JP5034847B2 - ２つのタービン段の間の移行チャネル - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの分野に関し、特に２つのタービン段の間の移行チャネルを目的としている。

マルチボディガスタービンエンジンは、通常同一の軸のまわりを互いに無関係に回転する複数のアセンブリを備える。例えば、ダブルボディエンジンは、２つのアセンブリを備え、その一方は高圧、他方は低圧と呼ばれている。高圧ボディは、同一のシャフトに取り付けられたコンプレッサとタービンからなる。高圧コンプレッサは、燃焼室に空気を供給し、それ自体が、燃焼ガスを高圧タービンに送る。低圧ボディは、低圧タービンを備え、低圧タービンは、高圧タービンで最初の膨張を経たガスを、移行チャネルと呼ばれるチャネルから、また必要に応じて分配器から受け取る。

低圧タービンの出力を増大させる方法の１つは、低圧タービンの平均半径を拡大することによって、空気力学的負荷を低減することからなる。高圧タービンの半径は変化せず、したがって、高圧ＨＰタービンと低圧ＢＰタービンとの間の移行チャネルの形状は、高圧タービンから来るガスのその入口用セクションと、低圧タービンに供給するための分配器内に現れるその出口セクションとの間で適合されることになる。航空エンジンの場合は、空間および重量の制約のために、移行チャネルを延長することは好都合ではない。したがって移行チャネルの壁は、急勾配を有し、かつ相当程度の拡散を配備しなくてはならない。しかし、壁で保持される流れの質によって制限が課される。即ち、境界層の肥大を、さらに剥離を回避しなければならない。

移行チャネルによって形成された雁首状物の勾配および拡散の限界が超過されると、境界層の剥離が起こる。これはタービンの性能にとって好ましくない要因である。これは、低圧タービンの平均半径を拡大することによってもたらされた利益を帳消しにしてしまう。

この問題を救済するための解決方法は、境界層内に流体の流れを注入することによって、壁の境界層を再付勢して、境界層の剥離を防止することにある。

したがって、このような解決方法は、ＨＰタービンからＢＰタービンへの移行チャネルを使用して、
急勾配を配することによって、タービンの平均半径、したがって出力を増大し、また
高度の拡散を行うことによって、低圧タービンの分配器で生じた損失を低減し、したがってＢＰタービンの出力を増大することを可能にする。

この解決方法は、２つのタービンセクションの間のどのような移行チャネルにも適しており、ＨＰセクションと直ぐ下流側のＢＰセクションとの間の移行チャネルに限らない。

米国特許出願公開第２００５／０２７９１００号明細書は、このような流体吹き込み手段が設けられたタービン間の移行チャネルについて記載している。高圧タービンの上流側のストリームには、ガス抽気ダクトが配置されている。このダクトは、移行チャネルの外部壁と実質的に平行に、高圧タービンを迂回し、かつ高圧タービンの下流側で、境界層の剥離が起こりそうなゾーンに現れる。この文献で言及されているように、流体を注入することによって、外部壁が急勾配であるチャネルを作ることが可能になる。
米国特許出願公開第２００５／０２７９１００号明細書

しかし、熱応力および機械応力のために、流体を移行チャネル内に注入することには困難な点がある。

本発明の主題は、境界層を再び付着させるように流体を効果的に注入することを可能にする、移行チャネルの構造を作り出す方法である。

本発明によると、ガスタービンエンジン用の第１のタービンセクションと第２のタービンセクションとの間の移行チャネルであって、第１の径方向外部環状壁と、第２の径方向内部環状壁とを備え、第１の壁が、その境界層を再付勢するようにチャネルに流体を注入するスロット、穴、または他の要素の形態のオリフィスを備え、第１の壁が、環状リングの内側に収容されたリングセクタ要素からなり、流体供給手段が、環状リングの外側と前記注入オリフィスとの間に配置されることを特徴とする。

第１の実施形態によると、供給手段は、環状リングに配置された開口部と、リングセクタに配置され、注入オリフィスと連通する空洞と、前記開口部と前記空洞との間に取り付けられた連結管とを備える。

他の実施形態によると、供給手段は、環状リングに配置された開口部と、リングセクタに配置され、注入オリフィスと連通する空洞と、環状シールによって境界が定められ、開口部と空洞との間に配置されて、それらを連通させる環状チャネルとを備える。

他の実施形態によると、リングセクタ要素の流体注入オリフィスは、リングセクタを機械加工することによって得られる。

他の実施形態によると、流体注入オリフィスは、セクタに機械加工された開口部と、セクタに取り付けられた案内要素との間に画定される。

有利に、特定の実施形態によれば、注入オリフィスは、流体に接線方向の速度成分を与えるように配置される。

本発明は、移行チャネルを介して連結された第１のタービンセクションと第２のタービンセクションとを備えるガスタービンタービンエンジンに関し、リングが、タービンケーシング要素とともに流体分配空洞を構成し、前記ケーシング要素が、移行チャネルの上流側の抽気ゾーンと連通する流体供給オリフィスを備える。この抽気は、注入された空気が壁を保護する膜を形成するように、コンプレッサで実施されることが好ましい。

より詳しくは、移行チャネルの径方向外部環状壁を形成するこのリングセクタは、第２のタービンセクションへの入口で分配器を形成する要素に取り付けられる。一実施形態によると、リングセクタは、分配器の要素と一体である部品を形成する。

次に、添付図面を参照して本発明をより詳しく述べる。

図１は、従来技術によるガスタービンエンジンのタービンセクションの例示的構造を示す。ケーシング１は、第１のタービンロータ２を収容する。ここでは、これは、エンジンの高圧タービンである。このタービンは、第１のシャフトに固定して取り付けられる。第２のタービン４は、ここでは低圧タービンであり、タービン２で最初の膨張を経たガスを受け取る。この膨張は、シングルロータに取り付けられたいくつかの段同士で分割される。このシングルロータは、第１のシャフトと共軸の、第１シャフトとは別個のシャフトに固定して取り付けられている。移行チャネル６は、２つのセクションの間に、より正確には高圧タービンのロータと低圧タービンへの入口の分配器との間に配置される。高圧段階への入口と低圧セクションからの出口との間でガスが膨張することから、ボリュームが増大し、平均直径も拡大する。しかしこの増大は、分配されていない流れの状態と適合したままである。

低圧タービンの出力を増大するための設計研究の点からは、空気力学的チャネルの輪郭が最適化される。こうした最適化の中で、低圧タービンへの入口で勾配を増大することが、移行チャネルに使用されており、これによって低圧タービンの平均半径の急速な拡大が可能になる。さらに、チャネルでのより大きな拡散によって作り出された低圧分配器への入口のこの断面積の拡大によって、第１の段の性能が高まり、分配器内の加速度が上がる。図１の細い線（Ｄ）は、このような最適化された輪郭の外形を示す。

しかし低圧タービンへの入口の急勾配は、高圧タービンから生じるメインフローの外側壁に沿った境界層が剥離する危険を生む。こうした剥離は、ＢＰタービンの性能を大幅に損なう。

提案する解決方法では、ガスフローを壁に保持するために、壁に高圧タービンからの出口で大量のガスフローが注入される。この空気の注入は、一般に吹き込みと呼ばれる。

図２は、エンジン環境の一例への本発明の主題である吹き込みの技術的組み込みを示している。この図は、移行チャネル１０の一部分の軸方向断面を示している。このチャネル１０は、ブレードの一部分を見ることのできるＨＰタービン１２と、ここでもブレードの一部分が見られるＢＰタービンセクションへの入口の分配器１４との間に位置付けられている。ＨＰタービン１２のブレード配列は、シーリングリング１２１によって、エンジンの軸に対して外部に画定された環状チャネルの内側で移動することができる。このリングは、ＨＰタービンケーシングと呼ばれる内部ケーシング要素１２３内に取り付けられる。このケーシングは、それ自体が外部ケーシング２０に搭載されている。タービンリング１２１は、複数の環状セクタから形成され、クランプ１２１Ａによって中間部１２４によってケーシング要素１２３に保持されている。

環状移行チャネル１０は、第１の径方向外部壁１０２と図２で示していない第２の径方向内部壁との間で画定されている。第１の壁１０２は、ＨＰタービンリング１２１とＢＰタービンの第１の段の分配器１６との間で軸方向に延びるリングセクタ内のプラットフォームで形成されている。図２で分かるように、軸方向断面の下流側で、第１の壁１０２は、溝１４Ａの舌状連結部１０２Ａによって分配器１４に固定して取り付けられている。上流側では、第１の壁１０２は、シール１２１Ｂを介してシーリングリング１２１に押し当てられている。壁の上流側に空洞１０２Ｂが配置されている。これらの空洞１０２Ｂは、機械の軸に対して径方向外向きに開いている。これらの空洞は、移行チャネル１０内に通じる注入オリフィス１０２Ｃと連通している。注入オリフィス１０２Ｃは、壁１０２の表面と実質的に平行に向けられている。ＨＰタービンから生じるガスストリームが、エンジンの軸に対して横断面で接線成分を含む限りは、これらのオリフィスにも、横断面で接線方向である向きを付与することが有利である。

壁１０２は、チャネルの軸と同じ軸の、実質的に円錐台形状の環状リング１０４に含まれる。このリング１０４は特に金属シートから作られ、シーリングリング１２１と分配器との間で軸方向に延びる。より精確には、上流側では、リングは、シール１０４Ａを介して、リング１２１の縁部付近の、またはこの場合のようにリング１２１と同じ横断面のＨＰタービンケーシング１２３の径方向のフランジ１２３Ａを押圧する。下流側では、リング１０４は、ＨＰケーシング１２３に固定して取り付けられた舌状部と溝締結具とによって保持されている。軸方向のフランジ１０２Ｄは、リング１０４のための支承面を形成する。

リング１０４は、取り付けられた連結管１０６によって第１の壁の空洞１０２Ｂと連通する径方向の開口部１０４Ｂを備える。これらの円筒状管は、それらの端部に、一方で開口部１０４Ｂの壁と、他方で空洞１０２Ｂの壁と相互作用する円弧の軸方向断面を備えた表面を有する。これらの直径は、これらの管と、開口部１０４Ｂおよび空洞１０２Ｂの円筒状壁とのシール接触を形成するように調整される。気体流体は、漏出なく連結管を通って案内される。したがって、第１の壁をリングに対して固定しないように、それらのハウジングでの管の制限された回転運動が可能になる。

リング１０４は、径方向のフランジ１２３Ａの下流側でタービンケーシング１２３の壁とともに環状の空間１１０を構成する。シール１０４Ｃが、リング１０４とケーシング１２３の壁との間の下流側にシールをもたらす。タービンケーシング１２３の壁に配置されたオリフィス１２３Ｂが、空間１１０を流体供給チャネル１１２と連通するように配置する。このようにして、環状空間１１０の境界が、リング１０４と、ケーシング１２３と、シール１０４Ａおよび１０４Ｃとの間で定められる。

エンジンが動作しているとき、気体流体が、チャネル１１２からオリフィス１２３Ｂを通って空間１１０の中に、次いで空間１１０からチャネルの第１の壁１０２の空洞１０２Ｂの中に案内され、そこから、気体流体は、注入オリフィス１０２Ｃを通ってチャネル１０の中に注入されて、壁１０２の境界層に再付勢する。

チャネル１１２は、ＨＰタービンの上流側に位置する、また移行チャネル１０の出口よりも高い圧力にあるゾーンと連通している。例えばコンプレッサで流体を抽気することを選択することによって、壁の熱的保護の追加機能を実施することが可能である。

図３を参照して変形実施形態を説明する。図２を参照した説明に対して単に修正されただけの部分は、同じ参照符号にプライム記号を付けたものを有する。本実施形態では、連結管は、シールを介して配置されたダクトと代えられている。

空間１１０’は、タービンケーシング要素１２３と、リング１０４’と、２つのシール、即ち一方の上流側のシール１０４’および他方の下流側のシール１０４Ｃとの間で画定される。リング１０４’には、上流側で、第１の壁１０２’に配置された径方向の空洞１０２Ｂ’と連通するオリフィス１０４Ｂ’が貫通されている。シール１０２’Ｆおよび１０２’Ｇは、開口部１０４Ｂ’と空洞１０２Ｂ’との間の漏出のない気体流れを保証する。この場合のシール１０２’Ｆは、リング形状である。このシールは、リングと、第１の壁を形成するリングセクタに配置された径方向のフランジとの間に収容されている。シール１０２’Ｇは、リング１０４’に固定して取り付けられた金属シートの形態であり、壁１０２’を形成するリングセクタの径方向のフランジを弾性的に押圧する。

空洞１０２Ｂ’は、チャネル１０の注入オリフィス１０２Ｃ’と連通し、本実施形態によると、オリフィス１０２Ｃ’は、第１の壁に取り付けられた案内部１０２Ｃ”によって配置される。空洞１０２Ｂ’は、貫通空洞であり、案内部１０２Ｃ”によって部分的に閉鎖されている。前述の実施形態のように、注入オリフィスは、有利に、接線成分がエンジンの軸に対して横断方向の平面にあるように向けられている。

動作は前述の事例と同じである。

本発明の解決方法は、リングによって、第１の壁を形成するリングセクタを、チャネル１１２によって構成された流体源から隔離することを、また流体の損失なく注入オリフィスに効果的な案内をもたらすことを可能にする。

第１のタービン、第２のタービン、および移行チャネルを備えた、従来技術のガスタービンエンジンのタービンセクションの軸方向半断面図を示す。 移行チャネルの径方向外側部分の部分図であり、本発明の第１の実施形態による構成を示す。 他の実施形態による構成を備えた、移行チャネルの径方向外側部分の部分図を示す。

符号の説明

１ ケーシング
２ タービン
４ 第２のタービン
６、１０ 移行チャネル
１２ ＨＰタービン
１４ 分配器
１４Ａ 溝
１６ 第１の段の分配器
２０ 外部ケーシング
１０２、１０２’ 第１の壁
１０２Ａ 舌状連結部
１０２Ｂ、１０２Ｂ’ 第１の壁の空洞
１０２Ｃ、１０２Ｃ’ 注入オリフィス
１０２Ｃ” 案内部
１０２Ｄ フランジ
１０２’Ｆ、１０２’Ｇ、１０４Ａ、１０４Ａ’、１０４Ｃ、１０４’Ｃ、１２１Ｂ シール
１０４、１０４’ 環状リング
１０４Ｂ、１０４Ｂ’ 開口部
１０６ 連結管
１１０、１１０’ 環状空間
１１２ 流体供給チャネル
１２１ シールリング
１２１Ａ クランプ
１２３ タービンケーシング
１２３Ａ 径方向のフランジ
１２３Ｂ オリフィス
１２４ 中間部

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン用の第１のタービンセクションと第２のタービンセクションとの間の移行チャネル（１０）であって、第１の径方向外部環状壁（１０２、１０２’）と、第２の径方向内部環状壁とを備え、第１の径方向外部環状壁が、その境界層を再付勢するように移行チャネルに流体を注入する注入オリフィス（１０２Ｃ、１０２Ｃ’）を備え、第１の径方向外部環状壁（１０２、１０２’）が、環状リング（１０４、１０４’）の内側に収容されたリングセクタ要素からなり、環状リング（１０４；１０４’）が該リングの外側のタービンケーシング要素（１２３）とともに流体を分配するための空洞（１１０、１１０’）を形成し、前記流体を漏出なく案内する流体供給手段が、前記流体を分配するための空洞（１１０、１１０’）と前記注入オリフィス（１０２Ｃ、１０２Ｃ’）との間に配置される、移行チャネル。
2. 流体供給手段が、環状リング（１０４）に配置された開口部（１０４Ｂ）と、第１の径方向外部環状壁（１０２）を形成し注入オリフィス（１０２Ｃ）と連通するリングセクタに配置された空洞（１０２Ｂ）と、前記開口部と前記空洞との間に取り付けられた連結管（１０６）とを備える、請求項１に記載の移行チャネル。
3. 流体供給手段が、環状リング（１０４’）に配置された開口部（１０４Ｂ’）と、第１の径方向外部環状壁（１０２’）を形成し、注入オリフィス（１０２Ｃ’）と連通するリングセクタに配置された空洞（１０２Ｂ’）と、環状シール（１０２’Ｆ、１０２’Ｇ）によって画定され、開口部（１０４Ｂ’）および空洞（１０２Ｂ’）の間に配置されかつそれらを連通させる環状チャネルとを備える、請求項１に記載の移行チャネル。
4. リングセクタ要素に流体を注入する注入オリフィス（１０２Ｃ）が、リングセクタを機械加工することによって得られる、請求項１から３のいずれか一項に記載の移行チャネル。
5. 流体注入オリフィス（１０２Ｃ’）が、第１の壁（１０２’）を形成するリングセクタに機械加工された開口部（１０２Ｂ’）と、前記リングセクタに取り付けられた案内要素（１０２Ｃ”）との間に画定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の移行チャネル。
6. 注入オリフィス（１０２Ｃ；１０２Ｃ’）が、ガスタービンエンジンの軸に対して横断方向の平面の接線速度成分を流体に与えるように配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の移行チャネル。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の移行チャネル（１０）によって連結された第１のタービンセクションと第２のタービンセクションを備えるガスタービンエンジンであって、環状リング（１０４；１０４’）が、タービンケーシング要素（１２３）とともに流体分配用空洞（１１０，１１０’）を構成し、前記ケーシング要素（１２３）が、移行チャネルの上流側の抽気ゾーンと連通（１１２）する流体供給オリフィス（１２３Ｂ）を備える、ガスタービンエンジン。
8. 移行チャネルの上流側の前記抽気が、ガスタービンエンジンのコンプレッサで実施され、抽気された空気が、第１の径方向外部環状壁を保護する冷却膜を形成する、請求項７に記載のガスタービンエンジン。
9. 移行チャネル（１０）の第１の径方向外部環状壁（１０２，１０２’）を形成するリングセクタが、第２のタービンセクションへの入口で分配器（１４）を形成する要素に取り付けられる、請求項８に記載のガスタービンエンジン。
10. 第１の径方向外部環状壁（１０２，１０２’）を形成する前記リングセクタが、分配器（１４）の要素と一体的な部品を構成する、請求項９に記載のガスタービンエンジン。

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