JP2008190534A - 逆回転するｈｐおよびｌｐタービンを備えるガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】空気力学的性能を最適化することができ、かつ重量とコストを最適化することができるガスタービンを提供する。
【解決手段】ガスタービンは、ノズル５２と交互の複数の可動ホイール５６を有するＬＰタービン５０を備え、ＬＰタービンの可動ホイールは、ＨＰタービンの可動ホイールの回転方向とは逆方向に回転し、ガスタービンはさらに、タービン間ケーシング６０を備え、タービン間ケーシング６０は、内部ケーシング壁と外部ケーシング壁との間の通路を横断して延在するアーム６８とともに、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間の流体通路を画定する。ガスタービンは、ＨＰタービン４０からの出口とＬＰタービン５０の第１の可動ホイール５６_１との間に、ストリームを偏向させる機能を形成するノズルまたはデバイスを有さない。ＨＰタービン４０は、タービン間ケーシング６０で旋回するストリームを送るように有利に構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、逆回転する高圧（ＨＰ）タービンおよび低圧（ＬＰ）タービン、すなわち、各ＨＰタービンホイールが、ＬＰタービンの可動ホイールの回転方向とは反対の方向に回転するタービンを有するガスタービンに関する。さらに詳細には、本発明の応用分野は、航空エンジンである。

本発明は、一方はＨＰであり他方はＬＰである、２つのスプールを有するタービンに制限されない。本発明は、２つより多くのスプールを有するタービンにも適用することができ、高圧（ＨＰ）タービンおよび低圧（ＬＰ）タービンとの用語は、ガスタービンを通るストリームの流れ方向に２つの連続的なスプールの２つのタービンに適用される。

逆回転するＨＰタービンおよびＬＰタービンの使用は、ＨＰタービンからの出口ストリームを偏向する必要性がより少なく、ＬＰタービンの入口ノズルによる空気力学的損失が、低減されることが利点である。したがってタービン機能の性能が改善される。

構造的な強度の理由で、中間ケーシングまたは「タービン間」ケーシングが、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間に挿入されることができ、ＨＰタービンおよびＬＰタービンは、それら自体それぞれのケーシングに収容される。中間ケーシングは、内壁および外壁を有し、内壁および外壁は、内壁と外壁との間に延在するアームとともに、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間のストリーム用の流れセクションを画定する。

１つのそのような構成が、きわめて概略的に図１に示される。ＨＰタービン１０は、ノズル１２を備え、ノズル１２は、燃焼チャンバからの一次ストリームを受容し、かつ一次ストリームをある方向（矢印Ｆ１）に回転する可動ホイール１６に加えるために、一次ストリームを偏向する。ＬＰタービン２０は、複数のステージを含み、各ステージは、ノズル２２_１、２２_２、２２_３、…、２２_ｎおよび可動ホイール２６_１、２６_２、…、２６_ｎを有し、これらの可動ホイールは、ホイール１６の方向とは反対の方向（矢印Ｆ２）に回転する。タービン間ケーシング３０は、ストリームの通路を横断して延在するアーム３２とともに、タービン１０とタービン２０との間に挿入され、アーム３２は、空気力学的な損失を最小にするために整形される。それにもかかわらず、タービン間ケーシングの存在は、圧力損失を招き、それによってタービンの全体的な性能の低下をもたらす。

きわめて概略的に図２に示されるように、ＬＰタービンの入口ステージのノズルを省き、かつタービン間ケーシング３６に偏向機能を与える提案が行われた（他の要素は、図１の要素と同じであり、同じ参照符号が与えられている）。タービン間ケーシングのアーム３８は、偏向翼に適した形状が与えられる。それにもかかわらず、性能の損失が、タービン間ケーシングを有さない構成と比較してやはり認められる。各アームは、より高いレベルの幾何形状応力（コードの長さおよび最大断面に関して）を受け、したがって、ＬＰタービンの第１のステージ用の従来のノズルが発生する圧力損失よりも大きな圧力損失を発生する。

本発明は、空気力学的性能を最適化することができ、かつ重量とコストを最適化することができるタービン間ケーシングとともに、逆回転するＨＰとＬＰタービン用構成の提供を提案する。

この目的は、ガスタービンによって達成され、該ガスタービンは、高圧（ＨＰ）タービンと、ノズルと交互の複数の可動ホイールを備える低圧（ＬＰ）タービンとを備え、ＬＰタービンの可動ホイールは、ＨＰタービンの可動ホイールの回転方向と逆方向に回転し、ガスタービンはさらに、内部ケーシング壁および外部ケーシング壁を有するタービン間ケーシングを備え、タービン間ケーシングは、内部ケーシング壁と外部ケーシング壁との間の通路を横断して延在するアームとともに、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間のストリーム通路を画定し、ガスタービンが、ＨＰタービンからの出口とＬＰタービンの第１の可動ホイールとの間に、ストリームを偏向させる機能を有するノズルまたはデバイスを有さない。

したがって、ＬＰタービンの第１のステージ用のノズルは省かれるが、タービン間ケーシングは、任意のストリーム偏向の役割を除くように、構造上の役割だけが与えられる。ＬＰタービンの第１のステージでストリーム偏向が存在しないことは、従来技術構成に比べて、実際にＬＰタービンにかかる負荷分散の悪化をいくらか招くが、この悪化は、ブレード数の低減に伴う節約によって補償される。タービン間ケーシングにおいて、アームは、ストリーム偏向機能を果たさないので、それらアームは、ケーシングの構造上の機能を果たすのに十分な限られた量だけ存在することができる。さらに、この種の非偏向アームは、偏向形状を有するアームよりも圧力損失が少なく、輪郭形状による損失である二次損失は、大きく低減される。加えて、偏向されないストリームを受容するＬＰタービンの第１のステージの可動ホイールは、より少量の偏向をストリームに与え、したがって、より少数のブレードを有することができる。これは、さらにＬＰタービン用入口ノズルをさらに完全に省くことになる。

ブレードの数の低減は、重量とコストに関しても大きな低減を生じる。

好ましくは、良好な性能収支を有するために、ＨＰタービンは、タービン間ケーシングに旋回するストリームを送るように構成され、ＨＰタービンを出るストリームの全体的な方向は、少なくとも最善の性能が期待されるこれらの動作点で、例えばタービンの軸方向に対して少なくとも２０°以上の角度を形成する。

また、本発明は、上で規定されたタービンを備えるガスタービンエンジンを提供する。

本発明は、添付図面を参照して、限定しない指示として与えられる以下の説明を読み取ることによってより良好に理解されることができる。

本発明は、ガスタービン航空エンジンに特に適用可能である。そのようなエンジンは、図３にきわめて概略的に示されるように、ガス流れ方向の上流側から下流側へ向かって、エンジンの入口に配置されたファン１と、圧縮機２と、燃焼チャンバ３と、高圧（ＨＰ）タービン４と、低圧（ＬＰ）タービン５とを備える。ＨＰタービンおよびＬＰタービンは、同軸シャフトによってそれぞれ圧縮機およびファンに結合される。

ＨＰタービン、タービン間ケーシング、およびＬＰタービンを備える組み立て体の本発明による構成は、きわめて簡略化した態様で図４に示され、部分的に軸方向半断面図が図５に示される。

これらの例において、ＨＰタービン４０は、燃焼チャンバ（図示せず）から来る一次ガスストリームを受容するタービン入口ノズル４２、および可動ホイール４６を有する単一タービンステージを備え、ガスストリームは、ＨＰタービンによって送られその下流側で直ちに出る。ノズル４２は、内部プラットフォーム４４および外部プラットフォーム４５によって画定される空間を横切って延在する静翼４３を備え、その空間は、タービン内へのガスストリームの入口の流れ部分を形成する。可動ホイール４６は、外部タービンリング４８に囲まれた空間内を回転運動するブレード４７を備える。可動ホイール４６は、タービン軸４９の周りを回転運動可能であり、タービンシャフト（図示せず）に結合される。

ＬＰタービンは、複数のタービンステージを備える。第１ステージ、または最も遠方の上流側のステージは、ＬＰタービン用入口ノズルに先行されない可動ホイール５６_１を備えるが、各後続ステージは、可動ホイール５６_２、…、５６_ｎとともにノズル５２_２、…、５２_ｎを備え、ｎは、２よりも大きい整数であり、３未満ではないことが好ましい。図５の例において、ＬＰタービンステージの数は、３に等しく、可動ホイール５６_１、５６_２、５６_３およびノズル５２_２、５２_３を有する。ＬＰタービンの可動ホイールは、可動ホイール４６の回転方向とは逆方向に、軸４９の周りを回転運動可能であり、それら可動ホイールは、タービンシャフト（図示せず）に接続される。各ＬＰタービンノズル、例えば５２_２は、内部ノズルリング５４_２および外部ノズルリング５５_２によって画定される空間を横切って延在する羽根５３_２を備える。ＬＰタービンの各可動ホイール、例えば５６_２は、外部タービンリング５８_２によって取り囲まれる空間を回転運動可能なブレード５７_２を有する。

構造的な機能だけを果たすタービン間ケーシング６０は、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間に挿入される。ケーシング６０は、内部ケーシング構造６１および外部ケーシング構造６３を含み、該内部ケーシング構造６１および外部ケーシング構造６３は、内壁６２および外壁６４を支持し、内壁６２と外壁６４との間に、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間のガスストリーム用通路６６を画定する。構造アーム６８は、内壁６２と外壁６４との間の通路６６の幅全体にストリームを横断して延在し、それに接続される。アーム６８は、通路６６内の空気力学損失を最小化するように整形されるが、それらアーム６８は、図２の例のようにストリーム偏向機能を実行する形状にはされない。したがって、アームの数は、期待される構造的な機能を実行するのに十分な数に制限することができる。外部ケーシング６３の構造は、ＨＰタービンの外部ケーシング構造４１およびＬＰタービンの外部ケーシング構造５１に接続されることが観察されるはずである。

本発明による構成によって、ＬＰタービンの上流側の可動ホイール５６_１には、軽い負荷が与えられる。したがって、制限された数のブレードで作製することができる。ホイール５６_１上の軽い負荷を補償するために、ＬＰタービンの第１の可動ホイールから上流側にノズルが存在する従来の構成に比べて、ホイール５６_２および５６_３により大きな負荷を与えることが可能である。

有利には、ホイール５６_１から良好な性能収支を有するために、ＨＰタービンから来るガスストリームに軸４９を中心とする比較的大きな量の旋回を与えるのが望ましい。可動ホイール４６によって与えられる、ＨＰタービンから来るガスストリームの全体的な方向と軸４９との間の角度は、少なくとも３０°、例えば、２０°から４５°の範囲であることが好ましい。

ＬＰタービンの入口ノズルがなく、したがって、ＬＰタービンの可動ホイール間に負荷の不均衡が存在するにも拘わらず、ブレードの数に対する重量とコストに関する節約は、従来技術に比較して全体的に有利な性能収支の確保を可能にする。

逆回転するＨＰタービンおよびＬＰタービンの従来技術構成をきわめて概略的に示す。 逆回転するＨＰタービンおよびＬＰタービンの従来技術構成をきわめて概略的に示す。 本発明を実施することができるガスタービンエンジンをきわめて概略的に示す。 逆回転するＨＰタービンおよびＬＰタービン用の本発明の構成をきわめて概略的に示す。 本発明の実施形態におけるＨＰタービン、タービン間ケーシング、およびＬＰタービンを備える組み立て体の軸方向の半断面を簡略部分的に示す図である。

符号の説明

１ ファン
２ 圧縮機
３ 燃焼チャンバ
４、１０、４０ 高圧（ＨＰ）タービン
５、２０、５０ 低圧（ＬＰ）タービン
１２ ノズル
１６、２６_１、２６_２、…、２６_ｎ、４６、５６、５６_１、５６_２、…、５６ｎ 可動ホイール
２２、３２ アーム
２２_１、２２_２、２２_３、…、２２_ｎ、４２、５２_２、…、５２_ｎ ノズル
３０、３６、６０ タービン間ケーシング
３８、６８ アーム
４０ タービン入口ノズル
４１、５１ 外部構造
４３ 静翼
４４ 内部プラットフォーム
４５ 外部プラットフォーム
４７、５７_２ ブレード
４８、５８_２ 外部タービンリング
４９ タービン軸
５３_２ 羽根
５４_２ 内部ノズルリング
５５_２ 外部ノズルリング
６１、６３ 外部ケーシング構造
６２、６４ 外部ケーシング壁
６６ ガスストリーム用通路

Claims (4)

1. ガスタービンであって、高圧（ＨＰ）タービン（４０）と、ノズル（５２）と交互の複数の可動ホイール（５６）を有する低圧（ＬＰ）タービン（５０）とを備え、ＬＰタービンの可動ホイールが、ＨＰタービンの可動ホイールの回転方向とは逆方向に回転し、前記ガスタービンがさらに、内部ケーシング壁および外部ケーシング壁（６２、６４）を有するタービン間ケーシング（６０）を備え、該タービン間ケーシング（６０）が、内部ケーシング壁と外部ケーシング壁との間の通路を横断して延在するアーム（６８）とともに、ＨＰタービンとＬＰタービンとの間のストリーム通路を画定し、
   ガスタービンが、ＨＰタービン（４０）からの出口とＬＰタービン（５０）の第１の可動ホイール（５６_１）との間に、ストリームを偏向させる機能を有するノズルまたはデバイスを有さないことを特徴とする、ガスタービン。
2. ＨＰタービン（４０）が、タービン間ケーシング（６０）で旋回するストリームを送るように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
3. ＨＰタービン（４０）を出るストリームの全体的な方向が、タービンの軸方向に対して少なくとも２０°以上の角度を形成することを特徴とする、請求項２に記載のガスタービン。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンを備える、ガスタービンエンジン。

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