JPS63289230A - ガスタービン装置 - Google Patents

ガスタービン装置

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JPS63289230A
JPS63289230A JP63109828A JP10982888A JPS63289230A JP S63289230 A JPS63289230 A JP S63289230A JP 63109828 A JP63109828 A JP 63109828A JP 10982888 A JP10982888 A JP 10982888A JP S63289230 A JPS63289230 A JP S63289230A
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    • F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc
    • 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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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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】 産業上の利用分野 本発明は、ガスタービンエンジン内の冷却空気流の制御
に係り、特に高出力運転時及び低出力運転時に於けるタ
ービンブレードのクリアランスの制御に係る。
従来の技術 ガスタービンエンジンに於てはその効率をできるだけ向
上させるべく、タービンの構成要素は最高温度限度に曝
される。タービンの構成要素の材料が高温に耐え、また
特殊な材料の使用量を低減し得るよう、メインガス流の
高温のガスに最も苛酷に曝されるタービンの構成要素を
冷却することが従来より行なわれている。かがる冷却空
気の流れはタービンの一部をバイパスし、従ってガスタ
−ビンエンジンの運転効率が低下する。高出力運転時に
は通常の低出力運転時よりも温度が高くなる。従って高
出力運転時には空気の流量を増大させて冷却効果を増大
させ、逆に多量の冷却空気が必要とはされない低出力運
転時には空気の流量を低減することが従来より知られて
いる。
タービンの回転ロータはステータとの間にある程度のク
リアランスを有していなければならない。
低出力運転時には、タービンの効率を低下させることに
なるガスのバイパスを抑制すべく、かかるクリアランス
ができるだけ低減されることが好ましい。ロータの加速
やガスタービンエンジンが搭載された航空機の加速を伴
なうことが多い高出力運転時には、離陸時の高い推力荷
重、歳差運動の荷重、温度の過渡変化に起因する歪みに
よりクリアランスを増大することが必要とされる。
従来の装置は冷却方法に焦点が合わされており、クリア
ランスに影響するロータの膨張や収縮については十分な
考慮が払われていない。
発明の開示 本発明の目的は、冷却空気の必要量を低減し、また低出
力及び高出力運転時に於ける必要性に応じてクリアラン
スを制御し得るよう、高温の構成要素の冷却と同時にタ
ービンのボア部材の温度を変化させることである。
巡航時の如き低出力運転時に於ける冷却流体通路は、実
質的に圧縮機の吐出口より冷却空気を取出し、それをラ
ビリンスシールを経て導き、高圧タービンのロータディ
スクに接触した状態にて導く。かかる高温の空気の一部
は低温のロータのボア部材に接触した状態を継続し、こ
れらの冷却空気の流れは最終的には高温の構成要素を冷
却する。
高温の空気を使用することによってロータのボア部材が
膨張せしめられ、これによりクリアランスが低減される
。
離陸時の如き高出力運転時には、多量の冷却空気が必要
とされ、かかる多量の冷却空気は圧縮機の低圧段に配置
された低温供給源より供給される。
かかる低温の空気流は高温の空気流と混合し、その流量
を増大するだけでなく、従来の場合よりも温度が低下す
る。かかる比較的低温の空気流は低出力運転時に存在す
る高温の空気よりも効果的に高圧タービン及び低圧ター
ビンを冷却する。従ってかかる高出力運転時にはタービ
ンが収縮せしめられ、これによりクリアランスが増大さ
れる。
圧縮機の吐出口よりラビリンスシールを経て漏洩する高
温の空気の一部はシンクへ排出され、これにより通過す
る空気の流量が低減され、これにより低温の空気を導入
することにより行なわれる冷却の有効性が増大されてよ
い。
高出力運転時に於ける低温のロータの冷却効果は、圧縮
機の更に低圧の段より取出される空気を使用し、更に一
層低い温度の空気をシールのすぐ上流側にて低圧タービ
ンのボア部材に導くことによって更に向上される。
通常の低出力運転時には高温の空気のみを使用すること
により、クリアランスが最小限に抑えられ、従って長期
間に亘り最高の効率にてエンジンが運転される。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。
発明を実施するための最良の形態 第一の軸１０が低圧タービンのボア部材１２を担持して
おり、該ボア部材は低圧タービンの複数個のブレード１
４を担持している。軸１０と同心の第二の軸１６が圧縮
機１８のロータ及び高圧タービンのディスク２０を担持
しており、ディスク２０は高圧タービンの第一段のブレ
ード２２及び第二段のブレード２４を担持している。
圧縮機１８により圧縮された空気はディフュザ２６を通
過して燃焼室２８へ流入し、該燃焼室内に於て燃料が燃
焼される。メインガス流を形成する高温のガスは燃焼室
より第一段のベーン３０、ブレード２２、第二段のベー
ン３２、第二段のブレード２４を通過し、低圧タービン
３４へ至る。
これらの高温のベーン及びブレードはタービンのかかる
高温の領域に配置されたシールと同様冷却されることを
要する。
低出力運転時には、高温の冷却流体の流路がこれら種々
の構成要素を冷却するために形成される。
高圧圧縮機の出口プレナム３６が全圧及び約１０００下
（５３８℃）の温度にて内部に空気を収容している。ラ
ビリンスシール３８を経て漏洩する空気流が高圧プレナ
ム４０へ流入する。この空気はシール３８を通過する際
に約１１００下（５９３℃）の温度に加熱される。矢印
４２は高圧プレナム４０へ流入するかかる空気流を示し
ている。
符号４３にて示されている如く、空気はラビリンスシー
ル４４を通過し、更に矢印４６により示されている如く
混合プレナム４８へ流入する。この空気は矢印４９によ
り示されている如く、軸受ケース５２のための支持構造
体５０に設けられた多数の孔を通過する。
第一段のブレード２２のための冷却空気は接線方向に延
在するオンボード型ノズル５４を経て供給され、プレナ
ム５６を通過する。この空気の一部はラビリンスシール
５８を経て漏洩し、かくして漏洩する空気流６０は上流
の流路内を流れる空気流４９と混合する。この空気流は
矢印６２により示されている如く、高圧タービンのディ
スク２０を通過してプレナム６４内へ流入し、ソノ空気
流の一部は矢印６６にて示されている如く第二段のブレ
ード２４及びこれに関連するシールを冷却する。空気流
の残りの部分は矢印６８により示されている如く、他の
タービンディスク７ｏを通過して中間圧力室７２へ流入
する。この空気はディスク２０及び７０に接触した状態
で流れる際にこれらのディスクを加熱し、これによりロ
ータの膨張量を決定する。この空気流は高温であるので
、ブレードとステータとの間及びベーンとロータとの間
のクリアランスが低減される。
Ｃ形シール７４の形態をなす緩いシールにより中間圧力
プレナム７２よりメインガス流内へ空気が漏洩すること
が許され、このシールにより中間圧力プレナム７２内の
圧力がメインガス流内のその位置の圧力に制御される。
矢印７６により示されている如く、冷却空気流の一部が
ラビリンスシール７８を経て低圧タービンのボア部材８
０の領域内へ流入する。この空気流はボア部材８０内よ
り種々の孔やクリアランスを経てメインガス流内へ流入
する。
圧縮機の低圧段内のラビリンスシール８２により、冷却
空気は渦発生防止チューブ８４を経て流れることができ
、この空気流の一部８６は圧縮機のロータシールを通過
する。またこの空気流の他の一部８８はロータ軸の間の
クリアランス９０を通過して中間圧力室７２へ流入する
。高出力運転時には、種々の構成要素を冷却するために
多量の低温の空気が使用される。プレナム１０２がブリ
ード点１０４より比較的低温の空気を受ける。この空気
の温度は８００下（４２７℃）程度である。
高出力運転時には弁１０６が開弁され、これによりかか
る低温の空気が導管１０８及び１１０を経て混合室４８
へ流入する。この空気はプレナム４８へ流入する高温の
空気４６と混合して低温且多ユの空気４９を形成し、該
空気は上述の如く冷却流体通路の残りの部分を通過する
。
排出導管１１２により、プレナム４０よりの高温の空気
の一部が導管１１４を経て第二段のベーン３２の領域へ
放出される。この高温の空気は他のシンクへ排出されて
もよく、その主たる目的は、空気流４２に比して空気流
４３の流量を低減し、これにより低温の空気流１１６と
混合される高温の空気４６の流量を低減することである
。
高出力運転時には、弁１０６が開弁することにより追加
の冷却空気が導管１１４を経て第二段のベーン３２へ供
給される。図示の如く、高圧室プレナム４０より空気を
排出させる導管１１２が常に開かれており、これにより
冷却空気の流れは第二段のベーンを冷却することができ
る。作動の種々の出力レベルに於ける冷却要件に応じて
、この導管は開かれた状態に維持されてもよく、また冷
却空気１１６が混合室４８内へ導入される場合にのみ開
かれるよう弁により開閉されてもよい。
高出力運転時には、圧縮機の低圧段よりの空気流の流量
を増大させることにより、中間圧力プレナム７２内へ流
入する空気の温度を更に低減することが可能である。低
圧段プレナム１２０が通路１２２よりブリード空気を受
ける。弁１２４が開弁され、これにより導管１２６内を
流れる空気流がベーン１２８内を通過し、これにより渦
流発生防止チューブ８４内を流れる漏洩空気流と混合す
る。このことにより中間圧力プレナム７２内へ流入する
低温の空気８８の流量が増大される。このことにより低
圧タービンのボア部材８０へ流入する空気７６の温度が
更に低減される。
弁１０６が開弁されることにより追加の低温の冷却空気
が導かれる場合には、矢印６２及び６８に示されている
如く高圧タービンのディスクを通過する空気流の流量が
増大され、これにより流路全体に亘り圧力が増大される
。このことによりラビリンスシールを通過する冷却空気
の漏洩量が僅かに低減され、従って高温の空気の混合が
更に低減される。またこのことにより室６４内の圧力が
増大され、これにより第二段のブレード２４を冷却する
空気流６８の流量が増大される。
この冷却空気流は高圧タービンのボア部材やロータディ
スク２０及び７０と密に接触した状態にて流れるので、
低出力運転時に於けるボア部材の温度は高出力運転時に
於けるボア部材の低い温度に比して比較的高くなる。こ
のことによりボア部材が膨張せしめられ、従って高出力
運転時にはクリアランスが増大され、低出力運転時には
クリアランスが低減される。
高出力運転時には、メインガス流の温度はかかる高温の
ガスが中間圧力プレナム７２内に於ては好ましくない程
に高い温度になる。従って多ニの空気流１３０がＣ形シ
ール７４を通過し、これにより高温のガスがプレナム７
２内へ流入することが阻止される。シール７４のクリア
ランスは小さいので、このことによっては符号７６によ
り示されている如く低圧タービンのボア部材内へ流入す
る空気流の流量が殆ど変化されない。冷却空気流の流量
が高いことは低圧タービンへ流入する空気流の流量に影
響を及ぼさないが、この冷却空気の温度が低下すること
により低圧タービンのディスク８０が冷却され、これに
より高出力運転時に於けるクリアランスが増大される。
低出力運転時には、空気流１３０の流量がＣ形シール７
４を通過する名目的な流量に低減される。
二の場合メインガス流のガスがシール７４を経てプレナ
ム７２内へ流入し、これによりプレナム７２内の温度が
更に上昇される。このことにより低圧タービンへ流れる
空気流７６の温度が増大され、従ってディスク８０の温
度が上昇される。このことにより低出力運転時に於ける
タービンのクリアランスが低減され、これによりガスタ
ービンエンジンの効率が向上される。
低圧圧縮機の各段よりの低温の空気を使用することによ
り必要な空気流の量が低減され、また空気を圧縮するに
必要な動力が低減される。上述の冷却方法を採用するこ
とにより、低出力運転時に於る高圧タービンのボア部材
の温度が高出力運転時に比して約６５下（３６℃）低減
される。このことにより低圧タービンのボア部材の相対
温度が高温のガスの流入がない場合には５０下（２７゜
８℃）、高温のガスの流入がある場合には更に一層高く
される。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
添付の図はガスタービンエンジンの要部をその中央部を
通る平面にて切断して示す断面図であり、冷却空気の流
路と共に圧縮機、高圧タービン、及び低圧タービンを示
している。 １０・・・第一の軸、１２・・・低圧タービンのボア部
材、１４・・・ブレード、１６・・・第二の軸、１８・
・・圧縮機、２０・・・ディスク、２２．２４・・・ブ
レード。 ２６・・・ディフューザ、２８・・・燃焼室、３０．３
２・・・ベーン、′３４・・・低圧タービン、３６・・
・出口プレナム、３８．４４・・・ラビリンスシール、
４８・・・混合プレナム、５０・・・支持構造体、５２
・・・軸受ケース、５４・・・ノズル、５６・・・プレ
ナム、５８・・・ラビリンスシール、６４・・・プレナ
ム、７０・・・ディスク。 ７２・・・中間圧力室、７４・・・Ｃ形シール、７８・
・・ラビリンスシール、８０・・・ボア部材、８２・・
・ラビリンスシール、８４・・・チューブ、９０・・・
クリアランス、１０２・・・プレナム、１０４・・・ブ
リード点、１０６・・・弁、１０８．１１０・・・導管
、１１２・・・排出導管、１１４・・・導管、１２０・
・・プレナム、１２２・・・通路、１２４・・・弁、１
２６・・・導管、１２８・・・ベーン 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 多段圧縮機と、 タービンステータを有するタービンと、 ボア部材を有するタービンロータと、 高圧プレナムと、実質的に前記圧縮機の出口より前記高
    圧プレナムへ高温の空気を絞られた状態で供給するラビ
    リンスシール手段と、混合プレナムと、前記高圧プレナ
    ムより前記混合プレナムへ空気を絞られた状態で通すラ
    ビリンスシール手段と、前記混合プレナムより前記ボア
    部材に接触した状態にて空気を搬送し、しかる後その空
    気をメインガス流中へ放出する手段とを含み前記ボア部
    材に接触した冷却流体通路と、 前記圧縮機の低圧段より前記混合プレナムへ低温の空気
    を通す手段と、 を含むガスタービン装置にして、 前記低温の空気を通す手段は低温の空気を前記混合プレ
    ナムへ直接搬送する遮断されることのない手段と、 前記低温の空気の流れを遮断しその流量を制御する弁装
    置と、 を含むガスタービン装置。
JP63109828A 1987-05-05 1988-05-02 ガスタービン装置 Expired - Lifetime JP2700797B2 (ja)

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US07/046,069 US4815272A (en) 1987-05-05 1987-05-05 Turbine cooling and thermal control
US46069 1987-05-05

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