JPH0788840B2

JPH0788840B2 - ガスタービン動力装置の圧縮機の回転子のための通風装置

Info

Publication number: JPH0788840B2
Application number: JP62033585A
Authority: JP
Inventors: ヨーゼフ・リープル
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1987-02-18
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: NO173463B; NO870825D0; NO173463C; DE3785597D1; EP0235642A2; NO870825L; US4961309A; DE3627306A1; JPS62206295A; EP0235642B1; US4920741A; EP0235642A3

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、ガスタービン動力装置の圧縮機の回転子、特
に、圧縮機の最後の段の回転子のための通風装置に関す
るものである。

従来の技術従来、圧縮機の回転子の後部の構造部分の二次冷却空気
の温度、従って、この構造部分の温度の著しい低下を生
じさせる有効な通風手段を得ることは、困難であった。

例えば、ガスタービン動力装置の圧縮機の回転子羽根の
根元部分を冷却するために、最後の回転子羽根と、固定
子段との間において圧縮空気を取り出す伝統的な通風方
式は、圧縮空気の摩擦のために、高い空気温度を有して
いる。その上、最後の回転子の下流側における、回転子
の面と固定子の間の空気摩擦のために、圧縮機の最後の
段において取り出される二次冷却空気、すなわち、制御
空気は比較的に広い範囲で加熱され、そのために、構造
部分の中に、不必要に高温度を生じさせ、回転子羽根と
包囲するハウジングとの間の放射方向のすきまの希望さ
れる最善化を損なっている。

従来のこのような問題の解決のための手段の決定的な欠
点は、多くの場合、回転部分の厚さを増加することや、
高強度の材料の使用だけによって、回転子の寿命の維持
を図っているということである。

より早期の提案においては、回転子の内側の追加の通風
が、例えば、回転子の後面に開口を設けることによって
得られている。しかしながら、この提案は、通風温度
が、二次空気の摩擦による加熱の結果、極端に高く、ま
た、前部に配置された回転子のラビリンス主シールのス
ロットを通過するのに必要な空気量が、特に運転荷重の
変化の際に、希望される程度に得ることが出来ないとい
う大きな欠点を有している。

発明が解決しようとする問題点本発明の目的は、比較的、構造が簡単であり、また、急
速な荷重の変化の場合ですらも、比較的低温の通風を確
実とする、ガスタービン動力装置の圧縮機の回転子のた
めの通風装置を得ることにある。

本発明の他の目的は、最善の羽根すきまの維持に寄与す
る通風装置を得ることにある。

課題を解決するための手段上記目的を達成するために、本発明は、軸流圧縮機及び
タービン冷却装置を備え、軸流圧縮機の最後の段に後置
されると共に燃焼室に前置された軸方向ディフューザ
と、径方向内側でその後部に接続された円すい部分を有
する最後の段の回転子円盤の羽根基部の取付部分の背
側、ディフューザの内側に位置して燃焼室ハウジングに
隣接する最後の段の固定子及びディフューザのハウジン
グ部分及びその周囲に軸方向の空気供給開口が配置され
ている燃焼室ハウジングとで包囲されている径方向外側
に位置する環状空間とを有し、軸方向ディフューザの圧
縮空気が、燃焼室ハウジングから取り出され、軸流圧縮
機からの主流とは反対方向に向かって前記環状空間に流
入し、軸流圧縮機の最終の段の回転子羽根と固定子羽根
の間の環状すき間に供給されるところのガスタービン動
力装置において、前記空気供給開口が、最大の空気摩擦
が形成される、最後の段の回転子円盤の羽根基部の取付
部分の背側に相当する径方向位置に、軸方向ディフュー
ザと小さな間隔を置いて局部的に配列されており、前記
環状空間が下流においてタービンの二次空気供給部を形
成し、前記空気供給開口によって前記最後の段の回転子
円盤の羽根基部の取付部分の背側に向けて供給される圧
縮空気が、前記環状空間において、前記環状すき間を循
環する部分流れと、タービン冷却空気として二次空気供
給部に流れる部分流れとに分割されるものである。

更に、本発明によると、圧縮機の出口の空気の実質的に
量的に調節可能な循環か、燃焼室のハウジングの壁に開
口を形成すること及び圧縮機の最後の段の固定子羽根及
び隣接するディフューザの領域内における圧力上昇を利
用することにより与えることが出来る。

本発明によると、開口、好適には、大きな横断面の穴と
しての簡単化された形状の開口が、十分な通風を確保す
るために、軸方向ディフューザと小さな間隔を置いて局
所的に配置されるものである。

実施例以下、本発明をその実施例を示す添付図面に基づいて、
詳細に説明をする。

まず、第１図を参照すると、図には、ガスタービン動力
装置の軸流圧縮機の最後の段が示されている。圧縮機
は、最後の段に固定子羽根１を有しているが、これらの
固定子羽根１は、圧縮機の最後の段の回転子羽根４か
ら、圧縮空気を軸方向のディフューザ２に導く。回転子
羽根４は、最後の段の回転子円盤５の上に、それと一体
に回転するように固着されている。

本発明は、圧縮機の最後の段及びディフューザ２を通過
した圧縮空気の流れ８の一部分を利用することによっ
て、回転子円盤５に通過することを指向するものであ
る。この通風のために利用される圧縮空気の流れ８の一
部分が、圧縮空気の流れ９として示されている。環状室
すなわち環状空間11が、回転子円盤５の下流に、対向す
る回転部分と固定部分との間に形成されており、圧縮空
気の流れ９を受入れるようになっている。圧縮空気の流
れ９は、環状空間11から、本質的に、２個の別々の部分
流れ12及び14に分割される。部分流れ14は、圧縮機の最
後の段の回転子羽根４と固定子羽根１との間に形成され
る環状すきま13を経て、圧縮機の主空気流れ７の中に導
入され、再循環される。部分流れ12は、例えば、タービ
ンの冷却の目的で、タービンの二次空気系統に漏れ空気
として排出される。

圧縮空気の流れ９は、ディフューザ２の出口から排出さ
れた圧縮空気の流れ８から反らされ、そして、燃焼室ハ
ウジング３の外側と内側の二重壁３′３″の間を通っ
て、循環空間11の中に流れる。外壁３′は、燃焼室ハウ
ジング３内の圧縮空気の流れ９のための開口17を有して
おり、また、内壁３″は、環状空間11の内の圧縮空気の
流れ９のための開口10,10′を有している。外，内の二
重壁３′,3″は、環状導溝を包囲しているが、この環状
導溝は、環状空間11と、ディフューザ２の下流の圧縮空
気の排出領域との間に、配置されている。圧縮機出口の
圧縮空気は、固定子羽根１及び隣接するディフューザ２
を通過し、内壁３″から流れた後、案内装置18によっ
て、環状空間11の中へ案内され、環状空間11において、
圧縮空気は別々の部分流れ12及び14に分割される。

案内装置18は、各開口10′に面しており、開口10′から
流入する空気を案内するようになっている。また、案内
装置18は、角度板として形成されており、その一方の脚
18′は、固定子羽根１と、ディフューザ２とから成り立
っているユニットの下部に軸方向に延びている。さら
に、第２の脚18″は、径方向に環状空間11の中に延び
て、各開口10′を有している内壁３″の径方向部分と対
向し、且つそれに対して平行に間隔を置いて、脚18′に
固着されている。

第１図に見られるように、通風されるべき環状空間11
は、径方向外側において、固定子羽根１、案内装置18及
びディフューザ２により周辺方向を境界されており、ま
た、後部において、燃焼室ハウジングの二重壁の内壁
３″により境界されており、更に、内側において、回転
子軸の円すい部分６によって境界されていると共に、前
部において、回転子円盤５により境界されている。回転
子円盤５は、取り付けボルト15により、上流段の固定子
羽根を支持している回転子構造物16に連結されている。
環状空間11の中に存在する空気は、空気摩擦により追加
の加熱を受ける。この空気摩擦の大きさは、多くの因
子、例えば、回転子の回転速度、環状空間11の径方向の
位置、周囲出力、空気温度及び、特に、回転子円盤５の
表面特徴、例えば、その平滑さ、回転するボルト15など
の関数である。回転子構造物16への取り付けのために必
要とされる回転するボルト15は、環状空間11の内部にお
いて、摩擦熱を増加させる。空気の加熱を出来る限り小
さく維持するために、環状空間11は、必要な個所に局部
的にかつ十分に通風されなければならない。

環状空間11の内部の圧力は、環状すきま13の存在によっ
て、回転子羽根４と固定子羽根１との間の圧力が適応さ
れる。

内壁３″の開口10,10′及び外壁３′の開口17の適当な
間隔による配置及びその寸法によって、圧縮機出口から
取り出される圧縮空気による環状空間11の十分な通気
は、固定子羽根１の入口における主空気流れ７と、ディ
フューザ２の出口における空気流れ８との間における圧
力増加の結果として充分に達成されることが出来る。

圧縮空気９の最善の混合、又は、利用が、環状空間11の
内部において、燃焼室ハウジング３に固着されて静止し
ている案内装置18による空気流れへの局部的な影響によ
って、行われることが出来る。更に、案内装置18は、固
定子羽根１の内壁を介する外部からの熱伝導のある一定
の減少を生じさせる。

圧縮機の最後の段の回転子羽根４と軸方向の固定子羽根
１との間を通り、圧縮機の中の主空気流れ７に再循環さ
れる部分流れ14は、主空気流れ７によって生成される吸
引によって、固定子羽根１と、ディフューザ２との内部
の主空気流れ７の速度に急速に加速を受ける。

高圧タービンへの通風空気の供給のために本質的に役立
っている開口17の配置及び寸法は、次のように、すなわ
ち、主空気流れ７の十分な混合及び圧縮機温度の減少、
従って、最小の通風入口温度を確保するように選択され
る。

開口10′（第２図には、穴として示されている）の間隔
19及び直径20は、要求される通風量に依存する。更に、
開口10′の軸の径方向の位置は、最大の空気摩擦の生ず
る径方向の位置、すなわち、ボルト15のレベルに一致し
なければならない。

第３図に示すように、環状空間な、環状すきま13に連通
する外部部分11′と、空気がタービンの二次空気系統へ
の流れ12として排出される内部部分11″とに、シール2
2,23によって分割される。圧縮機出口から来る圧縮空気
９は、内壁３″に固着された案内装置18のレベルに配置
された開口10′を経て、外部部分11′の中に流れ、それ
から、圧力及び量を減少されて、シール22,23を経て内
部部分11″の中へ流れる。

更に、第３図を参照するに、シール22,23は、静止部分2
3と、回転部分22とから成り立っており、また、案内装
置18の軸方向部分18′の径方向内側に配列され、案内装
置18の径方向に延びている脚部すなわち部分18″から、
軸方向に間隔を置かれている。シールの静止部分23は、
軸方向部分18′に対する支持体に一体に固着されてい
る。

第３図の実施例におけるシール22,23の利用は、環状空
間の内部部分11″の中の圧力を減少させることを可能と
するが、このことは、回転子軸の円すい部分６の外表面
上の圧縮力、従って、回転子軸の上の軸方向のスラスト
の減少をもたらすものである。環状空間11の外部部分1
1′においては、空気はより高圧であり、また、特に環
状空間11の外部部分11′の中の二次空気の比較的増強さ
れた加熱のために、通気が有効に行われる。

上述のことから、第３図に見られるように、開口10′
が、環状空間11の外部部分11′の内部に生じる実質的に
最大の空気摩擦のレベルの位置において、燃焼室ハウジ
ング３の、その径方向内側の内壁３″の周辺に局所的に
配置され、圧縮空気を効果的に導入するものである。

第４図の実施例における配置においては、回転子主シー
ルとして構成されているラビリンスシール22,23の回転
部分22が、最後の回転子円盤５の背後に配置されている
圧縮機の支持円盤５′であることができる。

ラビリンスシール22,23の回転部分22の外周領域におけ
るシール支持体Ｒは、回転子円盤５と、支持円盤５′と
の間のスペーサとして役立っている。ラビリンスシール
22,23の静止部分23は、軸方向の固定子の羽根１及びデ
ィフューザ２の径方向内方であり、また、燃焼室ハウジ
ング３の径方向外方の部分に固着されている。

この実施例においては、環状空間の外部部分11′は、円
盤5,5′の間のスペーサとして役立っているシール支持
体Ｒの前部部分と、シールの静止部分23と、回転子羽根
４の根元領域に最も近い回転子円盤５の外側の端面部と
の間に配置されている。環状空間の外部部分11′は、固
定子羽根１と、ディフューザ２とから成り立っているユ
ニットの内側に置かれている溝30と連通されており、圧
縮機出口から取り出された圧縮空気９を、外部部分11′
に導いている。ディフューザ２の出口において排出され
た圧縮空気８の一部分９は、燃焼室ハウジング３の中
の、溝30のレベルにある開口10′を経て流れる。環状空
間の外部部分11′は、また、スロット状の入口開口26を
経て、回転子円盤５と、支持円盤５′と一体であるラビ
リンスシールの回転部分22との間の外部中間空間27とも
連通している。

外部中間空間27は、回転子円盤５の軸方向のスペーサ3
1,32,33及び34によって、それぞれ、形成された空気室2
8,35に空間を提供する。各スペーサは、環状の内部中間
空間36,38及び外部中間空間27,37を形成している。空気
室28,35は、第４図における外部中間空間27から取り去
り空気25を受け取る。

更に第４図においては、取り去り空気25は、軸方向のス
ペーサ31の入口開口29を経て空気室28の中へ流入し、そ
れから、支持円盤５の開口26′を経て空気室35の中に流
れる。空気流28,35は、軸方向のスペーサ32,34の中の内
部開口39,40を経て内部中間空間36,38と連通しており、
圧縮空気を回転円盤5,5′の根元部分に向けて通気す
る。

第４図において、入口開口26を径方向外方に変位するこ
との決定的な利点は、引き出された空気、又は、制御空
気の供給が、空気摩擦による二次空気の加熱及びラビリ
ンスシールのスロットの影響を実質的に受けないで行う
ことが出来ることにある。更に、通風のために使用され
た取り出し空気の温度のさらなる減少が、圧縮空気の流
れ経路の構造、従って、環状空間の外部部分11′の中へ
の圧縮空気の案内の形式によつて得られることが出来
る。

開口26の寸法並びに最大のスロット長さ、くぼみの最大
深さ、スロットの半径及び円周方向の分布、又は、最大
個数は、強度の要求に依存する。開口の合計最大面積
は、取り去り空気25の最大に可能な量及び環状中間空間
27,36及び空気室、例えば、回転子の内部の空気室28の
中の圧力を決定する。

外部環状中間空間27の内部では、内方に流れる取り去り
空気25が、空気摩擦により加熱されるシールの回転部分
22又は支持円盤５′の冷却を行なう。取り去り空気25
は、好適には貫通穴である開口29を通って、その径方向
内方に配置されている空気室28の中に流れる。取り去り
空気25は、それから、既に述べられたように分割され
る。

本発明による通風装置のこの構造は、回転子円盤５がそ
の根元部分、又は、ハブにおける温度を、最善の、円盤
のリムの温度のレベルにまで減少させ、これにより、熱
伝達を阻止することを可能とし、回転子羽根４と、固定
子ハウジングとの間の径方向すきまの最善化を、等速運
転や変速運転の際のすべての荷重に対して、可能とさせ
る。

第４図に示されるような環状外部中間空間27,36の形成
の他の利点は、圧力の小さな変化により、通風のための
タップ、又は、バイパス圧力が、対応して低いことが出
来、あるいは、十分に高い圧力差が、入口開口26にある
ことが出来ることにある。放射方向のウエブ100（第４
図）によって、周辺方向において相互に分離されている
空気室28の内部において、分割された空気室28のそれぞ
れに属する入口及び出口開口29,39に関して、空気流れ2
5に周辺方向への速度を与えられることが出来る。

強制的な周辺方向への流れにより、空気室28の内部に
は、空気速度と自由流れとの均衡により、外部中間空間
27及び内部中間空間36の中において対応して行われるよ
りも、より小さな圧力変化が、生成される。

更に、第４図においては、開口10′は、既に述べたよう
に、環状空間の外部部分11′に生ずる最大の空気摩擦の
生ずる径方向位置に、実質的に一致する径方向位置に置
かれる。

更に、第４図に見ることが出来るように、回転子円盤５
は、外部周辺領域の中に配置された月並みな回転子のス
ペーサリング41によって相互に支持されることが出来
る。

本発明は、特に、飛行機の軸流ガスタービンジェット機
関に対して特別に適しているものであるが、無論、それ
に限定されるものでは無い。

以上、本発明が、その特別の実施例に関して説明された
が、多数の変形及びその変更が、本発明の要旨から離れ
ること無しになされることの出来ることは、当業者には
自明なところである。

発明の効果本発明は、上記のような構成及び作用を有しているの
で、比較的簡単な構造を有していると同時に必要とされ
る比較的低温の通風温度を保証すると共に、苛酷な荷重
変動の場合にすら、常に、十分な通風流量を保証するこ
とが出来るガスタービン駆動装置に対する回転部分の通
風装置を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による通風方式の原理を示す回転子の
縦断面図、第２図は、第１図の矢印IIの方向に見た燃焼
室ハウジングの平断面図、第３図は、通風されるべき環
状室の追加の分割を有している本発明による通風方式を
示す原理図、第４図は、回転子内部室の通風のための実
施形態を有している本発明による通風方式の変形を示す
図である。１……固定子羽根、２……軸方向デュフューザ、３……
燃焼室ハウジング、３′,3″……壁、４……回転子羽
根、５……最後の回転子円盤、５′……支持円盤、９…
…圧縮空気、10,10′,17……開口、11……環状室、11′
……外部部分、11″……内部部分、12,14……部分流
れ、13……環状すきま、18……案内装置、18′……軸方
向部分、18″……径方向突出部分、22,23……ラビリン
スシール、27,37……外部中間空間、36,38……内部中間
空間。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−131531（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−81129（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸流圧縮機及びタービン冷却装置を備え、
軸流圧縮機の最後の段に後置されると共に燃焼室に前置
された軸方向ディフューザ（２）と、径方向内側でその
後部に接続された円すい部分（6;6,22）を有する最後の
段の回転子円盤（５）の羽根基部の取付部分の背側、デ
ィフューザ（２）の内側に位置して燃焼室ハウジングに
隣接する最後の段の固定子（１）及びディフューザ
（２）のハウジング部分及びその周囲に軸方向の空気供
給開口が配置されている燃焼室ハウジングとで包囲され
ている径方向外側に位置する環状空間（11;11′;11′,3
0）とを有し、軸方向ディフューザ（２）の圧縮空気
（９）が、燃焼室ハウジング（３）から取り出され、軸
流圧縮機からの主流とは反対方向に向かって前記環状空
間に流入し、軸流圧縮機の最終の段の回転子羽根（４）
と固定子羽根（１）の間の環状すき間（13）に供給され
るところのガスタービン動力装置において、前記空気供
給開口（10′）が、最大の空気摩擦が形成される、最後
の段の回転子円盤（５）の羽根基部の取付部分の背側に
相当する径方向位置に、軸方向ディフューザ（２）と小
さな間隔を置いて局所的に配列されており、前記環状空間（11′;11′;11′,30）が下流においてタ
ービンの二次空気供給部を形成し、前記空気供給開口（10′）によって前記最後の段の回転
子円盤（５）の羽根基部の取付部分の背側に向けて供給
される圧縮空気が、前記環状空間において、前記環状す
き間を循環する部分流れ（14）と、タービン冷却空気と
して二次空気供給部に流れる部分流れ（12）とに分割さ
れる、ことを特徴とするガスタービン動力装置の圧縮機の回転
子のための通風装置。
【請求項２】上記圧縮空気（９）が、二重壁の燃焼室ハ
ウジング（３）のそれぞれの壁の開口（17,10′）を経
て環状空間（11）に到達するところの請求項１に記載の
ガスタービン動力装置の圧縮機の回転子のための通風装
置。
【請求項３】上記圧縮空気（９）が、固定の案内装置
（18）に沿って回転子円盤（５）の背側の環状空間（1
1）に到達するところの請求項１又は２に記載のガスタ
ービン動力装置の圧縮機の回転子のための通風装置。
【請求項４】上記案内装置（18）が、空気供給開口（1
0′）に接続した角度板として形成され、一方の脚部分
（18′）が、案内羽根列／ディフューザユニット（1,
2）の内側において軸方向に延びると共に燃焼室ハウジ
ング（３）の一つの壁（３″）に連結され、更に、他方
の脚部分（18″）が一方の脚部分（18′）に連結されて
環状空間（11）の中に延びているところの請求項３に記
載のガスタービン動力装置の圧縮機の回転子のための通
風装置。
【請求項５】上記環状空間（11）がシール（22,23）に
よって外部部分（11′）と内部部分（11″）に分割され
ており、一方の部分流れ（14）が外部部分（11′）から
環状すきま（13）を介して圧縮機導溝の中に案内される
のに対し、他方の部分流れ（12）がシール（22,23）を
通って内部部分（11″）の中に導かれるところの請求項
１〜４のいずれか１項に記載のガスタービン動力装置の
圧縮機の回転子のための通風装置。
【請求項６】上記案内装置（18）が環状空間（11）の外
部部分（11′）の中に配置されると共に、この案内装置
（18）の近くにおいて、空気供給開口（10′）が、案内
装置と対向している、燃焼室ハウジング（３）の一つの
壁（３″）又はシール（22,23）の径方向の壁部分に配
置されているところの請求項１〜５のいずれか１項に記
載のガスタービン動力装置の圧縮機の回転子のための通
風装置。
【請求項７】一定の固定されているシール部（23）と他
方の回転するシール部（22）とからなるシール（22,2
3）が、角度板として形成された案内装置（18）の軸方
向に延びる一方の脚部分（18′）の内側に径方向に間隔
を置き、かつ径方向に延びる他方の脚部分（18″）に軸
方向に間隔を置いて配置されているところの請求項１〜
６のいずれか１項に記載のガスタービン動力装置の圧縮
機の回転子のための通風装置。