JP4163115B2 - 空冷タービンを有するタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明はタービンエンジンに関し、特に、タービンブレードが分流された空気によって冷却されるタービンエンジンに関する。

航空機のターボジェットやターボファンに使用されているようなタービンエンジンは、一般的にハウジング内に、エンジン内の流体の流れの方向に前方から後方に向かって、ファンセクションと、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含む。これらのセクションは、エンジンの中心軸を中心として回転するように、ひとつもしくはそれ以上の同心軸上に取り付けられた回転部品を有する。

ファンセクションは空気をエンジン内に引き込む。空気は、圧縮機セクションで圧縮され、燃焼セクション内で燃料と混合され、その混合気が点火される。燃焼ガスは燃焼セクションから排出され、タービンセクション内のひとつもしくはそれ以上のタービンを駆動する。

一般的に第１の段の高圧タービン（ＨＰＴ）ブレードは、溶解を防ぐように「Ｐ３」空気と呼ばれる燃焼前の高圧空気を利用して冷却されている。具体的には、Ｐ３空気は接線方向のオンボード型インジェクタ（ＴＯＢＩ）ノズルを通過する。このＴＯＢＩノズルはＰ３空気の相対的な全体温度を一般的に約１００°Ｆ（５５℃）下げる。温度が下がったＰ３空気は高圧タービンディスク／カバープレートに送られ、高圧タービンブレードを通される。そこで一般的にＰ３空気は高圧タービンブレードをシャワーヘッド冷却により冷却する。

しかしながら、高圧Ｐ３空気の利用は熱力学的に効率が悪く、ＴＯＢＩとその付属部品はエンジンの重量を増やし、複雑にさせている。

よって、米国特許第６，２２７，８０１号は、低圧でかつ低温のＰ２ｘ空気を、タービンエンジンの圧縮機セクション、すなわち圧縮機セクションの高圧（Ｐ３）排気口の上流側から分流する改良されたタービンエンジンを開示しており、該特許の内容は参照としてここに援用される。しかしながら、効果的にするために、Ｐ２ｘ空気は高圧タービンブレードの静圧より高い圧力を有する領域から分流される。一般的にこのためには、Ｐ２ｘ空気は圧縮され、この圧縮の結果として加熱された後に分流されることが要求される。

したがって、温度と圧力が低い空気を分流して、高圧タービンを冷却するという改良された方法が望まれている。さらに高圧タービンの冷却に関連する部品の重量がより軽いエンジンが望まれている。

よって、本発明の目的は、エンジンの圧縮機セクションの低圧部から低温空気を分流してエンジンの高圧タービンを冷却する改良されたタービンエンジンを提供することである。有利なことには、低圧空気は圧縮機セクションから分流されてその圧力をその後で上げることができる。好ましくは、圧力は中間キャビティ内で上げられ、そこで分流された空気の回転エネルギーが静圧に転換される。これはキャビティ内の空気の接線速度による空気の動圧を静圧に転換するキャビティ内の閉塞部によって達成されてもよい。

本発明の一態様によれば、タービンエンジンは、吸入した空気を高圧空気と中間圧空気に圧縮するための圧縮機セクションと、圧縮機セクションと連通関係にあり、圧縮された空気とともに燃料を燃焼する燃焼セクションと、燃焼セクションからの燃焼ガスと連通関係にあり、中間圧空気よりも低圧の先端を有するタービンブレードを備えるタービンセクションとを含む。圧縮機セクションの上流側にある実質的に環状のキャビティは、中間圧空気と連通関係にあるブリードと、中間圧空気の動圧を転換して中間圧空気の静圧を上昇させるキャビティ内の閉塞部とを備える。キャビティと連通関係にある入口とタービンブレードと連通関係にある出口とを有する導管は、昇圧された中間圧空気をタービンブレードに導く。

本発明の他の態様によれば、連通関係にある、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含むタービンエンジン内の部品が冷却される。その方法は、（ｉ）燃焼セクションに流入する最も高圧の空気より低温の中間圧空気を圧縮機セクションから分流し、（ｉｉ）分流された中間圧空気の圧力を、タービンセクション内で回転するタービンブレードの静圧を超えるまで昇圧させ、（ｉｉｉ）昇圧された中間圧空気を回転するタービンブレードに導いてタービンブレードを冷却することを含む。

本発明の他の態様や特徴は、以下に記載される発明の具体的な実施例の説明を添付図面と併せて検討することにより、当業者には明らかになるであろう。

図１は本発明の実施例によるガスタービンエンジン１０を示す。エンジン１０はファンセクション１２とコアエンジンとを有し、該コアエンジンは、流れに沿って、圧縮機セクション１４と、燃焼セクション１６と、タービンセクション１８と、排気セクション２０とを含み、これらはすべてエンジンハウジング２２内に取り付けられている。

圧縮機セクション１４は多段である。タービンセクション１８は、単段の高性能タービンのみを有することが好ましい。しかしながら、タービンセクション１８は多段のタービンを有してもよい。タービンセクション１８内の少なくともひとつのタービンは、シャフト２４を介して圧縮機セクション１４の最終段と回転可能に連結している。シャフト２４は、その後方側をローラーベアリングアセンブリ２５によって、前方側をスラストベアリングアセンブリ２８によってハウジング２２内に支持されている。

図２は、タービンエンジン１０の一部、すなわち圧縮機セクション１４の後方側および燃焼セクション１６の前方側を断面で示す。図示されているように、圧縮機セクションの最終段は、燃焼セクション１６と連通関係にある回転インペラー３０であることが好ましい。

燃焼セクション１６は、燃焼器ケース３２とディフューザーアセンブリ３６の一部を構成するディフューザーケース３４とによって両側に形成されている。ディフューザーアセンブリ３６はさらにディフューザーパイプ３８と支持体４０を有する。高圧Ｐ３空気はディフューザーパイプ３８から排出される。

ディフューザーパイプ３８は燃焼セクション１６内にあり、インペラー３０の先端と燃焼セクション１６間の連通を提供し、インペラー３０から燃焼セクション１６のＰ３領域４２へＰ３ガスを導く。当業者に理解されるように、また米国特許第５，８６２，６６６号に詳述されているように、ディフューザーパイプ３８は主として、インペラー３０から排出される空気の接線速度を減速させる働きをする。

さらに、燃焼セクション１６には燃焼器ライナー４４があり、燃焼器ライナー４４は、ケース支持体４８によってエンジンハウジング２２に取り付けられた燃焼室４６を画定している。燃焼室４６は燃焼セクション１６の高圧部４２と連通関係にある。また、燃焼室４６は燃料ノズル５０とも連通関係にある。

タービンセクション１８は高圧タービン５４を有し、高圧タービン５４はローター５６とブレード５８を有する。ブレード５８は好ましくは、燃焼セクションからのガスと連通関係にあるタービンセクション１８内の第一ブレードであり、そのためエンジン１０内のもっとも高温のガスと連通している。カバープレート６０が、高温のガスを吸い込まないように冷却空気を遮断し、回転キャビティ６４を画定する。カバープレート６０内にある孔６２は、燃焼セクション１６とローター５６との間の導管を提供する。

導管７６は、インペラー３０の出口上流側に位置する中間圧キャビティ８０から延在する。典型的なキャビティ８０はしばしば「Ｐ２８ｘ」キャビティと呼ばれる。キャビティ８０は図３において正面図で示されている。ブリード８２は、圧縮機セクション１４の中間圧空気の領域から出て、圧縮機セクション１４からキャビティ８０へ中間圧空気を抽気する。具体的にいうと、この例のキャビティ８０は離間して配された３枚の環状の壁８４、８５、８６で構成されている。よってキャビティ８０は、その形状はおおむねドーナツ形であって、図２に図示されているように均一な断面を有し、図３に図示されるように、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ったおおむね環状の断面を有する。ブリード８２は内壁８４に形成された実質的に円周方向の溝で、インペラー３０の出口上流側に位置する。分離壁（図３）の形態を持つさらなる閉塞部８８が、キャビティ８０内で実質的に半径方向に延び、エンジン１０の中心軸を中心としたキャビティ８０内での抽気の循環を止める。導管７６の入口はキャビティ８０の内部と連通関係にあり、閉塞部８８のすぐ上流側の外壁８５から延在する。

運転中は、ファンセクション１２（図1）が空気をエンジン１０に引き込む。空気は、ファンセクション１２から圧縮機セクション１４へ流れ、そこで多段の圧縮機によって圧縮される。圧縮の最終段は図２に図示されているインペラー３０である。高圧（Ｐ３）空気はインペラー３０の先端から出る。この高圧空気の大部分はディフューザーパイプ３８によって燃焼セクション１６に送られる。そしてＰ３空気の多くは燃焼室４６に入り、ノズル５０からの燃料と混ざって燃焼する。燃焼されたガスは燃焼室４６の後方側から出て、高圧タービンブレード５８を通過する。

従来のタービンエンジンでは、ブレード５８はタービンケーシング５６の後方のカバーに向けて、ＴＯＢＩ（図示せず）を通って噴出されたＰ３ガスによって冷却される。詳細は米国特許第６，２２７，８０１号に記述されている。タービンブレードの冷却シャワーヘッドは噴出された空気をブレードにわたって分散させて、ブレードが溶けないようにする。

しかしながら、本発明の実施例および図２に示されるように、好ましくは金属の管である導管７６は、（Ｐ２ｘ空気として知られている）抽気をキャビティ８０すなわちインペラー３０の低圧領域から前縁を経て高圧タービンブレード５８を通過させる。つまり、導管７６の入口はキャビティ８０からの空気をバッフル７０と連結している排出口へ送る。バッフル７０とカバープレート６０は、カバープレート６０のすぐ上流の領域を画定する。この領域からの空気は、孔６２を通ってローター５６の直前のキャビティ６４に導かれ、図示されているように、高圧タービンブレード５８を通過する。これが可能であるのは、主として、高圧タービンブレード５８の前縁がＰ３領域よりも低圧で、さらに重要なことにはキャビティ８０内のＰ２ｘ空気より低圧であるためである。都合のよいことに、キャビティ８０は圧縮機セクション１４から抽気され、分流されたＰ２ｘ空気の静圧を上昇させる。つまり、図３に示されているように、キャビティ８０に抽気された空気は通常エンジン１０の軸を中心として循環するが、閉塞部８８で止められる。その結果、抽気の（接線速度による）回転エネルギーに関連する動圧は、キャビティ８０内の静圧の上昇に転換される。好ましくは、導管７６への入口は静圧が最も高い閉塞部８８の近くにある。

都合の良いことに、キャビティ８０で生成された静圧の上昇によって、圧縮機セクション１４のより低温の部分から空気を抽気することができる。閉塞部８８が存在することによってキャビティ内の静圧が約３０％上昇すると推測される。閉塞部８８がない状態でこのような上昇を得るには、圧縮空気の温度が約１００°Ｆ（５５℃）高い圧縮機セクション１４の領域に向かって軸方向前方にブリード８２を移動させなければならない。これにより、Ｐ２ｘ空気は、高圧タービンブレード５８前縁の静圧より実質的に高くない静圧を有する圧縮機セクション１４の領域から抽気することが可能となる。実際には、高圧タービンブレード５８前縁の静圧より低い静圧を有する空気が圧縮機セクション１４から抽気されてもよい。この抽気の圧力はその後、閉塞部８８によって高められる。

有利なことに、抽気されたＰ２ｘ空気は、Ｐ３空気より熱力学的にコストがかからない。Ｐ２ｘ空気は圧力が低く、さらに有利なことに、領域５０におけるＰ３空気より低温である。抽気されたＰ２ｘ空気が低圧であればあるほど、低温である。したがって、高圧タービンブレード５８の冷却におけるＰ２ｘ空気の利用、そして、その結果として生じるＰ３空気利用の減少は、エンジン全体の効率を向上させる。さらに、抽気が低圧であればあるほど、この空気に使われるエネルギーが減り、全体的なエンジン運転の効率が上がる。

さらに重要なことに、Ｐ２ｘ空気がＰ３空気より低温であるので、従来の高圧タービンブレードの一部であるシャワーヘッドを除去するとともに、主としてＰ３空気の温度を下げるように機能する従来のＴＯＢＩノズルの使用も廃止することができる。低圧のＰ２ｘ空気を利用してシャワーヘッドを除去することによって、要求されるブレード供給圧が減少する。これは従来のブラッシュシールの除去を可能にする。加えて、導管７６によって導かれたＰ２ｘは、従来のバッフルを除去することによって、後方のベアリングキャビティ２６に送ることもできる。圧縮機セクション１４から低圧空気を分流することの上述および他の利点は米国特許第６，２２７，８０１号に詳述されている。

さらに、分流されたＰ２ｘ空気は、Ｐ３空気の代わりにシャフト２４にも送られてもよい。Ｐ２ｘ空気はより低温なので、シャフト２４はインコネル（登録商標）のような耐熱合金の代わりに鋼から作られてもよく、これはエンジン製造のコストの削減につながる。

ここで明らかなように、キャビティ８０は、抽気の静圧を上昇させるように作用するさまざまな方法で形成できる。例えば、キャビティ８０の断面はほとんどすべての適切な形状が採用できる。さらに、閉塞部８８は隔壁として形成される必要はなく、また半径方向に延長する必要もない。圧縮機セクション１４から抽気された空気の静圧を上昇させる働きをするものであれば、キャビティ８０内のいかなる閉塞部も閉塞部８８を形成するために用いることができる。同様に、導管７６への入口は閉塞部８８に近接していることが望ましいが、キャビティ８０の内部と連通する他の適当な場所に備えることも可能である。

ここに記述された実施例は本発明を実施するための好ましい態様の単なる例示であって、形状、サイズ、部品の配置および動作の詳細は変更が可能なものであり、本発明はそれらに限定されるものではない。本発明は前述された代表的なエンジンのほかに、既存のエンジンの設計を修正するだけで容易に実施されてもよい。本発明はむしろ、請求の範囲で定められる発明の範囲内におけるこのような変更すべてを含むことを意図する。

本発明に係る実施例のタービンエンジンの側面図である。 図１の一部の拡大断面図である。 図２のＩＩＩ-ＩＩＩに沿った断面図である。

Claims (8)

1. 吸い込んだ空気を高圧空気と中間圧空気に圧縮する圧縮機セクションと、
   前記圧縮機セクションと連通関係にあり、かつ圧縮された空気とともに燃料を燃焼する燃焼セクションと、
   前記燃焼セクションからの燃焼ガスと連通関係にあり、かつ前記中間圧空気より低い圧力の先端を有するタービンブレードを備えるタービンセクションと、
   前記圧縮機セクションの上流側にあり、かつ前記中間圧空気と連通関係にあるブリードと、前記中間圧空気の動圧を転換して前記中間圧空気の静圧を上昇させるキャビティ内の閉塞部と、を備える実質的に環状のキャビティと、
   前記キャビティと連通関係にある入口と前記タービンブレードと連通関係にある出口とを有し、昇圧された前記中間圧空気を前記タービンブレードに導く導管と、
   を含むタービンエンジン。
2. 前記閉塞部は中心軸に対して実質的に半径方向に延びる壁を含むことを特徴とする請求項１のタービンエンジン。
3. 前記ブレードは前縁を備え、前記中間圧空気は前記前縁の近傍の静圧より低いか、もしくはわずかに高い圧力を有することを特徴とする請求項１のタービンエンジン。
4. 前記導管は前記圧縮機セクションから前記タービンセクションまでの管を含むことを特徴とする請求項１のタービンエンジン。
5. 前記タービンブレードはシャワーヘッド冷却アセンブリーを備えていないことを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
6. 前記導管は前記タービンブレードへの冷却空気の主要供給源を提供することを特徴とする請求項１記載のタービンエンジン。
7. タービンエンジン内の部品を冷却する方法であって、前記タービンエンジンは、連通関係にある、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションとを含み、前記方法は、
   前記燃焼セクションに流入する高圧空気より低温の中間圧空気を前記圧縮機セクションから分流し、
   前記分流された中間圧空気の圧力を、前記タービンセクション内で回転するタービンブレードの静圧を超えるまで昇圧させ、
   昇圧された前記中間圧空気を前記回転するタービンブレードに誘導して該タービンブレードを冷却することを含み、
   前記昇圧は、前記中間圧空気をキャビティに抽気し、前記中間圧空気の回転エネルギーを転換させて、該中間圧空気の静圧を上昇させることを含むことを特徴とする方法。
8. 前記タービンブレードの前縁は、昇圧後の前記中間圧空気の圧力よりも低い静圧を有することを特徴とする請求項７記載の方法。

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