(57)【要約】      （修正有）【課題】圧縮機と、膨張機械と、シャフトとを備え、シャフトは回転方向を有する、エンジンを提供する。【解決手段】エンジンは、圧縮流体主流路と、圧縮流体主流路に配置されかつ圧縮流体主流路に流体通流可能に接続された分流器手段４と、分流器と膨張機械の構成部材とを流体通流可能に接続するダクト１２とを有する。ダクトは、エンジンが作動させられたときに、流体７がダクトを通って分流器から前記膨張機械構成部材に向かって案内されるように配置されている。流れデフレクタ装置８は、分流器手段および／または前記ダクトのうちのいずれかによって提供された流路内に配置されており、前記流れデフレクタ装置は、分流器から膨張機械構成部材に向かって方向付けられた流れデフレクタ装置を通る流れを接線方向に変向し、これにより、加速させるように配置および適応させられており、前記変向は、特に、軸の回転方向で行われる。【選択図】図２
2016121690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１）であって、該エンジンは、圧縮機（２）と、膨張機械（３）と、軸（２１）とを備え、
該軸（２１）は回転方向（Ｕ）を有し、
前記エンジンは、圧縮流体主流路と、
圧縮機主流路に配置されかつ該圧縮機主流路に流体通流可能に接続された分流器手段（４）と、
分流器と膨張機械構成部材とを流体通流可能に接続するダクト（１２）であって、該ダクトは、前記エンジンが作動させられているときに、流体（７）が前記ダクトを通って前記分流器から前記膨張機械構成部材へ案内されるように配置されている、ダクトと、を備えるエンジンにおいて、
前記分流器手段および前記ダクトのいずれかによって提供された流路内に流れデフレクタ装置（８）が配置されており、該流れデフレクタ装置は、前記分流器から前記膨張機械構成部材に向かって方向付けられた、前記流れデフレクタ装置を通る流れを、接線方向に変向させるように配置されかつ適応させられていることを特徴とする、エンジン。
【請求項２】
前記流れデフレクタ装置（８）は、前記ダクト（１２）または前記流路の上流側に配置されている、請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記圧縮機は、前記軸に配置されたブレード（２０１）の少なくとも１つの列と、該ブレードの列の下流に配置されたベーン（１０１）の対応する列とを有するターボ圧縮機であり、前記分流器（４）は、前記ブレードの列と、前記ベーンの列との間に配置されている、請求項１または２記載のエンジン。
【請求項４】
前記ターボ圧縮機は、多段ターボ圧縮機であり、前記分流器は、最も下流に配置された圧縮機段の対応するブレード（２０１）の列と、ベーン（１０１）の列との間に配置されている、請求項３記載のエンジン。
【請求項５】
流れデフレクタ手段は、上流の公称流れ角度と、下流の公称流れ角度とを提供する複数のデフレクタ翼（８１）を含み、各角度は、軸の軸方向に関して測定され、特に、下流の公称角度は上流の公称角度よりも大きく、流体流れを軸回転方向へ変向させるように軸回転方向（Ｕ）に向かって傾斜させられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のエンジン。
【請求項６】
前記デフレクタ装置（８，９）は、エンジンの固定部分（４，１１，１０１）に配置されており、特に、前記軸（２１）と、前記固定部分（４，１１，１０１）との間に形成された間隙（１２）内に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のエンジン。
【請求項７】
前記変向装置は、圧縮機ガイドベーン（１０１）の少なくとも１つの半径方向内側シュラウド（１１３）に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のエンジン。
【請求項８】
ガイドベーンエレメント（１０１）、特に請求項１から７までのいずれか１項記載のエンジンの圧縮機用のガイドベーンエレメントであって、該ガイドベーンエレメントは、ガイドベーンのフット（１１１）からガイドベーンの先端部（１１２）まで延びるスパン幅を有する少なくとも１つのガイドベーン翼（１０１）を有し、前記ガイドベーンの前記フットは、ガイドベーンリングの外径に配置されるように設計されており、前記先端部は、前記ガイドベーンリングの内径に配置されるように設計されており、前記ガイドベーンエレメントは、さらに、前記ガイドベーン翼の先端部に設けられたシュラウド（１１３）を有し、該シュラウドは、翼に向かって配置された第１の面（１１４）と、シュラウドの反対側に配置された第２の面（１１５）とを有する、ガイドベーンエレメント（１０１）において、少なくとも１つのデフレクタ翼（８１）が前記第２の面に配置されていることを特徴とする、ガイドベーンエレメント。
【請求項９】
前縁から後縁までのデフレクタ翼の湾曲がガイドベーン翼の変向とは反対に向けられているおよび／またはデフレクタ翼の反り角がガイドベーン翼の反り角よりも大きく、各条件は、少なくともガイドベーン翼先端部において測定されたガイドベーン変向に関して満たされることを特徴とする、ガイドベーンエレメントを請求する請求項１から８までのいずれか１項記載のガイドベーンエレメント。
【請求項１０】
前記シュラウド（１１３）の前記第２の面（１１５）は、該第２の面に沿って案内される流れがガイドベーンリングに対して半径方向内方へ変向させられるように輪郭づけられていることを特徴とする、ガイドベーンエレメントを請求する請求項１から９までのいずれか１項記載のガイドベーンエレメント。
【請求項１１】
デフレクタシュラウド（８２）は、ガイドベーンシュラウドの第２の面（１１５）とは反対側の少なくとも１つのデフレクタ翼（８１）の先端部に設けられており、特に、取り付けられた状態においてデフレクタシュラウド（８２）とロータおよび／または軸（２０；２１）との間に存在する間隙を封止するための少なくとも１つのシーリングエレメント（８３）が、取り付けられた状態において、デフレクタ翼シュラウドに配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガイドベーンエレメント。
【請求項１２】
エンジン（１）の構成部材を冷却する方法であって、前記エンジンは、圧縮機（２）と、膨張機械（３）と、ロータ（２０）と、ステータ（１０）とを備える、方法において、
圧縮流体部分流（７）を圧縮流体主流（６）から抽出し、
前記圧縮流体部分流が前記圧縮流体主流から抽出された後に、前記圧縮流体部分流の接線方向速度成分を加速させ、これにより、部分流の静圧、その結果として、静温度を低下させ、
前記接線方向速度成分を有する前記圧縮流体部分流をエンジン構成部材、特に回転するタービン構成部材（２０２，２０３）、およびロータ軸（２１）のうちの少なくとも一方に供給し、
特に前記接線方向速度成分の方向はロータ回転（Ｕ）と同じ方向を有することを特徴とする、エンジン（１）の構成部材を冷却する方法。
【請求項１３】
前記圧縮機は、ターボ圧縮機であり、該ターボ圧縮機は、回転する圧縮機ブレード（２０１）の少なくとも１つの列と、固定の圧縮機ガイドベーン（１０１）の対応する列とを有し、前記対応するガイドベーンは圧縮機ブレードの下流に配置されており、圧縮流体部分流が、圧縮機から抽出されたときに、ロータ回転方向（Ｕ）で第１の接線方向速度成分を有するように、圧縮機の回転するブレード列の下流でかつ対応する圧縮機の固定ベーン列の上流において圧縮流体部分流を抽出し、さらに、ロータ回転方向で第２の接線方向速度成分を付加するために圧縮流体部分流を変向させ、これにより、接線方向速度成分の加速を行い、特に前記ブレード列およびベーン列は、多段圧縮機の最終段のブレードおよびベーン列である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記圧縮流体部分流を作動機械において膨張させることを含む、請求項１２または１３記載の方法。
【請求項１５】
前記軸に配置された少なくとも１つの回転エレメントによって提供された流路を通って流れを案内し、該流れを軸の回転方向とは反対方向に変向させ、特に、前記流れが加速させられた後でかつ前記流れをエンジン構成部材に供給する前に、前記流れを、軸の回転方向とは反対方向に向けられた変向角を有する回転ブレード（２０４）の列を通って案内する、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、請求項１の前提部に記載のエンジンの分野に関する。特に、本開示は、仕事を行うエンジン、より具体的には、ガスタービンに関する。本開示は、さらに、特にこのようなエンジンのターボ圧縮機において使用するのに適した、ガイドベーンエレメントに関する。本開示は、さらに、エンジンの構成部材を冷却する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高効率エンジンは、概して、高い作動温度を必要とする。内燃機関は、特に機械的強度が同時に維持される必要がある場合に、ほとんどの材料が耐えることができる温度を大幅に超える温度の作動流体を提供することがある。したがって、高温の圧縮された作動流体の膨張のために機能するエンジンの構成部材は、十分な冷却を必要とすることがある。これは、特に、ガスタービンエンジンの膨張タービンの高温ガス通路における構成部材の場合のように、高温流体、特に燃焼ガスの途切れない流れにさらされる構成部材に当てはまる。今日の内燃機関ガスタービンの燃焼器、および少なくとも第一段のガイドベーンおよび回転するブレードは、確実な冷却を必要とする。例えばシャフト、または圧縮機の下流に配置されたシャフトの部分などの、タービンステータおよびロータの部分も、冷却を必要とすることがある。冷却材を提供する１つの方法は、ガスタービン圧縮機内またはその下流から一部の空気を抽出し、抽出した空気流が燃焼器をバイパスし、この空気を、冷却を必要とする構成部材へ案内することである。圧縮機から空気を抽出し、この空気が、次いで、少なくとも部分的に熱力学的プロセスをバイパスすることは、高価であり、ひいては、冷却空気は、冷却空気を抽出することによって生ぜしめられる効率の損失を低減するためにできるだけ効率的に使用されるべきであると理解される。
【０００３】
冷却空気をガスタービンの固定部分へ案内することは比較的容易であるが、冷却空気をロータ部分へ案内することはより困難である。例えば、最後の圧縮機ブレードとベーン列との間において空気を抽出することは技術分野において公知である。これは、通常、ロータシャフトが固定のカバーと隣接するところである。この位置には漏れ間隙が存在しており、この漏れ間隙は、冷却材を抽出するために使用されてもよい。次いで、抽出された冷却材は、例えばロータ内に形成されたダクトを通って、または、ロータまたはシャフト外面と、カバーの内壁との間に形成された環状の間隙を通って、回転するタービン部分へ案内される。
【０００４】
しかしながら、第１のタービンベーン列を通流するガスの圧力比は、最終圧縮機ベーン列によって影響される圧力比よりも大幅に高いので、複雑なシーリング機構がこの冷却材ダクトの下流端部に設けられる必要があり、通常、冷却材が例えば回転するタービンブレードへ供給され、次いで、タービン高温ガス流内へ排出される前に、冷却材の圧力を適応させるために、何らかの手段が適用される。さらに、圧縮機からの抽出時の、冷却のために適用される流体の温度は、エンジン圧力比および周囲温度に応じて、容易に３００℃〜５００℃を超える範囲であり得ることが注目される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここに開示される装置および方法の課題は、技術を改良することである。ここに開示された装置および方法の別の課題は、技術、より具体的には上述の技術の幾つかの欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これは、請求項１記載のエンジン、さらには、その他の従属請求項に記載された構成部材および方法によって達成される。
【０００７】
本開示は、エンジンを教示し、当該エンジンは、圧縮機と、膨張機械と、シャフトとを備え、シャフトは回転方向を有する。前記エンジンは、ワーキングエンジンであってもよい。さらに、前記エンジンは、ガスタービン、特に、内燃ガスタービンであってもよい。
【０００８】
本開示において、“シャフト”および“ロータ”はほぼ同義で用いられ、この場合、ロータは、シャフトと、例えば回転するブレード、ヒートシールドなどの、シャフトに固定またはその他の形式で取り付けられた一切の回転する部分と、を含んでいる。
【０００９】
さらに、本開示において、ベーンとは、エンジンに固定またはその他の形式で接続された固定の流れ案内エレメントをいうのに対し、ブレードとは、エンジンロータに固定またはその他の形式で取り付けられた、回転する、流れ変向エレメントをいう。
【００１０】
エンジンは、圧縮機主流路を有する。本開示の意味においては、圧縮流体主流路は、圧縮機内の主流路を含み、圧縮機出口から燃焼器またはあらゆるその他の圧縮流体加熱装置までの流路を含んでもよい。分流器手段は、圧縮流体主流路に配置されており、この圧縮流体主流路に流体通流可能に接続されている。ダクトは、分流器と、膨張機械の構成部材とを流体通流可能に接続しており、エンジンが作動させられているときに流体がダクトを通って分流器から前記構成部材へ案内されるように配置されている。さらに、流れデフレクタ装置は、分流器手段および／または前記ダクトのうちのいずれかによって提供された流路内に配置されている。流れデフレクタ装置は、分流器から上記で言及された膨張機械構成部材に向かって流れデフレクタ装置を通って方向付けられる流体流れを、接線方向に変向し、特にこれによって加速させるように、配置されかつ適応させられている。デフレクタ装置は、ダクトの上流側または特に端部に配置されていてもよい。この場合、ダクトを通流する流体流れを変向するという効果は、ダクト全体において有効となる。
【００１１】
本開示の１つの態様では、デフレクタ装置は、前記変向がシャフトの回転方向へ行われるように設計および配置されている。しかしながら、デフレクタ装置が、変向がシャフトの回転方向とは反対方向に行われるように設計および配置されているような実施の形態も考えられる。
【００１２】
以下で明らかとなるように、圧縮性流体を加速させる際には、温度および静圧の双方が低下させられる。以下でさらに明らかになるように、前記抽出された圧縮流体部分流は、エンジン構成部材用の冷却材として機能することが意図されている。温度低下により、冷却効率が高められる。以下でより詳細に説明するように、特に冷却材がシャフトの外面に沿ってまたはロータドラムを通って案内される場合、ロータの冷却が高められるか、またはそれ自体がロータの一部を形成しているシャフトへの媒体からの吸熱が減じられる。冷却材ダクトにおける静圧の低下により、冷却材ダクトの下流の高温ガス側における冷却材の漏れが低減され得るおよび／または冷却材ダクトと高温作動流体主流との間のシーリングがより安価となり得ることがさらに認められるであろう。冷却材流を接線方向に加速させる際に、前記加速は、冷却材ダクトの横断面を変化させることなく行われてもよいことも認められるであろう。その他の利点は、冷却材流をシャフト回転方向へ方向付けることに見られるであろう。すなわち、一方では、以下でより詳細に説明するように、特に冷却材ダクトが、シャフトと、固定部分、例えばカバーとの間の間隙、例えば環状の間隙、に形成されている場合、冷却材とロータとの間の摩擦損失は減じられる。特に、固定の発電ガスタービンなどの大型エンジンの場合、シャフトの外面における接線方向速度は、１００ｍ／ｓをはるかに超える極めて大きな値に達することがある。認められるであろうが、このようなシャフトの大きな表面積をさらに考慮すると、シャフトの外面に対して大きく異なる接線方向速度を有する冷却材流と、シャフトとの間の摩擦損失は、著しいものとなり得る。提案された流れの接線方向の加速により、流れの接線方向速度はシャフト外面の接線方向速度により近くなり、前記摩擦損失を大幅に低減し得る。圧縮流体部分流がターボ圧縮機の回転するブレード列の下流において抽出されるならば、特に回転ブレードがシャフトに配置されているとき、抽出時の流れは、既にシャフト回転方向に接線方向速度を有しており、これにより、所望の効果を達成するためのデフレクタにおける付加的な流れの加速および変向の必要性は小さくなることも明らかになるであろう。加速による抽出された流体流れのレイノルズ数を増大させることにより、構成部材と抽出された流体流れとの間の熱伝達が高められ得る。
【００１３】
さらに、本開示の別の態様では、圧縮流体部分流がロータキャビティ内を案内されるならば、デフレクタは、ロータに向かって方向付けられる、すなわち、例えば半径方向内方への抽出された媒体流に付加的な速度成分を付加するように、成形されてもよい。したがって、デフレクタは、抽出された流体流れを半径方向内方および周方向に変向するように適応、構成および配置されている。特に、この半径方向内方への、求心的な速度成分を付加し、シャフト回転方向における上述の接線方向速度成分と組み合わされることにより、流れは、シャフトまたはロータの外側とロータキャビティとの間、または、言い換えれば、抽出された流体流と、ロータまたはシャフトキャビティとの間の流体接続を提供するシャフトの入口開口に向かって方向付けられてもよい。流れの接線方向速度成分は、ロータシャフト外側、その結果として、前記入口開口の接線方向速度との一致を有し得る。この一致および前記開口に向かう流れの方向により、入口開口への媒体の流入は、前記入口開口の特殊なジオメトリを提供することなく大幅に促進され得る。
【００１４】
明示的に示されるまたは示されない本開示の教示のその他の効果および利益は、固有のものであるかまたは当業者に明らかになるであろう。
【００１５】
提案されたエンジンにおいて適用される分流器において、上記に示されたものに対する付加的な特性が有利であることが分かることが理解されるであろう。例えば、変向をできるだけ滑らかにしようと努力するためにこのような分流器を設計することが有利であることが証明された。特に、乱流を生じる急激な変向は回避すべきである。すなわち、静圧の低下が望ましいことが示されているが、エンジン効率全体にとって不利となる抽出された流体流れの合計圧力損失は、回避されるまたは少なくとも最小限度に低減される。
【００１６】
エンジンの１つの実施の形態では、圧縮機は、シャフトに配置された回転するまたは走行するブレードの少なくとも１つの列と、走行するブレードの前記列の下流に配置された、固定ベーンの対応する列とを備えるターボ圧縮機であり、分流器は、例えば前記ブレードの列と、前記ベーンの対応する列との間に配置されている。前記配列の１つの利点は、分流器によって抽出されたときの圧縮流体は、回転するブレードによって行われる流体の加速により、既に、シャフトまたはロータの回転方向で第１の接線方向速度を有している、または、言い換えれば、圧縮機段における静圧上昇は、完全には行われていないということである。すなわち、所望の効果を達成するために、デフレクタ装置において、必要とされる変向がより小さくなる。別の実施の形態では、ターボ圧縮機は、多段ターボ圧縮機であり、分流器は、最も下流（すなわち最終）の圧縮機段の対応するブレード列とベーン列との間に配置されていてもよい。
【００１７】
流れデフレクタ装置は、複数の翼を有してもよい。これらの翼は、上流公称流れ角度と、下流公称流れ角度、または、典型的には、流れダクトにおける翼の配列の場合には、流入角および流出角とも呼ばれる角度、を提供するように配置されていてもよく、それぞれの角度は流体流れの軸方向に関して測定される。前記流体流れの前記軸方向は、特に軸流ターボエンジンにおいて、シャフトの軸方向と同一であると考えてもよい。前記角度は、例えば、それぞれ前縁および後縁における翼反り線の方向によって規定される。特に、下流公称角度または流出角は、上流公称角度または流入角よりも大きく、それぞれ翼に沿ってまたは翼の配列を通って流れるときに流体流れがシャフト回転方向へ変向させられるように、シャフト回転方向に向かって傾斜させられている。すなわち、変向装置は、分流器または冷却材ダクトに配置されたガイドベーン列に類似していてよい。流れは、シャフト回転方向とは反対方向に変向させられてもよく、これは、大きな変向角度を必要とすることが理解される。シャフト回転方向とは反対方向に方向付けられた接線方向速度を有するためにこのような大きな変向角度を適用することの利点は、以下でより詳細に示される。
【００１８】
変向装置が、適切な形状を有するノズルまたはオリフィス、または複数のノズルまたはオリフィスのそれぞれであってもよい別の実施の形態が考えられる。
【００１９】
デフレクタはエンジンの固定の構成部材であることが理解される。
【００２０】
別の実施の形態では、変向装置は、エンジンの固定部分に配置されており、特に、ロータシャフトと前記固定部分との間に形成された間隙内に配置されていてもよい。変向装置は、特に、シャフトを包囲するカバー、ガイドベーン半径方向内側部分、特にガイドベーンの半径方向内側シュラウド、または分流器のうちの１つに設けられていてもよい。また、分流器は、カバーまたはガイドベーン半径方向内側部分、特にガイドベーンの半径方向内側シュラウドのうちの１つによって形成されていてもよい。
【００２１】
エンジンの別の実施の形態では、ターボ圧縮機のガイドベーン列、特に、多段ターボ圧縮機の最も下流のガイドベーン列は、半径方向内側シュラウドまたはシュラウドエレメントを有してもよい。すなわち、前記段のベーンは、エンジンハウジングに面した、ベーンをエンジンハウジングに取り付ける手段を具備したベーン列の半径方向外側に配置されたフットと、シャフトに面した半径方向内側に配置された先端部とを有する。前記先端部は、シュラウドに接続されていてもよいおよび／またはシュラウドエレメントを具備していてもよい。前記シュラウドエレメントは、ベーンとの一体エレメントであってもよく、すなわち、ベーンとワンピースで製造されていてもよい。したがって、シュラウドは、シャフトを包囲するカバーの一部を形成していてもよい。変向装置は、ひいては、圧縮機ガイドベーンの半径方向内側シュラウドに配置されていてもよく、シュラウドまたはシュラウドエレメントとワンピースでまたは一体部分として形成されてもよい。
【００２２】
抽出された圧縮流体部分流が例えば冷却材流として方向付けられるエンジン構成部材は、回転するエンジン構成部材であってもよく、シャフトに配置されていてもよい。１つの実施の形態では、前記エンジンは、ガスタービンエンジン、特に、内燃ガスタービンであってもよい。このようなガスタービンエンジンは、少なくとも１つのターボ圧縮機と、少なくとも１つの膨張タービンとを有することが認められるであろう。したがって、膨張タービンの少なくとも幾つかの回転するブレードは、一般的に、少なくとも幾つかのターボ圧縮機械回転ブレードを備える１つの共通の軸、または、ターボ圧縮機軸にその他の形式で駆動可能に接続された軸、に配置されていてもよく、これにより、ターボ圧縮機の駆動パワーを提供する。これが、どのように、例えば、固定の発電ガスタービンエンジンにおいて一般的に適用されるような駆動端部を備える単軸ガスタービン、例えば航空機推進のために適用されるような多軸ガスタービンエンジン、例えば、自動車の駆動または幾つかのヘリコプターまたはターボプロップエンジンに適用されてもよい、専用の有効パワー膨張タービンと、専用の駆動軸とを有するガスタービンエンジン、およびその他のタイプのエンジンに当てはまるかが、当業者によって容易に認められるであろう。前記エンジン構成部材は、回転する構成部材であり、特に軸に配置されており、例えば、冷却が望まれている回転ブレードまたは軸カバーまたはシールドエレメントであってもよい。
【００２３】
開示されたエンジンの１つの実施の形態では、デフレクタ装置は、シャフト内のキャビティによって提供された内部ロータドラム内へ、抽出された圧縮流体を案内するように設計されていてもよい。抽出された流体流または冷却材を案内する流れダクトは、前記ロータドラムを含む。別の実施の形態では、回転軸と、固定カバーとの間に形成された間隙、特に環状の間隙に、流れダクトが設けられている。さらに、回転翼、または輪郭づけられた流路を形成するその他の適切な手段は、軸に配置または形成されていてもよく、前記翼またはその他の手段は、ロータ回転方向に流れを変向させるために配置された固定のデフレクタ装置の下流においてダクトに配置されている。回転翼は、ロータ回転方向とは反対方向に向けられた変向を有する。より一般的には、回転流路は、回転チャネル内の流体の加速、および流れの接線方向絶対速度の減速を行うように設けられる。このような手段は、軸に設けられたリングであってもよく、前記リングは、ひいては、適切に配置され、方向付けられたノズルまたはオリフィスが設けられている。これにより、軸とカバーとの間の間隙に膨張タービン段が形成され、この膨張タービン段は、軸に有効駆動パワーを付加しながら、ダクト内の抽出された流体または冷却材流の合計圧力および温度を低下させるように機能する。したがって、別の固定のデフレクタ装置、例えば、固定翼の別の列を間隙内に配置し、前記デフレクタ装置は、軸回転方向へまたは軸回転方向とは反対方向に方向付けられた接線方向速度成分をさらに付加するように配置および構成されており、これにより、流れを再び加速させ、静圧および温度をさらに低下させることが有利であることが分かるであろう。
【００２４】
本開示の１つの態様では、エンジンはガスタービンエンジンであるおよび／または冷却材が案内される膨張機械構成部材は回転する構成部材であり、特に、軸に配置されている。
【００２５】
開示の別の態様では、ガイドベーンエレメント、特に上述のようなエンジンの圧縮機用のガイドベーンエレメントが説明される。ガイドベーンエレメントは、ガイドベーンのフットからガイドベーンの先端部まで延びるスパン幅を有する少なくとも１つのガイドベーン翼を有し、ベーンのフットは、ガイドベーンリングの外径に配置されるように設計されており、フットは、これにより、ガイドベーンまたはガイドベーンエレメントの半径方向外側を構成しており、先端部は、ガイドベーンリングの内径に配置されるように設計されており、先端部は、これにより、ガイドベーンまたはガイドベーンエレメントの半径方向内側を構成している。ガイドベーンエレメントは、さらに、ガイドベーン翼の先端部にシュラウドを有する。シュラウドは、翼に向かって配置された第１の面と、シュラウドの反対側に配置された第２の面とを有する。少なくとも１つのデフレクタ翼は、第２の面に設けられている。したがって、エンジンに取り付けられた状態では、デフレクタ翼は、間隙、特に環状の間隙に配置されてもよい。前記環状の間隙は、シュラウドと、軸またはロータとの間に形成されている。デフレクタ翼は、上述のようにデフレクタ装置の一部である。開示の１つの態様では、ガイドベーンエレメントに設けられた複数のデフレクタ翼の数は、ガイドベーンエレメントに設けられたガイドベーン翼の数よりも多くてもよい。取り付けられた状態では、変向翼の結果的に生じるピッチは、ガイドベーン翼のピッチよりも小さくなる。これは、デフレクタ翼によって形成されたデフレクタ装置によって提供される流れの変向が、ガイドベーン翼によって提供されたガイドベーン列によって提供される流れの変向よりも大きいと、有利であることを証明し得る。しかしながら、その他の考えられる実施の形態では、複数のデフレクタ翼は、流れが、デフレクタ翼に沿って流れながら加速させられることにより、ガイドベーン翼の数と等しいかまたはそれよりも少なくてもよい。
【００２６】
前縁から後縁までのデフレクタ翼の湾曲は、ガイドベーン翼の湾曲とは反対に向けられていてもよい。さらに、デフレクタ翼の反り角は、ガイドベーン翼の反り角よりも大きくてもよい。すなわち、ガイドベーン翼の変向は、軸回転方向とは反対に向けられていてもよく、これにより、ガイドベーン列を通る流れの減速と、圧縮機における作動流体流の静圧上昇とを生ぜしめ、これに対し、デフレクタ翼は、デフレクタ装置を通る流れの加速、その結果として、静圧の低下を生ぜしめるように設けられていてもよい。上述の幾何学的条件のそれぞれは、少なくとも、ガイドベーン翼がねじられた翼である場合においてガイドベーン翼先端部において測定されたガイドベーンジオメトリのために満たされてもよい。
【００２７】
ガイドベーンエレメントのさらに別の実施の形態では、シュラウドの第２の面は、前記第２の面に沿って案内される流れがガイドベーンリングに対して半径方向内方へ変向されるように輪郭づけられている。これにより、シュラウドの第２の面または半径方向内側の面は、この実施の形態では、デフレクタ装置の一部を構成している。上述のように、前記第２の面によって規定された流れダクトは、滑らかな半径方向内方への流れ変向を行うように輪郭づけられていてもよい。これは、抽出された流体部分流の静圧の低下が追求されつつ、合計圧力損失を回避または低減するために有利であることが分かるであろう。
【００２８】
さらに、シュラウドがカバーの上流側に配置されていると、シュラウドそれ自体は、圧縮機主流から圧縮流体部分流を抽出するための分流器エレメントを構成してもよい。
【００２９】
さらに別の態様では、変向翼シュラウドは、ガイドベーンシュラウドの第２の面と向き合った少なくとも１つの変向翼の先端部に配置されていてもよく、特に、変向翼シュラウドと軸との間に取り付けられた状態において存在する間隙を封止するための少なくとも１つのシーリングエレメントは、変向翼シュラウドに配置されていてもよい。この手段は、デフレクタ装置をバイパスする漏れ流を低減し、ひいては、変向効率を高めるように機能する。
【００３０】
ここに開示されたようなエンジンを作動させる方法がさらに開示され、前記エンジンは、圧縮機と、膨張機械と、ロータと、ステータとを備え、エンジンの冷却構成部材を冷却する方法を含む。さらに開示される冷却方法は、圧縮流体主流から圧縮流体部分流を抽出し、圧縮流体部分流の接線方向速度成分を加速させ、これにより、部分流が圧縮流体主流から抽出された後に、抽出された圧縮流体部分流の静圧、その結果として、温度を低下させ、加速された接線方向速度成分を有する圧縮流体部分流を膨張機械構成部材、特に、回転するタービン構成部材へ供給することを含む。特に、接線方向速度成分の方向は、ロータ回転と同じ方向である。しかしながら、ロータ回転方向とは反対方向の結果として生じる接線方向速度が、絶対値として、変更前の接線方向速度成分よりも大きくなるように、流れを変向し、ロータ回転方向とは反対方向に方向付けられた接線方向速度成分を付加することができる。これは、静圧および温度が低下させられ、軸表面と、冷却材流との間に、大きな相対速度が生ぜしめられ、これは、軸と冷却材との間の熱伝達を大幅に増強し得ることを意味する。
【００３１】
上述の分流器は、流れを抽出するために適用され得る。上述のデフレクタ装置は、抽出された圧縮流体部分流の加速を行うために適用されてもよく、抽出された圧縮流体部分流は、その後、膨張機械構成部材用の冷却材として提供される。
【００３２】
前記方法において適用される圧縮機は、ターボ圧縮機であってもよく、ターボ圧縮機は、回転する圧縮機ブレードの少なくとも１つの列と、固定の圧縮機ガイドベーンの対応する列とを有し、前記対応するガイドベーンは圧縮機ブレードの下流に配置されている。したがって、方法は、圧縮流体部分流が、圧縮機から抽出されたときに、ロータ回転方向で第１の接線方向速度成分を有するように、圧縮機の回転するブレード列の下流でかつ対応する圧縮機の固定ベーン列の上流において圧縮流体部分流を抽出し、さらに、ロータ回転方向で第２の接線方向速度成分を付加するために圧縮流体部分流を変向させ、これにより、接線方向速度成分の加速を行うことを含んでもよい。特に、前記ブレード列およびベーン列は、多段圧縮機の、最終段または最も下流の段である、最終段のブレードおよびベーン列である。
【００３３】
方法は、さらに、加速された後、構成部材へ供給される前に、作動機械において前記抽出された圧縮流体を膨張させることを含んでもよい。この限りにおいて、例えば、タービンブレードは、特に軸と固定カバーとの間に形成された間隙、より具体的には環状の間隙において、軸に配置されていてもよく、前記間隙は、冷却材流れダクトとして機能し、前記タービンブレードはデフレクタ装置の下流に配置されている。タービンブレードは、軸またはロータに固定して配置されており、ロータ回転方向とは反対方向に方向付けられた変向角度を有することを特徴とする。回転するタービンブレードの１つの列を通って案内される際に、流体は、タービンブレードを駆動しながら、接線方向速度および合計圧力の双方を損失する。この限りにおいて、方法は、抽出された圧縮部分流体流れ、すなわち冷却材を膨張させる際に、軸に有効な駆動パワーを付加することを含む。方法は、冷却材流を減速させ、特に、前記タービンブレードの列を通って流れを案内する際に、軸回転方向での冷却材流の接線方向速度成分を減じるものとして説明されてもよい。方法は、さらに、第２の固定デフレクタ装置において、前記作動機械において膨張させられた後に、冷却材を軸回転方向へ加速させ、これにより、冷却材静圧をさらに減じることを含んでもよい。この態様における方法は、軸に配置又は形成されたタービンブレード列を、冷却材ダクト、特に、デフレクタ装置の下流において、軸とカバーとの間に形成された前記間隙に提供することを含み、さらに、第２の固定のデフレクタ装置を、タービンブレード列の下流の冷却材流ダクト、特に、軸とカバーとの間に形成された前記間隙に提供することを含んでもよい。
【００３４】
複数のこれらの冷却材膨張ステップを提供し、その結果、上記に示したように複数の冷却材膨張タービンを提供することは、本開示の範囲に十分に含まれ、したがって、エンジンは、間隙内で軸に設けられた膨張タービンブレードの複数の列を有してもよいことが理解されるが、圧力は、幾つかの実施の形態では、冷却材流が高温ガス流とぶつかることが意図された位置において、シーリングにおいてまたは抽出された流体または冷却材流が高温ガス流と混合することが意図された位置において、膨張エンジンの高温の作動流体の圧力よりも高く維持されることが容易に明らかになるであろう。これは、特に冷却される構成部材は、例えばフィルム冷却またはしみ出し冷却されるタービン構成部材、例えばフィルム冷却またはしみ出し冷却されるブレードを提供するためなど、抽出された流体部分流を作動機械における高温のガス流と混合させるための、穴が設けられたブレードまたはその他の構成部材である場合である。この場合、ここで請求項に記載されたエンジンおよび方法は、冷却材圧力を低下させることによって改良されてもよい。なぜならば、前記構成部材からの冷却材流出は、タービン主流とのより少ない干渉を生じ得るからである。
【００３５】
ここで言及されるエンジンは、例えば、空気吸入エンジンであってもよい。したがって、抽出される流体は圧縮空気である。したがって、方法は、圧縮空気、特に、最終的な圧縮圧力よりも低い圧力における圧縮空気を抽出することを含む。特に、エンジンは、空気吸入ガスタービン、より具体的には、空気吸入内燃機関ガスタービンであってもよい。しかしながら、開示された発明は、この特定のタイプのエンジンについてより詳細に以下で説明されるが、ここに説明される発明は、異なるタイプのエンジンに適用されてもよいことが理解される。
【００３６】
上述の特徴は互いに容易に組み合わされてもよいことが理解される。
【００３７】
ここに開示された装置および方法は、例えば、ロータ冷却、すなわちエンジンの軸および／または軸に配置された構成部材および／またはロータに接続された構成部材の冷却に関するが、その他の目的に適用されてもよい。装置および方法は、１つのエンジンでは、あらゆるその他のシステムと組み合わされてもよいことが理解される。特に、例えばタービンガイドベーンおよび燃焼器ライナなどの、しかしながらこれらに限定されない固定の構成部材の冷却は、現在および将来の技術において公知のその他の特徴および方法によって達成されてもよく、依然として本開示の教示の範囲で、特にここで請求項に記載された装置および方法の範囲で、液体冷却などの技術と組み合わされてもよい。
【００３８】
ここで説明されかつ／または請求項に記載された主体は、以下に示される典型的な実施の形態によって、さらに明らかになるであろう。しかしながら、これらの典型的な実施の形態は、開示を、典型的な実施の形態において提供された詳細に限定しないと理解される。
【００３９】
ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら本開示の教示をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ガスタービンエンジンの典型的な実施の形態の一部を示しており、最終圧縮機段と、第１の膨張タービン段と、冷却材を膨張タービン回転構成部材に提供する冷却材通路とを示している。
【図２】本開示の教示の範囲における分流器およびデフレクタ手段を備える、最終ターボ圧縮機段の詳細を示している。
【図３】ガイドベーンシュラウドの半径方向内側に配置された分流器およびデフレクタ手段を有するガイドベーンエレメントの典型的な実施の形態を示している。
【図４】ガイドベーンおよびデフレクタ翼を示すガイドベーンエレメントの図である。
【図５】本開示の教示の範囲における分流器およびデフレクタ手段を備える、最終ターボ圧縮機段の別の実施の形態の詳細を示している。
【図６】冷却材流を膨張させる別の手段を有する、最終ターボ圧縮機段と冷却材ダクトの一部との第３の典型的な実施の形態の詳細を示している。
【図７】シュラウド付きデフレクタの第１の典型的な実施の形態を示している。
【図８】シュラウド付きデフレクタの第２の典型的な実施の形態を示している。
【００４１】
図面はほとんど概略的である。この教示の理解に必要ない細部は、理解および説明を容易にするために省略されている。
【００４２】
発明の様々な実施の形態の詳細な説明
ここで説明される装置および方法は、以下でより詳細に説明される典型的な実施の形態の図においてより明らかになるであろう。これらの典型的な実施の形態は、理解を容易にするために、単軸内燃機関ガスタービンに限定して示されているが、航空機推進用に典型的に適用されるような多軸ガスタービン、例えば自動車用途において適用されるような専用の有効パワードライブシャフトを有するガスタービン、およびその他のタイプエンジンなどの、しかしながらこれらに限定されない、その他のタイプのエンジンに対して適用されてもよい。
【００４３】
本開示の教示を適用するガスタービンエンジンの第１の典型的な実施の形態が、図１に示されている。ガスタービンエンジン１は、圧縮機２と、膨張タービン３とを有する。ガスタービンエンジン１は、さらに、ステータ１０と、ロータ２０とを有する。圧縮機２の最終段およびタービン３の第１段のみが、この図に示されている。圧縮機の最終段は、圧縮機ブレード２０１と、圧縮機ベーン１０１とを含む。その他の圧縮機ベーンおよびブレード（参照符号は示されていない）が示されている。タービンの第１段ベーン１０２と、第１段ブレード２０２と、第２段ベーン１０３と、第２段ブレード２０３とが、この図に示されている。回転するブレードは、軸２１に配置されており、ロータ２０の一部を形成している。固定ベーンは、ハウジングに固定されており、ステータの一部を形成している。圧縮機とタービンとの間の領域には、軸２１を包囲する固定カバー１１が配置されている。環状のダクト１２が、カバー１１と軸２１との間に形成されており、圧縮機からタービンまで延びている。最後の圧縮機ブレード２０１の列と、最後の圧縮機ベーン１０１の列との間において、ダクトは、圧縮機主流５に向かって開放している。ダクト１２は、圧縮機からタービンへの、回転タービン部分用の冷却材として機能する圧縮流体の部分流を案内するために、使用されてもよい。分流器手段４が、ダクト１２の上流端部に配置されている。本開示によれば、デフレクタ手段は、分流器４、またはダクト１２内の別の位置に配置されている。
【００４４】
図２は、最終圧縮機段および分流器４をより詳細に示している。最終圧縮機ベーンは、フット１１１から先端部１１２まで延びるガイドベーン翼を有する。フットは、公知の形式で、ベーンをガスタービンのハウジングに固定する装置を具備している。ベーン翼の先端部には、シュラウド１１３が設けられている。シュラウド１１３は、ガイドベーン翼に面した第１の面１１４と、翼とは反対側に面した第２の面１１５とを有する。ベーンのフットは、ガイドベーン列の半径方向外側に配置されているのに対し、シュラウドを有するガイドベーンの先端部は、ガイドベーン列の半径方向内側に配置されていることが理解される。分流器手段４は、ガイドベーン先端部とロータ軸２１との間に配置されている。分流器４は、この典型的な実施の形態では、ガイドベーンシュラウド１１３によって提供されている。分流器手段４は、最終圧縮機段ブレード２０１から来る流体流れ６を、公知の形式で燃焼器または、タービン作動流体を加熱するあらゆるその他の手段へ提供される作動流体流５と、圧縮流体抽出部分流７とに分割するために機能する。作動流体流の別の部分流は、その後、エンジンの固定部分用の冷却空気を提供するために、作動流体流５から抽出されてもよいことが理解される。しかしながら、これは本開示の主体ではないので、これは、より詳細に説明されない。流体流５および６は圧縮機主流であることがさらに理解されるであろう。回転圧縮機回転ブレード列から出てくる流体流６は、ロータまたは軸の回転方向に方向付けられた接線方向速度成分を有することが認められるであろう。部分流７は、軸２１とカバー１１との間に形成された環状のダクト１２へ案内される。さらに、分流器手段４は、デフレクタ手段８を有する。デフレクタ手段８は、図３を参照しながらより詳細に説明される。
【００４５】
図３は、図２に示されたガイドベーン１０１の典型的な実施の形態を示している。見られるように、シュラウド１１３の第２の、半径方向内側の面１１５は、分流器４を形成している。シュラウドの第２の面に沿って流れる抽出された圧縮空気部分流は、一方では、ダクト１２に進入するように半径方向内方へ変向される。他方では、デフレクタ８は、半径方向内側の第２のシュラウド面１１５に配置されている。デフレクタ装置８は、デフレクタ翼８１を有する。デフレクタ翼８１は、前記翼に沿って流れる流体流を接線方向に変向するように配置されておりかつ適応させられている。
【００４６】
図４には、ガイドベーン１０１が半径方向の図で概略的に示されている。矢印Ｕは、ロータの回転方向を示している。矢印Ａｘは、エンジンを通る流れの軸方向を示している。ベーン１０１は、シュラウド１１３の第１の面におけるガイドベーン翼１１０と、シュラウド１１３の第２の面に配置されたデフレクタ翼８１とを有する。流体流は、翼前縁から翼後縁までそれぞれ翼に沿ってまたは複数の翼によって形成された流路を通って流れ、これにより、翼によって変向させられる。図４に見られるように、ガイドベーン１０１は、１つのガイドベーン翼１１０と、複数のデフレクタ翼８１とを有する。複数のガイドベーン翼を備えるガイドベーンエレメントを提供することは、可能であり、十分に本開示の範囲内である。しかしながら、幾つかの実施の形態では、デフレクタ翼の数はガイドベーン翼の数よりも多く、その結果、デフレクタ翼ピッチは、ガイドベーン翼のピッチよりも小さい。これは、デフレクタ翼によるより大きな変向をより効率的に可能にするために機能してもよい。上記でも説明したように、回転する圧縮機ブレードの列から出てくる流入流は、ロータ回転方向、すなわち矢印Ｕによって示された方向で接線方向速度成分を有する。翼前縁において翼反り線によって規定された、翼の上流公称流れ角度は、流入角度と少なくともほぼ同一であるように配置され、言い換えれば、前縁における翼の反り線は、設計作動状態における少なくとも幾つかの作動条件において流入に対して少なくともほぼ平行となる。圧縮流体主流は、ガイドベーン翼１１０によって、ロータ回転方向とは反対方向に変向される。これにより、それぞれガイドベーン翼１１０に沿った、またはガイドベーン翼の配列を通る流体流の接線方向速度は、減じられるのに対し、軸方向速度成分は比較的不変のままであり、その結果、静圧上昇が生じる。抽出された流体部分流は、デフレクタ翼８１によって回転方向へ変向され、すなわち、接線方向速度が付加され、流体の静圧が、したがって、静温度も、低下させられる。これにより、低下した温度および静圧と、軸の周速度により近い一致を提供する接線方向速度とを有する、ダクト１２を通る冷却材流体流が提供されてもよい。
【００４７】
ここに開示されるエンジンの別の実施の形態が、図５に示されている。この実施の形態では、ロータキャビティ２３が、ロータ２０に設けられており、ロータ冷却材流用のダクトを提供している。ロータ２０の外側と、キャビティ２３とを接続するボア２２が設けられている。圧縮機ブレード２０１の列から出てくる流体流６は、ガイドベーン１０１の列を通って方向付けられる作動流体流５に分割され、これにより、上述のように減速される。さらに、分流器およびデフレクタ装置４，８は、圧縮機ガイドベーン１０１の半径方向内側に設けられている。部分流７は、流体流６から抽出され、ロータボア２２を通ってロータキャビティ２３内へ案内される。分流器およびデフレクタ４，８は、抽出された流れを一方では半径方向内方へ、かつロータ回転方向へも変向する。これにより、抽出された流体流は、ロータボア２２の外側開口に向かって方向付けられ、ロータ２０の外周におけるロータボア２２の外側開口の周速度と少なくともほぼ合致し得る接線方向速度を受け取る。これにより、ロータボア２２への抽出された流体流７の進入は、ロータボア２２の複雑な入口開口ジオメトリを提供する必要なく、大幅に容易にされ得る。冷却材抽出のこの態様は、各圧縮機ブレード列と、後続の圧縮機ベーン列との間に実現されてもよいことが認められるであろう。
【００４８】
図６の実施の形態は、回転するタービン構成部材に提供される冷却材の圧力をさらに低下させることを可能にする。前述のように、回転する圧縮機ブレード２０１から出てくる流体流６は、作動流体流５と、抽出された流体部分流７とに分割される。抽出された流体部分流７は、分流器４によって、軸２１とカバー１１との間に形成された間隙内へ案内される。抽出された流体部分流７は、デフレクタ８によってロータ回転方向へさらに加速させられる。タービンブレード２０４は、環状間隙内で、デフレクタ８の下流においてロータに設けられている。タービンブレード２０４は、タービンブレードの列を通る流れをロータの回転方向とは反対方向に変向するような形状を有する。すなわち、タービンブレード２０４の列を通流する抽出された流体流７は、減速させられ、ロータに有効な仕事を与えながら全圧力を低減させる。第２のデフレクタ９は、タービンブレード２０４の列の下流に配置されており、部分流体流７をロータ回転方向へ変向させ、これにより、抽出された流体流７の静圧を再び低下させるように、成形および配置されている。
【００４９】
ここに開示される装置の典型的な実施の形態の別の詳細が、図７および図８に示されている。認められるように、固定のデフレクタと、それぞれロータ２０または軸２１との間には、所定の間隙が維持される必要がある。デフレクタの比較的小さなサイズにより、前記間隙を通る漏れ流は比較的大きく、ひいては、変向の有効性を低下させる。図７に示された実施の形態では、デフレクタ８は、半径方向内側のシュラウド８２を具備しており、この半径方向内側のシュラウド８２自体はシーリング先端部８３を具備している。しかしながら、ロータとステータとの軸方向移動により、間隙は、依然として、回転部分と固定部分との接触を回避するために、図７の実施の形態では、比較的高いレベルに維持される必要がある。図８に示された実施の形態では、ロータは、これにより、デフレクタ８が配置されている領域において、連続的にではなく、段階的にテーパするように配置および設計されている。これにより、ロータとステータとの間の軸方向移動が生じると、シーリング先端部８３は、一定の直径のセクションに沿ってロータに対して移動する。これにより、固定のシーリング先端部８３と、ロータ２０との間により小さな間隙を設計および維持することができる。
【００５０】
ガスタービンの典型的な実施の形態に関して発明を説明したが、当業者は、その他のタイプのエンジンへの、ここに開示された教示の適用可能性を認めるであろう。例えば、デフレクタ装置は、ダクト内の異なる位置に設けられてもよく、ガイドベーンシュラウドの代わりにカバーに取り付けられてもよい。さらに、提供された実施の形態は、本開示の教示の理解を容易にするために例として意図されているだけであり、ここに開示されかつ請求項に記載された発明に対して全く制限を提供しないことが理解されるであろう。提供された典型的な実施の形態からの逸脱が可能であり、開示されかつ請求項に記載された発明の範囲に十分に含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ガスタービンエンジン
２  圧縮機
３  タービン
４  分流器
５  圧縮された作動流体流
６  圧縮機の最終段ブレード列からの流体流
７  抽出された圧縮流体部分流
８  デフレクタ
９  デフレクタ
１０  ステータ
１１  カバー
１２  ダクト
２０  ロータ
２１  シャフト
２２  ロータボア
２３  ロータキャビティ
８１  デフレクタ翼
８２  デフレクタシュラウド
８３  シーリング先端部
１０１  最終圧縮機段ベーン
１０２  第１のタービン段ベーン
１０３  第２のタービン段ベーン
１１０  ガイドベーン翼
１１１  ガイドベーンフット
１１２  ガイドベーン先端部
１１３  ガイドベーンシュラウド
１１４  シュラウド第１面
１１５  シュラウド第２面
２０１  最終圧縮機段ブレード
２０２  第１のタービン段ブレード
２０３  第２のタービン段ブレード
２０４  タービンブレード
Ｕ  シャフト／ロータの回転方向
Ａｘ  軸流方向
【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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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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