JP4157038B2 - 高圧タービン用ブレード冷却スクープ - Google Patents

Description

本発明はブレードを冷却するために隣接のプレナムから冷却空気を取り込むブレード冷却スクープを有する単段高仕事率高圧タービンを有するガスタービンエンジンに関する。

本発明はガスタービンエンジンのタービンブレード冷却システムに関し、特に単段高仕事率高圧タービンを有するエンジンのための改良された冷却空気供給システムに関する。このようなタービンにおいてはベーンの入口とブレード出口の間に大きな圧力降下がある。このためにブレードの入口および出口のガス通路圧力は他の形式のタービンよりも低く、その結果、冷却空気は従来のようにエンジンの高圧段からではなく、低圧段から取ることができる。従来のエンジンは接線方向のオンボード式噴射装置、インペラー面を有するタービンカバープレート、および付属するシールを含む、やや複雑な入口構造を含み、これら全てはシステムの機械的な複雑さを増加させている。

高温の作動条件のもとで、タービンローターやブレードなどのガスタービンエンジン構成部品は、従来、比較的低温で排出される圧縮空気の流れによって冷却されている。タービンローターにわたって、およびブレードの内部を通って流れる冷却空気の流れが熱交換によって熱を除去し、かくしてタービンブレードおよびタービンローターの機械的強度特性の過度の低下を防ぐ。タービンエンジンの作動温度、効率、および出力は、各種のタービン要素およびその製造材料の高温性能によって制限される。要素の温度が低いほど、強度および作動応力に対する耐性が高くなる。しかしながら、タービンエンジンの性能はまた、高温のタービン部品の冷却に用いられる空気流の量に影響されやすい。冷却機能のために使われる空気が少なければ、エンジンの効率および性能が改善される。また、航空機エンジンの効率は複雑な冷却システムを用いることによって課される重量の不利益に非常に影響されやすい。

ローターブレードを冷却するために、従来、高圧冷却空気の流れがエンジンの中央軸に近い半径方向内側で導入されている。タービンエンジン用の従来の冷却空気システムの例は、ファーンドリッチ等に与えられた米国特許第５，９８４，６３６号に示されている。冷却空気流は、タービンローターの回転ハブに向けられたノズルを有する接線方向のオンボード式噴射装置を用いて、渦巻きすなわち接線方向の速度成分を伴って導入される。次いで冷却空気はタービンカバープレートとタービンローター表面の間を通され、かくしてローターハブを冷却すると同時に、空気がタービンハブの周辺部のブレードに導かれるときに、遠心ポンプ作用によって圧力を高める。接線方向のオンボード式噴射装置、カバープレート、および付属する動的シールを必要とすることによって、タービンブレード冷却システムの機械的複雑さが著しく増加する。しかしながら、従来のエンジンにおいては高温ガスのガス通路圧力が比較的高いので、冷却空気の圧力はガス通路圧力を超過しなくてはならない。高温ガス通路の圧力が高いために、高圧の冷却空気を取り入れ、かつ空気の圧力をオンボード式噴射装置の使用およびカバープレートのインペラー作用によって高め、かくして冷却のために十分な量の空気流がタービンブレードを通って導かれ、タービンブレード後縁部から高温ガス通路に出ていくことを確実にすることが、従来は必要とされていた。

本発明の目的は低圧圧縮機段からの低圧空気を利用することによって、従来のタービンブレード用冷却空気システムが効率に及ぼす不利益を低減することである。

本発明の他の目的は接線方向のオンボード式噴射装置、カバープレート、およびシールを省略することによって従来の冷却システムの機械的複雑さをなくすことである。

本発明の他の目的は、従来用いられているタービンよりも低いガス通路圧力を有する高仕事率単段高圧タービンを用いて、タービンブレード用の冷却空気に低圧空気源を用いることを可能にすることである。

発明の他の目的は以下における開示、図面および発明の詳細説明を見ることによって明らかとなろう。

発明は独特のブレード冷却スクープを有する単段高仕事率高圧タービンを有するガスタービンエンジンを提供する。タービンブレードは冷却空気入口ダクトを含み、該ダクトは高温ガス通路圧力より高い圧力を有する冷却空気プレナムと連通している。ブレードのエアフォイルは根部から半径方向に延び、冷却空気入口ダクトとエンジンの高温ガス通路とを連通させる冷却空気チャンネルを含む。空気入口ダクトは冷却空気プレナム中に延びる入口スクープを有し、入口スクープの開口部はタービン回転の結果としてプレナムから冷却空気を取り入れるような方向を向いている。エンジンは冷却空気プレナムと流体的に連通する低圧圧縮機段を含む。エンジンは冷却空気プレナムに隣接する軸受ギャラリーを含むのが有利であり、この場合軸受ギャラリーは低圧圧縮機段と連通する冷却空気ジャケットを含み、冷却空気ジャケットは低圧の冷却空気プレナムと連通している。高温ガス通路と冷却空気プレナムとの間にラビリンスシールが設けられる。

高仕事率単段高圧タービンと関連して空気入口スクープを用いることの妥当性は次の理由による。高仕事率単段高圧タービンは従来のタービンより低いガス通路圧力を有するので、低圧の冷却空気源を採用することができる。もちろん、十分な量の冷却空気が高圧タービンブレードに導かれて冷却効果を発揮するためには、冷却空気の圧力はガス通路圧力よりも少なくとも少しでも高くなくてはならない。本発明は低圧の冷却空気プレナムを設けて、その中で高圧タービンローターが回転するようにすることによって、タービンブレード冷却システムを大幅に単純化している。冷却空気プレナム中にタービンブレードのブレード根部とともに空気入口ダクトが延びており、該空気入口ダクトが、タービンの回転の結果としてプレナムから冷却空気を取り入れるような方向を向いた入口スクープを含んでいる。

したがって本発明は、冷却空気の圧力を高めるために従来必要であった接線方向のオンボード式噴射装置、カバープレート、および付属するシール類の必要をなくす。高仕事率タービンにおいては高温ガス通路圧力は低いので、低圧空気は、圧縮機の低圧段から低圧冷却空気が供給される冷却空気プレナム中で回転するタービンに伴って回転する入口スクープを通して取り入れることができる。

発明が容易に理解されるように、発明の一実施例を添付の図面中の例によって図示する。

発明のその他の詳細およびその利点は以下の詳細説明において明らかとなろう。

図１は「先行技術」である従来のガスタービンエンジン１の関連する構成部品の軸方向の断面図の半分を示している。遠心式圧縮機インペラー（図示せず）が低圧空気を第一の低圧段圧縮機（図示せず）から取り入れ、高圧圧縮空気をディフューザー２を介して燃焼器４を取り囲む高圧プレナム３へ送り出す。

燃料が燃料チューブ５を通して燃焼器４の燃料噴射ノズル６へ送られる。圧縮空気が高圧プレナム３から一連の入口７を通って燃焼器４の内部に入り、ノズル６からの燃料と混合され、燃焼される。

燃焼器４内で発生した高温ガスはガス通路１７に沿って案内されて、ステーターブレード８の列を通過し、次いでローターハブ１０に取り付けられたタービンブレード９を通過し、これによってタービンを回転させ、かくしてまたタービンに連結された遠心式インペラー（図示せず）を回転させる。ローラーベアリング１２がベアリングギャラリー１３内に収容されてシャフト１１を支持しており、ローター１０およびインペラー１はこのシャフトに取り付けられている。冷却空気は圧縮機から取り入れられ、（背景技術で述べた接線方向のオンボード式噴射器などの）既知の手段を通して噴射され（図１の矢印参照）、タービンブレード９および他の構成部品を冷却するために供給される。

ギャラリー１３の最も内側の室には潤滑油供給導管１４を通して潤滑油が供給され、潤滑油は排油導管（図示せず）を通して除去される。ギャラリー１３の最も外側の室１５は冷却用低圧圧縮空気で通気されており、シール１６で密閉されている。ベアリングギャラリー１３の空気室１５に送られる冷却用圧縮空気は低圧段圧縮機（図示せず）とベアリングギャラリー空気室１５とを連通させる低圧空気供給導管（図示せず）を通して、また必要に応じて外部熱交換器（図示せず）を介して供給される。

図２および図３を参照すれば、本発明の好ましい実施例が図示されている。先行技術のエンジンを説明するのに用いられた参照符号は、以下において説明される本発明によるエンジンの実施例中の類似の構成部品を示すのにも用いられる。

図２を参照すれば、複数のタービンブレード９が、ガスタービンエンジンの単段高仕事率高圧タービン１０に取り付けられている。タービン下流の高温ガス通路１７の（エンジン作動中の）圧力は、後でさらに説明するように、高仕事率高圧タービンによって通過するガス流に及ぼされる影響のために、従来のガスタービンエンジンよりも低くなっている。

エンジン軸を中心とするタービン回転方向は、図３においてブレードの周辺部の矢印で示されている。各々のタービンブレード９は、図３に示されるように、ブレード根部１８において、ブレード根部上の「モミの木」形のはめ合い面とタービン周辺部のスロットとを用いて、タービンハブ１０に個別に挿入かつ結合されている。タービンブレード根部１８をハブに結合するための、他の従来の手段が用いられてもよい。各々のブレード根部１８はまた、冷却空気入口ダクト１９を含み、これはその一端部においてタービン１０がその中で回転する冷却空気プレナム２０と連通し、他の端部において後述のようにブレード内部と連通している。比較的低温の空気が圧縮機（図示せず）から抽気され、従来の手段（図示せず）によって冷却空気プレナムに供給される。圧縮冷却空気はまた、後で詳述するように、低圧空気供給導管（図示せず）を通してベアリングギャラリー１３の空気室１５に送られて、ギャラリーを冷却してもよい。

再度図２を参照すれば、各々のブレード９はまたブレードエアフォイル２２を含み、このエアフォイルは根部１８から半径方向に延びており、かつ冷却空気チャンネル２３を含んでいる。この冷却空気チャンネル２３は、ブレードの冷却空気ダクト１９とタービン下流のエンジン高温ガス通路１７との間に延びているとともに、これらと連通しており、高温ガス通路１７とはブレード後縁部の複数の出口開口部（図示せず）を通じて連通している。

各々の空気入口ダクト１９は、入口スクープの開口部を介して空気を取り入れるように冷却空気プレナム内に延びている入口スクープ２１を含み、（図３に最もよく示されているように）入口スクープの開口部は、（回転方向が図３に矢印で示されている）タービン回転の結果として、比較的静的な冷却空気を冷却空気プレナム２０から捕捉するように方向づけられるとともに設けられている。

図３に示されるように、入口スクープの開口部は接線方向の成分を有するように（すなわち多かれ少なかれタービン回転の方向に）方向づけられるが、また図３に示されるように必要に応じて、空気入口スクープ開口部の方向は半径方向の成分を含んでもよい（すなわち多かれ少なかれタービンの回転軸に面してもよい）。スクープの形状、開口部寸法、および方向の最適化はタービンの直径、回転速度、および冷却空気プレナムのパラメーターに依存する。これらは当業者には本発明の開示に照らして明らかであろう。

前述のように、高仕事率単段タービンはガス流から抽出される仕事量が大きいので、タービンの前後の圧力降下が比較的大きい。したがってその結果としてのタービン下流のガス通路圧力は他の形式のタービンよりも著しく低い。この圧力推移は本発明に有利に利用される。ガス通路下流の圧力が低いことによって低圧のブレード冷却空気源を選択することができる。タービンブレード冷却空気は他のエンジンにおいて従来行われているように圧縮機セクションの高圧（すなわちＰ３）段からではなく、低圧の中間段（すなわち例えばＰ２．５またはＰ２．８の空気）から取ることができる。当業者はＰ３空気が熱力学的に「費用がかかるもの」であり、したがって熱力学的には可能ならばより低圧の空気を冷却に用いるのが有利であることを認識している。また低圧空気は圧縮機の仕事をより少なく受けているから、Ｐ３空気よりも低温であることは明らかであろう。

高仕事率単段高圧タービンの前述の圧力特性の故に、単に冷却空気プレナム２０内に延びる入口スクープ２１を有する空気入口ダクト１９を設けることによって、タービンブレード９を冷却するのに十分な取り入れ冷却空気の流れが提供されるので、先行技術の機械的な複雑さは必要とされない。移動するスクープのすくい取り動作が冷却空気プレナムから空気を取り込んでこれを入口ダクト１９に移動させる。同時にすくい取り動作によってなされた仕事によって圧力（および温度）の上昇が起こる。圧力上昇はまた、冷却空気を空気チャンネル２３を通して下流に流し、高温ガス通路１７に戻すのを助ける。厳密に言えばすくい取り動作による温度上昇は冷媒流にとって望ましくないが、これはプレナム２０への供給源として比較的低温のＰ２ｘ空気を選択することによって相殺される。

冷却空気プレナム２０を高温ガス通路１７から分離するために、例えば図２の符号２４として示されるようなシール構造が要求される。ラビリンスシール２４はエンジンの正常運転において、冷却空気プレナムとタービンのすぐ上流の高温ガス通路との間の両方向のガス漏れを防止する。しかしながら高温ガスが冷却空気プレナム２０に漏れてその内部の構成部品を劣化ないし破壊しないことを確実にするためには、冷却空気プレナム２０の空気圧力が高温ガス通路１７内の圧力よりも少なくとも少しでも高くなくてはならない。（当業者は、例えばシール２４のような現在のラビリンスシールが、プレナムへの高温ガス逆流を防ぐために少なくともわずかな圧力勾配を要することを理解するであろう）。

必要に応じて、図２に示されるように、また前述のように、冷却用低圧圧縮空気はまたベアリングギャラリー１３の空気室１５を冷却するのに用いられてよい。前述のように冷却用圧縮空気は圧縮機から抽気されて、従来の手段（図示せず）によって空気室１５に送られる。図２に示されるように、ベアリングギャラリー空気室１５からの冷却空気は一つまたは二つ以上のノズル２５を通して冷却空気プレナム２０に排出される。正確な寸法の開口部を有する個別の流れ計量開口部２６が、冷却空気プレナムに送られる空気の流量および圧力を、与えられた設計パラメーターに応じて所望のように調節するために使用可能である。

上述の説明は発明者が現在考える特定の好ましい実施例に関するものであるが、発明はその広い態様において、ここに説明された要素の機械的および機能的均等物を包含することは理解されるであろう。

従来のガスタービンエンジンの中心線を通る軸方向断面図である。 高仕事率単段高圧タービンに応用された本発明を示す説明図である。 ブレード、ブレード根部、および入口スクープを示すとともに、入口空気の方向およびタービンの回転方向を矢印で示す、タービンセグメントの半径方向の部分説明図である。

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン用のタービンブレード冷却システムであり、エンジンが単段高仕事率高圧タービンを有し、冷却システムは、
   エンジンに画定された高温ガス通路と、
   エンジンの圧縮機セクションから得られた圧縮空気の供給源と連通する冷却空気プレナムと、
   タービンアセンブリーとを有し、該アセンブリーはローターと該ローターに取り付けられた複数のタービンブレードとを有し、ブレードは冷却空気プレナムにさらされた根部と、高温ガス通路にさらされたエアフォイル部と、を有し、
   根部は入口スクープ部分を備える冷却空気入口ダクトを有し、
   エアフォイル部は、内部に画定された冷却空気チャンネルを有し、この冷却空気チャンネルは冷却空気入口ダクトとエンジンの高温ガス通路に連通する空気出口手段との間に延びているとともに、冷却空気プレナムから冷却空気入口ダクト中に分流された空気をチャンネルを介して空気出口手段に通過させ、かくしてタービンブレードを冷却するよう設けられており、
   入口スクープ部分は、タービンブレードから冷却空気プレナム内に軸方向でかつ径方向内側に延びているとともに、根部の底面の径方向内側に位置する入口スクープ開口部を有しており、この入口スクープ開口部は、タービン回転の結果として冷却空気が冷却空気プレナムから空気入口ダクト中に分流されるようにタービンの回転方向でかつ接線方向に開口していることを特徴とするガスタービンエンジン用のタービンブレード冷却システム。
2. 入口スクープ開口部は、タービンの回転軸に向かう径方向成分をさらに含むよう方向づけられている、請求項１記載のタービンブレード冷却システム。
3. 冷却空気入口ダクトは根部に取り付けられている、請求項１または２に記載のタービンブレード冷却システム。
4. ブレード根部はラビリンスシール部材を含む、請求項１〜３のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム。
5. さらにタービンシャフトを収容するためのベアリングギャラリーを有し、このベアリングギャラリーは、エンジンの圧縮機セクションから得られた圧縮空気の供給源に連通する冷却空気ジャケットを含み、この冷却空気ジャケットはまた冷却空気プレナムと連通しており、かくして冷却ジャケットに供給された空気は冷却空気プレナムに流れることができる、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム。
6. 前記圧縮空気がエンジンのＰ３空気圧より低い圧力を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム。
7. 前記圧縮空気が圧縮機セクションの中間段から抽気される、請求項１〜６のいずれかに記載のタービンブレード冷却システム。
8. ガスタービンエンジン内の単段高仕事率高圧タービンのタービンブレードを冷却する方法であって、
   入口スクープ部分を備える冷却空気入口ダクトを設け、
   冷却空気供給源から空気を分流して、この冷却空気を入口ダクトからブレード内部に画定されたチャネルに通過させ、
   前記冷却空気をチャンネルからガスタービンエンジンの高温ガス通路に排出する、ことを含み、
   入口スクープ部分は、タービンブレードの根部から軸方向でかつ径方向内側に延びるとともに、根部の底面の径方向内側に位置する開口部を備え、この開口部は、タービン回転の結果として冷却空気供給源から空気をすくい取るようにタービンの回転方向でかつ接線方向に開口していることを特徴とする方法。

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