JPH0115683B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明のタービン動翼シユラウドの冷却装置に
係る。

タービンの改良に関する不断の研究は、特に工
業上の使用の可能性並びに材料の使用条件に課せ
られる多くの制約を尊重しながら、得られる性能
を増大させることを目的とする。これらのタービ
ンにおいては、前記目的の追及において次の二つ
の条件を考慮する必要がある。即ち、一つは運転
温度を増大させること、もう一つはガスの主流路
に影響を及ぼすロスを減少させ又は回避させるこ
とである。

これらの点に関係した種々の改良が行われ、説
明がすでになされている。特に、運転温度増大の
点については、運転中の遊隙を減少させるための
膨張の問題に関係した機能上の必要から、或いは
熱勾配を減少させ且つ強度についての温度制限を
尊重しながら使用状態の部材の良好な堅牢度を得
るために、タービンの高温部分を冷却することも
是非とも必要にしている。

例えば、米国特許明細書第3034298号では、タ
ービンの冷却システムを開示しており、この明細
書の第５図によれば、コレクタ７６からの冷却用
空気は孔１６８を通つて、一方ではタービンノズ
ルの固定翼６５の中に、他方ではタービン環１０
２の上に向かい、タービン環１０２を通過して主
流路内に径方向に排出される。また、付加的な冷
却回路が径方向内側の部分に対して設けられてい
る。

フランス国特許明細書第1548541号では、ガス
タービンの冷却方法及び装置に係る。この明細書
に開示されたシステムは、翼車のデイスクの冷却
は中空管による供給に結びつけ、この中空管から
冷却用空気を翼の根元部の領域に或いは翼の頂部
を囲繞するフープ又はリムに向かわせている。

英国特許明細書第1519449号ではタービンに係
り、このタービンにおいては、タービンの冷却用
空気はタービン環内に設けられたチヤンバ内に導
入される。この空気は、主タービンノズルの出口
で得られる流れの方向に配向させて、付加的翼列
を横切る通路を介してガスの主流路に導入する。
流路内の前記空気の排出は向心性の径方向分力を
保持する。

これらの先行技術による構成では動翼シユラウ
ドとこのシユラウドを受容するタービン環との冷
却に十分な解決策をもたらさない。

本発明の目的は、タービン動翼シユラウドとこ
のシユラウドを受容するタービン環とを冷却し得
るタービン動翼シユラウドの冷却装置を提供する
ことにある。

本発明の前記目的は、外側カバー部材と、この
外側カバー部材の中に配設されており、前記外側
カバー部材との間に冷却空気が供給される第１の
室を規定する内側カバー部材と、この内側カバー
部材に設けられた第１の開口部と、前記内側カバ
ー部材の中に配設されており、根元部に、この根
元部との間に第２の室を規定する閉鎖板を有する
タービンノズル固定翼と、前記閉鎖板に設けられ
た第２の開口部と、前記タービンノズル固定翼に
隣接して配設された動翼と、前記動翼のまわりを
包囲すべく前記動翼の頂部に設けられたシユラウ
ドと、一端が前記第１の開口部に連結されてお
り、他端が前記閉鎖板に面した第１の管状部材
と、一端が前記第２の開口部に連結されており、
他端が前記第１の管状部材の他端に間隔を置いて
対向した第２の管状部材と、前記第１の管状部材
と前記第２の管状部材とを互いに連結すべく一端
が前記第１の管状部材の中に滑動自在に配設され
ていると共に他端が前記第２の管状部材の中に滑
動自在に配設されており、前記冷却用空気を前記
第１の室から前記第２の室へ供給する第１の通路
を有する連結部材と、前記シユラウドを冷却する
ために前記タービンノズル固定翼の根元部に形成
されており、一端が前記シユラウドの近傍に開口
し、他端が前記第２の室に開口した冷却空気用の
第２の通路と、前記シユラウドと気密的に接触す
るように前記シユラウドを中に受容するタービン
環と、前記第１の室内の冷却用空気を前記タービ
ン環の外周面に供給すべく、一端が前記外周面の
近傍に開口し、他端が前記第１の室に開口した冷
却空気用の第３の通路とからなることを特徴とす
るタービン動翼シユラウドの冷却装置によつて達
成される。

本発明の有利な配列による第１の具体例におい
ては、冷却用空気の第２の通路は、多孔型に配列
された下流側のタービンノズルの固定翼の根元部
内に機械加工された多くの貫通した孔によつて構
成し得る。このようにして動翼シユラウドに対し
てフイルム状に冷却用空気を形成し得、著しい冷
却効果が得られる。

これによれば、一定の冷却空気用の排出断面積
が得られ、更に、これらの孔の配列及び直径を選
択することによつて冷却用空気の流量を正確に調
整し得る。

本発明の他の有利な配列による第２具体例にお
いては、冷却用空気の第２の通路はタービンノズ
ルの下流のフランジの２つの部分の間に設けられ
た軸方向環状空間を通過して、多数の平削り部に
よつて径方向内側の端部に開口している。平削り
部は前記フランジの下流部の端部に設けられてお
り、前記フランジと、組合わされた結合用の直角
部材との間に孔を創出している。先の配列に類似
の方法と同様に多数の孔から排出される冷却用空
気をフイルム状に形成し得る。この冷却は効率
と、一定の排出断面積による空気流量の正確な調
整という同様の利点を有する。

これらの結果はまた、本発明による前記２つの
配列のいずれかにおいて、冷却用空気の孔に与え
られた、タービンの回転軸に平行な方向に対する
傾斜によつて有利に改良されている。この特性は
動翼シユラウドの前縁部に到達する冷却用空気を
冷却効率が最適となる角度に配向させ得る。更
に、ガスの主流路内への空気の噴射の完全な制御
が可能にされる。特に、不利益をもたらす主流路
の流れの乱れは、この方法によつて冷却用空気を
流れに平行に又はやや放散させることによつて回
避される。いかなる場合にも、好ましくない向心
径方向成分は観察されない。

本発明の装置は、冷却用空気が供給される外側
囲障とガスの主流路との間の気密性を確保する気
密手段を配置することによつて完成されるのが有
利である。

気密手段は、好ましい第１具体例においては、
扇形状の弾性のブレードから成るシールから構成
されており、前記ブレードの一端部はタービンノ
ズルの下流フランジに固定され、他端部はタービ
ン環に当接している。この弾性のシールの存在は
種々の原因による寸法の偏差を吸収することを可
能にする。前記種々の原因とは即ち、製造公差
と、変形と、タービンノズル及びタービン環の間
の熱膨張の差とである。他方では、組立ての際、
タービンノズルとタービン環との間のあらゆる干
渉の危険が回避され、同様に、この解決策はター
ビンモジユールの分解可能性を損わない。

気密手段の有利な第２具体例によれば、シール
は弾性の足状部から成り、前記足状部の一端部は
タービンノズルの下流のフランジの径方向外側部
分に固定されている。これらの足状部は他端部で
は環状側板に溶接されており、前記環状側板はタ
ービン環の前部ささえ面に当接しており且つター
ビンノズルの固定翼のプラツトホームの下流部の
軸方向ささえ面に当接している。この解決策は先
に注目したものと同じ利点をもたらし、タービン
環に対する気密性と、タービンノズルの固定翼の
プラツトホームに対する径方向の気密性との実現
を可能にする。

第１の室としての外側囲障とタービンノズルの
固定翼の根元部に設けられた第２の室としての容
量部との間に、各端部に玉継手式に取付けられた
ボビンを冷却用空気の通過のために配置すること
によつて有利な付加的配列が得られる。これらの
玉継手式に取付けられたボビンはタービンノズル
とタービンノズルを支持する内側カバー部材とし
てのケースとの間で移動可能に構成されている。
この移動の範囲は膨張の偏差、公差又は変形の累
積に基づいて制限されている。

本発明の他の特徴及び利点は以下に述べる本発
明の具体例の説明及び添付の図面を参照すること
によつてより良く理解されよう。

第１図は、タービンの一部分、更に正確には本
発明の第１具体例における高圧タービン１の一部
分を示す軸方向断面図である。タービン１は外側
カバー部材としての外側のケーシング２によつて
境界を定められ、ケーシング２は径方向のフラン
ジ３を有し、フランジ３の上に支持部４がボルト
で締着されており、支持部４はタービン環５を保
持し、タービン環５がガスの主流路の外郭を限定
している。第３の通路としての孔が穿設された環
状板６がタービン環５の外部に冷却室７を設けて
いる。タービン環５は、タービンロータの第１段
の動翼１０のシユラウド９に対して気密性を保持
し且つ摩耗性を有するコーテイング８によつて内
部が被覆されている。またケーシング２の内部に
はタービンノズルの支持部であるケース１１が図
示しない結合部によつてケーシング２に固定され
ている。ここに、内側ケーシング部材はケース１
１、シール３２（後述）及び環状板６からなる。
ケース１１のフランジ１３に連結された支持部１
２と、ケース１１の下流のフランジ１４とはター
ビンノズルの段を保持し、この段の固定翼１６の
プラツトホーム１５はその両側において支持部１
２とフランジ１４とに連結されている外側囲障１
７はケーシング２と、一つの部分はタービン環５
との間、他の部分はケース１１との間に設けられ
ている。固定翼１６のプラツトホーム１５の上流
端部１９及び下流端部２０間に渡されている閉鎖
板１８は固定翼１６の根元部に容量部２１を形成
している。一方ではケース１１、他方では閉鎖板
１８はそれぞれ開口部２２及び２３を有する。開
口部２２及び２３の夫々の中には管状部材として
の円筒スリーブ２４及び２５を介して連結部材と
してのボビン２６が取付けられており、ボビン２
６が、外側囲障１７と固定翼１６の根元部に設け
られた容量部２１とを第１の通路としての貫通孔
５０を介して連通させる。これらのボビン２６は
その端部のそれぞれ２７及び２８に、円筒スリー
ブ２４及び２５の円筒状中ぐりに適合した玉継手
状の形状を有する。固定翼１６のプラツトホーム
１５における下流端部２０には、第２の通路とし
ての貫通した孔２９が機械加工により設けられて
おり、孔２９は容量部２１から出発して動翼１０
のシユラウド９前縁部３０と直角をなして開口し
ている。前縁部３０は主流路中のガスの流れの向
きに関してシユラウド９の上流側に存在する。シ
ユラウド９の前縁部３０はシユラウド９自体の延
長に比較してやや高くなつたプロフイルを有して
おり、このプロフイルの利点は後に機能の説明中
で明白にされる。第２図において更によく理解さ
れるように固定翼１６のプラツトホーム１５の孔
２９は斜めの孔であつて、固定翼１６の後部部３
１の角とは異なる角度によつて、タービンの回転
軸と平行な方向に対して周方向に傾斜しており、
この角度の最適値は後に説明するような装置の機
能から生じる基準から決定される。ケース１１の
下流のフランジ１４とタービン環５の環状板６と
の間にシール３２が配置されている。このシール
３２は扇形状で弾性のブレード３３、例えば12枚
から成つている。プレード３３の一端部３４はケ
ース１１の下流のフランジ１４にボルトで締着さ
れている。ブレード３３の他端部３５はタービン
環５の環状板６に弾性的に当接されている。

第３図は第１図に示す図と類似の図によつて、
本発明の第２具体例のタービンの一部分を軸方向
断面で示す。正確には高圧タービンの一部分が表
わされている。二つの具体例の説明並びに対応す
る図面において、同じ部材に対して同じ符号を用
いている。この具体例によれば、ケース１１の下
流フランジ１４は二つの環状部、即ち上流部１４
ａと下流部１４ｂとから成る。これらの二部分１
４ａ及び１４ｂの間に環状空間３６が設けられて
いる。固定翼１６のプラツトホーム１５とフラン
ジ１４との間の結合は直角部材３７を介在させて
行なう。上流部１４ａは直角部材３７の径方向の
位置にある分枝３７ａに固定されており、下流部
１４ｂの径方向に内側の端部３８は直角部材３７
の軸方向の位置にある分枝３７ｂに当接されてい
る。直角部材３７の分枝３７ｂに当接されている
下流部１４ｂの端部３９の径方向に内側の面３８
ａは一連の長手方向の平削り部３８を有してお
り、平削り部３９は環状空間３６の径方向に内側
の端部から出発して動翼１０のシユラウド９の前
縁部３０に直角をなして開口している。第１具体
例に類似の方法かつ同じ目的で、これらの平削り
部３９は周方向に傾斜している。

第４図には本発明の装置の変更例を示す。この
変更例はタービン環５とフランジ１４との間に配
置されるシール３２についての変更例である。こ
のシール３２は、頭部の湾曲したステツキ状で弾
性の足状部４０の例えば12個から構成されてい
る。足状部４０の一端部４１はフランジ１４にボ
ルトで締着されている。他端部４２は環状側板４
２ａに溶接されている。環状側板４２ａは、一方
ではタービン環５の径方向上流側のささえ面４３
に正面方向に当接がなされ、他方ではプラツトホ
ーム１５の下流部２０の軸方向の支え面４４に径
方向に当接がなされている。

以上説明してきた本発明の装置によつて得られ
る動翼のシユラウドの冷却は、特に熱源の膨張を
考慮して、固定部分と可動部分との間の運転の最
小の遊隙を得ることに随伴するタービンの高温部
分の冷却の全体的な解決策に伴つて変化する。こ
のために、タービンの外側囲障１７はあらゆる公
知の手段によつて、且つ検討中のタービンの特別
な形態及び運転条件に適合する方法によつて冷却
用空気を受容する。これらの手段は図面には示さ
れておらず、これ以上詳細にわたる説明は行わな
い。本発明の第１具体例によれば、外側囲障１７
から、環状板６の孔を通過した冷却用空気は衝撃
的にタービン環５に吹付けられてタービン環５を
冷却し、空気の噴流が冷却室７を通過する。冷却
用空気は、外側囲障１７からボビン２６の貫通口
５０を介して容量部２１にも供給される。容量部
２１からの空気の一部分は固定翼１６の冷却に使
用され、固定翼１６の中では空気は適当な流路内
を流れる。空気の他の部分はプラツトホーム１５
の下流端部２０の孔２９を通つて容量部２１から
洩出する。このように構成された多孔システムを
通過して到着した空気は動翼１０のシユラウド９
の前縁部３０にフイルム状に形成される。孔２９
の口径調整によつて動翼１０のシユラウド９のた
めの冷却用空気の流量を正確に制御し得、これら
の孔２９の周方向の傾斜角を最適に設定すること
によつてシユラウド９の冷却効率を良好にし得
る。この値も又流路内の空気の噴流によつて創出
されるあらゆる流れの乱れを回避させるように選
択する。シユラウド９の前縁部３０における高く
なつたプロフイルは得られた冷却の効率に貢献す
る。冷却用空気の一定の噴出断面積もまた本発明
によるこの手段によつて得られる。得られたシユ
ラウド９の冷却は、ある種のターボジエツトのよ
うな高性能の装置について特に有利な応用例を有
することが注目される。ターボジエツトにおいて
は、使用されるロータ翼は空洞を有する型のもの
であつて、更に、例えば翼への放出を伴う固有の
冷却方式を有している。これらの応用例において
もまた、冷却用空気を受容する外側囲障１７とガ
スの流出用主流路との間の最良の気密性を確保す
ることが重要である。この気密性を得ることを可
能にしたのが本発明によるシール３２である。こ
のシール３２によつて、組立ては、更にタービン
環５とケース１１との間の干渉の危険を伴わずに
可能となり、タービンのモジユールの分解には影
響を受けない。更に、運転中、シール３２の可撓
性によつて、タービン環５とのケース１１との間
に出現する可能性のある寸法の偏差の吸収が可能
になつており、有害な遊隙を導入すること又は部
材に機械応力を引越させることを回避させること
が可能である。

類似の方法で、本発明の第２の具体例によれ
ば、冷却用空気はタービンの外側囲障１７から、
ケース１１のフランジ１４の上流部１４ａと下流
部１４ｂとの間に設けられた環状空間３６内に侵
入する。次に、径方向に内側の端部に存在する平
削り部３９から空気が洩出し、到達した空気は動
翼１０のシユラウド９の前縁部３０上にフイルム
状に形成された。他の運転状態は第１具体例につ
いて説明したものと類似であり、同様に、類似の
有利な結果が得られる。

本発明のタービン動翼シユラウドの冷却装置に
よれば、第１の室内の冷却用空気を第１の通路、
第２の室及び第２の通路を介してタービン動翼シ
ユラウドに供給し得、当該シユラウド及びタービ
ン動翼の根元部を冷却し得ると同時に、第１の室
内の冷却用空気を第３の通路を介してタービン環
の外周面に供給して当該タービン環を冷却し得、
その結果、タービン環とシユラウドとの摺動によ
る温度上昇を阻止し得る。また、閉鎖板と内側カ
バー部材との熱膨張の差による双方の相対位置の
変化が生じても、第１の管状部材と第２の管状部
材とを連結する連結部材によつて、第１の室と第
２の室との連通を維持し得、タービン動翼の根元
部及び前記シユラウドの冷却を確保し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１具体例を配置したタービ
ンの軸方向部分断面図、第２図は第１図に示した
タービンのＦ矢視部分図、第３図は本発明の第２
具体例配置した軸方向部分断面図、第４図は第１
図に示す装置に組合わされた気密手段の変更例の
軸方向部分断面図である。 ５……タービン環、９……シユラウド、１０…
…動翼、１１……ケース、１４……フランジ、１
５……プラツトホーム、１６……固定翼、２６…
…ボビン、３２……シール、３３……ブレード、
３７……直角部材、４０……足状部、４２ａ……
環状側板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外側カバー部材と、この外側カバー部材の中
   に配設されており、前記外側カバー部材との間に
   冷却用空気が供給される第１の室を規定する内側
   カバー部材と、この内側カバー部材に設けられた
   第１の開口部と、前記内側カバー部材の中に配設
   されており、根元部に、この根元部との間に第２
   の室を規定する閉鎖板を有するタービンノズル固
   定翼と、前記閉鎖板に設けられた第２の開口部
   と、前記タービンノズル固定翼に隣接して配設さ
   れた動翼と、前記動翼のまわりを包囲すべく前記
   動翼の頂部に設けられたシユラウドと、一端が前
   記第１の開口部に連結されており、他端が前記閉
   鎖板に面した第１の管状部材と、一端が前記第２
   の開口部に連結されており、他端が前記第１の管
   状部材の他端に間隔を置いて対向した第２の管状
   部材と、前記第１の管状部材と前記第２の管状部
   材とを互いに連結すべく一端が前記第１の管状部
   材の中に滑動自在に配設されていると共に他端が
   前記第２の管状部材の中に滑動自在に配設されて
   おり、前記冷却用空気を前記第１の室から前記第
   ２の室へ供給する第１の通路を有する連結部材
   と、前記シユラウドを冷却するために前記タービ
   ンノズル固定翼の根元端に形成されており、一端
   が前記シユラウドの近傍に開口し、他端が前記第
   ２の室に開口した冷却空気用の第２の通路と、前
   記シユラウドと気密的に接触するように前記シユ
   ラウドを中に受容するタービン環と、前記第１の
   室内の冷却用空気を前記タービン環の外周面に供
   給すべく、一端が前記外周面の近傍に開口し、他
   端が前記第１の室に開口した冷却空気用の第３の
   通路とからなることを特徴とするタービン動翼シ
   ユラウドの冷却装置。 ２ 前記冷却空気用の第２の通路が前記タービン
   ノズル固定翼の根元部に形成された複数の貫通孔
   からなり、前記貫通孔は互いに平行であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記冷却空気用の第２の通路がタービンの回
   転軸に平行な方向に対して傾斜していることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記載
   の装置。 ４ 前記冷却空気用の第３の通路が、前記内側カ
   バーに設けられた複数の貫通孔からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項から第３項のいず
   れかに記載の装置。