JP4834511B2 - ガスタービンエンジン中のタービンディスクの換気装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野に関し、燃焼チャンバの下流に配置された部品、特にタービンディスクの換気および冷却に必要な空気の循環に、焦点を合わせる。

ガスタービンエンジンにおいて、燃焼チャンバの下流の高温ガスからの熱応力を受ける全ての部品に空気を循環して、その温度を制御することが必要である。２シリンダエンジンにおいて、高圧部分の換気用空気回路は、材料および熱応力が異なるので、下流に配置される低圧部分の換気用回路とは異なる。

本発明は、低圧部分の換気回路に関する。

図１には、ＨＰタービン段１を有する高圧（ＨＰ）シリンダ、および３１、３２、および３３の３つの段を有するＬＰタービン３０を備える低圧（ＬＰ）シリンダを含む、ＣＦＭエンジンなどの現代の民間用途の２シリンダエンジンにおける、高圧タービンの下流の換気を提供する様々な回路が示される。以下の項目を見ることができる。

空気流Ａは、ＨＰ圧縮機の中心から引き抜かれ、第１ＬＰ段の分配器２０の翼を通り、Ａ’でＨＰタービン１０の下流の空洞１１のパージを行う。

この同じ流れの部分Ａ”は、低圧タービン３０の段３１および３２の最初の２個のファン中の通路の換気を行う。

空気流Ｂは、ＨＰ圧縮機の上流から引き抜かれ、ＨＰタービン１０の通路１３を通り、ＬＰタービン３０の第３段３３中の通路の換気を行う。

空気流Ｃは、ＬＰ圧縮機で引き抜かれ、ＨＰタービン１０の通路１３を通り、ベアリングを含むチャンバの蓋３６の加圧を行う。

この種のエンジンの圧縮機は、軸方向であり、様々な換気空気流を引き抜きゾーンからその使用場所まで案内する、十分な空間を有する。

出力が低く小型であるいくつかのエンジンは、より短い遠心圧縮機を備えるＨＰシリンダを有し、その圧縮比は小さい。この構成は上述の換気機能を提供するときに問題を生じる。

ＬＰタービンディスクの通路を正しく換気するための圧力は常に十分ではなく、この状況は、ＨＰタービンの通路とＬＰ軸の間の小さな流れ断面によっては救済されない。

遠心圧縮機の遠心ホイールは比較的大きな出力直径を有する。これにより、ＬＰタービンの第１段分配器に回る空気のための間隙が小さくなる。さらに、図２に示すように、ＨＰ圧縮機内の引き抜きはしばしば求心引き抜き管によって行われ、換気空気の圧力降下を大きくする。

本発明の目的は、特に遠心圧縮機を有する小型エンジンにおいて、この種のエンジンの特殊な寸法制約も考慮して、ＬＰタービンディスクの正確な換気手段を提供することによって上述の問題を解決することである。

本発明は、各々少なくとも１個のタービンディスク（それぞれＨＰタービンディスクおよびＬＰタービンディスク）およびＬＰタービンを換気するための第１回路を有する、互いに機械的に独立した２個のタービンロータを備える、ガスタービンエンジン中のタービン部品の換気装置によって、この目的を達成する。この装置は、ＨＰタービンディスクの下流、詳細には、少なくとも部分的に第１の空気回路の空気の循環を補助する上記２個のタービンディスクＨＰおよびＬＰの間に配置された、空気圧縮ホイールを備える点に注目すべきである。さらに詳細には、ホイールの空気入り口はＨＰタービンディスクの通路に接続し、通路にはＨＰ圧縮機から来る空気が供給される。

本発明によって、タービン通路を通る空気回路は効果的に使用され、そこからの空気を翼に通す必要がないので、低圧タービンの第１段分配器の構造を簡略化することが可能になる。

第１の実施形態によれば、圧縮ホイールはＨＰタービンディスクに接続される。次いで、ホイールはベアリング支持体を形成することによってタービンディスクの構造部材になることが有利である。第２実施形態によれば、圧縮ホイールはＬＰタービンディスクに接続される。

他の形態によれば、圧縮ホイールは、ステータバッフルと協働して空気を圧縮するための放射状翼を設けたディスクを備える。バッフルは空気案内翼を含むことが有利である。

他の形態によれば、ステータバッフルはＨＰタービンディスクと共にＨＰタービン下流の空洞を画定し、ＨＰタービンディスク通路から来る空気は部分的にホイールに供給され、部分的に空洞に供給される。

他の形態によれば、装置は第２の換気回路を備え、この回路は分離したベアリングオイルチャンバの蓋を換気し、詳細にはこの第２回路は、第１回路の案内部分と同軸の案内チャネルを形成する部分を備える。

また、本発明は、取り付け孔を設けた第１の環状部分および放射状翼を設けた第２部分を有する放射状プレートを備える装置のための、空気圧縮ホイールに関する。第１実施形態によれば、第１部分は第２部分に対して内側に放射状である。第２実施形態によれば、第１部分は第２部分に対して外側に放射状である。

以下の説明は、添付図面を参照した限定されることのない本発明の２つの実施形態に関する。

図２を参照すると、「小型」２シリンダガスタービンエンジンとして知られているものを示している。高圧（ＨＰ）シリンダは、軸１１７によってＨＰ圧縮機１１５に接続されたタービン１１０を備える。圧縮機１１５は遠心ホイール型である。低圧シリンダは、軸１２７に搭載されたいくつかの段を有する低圧タービン１２０を備え、軸１１７と同軸であり軸流低圧圧縮機１２５に接続され、それ自体いくつかの段を有する。燃焼チャンバ１３０は圧縮機とＨＰシリンダタービンの間に配置される。分配器段１４０は２個のタービン１１０および１２０を分離する。

本発明を使用しないこの図から見ることができるように、第１換気空気回路ＥはＨＰ圧縮機の上流に空気入り口を備え、この空気はタービンの下流の空洞を換気するために、２個の軸１１７および１２７の間をタービンロータ１１０中の通路を通って軸方向に導かれる。第２空気回路は、エンジンの外側ケーシング１５０とＨＰシリンダハウジングの間を、図示されない管を介して案内される。それらの配置は、換気回路に供給される空気量が十分ではないので、満足できるものではないことは明らかである。

第１回路については、軸１１７と１２７の間の流れ面積が換気空気にとって小さすぎる。

第２回路については、ハウジング上に換気管を取り付ける空間が殆どない。

本発明によれば、ＨＰタービンディスクの下流にＬＰタービンを換気するための空気圧縮ホイールが配置された。その装置は図３に示される。

この図に見ることのできる全ては、中心通路２１０Ａを有するＨＰタービン２１０のディスク２１０Ｄである。ディスク２１０Ｄは軸２１７に接続される。その上流の端部で、軸２１７は図示されない圧縮機に接続される。ディスクは図示されない燃焼チャンバからの高温ガスを受取るＨＰタービン翼２１０Ｔを支持する。

分配器のステータ段２２０は、ＨＰタービン２１０の下流、低圧ＬＰタービン２３０の翼の直上流に配置される。このタービンは、互いに接続されたいくつかのディスクから構成され、この中の最初の２個、２３１および２３２だけを見ることができる。タービン２３０は軸２３７上に支持される。この軸２３７は軸２１７と同心である。下流の軸間ベアリング２４０は２個の同心軸を保持し、それらが互いに自由に回転することを可能にする。上流のベアリングは図示されないが、固定構造で軸２３７を支持する下流のベアリングと同じである。環状空間Ｆはしたがって、タービンディスクの通路２１０Ａと軸２１７の間に配置される。他の環状空間Ｇも２個の軸２１７と２３７の間に配置される。

ディスク２１０Ｄはフランジ２１０Ｂを有し、これに圧縮ホイール３００がボルト止めされる。ホイールはエンジン軸に直角のほぼディスク形状の部品を有し、第１部分３０１には、ホイールをフランジ２１０Ｂに固定するために取り付けボルト３０３’が貫通する、一連の孔３０３が軸方向に穿孔される。この部分の外側に放射状に、ディスクは放射状翼３０７を設けた環状部分３０５を有する。この第２部分は固定壁２２２と協働して、軸方向入り口および半径方向出口を有する遠心空気圧縮手段を形成する。壁２２２は遠心圧縮機入り口案内翼２２２Ａおよび遠心圧縮機出口案内翼２２２Ｓを支持する。環状偏向器２２２Ｄは圧縮機を出る空気流を、タービンディスク２３１および２３２の基部に向かって導く。壁２２２はタービンディスク２１０Ｄと共に、このＨＰタービン下流に空洞を形成する空間２１１を作り、ラビリンスシール手段２２２Ｌは、ディスク上の対応する手段２１０Ｌと協働してこの空洞２１１中の空気を閉じ込める。ホイールは、ベアリング２４０の外側レース２４２用の支持体を形成する円筒状部分３０９を備えることに留意されたい。それによってベアリング要素２４４は、軸２３７に接続された内部レース２４６と軸２１７に接続された外側レース２４２の間に配置され、軸間ベアリング２４０を形成する。

フランジ２１０Ｂは、円筒形の軸方向部品２１０Ｂ１および孔を備える垂直部品２１０Ｂ２に直角であり、孔３０３と協働してボルト３０３’を通過させる。円筒形部品２１０Ｂ１には半径方向孔２１０Ｂ１ｒが穿孔される。環状空間はフランジ２１０Ｂ、ホイール３００、および壁２２２の間に配置される。半径方向孔２２２Ｐは、翼２２２Ａと封止２２２Ｌの間の壁２２２中に作られる。

空間Ｇを低圧ロータ２３０の下流部分に接続するために、ホイールの円筒形部分３０９に孔３０９Ｐが作られる。

本発明の装置は以下のようにして作動する。

エンジンが作動しているとき、２個のロータ、それぞれＨＰおよびＬＰは、燃焼チャンバから来るガスによって駆動される。各々他とは独立に回転する。第１回路による上流の圧縮機の最終段で引き抜かれた換気空気は空間Ｆに案内され、孔２１０Ｂ１ｒを介してフランジ２１０Ｂを通過する。一部はホイール３００によって吸引され、他の部分は孔２２２Ｐを通って、それが換気を行うＨＰタービンの下流空洞２１１に案内される。ホイール３００の圧縮チャネル中の圧縮空気は、換気を行うタービンディスク２３１および２３２の方向に排気され、燃焼ガス流中へ、または適切なオリフィスを介してＬＰタービン支持体２３０を通って排気される。

ＨＰ圧縮機の初段で引き抜かれて２個の軸２１７と２３７の間の環状空間Ｇを循環する換気空気は、孔３０９Ｐを通ってＬＰタービンの下流、特にベアリングオイルチャンバ蓋に向かって案内される。

図５に示した他の実施形態によれば、ラビリンスシール部材２１０Ｌ’を搭載するための下流フランジ２１０Ｂ’を有するＨＰタービンディスク２１０’がある。ホイール４００はここでＬＰタービンディスク２３１’に接続され、それによって駆動される。前述の解決策のように、ホイール４００はステータ部材２２２’と協働して、ディスク２１０Ｄ’の中心通路、フランジ２１０Ｂ’中に作られた孔２１０Ｐ’を通って案内され、上流の圧縮機から来る空気のための、圧縮チャネルを形成する。空気流は、タービンディスク２１０’の下流の空洞２１１’のパージを行う一部と、ホイール４００の圧縮チャネル中に引き抜かれる一部に分割される。ホイール４００はタービンディスク２３１’および２３３’を換気するための開口を備える。

ＨＰタービンとＬＰタービンを備える、最新の２シリンダガスタービンエンジンの軸方向半断面部分を示す図である。 従来技術による遠心圧縮機を有するエンジンの軸方向半断面図である。 本発明によるホイールに固定されたタービンディスクの軸方向半断面図である。 本発明による単一ホイールの斜視図である。 第２実施形態の図である。

符号の説明

１１７、１２７、２１７、２３７ 軸
１１０、１２０ タービン
１１５ 圧縮機
１２５ 軸流低圧圧縮機
１３０ 燃焼チャンバ
１４０ 分配段
１５０ 外側ケーシング
２１０ ＨＰタービン翼
２１０’ ＨＰタービンディスク
２１０Ａ タービンディスクの通路
２１０Ｂ、２１０Ｂ’ フランジ
２１０Ｂ１ 円筒形部品
２１０Ｂ２ 垂直部品
２１０Ｂ１ｒ、２１０Ｐ’、３０３、３０９Ｐ 孔
２１０Ｄ、２１０Ｄ’、２３１、２３２、２３１’、２３３’ディスク
２１０Ｌ ディスク上の対応する手段
２１０Ｌ’ ラビリンスシール部材
２２２Ｐ 半径方向孔
２１１、２１１’ 空洞
２２０ Ｔステータ段
２２２ 固定壁
２２２’ ステータ部材
２２２Ａ 軸流圧縮機入り口案内翼
２２２Ｄ 環状偏向器
２２２Ｌ ラビリンスシール手段
２２２Ｓ 遠心圧縮機出口案内翼
２３０ 低圧ＬＰタービン
２４０ 軸間ベアリング
２４２ 外側レース
２４４ ベアリング要素
２４６ 内部レース
３００ 圧縮ホイール
３０１ 第１部分
３０３’ 取り付けボルト
３０５ 環状部分
３０７ 放射状翼
３０９ 円筒状部分
４００ ホイール

Claims (14)

1. 各々少なくとも１個のタービンディスク、それぞれＨＰタービンディスクおよびＬＰタービンディスク、とＬＰタービン用の第１の換気回路を有する、互いに機械的に独立した２個のタービンロータを備え、ＨＰタービンディスクの下流に配置されて前記第１回路中の空気の循環を補助するための空気圧縮ホイールを備え、圧縮ホイールが、空気を圧縮するためにステータバッフルと協働する放射状翼を設けたディスクを備え、ステータバッフルがＨＰタービンディスクと共にＨＰタービン下流の空洞を画定する、ガスタービンエンジン中のタービン部品を換気する、装置。
2. 圧縮ホイールが前記２個のタービンディスクＨＰおよびＬＰの間に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 圧縮ホイールがＨＰタービンディスクに接続される、請求項２に記載の装置。
4. 圧縮ホイール（４００）がＬＰタービンディスクに接続される、請求項１に記載の装置。
5. ホイールの空気入り口がＨＰタービンディスクの通路に接続する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 通路にＨＰ圧縮機から来る空気が供給される、請求項５に記載の装置。
7. バッフルが空気案内翼を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. バッフルが空気案内翼を含み、通路から来る空気が、部分的にホイールおよび部分的に空洞に供給される、請求項５または６に記載の装置。
9. 分離したベアリングオイルチャンバ蓋を換気するための第２の換気回路を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記第２回路が、第１回路の案内部分と同軸である案内部分を備える、請求項９に記載の装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の換気装置を含む、ガスタービンエンジン。
12. 取り付け孔を設けた第１の環状部分および放射状翼を設けた第２の部分を有する放射状プレートを備える、請求項１に記載の装置のための空気圧縮ホイール。
13. 前記第１の環状部分が前記第２の部分に対して半径方向内側にある、請求項１２に記載のホイール。
14. 前記第１の環状部分が前記第２の部分に対して半径方向外側にある、請求項１２に記載のホイール。

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