JP4820492B2 - タービンエンジンにおける冷却空気流を供給するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、一般的に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空力デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、ロータ組立体及び複数の２次冷却空気回路を一般に含む。２次冷却空気回路に空気を供給するするために、エンジンは、空力デバイスを含み、空気が旋回限度を超えるのを防止するために、回転空気流を１つの半径の圏内から別の半径の圏内に送る。１つのタイプの空力デバイスは、空気が様々な直径のチャンバの間を流れる際に、空気流の制御された回転を生じる１連のチャンバを用いる。チャンバは、個々の管または隔壁を含む平行板のどちらかで形成される。その他の既知の空力デバイスは、隔壁に代えて湾曲した通路を含み、流れを反対方向に方向転換し空気流の動圧を捕捉し、同時に空力デバイスの高さを低くする。
【０００３】
管をチャンバとして用いるデバイスの場合には、チャンバを形成するのに用いられる個々の管の長さで、チャンバにより得られる空力的効果が決まる。管の長さが増すと、チャンバ内に得られる空力的効果は高められる。しかしながら、管の長さを増すと空力デバイスの重量も増し、それが空力デバイスの構造的力学に悪影響を及ぼす可能性がある。重量の懸念を解決するために、チャンバを形成するのに薄肉の管が用いられる。薄肉の管は振動の影響をより受けやすいので、ダンパを管の内側に取り付ける可能性がある。ダンパは、管の重量を増し、また管の平均応力を増大させる可能性がある。
【０００４】
チャンバ用の反らせ板として平行板を用いるデバイスの場合には、運転中に、平行板及び通路の間の接続が、回転により板の中に生じるフープ応力を増大させる多重の応力集中を引き起こす。フープ応力集中の影響を減少させるために、外形フィレットを、板及び隔壁の間に形成される遷移接続領域の周りに取り付けることができる。フィレットは、管の重量を増大させ、またロータ組立体の組立て費用を増大させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の課題を解決しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
例示的な実施形態において、ガスタービンエンジンロータ組立体は、２次冷却空気回路内で冷却空気として用いるために、回転環境中に半径方向内方に空気流を向けるための複数の空力デバイスを含む。ガスタービンエンジンロータ組立体は、軸の外側表面及び軸の内側表面の間に延びる複数の開口を含むロータ軸を含む。ロータ軸は、また軸内側表面から半径方向内方に延びて、ポケットを画定する１対のフランジを含む。各空力デバイスは、開口及び空力デバイスがロータ軸の内側表面にぴったり接するように設置されることを可能にする輪郭形状の外側表面を含む。空力デバイスは、ロータ軸フランジポケットの内側に嵌合する大きさに作られ、また各デバイスは1対の羽根セグメントを含む。羽根セグメントは、空力デバイス開口から延びる湾曲した通路を画定する。
【０００７】
運転中、各空力デバイスは、ロータ組立体内に発生する遠心力により、半径方向外方の各ロータ軸ポケット中に付勢される。ロータ軸フランジは、空力デバイス開口及びロータ軸開口が同心に整合されるように空力デバイスを保持する。比較的に高い旋回速度でガスタービンエンジンを通って流れる空気は、下流の２次冷却空気回路内で冷却空気として用いるために、空力デバイスを通して半径方向内方に向けられる。羽根セグメントにより画定される通路の湾曲した形状が、空気流を反対方向に大きく方向転換した後に空力デバイスから流出させ、それによって空力デバイスが既知の空力デバイスより小さい寸法で製造可能になる。空気流を向け直すことによる圧力損失の減少が促進されるので、２次冷却空気回路は十分な圧力と温度で空気流を受け入れる。さらに、空力デバイスは単体構造として円周方向に形成されないので、遠心力本体荷重により空力デバイス内に発生するフープ応力は、既知の空力デバイスに比較して減少する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、低圧圧縮機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、また高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２及びタービン２０は第１軸２１により結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は第２軸２２により結合される。
【０００９】
運転中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、圧縮された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気が、燃焼器１６に送られそこで燃料と混合されて燃焼される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を通して放出され、それぞれ圧縮機１２及び１４を駆動する動力を発生する。次いで、高温空気流は、ノズル２４を通してガスタービンエンジン１０から流出する。
【００１０】
図２は、タービンエンジン１０（図１に示す）に用いられるロータ組立体４２の断面図である。１つの実施形態において、ロータ組立体４２は、タービン１８及び２０（図１に示す）に用いられるタービンロータ組立体である。例示的な実施形態において、ロータ組立体４２は、ロータ軸４４及び複数のロータ４６を含む。１つの実施形態においては、ロータ軸４４は、図１に示される軸２２に類似している。軸４４は、実質的に円形の断面形状をしており、外側表面４８、内側表面５０、及びその間に延びる複数の開口５２を有する。外側及び内側表面４８及び５０は、それぞれ湾曲していて、実質的に平行であり、内側表面５０は内径（図示せず）を画定する。
【００１１】
軸４４は、また軸内側表面５０から半径方向内方に延びる１対の環状リングフランジ６０及び６４を含む。フランジ６０及び６４は、各空力デバイス６６が軸内側表面５０に隣接して設置されるように、複数の空力デバイス６６を受け入れる軸方向及び半径方向の大きさに作られたポケット６５を画定する。軸開口５２は、軸外側及び内側表面４８及び５０の間をそれぞれポケット６５中に延びる。
【００１２】
複数の空力デバイス６６が、軸４４の内側に取り付けられて、回転空気７０の旋回を取除き、空気７０を冷却のために低い絶対速度で軸４４中に送り込む。１つの実施形態において、デバイス６６が、冷却空気７０を下流の２次空気回路（図示せず）に供給するのに用いられる。以下により詳細に説明するが、デバイス６６は、ロータ軸４４の内側でエンジン１０の中心線（７２）の周りに円周方向に結合される。各デバイス６６は、エンジン中心線７２に関して空力デバイス６６を通ってほぼ半径方向に延びる開口７４を含む。デバイス６６は、各デバイス開口７４がロータ軸開口５２の下側に接線方向にかつ軸方向にまた軸開口５２に対して同心に整合されるように、軸フランジポケット６５の内側に嵌合する寸法に作られる。
【００１３】
保持装置、つまりダクト８０が、リングフランジ６０に取り付けられ、環状のフランジ６０から半径方向内方に延びる。ダクト８０は、以下により詳細に説明するが、各空力デバイス６６に係合する止めリップ８６を含み、各空力デバイス６６を軸ポケット６５の内側に半径方向に保持する。それに代えて、空力デバイス６６を軸ポケット６５の内側に半径方向に保持するいかなる保持デバイスも用いることができる。
【００１４】
運転中、エンジン１０を通って導かれる旋回空気７０は、２次冷却空気回路中で用いられるために空力デバイス６６を通して向け直される。空気７０は、ロータ軸開口５２を通して各空力デバイス６６に入り、空力デバイス６６を通してエンジン中心線７２に向って半径方向内方に流れる。空力デバイス６６を流出する空気７０は、ダクト８０で軸方向の下流に向けられる。
【００１５】
図３は、ロータ軸４４の内側に取り付けられ、前方側面９４及び後方側面９６を含む空力デバイス６６の斜視図である。１つの実施形態において、空力デバイス６６は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８（登録商標）のような標準的な材料から製作される。別の実施形態においては、空力デバイス６６は、それに限定はされないが、チタンアルミナイドのような軽量の金属間化合物材料から製作される。ロータ軸リングフランジ６０は、ロータ軸内側表面５０から半径方向内方に延びており、環状のフランジ６０から軸方向前方に延びる連結フランジ１００を含む。連結フランジ１００は、エンジン中心線７２に向って半径方向内方に向いた溝１０６を含む。溝１０６の内側に挿入された割りリング（図示せず）が、ダクト８０を軸方向に保持する。
【００１６】
リングフランジ６０及び６４各々は、内側表面１２０を含む。各内側表面１２０は、軸方向にポケット６５の中へ延びる複数の突起１２４を含む。突起１２４により、フランジ６０及び６４がポケット６５内に空力デバイス６６を設置することが可能になる。１つの実施形態において、フランジ６０はポケット６５の中に延びる１つの突起１２４を含み、またフランジ６４はポケット６５の中に延びる２つの突起１２４を含む。
【００１７】
追加の突起１３０が、ロータ軸内側表面５０からポケット６５の中に半径方向内方に延びて、軸開口５２で中断される。突起１３０は、空力デバイス６６をポケット６５の内側に固定するインタロックキーである。突起１３０は、空力デバイス開口７４がロータ軸開口５２に対して同心に整合されるように、空力デバイス６６を固定する。
【００１８】
空力デバイス６６は、上部表面１３２、１対の羽根セグメント１４０及び１対の側壁１４２を含む。側壁１４２は、各側壁１４２の外側表面１４６から外方に延びる突起１４４を含む。突起１４４は、リングフランジ突起１２４の間でロータ軸ポケット６５の内側に受け入れられる寸法に作られる。側壁１４２は、実質的に平行で、羽根セグメント１４０の間で空力デバイス上部表面１３２から半径方向内方に延びる。羽根セグメント１４０は、湾曲しており、空力デバイス上部表面１３２から半径方向内方に延びる。羽根セグメント１４０及び側壁１４２は、空力デバイス開口７４から後縁１５０まで延びる湾曲した通路（図３には図示せず）を画定する。
【００１９】
空力デバイス上部表面１３２は、空力デバイス開口７４を画定し、羽根セグメント１４０及び側壁１４２の間に延びる。上部表面１３２は、ロータ軸内側表面５０により画定される輪郭形状に合致するように湾曲して、ロータ軸ポケット６５の内側に取り付けられたとき、空力デバイス６６がロータ軸４４と共にシールを形成することが可能になる。
【００２０】
負圧側羽根セグメント１５２は、羽根セグメント１５２の外側表面１５６から半径方向外方に延びる突起１５４を含む。突起１５４は、ロータ軸突起１３０と係合して、空力デバイス６６をロータ軸ポケット６５の内側に固定する。
【００２１】
運転中、ロータ組立体４２（図２に示す）が回転すると、ロータ組立体４２内に生じた遠心力により、各空力デバイス６６は半径方向外方に各ロータ軸ポケット６５中に押圧される。ロータ軸突起１３０及び１２４が、、空力デバイス突起１５４及び側壁１４６と係合して、各空力デバイス６６及びロータ軸４４の間に接触面が形成されるように各空力デバイス６６をロータ軸ポケット６５の内側に固定する。さらに、突起１２４及び１３０を組み合わせることで、空力デバイス６６が間違った方向配置で軸ポケット６５の内側に取り付けられることを防止する。
【００２２】
各空力デバイス上部表面１３２は適切な輪郭形状とされるので、各空力デバイス６６及びロータ軸内側表面５０の間にシールが作成される。さらに、隣接する空力デバイス６６は、ロータ軸４４の内側に円周方向に設置されるが、３６０度構造としては形成されないので、空力デバイス６６内に生じるフープ応力は、既知のデバイス内に生じるフープ応力に比較して減少する。さらに、隣接する空力デバイス６６の間に生じる分割ラインは、空気７０の流路（図２に示す）中には位置しないので、隣接する空力デバイスの間の空力的実効漏洩は制限される。
【００２３】
図４は、羽根セグメント１４０を含む空力デバイス６６の断面図である。側壁１４２（図３に示す）及び羽根セグメント１４０は、空力デバイス開口７４から後縁１５０まで延びる湾曲した通路１７０を画定する。湾曲した通路１７０は、ロータ軸開口５２と連通し、また空力デバイス開口７４は、ロータ軸開口５２と同心に整合している。
【００２４】
ロータ軸開口５２は、ロータ軸４４を通って延びる半径方向線１７４に対して測定された角度１７２でロータ軸４４を貫通して延びる。１つの実施形態において、角度１７２は、半径方向線から約３０度であり、空気７０は空力デバイス６６に対して半径方向線から約７０度の角度でエンジン１０を通って接線方向に流れる。流出角度１７６は、結果として空気７０に方向転換を生じ、通路１７０を通して旋回が取除かれる。１つの実施形態において、流出角度１７６は約７０度であり、空気７０は約１４０度方向転換される。
【００２５】
通路１７０は、負圧側羽根セグメント１５２及び正圧側羽根セグメント１８０により画定される。羽根セグメント１５２及び１８０は、負圧側セグメント１５２が第１領域１８２、第２領域１８４、第３領域１８６、及び第４領域１８８を有するように、湾曲する。各後続の領域１８４、１８６、及び１８８は、それぞれ先行の領域１８２、１８４及び１８６から延びる。通路１７０は、また前縁１９０、喉部１９２及び後縁１５０も含む。
【００２６】
運転中、空気流７０が空力デバイス６６に入ると、ロータ軸角度１７２及び空気流角度の間の差により生じる大きな入射角のために、かつロータ軸角度１７２が機械的応力の制約により制限されるために、空気７０は負圧側羽根セグメント１５２から剥離しがちである。剥離は、空力デバイス６６が空気７０から旋回を効果的に取除くことを可能にするので、通路１７０の湾曲により空気流７０が負圧側羽根セグメント１５２に再付着し、空気７０を所望の流出角度１７６で方向付けすることを可能にする。
【００２７】
空気７０を負圧側羽根セグメント１５２に再付着するために、通路１７０は、通路喉部１９２から上流の第３領域１８６を含む。第３領域１８６は、空気７０が負圧側羽根セグメント１５２に再付着することができるようにする通路喉部１９２から上流の長い「覆われた」通路である。第２領域１８４は、第３領域１８６から上流にある高い湾曲率の領域である。他の既知の空力デバイスにおいては、第２領域１８４のような高い湾曲率の領域は、かかる領域が空気流を剥離させるから望ましくない。しかしながら、空力デバイス６６においては、空気流の剥離は想定されているので、従ってそのままで第２領域１８４は、重量に関しての有利さを空力デバイス６６にもたらす。
【００２８】
通路１７０の湾曲率は、第３領域１８６の湾曲率から第４領域１８８でさらに減少している。第４領域１８８は、通路１７０の「覆われていない」部分であり、負圧側羽根セグメント１５２上の喉部１９２から下流に位置する。第４領域１８８は、空力デバイス６６を流出する空気７０が、空気流７０のさらなる剥離を生じることなく、所望の流出角度１７６を持つことができるようにする。
【００２９】
図５は、取り付けられた配置２００で示された複数の空力デバイス６６の断面図である。隣接する空力デバイス６６は、各空力デバイス６６の後縁２０４が隣接する空力デバイス６６により形成されるように、ロータ軸４４（図２に示す）の内側に円周方向に配置される。具体的に言えば、後縁２０４の厚さ２０６は、第１空力デバイス２１２から延びる正圧側羽根セグメント２１０、及び第２空力デバイス２１４から延びる負圧側羽根セグメント１５２で形成される。
【００３０】
上述のロータ組立体は、対費用効果が良く、また非常に信頼性が高い。空力デバイスは、空力デバイス内に生じる応力を低くく保ちつつ、空気流が、ロータ軸を貫通してより大きい直径からより小さい直径に向けて旋回を取除かれることを可能にする。さらに、空力デバイスにより、高い接線方向速度を持つ空気流が、低い方向転換損失でしかも空気流の旋回限度を越えることなく、半径方向内方に向けられることが可能になる。その結果、２次冷却空気回路で用いるために空気流を半径方向内方に導く空力デバイスが、提供される。
【００３１】
本発明を、様々な特定の実施形態に関して述べてきたが、当業者には、本発明は特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形形態で実施することが可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図。
【図２】 空力デバイスを含む図１に示すガスタービンエンジンの断面図。
【図３】 図２に示す空力デバイスの斜視図。
【図４】 図２に示す空力デバイスの断面図。
【図５】 取付けられた配置における図２に示す複数の空力デバイスの断面図。
【符号の説明】
４２ ロータ組立体
４４ ロータ軸
４６ ロータ
４８ 外側表面
５０ 内側表面
５２ ロータ軸開口
６０ フランジ
６４ フランジ
６５ ポケット
６６ 空力デバイス
７０ 空気流
７２ エンジン中心線
７４ デバイス開口
８０ ダクト

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン（１０）用のロータ組立体（４２）であって、
   内側表面（５０）、外側表面（４８）及び該内側表面及び外側表面の間に延びる複数の第１開口（５２）を含むロータ軸（４４）と、
   前記ロータ軸の内側で円周方向に延び、前記ロータ軸を通して空気流（７０）を向け直すように構成された第２開口（７４）を各々が含む複数の空力デバイス（６６）と、
   を含み、
   前記空力デバイスの各々が、該空力デバイスを貫通して延び、前記ロータ軸の回転中に前記ロータ軸内で半径方向に動作でき前記第１開口（５２）と周方向に整合する第２開口（７４）を含むことを特徴とするロータ組立体（４２）。
2. 前記ロータ軸（４４）は、前記ロータ軸内側表面（５０）から半径方向内方に延びる一対のフランジ（６０，６４）をさらに含み、
   前記複数の空力デバイス（６６）は、各前記空力デバイス第２開口（７４）が前記ロータ軸第１開口（５２）の各々と同心になるように、前記一対のロータ軸フランジの内側に受け入れられる寸法に作られることを特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（４２）。
3. 前記空力デバイス（６６）の各々は、各前記空力デバイスが前記ロータ軸フランジ（６０，６４）に対して半径方向に整合して設置されるように構成された突起（１４４）をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のロータ組立体（４２）。
4. 前記ロータ軸（４４）は、前記空力デバイス（６６）が前記ロータ軸に対して半径方向に整合して設置されるように構成されたキー（１３０）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（４２）。
5. 前記空力デバイス（６６）は、前記空力デバイスが前記ロータ軸内側表面（５０）とぴったり接することができるような輪郭形状をした外側表面（１３２）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（４２）。
6. 前記空力デバイス（６６）は、第１側壁（１４２）と、第２側壁（１４２）と、空気流（７０）の剥離が生じた場合に、かかる空気流を前記湾曲した通路（１７０）の内側に再付着させるように構成された１対の湾曲した羽根セグメント（１４０）とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のロータ組立体（４２）。
7. 複数の個々の空力デバイス（６６）を用いてロータ組立体（４２）の内側に回転空気流（７０）を供給する方法であって、前記ロータ組立体はロータ軸（４４）を含み、前記個々の空力デバイスはそれを貫通して延びる第２開口（７４）を含み、前記ロータ軸はそれを貫通して延びる複数の第1開口（５２）を含み、前記方法は、各空力デバイスが、前記ロータ軸の半径方向内側で、各空力デバイスの前記第２開口が各ロータ軸の前記第1開口に対して同心に整合して遷移するように、前記ロータ組立体を操作する段階と、前記複数の空力デバイスを通して、空気流を半径方向に前記ロータ軸中に流入させる段階と、を含むことを特徴とする方法。

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