JP4162855B2 - インペラの後部キャビティに冷却されたｐ３空気を導くタービンエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、タービンエンジンに関し、特に、インペラの下流側で冷却及び加圧された空気の分配が改善されたタービンエンジンに関する。
【０００２】
【背景技術】
インペラに負荷を加えて、これにより隣接するベアリングの応力を取り除くために、Ｐ３空気と呼ばれる高圧空気をコンプレッサのディフューザから遠心インペラの下流のインペラの後部キャビティへとブリードすることは周知である。しかし、このような圧縮空気は、通常高温であり、インペラのハブを劣化させてインペラの有効寿命を短縮するおそれがある。また、インペラのベアリングは、この高温空気から密閉する必要があり、これによってエンジンに重量が追加されてしまうことも留意される。
【０００３】
インペラに対する劣化作用を減少させるために、高温耐熱性材料を使用することが検討された。しかし、これは、インペラのコストを高める一方で、高い遠心力の下でインペラのハブを更に弱く、破壊されやすくするだけである。
【０００４】
インペラの下流で、インペラの後部キャビティに隣接して位置する中央ベアリングは、バイパス空気を冷媒として使用する外部の熱交換器を通して冷却されたコンプレッサブリード空気によって冷却されることがある。Ｐ２Ｘ空気と呼ばれるこの空気は、低圧となっており、中央ベアリングを囲むインペラ後部キャビティ内のＰ３空気からＰ２Ｘ空気と中央ベアリングを分離する追加のシールが必要となる。このＰ３空気は、比較的高温Ｔ３となっている。
１９８９年５月２日にエムティーユー モトレーン−ウンド タービネン−ユニオン ミュンヘン ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングに付与された米国特許第４，８２５，６４３号は、タービンにコンプレッサからブリードした冷却空気を導くことを開示している。
【０００５】
【発明の開示】
本発明の目的は、高圧のＰ３空気がＴ３よりも低温でインペラの後部キャビティに流入可能となるエンジン構造を提供し、これにより、従来の材料で形成されたインペラのハブの寿命を延長することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、中央ベアリングの冷却のためにより低温のＰ３空気を提供し、これにより、ベアリングシールをなくし、ベアリングアセンブリの重量及びコストを低下させることである。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、冷却されたＰ２Ｘ冷却空気の代わりに、外部冷却されていないが、エンジンの前方，後方のベアリング及び低圧タービンの冷却に使用されるＰ２５空気を用いることである。
【０００８】
本発明による構成は、タービンエンジンであって、ケースと、このケース内に設けられているとともに遠心インペラとインペラの先端部を囲むディフューザとを備えるコンプレッサセクションと、を含み、Ｐ３加圧空気がインペラから流出するとともにディフューザを通り、更に、タービンセクションと、中央の長手方向軸を中心に回転可能に取り付けられており、かつインペラをタービンセクションに接続する軸と、インペラの下流でケースに取り付けられているとともに軸を支持する中央ベアリングと、を含み、インペラは、インペラとタービンセクションとの間の後部キャビティと、後部キャビティと中央スラストベアリングとを囲むキャビティ壁と、を画定しており、更に、インペラ先端部から後部キャビティへと空気の一次流れを分流する手段と、Ｐ３空気の二次流れを冷却するためにこのＰ３空気の二次流れを熱交換器を通るように導く手段と、冷却されたＰ３空気が一次空気流と混合されるように、このＰ３空気を熱交換器から後部キャビティへと導く手段と、を含み、これにより、後部キャビティにおいて混合されたＰ３空気の温度が、少なくともインペラのハブ寿命を改善するとともに中央ベアリング用のベアリングシールの必要性がなくなる程度まで低下する。
【０００９】
上述のように、インペラの後部キャビティ内の温度が低下したＰ３空気の温度は、中央ベアリングを冷却するために低圧のＰ２Ｘ空気を導く必要性をなくし、ベアリングシールを取り除くことを可能とする。
【００１０】
従って、本発明の利点は、複雑なベアリングシールを取り除くことを可能とし、これにより、重量とコストを低下させる。更に、よりコストが高い冷却された低圧のＰ２Ｘ空気の代わりに、タービンの前方，後方のベアリング及びタービンの冷却に使用されるＰ２５空気を使用することができる。
【００１１】
インペラのハブ用の材料を従来の材料のままとすることができるとともに、インペラの後部キャビティにおいてより低温のＰ３空気を使用することで、インペラの劣化をかなり減少させることができる。
【００１２】
ベアリング負荷は、インペラの後部キャビティにおける冷却されたＰ３空気の渦を調整することによって調節でき、これにより、良好なベアリング負荷制御が提供される。
【００１３】
他方、コンプレッサから流出する空気をより低いＴ３温度に維持する必要がないので、より高いＴ３温度を維持することができ、これにより、エンジン性能が向上する。これは、インペラの後部キャビティ専用の二次Ｐ３流れによる冷却の結果である。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
次に図面を参照すると、コンプレッサセクション１２、コンプレッサセクションの下流にある燃焼室１４、及びタービンセクション１６の一部を含むガスタービンエンジン１０の一部が示されている。このエンジン１０は、バイパスダクト１８によって囲まれている。エンジンと同心状に、軸２０が長手方向に延びる。
【００１５】
コンプレッサ１２は、ハブ２８を含む遠心インペラ２２を有する。パイプディフューザ２４が、遠心インペラ２２を囲んでおり、かつケース２６内でこの遠心インペラの下流に延在している。図で示しているように、インペラのハブの後方に後部キャビティ３０が形成される。キャビティ壁３４がキャビティチャンバ３０を画定する。燃焼室１４は、燃焼室壁５２とノズル５４とを含む。
【００１６】
空気は、遠心インペラ２２の先端部から位置４６で流出する。１９９６年１２月２３日に出願された米国特許第０８／７７１，９０６号では、スラストベアリングの負荷を調整するために、インペラの後部壁に対して空気圧を加えるようにインペラの先端部からインペラの後部キャビティ３０へと空気がブリードされる。
【００１７】
本発明は、図１に示すように、管路３８を通してＰ３空気の二次流れを熱交換器３６へとブリードし、管路４０を通してこのＰ３空気をキャビティ３０へと戻し、インペラの先端部からブリードされる空気の一次流れと混合することを含む。
【００１８】
熱交換器３６は、管路４２を通過するバイパス空気によって冷却される。このバイパス空気は、熱交換器を通過し、位置４２においてバイパスへと戻るように放出される。Ｐ３空気を冷却して、キャビティ３０へと直接導くことによって、インペラの後部キャビティ３０の温度が一般に９２６°Ｆ（４９７℃）から約６４０°Ｆ（３３８℃）に低下する。このキャビティ３０内の比較的低温の空気によって、インペラ２２、特にインペラのハブ２８上の高温のＰ３空気による劣化がなくなるかまたは相当に減少する。
【００１９】
更に、キャビティ３０内の比較的低温のＰ３空気は、続いてベアリング３２の冷却に使用できる。図２に示すように、ベアリング３２は、ローラベアリング４８とカーボンシール４９を含む。図から分かるように、ベアリングアセンブリ３２内に高圧Ｐ３の空気が流入可能となるようにブラシシールとともにラビリンスシールも除去されている。ベアリング３２は、ベアリング潤滑用のオイルパイプ５０を備えている。冷却されたＰ２Ｘ空気は、ベアリング３２を冷却するために開口部を通常通過するが、本発明では、軸２０の周囲の領域と連通するこれらの開口部が遮断されている。
【００２０】
ベアリングのこのような再構成と冷却空気の分配の利点によって、Ｐ２Ｘ空気の必要性がなくなり、よって、前後のベアリングの冷却に使用される通常のＰ２５空気で充分となる。Ｐ２５空気は、図においてＸで示した矢印をたどる。
【００２１】
この構成の他の利点は、パイプディフューザ２４から流出するＰ３空気をより高温に保つことができ、これにより、圧力Ｐ３を高くすることができ、性能が向上する。
【００２２】
また、管路４０を通してキャビティに流入する冷却されたＰ３空気は、インペラの先端部からのブリード空気の渦とは反対向きに流れ、渦を減少させるとともにインペラに対する圧力勾配を一様化する。
【００２３】
インペラの後部キャビティからの流れは、ベアリング３２を冷却した後にタービンセクション１６内のタービンの冷却を補うように使用することができる。従って、Ｐ３空気の流れは、軸２０と同心状のＰ２５空気と混合し、低圧タービンを冷却するためにこのタービンへと導かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例が設置されたタービンエンジンのコンプレッサ、燃焼、タービンの各セクションを示す部分的な軸方向断面図である。
【図２】 図１の細部の軸方向拡大断面図である。

Claims (4)

1. タービンエンジンであって、
   ケースと、このケース内に設けられるとともに、インペラ先端部とこのインペラ先端部を囲むディフューザ（２４）とを含む遠心インペラ（２２）を備えるコンプレッサセクション（１２）と、を含み、Ｐ３加圧空気がディフューザ（２４）から流出し、
   更に、タービンセクション（１６）と、中央の長手方向軸を中心に回転可能に取り付けられ、かつ前記インペラ（２２）を前記タービンセクション（１６）に接続する軸（２０）と、前記インペラ（２２）の下流で前記ケースに取り付けられるとともに前記軸（２０）を支持する中央ベアリング（３２）と、を含み、前記インペラ（２２）は、該インペラ（２２）と前記タービンセクション（１６）との間の後部キャビティ（３０）と、前記インペラ（２２）と前記中央ベアリング（３２）との間でこの後部キャビティ（３０）を囲むキャビティ壁（３４）と、を画定し、
   更に、前記インペラ先端部から前記後部キャビティ（３０）へと一次空気流Ｐ３を分流する手段を含むエンジンにおいて、
   Ｐ３空気の二次流れを冷却するためにこのＰ３空気の二次流れを熱交換器（３６）を通して導く手段と、このように冷却されたＰ３空気の二次流れを前記Ｐ３空気の一次流れと混合するように、この冷却されたＰ３空気を前記熱交換器（３６）から前記後部キャビティ（３０）へと導く手段と、が提供されており、これにより、前記後部キャビティ（３０）内の混合されたＰ３空気の温度が低下することを特徴とするタービンエンジン。
2. 前記中央ベアリング（３２）は、前記インペラの前記後部キャビティ（３０）からの混合されたＰ３空気の流れによって冷却されていることを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
3. Ｐ３空気の二次流れを熱交換器（３６）を通して導く手段は、前記ケース内のＰ３空気と該ケースの外部の熱交換器（３６）とを連通させる管路手段（３８）と、前記熱交換器（３６）から前記キャビティ壁（３４）を通って前記後部キャビティ（３０）内へと延在する別の管路手段（４０）と、を含む ことを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
4. 前記ケースの外部の前記熱交換器（３６）は、前記エンジンの外部から取り入れた冷却空気を、管路（４２）を通して受け入れていることを特徴とする請求項３記載のタービンエンジン。

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