JPH0223683B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジンのタービン構
造、特にタービンブレードおよびステータベーン
の半径方向軸線がタービン中を流れるガスの平均
流れ流線にほぼ直角に配置された新規な改良され
たタービン構造に関する。

本発明はロータブレード先端損失を減少させ、
従つてエンジン効率を増大させたガスタービンエ
ンジンのタービン構造を提供する。タービン構造
は環状ガス流路内に複数のブレード列およびベー
ン列を設けてなる。ブレード列は多数の円周方向
に離間配置したロータブレードよりなり、ベーン
列は多数の円周方向に離間配置したステータベー
ンよりなる。流路は、少くともその一部におい
て、流路に流れる高熱ガスの平均流れ流線が、エ
ンジンの長さ方向軸線から傾斜して遠去かるよう
に構成する。流路の上記部分においてロータブレ
ードおよびステータベーンの半径方向軸線を傾斜
させ、その軸線が平均流れ流線にほぼ直角になる
ように構成する。

本発明の特定例においては、流路の下流端で、
平均流れ流線がエンジンの長さ方向軸線にほぼ平
行になるように流路を配置する。

次に図面の説明に移る。

第１図に本発明のタービン構造を適用する代表
的なガスタービンエンジン８を示す。エンジン８
は鎖線１０で示す長さ方向軸線のまわりにほぼ同
心に配置され、フアン１２、圧縮機１４、燃焼器
１６、高圧タービン１８および低圧タービン２０
を含む。空気は圧縮機１４で圧縮された後燃焼器
１６に流入し、ここで空気を燃料と混合し点火す
る。かくして生ずる膨張高熱ガスは高圧タービン
１８の、次いで低圧タービン２０のブレードを横
切つて流れ、両タービンを回転する。高圧タービ
ン１８はシヤフト２２を介して圧縮機１４を回転
する。低圧タービン２０はシヤフト２４を介して
フアン１２および他の構成部品を回転する。第１
図にはターボフアンエンジンを示したが、以下に
説明する本発明はあらゆる型式のガスタービンエ
ンジンに効果的に適用できることを理解すべきで
ある。

第２図にエンジン８の低圧タービン区分２０を
示す。タービン構造は、半径方向内側境界３２お
よび半径方向外側境界３４により画成された環状
ガス流路３０を含む。かかる境界は、例えばシユ
ラウドおよびバンドで構成される。燃焼器１６か
ら出てくる高熱ガスがこの流路３０に流れ、ター
ビン２０を回転させ、次いでエンジン下流端を経
てエンジン８の外に出る。

鎖線３６で示す平均流れ流線は、その速度と流
れ方向がガス流路３０に沿つたすべての点でのガ
スの粒子の流れの平均速度と平均流れ方向である
ことで特徴付けられる流線である。ガス流路３０
は、その少くとも一部において、平均流れ流線３
６が下流方向に向つて、エンジン長さ方向軸線１
０から傾斜して遠去かるように構成されている。
この構造により、半径方向外方にガス流路３０を
急に広げる。即ち大きな傾斜度を付けることがで
きる。このことは、傾斜がないか僅かしかない流
路のロータブレードの場合と比較して、タービン
の前方段においてロータブレード４４がエンジン
長さ方向軸線１０から一層遠い半径方向距離に位
置し、従つて長いモーメントアームを有する点で
望ましい。モーメントアームが長ければ、流路に
流れるガスからタービンロータに空力学的エネル
ギーを一層効率よく伝達することができる。

ガス流路３０は、その下流端で、平均流れ流路
３６がエンジン長さ方向軸線１０にほぼ平行とな
るように構成するのが好ましい。これによりエン
ジン推力をエンジン長さ方向軸線１０にほぼ平行
に配向する。

低圧タービン２０は、少くとも１つ、好ましく
は複数のブレード列４０を複数のベーン列４２
と、流路３０内で交互に配列して構成されてい
る。各ブレード列４０は、多数の円周方向に離間
配置したロータブレード（動翼）４４を一緒に、
例えばエンジン長さ方向軸線１０のまわりに回転
するロータデイスクに適当な態様で取付けてな
る。各ベーン列４２は、多数の円周方向に離間配
置したステータベーン（静翼）４６を一緒に適当
な態様で取付けてなる。各ベーン列４２はエンジ
ン長さ方向軸線１０のまわりに配置され、静止し
たままで高熱燃焼ガスをロータブレード４４を横
切つてその下流に流れるように方向付ける。ロー
タブレード４４およびステータベーン４６が流路
３０の半径方向内側境界３２および半径方向外側
境界３４間の距離のほぼすべてにわたつて延在す
るのが好ましい。

本発明のタービンの構造は、従来のタービン構
造と比較して、ロータブレード４４およびステー
タベーン４６をガス流路３０に流れる燃焼ガスの
平均流れ流線３６にほぼ直角に配置したことで非
常に有利になる。この構造により、燃焼ガスがロ
ータブレード４４の表面を横切つて翼弦方向
（chordwise）に流れるので、燃焼ガスがロータ
ブレードの半径方向外端に向つて翼長方向
（spanwise）に流れる傾向が軽減される。従つて
翼端損失が減少し、タービン効率が増加する。

更に詳しくは、ロータブレード（動翼）４４お
よびステータベーン（静翼）４６の半径方向軸線
は、鎖線５０で示され、翼の半径方向内端と外端
を通つて翼長方向に延びる線である。ロータブレ
ード４４およびステータベーン４６は、その半径
方向軸線５０が平均流れ流線３６にほぼ直角にな
るように配置されている。ここで「ほぼ直角」と
は、半径方向軸線５０と平均流れ流線３６が、先
端流れ損失を望ましい程度まで軽減するのに十分
な程互に直角に近くなつていることを意味する。
流路３０の平均流れ流線３６がエンジン長さ方向
軸線１０から傾斜して遠去かる部分で、この関係
を成り立たせるためには、半径方向軸線５０をエ
ンジン長さ方向軸線１０から90゜未満の角度で前
向きに傾斜させる。第２図から明らかなように、
例えば、ロータブレード４４ａおよびステータベ
ーン４６ａの軸線５０はそれぞれ、エンジン長さ
方向軸線１０に対して角度ａおよびa′をなす。

平均流れ流線３６がエンジン長さ方向軸線１０
に次第に平行になるにつれて、流路３０のその部
分のロータブレード４４およびステータベーン４
６も、その半径方向軸線５０が平均流れ流線３６
にほぼ直角になるように配置されているので、流
路３０のその部分のブレードおよびベーンの半径
方向軸線５０はほとんどまたはまつたく前向きに
傾斜をもたず、従つてエンジン長さ方向軸線１０
から90゜に近い角度をとる。例えば、ロータブレ
ード４４ｂおよびステータベーン４６ｂの半径方
向軸線５０はそれぞれ、エンジン長さ方向軸線１
０に対して角度ｂおよびb′をなす。タービン２０
のブレード列４０およびベーン列４２すべてのロ
ータブレード４４およびステータブレード４６の
半径方向軸線５０が、平均流れ流線３６に対して
ほぼ直角になるように配置するのが好ましい。構
造強度を最高にするためには、すべてのロータブ
レード４４を基部５２（ガス流路３０の外に位置
する）を、その半径方向軸線がエンジン長さ方向
軸線１０に直交するように配列するのが好まし
い。

第３図に従来の代表的なタービン構造を示す。
平均流れ流線６０の一部がエンジン長さ方向軸線
６２から傾斜して遠去かる。しかし、ロータブレ
ード６６およびステータベーン６８の半径方向軸
線６４は前向きには傾斜していない。従つて、平
均流れ流線６０が斜めになつているところでは、
流線はロータブレード６６およびステータベーン
６８をある角度で横切る。これがため高熱ガスの
一部がロータブレードの長さに沿つて翼長方向に
流れる傾向があり、この結果望ましくない先端損
失が生じ、その分エンジン効率が低くなる。さら
に、環状ガス流路７０に実現できる傾斜の度合
は、先端損失の最大許容量によつて限定される。
従つて、タービン構造には非傾斜ロータブレード
６６およびステータベーン６８に起因する構造的
制約が加えられる。

従つて、第２図に示す本発明のタービン構造
は、大きく傾斜した平均流れ流線３６を有するタ
ービン構造において先端損失を減少させるのに有
効である。さらに、本発明により、環状ガス流路
３０の構造輪郭に、第３図に示す従来のタービン
構造において実際に用いられているのより大きな
勾配をもたせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のタービン構造を適用したガス
タービンエンジンの線図的断面図。第２図は本発
明のタービン構造の上半部を示す断面図、および
第３図は従来のタービン構造の上半部を示す断面
図である。 ８……ガスタービンエンジン、１０……エンジ
ン長さ方向軸線、２０……低圧タービン、３０…
…環状ガス流路、３２，３４……内外側境界、３
６……平均流れ流線、４０……ブレード列、４２
……ベーン列、４４……ロータブレード、４６…
…ステータベーン、５０……半径方向軸線、５２
……ブレード基部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 長さ方向軸線のまわりにほぼ同心に配置され
   たガスタービンエンジンに配置され、該エンジン
   の燃焼器から出て来る高熱ガスを受取りこれによ
   り回転するタービン構造において、 (a) 環状ガス流路が前記エンジン長さ方向軸線の
   まわりに配置され、半径方向内側および外側境
   界で画成され、該流路の少くとも一部において
   そこを流れる高熱ガスの平均流れ流線が下流に
   向つて前記エンジン長さ方向軸線から傾斜して
   遠去かるように構成され、 (b) 複数のブレード列およびベーン列が前記流路
   内で交互に配列され、各ブレード列および各ベ
   ーン列がそれぞれ多数の円周方向に離間配置し
   たロータブレードおよびステータベーンよりな
   り、前記流路の前記平均流れ流線がエンジン長
   さ方向軸線から傾斜して遠去かる部分に位置す
   る少くとも幾つかのブレード列およびベーン列
   のロータブレードおよびステータベーンの半径
   方向軸線が前記エンジン長さ方向軸線から90゜
   未満の角度で傾斜して、該半径方向軸線が前記
   平均流れ流線にほぼ直角となるようにしたこと
   を特徴とするタービン構造。 ２ 前記流路は、その下流端で前記平均流れ流線
   が前記エンジン長さ方向軸線にほぼ平行になるよ
   うに構成された特許請求の範囲第１項記載のター
   ビン構造。 ３ 前記流路は、前記平均流れ流線が前記エンジ
   ン長さ方向軸線となす角度が流路の上流端から下
   流端に移るにつれて減少するように構成された特
   許請求の範囲第２項記載のタービン構造。 ４ 前記流路の環状高さが下流方向に増加する特
   許請求の範囲第３項記載のタービン構造。 ５ タービンのすべてのブレード列およびベーン
   列のロータブレードおよびステータベーンの半径
   方向軸線が前記平均流れ流線にほぼ直角になるよ
   うに配置された特許請求の範囲第４項記載のター
   ビン構造。 ６ 前記ロータブレードの基部が前記流路の外側
   に位置し、該ブレード基部の半径方向軸線が前記
   エンジン長さ方向軸線に直交する特許請求の範囲
   第５項記載のタービン構造。