(57)【要約】【課題】タービンホイール間の熱応答を同期させるための分割インペラ構造を提供すること。【解決手段】隣接するタービンホイール（８０、９０）間の熱応答を同期させるため、これらの間の分割インペラ構造を備えたインペラシステムが提供される。例示的な実施形態は、タービン、圧縮機並びにタービン及び圧縮機間に配置されるロータを有するターボ機械（１０）と、インペラシステムとを含む。インペラシステムは、ターボ機械ホイール（７０）と、ターボ機械ホイール（７０）に隣接した別のターボ機械ホイール（８０）と、第１及び第２のターボ機械ホイール（７０、８０）間に定められるラベット継手（９０）と、第１及び第２のターボ機械ホイール（７０、８０）上に配置される分割インペラとを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと、圧縮機と、前記タービン及び圧縮機間に配置されるロータとを有するターボ機械におけるインペラシステムであって、
第１のターボ機械ホイール（７０）と、
第１のターボ機械ホイール（７０）に隣接した第２のターボ機械ホイール（８０）と、
第１及び第２のターボ機械ホイール（７０、８０）間に定められるラベット継手（９０）と、
第１及び第２のターボ機械ホイール（７０、８０）上に配置される分割インペラと
を備えるインペラシステム。
【請求項２】
第１及び第２のターボ機械ホイール（７０、８０）が圧縮機ホイールである、請求項１記載のインペラシステム。
【請求項３】
前記インペラの上側部分（８５）が第１のターボ機械ホイール（７０）上に配置される、請求項１記載のインペラシステム。
【請求項４】
前記インペラの下側部分（７５）が第２のターボ機械ホイール（８０）上に配置される、請求項３記載のインペラシステム。
【請求項５】
前記ラベット継手（９０）が、前記インペラの上側部分（８５）と下側部分（７５）との間に配置される、請求項１記載のインペラシステム。
【請求項６】
前記ラベット継手（９０）が、第１のターボ機械ホイール（７０）上に配置された雌部分（９１）を含む、請求項１記載のインペラシステム。
【請求項７】
前記ラベット継手（９０）が、第２のターボ機械ホイール（８０）上に配置された雄部分（９２）を含む、請求項６記載のインペラシステム。
【請求項８】
第１及び第２のターボ機械ホイール（７０、８０）の過渡加熱が、前記雄及び雌部分（９１、９２）全体に分布する、請求項７記載のインペラシステム。
【請求項９】
前記ラベット継手（９０）における第１のターボ機械ホイール（７０）と第２のターボ機械ホイール（８０）との間の圧縮応力が、前記ラベット継手（９０）の長さにわたって実質的に低減される、請求項７記載のインペラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンホイールの熱応答に関し、より詳細には、隣接ホイールの熱応答を同期させるための隣接タービンホイール上の分割インペラ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は従来技術のターボ機械１を示す。ターボ機械１において、圧縮機ロータ８上の隣接ホイール２、３は、ホイール２、３間にラベット継手４を含む。ラベット継手４は、ターボ機械１の始動中に生じる高い圧縮応力によって亀裂が入る可能性がある。この亀裂問題の研究により、２つのホイール２、３の熱応答の差が高い圧縮応力に対する有意な寄与因子であることが示されている。所与のホイールの熱応答は、過渡応答中のバルク温度変動によって示される。熱応答の差は、２つのホイール２、３のバルク温度の差で表される。現在のインペラ５は、全体的にホイール２上で機械加工され、これによりホイール２は、ホイール３よりも早期に加熱される。結果として、ラベット継手４の雄部分６は、ラベット継手４の雌部分７よりも早期に加熱される。加熱速度の差は、高いラベット荷重を生じさせ、これにより、ラベット継手４上で亀裂につながる可能性のある高い圧縮応力を引き起こす。ホイール２の熱伝達区域は、ホイール３の熱伝達区域よりも大きいことは理解される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４８８２９０２号明細書
【特許文献２】米国特許第５１４３５１２号明細書
【特許文献３】米国特許第５２２６７８５号明細書
【特許文献４】米国特許第６２３４７４６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様によれば、タービン、圧縮機並びにタービン及び圧縮機間に配置されるロータを有するターボ機械と、インペラシステムとが提供される。インペラシステムは、第１のターボ機械ホイールと、第１のターボ機械ホイールに隣接した第２のターボ機械ホイールと、第１及び第２のターボ機械ホイール間に定められるラベット継手と、第１及び第２のターボ機械ホイール上に配置される分割インペラとを含む。
【０００５】
本発明の別の態様によれば、第１段ホイール及び第２段ホイールと、インペラシステムとを有するガスタービンエンジンが提供される。インペラシステムは、第１段ホイール上に配置された上側インペラ部分と、第２段ホイール上に配置された下側インペラ部分と、上側インペラ部分及び下側インペラ部分間に配置されたラベット継手とを含む。
【０００６】
本発明の更に別の態様によれば、第１のターボ機械ホイール及び第２のターボ機械ホイールを有するガスタービンエンジンのロータ組立体と、インペラシステムとが提供される。インペラシステムは、上側インペラ部分を有する第１段ホイールと、下側インペラ部分を有する第２段ホイールと、上側インペラ部分及び下側インペラ部分間に配置されたラベット継手とを含み、この分割インペラにより、第１段ホイール及び第２段ホイール上に過渡的な熱流速が均等に分布される。
【０００７】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術のターボ機械を示す図。
【図２】本発明の好ましい実施形態による、分割インペラ構造を組み込んだターボ機械を示す図。
【図３】時間に対するバルク温度差のグラフの実施例。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【００１０】
この詳細な説明は、例証として図面を参照し、利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。
【００１１】
ここで各図面、特に図２を参照すると、全体が参照符号１０で示され、本発明の好ましい実施形態による分割インペラ構造を組み込んだターボ機械が示されている。ターボ機械１０は、圧縮機セクション１２及びタービンセクション１４を含む。圧縮機セクション１２は、外側の固定又は静止構成部品１６と、第１のターボ機械ホイール７０（ホイール７０）に連結されたロータ１８とを含み、該ホイール７０は、第２のターボ機械ホイール８０（ホイール８０）に結合され、ホイール７０、８０は圧縮機ブレード（図示せず）に装着される。ホイール７０、８０は圧縮機ホイールとすることができる。矢印２２で示される空気は、環状流路に沿って加圧され、タービンセクション１４に流入する。
【００１２】
タービンセクション１４は、固定又は静止構成部品２４と、複数のタービン段とを含み、各タービン段が、ステータブレード２６と、タービンロータ３２の一部を形成する、タービンホイール３０上で回転可能なタービンブレード２８とを含む。圧縮機ロータ１８及びタービンロータ３２の隣接する端部はフランジ（図示せず）を保持し、これらは、ラベット接合されてボルト（図示せず）により互いにボルト締結され、固定構成部品（例えば、内側バレル３９）により囲まれたキャビティ３８内に回転構成部品を形成する。
【００１３】
ターボ機械１０は、全体的に参照符号４０で示される周辺部において圧縮機ロータ１８の回りに種々の冷却及びシール構造を含むことは理解される。例えば、矢印２２で示される環状通路に流れる圧縮機吐出空気からブリード空気が取り出され、圧縮機ロータ１８内の周辺部４０に流入するようにする。ブリード空気通路４２の１つ又はそれ以上は、周辺４０にブリード空気を供給するために設けることができる。圧縮機ブリード空気を周辺部４０からキャビティ３８に流入させるために、追加の通路４４を圧縮機ロータ１８付近に設けることもできる。静止構成部品１６と圧縮機ロータ１８との間の環状漏出流路４６は、漏出シール４８を備える。例えば、漏出シールは、ラビリンスシール、又はブラシシール、もしくはラビリンス／ブラシシールの組み合わせ、或いは他のタイプのシールを含むことができる。通路４４の出口端部の各々は、スワール装置５０を有する１つ又はそれ以上のベーンを含むことができる。例示的な実施形態において企図される種々の冷却及びシール構造があることは理解される。
【００１４】
例示的な実施形態において、ホイール７０、８０は、該ホイール７０、８０間に配置されるラベット継手９０と、下側インペラ部分７５及び上側インペラ部分８５を有する分割インペラとを含む。例示的な実施形態において、下側インペラ部分７５は、ホイール７０上で機械加工され、上側インペラ部分８５は、圧縮機ホイール８０上で機械加工される。従って、インペラがホイール７０、８０の各々上で分割されて配置されることは理解される。例示的な実施形態において、ラベット継手９０は、雄部分９２と雌部分９１とを含むことができ、これらはホイール７０及びホイール８０上にそれぞれ配置される。雄部分９２はホイール８０上に配置されてもよく、雌部分９１はホイール７０上に配置されてもよいことは理解される。本明細書で説明されるように、上側部分８５及び下側部分７５を含む分割インペラにおいて、過渡加熱が２つのホイール７０、８０間で実質的に均等に配置されることは理解される。図１を再度参照すると、現在の構成において、インペラ５は単一のホイール２上で機械加工されており、その結果、ラベット継手４においてホイール２、３間のラベット接触が低減される。単一のホイール上でインペラを機械加工することにより、抽出された空気へのホイールの曝露が不均等一になり、これによりホイール２、３の熱応答が不均等になる。加えて、空気が経路に沿って移動するときに、矢印９で示されるような抽出空気の急膨張がもたらされる。空気は、バケットを冷却するためのホイール２を含むターボ機械１の段において、該ターボ機械１が抽出することができる。この抽出は、矢印９で示すように、ホイール２上で機械加工されるインペラ５を通って移動する。
【００１５】
再度図２を参照すると、例示的な実施形態において、インペラを上側部分８５と下側部分７５とに分割することによって、ホイール７０及びホイール８０に結合されたバケットを冷却するためにホイール７０及びホイール８０を含むターボ機械１０の段において空気を抽出することができる。この抽出は、矢印９５で示すように、ホイール８０上の上側部分８５とホイール７０上の下側部分７５とを通って移動する。
【００１６】
上側部分８５及び下側部分７５を有するインペラにより、２つのホイール７０、８０の過渡的な熱応答を同期させることができる。ホイール７０、８０の同期化された過渡熱応答は、次に説明するようなラベット継手９０の特性を提供する。例示的な実施形態において、ホイール８０上で機械加工される上側部分８５及びホイール７０上で機械加工される下側部分７５は、抽出された空気への均等な曝露を提供し、これによりホイール７０、８０の加熱が均等に分布されるようになる。その結果、２つのホイール７０、８０間の過渡熱応答の差が低減される。時間に対して示されるように、２つのホイール７０、８０間のバルク温度差が低減されることから、熱伝達が均等に分布することが推測される。図３は、時間に対するバルク温度差の例示的なグラフ３００を示す。グラフ３００は、図１のホイール２、３間のバルク温度差変動のグラフ３０５と、図２のホイール７０、８０間のバルク温度差変動のグラフ３１０とを示している。図１のラベット継手４の示差加熱は、図２のラベット継手９０の示差加熱よりも大きいことは理解される。図１の構成において結果として生じるより大きな示差加熱により高いラベット荷重が生じ、これにより圧縮応力が増大し、ラベット継手４の亀裂につながる。図３の実施例において、バルク温度差の低減が過渡時点の間に実現される。従って、熱解析では、インペラの上側部分８５の熱伝達区域の増大に起因して、ホイール８０のより迅速な熱応答を示す。よって、ホイール７０、８０間のバルク温度差は、過渡応答中に約３０°Ｆ低減される。その結果、ラベット継手９０に伴う２つのホイール７０、８０の熱的膨張の差が低減され、ラベット荷重及びラベット継手９０への関連する応力が低減される。更に、ラベット継手９０の長さが増大するので、圧縮区域が増大し、従って、ラベット継手９０への応力を低減する助けとなる。
【００１７】
図３は、バルク温度差変動の例証に過ぎず、他の例示的な実施形態では他のバルク温度差も企図されることは理解される。ホイール８０上の上側部分８５及びホイール７０上の下側部分７５へのインペラの分割は、ラベット継手９０の長さの増大をもたらし、これは、図１のラベット継手４よりも大きな圧縮区域を提供し、これによりラベット継手９０への圧縮応力が低減されることは更に理解される。従って、上側部分８５及び下側部分７５は、ホイール７０、８０の同期された熱応答と、従来技術における急膨張と比べて、矢印９５で示すように、上側部分８５及び下側部分７５を通る円滑な空気流とをもたらす。
【００１８】
本明細書で説明される分割インペラ構造は、過渡応答中にターボ機械における隣接ホイールの均等な熱的膨張を提供することは理解される。ラベット継手の長さが増大することで、ラベット継手の耐荷重表面が増大し、これにより亀裂発生が低減される。加えて、隣接ホイール間には、インペラを通る抽出空気の通路の一定の流れ区域が形成される。
【００１９】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２０】
１  ターボ機械
２  ホイール
３  ホイール
４  ラベット継手
５  現在のインペラ
６  雄部分
７  雌部分
８  圧縮機ロータ
９  矢印
１０  ターボ機械
１２  圧縮機セクション
１４  タービンセクション
１６  静止構成部品
１８  圧縮機ロータ
２２  矢印
２４  静止構成部品
２６  ステータブレード
２８  タービンブレード
３０  タービンホイール
３２  タービンロータ
３８  キャビティ
３９  内側バレル
４０  周辺
４２  ブリード空気通路
４４  追加の通路
４６  環状漏出流路
４８  漏出流路
５０  スワール装置
７０  ホイール
７５  下側インペラ部分
８０  ホイール
８５  上側インペラ部分
９０  ラベット継手
９１  雌部分
９２  雄部分
９５  矢印
３００  例示的なグラフ
３０５  グラフ
３１０  グラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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