JP3592387B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンエンジン用のロータブレードに関し、特に、ロータブレードと外側エアシールの間隙を受動調整する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空学の分野では周知のように、ロータブレードの効率、特に、ガスタービンエンジンのタービンブレードの効率は、ロータブレードの先端と外側エアシールまたは先端を囲むシュラウドとの間でエンジンの作動媒体が漏れると、悪影響を受ける。作動媒体が漏出しない場合には作動ブレードを通過し、それ以外の場合には漏出する媒体からのエネルギーは明らかにロスであり、ロータ部の性能の低下、延いてはエンジン性能の低下につながる。過去数年に渡り、ロータブレード先端と外側シュラウド、すなわち外側エアシールの隙間を能動クリアランス調整または受動クリアランス調整によって狭くし、エンジンの性能を高くする試みが数多く成されてきた。
【０００３】
能動クリアランス調整には、ロータアセンブリの構成部品を加熱または冷却してケースまたはロータディスクもしくはロータブレードを収縮または膨脹して構成部品のいずれかを他方に近付けたり他方から離したりするように媒体を調整して効率良く間隙を狭める開ループまたは閉ループ制御される外部の調整機構を備える。能動クリアランス調整では、エンジンに損傷を与える恐れがある摩擦を避けるため、構成部品が急速に異なる速度で膨脹するピンチポイントを回避しなければならないことは明らかである。能動クリアランス調整については、米国特許第４，０６９，６６２号などで開示されている。
【０００４】
本発明の趣旨である受動クリアランス調整では、エンジンに利用できる作動媒体または冷却媒体を利用し、ブレード先端と外側エアシールの間の間隙を効果的に狭める。受動クリアランス調整は、例えば米国特許第４，３９０，３２０号や米国特許第４，８６３，３４８号などで開示されている。これらの各特許は、冷却空気を注入してブレードの内側から緩衝ゾーンを効果的に形成する位置に排気しガス経路からの漏出を防ぎブレードの作動領域をバイパスする位置まで排出して、空力的に間隙を効率良く狭める手段を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ロータブレードと静的構造の間には、ある程度のクリアランスがある。本来、空力的にロータブレードでは、ブレード先端全体の静圧が異なるので、主流から漏出したガスはブレードの作動領域を迂回して間隙を通じて流れることは理解できよう。この先端の漏れは、ロータ部内およびエンジン内のエネルギー損失が生じる最大唯一の原因である。周知のように、ある場合には、クリアランスは過渡的な条件または機械的な制限によって定まるので、設計者はクリアランス、ならびにこのクリアランスが原因で生じる短所を許容しなければならない。
【０００６】
従来から知られる設計では、冷却空気がロータブレード内側からブレードの圧力面に排出されると、緩衝ゾーンが生じるので、物理的クリアランスは同じままで効果的に間隙は狭まる。この受動的クリアランス調整は、ロータ部の効率を高めることは明らかである。しかし、この設計は内部に冷却空気を多量に供給されるタービン（例えば機尾のエンジンの燃焼機に設置したタービン）の第１のブレードには適しているが、冷却空気が供給されないロータや十分に供給されないロータには不適切であり、又は利用できない。つまり、冷却されない露出されたブレード、少量の空気で根元を冷却するものの先端は冷却しないブレード、あるいは先端は冷却するが受動クリアランス調整を行うには空気が不十分であるブレードには、同様の受動的クリアランス調整は適用できない。
【０００７】
例えば図２は、軸流型ガスタービンエンジンのタービンブレード１０の縦軸に沿った部分断面図である。複数の同形のブレード１０が、周知の態様でもってタービンロータの周辺円周上に間隔を空けて位置している。図示のように、このブレード１０は圧力面１４に沿って間隔をあけて位置するフィルム冷却孔１２（一つのみを図示する）と、先端部１８の先端冷却孔１６（一のみを図示する）とを有し、各孔１２、１６はブレード１０の内部に形成した冷却媒体を送る供給通路２０に通じている。外側エアシール、もしくはシュラウド２２は複数のブレード１０を囲んでいる。シュラウド２２とブレード１０との間に生じる間隙２４は過渡的なエンジン運転条件、および定常運転条件とでに変化する。空力的にブレード１０先端には静圧差が生じ、矢印Ａで示すエンジンガス流の主流から実際の間隙２４を通過して漏れが起こる結果、タービン部の航空学的効率は低下する。このような効率の損失は、エンジン全体の性能に反映され、エンジン設計者が課題とする制約であった。
【０００８】
従って、受動クリアランス調整手段等の特別な手段を講じて過渡時、もしくは構造的に生じる間隙２４を取り除かなければ空力学的に劣る設計になる。
【０００９】
漏れを低減する方法の１つは、ブレード１０から排出する冷却媒体を利用する受動クリアランス調整法である。
【００１０】
図３に示したように、冷却媒体は、先端と圧力面に向けて排出される。この場合、冷却媒体は内部通路３０に通じている孔２８を通じて排出される。図３は、縦の軸線に沿って描いた他のブレードの断面図である。ここで、冷却媒体は内部通路３０に通じている孔２８を通って排出されている。
【００１１】
図から明らかなように、孔２８は、先端３２と圧力面３４に隣接し傾斜を成して冷却媒体を排出する。これは、間隙２４の入口近傍でせき止め作用を発揮し、エンジンのガス流が間隙２４に進入する際の障害として機能する。これによって、物理的クリアランスが同じであっても、実質的な間隙２４を効率良く狭くすることができ、この部分の空力特性を高める。
【００１２】
このように、冷却空気を使用して効果的にクリアランスを狭くすることで、第１のステージのタービンブレードはうまく作動する。しかしながら、露出したブレードや根元を少量の空気で冷却するものの先端を冷却しないブレードの場合には、先端のクリアランスを閉鎖するため利用できる冷却空気がなく、冷却空気による先端クリアランス調整を達成することができない。
【００１３】
以上のように、従来の受動クリアランス調整は、ブレードのロータの翼が中実状であったり、または冷却媒体が利用できないかもしくは受動クリアランス調整するには十分ではない環境ではロータブレードの受動先端クリアランス調整するには十分ではなかった。
【００１４】
本発明の第１の技術的課題は、上記欠点に鑑み、ガスタービンエンジンに用いるロータの翼が中実状であったり、または冷却媒体が利用できないかもしくは受動クリアランス調整するには十分ではない環境でロータブレードの受動先端クリアランス調整を改善することにある。
【００１５】
また、本発明の第２の技術的課題は、湾曲スロットを先端を有する翼に組込み、フィルム孔の入口と出口の中間のあるポイントで湾曲スロットに内部接続させて湾曲スロットを圧力面に隣接するブレード先端まで延長することによって冷却することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円周状に間隔を空けて配置した複数のタービンブレードを含むタービンロータを有するガスタービンエンジンであって、前記タービンブレードは、一体翼部と、圧力面と、吸引面と、前縁と、後縁と、根元部と、先端部と、を有し、作動流体が前記翼部の作動面を迂回して隣接する前記先端部へ流れる傾向を有するガスタービンにおいて、前記の傾向を抑制する手段として、前記タービンブレードの圧力側のある点から前記翼部の圧力側でかつ前記先端部に隣接する所定の点まで前記翼部の中実状の部分内に延在する少なくとも一つの通路を有しているとともに、前記作動流体の一部が、該通路を通じて前記作動流体の流れる方向と逆向きに前記先端部近傍から噴出されるように、該手段が湾曲していることを特徴とするガスタービンエンジンが得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、円状に間隔を空けて配置した複数の空冷タービンブレードを含むタービンロータを有するガスタービンエンジンであって、前記タービンブレードは、翼部と、圧力面と、吸引面と、前縁と、後縁と、根元部と、先端部と、冷却空気を前記根元部から前記翼に形成された排出孔まで誘く内部通路とを有し、作動流体が前記翼部の作動面を迂回して隣接する先端部へ流れる傾向を有するガスタービンエンジンにおいて、前記の傾向を抑制する手段として、前記内部通路と交差する点から前記翼部の圧力側でかつ前記先端部に隣接する所定の点まで前記翼部内に延在する少なくとも一つの通路を有しているとともに、前記内部通路の流体の一部が該通路を通じて前記作動流体の流れる方向と逆向きに前記先端部近傍から噴出されるように湾曲していることを特徴とするガスタービンエンジンが得られる。
【００１８】
すなわち、本発明の特徴は、湾曲孔すなわち翼部の圧力側からロータブレードの軸線に内側に向かって延在し圧力面に隣接するロータブレード先端に湾曲して連絡する湾曲スロットを提供し、受動先端クリアランス調整することである。
【００１９】
本発明の別の特徴は、上述の湾曲したＣ型スロットを内部に冷却空気がないか内部の冷却がロータブレード先端に限定された翼に使用することである。
【００２０】
最後に、本発明は、ロータブレード先端とそれに隣接する周囲部分との間隙を空力的に狭める手段を提供しロータブレードの先端および圧力側に隣接して位置する湾曲孔または湾曲スロットを組込むことをも特徴とする。
【００２１】
【作用】
本発明は、冷却空気がまったく供給されないブレード、または十分に供給されないブレードに対して特に効果があるだけでなく、先端冷却用の冷却空気が十分な場合にも利用できる。このような状況で、本発明を使用して先端シーリングを高めることができる。
【００２２】
翼を先端冷却する後者の用途では、本発明に係る湾曲スロットに連係するフィルム孔を追加することができ、フィルムエアにより先端の漏れを阻止する。湾曲スロットは翼のラジアルフィルム孔の開口端に端を発し、湾曲孔を通過する流れがフィルム孔を通過する流れの出口の冷却空気温度になるように設計する。
【００２３】
また、フィルム孔を湾曲スロットにより囲まれた部分と交差して流れる角度に配置するとともに、湾曲スロットの流れをフィルム孔により仕切られた部分に整列させることによりエッジ冷却効果は最大になる。フィルム孔から出る流量は、フィルム孔と湾曲スロットの流量が十分になるように供給される。ロータブレード先端の摩擦が大きく湾曲スロットが汚れにより閉塞された場合、全体の冷却流量は変化せず、圧力側の流量が１００％となるので、さらに優れた圧力面フィルムを形成でき、大きな摩擦による作用やブレード先端の汚れを緩和して耐用性を高めることができる。
【００２４】
【実施例】
次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１、図４、図５を参照して、本実施例を説明すれば、ブレード４０の圧力側にＣ型の通路が設けられている。この通路の出口オリフィスはブレード４０の先端に隣接して配置され、かつエンジンのガスの主流と反対方向に流れを噴出するよう配向されている。
【００２６】
図１に示すように、ブレード４０は、先端部４２と、根元部４４と、圧力面４６と、吸込面４８（図１では見えないが、圧力面４６の反対の面である）と、前縁５０と後縁５２とから成る軸流タービンブレードである。ブレード４０は中実状であり、前述した第１段のタービンのタービンブレードが有するような内部通路は設けられていない。例えば、ツインスプールエンジンでは、低圧タービン部のブレードは中実状であり、内部冷却されないのが一般的である。
【００２７】
図４に示すように、受動クリアランス制御を行うために、圧力面のブレード先端は、前縁５０から後縁５２に、すなわち、翼弦方向にわたって、それぞれ間隔を空けて配置された長方形をした複数のＣ型スロット５４が開口している。この実施例では、Ｃ型スロット５４は等間隔で位置する。具体的には、各スロットは圧力側に隣接する先端４２から孔空けされ、ここから下方放射状に伸びて圧力面４６で終結する。適切に孔空けするには、周知の電気化学的な放電加工方法、レーザビーム切削方法などを行えば良い。
【００２８】
スロット５４を通じてガスの主流にポンプ作用を与えるのに十分な圧力差が得られるように、Ｃ型スロット５４の入口オリフィス５６が圧力面４６に適切に配置され、かつ出口オリフィスが先端部４２に適切に配置される。既に知られているように、出口オリフィス５８付近の圧力は、圧力面４６の静圧よりも低い吸込面４８の静圧と等しく、ポンプ作用を引き起こすのに十分なレベルにある。
【００２９】
本実施例によれば、ガスタービンエンジンに用いるロータの翼が中実状であったり、または冷却空気が利用できない場合、もしくは受動クリアランス調整するには十分ではない場合にもロータブレード先端の受動クリアランス調整を行うことができる。
【００３０】
また、本発明によるＣ型スロット５４は、図６に示した内部空気冷却タービンブレードに使用することもできる。図示された部分断面図のように、内部冷却ブレード６０の内部には、エンジンの圧縮手段（図示せず）等の適切な供給源からの冷却媒体を導入する縦方向の冷却通路６２を備えている。
【００３１】
図６の実施例では、翼は縦方向の通路６２から供給される冷却媒体によって翼部の先端が冷却されている。放射状に延びるフィルム孔６４は、Ｃ型スロット６６と交差して連通する。これにより、フィルム冷却に使用される冷却媒体が、受動クリアランス調整にも使用される。Ｃ型スロット６６の入口６８は、ラジアルフィルム孔６４の開口部７０の適当な位置に開口している。Ｃ型スロット６６を通じる流れの温度は、ラジアルフィルム孔６４の出口における冷却媒体の温度と同じに保たれることが望ましい。ラジアルフィルム孔６４は、Ｃ型スロット６６に挟まれた部分を流れが横切るように傾斜が付けられ、またＣ型スロット６６の流れがラジアルフィルム孔６４に仕切られた部分に整列しており、エッジの冷却効果が最大に得られる。Ｃ型スロット６６で適切なポンプ作用を確保するためには、ラジアルフィルム孔６４からの流出量をラジアルフィルム孔６４のフィルム冷却用冷却媒体の流れの静的圧力が十分になり、しかもＣ型スロット６６への流れが十分となるようにすればよい。
【００３２】
本発明は、外側シュラウドまたは外側ケーシングとタービンブレード先端との摩擦によって生じる問題についても対処している。例えば、過度の摩擦によりＣ型スロットの出口端が閉塞されたとしても、冷却媒体全体の流量は変化しない。しかし、流れがすべてラジアルフィルム孔６４に向けられることになり、しかもこのラジアルフィルム孔６４は翼の圧力側にあるので、フィルム冷却効果はさらに良くなる。Ｃ型スロットが万一閉塞してしまった場合には、このように一層効率よく冷却することが耐久性の点で望ましいものとなる。
【００３３】
以上、本発明を詳細な実施例に関して説明してきたが、その態様および細部について様々な変更が、請求した発明の精神ならびに範囲を逸脱せずに成し得ることは理解できよう。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、内部冷却されない翼、あるいは内部冷却されるものの従来の受動クリアランス調整には冷却媒体が不十分である翼に対して、ロータブレードの先端の受動クリアランス調整を実現することができ、ガスタービンエンジンのエンジン性能を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンエンジンに用いるロータブレードの正面図である。
【図２】ロータブレードの冷却通路内部を示す部分断面図である。
【図３】受動クリアランス調整を行うためのロータブレードの冷却通路内部を示す部分断面図である。
【図４】本発明の説明に用いる図１のラインＢ−Ｂに沿って切り取ったロータブレードの部分断面図である。
【図５】図４に示した実施例の部分側面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す部分断面図である。
【図７】図６の実施例の部分側面図である。
【符号の説明】
１０…タービンブレード
１２…フィルム冷却孔
１４…圧力面
１６…先端冷却孔
１８…先端部
２０…通路
２２…シュラウド
２４…間隙
２８…孔
３０…内部通路
３２…先端
３４…圧力面
４０…ブレード
４２…先端部
４４…根元部
４６…圧力面
４８…吸込面
５０…前縁
５２…後縁
５４…スロット
５６…入口オリフィス
５８…出口オリフィス
６０…内部冷却ブレード
６２…縦方向冷却通路
６４…ラジアルフィルム孔
６６…Ｃ型スロット
６８…入口
７０…開口部

Claims (11)

1. 円周状に間隔を空けて配置した複数のタービンブレードを含むタービンロータを有するガスタービンエンジンであって、前記タービンブレードは、一体翼部と、圧力面と、吸引面と、前縁と、後縁と、根元部と、先端部と、を有し、作動流体が前記翼部の作動面を迂回して隣接する前記先端部へ流れる傾向を有するガスタービンにおいて、
   前記の傾向を抑制する手段として、前記タービンブレードの圧力側のある点から前記翼部の圧力側でかつ前記先端部に隣接する所定の点まで前記翼部の中実状の部分内に延在する少なくとも一つの通路を有しているとともに、前記作動流体の一部が、該通路を通じて前記作動流体の流れる方向と逆向きに前記先端部近傍から噴出されるように、該手段が湾曲していることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記湾曲した通路がＣ型に湾曲したもの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。
3. 前記タービンブレードが複数のＣ型通路を有する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。
4. 前記Ｃ型通路の断面が長方形である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。
5. 前記Ｃ型通路が前記前縁から前記後縁に向かう翼弦方向に沿って等間隔に位置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。
6. 前記タービンブレード各々がＣ型通路を有する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。
7. 円周状に間隔を空けて配置した複数の空冷タービンブレードを含むタービンロータを有するガスタービンエンジンであって、前記タービンブレードは、翼部と、圧力面と、吸引面と、前縁と、後縁と、根元部と、先端部と、冷却空気を前記根元部から前記翼に形成された排出孔まで誘く内部通路とを有し、作動流体が前記翼部の作動面を迂回して隣接する先端部へ流れる傾向を有するガスタービンエンジンにおいて
   前記の傾向を抑制する手段として、前記内部通路と交差する点から前記翼部の圧力側でかつ前記先端部に隣接する所定の点まで前記翼部内に延在する少なくとも一つの通路を有しているとともに、前記内部通路の流体の一部が該通路を通じて前記作動流体の流れる方向と逆向きに前記先端部近傍から噴出されるように湾曲していることを特徴とするガスタービンエンジン。
8. 前記湾曲した通路がＣ型に湾曲したものであることを特徴とする請求項７記載のガスタービンエンジン。
9. 前記Ｃ型通路の断面が長方形であることを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジン。
10. 前縁から後縁に向かう翼弦方向に延在する複数のＣ型通路を有することを特徴とする請求項８記載のガスタービンエンジン。
11. 前記Ｃ型通路が等間隔に位置することを特徴とする請求項１０記載のガスタービンエンジン。

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