Ｄは、２つの流れＦ１およびＦ２に分かれ、これらの２つの流れは、それぞれ、ディスク３の羽根４およびディスク５の羽根６に供給される。

したがって、第１の流れＦ１は、ディスク３の下流側面を冷却するために、上流側タービンディスク３の下流側面とラビリンス８０の上流側面との間に位置するキャビティ６８内を循環し、次いで、これらの羽根を冷却するために、羽根４の根元を含む区画４ａに入る。

同様に、第２の流れＦ２は、ディスク５の上流側面を冷却するために、下流側タービンディスク５の上流側面とラビリンス８０の下流側面との間に位置するキャビティ６９内を循環し、次いで、同様にこれらの羽根を冷却するために、羽根６の根元を含む区画６ａに侵入する。数個のオリフィス８４が、下流側ディスク５の第２の上流側フランジ８２に形成され、第２の流れＦ２は、下流側タービンディスク５の羽根６に到達することができることに留意されたい。

したがって、本発明による通気装置は、燃焼チャンバ２の背部から取られ、かつ羽根４および６に同時に供給されるために使用される冷却空気流Ｄが、上流側ディスク３のリーミング４８と下流側タービンディスク５の上流側フランジ７８との間を通って出るまで、単一の冷却回路に従う。この特定の特徴が、２つの冷却空気流が、燃焼チャンバ２の背部から取られ２つの完全に別個の冷却回路に従う、先行技術によるタービン１の構成に比較して、タービン１００の構成をかなり簡略化する。

さらに、下流側タービンディスク５の上流側フランジ７８は、数個のオリフィス８６を含み、数個のオリフィス８６を、冷却気流Ｄの第３の流れＦ３が通過することができる。この第３の流れＦ３は、したがって、環状チャンバ７６から同じ軸を有する環状スペース８８へ向けて送られ、スペース８８は、第１に下流側ディスク５の上流側フランジ７８およびこの下流側ディスク５のリーミング５０と、第２に低圧タービンのロータのシャフト１１のまわりに位置するスペーサー９との間に位置する。このようにして、冷却空気流Ｆ３は、空気をその内側リーミング５０に接触させることによって下流側ディスク５を冷却するために、下流側方向に環状スペース８８内に軸方向に循環することができる。第３の流れＦ３は、次いで、下流側タービンディスク５の下流側フランジ１３に形成されたオリフィス５４を通ってタービン１００の下流側に排出され、この下流側フランジ１３はまた、環状スペース８８の外側境界に加わり、シャフト４０のスペーサー９に組み立てられる。

タービン１００、および非限定的な例としてのみ上記に記載されたタービンの通気装置に、当業者が様々な修正を行うことができることが理解されるべきである。

先行技術によるターボジェットの高圧タービンを通る半断面図である。 本発明の好適な実施の形態による通気装置を具備する、ターボジェットの高圧タービンを通る半断面図である。

符号の説明

１ タービン
２ 燃焼チャンバ
３ 上流側ディスク
４、６ 羽根
４ａ、６ａ 区画
５ 下流側ディスク
８、１２、６６、７８ 上流側フランジ
９ スペーサー
１０、１３、７０ 下流側フランジ
１１ シャフト
１４ ディスク間シール
１６ 中空構造体
１８ 固定ディストリビューター段
１９ 間隙
２０、２２ ロータ段
２４ 上流側ラビリンス
２６、３０、６４、６８、６９ キャビティ
２８ ダクト
２９ チャンバ
３２ 上流側シール
３４ 下流側シール
３６ インジェクタ
３８、４２、４４、５２、５４、７４、８４、８６ オリフィス
４０ 軸、シャフト
４６、７６ 環状チャンバ
４８、５０、８３ 内側リーミング
５８ 下流側ラビリンス
６２ チャンバ
７２、８２ 第２の上流側フランジ
７９ 高圧コンプレッサの下流側フランジ
８０ ラビリンス
８８ 環状スペース
１００ 高圧タービン

Claims (4)

1. ターボ機械の高圧タービンロータ（１００）用の通気装置であって、タービン（１００）が、燃焼チャンバ（２）の下流側部分に配置され、羽根（４）が装着された上流側タービンディスク（３）と羽根（６）が装着された下流側タービンディスク（５）とを具備し、前記装置が、冷却回路を具備し、該冷却回路は、前記上流側ディスク（３）の上流側にインジェクタ（３６）が装着され、かつ前記燃焼チャンバ（２）の背部から取られた冷却空気流Ｄが供給され、前記冷却回路は、前記インジェクタ（３６）からの前記冷却空気流Ｄが、前記上流側ディスク（３）の上流側フランジ（６６）に形成されたオリフィス（７４）を通過するように構成され、前記上流側ディスク（３）の上流側フランジ（６６）が、前記下流側ディスク（５）の上流側フランジ（７８）に固定されることができ、前記冷却空気流Ｄが、前記上流側ディスク（３）の内側リーミング（４８）と前記下流側ディスク（５）の前記上流側フランジ（７８）との間で下流側軸方向に循環し、前記下流側ディスク（５）の前記上流側フランジ（７８）が、高圧コンプレッサの下流側フランジ（７９）に取り付けられることができ、前記上流側ディスク（３）が、中心合わせされることができ、前記通気装置が、また、単一のラビリンス（８０）を具備し、該単一のラビリンス（８０）は、前記２つのタービンディスク（３、５）の一方に固定され、かつ該２つのタービンディスクの間に挿入され、前記冷却空気流Ｄが、前記上流側ディスク（３）の下流側面と前記単一のラビリンス（８０）の上流側面との間を前記羽根（４）に向けて循環する第１の流れＦ１と、前記下流側ディスク（５）の上流側面と前記単一のラビリンス（８０）の下流側面との間を前記羽根（６）へ向けて循環する第２の流れＦ２とに分割されることを特徴とする、通気装置。
2. 前記インジェクタ（３６）が、前記上流側タービンディスク（３）の前記上流側フランジ（６６）によって、および上流側シール（３２）および下流側シール（３４）によって、部分的に境界が定められるキャビティ（６４）内に侵入し、前記下流側シールが、前記上流側タービンディスク（３）の第２の上流側フランジ（７２）と協働することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 数個のオリフィス（８６）が、前記下流側タービンディスク（５）の前記上流側フランジ（７８）に形成され、前記冷却気流Ｄの第３の流れＦ３が、前記数個のオリフィス（８６）を通過することができ、前記第３の流れＦ３が、第１に前記下流側ディスク（５）の前記上流側フランジ（７８）および前記下流側ディスク（５）の内側リーミング（５０）と、第２に低圧タービンのロータシャフト（１１）のまわりに位置するスペーサー（９）との間に形成された、環状スペース（８８）内で下流側軸方向に循環することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記単一のラビリンス（８０）が、前記下流側タービンディスク（５）の第２の上流側フランジ（８２）に固定され、該第２の上流側フランジ（８２）に数個のオリフィス（８４）が形成され、該数個のオリフィス（８６）を通って、前記冷却気流Ｄの前記第２の流れＦ２が、前記羽根（６）へ向けて循環することができることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。

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