JP5080943B2 - 複合ノズル冷却式エンジン - Google Patents

Description

本発明は、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におけるタービン冷却に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気は、圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて、高温燃焼ガスを発生する。エネルギーがタービン段において燃焼ガスから抽出され、タービン段は、１つの駆動シャフトを介して圧縮機に動力を供給し、またターボファン航空機エンジン用途においては上流のファンに動力を供給し或いは船舶及び産業（M＆Ｉ）用途においては外部駆動シャフトを駆動するような付加的仕事を行う。

基本的コアエンジンは一般的に、圧縮機ブレード及びそれに対応する案内ベーンの列を有する複数段軸流圧縮機を含み、それらのブレード及び案内ベーンは、複数の段において周囲空気を加圧しかつそれに対応してその温度を上昇させる。圧縮機の後端部から吐出された空気は、一般に圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）と呼ばれる最高の圧力及びそれに対応する高い温度を有する。

例示的な構成では、圧縮機は、圧縮サイクルによって空気圧力を大気圧の何倍にも増大させると共に温度を何百度にも上昇させるために、７つの段を有することができる。ガスタービンエンジンの特定の設計及びその意図した用途での所望に応じて、より少い又はより多い数の圧縮機段を使用することができる。

圧縮機から吐出されるＣＤＰ空気の大部分は、燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生する。これらの燃焼ガスは次に、幾つかのタービン段内で膨張サイクルを行って、該燃焼ガスからエネルギーが抽出され、それに対応して燃焼ガスの圧力及び温度が低下する。高圧タービン（ＨＰＴ）は、燃焼器の直ぐ後方に続き、コアエンジン内の圧縮機ブレードに動力を供給するために使用される。

低圧タービン（ＬＰＴ）は、ＨＰＴに後続し、ターボファンエンジン用途においては上流のファンに動力を供給し、或いはＭ＆Ｉ用途においては外部駆動シャフトを駆動するための第２のシャフトを駆動する。

ガスタービンエンジンの全体効率は、空気圧縮の効率、燃焼の効率、及びタービン段における燃焼ガス膨張の効率によって決まる。

タービン構成部品は、運転中に高温燃焼ガスに直接曝されるので、それら構成部品は、長い有効寿命を保証するためにそれらの適切な冷却を必要とする。例えば、圧縮機吐出空気の幾らかは、燃焼器自体のライナを冷却すると共にＨＰＴの様々な構成部品を冷却するために燃焼プロセスから反らされ（分流され）る。

各タービン段は一般的に、上流タービンノズルつまりステータを含み、このタービンノズルつまりステータは、燃焼ガスをタービンロータブレードの対応する列を通して下流方向に導くノズルベーンの列を有する。ブレードは一般的に、支持ロータディスクに形成された対応するダブテールスロット内において該支持ロータディスクの周辺部に取付けられる。

タービンブレード及びベーンは一般的に、対応する内部冷却チャネルをそれらの内部に備えた中空翼形部であって、これらの内部冷却チャネルは、運転中にそれらのタービンブレード及びベーンを冷却するために圧縮機吐出空気を受ける。中空のブレード及びベーンは一般的に、翼形部の正圧及び負圧側面を貫通した様々なフィルム冷却孔及びその他の吐出孔の列を含み、使用済み内部冷却空気を対応する外部フィルムの形態で吐出して翼形部をさらに保護するようにする。

さらに、第１段タービンブレードを支持するタービンロータディスクは、ブレードが取付けられたリム部と、そこから半径方向内向きに延びて中央ボアを有する一層広いハブで終端する狭いウエブとを備えた比較的大型の構成部品である。ロータディスクは、運転中に大きな遠心荷重と加熱との両方を受け、これもまた寿命が長くなるように設計されなくてはならない。

これと対照的に、ＬＰＴは、膨張サイクル中に燃焼ガスの温度及び圧力が低下するので、ＨＰＴよりも少ない冷却しか必要としない。従って、冷却の必要性は低く、一般的に中間段抽気空気を使用して、ＬＰＴ内の様々な構成部品を冷却するようにすることができる。

主タービン流路は、燃焼ガスがエンジンを通って流れる時にこの燃焼ガスを閉じ込めかつ燃焼器からの温度及び圧力を低下させるように設計される。タービン構成部品のための様々な冷却回路は、主流路から独立しており、運転中に高温燃焼ガスのその中への吸込みを防止するのに十分な圧力で冷却空気が供給されなくてはならない。

例えば、静止タービンノズルと回転タービンブレードとの間に適当な回転シールを設けて、冷却回路内への高温燃焼ガスの吸込み又は逆流を防止する。ノズルベーン及びタービンブレードの翼形部は一般的に、冷却空気出口孔の列を含むので、適当な逆流マージンを与えてタービン翼形部自体内への高温燃焼ガスの吸込みを防止するために、冷却空気は、外部燃焼ガスの圧力よりも十分に大きい圧力を有しなくてはならない。

従って、ＨＰＴの構成部品は一般的に、全圧ＣＤＰ空気を使用して冷却され、他方ＬＰＴの構成部品は、より低圧の中間段抽気空気を使用して冷却することができる。

このようにして、タービン構成部品を冷却するための圧縮機空気の使用は、ＨＰＴ及びＬＰＴの異なる冷却要件に整合させて、圧縮機空気の使用を減少させ、従ってエンジン効率を増大させるようにすることができる。
米国特許第３，０３４，２９８号公報 米国特許第４，０８０，７８５号公報 米国特許第４，７４１，１５３号公報 米国特許第５，１３４，８４４号公報 米国特許第５，１３５，３５４号公報 米国特許第５，２３２，３３９号公報 米国特許第５，２８８，２１０号公報 米国特許第５，４７２，３１３号公報 米国特許第５，５５５，７２１号公報 米国特許第５，９９６，３３１号公報 米国特許第６，０５０，０７９号公報 米国特許第６，１８３，１９３号公報 米国特許第６，３３１，０９７号公報 米国特許第６，４８７，８６３号公報 米国特許第６，９６０，０６０号公報 米国特許第６，９８１，８４１号公報 General Electric Company, "CF6-80C2 Engine Airflow FADEC Control," Engine in public use and on sale in US more than one year before 1 Sep 2006, single page General Electric Company, "CFM56-5C2-CDP Air for Turbine cooling," Engine in public use and on sale in US more than one year before 1 Sep 2006, two pages

しかしながら、エンジン効率を増大させることは、最新のガスタービンエンジンにおける継続的なかつ最重要の設計目的であり、従って、圧縮機から抽気する加圧空気を減少させることによって、エンジン効率をさらに増大させることが望まれる。

ガスタービンエンジンは、互いに作動結合された、圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンとを含む。タービンは、ロータブレードの列が後続したノズルを含む。第１の抽気回路は、圧縮機の最終段とノズルのベーン内の前方冷却チャネルとの間に流れ連通状態で結合されて、該前方チャネル内の第１の冷却孔に第１の圧力で加圧一次空気を供給するようにする。第２の抽気回路は、圧縮機の中間段とノズルベーン内の後方冷却チャネルとの間に流れ連通状態で結合されて、第２の冷却孔に第１の圧力よりも低い第２の圧力で加圧二次空気を供給する。

好ましくかつ例示的な実施形態により、添付図面に関連させて行った以下の詳細な記述において、本発明をその更なる目的及び利点と共に一層具体的に説明する。

図１に概略的に示すのは、例示的なターボファン航空機エンジン１０である。このエンジンは、長手方向つまり軸方向中心軸線１２の周りで軸対称であり、例示的な用途においては、飛行中の航空機に動力を供給するために航空機（図示せず）の翼又は胴体に適切に取付けられる。

エンジンは、直列流れ連通状態で、ファン１４と、低圧つまりブースタ圧縮機１６と、高圧（ＨＰ）圧縮機１８と、アニュラ型燃焼器２０と、高圧タービン（ＨＰＴ）２２と、低圧タービン（ＬＰＴ）２４とを含む。

環状ナセル２６は、ファン１４を囲み、ブースタ圧縮機１６の周りで後方に延びる環状のバイパスダクト２８を形成する。第1の駆動シャフト３０は、ＨＰＴ２２をＨＰ圧縮機１８に結合し、また第2の駆動シャフト３２は、ＬＰＴ２４をファン１４及びブースタ圧縮機１６に結合する。これら２つの駆動シャフトは、上述した様々なエンジン構成部品の従来通りの構成で、エンジン内部の対応するフレームの軸受内に適切に取付けられる。

運転中に、周囲空気３４は、エンジンの入口に流入し、ファン１４によって部分的に加圧され、推進推力の大部分を提供するためにバイパスダクト２８を通して吐出される。ファンを通る空気３４の幾らかは、ブースタ圧縮機１６に流入し、その複数の軸方向段内での更なる圧縮サイクルを受け、ＨＰ圧縮機１８の多数の軸方向段内でもまた付加的な加圧が行われる。

加圧空気３４は、圧縮機から吐出され、燃焼器２０内で燃料３６と適切に混合されて高温燃焼ガス３６を発生する。ＨＰＴ２２内で燃焼ガス３６からエネルギーを抽出して、第１のシャフト３０を駆動しかつＨＰ圧縮機１８に動力を供給する。ＬＰＴ２４内で燃焼ガスから付加的なエネルギーを抽出して、第2のシャフト３２を駆動しかつファン１４及びブースタ圧縮機１６に動力を供給する。

上記のエンジンは、構成及び作動が従来通りのものであり、複数圧縮段及び複数タービン段を含む。例えば、ブースタ圧縮機１６は、４つの入口案内ベーンの列と軸方向に交互配置された４つの圧縮機ブレードの列を含む４つの軸方向段を有することができる。

高圧圧縮機１８は、例えば７つの軸方向段を含むことができ、入口案内ベーン４０の対応する列と軸方向に交互配置された図２に詳細に示すような７つの圧縮機ブレード１〜７の列を有し、従来通りのディフューザを通してＣＤＰ空気を吐出する。

ＨＰＴ２２は、単一段タービンであるのが好ましく、次にこれに例示的な５段ＬＰＴ２４が後続する。

図２は、直列流れ連通状態で配置された、高圧圧縮機１８と、アニュラ型燃焼器２０と、ＨＰＴ２２とを含む基本的コアエンジンをより詳細に示している。図３は、ＨＰＴ２２をより詳細に示している。また図４は、第１段ノズルベーンの半径方向断面を示している。

より具体的には、図２に示すＨＰＴ２２は、対向する両端部において外側及び内側バンド４６、４８に対して一体形に結合されたステータベーン４４の列を有する第１段つまりＨＰタービンノズル４２を含む。これらのベーンに後続して、単一のＨＰタービンブレード５０の列が、第１段つまりＨＰロータディスク５２の周辺部つまりリム部に着脱自在に取付けられる。ディスク５２は、第1の駆動シャフト３０に固定結合され、この第１の駆動シャフト３０は次に、高圧圧縮機１８の圧縮機ブレード１〜７を支持するロータディスクに固定結合される。

ＨＰ圧縮機１８及び基本的ＨＰＴ２２の構成及び作動は、従来通りであって、空気３４を加圧しまたその後の燃焼ガス３８を膨張させて、燃焼ガス３８からエネルギーを抽出するようにする。具体的には、空気３４の圧力及び温度は、空気が７つの圧縮機ブレード１〜７の段を通って下流方向に流れるにつれて、軸方向に順次に増大する。第７の圧縮機ブレード７の列は、この例示的な構成では最終の圧縮機段を形成し、圧縮機吐出圧力（ＣＤＰ）空気に関連する最大圧力Ｐ７及びそれに対応する高い温度Ｔ７で加圧空気を吐出する。

ＣＤＰ空気は、燃焼器内で燃料と混合されて、高温燃焼ガス３８を発生させ、これらの高温燃焼ガス３８は、燃焼器の出口から第１段タービンノズルベーン４４間に吐出される。これらベーンは、軸方向に燃焼器と第１段タービンブレード５０との間に配置され、ベーンの翼形部翼弦に沿ってかつ前縁及び後縁を横切って燃焼ガスの圧力を低下又は減少させるように従来通りに構成される。

各ノズルベーン４４は、図４に最も良く示すように、スパンにわたって半径方向に延びかつ上流の前縁５８及び下流の後縁６０間で翼弦にわたって軸方向に延びる一般的にはほぼ凹面形の正圧側面５４と円周方向に対向するほぼ凸面形の負圧側面５６とを有する。

ノズルベーン４４の輪郭は、燃焼ガスがタービンノズルの入口及び出口端部間で下流方向に流れる時に、大きな圧力低下を生じるように適切に選択することができる。タービンノズルを通って流れるガスは、加速されかつ方向転換され、それによって、全圧力の小さな低下と静圧の大きな低下とが生じる。

それに対応して、図３に示す第１段タービンブレード５０は、その前縁と後縁との間で軸方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面とほぼ凸面形の対向する負圧側面とを有する。タービンブレード５０の輪郭はまた、その翼形部翼弦に沿ってまた前縁及び後縁を横切って燃焼ガス３８の圧力をさらに低下つまり減少させるように従来通りに選択される。タービンロータブレード間を流れるガスから仕事又はエネルギーが抽出され、このことが、全圧力及び静圧の両方の大きな低下を引き起こす。

図３は、ＨＰＴ２２を一層詳細に示しており、ＨＰＴ２２は、運転中に高温燃焼ガス３８からの適切な冷却を必要とするタービンブレード５０を含む。ブレード５０は一般的に、従来通りの方式でその内部冷却を行うように中空である。

ブレードは、その軸方向挿入式ダブテールの底面に１つ又はそれ以上の入口を有する蛇行冷却チャネルのようなあらゆる適当な内部冷却構成を有することができる。インピンジメントチャネルが、前縁の直ぐ背後で翼形部の長さにわたって延びることができる。内部チャネルは、１つ又はそれ以上のフィルム冷却出口孔６２の列に空気供給し、これらのフィルム冷却出口孔６２は、翼形部の側面を覆い、使用済み冷却空気が一般的な方式でこれらの孔から吐出された時に、翼形部の側面をフィルム冷却する。

それに対応して、図３及び図４に示すノズルベーン４４もまた、その中に適当な内部冷却構成を備えた中空である。１つの実施形態では、各ベーン４４は、対向する側面５４、５６との単体構造の鋳造体としてそれら側面５４、５６を橋絡する無孔ブリッジつまり隔壁６４を含む。この隔壁は、各ベーンの全半径方向スパンにわたって延びて、ベーンをそれぞれ前縁の直ぐ背後及び後縁の直ぐ前方で延びる独立したかつ別個の前方及び後方冷却チャネル６６、６８に区画する。

図４に最も良く示すように、各ベーン４４の前方部分は、該ベーンのスパンに沿って延びかつ前縁の周りで該ベーンの正圧及び負圧側面の両方に沿って翼弦方向にバラバラに広がった様々な第１の冷却孔７０の列を含む。これらの第１の孔７０は、使用済み冷却空気をそれらから対応するフィルム冷却空気の列の形態で吐出して、従来通りの方式で前縁から後方にベーンの外表面を保護するように、前方チャネル６６によって空気供給される。

各ベーン４４の後方部分は、空間が許せば薄い後縁６０に近接してベーンのスパンに沿って延びる少なくとも１つの第２の冷却孔７２の列を含む。第２の孔７２は、それらから薄い後縁に沿って使用済み冷却空気を吐出するために、後方チャネル６８によって空気供給される。

様々な冷却孔７０、７２の列の寸法及び構成は、運転中に高温燃焼ガスによって生じる熱負荷からノズルベーンを十分に冷却するような従来通りのものとすることができる。２つの内部流れチャネル６６、６８自体は、所望に応じて熱伝達を増大させるためのタービュレータ（図示せず）を含むあらゆる適切な又は従来通りの構成を有することができ、また必要な場合には、蛇行冷却回路として形成することもできる。

図３及び図４に示す例示的な実施形態では、２つのチャネル６６、６８の各々は、ここでもまた従来通りの方式で、ベーンの内表面に対するインピンジメントジェットの形態で最初に冷却空気を吐出してその冷却を高めるようになった対応する小さなインピンジメント孔のパターンを有する対応するインピンジメントバッフル７４を含む。使用済みインピンジメント空気は次に、様々な出口冷却孔７０、７２の列により吐出される。

このようにして、加圧空気を圧縮機から抽気し、ノズルベーン４４及びブレード５０の内部冷却回路を通して送って、あらゆる従来通りの方式でそれらを内部冷却し、次に使用済み空気は、前縁から後縁までの翼形部の正圧及び負圧側面内に見られる様々な出口孔の列を通して吐出させることができる。

圧縮段は、エネルギーが加えられるにつれて空気の圧力及び温度を上昇させるが、タービン段は、燃焼ガスからエネルギーを抽出するために、該燃焼ガスの圧力及び温度を低下させる。

図３に示す単一段ＨＰＴ２２の使用により、最初にノズルベーン４４においてまた次にタービンブレード５０において、燃焼ガス内に大きな圧力低下が発生するのを可能にするので、ＨＰＴ２２の改良型の冷却システムを使用して、エンジンの効率をさらに増大させるようにすることができる。

より具体的には、図２は、始めにＨＰ圧縮機１８の最終つまり第７段とベーン４４の前方冷却チャネル６６との間に流れ連通状態で適切に結合されて、前方冷却チャネル６６に対して全圧縮機吐出圧力Ｐ７及びそれに関連する第７段温度Ｔ７に対応する第１の圧力及び温度で、圧縮機から抽気した加圧一次空気３４を供給する第１の抽気回路７６を示している。

それに対応して、第２のつまり中間段抽気回路７８は、圧縮機１８の中間つまり前最終段と同一ベーン４４の後方冷却チャネル６８との間に流れ連通状態で結合されて、エンジンの性能及び効率を高めるためにベーン４４を二重つまり複合冷却を行う。第２の回路７８は、一次空気３４の第１の圧力及び第１の温度よりも対応して低い第２の圧力及び第２の温度で、加圧二次空気３４ｂを抽気する。

例えば、中間圧縮機段は、第６圧縮機ブレード６の列を含む第６段とすることができ、また加圧二次空気３４ｂは、後続する案内ベーンにおいて、抽出一次空気３４の対応する最終段圧力Ｐ７及び最終段温度Ｔ７よりも大幅に低い対応する第６段圧力Ｐ６及び第６段温度Ｔ６を有する状態で抽出することができる。

このようにして、第１段ベーン４４を複合冷却してエンジン効率を高めるために、ＣＤＰ空気及び非ＣＤＰ空気の両方を共に使用することができる。前ＣＤＰ空気は、完全圧縮サイクルを行っていないので、ＣＤＰ空気よりも安価であり、またそれに対応して、前ＣＤＰ空気の温度は、最大で数百度ほど、ＣＤＰ空気の温度よりも実質的に低い。

しかしながら、第１段ノズルベーンを冷却するために今や使用している非ＣＤＰ空気は、それらのベーンにおける十分な逆流マージンを保証するように圧縮機から選択されなくてはならない。図３及び図４に示すように、燃焼ガス３８は、燃焼器の出口端部から吐出され、直ちにノズルベーン４４の列と接触し、これらガスは、ノズルベーン４４の周りで対向する正圧及び負圧側面５４、５６に沿って分割される。

燃焼ガス３８は、その中で長い寿命を得るためにはノズルベーン４４自体を十分に冷却しなくてはならない過酷な環境を形成する最高の圧力及び温度で燃焼器を出る。ベーンの前縁及び前方冷却チャネル６６を囲む第１の冷却孔７０のパターンの観点で、その前方チャネル６６には、最高圧力の圧縮機空気、特にＣＤＰ一次空気３４が供給されなくてはならない。

このようにして、前方チャネル６６から使用済み一次空気を吐出する第１の孔７０の全ては、運転中におけるその中への高温燃焼ガス３８の吸込みを防止するための適切な逆流マージンを有することができる。

上に開示した単一段タービンブレード５０の観点で、燃焼ガス３８の圧力は、ノズルベーン４４及びタービンブレード５０の両方において大きく低下する。従って、このノズルベーンにおける圧力低下を利用して、非ＣＤＰ空気を使用して対応する後方冷却チャネル６８を囲む各ノズルベーンの後方部分をこの場合にもまた適当な逆流マージンを有する状態で冷却するのを可能にする利点を得ることができる。

図４に示すノズルベーンの空気力学的輪郭は、ベーンの正圧側面上に比較的高い圧力をかつベーンの負圧側面５６上に比較的低い圧力を生じ、ベーンの対向する側面上における対応する圧力分布は、ベーンの前縁及び後縁間で減少するようになる。第２の冷却孔７２をベーン後縁６０に近接させて選択的に設置することによって、使用済み二次空気は、より低圧の燃焼ガスと接触して、対応する二次空気３４ｂの一層低い圧力の状態で適当な逆流マージンを生じることになる。

単一段ＨＰＴ２２と協働する図２に示す例示的な７段圧縮機の場合には、圧縮機の中間の第６段は、図４に示すベーン４４の列の後縁６０における燃焼ガス３８内の静圧よりも適当に大きい静圧を該第６段から抽気された二次空気３４ｂ内に生じて、ベーンから使用済み二次空気を吐出する第２の孔７２において十分な逆流マージンを得るように選択することができる。

各ノズルベーン４４内部における一次空気３４及び二次空気３４ｂの異なる圧力並びにベーン外部における燃焼ガスのそれに対応する異なる圧力分布の観点で、各ベーン内部の２つの冷却チャネル６６、６８は、互いに隔離して両者間の流れ連通を防止しなくてはならない。

従って、隔壁６４は、図３及び図４に示すように、２つのチャネル６６、６８間では無孔の状態で、各ベーンの対向する側面５４、５６を一体形に橋絡しかつその全半径方向スパンにわたって延びて、半径方向外側及び内側バンド４６、４８と一体形に結合する。

各ベーンの前方冷却チャネル６６にはＣＤＰ一次空気３４が供給されるので、様々な第１のフィルム冷却孔７０の列は、あらゆる従来通りのパターン及び構成として同時にベーン外部における燃焼ガスの変動する圧力分布に対して十分な逆流マージンを依然として得るように、前方チャネルの周りに配置することができる。

しかしながら、後方チャネル６８の第２の出口孔７２は、ベーンの薄い後縁に近接するように外部燃焼ガスの比較的低い圧力領域内に設置しなくてはならない。それに対応して、後方チャネル６８は、各ベーンの高い正圧側面５４に沿って無孔であるのが好ましく、また各ベーンのより低圧の負圧側面５６に沿っても無孔であるのが好ましい。

図４においては、後方冷却チャネル６８を形成した壁は、ベーンの正圧及び負圧側面の両方に沿ってまた隔壁６４に沿って無孔であり、第２の孔７２は、空間が許せば薄い後縁６０の直ぐ手前で正圧側面５４を貫通して後方に延びる。

このようにして、第２の孔７２は、ベーンの正圧側面上の可能な限り後縁６０に近接して終端し、そこでは外部燃焼ガスの圧力分布が、後縁に向って急激に減少する位置で終端する。従って、この例示的な実施形態では、二次空気３４ｂの圧力要件は、第６段圧縮機抽気空気の使用を可能にするように最小にすることができる。

図４に示すように、前方チャネル６６を囲む第１の孔７０のパターンは、前方チャネル６６から正圧側面５４に沿ってかつ部分的に後方チャネル６８に沿って後方に延びて使用済み一次空気の一部分を第２の孔７２の出口端部に向けて吐出する後方孔の列を含む。このようにして、両チャネル６６、６８は、例えば対応するインピンジメントバッフル７４を使用して、それぞれ一次及び二次空気によって内部冷却され、使用済み冷却空気は、様々な第１及び第２の孔７０、７２の列を通して吐出される。

吐出空気は、それらが後縁６０に向って下流方向に流れる時に、ベーンの外表面上を断熱する対応するフィルムを形成する。第１の孔７０の後方列は、後方チャネル６８の境界となるベーンの正圧側面５４をさらに対流冷却し、その使用済み冷却空気を後方チャネル６８の後方部分上に保護フィルムの形態で吐出する。

それに対応して、使用済み一次空気の幾らかは、前方チャネル６６及びベーンの負圧側面に沿った第１の孔７０から吐出され、後方チャネル６８の負圧側面に沿った保護フィルムの形態で後縁に向って後方に流れる。

ベーンの対向する前縁及び後縁間における隔壁６４の軸方向つまり翼弦方向位置は、外部燃焼ガスにおける特定の圧力分布とＣＤＰ一次空気３４及び中間段二次空気３４ｂの特定の圧力とに関連して選択することができる。

図２は、圧縮機１８と、燃焼器２０と、ＨＰＴ２２とを含むコアエンジンの基本的構成を示している。ノズルベーン４４に対してＣＤＰ一次空気３４を提供するための第１の冷却回路７６は、同一ベーンの第２の回路７８の導入を可能にするように適切に変更したあらゆる従来通りの構成を有することができる。例えば、エンジンはさらに、燃焼器２０及びノズル４２を囲んで圧縮機１８の出口端部からノズル４２までの第１の回路７６の一部分を形成した環状の外側ケース８０を含む。

第２の回路７８は、圧縮機１８から前ＣＤＰ空気を抽気するためのあらゆる従来通りの構成を有することができ、一般的には第６段圧縮機ブレード６の直ぐ後方で案内ベーンを支持する圧縮機ケース内で始まる。第２の回路７８は、ノズルベーン４４を囲む外側ケースに二次抽気空気３４ｂを運ぶのに適した導管又はチューブを含む。

図３に示すように、第２の回路７８の出口つまり吐出端部は、外側ケース８０を貫通してノズル４２の外側バンド４６まで半径方向内向きに延びる複数の半径方向チューブ又はスプーリ８２によって形成される。

ノズルの外側及び内側バンド４６、４８は、スプーリ８２によって第２の回路７８から分離された第１の回路７６からの一次ＣＤＰ空気３４によって従来通りに冷却することができる。

図２はまた、燃焼器２０の半径方向内側に配置されて、第１の回路７６の別の部分を形成した従来通りの環状内側ケース８４を示している。燃焼器２０及びタービンノズル４２の両方は一般的に、内側ケース８４により取付けられ、ＣＤＰ空気の一部分は、ノズル内側バンド４８を冷却するように適切に送られる。

図３に示すように、外側及び内側バンド４６、４８は、ベーン４４の各々の対応する外側及び内側入口８６を有し、それらは、ベーンの両端部から前方チャネル６６内に一次空気を供給するための第１の回路７６の出口つまり吐出端部を形成する。

それに対応して、内側バンド４８は、後方チャネル６８の下方で無孔であり、一般的にはノズルを内側ケース８４に支持するための取付けフランジを含む。外側バンド４６は、後方チャネル６８の上方に対応する入口を含み、この入口内に対応するスプーリ８２がシール連結される。

従って、図３に示す第１段タービンノズル４２は、圧縮機内の異なる供給源から加圧冷却空気を受けてそれを複合冷却しかつタービン及びエンジンの効率を最大にするように、特別に変更することができる。ＣＤＰ一次空気３４は、圧縮機１８の最終段からノズルベーン４４の各々内の前方冷却チャネル６６に適切に抽気されて始めにノズルベーン４４の内部冷却を行うようにされ、また使用済み空気は、ノズルベーン内の第１の冷却孔７０のパターンから吐出される。

前ＣＤＰ二次空気３４ｂは、圧縮機１８の適当な中間段から同一ベーン４４内の後方冷却チャネル６８に独立して抽気されて、そのベーン４４を内部冷却し、次いで第２の孔７２の列から吐出されるようになる。二次空気３４ｂは、ＣＤＰ一次空気よりも低い圧力を有するだけでなく該ＣＤＰ一次空気よりも著しく低い温度を有しており、ノズルベーンの後方部分を効率的に冷却するその能力を改善するようになる。

図３に示す単一段ＨＰＴ２２は、ベーン４４の前縁及び後縁５８、６０を横切る燃焼ガス３８の大きな圧力低下を可能にして、ベーンの異なる前方及び後方部分上に許容可能な逆流マージンを有する状態で二重圧力空気供給源の使用を可能にする。二次空気３４ｂは、第２の孔７２がそこで終端するベーン後縁６０に沿った燃焼ガス３８の静圧よりも大きい静圧で中間段から抽気することができ、その静圧は、二次空気３４ｂのより低い圧力にも拘わらず、第２の孔７２に適切な逆流マージンを与えるようになる。

図２に示すように、燃焼ガスは次に、タービンブレード５０の列に流れるが、これらのタービンブレードもまた、中空でありかつそれらを冷却するための適当な内部冷却回路を含む。タービンブレード５０の冷却は、ノズルベーン４４の冷却とは独立しており、あらゆる従来通りの構成を有することができる。

上述したように、個々のノズルベーン４４の空気力学的輪郭は、ベーンの対向する正圧及び負圧側面上を下流方向に流れる外部燃焼ガス３８の対応する圧力分布を制御する。ノズルベーンの周りの圧力分布はまた、タービンブレード自体の特定の構成及びその中の段数にも左右される。単一段ＨＰＴ２２の場合には、ノズルベーン上の燃焼ガス内に、大きな圧力低下が発生する。

図５及び図６は、図４に示すノズルベーン４４の後端部の対応する変更を示しており、その他の点では図４に示すノズルベーンと同一である。

図５では、第２の孔７２は、空間が許せば後縁６０の直ぐ手前でベーンの負圧側面５６を貫通して後方に延びる。従って、後方チャネル６８の正圧側は、その全軸方向範囲にわたって無孔である。後方チャネル６８の負圧側もまた、それに対応して無孔であり、第２の孔７２は、後方チャネルから後方に延びる。

外部燃焼ガスの圧力は、ベーンの正圧側面上におけるよりも負圧側面上におけるほうが低いので、図２に示す圧縮機１８の第５段のような一層低圧の中間段でさえも、ベーンの列の後方冷却チャネル６８に二次抽気３４ｃを供給するために使用することができる。

図２に示す第２の回路７８は、第６段空気の代わりに第５段圧縮機空気を抽気するように適切に変更することができる。第５段空気は、第６段空気よりも対応して低い圧力及び温度を有しており、ベーンの冷却効率及びタービン自体の効率をさらに増大させるように使用することができる。それに対応して、より低圧の第５段抽気空気を使用して、適切な逆流マージンを、翼形部負圧側面上の第２の孔７２において維持することができる。

図６は、図４に示すノズルベーンの後端部のさらに別の変更を示しており、その他の点では図４に示すノズルベーンと同一である。この実施形態では、第２の回路７８は、この場合にもまた圧縮機の第６段の代わりに第５段で始まり、より低圧の二次空気３４ｃをベーンの列内の後方冷却チャネル６８に供給するようにする。この実施形態では、後縁６０は、ベーンの対向する正圧及び負圧側面５４、５６間に第２の孔７２を配置して、使用済み二次空気３４ｃを直接後縁６０において吐出するように適当により厚くすることができる。それに対応して、後方チャネル６８は、ベーンの対向する正圧及び負圧側面において完全に無孔である。

図４〜図６に示すベーン後縁の異なる構成は、ベーンの薄い後縁における燃焼ガスの外部圧力の特定の分布を圧縮機の選択中間段の圧力と最も良く整合させて第２の孔７２における逆流マージンを保証する利点を得るように使用することができる。圧縮機からのあらゆる中間段抽気空気は、ノズルベーンの冷却性能を改善し、エンジン効率を増大させることができるが、それでもなお後方冷却チャネル６８の周りでの十分な逆流マージンを保証するのに十分な圧力を有しなくてはならない。

ノズルベーンの前方部分を冷却するためにＣＤＰ一次空気を使用し、またベーンの後方部分を冷却するために非ＣＤＰ二次空気を使用する複合効果を使用して、ノズルベーン自体の冷却性能を改善すると共に、高圧タービン及びエンジンの全体効率を増大させる利点を得ることができる。

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者には本明細書の教示から本発明のその他の変更形態が明らかになる筈であり、従って、全てのそのような変更形態は、本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれるものとして特許請求の範囲で保護されることを切望する。

従って、本特許出願によって保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載しかつ特定した、発明である。

ターボファンガスタービンエンジンの概略軸方向部分断面図。 図１に示すコアエンジンの一部分の拡大軸方向断面図。 図２に示す高圧タービンの拡大軸方向断面図。 図３に示す高圧タービン内のノズルベーンの半径方向断面図。 図４に示すノズルベーンの別の実施形態による後縁部分の拡大断面図。 図４に示すノズルベーンのさらに別の実施形態による後縁部分の拡大断面図で。

符号の説明

１〜７ 圧縮機ブレード
１０ ガスタービンエンジン
１２ 中心軸線
１４ ファン
１６ ブースタ圧縮機
１８ 高圧（HP）圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン（ＨＰＴ）
２４ 低圧タービン（ＬＰＴ）
２６ ナセル
２８ バイパスダクト
３０ 第１の駆動シャフト
３２ 第２の駆動シャフト
３４ 空気
３４ｂ 二次空気
３６ 燃料
３８ 燃焼ガス
４０ 案内ベーン
４２ タービンノズル
４４ ステータベーン
４６ 外側バンド
４８ 内側バンド
５０ タービンブレード
５２ ロータディスク
５４ 正圧側面
５６ 負圧側面
５８ 前縁
６０ 後縁
６２ 出口孔
６４ 隔壁
６６ 前方冷却チャネル
６８ 後方冷却チャネル
７０ 第１の冷却孔
７２ 第２の冷却孔
７４ インピンジメントバッフル
７６ 第１の抽気回路
７８ 第２の抽気回路
８０ 外側ケース
８２ スプーリ
８４ 内側ケース
８６ 入口

Claims (9)

1. 直列流れ連通状態のファン（１４）と圧縮機（１８）と燃焼器（２０）と高圧（ＨＰ）タービン（２２）と低圧タービン（２４）とを含み、
   前記圧縮機（１８）が、対応する段において空気（３４）を順次加圧するための圧縮機ブレードの列（１〜７）を含み、
   前記ＨＰタービン（２２）が、ロータブレード（５０）の列が後続したステータベーン（４４）の列を有するノズル（４２）を含み、
   前記ベーン（４４）の各々が、スパンにわたって半径方向に延びかつ対向する前縁及び後縁（５８、６０）間で翼弦にわたって軸方向に延びる円周方向に対向する正圧及び負圧側面（５４、５６）を有し、また前記対向する両側面（５４、５６）を橋絡する無孔の隔壁（６４）を備えた中空であって、前記前縁（５８）に沿った対応する第１の冷却孔（７０）と前記後縁（６０）に沿った第２の冷却孔（７２）とに空気供給する前方及び後方冷却チャネル（６６、６８）を形成し、
   第１の抽気回路（７６）が、前記圧縮機（１８）の最終段と前記前方冷却チャネル（６６）との間に流れ連通状態で結合されて、該前方冷却チャネル（６６）に対して第１の圧力で加圧一次空気（３４）を供給し、
   第２の抽気回路（７８）が、前記圧縮機（１８）の中間段（６、５）と前記後方冷却チャネル（６８）との間に流れ連通状態で結合されて、該後方冷却チャネル（６８）に対して前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で加圧二次空気（３４ｂ）を供給し、
   前記第１の冷却孔（７０）が、前記前方冷却チャネル（６６）から前記正圧側面（５４）及び後方冷却チャネル（６８）の両方に沿って後方に延びる後方孔の列を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記後方冷却チャネル（６８）が、前記正圧及び負圧側面（５４、５６）の両方に沿って無孔であり、
   前記第２の冷却孔（７２）が、前記後方冷却チャネル（６８）から前記後縁（６０）に向かって後方に延びる、
   請求項１記載のエンジン。
3. 前記中間段が、前記後縁（６０）における燃焼ガス（３８）の静圧よりも大きい静圧を前記二次空気（３４ｂ）内に生じさせて、前記第２の冷却孔（７２）において逆流マージンを与えるように構成される、請求項２記載のエンジン。
4. 前記燃焼器（２０）及びノズル（４２）を囲んで、前記圧縮機から該ノズル（４２）までの前記第１の抽気回路（７６）を形成した外側ケース（８０）と、
   前記外側ケース（８０）を貫通して前記ノズル（４２）まで半径方向に延びて、前記第２の抽気回路（７８）の出口端部を形成した複数のスプーリ（８２）と、
   をさらに含む、請求項１記載のエンジン。
5. 前記第２の冷却孔（７２）が、前記後縁（６０）の手前で前記正圧側面（５４）を貫通して後方に延びる、請求項４記載のエンジン。
6. 前記第２の冷却孔（７２）が、前記後縁（６０）の手前で前記負圧側面（５６）を貫通して後方に延びる、請求項４記載のエンジン。
7. 前記第２の冷却孔（７２）が、その位置において無孔である前記正圧及び負圧側面（５４、５６）間で前記後縁（６０）を貫通して後方に延びる、請求項４記載のエンジン。
8. 前記燃焼器（２０）の半径方向内側に配置されて、前記第１の抽気回路（７６）をさらに形成した内側ケース（８４）をさらに含み、
   外側及び内側バンド（４６、４８）が、前記ベーン（４４）の各々と対応して前記第１の抽気回路（７６）の吐出端部を形成した対応する外側及び内側入口（８６）を有する、
   請求項４記載のエンジン。
9. 前記圧縮機（１８）の最終段から前記ベーン（４４）内の前方冷却チャネル（６６）に一次空気（３４）を抽気して、前記第１の冷却孔（７０）から吐出するようにするステップと、
   前記圧縮機（１８）の中間段から前記ベーン（４４）内の後方冷却チャネル（６８）に二次空気（３４ｂ）を抽気して、前記第２の冷却孔（７２）から吐出するようにするステップと、
   を含む、請求項４記載のエンジンのベーン（４４）を冷却する方法。
   

Images