JPS63502913A - ターボマシンの熱的に負荷のかかる構成要素の冷却方法，該方法の実施のための装置及び熱的に負荷のかかる羽根の構成 - 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】 ターボマシンの熱・に負荷のかかる構　素の冷却　法、咳　法の　方のための装 置　び熱的に負荷のかかる羽根の構成 本発明はターボマシンの熱応力を受けた構成エレメントを冷却する方法と、この 方法を実施するための装置と、熱応力を受けた羽根の設計とに関するものであっ て、冷却空気が羽根の内壁を通って流れ、境界層の近（の羽根のケーシングにお ける小さな開口部を通して排出する。

固定ターボマシンの場合と、これが駆動装置として陸上、海上及び空中の乗り物 に取付けられている場合、羽根及び燃焼室のような特定の構成エレメントが熱ガ スによって高い応力を受けるという事実によりしばしば問題を生じている。航空 機の動力装置では、例えば、熱ガスの流れが回転羽根と固定羽根を通り、その温 度は、例えば始動時には１３８０℃、又、巡航速度飛行では１１７０℃になるこ とがある。このような温度では、羽根が熱応力で損傷したり破損したりしないよ うに冷却する必要がある。このために、始動時は５８５℃、巡航速度飛行では４ ７０℃の温度で、且つ各々２９バール及び１１バールの圧力で、冷却空気が例え ば高圧圧縮機から取り出されて、特殊な挿入物により羽根へ送られる。

本発明の目的は、動力駆動による冷却装置を別に必要とせずに、ターボマシンの 熱応力を受けた構成エレメントを冷却するための特定の冷却力を増加せしめる方 法及び装置を示すことにある。

本発明によれば、この目的は、冷却空気が、両端部において二つのチョークエレ メントを有していてこのチョークエレメントの間にある円筒渦巻室から構成され る渦巻管に、オリフィス板状流入部を有する一方のチョークエレメントの近傍で 接線方向に流入し、冷却空気の流れが二つに分けられ、その一方はオリフィス板 状流入部を有するチョークエレメントを流れた後、渦巻管へ流入する冷却空気の 温度に関連して冷却せしめられて、冷却されるべき壁面へ供給され、他方の冷却 空気の流れを構成エレメント部から排出せしめることにより達成される。

冷却されるべき構成エレメントは燃焼室及び／又は羽根である。一方のチョーク エレメントから出た加熱された冷却空気の分流は主ガス流へ送られる。これは羽 根の寿命を長くするばかりでな（、ターボマシンの運転費も低減することになる 。航空機の動力装置の場合には、例えば、この構成によって主ガス流の温度を増 大することができるので、動力装置の効率が向上する。その代りに、燃焼室の温 度を上昇せしめることも可能なので、ターボマシンの効率が向上し、或いは羽根 を燃焼室ノズルに更に近づけて位置決めすれば、ターボマシンの大きさと重量を 減らすことができ、又は羽根の材料費を節減することができる。これもコストの 削減になる。

デフユーザーを有する渦巻管を使用することも可能である。この結果は、両端部 から出る空気が渦を管へ供給された空気より冷却されるということになる。渦巻 管の長さとデフユーザーの角度の大きさとは、予め定められた差圧、ガス量３通 過するガスの温度及び所要の温度降下の大きさによって決まる。デフユーザーを 有する渦巻管の場合にも、冷却空気は渦巻管の円筒部へ接線方向に導入され、そ こで冷却空気の分流がデフユーザーを通り、一方冷却空気の他の分流はオリフィ ス板状チョークエレメントを通過する。冷却された冷却空気の分流は再び合流し て冷却されるべき壁面を通る。

本発明の他の特徴は従属する特許請求の範囲に記載されており、以下の図面に示 された実施例に関連して詳細に述べられている。

第１図は羽根を冷却するための装置の概略図：第２図及び第３図は二つの羽根の 断面を示す概略側面図； 第４図は他の羽根の断面を示す概略側面図；第５図はターボマシンの熱応力を受 けた構成部品を冷却するための渦巻管の他の構造を示す図；そして第６ａ図及び 第６ｂ図は第５図による渦巻管の渦巻室ハウジングの平面図及び側面図である。

第１図は羽根を冷却するための装置の概略図である。

空気源４例えば圧縮機からの冷却空気は、主ガス流チャンネル１３及び冷却空気 チャンネル１２を通してオリフィス板６０近くで、渦巻管５の管体１８へ接線方 向に注入される。管体１８は渦巻室１７を形成している。主ガス流チャンネル１ ３は、例えば航空機動力装置用冷却空気の流れとして使用される圧縮機空気を搬 送する。オリフィス板６の近傍では、接線方向に向けられた流入ノズル７により 渦巻管５の管体１８内で空気の渦巻流が生じる。渦巻管５は、オリフィス板６以 外に、オリフィス板６から離れた管体１８の端部に位置するノズル状チョークエ レメント１１を含んでいる。管ｓ内で形成される空気の渦はコア部と外側区域か ら構成されていて、コア部の温度は流入ノズル７から入って（る冷却空気の入口 温度より低く、外側区域の温度は高い、冷却されたガスは流入ノズル７に隣接し ているオリフィス板６を通して渦巻管５を離れる。管路１９が冷却空気出口８か ら接続片２０を経て羽１１に通っている。加熱空気出口ｌＯはノズル状チョーク エレメント１１に位置していて、管路２１により、例えば主ガス流チャンネル１ ３ち接続されている。

羽根１はターボマシンの高圧、中圧及び低圧領域に通常使用されるものである（ 第２図及び第３図）、この羽根は、複数の流れ偏向区域を含んでいるラビリンス 式冷却チャンネル９を有する中空体から構成されている０羽根のケーシング２２ と端部キャンプ２３との特定な場所には、羽根の内部から冷却空気が流出し得る 開口部１４が位置決めされている。開口部１４は好ましくは羽根の先端縁部に位 置決めするとよ（、排出冷却空気の圧力は境界層の流れが関連する羽根の外面に 形成されるように選定される。

動力装置の回転羽根及び／又は固定羽根の各々に渦巻管５を設けることが可能で ある。更に、動力装置の多（の回転羽根及び／又は固定羽根を一つの渦巻管５か らの冷却空気出口に接続することもできる。動力装置が大きい場合には、渦巻管 からの冷却空気出口８が一つの羽根だけに接続されるように、動力装置の回転羽 根及び／又は固定羽根の各々に渦巻管５を一つづつ設けることが望ましい。

各羽根に渦巻管５を設けることも可能であって、この管は冷却空気流３により冷 却空気チャンネル１２を通して冷却空気を有している。この構成でも、空気はオ リフィス板６を流れた後更に冷却されて、羽根１の冷却チャンネル９に入り、羽 根ケーシング２２を冷却する。排出する冷却空気は開口部１４を通して羽根から 流出し、例えば、ガスの流れと混合する。チョーク側の出口１０から排出する加 熱空気は搬送せられて、これもまた例えばガスの流れと混合する。

第４図に示すように、渦巻管５は挿入物１５の形で羽根１に取付けられている。

出口８から排出する冷却空気は冷却チャンネル９へ導入される。出口１０から排 出する加熱空気は、主ガス流１６が通る区域における主ガス流チャンネル１３へ 送られる。

二重壁環状燃焼室も、一つ又はそれ以上の渦巻管５により同じようにして冷却さ れ得る。この場合、冷却空気の流れは・分離ウェブで別々の冷却チャンネルに分 けられている環状燃焼室の円形チャンネルへ送られる。関連する渦巻管に必要な 圧縮空気は環状燃焼室を冷却するために使用される冷却空気から取り出されるか 、又は羽根を冷却するために記述したようにして得られる。

本発明の他の構成によれば、前記適用に関して、加熱空気出口１０がデフユーザ ー３３によって冷却空気出口８ａに変えられている渦巻管２５を使用することが 可能である。渦巻管２５は、第５図乃至第６ｂ図に略示されているが、この渦を 管の端部から出る空気はそこへ供給される空気よりも冷却されるという利点を有 している。

渦巻管の長さとデフユーザーの角度とは、所定の差圧。

ガス量、導入されるガスの温度及び所要の温度降下によって定まる。第５図に示 す渦巻管は、渦巻スペース２７を含む渦巻室ハウジング２４から構成されており 、渦巻スペース２７は渦巻室ハウジング２４に接線方向に配置された流入ノズル ７と連通している。この渦巻スペースはハウジング２４の中心線２８と共軸に配 置された二つの流れ出口開口２９．３０も含んでいる。デフユーザー３３の流入 開口の直径、即ち流れ出口開口２９の直径は渦巻スペース２７の直径より小さい ので、開口２９はデフユーザ−３３のオリフィス板状流入部５１を形成している 。必要ならば、流れ出口開口２９の直径を渦巻スペース２７の直径と同じにする こともできるが、この場合には、開口２９はオリフィス板状流入部を形成しない ことになる。デフユーザー３３は渦巻室ハウジング２４に螺合せしめられている ねじ付端部４１を有している。デフユーザー３３の勾配は１：１０である。この デフユーザーの端部３６はおねじ３７を有するフランジ３１を含んでいる。この フランジはオリフィス板６を受けるための凹部３８も含んでいる。オリフィス板 ６はフランジ３１に螺合せしめられるフランジ３９によって保持されて、フラン ジ３１に取付けられる。フランジ３９には配管コネクター４０が冷却空気出口８ ａとして取付けられている。オリフィス板状チョークエレメント４９は配管コネ クター４０とオリフィス板６とを有するフランジ３９によって形成されているが 、例えばオリフィス板６のみ、又はフランジ３９と配管コネクター４０とを有す る配管出口５３のみを使用し得るように設計を変えてもよい。

流れ出口開口３０は、ノズル３２で形成されているオリフィス板状チョークエレ メント４８のオリフィス板状流入部５０を形成している。ノズル本体２６は渦巻 室ハウジング２４の凹部４７に螺合せしめられている。流れ出口開口３０を流れ る空気の分流はノズル３２のノズルチャンネル３４を通して冷却空気出口８へ搬 送される。ノズル角度３５は、例えば３〜５度でよい。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．冷却空気が熱を受けた構成エレメントの壁面を通って流れる、ターボマシン の熱応力を受けた構成エレメントを冷却する方法において、冷却空気が、両端部 において二つのチョークエレメントを有していて該チョークエレメントの間にあ る円筒渦巻室から構成される渦巻管に、オリフィス板状流入部を有する一方のチ ョークエレメントの近傍で接線方向に流入し、冷却空気が二つの分流に分けられ 、その一方はオリフィス板状流入部を有するチョークエレメントを通って流れた 後、該渦巻管へ流入する冷却空気の温度に関連して冷却せしめられて、冷却され るべき壁面へ供給され、他方の冷却空気の分流は構成エレメント部から排出せし められるようにしたことを特徴とする方法。 ２．冷却空気の他方の分流がノズル状チョークエレメントを通って流れ、該渦巻 管へ流入する冷却空気の温度に対して加熱せしめられた渦巻管から流出すること を特徴とする、請求の範囲１に記載の方法。 ３．冷却空気の他方の分流が、該渦巻管へ流入する冷却空気の温度と同じか、又 はそれ以下の温度で、チョークエレメントを通してデフューザーの形の渦巻管か ら流出することを特徴とする、請求の範囲１に記載の方法。 ４．冷却空気の他方の分流が、オリフィス板状流入部及び／又はチョーク状流出 部を有するデフューザーを通して渦巻管から流出することを特徴とする、請求の 範囲３に記載の方法。 ５．渦巻管から出る冷却空気の分流が一体化されて、冷却されるべき壁面を通る 冷却空気の単一流になることを特徴とする、請求の範囲１，３又は４に記載の方 法。 ６．チョークエレメントを通して流出する加熱された冷却空気の分流が冷却空気 と混合せしめられるか、又は主ガス波を通ることを特徴とする、請求の範囲２に 記載の方法。 ７．冷却空気が羽根に導入され、羽根ケーシングの内壁を通ってダクトを流れ、 境界層区域における該羽根ケーシングの小さな開口部から出る、ターボマシンの 熱応力を受けた羽根を冷却する方法において、渦巻管から出る冷却された冷却空 気の分流、又は冷却空気の流れがターボマシンステージの回転羽根及び／又は固 定羽根を通過することを特徴とする、請求の範囲１に記載の方法。 ８．渦巻管からの冷却された冷却空気の分流、又は冷却空気の流れがターボマシ ンステージの多数の回転羽根及び／又は固定羽根を通して流れることを特徴とす る、請求の範囲７に記載の方法。 ９．渦巻管からの冷却された冷却空気の分流、又は冷却空気の流れがターボマシ ンステージの各回転羽根及び／又は固定羽根を通して流れることを特徴とする、 請求の範囲７に記載の方法。 １０．ターボマシンステージの各回転羽根及び／又は固定羽根において、渦巻管 が使用されて冷却空気によって作用せしめられ、該渦巻管から出る冷却された冷 却空気の分流、又は冷却空気の流れが羽根を通るようにした、請求の範囲９に記 載の方法。 １１．ファン空気及び／又はラム空気が渦管管へ供給されるべき冷却空気として 使用される、請求の範囲１に記載の方法。 １２．二重壁環状燃焼室を冷却する方法において、渦巻管から出る冷却空気の分 流、又は冷却空気の流れが環状燃焼室の円形チャンネルに導入され、該燃焼室の 内壁を通って流れた後、排出されるか、又は該燃焼室によって加熱された空気の 流れと混合せしめられることを特徴とする、請求の範囲１，６又は１１に記載の 方法の適用。 １３．冷却空気の空気源（４）が、接線方向に向けられている冷却空気用法人ノ ズル（７）をオリフィス板状チョークエレメント（４８）の全面に設けている渦 巻管（５）に接続されており、該チョークエレメント（４８）の後の冷却空気出 口（８）が熱応力を受けた構成エレメントの冷却チャンネル（９）に接続され、 ノズル状チョークエレメント（１１）の加熱空気出口（１０）が冷却空気チャン ネル（１２）又は燃焼室の後の主ガス流チャンネル（１３）に接続されているこ とを特徴とする、請求の範囲１乃至１１の何れかに記載の方法を実施するための 装置。 １４．冷却空気の空気源（４）が、渦巻管（２５）の渦巻室ハウジング（２４） の接線方向に配置された流入ノズル（７）に接続されており、渦巻室ハウジング （２４）の渦巻スペース（２７）はその中心線（２８）と共軸に配置された二つ の流れ出口開口（２９，３０）を含み、該開口の一方はオリフィス板状チョーク エレメント（４８）と連合し、他方はデフユーザー（３３）の形でチョークエレ メントと連合していることを特徴とする、請求の範囲３乃至１２の何れかに記載 の装置。 １５．チョークエレメント（４８）がオリフィス板（６）、又はオリフィス板状 流入部（５０）を有するノズル（３２）の形状をなしていることを特徴とする、 請求の範囲１３又は１４に記載の方法。 １６．デフユーザー（３３）がオリフィス板状流入部（５０）を含んでいること を特徴とする、請求の範囲１４に記載の装置。 １７．オリフィス板状チョークエレメント（４９）がデフユーザー（３３）の流 出端部（３６）に配置されていることを特徴とする、請求の範囲１４に記載の装 置。 １８．チョークエレメント（４９）が一つ又はそれ以上の開口部（５２）を有す るオリフィス板（６）の形状及び／又は管状入口（５３）の形状をなしており、 その管状接続部（４０）はデフユーザー（３３）の流出断面より小さな断面を有 していて、該デフユーザー（３３）の端部（３６）を覆うフランジ（３９）に挿 入されていることを特徴とする、請求の範囲１７に記載の装置。 １９．オリフィス板状チョークエレメント（４９）の後に配置されている冷却空 気出口（８ａ）及びオリフィス板状チョークエレメント（４８）からの冷却空気 出口（８）は、共に接続されて混合冷却空気出口（４３）を形成していることを 特徴とする、請求の範囲１４に記載の装置。 ２０．冷却チャンネル（９）を含んでいるターボマシンステージの所定数の回転 羽根及び／又は固定羽根（１）が、渦巻管（５）の冷却空気出口（８）、又は混 合冷却空気出口（４３）に接続されていることを特徴とする、請求の範囲１３乃 至１９に記載の装置。 ２１．冷却チャンネル（９）を含んでいるターボマシンステージの各回転羽根及 び／又は固定羽根（１）が、渦巻管（５）の冷却空気出口（８）、又は混合冷却 空気出口（４３）に接続されていることを特徴とする、請求の範囲１３乃至１９ に記載の装置。 ２２．機関が作動中の時、熱応力を受け、羽根に形成されている冷却チャンネル を通して冷却空気で冷却されるように構成されていて、該冷却空気は羽根の壁部 の小さな開口部から排出されるターボマシン用羽根において、渦巻管（５，２５ ）が羽根（１）に配置されていて、オリフィス板状チョークエレメント（４８） の近傍で接線方向に配設されているその流入ノズル（７）が冷却空気チャンネル （１２）に接続され、冷却空気の一方の分流はそこから該チョークエレメント（ ４８）を通って流れて更に冷却された後、該羽根（１）の冷却チャンネル（９） に入り、冷却空気の残りの分流は加熱空気としてノズル状チョークエレメント（ １１）の加熱空気出口（１０）を通して出ることを特徴とする、ターボマシン用 羽根。 ２３．機関が作動中の時、熱応力を受け、羽根に形成されている冷却チャンネル を通して冷却空気で冷却されるように構成されていて、該冷却空気は羽根の壁部 の小さな開口部から排出されるターボマシン用羽根において、冷却空気チャンネ ル（１２）に接続された流入ノズル（７）が接線方向に整合している渦巻室ハウ ジング（２４）を有する渦巻管（２５）が羽根（１）の中に配置されていて、渦 巻室ハウジング（２４）の渦巻スペース（２７）がその中心線（２８）と共軸に 配置された二つの流れ出口開口（２９，３０）を含み、該開口（２９，３０）の 一方はデフユーザーに接続され、他方はオリフィス板状チョークエレメント（４ ８）に接続されていることを特徴とする、ターボマシン用羽根。 ２４．デフユーザー（３３）にはオリフィス板状流入部（５１）が配置されてお り、及び／又は端部（３６）の流出側には更にオリフィス板状チョークエレメン ト（４９）が設けられていることを特徴とする、請求の範囲２３に記載の羽根。 ２５．渦巻管（５，２５）が羽根（１）に取り外し可能に挿入されている挿入片 （１５）で形成されていることを特徴とする、請求の範囲２２乃至２４に記載の 羽根。