JPH07208208A - ガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム - Google Patents
ガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステムInfo
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- JPH07208208A JPH07208208A JP6301774A JP30177494A JPH07208208A JP H07208208 A JPH07208208 A JP H07208208A JP 6301774 A JP6301774 A JP 6301774A JP 30177494 A JP30177494 A JP 30177494A JP H07208208 A JPH07208208 A JP H07208208A
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- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
- F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D3/00—Machines or engines with axial-thrust balancing effected by working-fluid
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2260/00—Function
- F05D2260/60—Fluid transfer
- F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
Abstract
止後部スラスト釣り合いシステムを提供する。 【構成】 バッファキャビティ56の空気と前方向ロー
タキャビティ42の空気は接線に方向づけられた吐出口
を通ってタービンロータ44のデッドリム領域90へ流
れる。吐出口は円周上に間隔をおいてステータ支持部2
0に形成されたプレナム80に設けられている。プレナ
ム80のいくつかの底部に設けられたプレート82は前
方向ロータキャビティ42からの流れを遮断し、バッフ
ァキャビティ56からのバッファ空気はプレナム80の
これら閉鎖部分を通って流れキャビティ42,50間に
適切な圧力関係を維持する。
Description
スラスト釣り合いに関し、特に加圧されたキャビティを
接線オンボードインゼクタ(TOBI)に隣接させて形
成し、TOBIの空気の汚染を防ぐスラスト釣り合いシ
ステムに関する。
タービンエンジンでは、隣接するキャビティ間の特定の
シールの漏れを制御して予め定められた圧力レベルを達
成し、スラスト釣り合いを維持している。一般に、この
釣り合い関係を維持するために用いられるキャビティの
うちの一つはTOBIに隣接したキャビティである。T
OBIは別の名称で呼ばれることもあり、タービンディ
スクやタービン翼を冷却する目的で加速冷却空気流をタ
ービンに対して接線方向に誘導する。
冷却空気を噴射するために用いられるTOBIは、米国
特許第4,822,244号“TOBI”(1989年
4月18日Maier et alに付与)や同第4,
730,978号“ガスタービンエンジンに用いる冷却
空気マニホールド”(1988年3月15日Bara
n, Jr.に付与)に詳述されている。これらの特許
は本願の譲渡人であるユナイテッド テクノロジーズ
コーポレイションに譲渡されている。また、1976年
11月2日Ferrariに付与された米国特許第3,
989,410号“ラビリンスシールシステム”には、
同じように冷却空気をタービンロータに対して接線的に
誘導する加速器(TOBIの別名)について開示されて
いる。TOBIに関しては本願に参照として記載される
前記特許の記述中にさらに詳しく記載されている。
ているエンジン構成では、二つの隣接するキャビティを
同一圧力レベルに維持し、二つのキャビティ間のシール
から漏れる空気流をどちらか一方向にずらしてスラスト
の釣り合いをとっている。このように、隣接したキャビ
ティの圧力レベルに応じて一方のキャビティから他方の
キャビティに向かう空気の流れができる。上流側のキャ
ビティ内に異物がある場合、この異物は下流側のキャビ
ティに流入し、最終的にはタービン翼の内部冷却通路へ
と流れ込む。このような漏れた空気は徐々にTOBIの
空気と混ざり合うため、TOBIの空気は温度および圧
力の値がともに理想値よりも小さくなる。従って付加的
手段を用いてこのような好ましくない状況を補正しない
とエンジンの動作性能が損なわれる結果となる。
は、エンジンシャフトに隣接する形で複合シールを設
け、タービン翼の冷却通路への異物の進入を防止する。
もちろん、エンジンの性能を強化するためにタービン入
口の温度が従来のものより熱くなるよう設計された高性
能のエンジンでは、この高熱に対応するためタービン翼
にさらに穴を設けて翼を冷却する設計となっている。翼
を冷却する穴の数を増やさなければならない場合には、
一般には翼に形成する穴の直径を小さくしている。この
ため目詰まりし易く、冷却空気流と一緒に流入する異物
が原因で生じる問題が増加する。
エンジン用の改良された汚染防止後部スラスト釣り合い
システムを提供することにある。
バッファー領域を形成し、予め定められた圧力レベルの
圧力吸い込み口を規定した汚染防止後部スラスト釣り合
いシステムを提供することにある。
辺に複数のプレナムチャンバを互いに間隔をあけて環状
に設けた汚染防止後部スラスト釣り合いシステムを提供
することにある。
ために、本発明によれば、ガスタービンエンジン用汚染
防止スラスト釣り合い手段であって、円筒形のケース
と、前記円筒形のケースに同心的に支持されて冷却空気
流路を規定する燃焼器ライナーと、前記円筒形のケース
に取り付けられ複数のプレナムを間隔をあけて環状に規
定するステータ支持部と、前記円筒形のケースで支持さ
れたエンジンシャフトと、回転運動用に前記エンジンシ
ャフトに取り付けられたタービンディスクを有するター
ビンロータと、前記シャフトに支持されると共に前記タ
ービンディスクに取り付けられて該タービンディスクと
共に回転運動を行い、一定の圧力レベルでエンジン冷却
空気の流入するキャビティを前記円筒形ケースとともに
規定する前部リムディスク支持部と、前記ステータ支持
部に形成された前記冷却空気流路との間で流体を移動さ
せるための間隔をおいて環状に形成された複数の接線噴
出流路と、前記前面ディスクに取り付けられ、互いに半
径方向に間隔をあけて第1および第2のサブチャンバを
規定し、前記環状のステータと封止関係にある第1およ
び第2のシール手段と、前記前面ディスクに取り付けら
れ、前記第1のシール手段から間隔をあけて軸方向に配
置され、前記環状ステータと封止関係でバッファキャビ
ティを規定する第3のシール手段と、前記第2のサブチ
ャンバから前記プレナムの内径上の開口を通過させ、さ
らに前記プレナムの数個を通過させて前記ガス流路へと
冷却空気を誘導する手段と、予め選択された数の前記プ
レナムに形成された内径の開口を覆い、前記バッファキ
ャビティと前記カバーで覆われたプレナムとを前記ステ
ータに形成された開口をはさんで相互に接続する手段
と、を備えることにより、前記バッファキャビティ内の
圧力を前記第1および第2のサブチャンバの圧力よりも
低くし、前記第2および第3のシール手段から漏出する
空気流が前記第2のサブチャンバから前記第1のサブチ
ャンバへ流入しないようにしたことを特徴とするガスタ
ービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステムが
得られる。
キャビティを設けて圧力吸い込み口を形成し、タービン
ロータの前方のキャビティ(FRC)内の圧力をTOB
Iの吐出端部のキャビティ(TDC)内の圧力より高い
値まで上昇させる。バッファキャビティ内の圧力をデッ
ドリム領域の圧力に影響させ、11個のプレナムのうち
の6個をエンジン流路近くのさらに低圧の領域と連通さ
せることによりバッファキャビティ内の圧力はTDC内
の圧力よりやや低く、FRC内圧力よりもかなり低く保
たれる。この低圧領域との間で流体が移動できる状態を
作り出すことにより、FRCおよびTDCからの空気は
漏出してバッファキャビティへと流れ込み、さらにエン
ジン流路へと流出する。
気を(TOBIによって)加速し、接線的に誘導してデ
ッドリム領域でタービンディスクを冷却する。6個のプ
レナムは残りの5個のプレナム同様にバッファ流を供給
する。6個のプレナムにはカバープレートが設けられて
いるが、残りの5個には設けられていない。カバープレ
ートは2個のシール間の空間と連通する開口を覆うため
プレナムはFRCから遮られ、低圧領域への流路を開
く。残り5つのプレナムは高圧FRC空気をTOBI化
された穴から空気を(TOBIにより)接線方向に誘導
し、デッドリム領域の冷却度を増している。これら5つ
のプレナムによって第一段ロータに十分な冷却空気流を
供給し続けるために必要なダンプをエンジン流路に形成
することができる。
はFRCから遮断される。このように設計されたプレナ
ムの底部には必ず複数の穴が設けられている。これらの
穴は注型成形過程においてコアを取り除く際に設けられ
る。現存のプレナムにおいて、バイパスプレナムではこ
れらの穴を敢えてカバーで覆わずにおき、空気流がFR
Cから直接プレナムキャビティに流入するようにする。
バッファプレナムではカバープレートはプレナムをFR
Cから離して封止する働きをし、バッファキャビティか
らの空気流のみがこれらプレナムを通って流れるように
する。
回転するタービンディスクを基準にして決められてい
る。これは、吐出流れをディスクのデッドリム領域に対
して接線的に誘導し、タービンのこの部分を冷却するた
めである。交互に配置されたプレナムから吐出される圧
力のレベルでも冷却空気流をタービンロータ全体に供給
し続けるには十分である。
図1乃至図4は、全体として参照符号10で示されディ
フーザケース18を有する軸流ガスタービンエンジンの
燃焼器部の一部と、全体として参照数字12で示される
軸流ガスタービンエンジンのタービン部とを示す。燃焼
器はエンジンの中心線Aを中心として同軸的に取り付け
られプレナムチャンバー16を規定する環状の燃焼器ラ
イナー部14を有する。ライナー部14は、従属フラン
ジ24によってステータ支持部20に支持され、間隔を
あけて環状に配された複数のナットとボルト(このうち
1つを図示)によってステータ支持部に取り付けられて
いる。ディフューザ内部ケース18も環状であり、ライ
ナー部14と同心でライナー14部との間に間隔をあけ
て環状の流路またはキャビティ22を規定する。キャビ
ティ22は圧縮器部(図示せず)と連通し、燃焼器ライ
ナー、エンジン構成部品およびタービン部に冷却空気を
供給する。
ラテン32が設けられている。このプラテンはメインエ
ンジンシャフト36から延在するナイフエッジ34の近
くに位置している。ロータ支持部30はディフューザケ
ース18に支持され、ナットおよびボルト部品38によ
ってディフューザケース18に取り付けられている。こ
れらのナットとボルトはステータ20をも支持している
ため、エンジンの解体時にもエンジンシャフトやこのシ
ャフトに取り付けられたロータの落下を防止し、ロータ
翼の先端を保護することができる。ロータ支持部30に
はその円周に沿って複数の開口40(このうち1つを図
示)が間隔をあけて形成されており、圧縮器からの吐出
空気を前側ロータキャビティ42方向に送る。開口40
部分では圧力は実質的に降下しないため、実際には開口
のすぐ上流とすぐ下流の圧力は等しくなる。
開口40の上流側の高い圧力とを等しくするために、空
気流の圧力を降下させずに開口40を通過させる。圧力
をこのような高い値に維持する理由を次に明らかにす
る。
ら吐出される空気と混ざり合う流体の圧力であるキャビ
ティ10内の圧力は圧縮器の吐出空気と実質的に同じ圧
力レベルとなる。従って圧縮器のロータ(図示せず)に
は明らかに前方向の高圧負荷がかかる。ロータ支持部3
0をシールとして作用させてキャビティ42の圧力を低
くした場合、タービンには小さな後ろ向きの負荷がかか
る。従って本来ならばスラスト軸受け(図示せず)を利
用してこの圧力差を補わなければならない。しかしなが
ら、キャビティ42の圧力を高レベルに保てばキャビテ
ィ10の圧力によって生じる力が発生させる前向きの高
負荷をキャビティ内で作用する力によって相殺すること
ができる。
し、これをエンジンシャフト36に支持されたタービン
ロータディスクに対して接線的に誘導することによりタ
ービンロータを冷却する空気流の方向を決定づける。全
体として参照数字46により図示されるTOBIは、ス
テータ20に間隔をあけて環状上に形成された複数の流
路48からなる。圧縮器(図示せず)から燃焼器ライナ
ー14とディフューザケース18との間に形成された環
状のキャビティ22に流入する冷却空気流は各流路48
に供給され、間隔をあけて環状に形成された複数の開口
52(このうち1つを図示)を通してロータディスク接
線上に誘導され、TOBI吐出キャビティ50内へ吐出
される。これら複数の開口は前部リム支持ディスク部5
4に形成されている。前部リム支持ディスク部は、エン
ジンシャフト36に取り付けられてエンジンシャフトと
共に回転する。ほこりデフレクター49はTOBIの流
路48への異物の侵入を防止してTOBIの空気の汚染
を可能な限り防ぐ。冷却空気は間隔をあけてほこりデフ
レクター49に環状に形成された複数の開口51(内1
つを図示)を通ってTOBI流路に流入する。
は間隔をあけて配されたラビリンスシール58、60に
よって形成され、TOBI流路48の下に配置されてい
る。ラビリンスシールは、環状のプラテン68を支持す
る環状ナイフエッジ64および66と、プラテン72を
支持する環状ナイフエッジ70とにより形成される。ラ
ビリンスシールは、バッファキャビティと前方向ロータ
キャビティ42およびTOBI吐出キャビティ50との
間を隔ててバッファキャビティを封止する。TOBI吐
出キャビティはラビリンスシール60、71および前部
リム支持ディスク54に接している。ナイフエッジ6
4、66および70は、前部リムディスク支持部54か
ら軸方向に延在する環状アーム74に支持され、プラテ
ン66、68と協働しつつリムディスク支持部54と共
に回転する。ここに記述するプラテンはすべて金属製の
ハニカム材料で形成され、一般に航空機エンジンシール
に用いられる。当業者には周知のように、シールからの
漏れは嵌め合い部の一定の公差を利用して制御可能であ
り、これにより隣接する前方向ロータキャビティ42お
よびTOBI吐出キャビティ50内の圧力と一定の関係
にあるバッファキャビティ56内の一定の圧力を制御お
よび維持する。前部リムディスク54の開口52(この
うち1つを図示)による圧力の損失はないため、実際に
は開口のすぐ上流とすぐ下流の圧力は等しくなる。
ータ支持部は一般に、TOBI流路の上に形成された複
数個のプレナムを有する。プレナムには前方向ロータキ
ャビティからの冷却空気が流入する。この冷却空気の一
部を直接エンジンの流路へ誘導してロータおよび他の部
分の端からロータディスクのデッドリム領域90までを
冷却する。本実施例ではプレナム80はTOBI流路4
8上のステータに形成され、環状に延在して11個の別
々のプレナムを前壁81、側壁83および後壁85によ
って規定している。各プレナムはバイパスプレナムに臨
む底部端上に複数個の孔が設けられている。したがっ
て、空気流は前方向ロータキャビティ42から直接11
個のプレナムを通過する。
の6つは残りの5個のプレナムと交互に配置され、下方
端部においてカバープレート82に覆われている。この
ため、オリフィス84に流入しようとする空気流を遮っ
てプレナムへ流入する空気の量が調節される。それら6
個のプレナムを有するエンジン流路近くの低圧の領域と
バッファキャビティとを連通させることにより、バッフ
ァキャビティ56内の圧力がキャビティ50内のTOB
I吐出圧力より低く維持され、前方向ロータキャビティ
42内の圧力よりかなり低圧に維持されている。低圧領
域との連通により、前方向ロータキャビティ42および
TOBI吐出キャビティ50からの空気はステータ支持
部20の6個のプレナムにそれぞれ形成されたアパーチ
ャ87を通ってバッファキャビティに漏出し、さらに流
路へと抜ける。この6個のプレナムから吐出された空気
流は加速され、プレナム端部に形成された吐出口88を
通って接線的に誘導される。吐出口88から吐出された
空気流はロータディスク44のデッドリム領域90に送
られてこの領域を冷却する。ロータディスクのデッドリ
ム領域は、タービン翼を支持する溝に隣接するディスク
外径の領域に設けられている。
キャビティ56によって規定された圧力吸い込み口から
吐出され、円筒部94の円周に沿って間隔をあけて形成
された穴92を通り、6個のプレナムへの制御空気流と
混ざり合う空気によって、これらのプレナムは前方向ロ
ータキャビティ42から遮断され、バッファキャビティ
56から低圧域への流路ができる。前方向ロータキャビ
ティ42から流出する空気は、円筒部94に間隔をおい
て形成された複数の溝91によって残りの5個のプレナ
ムを通って低圧領域へ流入する。円筒部94、支持プラ
テン68、72はナットおよびボルト部38によってス
テータ20に取り付けられている。
ャビティ42からの高圧空気流を利用している。具体的
には、接線方向に向けられた出口ポート(他の6個のプ
レナムにも同じものが用いられている)を通して上述の
高圧空気流を5個のプレナムに供給し、デッドリム領域
の冷却度を増している。これら5個のプレナム内は高圧
になっているため、第一段ロータに十分な冷却空気流を
供給し続けるために必要なダンプをプレナムによってエ
ンジン流路に形成することができる。カバープレート8
2および/または穴84の数を増減することにより、バ
イパス空気流とバッファ空気流とが一緒になった空気流
を調節し、所望のレベルに調節することができる。
ァキャビティは圧力吸い込み口として作用するため、ガ
ス流路内の圧力が低いままでもTOBIに隣接する領域
の中でバッファキャビティの圧力が最も低圧となる。ガ
スタービンエンジンの設計においては様々な部分におい
て下記の圧力関係が有効である。
BI吐出キャビティ50および前方向ロータキャビティ
42からバッファキャビティへの空気の流れができる。
従って異物が前方向ロータキャビティ42からTOBI
吐出キャビティ50へ流入せず、タービンディスクへ入
る冷却空気が汚染されることもない。したがって、ター
ビンディスク44に取り付けられたタービン翼(図示せ
ず)の内部流路内の冷却穴の目詰まりを防ぎ、TOBI
吐出キャビティからの空気の温度および/または圧力が
理想値よりも低くなることを防ぐ。
いるが、当業者においては、本発明の趣旨および範囲を
逸脱することなく形態および詳細において様々な変更を
することが可能であることは言うまでもない。
ガスタービンの二つのキャビティ間にバッファキャビテ
ィを設けて圧力吸い込み口を形成することにより、TO
BI吐出キャビティ(TDC)および前方向ロータキャ
ビティ(FRC)からの空気はバッファキャビティへ流
れ込むため、異物がFRCからTDCへ流れ込まず、タ
ービンディスクへの冷却空気の汚染を比較的少なくでき
るという効果がある。
第一段タービン部を示す断面図である。
ある。
る。
図示した部分断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 ガスタービンエンジンにおけるスラスト
釣り合いと汚染防止の手段であって、円筒形のケース
と、前記円筒形のケースに同心的に支持されて冷却空気
流路を規定する燃焼器ライナーと、前記円筒形のケース
に取り付けられ複数のプレナムを間隔をあけて環状に規
定するステータ支持部と、前記円筒形のケースで支持さ
れたエンジンシャフトと、回転運動用に前記エンジンシ
ャフトに取り付けられたタービンディスクを有するター
ビンロータと、前記シャフトに支持されると共に前記タ
ービンディスクに取り付けられて該タービンディスクと
共に回転運動を行い、一定の圧力レベルでエンジン冷却
空気の流入するキャビティを前記円筒形ケースとともに
規定する前部リムディスク支持部と、前記ステータ支持
部に形成された前記冷却空気流路との間で流体を移動さ
せるための間隔をおいて環状に形成された複数の接線噴
出流路と、前記前面ディスクに取り付けられ、互いに半
径方向に間隔をあけて第1および第2のサブチャンバを
規定し、前記環状のステータと封止関係にある第1およ
び第2のシール手段と、前記前面ディスクに取り付けら
れ、前記第1のシール手段から間隔をあけて軸方向に配
置され、前記環状ステータと封止関係でバッファキャビ
ティを規定する第3のシール手段と、前記第2のサブチ
ャンバから前記プレナムの内径上の開口を通過させ、さ
らに前記プレナムの数個を通過させて前記ガス流路へと
冷却空気を誘導する手段と、予め選択された数の前記プ
レナムに形成された内径の開口を覆い、前記バッファキ
ャビティと前記カバーで覆われたプレナムとを前記ステ
ータに形成された開口をはさんで相互に接続する手段
と、を備えることにより、前記バッファキャビティ内の
圧力を前記第1および第2のサブチャンバの圧力よりも
低くし、前記第2および第3のシール手段から漏出する
空気流が前記第2のサブチャンバから前記第1のサブチ
ャンバへ流入しないようにしたことを特徴とするガスタ
ービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。 - 【請求項2】 前記第1のシール手段、前記第2のシー
ル手段および前記第3のシール手段は、ラビリンスシー
ルであることを特徴とする請求項1記載のガスタービン
エンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。 - 【請求項3】 前記ステータ支持部に取り付けられた前
記キャビティに隣接し、前記エンジンシャフトに極めて
近接して放射状に延在する環状のロータ支持手段を備
え、前記ガスタービンエンジンの解体の際にロータの先
端が破損しないようにしたことを特徴とする請求項2記
載のガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合い
システム。 - 【請求項4】 前記ステータ支持部の一端に取り付けら
れ、前記第2および第3のシール手段の前記ラビリンス
シールの固定部分を支持する環状で軸方向に延在する部
材を設けたことを特徴とする請求項3記載のガスタービ
ンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。 - 【請求項5】 前記タービンディスク上のデッドリム領
域を備え、前記プレナムは冷却空気を前記デッドリム領
域へ誘導するための出口流路を有することを特徴とする
請求項4記載のガスタービンエンジン用汚染防止スラス
ト釣り合いシステム。 - 【請求項6】 前記出口流路は空気流れを前記前部リム
ディスク支持部に対して接線的に吐出できるように方向
づけられていることを特徴とする請求項5記載のガスタ
ービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
Applications Claiming Priority (2)
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