JPH04301101A - ガスタービンエンジンのディスクポストの熱的保護装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスタービンエンジン
に関し、特にタービンロータのディスクポストの熱的影
響およびクリープを軽減する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンエンジンなどのターボ機関
ロータアセンブリでは、複数のブレード（回転羽根、動
翼）がロータホイールまたはディスク（回転翼円板）か
ら半径方向に延在する。各ブレードは、エアーホイル部
分（翼形部分）と、ブレードをロータディスクに取り付
けるためのルート部分（翼根部分）とを含む。エアーホ
イル部分とルート部分とはプラットホーム部分で分離さ
れている。ロータディスクに複数のスロットを形成して
、ブレードのルート部分を収容する。各ルート部分は、
通常シャンクを含み、このシャンクにより、ロータディ
スクのスロットにはまる部分をブレードのプラットホー
ムにつなぐ。ルート部分からのシャンクの延長と隣り合
うブレードのプラットホームとは、通常、ロータディス
クの上に小さなキャビティを形成する。同様に、隣接す
る１対のスロットが、１対の隣接するブレードルート部
分間にディスクポストを形成する。通常、隣接するブレ
ードのシャンク部分の間に形成されたキャビティを通し
て、ロータディスクの頂部に沿って燃焼ガスが流れるの
を防止するのに、シールが必要である。このキャビティ
を通って燃焼ガスが流れると、それはブレードのエアー
ホイル部分を通る燃焼ガスの損失を意味するので、エン
ジン効率が下がる。さらに重大なことに、このような燃
焼ガスはロータディスクに熱的ダメージを与える。 キャビティを通ってロータディスクの上に流れる燃焼ガ
スの流れを遮断するのに用いるシールに、ダンパを設け
て振動を少なくしている。

【０００３】本出願人に譲渡された米国特許第３，７５
１，１８３号に開示されたロータアセンブリは、１対の
軸線方向に離れた端板を軸線方向に延在する連結部材で
相互連結したシール兼ダンパアセンブリを含む。前部端
板が隣り合うブレードシャンク間のキャビティを閉じ、
一方、連結部材は１つ以上のダンパウエイトを受け入れ
るようになっており、ダンパウエイトが隣接するブレー
ドプラットホームの下側を支えて所望の減衰作用を与え
る位置で、ダンパウエイトを連結部材に調節自在に取り
付ける。前部端板は、プラットホーム表面に沿い、ブレ
ードシャンクに隣接するブレード間キャビティを大体シ
ールする。しかし、通常キャビティの後端には多少のク
リアランスがあるので、キャビティに入るガスは後部シ
ール板のまわりから流れ出る。シール板はキャビティを
大体シールするように設計されているにもかかわらず、
キャビティへの高熱燃焼ガスのある程度の漏れが起こる
。さらに、高熱のブレードプラットホームからの輻射に
よる熱伝達によっても、追加の熱がディスクポストの頂
部に導入される。高熱ガスの漏れと輻射熱とが組み合わ
さる結果として、ディスクポストへの熱的影響が過剰に
なったり、タービンディスクのクリープ寿命が短くなっ
たりすることがある。一般に、プラットホーム下キャビ
ティ内のガス温度は、強制循環なしの場合、第１段ター
ビンブレード・ロータアセンブリで１５００°Ｆ以上と
なる。

【０００４】タービンディスクポストへの熱的影響の恐
れを緩和する方法が米国特許第４，４５７，６６８号に
開示されている。この装置は、前述したようにキャビテ
ィをシールするのではなく、キャビティをディスクの前
面を上向きに流れる空気でパージする。この装置は、本
質的には、空気をディスクポストの頂部に導くスクープ
からなる。この装置は振動ダンパとしても作用する。キ
ャビティ全体をパージするので、かなりの量の空気を使
わなければならない。また、その空気は燃焼ガスより高
圧でなければならないので、空気は実際上ディスクより
高温で、その熱伝達係数が比較的高く、空気からディス
クへの熱入力が起こる可能性がある。上記装置はブレー
ドおよびプラットホームにぴったりはまるとされており
、実際、キャビティの前端をシールすること、空気の使
用量を制御するのに後端開口に依拠することをしない。

【０００５】

【発明の目的】この発明の目的は、ターボ機関のタービ
ンディスクポストへの熱災害の可能性を軽減する方法お
よび装置を提供することにある。

【０００６】この発明の別の目的は、タービンディスク
ポストの半径方向外面に絶縁空気層を形成することによ
り、ターボ機関のタービンディスクポストへの熱災害の
可能性を軽減する方法および装置を提供することにある
。

【０００７】

【発明の概要】この発明の上記および他の目的、構成お
よび効果を達成するシステムでは、１対の軸線方向に離
れた端板を連結部材で相互連結し、タービンディスクポ
ストの半径方向外面に沿って、１対の隣接するタービン
ブレードシャンク間に形成されたキャビティに配置する
。両端板のうち前部の端板に小さな開口（アパーチャ）
を設けて、制御された量の空気がロータディスクポスト
の上のキャビティに流れるようにする。連結部材に含ま
れる１対の離れた部材がディスクポストの頂部に沿って
延在してチャンネルを形成する。上記開口に入る空気を
このチャンネルに導く。開口は前部端板を貫通してディ
フューザに達し、ディフューザは空気の流れを減速して
低速の絶縁空気層をディスクポストの上に形成する。空
気は高速であると熱伝達係数が高いので、空気の低速流
れは、空気とディスクポストの上面との間の熱伝達係数
を比較的低い値に維持する。チャンネル形成部材は、プ
ラットホームとディスクポストとの間に物理的な視界隔
離線を与えて、絶縁をさらに高めるとともに、ブレード
プラットホームからの輻射による熱伝達を少なくする。

【０００８】この発明をさらによく理解できるように、
以下に添付の図面を参照しながらこの発明を具体的に説
明する。

【０００９】

【実施例の記載】まず図１および図２に示すターボ機関
ロータアセンブリについて説明すると、このアセンブリ
１０は、複数の半径方向に延在するブレード１４を支持
するロータホイールまたはディスク１２を含む。各ブレ
ード１４はエアーホイル部分１６、プラットホーム部分
１８、シャンク部分１９およびルート部分２０を含む。 ロータディスク１２には、それぞれ各ブレード１４のル
ート部分２０と協動的にはまる設計の複数の軸線方向に
延在するスロットが形成されている。図示の実施例では
、スロットおよびルート部分２０は特徴的なクリスマス
ツリー形状をもつように形成されているが、他の形態の
、当業界で周知の形式の互いにロックするルート部分お
よびスロットを利用することもできる。スロットはロー
タディスク１２のまわりに円周方向に均等な間隔で配置
されているので、ブレード１４を組立状態の配向に配置
したとき、プラットホーム部分１８それぞれがとなりの
プラットホーム部分１８に当接して、ブレードエアーホ
イル部分１６を横切って流れる原動流体に対する実質的
に連続な環状内側境界を形成する。シール（図示せず）
が、当接接合部で各ブレードプラットホームの下側に延
在してプラットホーム下側のキャビティを密封する。

【００１０】各１対の隣接するロータディスクスロット
が両者間にディスクポスト２４を形成する。さらに、各
１対の隣接するブレードシャンク部分１９が、ブレード
プラットホーム部分１８およびディスクポスト２４の頂
面とともに、キャビティ２６を形成する。このキャビテ
ィ２６にシール体アセンブリ２８を配置して、燃焼ガス
がブレードシャンク部分１９の区域でディスクポスト２
４を軸線方向に横切って漏れるのを防止する。シール体
アセンブリ２８に、減衰手段（図示せず）を設けて、前
記米国特許第３，７５１，１８３号に示されているよう
に振動の減衰を促進してもよい。

【００１１】キャビティ２６はシールされるように設計
されているが、ブレードプラットホーム部分１８のまわ
りで高熱燃焼ガスのある程度の漏れが起こるので、燃焼
ガスがキャビティに入り、ロータディスクポスト２４の
対流加熱に寄与する。さらに、隣接するハードウェア要
素からの熱伝導やブレードプラットホーム部分１８から
キャビティ２６への輻射もディスクポストへの有意な熱
入力に寄与する。この発明は、ディスクポストとブレー
ドプラットホームとの間に熱遮断シールドおよび低速空
気絶縁層を設けることにより、タービンディスクポスト
への熱伝達を減らし、ディスクポスト温度を下げる。キ
ャビティシール本体アセンブリ２８の前部端板３６の前
面３４に開口（アパーチャ）３２を形成する。開口３２
は、拡散部分に開口し、そして空気がキャビティ２６に
入る際に、制御された量の空気を与え、減速を行って、
タービンディスクポスト２４の頂部に低速空気の絶縁層
を確立するような寸法になっている。空気は、エンジン
燃焼段の上流の高圧圧縮機吐出し部から抽出され、通常
第１段タービンブレードに入る燃焼ガスより高圧である
。この圧縮機吐出し空気の温度は通常、第１段タービン
ディスクの温度より高い。図２の軸線方向断面図、図３
の斜視図および図４の断面図に示すように、シール本体
アセンブリ２８は、互いに反対側の端板３６および４０
間に連結部材３８を備える。連結部材３８は好適な実施
例では、三方ビーム、すなわち３つの軸線方向に延在す
るセグメントをビームの中心を大体軸線方向に通る直線
に沿って接合したビームである。２つの半径方向内側の
セグメントが１対の対向レッグ４２、４４を形成し、こ
れらのレッグが下方へディスクポスト２４の両側まで延
びて、ディスクポストの頂部に沿ってチャンネル４６を
形成する。前部端板３６の開口３２に入る空気（矢印３
０で示す）が、ディスクポスト２４の頂部に沿ってチャ
ンネル４６に流れる。矢印３０で示す空気を、ブレード
エアーホイル部分１６に衝突する作動流体または燃焼ガ
スより高圧の、上流の高圧圧縮機吐出し部から供給する
のが好ましく、その空気は、ディスクポスト温度より熱
いが、ブレードプラットホーム温度およびブレード間キ
ャビティ内の漏洩ガスの温度より冷たい。高熱の燃焼ガ
スが侵入する、レッグ４２、４４より上かつブレードプ
ラットホーム部分１８より下の空間は、チャンネル４６
からレッグ４２、４４で隔離されており、したがってレ
ッグ４２、４４はチャンネル空気を絶縁し、プラットホ
ーム部分１８から放射される熱を遮断する。前部端板３
６の開口３２は拡散開口４８に開口し、拡散開口４８は
開口３２に入ってくる空気の速度を減速し、これにより
チャンネル空気とディスクポスト上面との間の熱伝達係
数を比較的低い値に維持する。連結部材３８のレッグ４
２、４４を適切に加工して、それぞれの先端５０、５２
と隣接するディスクポスト２４との間のクリアランスが
比較的小さく、先端５０、５２のまわりでの空気漏洩度
を制御された値とする。

【００１２】チャンネル４６への空気の流れにより、シ
ール体前部端板３６およびシール体アセンブリ２８の隣
接リテイナ（図示せず）の温度が有意に低下する。ディ
スクポスト２４の頂部を通過する空気は、レッグ（脚部
）４２、４４の上の高温のプラットホーム下部キャビテ
ィ５４からの保護をなし、ディスクポスト２４への熱伝
達を減らす、絶縁バリヤとして作用する。チャンネル４
６内の空気の一部は、矢印４７で示すように、レッグ４
２、４４の先端５０、５２のまわりを通って、レッグ４
２、４４の上、プラットホーム部分１８の下のキャビテ
ィ５４に流れ、そのキャビティ５４の温度を下げるのに
役立つ。残りの空気はチャンネル４６の端部まで流れ、
後部端板４０のそばに出る。チャンネル４６内の減速空
気からプラットホーム下部キャビティ５４への空気の流
れにより、プラットホーム下部キャビティ５４内の圧力
が、キャビティ５４への燃焼ガスの取り込みに対する保
護を増大するような態様で、増加する。

【００１３】シール本体アセンブリ２８それぞれは、軸
線方向に向かい合う端板３６および４０を軸線方向に延
在する連結部材３８で相互連結した構成である。連結部
材３８から懸垂した１対のレッグ部分４２、４４が、タ
ービンディスクポスト２４の上に軸線方向に延在するチ
ャンネル４６を形成する。シール本体アセンブリ２８に
は１つ以上のダブテール５６を設けるか、適当な形状の
リテイナ手段を設けることができ、これらを、タービン
ロータディスク１２の半径方向外側の区域で円周方向に
隣接するブレード１４のシャンク部分１９両方から突出
する１つ以上の軸線方向コルゲーション５８により協動
的に形成されたロック用スロットに係合させる。ロック
用スロットは上記ダブテールまたはリテイナ手段と係合
し、シール本体アセンブリをその隣接ブレードシャンク
にロックする寸法である。連結部材３８それぞれにダン
パ手段（図示せず）を設けてもよい。この場合、ダンパ
手段を連結部材に移動自在に取付け、その形状および位
置を適切にすれば、シール本体アセンブリ２８を図１お
よび図２に示す通りに装着したとき、遠心力による持ち
上げが原因で、ダンパ手段が半径方向外方へ移動し、隣
接するブレードプラットホーム部分１８の下側に接触す
る。ダンパ手段の使用に関する詳しい説明は、前記米国
特許第３，７５１，１８３号を参照されたい。

【００１４】端板３６、４０、連結部材３８および保持
部材またはダブテール５６を一体の鋳造部材として形成
するのが好都合であり、あるいは別個に形成し、溶接ま
たは他の手段で連結してシール本体アセンブリ２８を形
成してもよい。上述したようにこの発明では、連結部材
３８の対向するレッグ４２、４４により形成されたチャ
ンネル４６に冷却空気の制御された流れを与えるために
、開口（アパーチャ）３２および拡散開口（ホール）４
８を機械加工する必要がある。開口３２は第１段タービ
ンディスクでは直径約０．０７５インチとすればよく、
拡散開口４８は開口３２の直径の約３倍とすればよい。 チャンネル４６への空気流れは、コアエンジンに流れる
全質量流れの約０．２％である。

【００１５】以上、ガスタービンエンジンにおけるディ
スクポスト２４の熱的影響およびクリープを軽減するた
めのシール本体アセンブリ２８を説明した。広義には、
この発明は、ディスクポスト２４の上に形成されたチャ
ンネル４６中に絶縁空気の制御された流れを送り込む方
法および装置を提供し、絶縁空気を拡散させてその速度
を効果的に減速し、絶縁空気の熱伝達係数を比較的低い
レベルに保ち、ディスクポスト２４の頂面に伝達される
熱を最小限にする。さらに、この発明は、高熱のプラッ
トホーム下側のガスをディスクポストの頂部から分離し
、プラットホームからディスクポストへの放射熱を遮断
する方法および装置を包含する。この方法および装置に
より、ディスクポスト温度を所望の限度内に維持するの
に必要な空気の容量が著しく少なくなる。この発明によ
り、内部ディスクポスト温度が、機械的ブレード荷重に
反力を生じる区域で約４４°Ｆ下がることを確かめた。 チャンネル４６内の空気温度は１３００°Ｆ程度であり
、すなわち従来のシステムにおける漏洩ガスの温度より
２００°Ｆ以上低い。流れるガスの熱伝達係数は滞留ガ
スのそれより大きいが、温度差が大きいので、ディスク
ポストに伝達される実際の熱は少なくなる。拡散なしで
は空気速度が速くなり、その結果、熱伝達係数が大きく
なり、ディスクポストへの熱入力も多くなる。

【００１６】以上、この発明を現在のところ好適な実施
例と考えられるものについて説明したが、当業者には他
の変形や変更が明らかであろう。したがって、この発明
は、開示した特定の実施例に限定されず、特許請求の範
囲内でのみ解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるシール本体アセンブリを組み込
んだターボ機関ロータアセンブリを一部断面にて示す立
面図である。

【図２】図１のタービンロータの軸線に平行に見たシー
ル本体アセンブリの部分的断面図である。

【図３】この発明によるシール本体アセンブリの斜視図
である。

【図４】前部端板をはずして図２の４−４線方向に見た
断面図である。

【符号の説明】

１０　　ロータアセンブリ １２　　ロータディスク １４　　ブレード １８　　プラットホーム部分 １９　　シャンク部分 ２０　　ルート部分 ２４　　ディスクポスト ２６　　キャビティ ２８　　シール本体アセンブリ ３２　　開口 ３６、４０　　端板 ３８　　連結部材 ４２、４４　　レッグ ４６　　チャンネル ４８　　拡散開口 ５０、５２　　レッグの先端 ５４　　プラットホーム下キャビティ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンエンジンにおいて、ディスク
   ポストがタービンロータディスクの隣接スロットにより
   形成され、各スロットがタービンロータブレードのルー
   ト部を受け入れるようになっており、各ブレードはルー
   ト部から半径方向外方へ延在するシャンクと、シャンク
   上のプラットホームとを有する構成で、ディスクポスト
   を熱から保護装置において、ディスクポストの頂部、デ
   ィスクポストの両側面のロータブレードのシャンク、お
   よびシャンクの上側のプラットホームにより形成された
   、ディスクポストの上の開口の前端を略おおう寸法の第
   １端板と、大体上記開口の後端内に配置された第２端板
   と、第１端板と第２端板との間に延在して、これらの端
   板を所定の配向および間隔に維持する連結部材であって
   、そこから延在してディスクポストの頂部にチャンネル
   を形成する第１および第２レッグを含む連結部材と、第
   １端板に形成され、上記チャンネルに形成した開口とを
   備え、この開口から空気の制御された流れをチャンネル
   に導入してディスクポストの頂部に空気の絶縁層を形成
   するガスタービンエンジンのディスクポストの熱的保護
   装置。
2. 【請求項２】さらに、第１端板に形成され、連結部材の
   少なくとも一部に延在するディフューザを含み、第１端
   板の開口がディフューザへの入口を形成し、ディフュー
   ザはディスクポストの頂部に沿った空気の速度を減速し
   て、空気とディスクポストとの間に比較的低い熱伝達係
   数を確立する請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】ガスタービンエンジンにおいて、ディスク
   ポストがタービンディスクの各１対のタービンブレード
   の各１対の隣接するブレードルート部間に形成され、ブ
   レードルート部はタービンディスクから半径方向外方へ
   延在し、それぞれブレードプラットホームで終端して、
   ディスクポストの上にキャビティを形成し、シール手段
   がこのキャビティを大体おおって、ディスクポストの上
   に燃焼ガスが流れるのを防止し、シール手段がディスク
   ポストの半径方向外面上にチャンネルを形成する手段を
   含み、絶縁空気の流れをディスクポストの上に形成され
   たチャンネルに送り、絶縁空気の流れを拡散させてその
   速度を減速し、絶縁空気の熱伝達係数を比較的低いレベ
   ルに維持する工程を含むディスクポストの熱的影響およ
   びクリープを軽減する方法。
4. 【請求項４】上記シール手段が開口を含み、絶縁空気の
   流れをチャンネルに送る工程が空気を開口を通してチャ
   ンネルに流す工程を含む請求項３に記載の方法。