JP2009008086A - ターボ機械ロータディスクのスロットを冷却する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータディスク中のスロットの冷却を改善しその寿命を増加することのできる装置を提案すること。
【解決手段】本発明は、ターボ機械ロータディスクのスロットを冷却するための装置に関し、装置は複数のスロット（１０）とディスクの放射状上流面（１６）から上流へ延在するフランジ（１４）を有するロータディスク（４）を含む。装置はまた、ディスクのフランジ（１４）の周りに配置されたフランジ（２４）を有してそれと一緒に協働して冷却空気拡散空洞を形成する空間（２８）を提供する保持環（２２）を含み、この空洞はディスクの各スロットの底部中に開口し、複数の空気流入オリフィスが拡散空洞中にその上流端部で開口し、空洞（２８）は、空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されたディスクのスロット中に侵入する空気の流量を低減するための手段（３２）をその下流端部に有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、その周縁部にブレード根元部が装着されるスロットを設けたターボ機械ロータディスクの全般的な分野に関する。さらに詳細には、本発明はそのようなスロットを効率的に冷却することを可能にする装置に関する。

知られているように、低圧タービンのさまざまな段のディスクなど、ターボ機械ロータディスクはその周縁部に実質的に軸方向の複数のスロットを含み、その中にタービンの可動ブレード根元部が係合する。

ターボ機械の動作中に、その中にブレードが配設された低圧タービンの流れ部分は非常に高温度のガスが通過する。したがって、ブレード根元部を受容するディスクのスロットは熱いガスに直接露出されるので、ディスクに対するあらゆる損傷を避けるためそれらを冷却する必要がある。

この目的のために、低圧タービンの流れ部分の外側を流れる空気の一部を取り出して、冷却回路を経由してロータディスク中のスロットに導くことが知られている。実際には、各ロータディスクはディスクの上流放射状（ｒａｄｉａｌ）面から上流に延在する環状フランジを有し、その周りに保持環が装着される。ディスクフランジおよび保持環はそれらの間に冷却空気拡散空洞を形成する環状空間を形成するように配設される。この拡散空洞には、ディスクの回転軸の周囲に規則的に分配されその下流端部でディスクのスロットの各々の底部中に開口する複数のオリフィスを経由してその上流端部に冷却空気が供給される。タービンの流れ部分の外側を流れる空気はオリフィスを経由して冷却回路の拡散空洞中に侵入し、この空洞中で拡散し、次いでディスク中のスロットを換気してそれらを冷却する。

しかし、この種類の冷却回路はロータディスク中の全てのスロットを完全に均一に冷却することはできず、これはディスクの良好な動作にとって、したがってディスクの寿命にとって有害である。そのような構造において冷却回路の空気速度オリフィスに直接一致させて配設されたスロットは、そこから離れて角度的に偏っているスロットよりも比較的良好に冷却されることは容易に理解されるであろう。

本発明は、ロータディスク中のスロットの冷却を改善しその寿命を増加することのできる装置を提案することによって上述の欠点を除くことを目的とする。

この目的は、ターボ機械ロータディスクのスロットを冷却する装置によって達成され、装置は、
その周縁部でディスクの回転軸の周りに規則的に分配された実質的に軸方向の複数のスロットおよびディスクの上流放射状面から上流に延在する環状フランジを含むロータディスクと、
ディスクの上流放射状面に装着されて、上流に延在してディスクのフランジ周囲に配置された環状フランジを含みそれと一緒に協働して冷却空気拡散空洞を形成する環状空間を残しながら、この拡散空洞がその下流端部で各ディスクスロットの底部中にその上流端部で開口する保持環と、
ディスクの回転軸の周りに規則的に分配され、拡散空洞中にその上流端部で開口する複数の空気流入オリフィスとを含み、
装置は、空気拡散空洞の下流端部が、空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されてディスクのスロット中に侵入する空気の流量を低減する手段を含むことを特徴とする。

用語「空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されたスロット」は、各オリフィスと実質的に同じ放射状面にあるスロットまたは各スロットを意味するために用いられる。

空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されたロータディスクのこれらのスロット中に侵入する空気の流量を低減することによって、空気流入オリフィスから離れたスロット中に侵入する空気の流量は必然的に増加する。したがって、ディスク中の各スロットに流入する冷却空気の量は、実質的にディスク全体で同一である。その結果、冷却はディスクの全てのスロットについて完全に均一であり、それによってディスクの寿命を増加することができる。

ディスクのフランジの外側面および／または保持環のフランジの内側面は、空気流入オリフィスに整列して放射状に位置されたディスクの各スロットに面するその下流端部に突起を有することが好ましく、この突起は、上記スロット中に侵入する空気の流れ断面を低減するために空気拡散空洞中に突出する。等しい速度では、空気流断面を減少させることはスロット中に侵入する空気の流量を減少させることに相当する。

有利な特徴によれば、各突起は、そこの空気の流れ断面が最小になるように、対応する空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されたディスクのスロットに面して最大高さを有し、そこの空気の流れ断面が最大になるように、対応する空気流入オリフィスとそれに直接隣接する２つのオリフィスの間の中間距離で最小高さを有する。結果として、離れたスロット中への侵入が増加するので、空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されたスロット中に侵入する空気の流量は減少する。

他の有利な特徴によれば、各突起の高さはその最大高さとその最小高さとの間で実質的に規則的に減少する。結果として、各スロット中に侵入する空気の流量は、空気流入オリフィスに対するスロットの角位置によく適合させることができる。

各突起は実質的に平面または実質的に湾曲の輪郭を有することができる。保持環はそのそれぞれの自由端部を互いに締め付けるボルト締め接続によってディスクのフランジに固定することができ、空気流入オリフィスはこのボルト締め接続の間に円周状に配設される。

また、本発明は上述のようにロータディスクのスロットを冷却する少なくとも１つの装置を含むターボ機械を提供する。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な特徴を有する実施形態を示す添付図面を参照して、以下の説明から明らかにされる。

図１は本発明の実施形態を構成する装置を備える航空機ターボ機械の低圧タービンの長手方向部分断面図である。

当然ながら、本発明は、ブレード根元部が軸方向に装着されるスロットを備えるロータディスクを有する任意の他のターボ機械ユニット（航空または地上）に適用される。

図１は、低圧タービンの第１段と第２段をさらに精確に示す。第１段はロータディスク４上に軸方向に装着された複数のロータブレード２から作られたロータホイールを含む。第２段は複数のステータ翼６と、ノズルの後方に配置されてロータディスク４’上に軸方向に装着された複数のロータブレード２’によって形成されたロータホイールから作られたノズルとを含む。

第１および第２タービン段のロータディスク４および４’はターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘを中心とし、軸Ｘ−Ｘの周りに規則的に分配されたボルト締め接続８によって互いに固定される。

各ディスク４および４’はその周縁部に、ディスクの外側に向かって開口しディスクの回転軸（この回転軸はターボ機械の長手軸Ｘ−Ｘに一致する）の周りに規則的に分配された実質的に軸方向の複数のスロット１０、１０’を含む。各スロットはロータブレード２、２’のそれぞれの根元部１２、１２’（例えばモミの木形状）を軸方向に収容する（例えば相互固定によって）ためである。

また、各ディスク４、４’はディスクの放射状上流面１６、１６’から軸方向上流に延在する環状フランジ１４、１４’を含む。フランジ１４、１４’は実質的に軸方向環状部分１４ａ、１４ａ’から作られ、実質的に放射状環状部分１４ｂ、１４ｂ’（以下ではディスクフランジの上流端部と呼ばれる）によって延在する。

また、タービンの第１段のディスク４はディスクの下流放射状面２０から下流に軸方向に延在する環状フランジ１８を有する。このフランジ１８は上述のように、ディスク４を第２段のディスク４’にボルト締め接続８によって固定するために用いられる。

保持環２２、２２’は、環状ストップリング２３、２３’を介在させて、各ディスク４、４’の放射状の上流面１６、１６’に装着される。各保持環２２、２２’は、軸方向に上流に延在し、対応するディスクのフランジ１４、１４’の周りに配設された環状フランジ２４、２４’を含む。

さらに精確には、保持環のフランジ２４、２４’は実質的に軸方向の環状部分２４ａ、２４’ａから作られ、実質的に放射状の環状部分２４ｂ、２４’ｂ（以下では環のフランジの自由端部と呼ばれる）によって延在される。

タービンの第１段の保持環２２は、互いにそのそれぞれの自由端部２４ｂ、１４ｂを互いに締め付けるボルト締め接続２６によってディスク４のフランジ１４に固定される。第２段の保持環２２’は、ディスク４、４’を互いに固定するためのボルト締め接続８によってディスク４’のフランジ１４’に固定される。

都合上、説明はタービンの第１段のディスク４中のスロット１０を冷却するための回路だけに関する。当然ながら、タービンの第２段のディスク４’中のスロット１０’の冷却用回路は第１段の回路と完全に類似している。

保持環２２のフランジ２４は、それと一緒に協働して冷却空気拡散空洞を形成する環状空間２８を形成するようにディスクのフランジ１４の周りに配置される。この拡散空洞２８は本質的に保持環およびディスクのそれぞれのフランジ２４、１４の軸方向部分２４ａと１４ａとの間に形成される。

拡散空洞２８は、スロットの上流端部でディスク４中の各スロット１０中に開口するその下流端部を有する。その上流端部で、拡散空洞は保持環とディスクのそれぞれのフランジ２４、１４の自由端部２４ｂ、１４ｂ間でボルト締め接続２６を互いに締め付けることによって閉じられる。

さらに、拡散空洞２８には長手軸Ｘ−Ｘの周りに規則的に分配され拡散空洞の上流端部中に開口する複数の空気流入オリフィス３０が供給される。

図２に示した実施形態において、これらの空気流入オリフィス３０はディスク４のフランジ１４の自由端部１４ｂを実質的に放射方向に機械加工することによって形成される。当然ながら、これらのオリフィスは保持環２２のフランジ２４の自由端部２４ｂを機械加工することによっても同様に得ることができる。

さらに、ディスク全体の空気流入オリフィス３０の数は変化することができる。したがって、図２の実施例において、２つの隣接空気流入オリフィス３０の間の環状空間はディスク中の約８個のスロットに相当する。したがって、各オリフィス３０は、図２の矢印によって示されるように約７個のスロットに冷却空気を供給する。

本発明によれば、空気拡散空洞２８は、その下流端部に、空気流入オリフィス３０に整列して放射状に配置されたディスク４中のスロット中に侵入する空気の流量を低減する手段を含む。

用語「空気流入オリフィスに整列して放射状に配置されたスロット」は、各空気流入オリフィスと実質的に同じ放射状面にあるスロットまたは各スロットを意味するために用いられる。したがって、図２に示した実施例において、１０ａで示されるスロットは各流入オリフィスに整列して放射状に配置されたスロットに相当する。

図１から図３に示したこれらの手段の実施形態において、ディスクのフランジ１４の軸方向部分１４ａの外側面は、その下流端部に（すなわち、拡散空洞からの出口に）流入オリフィス３０に整列して放射状に配置された各スロット１０ａのレベルの突起３２を有する。

そのような突起３２は空気拡散空洞２８中に突出し、したがって、これらのスロット１０ａ中に侵入する空気の流れ断面を低減することが可能である。

拡散空洞２８を出てオリフィス３０に整列して放射状に配置されたスロット１０ａ中に侵入する空気の流れ断面の低減は、特に図３に見ることができる。したがって、同一の流れ速度で、空気流入オリフィス３０に整列して放射状に配置されたスロット１０ａを換気するように配分された空気の流量は低減され、それによって当然の結果としてディスクの他のスロットに供給される空気流量を増加させる。これらの他のスロットは空気流入オリフィスから離れているので、それらに供給するために続く通路はより長い。しかし、それらを冷却するための空気の流量の増加はそれらの遠隔性を補償し、したがって、スロットの冷却をディスク全体にわたってより均一化する働きをする。

図３に示した有利な特徴によれば、各突起３２は、対応する空気流入オリフィス３０に整列して放射状に配置されたスロット１０ａに面する最大高さ（拡散空洞中に侵入する）Ｈを有し、対応する空気流入オリフィスとそれに直接隣接する２つの流入オリフィス間の中間角度に最小（またはゼロ）高さｈを有する。

したがって、空気流入オリフィス３０に整列して放射状に配置されたスロット１０ａ中への空気の流れ断面は最小であり、２つの隣接する空気流入オリフィス間の中間角度の空気流れ断面は最大である。これは、空気流入オリフィスから最も離れたスロット（すなわち、２つの隣接オリフィス間の中間角度に位置するスロット）への空気流量を最大にする必要性に完全に一致する。

図３に示すように、各突起３２はその最大高さＨと最小高さｈとの間を実質的に規則的に低下する。結果として、ディスクの各スロット中に侵入する空気の流量は、空気流入オリフィスに対してスロットの角度位置に良好に適合することができる。

図１から図３に示した本発明の実施形態において、各突起３２は実質的に平面の輪郭を有する（突起を形成する表面は実質的に平面である）。

当然ながら、任意の他の輪郭も考えることができる。したがって、図４に示した突起３２の輪郭は湾曲であり、さらに精確には円錐である（円筒状等とすることもできる）。

さらに、図１から図３に示した本発明の実施形態において、突起３２はディスクのフランジ１４の軸方向部分１４ａの外側面上に形成される。

しかし、図５に示すように、替わりに、突起３２は保持環２２のフランジ２４の軸方向部分２４ａの内側面上に形成することも考えられ、これらの突起は当然ながら同様に拡散空洞２８中に突出する。

図に示されない他の変形例は、ディスクのフランジの外側面上および保持環のフランジの内側面上の両方に突起を形成することからなる。

最終的に、本発明の実施形態に拘わらず、空気流入オリフィス３０は保持環２２をディスク４のフランジ１４に固定するボルト締め接続２６の間に円周状に配設するのが好ましいことが理解されるはずである。

本発明の一実施形態を構成する装置を設けたターボ機械の低圧タービンの長手部分断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩの断面図である。 図２の図解および展開図である。 本発明の他の実施形態を構成する装置の部分展開図である。 本発明のさらに他の実施形態を構成する装置の長手方向断面図である。

符号の説明

４ ロータディスク
１０ スロット
１４、２４ 環状フランジ
１６ 上流放射状面
２２ 保持環
２３ 環状ストップリング
２６ ボルト締め接続
２８ 環状空間
３０ 空気流入オリフィス
３２ 突起

Claims (7)

1. ターボ機械のロータディスク中のスロットを冷却する装置であって、装置が、
   ロータディスク（４）であって、その周縁部においてディスクの回転軸（Ｘ−Ｘ）の周りに規則的に分配された実質的に軸方向の複数のスロット（１０、１０ａ）およびディスクの上流放射状面（１６）から上流に延在する環状フランジ（１４）を含むロータディスク（４）と、
   ディスクの上流放射状面に装着される保持環（２２）であって、上流に延在し、ディスクのフランジ（１４）の周りに配置される環状フランジ（２４）を有し、該環状フランジは、保持環と一緒に協働して冷却空気拡散空洞を形成する環状空間（２８）を残し、この拡散空洞はその下流端部で各ディスクスロットの底部中にその上流端部で開口するような保持環（２２）と、
   ディスクの回転軸の周りに規則的に分配されて拡散空洞中にその上流端部で開口する複数の空気流入オリフィス（３０）とを含み、
   装置は、空気拡散空洞（２８）の下流端部が空気流入オリフィスと一致するように放射状に配置されたディスクのスロット（１０）中に侵入する空気の流量を低減し空気流入オリフィスから離れたスロット中に侵入する空気の流量を増加させる手段（３２）を含むことを特徴とする、装置。
2. ディスク（４）のフランジ（１４）の外側面および／または保持環（２２）のフランジ（２４）の内側面がその下流端部に、空気流入オリフィス（３０）と一致するように放射状に配置されたディスクの各スロット（１０ａ）に面する突起（３２）を有し、この突起が、前記スロット中に侵入する空気の流れ断面を低減するために空気拡散空洞（２８）中に突出する、請求項１に記載の装置。
3. 各突起（３２）が、対応する空気流入オリフィス（３０）と一致するように放射状に配置されたディスクのスロット（１０ａ）に面して最大高さ（Ｈ）を有し、それによりそこでの空気の流れ断面を最小にし、対応する空気流入オリフィスとそれに直接隣接する２つのオリフィスの間の中間距離で最小高さ（ｈ）を有し、それによりそこでの空気の流れ断面を最大にする、請求項２に記載の装置。
4. 各突起（３２）の高さが、その最大高さ（Ｈ）とその最小高さ（ｈ）の間で実質的に規則的に減少する、請求項３に記載の装置。
5. 各突起（３２）が、実質的に平面または実質的に湾曲の輪郭を有する、請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 保持環（２２）が、そのそれぞれの自由端部（２４ｂ、１４ｂ）を互いに締めつけるボルト締め接続（２６）によってディスク（４）のフランジ（１４）に固定され、空気流入オリフィス（３０）が前記ボルト締め接続の間に周縁状に配設される、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のロータディスクのスロットを冷却するための少なくとも１つの装置を含むことを特徴とする、ターボ機械。

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