JP4128670B2 - 侵食を低減するための装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子状物質の衝突による構造物の侵食を防止する装置及び方法に関し、特に、冷却空気流に含まれる粒子状物質による侵食作用からガスタービンエンジン内の高圧タービンケースを保護する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、高温の排ガスを発生させるために燃料が燃焼室内で燃焼する。この排ガスは、交互に配置した固定ステータベーンと回転ロータブレードとの列を通ってタービンセクション内で膨張して利用可能な動力となる。ベーン及びブレードの前列での排ガス温度は、一般に２０００度Ｆ（約１０９３°Ｃ）を越える。高温の排ガスによって損傷を受けやすくなるブレード及びベーンは、エンジンの上流で圧縮されて冷却のためにタービンへと流出する空気によって冷却される。更に、タービンケースも、熱い排ガスによって損傷を受けやすい。
【０００３】
タービンケースの冷却は、周知の従来技術である。チャップリン等に付与された米国特許第４，０５３，２５４号、名称「タービンケース冷却システム」を参照されたい。タービンケースの冷却に使用される冷却空気に関する実質的な問題の一つは、粒子状物質の存在である。混入した粒子状物質がタービンケースの表面に衝突すると、ケースを侵食するおそれがある。タービンの第一のベーン支持部に設けられた冷却孔に近接する領域に対応する位置でケースの内壁が侵食されやすいことがタービンの観察によって判明した。粒子状物質は、タービンケースに隣接する位置で冷却孔を通り、ケース壁の局部領域で侵食を引き起こす。
【０００４】
ここで検討する侵食は、固形の粒子状物質が衝突することで表面材料が除去されることによるものである。これらの粒子状物質は、エンジンの運転環境から吸い込まれた異物または燃焼過程特有の副産物のいずれかとして作動媒体流路内に存在する。粒子状物質の大半は微小でエンジンの異なるセクションを通って運ばれる。冷却空気に混入した粒子状物質によって引き起こされる侵食の程度は、その少なくとも一部は、粒子の速度によって決まる。銅、６０６１アルミニウム、及び焼純したＳＡＥ１２１５鋼などの延性材料の侵食は、速度Ｖのａ乗（Ｖ^a）に比例する。このときの指数“ａ”は、２．４〜２．７の値である。他の条件が全て等しい場合に、鋼に生じる侵食による摩耗は、衝突する粒子状物質の直径によって決まってくることも確認された。粒子状物質の直径が大きければ大きいほど、侵食による摩耗も大きくなる。タービンケースの場合には、侵食によって取り除かれる材料の体積は、粒子状物質の速度の２．５乗におおよそ比例する。従って、粒子状物質が混入した冷却空気流の速度が増加するのに伴って、混入した粒子状物質によって引き起こされる侵食も増加してしまう。
【０００５】
従来の高圧タービンケースの内壁の観察により、ケース壁にピッチングとして現れる材料の局部的な侵食領域が明らかとなった。産業基準によるタービンケースの最大許容侵食深度は、０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）である。しかし、実際のエンジンの運転状態において、約０．０３０インチ（０．７６２ｍｍ）に達する侵食深度が観測されている。従って、いくつかの場合では、侵食の程度が上記許容限度を越えて進行してしまっている。ピッチング領域において局部的な応力が増加すると、タービンケースの強度が減少してしまう。環境が砂漠である場合など、砂を含む環境条件の場合には、かなり短い時間及びエンジン運転サイクルでこのような状況が起こり得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
冷却空気流に混入した粒子状物質によって引き起こされるタービンケースの侵食の問題を解決することのできる方法には、種々の方法がある。侵食による損傷を減少させるために現在行われているのは、高圧タービンのステータ上の第一のベーンの支持部の位置を微妙に周方向に調整して冷却孔を第二の位置まで移動することで、粒子状物質の衝突によって侵食されるタービンケースの領域が変化するようにする方法である。しかし、周方向への調整は一度しかできないので、この解決方法は一時的なものである。更に調整を行うと、タービンケース上の侵食領域の位置が互いに近くなってしまい、これにより、ケースは次第に破壊されてしまうからである。
【０００７】
他の可能な解決方法には、タービンケース壁の厚みを増加することが挙げられる。しかし、このように材料が追加されると、タービン重量及び一定のエンジン重量は、望ましくない大きな影響を受ける。更に、たとえケースを厚くした場合でも、粒子状物質の衝突を受ける領域は侵食されてしまう。
【０００８】
本発明は、上記のような冷却空気流における粒子状物質の侵食作用からガスタービンエンジン内の高圧タービンケースを保護することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、侵食を低減するための装置であって、二つ以上の吸気オリフィスを有し、第一の方向から第一のオリフィスに流入する粒子状物質を含む高速ガス流の第一の流れと、第二の方向から第二のオリフィスに流入する粒子状物質を含む高速ガス流の第二の流れと、が衝突するように前記各オリフィスは前記装置内にそれぞれ設けられており、前記第一の流れ及び前記第二の流れにおける粒子状物質のエネルギが互いに打ち消しあうように、前記第二の方向は、前記第一の方向に実質的に対向する成分を有しており、更に、合流したガス流が、更に低速となって放出される排気オリフィスを有し、前記排気オリフィスに隣接した構造体で起こる侵食が、大幅に減少されることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に従属する請求項２の発明では、前記吸気オリフィス及び前記排気オリフィスは、前記吸気オリフィスの面積に対する前記排気オリフィスの面積の比率が、少なくとも約４．０となるように、互いに関連した第１の面積及び第２の面積を有することを特徴とする。
【００１１】
同様に請求項１に従属する請求項３の発明は、第二の吸気オリフィスが、前記第一の吸気オリフィスに実質的に対向するように設けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、内側壁及び外側壁を備えたタービンベーン支持部を含むタービンステータアッセンブリと、内側壁及び外側壁を備えたタービンケースと、を有するガスタービンエンジンにおいて、前記タービンベーン支持部は、前記タービンベーン支持部の内側壁の周囲に周方向に離間して配置された複数の侵食低減キャップを有し、該キャップは、第一の閉塞した端部と第二の開口した端部とを有し、これらの第一及び第二の端部は、側壁構造によって離間されており、前記側壁構造には、第一の吸気オリフィスと第二の吸気オリフィスとを有し、これらの吸気オリフィスは、第一の面積を有するとともに、互いに対して１８０°反対側に設けられており、前記第一の吸気オリフィスから流入する粒子状物質を含む高速ガス流の第一の部分と、前記第二のオリフィスから流入する粒子状物質を含む高速ガス流の第二の部分と、が直線状に衝突することによって、粒子状物質を含む合流後のガス流の速度が打ち消されるように構成され、前記第二の端部に設けられた排気オリフィスを有し、該排気オリフィスは、前記第一または第二の吸気オリフィスの面積よりも少なくとも約４倍の第二の面積を有し、合流したガス流が、前記排気オリフィスを通って前記装置から更に低速で排気されるように構成され、これにより、前記第二の端部に隣接したタービンケースの内壁の侵食が、大幅に減少されることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、ガスタービンエンジン部材に粒子状物質を含む冷却空気を提供するための方法であって、冷却吸気流を実質的に対向する方向を有する少なくとも二つの流れに分離するステップと、前記対向する方向を有する流れを互いに衝突させて、混入した粒子の運動エネルギを低下するとともに、これらの流れを混合して合成流を形成するステップと、直径が大きいオリフィスを通るように粒子状物質を含む前記合成流を導くステップと、を有し、これにより、冷却空気は減速し、直径の大きいオリフィスに隣接する構造物における混入した粒子状物質による侵食が減少することを特徴とする。
【００１４】
本発明によると、二つ以上の吸気オリフィスと大きい排気オリフィスとを有する侵食低減装置では、各吸気オリフィスをそれぞれ通って流入する空気流を互いに衝突させて空気流に混入した粒子状物質のエネルギを分散し、続いて排気オリフィスを通して空気が排出されることで空気流が減速する。
【００１５】
吸気オリフィスは、流量調節機能を提供するような寸法となっている。各吸気オリフィスから流入するそれぞれの空気流の対向する速度成分が衝突することによって、粒子状物質のエネルギが打ち消される。本発明に係る侵食エネルギ分散装置から排出される粒子状物質が混入した空気流は、低速となるので、その衝突面に起こる侵食による損傷の程度は低減される。
【００１６】
本発明の主な利点は、結果としてタービンケースの耐久性が高まり、耐用年数が延びることである。本発明によって、侵食は減少し、それにより、摩耗及び関連する局部的な応力も減少する。この利点の結果として、修理及び関連構造のオーバホールの回数が減少する。
【００１７】
他の利点は、侵食低減装置を備えたタービンの第一のベーン支持部の製造が容易で、かつコストが低いことである。従来技術のタービンの第一のベーン支持部は、コスト効率のよい方法で、侵食エネルギ分散装置を備えるように改修することができる。この結果、上記のように関連構造の侵食が減少される。
【００１８】
本発明に係る上記及び他の目的、特徴、及び利点は、以下の好適実施形態の詳細な説明及び本発明の実施形態を図示した添付図面によってより明らかとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、軸流ターボファンガスタービンエンジン１０は、一般に、ファンセクション１２と、コンプレッサセクション１４と、燃焼器セクション１６と、タービンセクション１８と、が軸Ａ_eに沿って配置されており、従来技術において周知の原理に従って運転される。
【００２０】
従来技術を示す図２を参照すると、侵食を引き起こす粒子状物質によって損傷されやすいタービンセクションが示されている。図中の矢印は、オリフィスを通る冷却空気の流れを概略的に示している。タービンセクションは、ロータアッセンブリ２２とステータアッセンブリ２４とを含む。一つのブレード２６に代表される複数のロータブレードは、ステータアッセンブリに向かって径方向外向きに延びる。タービンケース３０に固定された外側エアシール２８は、径方向においてブレード２６に対向しているとともに、その一部がシール２８とケース３０との間で環状のチャンバ３２を形成する。シール２８は、タービンステータとロータとの間の一次流路内にガス流を保つ。一つのベーン３４に代表される複数のステータベーンの第一の列は、外側エアシール２８の上流でケース３０に固定される。各ロータブレードは、作動媒体ガスのエネルギを集めてタービンを回転させ、その回転によりコンプレッサが回転される。その一方で、各ステータベーンは、作動媒体ガスの流れを整流する。第一のベーン３４は、第一のベーン支持部４０によって径方向内側で支持されている。第一のベーン支持部は、環状であり（図４参照）、該支持部に沿って直線的に離間した複数の流量調整オリフィス４２を含む。一つのベーン３６に代表される複数のステータベーンの第二の列は、外側エアシール２８の下流でケース３０に固定される。作動媒体ガスは、タービンセクションのベーン及びブレードの列を交互に通るように流れる。
【００２１】
侵食を引き起こす粒子状物質（砂など）を含む冷却空気は、高圧コンプレッサから第一のベーンキャビティ４１へと流出する。タービンケースを冷却するために必要な空気の量は一定なので、粒子状物質が混入した冷却空気の流量は、通常、各オリフィス４２を通じて調整される。第一のベーンキャビティ４１内の冷却空気圧は、比較的高いので、空気はキャビティ４１から各オリフィス４２を通って流れる。環状のチャンバ３２の流路面積に比較してオリフィスの流路面積は小さいので、空気が各オリフィス４２を通って流れるのに従って、冷却空気及びその空気に含まれる粒子状物質の速度は加速する。この高速の流れがタービンケースなどの構造物に衝突すると、構造物が侵食されるおそれがある。構造物の侵食は、種々の条件に左右される。これらの条件とは、衝突する粒子状物質の数及び種類、粒子状物質の大きさ、粒子状物質の衝突角度、粒子状物質の温度及び速度などである。他の条件が一定である場合には、粒子状物質を含む冷却空気流の速度に比例してこのような侵食が起こる。
【００２２】
図３を参照すると、環状の第一のベーン支持部４０の内径５０に取り付けられた本発明に係る侵食エネルギ分散装置４４（図４にも示されている）を含むタービンセクションの横断面図が示されている。図中、矢印は、本発明を通る冷却空気の流れを概略的に示している。本発明の分散装置４４は、複数の吸気オリフィス４６と直径が大きい排気オリフィス４８とを含む。
【００２３】
図４を参照すると、侵食エネルギ分散装置４４は、第一の閉塞端部５２と、この第一の端部５２の径方向内側に位置する第二の開口端部５４と、を有する。第一の端部５２及び第二の端部５４は、側壁構造５６によって離間している。分散装置４４は、第二の開口端部５４に隣接するフランジ５８を有し、このフランジ５８によって第一のベーン支持部４０に固定つまりリベット止めされている。
【００２４】
エンジンの運転時には、高圧コンプレッサからの冷却空気は、燃焼器の周囲を通って第一のベーンキャビティ４１内へと流れる。この冷却空気には、粒子状物質が混入している。これらの粒子状物質は、周囲の環境からエンジンによって吸い込まれたために作動媒体流路に含まれている。これらの粒子状物質のほとんどは、微小であるので、作動媒体ガスが軸方向に下流へと流れていくのに従ってエンジンの異なるセクションを通って運ばれる。
【００２５】
第一のベーンキャビティ４１に一旦冷却空気が流入すると、この空気は、通常、侵食エネルギ分散装置４４の各吸気オリフィス４６を通ってその流量が調整される。これらの吸気オリフィス４６の寸法はそれぞれ等しく、位置は互いに対向している。従って、これらの吸気オリフィス４６をそれぞれ通って流入する空気の方向は、互いに反対の向きとなる。冷却空気及び侵食を引き起こす粒子状物質は、高速で吸気オリフィス４６を通って流れる。図５では、矢印が装置内の空気流の流れを概略的に示しており、ここで示した対向する空気流は、衝突して互いのエネルギを打ち消しあう。冷却空気流及び侵食を引き起こす粒子状物質は、続いて、直径が大きい排出オリフィス４８を通って侵食エネルギ分散装置４４から排出される。この排出オリフィス４８によって流れが減速し、これにより、侵食が更に減少される。現在使用されている高性能の最新式ガスタービンエンジンでは、吸気オリフィス４６の面積に対する排出オリフィス４８の面積として定義される面積比は、少なくとも約４．０である。好適実施例では、エンジンの寸法上の制約から面積比は４．７である。しかし、この比率は、上記装置を使用するエンジンの構造的及び熱力学的な作動特性によって左右され、かつ決定される。冷却空気流及び粒子状物質は、分散装置４４の排出オリフィス４８から排出されると、タービンケースの固い面に衝突する。粒子状物質がタービンケースと衝突する前にこれらの物質のエネルギが分散されるので、タービンケースの侵食は大幅に減少する。
【００２６】
本発明の第一の利点は、タービンケースの耐久性を高め、耐用年数を延ばすことができる点である。本発明によって侵食が減少され、これにより、タービンケースの摩耗も減少される。この結果として、タービンケース及びその関連構造の修理及びオーバホールの回数が少なくなる。
【００２７】
もう一つの利点は、侵食エネルギ分散装置を備えたタービンの第一のベーンの製造が容易で、かつコストが低い点である。従来技術のタービンの第一のベーン支持部は、コスト効率のよい方法で、侵食エネルギ分散装置を備えるように改修することができる。この結果、上記のようにタービンケースの侵食が減少される。
【００２８】
本発明をその好適実施例に従って開示及び説明してきたが、当業者には、本発明の趣旨及び範囲から離れないでその形態及び詳細に種々の変更を加えたり、それらを省略したりすることができることは理解されるであろう。例えば、本実施例では、各吸気オリフィスを互いに正反対に、即ち１８０°反対側に配置しているが、他の配置でも粒子状物質の侵食エネルギを減少させることができることは理解されるであろう。吸気空気流が実質的に対向するベクトル成分を有する方向からそれぞれ流入する限り、本発明によって提供される侵食エネルギの分散を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービンケースと第一のベーン支持部とを示したガスタービンエンジンの一部切欠の説明図である。
【図２】タービンケース冷却のための従来のオリフィスを示した高圧タービンの部分断面図である。
【図３】本発明に係る侵食低減装置を示した高圧タービンの部分断面図である。
【図４】本発明に係る侵食低減装置を含む高圧タービンの第一のベーン支持部の部分説明図である。
【図５】本発明に係る侵食低減装置の図３の５−５線に沿った断面図である。
【符号の説明】
２２…ロータアセンブリ
２４…ステータアッセンブリ
２６…ロータブレード
２８…エアシール
３０…ケース
３２…環状のチャンバ
３４…ステータベーンの第一列
３６…ステータベーンの第二列
４０…第一のベーン支持部
４１…第一のベーンキャビティ
４４…侵食エネルギ分散装置
４６…吸気オリフィス
４８…排気オリフィス
５０…第一のベーン支持部の内径

Claims (5)

1. ガスタービンエンジン用の侵食を低減させる装置であって、
   第一の閉塞端部および第二の開口端部を有するとともに、側壁構造部により該第一の閉塞端部および第二の開口端部を隔てるキャップと、
   前記側壁構造部における少なくとも二つの吸気オリフィスと、
   前記第二の開口端部における排気オリフィスと、
   を有し、
   前記吸気オリフィスは、第一の方向から第一の吸気オリフィスに流入する粒子状物質を含んだ高速の冷却空気流の第一の流れと、第二の方向から第二の吸気オリフィスに流入する粒子状物質を含んだ高速の冷却空気流の第二の流れとを衝突させるように、前記装置にそれぞれ設けられており、前記第一及び第二の方向は、前記第一の流れ及び前記第二の流れに含まれた粒子状物質のエネルギを互いに打ち消す実質的に対向する成分を有しており、
   前記排気オリフィスにより、合流した前記冷却空気流の速度が更に低減されて放出され、
   前記粒子状物質のエネルギがガスタービンエンジンの構成部品に衝突する前に打ち消されることにより、前記排気オリフィスに隣接する前記構成部品に生じ得る侵食が大幅に減少することを特徴とする装置。
2. 前記吸気オリフィス及び前記排気オリフィスは、前記吸気オリフィスの面積に対する前記排気オリフィスの面積の比率が、少なくとも約４．０となるように、互いに関連した第１の面積及び第２の面積を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 第二の吸気オリフィスが、前記第一の吸気オリフィスに実質的に対向するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 内側壁及び外側壁を備えたタービンベーン支持部を含むタービンステータアッセンブリと、内側壁及び外側壁を備えたタービンケースと、を有するガスタービンエンジンにおいて、前記タービンベーン支持部は、
   前記タービンベーン支持部の内側壁の周囲に周方向に離間して配置された複数の侵食低減キャップを有し、該キャップは、第一の閉塞した端部と第二の開口した端部とを有し、これらの第一及び第二の端部は、側壁構造によって離間されており、
   前記側壁構造には、第一の吸気オリフィスと第二の吸気オリフィスとを有し、これらの吸気オリフィスは、第一の面積を有するとともに、互いに対して１８０°反対側に設けられており、前記第一の吸気オリフィスから流入する粒子状物質を含む高速ガス流の第一の部分と、前記第二のオリフィスから流入する粒子状物質を含む高速ガス流の第二の部分と、が直線状に衝突することによって、粒子状物質を含む合流後のガス流の速度が打ち消されるように構成され、
   前記第二の端部に設けられた排気オリフィスを有し、該排気オリフィスは、前記第一または第二の吸気オリフィスの面積よりも少なくとも約４倍の第二の面積を有し、合流したガス流が、前記排気オリフィスを通って前記装置から更に低速で排気されるように構成され、
   これにより、前記第二の端部に隣接したタービンケースの内壁の侵食が、大幅に減少されることを特徴とする装置。
5. ガスタービンエンジン部材に粒子状物質を含む冷却空気を提供するための方法であって、
   小さな直径を有する少なくとも二つのオリフィスを介して、冷却空気流を実質的に対向する方向を有する少なくとも二つの流れに分離するステップと、
   前記少なくとも二つの流れを互いに衝突させて、含有された粒子状物質の運動エネルギを低下させるとともに、これらの流れを混合して冷却空気の合成流を形成するステップと、
   直径が大きいオリフィスを通して、粒子状物質を含んだ前記合成流を導くステップと、
   を含み、
   これにより冷却空気は減速され、前記粒子状物質のエネルギがガスタービンエンジンの構成部品に衝突する前に打ち消されることにより、直径の大きいオリフィスに隣接する前記構成部品における粒子状物質による侵食を減少させることを特徴とする方法。

Images