JP4559141B2 - ガスタービンエンジンロータ組立体を冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンロータ組立体に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、多段軸流圧縮機、燃焼器及びタービンを含む。圧縮機に流入する空気流は、加圧されて燃焼器に向けられ、該燃焼器で空気流は燃料と混合され点火されて、タービンを駆動するのに使用する高温燃焼ガスを発生する。タービンに流入する高温燃焼ガスによって生じる熱伝達を制御するために、一般的に冷却空気がタービン冷却回路を通して導かれ、タービンを冷却するのに使用される。

多くの場合、圧縮機ブリード空気が、タービン冷却回路用の冷却空気の供給源として用いられ、またエンジン内部に画成された空洞をパージするためにも用いられる。より具体的には、ガスタービンエンジン内部に十分な冷却空気を維持しかつ空気空洞をパージすることは、適当なエンジン性能及び構成部品寿命にとって重要であるといえる。しかしながら、圧縮機から冷却空気を抽出することは、ガスタービンエンジン性能全体に悪影響を及ぼす可能性がある。構成部品を適当に冷却する必要性と高レベルの作動効率を維持したいという要求との兼ね合いがあり、このため一般的に、圧縮機を通って流れる空気の温度は圧縮機の各段毎に上昇するので、許容できる最も低い圧縮機段からの冷却空気を用いることにより、このような冷却空気の抽出の結果生じるエンジン性能の低下をより少なくする。しかしながら、このようなエンジン内では、少なくとも一部のエンジン出力設定の間に、圧縮機システムが充分な圧力でパージ空気を供給できなくなる場合があり、このため高温ガスが依然として空洞内に吸い込まれる可能性がある。長期間にわたってこのような温度的エクスカーションに連続して曝されることにより、空洞に隣接する構成部品の有効寿命が制限されるおそれがある。
米国特許第 4086757 号明細書 米国特許第 4190398 号明細書 米国特許第 4541774 号明細書 米国特許第 4882902 号明細書 米国特許第 4890981 号明細書 米国特許第 5236302 号明細書 米国特許第 5275534 号明細書 米国特許第 5288210 号明細書 米国特許第 5472313 号明細書 米国特許第 5555721 号明細書 米国特許第 5700130 号明細書 米国特許第 5984637 号明細書 米国特許第 6398487 号明細書

１つの態様では、ガスタービンエンジンを組み立てる方法を提供する。本方法は、ロータシャフトと、半径方向外側リム、半径方向内側ハブ及びその間で延びる一体形ウェブを備えたロータディスクとを含み、かつロータシャフトを通って延びる回転軸線の周りで回転可能なロータ組立体を設ける段階と、少なくとも１つの吐出管を含むディスクリテーナをロータディスクに結合して、吐出管がディスクリテーナから外向きに延びて冷却流体をポンピングしかつ次に該冷却流体を回転軸線に対してほぼ垂直な方向に該吐出管から吐出するようにする段階とを含む。

別の態様では、中心回転軸線を含むガスタービンエンジン用のロータ組立体を提供する。ロータ組立体は、ロータシャフト、ロータディスク及びディスクリテーナを含む。ロータディスクは、ロータシャフトに結合され、かつ半径方向外側リム、半径方向内側ハブ及びその間で延びる一体形ウェブを含む。ディスクリテーナは、ロータディスクに結合され、かつディスクリテーナから半径方向外向きに延びて冷却流体をポンピングしかつ次に該冷却流体をガスタービンエンジンの回転軸線に対してほぼ垂直な方向に該吐出管から吐出するようになった少なくとも１つの吐出管を含む。

さらに別の態様では、ロータ組立体を含むガスタービンエンジンを提供する。ロータ組立体は、ロータシャフト、ロータディスク及びディスクリテーナを含む。ロータシャフトは、中心回転軸線を有する。ロータディスクは、ロータシャフトに結合され、かつ半径方向外側リム、半径方向内側ハブ及びその間で延びる一体形ウェブを含む。ディスクリテーナは、ロータディスクに結合され、かつディスクリテーナから半径方向外向きに延びる少なくとも１つの吐出管を含む。吐出管は、冷却流体をポンピングしかつ次に該冷却流体をロータシャフトの回転軸線に対してほぼ垂直な方向に吐出する。

図１は、ギアボックス１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はさらに、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。ギアボックス１２及びタービン２０は第１のシャフト２４によって結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は第2のシャフト２６によって結合される。従って、シャフト２４及び２６はほぼ同軸に整列されるので、その各々が同一の回転軸線２８の周りで回転可能である。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＬＶ１００型である。

作動中、空気は、圧縮機１４を通って流れる。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動した後にガスタービンエンジン１０から流出する。タービン２０によりなされた仕事は、次ぎにシャフト２４によってギアボックス１２に伝えられ、次ぎに利用可能な仕事を用いて、車両または発電機を駆動することができる。

図２は、ガスタービンエンジン１０に用いることができるタービン冷却回路３８の概略側面断面図である。燃焼器１６は、環状の外側ライナ４０、環状の内側ライナ４２並びにそれぞれ外側及び内側ライナ４０及び４２間で延びるドーム状端部（図示せず）を含む。外側ライナ４０及び内側ライナ４２は、燃焼器ケーシング（図示せず）から半径方向内側に間隔を置いて配置され、燃焼室システム組立体４６を形成する。内側ノズル支持体４４は、ほぼ環状でありかつディフューザ（図示せず）から下流方向に延びる。燃焼室４６は、形状がほぼ環状でありかつライナ４０及び４２間に画成される。内側ライナ４２及び内側ノズル支持体４４は、内側通路５０を画成する。外側及び内側ライナ４０及び４２は各々、燃焼器１６の下流に位置したタービンノズル５２まで延びる。

高圧タービン１８は、圧縮機１４（図１に示す）とほぼ同軸にかつ燃焼器１６の下流に結合される。タービン１８は、少なくとも１つのロータ６４を備えたロータ組立体６２を含み、該ロータ６４は１つ又はそれ以上のディスク６６によって形成されることができる。この例示的な実施形態では、ディスク６６は、半径方向外側リム６８、半径方向内側ハブ７０及びその間でほぼ半径方向に延びかつそれぞれのブレードダブテールスロット７３から半径方向内側に位置する一体形ウェブ７２を含む。各ディスク６６はさらに、外側リム６８から半径方向外向きに延びる複数のブレード７４を含む。ディスク６６は、ロータ組立体６２の周りで円周方向に延び、またブレード７４の各列は、タービン段と呼ばれることもある。

環状の前部ディスクリテーナ８０及び環状の後部ディスクリテーナ８２は、ダブテールスロット７３に沿って延びて、ダブテールスロット７３内にロータブレード７４を保持するのを可能にする。具体的には、前部ディスクリテーナ８０は、ディスク６６の上流側面８４に沿って延び、かつ半径方向外端部１１０、半径方向内端部１１２及びその間で延びる本体１１４を含む。本体１１４は、複数の半径方向外側シール歯状突起１２０及び複数の半径方向内側シール歯状突起１２２を含む。半径方向外側シール歯状突起１２０は、シール部材１２４と協働して外側バランスピストン（ＯＢＰ）シール１２６を形成し、また半径方向内側シール歯状突起１２２は、シール部材１２８と協働して内側バランスピストン（ＩＢＰ）シール１３０を形成する。加速器吐出空洞１３４が、ＩＢＰシール１３０とＯＢＰシール１２６との間に画成され、ＯＢＰシール１２６は、冷却空洞１３４と外側バランスピストン吐出空洞１３８との間に位置する。

後部ディスクリテーナ８２は、ディスク６６の下流側面１５０に沿って延び、かつ半径方向外端部１５２、半径方向内端部１５４及びその間で延びる本体１５６を含む。本体１５６は、冷却プレート部分１６０、ディスクスタブシャフト部分１６２及びその間に位置する複数の半径方向空気ポンパ（ｐｕｍｐｅｒ）１６４を含む。冷却プレート部分１６０は、半径方向締り嵌めでディスク６６に当接して結合され、かつリテーナ外端部１５２から各半径方向空気ポンパ１６４まで延びる。ディスクスタブシャフト部分１６２は、リテーナ部分１６０からほぼ垂直に配向され、かつロータシャフト２６に沿って延びる。より具体的には、ディスクスタブシャフト部分１６２は、半径方向空気ポンパ１６４からリテーナ端部１５４まで延びて、後部ディスクリテーナ８２をシャフト２６に結合されて圧縮荷重がシャフト部分１６２を通してリテーナ８２に生じるようにすることを可能にする。

半径方向空気ポンパ１６４は、エンジン１０内で円周方向に間隔を置いて配置され、その各々が回転軸線２８に対してほぼ垂直に配向される。この例示的な実施形態では、後部ディスクリテーナ８２は、８つの半径方向空気ポンパ１６４を含む。各半径方向空気ポンパ１６４は中空であり、かつ入口１８０、入口１８０から半径方向外側に位置する出口１８２及びその間で延びるほぼ円筒形本体１８４を含む。各半径方向空気ポンパ１６４は、後部ディスクリテーナ８２によって少なくとも部分的に境界づけられた後部リム空洞１８８内に各ポンパ１６４が少なくとも部分的に延びることを可能にする長さＬ_１を有する。さらに、半径方向空気ポンパの長さＬ_１はまた、ポンパ１６４を通って流れる空気の角空気速度を維持するかまたは加速し、ポンパ１６４を用いない場合に発生することになるより弱い強制渦流圧上昇と比較してこのような空気の吐出圧を上昇させることを可能にする。

各半径方向空気ポンパ１８０は、ボア空洞１９０と流れ連通状態で結合される。ボア空洞１９０は、少なくとも部分的にディスク６６とシャフト２６との間に画成される。ボア空洞１９０は、各半径方向空気ポンパ１６４とサンプバッファ空洞１９４との間で軸方向に延びかつそれらに流れ連通状態で結合される。サンプバッファ空洞１９４はまた、環状空間１９６を通して空気供給源に流れ連通状態で結合され、環状空間１９６から吐出される空気がサンプバッファ空洞１９４に流入した後にサンプ２００内に吐出されるようになる。より詳細には後述するが、サンプバッファ空洞１９４からの漏洩は、ボア空洞１９０に導かれる。

冷却回路３８は、圧縮機１４のような空気供給源とタービン２０とに流れ連通しており、圧縮機１４からの冷却空気を供給してタービン２０を冷却するのを可能にする。作動時、圧縮機１４から吐出された空気は、燃料と混合され点火されて、高温燃焼ガスを発生する。得られた高温燃焼ガスは、タービン２０を駆動する。同時に、空気の一部分は、圧縮機１４から冷却回路３８に抽出されてタービン構成部品を冷却しかつ空洞をパージするのを可能にする。

具体的には、圧縮機１４から抽出された空気の少なくとも一部分は、加速器を通るように導かれた後に加速器吐出空洞１３４内に吐出される。サンプバッファ空洞１９４から供給された冷却空気２０９は、サンプ２００内に導かれる。バッファ空洞１９４に供給された空気２１０の一部分２１２は、吐出空洞１３４からＩＢＰシール１３０を通して漏洩した空気２１４と混合され、ボア空洞１９０内に導かれる。サンプバッファ空洞１９４からの空気２１２の漏洩は、サンプ２００内に暖かい圧縮機吐出空気が吸い込まれるのを防止することを可能にする。より具体的には、ボア空洞１９０内に流れ込む空気２１４は、ポンパ１６４を通して吐出されるので、ボア空洞１９０内部の作動圧力が低下して、ポンパ１６４により空洞１９０を積極的にパージし、かつ流れ２１２が逆方向に流れるのを防止することが可能になる。さらに、ポンパ１６４を通って流れる空気２１４の吐出圧が上昇するので、ポンパ１６４はまた、後部リム空洞１８８を積極的にパージすることを可能にする。

後部リム空洞１８８から吐出された流れ２１６は、ディスクシール組立体８２と後部遷移ダクトの流路内側バッファシール２１８との間を半径方向外向きに強制的に流されて、外側ロータリム６８及びディスクシール組立体８２を冷却することを可能にする。さらに、空洞１９０及び１８８をパージすることは、それらの中に暖かい圧縮機吐出が吸い込まれるのを防止し、それによって時の経過とともに、空洞１８８及び１９０内部に収納され、該空洞に隣接し、又は該空洞と流れ連通した構成部品に損傷が生じる可能性を防止することを可能にする。

上記のタービン冷却回路は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。冷却回路は、シャフトスタブ部分と一体形成されまた複数の半径方向空気ポンパと一体形成された後部ディスクリテーナを含む。リテーナは、冷却プレート部分及びディスクスタブ部分と一体形成されるので、製造コスト及びタービン組立時間を削減することを可能にする。さらに、半径方向ポンパはそれを通って流れる空気の吐出圧を増大させるので、ポンパは、後部リム空洞及びボア空洞を積極的にパージすることを可能にし、従ってサンプバッファ空洞からの流れをパージするのを保証する。従って、ポンパは、こうして暖かい圧縮機吐出が前述の空洞内に吸い込まれるのを防止することを可能にする。その結果、後部ロータリテーナ組立体及び冷却回路は、費用効果がありかつ信頼性がある方法でタービンロータ組立体の有効寿命を延ばすことを可能にする。

以上は、ロータ組立体及び冷却回路の例示的な実施形態を詳細に説明している。ロータ組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、逆に、各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に使用することができる。例えば、各後部リテーナ組立体の構成部品はまた、他の冷却回路の構成部品及び他のロータ組立体と組み合わせて用いることもできる。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに用いるタービン冷却回路の概略側面断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１６ 燃焼器
２６ ロータシャフト
３８ タービン冷却回路
４６ 燃焼室システム組立体
５２ タービンノズル
６２ ロータ組立体
６４ ロータ
６６ ディスク
６８ 外側リム
７０ 内側ハブ
７２ 一体形ウェブ
７３ ブレードダブテールスロット
７４ ロータブレード
８０ 前部ディスクリテーナ
８２ 後部ディスクリテーナ
１２６ 外側バランスピストンシール
１３０ 内側バランスピストンシール
１３４ 加速器吐出空洞
１３８ 外側バランスピストン吐出空洞
１６０ 冷却プレート部分
１６２ ディスクスタブシャフト部分
１６４ 空気ポンパ
１８８ 後部リム空洞
１９０ ボア空洞
１９４ サンプバッファ空洞
１９６ 環状空間
２００ サンプ
２１８ 後部遷移ダクトの流路内側バッファシール

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）を組み立てる方法であって、
   ロータシャフト（２６）と、半径方向外側リム（６８）、半径方向内側ハブ（７０）及びその間で延びる一体形ウェブ（７２）を備えたロータディスク（６６）とを含み、かつ前記ロータシャフトを通って延びる回転軸線（２８）の周りで回転可能なロータ組立体（６２）を設ける段階と、
   少なくとも１つの吐出管（１６４）を含むディスクリテーナ（８２）を前記ロータディスクに結合して、前記吐出管がディスクリテーナから外向きに延びて冷却流体をポンピングしかつ次に該冷却流体を回転軸線に対して垂直な方向に該吐出管から吐出するようにする段階と、
   を含み、
   ディスクリテーナ（８２）を前記ロータディスク（６６）に結合する段階が、
   少なくとも１つの吐出管が後部冷却プレート（１６０）と一体形ディスクスタブシャフト（１６２）との間に位置し、前記後部冷却プレート（１６０）がロータディスクウェブ（７２）に当接して結合され、且つ、前記ディスクスタブシャフトが前記ロータシャフトに結合されるように、前記ディスクリテーナを前記ロータディスクに結合する段階をさらに含む
   ことを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つの吐出管（１６４）を含むディスクリテーナ（８２）を前記ロータディスクに結合する段階が、前記少なくとも１つの吐出管がロータディスク半径方向内側ハブ（７０）によって少なくとも部分的に画成されたボア空洞（１９０）に流れ連通状態で結合されるように、前記ディスクリテーナを前記ロータディスクに結合する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１つの吐出管（１６４）を含むディスクリテーナ（８２）を前記ロータディスク（６６）に結合する段階が、前記ロータシャフト（２６）の周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数の吐出管を含む環状ディスクリテーナを前記ロータディスクに結合する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 中心回転軸線を含むガスタービンエンジン（１０）用のロータ組立体（６２）であって、
   ロータシャフト（２６）と、
   前記ロータシャフトに結合され、かつ半径方向外側リム（６８）、半径方向内側ハブ（７０）及びその間で延びる一体形ウェブ（７２）を含むロータディスク（６６）と、
   前記ロータディスクに結合され、かつ少なくとも１つの吐出管（１６４）を含むディスクリテーナ（８２）と、を含み、
   前記少なくとも１つの吐出管（１６４）が、前記ディスクリテーナから半径方向外向きに延びて冷却流体をポンピングしかつ次に該冷却流体をガスタービンエンジンの回転軸線（２８）に対して垂直な方向に該吐出管から吐出するようになっており、
   前記ディスクリテーナ（８２）が、ディスクスタブシャフト（１６２）及び一体形後部冷却プレート（１６０）をさらに含み、前記少なくとも１つの吐出管が前記ディスクスタブシャフトと前記後部冷却プレートとの間に位置し、前記ディスクスタブシャフトがロータシャフト（２６）に結合されている、
   ことを特徴とするロータ組立体（６２）。
5. ディスクリテーナ吐出管（１６４）と流れ連通した冷却回路（３８）をさらに含み、前記冷却回路が、前記少なくとも１つの吐出管にブリード空気を供給するように構成され、前記少なくとも１つの吐出管が、ロータディスク半径方向外側リム（６８）の下流側に冷却流体を吐出する、請求項４記載のロータ組立体（６２）。
6. 冷却流体供給源と、ボア空洞（１９０）と、前記少なくとも１つの吐出管（１６４）とに流れ連通状態で結合された冷却回路（３８）をさらに含み、前記ボア空洞がロータディスクハブ（７０）によって少なくとも部分的に画成され、前記少なくとも１つ吐出管が、ボア空洞（１９０）から冷却流体をポンピングしかつ次に該冷却流体を吐出するようになっている、請求項４記載のロータ組立体（６２）。
7. 前記少なくとも１つの吐出管（１６４）が、前記ロータディスク半径方向外側リム（６８）の下流側に正圧で冷却流体を吐出することを可能にする、請求項６記載のロータ組立体（６２）。
8. 請求項４乃至７のいずれか１項に記載のロータ組立体（６２）と、
   前記ロータシャフト（２６）によって結合された高圧圧縮機（１４）及び高圧タービン（１８）と、
   前記ロータシャフト（２６）と同軸の第１のシャフト（２４）によって結合されたギアボックス（１２）及び低圧タービン（２０）と
   を有するガスタービンエンジン（１０）。

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