(57)【要約】【課題】ＴＯＢＩの領域における汚染空気を、タービンロータを冷却するのに用いられる吐出空気の旋回速度を減少させないように、処理するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】一般的に接線方向オンボード噴射器（ＴＯＢＩ）（４４）と呼ばれるノズルが、タービンロータ（１９）の近くに配置される。これらの通路の少なくともいくつは、吐出空気（Ｄ）を圧縮機（１２）からタービンロータ（１９）に流通させる吐出空気入口および吐出空気出口を備える。通常は用いられずに塞がれている通路の少なくとも１つに、汚染空気入口および汚染空気出口が設けられる。ＴＯＢＩ（４４）内の通路内を流れる汚染空気（Ｐ）が旋回され、この汚染空気は、旋回された吐出空気と混合し、タービンロータ（１９）を冷却するのに用いられる吐出空気（Ｄ）の速度の減少を最小限に抑える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータと、
吐出空気を供給する圧縮機と、
前記タービンロータを冷却するために、前記タービンロータの近くに前記吐出空気を送るオンボード噴射器であって、前記ガスタービンエンジン内のシールから漏れる汚染空気を受け、前記汚染空気を前記吐出空気に導く、オンボード噴射器と、
を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記オンボード噴射器が、前記オンボード噴射器の内面に設けられた汚染空気入口と、前記オンボード噴射器の前記タービンロータに最も近い側部に設けられた汚染空気出口と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記オンボード噴射器が、前記オンボード噴射器の前記タービンロータに最も近い前記側部に設けられた吐出空気出口と、前記吐出空気出口と反対側の吐出空気入口と、を備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記オンボード噴射器が、略切頭円錐形状を有することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記オンボード噴射器が、ベーンによって互いに隔離された、前記吐出空気および前記汚染空気を旋回させる通路を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記オンボード噴射器が、前記タービンロータの近傍において、前記オンボード噴射器の周囲から半径方向外方に延びる阻止器を備えることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記オンボード噴射器と前記タービンロータとの間に配置される第１のシールと、エンジンハウジングと前記タービンロータとの間に配置される第２のシールとを備え、前記阻止器が、前記第１のシールから前記第２のシールへの吐出空気および汚染空気の流れを阻止するために、前記第１シールおよび前記第２のシールとの間に配置されることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記阻止器が、環状の形状を有することを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
ａ）汚染空気を旋回させるステップと、
ｂ）前記旋回された汚染空気を吐出空気に導くステップと、
ｃ）前記吐出空気および前記旋回された汚染空気によって、タービンロータを冷却するステップと、
を含むことを特徴とするターボ機械内の汚染空気の処理方法。
【請求項１０】
前記吐出空気が旋回され、前記ステップｃ）が、前記旋回された吐出空気によって、前記タービンロータを冷却することを含むことを特徴とする請求項９に記載のターボ機械内の汚染空気の処理方法。
【請求項１１】
冷却空気の流れが、タービンロータと、前記旋回された汚染空気および前記旋回された吐出空気を流通させるオンボード噴射器と、の間に配置されるシールから漏れるのを阻止するステップｄ）をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボ機械内の汚染空気の処理方法。
【請求項１２】
前記ステップｃ）が、前記タービンロータを冷却する前に、前記汚染空気および前記吐出空気を混合することを含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボ機械内の汚染空気の処理方法。
【請求項１３】
ａ）互いに隔てられた複数の通路を有する構造体をタービンロータの近くに設けるステップと、
ｂ）前記複数の通路の少なくともいくつかと連通する吐出空気入口および吐出空気出口を設けるステップと、
ｃ）前記複数の通路の前記いくつかと異なる前記複数の通路の少なくとも１つに、少なくとも１つの汚染空気入口および汚染空気出口を形成するステップであって、前記汚染空気入口が、前記吐出空気入口と異なる側に配置される、ステップと、
を含むことを特徴とするターボ機械の製造方法。
【請求項１４】
前記ステップｂ）が、前記吐出空気入口および前記吐出空気出口を所望の大きさに機械加工することを含むことを特徴とする請求項１３に記載のターボ機械の製造方法。
【請求項１５】
前記ステップｃ）が、前記構造体の内壁に前記汚染空気入口を機械加工することを含むことを特徴とする請求項１３に記載のターボ機械の製造方法。
【請求項１６】
前記ステップｂ）が、阻止器を前記構造体の外面に取り付けることを含むことを特徴とする請求項１３に記載のターボ機械の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン内の汚染空気を処理する方法および装置に関する。さらに詳細には、本発明は、タービンロータを冷却するとき、汚染空気を圧縮機からの吐出空気に導く前に、この汚染空気を旋回させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
殆どのタービン設計における制限因子は、タービン入口において許容される最大温度である。この問題に対処するために、タービンの第１段目における入口ベーンおよびロータブレードは、典型的には、吐出空気と単純に呼ばれる圧縮機抽気を用いて冷却される。
【０００３】
最近のガスタービンエンジンには、通常、接線方向オンボード噴射器（ＴＯＢＩ）と呼ばれるノズルを用いる予旋回システム（ｐｒｅｓｗｉｒｌ  ｓｙｓｔｅｍ）が組み込まれている。空気を旋回させることによって、タービンロータの入口側に冷却空気を噴射するとともに、関連する温度上昇を低減させる。
【０００４】
ガスタービンエンジンは、汚染空気を生じる。この汚染空気は、ガスタービンエンジン内の種々のシールから漏れ、ＴＯＢＩに向かう空気である。ＴＯＢＩによって旋回された吐出空気は、低運動量のこの汚染空気に晒され、吐出空気の旋回速度（ｓｗｉｒｌ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が低下するという望ましくない結果をもたらす。旋回速度が低下すると、ロータの入口側の冷却空気温度が上昇するので、ＴＯＢＩは、より多くの吐出空気を供給することを必要とされる。大量の吐出空気を供給するようにＴＯＢＩを設計すると、ガスタービンエンジンの効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
必要とされているのは、ＴＯＢＩの領域における汚染空気を、タービンロータを冷却するのに用いられる吐出空気の旋回速度を減少させないように、処理するシステムおよび方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ガスタービンエンジンは、タービンロータおよび吐出空気を供給する圧縮機を備える。一般的に接線方向オンボード噴射器（ＴＯＢＩ）と呼ばれるノズルが、タービンロータを冷却するために吐出空気をタービンロータの入口側に供給する目的で、タービンロータの近くに配置される。ＴＯＢＩは、ガスタービンエンジン内のシールから漏れる汚染空気を受ける。ＴＯＢＩは、これらの吐出空気および汚染空気を、それらがタービンロータに到達する前に、旋回させる。
【０００７】
ＴＯＢＩは、ベーンによって互いに隔てられた複数の通路を備える。これらの通路の少なくともいくつかは、吐出空気を圧縮機からタービンロータに流通させる吐出空気入口および吐出空気出口を備える。通常、これらの通路のいくつかは、用いられずに塞がれている。しかし、例示的な配置では、通常は用いられずに塞がれているこれらの通路の少なくとも１つに、汚染空気入口および汚染空気出口が設けられる。ＴＯＢＩ内の通路内を流れる汚染空気が旋回され、その結果、この汚染空気は、旋回された吐出空気と混合し、ロータの入口側の冷却空気温度への影響を低減する。
【０００８】
従って、本発明は、タービンロータを冷却するのに用いられる吐出空気の速度の減少を最小限に抑えるように、汚染空気を処理するシステムおよび方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１には、ガスタービンエンジン１０のようなターボ機械が示されている。ガスタービンエンジン１０は、軸Ａを中心に回転可能であるシャフト１５に取り付けられた圧縮機１２およびタービン１９を備える。１つの例示的なガスタービンエンジンでは、圧縮機１２は、高圧圧縮機であり、低圧圧縮機およびファンが、それぞれ、この圧縮機１２の左側に配置されている。タービン１９は、高圧タービンであり、低圧タービンがこのタービン１９の右側に配置されている。
【００１０】
圧縮機１２は、シャフト１５に取り付けられたハブ１４を備える。吐出口１６が、圧縮機１２からの吐出空気Ｄを通路１８を介してタービン入口２０に吐出する。ブレード２４を支持するタービンハブ２２が、シャフト１５に取り付けられている。ブレード２４は、タービン入口２０からの吐出空気Ｄを受け、この吐出空気Ｄを膨張させる。
【００１１】
種々のシールから漏れる流体によって、汚染空気Ｐがガスタービンエンジン１０内に生じる。例えば、ハブ１４とエンジンハウジングとの間に配置された圧縮機シール２６，２８は、汚染空気Ｐを空洞３０，３１内に漏出する。次いで、汚染空気Ｐは、シール３２から漏れ、タービン１９に達する。
【００１２】
接線方向オンボード噴射器（ＴＯＢＩ）４４のようなノズルが、設けられている。このＴＯＢＩ４４は、タービンハブ２２を冷却するために、吐出空気Ｄをタービン１９の近くの空間４０に送給する。図示の例では、タービン１９に空気が達する前に、その空気を急速に転回させ、破片粒子を分離させるために、バッフル４３が、通路１８とＴＯＢＩ４４との間に配置されている。部材３６によって、ＴＯＢＩ４４は、タービンハブ２２から隔てられている。ＴＯＢＩ４４からの冷却空気Ｃをタービン１９に到達させるために、開口３８が、この部材３６に設けられている。
【００１３】
ＴＯＢＩ４４の一例では、第１の壁４６、第２の壁４８、第３の壁５０、および第４の壁５２によって形成される中空の切頭円錐状のマニフォールドが設けられる。例示的実施形態４４の種々の図が、図２〜図４に示されている。当技術分野において知られているように、より効率的な冷却をもたらすために、吐出空気Ｄをロータ１９に達する前に旋回させる目的で、ベーン５４が、壁４６，４８，５０，５２によって形成される空洞内に配置されている。ベーン５４は、複数の通路５５をもたらす。通路５５の多くは、吐出空気Ｄまたは汚染空気Ｐを運ばない。ＴＯＢＩは、典型的には、所望量の吐出空気をタービンにもたらす所望の大きさを有する流体入口および流体出口が、後になってＴＯＢＩに設けられ得るように、設計される。ＴＯＢＩ４４は、典型的には、孔６４を伴って第２の壁４８に開口する通路５５と一緒に鋳造される。これらの孔６４は、種々の用途に対してＴＯＢＩ４４を通る所望の流れを得るような大きさを有する。次いで、これらの孔６４のいくつかは、特定の用途に対して所望の流れを得るために、６２で示されるように、遮蔽される。
【００１４】
これまでは、低運動量の汚染空気Ｐが単純にシール３２から漏れ、ＴＯＢＩからの吐出空気Ｄの流れを阻止し、その結果、吐出空気の圧力を低下させ、これによって、その冷却効率を低減させていた。ここでは、典型的には、吐出空気入口５６が、ＴＯＢＩ４４の外径に近い第１の壁４６に設けられている。吐出空気出口５８が、略環状の形状を有する第２の壁４８のタービンハブ２２と向き合う側部４９に設けられている。例示的実施形態では、遮蔽されて用いられないこともある通路５５を利用している。１つまたは複数の汚染空気入口６０が、ＴＯＢＩ４４の内壁、すなわち、第４の壁５２に設けられている。汚染空気入口６０は、空洞３１に露出しているので、汚染空気Ｐは、シール３２から漏れるよりも、むしろＴＯＢＩ４４内に流れる。汚染空気出口６１が、第２壁４８の側部４９に形成されている。このようにして、汚染空気入口６０から流入した汚染空気Ｐは、吐出空気Ｄと同様に旋回され、汚染空気出口６１を出るときに、吐出空気Ｄと混合する。
【００１５】
環状の阻止器４２が、ＴＯＢＩ４４の周囲に取り付けられ、半径方向外方に延びている。この阻止器４２は、冷却空気Ｃが、ＴＯＢＩ４４とタービン１９との間のシール３４から漏れるのを阻止する。
【００１６】
既存のＴＯＢＩを機械加工し、前述したような汚染空気入口６０および汚染空気出口６１を溶接によって取り付けることによって、ここで述べた特徴を有するように改造されたＴＯＢＩ４４を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ガスタービンエンジンの高圧圧縮機およびタービンの第１段部分を示す部分断面図である。
【図２】タービンを冷却する吐出空気を分配するのに用いられる接線方向オンボード噴射器（ＴＯＢＩ）の拡大透視図である。
【図３】図２に示されるＴＯＢＩの一部を破断した透視図である。
【図４】ＴＯＢＩを通る吐出空気および汚染空気の流れを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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