JP4439053B2 - ベイ冷却タービンケーシング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術的背景】
本発明は概括的にはガスタービンエンジンに関し、具体的にはガスタービンエンジン内部の冷却に関する。
【０００２】
ターボファンガスタービンエンジンでは、空気を圧縮機で圧縮し、燃焼器で燃料と混合・点火して高温燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは数段のタービンを通して下流に流れ、タービン段で燃焼ガスからエネルギーが抽出される。タービン段には１列のノズル静翼が含まれていて、燃焼ガスを転向かつ加速して対応する１列のタービン動翼に送り込み、動翼列で燃焼ガスからエネルギーが抽出され支持ディスクを回転する。高圧タービン（ＨＰＴ）が燃焼器から最初に燃焼ガスを受入れて圧縮機を駆動する。また、低圧タービン（ＬＰＴ）がＨＰＴの下流に配設されていて、追加エネルギーを抽出して圧縮機上流のファンを駆動するが、ファンが推力を発生して飛行中の航空機を推進する。
【０００３】
タービン構成部は燃焼ガスで加熱されるので、作動中の耐用寿命を得るためにそれらの温度を制限しなければならない。また、タービン構成部の温度制御は、ステータ部とロータ部の間のクリアランスを減じてエンジンの熱力学的効率を最大にするためにも必要である。
【０００４】
ＨＰＴの様々な構成部は、通例、圧縮機から抽出される空気の一部を用いて冷却され、この空気部分は、そのために特別に形成された専用回路を経て導かれる。ＬＰＴはＨＰＴの下流に配置されているので、通例抽気冷却を要しない。
【０００５】
しかし、ナセルが圧縮機からＬＰＴまでコアエンジンを取り囲んでいて、通例その前端にファン空気の少量部分を受入れる入口を有していて、その空気によりナセルとコアエンジンの様々なケーシングとの間に画成されるベイをパージする。パージ空気出口はナセル後端近くに設けられているので、パージ空気は低速でベイを通ってベイ内の燃料蒸気を除去するとともに、それにより若干の冷却をなす。
【０００６】
従って、代表的なＬＰＴケーシングはその外面でパージ空気に付され、それ以外には冷却されない。タービンケーシングは様々な列のノズル静翼とタービンシュラウドとを支持し、これらの静翼とシュラウドは協働ロータ構成部とともに適当なクリアランスをなすように保たれる。ロータ構成部とステータ構成部は作動中膨張収縮するので、クリアランスも膨張収縮するが、ステータ構成部とロータ構成部の間に望ましくない摩擦を引起こすことなく、なるべく小さく保たれるべきである。
【０００７】
ある設計では、タービンケーシングは外部から冷却される。例えば、アクティブ（積極的）なクリアランス制御を用いてタービンケーシングを選択的に冷却し、ひいてはクリアランスを制御して効率を高める。しかし、このような方式によればエンジンの複雑さと費用が増加する。
【０００８】
従って、タービンケーシングの冷却の改善及びパッシブ（受動的）なクリアランス制御をなすことが望ましい。
【０００９】
【発明の概要】
タービンケーシングは１列のノズル静翼を支持しており、その間を高温燃焼ガスが流れる。バッフルはケーシングを取り囲んで冷却ダクトを画成する。ナセルはタービンケーシングを取り囲んでおり、ベイ空気を受入れる入口とベイ空気を排出する出口とをもつベイを画成する。冷却ダクトは、タービンケーシングに沿って流れてケーシングを選択的に冷却するためのベイ空気を受入れる入口を有している。
【００１０】
【発明の詳しい説明】
以下の発明の詳しい説明において、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい例示的実施形態を本発明のさらなる目的及び効果と併せて具体的に説明する。
【００１１】
図１に飛行中の航空機を駆動するターボファンガスタービンエンジン１０を例示する。このエンジンは長手軸中心軸線１２を中心として軸対称であり、直列に連通したファン１４と多段軸流圧縮機１６と燃焼器１８と高圧タービン（ＨＰＴ）２０と低圧タービン（ＬＰＴ）２２とを含んでいる。作動中、空気２４がファンを通過して圧縮機に入り、そこで数段にわたって圧縮されて燃焼器に導かれ、燃焼器内で燃料と混合・点火されて高温燃焼ガス２６を発生する。燃焼ガスは次いでＨＰＴ２０及びＬＰＴ２２を流れ、ＨＰＴとＬＰＴでそれぞれ圧縮機とファンを駆動するためのエネルギーが燃焼ガスから抽出される。
【００１２】
ＬＰＴ２２を図２にさらに詳細に例示するが、ＬＰＴ２２は、燃焼ガスを導くための複数列のノズル静翼３０が固定された環状タービンケーシング２８を含んでいる。ＬＰＴは、それぞれのロータディスク３４から半径方向外方に延在する複数列のタービン動翼３２も含んでいる。静翼３０は対応する動翼列の上流に配設され、燃焼ガスを転向させ加速して次いで複数の動翼列に通す。
【００１３】
各静翼列の半径方向内端は半径方向内側シール３６を支持しているが、シール３６は通例ハニカムの形態であり、隣接ロータディスクから半径方向外方に延在する対向シール歯３８と協働して、それらの間の半径方向クリアランスすなわち間隙で段間シールをなす。
【００１４】
これに対応して、半径方向外側シュラウド４０が、各動翼列の上方でタービンケーシング２８に固定されていて、各動翼の動翼先端と共にそれぞれのクリアランスすなわち間隙を画成する。作動中、内側シールクリアランスと翼先端クリアランスをなるべく小さく保ってそれらを通過する燃焼ガス漏れを低減するのが望ましい。漏れを減らさないとエンジン効率が低下するからである。しかし、燃焼ガスはタービンの種々異なる構成部を種々異なる温度に加熱して熱膨張収縮差を引き起こし、それに応じて翼先端クリアランスと内側シールクリアランスの寸法が変化する。そのため、ケーシング内部のこれらのクリアランスのパッシブクリアランス制御をなすためタービンケーシング２８を冷却するのが望ましい。
【００１５】
再び図１を参照すると、エンジンは環状ナセル４２を含んでいて、ナセル４２は圧縮機と燃焼器と高圧タービンを含めたコアエンジンを取り囲んでいるが、低圧タービンも取り囲んでいて、その周囲に環状プレナムすなわちベイ４４を画成している。ベイ４４はその前端に入口４６を含んでいるが、入口４６はナセルを貫通した１以上の開口の形態をなしていて、ファン１４下流のファンダクトを介してファン１４と連通しており、ファンによって圧縮された空気の一部を同じく符号２４で表したベイ空気すなわちパージ空気として用いるためファンダクトから受入れる。ベイ４４は軸方向後端に出口４８も含んでいるが、出口４８は、ベイ空気をエンジンから排出するため、実質的に連続した周方向スロット又は一連の開口の形態をしている。
【００１６】
環状バッフル５０はケーシング２８を周方向に取り囲んでいて、ケーシング２８から半径方向外方に離隔してケーシング２８との間に環状の流れダクトすなわち冷却ダクト５２を画成する。
【００１７】
図２にさらに詳しく図示した通り、冷却ダクト５２は、その軸方向前端にベイ４４からベイ空気を受入れるための入口５４と、軸方向反対側の端すなわち後端にベイ空気をベイ出口４８から排出するための出口５６とを含んでいる。
【００１８】
本発明では、バッフル５０はタービンケーシング２８と協働してタービンケーシングを選択的に冷却し、かかる冷却によって、例えば内側シール３６におけるクリアランスをパッシブに制御する。改良されたパッシブクリアランス制御法では、ノズル静翼３０は、ロータディスク３４の対応歯３８の半径方向上方に内側シール３６を懸架すべく、ケーシング２８の内面に固定される。ファン空気の一部がファン１４からケーシング２８周囲のベイ４４に分岐される。ベイ４４に導かれたベイ空気はバッフル５０で制限されて冷却ダクト５２を通して加速され、ケーシング２８の表面を軸方向後方に流れてケーシングを選択的に冷却する。
【００１９】
冷却ダクト５２からのベイ空気は、ダクト出口５６を通過し、さらにベイ出口４８を通ってベイ４４の下流端から排出される。このように、ベイ４４の中に導かれた当初低速のベイ空気は、ベイから燃料蒸気をパージするだけでなく、次いでタービンケーシング２８の選択的な冷却にも用いられてその寿命を向上するとともにクリアランス制御を改善しそれに応じてエンジン効率を高める。
【００２０】
図１及び図２に示す通り、例えば板金製隔壁の形態にある環状シール５８が、バッフル５０をナセル４２に固定し、ベイ空気が冷却ダクト５２をバイパスしてベイ出口４８に向かうのを阻止する。タービンケーシングを冷却するため、シール５８はバッフル５０と協働してベイ空気が主に冷却ダクト５２だけを流れように制限する。
【００２１】
バッフル５０は、冷却ダクトを通してベイ空気を加速しタービンケーシングの半径方向外面の強制対流冷却を達成すべく、冷却ダクト５２がその上流のベイ４４の比較的大きな流れ面積と比べて最小流れ面積のスロート部を概略画成するようにナセル４２から半径方向内方に離隔している。
【００２２】
さらに、バッフル５０は好ましくはケーシング２８の周囲に全周にわたって延在しており、ケーシングを円周方向に実質的に均一に冷却してケーシング周囲の温度差を低減もしくは解消するが、さもなくば内側シール３６のクリアランスが変化してしまう。
【００２３】
本発明の別の態様では、図２に示す通り、タービンケーシング２８は、複数の軸方向に離隔したタービュレータ６０を含んでいるが、これらのタービュレータ６０はタービンケーシング２８の外周上に半径方向外方に延在していて、タービンケーシング２８と一体に形成されており、それぞれ所定の位置でケーシングの対流冷却を選択的に増進する。
【００２４】
タービュレータ６０は図３にさらに詳しく例示する。タービュレータ６０は、内側シール３６でのクリアランスをパッシブ制御すべく、ノズル静翼３０の固定支持部に対して特定の位置に配設される。タービンケーシング２８は、ノズル静翼３０と動翼シュラウド４０を慣用的手法で支持するためケーシングの局部拡張部分としてケーシングから半径方向内方に延在した複数の環状支持フック６２を含んでいる。個々の支持フック６２は、その直下のノズル静翼の半径方向外側バンドの対応取付けフックを支持するとともに、軸方向に隣接した静翼列間及び対応支持フック間に装着された外側シュラウド４０を支持している。
【００２５】
タービンケーシング２８の外面の個々のタービュレータ６０は好ましくは、冷却ダクト５２を通過するベイ空気の流れを局所的に加速・妨害することによりタービンケーシングの強制対流冷却を増進するとともにその下にあるフック６２から熱を除去する熱放散フィンとして作用させるため、対応支持フック６２と整合している。
【００２６】
このように整合したタービュレータ６０は、対応支持フック６２の半径方向外方でベイ空気の熱伝達冷却効果を局所的に高め、もって支持静翼列の各々で局所的にタービンケーシング２８の熱膨張収縮を制御し、もって内側シール３６とロータシール歯３８の間のクリアランスを制御するのに有効である。
【００２７】
二次的に、同じく隣接フック６２で支持されている外側シュラウド４０の半径方向位置も制御され、動翼先端クリアランスが制御される。
【００２８】
ベイ空気は、単にベイから燃料蒸気を除去するだけでなく、ベイ空気が冷却ダクト５２内で加速されることでタービンケーシング２８の強制対流冷却もなされるので、さらに有利に用いることができる。タービュレータ６０は、下側の支持フック６２に対応した軸方向位置に計画的に配設され、さらに一段と効果的にフック６２から熱を除去してタービンケーシングの熱膨張収縮を制御し、もって内側シール３６及び外側シュラウド４０でのパッシブクリアランス制御を与える。図２に示すタービュレータ６０は、好ましくは、対応支持フック６２の箇所にだけ配置され、最高温度に付され冷却を高める必要のある支持フックの箇所にだけ、例えば低圧タービンの最初の３段に配置される。
【００２９】
タービュレータ６０の半径方向高さ及び軸方向幅は、その対流冷却促進効果及び対応フック６２からの熱抽出フィンとしての作用効果を最大にする寸法とし得る。フック６２はケーシング２８の周りに周方向に延在するので、タービュレータ６０も好ましくは同様にケーシングの周囲に周方向に全円リングとして延在する。
【００３０】
別の実施形態では、タービュレータは周方向に複数セグメントに分割してもよく、対応支持フック６２近くに１以上の軸方向群をなして配設し得る。タービュレータは周方向のみに延在し、冷却ダクト５２を通過する空気流の軸方向に垂直に向いていてもよいし、或いは、タービュレータを複数セグメントに分割し、接線方向に傾けてもよいし、周方向に互いに平行に傾けてもよく、山形又はＶ形の形状を有し得る。タービュレータ６０は、下側の支持フック６２とともに一体タービンケーシング２８として共に鋳造又は鍛造することによって形成し得る。タービュレータは、支持フック６２との相対的な熱的質量が支持フックからの熱抽出が最大となるサイズとし得る。
【００３１】
かくして、利用可能なベイ空気によってタービンケーシング２８の冷却がなされ、従来のエンジンでは得られなかった利点が追加される。タービンケーシングの改良冷却が、内側シール３６のパッシブクリアランス制御及びタービンケーシングに固定された外側シュラウド４０のパッシブクリアランス制御とともに達成される。
【００３２】
以上、本発明の好ましい例示的実施形態と考えられるものを説明してきたが、本明細書の教示内容から本発明のその他の変更は当業者には自明であり、従って、かかる変更すべてが本発明の技術的思想及び技術的範囲に属するものとして特許請求の範囲に包含されることを望むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるタービンケーシング冷却を有するターボファンガスタービンエンジンの軸方向部分断面図。
【図２】 図１に示す低圧タービンの一部をその選択的冷却用バッフルを含めて示す拡大部分断面図。
【図３】 図２の破線円３で囲ったバッフル及びタービンケーシングの部分をさらに拡大した部分断面図。
【符号の説明】
１０ ターボファンガスタービンエンジン
１４ ファン
２２ 低圧タービン
２８ タービンケーシング
３０ ノズル静翼（タービン静翼）
３２ タービン動翼
４０ シュラウド
４２ ナセル
４４ ベイ
４６ ベイ入口
４８ ベイ出口
５０ バッフル
５２ 冷却ダクト
５４ ダクト入口
５６ ダクト出口
５８ 環状シール
６０ タービュレータ
６２ 支持フック

Claims (6)

1. タービンケーシング（２８）、
   上記ケーシングに固定されていて燃焼ガスを導く１列のノズル静翼（３０）、
   ケーシングを取り囲みその半径方向外方に離隔していて、上記ケーシングの周囲にベイ（４４）を画成しているナセル（４２）、
   軸方向前端にベイ空気を受入れる入口（４６）と軸方向後端に上記ベイ空気を排出する出口（４８）とを有している上記ベイ、
   上記ケーシング（２８）を取り囲みその半径方向外方に離隔していて、上記ケーシングとの間にケーシングを選択的に冷却するための冷却ダクト（５２）を画成しているバッフル（５０）、及び軸方向前端に上記ベイから上記ベイ空気を受入れる入口（５４）と軸方向後端に上記ベイ空気を上記ベイ出口に排出する出口（５６）とを有している上記冷却ダクト、
   を含み、
   前記バッフル（５０）が前記ケーシング（２８）の周りに周方向に延在していて前記ケーシングを周方向に冷却し、
   前記タービン冷却装置は、前記ケーシングの外周上に半径方向外方に延在していて、前記ケーシングの対流冷却を増進する複数の軸方向に離隔したタービュレータ（６０）をさらに含むことを特徴とする、タービン冷却装置。
2. ナセル（４２）とバッフル（５０）の間に延在していて、冷却ダクト（５２）内を流れるように前記ベイ空気を制限するシール（５８）をさらに含んでなる、請求項１記載の装置。
3. バッフル（５０）がナセル（４２）から半径方向内方に離隔していて、前記冷却ダクトを流れる前記ベイ空気を加速する、請求項１又は２記載の装置。
4. ケーシング（２８）から半径方向内方に延在する複数の支持フック（６２）をさらに含んでなり、タービュレータ（４４）が上記フックの対応するものと整合していて上記フックから熱を抽出する、請求項１記載の装置。
5. ケーシング（２８）の内側に複数列に配置された複数のタービン動翼（３２）、
   上記動翼列の対応するものの上流に配置されていて、前記フック（６２）で支持された複数のタービン静翼（３０）、及び前記動翼列の対応するものの半径方向上方に離隔していて、静翼と静翼の間にフック（６２）で支持された複数のシュラウド（４０）
   をさらに含んでなる、請求項４記載の装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のタービン冷却装置を備えるタービンエンジン。

Images