JP6584687B2 - ガスタービンエンジン内の圧縮機組立体の下流側のミッドフレームトルクディスク用の圧縮機ブリード冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン内のタービン翼のための、冷却空気を用いた冷却流体供給システムに関する。

典型的には、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合してその混合気を点火する燃焼器と、動力を発生させるためのタービンブレード組立体とを含む。燃焼器は、華氏２５００度を超える可能性がある高温で動作することが多い。典型的なタービン燃焼器構成では、タービンブレード組立体がこの高温にさらされる。結果として、タービンブレードおよびタービンベーンは、そのような高温に耐えることができる材料から製作されなければならない。タービンブレード、ベーンおよび他の構成部品は、これらの物体の寿命を延ばすとともに過度に高い温度の結果として破損する可能性を低減するために冷却システムを含むことが多い。

タービンエンジン内の従来の冷却システムは、圧縮機とタービン組立体とを含むタービンエンジンの側面を冷却する一方、圧縮機とタービン組立体との間に配置されたミッドフレームトルクディスクは依然として冷却問題に直面している。１つの解決策は、従来の低コスト材料に比べてより高い耐熱性を有するより高価な材料からミッドフレームトルクディスクを形成することである。しかしながら、このような高コスト材料であっても、ミッドフレームトルクディスクは、高レベルのクリープを受ける可能性がある。

圧縮機とタービン組立体との間のタービンエンジンの側面を冷却するように構成された冷却システムが開示されている。少なくとも１つの実施形態では、冷却システムは、圧縮機の下流側であってタービン組立体の上流側に配置された１つ以上のミッドフレームトルクディスクを通って入口から延在する１つ以上のミッドフレーム冷却流路を含むことができる。入口は、圧縮機ブリード空気を受け取るように配置されていてよい。ミッドフレームトルクディスクの外側の側面に冷却を提供するために、ミッドフレーム冷却流路は、ミッドフレームトルクディスクの半径方向外側部分に配置することができる。これにより、より高い温度に耐えることができる高コスト材料ではなく従来の低コスト材料を使用してミッドフレームトルクディスクを形成することができる。ミッドフレームトルクディスク内のミッドフレーム冷却流路を通って送られる冷却流体を、下流側のタービン組立体用の冷却システムに排出することができる。

少なくとも１つの実施形態では、タービンエンジン用の冷却システムは、圧縮機室内に配置された複数の段から形成された圧縮機を含むことができ、複数の段の各々は、半径方向に延在する一連の圧縮機ブレードを含むことができる。冷却システムはまた、入口から、圧縮機の下流側であってタービン組立体の上流側に配置された少なくとも１つのミッドフレームトルクディスクを通って延在する１つ以上のミッドフレーム冷却流路を含むことができる。ミッドフレーム冷却流路は、１つ以上のミッドフレームトルクディスクの外側部分を通って延在することができる。特に、ミッドフレーム冷却流路は、少なくとも１つのミッドフレームトルクディスクの半径方向で最も外側の５０％の範囲内で、ミッドフレームトルクディスクを通って軸方向に延在することができる。少なくとも１つの実施形態では、ミッドフレーム冷却流路は、ミッドフレームトルクディスクの半径方向で最も外側の２５％の範囲内で、ミッドフレームトルクディスクを通って軸方向に延在することができる。さらに別の実施形態では、ミッドフレームトルクディスクは、トルクディスクハブの半径方向外側に配置されたトルクディスクリムから形成することができ、これにより、外側ディスクボディと内側ディスクボディとは、トルクディスクリムおよびトルクディスクハブの両方よりも小さい軸方向延在幅を有するトルクディスクウェブによって分離されている。ミッドフレーム冷却流路は、トルクディスクリム内に配置されている。

冷却システムはまた、ブリード入口を有する１つ以上の冷却流体供給ブリード回路を含むことができる。ブリード入口は、圧縮機室から流体を受け取るために、冷却流体ブリード回路を圧縮機室と流体連通させ、これにより、ミッドフレーム冷却流路の入口が冷却流体供給ブリード回路と流体連通している。ミッドフレーム冷却流路は、入口から、ミッドフレームトルクディスクの上流側に配置された少なくとも１つの圧縮機ディスク内に延在することができる。冷却システムはまた、入口と連通し、入口の直ぐ下流側にある１つ以上の入口セクションを含むことができ、入口セクションは、圧力低下を最小限に抑えることを目的としてデスワール作用を生じさせるためにタービンエンジンの長手軸線に対して非平行かつ非直交である。

少なくとも１つの実施形態では、ミッドフレーム冷却流路は、ミッドフレームトルクディスクを通って軸方向に延在する複数の軸方向延在ミッドフレーム流路を含むことができる。隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路は、互いに対して等距離に配置されていてよく、隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路は、タービンエンジンの長手軸線から半径方向外側に等距離に配置されていてよい。ミッドフレーム冷却流路は、ミッドフレームトルクディスクから、ミッドフレームトルクディスクの下流側に配置された少なくとも１つのタービンディスク内に延在することができる。ミッドフレーム冷却流路は、タービン組立体内に１つ以上の出口を含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、ミッドフレーム冷却流路は、筒状の管から形成されていてよい。

冷却システムはまた、冷却システムの出口と連通する１つ以上の出口セクションを含むことができ、これにより出口セクションは、出口の直ぐ上流側に配置されており、出口セクションは、タービンエンジンの長手軸線に対して非平行かつ非直交である。冷却システムはまた、ミッドフレームトルクディスクの半径方向外側表面に１つ以上の遮熱コーティングを含むことができ、遮熱コーティングは、ミッドフレーム冷却流路から半径方向外側に整合されている。

冷却システムの利点は、冷却システムが、ミッドフレームトルクディスクの外側の側面に冷却を提供して、より高い温度に耐えることができる高コスト材料ではなく従来の低コスト材料を使用して、ミッドフレームトルクディスクを形成することができ、これにより大幅なコスト削減をもたらすことにある。

冷却システムの別の利点は、冷却システムが圧縮機ブリード空気を用いて動作し、これにより、代替の冷却空気流体源の必要性をなくして、タービンエンジンの効率を向上させることにある。

冷却システムのさらに別の利点は、冷却システムが応力を低減させることが可能であり、その結果トルクディスクの破壊寿命が延長されることにある。

冷却システムの別の利点は、冷却システムが、圧縮機およびタービンディスクにおいてブレードチップクリアランスを減少させることにある。

これらの実施形態および他の実施形態は、以下にさらに詳細に説明されている。

本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される本発明の実施形態を示し、説明するとともに、本発明の原理を開示する。

１つ以上のミッドフレームトルクディスクおよび他のタービンエンジン構成部品用の冷却システムを備えるタービンエンジンの部分断面斜視図である。 図１の２−２線に関する入口の下流側の入口セクションを有する冷却システムを備えるタービンエンジンの一部の部分断面詳細側面図である。 図１の２−２線に関する入口の下流側の入口セクションを有する冷却システムを備えるタービンエンジンの一部の部分断面詳細側面図である。 内側表面にリブを有するミッドフレーム冷却流路の部分斜視図である。 粗面化された内側表面を有するミッドフレーム冷却流路の部分斜視図である。 冷却システムを備えていない定常動作条件におけるタービンエンジン内の材料温度の予測ソフトウェアからの出力のスクリーンショットであり、ミッドフレームトルクディスク内の大きな温度勾配およびミッドフレームトルクディスク内の高温を示している。 冷却システムを備える定常動作条件におけるタービンエンジン内の材料温度の予測ソフトウェアからの出力のスクリーンショットであり、ミッドフレームトルクディスク内のごく僅かな温度勾配およびミッドフレームトルクディスクにおける低温さえも示している。

図１〜図７に示すように、圧縮機１４とタービン組立体１６との間のタービンエンジン１２の側面を冷却するように構成された冷却システム１０が開示されている。少なくとも１つの実施形態では、冷却システム１０は、１つ以上のミッドフレーム冷却流路１８を含むことができる。ミッドフレーム冷却流路１８は、入口２０から、圧縮機１４の下流側であってタービン組立体１６の上流側に配置された１つ以上のミッドフレームトルクディスク２２を通って延在する。入口２０は、圧縮機ブリード空気を受け取るように配置することができる。ミッドフレーム冷却流路１８は、ミッドフレームトルクディスク２２の外側の側面に冷却を提供するためにミッドフレームトルクディスク２２の半径方向外側部分に配置することができる。これによって、より高い温度に耐えることができる高コストの材料ではなく従来の低コスト材料を使用して、ミッドフレームトルクディスク２２を形成することができる。ミッドフレームトルクディスク２２内のミッドフレーム冷却流路１８を通って送られる冷却流体は、下流側のタービン組立体１６用の冷却システム１０に排出することができる。

少なくとも１つの実施形態では、タービンエンジン１２用の冷却システム１０は、図１に示すように、圧縮機室２８内に配置された複数の段２６から形成された圧縮機１４を含むことができる。複数の段２６の各々は、一連の半径方向に延在する圧縮機ブレード２９を含むことができる。段２６は、既に考案されたか未着想の構成であるかを問わず任意の適切な構成を有することができる。

冷却システム１０は、図２および図３に示すように、入口２０から、圧縮機１４の下流側であってタービン組立体１６の上流側に配置された１つ以上のミッドフレームトルクディスク２２を通って延在する１つ以上のミッドフレーム冷却流路１８を含むことができる。ミッドフレーム冷却流路１８は、任意の適切な構成を有することができる。少なくとも１つの実施形態では、ミッドフレーム冷却流路１８は、筒状の管から形成することができる。筒状の管は、ミッドフレームトルクディスク２２内に設けられた穿孔から形成されていてよい。少なくとも１つの実施形態では、冷却システム１０は、１つ以上のミッドフレームトルクディスク２２を通る複数のミッドフレーム冷却流路１８を含むことができる。冷却システム１０は、ロータの完全性を満足させつつミッドフレームトルクディスク２２に必要な冷却を提供するために、ミッドフレーム冷却流路１８の数および大きさの任意の適切な組み合わせを有することができる。少なくとも１つの実施形態では、冷却システム１０は、２０個のミッドフレーム冷却流路１８を含んでいてよい。別の実施形態では、冷却システム１０は、５０個のミッドフレーム冷却流路１８を含んでいてよい。さらに別の実施形態では、冷却システム１０は、７１個のミッドフレーム冷却流路１８を含んでいてよい。冷却システム１０は、２０〜１００の数の冷却流路１８を含んでいてよい。少なくとも１つの実施形態では、隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路１８が、タービンエンジン１２の長手軸線４８から半径方向外側に等距離に配置されていてよい。代替的に、２つ以上の軸方向延在ミッドフレーム流路１８が、タービンエンジン１２の長手軸線４８から半径方向外側にある異なる距離に配置されていてよい。隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路１８のうちの１つまたは複数、または全部のミッドフレーム流路１８が、互いに対して等距離に配置されていてよい。別の実施形態では、隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路１８のうちの１つまたは複数、または全部のミッドフレーム流路１８が、互いに対して交互の距離に、ランダムな距離に、または異なる距離に配置されていてよい。１つ以上のミッドフレーム冷却流路１８は、図４および図５に示すように、熱伝達を向上させるために改変された内側表面４０を有することができる。特に、ミッドフレーム冷却流路１８の内側表面４０は、図４に示すようにリブ付き表面を形成するリブ４２、および図５に示すように高度に粗面化された表面などの熱伝達向上特徴を有することができるが、これに限定されるものではない。

少なくとも１つの実施形態では、ミッドフレーム冷却流路１８は、ミッドフレームトルクディスク２２の外側部分に配置されていてよい。特に、ミッドフレーム冷却流路１８は、ミッドフレームトルクディスク２２の半径方向で最も外側の５０％の範囲内でミッドフレームトルクディスク２２を通って軸方向に延在することができる。別の実施形態では、ミッドフレーム冷却流路１８は、ミッドフレームトルクディスク２２の半径方向で最も外側の２５％の範囲内でミッドフレームトルクディスク２２を通って軸方向に延在することができる。さらに別の実施形態では、ミッドフレームトルクディスク２２は、トルクディスクハブ３２の半径方向外側に配置されたトルクディスクリム３０から形成することができる。外側ディスクボディ３０と内側ディスクボディ３２とは、トルクディスクリム３０およびトルクディスクハブ３２のそれぞれの幅よりも小さい軸方向延在幅を有するトルクディスクウェブ３４によって分離することができる。ミッドフレーム冷却流路１８は、トルクディスクリム３０内に配置することができる。トルクディスクリム３０は、ミッドフレームトルクディスク２２の、半径方向に延在する長さの外側の２５％を形成することができる。

少なくとも１つの実施形態において、冷却システム１０は、１つ以上の冷却流体供給ブリード回路３８を含むことができる。冷却流体供給ブリード回路３８は、冷却流体を冷却システム１０に供給することができる。他の実施形態では、冷却システム１０は、圧縮機１４の圧縮機室２８から直接にブリード空気として冷却流体を受け取ることができる。冷却流体供給ブリード回路３８は、流体を圧縮機室２８から受け取るために、冷却流体供給ブリード回路３８を圧縮機室２８と流体連通させることができるブリード入口３６を含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、ミッドフレーム冷却流路１８の入口２０は、冷却流体供給ブリード回路３８と流体連通することができる。他の実施形態では、ミッドフレーム冷却流路１８の入口２０は、空気など（これに限定されない）の圧縮機ブリード流体を受け取るために圧縮機１４の圧縮機室２８と流体連通することができる。ミッドフレーム冷却流路１８は、入口２０から、ミッドフレームトルクディスク２２の上流側に配置された１つ以上の圧縮機ディスク４４内に延在することができる。冷却システム１０はまた、入口２０と連通し、かつ入口２０から直ぐ下流側に入口セクション４６を含むことができる。入口セクション４６は、タービンエンジン１２の長手軸線４８に対して非平行かつ非直交であってよい。入口セクション４６は、圧力降下を最小限に抑えることを目的としてデスワール作用を生じさせるために圧縮機ブレード２９の回転方向に対して非整合であってよい。

図２および図３に示すように、１つ以上のミッドフレーム冷却流路１８は、タービン組立体１６内に出口５２を含むことができる。ミッドフレーム冷却流路１８は、ミッドフレームトルクディスク２２から、ミッドフレームトルクディスク２２の下流側に配置された１つ以上のタービンディスク５０内に延在することができる。タービン組立体１６内の出口５２は、冷却流体を第２のタービン段のタービンディスク５０内に排出することでタービン組立体１６に冷却流体を供給するように構成することができる。ミッドフレーム冷却流路１８のうちの１つ以上のミッドフレーム冷却流路１８は、冷却システム１０の出口５２と連通する出口セクション５４を含むこともできる。出口セクション５４は、出口５２の直ぐ上流側に配置することができる。出口セクション５４は、 タービンエンジン１２の長手軸線４８に対して非平行かつ非直交であってよい。出口セクション５４は、圧力降下を最小限に抑えることを目的としてデスワール作用を生じさせるために回転方向に抗して配置されていてよい。

冷却システム１０は、ミッドフレームトルクディスク２２の半径方向外側表面５８上に遮熱コーティング５６を含むことができる。ミッドフレームトルクディスク２２の半径方向外側表面５８上の遮熱コーティング５６は、ミッドフレーム冷却流路１８から半径方向外側に整合されていてよい。遮熱コーティング５６は、既に着想されたか未着想であるかを問わず任意の適切な遮熱コーティングであってよい。遮熱コーティング５６は、ミッドフレームトルクディスク２２のさらなる温度低下のために、熱気またはヴィンデージヒートピックアップにさらされるミッドフレームトルクディスク２２の外側表面５８のクリティカルな領域に配置されていてよい。

使用中、圧縮空気は、圧縮機室２８と流体連通する１つ以上の入口２０を介した圧縮機１４のブリードオフである。入口２０は、直接に圧縮機室２８に接続して、または間接に、冷却流体供給ブリード回路３８を介して圧縮機室２８と連通するなどして、圧縮機室２８に流体連通することができる。空気であってよい（これに限定されない）冷却流体は、入口２０に進入し、直ちに入口セクション４６に流入することができる。入口セクション４６は、圧力降下を最小限に抑えることを目的としてデスワール作用を生じさせるために圧縮機ブレード２９の回転方向に抗して非整合であってよい。次いで、冷却流体は、ミッドフレーム冷却流路１８を通って下流側に流れ、これによって、１つ以上のミッドフレームトルクディスク２２の温度のより高い外側部分を冷却する。冷却流体は、１つ以上のミッドフレームトルクディスク２２の温度のより高い外側部分を通って流れ、温度が上昇する。冷却流体は、出口セクション５４および出口５２を介してミッドフレーム冷却流路１８から排出することができる。冷却流体は、ミッドフレームトルクディスク２２の下流側に配置された１つ以上のタービンディスク５０内に排出することができる。排出された冷却流体は、タービン組立体１６の構成部品の側面を冷却するために使用することができる。図６に示されたミッドフレームトルクディスク２２内の大きな温度勾配およびミッドフレームトルクディスク２２内の高温とは対照的に、ミッドフレームトルクディスク２２内で冷却システム１０を介して達成された冷却が、図７に示されている。

以上の記載は、本発明の実施形態を例示し、説明し、記述するために提供されたものである。これらの実施形態に対する改変および適応は、当業者には明らかであり、本発明の範囲または思想から逸脱することなく行うことができる。

Claims (10)

1. タービンエンジン（１２）用の冷却システム（１０）であって、
   圧縮機室（２８）内に配置されている複数の段（２６）から形成された圧縮機（１４）であって、前記複数の段（２６）の各々が、半径方向に延在する一連の圧縮機ブレード（２９）を含む、圧縮機（１４）と、
   前記圧縮機（１４）の下流側であってタービン組立体（１６）の上流側に配置されている少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）を通って入口（２０）から延在する少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）と、を備える、冷却システム（１０）において、
   前記少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）は、トルクディスクハブ（３２）の半径方向外側に配置されたトルクディスクリム（３０）から形成されており、
   前記トルクディスクリム（３０）と前記トルクディスクハブ（３２）とは、前記トルクディスクリム（３０）および前記トルクディスクハブ（３２）の両方よりも小さい軸方向延在幅を有するトルクディスクウェブ（３４）によって分離されており、
   前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）は、前記トルクディスクリム（３０）内に配置されていることを特徴とする、冷却システム（１０）。
2. ブリード入口（３６）を有する少なくとも１つの冷却流体供給ブリード回路（３８）をさらに備え、前記ブリード入口（３６）は、前記圧縮機室（２８）から流体を受け取るために前記少なくとも１つのブリード回路（３８）を前記圧縮機室（２８）と流体連通させ、前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）の前記入口（２０）は、前記少なくとも１つの冷却流体供給ブリード回路（３８）と流体連通していること特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
3. 前記入口（２０）と連通し、前記入口（２０）の直ぐ下流側にある入口セクション（４６）をさらに備え、該入口セクション（４６）は、前記タービンエンジン（１２）の長手軸線に対して非平行かつ非直交であることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
4. 前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）は、前記少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）の半径方向で最も外側の５０％または２５％の範囲内で前記少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）を通って軸方向に延在することを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
5. 前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）は、前記少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）を通って軸方向に延在する複数の軸方向延在ミッドフレーム流路（１８）を有し、隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路（１８）は、互いに対して等距離に配置されており、隣接する軸方向延在ミッドフレーム流路（１８）は、前記タービンエンジン（１２）の長手軸線（４８）から半径方向外側に等距離に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
6. 前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）は、前記少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）から、該少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）の下流側に配置された少なくとも１つのタービンディスク（５０）内に延在し、前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）は、前記タービン組立体（１６）内に少なくとも１つの出口（５２）を含み、前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）は、筒状の管から形成されていることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
7. 前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）の内側表面（４０）から延在する少なくとも１つの内部リブ（４２）をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
8. 前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）の内側表面（４０）を形成する粗面をさらに備えることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
9. 前記冷却システム（１０）の出口（５２）と連通している出口セクション（５４）をさらに備え、該出口セクション（５４）は、前記出口（５２）の直ぐ上流側に配置されており、前記出口セクション（５４）は、前記タービンエンジン（１２）の長手軸線（４８）に対して非平行かつ非直交であることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。
10. 前記少なくとも１つのミッドフレームトルクディスク（２２）の半径方向外側表面（５８）に遮熱コーティング（５６）をさらに備え、該遮熱コーティング（５６）は、前記少なくとも１つのミッドフレーム冷却流路（１８）の半径方向外側に整合されていることを特徴とする、請求項１記載の冷却システム（１０）。

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