(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を画成するガスタービンエンジンにおけるスラスト釣り合いと汚染防止の手段であって、円筒形のケースと、前記円筒形のケースに同心的に支持されて冷却空気流路を規定する燃焼器ライナー（１４）と、前記円筒形のケースに取り付けられ複数のプレナム（８０）を間隔をあけて環状に規定するステータ支持部（２０）と、前記円筒形のケースで支持されたエンジンシャフト（３６）と、回転運動用に前記エンジンシャフトに取り付けられたタービンディスク（４４）を有するタービンロータと、前記シャフトに支持されると共に前記タービンディスクに取り付けられて該タービンディスクと共に回転運動を行い、一定の圧力レベルでエンジン冷却空気の流入するキャビティを前記円筒形ケースとともに規定する前部リム支持ディスク部（５４）と、前記ステータ支持部に形成されるとともに前記冷却空気流路との間で流体を移動させるための間隔をおいて環状に形成された複数の接線噴出流路（４８）と、前記前部リム支持ディスク部に取り付けられ、互いに半径方向に間隔をあけて第１および第２のサブチャンバ（５０，４２）を規定し、前記環状のステータと封止関係にある第１および第２のシール手段（５８，７１）と、前記前部リム支持ディスク部に取り付けられ、前記第１のシール手段（５８）と前記第２のシール手段（７１）との間で軸方向に配置され、前記環状のステータと封止関係で前記第１のシール手段（５８）とともにバッファキャビティ（５６）を規定する第３のシール手段（６０）と、前記第２のサブチャンバ（４２）から前記プレナム（８０）の内径上の開口（８４）を通過させ、さらに前記プレナムの数個を通過させて前記ガス流路へと冷却空気を誘導する手段と、予め選択された数の前記プレナム（８０）に形成された内径の開口（８４）を覆い、前記バッファキャビティ（５６）と内径の開口（８４）が覆われたプレナムとを前記ステータに形成された開口（８７）を介して相互に接続する手段（８２）と、を備えることにより、前記バッファキャビティ（５６）内の圧力を前記第１および第２のサブチャンバ（５０，４２）の圧力よりも低くし、前記第１および第３のシール手段（５８，６０）から漏出する空気流により前記第２のサブチャンバ（４２）から前記第１のサブチャンバ（５０）へ空気流が漏出しないようにしたことを特徴とするガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
【請求項２】
前記第１のシール手段（５８）、前記第２のシール手段（７１）および前記第３のシール手段（６０）は、ラビリンスシールであることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
【請求項３】
前記ステータ支持部に取り付けられているとともに前記キャビティに隣接し、前記エンジンシャフトに極めて近接して放射状に延在する環状のロータ支持手段（３０）を備えることを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
【請求項４】
前記ステータ支持部の一端に取り付けられ、前記第１および第３のシール手段（５８，６０）の前記ラビリンスシールの固定部分（６８，７２）を支持する環状で軸方向に延在する部材（９４）を設けたことを特徴とする請求項３記載のガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
【請求項５】
前記タービンディスク上のデッドリム領域（９０）を備え、前記プレナム（８０）は冷却空気を前記デッドリム領域へ誘導するための出口流路（８８）を有することを特徴とする請求項４記載のガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
【請求項６】
前記出口流路（８８）は空気流れを前記前部リム支持ディスク部（５４）に対して接線的に吐出できるように方向づけられていることを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービンエンジンのスラスト釣り合いに関し、特に加圧されたキャビティを接線オンボードインゼクタ（ＴＯＢＩ）に隣接させて形成し、ＴＯＢＩの空気の汚染を防ぐスラスト釣り合いシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ツインスプール軸流ガスタービンエンジンでは、隣接するキャビティ間の特定のシールの漏れを制御して予め定められた圧力レベルを達成し、スラスト釣り合いを維持している。一般に、この釣り合い関係を維持するために用いられるキャビティのうちの一つはＴＯＢＩに隣接したキャビティである。ＴＯＢＩは別の名称で呼ばれることもあり、タービンディスクやタービン翼を冷却する目的で加速冷却空気流をタービンに対して接線方向に誘導する。
【０００３】
ガスタービンエンジンのタービンロータに冷却空気を噴射するために用いられるＴＯＢＩは、米国特許第４，８２２，２４４号“ＴＯＢＩ”（１９８９年４月１８日Ｍａｉｅｒ  ｅｔ  ａｌに付与）や同第４，７３０，９７８号“ガスタービンエンジンに用いる冷却空気マニホールド”（１９８８年３月１５日Ｂａｒａｎ，  Ｊｒ．に付与）に詳述されている。これらの特許は本願の譲渡人であるユナイテッド  テクノロジーズ  コーポレイションに譲渡されている。また、１９７６年１１月２日Ｆｅｒｒａｒｉに付与された米国特許第３，９８９，４１０号“ラビリンスシールシステム”には、同じように冷却空気をタービンロータに対して接線的に誘導する加速器（ＴＯＢＩの別名）について開示されている。ＴＯＢＩに関しては本願に参照として記載される前記特許の記述中にさらに詳しく記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
後者の特許に開示されているエンジン構成では、二つの隣接するキャビティを同一圧力レベルに維持し、二つのキャビティ間のシールから漏れる空気流をどちらか一方向にずらしてスラストの釣り合いをとっている。このように、隣接したキャビティの圧力レベルに応じて一方のキャビティから他方のキャビティに向かう空気の流れができる。上流側のキャビティ内に異物がある場合、この異物は下流側のキャビティに流入し、最終的にはタービン翼の内部冷却通路へと流れ込む。このような漏れた空気は徐々にＴＯＢＩの空気と混ざり合うため、ＴＯＢＩの空気は温度および圧力の値がともに理想値よりも小さくなる。従って付加的手段を用いてこのような好ましくない状況を補正しないとエンジンの動作性能が損なわれる結果となる。
【０００５】
また高性能かつ高価な構成のエンジンでは、エンジンシャフトに隣接する形で複合シールを設け、タービン翼の冷却通路への異物の進入を防止する。もちろん、エンジンの性能を強化するためにタービン入口の温度が従来のものより熱くなるよう設計された高性能のエンジンでは、この高熱に対応するためタービン翼にさらに穴を設けて翼を冷却する設計となっている。翼を冷却する穴の数を増やさなければならない場合には、一般には翼に形成する穴の直径を小さくしている。このため目詰まりし易く、冷却空気流と一緒に流入する異物が原因で生じる問題が増加する。
【０００６】
したがって本発明の目的は、ガスタービンエンジン用の改良された汚染防止後部スラスト釣り合いシステムを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、２つのシールの間にバッファー領域を形成し、予め定められた圧力レベルの圧力吸い込み口を規定した汚染防止後部スラスト釣り合いシステムを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、ＴＯＢＩの近辺に複数のプレナムチャンバを互いに間隔をあけて環状に設けた汚染防止後部スラスト釣り合いシステムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明によれば、ガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合い手段であって、円筒形のケースと、前記円筒形のケースに同心的に支持されて冷却空気流路を規定する燃焼器ライナーと、前記円筒形のケースに取り付けられ複数のプレナムを間隔をあけて環状に規定するステータ支持部と、前記円筒形のケースで支持されたエンジンシャフトと、回転運動用に前記エンジンシャフトに取り付けられたタービンディスクを有するタービンロータと、前記シャフトに支持されると共に前記タービンディスクに取り付けられて該タービンディスクと共に回転運動を行い、一定の圧力レベルでエンジン冷却空気の流入するキャビティを前記円筒形ケースとともに規定する前部リムディスク支持部と、前記ステータ支持部に形成された前記冷却空気流路との間で流体を移動させるための間隔をおいて環状に形成された複数の接線噴出流路と、前記前面ディスクに取り付けられ、互いに半径方向に間隔をあけて第１および第２のサブチャンバを規定し、前記環状のステータと封止関係にある第１および第２のシール手段と、前記前面ディスクに取り付けられ、前記第１のシール手段から間隔をあけて軸方向に配置され、前記環状ステータと封止関係でバッファキャビティを規定する第３のシール手段と、前記第２のサブチャンバから前記プレナムの内径上の開口を通過させ、さらに前記プレナムの数個を通過させて前記ガス流路へと冷却空気を誘導する手段と、予め選択された数の前記プレナムに形成された内径の開口を覆い、前記バッファキャビティと前記カバーで覆われたプレナムとを前記ステータに形成された開口をはさんで相互に接続する手段と、を備えることにより、前記バッファキャビティ内の圧力を前記第１および第２のサブチャンバの圧力よりも低くし、前記第２および第３のシール手段から漏出する空気流が前記第２のサブチャンバから前記第１のサブチャンバへ流入しないようにしたことを特徴とするガスタービンエンジン用汚染防止スラスト釣り合いシステムが得られる。
【００１０】
【作用】
２つの軸方向に離れたキャビティ間にバッファキャビティを設けて圧力吸い込み口を形成し、タービンロータの前方のキャビティ（ＦＲＣ）内の圧力をＴＯＢＩの吐出端部のキャビティ（ＴＤＣ）内の圧力より高い値まで上昇させる。バッファキャビティ内の圧力をデッドリム領域の圧力に影響させ、１１個のプレナムのうちの６個をエンジン流路近くのさらに低圧の領域と連通させることによりバッファキャビティ内の圧力はＴＤＣ内の圧力よりやや低く、ＦＲＣ内圧力よりもかなり低く保たれる。この低圧領域との間で流体が移動できる状態を作り出すことにより、ＦＲＣおよびＴＤＣからの空気は漏出してバッファキャビティへと流れ込み、さらにエンジン流路へと流出する。
【００１１】
これら６個のプレナムを通って外へ出る空気を（ＴＯＢＩによって）加速し、接線的に誘導してデッドリム領域でタービンディスクを冷却する。６個のプレナムは残りの５個のプレナム同様にバッファ流を供給する。６個のプレナムにはカバープレートが設けられているが、残りの５個には設けられていない。カバープレートは２個のシール間の空間と連通する開口を覆うためプレナムはＦＲＣから遮られ、低圧領域への流路を開く。残り５つのプレナムは高圧ＦＲＣ空気をＴＯＢＩ化された穴から空気を（ＴＯＢＩにより）接線方向に誘導し、デッドリム領域の冷却度を増している。これら５つのプレナムによって第一段ロータに十分な冷却空気流を供給し続けるために必要なダンプをエンジン流路に形成することができる。
【００１２】
カバープレートによってバッファプレナムはＦＲＣから遮断される。このように設計されたプレナムの底部には必ず複数の穴が設けられている。これらの穴は注型成形過程においてコアを取り除く際に設けられる。現存のプレナムにおいて、バイパスプレナムではこれらの穴を敢えてカバーで覆わずにおき、空気流がＦＲＣから直接プレナムキャビティに流入するようにする。バッファプレナムではカバープレートはプレナムをＦＲＣから離して封止する働きをし、バッファキャビティからの空気流のみがこれらプレナムを通って流れるようにする。
【００１３】
プレナムチャンバと連通する通路の方向は回転するタービンディスクを基準にして決められている。これは、吐出流れをディスクのデッドリム領域に対して接線的に誘導し、タービンのこの部分を冷却するためである。交互に配置されたプレナムから吐出される圧力のレベルでも冷却空気流をタービンロータ全体に供給し続けるには十分である。
【００１４】
【実施例】
本発明を図１乃至図４を参照して説明する。図１乃至図４は、全体として参照符号１０で示されディフーザケース１８を有する軸流ガスタービンエンジンの燃焼器部の一部と、全体として参照数字１２で示される軸流ガスタービンエンジンのタービン部とを示す。燃焼器はエンジンの中心線Ａを中心として同軸的に取り付けられプレナムチャンバー１６を規定する環状の燃焼器ライナー部１４を有する。ライナー部１４は、従属フランジ２４によってステータ支持部２０に支持され、間隔をあけて環状に配された複数のナットとボルト（このうち１つを図示）によってステータ支持部に取り付けられている。ディフューザ内部ケース１８も環状であり、ライナー部１４と同心でライナー１４部との間に間隔をあけて環状の流路またはキャビティ２２を規定する。キャビティ２２は圧縮器部（図示せず）と連通し、燃焼器ライナー、エンジン構成部品およびタービン部に冷却空気を供給する。
【００１５】
環状のロータ支持部３０の内側端部にはプラテン３２が設けられている。このプラテンはメインエンジンシャフト３６から延在するナイフエッジ３４の近くに位置している。ロータ支持部３０はディフューザケース１８に支持され、ナットおよびボルト部品３８によってディフューザケース１８に取り付けられている。これらのナットとボルトはステータ２０をも支持しているため、エンジンの解体時にもエンジンシャフトやこのシャフトに取り付けられたロータの落下を防止し、ロータ翼の先端を保護することができる。ロータ支持部３０にはその円周に沿って複数の開口４０（このうち１つを図示）が間隔をあけて形成されており、圧縮器からの吐出空気を前側ロータキャビティ４２方向に送る。開口４０部分では圧力は実質的に降下しないため、実際には開口のすぐ上流とすぐ下流の圧力は等しくなる。
【００１６】
本発明によれば、キャビティ４２の圧力と開口４０の上流側の高い圧力とを等しくするために、空気流の圧力を降下させずに開口４０を通過させる。圧力をこのような高い値に維持する理由を次に明らかにする。
【００１７】
エンジンの圧縮器（図示せず）の最終段から吐出される空気と混ざり合う流体の圧力であるキャビティ１０内の圧力は圧縮器の吐出空気と実質的に同じ圧力レベルとなる。従って圧縮器のロータ（図示せず）には明らかに前方向の高圧負荷がかかる。ロータ支持部３０をシールとして作用させてキャビティ４２の圧力を低くした場合、タービンには小さな後ろ向きの負荷がかかる。従って本来ならばスラスト軸受け（図示せず）を利用してこの圧力差を補わなければならない。しかしながら、キャビティ４２の圧力を高レベルに保てばキャビティ１０の圧力によって生じる力が発生させる前向きの高負荷をキャビティ内で作用する力によって相殺することができる。
【００１８】
上述のようにＴＯＢＩは冷却流れを加速し、これをエンジンシャフト３６に支持されたタービンロータディスクに対して接線的に誘導することによりタービンロータを冷却する空気流の方向を決定づける。全体として参照数字４６により図示されるＴＯＢＩは、ステータ２０に間隔をあけて環状上に形成された複数の流路４８からなる。圧縮器（図示せず）から燃焼器ライナー１４とディフューザケース１８との間に形成された環状のキャビティ２２に流入する冷却空気流は各流路４８に供給され、間隔をあけて環状に形成された複数の開口５２（このうち１つを図示）を通してロータディスク接線上に誘導され、ＴＯＢＩ吐出キャビティ５０内へ吐出される。これら複数の開口は前部リム支持ディスク部５４に形成されている。前部リム支持ディスク部は、エンジンシャフト３６に取り付けられてエンジンシャフトと共に回転する。ほこりデフレクター４９はＴＯＢＩの流路４８への異物の侵入を防止してＴＯＢＩの空気の汚染を可能な限り防ぐ。冷却空気は間隔をあけてほこりデフレクター４９に環状に形成された複数の開口５１（内１つを図示）を通ってＴＯＢＩ流路に流入する。
【００１９】
本発明によれば、バッファキャビティ５６は間隔をあけて配されたラビリンスシール５８、６０によって形成され、ＴＯＢＩ流路４８の下に配置されている。ラビリンスシールは、環状のプラテン６８を支持する環状ナイフエッジ６４および６６と、プラテン７２を支持する環状ナイフエッジ７０とにより形成される。ラビリンスシールは、バッファキャビティと前方向ロータキャビティ４２およびＴＯＢＩ吐出キャビティ５０との間を隔ててバッファキャビティを封止する。ＴＯＢＩ吐出キャビティはラビリンスシール６０、７１および前部リム支持ディスク５４に接している。ナイフエッジ６４、６６および７０は、前部リムディスク支持部５４から軸方向に延在する環状アーム７４に支持され、プラテン６６、６８と協働しつつリムディスク支持部５４と共に回転する。ここに記述するプラテンはすべて金属製のハニカム材料で形成され、一般に航空機エンジンシールに用いられる。当業者には周知のように、シールからの漏れは嵌め合い部の一定の公差を利用して制御可能であり、これにより隣接する前方向ロータキャビティ４２およびＴＯＢＩ吐出キャビティ５０内の圧力と一定の関係にあるバッファキャビティ５６内の一定の圧力を制御および維持する。前部リムディスク５４の開口５２（このうち１つを図示）による圧力の損失はないため、実際には開口のすぐ上流とすぐ下流の圧力は等しくなる。
【００２０】
要素２０として図示したような周知のステータ支持部は一般に、ＴＯＢＩ流路の上に形成された複数個のプレナムを有する。プレナムには前方向ロータキャビティからの冷却空気が流入する。この冷却空気の一部を直接エンジンの流路へ誘導してロータおよび他の部分の端からロータディスクのデッドリム領域９０までを冷却する。本実施例ではプレナム８０はＴＯＢＩ流路４８上のステータに形成され、環状に延在して１１個の別々のプレナムを前壁８１、側壁８３および後壁８５によって規定している。各プレナムはバイパスプレナムに臨む底部端上に複数個の孔が設けられている。したがって、空気流は前方向ロータキャビティ４２から直接１１個のプレナムを通過する。
【００２１】
本発明によれば、１１個のプレナムのうちの６つは残りの５個のプレナムと交互に配置され、下方端部においてカバープレート８２に覆われている。このため、オリフィス８４に流入しようとする空気流を遮ってプレナムへ流入する空気の量が調節される。それら６個のプレナムを有するエンジン流路近くの低圧の領域とバッファキャビティとを連通させることにより、バッファキャビティ５６内の圧力がキャビティ５０内のＴＯＢＩ吐出圧力より低く維持され、前方向ロータキャビティ４２内の圧力よりかなり低圧に維持されている。低圧領域との連通により、前方向ロータキャビティ４２およびＴＯＢＩ吐出キャビティ５０からの空気はバッファキャビティに漏出し、ステータ支持部２０の６個のプレナムにそれぞれ形成されたアパーチャ８７を通ってさらに流路へと抜ける。この６個のプレナムから吐出された空気流は加速され、プレナム端部に形成された吐出口８８を通って接線的に誘導される。吐出口８８から吐出された空気流はロータディスク４４のデッドリム領域９０に送られてこの領域を冷却する。ロータディスクのデッドリム領域は、タービン翼を支持する溝に隣接するディスク外径の領域に設けられている。
【００２２】
前述の説明から明らかなように、バッファキャビティ５６によって規定された圧力吸い込み口から吐出され、円筒部９４の円周に沿って間隔をあけて形成された穴９２を通り、６個のプレナムへの制御空気流と混ざり合う空気によって、これらのプレナムは前方向ロータキャビティ４２から遮断され、バッファキャビティ５６から低圧域への流路ができる。前方向ロータキャビティ４２から流出する空気は、円筒部９４に間隔をおいて形成された複数の溝９１によって残りの５個のプレナムを通って低圧領域へ流入する。円筒部９４、支持プラテン６８、７２はナットおよびボルト部３８によってステータ２０に取り付けられている。
【００２３】
残り５個のプレナムでは、前方向ロータキャビティ４２からの高圧空気流を利用している。具体的には、接線方向に向けられた出口ポート（他の６個のプレナムにも同じものが用いられている）を通して上述の高圧空気流を５個のプレナムに供給し、デッドリム領域の冷却度を増している。これら５個のプレナム内は高圧になっているため、第一段ロータに十分な冷却空気流を供給し続けるために必要なダンプをプレナムによってエンジン流路に形成することができる。カバープレート８２および／または穴８４の数を増減することにより、バイパス空気流とバッファ空気流とが一緒になった空気流を調節し、所望のレベルに調節することができる。
【００２４】
上述した説明から明らかなように、バッファキャビティは圧力吸い込み口として作用するため、ガス流路内の圧力が低いままでもＴＯＢＩに隣接する領域の中でバッファキャビティの圧力が最も低圧となる。ガスタービンエンジンの設計においては様々な部分において下記の圧力関係が有効である。
【００２５】
ＦＲＣのすぐ上流          ８１％
ＦＲＣ                    ８１％
ＴＤＣ                    ６４％
バッファキャビティ        ６３％
ディスクデッドリム付近    ４８％
バッファキャビティの圧力が最も低圧であるため、ＴＯＢＩ吐出キャビティ５０および前方向ロータキャビティ４２からバッファキャビティへの空気の流れができる。従って異物が前方向ロータキャビティ４２からＴＯＢＩ吐出キャビティ５０へ流入せず、タービンディスクへ入る冷却空気が汚染されることもない。したがって、タービンディスク４４に取り付けられたタービン翼（図示せず）の内部流路内の冷却穴の目詰まりを防ぎ、ＴＯＢＩ吐出キャビティからの空気の温度および／または圧力が理想値よりも低くなることを防ぐ。
【００２６】
本発明は詳細な実施例に関して記述されているが、当業者においては、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく形態および詳細において様々な変更をすることが可能であることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスタービンの二つのキャビティ間にバッファキャビティを設けて圧力吸い込み口を形成することにより、ＴＯＢＩ吐出キャビティ（ＴＤＣ）および前方向ロータキャビティ（ＦＲＣ）からの空気はバッファキャビティへ流れ込むため、異物がＦＲＣからＴＤＣへ流れ込まず、タービンディスクへの冷却空気の汚染を比較的少なくできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した軸流ガスタービンエンジンの第一段タービン部を示す断面図である。
【図２】図１のプレナムの配置を示す部分斜視断面図である。
【図３】図２のプレナムの一つを示す部分断面図である。
【図４】図３に示されたプレナムに隣接するプレナムを図示した部分断面図である。
【符号の説明】
１０…燃焼器部
１２…タービン部
１４…ライナー部
１６…燃焼器チャンバー
１８…デフューザケース
２０…ステータ支持部
２２…キャビティ
２４…従属フランジ
３０…ロータ支持部
３２，６８，７２…プラテン
３４，６４，６６…ナイフエッジ
３６…エンジンシャフト
３８…ナット・ボルト部品
４０，５１，５２…開口
４２…前方向ロータキャビティ
４４…ロータディスク
４６…ＴＯＢＩ
４８…流路
４９…ほこりデフレクター
５４…前部リム支持ディスク
５６…バッファキャビティ
５８，６０，７１…ラビリンスシール
８０…プレナム
８１…前壁
８２…カバープレート
８３…側壁
８５…後壁
８７…アパーチャ
８８…吐出口
９０…デッドリム領域
９１…溝
９４…円筒部材
【図１】
0003657636.tif 000002
【図２】
0003657636.tif 000003
【図３】
0003657636.tif 000004
【図４】
0003657636.tif 000005