JP2002364306A - ガスタービンエンジン構成部品 - Google Patents

ガスタービンエンジン構成部品

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JP2002364306A JP2002087289A JP2002087289A JP2002364306A JP 2002364306 A JP2002364306 A JP 2002364306A JP 2002087289 A JP2002087289 A JP 2002087289A JP 2002087289 A JP2002087289 A JP 2002087289A JP 2002364306 A JP2002364306 A JP 2002364306A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、一体型の外壁及びシュラウドセグ
メントを有するガスタービンエンジン構成部品を提供す
る。 【解決手段】 ガスタービンエンジン構成部品（５０）
は、ノズル外壁（５２）と、外壁（５２）から内向きに
延びる複数のノズル羽根（５４）と、羽根（５４）の内
端部の周りに円周方向に延びる内壁（５８）とを含む。
さらに、構成部品（５０）は、エンジンに支持されエン
ジンの中心線（２４）の廻りで回転する複数のブレード
を取囲むようになっている外壁（５２）と一体のシュラ
ウドを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にガスター
ビンエンジンの構成部品に関し、より具体的には、一体
型の外壁及びシュラウドセグメントを有するノズルセグ
メントに関する。
【０００２】
【発明の概要】ガスタービンエンジンは、ステータとス
テータに回転可能に支持された１つ又はそれ以上のロー
タを有する。エンジンは一般的に、エンジンを通って移
動する流路空気を加圧する高圧圧縮機と、圧縮機の下流
側にあり加圧された空気を加熱する燃焼器と、燃焼器の
下流側にあり高圧圧縮機を駆動する高圧タービンとを含
む。さらに、エンジンは、高圧タービンの下流側にあり
高圧圧縮機の上流側に位置するファンを駆動する低圧タ
ービンを含む。
【０００３】燃焼器の下流側においては、流路空気温度
が高温であり、その結果、流路を形成する構成部品が高
温となる。構成部品がこれらの高い流路空気温度に達す
ると、構成部品の材料特性が低下する。材料特性のこの
低下を防止するために、流路空気が圧縮機のようなエン
ジンのより低温の区域から抽出され、より高温の構成部
品を通してあるいはその周りに吹き付けられ、構成部品
の温度を低下させる。冷却空気をより高温の構成部品に
供給することは構成部品の寿命を増加させるが、エンジ
ンのより低温の区域から流路空気を抽出することにより
エンジンの効率は減少する。従って、全体的なエンジン
効率を増加させるためには、より高温の構成部品が必要
とする冷却空気の量を最小限にするのが望ましい。具体
的には、ノズルスロートの下流側に導入される冷却空気
を最小限にすることが重要である。冷却空気をノズルス
ロートの下流側に導入することは、ノズルスロートの上
流側に空気を導入する場合よりもエンジン性能に対して
著しく有害である。
【０００４】図１は、その全体を符号１０で示した、従
来の高圧タービンノズル組立体を示す。ノズル組立体１
０は、ノズル支持体１４に支持された、全体を符号１２
で示すノズルセグメントを含む。シュラウドセグメント
１６は、ノズルセグメント１２の下流側でシュラウドハ
ンガ１８に支持される。シュラウドハング１８はハンガ
を取囲むサポート２０に支持される。ノズルセグメント
１２は、エンジンの中心線２４の周りに円周方向に延
び、外側流路境界面の一部を形成する内表面２６を有す
る外壁セグメント２２を含む。複数のノズル羽根２８が
外壁セグメント２２から内向きに延び、内壁セグメント
３０はノズル羽根の内端部の周りに円周方向に延びてい
る。内壁セグメント３０はエンジンの内側流路境界面の
一部を形成する外表面３２を有する。回転ディスク３４
及びブレード３６は、ノズルセグメント１２の下流側で
シュラウドセグメント１６の内部に支持される。
【０００５】冷却空気が、ノズル外壁セグメント２２及
びシュラウドハンガ１８から外側寄りにそれぞれ位置す
る２つの空洞３８、４０の中へ導入される。外壁セグメ
ント２２から外側寄りの空洞３８へ供給される冷却空気
の一部は、ノズル羽根２８の通路４２に入り、羽根の表
面に形成された冷却孔４４を通して流出して、フィルム
冷却により羽根を冷却する。空洞３８へ供給される冷却
空気のいくらかは、外壁セグメント２２の円周方向端部
の間から流路内へ洩れ、また冷却空気のいくらかは、ノ
ズル外壁セグメントとシュラウドハンガ１８の間に位置
するシール４６を通り抜けて流路内へ洩れる。シュラウ
ドハンガ１８から外側寄りに位置する空洞４０へ供給さ
れる冷却空気は、シュラウドセグメント１６へ衝突し、
それらを衝突冷却により冷却し、次いでシュラウドセグ
メントの円周方向端部間から流路内へ洩れる。
【０００６】
【発明の概要】本発明のいくつもの特徴の中で、ガスタ
ービンエンジン構成部品を設けることに注目されたい。
構成部品は、エンジンの中心線の周りに円周方向に延
び、エンジンの外側流路境界面の一部を形成する内表面
を有するノズル外壁を含む。さらに、構成部品は、外壁
から内向きに延びる複数のノズル羽根を含む。羽根の各
々は、外壁に支持された外端部から外端部と対向する内
端部までほぼ内向きに延びる。さらに、構成部品は、複
数のノズル羽根の内端部の周りに円周方向に延び、エン
ジンの内側流路境界面の一部を形成する外表面を有する
内壁を含む。さらに、構成部品は、エンジンの中心線の
周りに円周方向に延び、エンジンの外側流路境界面の一
部を形成する内表面を有し、エンジンに支持されエンジ
ンの中心線の廻りで回転する複数のブレードを取囲むよ
うになっている、外壁と一体のシュラウドを含む。
【０００７】別の態様において、本発明は、ガスタービ
ンエンジンに使用するための高圧タービンノズルセグメ
ントを含む。ノズルセグメントは、ノズルセグメントの
中心線の周りに円周方向に、かつ、シュラウドセグメン
トまで後方に延びる外壁セグメントを含み、該シュラウ
ドセグメントは、外壁セグメントと一体に形成され、中
心線の周りに円周方向に延びる。外壁セグメント及びシ
ュラウドセグメントは、エンジンの外側流路境界面の一
部を形成する、実質的に連続した切れ目のない内表面を
有する。ノズルセグメントはまた、外壁セグメントから
内向きに延びるノズル羽根を含む。羽根の各々は、外壁
セグメントに支持された外端部から外端部に対向する内
端部までほぼ半径方向内向きに延びる。さらに、ノズル
セグメントは、ノズル羽根の内端部の周りに円周方向に
延び、エンジンの内側流路境界面の一部を形成する外表
面を有する内壁セグメントを含む。
【０００８】本発明のその他の特徴は、一部は明らかで
あり、一部は以下に指摘する。
【０００９】
【発明の実施の形態】図面、特に図２及び図３を参照す
ると、本発明の高圧タービンノズルセグメントがその全
体を符号５０で示されている。好ましい実施形態は、高
圧タービンノズルセグメント５０について述べている
が、当業者には、本発明がガスタービンエンジンのその
他の構成部品に適用できることが分るであろう。例え
ば、本発明は、本発明の技術的範囲から離れることな
く、ガスタービンエンジンの低圧タービンに適用でき
る。さらに、好ましい実施形態はセグメントについて述
べているが、当業者には、本発明がガスタービンエンジ
ンの中心線２４（図１）の周りに一体の形で延びてい
る、セグメント化されていない構成部品に対しても適用
できることが分るであろう。
【００１０】ノズルセグメント５０は一般的に、ノズル
外壁セグメント５２と、複数のノズル羽根５４と、内壁
セグメント５８と、外壁セグメントと一体に形成された
シュラウドセグメント６０とを含む。外壁セグメント５
２及びシュラウドセグメント６０は、エンジンの中心線
２４の周りに円周方向に延び、エンジンの外側流路境界
面の一部を形成する、実質的に連続した切れ目のない内
表面６４を有する。図２に示すように、ノズルセグメン
ト５０は、通常のコネクタでシュラウドセグメント６０
を取囲むシュラウドハンガ６８に支持される。本発明の
技術的範囲から離れることなく他のコネクタ６６を使用
できるが、１つの実施形態においては、コネクタは通常
のフックコネクタを含む。通常のＣ形クリップ７０が、
後部コネクタ６６をハンガ６８に取付けるために使用さ
れる。
【００１１】図２にさらに示すように、シュラウドハン
ガ６８は通常のシュラウドサポート７２の内側に支持さ
れ、外側冷却空気空洞７４を内側冷却空洞７６から分離
する。ハンガ６８を貫通して延びる衝突冷却孔７８が、
外側空洞７４からシュラウドセグメント６０の外部表面
８０へ向けて内側空洞７６内へ冷却空気を導き、従来の
方式でシュラウドセグメントを冷却する。図３に示すよ
うに、外壁セグメント５２及びシュラウドセグメント６
０の円周方向端部８２は、セグメント間の冷却空気の洩
れを減少させるために通常のスプラインシール（図示せ
ず）を受け入れる寸法及び形状にされた１つ又はそれ以
上の溝８４を備える。さらに、シュラウドセグメント６
０は、その外部表面８０から内側表面６４へシュラウド
セグメントを貫通して延びる開口部を実質的に備えてい
ない。
【００１２】羽根５４は外壁５２から内向きに延びる。
これらの羽根５４の各々は、外壁５２に支持された外端
部９０から外端部に対向する内端部９２までほぼ内向き
に延びる。各々の羽根５４は、エンジンの流路を通って
流れる空気を方向付けるエーロフォイル形状の断面を持
つ。羽根５４は、内部通路９４、９６、９８を含む。通
路９４、９６、９８は、入口１００、１０２、１０４
（図３）から羽根５４の外部表面１０８にある孔１０６
(図３)まで延び、入口から孔まで冷却空気を運ぶ。当業
者には分るであろうが、前方及び中間の通路９４、９６
はそれぞれ、外側空洞７４から冷却空気を受け、後方通
路９８は冷却空気がシュラウドセグメント６０の外部表
面８０へ衝突した後に、内側空洞７６から冷却空気を受
ける。上述の実施形態のシュラウドセグメント６０は、
構成部品をエンジンに取付ける時に、ノズル羽根５４の
下流側に配置され、従ってシュラウドセグメント６０は
羽根の下流側に支持されたブレード３６の列（図１）を
取囲んでいるが、本発明の技術的範囲から離れることな
く、一体型のシュラウドセグメントを羽根の上流側に配
置し、それによってシュラウドセグメントが羽根の上流
側のブレード列を取囲むこともできることが想定され
る。
【００１３】内壁セグメント５８は、羽根５４の内端部
９２の周りに円周方向に延び、エンジンの内側流路境界
面の一部を形成する外表面１１０を有する。外壁セグメ
ント５２及びシュラウドセグメント６０と同様に、内壁
セグメント５８の円周方向端部１１２は、内壁セグメン
ト間の洩れを防止する通常のスプラインシール（図示せ
ず）を受け入れる寸法及び形状にされた溝１１４を備え
る。フランジ１１６は、内壁セグメント５８から内向き
に延び、締結具１２０によりノズルセグメント５０を通
常のノズル支持体１１８に連結する。
【００１４】本発明のガスタービンエンジン構成部品
は、本発明の技術的範囲から離れることなくその他の方
法で製作することができるが、１つの実施形態において
は、外壁セグメント５２と、羽根５４と、内壁セグメン
ト５８と、シュラウドセグメント６０とは単体部品とし
て鋳造される。鋳造後、構成部品の各種の部分は通常の
機械加工技術を使用して最終構成部品寸法に機械加工さ
れる。
【００１５】当業者には分るであろうが、本発明の高圧
タービンノズルセグメント５０は、冷却空気の洩れ通路
が従来のノズル組立体より少ない。外壁セグメントとシ
ュラウドセグメントの間に間隙があり、その間から大き
な冷却空気の洩れを生じる可能性があることに比べ、本
発明のノズルセグメント５０は一体型の外壁セグメント
５２及びシュラウドセグメント６０を有する。さらに、
シュラウドセグメントの外部表面に衝突する冷却空気の
全てを流路へ直接洩れさせるのではなくて、本発明のノ
ズルセグメント５０は、シュラウドセグメント６０の外
部表面８０へ衝突した冷却空気の多くを、羽根５４を貫
いて延びる冷却空気通路９８を通して導き、羽根の外部
表面１０８上のフィルム冷却孔１０６を通して流出させ
る。シュラウド６０を冷却するのに使用される空気はま
た、ノズル羽根５４を冷却し、ノズルスロートの上流側
に位置する孔１０６を通して排出される。孔１０６はノ
ズルスロートの上流側に位置するため、本発明のノズル
セグメント５０は、冷却空気をノズルスロートの下流側
へ排出する従来のノズル組立体１０に比べてより良い性
能を持つ。従って、当業者には分るであろうが、本発明
の高圧タービンノズルセグメント５０は、従来のノズル
組立体１０に比べてより少ない冷却空気を必要とし、冷
却空気をそれを必要とするエンジンのその他の区域へ導
くことを可能にし及び／又は全体的なエンジン効率の増
大を可能にする。
【００１６】上記の構成において、多種の変更を本発明
の技術的範囲から離れることなくなし得るので、上記の
記述に含まれ又は添付の図面に示される全ての事柄は、
例示的なものとして、また限定的な意味を持たないもの
として解釈されることを意図している。なお、特許請求
の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってな
んら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではな
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のガスタービンエンジンの高圧タービン
の断面図。
【図２】 本発明のノズルセグメント及びシュラウドハ
ンガの断面図。
【図３】 本発明のノズルセグメントの斜視図。
【符号の説明】
５０ ノズルセグメント ５２ 外壁セグメント ５４ ノズル羽根 ５８ 内壁セグメント ６０ シュラウドセグメント ６４ 内表面 ６６ コネクタ ６８ シュラウドハンガ ７２ シュラウドサポート ７４、７６ 空洞 ７８ 衝突冷却孔 ８０ シュラウドセグメントの外部表面 ９４、９６、９８ 羽根の内部通路 １０６ フィルム冷却孔 １０８ 羽根の外部表面 １１０ 外表面 １１６ フランジ １１８ ノズル支持体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲーリー・チャールズ・リオッタ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ベ バリー、クラーク・アベニュー、１番 (72)発明者 ロバート・フランシス・マニング アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ニ ューベリーポート、ロラム・ストリート、 １番 Ｆターム(参考） 3G002 GA08 GB01

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エンジンの中心線（２４）の周りに円周方
    向に延び、エンジンの外側流路境界面の一部を形成する
    内表面（６４）を有するノズル外壁（５２）と、 該外壁（５２）から内向きに延び、その各々が該外壁
    （５２）に支持された外端部（９０）から該外端部（９
    ０）と対向する内端部（９２）までほぼ内向きに延びる
    複数のノズル羽根（５４）と、 該複数のノズル羽根（５４）の前記内端部（９２）の周
    りに円周方向に延び、エンジンの内側流路境界面の一部
    を形成する外表面（１１０）を有する内壁（５８）と、 エンジンの中心線（２４）の周りに円周方向に延び、エ
    ンジンの前記外側流路境界面の一部を形成する内表面
    （６４）を有し、エンジンに支持されエンジンの中心線
    の廻りで回転する複数のブレード（３６）を取囲むよう
    になっている、前記外壁（５２）と一体のシュラウド
    （６０）と、を含むことを特徴とするガスタービンエン
    ジン構成部品（５０）。
  2. 【請求項２】 前記複数のノズル羽根（５４）がタービ
    ンノズル羽根（５４）であることを特徴とする、請求項
    １に記載の構成部品（５０）。
  3. 【請求項３】 前記構成部品（５０）をエンジンに取付
    ける時に、前記シュラウド（６０）が前記ノズル羽根
    （５４）の後方に配置されることを特徴とする、請求項
    １に記載の構成部品（５０）。
  4. 【請求項４】 前記複数のノズル羽根（５４）の各々
    は、冷却式の羽根(５４)であり、該冷却式の羽根(５４)
    は、入口（１００、１０２、１０４）から該羽根（５
    ４）の外部表面（１０８）にある孔（１０６）まで延
    び、前記入口（１００、１０２、１０４）から前記孔
    （１０６）まで冷却空気を運ぶ内部通路（９４、９６、
    ９８）を有することを特徴とする、請求項１に記載の構
    成部品（５０）。
  5. 【請求項５】 冷却空気が、前記シュラウド(６０)を冷
    却するために該シュラウド（６０）上を流れることを特
    徴とする、請求項４に記載の構成部品（５０）。
  6. 【請求項６】 前記シュラウド（６０）上を流れる前記
    冷却空気が、前記羽根の内部通路（９８）を通るように
    導かれることを特徴とする、請求項５に記載の構成部品
    （５０）。
  7. 【請求項７】 冷却空気を前記シュラウド（６０）の外
    部表面（８０）に向けて導くために、前記シュラウド
    （６０）の外側に支持されたハンガ（６８）と組み合わ
    されることを特徴とする、請求項１に記載の構成部品
    （５０）。
  8. 【請求項８】 前記内壁（５８）がセグメント化されて
    いることを特徴とする、請求項１に記載の構成部品（５
    ０）。
  9. 【請求項９】 前記外壁（５２）及びシュラウド（６
    ０）がセグメント化されていることを特徴とする、請求
    項８に記載の構成部品（５０）。
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