JP2006189044A - ブレード外側エアシールアッセンブリおよびタービンブレードシュラウドアッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】推力に用いるエネルギーを減少させずに冷却効果を向上させる。
【解決手段】シールセグメント２２は、前縁部３０、後縁部３２、軸方向縁部３４を備え、セグメント２２内で高温側２４と裏側２８との間に、後縁キャビティ４０と前縁キャビティ４２が設けられている。冷却流４４は入口開口部４６を通り、裏側２８に導かれ、キャビティ４０，４２に流入して高温側２４を冷却する。次いで、冷却空気４４は、ディバイダ５６により分割され出口５０，５２に流れる。さらに再供給開口部４８により、空気４４がキャビティ４０，４２の局所的な領域に導かれる。軸方向キャビティ５４は、軸方向縁部３４に空気４４を供給し、隣接するシールセグメント２２間で高温ガス１２が漏出しないようにしている。キャビティ４０，４２，５４のペデスタル６２により、冷却空気流４４が乱れて熱吸収能力が向上するとともに、高温側２４から熱を移動させる表面積が増加する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのブレード外側エアシールに関し、特に、改善された冷却特性を有するブレード外側エアシールに関する。

ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼室およびタービンを備える。圧縮空気は、燃焼室で燃料と混合され、軸方向に流れる高温ガスとなる。高温ガスは、タービンを通って流れ、複数のタービンブレードに接触する。タービンブレードにより、高温ガス流が機械エネルギーに変換されて、圧縮機を駆動させるロータシャフトが回転する。各タービンブレードの先端部分と外側エアシールとの隙間を通る高温ガス流が最小限になるように、隙間が制御されることが望ましい。タービンの先端部と外側エアシールとの間を流れる高温のガス流は、機械エネルギーに変換されないため、全体のエンジン性能に対して悪影響をもたらす。したがって、タービンブレードの先端部分と外側エアシールとの隙間が密になるように制御されている。

外側エアシールは高温ガスにさらされているため、冷却を必要とする。通常、外側エアシールは内部チャンバを備えており、その中を冷却空気が通ることにより外側エアシールの温度が制御される。冷却空気は、通常、他のシステムから抽気され、その結果、スラスト（推力）を発生させる主な目的に利用されるエネルギー量が減少する。したがって、他のシステムから抽気される空気量を最小限に抑えて冷却することが望ましい。現在、外側エアシールを冷却する種々の方法が用いられている。その一例としては、高温ガスにさらされた外側表面の裏側に衝突するように、冷却空気を導くインピンジメント冷却が挙げられる。さらに、冷却孔を用いて外側表面に沿って冷却空気を供給して冷却フィルムを形成し、それにより露出した表面が保護される。これらの方法は、それぞれ優れた成果をもたらす。しかし、ガスタービンエンジンが改良された結果、高温ガス流にさらされるこれらの部品に対する温度が上昇するとともに、運転条件がさらに厳しくなってしまった。

したがって、冷却効果を向上させるとともに、冷却に必要な冷却空気量を減少させるように効率が最大化した冷却空気を利用するブレード外側エアシールを設計かつ開発することが必要である。

本発明は、２つの主要なキャビティ内に複数のペデスタルを備えたタービンエンジン用外側シールアッセンブリに関する。キャビティ内の複数のペデスタルにより、乱流が生じるとともに、表面積が増加し、その結果、高温側の表面を所望の温度に維持する冷却能力が向上する。

外側シールアッセンブリは、互いに連結した複数のシールセグメントを備え、複数のタービンブレードの周囲にシュラウドを形成する。外側シールセグメントの各々は、ガス流にさらされる高温側および冷却空気流にさらされる裏側を備える。外側シールセグメントは、前縁部、後縁部、および前縁部と後縁部と交差する２つの軸方向縁部を備える。シールセグメント内において、後縁キャビティおよび前縁キャビティは互いに隔てられている。シールセグメントの裏側に導かれた冷却空気は、各キャビティに流入して高温側を冷却する。

冷却空気は、複数の入口開口部を通りキャビティに供給される。入口開口部は、ガス流に対し交差する方向に配置されている。冷却空気は、キャビティに流入して、前縁部に設けられた複数の出口および後縁部に沿った複数の出口に向かって流れる。また、付加的な冷却空気をキャビティの局所的な領域に導く複数の再供給開口部（ｒｅ−ｓｕｐｐｌｙ ｏｐｅｎｉｎｇ）を通っても、冷却空気はキャビティ内に流入して、冷却および熱移動の作用を最大にする。

シールセグメントは、軸方向縁部に隣接して設けられた軸方向キャビティを備える。この軸方向キャビティにより軸方向縁部に冷却空気が供給されて、隣接するシールセグメントの間で高温ガスが漏出しないようになっている。軸方向キャビティは、別のキャビティから冷却空気を隔離するディバイダ（仕切板）を備える。

前縁キャビティ、後縁キャビティおよび軸方向キャビティは、複数のペデスタル（柱部）を備える。複数のペデスタル（柱部）により、冷却空気の流れが乱れて熱吸収能力が向上するとともに、高温側から熱を移動させる表面積が増加する。冷却空気の流れが乱れることにより、入口から出口まで望ましい乱流が生じる。この乱流により、熱吸収能力が向上する。さらに、複数のペデスタルによって増加した表面積によっても熱吸収能力が向上する。乱流の増加と表面積の増加との組合せにより、冷却特性の効率が向上して、より少ない量の冷却空気流でシールセグメントを望ましく冷却することが可能となる。

したがって、本発明のブレード外側エアシールにより、冷却空気の効率が向上して、外側エアシールの所望の温度を維持するのに必要な冷却空気量が減少する。

図１および図２を参照すると、タービンエンジンアッセンブリ１０が部分的かつ概略的に図示されている。タービンエンジンアッセンブリ１０は、高温の燃焼ガス流１２から機械エネルギーにエネルギーを変換するタービンブレード１４を備える。タービンブレード１４は、前縁部１６および後縁部１８を有するエアフォイルである。周知のように、ガス流１２は、排気ライナアッセンブリ１５によりタービンブレード１４に導かれる。タービンブレード１４は、外側エアシールアッセンブリ２０から離れた先端縁部１９を備える。外側エアシールアッセンブリ２０は、所望の隙間１７を隔てており、これにより、ブレード先端縁部１９と外側エアシールアッセンブリ２０との間を流れるガス流１２が最小限となる。外側エアシールアッセンブリ２０は、複数の外側エアシールセグメント２２を備える。

図２を参照すると、外側エアシールセグメント２２は、ガス流１２にさらされる高温側２４と、供給された冷却空気流４４にさらされる裏側２８と、を備える。外側エアシールセグメント２２は、前縁部３０と、後縁部３２と、前縁部３０および後縁部３２と交差する２つの軸方向縁部３４（図３参照）と、を備える。シールセグメント２２は、前方支持脚部３６および後方支持脚部３８を介してエンジンアッセンブリ１０の固定構造物に取り付けられている。後縁キャビティ４０および前縁キャビティ４２が、高温側２４と裏側２８との間でシールセグメント２２内に設けられている。冷却流４４は、シールセグメント２２の裏側２８に導かれ、キャビティ４０，４２の各々に流入して高温側２４を冷却する。

図３および図４を参照すると、キャビティ４０，４２は、複数の入口開口部４６を通る冷却空気流４４を受ける。入口開口部４６は、ガス流１２と交差する方向に配置されている。入口開口部４６により、冷却空気流がキャビティ４０，４２に交互に伝わる。ディバイダ（仕切板）５６により、前縁キャビティ４２と後縁キャビティ４０との間で冷却空気が分割される。互いに隣接する入口開口部４６がキャビティ４０，４２のうち異なったキャビティにそれぞれ冷却空気を供給するように、ディバイダ（仕切板）５６は構成されている。

キャビティ４０，４２に流入する冷却空気流４４は、前縁部３０に設けられた複数の出口５０および後縁部３２に沿った複数の出口５２に向かって流れる。冷却空気流４４は、複数の再供給開口部４８からもキャビティ内に流入する。再供給開口部４８により冷却空気４４がキャビティ４０，４２の局所的な領域に導かれ、冷却および熱移動の作用が最適化される。

シールセグメント２２は、軸方向縁部３４に隣接して設けられた軸方向キャビティ５４，５５も備える。軸方向キャビティ５４，５５により、軸方向縁部３４に冷却空気流４４が供給されて、隣接するシールセグメント２２の間で高温ガス１２が漏出しないようになっている。軸方向キャビティ５４，５５は、ディバイダ５７を備え、冷却空気流４４を他のキャビティから隔離している。軸方向キャビティ５４，５５は、一方のキャビティだけにそれぞれ連通している再供給開口部４８から冷却空気流４４を受ける。図４では、互いに対向する軸方向縁部３４において、前縁部３０側と後縁部３２側とにそれぞれ設けられた軸方向キャビティ５５，５４が図示されている。これにより、前縁キャビティ４２および後縁キャビティ４０とは別に、軸方向縁部３４の発熱性および熱吸収が制御される。

図５Ａを参照すると、シール（図示せず）を受ける溝６１を備えた別の軸方向縁部の冷却構造が図示されている。通路５９により、隣接するシールセグメント２２の間の接合部分に冷却空気４４が直接導かれる。これにより、軸方向縁部３４が冷却されるとともに、
隣接するシールセグメント２２の間に高温ガス１２が流入しなくなる。

図５Ｂを参照すると、別の軸方向縁部の冷却構造は、前縁キャビティ４２または後縁キャビティ４０の一方と連通する付加的な出口６３を備えている。冷却空気流４４を流出させることにより、各セグメント２２の軸方向縁部が望ましく冷却される。

図３，４を参照すると、前縁キャビティ４２、後縁キャビティ４０および軸方向キャビティ５４，５５は、全て複数のペデスタル（柱部）６２を備えており、ペデスタル（柱部）６２により、冷却空気流４４が乱れて、熱吸収能力が向上するとともに、高温側２４から熱を移動させる表面積が増加する。キャビティ４０，４２，５４，５５は、上面５８および底面６０を備える。底面６０は、複数のペデスタル６２を備える。

ペデスタル６２は、上面５８と底面６０との間に延びており、冷却空気流４４用の蛇行した通路をもたらすハニカム構造を形成する。ペデスタル６２は、冷却空気流４４の層流を乱す円筒型構造である。冷却空気流４４が乱れることにより、入口４６から出口５０，５２に望ましい乱流が生じる。この乱流により、熱吸収能力が向上する。さらに、複数のペデスタル６２により増加した表面積によっても熱吸収能力が向上する。乱流の増加と表面積の増加との組合せにより、冷却特性の効率が向上し、より少ない量の冷却空気流でシールセグメント２２が望ましく冷却される。

円筒型のペデスタル６２がキャビティ４０，４２，５４，５５に設けられて図示されているが、図６Ａ〜６Ｅに示すように、別の形状も本発明の意図する範囲内にある。図６Ａでは、冷却空気流４４に蛇行した通路を付与する長方形のペデスタルが図示されている。図６Ｂを参照すると、冷却空気流４４に所望の乱流を生じさせるように、複数の山形のペデスタル８２が壁部８３の間に設けられている。図６Ｃでは、長方形のペデスタルが、冷却空気４４の流れを乱すように互い違いに配列されている。図６Ｄでは、波状の壁を有する複数のペデスタル８６が図示されており、これにより冷却空気流用の蛇行した通路が形成される。図６Ｅでは、複数の楕円形状のペデスタル８８が、冷却空気流４４に望ましい蛇行通路をもたらすように互い違いに配列されている。図示した実施例に限定されるものではなく、他の形状および形態は、特定の冷却特性の用途を実現するように本発明の意図する範囲内にある。

コアが所望のキャビティ構造を付与する望ましい形態を有するロストコア成形工程により、シールセグメント２２は形成される。コアは、セグメントを形成する材料で被覆成形される。材料には、金属、合成構造物、および当業者に周知のセラミック構造物が含まれていても良い。次いでコアは、シールセグメント２２から取り除かれ、キャビティ４０，４２，５４，５５に望ましい内部形態が付与される。多くの異なった形態、およびシールセグメント２２を形成する成形技術が、本発明の意図する範囲内にあることを認識されたい。

図７を参照すると、シールセグメント２２の断面が図示されている。シールセグメント２２は、前縁部３０と後縁部３２との間の実質的に中間の位置に複数の入口４６を備える。中間の位置に設けられた複数の入口４６は、シールセグメント２２の最も高温になる領域に連絡している。シールセグメント２２の高温側２４では、前縁部３０と後縁部３２との間の実質的に中間の位置から前縁部３０側に僅かにオフセットした位置が最も高温になる。複数の入口４６の位置は、高温側２４の表面上の最も高温になる領域に連絡している。冷却空気流４４は、入口を通って、前縁キャビティ４２と後縁キャビティ４０に分かれる。冷却空気流４４は、前縁部３０における出口５０および後縁部３２における出口５２に向かって流れる。再供給開口部４８により、複数の入口４６から間隔を隔てた箇所に付加的な冷却空気流４４が供給される。
図８および図９を参照すると、シールセグメント２２を望ましく冷却して高温側２４の温度を一定に保つためには、冷却空気流４４により除去される熱量は、ガス流１２からの入熱の熱量と実質的に同量である。図８は、シールセグメント２２への入熱と前縁部３０からの軸方向の距離との関係を示す線６４を含んだグラフである。シールセグメント２２の中間部からわずかに前方側の箇所において、入熱が最も高くなっている。熱量は、前縁部（矢印７２）および後縁部（矢印７０）に向かうにしたがって着実に減少している。キャビティ４０，４２に最初に流入する冷却空気流４４は、最大の熱吸収能力を有し、シールセグメント２２の最も高温の箇所に対応している。冷却空気流４４が入口４６から進むにつれて、冷却空気流の温度が上昇するため、熱吸収能力が低下する。

図９を参照すると、軸方向の距離における冷却空気４４の熱吸収能力とシールセグメント２２への入熱との関係を表すグラフが示されている。図９では、入熱７６と前縁部からの軸方向の距離７７との関係が示されている。線７０は、軸方向の位置におけるシールセグメント２２への入熱を示している。線７４は、軸方向の位置における冷却空気流４４の熱吸収能力を示している。入口部分において、熱吸収能力は、最も高く、シールセグメント２２への最大の入熱量に対応している。入熱７０および熱吸収能力は、高温の地点から離れるにつれて減少する。シールセグメント２２は、入熱に適合する熱吸収能力を備え、高温側２４の所望の温度を維持する。
さらに、低いピーク７８は、再供給開口部４８の位置を示している。再供給開口部４８により付加的な冷却空気流４４が供給される。付加的な冷却空気流４４は、冷却能力とシールセグメント２２への入熱との関係を維持し、その関係を平衡にするために必要とされる。前縁キャビティ４２および後縁キャビティ４０により、シールセグメント２２に対する外部の熱負荷に適合する冷却能力がもたらされる。各キャビティ４０，４２におけるペデスタルの幾何学形状は、あらゆる軸方向の位置における高温側２４の外部の熱負荷に実質的に適合するように調節される。特定の位置は、特定用途向けの必要条件に応じて確定され、シールセグメント２２の局所的な領域に所望の冷却能力をもたらす。

本発明のシールセグメント２２によると、流入する冷却空気流４４を最も高温の領域に導くこと、ならびに複数のペデスタル６２により増加したキャビティの表面積に亘り乱流を生じさせることにより、熱除去特性が向上する。結果として形成されたシールセグメント２２により、冷却空気流の要求条件を付随させて増加させることなく冷却が向上する。

本発明によるブレード外側エアシールを備えるタービンエンジンの概略図。 タービンブレードおよびブレード外側エアシールの拡大断面図。 本発明によるブレード外側エアシールの部分断面図。 本発明によるブレード外側エアシールの断面図。 本発明による軸方向縁部の冷却機構の断面図。 本発明による別の軸方向縁部の冷却機構の断面図。 本発明によるペデスタルの概略図。 本発明による別のペデスタルの概略図。 本発明による他のペデスタルの概略図。 本発明による別のペデスタルの概略図。 本発明による他のペデスタルの概略図。 本発明のシールセグメントの側方断面図。 入熱と前縁部からの軸方向の距離との間の関係を示すグラフ。 入熱と前縁部からの軸方向の距離における冷却能力との間の関係を示すグラフ。

Claims (20)

1. 上面および底面を有するキャビティと、
   前記上面と前記底面との間に延びるとともに、前記キャビティを通る冷却空気に乱流を生じさせる複数のペデスタルと、
   を備え、
   前記上面が、裏側と反対側の面からなり、前記底面が、燃焼ガスにさらされる高温側と反対側の面からなることを特徴とするタービンエンジンのブレード外側エアシールアッセンブリ。
2. 前記ブレード外側シールアッセンブリが、前縁部と、後縁部と、２つの軸方向縁部と、冷却空気を前記キャビティに供給する前記裏側における複数の入口開口部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のアッセンブリ。
3. 前記複数の入口開口部が、前記前縁部および前記後縁部と実質的に平行に列をなして配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアッセンブリ。
4. 前記複数の入口開口部が、前記前縁部と前記後縁部との間の実質的に中間の部分に配列されていることを特徴とする請求項３に記載のアッセンブリ。
5. 前記キャビティが、前記入口開口部からの冷却空気を分けるディバイダを備え、それにより、前記冷却空気流の一部が、前記前縁部に向かうとともに、前記冷却空気流の残部が前記後縁部に向かって流れることを特徴とする請求項３に記載のアッセンブリ。
6. 前記キャビティが、前記ディバイダにより互いに隔てられた前縁キャビティおよび後縁キャビティからなり、前記シールアッセンブリが所望の表面温度を維持するように前記冷却空気流の冷却能力が入熱に対応することを特徴とする請求項５に記載のアッセンブリ。
7. 前記前縁部および前記後縁部に設けられた複数の出口を備え、前記複数の出口が、燃焼ガス流に冷却空気流を排出することを特徴とする請求項３に記載のアッセンブリ。
8. 前記複数のペデスタルが、前記ディバイダと前記前縁部との間に配列された第１の複数のペデスタルと、前記ディバイダと前記後縁部との間に配列された第２の複数のペデスタルと、からなることを特徴とする請求項３に記載のアッセンブリ。
9. 軸方向縁部に沿ってそれぞれ設けられた第３および第４の複数のペデスタルを含む請求項８に記載のアッセンブリ。
10. 前記第３および第４の複数のペデスタルの各々が、軸方向のディバイダにより他のいずれの前記複数のペデスタルからも隔てられていることを特徴とする請求項９に記載のアッセンブリ。
11. 前記複数のペデスタルの各々が、円筒型の部材からなることを特徴とする請求項１に記載のアッセンブリ。
12. 前記複数のペデスタルの各々が、山形の構造からなることを特徴とする請求項１に記載のアッセンブリ。
13. 前記複数のペデスタルの各々が、長方形の構造からなることを特徴とする請求項１に記載のアッセンブリ。
14. 前記複数のペデスタルの各々が、楕円形の構造からなることを特徴とする請求項１に記載のアッセンブリ。
15. 前記複数のペデスタルが、冷却空気流用の蛇行した通路を構成することを特徴とする請求項１に記載のアッセンブリ。
16. 上面および底面を有するキャビティをそれぞれ備える互いに嵌合した複数のブレード外側シールセグメントと、
    前記上面と前記底面との間に延びるとともに、前記キャビティを通る冷却空気に乱流を生じさせる複数のペデスタルと、
    を備え、
    前記上面が、裏側と反対側の面からなり、前記底面が、燃焼ガスにさらされる高温側と反対側の面からなることを特徴とするタービンエンジン用のタービンブレードシュラウドアッセンブリ。
17. 互いに嵌合する前記複数のブレード外側シールセグメントのうち隣接するセグメントの間に軸方向の接合部を備えることを特徴とする請求項１６に記載のアッセンブリ。
18. 前記複数の外側エアシールセグメントの各々が、前縁部と、後縁部と、軸方向縁部と、前記前縁部と前記後縁部との間で前記裏側に沿って設けられた複数の入口開口部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載のアッセンブリ。
19. 前記キャビティが、ディバイダにより隔てられた前縁キャビティおよび後縁キャビティからなることを特徴とする請求項１８に記載のアッセンブリ。
20. 前記入口開口部が、発熱が最大である軸方向の位置に冷却空気流を噴射するように設けられていることを特徴とする請求項１９に記載のアッセンブリ。
    

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