JP6184037B2

JP6184037B2 - タービンエンジンで使用するための移行ダクトおよび組立方法

Info

Publication number: JP6184037B2
Application number: JP2015533072A
Authority: JP
Inventors: マクナイム，ジョセフ; キース，ブライアン・デイヴィッド; カーソン，スコット・マイケル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: US20140086739A1; EP2917510A1; CN104662260A; WO2014046832A1; JP2015529782A; US9222437B2; BR112015004937A2; CA2883886A1; CN104662260B

Description

本開示の分野は、全体的には、タービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンで使用するための移行ダクトに関する。

少なくともいくつかの公知のガスタービンエンジンは、直列流れ関係で互いに結合された前方ファンと、コアエンジンと、低圧タービン（ＬＰＴ：ｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅ）とを含む。コアエンジンは、少なくとも１つの圧縮機と、燃焼器と、高圧タービン（ＨＰＴ：ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅ）とを含む。より具体的には、圧縮機およびＨＰＴは、高圧ロータアセンブリを画定するために、シャフトを介して結合される。コアエンジンに入る空気は、圧縮され、燃料と混合され、高エネルギーガス流を形成するために点火される。高エネルギーガス流は、シャフトが圧縮機を回転駆動するように、ＨＰＴを回転駆動するために、ＨＰＴを通って導かれる。高エネルギーガス流は、次いで、移行ダクトを介して、ＨＰＴの下流に結合されたＬＰＴに向けて導かれる。

一般的に、公知のＨＰＴは、公知のＬＰＴよりも小さい半径を有する。そのため、ＨＰＴとＬＰＴとの間に結合された公知の移行ダクトは、それらの間の流れ連通を促進するために、「Ｓ」字型の断面を有する。一般的に、より小さい半径の高圧タービンからより大きい半径の低圧タービンに、できるだけ短い軸方向距離内で移行することが望ましい。このように移行ダクトをより短くして移行を迅速にすることにより、タービンアセンブリ全体の重量を低減することを容易にし、エンジンの性能を向上させることを容易にする。しかしながら、急激な湾曲を有するより短い移行ダクトを使用することは、移行ダクト壁の境界層での流れ剥離につながる可能性がある。

米国特許第２０１１／０８１２２８号

一態様では、タービンエンジンで使用するための移行ダクトが提供される。移行ダクトは、半径方向内側の壁と、半径方向内側の壁の周りに配置され、半径方向内側の壁との間に流路を画定する半径方向外側の壁とを含む。半径方向外側の壁は、移行ダクトの上流端から下流端まで延び、輪郭形成される。そのため、半径方向外側の壁の傾きは、上流端から所定の軸方向位置までは増加し、所定の軸方向位置から下流端までは減少する。

別の態様では、タービンアセンブリが提供される。タービンアセンブリは、高圧タービンと、低圧タービンと、それらの間に結合された移行ダクトとを含む。高圧タービンは、中心軸の周りに、中心軸から第１の半径に配置され、低圧タービンは、中心軸の周りに、中心軸から第１の半径よりも大きい第２の半径に配置される。移行ダクトは、半径方向内側の壁と、半径方向内側の壁の周りに配置され、半径方向内側の壁との間に流路を画定する半径方向外側の壁とを含む。半径方向外側の壁は、移行ダクトの上流端から下流端まで延び、輪郭形成される。そのため、半径方向外側の壁の傾きは、上流端から所定の軸方向位置までは増加し、所定の軸方向位置から下流端までは減少する。

さらに別の態様では、タービンアセンブリで使用するための移行ダクトを組み立てる方法が提供される。移行ダクトは、半径方向内側の壁と、半径方向外側の壁とを含む。方法は、半径方向外側の壁を半径方向内側の壁の周りに、それらの間に流路が画定されるように配置するステップと、半径方向外側の壁を、移行ダクトの上流端から下流端まで延ばすステップとを含む。方法は、また、半径方向外側の壁の傾きが上流端から所定の軸方向位置までは増加し、所定の軸方向位置から下流端までは減少するように、半径方向外側の壁を、上流端から下流端まで輪郭形成するステップを含む。

例示的なタービンエンジンの断面図である。図１に示すタービンエンジンで使用することができる例示的なタービン中央フレームの斜視図である。図２に示すタービン中央フレームで使用することができる例示的なフェアリングの斜視図である。図３に示すフェアリングから形成された移行ダクトの概略断面図である。図４に示す移行ダクトで使用することができる例示的な半径方向外側の壁に関する局所的な壁の傾きの正規化図である。

本開示の実施形態は、ガスタービンエンジンで高圧タービン（ＨＰＴ）の排出口を低圧タービン（ＬＰＴ）の入口に結合するために、移行ダクトを使用することに関する。一般的に、より小さい半径のＨＰＴからより大きい半径のＬＰＴに、それらを通って流体を導くために、移行ダクトで迅速に移行することが望ましい。より大きい半径へ移行することにより、ＬＰＴ性能および効率を向上させることを容易にする。しかしながら、急激な外側の壁の傾きを有するより短い軸方向長さを有する移行ダクトを使用することは、それを通って流れる流体の境界層流の剥離につながる可能性がある。さらに、公知の移行ダクトは、それを通って延び、タービン中央フレームを支持するために使用されるストラットおよび／またはフェアリングを含む。これらの公知のストラットおよびフェアリングは、移行ダクトを通って流れる流体の流れを乱す。したがって、フェアリング、またはフェアリングと外側の壁との間の境界面で、すなわち、両方の境界層が相互作用する場所で、流れ剥離が生じる可能性もある。

そのため、例示的実施形態では、本明細書で説明する移行ダクトは、ＨＰＴからＬＰＴに導かれる流体の流れ剥離を低減することを容易にする。より具体的には、移行ダクトは、ダクト入口から移行ダクト内の所定の軸方向位置までの急激な外側壁の傾きと、所定の軸方向位置からダクト出口までの低減した外側壁の傾きとを含む。例示的実施形態では、所定の軸方向位置は、空気力学的ストラットフェアリングの最も厚い部分（Ｔ_max位置）である。したがって、本明細書で説明する移行ダクトは、移行ダクトの外側壁とストラットフェアリングとの間の境界層の相互作用を制御することによって、ＬＰＴ性能および効率を向上させることを容易にする。

図１は、ファンアセンブリ１２と、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、および高圧タービン（ＨＰＴ）１８を含むコアエンジン１３とを含む例示的な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、低圧タービン（ＬＰＴ）２０と、ＨＰＴ１８とＬＰＴ２０との間に結合されたタービン中央フレーム／移行ダクト１００とを含む。ファンアセンブリ１２は、ロータディスク２６から半径方向外側に延びるファンブレード２４のアレイを含む。エンジン１０は、吸気側２８および排気側３０を有する。ファンアセンブリ１２およびＬＰＴ２０は、低速ロータシャフト３１によって結合され、圧縮機１４およびＨＰＴ１８は、高速ロータシャフト３２によって結合される。

一般的に、動作中、空気は、エンジン１０を通って延びる中心線３４に実質的に平行な方向に、ファンアセンブリ１２を通って軸方向に流れ、圧縮空気は、高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気は、燃焼器１６に送達される。燃焼器１６からの燃焼ガス流（図示せず）は、タービン１８および２０を駆動する。ＨＰＴ１８は、シャフト３２経由で圧縮機１４を駆動し、ＬＰＴ２０は、シャフト３１経由でファンアセンブリ１２を駆動する。

本明細書で使用する場合、「軸方向の」、「軸方向に」または「同軸に」という用語は、中心線３４に沿った方向、または中心線３４に実質的に平行な方向を指す。さらに、本明細書で使用する場合、「半径方向の」または「半径方向に」という用語は、中心線３４に実質的に垂直な方向を指す。

図２は、例示的なタービン中央フレーム１００の斜視図であり、図３は、タービン中央フレーム１００で使用することができるフェアリング２００の斜視図である。タービン中央フレーム１００は、中央ハブ１０２と、中央ハブ１０２の周りに配置された外側リング１０４とを含む。例示的実施形態では、中央ハブ１０２および外側リング１０４は、それらの間で半径方向に延びるストラット１０６で互いに結合される。

さらに、例示的実施形態では、タービン中央フレーム１００は、タービン中央フレーム１００を高温ガス流路環境から保護するために、複数のフェアリング２００を使用する。フェアリング２００は、前縁２０２と、Ｔ_max位置２０４と、後縁２０６とを含む。例示的実施形態では、フェアリング２００は、空力力学的断面形状を有する。そのため、Ｔ_max位置２０４は、フェアリング２００の最も厚い部分の軸方向位置に対応する。例えば、一実施形態では、Ｔ_max位置２０４は、前縁２０２から、フェアリング２００の長さ３１６（図２には示さず）の約３０％〜約４５％、または、より具体的には、長さ３１６の約３３％に配置される。一実施形態では、複数のフェアリング２００は、中央ハブ１０２の周りに配置され、それに結合された、半径方向外側のシュラウド２０８と、半径方向内側のシュラウド２１０とを含む。そのため、実質的に環状の移行ダクト３００が、（図１に示す）中心線３４の周りにシュラウド２０８および２１０によって形成される。

図４は、移行ダクト３００および移行ダクト４００の概略断面図であり、図５は、移行ダクト３００で使用することができる半径方向外側の壁３０２の局所的な壁の傾きの正規化図である。移行ダクト３００は、さらに詳細に説明されるが、同じことは、移行ダクト４００に適用できることを理解すべきである。例示的実施形態では、移行ダクト３００は、（図３に示す）半径方向内側のシュラウド２１０から形成された半径方向内側の壁３０４と、（図３に示す）半径方向外側のシュラウド２０８から形成された半径方向外側の壁３０２とを含む。半径方向外側の壁３０２は、半径方向内側の壁３０４の周りに、流路３０６がそれらの間に画定されるように配置される。

いくつかの実施形態では、半径方向外側の壁３０２および半径方向内側の壁３０４は、ＨＰＴ１８を（図１に示す）ＬＰＴ２０に流れ連通状態で結合することを容易にするために、移行ダクト３００の上流端３１０から移行ダクト３００の下流端３２０まで延び、輪郭形成される。より具体的には、半径方向外側の壁３０２の曲率および傾きは、移行ダクト３００内の流れ剥離を低減することを促進するように調整される。例えば、例示的実施形態では、半径方向外側の壁３０２は、上流端３１０から所定の軸方向位置３０８までの急激な外側壁の傾きと、所定の軸方向位置３０８から移行ダクト３００の下流端３２０までの低減した傾きとを含む。本明細書で使用する場合、「傾き」という用語は、中心線３４に対する半径方向外側の壁３０２および半径方向内側の壁３０４の任意の所与の地点での角度を指す。

したがって、例示的実施形態では、上流端３１０での半径方向外側の壁３０２は、（図１に示す）中心線３４から第１の半径方向距離３１２に位置し、下流端３２０での半径方向外側の壁３０２は、中心線３４から第２の半径方向距離３２２に位置する。第２の半径方向距離３２２は、第１の半径方向距離３１２との間にΔＲ３３２が存在するように、第１の半径方向距離３１２よりも大きい。さらに、例示的実施形態では、移行ダクト３００は、高さ３１４と、長さ３１６と、上流端３１０での第１の面積３１８と、下流端３２０での第２の面積３２８とを含む。そのため、調整された半径方向外側の壁３２０の広がりは、移行ダクト３００が、約２．０よりも大きい半径比（ΔＲ３３２／高さ３１４）と、約２．７５と４．５０との間の長さ３１６／高さ３１４比と、約１．３５よりも大きい面積比（第２の面積３２８／第１の面積３１８）とを有するとき、適用可能である。

例示的実施形態では、半径方向外側の壁３０２の輪郭形成および傾きは、半径方向外側の壁３０２およびフェアリング２００での境界層の相互作用を制御することを容易にする。例えば、半径方向外側の壁３０２は、所定の軸方向位置３０８より先の急激な外側壁の傾きによって生じる半径方向外側の壁３０２での流れ剥離、および／または、流路３０６内のフェアリング２００の存在によって生じる流れ剥離を防止することを促進するように構成される。より具体的には、例示的実施形態では、半径方向外側の壁３０２の傾きは、上流端３１０から所定の軸方向位置３０８までは増加し、所定の軸方向位置３０８から下流端３２０までは減少する。例示的実施形態では、所定の軸方向位置３０８から下流の領域は、フェアリング２００が周方向の流れを拡散させるとき、流れ剥離の高い確率を有する可能性がある移行ダクト３００内の領域に対応する。

一実施形態では、所定の軸方向位置３０８は、移行ダクト３００の上流端３１０と下流端３２０との間の流路３０６内に配置されたフェアリング２００のＴ_max位置２０４に対応する。別の実施形態では、移行ダクト４００に関して、所定の軸方向位置４０８は、Ｔ_max位置４０４から下流に位置する。流体が移行ダクト３００を通って実質的に軸方向に導かれるとき、流路３０６内にフェアリング２００が存在することにより、そこでの、具体的には、前縁２０２、およびＴ_max位置２０４の下流での流れ剥離の発生が促進される。

別の実施形態では、所定の軸方向位置３０８は、流れ剥離が半径方向外側の壁３０２の境界層に存在するようになる可能性がある移行ダクト３００内の軸方向位置に対応する。より具体的には、半径方向外側の壁３０２の境界層での流れ剥離は、急激な外側壁の傾きによって引き起こされる。したがって、半径方向外側の壁３０２は、フェアリング２００による移行ダクト３００を通って導かれる流体の流れ剥離を防止することを促進するように輪郭形成される。

例示的実施形態では、移行ダクト３００は、上流端３１０から所定の軸方向位置３０８までの半径方向外側の壁３０２の傾きを増加させ、所定の軸方向位置３０８から下流端３２０までの半径方向外側の壁３０２の傾きを減少させることによって、流れ剥離を防止しながら、タービン効率を増大することを容易にする。そのため、例示的実施形態では、半径方向外側の壁３０２は、上流端３１０で約０°の傾きを有する。半径方向外側の壁３０２の傾きは、次いで、所定の軸方向位置３０８で最大の壁の傾き３２４に、または、所定の軸方向位置４０８で最大の壁の傾き４２４に増加する。最大の壁の傾き３２４および４２４は、約４０°よりも大きく、より具体的には、約４０°から約５０°である。半径方向外側の壁３０２の傾きは、次いで、下流端３２０での半径方向外側の壁３０２の傾きが約３０°以上であるように、所定の軸方向位置３０８から減少する。

本明細書で説明する移行ダクトは、より短い移行ダクト内の流れ剥離を低減することを促進することによって、タービンアセンブリの性能を向上させることを容易にする。本明細書で説明する移行ダクトは、高圧タービンと低圧タービンとの間で迅速に移行するために、急激な外壁の傾きを使用する。しかしながら、迅速な移行、および、移行ダクトを通って半径方向に延びる空気力学的ストラットの存在は、外側壁の広がり、および／または、その中の流れ剥離につながる可能性がある。そのため、移行ダクトの半径方向外側の壁の曲率および傾きは、その中の流れ剥離を低減することを促進するように調整され、それによって、低圧タービンの効率を改善する。

本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために、また、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを製作および使用すること、ならびに、任意の組込み方法を実行することを含む、本発明を実施することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文言と実質的な違いを持たない等価な構造要素を有する場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。

１０ガスタービンエンジン
１２ファンアセンブリ
１３コアエンジン
１４高圧圧縮機
１６燃焼器
１８高圧タービン（ＨＰＴ）
２０低圧タービン（ＬＰＴ）
２４ファンブレード
２６ロータディスク
２８吸気側
３０排気側
３１低速ロータシャフト
３２高速ロータシャフト
３４中心線
１００タービン中央フレーム／移行ダクト
１０２中央ハブ
１０４外側リング
１０６ストラット
２００フェアリング
２０２前縁
２０４Ｔ_max位置
２０６後縁
２０８シュラウド
２１０シュラウド
３００移行ダクト
３０２半径方向外側の壁
３０４半径方向内側の壁
３０６流路
３０８所定の軸方向位置
３１０上流端
３１２第１の半径方向距離
３１４高さ
３１６長さ
３１８第１の面積
３２０下流端
３２２第２の半径方向距離
３２４最大の壁の傾き
３２８第２の面積
３３２ ΔＲ
４００移行ダクト
４０４Ｔ_max位置
４０８所定の軸方向位置
４２４最大の壁の傾き

Claims

タービンエンジンで使用するための移行ダクトであって、
前記移行ダクトが、
半径方向内側の壁と、
前記半径方向内側の壁の周りに配置され、前記半径方向内側の壁との間に流路を画定する半径方向外側の壁と
前記流路内の前記半径方向内側の壁と前記半径方向外側の壁との間に半径方向に延びるフェアリングと
を備え、
前記半径方向外側の壁の傾きが、前記移行ダクトの上流端から所定の軸方向位置までは増加し、前記移行ダクトの前記所定の軸方向位置から下流端までは減少するように、前記半径方向外側の壁が、前記上流端から前記下流端まで延び、輪郭形成され、
前記フェアリングが、空気力学的断面形状を備え、
前記半径方向外側の壁の最大の傾きが、前記所定の軸方向位置になるように、前記所定の軸方向位置が、前記フェアリングの最も厚い断面部分の軸方向位置に対応する、移行ダクト。
前記半径方向外側の壁の前記傾きが、前記上流端での０°から、前記所定の軸方向位置での４０°より大きい角度まで増加する、請求項１記載の移行ダクト。
前記半径方向外側の壁が、前記所定の軸方向位置で最大の壁の傾きを備え、前記最大の壁の傾きが、４０°から５０°である、請求項１記載の移行ダクト。
前記半径方向外側の壁の前記傾きが、前記最大の壁の傾きから前記下流端での３０°以上の角度まで減少する、請求項３記載の移行ダクト。
前記移行ダクトが、前記下流端で前記上流端よりも大きい断面積を有するように、前記半径方向内側の壁が、前記上流端から前記下流端まで延び、輪郭形成された、請求項１乃至４のいずれか１項記載の移行ダクト。
前記移行ダクトが、１．３５よりも大きい面積比を備える、請求項５記載の移行ダクト。
前記移行ダクトが、２．０よりも大きい半径比を備える、請求項１乃至６のいずれか１項記載の移行ダクト。
中心軸の周りに、前記中心軸から第１の半径に配置された高圧タービンと、
前記中心軸の周りに、前記中心軸から前記第１の半径よりも大きい第２の半径に配置された低圧タービンと、
前記高圧タービンと前記低圧タービンとの間に結合された移行ダクトと
を備えるタービンアセンブリであって、
前記移行ダクトが、
半径方向内側の壁と、
前記半径方向内側の壁の周りに配置され、前記半径方向内側の壁との間に流路を画定する半径方向外側の壁と、
前記流路内の前記半径方向内側の壁と前記半径方向外側の壁との間に半径方向に延びるフェアリングと
を備え、
前記半径方向外側の壁の傾きが、前記移行ダクトの上流端から所定の軸方向位置までは増加し、前記移行ダクトの前記所定の軸方向位置から下流端までは減少するように、前記半径方向外側の壁が、前記上流端から前記下流端まで延び、輪郭形成され、
前記フェアリングが、空気力学的断面形状を備え、
前記半径方向外側の壁の最大の傾きが、前記所定の軸方向位置になるように、前記所定の軸方向位置が、前記フェアリングの最も厚い断面部分の軸方向位置に対応する、
タービンアセンブリ。
前記移行ダクトが、前記流路を通って導かれる流体の流れ剥離を低減することを促進する、請求項８記載のタービンアセンブリ。
前記移行ダクトが、前記下流端で前記上流端よりも大きい断面積を有するように、前記半径方向内側の壁が、前記上流端から前記下流端まで延び、輪郭形成された、請求項８又は９記載のタービンアセンブリ。
前記半径方向外側の壁の前記傾きが、前記上流端での０°から、前記所定の軸方向位置での４０°より大きい角度まで増加する、請求項８乃至１０のいずれか１項記載のタービンアセンブリ。
前記半径方向外側の壁が、前記所定の軸方向位置で最大の壁の傾きを備え、前記最大の壁が、４０°から５０°である、請求項８乃至１０のいずれか１項記載のタービンアセンブリ。
前記半径方向外側の壁の前記傾きが、前記最大の壁の傾きから前記下流端での３０°以上の角度まで減少する、請求項１２記載のタービンアセンブリ。
前記半径方向内側の壁および前記半径方向外側の壁の各々が、これらの間に実質的に環状の流路が画定されるように、前記中心軸の周りに周方向に延びた、請求項８乃至１３のいずれか１項記載のタービンアセンブリ。
タービンアセンブリで使用するための移行ダクトを組み立てる方法であって、前記移行ダクトが、半径方向内側の壁と、半径方向外側の壁とを備え、
前記方法が、
前記半径方向外側の壁を前記半径方向内側の壁の周りに、これらの間に流路が画定されるように配置するステップと、
前記半径方向外側の壁を、前記移行ダクトの上流端から下流端まで延ばすステップと、
前記半径方向外側の壁の傾きが、前記上流端から所定の軸方向位置までは増加し、前記所定の軸方向位置から前記下流端までは減少するように、前記半径方向外側の壁を、前記上流端から前記下流端まで輪郭形成するステップと、
前記流路内の前記半径方向内側の壁と前記半径方向外側の壁との間に半径方向に延びる、空気力学的断面形状を備えるフェアリングを設けるステップと
を含み、
前記半径方向外側の壁の最大の傾きが、前記所定の軸方向位置になるように、前記所定の軸方向位置が、前記フェアリングの最も厚い断面部分の軸方向位置に対応する
方法。
前記半径方向外側の壁を輪郭形成するステップが、前記半径方向外側の前記壁の傾きを、前記上流端での０°から前記所定の軸方向位置での４０°より大きい角度まで増加させるステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
前記半径方向外側の壁を輪郭形成するステップが、最大の壁の傾きが前記所定の軸方向位置に位置し、前記最大の壁の傾きが４０°から５０°であるように、前記半径方向外側の壁を輪郭形成するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
前記半径方向外側の壁を輪郭形成するステップが、前記半径方向外側の壁の前記傾きを、前記最大の壁の傾きから前記下流端での３０°以上の角度まで減少させるステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。