JP5319763B2 - ガスタービンエンジン用タービンディスクと軸受支持ジャーナルとを含むアセンブリおよび該アセンブリのタービンディスク用冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は、２スプールガスタービンエンジンの分野に関し、より詳細には、２スプールガスタービンエンジンの高圧タービンディスクの冷却に関する。

フロントファンを有する２スプールターボジェットは、例えば、ＬＰスプールと呼ばれる低圧スプールと、ＨＰスプールと呼ばれる高圧スプールとを備える。

慣例により、本出願では、用語「上流側」および「下流側」は、空気がターボジェット内を循環する方向に対して画定される。したがって、フロントファンを有する２スプールターボジェットは、従来、上流側から下流側に向かって、ファン、ＬＰ圧縮機段、ＨＰ圧縮機段、燃焼チャンバ、ＨＰタービン段、ＬＰタービン段を備える。

ＬＰスプールのシャフトは、その回転時にエンジンの固定された構造体によって支持される軸受内に案内されるが、ＨＰスプールのシャフトは、ＬＰスプールによって支持される軸受によって案内され、これら２つのスプールは同心円状に配置される。

ターボジェットの動作時に、ターボジェットが取り付けられる航空機を動かすのに必要な推力を生成するために、空気と燃料との混合物がエンジンの燃焼チャンバで燃焼される。燃焼後、非常に高温のガスの流れは、ターボジェットのＨＰタービン内を循環する。

タービンの要素、特に、ＨＰスプールのタービンディスク（以下、ＨＰタービンディスクと表す）は、非常に高温にさらされる。ＨＰタービンディスクを保護するために、冷却回路がエンジン内に形成され、この冷却回路内で、ＨＰタービンの上流側で抽出された空気は、ＨＰタービンディスクの内側およびＬＰシャフトの外側で、ターボジェットの上流側から下流側に循環する。ＨＰタービンディスクを冷却する回路は、「穴冷却回路」として知られているタービンディスクの穴を冷却する回路とされる。

ＨＰタービンディスクを冷却した後、冷却空気は、ＨＰディスクに固定されＨＰディスクの下流側に取り付けられたジャーナル（以下、ＨＰジャーナルと表す）内に形成された複数の通気開口部を通る。ＨＰジャーナルは、とりわけ、図１に示されるように、ＨＰスプールをＬＰシャフトに案内することができる軸受１７を取り付けるためのリングを備える。

さらに図１では、ＨＰジャーナル１０は、その上流側端部でＨＰタービンディスク２０に締結され、ＨＰタービンディスク２０は、ＨＰジャーナル１０の半径方向環状部１５と接触する半径方向環状締結フランジ２５を備える。ＨＰタービンディスク２０の締結フランジ２５は、長手方向ボルト２によってＨＰジャーナル１０にボルト締めされる。

冷却空気流を排気させるＨＰジャーナル１０の通気開口部１１は、ＨＰタービンディスク２０にボルト締めされたＨＰジャーナル部１０の下流側に形成される。従来の方法では、通気開口部１１は、ＨＰジャーナル１０の円錐台状部１２に形成されるが、円錐台状部は上流側方向に張り出しており、動作時に機械的に高応力にさらされる。

通気開口部１１は、ＨＰジャーナル１０の円錐台状部１２で斜めに機械加工される。すなわち、通気開口部１１は、ＨＰジャーナル１０の円錐台状部１２の表面に対して直交しない。これらの斜め開口部１１は機械加工が難しく、ＨＰジャーナル１０の円錐台状部１２に機械加工工具が届きにくい。さらに、機械加工後に、通気開口部１１の縁部は疲労応力が集中するために鋭い縁になり、このことが、動作時にＨＰジャーナル１０を脆弱化させる傾向がある。

これらの欠点を克服するために、本出願は、ガスタービンエンジン用タービンディスクと軸受支持ジャーナルとを含み、タービンディスクはボルトによってジャーナルの半径方向環状部に固定された半径方向環状締結フランジを備え、ボルトはタービンディスクの半径方向環状締結フランジ内およびジャーナルの半径方向環状部内に形成された締結穴を連続して貫通するアセンブリであって、ジャーナルの半径方向環状部はジャーナルの締結穴間に形成される空気循環開口部を備えることを特徴とするアセンブリを提案する。

冷却空気流を循環させるための開口部は、ジャーナルの締結穴間のジャーナルの半径方向環状部に形成される。このことにより、有利には、締結穴と冷却開口部と間のジャーナルの前記半径方向環状部全体の機械的応力を分散させることができ、そのために、各穴および各開口部の機械的応力のレベルは低くなる。

締結フランジは届きやすく、このため、排気開口部の機械加工が容易であり、したがって、排気開口部は締結穴と同時に形成可能である。

また、ジャーナルの円錐台状部は冷却空気の排気の機能を行わなくなり、これにより、有利には、ジャーナルの回転軸（エンジンの軸でもある）の近くの質量を増加させるためにこの部分に何らかの材料を追加することができ、ひいてはジャーナルの回転により生じる疲労を低減することができる。

好ましくは、タービンディスクの半径方向環状締結フランジは、切欠き（ｃｒｅｎｅｌ）により分割された歯を備える鋸歯状（ｃｒｅｎｅｌａｔｅｄ）の半径方向環状バンドの形状で、タービンの締結穴は前記鋸歯状バンドの歯内に形成される。

半径方向環状締結フランジは、有利には、タービンの質量を低減するために、同時にタービンをジャーナルに締結できるように鋸歯状である。

また、好ましくは、半径方向環状締結フランジの切欠きは、タービンをジャーナルに締結するときに、ジャーナルの半径方向環状部に形成された空気循環開口部と対応するように配置される。

したがって、空気流は、タービンの締結フランジの歯間およびジャーナルの空気循環開口部内を順次循環する。

好ましくは、循環開口部と締結穴とは、ジャーナルの半径方向環状部の周方向に配置される。機械的応力は、ジャーナルの周囲全体にわたって均一に分散されて、脆弱化領域の形成を防ぐことができる。

１つの特定の特徴によれば、ジャーナルは、半径方向環状部の下流側に円錐台状部を備え、円錐台状部は、回転軸の近くに内側半径方向部分を備え、内側半径方向部分はディスクに機械的強度を付与するように厚くされ、それにより質量の分布が最適になる。ジャーナルの円錐台状部は、機械的補強の役割をして、ジャーナルにかかる遠心力の衝撃を抑えることができる。

好ましくは、ジャーナルの下流側に取り付けられる封止ディスクは、ジャーナルおよびタービンディスクと一緒にボルト締めされ、封止ディスクは、ジャーナルの循環開口部と位置合わせされる循環開口部を備える。

封止ディスクは、有利には、封止を行うと同時に、タービンディスクを冷却する空気を通過させることができる。

好ましくは、封止ディスクの空気循環開口部の通過断面は、空気流の循環流量を較正するように適合される。

封止ディスクは、機械加工しやすい軽い機械部品である。

封止ディスクの空気循環開口部の通過断面を適合させることによって、空気流の循環流量を簡単に較正することができる。

本発明はさらに、ガスタービンエンジン内のタービンディスク用の冷却回路で、タービンディスクの下流側に、上述したようなアセンブリの前記開口部を通る排気通路を備える冷却回路に関する。

好ましくは、冷却回路は、前記アセンブリの開口部の上流側に、タービンディスクの中央穴を通る上流側通路を備える。

また、好ましくは、２スプールエンジンの冷却回路は高圧タービンと低圧タービンとを備え、前記アセンブリのタービンは高圧タービンである。冷却回路は、低圧タービンを部分的に冷却するために、前記アセンブリの開口部の下流側に形成される下流側通路を備える。

本発明は、添付図面を参照することでより十分に理解される。

先行技術のターボジェットのタービンディスクを冷却するための回路を備えるターボジェットの軸方向断面図である。 本発明のターボジェットのタービンディスクを冷却するための回路を備えるターボジェットの軸方向断面図である。 本発明のターボジェットのタービンディスクおよびジャーナルが部分的に示された斜視図である。 図３のタービンディスクおよびジャーナルの一部を示す図である。 上流側から下流側に見た、図４のタービンディスクのジャーナルへの締結を示す概略断面図である。 本発明の第２の実施形態のタービンディスク、ジャーナル、ラビリンスシール部の部分斜視図である。

フロントファンを有する２スプールターボジェットは、例えば、ＬＰスプールと呼ばれる低圧スプールと、ＨＰスプールと呼ばれる高圧スプールとを備える。

慣例により、本出願では、用語「内側」および「外側」は、エンジンの軸に対して半径方向に画定される。したがって、エンジンの軸に沿って伸びるシリンダは、エンジンの軸に向けられた内面と、内面の反対側の外面とを備える。

図２、図３を参照すると、ＨＰタービン段は、ＨＰジャーナル１００の上流側でＨＰジャーナル１００に固定して取り付けられるＨＰディスク２００を備える。

ＨＰタービンディスク２００
ＨＰタービンディスク２００は、ブレード付きホイールの形状であり、そのブレードはエンジンの軸に対して半径方向外側に伸びる。ＨＰタービンディスク２００は、ＬＰシャフトが貫通する中央穴２０１を備える。ＨＰタービンディスク２００の厚さは均一でなく、ディスク２００は中央開口部２０１の近くに円周方向に張り出した部分を備える。すなわち、ＨＰタービンディスク２００は、中央では機械的補強のために軸方向の過度の厚さを有し、エンジンの軸の近くでディスク２００の質量を増加させて、このように動作時の機械的応力を低減する。

図３では、ＨＰタービンディスク２００は、上流側半径方向環状締結フランジ２４０を備え、締結フランジは、封止ストリップを支持してタービンブレードを冷却する空気を案内するための部材２４１に関連付けられたドラムにボルト締めされ、ドラムはエンジンのＨＰ圧縮機にボルト締めされる。ドラムにより、ＨＰ圧縮機にタービンディスク２００によって回収されたエンジン燃焼エネルギーを伝達することができる。

ＨＰタービンディスク２００は、下流側に取り付けられたＨＰジャーナル１００を保持するための下流側半径方向環状締結フランジ２５０を備える。下流側フランジ２５０は、図４、図５で示されるように、切欠き２５２により分割された歯２５１を備える鋸歯状の半径方向環状バンド２５０の形状である。以下、切欠きは、鋸歯状バンド２５０の２つの連続する歯２５１間の空間と画定される。

図５では、下流側締結フランジ２５０の歯２５１（ハッチングで示されている）は、エンジンの軸に向かって半径方向に伸び、タービンディスク２００の中央穴２０１に向けられる。下流側締結フランジ２５０の各々の歯２５１には、ＨＰタービンディスク２００の下流側フランジ２５０をＨＰジャーナル１００に締結できるようにする締結穴２２０が機械加工される。ＨＰジャーナル１００のＨＰタービンディスク２００への締結は以下で詳細に説明する。

ＨＰジャーナル１００
図２、図３では、ＨＰジャーナル１００は、ほぼ上流側方向に張り出して（ｆｌａｒｅｄ）、エンジンの軸に沿って伸びる回転片の形状である。ＨＰジャーナル１００は、上流側から下流側に向かって、ＨＰタービンディスク２００のフランジ２５０に締結されるように設計された半径方向環状締結部１５０、円錐台状部１０２、長手方向円筒状部１０３を備える。

ＨＰジャーナル１００の長手方向円筒状部１０３（ジャーナル１００の最下流側部）は、その下流側端部に、内側シャフト軸受が取り付けられる外側リングを受承するための雄ねじを備え、この軸受（図示せず）により、ターボジェットのＨＰスプールがＬＰシャフトにより支持されるようになる。

図３では、ＨＰジャーナル１００の円錐台状部１０２は、その一部に、機械的補強のために、エンジンの軸に向かって配向されてＨＰジャーナル１００の質量を補強するための円周方向の半径方向突出部１０５を備える。突出部１０５は、動作時の機械的応力、特に遠心力により生じる応力を低減するようにエンジンの軸の近くに形成される。ＨＰジャーナル１００の円錐台状部１０２は、エンジンの半径方向外側に向かって配向され、ＨＰジャーナル１００とＨＰジャーナル１００の外側に取り付けられた機械部品との間の封止を行うためのラビリンスシール部を形成する半径方向封止ストリップ１０４を備える。

ＨＰジャーナル１００の円錐台状部１０２はさらに、エンジンのＬＰシャフトの封止スリーブ４００に保持固定される内側円錐台状フランジ１０７を備える。封止スリーブ４００は、エンジンのＬＰシャフトの軸方向外側およびタービンディスク２００の内側に伸びるシリンダの形状である。封止スリーブ４００により、ＬＰシャフトを過度の温度から保護することができる。タービンディスクを冷却するための環状空気循環ダクトは、ＨＰタービンディスク２００内部および封止スリーブ４００の外側に形成される。図２、図３では、ダクト内の冷却空気の循環は矢印で示されている。

ジャーナル１００の半径方向環状締結部１５０は、タービンディスクを冷却する空気流を循環させるための開口部１１０（以下、通気開口部１１０と表す）と交互に締結穴１２０を備え、穴１２０と開口部１１０とは、半径方向環状締結部１５０の周方向に配置される。この例では、穴１２０と開口部１１０とは、周囲にわたって均一に分布されている。ジャーナル１００の締結穴１２０と通気開口部１１０とはそれぞれ、ＨＰタービンディスク２００の締結穴２２０と切欠き２５２とに対応するように形成される。

有利には、ジャーナル１００の穴１２０と開口部１１０とは、ステップ効果により、ＨＰジャーナル１００のこの領域における接線応力を低減することができる。

締結穴１２０と通気開口部１１０とはここでは円形で、この例では、同じ開口部断面を有する。言うまでもないが、穴１２０と開口部１１０とは異なる形状（楕円形、長方形など）および異なる断面にすることも可能である。

半径方向環状締結部１５０はさらに、その半径方向外側端部に形成される半径方向封止ストリップを備え、この封止ストリップはジャーナル１００の円錐台状部１０２に形成されるのと同様の封止ストリップである。

ＨＰジャーナル１００をＨＰタービンディスク２００に締結するために、ＨＰタービンディスク２００の下流側締結フランジ２５０の下流側に面する面は、ＨＰジャーナル１００の半径方向環状部１５０の上流側に面する面と接触される。次に、ジャーナル１００の締結穴１２０は、ＨＰタービンディスク２００の締結穴２２０と位置合わせされる。締結穴１２０、２２０を位置合わせすることによって、ＨＰジャーナル１００の通気開口部１１０はＨＰタービンディスク２００の締結フランジ２５０の切欠き２５２と位置合わせされる。すなわち、ＨＰジャーナル１００の通気開口部１１０は、ＨＰタービンディスク２００の締結フランジ２５０の歯２５１の間に形成される開口部と位置合わせされる。

ＨＰジャーナル１００に固定されたＨＰタービンディスク２００を保持するために、ボルトのねじ２１が、ジャーナル１００の締結穴１２０に、次に締結穴１２０と位置合わせされたタービンディスク２００の締結穴２２０に順次挿入される。その後、締結固定するために、ボルトのナット２２が前記ねじ２１の端部で締められる。ボルト留めするこのステップは、ジャーナル１００の各締結穴１２０に対して繰り返されて、タービンディスク２００はＨＰジャーナル１００に固定される。

締結後、冷却空気はＨＰジャーナル１００の保持ボルトの間を循環することができる。ジャーナル１００の半径方向環状部１５０により、タービンディスク２００に締結することができ、さらにタービンディスク２００を冷却するための空気流を排気することができる。

本発明の手段の構造を説明したが、次に、本発明の動作およびその実施について説明する。

図２、図３では、ターボジェットの動作時に、空気と燃料と混合物がエンジンの燃焼チャンバで燃焼されて、ターボジェットが取り付けられる航空機を動かすのに必要な推力を生成する。燃焼後、非常に高温のガスの流れは、ターボジェットのＨＰタービン内を循環する。ＨＰタービンディスク２００は、非常に高温にさらされる。

ＨＰタービンディスク２００を保護するために、空気の流れがタービンディスク２００の上流側のＨＰ圧縮機で抽出され、ＨＰタービンディスク２００の内側および封止スリーブ４００の外側で、ターボジェットの上流側から下流側に循環する。ＨＰタービンディスク２００の中央穴２０１内で冷却空気が循環するときに、環状冷却空気流はタービンディスク２００から熱を抽出して、タービンディスク２００を冷却し、封止スリーブ４００の周囲に冷却空気の膜を形成し、したがって、封止スリーブ４００内部に取り付けられた機械部品を保護する。

ＨＰタービンディスク２００を冷却した後、図２、図３で示されるように、冷却空気は、ＨＰジャーナル１００をＨＰタービンディスク２００に接続するボルト間に形成された空気循環通路を通って排気される。空気循環開口部の下流側では、冷却空気は２スプールエンジンのＬＰタービンを冷却する。すなわち、冷却空気は、ＨＰタービンディスク２００の下流側締結フランジ２５０の歯２５１間およびＨＰジャーナル１００内に形成された通気開口部１１０を順次循環する。

ラビリンスシールディスク３００
本発明の別の特徴によれば、ラビリンスシールディスク３００がＨＰタービンディスク２００およびＨＰジャーナル１００と一緒に取り付けられ、封止ディスク３００はＨＰジャーナル１００の下流側に取り付けられる。

図６では、ラビリンスシールディスク３００は、その半径方向外側端部、すなわち、エンジンの軸から最も遠い端部にラビリンスシール部を形成する半径方向封止ストリップ３０４を備え、その内側端部、すなわち、エンジンの軸に最も近い端部に半径方向環状締結バンド３５０を備える半径方向環状リングの形状である。

封止ディスク３００の半径方向環状締結バンド３５０は、通気開口部３１０と交互に配置される締結穴３２０を備え、穴３２０と開口部３１０とは、半径方向環状締結バンド３５０の周方向に配置される。封止ディスク３００の締結穴３２０と通気開口部３１０とは、ＨＰジャーナル１００に形成された対応部品と一致するように形成される。

封止ディスク３００を締結するために、ＨＰタービンディスク２００の下流側締結フランジ２５０の下流側に面する面は、ＨＰジャーナル１００の半径方向環状部１５０の上流側に面する面に接触される。次に、封止ディスク３００の締結バンド３５０の上流側に面する面は、ＨＰジャーナル１００の半径方向環状部１５０の下流側に面する面に接触される。

次に、ＨＰタービンディスク２００、ＨＰジャーナル１００、封止ディスク３００の締結穴１２０、２２０、３２０が位置合わせされる。締結穴１２０、２２０、３２０を位置合わせすることによって、ＨＰジャーナル１００、封止ディスク３００の通気開口部１１０、３１０はＨＰタービンディスク２００の締結フランジ２５０の切欠き２５２と位置合わせされる。

次に、タービンディスク２００、ジャーナル１００、封止ディスク３００は、位置合わせされた締結穴１２０、２２０、３２０を通して一緒にボルト締めされる。締結後、空気循環通路が保持ボルト間に形成される。

封止ディスク３００の通気開口部３１０の通過断面は、タービンディスク２００の中央穴２０１の冷却空気の循環流量を較正できるように適合される。この例では、封止ディスク３００の円形通気開口部３１０の直径はＨＰジャーナル１００の円形通気開口部１１０の直径より小さく、そのため中央穴２０１の冷却空気の流量を低減することになる。

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン用タービンディスク（２００）と軸受支持ジャーナル（１００）とを含み、タービンディスク（２００）がボルト（２）によってジャーナル（１００）の半径方向環状部（１５０）に固定された半径方向環状締結フランジ（２５０）を備え、ボルト（２）がタービンディスク（２００）の半径方向環状締結フランジ（２５０）内およびジャーナル（１００）の半径方向環状部（１５０）内に形成された締結穴（１２０、２２０）を連続して貫通するアセンブリであって、ジャーナル（１００）の半径方向環状部（１５０）がジャーナル（１００）の締結穴（１２０）間に形成される空気循環開口部（１１０）を備えることを特徴とする、アセンブリ。
2. タービンディスク（２００）の半径方向環状締結フランジ（２５０）が、切欠き（２５２）により分割された歯（２５１）を備える鋸歯状の半径方向環状バンド（２５０）の形状で、タービン（２２０）の締結穴が前記鋸歯状バンド（２５０）の歯（２５１）内に形成される、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 半径方向環状締結フランジ（２５０）の切欠き（２５２）が、ジャーナル（１００）の半径方向環状部（１５０）に形成された空気循環開口部（１１０）と対応するように配置される、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 空気循環開口部（１１０）と締結穴（１２０）とが、ジャーナル（１００）の半径方向環状部（１５０）の周方向に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
5. ジャーナル（１００）が、その半径方向環状部（１５０）の下流側に、機械的補強のための内側半径方向部分（１０７）を備える円錐台状部（１０２）を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. ジャーナル（１００）の下流側に取り付けられた封止ディスク（３００）が、ジャーナル（１００）およびタービンディスク（２００）と一緒にボルト締めされ、封止ディスク（３００）が、ジャーナルの空気循環開口部（１１０）と位置合わせされる空気循環開口部（３１０）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
7. 封止ディスク（３００）の空気循環開口部（３１０）の通過断面が、空気循環流量を較正するように適合される、請求項６に記載のアセンブリ。
8. タービンディスク（２００）の下流側に、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリの前記開口部（１１０、２５２、３１０）を通る排気通路を備える、ガスタービンエンジンのタービンディスク（２００）用冷却回路。
9. 前記アセンブリの開口部（１１０、２５２、３１０）の上流側に、タービンディスク（２００）の中央穴（２０１）を通る上流側通路を備える、請求項８に記載の冷却回路。
10. 前記アセンブリのタービンが高圧タービン（２００）であり、低圧タービンを部分的に冷却するために前記アセンブリの開口部（１１０、２５２、３１０）の下流側に形成された下流側通路を備え、高圧タービンと低圧タービンとを備える２スプールエンジン内の請求項８および９に記載の冷却回路。

Images