JP6212558B2 - ターボ機械用のタービンロータ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械用のタービンロータ、より詳細には低圧タービンロータに関する。

従来のタービンエンジンにおいては、タービンロータは、その周縁部には翼根元部を取り付けるためのスロットが設けられるディスクを備えており、各スロットは、ディスクの２つの隣接する歯によって画定される。翼根元部は、作動時に、遠心力の影響の下でディスクの歯の接触面に当たる接触面を備える。

ディスクは、ターボ機械の軸線上で心出しされ、一緒に、およびフランジによってタービンシャフトに接続される。

上流ディスクは、スクリュー−ナット型の手段によって下流ディスクの上流側環状フランジに固定するための下流側環状フランジを備えることができる。環状シュラウドが、上流ディスクと下流ディスクとの間に取り付けられ、その下流側端部分と共にそれの根元部に当たることによって翼を下流ディスクに軸線方向に保持するように、下流ディスクの上流側フランジを少なくとも取り囲む。この種のシュラウドは、アブレイダブル材料で作られるブロックと協働するように意図された封止要素をさらに担持し、このアブレイダブル材料は、上記で述べた上流ディスクと下流ディスクとの間に軸線方向に位置する分配器の固定翼に取り付けられる。封止要素およびブロックは、ラビリンスシール型の封止手段を形成する。

上流および下流ディスクがそれらのフランジによって一緒に固定される場合には、シュラウドは、ディスクのフランジ間に軸線方向に挿入される環状フランジを備える。

環状空間が、シュラウドと下流ディスクの上流側フランジとの間に画定され、スロットを換気するように下流ディスクの該スロットに案内される冷却空気を上流で供給される。

より詳細には、冷却空気は、翼根元部とディスクとの間で、スロットの底部においてキャビティに到達する。

出願人によって行われた研究は、ディスクの歯のピークにおいて高温の発生を示している。ところで、高応力が掛かっているこれらの領域の高温は、クリープを生じる場合がある。実際のところ、作動時におよび遠心力の影響の下で、翼根元部は、特に接触面の領域にかなりの剪断応力を及ぼす。

この種のクリープは、タービンディスクの耐用年数を大きく減少させ、ターボ機械の性能に有害な影響を与える場合がある。

このような現象を回避するために、かなりの冷却流量が、通常、ディスクの歯を十分冷却するようにスロットの底部に供給される。しかし、この冷却流量は、圧縮機からの空気から得られ、これはターボ機械の性能を損なう。

仏国特許発明第２９６３３８２号明細書

本発明は、より詳細には、これらの問題に関して簡単で、効果的で費用効果の高い解決策を提供することが狙いである。

この目的を達成するために、本発明は、翼根元部を取り付けるためのスロットを含むディスクを備え、各スロットが、ディスクの２つの隣接する歯によって画定され、翼根元部が、ディスクの歯の接触面に当たっている接触面を備える、ターボ機械用のタービンロータであって、フォイルが、ディスクの歯に取り付けられ、各フォイルが、翼根元部の対応する接触面とディスクの歯との間に挿入される側方支承部を備える略Ｕ字形状を有し、中央部分が、ディスクの対応する歯のピークに面しており、前記ピークとフォイルとの間にキャビティを画定し、タービンロータが冷却空気を前記キャビティに供給するための手段を備えることを特徴とする、タービンロータを提案する。

したがって、冷却空気は、スロットの背景領域にではなくディスクの歯のピークに供給される。次いで、小量でよりよく制御された空気流量により、クリープによって損なわれがちな領域を効率的に冷却することができる。これにより、抽気冷却空気量が先行技術の場合よりも少ないのでエンジン性能を増大させることができる。また、本発明は、ディスクの耐用年数を大きく増大させ、それにより、もはやクリープ現象にさらされない。

本発明の一実施形態によれば、各フォイルの少なくとも中央部分は、冷却空気を貫通して流出させるための少なくとも1つのオリフィスを備え、冷却空気を供給するための手段は、空気がフォイルの前記オリフィスを通り抜けてから、対応する歯とフォイルとの間に位置するキャビティに入り、歯のピークに衝突するように、フォイルの半径方向外側に冷却空気を供給するのに適応している。

衝突冷却は、比較的効率的であり、比較的低い冷却空気流量を必要とする。

翼は、タングを介して翼根元部に接続されるブレードを担持するプラットフォームをそれぞれ備えることが好ましく、タングは、それの振動を消散させるように翼のプラットフォームの半径方向内面を擦るように意図されるダンパを収容する空間をそれらの間に画定し、キャビティを形成するダンパは、上流方向に開口し、フォイルを通して空気を流出させるオリフィスに対向して半径方向内向きに開口し、冷却空気は、ダンパによって形成されるキャビティの中に、およびフォイルのオリフィスを通してフォイルとディスクの歯との間に形成されるキャビティの中に上流から供給される。

本発明の他の実施形態によれば、ディスクは、冷却空気の循環のための環状空間を上流側フランジと共に画定する環状シュラウドによって取り囲まれる該上流側フランジを備え、環状シュラウドは、ディスクの上流面に当たっており、かつ翼根元部を保持するためのストッパを形成する下流部分を有し、前記下流部分は、上流側フランジと環状シュラウドとの間に画定される環状空間、およびダンパによって形成されるキャビティを接続する冷却空気を供給するチャネルを備える。

この場合は、上流側フランジは、ダンパによって形成されるキャビティを上流で閉鎖することができ、フランジの下流部分の空気供給チャネルのみが、ダンパによって形成されるキャビティの上流で開口する。

本発明の１つの特徴によれば、タービンロータは、ディスクの歯とフォイルとの間に位置するキャビティを下流で閉鎖するように、ディスクの下流面に押し付けられる下流側フランジを備え、前記下流側フランジは、前記キャビティから空気を排出するための較正されたオリフィスを有する。

較正されたオリフィスにより、冷却空気流量をよりよく制御することができる。

本発明のもう１つの実施形態によれば、ディスクは、冷却空気を循環させるための環状空間を画定する上流側フランジと共に上流側環状シュラウドによって取り囲まれる該上流側フランジを備え、環状シュラウドは、ディスクの上流面に当たっており、かつ翼根元部を保持するストッパを形成する下流部分を有し、前記下流部分は、上流側フランジと環状シュラウドとの間に画定される環状空間、およびフォイルとディスクの歯との間に形成されるキャビティを接続する冷却空気供給チャネルを備える。

この実施形態においては、空気は、フォイルのオリフィスを半径方向に通り抜けるのではなく、環状シュラウドに形成されるチャネルを介してフォイルとディスクの対応する歯との間に位置するキャビティの中に直接進む。

この場合は、ディスクはまた、フランジの下流部分のチャネル、およびフォイルとディスクの歯との間に形成されるキャビティを接続する冷却空気供給チャネルを備えることができる。

フランジおよび／またはディスクに冷却空気を供給するチャネルは、冷却空気流量を制御するように較正されることが好ましい。

また、本発明は、上記のタイプのタービンロータを備えることを特徴とする、飛行機ターボジェット機またはターボプロップエンジン機などのターボ機械に関する。

本発明は、添付の図面を参照すると同時に非制限的な実施例として与えられる次の説明を読むと、よりよく理解され、本発明の他の詳細、特徴、および利点が明らかになるであろう。

先行技術のタービンロータの、長手方向半横断面図である。 先行技術のタービンロータの、半径方向の面に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態によるタービンロータの一部の、半径方向の面に沿った断面図である。 図３のタービンロータの一部の長手方向断面図である。 本発明の第２の実施形態、図４に対応する図である。 本発明の第３の実施形態の、図４に対応する図である。 図６のロータの一部の斜視図である。 図６および図７のロータに属する環状シュラウドの一部の斜視図である。 本発明の第４の実施形態の、図４に対応する図である。

先行技術の低圧タービンロータを示す図１および図２をまず第一に参照して、翼根元部４を取り付けるためのそのスロット３の周縁部に、複数のディスク１、２を有するこの種のロータが形成されている。各スロットは、２つの隣接する歯５によって画定される。ディスク１、２は、ターボ機械の軸線Ａ上で心出しされ、一緒に、かつ環状シュラウド６、７によってタービンシャフトに接続される。翼根元部４は、ガス循環管の内壁を画定するように互いに隣接するプラットフォーム８によって取り囲まれる。歯９が、プラットフォーム８から内部に、半径方向に突出する。

それぞれ上流ディスク１および下流ディスク２の２つのディスクのみが、図１に示されている。上流ディスク１は、下流ディスク６を上流側環状フランジ２に固定するための下流側環状フランジ７を備える。取付けは、ボルトによって行われる。

翼根元部４を保持するための環状シュラウド１０は、フランジ６の周りに取り付けられ、このディスク２の翼根元部４のための軸線方向ストッパを形成するように、下流ディスク２のスロット３までディスク１とディスク２との間で軸線方向に延在する。

シュラウド１０は、フランジ６とフランジ７との間に軸線方向に挿入され、かつボルトによってそれに固定される、その上流側端部に内側環状フランジ１１を有する。フランジ１１は、冷却空気を貫通して流出させるための半径方向オリフィス１２を備える。

シュラウドの半径方向外周部は、シュラウド１０を適切な位置に保持するようにプラットフォーム８の歯９と協働する歯１３を備える。追加の取り付け歯１４、１５が、それぞれシュラウド１０およびディスク２にさらに設けられる。

また、シュラウド１０は、ディスク１とディスク２との間に軸線方向に位置する分配器の静翼１８に取り付けられるアブレイダブル材料１７で作られるブロックと協働するように意図された封止要素１６を担持する。封止要素１６およびブロック１７は、ラビリンスシール型の封止手段を形成する。

シュラウド１０は、換気用空気の循環のための環状空間１９をフランジ６と共に画定する。シュラウド１０の下流面は、環状空間１９を封止するようにディスク２の上流面に当たっている。

作動時に、換気空気が、フランジ１１のオリフィス１２を通して、シュラウド１０とフランジ６との間に形成される環状空間１９の中に入り、翼根元部４の下で、下流ディスク２のスロット３の底部に位置するキャビティにシュラウド１０によって案内される。

上記で示したように、この種のキャビティの冷却により、高い剪断応力にさらされる歯５および翼根元部４の領域を効率的に冷却することはできず、この高い剪断応力は、接触面２０に位置する。したがって、これらの領域においてクリープのおそれがあり、それにより、ディスク２の劣化が生じる場合がある。これを回避するために、かなりの冷却空気流量がスロット３の底部に供給されるべきであり、これは、ターボ機械の性能を損なう。

図３および図４は、翼根元部４を取り付けるために使用されるスロット３を有するディスク２１を備える、本発明の第１の実施形態による低圧タービンロータを示しており、各スロット３は、ディスク２１の２つの隣接する歯５によって画定され、翼根元部４は、ディスク５の歯２１の接触面２３に当たっている接触面２２を有する。

フォイル２４は、ディスク５の歯２１に取り付けられ、各フォイル２４は、翼根元部の対応する接触面とディスクの歯との間に挿入される側方支承部を備える略逆Ｕ字形状を有し、中央部分２６は、ディスクの対応する歯５のピークに面しており、前記ピークとフォイル２４との間にキャビティ２７を画定する。各フォイル２４の中央部分２６は、半径方向オリフィス２８を備える。

先行技術の場合と同様に、ディスク２１は、冷却空気の循環のための環状空間１９を上流側フランジと共に画定するシュラウド２９によって取り囲まれ、かつ上流方向に翼根元部４を保持するために使用される該上流側フランジを備える。ロータは、ディスク２１の下流面に押し付けられ、かつ下流方向に翼根元部４を保持するために使用される下流側シュラウド３０をさらに備える。

各フォイル２４の中央部分２６の上流端縁は、上流側シュラウド２９の外周部の肩部３１に係合され、各フォイル２４の中央部分２６の下流端縁は、下流側シュラウド３０の外周部の肩部３２に係合される。したがって、キャビティ２７は、それぞれ上流側シュラウド２９および下流側シュラウド３０によって上流および下流で閉鎖される。

下流側シュラウド３０は、前記キャビティ２７から空気を排出するための較正されたオリフィス３３をさらに備える。

翼はそれぞれ、ブレード３４を担持し、かつタング３５によって翼根元部４に接続されるプラットフォーム８を備え、タング３５は、それの振動を消散させるように翼のプラットフォーム８の半径方向内面を擦るように意図されるダンパ３６を収容するための空間をそれらの間に画定する。この種のダンパ３６は、たとえば本出願人の名義で、文献仏国特許第２９６３３８２号明細書によって知られている。

ダンパ３６は、上流方向に開いており、かつオリフィス２８に対向して半径方向内向きに開いたキャビティを形成する。

作動時に、圧縮機からの空気は、翼のプラットフォーム８によって内部に画定される管の内側に循環するガス流よりも大きな圧力で、上流から下流方向に流れる。

次いで、圧縮機からの空気は、ダンパ３６によって形成されるキャビティ３７の中に（矢印３８）、およびフォイル２４のオリフィス２８を通して、フォイル２４とディスク２１の歯５との間に形成されるキャビティ２７の中に上流から入る。

この空気は、ディスク５の歯２１のピークを冷却するように、これらに直接衝突する。次いで、キャビティ２７に含まれる空気は、下流側シュラウド３０のオリフィス３３を通して、下流方向に逃がす。

図５は、本発明の第２の実施形態を示しており、そこでは、上流側シュラウド２９の下流部分の外周部３９は、プラットフォーム８から半径方向内側に延在するリム４０に密封して当たるまで、外方に半径方向に延在する。

上流側シュラウドの下流部分は、環状空間１９から半径方向に延在し、かつキャビティ３７の上流で開口する溝４１をさらに備える。

この実施形態においては、フォイル２４の中央部分２６の上流端縁は、ディスク２１の突出部分４３に形成される肩部４２に当たる。より詳細には、突出部分４３は、ディスク２１の歯５のピークから外方に半径方向に延在する。

作動時に、環状空間１９からの冷却空気は、したがって、ディスク２１の歯５のピークを冷却するように、溝４１を通してキャビティ３７の中に、および次いでオリフィス２８を通してキャビティ２７の中に進む。次いで、空気は、オリフィス３３を通して下流に排出される。

図６〜図８は、本発明の第３の実施形態を示しており、そこでは、各キャビティ２７は、下流に向かって半径方向に開口しており、下流側シュラウド３０は、もはやキャビティを閉鎖しない。

また、上流側シュラウド２９は、一方では環状空間１９の中に、他方ではディスク２１の歯５に設けられる溝４３に対向して開口する半径方向溝４１を備える。溝４３は、次にはキャビティ２７の上流部分に開口する。

シュラウド２９の溝４１および／またはディスク２１の溝４３は、冷却空気流量を制御するように較正される。

溝４１は、もちろん、キャビティ２７の中に直接導いてもよい。この場合は、歯５は、いかなる溝４３も有さない。

作動時に、環状空間１９からの空気は、溝４１、４３を通して、および、キャビティ２７の下流側開口端を通して排出される前にディスク２１の歯５のピークを冷却するキャビティ２７の中に進む。

図９は、本発明の第４の実施形態を示しており、これは、冷却空気をシュラウド２９の溝４１からキャビティ２７の中に持ってくることができるオリフィス４４がディスク２１の溝４３の代わりとして用いられているという点で、図６〜図８のそれらと異なる。オリフィス４４は、半径方向の面に対して、およびターボ機械の軸線に対して斜めに方向付けられる。

すべての本発明の他の実施形態により、かなりの剪断応力を受けるこれらの領域の温度をよりよく制御するように、冷却空気をディスク２１の歯５のピークと直接接触させることができる。したがって、ディスク２１のクリープ現象および早期劣化はすべて、回避される。また、この種の実施形態により、ターボ機械の性能を損なわないように冷却空気流量を制限し、効率的に制御することができる。

Claims (10)

1. 翼根元部（４）を取り付けるためのスロット（３）を含むディスク（２１）を備え、各スロット（３）が、ディスク（２１）の２つの隣接する歯（５）によって画定され、翼根元部（４）が、ディスク（２１）の歯（５）の接触面（２３）に当たっている接触面（２２）を備える、ターボ機械用のタービンロータであって、フォイル（２４）が、ディスク（２１）の歯（５）に取り付けられ、各フォイル（２４）が、翼根元部（４）およびディスク（２１）の歯（５）の対応する接触面（２２、２３）の間に挿入される側方支承部（２５）を備える略Ｕ字形状を有し、中央部分（２６）が、ディスク（２１）の対応する歯（５）のピークに面しており、前記ピークとフォイル（２４）との間にキャビティ（２７）を画定し、タービンロータが冷却空気を前記キャビティ（２７）に供給するための手段を備えることを特徴とする、タービンロータ。
2. 各フォイル（２４）の少なくとも中央部分（２６）が、冷却空気を貫通して流出させるための少なくとも1つのオリフィス（２８）を備え、冷却空気を供給するための手段は、空気がフォイル（２４）の前記オリフィス（２８）を通り抜けてから、対応する歯（５）とフォイル（２４）との間に位置するキャビティ（２７）に入り、歯（５）のピークに衝突するように、フォイル（２４）の半径方向外側（３７）に冷却空気を供給するのに適応していることを特徴とする、請求項１に記載のタービンロータ。
3. 翼がそれぞれ、ブレード（３４）を担持し、かつタング（３５）を介して翼根元部（４）に接続されるプラットフォーム（８）を備え、タング（３５）が、それの振動を消散させるように翼のプラットフォーム（８）の半径方向内面を擦るように意図されるダンパ（３６）を収容するための空間をそれらの間に画定し、キャビティ（３７）を形成するダンパ（３６）が、上流方向に開口し、フォイル（２４）を通して空気を流出させるオリフィス（２８）に対向して半径方向内向きに開口し、冷却空気が、ダンパ（３６）によって形成されるキャビティ（３７）の中に、およびフォイル（２４）のオリフィス（２８）を通してフォイル（２４）とディスク（２１）の歯（５）との間に形成されるキャビティ（２７）の中に上流から供給されることを特徴とする、請求項２に記載のタービンロータ。
4. ディスク（２１）が、冷却空気の循環のための環状空間（１９）を上流側フランジと共に画定する環状シュラウド（２９）によって取り囲まれる該上流側フランジを備え、環状シュラウド（２９）が、ディスク（２１）の上流面に当たっており、かつ翼根元部（４）を保持するためのストッパを形成する下流部分を有し、前記下流部分が、上流側フランジと環状シュラウド（２９）との間に画定される環状空間（１９）、およびダンパ（３６）によって形成されるキャビティ（３７）を接続する冷却空気を供給するチャネル（４１）を備えることを特徴とする、請求項３に記載のタービンロータ。
5. 上流側シュラウドが、ダンパ（３６）によって形成されるキャビティ（３７）を上流で閉鎖し、環状シュラウド（２９）の下流部分の空気供給チャネル（４１）のみが、ダンパ（３６）によって形成されるキャビティ（３７）の上流で開口することを特徴とする、請求項４に記載のタービンロータ。
6. ディスク（１）の歯（５）とフォイル（２４）との間に位置するキャビティ（２７）を下流で閉鎖するように、ディスク（２１）の下流面に押し付けられる下流側シュラウド（３０）を備え、前記下流側シュラウド（３０）が、前記キャビティ（２７）から出る排出空気の流量を制御するように較正されたオリフィス（３３）を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンロータ。
7. ディスク（２１）が、冷却空気を循環させるための環状空間（１９）を上流側フランジと共に画定する上流側環状シュラウド（２９）によって取り囲まれる該上流側フランジを有し、環状シュラウド（２９）が、ディスク（２１）の上流面に当たっており、かつ翼根元部（４）を保持するストッパを形成する下流部分を有し、前記下流部分が、上流側フランジと環状シュラウド（２９）との間に画定される環状空間（１９）、およびフォイル（２４）とディスク（２１）の歯（５）との間に形成されるキャビティ（２７）を接続する冷却空気供給チャネル（４１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のタービンロータ。
8. ディスク（２１）が、シュラウド（２９）の下流部分のチャネル（４１）、およびフォイル（２４）とディスク（２１）の歯（５）との間に形成されるキャビティ（２７）を接続する冷却空気供給チャネル（４３）を備えることを特徴とする、請求項７に記載のタービンロータ。
9. シュラウド（２９）および／またはディスク（２１）に冷却空気を供給するチャネル（４１、４３）が、冷却空気流量を制御するように較正されることを特徴とする、請求項７または８に記載のタービンロータ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のタービンロータを備えることを特徴とする、ターボジェット機またはターボプロップエンジン機などのターボ機械。

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