JPS623298B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、冷却装置に関し、特に高温ガスター
ビン用の冷却系に関する。

ガスタービンエンジンの高温構成部の冷却、特
に温度条件が最も厳しいタービン部の冷却は、今
日のエンジン設計者が直面する最もやつかいな問
題の一つである。この問題をある程度解決しうる
優れた高温材料が既に開発されているが、先進技
術によつて製造される材料に全面的に依存するこ
とは、予見し得る将来においては明らかに実際的
ではない。その理由の一つは、これらの先進材料
が費用のかかる製造技術を要するか、または高価
な材料の合金から成るということである。即ち、
このような材料から製品を作ることは、技術的に
は可能であるが、費用の点で効果的ではない。そ
の上、ガスタービンの温度が段々高くなるに従
い、いかなるすばらしい材料といえども、流体冷
却の助けなしにこのような高温環境に耐えること
は明らかに不可能である。流体冷却によれば、費
用の点で比較的有効に使用し得る材料を今日のガ
スタービンエンジンに用いることができるととも
に、将来においてかなり高い温度（従つて、比較
的高いエンジン作動効率）に達することが可能と
なろう。

この点について特にめんどうなタービンの一部
はタービンノズルバンドである。このバンドは複
数の環状セクタからなり、これらのセクタは完全
な環状壁を形成し、ターボ機械の作動流体が１段
のタービンノズル静翼を通過する流路を画成す
る。これらのバンドセクタを冷却するために、多
様な流体冷却技術が従来提案されており、通常、
対流冷却、衝突冷却、膜冷却のいずれかに分類さ
れる。これらの方式はすべて個別にまたは組合わ
されて試みられており、その冷却流体としてはエ
ンジンの圧縮機部からの比較的低温の圧縮空気が
利用されている。前述のような先行技術の概念は
本発明の譲受人に譲渡された米国特許第3800864
号に記載されている。タービンノズルバンドの冷
却に関するこれらの様々な従来方式は、構造的に
は区別し得るものであるが、すべて実質的に同じ
態様で熱を除去する。すなわち、これらの設計は
すべて背後側対流空洞を設けるようになつている
ものと考えられる。これらの空洞は、総体的に、
背後板をノズルバンドにろう付けすることによつ
て形成され、バンドの冷却は、冷却流体プレナム
からの冷却流体を背後板を通して、バンドの背後
側に衝突させることによつて達成され、あるい
は、バンドと背後板との間に延在する多数のピン
形フインの面上に冷却流体を通すことによつて、
冷却流体を加熱するとともにバンドを冷却する。
使用ずみの冷却流体は、バンドの高温表面上に膜
を形成するように放出される。

このような冷却系は、基本的には多様なタービ
ン構造におけるタービンバンドの冷却に有効であ
るが、幾つかの短所がある。最も重要なことは、
タービンバンドが、環状壁を形成するように相互
に当接する複数の別々の環状セクタから成るの
で、圧縮された冷却空気の漏れが隣接セクタの端
部間の隙間に生ずることである。この漏れが生ず
るのは、バンドの衝突冷却用の駆動圧力が間隙漏
流の駆動圧力と同じだからである。これは、冷却
空気供給圧力が原動ガス流圧力、例えば、ガスタ
ーボフアンエンジンの低圧タービン部における圧
力に比べて高い時に特に言えることである。

従来の冷却系の他の不適当な特性は、装置の製
造費が高くそして修理が困難（かつ修理費が高
額）であることである。代表的な従来装置では、
多数のピン形フインまたは冷却流体通路を特徴と
する複雑な鋳物が用いられ、あるいは鋳造シユラ
ウドセクタに多孔衝突ライナがろう付けされて該
セクタと共に冷却用の単一プレナムを形成してい
る。衝突冷却系に要する鋳物は対流冷却される鋳
物より簡単なものでよいが、粒状物質がライナ孔
内に詰まつて冷却効果をかなり減らすおそれがあ
るという欠点をもつ。これが生ずると、バンドセ
クタ全体を取換えなければならない。

さらに、新しいタービン設計において衝突冷却
系を適合させることは費用と時間の多くかかるこ
とである。バンドは高温帯条のような局所熱集中
を受けるので、十分な空気をバンドセクタと衝突
ライナとの間のプレナムに供給して高温帯条域を
冷却する必要がある（すなわち、その冷却空気流
は最高温を受けるセクタの部分によつて確定さ
れ、これは明らかに冷却空気の消費である。）あ
るいは、相異なる衝突ライナ孔型の効果を試して
みる必要があり、それぞれをセクタ鋳物にろう付
けしなければならない。これは時間のかかる方法
である。

最後に、これらの特性は、タービンが、縦軸を
中心として回転自在であり且つ環状バンドセクタ
を貫通しているタービン静翼を用いる可変面積型
のものである時、何倍も複雑になる。こうしたタ
ービンでは、静翼トランオンが冷却流体供給空洞
を貫通しているので、冷却流体の導流と漏止めに
関して困難な問題が生ずる。例えば、可変静翼ト
ランオンとバンドセクタとの間の間隙が他の冷却
流体漏洩源となる。

冷却流体の漏れをできるだけ少なくすることは
重要である。なぜなら、タービン冷却流体源は通
常エンジンの圧縮機部から抽出される空気であ
り、この空気はそれ自体圧縮機によつて仕事をさ
れたものである。しかし、漏洩空気は、間隙と割
れ目を通つて流れる際その圧力の多くを失うの
で、圧縮機によつてその空気になされた仕事の全
量を推進サイクルに戻すというわけではない。ま
た、冷却空気をガス流に再導入すると、ガス流の
全圧に損失が生ずる。この損失は、全圧が比較的
低い冷却空気を全圧の高いガス流に注入すること
に伴う運動量混合損失の結果生ずるものである。
従つて、漏れによつて失われる冷却空気の量が増
すと、推進サイクル効率の損失も大きくなる。そ
れゆえ、隣接バンドセクタ間の漏れを減らす冷却
系を用いればタービンの効率が高くなる。

従つて、本発明の主目的はタービンの隣接バン
ドセクタ間の漏れを極めて少なくする冷却系を提
供することである。

本発明の他の目的は上記のような冷却系を備え
る可変面積型タービンを提供することである。

簡略に述べると、上記の目的は流路を画成する
円形壁を形成する複数の環状壁セクタの背後にあ
る環状空洞内に中空の衝突容器を円列状に配設す
ることによつて達成される。冷却空気は自蔵圧力
容器に導かれそして、シヤワーの頭部におけるよ
うに、多孔を通つて分散し、壁セクタの背後側に
衝突する。従来の冷却系と異なり、衝突容器は、
環状壁セクタに取付けられる代わりに、あるいは
該セクタの一部として設けられる代わりに、環状
フレームによつて支持される。好適実施例では、
衝突容器は２枚の薄い板金パネルを備え、両パネ
ルは半径方向に隔てられかつ周縁に沿つてろう付
けされて内部に中空プレナムを形成する。両パネ
ルの一方は、冷却流体を通して壁セクタに衝突さ
せる多孔を備える。他方のパネルは供給管を備
え、この管は冷却空気を中空内部に導入する手段
となり、かつまた衝突容器をフレームから支え
る。衝突空気がバンドセクタに衝突する時、空気
の圧力損失が生ずる。この時、バンド背後の環状
空洞における圧力は、衝突後に生ずる圧力であ
り、これは（当業者に周知のようにバンドゼクタ
の孔を用いた）膜冷却と、隣接セクタ間の間隙漏
洩とに影響する駆動圧力である。従来の冷却系に
比べ、膜冷却用の供給圧力は実質的に変わらない
が、間隙漏洩の供給圧力は大いに低下する。さら
に、衝突容器は、可変面積静翼のトランオンの周
囲とトラニオン相互間にはまるように形成し得
る。

次に添付の図面を参照して本発明を説明する。
全図にわたつて同符号は同要素を表す。第１図は
本発明による可変面積型タービン１０の一部分の
部分断面図である。タービン１０はターボフアン
型のガスタービンエンジンの低圧タービンである
が、本明細書における「タービン」という用語
は、高圧タービンのほか、羽根によつて原動流体
からエネルギーを抽出するいかなる種類の機械も
包含する。１列のタービン動翼１２を出た高エネ
ルギーの燃焼ガスは流路１４に入る。なお、動翼
１２は簡単のため１枚だけ図示してある。流路１
４は、完全な円形をなすように複数の環状セクタ
１６で作られた外側バンドと、この外側バンドと
同心の円形をなすように複数の環状セクタ１８で
形成されるのが好ましい内側バンドとの間には、
例の周方向に離隔する可変面積タービン静翼２０
が流路１４を横切つて延在する。静翼２０も簡単
のため１枚だけ図示してある。各静翼には公知の
空冷型の翼形部２１が設けられ、翼形部の外端と
内端はそれぞれ一体の筒形トラニオン２２，２４
によつて支持されている。

次に、静翼２０の外端と関連する構造体であつ
て、静翼を片持ち式に支持しそして冷却空気を導
くものについて述べる。各静翼には翼形部２１と
トラニオン２２の間に筒形カラー２６が設けら
れ、その内面２８は、外側バンドセクタ１６の内
面３０と共に、静翼を通過する流れの通路１４を
部分的に画成するように形成されている。バンド
セクタ１６は、舌部と溝から成る滑り結合部３４
を介して外側バンド支持体３２によつて拘束され
ている。外側バンド支持体３２はその前端に半径
方向外方に突出するフランジ３６を有し、このフ
ランジは剛性の環状高圧タービンケーシング構造
体３８に取付けられている。各外側バンドセクタ
１６は、筒形壁部４０によつて画成された少なく
とも１個の凹形空洞３９を有する。壁部４０の内
端は、カラー２６の内面とセクタ１６の内面３０
の論郭に整合するように載断されている。環状フ
ランジ４２が各空洞の基部を部分的に閉ざし、そ
してカラー２６とトラニオン２２との間の直径段
部４４の座となつて静翼２０を半径方向に位置づ
ける。

外側バンド片１６の周囲には環状の構造的な抽
気マニホルド４６が存し、このマニホルドは、第
１図と第２図の好適実施例では、冷却空気を空冷
静翼２０に導き分配する手段を追加的な特徴とし
て有する構造フレームの一例からなる。マニホル
ド４６は、米国特許出願第898060に基づく昭和54
年４月３日提出の特許願(2)に詳述されている。こ
の引例の内容はそれを参照することによつてここ
に包含される。簡単に述べると、抽気マニホルド
構造体４６は一体の鋳物であり、静翼２０を適正
位置に保持するとともに、翼形部２１にかかる高
いガス荷重を受止める。マニホルド４６は、２個
の半径方向に相隔たる薄い鋳造壁４８，５０と１
対の内造補強リブ５２，５４とから成り、両リブ
は両壁間に延在して３つの軸方向に相隔たる環状
充満室５６，５８，６０を画成している。外壁４
８と関連して複数の周方向に離隔する筒形入口６
２が形成され、これらの入口は軸方向前方に突出
して、冷却流体源、例えば、軸流圧縮機の中段と
連通する。圧縮機中段からは比較的低温の空気が
抽出され、抽気導管６４を通つて後方に導かれ
る。この抽出空気は、周方向に分配されて各環状
充満室内に充満し、かくて充満室は各静翼の冷却
流体源となる。

各静翼は、対をなして整合する概して円形の隆
起部６６，６８によつてマニホルド４６内で静翼
の縦軸線を中心して回転し得るように軸受されて
いる。隆起部６６，６８にはそれぞれ、静翼トラ
ニオン２２を支承するような寸法の軸受座７０，
７２を備えるように中ぐりされている。各静翼は
直径段部４４と、皿形部を有する静翼レバー７４
とによつて拘束され、このレバーは各トラニオン
の外端の凹み７６に挿入され、また隆起部６６上
に張出した概して円形のフランジ７８を有する。
静翼レバー７４は図示のようにボルト連結８０に
よつてトラニオン２２に取付けられている。

マニホルド４６はまた軸方向に突出する延長部
８２を有する。この延長部は鋳物の一部でもある
いは鋳物に溶接された付加物でもよく、円形フラ
ンジ８４で終つている。フランジ８４は円形に配
列された複数のボルト８６によつて剛性高圧ター
ビンケーシング構造体３８に取付けられ、同時に
図示のように外側バンド支持体のフランジ３６を
押さえている。マニホルド４６、特に、マニホル
ド内壁５０と延長体８２とによつて代表される構
造フレームが、外側バンドセクタ１６の内面８８
と共に、環状室９０を画成していることに注意さ
れたい。また、バンドセクタ１６の外面３０が、
流路１４内の高温燃焼ガスにさらされ、従つて、
バンドセクタの冷却が必要であることも留意され
たい。以下に述べる本発明は、環状室９０内に配
設されて適当なバンド冷却をなす冷却系である。

第２図と第４図を参照すればわかるように、矢
印で示す冷却空気は、入口６２から直接環状充満
室５６に流入し、そこで周方向に分配される。環
状室９０内には複数の中空衝突容器９２が円列状
に配設されている。衝突容器の数はバンドセクタ
１６の数に等しいことが好ましい。これらの衝突
容器９２は自蔵圧力容器であり、第１すなわち上
側板金パネル９４と、それから隔たる第２すなわ
ち下側板金パネル９６とを備える。両パネルはそ
れらの縁９８に沿つてろう付けされ、両者間にプ
レナム１００を画成している。上側パネル９４
は、環状充満室５６と衝突容器９２の内部とを連
通させて冷却空気を衝突容器内に導入する手段、
例えば、雄形供給管１０２を備え、この供給管は
ろう付け等によつてパネルに取付けられ、そして
環状充満室５６の所で内側マニホルド壁を貫通し
ている相手の孔１０４に緊密に挿入されている。
供給管１０２はまた、孔１０４の周りのボス１０
８に当接する突出カラー１０６によつて位置決め
され、また、ある実施例では、衝突容器９２とバ
ンドセクタ１６との間に延在しそして両者のいず
れかに取付け得る隔設支持体１１０（第２図）に
よつて別の支持体をなし得る。下側パネル９６
は、冷却空気を中空内部１００からバンドセクタ
１６の内面８８に向けてそれに衝突させる多孔１
１２のような手段を有する。

従つて、運転中、衝突容器９２は、孔付きの自
蔵圧力容器として、マニホルド４６のような冷却
空気源から冷却空気を受入れそして（シヤワー頭
部のように）冷却空気をバンド外面８８に噴射し
て衝突原理によりそれを冷却する。第５図の平面
図と第２図の断面図に明示のように、衝突容器は
隣合う静翼トラニオン間にはまるように形成され
て、静翼相互間のバンド外面と、静翼上流のバン
ド周方向部分との衝突冷却を可能にする。第３図
は、衝突容器９２を静翼トラニオン２２と関連す
る筒形壁４０相互間に取付ける方法を示す。図
中、代表的な衝突容器の装着状態を実線で示し、
その取外し状態を仮想線で示す。衝突容器は構造
的に独得である。というのは、先行技術の冷却方
式と異なり、衝突容器をバンドに物理的に取付け
ないからである。さらに詳述すると、供給管１０
２と孔１０４は、衝突容器を環状室９０内に面８
８から半径方向に隔てて支持する手段の一例をな
す。一連の個別衝突容器を作ることによつて、廉
価板金スタンピングを使用でき、そして製造費は
役に立たない衝突容器を単に捨去つてもよい程安
くなるはずである。さらに、衝突容器は圧力容器
であつて、バンドセクタ１６の背後側の環状室９
０ではないので、隣接セクタ間の分割線漏洩は大
いに減少する。これは、冷却空気がバンドセクタ
に衝突する時圧力損失をこうむるからである。こ
の時、環状室９０内の圧力は、衝突後に生ずる圧
力であり、そしてバンドセクタ１６間の不可避な
間隙１１４（第６図の仮想線参照）を通る漏流に
影響を与える駆動圧力である。使用ずみの衝突空
気は、その聞環状室９０からセクタの複数の傾斜
孔１１６を通つて、従来のような仕方で外面３０
の膜冷却をなす。従つて、従来の冷却系に比べ、
膜冷却用の供給圧力は本質的に不変であり、そし
て孔１１６に対する空気供給圧力は、従来方式の
冷却と同じままであるが、隣接セクタ間の漏れの
供給圧力は大いに低下する。

以上、本発明のタービンの外側バンドセクタ１
６の冷却に適用した場合について説明したが、本
発明の概念は、内側バンドにも同等に適用し得
る。内側バンドもまた、好ましくは、完全円形に
配設された複数の環状セクタ１８からなり、この
バンドの外面１１８は高温ガス流路を部分的に画
成し、またその内面１２０は、外側環状室９０に
類似の環状室１２２を部分的に画成している。冷
却空気は、環状充満室５８から１対の向い合う孔
１２４通つて中空トラニオン２２に流入し、そし
て静翼内部通路１２６を通つて内方に流れて、公
知の仕方で翼形部２１を冷却する。この冷却空気
の一部は、矢印で示すように、一連の孔１２８を
通つて静翼後縁から流出し且つ後縁膜孔（図示せ
ず）から離れ去る。冷却空気の他の部分は内側ト
ラニオン２４の孔１３０を通つて流出し、そして
総体的に１３４で示す内側構造フレーム内の空洞
１３２に入る。フレーム１３４には誘引体１３６
が含まれ、冷却空気の一部分を半径方向内方に導
いて、矢印１３８で示すように空洞１３２から導
出し、かくて本発明とは重要な関係をもたない別
の冷却機能を果たす。フレーム１３４はまた前側
誘引構造体１４０を含み、これは舌状部と溝との
係合１４２によつてバンドセクタ１８を支持す
る。前側誘引構造体１４０はリング（環状壁）１
４４を備え、このリングは環状室１２２をさらに
画成し、また周方向に配列されたトラニオン延長
体１４６を受入れている。これらの延長体は、静
翼がその縦軸線を中心として回転し得るように、
機械孔１４７内に軸受された内側軸受部として働
く。軸受部１４６の同心孔１４８により冷却空気
は空洞１３２に入る。外側バンド冷却系に関して
述べた態様と類似の態様で、一連の中空衝突容器
１５０が環状室１２２内に円列状に配設されてい
る。衝突容器の数は内側バンドセクタ１８の数に
等しいことが好ましいが、そうでなくてもよい。

第７図と第８図は衝突容器１５０の詳細を示
す。第１すなわち上側多孔板金パネル１５２が、
第２すなわち下側板金パネル１５４に両パネルの
周縁１５６に沿つてろう付けされ、中空内部１５
８を有する圧力容器を形成している。下側パネル
は１対の供給管１６０を備え、両供給管は衝突保
持体１６２によつて構造フレームリング１４４に
取付けられている。保持体１６２は供給管１６０
にねじ込まれ、かくて供給管のカラー１６４とそ
れと協働する供持体のカラー１６６の間にリング
１４４を保持する。従つて、衝突容器１５０は環
状室１２２内において、保持体１６２とのねじ結
合によつて、壁１４４に全体的に支持されてい
る。また、第２図と第９図に明示のごとく、衝突
容器はトラニオン２４の周囲およびトラニオン相
互間にはまるように形成され、各内側バンドセク
タ１８の効果的な冷却に役立つ。運転中、静翼内
部通路１２６から空洞１３２に入る冷却空気は、
供給管１６０の内部と連通する保持体１６２の孔
１６８を通つて、衝突容器１５０内に導入され
る。その後、この空気は多孔１７０を通つて分散
し、バンドセクタ１８の内面１２０に衝突してそ
れを冷却する。次いで、この空気はセクタ貫通孔
１１６から放出され得、当業者に周知の仕方で面
１１８に沿つて冷却膜を形成する。

高温タービンの外側及び内側バンドを冷却する
のに、本発明に係る装置が均しく適用しうること
を示した。この広い発明概念を逸脱することな
く、上述の発明に一定の変更を加えられること
は、当業者には明らかなことである。例えば、固
定又は可変面積の羽根を利用するガスタービン
に、本発明を均しく適用でき、そして、事実、高
温ガス通路を形成するいかなる要素も冷却するの
に本発明を適用できる。更に、いくつかの実施例
では、衝突容器パネル（第４，６，１８図参照）
の間に１つ以上の補強ピン１７２を加えて、これ
らの自蔵圧力容器の構造上の補強をもたらすこと
が望ましくなることもありうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービンエンジンの
低圧タービン部の部分断面図、第２図はタービン
冷却空気回路を詳細に示す第１図に類似の図、第
３図はタービンセクタと可変静翼と衝突容器との
相互関係を示す分解斜視図、第４図は第１図と第
２図の外側バンド衝突容器を示す断面図、第５図
は概して第４図の線５―５に沿つて見た外側バン
ド衝突容器の平面図、第６図は第４図の線６―６
に沿う断面図、第７図は第１図と第２図の内側バ
ンドの突容器の一部分の断面図で、その装着方法
の詳細を示す。第８図は第７図の線８―８に沿う
断面図、第９図は概して第８図の線９―９に沿つ
て見た内側バンド衝突容器の平面図である。 １６，１８……それぞれ外側および内側バンド
セクタ（壁セクタ）、２０……静翼、２１……翼
形部、２２，２４……トラニオン、４６……抽気
マニホルド、５６……環状冷却充満室、９０，１
２２……環状室９２，１５０……衝突容器、９
４，１５２……上側パネル、９６，１５４……下
側パネル、１０２，１６０……供給管、１０４…
…供給管挿入孔、１１２，１７０……多孔、１３
２……空洞（冷却空気充満室）、１３４……内側
フレーム、１６２……保持体、１６８……保持体
内孔、１７２……補強ピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温ガス通路の境界をなす第１面と、環状室
   の半径方向内側部分を画成する第２面とを有する
   完全円形壁を形成する複数の環状壁セクタと、前
   記環状室内に円列をなして配設された複数の中空
   衝突容器と、冷却流体を前記衝突容器内に導入す
   る手段と、前記第２面を冷却するために、冷却流
   体を前記衝突容器から該第２面に衝突するように
   方向づける手段とを含み、各静翼が翼形部と、前
   記壁セクタを貫通しかつ前記構造フレーム内に回
   転自在に軸受されたトラニオンとを有するような
   複数の可変面積静翼を含み、また前記衝突容器が
   隣合う静翼トラニオン間にはまるような輪郭を有
   して前記第２面の隣合う静翼間の部分の衝突冷却
   に役立つタービン。 ２ 前記衝突容器を前記環状室内に前記第２面か
   ら半径方向に隔てて支持する手段を含む特許請求
   の範囲第１項記載のタービン。 ３ 前記流体方向づけ手段が、前記衝突容器の中
   空内部と前記環状室とを連通させるように該容器
   に設けられた多孔から成る、特許請求の範囲第１
   項記載のタービン。 ４ 円形に配設した前記環状壁セクタを支持しそ
   して前記第２面と共に前記環状室を部分的に画成
   する構造フレームを含み、また前記衝突容器が前
   記フレームによつて前記環状室内において前記第
   ２面から半径方向に隔たるように支持されてい
   る、特許請求の範囲第１項記載のタービン。 ５ 各衝突容器に取付けられてそれに冷却流体を
   導入する雄形支持管を含み、これらの支持管が前
   記構造フレームに設けた相手の孔に緊密に挿入さ
   れている、特許請求の範囲第４項記載のタービ
   ン。 ６ 前記構造フレームが冷却空気充満室を有し、
   また各衝突容器に設けられた供給管が前記構造フ
   レームの相手の孔に挿入されて前記充満室と前記
   衝突容器との間の連通に役立つ、特許請求の範囲
   第４項記載のタービン。 ７ 前記供給管が、前記衝突容器を前記環状室内
   に支持する手段として、前記孔内に緊密に挿入さ
   れている、特許請求の範囲第６項記載のタービ
   ン。 ８ 前記構造フレームによつて部分的に画成され
   た冷却空気充満室と、各衝突容器に連結された供
   給管と、前記供給管にねじ込まれてそれとの間に
   前記構造フレームを保持する保持体とを含み、保
   持体に前記充満室と前記衝突容器とを連通させる
   孔が形成されている特許請求の範囲第４項記載の
   タービン。 ９ 各衝突容器が、冷却流体を前記第２面に向け
   て衝突させる多孔を有する第１パネルと、この第
   １パネルから離隔してそれに連結されそして冷却
   流体を両パネル間の空間に導入する供給管を備え
   る第２パネルとから成る、特許請求の範囲第１項
   記載のタービン。 １０ 前記第１および第２パネルを相互に連結す
   る補強ピンを含む特許請求の範囲第９項記載のタ
   ービン。