JP7412529B2 - ガスタービンエンジンのフランジ冷却構造 - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービンエンジンのフランジ冷却構造に関する。

圧縮機、燃焼器及びタービンが回転軸に沿って配置されたガスタービンエンジンが知られている。

特開２０１２－１４５１１６号公報 特開２００７－１３８９３３号公報

ガスタービンエンジンでは、エンジン全体、ひいては部品単位での低コスト化、省スペース化が非常に重要になる場合がある。ニッケル基、コバルト基などを主とした耐熱材料は、材料費が高く被削性も悪く、製造コストが高額になりがちである。よって、ガスタービンエンジンの高温部においても、なるべく耐熱材料を選定しない手法が求められる。

例えば、タービンノズルは、比較的低温な部品となる燃焼器ケースとフランジ締結される又はピン支持される。フランジ締結の場合は、タービンノズルからの熱影響を避けるため、フランジ締結構造をタービンノズルから距離を離すか、又は、燃焼器ケースの材料を耐熱材料にしている。前者の場合は、余分な距離の分だけ占有スペースが大きくなる。後者の場合は、ピンの材料が耐熱材料である必要があると共に、構造も複雑となり、大型化する傾向がある。

本開示の一態様に係るガスタービンエンジンのフランジ冷却構造は、圧縮機、燃焼器及びタービンが回転軸に沿って配置されたガスタービンエンジンのフランジ冷却構造であって、第１空間を形成する第１本体と、前記第１本体から突出した第１フランジとを有し、前記燃焼器の熱が伝達される第１部材と、前記第１本体との間に第２空間を形成する第２本体と、前記第２本体から突出した第２フランジと、を有し、前記ガスタービンエンジンの運転時に前記第１部材よりも低温となる第２部材と、前記第１フランジ及び前記第２フランジを締結し、前記第２空間を仕切るフランジ積層体を形成する複数の締結具と、を備え、前記第２空間は、前記ガスタービンエンジンの運転時に前記第１空間よりも低温となり、前記第２空間は、前記フランジ積層体の一方側の第１領域と、前記フランジ積層体の他方側の第２領域と、を含み、前記第１領域は、前記ガスタービンエンジンの運転時に前記第２領域よりも高圧となり、前記第１フランジ及び前記第２フランジのうち一方は、前記第１領域に面する高圧側フランジであり、前記第１フランジ及び前記第２フランジのうち他方は、前記第２領域に面する低圧側フランジであり、前記高圧側フランジ又は前記低圧側フランジの合わせ面は、前記第１領域に連通し且つ前記第２領域に連通する冷却溝を有する。

前記構成によれば、省スペース及び高剛性のためにフランジ締結構造を用いながらも、フランジ合わせ面における空冷により、高温の第１部材から低温の第２部材への伝熱が抑制される。よって、第２部材の材料選定の自由度が向上し、製造コストを低減できる。

本開示の一態様によれば、第２部材の材料選定の自由度が向上し、製造コストを低減できる。

図１は、第１実施形態に係るガスタービンエンジンの概略図である。 図２は、図１のガスタービンエンジンの要部断面図である。 図３は、図２のフランジ積層体の他の位相での断面図である。 図４は、図３のフランジ積層体のIV矢視図である。 図５は、第２実施形態のフランジ積層体の図３相当の断面図である。 図６は、図５のフランジ積層体のVI矢視図である。 図７は、第３実施形態のフランジ積層体の図３相当の断面図である。 図８は、第４実施形態のフランジ積層体の図４相当の図面である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、第１実施形態に係るガスタービンエンジン１の概略図である。図１に示すように、ガスタービンエンジン１は、回転軸２に沿って配置された、圧縮機３、燃焼器４及びタービン５を備える。圧縮機３で圧縮された空気が燃焼器４にて燃焼し、その燃焼ガスがタービン５を回転させて回転軸２が駆動される。なお、回転軸２の軸線が延びる方向を軸線方向Ｘと称し、軸線方向Ｘに直交する方向を径方向Ｙと称し、回転軸２周りの方向を周方向Ｚと称する。

図２は、第１実施形態に係るガスタービンエンジン１の要部断面図である。図２に示すように、ガスタービンエンジン１は、燃焼器４のハウジング１１及びタービン５の静翼ユニット１２を有する主流部材１０（第１部材）と、燃焼器４の外側に配置された燃焼器ケース１３と、を備える。

燃焼器４のハウジング１１は、燃焼ガス空間Ｓ１（第１空間）を画定するハウジング本体１１ａ（第１本体）と、ハウジング本体１１ａから突出した燃焼器フランジ１１ｂ（第１フランジ）と、を有する。ハウジング１１は、例えば、Ｆｅ基を主とする超合金で形成されている。

静翼ユニット１２は、静翼ユニット本体１２ａ（第１本体）と、静翼ユニット本体１２ａから突出した静翼ユニットフランジ１２ｂ（第１フランジ）と、を有する。静翼ユニット本体１２ａは、内筒１２ａａ、内筒１２ａａから径方向Ｙに離れた外筒１２ａｃと、内筒１２ａａと外筒１２ａｃとの間に設けられたタービンノズル１２ａｂと、を有する。タービンノズル１２ａｂは、燃焼ガス空間Ｓ１に連通している。タービンノズル１２ａｂは、ガスタービンエンジン１の運転時に燃焼ガス空間Ｓ１から流入する燃焼ガスによって高温になる。

静翼ユニット１２は、ハウジング１１よりも耐熱性の高い材料で形成されている。静翼ユニット１２は、ハウジング１１よりも融点の高い材料で形成されている。ハウジング１１は、例えば、Ｆｅ基を主とする超合金で形成されている。静翼ユニット１２は、例えば、Ｎｉ基を主とする超合金、又は、Ｃｏ基を主とする超合金で形成されている。

燃焼器ケース１３は、主流部材１０から径方向Ｙに離れたケース本体１３ａ（第２本体）と、ケース本体１３ａから突出したケースフランジ１３ｂ（第２フランジ）と、を有する。燃焼器ケース１３は、ガスタービンエンジン１の運転時に主流部材１０よりも低温となる。

ケースフランジ１３ｂ、燃焼器フランジ１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂは、この順に重ねられ、互いに周方向Ｚに間隔をあけた複数組のボルトＢ及びナットＮ（締結具）によって互いに締結されている。ケースフランジ１３ｂ、燃焼器フランジ１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂは、フランジ積層体１５を構成している。

主流部材１０の外側には、圧縮機３から流入する圧縮空気が通流する圧縮空気空間Ｓ２（第２空間）が設けられている。圧縮空気空間Ｓ２は、ガスタービンエンジン１の運転時に燃焼ガス空間Ｓ１よりも低温となる。圧縮空気空間Ｓ２は、フランジ積層体１５によって、高圧領域Ｓ２ａ（第１領域）と低圧領域Ｓ２ｂ（第２領域）とに仕切られている。即ち、圧縮空気空間Ｓ２は、フランジ積層体１５の一方側の高圧領域Ｓ２ａと、フランジ積層体１５の他方側の低圧領域Ｓ２ｂと、を有する。

高圧領域Ｓ２ａは、燃焼器ケース１３の内面とハウジング１１の外面とフランジ積層体１５とによって画定されている。低圧領域Ｓ２ｂは、燃焼器ケース１３の外面と静翼ユニット１２の外面とフランジ積層体１５とによって画定されている。燃焼器４には、高圧領域Ｓ２ａの圧縮空気が供給される。低圧領域Ｓ２ｂは、外気に連通している。高圧領域Ｓ２ａは、ガスタービンエンジン１の運転時に低圧領域Ｓ２ｂよりも高圧となる。

ケースフランジ１３ｂは、高圧領域Ｓ２ａに面する高圧側フランジであり、燃焼器フランジ１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂの群は、低圧領域Ｓ２ｂに面する低圧側フランジである。ケースフランジ１３ｂ、燃焼器フランジ１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂは、この順に、高圧領域Ｓ２ａから低圧領域Ｓ２ｂに向けて重ねられている。即ち、ケースフランジ１３ｂと静翼ユニットフランジ１２ｂとの間に、燃焼器フランジ１１ｂが挟まれている。

図３は、図２のフランジ積層体１５の他の位相での断面図である。図４は、図３のフランジ積層体１５のIV矢視図である。図３及び４に示すように、燃焼器フランジ１１ｂのうちケースフランジ１３ｂに面する合わせ面は、複数の冷却溝Ｇを有する。複数の冷却溝Ｇは、燃焼器フランジ１１ｂの径方向Ｙ外方に向けて開放されて低圧空間Ｓ２ｂに連通している。燃焼器フランジ１１の径方向Ｙにおいて、冷却溝Ｇの径方向Ｙの長さは、燃焼器フランジ１１の径方向Ｙの長さの半分より長い。

ケースフランジ１３ｂは、高圧領域Ｓ２ａから燃焼器フランジ１１ｂに向けて開口した複数の冷却ジェット孔Ｈを有する。冷却ジェット孔Ｈは、高圧領域Ｓ２ａを冷却溝Ｇに連通させる連通空間である。冷却ジェット孔Ｈは、ボルトＢが挿通されるケースフランジ１３ｂのボルト孔よりも小径である。冷却ジェット孔Ｈの流路軸線は、燃焼器フランジ１１ｂの冷却溝Ｇの底面と実質的に直交している。

フランジ積層体１５の積層方向（軸線方向Ｘ）から見て、冷却ジェット孔Ｈは、冷却溝Ｇに包含されるように配置されている。複数のボルトＢのうち互いに隣り合う２つのボルトＢの間には、少なくとも１つの冷却ジェット孔Ｇが配置されている。図４の例では、複数のボルトＢのうち互いに隣り合う２つのボルトＢの間には、複数の冷却ジェット孔Ｇが配置されている。

以上に説明した構成によれば、高圧領域Ｓ２ａの圧縮空気が、燃焼器ケース１３のケースフランジ１３ｂの冷却ジェット孔Ｈを通して燃焼器フランジ１１ｂ（の冷却溝Ｇの底面）に高圧で衝突し、冷却溝Ｇから低圧領域Ｓ２ｂに流出する。これにより、燃焼器フランジ１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂが冷却され、高温のタービンノズル１２ａｂからの熱によるケースフランジ１３ｂの昇温が抑制される。即ち、省スペース及び高剛性のためにフランジ締結構造を用いながらも、フランジ合わせ面における空冷により、高温の静翼ユニット１２から低温の燃焼器ケース１３への伝熱が抑制される。よって、燃焼器ケース１３の材料に耐熱材料を選定する必要がなくなり安価な材料を選定することができる。

また、ケースフランジ１３ｂと静翼ユニットフランジ１２ｂとの間に、燃焼器フランジ１１ｂが挟まれている。即ち、タービンノズル１２ａｂからの熱で高温になる静翼ユニットフランジ１２ｂは、燃焼器フランジ１１ｂによってケースフランジ１３ｂから離されている。そのため、高温のタービンノズル１２ａｂからの熱によるケースフランジ１３ｂの昇温が更に抑制される。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態のフランジ積層体１１５の図３相当の断面図である。図６は、図５のフランジ積層体１１５のVI矢視図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図５及び６に示すように、第２実施形態のフランジ積層体１１５では、冷却ジェット孔Ｈ（図３）の代わりに、冷却ジェット切欠Ｃが用いられる。

ケースフランジ１１３ｂは、周方向Ｚに間隔をあけた配置された複数の冷却ジェット切欠Ｃを有する。冷却ジェット切欠Ｃは、ケースフランジ１１３の径方向Ｙの端面を局所的に切り欠いてなり、高圧領域Ｓ２ａから燃焼器フランジ１１１ｂに向けて開口している。冷却ジェット切欠Ｃは、フランジ積層体１５の積層方向（軸線方向Ｘ）から見て、燃焼器フランジ１１１ｂの合わせ面に形成された冷却溝Ｇ１に重なっている。図５の例では、燃焼器フランジ１１の径方向Ｙにおいて、冷却溝Ｇ１の径方向Ｙの長さは、燃焼器フランジ１１の径方向Ｙの長さと実質的に同じであるが、燃焼器フランジ１１の径方向Ｙの長さよりも短くてもよい。

以上の構成によれば、高圧領域Ｓ２ａの圧縮空気が、ケースフランジ１１３ｂの冷却ジェット切欠Ｃを通して燃焼器フランジ１１１ｂに高圧で衝突し、冷却溝Ｇ１から低圧領域Ｓ２ｂに流出する。これにより、燃焼器フランジ１１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂが冷却され、高温のタービンノズル１２ａｂからの熱によるケースフランジ１１３ｂの昇温が抑制される。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態のフランジ積層体２１５の図３相当の断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図７に示すように、第３実施形態のフランジ積層体２１５では、冷却溝Ｇ２が、燃焼器フランジ２１１ではなくケースフランジ２１３ｂに設けられている。即ち、ケースフランジ２１３ｂのうち燃焼器フランジ２１１ｂに対向する合わせ面に、冷却溝Ｇ２が形成されている。燃焼器フランジ２１１ｂのうちケースフランジ２１３ｂに対向する合わせ面は、全体的に平坦面である。

ケースフランジ２１３ｂは、高圧領域Ｓ２ａから燃焼器フランジ２１１ｂに向けて開口した複数の冷却ジェット孔Ｈを有する。冷却ジェット孔Ｈは、高圧領域Ｓ２ａを冷却溝Ｇ２に連通させる連通空間である。冷却ジェット孔Ｈの流路軸線は、燃焼器フランジ２１１ｂの合わせ面と実質的に直交している。

以上の構成によれば、高圧領域Ｓ２ａの圧縮空気が、ケースフランジ２１３ｂの冷却ジェット孔Ｈを通して燃焼器フランジ２１１ｂに高圧で衝突し、冷却溝Ｇ２から低圧領域Ｓ２ｂに流出する。これにより、燃焼器フランジ２１１ｂ及び静翼ユニットフランジ１２ｂが冷却され、高温のタービンノズル１２ａｂからの熱によるケースフランジ２１３ｂの昇温が抑制される。なお、燃焼器フランジ２１１ｂのうちケースフランジ２１３ｂに対向する合わせ面を平坦面とせずに、燃焼器フランジ２１１ｂの当該合わせ面にも冷却溝が形成されてもよい。他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第４実施形態）
図８は、第４実施形態のフランジ積層体３１５の図４相当の図面である。図８に示すように、第４実施形態のフランジ積層体３１５では、ケースフランジ３１３ｂ又は燃焼器フランジ３１１ｂの合わせ面に形成された冷却溝Ｇ３は、フランジ積層体３１５の径方向Ｙに直線状に延びずに、フランジ積層体３１５の周方向Ｚにも延びている。これにより、冷却溝Ｇ３を長くすることができ、冷却効果を高めることができる。なお、図８では、冷却ジェット切欠Ｃを図示したが、冷却ジェット孔Ｈであってもよい。

なお、本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよく、実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。前述した各実施形態では、ケースフランジ１３ｂ，１１３ｂ，２１３ｂと静翼ユニットフランジ１２ｂとの間に、燃焼器フランジ１１ｂ，１１１ｂ，２１１ｂが挟まれた構成であるが、ケースフランジ１３ｂ，１１３ｂ，２１３ｂと燃焼器フランジ１１ｂ，１１１ｂ，２１１ｂとの間に、静翼ユニットフランジ１２ｂが挟まれた構成としてもよい。

１ ガスタービンエンジン
２ 回転軸
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ タービン
１０ 主流部材（第１部材）
１１ 燃焼器のハウジング（第１部材）
１１ａ ハウジング本体（第１本体）
１１ｂ 燃焼器フランジ（第１フランジ）
１２ 静翼ユニット（第１部材）
１２ａ 静翼ユニット本体（第１本体）
１２ａａ 内筒
１２ａｂ タービンノズル
１２ａｃ外筒
１２ｂ 静翼ユニットフランジ（第１フランジ）
１３ 燃焼器ケース（第２部材）
１３ａ ケース本体（第２本体）
１３ｂ ケースフランジ（第２フランジ）
１５ フランジ積層体
２０ フランジ冷却構造
Ｂ ボルト（締結具）
Ｃ 冷却ジェット切欠
Ｇ 冷却溝
Ｈ 冷却ジェット孔
Ｎ ナット（締結具）
Ｓ１ 燃焼ガス空間（第１空間）
Ｓ２ 圧縮空気空間（第２空間）
Ｓ２ａ 高圧領域（第１領域）
Ｓ２ｂ 低圧領域（第２領域）

Claims (6)

1. 圧縮機、燃焼器及びタービンが回転軸に沿って配置されたガスタービンエンジンのフランジ冷却構造であって、
   第１空間を形成する第１本体と、前記第１本体から突出した第１フランジとを有し、前記燃焼器の熱が伝達される第１部材と、
   前記第１本体との間に第２空間を形成する第２本体と、前記第２本体から突出した第２フランジと、を有し、前記ガスタービンエンジンの運転時に前記第１部材よりも低温となる第２部材と、
   前記第１フランジ及び前記第２フランジを締結し、前記第２空間を仕切るフランジ積層体を形成する複数の締結具と、を備え、
   前記第２空間は、前記ガスタービンエンジンの運転時に前記第１空間よりも低温となり、
   前記第２空間は、前記フランジ積層体の一方側の第１領域と、前記フランジ積層体の他方側の第２領域と、を含み、
   前記第１領域は、前記ガスタービンエンジンの運転時に前記第２領域よりも高圧となり、
   前記第１フランジ及び前記第２フランジのうち一方は、前記第１領域に面する高圧側フランジであり、前記第１フランジ及び前記第２フランジのうち他方は、前記第２領域に面する低圧側フランジであり、
   前記高圧側フランジ又は前記低圧側フランジの合わせ面は、前記第１領域に連通し且つ前記第２領域に連通する冷却溝を有し、
   前記第１部材は、前記燃焼器のハウジングと、前記タービンの静翼ユニットと、を含み、
   前記第２部材は、前記燃焼器の外側に配置された燃焼器ケースを含み、
   前記第１フランジは、前記燃焼器の燃焼器フランジと、前記静翼ユニットの静翼ユニットフランジと、を含み、
   前記第２フランジは、前記燃焼器ケースのケースフランジを含み、
   前記ケースフランジと前記静翼ユニットフランジとの間に、前記燃焼器フランジが挟まれている、ガスタービンエンジンのフランジ冷却構造。
2. 前記高圧側フランジは、前記第１領域を前記冷却溝に連通させる連通空間を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジンのフランジ冷却構造。
3. 前記連通空間は、前記第１領域から前記低圧側フランジに向けて開口した少なくとも１つの冷却ジェット孔又は切欠である、請求項２に記載のガスタービンエンジンのフランジ冷却構造。
4. 前記冷却ジェット孔又は切欠は、前記複数の締結具のうち互いに隣り合う２つの締結具の間に配置されている、請求項３に記載のガスタービンエンジンのフランジ冷却構造。
5. 前記少なくとも１つの冷却ジェット孔又は切欠は、前記２つの締結具の間に配置された複数の冷却ジェット孔又は切欠を含む、請求項４に記載のガスタービンエンジンのフランジ冷却構造。
6. 前記ケースフランジ、前記燃焼器フランジ及び前記静翼ユニットフランジは、この順に前記第１領域から前記第２領域に向けて重ねられ、
   前記冷却ジェット孔又は切欠は、前記ケースフランジに形成されており、
   前記冷却溝は、前記ケースフランジ及び前記燃焼器フランジの合わせ面の一方に形成されている、請求項３乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンのフランジ冷却構造。
   

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