(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方のステータアセンブリ（１）とロータアセンブリ（３）とを含むガスタービンエンジンであって、
空冷ロータディスク（５）を有し、このロータディスクは、軸と、径方向外側の前方端部と、ブレード保持スロット（１０）の周方向の列と、を備えており、
前記各スロット（１０）に保持されるブレード基部（１１）をそれぞれ有する複数の空冷ロータブレード（９）を有し、これらのロータブレード（９）は、熱い環状のガス流路内へ前記ディスク（５）から径方向外向きに延在するブレードプラットフォーム（１５）とブレードエアフォイル（１６）とを有するとともに、前記ロータディスク（５）の周辺部に亘って等間隔で配置されており、隣接する前記各ロータブレード（９）の間には、径方向に延びる間隙（ａ）が設けられており、
円状のカバープレート（６）を有し、このカバープレートは、前記ディスクの前方端部の径方向内側で前記ロータディスク（５）と前記ブレード基部（１１）とに接触する環状のディスクシール端部（１７）と、前記ステータアセンブリ（１）とともに冷却空気を熱いガス流路から分離するランニングシール手段を形成する環状のステータシール端部（１９）と、を備えており、
冷却空気漏れ流路を有し、この流路は、前記ランニングシール手段（１９）から前記ステータアセンブリ（１）、前記カバープレート（６）、前記ロータディスク（５）、前記ロータブレード（９）の間に構成されるガス流路まで延びているガスタービンエンジンにおいて、
冷却空気漏れデフレクタ手段（２０）を含み、このデフレクタ手段（２０）は、前記カバープレート（６）から周方向で延在しており、前記ランニングシール（１９）から前記冷却空気漏れ流路を通って流れる冷却空気の漏れを、ブレード（９）間の間隙（ａ）から離れるようにそらせるとともに、ブレードプラットフォームのリップ部の周囲へと前方にそらせて、ブレードプラットフォーム（１５）の外側面上にガス流路内の軸方向後方への流れに対して鋭角でガス流路内へ導き、
前記冷却空気漏れデフレクタ手段（２０）は、前記カバープレート（６）の前記ディスクシール端部（１７）に隣接して、前方に延在するデフレクタフランジ（２１）を含んでいることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記デフレクタ手段は、更に、前記デフレクタフランジ（２１）から径方向内側に延在するデフレクタ基部（２３）を含み、このデフレクタ基部（２３）は、前記ロータディスクと（５）、前記カバープレート（６）の前記ディスクシール端部（１７）と、の間で、重なり合って締結されるように設けられてい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。
【請求項３】
前記フランジ（２１）は、前方に向かって厚みが減少するようにテーパ状となってい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。
【請求項４】
前記フランジ（２１）は、静止状態においてブレードプラットフォーム（１５）の下面からある距離だけ径方向内側に設けられてい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。
【請求項５】
ニッケル合金を含む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。
【請求項６】
ワスプアロイを含む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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【背景技術】
従来のガスタービンエンジンが、冷却空気を供給するようにコンプレッサから空気流の一部をブリードする手段を有することは周知であり、冷却空気は、内部部材を通るように送られて、このような内部部材を熱い環状のガス流路よりも冷却された状態に維持する。冷却空気は、部材を冷却するように、部材を通してまたその上を通るように導かれ、続いて、ガスタービンから後方へ排出される前に熱いガス流路内へ放出されるように導かれる。
【０００２】
内部冷却空気流と外側ガス流路の流れとの分離は、固定エンジン部材と回転アセンブリとの間のランニングシールによって行われる。このようなランニングシールは、ステータアセンブリとロータアセンブリとの間の漏れ流路内へ制御された冷却空気が漏れることを可能とし、さもなければこの領域に侵入して隣接する内部部材を熱するおそれのある熱いガス流路空気をパージする。従来のステータ及びロータのブレードは、熱いガス流路の空気流を軸方向後方に導くように後方に段状つまり重なり合ったプラットフォームを有する。従来は、この形状に依存して、ロータアセンブリとステータアセンブリとの間の冷却空気の漏れ流路に熱い空気流が侵入するのを防止するとともに、ガス流路内の軸方向後方の流れに対して冷却空気の漏れを実質的に鋭角で導いていた。
【０００３】
このような従来のタービン冷却流装置は、１９７１年９月２８日にラドケに付与された米国特許第３，６０９，０５７号に開示されており、当業者には周知であると思われる。
【０００４】
ウォーカ等に付与された米国特許第５，２１１，５３３号では、ランニングシールを通過して（燃焼器及びガス流路の上流の）コンプレッサの流れへ再導入される冷却空気流が、流れダイバータによって制御される。このダイバータは、ステータブレードの前方に取り付けられた湾曲プレートを含み、冷却空気流を、ステータのブレードプラットフォームを超えて、タービンのコンプレッサセクション内の環状の空気流路内へ環状の空気流の方向に対して鋭角で導く。
【０００５】
冷却空気の漏れを静止したブレードに向けて再導入した場合には、考慮すべき遠心力成分はなく、環状の流路内の空気流の乱れは比較的小さい。しかし、ロータブレードは、３０，０００ｒｐｍもの高い角速度で回転するので、冷却空気の再導入を考える場合に径方向の力による影響が大きくなる。
【０００６】
このような環境に関して、ラドケに付与された米国特許第３，６０９，０５７号などの従来技術では、再導入される冷却空気に加わる遠心力の影響の重要性を無視しているか、その影響を考慮していない。この問題に関する他の対処法は、シールの改善やロータ領域をバイパスすることに依存する。
【０００７】
例えば、トムソンに付与された米国特許第４，５０７，０５２号では、ランニングシールに６つの周方向リッジを使用して、ステータアセンブリとロータアセンブリとの間の漏れを更に防止する。後方のプレナムとマニホールドからの冷却流がロータの前方面を単に通過することを防止するように、前方シールが使用されている。しかし、漏れ空気が、６つのリッジを備えるランニングシールを通ってブレードプラットフォームと隣接するブレードエアフォイルとの間の間隙へ通過するのを防止する手段は設けられていない。このような漏れ空気は、ブレード間の間隙に流入し、高速回転するロータブレードの遠心力によってガス流路へ径方向に噴射されてしまう。
シェパードに付与された米国特許第５，２５２，０２６号は、相互に作用するラビリンスフランジを有するステータとブレード根部とのアセンブリを開示しているが、ブレードプラットフォーム間の漏れを防止する手段を提供していない。同様に、キャンベル等に付与された米国特許第４，３４８，１５７号は、冷却空気が回転するブレード根部アセンブリに供給されるとともに、相互作用するラビリンスフランジによってシールされるステータアセンブリを開示しているが、ブレードプラットフォーム間の漏れを防止する手段を提供していない。レマウト等に付与された米国特許第４，６６８，１６７号は、カバープレートとブレード根部のリテイナクリップを有するラビリンスシールを開示しているが、ブレードプラットフォーム間の漏れを防止する手段を提供していない。クリッブズに付与されたイギリス特許第２，１１９，０２７号には、ブレードプラットフォームを貫通する一連の孔が開示されており、これらの孔は、熱いガス流の乱れを減少させるようにラビリンスシール領域の空気を熱いガス流路に導入するために設けられている。
【０００９】
しかし、冷却空気の漏れを熱いガス流路へ戻るように再導入する従来の方法は、高速回転するロータブレード間の間隙に流入して遠心力によってガス流路内へ横方向に放出される冷却空気の問題を扱っていない。発明者は、このような再導入によって、ガス流路の流れが大きく乱れてエンジン効率が減少することを発見した。
【００１０】
【発明の開示】
本発明は、ガスタービンエンジンの効率を向上させるために、内部冷却流路つまり二次空気流路と、熱い環状の一次ガス流路と、の間に流れる冷却空気の漏れの向きを変えるデフレクタを提供する。
【００１１】
従来のガスタービンエンジンは、前方のステータアセンブリと、空冷ロータディスクとブレード保持スロットの周方向の列とを備えるロータアセンブリと、を含む。各スロットには、ブレード基部を有する空冷ロータブレードの列が保持される。これらのロータブレードは、ロータディスクから熱い環状のガス流路内へと径方向外向きに延在するブレードプラットフォームとブレードエアフォイルとを有する。
【００１２】
ロータブレードは、ロータディスクの周辺部に亘って等間隔で配置されており、隣接する各ロータブレード間には径方向に延びる間隙が設けられている。本発明は、これらの間隙へ漏れる冷却空気の悪影響に焦点を当てる。
【００１３】
エンジン設計によっては、このような間隙は重要となり得るが、ロータディスクに固定された従来のカバープレートは、この領域を充分にシールするように径方向に延在していない。発明者は、これらの径方向の間隙に漏れる冷却空気は、ガスタービンエンジンの効率を低下させる重要な原因であると認識している。
【００１４】
漏れた冷却空気の流れは、これらの間隙に流入し、続いて、ロータブレードの非常に高い回転速度によってタービンエンジンのガス流路内の軸方向の一次流れへ径方向に放出される。ロータブレードは、実質的にインペラとして機能して漏れた空気を軸方向のガス流路の流れに対して径方向横向きに放出し、これにより、ガス流路の流れを妨げて乱す。
【００１５】
従来技術において、ブレード基部とスロットとは、ディスクプレナムから加圧された冷却空気の供給を受ける前方に開口する複数の軸方向マニホールドを構成する。冷却空気は、これらのマニホールドを通過してロータブレード内の種々の冷却流路へと流れ、ブレード端部や後縁に設けられた孔を通してガス流路へ放出される。冷却空気プレナムは、ロータディスクの前方面と、開口するマニホールドへの冷却空気流路をシールする円状のカバープレートと、の間に構成される。
【００１６】
円状のカバープレートは、ロータディスクとブレード基部とに接触する環状のディスクシール端部と、ステータアセンブリとともにランニングシールを形成して冷却空気を熱いガス流路から分離する環状のステータシール端部と、を有する。ランニングシールからガス流路への冷却空気漏れ流路が、ステータアセンブリ、カバープレート、ロータディスク、ロータブレードの間に構成される。設計によって、最小限の量の空気がランニングシールを通って漏れて、漏れ流路から熱いガス流路空気をパージするようになっており、これにより、エンジンの内部部材がガス流路部材よりも低い最適温度に保たれる。
【００１７】
本発明は、カバープレートの前方面に周方向に配置されたデフレクタを提供することに関し、このデフレクタは、ランニングシールから冷却空気漏れ流路を通って流れる冷却空気の漏れを、ブレード間の間隙から離れるようにそらせるとともに、ブレードプラットフォームの外側面上にガス流路内の軸方向後方への流れに対して鋭角でガス流路内へ導く。
【００１８】
一般のロータブレードは、ロータディスクとカバープレートの前方に延在する前方リップ部を有する。このような場合には、冷却空気漏れのデフレクタは、前方に延在するフランジを備え、このフランジによって冷却空気の漏れをブレードプラットフォームのリップ部の周囲へと前方にそらせる。
【００１９】
このデフレクタは、Ｌ字型の軸方向断面を有する環状のリングであり、前方に延在するデフレクタフランジとこのデフレクタフランジから径方向内向きに延在するデフレクタ基部とを含むことが望ましい。デフレクタ基部は、ロータディスクとカバープレートのディスクシール端部との間で、重なり合って締結されるように設けられている。この分離型のデフレクタは、通常の整備時に容易に改装可能であり、ロータディスクと、ロータブレードの基部及びロータブレードのプラットフォームと、の間の間隙の実質的な部分をシールすることによって既存のガスタービンエンジンの効率を改善する。
【００２０】
また、カバープレートを、周辺部から延在するデフレクタフランジを含む改良したカバープレートと完全に交換することもできる。
【００２１】
本発明の他の特徴及び利点は、以下で詳細に説明していく。
【００２２】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、本発明の前方シールつまりデフレクタが、航空機エンジンなどの従来のガスタービンエンジンの部材と最適に作用する環境を示している。まず、本発明の理解のために必要な従来のガスタービンエンジンの特徴を以下に簡単に説明する。本発明では、タービンエンジンのタービンセクションに関して説明するが、コンプレッサセクションのロータなどの他のロータにも同様に適用可能である。
【００２３】
図１は、従来のガスタービンエンジンのタービンセクションを通る部分的な軸方向断面を示しており、本発明が改装部材として含まれている。タービンセクションは、前方及び後方のステータブレードアセンブリ１，２をそれぞれ含み、これらのステータブレードアセンブリは、ガス流路全体を構成するとともに、矢印によって示している環状の流れに沿って熱ガスを軸方向に導く。
【００２４】
図２は、図１と関連してロータアセンブリの詳細を示している。ロータアセンブリ３は、回転軸を中心に軸方向で対称であり、エンジンのコンプレッサセクション（図示省略）から漏れた二次空気４によって内部部材が冷却される。中心のロータディスク５は、前方に固定されたカバープレート６を備え、このカバープレート６が冷却空気を受け入れて導く。冷却空気４は、カバープレート６とロータディスク５との間を通ってマニホールド７内へ径方向外向きに流れ、次にブレード９に形成された内部流路８を通過する。流路８は、ブレード９の後縁やブレード９の外側端部に設けられた一連の孔につながっており、これらの孔によって、冷却空気流４がガス流路の熱ガスの流れへ再導入つまり放出される。
【００２５】
図２に最もよく示しているように、ロータディスク５は、ブレード保持スロット１０の周方向の列と、各スロット１０に保持された、一般にもみの木として知られているブレード基部１１を備える空冷ロータブレード９と、を含む。リベット１２及び後方の周方向ショルダ部（詳細は、図４参照）は、ブレード９をロータディスク５に固定するために使用される。
【００２６】
図２，図４に示しているように、カバープレート６は、径方向外側先端部に亘る狭い円状の帯領域を除くロータディスク５の前方面のほぼ全体を覆う。また、カバープレート６は、ディスク５の径方向外側端部１４の僅かに内側でロータディスク５と接触する。ロータブレード９は、熱い環状のガス流路内へディスク５の径方向外側に延在するブレードプラットフォーム１５とブレードエアフォイル１６とを備える。ロータブレード９は、ロータディスク５の周辺部に亘って等間隔で設けられている。
【００２７】
図３に最も良く示しているように、隣接する各ロータブレード９のそれぞれのプラットフォームの端部間には、熱による膨張や収縮に対応する必要性から大きさ“ａ”の径方向に延びる間隙が設けられている。この間隙“ａ”の空力的な効果が本発明の焦点であり、本発明が扱う従来のガスタービン設計の問題の原因である。
【００２８】
図１、また詳細には図４に示しているように、円状のカバープレート６がロータディスク５に連結されており、平面状の環状ディスクシール端部１７がロータディスク５の平面状の前方面１８に締結されている。カバープレート６は、ディスクの前方端部１４からある距離だけ径方向内側の位置までブレード基部１１を実質的に覆う。
【００２９】
図１，図４に示しているように、カバープレート６は、前方のステータアセンブリ１とともにランニングシールを形成する環状のステータシール端部１９を備えており、このランニングシールは、内部冷却空気と外側の熱い環状ガス流路とを分離する。シール端部１９は、完全な気密シールを提供するわけではなく、一部開口したバルブのように単に流れを絞る。このように流れを絞ることで、冷却空気装置から熱いガス流路への流れに対する抵抗が増し、これにより、二次冷却装置内の空気圧が維持されるとともに冷却空気と熱いガス流路空気との間で過度な逆流や混合が防止される。
【００３０】
制御された量の冷却空気が、シール端部１９を通過して、図４に示しているラビリンス冷却空気漏れ流路を通ってガス流路に再導入可能となっている。冷却空気の漏れは、ランニングシール１９から、ステータアセンブリ１、カバープレート６の前方面、ロータディスク５、ロータブレードのプラットフォーム１５の間のガス流路へと進む。この冷却空気の漏れは、ラビリンス漏れ流路を通って、熱いガス流路空気をパージするとともに隣接部材の温度を低下させる。漏れた流れによるパージ作用がなければ、熱いガス流路空気がシール端部１９の上流のステータアセンブリとロータアセンブリとの間の領域に侵入し、冷却装置に有害な影響を与えるおそれがある。
【００３１】
図２で示しているように、間隙“ａ”の他にロータディスク５の前方端部とブレード基部１１の横方向端部との間で、かつブレードプラットフォームのすぐ内側に、間隙“ａ”と径方向に連通した三角錐状の間隙が存在する。この三角錐状の間隙は、機械加工において、ブレード９をロータディスク５に固定する役割を達成する充分な径方向高さを有する後方保持ショルダ部１３（図４参照）を形成するために、前方端部１４をリリーフ加工するときに形成される。
【００３２】
図４の矢印によって示しているように、三角錐状の間隙と間隙“ａ”とは、漏れた冷却空気がガス流路に侵入する意図されない流路を形成する。カバープレート６を超えて漏れ流路を通過する漏れた冷却空気は、ガス流路に向かって開口した大きな開口部に向けられる。この開口部は、軸方向の平面において、大きさ“ｂ”によって定められ、横方向の平面において、間隙“ａ”と、空気を後方に運ぶ軸方向のマニホールドとして機能する三角錐状の間隙と、が組み合わさった形状によって定められる。
【００３３】
漏れ流路を通過する冷却空気の量は、従来は重要でないと見なされてきたが、発明者は、上述のようにガス流路へ冷却用の漏れ空気が導入されると、効率がかなり低下することを発見した。勿論、ロータブレードアセンブリ３全体の周辺部を考えた場合に、間隙“ａ”は、ブレードプラットフォームに比べて非常に小さい。ロータアセンブリ３の非常に高い回転速度は、二次元の図からはすぐに明らかでない重要な要因である。
【００３４】
高い回転速度では、ロータブレード９は、実質的にインペラとして機能して漏れた空気流を遠心力によって噴射する。漏れた空気流は、ガス流路内の軸方向の流れへ横方向に噴射される。漏れた空気流とガス流路の流れとの衝突によって、ガス流路の流れが乱れ、エンジン効率がかなり低下する。ロータブレード９のインペラ動作は、真空状態を形成し、熱い空気をパージする作用で要求されるよりも多くの漏れ空気をシール端部１９を超えて導く。
【００３５】
発明者は、ガス流路内へ再導入される漏れた冷却空気を更に制御する重要性を認識した。漏れ空気の再導入に影響を与える２つの主なパラメータは、流量とガス流路内の流れの方向に対する流れの方向である。流量は、理想的には、ロータアセンブリとステータアセンブリの間の冷却空気漏れ流路から熱い空気をパージするために要求される最低限のレベルに維持することが望ましい。また、理想的には、漏れ空気は、乱れが可能な限り小さくなるようにガス流路内へ鋭角で導入されることが望ましい。
【００３６】
本発明の好適な実施例は、カバープレート６の前方面の周囲に周方向で配置されたＬ字型の環状リング部２０として、図５で最もよく示されている。開示した実施例は、新しいエンジンに用いることができるとともに、通常の整備において既存のエンジンをリング２０で改装するために用いることもできる。他の実施例は、後方に延在するフランジ２１を備えるようにカバープレート６を径方向に延長することも含み得る。
【００３７】
図５の矢印で示しているように、リング２０は、ランニングシール１９から冷却空気漏れ流路を通って流れる冷却空気の漏れを、ブレード９間の間隙から離れるようにそらせるとともに、ブレードプラットフォーム１５の外側面上にガス流路内の軸方向後方への流れに対して鋭角でガス流路内へ導く。
【００３８】
また、リング２０は、三角錐状の間隙と、隣接するブレードプラットフォーム１５間の間隙“ａ”のかなりの部分を覆う。空気が流れることが可能な流路の幅は、図４の大きさ“ｂ”から図５の大きさ“ｃ”に減少し、これにより、流れが絞られて通過する空気量が減少する。
【００３９】
更に、フランジ２１は、ステータのブレードプラットフォーム２２とともに後方に開口したノズルを構成し、乱れが最小となるように漏れた冷却空気をガス流路内へと滑らかに合流させる。ステータのプラットフォーム２２とロータブレードのプラットフォーム１５上を流れるガス流路の空気流は、ベンチュリ効果によって漏れた冷却空気をガス流路の流れへ吸い込む傾向があり、更に滑らかな再導入及びパージ作用が得られる。
【００４０】
ロータブレード９は、一般に、ロータディスク５とカバープレート６の前方に延在する前方リップ部を備えるブレードプラットフォーム１５を含む。冷却空気漏れデフレクタリング２１は、前方に延在するフランジ２１を含み、このフランジ２１は、冷却空気の漏れをブレードプラットフォームのリップ部の周囲へと前方にそらせる。
【００４１】
フランジ２１によって、空気が間隙“ａ”から離れるように前方に方向転換される。続いて、ステータのプラットフォーム２２によって、空気がブレードプラットフォーム１５上を後方に方向転換される。このような空気流制御の改善によって、ラビリンス効果が高まり、熱いガス流路空気と冷却装置とが更に分離されるとともに、冷却空気がブレードプラットフォーム上に導かれる。これらの効果は共にガス流路の内側の内部部材の冷却を改善し、これにより、熱によって誘発される応力が減少するとともに耐用年数が増加する。
【００４２】
開示した実施例では、デフレクタリング２０は、デフレクタフランジ２１から径方向内側に延在するデフレクタ基部２３を備える。このデフレクタ基部２３は、平らであり、ロータディスク５の平面１８とカバープレート６の平面状のディスクシール端部１７との間で、重なり合って締結されるように設けられている。他の実施例は、カバープレート６を径方向に延長するとともに後方に延在するフランジを含み得るが、いずれの場合でもフランジ２１はカバープレート６のディスクシール端部１７に隣接して設けられる。デフレクタリング２０の基部２３は、ボルトもしくは他の締結具を用いずに、カバープレート６の下で締付により固定される。カバープレートは、従来の方法でエンジンシャフトに固定され、リング２０を圧縮してロータディスク５と連結させる皿ワッシャとして実質的に機能する。
【００４３】
フランジ２１は、運転時に大きい周方向の力及び熱的な力を受ける。これらの力に耐えるように、フランジ２１は、図５に示しているように前方に向かって厚みが減少するようにテーパ状となっている。フランジ２１は、静止した状態においてブレードプラットフォーム１５の下面からある距離だけ径方向内側に位置することができる。これは、運転時に受ける遠心力や熱誘発膨張によって、フランジ２１がロータブレードのプラットフォーム１５と接触するように径方向外側に移動するからである。デフレクタリング２０は、熱いガス流路の近傍の非常に厳しい条件に耐えるために、ワスプアロイ（ｗａｓｐａｌｌｏｙ）などのニッケル合金によって構成されることが望ましい。
【００４４】
本発明では、好適な実施例に関して説明してきたが、本発明の範囲には、相当する全ての要素及び材料が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガス流路を上部に示す、一般的なガスタービンエンジンのロータと隣接するステータブレードの軸方向断面図である。
【図２】  もみの木形のブレード基部及びロータディスクの周辺部に設けられたブレード保持スロットの詳細を示す、従来技術に係るロータの部分平面図である。
【図３】  隣接するブレードプラットフォーム間の間隙を示す、ブレードの径方向平面図である。
【図４】  ランニングシールからガス流路への従来技術に係る冷却空気漏れ流路を示す軸方向断面図である。
【図５】  カバープレートとロータディスクの間にデフレクタを設置して締結した、図４と同様の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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