(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用のサービスチューブ装置であって、
サービスチューブ組立体を含み、
前記サービスチューブ組立体が、
（ａ）細長くかつ中空のサービスチューブと、
（ｂ）前記サービスチューブを囲む中空のハウジングと、
を含み、
前記ハウジングが、
（ｉ）入口チューブを備えたマニホルドと、
（ｉｉ）取付けブラケットと、
（ｉｉｉ）前記サービスチューブを囲みかつ複数のインピンジメント孔を貫通させたサービスチューブバッフルと、
を含む、
サービスチューブ装置。
【請求項２】
前記ハウジングが、単一の一体形構成要素である、請求項１記載のサービスチューブ装置。
【請求項３】
前記ハウジングの外側端部が、前記サービスチューブに剛体連結され、また
前記ハウジングの内側端部が、前記サービスチューブに対して半径方向に自由に移動することができる、
請求項１記載のサービスチューブ装置。
【請求項４】
環状のギャップが、前記ハウジングの内側端部と前記サービスチューブとの間に形成される、請求項３記載のサービスチューブ装置。
【請求項５】
前記サービスチューブが、内側及び外側端部を含み、
前記内側端部が、ほぼ円筒形の雄取付け具で終端する、
請求項１記載のサービスチューブ装置。
【請求項６】
前記サービスチューブが、前記内側及び外側端部間に配置された拡大直径中央部分を組入れている、請求項５記載のサービスチューブ装置。
【請求項７】
前記サービスチューブ組立体を囲むサービスチューブフェアリングをさらに含み、前記サービスチューブフェアリングが、
（ａ）弓形外側バンドと、
（ｂ）弓形内側バンドと、
（ｃ）翼形形状のベーンと、を含み、
前記ベーンが、前記サービスチューブ組立体の周りに連続フェアリングを形成する、
請求項１記載のサービスチューブ装置。
【請求項８】
前記サービスチューブフェアリングのベーンが、その中に蛇行流路を形成した壁を含み、
前記蛇行流路が、前記ベーンの後縁に配置された少なくとも１つの後縁通路と流体連通状態になっている、
請求項７記載のサービスチューブ装置。
【請求項９】
ガスタービンエンジン用のタービンフレーム組立体であって、
タービンフレームと少なくとも１つサービスチューブ装置とを含み、
（ａ）前記タービンフレームが、
（ｉ）外側リングと、
（ｉｉ）ハブと、
（ｉｉｉ）前記ハブ及び外側リング間で延びる複数のストラットと、を含み、
（ｂ）前記少なくとも１つサービスチューブ装置が、前記ハブ及び外側リング間で延びかつサービスチューブ組立体を含み、前記サービスチューブ組立体が、
（ｉ）細長くかつ中空のサービスチューブと、
（ｉｉ）前記サービスチューブを囲む中空のハウジングと、
を含み、
前記ハウジングが、
（Ａ）入口チューブを備えたマニホルドと、
（Ｂ）取付けブラケットと、
（Ｃ）前記サービスチューブを囲みかつ複数のインピンジメント孔を貫通させたサービスチューブバッフルと、
を含む、タービンフレーム組立体。
【請求項１０】
前記外側リング、ハブ及びストラットが、単一の一体形鋳造品である、請求項９記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１１】
前記ハウジングが、単一の一体形構成要素である、請求項９記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１２】
前記ハウジングの外側端部が、前記サービスチューブに剛体連結され、また
前記ハウジングの内側端部が、前記サービスチューブに対して半径方向に自由に移動することができる、
請求項９記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１３】
環状のギャップが、前記ハウジングの内側端部と前記サービスチューブとの間に形成される、請求項１２記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１４】
前記サービスチューブが、内側及び外側端部を含み、
前記内側端部が、ほぼ円筒形の雄取付け具で終端する、
請求項９記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１５】
前記サービスチューブが、前記内側及び外側端部間に配置された拡大直径中央部分を組入れている、請求項１４記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１６】
前記サービスチューブ組立体を囲むサービスチューブフェアリングをさらに含み、前記サービスチューブフェアリングが、
（ａ）弓形外側バンドと、
（ｂ）弓形内側バンドと、
（ｃ）翼形形状のベーンと、を含み、
前記ベーンが、前記サービスチューブ組立体の周りに連続フェアリングを形成する、
請求項９記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１７】
前記サービスチューブフェアリングのベーンが、その中に蛇行流路を形成した壁を含み、
前記蛇行流路が、前記ベーンの後縁に配置された少なくとも１つの後縁通路と流体連通状態になっている、
請求項１６記載のタービンフレーム組立体。
【請求項１８】
前記サービスチューブフェアリングが、該サービスチューブフェアリングの外側バンドに係合する間隔を置いて配置された環状の前方及び後方ノズルハンガによって前記タービンフレームに固定される、請求項１６記載のタービンフレーム組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンエンジンのタービンに関し、より具体的には、そのようなエンジンの構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、多くの場合に、エンジンの回転シャフトを支持する軸受から該エンジンのバックボーン構造を形成する外側ケーシングへの荷重径路を構成した固定タービンフレーム（タービン間フレーム又はタービン中央フレームとも呼ばれる）を含む。タービンフレームは一般に、環状の外側リングによって囲まれ、かつ複数の半径方向に延びるストラット並びに１つ又はそれ以上のサービスチューブによって相互連結された環状の中心設置ハブを含み、１つ又はそれ以上のサービスチューブは、ハブにかつ該ハブから流体を運ぶ。タービンフレームは、タービンの燃焼ガス流路と交差し、従って運転中に高温に曝される。
【０００３】
熱力学的観点からすれば、ガスタービンエンジン内の運転温度を可能な限り上昇させて、出力及び効率の両方を増大させるのが望ましい。しかしながら、エンジン運転温度が上昇するにつれて、タービンフレーム、タービンノズル及びタービンブレード構成要素に対する能動冷却の強化が、必要になってくる。
【０００４】
従来型のサービスチューブは、フレームのストラットの内部に取付けられかつ該フレームから分離不能である。高温運転は、サービスチューブ内に望ましくないオイルコークス化を引き起こす傾向になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの及びその他の従来技術の欠点は、本発明によって解決され、本発明は、能動冷却を組入れたガスタービンエンジン用のサービスチューブ組立体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、ガスタービンエンジン用のサービスチューブ装置は、サービスチューブ組立体を含み、サービスチューブ組立体は、（ａ）細長くかつ中空のサービスチューブと、（ｂ）サービスチューブを囲みかつ複数のインピンジメント孔を貫通させたサービスチューブバッフルとを含む。
【０００７】
本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジン用のタービンフレーム組立体は、タービンフレームと少なくとも１つサービスチューブ装置とを含み、（ａ）タービンフレームは、（ｉ）外側リングと、（ｉｉ）ハブと、（ｉｉｉ）ハブ及び外側リング間で延びる複数のストラットとを含み、（ｂ）少なくとも１つサービスチューブ装置は、ハブ及び外側リング間で延びかつサービスチューブ組立体を含み、サービスチューブ組立体は、（ｉ）細長くかつ中空のサービスチューブと、（ｉｉ）サービスチューブを囲みかつ複数のインピンジメント孔を貫通させたサービスチューブバッフルとを含む。
【０００８】
本発明は、添付図面の図と関連させて行った以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の態様により構成したガスタービンエンジンの概略片側断面図。
【図２Ａ】図１のガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体の分解斜視図。
【図２Ｂ】図１のガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体の分解斜視図。
【図３Ａ】図２のタービンフレーム組立体の断面図。
【図３Ｂ】図２のタービンフレーム組立体の断面図。
【図３Ｃ】図２のタービンフレーム組立体の断面図。
【図４】部分的組立状態のタービンフレーム組立体の斜視図。
【図５】本発明の態様により構成したサービスチューブ組立体の斜視図。
【図６】サービスチューブフェアリングの側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
様々な図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１及び図２は、とりわけ圧縮機１２、燃焼器１４及びガス発生器タービン１６を有するガスタービンエンジン１０の一部分を示している。この図示した実施例では、エンジンは、ターボシャフトエンジンである。しかしながら、本明細書で説明する原理は、ターボプロップ、ターボジェット及びターボファンエンジン、並びにその他の輸送手段又は定置式用途で使用されるタービンエンジンにも同様に適用可能である。
【００１１】
圧縮機１２は加圧空気を供給し、加圧空気は、燃焼器１４内に流れ、該燃焼器１４において燃料が導入されかつ燃焼されて、高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、固定ベーン又はノズル１８と回転ブレード又はバケット２０との交互列を備えたガス発生器タービン１６に吐出される。ガス発生器タービン１６内で燃焼ガスを膨張させかつエネルギーを取出して、外側シャフト２２を介して圧縮機１２を駆動する。
【００１２】
作業タービン２４が、ガス発生器タービン１６の下流に配置される。作業タービン２４もまた、固定ベーン又はノズル２６と回転ブレード又はバケット３０を担持したロータ２８との交互列を含む。作業タービン２４はさらに、燃焼ガスを膨張させかつエネルギーを取出して、内側シャフト３２を介して外部負荷（プロペラ又はギヤボックスのような）を駆動する。
【００１３】
内側及び外側シャフト３２及び２２は、１つ又はそれ以上の軸受３４内に回転するように支持される。１つ又はそれ以上のタービンフレームは、軸受から外側ケーシング３６への構造的荷重径路を構成し、外側ケーシング３６は、エンジン１０のバックボーン構造体を形成する。具体的には、タービンフレーム組立体は、作業タービン２４の第一段ノズルカスケード４０と統合されたタービンフレーム３８を含みかつガス発生器タービン１６及び作業タービン２４間に配置される。
【００１４】
図２〜図４は、タービンフレーム組立体の構造をより詳細に示している。タービンフレーム３８は、前方及び後面４４及び４６を備えた環状の中心設置ハブ４２を含み、ハブ４２は、前方及び後方フランジ５０及び５２を有する環状の外側リング４８によって囲まれる。ハブ４２及び外側リング４８は、複数の半径方向に延びるストラット５４によって相互連結される。この図示した実施例では、６つの等しい間隔を置いて配置されたストラット５４が設けられる。タービンフレーム３８は、単一の一体形ユニットとすることができ、或いは個々の構成要素で構成することができる。この図示した実施例では、タービンフレーム３８は、コバルト基又はニッケル基「超合金」のような高温作動に好適な金属合金で一体部品として鋳造される。好適な材料の実施例は、ＩＮ７１８として市場で知られているニッケル基合金である。ストラット５４の各々は、中空であり、かつ外側リング４８の外部でその外側端部におけるブリード空気ポート５６で終端する。
【００１５】
複数のサービスチューブ組立体５８が、タービンフレーム３８内に取付けられ、ストラット５４間に位置しかつ外側リング４８及びハブ４２間で延びる。図３Ｃ及び図５は、サービスチューブ組立体をより詳細に示している。各サービスチューブ組立体５８は、中空のサービスチューブ６０を含む。サービスチューブ６０は、縮小直径外側及び内側端部５７及び５９間に配置された中央セクション５５を有する。内側端部５９は、ほぼ円筒形の雄取付け具６１を含み、雄取付け具６１は、タービンフレーム３８内に設置されたサンプ６５の雌受け具６３と協働状態になったプラグイン継手を形成する。サービスチューブ６０を使用して、サンプ６５と外側端部５７に結合されたオイル供給又は排出管路或いはサンプ加圧又はベント管路のような外部導管（図示せず）との間で空気又はオイルを輸送することができる。
【００１６】
サービスチューブ６０は、中空のハウジング７１によって囲まれ、ハウジング７１は、インピンジメント冷却孔６４を貫通させたサービスチューブバッフル６２と、取付けブラケット６６と、入口チューブ７０を備えたマニホルド６８とを含む一体形構成要素である。ハウジング７１の外側端部７３は、例えばロウ付け又は溶接によってサービスチューブ６０の外側端部５７における環状のフランジ７５に取付けられる。ハウジング７１の内側端部７７は、運転中に自由に熱的移動することができ、かつ以下により詳細に説明するように、中央セクション５５を緊密に囲んで冷却空気流のための微小ギャップが残るようにした開口部を有する。中央セクション５５は、その外周部の周りに環状のカラーを備えていて、ハウジング７１と協働してギャップを形成することができる。
【００１７】
サービスチューブ組立体５８は、外側リング４８及びハブ４２内の整列した開口部内に差込まれかつ取付けブラケット６６を貫通するボルトを使用して該外側リング４８に固定される。
【００１８】
ノズルカスケード４０は、複数の能動冷却翼形部を含む。この特定の実施例では、全体で４８個の翼形部が設けられる。この数は、特定の用途に適合するように変化させることができる。翼形部の幾つか、このケースでは１２個は、軸方向に細長くなっておりかつストラット５４及びサービスチューブ組立体５８を高温燃焼ガスから保護するフェアリング（図４参照）内に組込まれる。フェアリングの幾つか、このケースでは６個は、分割構成になったストラットフェアリング７２である。フェアリングの残りは、一体部品構成になったサービスチューブフェアリング７４である。残りの翼形部、このケースでは３６個は、各々１つ又はそれ以上のベーンを有するノズルセグメント７６内に配置される。
【００１９】
本発明の目的のために、サービスチューブフェアリング７４のみについて、詳細に説明することにする。ノズルカスケード４０のその他の構成要素は、参考として本明細書に組入れている、「ガスタービンエンジン用のタービンフレーム組立体及びその方法」の名称のＪ．Ａ．Ｍａｎｔｅｉｇａ他による同時継続出願内に記載されている。
【００２０】
図６は、サービスチューブフェアリング７４の１つをより詳細に示している。サービスチューブフェアリング７４は、弓形外側バンド１２２及び弓形内側バンド１２４間に支持された翼形形状の中空のベーン１２０を含む。内側及び外側バンド１２４及び１２２は、軸方向に細長くかつそれらバンドがタービンフレーム３８を通る流路の一部分を形成するような形状になっている。前方フック１２６が、外側バンド１２２の外面から軸方向前方に突出し、また後方フック１２８が、外側バンド１２２の外面から軸方向前方に突出している。ベーン１２０は、軸方向に細長くなっておりかつ前縁１３４及び後縁１３６間で延びる間隔を置いて配置された側壁１３２を含む。側壁１３２は、サービスチューブ組立体５８のための空気力学的フェアリングを形成するような形状になっている。ベーン１２０の前方セクション１３８は、中空でありかつ以下により詳細に説明するように、インピンジメント冷却される。ベーン１２０の後方セクション１４０もまた、中空でありかつ複数パスの蛇行流路を形成した壁１４２を組込んでいる。スロット又は孔のような複数の後縁通路１４４が、各ベーン１２０の後縁１３６を貫通する。
【００２１】
サービスチューブフェアリング７４は、コバルト基又はニッケル基「超合金」のような高温作動に好適な金属合金で鋳造され、また一方向性凝固（ＤＳ）又は単結晶（ＳＸ）のような特定結晶構造として公知の方法で鋳造することができる。１つの好適な材料の実施例は、ＲＥＮＥ  Ｎ４として市場で知られているニッケル基合金である。
【００２２】
図２及び図３に示すように、ストラットフェアリング７２、サービスチューブフェアリング７４及びノズルセグメント７６は全て、例えばボルト又はその他の好適なファスナを使用してそれぞれタービンフレーム３８の前方及び後方フランジ５０及び５２に締結された前方及び後方ハンガ１６４及び１６６によって支持される。
【００２３】
前方ノズルハンガ１６４は、ほぼ円板形状でありかつほぼ「Ｖ字」形状の断面を有する後方に延びるアーム１７２によって相互連結された外側フランジ１６８及び内側フランジ１７０を含む。内側フランジ１７０は、サービスチューブフェアリング７４の前方フック１２６並びにストラットフェアリング７２及びノズルセグメント７６の同様のフックを受けるスロット１７６を備えた取付けレール１７４を形成する。外側フランジ１６８は、その中に、タービンフレーム３８の前方フランジ５０内のボルト孔に対応するボルト孔を有する。前方ノズルハンガ１６４は、軸方向のコンプライアンスを可能にするような方法で、ノズルカスケード４０を半径方向に支持する。
【００２４】
後方ノズルハンガ１６６は、ほぼ円板形状でありかつほぼ「Ｕ字」形状の断面を有する前方に延びるアーム１８０によって相互連結された外側フランジ１７５及び内側フランジ１７７を含む。内側フランジ１７７は、サービスチューブフェアリング７４の後方フック１２８並びにストラットフェアリング７２及びノズルセグメント７６の同様のフックを受けるスロット１８４を備えた取付けレール１８２を形成する。外側フランジ１７５は、その中に、タービンフレーム３８の後方フランジ５２内のボルト孔に対応するボルト孔を有する。後方ノズルハンガ１６６は、軸方向の拘束を与えながら、ノズルカスケード４８を半径方向に支持する。
【００２５】
組立てられると、ストラットフェアリング７２、サービスチューブフェアリング７４及びノズルセグメント７６の外側バンドは、タービンフレーム３８の外側リング４８と協働して、環状の外側バンド空洞１８６を形成する（図３参照）。
【００２６】
環状の外側バランスピストン（ＯＢＰ）シール１８８が、例えばボルト又はその他の好適なファスナでハブ４２の後面に取付けられる。ＯＢＰシール１８８は、半径方向アーム１９０及び軸方向アーム１９２を備えたほぼ「Ｌ字」形状の断面を有する。前方シールリップ１９４がハブに対して当接し、また後方半径方向外向きに延びるシールリップ１９６が、ノズルカスケード４０に当接した環状の「Ｍ字」形状のシール１９８を捕捉する。同様の「Ｍ字」形状のシール２００が、ノズルカスケード４０の前方端部と固定エンジン構造体２０４上の別のシールリップ２０２との間に捕捉される。全体として、ハブ４２及びＯＢＰシール１８８は、該ハブ４２の内部と連通した内側マニホルド２０６を形成する。また、ストラットフェアリング７２、サービスチューブフェアリング７４及びノズルセグメント７６の内側バンドは、タービンフレーム３８のハブ４２、ＯＢＰシール１８８、並びにシール１９８及び２００と協働して環状の内側バンド空洞２０８を形成する。１つ又はそれ以上の冷却孔２１０が、ＯＢＰシール１８８の半径方向アーム１９０を貫通する。運転中に、これらの冷却孔２１０により、ハブ４２からの冷却空気が下流のロータ２８の前面上に取付けられた環状のシールプレート２１２に流れる。冷却空気は、シールプレート２１２内の孔２１４に流入し、次に従来通りにロータ２８に送られる。
【００２７】
ＯＢＰシール１８８の軸方向アーム１９２は、シールプレート２１２のシール歯２１８と噛合うアブレイダブル材料２１６（金属製ハニカムのような）を担持する。
【００２８】
図４及び図６を参照すると、サービスチューブフェアリング７４の冷却は以下の通りである。圧縮機１２のような供給源から抽気された冷却空気（図１参照）が、矢印「Ａ」で示すように入口チューブ７０内に供給される。
【００２９】
この流れの一部分は、サービスチューブバッフル６２内のインピンジメント冷却孔から流出しかつ矢印「Ｃ」（図６参照）で示すようにサービスチューブフェアリング７４をインピンジメント冷却するために使用される。インピンジメント冷却した後に、空気は、「Ｄ」で示すように外側バンド空洞１８６に流れる。空気の別の部分は、サービスチューブバッフル６２から流出しかつ矢印「Ｅ」で示すように外側バンド空洞１８６に直接流入する。最後に、サービスチューブバッフル６２からの空気の第３の部分は、該サービスチューブバッフル６２及びサービスチューブ６０間から流出し、かつ内側バンド空洞２０８をパージする（矢印「Ｆ」を参照）。
【００３０】
図６にＤ及びＥで示すパージ空気及びインピンジメント後の流れの混合になっている外側バンド空洞１８６からの空気は、「Ｇ」で示すようにベーン１２０の後方セクション内の蛇行通路に流入する。次に、この空気は、従来通りに対流冷却するために蛇行通路内で使用され、その後に後縁冷却通路を通して排出される。
【００３１】
上記のタービンフレーム組立体は、従来技術の設計に優る複数の利点を有する。エンジン１０は、オイルコークス化サンプの整備なしにより高温でかつより長期間にわたって稼動させることができる。サービスチューブ組立体５８は、エンジン分解なしに検査又は清掃を可能にする「差込み式（ｐｌｕｇ‐ｉｎ）」構成要素である。また、サービスチューブ及びライナ冷却の統合は、サービスチューブ６０をストラット５４から分離するように移動させることによってパッケージングを改善する。従来型の設計の場合よりも流路閉塞が減少しかつエンジン性能が良好になる可能性がある。さらに、このことは、下流のタービンロータ又はその他の構成要素に冷却空気を供給するのに使用することからストラット５４を開放する。
【００３２】
以上は、ガスタービンエンジン用のタービンフレーム組立体を説明してきた。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずにそれらの実施形態に対して様々な修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、例示の目的で示すものであって、限定を目的とするものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  ガス発生器タービン
１８  固定ベーン又はノズル（ガス発生器タービンの）
２０  回転ブレード又はバケット（ガス発生器タービンの）
２２  外側シャフト
２４  作業タービン
２６  固定ベーン又はノズル（作業タービンの）
２８  ロータ
３０  回転ブレード又はバケット（作業タービンの）
３２  内側シャフト
３４  軸受
３６  外側ケーシング
３８  タービンフレーム
４０  ノズルカスケード
４２  ハブ
４４  前面（タービンフレームの）
４６  後面（タービンフレームの）
４８  外側リング
５０  前方フランジ（ハブの）
５２  後方フランジ（ハブの）
５４  ストラット
５５  中央セクション
５６  ブリード空気ポート
５７  外側端部（サービスチューブの）
５８  サービスチューブ組立体
５９  内側端部（サービスチューブの）
６０  サービスチューブ
６１  雄取付け具
６２  サービスチューブバッフル
６３  雌受け具
６４  インピンジメント冷却孔（サービスチューブバッフルの）
６５  サンプ
６６  取付けブラケット
６８  マニホルド
７０  入口チューブ
７１  ハウジング
７２  ストラットフェアリング
７３  外側端部（ハウジングの）
７４  サービスチューブフェアリング
７５  フランジ（サービスチューブの外側端部の）
７６  ノズルセグメント
７７  内側端部（ハウジングの）
１２０  ベーン
１２２  外側バンド
１２４  内側バンド
１２６  前方フック
１２８  後方フック
１３２  側壁
１３４  前縁
１３６  後縁
１３８  前方セクション（ベーンの）
１４０  後方セクション（ベーンの）
１４２  蛇行流路を形成した壁
１４４  後縁通路
１６４  前方ノズルハンガ
１６６  後方ノズルハンガ
１８６  外側バンド空洞
１８８  ＯＢＰシール
２０８  内側バンド空洞
【図１】
0005414805.tif 000002
【図２Ａ】
0005414805.tif 000003
【図２Ｂ】
0005414805.tif 000004
【図３Ａ】
0005414805.tif 000005
【図３Ｂ】
0005414805.tif 000006
【図３Ｃ】
0005414805.tif 000007
【図４】
0005414805.tif 000008
【図５】
0005414805.tif 000009
【図６】
0005414805.tif 000010