JP5035146B2 - ガスタービンエンジンの低圧ブレードに換気空気を供給する装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械の分野に関する。本発明は、ツインスプールガスタービンエンジンの低圧タービンブレードの換気を目的としている。

ターボ機械では、高圧コンプレッサ、即ちＨＰコンプレッサから排出された空気を使用して、高温環境に位置付けられた構成要素を冷却することが一般的な方法となっている。こうした構成要素には、ＨＰタービンブレード、ボア、ディスクなどが含まれる場合がある。

低圧タービン、即ちＬＰタービンは、換気される領域の１つである。詳しく述べると、空気が、ブレード根元部とその取付け部とディスクのリムとの間に流れることによってブレードの取付け部を冷却することが考案されている。

図１は、ツインスプールタービンエンジンのタービンセクションを表している。このセクションは、ＨＰタービンステージ２、ならびにステージ２とＬＰタービンの第１ステージとの間に位置付けられたノズル４の下流の一式のＬＰタービンを備える。ＬＰタービン全体は、ここでは、モジュールを形成するように一緒にボルト締めされた４つのディスクから構成されている。各ディスクは、その平面の両側にシェルリングを備える。隣接し合う２つのディスクのシェルリング同士は一緒にボルト締めされている。様々なステージ同士の間に整流器５が差し込まれている。

図２は、ブレードがどのようにＬＰタービンディスク３に取り付けられているかを表している。ディスクのリムの周囲部に空洞３１が機械加工され、ブレード６がこれらの空洞の中に滑り込まされ、軸方向保持セグメント８によって軸方向に不動化される。セグメントは円弧の形状であり、フック６１とフックが取り付けられているブレード根元部のその面６２との間で、ディスクのリムの１つの面に当たって位置決めされている。セグメントは、ブレードの軸方向の移動を抑止している。セグメントは扇形に切り欠かれており、周囲溝３２の中に滑り込まされている。ここで分かるように、セグメントは、最初に角度偏位されて、ブレード根元部がその空洞の中に挿入されるのを可能にし、次いでセグメントは角度移動されて、扇形に切り欠かれた部分の頂部が、各ブレードの根元部の面とフックとの間に嵌まり込むようになる。このセグメントは溝に保持されているので、アセンブリは軸方向で不動化されている。

さらに、異なった２つの従来技術の設計を示している図３および図４で表している換気空気の流れは、矢印Ｆで示している空気ストリームからなる。空気ストリームは、ＬＰタービン第１ステージの上流のノズルＤＢＰ１から生じ、ステージごとに、ディスクのシェルリングＶ１と密閉シェルリングＶＥとの間に案内され、軸方向保持セグメント８のまわりを流れ、タービンブレード取付け部に到達する。

機械の質量を縮小し、機械の設計を簡略化する目的で、ディスクは一緒にして一対ごとに、またはそれより大きな数ごとにまとめられて、一体型のドラムを作り出す場合が多い。要素同士は一緒に溶接されて１つのユニットを形成する。図５で分かるように、１つのドラムは、密閉要素１３Ｅが上にできているシェルリング１３によって連結された２つのディスク１１と１２から構成されている。シェルリング１４が下流ディスク１２に固定されている。シェルリング１４は、隣接する他のグループまたはディスクへの、図面に表していない取付け手段、即ちボルトが通過することのできるオリフィス１４Ａを備える。このような構造の場合、密閉要素用のシェルリングは、これらがドラムに組み込まれていることから必要ではない。ディスクはさらに先の実施形態と同じ構造を有し、この図のグループの第２ステージのブレードも同じやり方で取り付けられている。ディスク１２の事例が意味することは、ブレード６はリム１２Ｊに形成された空洞に収容され、保持セグメント８によって軸方向に保持されるということである。保持セグメント８は、ロータ１２の軸線に垂直の半径方向の溝１２Ｒの中にも、ブレードの根元部の後面６２と根元部の関連するフック６１との間にも滑り込まされている。

このタイプの解決方法では、換気空気をブレードの取付け部まで搬送することの問題が生じる。ドラムの内部から空気が排出され、空気がドラムの第２ディスク１２まで到達しなければならない。第１ディスクに関してはこの問題は生じない。ディスク１２のリム１２Ｊが空洞で貫通されて、Ｐで示しているように空気が取付け部に到達できるようにする解決方法は、穴あけ部によって生じる応力の集中のために、達成することができない。

本出願人は、ディスクがドラムを作り出している場合に、ブレード取付け部の換気と軸方向のブレードの保持とを可能にする解決方法を見出すことを目的として設定している。

本発明によると、この目的は、換気空気をガスタービンエンジンのタービンロータに供給する装置であって、一体型のドラムを一緒に形成している第１および第２タービンディスクと下流のシェルリングとを備え、第２タービンディスクがタービンブレードを収容するための空洞を備え、ブレードが軸方向保持セグメントによって軸方向に保持されている装置を使用して達成される。この装置は、少なくとも１つの穴あけ部がシェルリングに作成されて、ドラムの内側を、セグメントを通る通路を介して上記空洞の少なくともいくつかと連通するようにするものである。

この通路は様々なやり方で作り出すことができる。第１実施形態によると、軸方向の保持セグメントは、上記穴あけ部に、また空洞に横方向に通じている環状チャネルを有する。

他の実施形態によると、セグメントは、詳しくは機械加工によって作り出された半径方向のチャネルを備える。

添付図面を参照してここに掲げているいくつかの例示的な実施形態についての以下の記述から、他の特色および利点が明らかとなろう。

図６は、本発明の解決方法を組み込んだＬＰタービンの一部を表している。一体型ドラム１０は、シェルリング１３によって連結された、後部シェルリング１４を備えたディスク１１および１２を備える。これらの要素は、これらが一体型のドラムを形成するように機械加工され、または一緒に溶接されているという点で一体型である。ディスク１２のリム１２Ｊは、ブレード６の根元部６Ｐが軸方向に滑り込まされる軸方向の空洞を備える。これらを軸方向に定位置に保持するために、ブレードは根元部６Ｐの後部横断面６Ａの下流にフック６Ｂを有する。

空気は、ドラム１０の内部容積と、ブレード根元部を換気するためにブレード根元部に対して形成された空間内の空洞の閉鎖端部との間で循環する必要がある。本発明によって、ディスクのリム１２Ｊの下流の壁に、下流シェルリング１４を通して穴あけ部１２Ｐが作り出される。この穴あけ部は半径方向であり、ドラムの内部容積を溝１２Ｒ’の閉鎖端部と連通するようにする。この溝は半径方向に開いている。この溝はリム１２Ｊとリム１２Ｊに平行な横フランジとの間に作り出されている。

軸方向の保持セグメント１８はこの溝１２Ｒ’に収容されている。これらの円弧形状のセグメントはリムの下流面に沿って半径方向に延在し、ブレード根元部６Ｐの下流面６Ａを隠閉する。セグメントは根元部６Ｐの下流面６Ａとそれらの対応する下流フックとの間に滑り込まされている。セグメントはこのようにしてブレード根元部を軸方向の移動に対して不動化する。セグメントの基部１８Ｂは厚く、溝１２Ｒ’の幅を塞いでいる。

第１実施形態によって、基部１８Ｂの厚みに環状のチャネル１８Ｃが機械加工されている。このチャネルは穴あけ部１２Ｐを空洞の閉鎖端部と連通するようにして、半径方向の通路、次いで軸方向の通路１８Ｐを形成している。動作中は、タービンロータの上流の領域から空気が流れる。空気は通路２０Ｐを介してステータ２０を通過し、いくつかのストリームに分岐する。ストリームＦ１は、ディスク１１の空洞を換気するために、シェルリングとシェルリングを第１ディスク１１に固定するためのフランジとの間に作り出された通路に向けて案内される。このストリームの別の部分Ｆ２が、２つのディスク１１および１２の中央開口部とステータ２０との間を通過し、ディスク１２の下流面に沿って上り、穴あけ部１２Ｐに進入する。穴あけ部はチャネル１８Ｃで溝の閉鎖端部と連通しているので、空気は環状チャネル１８Ｃに至り、そこから空気は、ブレード根元部と空洞の閉鎖端部との間の空間に分配される。この空間を出ると、空気は気体の流れに案内される。

ディスクのリムの下流に位置する領域でのドラムの貫通によって、また軸方向の保持セグメントの適切な設計によって、ディスクの強度を犠牲にせずに充分な換気空気を供給することができる。基部１８Ｂの厚みに対する質量のコストは、小さく、または存在さえしない。セグメントは効率の損失をともなわずに軸方向の保持機能を実行する。

図９は、軸方向の保持セグメントの実施形態の代替的形態を表している。このセグメント１８’は、基部１８’Ｂに形成された連続チャネルを有するのではなく、基部１８’Ｂの質量から機械加工された複数のブラインド半月部１８’Ｃを備える。これらの半径方向の半月部は、片側で穴あけ部１２Ｐと連通し、これと同じ側で軸方向に開いており、面は、空洞の閉鎖端部の領域でリム１２Ｊにもたれかかっている。これらは通路１８’Ｐを形成する。ブレードの取付け部は、従来と同じやり方で換気される。タービンの上流ノズルからの空気はドラムの中に流れる。このストリームの一部は、穴あけ部１２Ｐを通して搬送され、次いで軸方向保持セグメントによって、空洞の閉鎖端部とブレード根元部との間の空間の中に案内される。

ガスタービンエンジンの一部の軸方向断面図を示す。 どのようにしてブレードがディスクに取り付けられるのかを示す。 ブレード根元部を換気するための空気循環を備えた従来技術のＬＰタービンの設定を示す。 ブレード根元部を換気するための空気循環を備えた従来技術の別のＬＰタービンの設定を示す。 一体型のタービンドラムを示す。 本発明の解決方法を組み込んでいる一体型のタービンドラムを示す。 ブレード根元部の取付け部を備えた、図６の詳細を示す。 本発明による解決方法における、軸方向保持セグメントの一部を示す。 本発明による解決方法における代替え的形態の保持セグメントの一部を示す。

符号の説明

２ ＨＰタービンステージ
３ ＬＰタービンディスク
６ ブレード
６Ａ、６２ ブレード根元部の下流面
６Ｂ、６１ フック
６Ｐ ブレード根元部
８ 軸方向保持セグメント
１０ 一体型ドラム
１１、１２ ディスク
１２Ｊ ディスクのリム
１２Ｐ 穴あけ部
１２Ｒ’、３２ 溝
１３ シェルリング
１３Ｅ 密閉要素
１４ 下流シェルリング
１４Ａ オリフィス
１８、１８’ 保持セグメント
１８Ｂ、１８’Ｂ 保持セグメントの基部
１８Ｃ 環状のチャネル
１８’Ｐ、２０Ｐ 通路
２０ ステータ

Claims (8)

1. 換気空気をガスタービンエンジンのタービンロータに供給する装置であって、一体型のドラムを一緒に形成している第１および第２タービンディスクと下流のシェルリングとを備え、第２タービンディスクがタービンブレードを収容するための、リムに機械加工された空洞を備え、ブレードが軸方向保持セグメントによって軸方向に保持されており、リムの下流で、少なくとも１つの穴あけ部がシェルリングに作成されて、ドラムの内側を、前記空洞の少なくともいくつかと連通するようにしており、通路がセグメントに形成されている、装置。
2. 軸方向の保持セグメントが、穴あけ部と第２ディスクの空洞との間の通路を備える、請求項１に記載の装置。
3. 通路が、セグメントを機械加工することによって作り出されている、請求項２に記載の装置。
4. セグメントが、ドラムに形成された溝に収容された基部を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. セグメントが基部に環状チャネルを備え、チャネルが半径方向に穴あけ部に通じ、軸線方向にリムの空洞に通じている、請求項４に記載の装置。
6. セグメントが、基部に機械加工された複数の半径方向のブラインド半月部を備える、請求項４に記載の装置。
7. 請求項１から６の一項に記載の換気空気を供給する装置を備える、ガスタービンエンジンのタービンロータ。
8. 請求項７に記載のタービンロータを備える、ガスタービンエンジン。

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