(57)【要約】【課題】本発明は、複数のインペラベーン（４０）と、隣接するインペラベーンによって画成される複数の流体通路（３６）とを含む、エンジン用のロータホイールを提供する。【解決手段】流体通路は、ロータホイールの少なくとも一部に半径方向に配置される。１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）は、複数の流体通路（３６）の１以上に各々配置することができる。インペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）は、複数の流体通路（３６）のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を備えたインペラ通路（４６）を画成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン用のロータホイール（３２）であって、
複数のインペラベーン（４０）と、
複数の流体通路（３６）であって、複数の流体通路（３６）は、ロータホイール（３２）の少なくとも一部に半径方向に配置されるように、インペラベーン（４０）のうちの隣接するものによって画成される流体通路（３６）と、
複数の流体通路（３６）の１以上に各々配置される１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）であって、１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）は、複数の流体通路（３６）のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を備えたインペラ通路（４６）を画成するインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）と
を備える、ロータホイール（３２）。
【請求項２】
インペラ通路（４６）は、インペラベーン（４０）の隣接するものの間の流体通路（３６）よりも狭い、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項３】
インペラ通路（４６）は、流体通路（３６）への設置後にフライス加工により形成されている、請求項２に記載のロータホイール（３２）。
【請求項４】
インペラインサート（４４、４４Ａ）は、流体通路（３６）のダブテール（４８）に固定される、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項５】
インペラインサート（４４、４４Ｂ）は、流体通路（３６）にピン（５２）により固定される、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項６】
インペラインサート（４４、４４Ｃ）は、流体通路（３６）に溶接により固定される、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項７】
インペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）は、ポケット又は穴部（５６）を含む、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項８】
インペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）が、流体通路（３６）内に配置されるインサート（６０）と、インサート（６０）内にフライス加工されるインペラ通路（４６）と、インサート（６０）内にフライス加工される天板スロット（６２）と、天板スロット（６２）に固定される天板（６４）とを備える、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項９】
インペラベーン（４０）が、１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）を収容するように構成された１以上のスロット（３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ）を備える、請求項１に記載のロータホイール（３２）。
【請求項１０】
１以上のスロット（３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ）が、隣接するインペラベーン（４０）のうちの１つの内に、機械加工された溶接スロット（５７）を含む、請求項９に記載のロータホイール（３２）。
【請求項１１】
１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）が、１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）とインペラベーン（４０）との間の、溶接材料（５９）を受けるためのスペースを画成する溶接スロット（５８）を含む、請求項９に記載のロータホイール（３２）。
【請求項１２】
エンジンのロータホイール（３２）用のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）であって、ロータホイール（３２）は、複数のインペラベーン（４０）を含み、インペラベーン（４０）のうちの隣接するものが、複数の流体通路（３６）がロータホイール（３２）の少なくとも一部に半径方向に配置されるように複数の流体通路（３６）を画成し、インペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）が、１以上の流体通路（３６）内に嵌まるように形成され、かつ複数の流体通路（３６）のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を有するインペラ通路（４６）を備える、インペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）。
【請求項１３】
ポケット又は穴部（５６）を含む、請求項１２に記載のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）。
【請求項１４】
流体通路（３６）内に配置し得るインサート（６０）と、インサート（６０）内にフライス加工されたインペラ通路（４６）と、インサート（６０）内にフライス加工された天板スロット（６２）と、天板スロット（６２）に固定された天板（６４）とを備える、請求項１２に記載のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）。
【請求項１５】
エンジンのロータホイール（３２）を通る流体の流れを調整する方法であって、ロータホイール（３２）が、複数のインペラベーン（４０）と、複数の流体通路（３６）がロータホイール（３２）の少なくとも一部に半径方向に配置されるように、インペラベーン（４０）のうちの隣接するものによって画成された複数の流体通路（３６）とを含み、当該方法が、
複数の流体通路（３６）の１以上に、１以上のインペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ）を各々配置する工程と、
複数の流体通路（３６）のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を備えたインペラ通路（４６）を、インペラインサート（４４、４４Ａ、４４Ａ、４４Ｃ）に画成する工程と
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンロータ内の空気流に関し、特に、航空機エンジン又はガスタービンエンジンに使用するフランジ間に用いるインペラインサート／プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、産業用途及び商業用途に広く使用されている。典型的なガスタービンは、前方に圧縮機、中央周辺に１以上の燃焼器、及び後部にタービンを含む。圧縮機は、作動流体（例えば、空気）に運動エネルギーを付与し、高エネルギー状態の圧縮された作動流体を生成する。圧縮された作動流体は、圧縮機を出て燃焼器に流れ、そこで燃料と混合して点火されて、高温及び高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスはタービンに流れ、膨張して仕事を生み出す。例えば、タービンにおける燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させて発電することができる。
【０００３】
圧縮機及びタービンは、一般的に、共通のロータを共有し、ロータは、圧縮機の前方近傍から燃焼器セクションを通ってタービンの後方近傍まで延在する。ロータは、一般的には、ガスタービンの種々の部品を冷却するために、作動流体の一部が１以上の冷却流路を通るように導くよう構成されている。
【０００４】
ガスタービンエンジンでは、空気は、流路からフランジを通ってロータ内へ引き込まれる。この空気は次に、タービンへ導かれ、タービン翼形部を冷却する。典型的な構成では、インペラ／スロットは、空気がリムからボアまで通過する際に通る、２つのホイールフランジの間に位置する。インペラの画成／形状自体は、必要とされる流量及び圧力により規定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２０１４／０２５５１４５号明細書
【発明の概要】
【０００６】
例示的な実施形態では、エンジン用のロータホイールは、複数のインペラベーンと、隣接するインペラベーンによって画成される複数の流体通路とを備える。流体通路は、ロータホイールの少なくとも一部に半径方向に配置される。１以上のインペラインサートは、複数の流体通路の１以上に各々配置される。インペラインサートは、複数の流体通路のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を備えたインペラ通路を画成する。
【０００７】
別の例示的な実施形態では、エンジンのロータホイール用のインペラインサートは、１以上の流体通路内に嵌まるように形成され、かつ複数の流体通路のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を有するインペラ通路を備える。
【０００８】
さらに別の例示的な実施形態では、エンジンのロータホイールを通る流体の流れを調整する方法は、複数の流体通路の１以上に、１以上のインペラインサートを各々配置する工程と、複数の流体流路のうちの１以上を通る流体の流れを制御する通路形状を備えたインペラ通路を、インペラインサートに画成する工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的なガスタービンの断面図である。
【図２】ロータホイールの斜視図である。
【図３】ロータホイールの流体通路／スロットに設置された例示的なインペラインサートを備えたロータホイールを示す。
【図４】記載された実施形態の例示的なスロット構成を示す。
【図５】図４の例示的なスロットに固定された例示的なインペラインサートを示す。
【図６】例示的なインペラインサートの上面斜視図及び底面斜視図である。
【図７】例示的なインペラインサートの上面斜視図及び底面斜視図である。
【図８】例示的なインペラインサートの上面斜視図及び底面斜視図である。
【図９】例示的なインペラインサートの上面斜視図及び底面斜視図である。
【図１０】例示的なインペラインサートの上面斜視図及び底面斜視図である。
【図１１】例示的なインペラインサートの上面斜視図及び底面斜視図である。
【図１２】ロータホイール流体通路／スロットに設置された溶接されたインペラインサートを示す。
【図１３】例示的なインサートを設置するための工程段階を示す。
【図１４】例示的なインサートを設置するための工程段階を示す。
【図１５】例示的なインサートを設置するための工程段階を示す。
【図１６】他の例示的なインペラインサートの設置を示す。
【図１７】他の例示的なインペラインサートの設置を示す。
【図１８】他の例示的なインペラインサートの設置を示す。
【図１９】他の例示的なインペラインサートの設置を示す。
【図２０】半径方向外側及び内側に延長されたエア通路を用いた別の構成を示す。
【図２１】半径方向外側及び内側に延長されたエア通路を用いた別の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本明細書の様々な実施形態を示す、例示的なガスタービン１０の断面図である。図示されているように、ガスタービン１０は、概して、圧縮機１２と、圧縮機１２の下流に位置する１以上の燃焼器１４と、燃焼器１４の下流に位置するタービン１６とを含むことができる。圧縮機１２は、軸方向に整列する、ステータベーン１８及び回転ブレード２０の交互の段を概して含むことができる。ステータベーン１８は、圧縮機ケーシング２２に円周方向に接続されていてもよく、回転ブレード２０は、ロータ２４に円周方向に接続されていてもよい。ロータ２４が回転すると、ステータベーン１８と回転ブレード２０は、作動流体（例えば、空気）に運動エネルギーを徐々に付与し、高エネルギー状態の圧縮された作動流体を生成することができる。圧縮された作動流体は、次に、ロータ２４の周辺に半径方向に配置された１以上の燃焼器１４に流れることができ、そこで燃料と混合して点火されて、高温及び高圧の燃焼ガスを生成することができる。燃焼ガスは、燃焼器１４を出て、タービン１６を通る高温ガス通路に沿って流れることができる。タービン１６は、軸方向に整列する、ステータベーン２６及び回転バケット２８の交互の段を含むことができる。ステータベーン２６は、タービンケーシング３０に円周方向に接続されていてもよく、回転バケット２８は、ロータ２４に円周方向に接続されていてもよい。ステータベーン２６の各段は、回転バケット２８の下流の段に燃焼ガスを導いて加速し、仕事を産生することができる。
【００１１】
図１に示すように、ロータ２４は、タービン１６とコンプレッサ１２との間でトルクを伝達するように軸方向に整列して接続する、多数のロータ本体又はホイール３２を含むことができる。各ロータ本体又はホイール３２は、ロータ２４を通る軸孔３４を形成する１以上の空洞を含むことができる。１以上の隣接するロータホイール３２は、圧縮機１２と孔３４との間を流体連通する流体通路３６を含むことができる。このようにして、圧縮機１２からの加圧作動流体の一部は、様々な理由により、燃焼器１４の周囲で逸れる、又は燃焼器１４を迂回して、タービン１６に直接供給されることができる。例えば、逸れた流体は、ロータの空洞を加圧して、タービン１６内のロータの空洞と高温ガス経路との間に所望の差圧を生じるために、使用することができる。代わりに、或いは、さらに、逸れた流体は、タービン１６内の様々な部品を冷却するため使用することができる。
【００１２】
図２は、一実施形態によるロータホイール３２の斜視図を示す。ロータホイール３２の外周には、回転ブレード２０を受けるように構成された多数のダブテールスロットを含んでもよい。さらに、ロータホイール３２の半径方向の面は、ロータホイール３２上に半径方向に配置された、１以上の突起又はインペラベーン４０を含んでもよい。ロータホイール３２の表面上の隣接する突起又はインペラベーン４０は、ロータホイール３２に半径方向にわたるスロット又は流体通路３６を画成することができる。インペラベーン４０は、圧縮された作動流体の一部を流体通路３６を通って孔３４まで逸らせてもよい。
【００１３】
図３は、インペラベーン４０により画成された流体通路３６内に配置されたインペラインサート４４を示す拡大図である。インペラインサート４４は、流体通路３６を通る流体の流れを制御する通路形状を備えたインペラ通路４６を画成する。図３に示された例示的なインサート４４では、インペラ通路４６はインペラベーン４０のうちの隣接するものの間の流体通路３６よりも狭い。
【００１４】
図４〜図１２は、インペラインサート４４の構成例を示す。図４では、スロット３６は再加工され、より広く、かつより深くなっている。図４は、異なるインサートのタイプ／形状のための、３種類のスロット構成を示す。第１のスロット３６Ａは、対応する形状のインサートを固定するために、ダブテール形状に機械加工される。インペラスロット側面５４の一部はホイール内に機械加工される。第２のスロット３６Ｂは、ピン５２を受けるために、インサートの溝５０と協働する溝６６を含み（図５参照）、ピン５２は、ソリッドピン、スプリングピン、位置決めネジ等であってもよい。代わりに、インサート４４は、２つの段の間で、ボルトを用いて両側で固定してもよい。したがって、インサート４４は、機械的手段（ダブテール、ピン等）によって、又は、いくつかの機械的手段及びフランジ負荷からの摩擦成分によって、半径方向に押し付けられてもよい。例示的な第３のスロット３６Ｃは、インサートの溶接スロット５８と協働して、溶接材料を受けるための溶接スロット５７を含むように機械加工されている（図５及び図１０参照）。
【００１５】
例示的なインペラインサート４４には、ダブテールインサート４４Ａ、ピンで固定されたインサート４４Ｂ、及び溶接されたインサート４４Ｃが挙げられる。ダブテールインサート４４Ａは、第１の流体通路３６Ａに形成されたダブテール４８に固定される。ダブテール４８は、既存の流体通路にダブテール形状をフライス加工することによって画成されることが好ましい。ピンで固定されたインサート４４Ｂは、ピン５２を受けるインサート４４Ｂの溝５０により固定される。流体通路のセクション５４は、インペラインサート４４Ｂの所望の形状を収容するようにフライス加工してもよい。
【００１６】
図５に示すように、ピンで固定されたインサート４４Ｂは、ポケット又は穴部５６を含み、ポケット又は穴部５６は、ワイヤ放電加工によって輪郭を形成した後に、インサートにフライス加工して作成してもよい。ポケット又は穴部５６は、インサートの材料の使用量を減少するように機能し、それによりインサートを軽量化する。
【００１７】
溶接インサート４４Ｃは、同様に、ポケット又は穴部５６を含むことができ、また、インサートを定位置に固定するための溶接材料５９を受けるための溶接スロット５８が設けられている。図１２は、第３の流体通路／スロット３６Ｃに設置された、溶接されたインサートを示す。
【００１８】
図１３〜図１５は、例示的なインサート４４を設置するための工程段階を示す。図１３に示すように、インサート６０は流体通路内に配置され、定位置に固定するために仮付け溶接される。インペラ通路４６は、インサート６０内にフライス加工され、天板スロット６２は、インサート６０内にフライス加工される。図示されるように、インサートは、ピン５２を受けてインペラインサート４４を流体通路内に固定するための溝５０を備えて形成してもよい。図１５は、インサート４４を受け入れるように機械加工又はフライス加工された流体通路を示す。溝６６は、インサート内で溝５０と協働し、ピン５２によって定位置にインサートを固定する。図１４に示したように、天板６４は天板スロット６２内に接着され、天板の面は組立体と同一面に研磨する。
【００１９】
図１６〜図１９は、さらに別の例示的なインサート４４の設置を示す。図１６〜図１９のインサートは、接続孔７０を備えた肩部６８で囲まれた、予め成形されたインペラ通路４６を含む。図１３の流体通路／スロット３６は、肩部６８を受けるための凹部７２と、インサート４４の接続孔７０に対応する開口部７４とを含むように機械加工される（図１８参照）。図１９に示すように、インサート４４は、スロット３６内に配置され、ピン７６により固定される。
【００２０】
図２０〜図２１を参照すると、図６〜図７に示す構想は、エア通路（４６）を半径方向外向き及び内向きに延長するように、改修される。外側延長部は、最小限の損失で空気が内側に曲がるよう助けるスクープ７８である。内側延長部８０は、直接、空気を強制渦により内側インペラ８２の方に垂直に曲げ、圧力損失と熱吸収を減少させる。この構想により、フランジの高さの半径方向の制約を超えて、空気流を制御する。
【００２１】
インペラインサートは、共通又はコアロータホイールが単純な流体通路を備えて形成することができ、同時に、様々なインペラインサート形状を利用して、必要に応じた流量及び圧力に合わせて構成を調整することができるため、ロータホイールの製造工程を簡略化する。既存のロータホイールは、既存のインペラインサートを別の幾何学形状を有する異なるインペラインサートと交換することにより、調整することができる。また、好ましい実施形態は、インペラの流れの変更が求められる場合に、ホイール全体の交換に関する問題を解決する。さらに、このシステムは、フランジの据え付けを改善するために、フランジへの過渡熱を低減するように機能することができる。システムはまた、ホイールへの過渡温度を低減することができ、スタンドオフの熱伝導率を低減することができる。
【００２２】
現在もっとも実際的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を記載しているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付した特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれる様々な変更及び等価な構成を包含することを意図していることを理解すべきである。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  ステータベーン
２０  回転ブレード
２２  圧縮機ケーシング
２４  ロータ
２６  ステータベーン
２８  回転バケット
３０  タービンケーシング
３２  ロータ本体又はホイール
３４  軸孔
３６  流体通路
３６Ａ  第１のスロット
３６Ｂ  第２のスロット
４０  突起／インペラベーン
４４  インペラインサート
４４Ａ  ダブテールインサート
４４Ｂ  ピンで固定されたインサート
４４Ｃ  溶接されたインサート
４６  インペラ通路
４８  ダブテール
５０  溝
５２  ピン
５４  スロット側面
５６  ポケット又は穴部
５７  溶接スロット
５８  溶接スロット
５９  溶接材料
６０  インサート
６２  天板スロット
６４  天板
６６  溝
６８  肩部
７０  接続孔
７２  凹部
７４  開口部
７６  ピン
７８  スクープ
８０  内側延長部
８２  内側インペラ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【外国語明細書】
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