JP2009008084A - ２つの空気供給を有するターボ機械中のロータディスクのスロットを冷却する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械のロータディスク中のスロットを冷却するための装置を提案する。
【解決手段】複数のスロット（１０）とフランジ（１４）を有するロータディスク（４）を含む。装置はまた、各々がそれぞれのスロット中に装着されたその根元部（１２）を有するブレード（２）と、ディスクの上流放射状面（１６）に装着された一端部（２３）を有する保持環と、ディスクのフランジの周りに配設されて、それと一緒に協働して各スロットの底部中に開口する冷却空気拡散空洞を形成する空間（２８）を画定するフランジ（２４）とを含み、その上流端部で拡散空洞中に開口する空気流入オリフィスと一緒に、ディスクの上流放射状面に装着された保持環の端部は、ディスク中の各スロットの底部中に放射状にその上流端部で開口する複数の開口部（３２）を含む。
【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中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、
各々ロータディスク中の対応するスロットに装着された根元部を有する複数のブレードと、
ディスクの上流放射状面に装着された端部およびこのディスクの上流放射状面から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有し、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、ディスクの上流放射状面に装着された保持環の端部が、ディスクの回転軸の周りに分配されてディスクの各スロットの底部中に軸方向にその上流端部で開口する複数の開口部を含むことを特徴とする。

したがって、ディスク中のスロットには拡散空洞の上流端部中に開口する空気流入オリフィスおよびスロットの底部中に直接開口する流入開口部の両方から来る空気が供給される。ディスク中のスロットのこの二重供給はディスク中の全てのスロットに対して完全に均一な冷却を得ることを可能にし、それによってディスクの寿命の増加に貢献する。

有利な特徴において、ディスクの上流放射面に装着された保持環の端部は、外側に放射状に延在する複数の歯をさらに含み、その各々は対応するブレード根元部の歯と軸方向に協働するように設計される。これらの歯の存在は、ブレードを軸方向に保持することを可能にする。さらに、空気は２つの隣接歯の間を通過することによってその上流端部を経由してディスク中のスロットに供給される。したがってディスク中のスロットの冷却が強化される。

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’は各ディスク４、４’の放射状上流面１６、１６’に装着される。さらに精確には、各保持環２２、２２’は、実質的に放射状でありディスクの上流放射状面１６、１６’に装着された上流端部２３、２３’と、上流に軸方向に延在しディスクの対応するフランジ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、保持環のフランジ２４、２４’は、実質的に軸方向であり端部２３、２３’によって下流に延在し環状部分２４ｃ、２４’ｃ（以下では、環のフランジの上流端部と呼ばれる）によって上流に延在する実質的に放射状の環状部分２４ａ、２４’ａから作られる。

タービンの第１段の保持環２２は、互いにそのそれぞれの上流端部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の底部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の上流端部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の上流端部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の上流端部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、ディスク４の上流放射状面１６に装着された保持環２２の下流端部２３は、ディスクの回転軸の周りに分配されてディスクの各スロット１０の底部中に軸方向にその上流端部で開口する複数の孔３２（または開口部）を含む。

さらに精確には、保持環２２の下流端部２３は、ディスクの周縁部に存在するスロット１０と同じ数の開口部３２を有する。これらの開口部はスロットの底部に軸方向に整列される。

したがって、ディスク中の各スロット１０には２つの異なる源から冷却空気が供給される。第１に拡散空洞２８から来る空気、第２に保持環の下流端部２３に形成された開口部３２を経由して入る空気である。したがって、ディスク中のスロットの冷却はディスク全体で均一化することができる。

本発明の有利な特徴によれば、ディスクの上流放射状面１６に装着された保持環２２の下流端部２３は外側に放射状に延在する複数の歯３４（または凹凸）をさらに含む。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、これらの歯３４の各々はタービンのロータブレード２の根元部１２の対応する歯（またはニブ）３６と軸方向に協働するように設計される。さらに、保持環の歯３４は、それらの間に、ブレード根元部の歯３６がそれらの間を通過できるような寸法にされた複数の切り欠き３８を画定する。

したがって、保持環２２上の歯３４の存在はブレードを軸方向に保持する働きをする。さらに、空気はその上流端部を経由して、すなわち切り欠き３８を経由して、２つの隣接する歯３４の間を通ることによってディスク中のスロット１０に供給される。したがって、ディスク中のスロットの冷却が強化される。

図３Ａおよび図３Ｂは保持環２２がディスクの上流放射状面にどのように装着されるかを示す。図３Ａにおいて、環はディスクの下流端部２３の切り欠き３８をブレード根元部の歯３６に軸方向に整列させながら、この上流放射状面に対して配置される。次いで、図３Ｂに示すように、保持環は、その歯３４が対応するブレード根元部の歯３６に軸方向に接触するまでターボ機械の長手軸の周りを回転させ、それによってディスクのスロット中のブレードを軸方向に保持する。次いで、保持環およびディスクのそれぞれのフランジの上流端部間のボルト接続が締め付けられて、保持環は堅固に固定され回転が防止される。

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１の装置がいかに配置されるかを示す背面図である。 図１の装置がいかに配置されるかを示す背面図である。

符号の説明

２ ブレード
４ ロータディスク
８ ボルト締め接続
１０ スロット
１２ 根元部
１４、１８、２４ 環状フランジ
１６ 上流放射状面
２０ 下流放射状面
２２ 保持環
２３ 上流端部、下流端部
２８ 環状空間
３０ 空気流入オリフィス
３２ 開口部
３４ 歯
３８ 切り欠き

Claims (3)

1. ターボ機械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、
   各々ロータディスク中の対応するスロット中に装着された根元部（１２）を有する複数のブレード（２）と、
   ディスクの上流放射状面（１６）に装着された端部（２３）およびこのディスクの上流放射状面から上流に延在してディスクのフランジ（１４）周囲に配置された環状フランジ（２４）を有し、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（２２）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（３０）とを含み、
   装置は、ディスク（４）の上流放射状面（１６）に装着された保持環（２２）の端部（２３）が、ディスクの回転軸の周りに分配されてディスク中の各スロット（１０）の底部中に軸方向にその上流端部で開口する複数の開口部（３２）を含むことを特徴とする、装置。
2. ディスク（４）の上流放射状面（１６）に装着された保持環（２２）の端部（２３）が、放射状に外側に延在する複数の歯（３４）をさらに含み、その各々が、前記ブレードを軸方向に保持するためにブレード根元部（１２）の対応する歯（３６）と軸方向に協働するように設計される、請求項１に記載の装置。
3. ロータディスク中のスロットを冷却するための請求項１または２に記載の装置を少なくとも１つ含むことを特徴とする、ターボ機械。

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