(57)【要約】【課題】本発明は、ターボ機械の分野に関し、特にはターボ機械（９）のタービン（８）のリングセクタ（１）の冷却に関する。【解決手段】ガスが上流領域（５２）から下流領域（５３）に向かって流れる空気力学的な流路（５）の境界を定める壁体（１１）、および  壁体（１１）に対して空気力学的な流路（５）の反対側に位置し、底部（２１、１２１、２２１、３２１）と側壁（２２、２３）とを備える多孔プレート（２）  を備えるタービンのリングセクタ（１）であって、  リングセクタ（１）の壁体（１１）と多孔プレート（２）の底部（２１、１２１、２２１、３２１）との間の距離が、上流領域（５２）から下流領域（５３）に向かって軸方向において漸増するすき間（７）を画定する。  上流領域（５２）に位置するすき間の値が、下流領域（５３）に位置するすき間の値よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが上流領域から下流領域に向かって流れる空気力学的な流路の境界を定める壁体、および
壁体に対して空気力学的な流路の反対側に位置し、底部と側壁とを備える多孔プレート
を備えるタービンのリングセクタであって、
リングセクタの壁体と多孔プレートの底部との間の距離が、軸方向に関して上流領域から下流領域に向かって漸増するすき間を定めており、上流領域に位置するすき間の値が、下流領域に位置するすき間の値よりも小さい、タービンのリングセクタ。
【請求項２】
すき間が、直線的に漸増している、請求項１に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項３】
すき間が、曲線をなして漸増している、請求項１に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項４】
前記すき間が、多孔プレートの第１の部位に対しては一定であり、多孔プレートの第２の部位に対しては漸増している、請求項１に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項５】
多孔プレートの第２の部位に対するすき間が、直線的に漸増している、請求項４に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項６】
多孔プレートの第２の部位に対するすき間が、曲線をなして漸増している、請求項４に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項７】
多孔プレートの第２の部位に対するすき間が、単調に増加する曲線にしたがって、曲線をなして漸増している、請求項６に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項８】
すき間の値が、段階的に漸増し、多孔プレートの底部が、階段の形状を有する、請求項１に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項９】
すき間が、周方向において漸増している、請求項１から８のいずれか一項に記載のタービンのリングセクタ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の複数のリングセクタを備える、タービンリング。
【請求項１１】
請求項１０に記載のタービンリングを備える、タービン。
【請求項１２】
請求項１１に記載のタービンを備える、ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械の分野に関し、特にはターボ機械のタービンのリングセクタの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用のターボ機械は、通常は、圧縮機、燃焼室、およびタービンを含む。タービンの役目は、燃焼室を出る高温のガスから圧力エネルギーの一部を取り出し、このエネルギーを機械的なエネルギーに変換することによって圧縮機を回転させることにある。
【０００３】
タービンは、燃焼室の下流に位置しており、ターボ機械において最も厳しい条件のもとで運転される構成要素である。特には、燃焼室を出る高温のガスによって生じる大きな熱および機械的応力にさらされる。
【０００４】
タービンは、通常は、翼列をターボ機械のケーシングに対して固定して構成されている少なくとも１つのノズル案内羽根アセンブリ、ならびに回転させることができる一式のブレードを備える少なくとも１つのロータを備える。
【０００５】
ロータは、ケーシングへと固定された固定のリングによって囲まれている。このリングは、特には、その内表面によって空気力学的な流路の外側限界を再構成するという機能を有する。多くの場合、このリングを、複数の扇形部分（セクタ）で構成することが可能である。高温のガスに恒久的にさらされるために、タービンリングの寿命は短い。したがって、高温に有効に耐えることができるよう、冷却が必要である。
【０００６】
冷却のための知られている解決策は、リングに、多数の孔があけられたプレートを、このリングを囲んで設けることからなる。そのようなプレートが、文献ＥＰ０８９３５７７、ＥＰ１１３４３６０、ＥＰ０５１６３２２、ＥＰ１２２５３０９、およびＥＰ１５３３４７８に記載されている。多孔プレートは、通常は、底部および側壁を備えるという意味で、浴槽の形状を有する。孔が、本質的には多孔プレートの底部の全体にわたって列をなして分布している。冷却空気が、孔を介して多孔プレートを通過し、リングの壁に衝突してリングを冷却する。多孔プレートの底部は、或るすき間を介してリングから離間している。これら従来技術の文献はすべて、一定のすき間を有する。文献ＧＢ１３３０８９２およびＵＳ２００３／０１３１９８０が、軸方向において変化するすき間を開示しているが、依然として冷却に関して不充分である。
【０００７】
温度は、リングのすべての点において一様であるわけではない。この結果として、リングに変形が生じる。リングが複数のセクタで構成されている場合、各セクタは、リングの或る角度部分に相当する円弧の形態をとる。多孔プレートが、それぞれのリングセクタに対応する。
【０００８】
第１の種類の変形は、セクタの反りが小さくなり、すなわちセクタの（したがって、リングの）同心性が失われることによって、周方向において露見する可能性がある。
【０００９】
第２の種類の変形は、セクタが軸方向において傾くことによって、すなわちセクタの上流部分または下流部分とセクタが取り付けられているターボ機械の軸（Ｘ）との間の距離が過剰にずれることによって、軸方向において露見する可能性がある。
【００１０】
これら２つの種類の変形は、対向して位置するロータブレードによる摩擦接触の結果として、リングの機械的な摩耗につながる可能性がある。このような摩耗が、ブレードの先端とタービンリングとの間に不可逆的なすき間を生じさせる。このすき間は、ターボ機械の効率にとって不利益である。
【特許文献１】欧州特許第０８９３５７７号明細書
【特許文献２】欧州特許第１１３４３６０号明細書
【特許文献３】欧州特許第０５１６３２２号明細書
【特許文献４】欧州特許第１２２５３０９号明細書
【特許文献５】欧州特許第１５３３４７８号明細書
【特許文献６】英国特許第１３３０８９２号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３／０１３１９８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これらの変形を少なくするため、リングセクタの温度を一様にする必要がある。これを達成するため、孔の直径、１列当たりの孔の数、または各列の間のピッチなど、多孔プレートの種々のパラメータを変化させることが知られている実務である。
【００１２】
本発明の目的は、既存の解決策よりも効果的な解決策を提供することによって、上述の問題を克服することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
したがって、本発明は、
ガスが上流領域から下流領域に向かって流れる空気力学的な流路の境界を定める壁体、および
壁体に対して空気力学的な流路の反対側に位置し、底部と側壁とを備える多孔プレート
を備えるタービンのリングセクタであって、
リングセクタの壁体と多孔プレートの底部との間の距離が、すき間を定めているタービンのリングセクタに関する。
【００１４】
本発明の基本的な特徴によれば、すき間が漸増し、すなわち一定ではなく、あるいは変化している。換言すると、多孔プレートが設けられている従来からのリングセクタと異なり、本発明によれば、多孔プレートの底部の平面が、リングセクタの壁体の平面から、一定の距離によって隔てられているわけではない。
【００１５】
このすき間の漸増は、軸方向および／または周方向において生じることができる。
【００１６】
本発明の有利な特徴によれば、上流領域に位置するすき間の値が、下流領域に位置するすき間の値よりも小さい。
【００１７】
多孔プレートの底部は、多数の形状を採用することができる。特には、底部の広がりの全体または一部のみにわたって、直線的に漸増してよく、曲線をなして漸増してよく、あるいは段階的に漸増してよい。
【００１８】
本発明は、有利には、リングセクタの温度勾配を小さくすることを可能にする。低下は４０ケルビン以上であると推定され、リングの寿命の向上を可能にしている。
【００１９】
有利には、本発明によるリングセクタは、これからのタービンに装備できるだけでなく、多孔プレートを備えるリングセクタをすでに有する保守点検中のタービンにも装備することができる。リングセクタにおいてより強力に冷却されるべき領域を割り出すことで、タービンの特性の改善および寿命の向上のために、古い多孔プレートを本発明による新たな多孔プレートで置き換えることが可能であり、これが短い調整時間で周囲の構成要素に変更を加えることなく達成される。
【００２０】
本発明の他の利点および特徴は、本発明を例示に限定されることなく提示される添付の図面を参照しつつ行われる以下の詳細な説明を検討することで、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、内表面１６および外表面１７を有する壁体１１によって形成されたタービンのリングセクタ１を示しており、内表面１６が、空気力学的な流路５の外側の限界の境界を定めている。
【００２２】
ターボ機械９のタービン８へと取り付けられたとき、リングセクタ１は、ロータの周囲を囲み、ブレード３の先端３１が、リングセクタ１の壁体１１の内表面１６に対向して位置する。ブレード３の先端３１とリングセクタ１の壁体１１の内表面１６との間に位置する空間が、すき間４を形成している。
【００２３】
リングセクタ１は、通常は、リングセクタ１の壁体１１の外表面１７から突き出すほぞ１４および１５などの固定手段によって、タービン８のケース（図示せず）へと固定される。これらのほぞ１４および１５が、リングセクタ１の上流端１２および下流端１３のそれぞれに位置し、相補的な環状の溝（図示せず）と協働するように意図されている。
【００２４】
上流領域および下流領域は、空気力学的な流路５のガスの流れの方向を基準にして画定される。図１においては、上流領域５２が左側に位置しており、下流領域５３が右側に位置している。
【００２５】
リングセクタ１の壁体１１のほぞ１４および１５ならびに外表面１７によって境界を定められた空間が、第１の「浴槽」を定めており、ほぞ１４および１５が浴槽の側壁を形成し、リングセクタ１の壁体１１が、浴槽の底部を形成している。
【００２６】
この第１の浴槽が、側壁２２および２３と底部２１とを有する第２の「浴槽」の形態をとっている多孔プレート２の収容を可能にしている。多孔プレート２の側壁２２および２３の端部２４および２５が曲げられて、それぞれリングセクタ１のほぞ１４および１５へと載せることができるリムを形成している。多孔プレート２の厚さは、リングセクタ１の厚さよりも大幅に小さい。多孔プレート２は、型押しによって得ることができる。この多孔プレート２を、ろう付けによってリングセクタ１へと固定することが可能である。リングセクタ１の壁体１１および多孔プレート２の底部２１は、すき間７を形成している或る距離によって隔てられている。
【００２７】
加圧された冷却空気（燃焼室の端壁、圧縮機、または外気を供給することができる他の任意の同等な手段からの流出であってよい）が、多孔プレート２に関してリングセクタ１の反対側に位置する空間６へと運ばれる。空間６の過圧によって、冷却空気が、図２に示されている孔２０を通って多孔プレート２を通過して押し出される。孔２０は、放電加工（ＥＤＭ）法によって製造でき、あるいはレーザ穿孔法によって製造できる。
【００２８】
孔２０を通って多孔プレート２を出る冷却空気が、リングセクタ１の壁体１１の外表面１７に衝突する。それぞれの孔２０に対向するそれぞれの衝突領域において、熱の交換が生じる。次いで、このようにして加熱された空気が、通常はリングセクタ１を貫いて生成される通路（図示せず）を介して、空気力学的な空気の流路５へと排出される。それらの通路は、例えばきわめて長い通路を有するリングセクタを開示している文献ＥＰ０５１６３２２号明細書など、上述の文献に記載されている通路と同一であってよい。空気力学的な流路５へと進入すべくこれらの通路を出る空気は、リングセクタ１の上流領域１２において空気の膜を開始させるために、充分な流量を有していなければならない。本発明は、上流領域１２に、リングセクタ１の下流領域１３よりも大きな空気の流量をもたらすことを可能にする。
【００２９】
熱交換係数は、孔２０と衝突を受ける領域との間の距離、すなわちすき間７に依存して決まる。一般的な法則として、すき間７を小さくすると、熱交換係数は大きくなる。反対に、すき間７を大きくすると、熱交換係数は小さくなる。したがって、すき間７を変化させることによって、冷却空気とリングセクタ１の壁体１１との間の熱交換を、局所的に制御することが可能である。さらに、このパラメータを、孔の直径、１列当たりの孔の数、または各列の間のピッチなど、熱交換係数を変化させることができる他の知られているパラメータのうちの少なくとも１つと組み合わせることが可能である。
【００３０】
高温のガスは、上流領域５２から下流領域５３に向かって進むため、通常は、リングセクタ１の上流部分１２が、リングセクタ１の下流部分１３よりも高温である。したがって、上流部分１２をより強く冷却することが推奨される。この場合、多孔プレート２を、リングセクタ１の上流領域１２に位置するすき間７が、リングセクタ１の下流領域１３に位置するすき間７よりも小さくなるようなやり方で設計することができる。
【００３１】
図１に示されている本発明の第１の実施形態においては、すき間７が直線的に漸増する。多孔プレート２の底部２１が、ターボ機械９の回転の軸（Ｘ）に一致するタービン８の回転の軸（Ｘ）に交差する平面にて広がっている。多孔プレート２の底部２１が、タービン８の回転の軸（Ｘ）との角度αを形成している。この角度αは、当然ながら０°よりも大きく、４５°に上ることができる。それぞれのタービンに係わる動作条件に応じて、傾斜を正しく調節することで、リングセクタ１についてより一様な温度を得ることが可能になる。
【００３２】
図３に示されている本発明の第２の実施形態においては、すき間７の値が段階的に漸増し、多孔プレート２の底部２１が「階段」の形状を有する。多孔プレート２の底部２１が、連続する複数の「段」または「ステップ」１２１ａ、１２１ｂ、および１２１ｃからなる。
【００３３】
図４に示されている本発明の第３の実施形態においては、すき間７が、多孔プレート２の第１の部位２２１ａに対しては一定であり、多孔プレート２の第２の部位２２１ｂに対しては漸増し、この推移が直線的であっても、曲線をなしてもよい。図４に示した例では、第２の部位２２１ｂが直線的に漸増し、第１の部位２２１ａとの角度βを形成している。この角度βは、当然ながら０°よりも大きく、６０°に上ることができる。
【００３４】
図５に示されている本発明の第４の実施形態においては、すき間７が、例えば上流領域から下流領域に向かって増加する単調曲線などの曲線に従い、曲線をなして漸増する。したがって、プレート２の底部３２１が、リングセクタ１の壁体１１に向かって凸である。
【００３５】
上述の実施形態は、軸方向（Ｘ）において漸増するすき間７を説明しているが、すき間７を、例えばセクタ間の漏れによって引き起こされる熱の影響を補正するために、軸方向に直交する平面において円周方向（Ｙ）に漸増するように構成することも可能である。
【００３６】
さらに本発明は、複数の上述のようなリングセクタを備えるタービンリング、および上述のタービンリングを備えるタービン８（図６において点状の模様によって示されている）に関する。
【００３７】
さらに本発明は、上述のタービン８を備えるターボ機械９（やはり、図６に示されている）に関する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態によるリングセクタの断面図を示す。
【図２】本発明の第１の実施形態による多孔プレートの斜視図を示す。
【図３】本発明の第２の実施形態によるリングセクタの断面図を示す。
【図４】本発明の第３の実施形態によるリングセクタの断面図を示す。
【図５】本発明の第４の実施形態によるリングセクタの断面図を示す。
【図６】ターボ機械の概略の斜視図を示す。
【符号の説明】
【００３９】
１  リングセクタ
２  多孔プレート
３  ブレード
４、７  すき間
５  流体力学的な空気の流路
６  空間
８  タービン
９  ターボ機械
１１  （リングセクタの）壁体
１２  （リングセクタの）上流部分
１３  （リングセクタの）下流部分
１４、１５  （リングセクタの）ほぞ
１６  （リングセクタの壁体の）内表面
１７  （リングセクタの壁体の）外表面
２０  （多孔プレートの）孔
２１  （多孔プレートの）底部
２２、２３  （多孔プレートの）側壁
２４、２５  （多孔プレートの側壁の）端部
３１  （ブレードの）先端
１２１ａ、ｂ、ｃ  段（または、ステップ）
２２１ａ  （多孔プレートの）第１の部位
２２１ｂ  （多孔プレートの）第２の部位
３２１  （多孔プレートの）底部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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