JP2009209936A - Turbine nozzle with integral impingement blanket - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は概してガスタービンエンジンタービンに関し、より詳細には、そのようなエンジンのタービン部分を冷却する方法に関する。 The present invention relates generally to gas turbine engine turbines, and more particularly to a method for cooling the turbine portion of such engines.
ガスタービンエンジンは、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧またはガス発生器を直流関係で有するターボ機械コアを含む。このコアは既知の方法で動作可能で、一時ガス流を発生させる。ターボジェットまたはターボファンエンジンでは、コア排気がノズルの中を案内されて、推力が発生する。ターボシャフトエンジンはコアの下流の低圧すなわち「仕事(work)」タービンを使用して一次流からエネルギーを抽出して、軸またはその他の機械的負荷を駆動する。 The gas turbine engine includes a turbomachine core having a high pressure compressor, a combustor, and a high pressure or gas generator in a DC relationship. The core is operable in a known manner and generates a temporary gas stream. In a turbojet or turbofan engine, core exhaust is guided through the nozzles to generate thrust. A turboshaft engine uses a low pressure or “work” turbine downstream of the core to extract energy from the primary flow to drive a shaft or other mechanical load.
ガス発生器タービンは、燃焼器から出たガスを回転翼またはバケット内に案内する固定羽根またはノズルの環状配列(「列」)を含む。一列のノズルと一列の翼が集合的に「段」を形成する。一般的に、2つ以上の段が直流関係で使用される。これらの構成要素は非常に高い温度環境で作動するものであり、適切な耐用年数を保証するために空気流によって冷却する必要がある。一般的に、冷却に用いられる空気は、圧縮機内の1つ以上の地点で抽出される。これらの抽気流は、熱力学サイクルの正味仕事量および/または推力の損失を表す。これらは燃料消費率(SFC)を増加させるものであり、通常はできるだけ最小限に抑えるべきである。 The gas generator turbine includes an annular array ("row") of stationary vanes or nozzles that guide the gas exiting the combustor into rotor blades or buckets. A row of nozzles and a row of blades collectively form a “stage”. Generally, two or more stages are used in a direct current relationship. These components operate in very high temperature environments and need to be cooled by an air flow to ensure proper service life. In general, the air used for cooling is extracted at one or more points in the compressor. These bleed airflows represent the net work and / or thrust loss of the thermodynamic cycle. These increase the fuel consumption rate (SFC) and should usually be minimized as much as possible.
従来技術のガス発生器タービンノズルは、「スプーリ(spoolie)」供給式マニホルドカバー、またはスプーリ供給式翼形インサートを備えた連続衝突リングのどちらかを用いて冷却していた。1つ目の方式に関しては、空気が外側バンドの上のマニホルドに供給されて、外側バンドを直接冷却せずに翼形に流れ込む。2つ目の構成は別個の衝突リングを利用して外側バンドを冷却するが、この流れは隣接するノズルセグメント間の隙間を通って漏れやすい。どちらの場合も、タービンノズル冷却の効率は所望されるよりも悪くなる。 Prior art gas generator turbine nozzles have been cooled using either a “spoolie” feed manifold cover or a continuous impingement ring with a spur feed airfoil insert. For the first scheme, air is supplied to the manifold above the outer band and flows into the airfoil without directly cooling the outer band. The second configuration utilizes a separate impingement ring to cool the outer band, but this flow is prone to leak through gaps between adjacent nozzle segments. In either case, the efficiency of turbine nozzle cooling is worse than desired.
従来技術のこれらおよびその他の欠点は、個々のタービンノズル外側バンドセグメントの独立衝突冷却を行なう本発明によって解決される。 These and other shortcomings of the prior art are overcome by the present invention which provides independent impingement cooling of individual turbine nozzle outer band segments.
本発明の一態様によれば、タービンノズルセグメントは、(a)アーチ状外側バンドセグメントと、(b)該外側バンドセグメントから半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根と、(c)該外側バンドセグメントに固定されたマニホルドカバーであって、該マニホルドカバーと該外側バンドセグメントが共同的に衝突キャビティを画定する該マニホルドカバーと、(d)該衝突キャビティ内に配置された衝突ブランケットであって、冷却空気を該外側バンドセグメントに案内するように構成される少なくとも1つの衝突孔が貫通して形成された該衝突ブランケットとからなる。 In accordance with one aspect of the present invention, a turbine nozzle segment includes: (a) an arcuate outer band segment; (b) a hollow airfoil shaped turbine blade extending radially inward from the outer band segment; A manifold cover secured to the outer band segment, wherein the manifold cover and the outer band segment jointly define a collision cavity; and (d) a collision blanket disposed within the collision cavity. And a collision blanket formed with at least one collision hole formed therethrough configured to guide cooling air to the outer band segment.
本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのタービンノズル組立体は、(a)環状配列に配列された複数のタービンノズルセグメントであって、各タービンノズルセグメントが、(i)アーチ状外側バンドセグメントと、(ii)該外側バンドセグメントから半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根と、(iii)該外側バンドセグメントに固定されたマニホルドカバーであって、該マニホルドカバーと該外側バンドセグメントが共同的に衝突キャビティを画定する該マニホルドカバーと、(iv)該衝突キャビティ内に配置された衝突ブランケットであって、冷却空気を該外側バンドセグメントに案内するように構成される少なくとも1つの衝突孔が貫通して形成された該衝突ブランケットとを有する該タービンノズルセグメントと、(b)該タービンノズルセグメントを取り囲む環状支持構造と、(c)各々が該マニホルドカバーの1つを独立連通状態で該支持構造と結合する複数の略円筒導管とからなる。 In accordance with another aspect of the present invention, a turbine nozzle assembly of a gas turbine engine comprises (a) a plurality of turbine nozzle segments arranged in an annular array, each turbine nozzle segment comprising: (i) an arcuate outer side. A band segment; (ii) a hollow airfoil shaped turbine blade extending radially inward from the outer band segment; and (iii) a manifold cover secured to the outer band segment, the manifold cover and the A manifold cover with outer band segments jointly defining a collision cavity; and (iv) a collision blanket disposed in the collision cavity, the at least one configured to guide cooling air to the outer band segment The turbine nozzle having the collision blanket having one collision hole formed therethrough And segment, and a plurality of substantially cylindrical conduit that bind (b) the turbine and an annular supporting structure surrounding the nozzle segments, (c) each said supporting one of said manifold cover independently communicating state structure.
本発明の別の態様によれば、半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根を備えたアーチ状外側バンドセグメントを各々が有するノズルセグメントの配列を含むタービンノズルを冷却する方法が提供される。該方法は、(a)内部に配置された衝突ブランケットを有する密閉衝突キャビティを該外側バンドセグメントの各々に提供するステップと、(b)冷却空気を別々に該衝突キャビティに案内するステップと、(c)該衝突ブランケットの1つ以上の衝突孔を介して冷却空気を該外側バンドセグメントに案内するステップと、(d)該衝突キャビティから冷却空気を排出するステップとからなる。 In accordance with another aspect of the present invention, a method for cooling a turbine nozzle is provided that includes an array of nozzle segments each having an arcuate outer band segment with a hollow airfoil shaped turbine blade extending radially inward. Is done. The method includes: (a) providing a closed collision cavity with an impact blanket disposed therein for each of the outer band segments; (b) separately guiding cooling air to the collision cavity; c) guiding cooling air to the outer band segment through one or more impingement holes of the impingement blanket; and (d) discharging cooling air from the impingement cavity.
本発明は、添付図面の図と併せて以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
同じ参照番号が各図を通して同じ要素を示す図面を参照すると、図1は、既知のタイプのガスタービンエンジンの一部であるガス発生器タービン10の一部分を示す。ガス発生器タービン10の機能は、既知の方法で、上流燃焼器(図示せず)の高温加圧燃焼ガスからエネルギーを抽出すること、さらにそのエネルギーを機械仕事に変換することである。ガス発生器タービン10は、燃焼器に加圧空気を供給するように、軸を介して上流圧縮機(図示せず)を駆動する。 Referring to the drawings in which like reference numbers indicate like elements throughout the Figures, FIG. 1 illustrates a portion of a gas generator turbine 10 that is part of a known type of gas turbine engine. The function of the gas generator turbine 10 is to extract energy from the hot pressurized combustion gas of an upstream combustor (not shown) and to convert that energy into mechanical work in a known manner. The gas generator turbine 10 drives an upstream compressor (not shown) through a shaft so as to supply pressurized air to the combustor.
図示の例において、エンジンはターボシャフトエンジンであり、仕事タービンはガス発生器タービン10の下流に位置付けられ、出力軸に連結されることになる。しかしながら、本明細書に記載の原理は、ターボプロップ、ターボジェット、およびターボファンエンジンと同様に、他の乗物または固定用途で用いられるタービンエンジンにも同様に適用できる。 In the illustrated example, the engine is a turboshaft engine, and the work turbine is positioned downstream of the gas generator turbine 10 and connected to the output shaft. However, the principles described herein are equally applicable to turbine engines used in other vehicle or stationary applications as well as turboprop, turbojet, and turbofan engines.
ガス発生器タービン10は、アーチ状にセグメント化された第1段外側バンド16とアーチ状にセグメント化された第1段内側バンド18の間に支持される、円周方向に離間配置された複数の中空翼形形状第1段羽根14を備える第1段ノズル12を含む。第1段羽根14、第1段外側バンド16および第1段内側バンド18は、集合的に完全360°組立体を形成する複数の円周方向に隣接するノズルセグメントに配置される。第1段外側バンド16および第1段内側バンド18は、第1段ノズル12を流れる高温ガス流のために、それぞれ外側および内側半径方向流路境界を画定する。第1段羽根14は、第1段ロータ20に燃焼ガスを最適に案内するように構成される。 The gas generator turbine 10 includes a plurality of circumferentially spaced supports supported between an arcuately segmented first stage outer band 16 and an arcuately segmented first stage inner band 18. The first stage nozzle 12 including the first stage blade 14 of the hollow airfoil shape is included. The first stage blades 14, the first stage outer band 16, and the first stage inner band 18 are arranged in a plurality of circumferentially adjacent nozzle segments that collectively form a complete 360 ° assembly. First stage outer band 16 and first stage inner band 18 define the outer and inner radial flow path boundaries, respectively, for the hot gas flow through first stage nozzle 12. The first stage blade 14 is configured to optimally guide the combustion gas to the first stage rotor 20.
第1段ロータ20は、エンジンの中心線軸の周りを回転する第1段ディスク24から外方に延在する翼形形状第1段タービン翼22の配列を含む。セグメント化されたアーチ状第1段シュラウド26は、第1段タービン翼22を密接に取り囲むことによって、第1段ロータ20を流れる高温ガス流のための外側半径方向流路境界を画定するように構成される。 The first stage rotor 20 includes an array of airfoil shaped first stage turbine blades 22 extending outwardly from a first stage disk 24 that rotates about an engine centerline axis. The segmented arcuate first stage shroud 26 closely surrounds the first stage turbine blades 22 so as to define an outer radial flow path boundary for hot gas flow through the first stage rotor 20. Composed.
第2段ノズル28は第1段ロータ20の下流に位置付けられており、アーチ状にセグメント化された第2段外側バンド32とアーチ状にセグメント化された第2段内側バンド34の間に支持される、円周方向に離間配置された複数の中空翼形形状第2段羽根30を備える。第2段羽根30、第2段外側バンド32および第1段内側バンド34は、集合的に完全360°組立体を形成する複数の円周方向に隣接するノズルセグメント36(図2参照)に配置される。第2段外側バンド32および第2段内側バンド34は、第2段タービンノズル28を流れる高温ガス流のために、それぞれ外側および内側半径方向流路境界を画定する。第2段羽根30は、第2段ロータ38に燃焼ガスを最適に案内するように構成される。 The second stage nozzle 28 is positioned downstream of the first stage rotor 20 and is supported between an arched second stage outer band 32 and an arched second stage inner band 34. A plurality of hollow airfoil-shaped second stage blades 30 that are spaced apart in the circumferential direction. The second stage blade 30, the second stage outer band 32, and the first stage inner band 34 are arranged in a plurality of circumferentially adjacent nozzle segments 36 (see FIG. 2) that collectively form a complete 360 ° assembly. Is done. Second stage outer band 32 and second stage inner band 34 define outer and inner radial flow path boundaries for the hot gas flow flowing through second stage turbine nozzle 28, respectively. The second stage blade 30 is configured to optimally guide the combustion gas to the second stage rotor 38.
第2段ロータ38は、エンジンの中心線軸の周りを回転する第2段ディスク42から半径方向外方に延在する翼形形状第2段タービン翼40の半径方向配列を含む。セグメント化されたアーチ状第2段シュラウド44は、第2段タービン翼40を密接に取り囲むことによって、第2段ロータ38を流れる高温ガス流のための外側半径方向流路境界を画定するように構成される。 The second stage rotor 38 includes a radial array of airfoil shaped second stage turbine blades 40 extending radially outward from a second stage disk 42 that rotates about an engine centerline axis. The segmented arcuate second stage shroud 44 closely surrounds the second stage turbine blade 40 to define an outer radial flow path boundary for the hot gas flow through the second stage rotor 38. Composed.
第1段シュラウド26のセグメントは、例えば、図示のフック、レール、およびC字状クリップを既知の方法で用いて、アーチ状シュラウドサポート48によって同様に担持されるアーチ状第1段シュラウドハンガー46の配列によって支持される。 The segments of the first stage shroud 26 are, for example, of the arcuate first stage shroud hanger 46 that is also carried by the arcuate shroud support 48 using the illustrated hooks, rails, and C-shaped clips in a known manner. Supported by an array.
第2段ノズル28は、第1段シュラウドハンガー46およびシュラウドサポート48との機械的結合によって部分的に支持される。各第2段羽根30は、既知の様式で冷却空気を受け入れられるように中空になっている。 The second stage nozzle 28 is partially supported by a mechanical connection with the first stage shroud hanger 46 and the shroud support 48. Each second stage blade 30 is hollow so as to receive cooling air in a known manner.
図2〜図5は、より詳細に第2段ノズル28の構造を示す。図2は、組み立てられたガス発生器タービン10に入れられるように、並んで配置された2つの個別ノズルセグメント36を示す。図示の例において、ノズルセグメント36は、外側バンド32のセグメント50と、内側バンド34のセグメント52と、中空第2段羽根30を含む「シングレット(singlet)」鋳造物である。各外側バンドセグメント50の半径方向外端部は、マニホルドカバー54によって密閉される。マニホルドカバー54(図4参照)は、外側バンドセグメント50の半径方向外面58に適合する下部周縁部56を有する一体的な若干の凸状構造物であり、外方に延在する流入管60を備える。 2 to 5 show the structure of the second stage nozzle 28 in more detail. FIG. 2 shows two individual nozzle segments 36 arranged side by side for entry into the assembled gas generator turbine 10. In the illustrated example, nozzle segment 36 is a “singlet” casting that includes segment 50 of outer band 32, segment 52 of inner band 34, and hollow second stage vane 30. The radially outer end of each outer band segment 50 is sealed with a manifold cover 54. The manifold cover 54 (see FIG. 4) is an integral, slightly convex structure having a lower peripheral edge 56 that conforms to the radially outer surface 58 of the outer band segment 50 and includes an outwardly extending inflow tube 60. Prepare.
図3に最も良く見られるプレート状衝突ブランケット62は、複数の衝突孔64を有し、この衝突孔64は衝突ブランケット62を貫通して形成されている。このブランケットは、金属薄板から鋳造または製造することができる。これは、図5に見られるように、マニホルドカバー54の半径方向内側にあるリセス66の内部に配置され、例えば、ろう付け、溶接、ファスナー、または接着剤によって固定される。 The plate-shaped collision blanket 62 most often seen in FIG. 3 has a plurality of collision holes 64, which are formed through the collision blanket 62. This blanket can be cast or manufactured from sheet metal. This is located within a recess 66 radially inward of the manifold cover 54, as seen in FIG. 5, and secured by, for example, brazing, welding, fasteners, or adhesive.
マニホルドカバー54は、流入管60である空気流のたった1つの入口を備えた一体型密閉構造を形成するように、外側バンドセグメント50の外面58に固定される。図1に見られるように、マニホルドカバー54および外側バンドセグメント50は、衝突ブランケット62によって2つの部分に分けられる衝突キャビティ68を共同的に画定する。 The manifold cover 54 is secured to the outer surface 58 of the outer band segment 50 so as to form an integral hermetic structure with only one inlet for airflow, which is the inlet tube 60. As seen in FIG. 1, the manifold cover 54 and the outer band segment 50 jointly define a collision cavity 68 that is divided into two parts by a collision blanket 62.
組み立ての際に、流入管60は、「スプーリ」70として知られている略円筒管または導管に連結される。スプーリ70はシュラウドサポート48を貫通して、後で詳しく述べるように、第2段羽根30の内部に冷却空気の経路を形成する。各々の流入管60に対して、1つのスプーリ70が提供される。 During assembly, the inflow tube 60 is connected to a generally cylindrical tube or conduit known as a “spulley” 70. The spur 70 penetrates the shroud support 48 and forms a path for cooling air inside the second stage blade 30 as will be described in detail later. One spur 70 is provided for each inflow pipe 60.
作動中、圧縮機の最高圧力(CDP:圧縮機吐出圧力)における圧縮機排気、または別の適切な冷却空気流は、既知の方法でシュラウドサポート48に送給される。CDP空気は、図1の矢印「C」で示すように、スプーリ70に入る。そして、空気は流入管60を通って、各ノズルセグメント36の個々の衝突キャビティ68に流れ込む。冷却空気は、矢印「J」で示すように、一連の噴流として衝突孔64から出て、外側バンドセグメント50に衝突してそれを冷却する。その後、使用済みの衝突空気はタービン羽根30の内部に排出されるが、このとき衝突空気を既知の方法でさらなる冷却に用いることができる。マニホルドカバー54とシュラウドサポート48の間の領域は外側バンドキャビティ72と呼ばれ、別個の空気流源によってパージされる。 In operation, compressor exhaust at the highest compressor pressure (CDP: compressor discharge pressure), or another suitable cooling air flow, is delivered to the shroud support 48 in a known manner. CDP air enters the pulley 70 as indicated by arrow “C” in FIG. Air then flows through the inlet pipe 60 into the individual impingement cavities 68 of each nozzle segment 36. The cooling air exits the impingement hole 64 as a series of jets as shown by arrow “J” and impinges on the outer band segment 50 to cool it. Thereafter, the used impinging air is exhausted into the turbine blade 30, at which time the impinging air can be used for further cooling in a known manner. The area between the manifold cover 54 and the shroud support 48 is called the outer band cavity 72 and is purged by a separate air flow source.
この構成はいくつかの利点を提供する。衝突ブランケット62をマニホルドカバー54と一体的に接合することによって、さらにマニホルドカバー54を外側バンドセグメント50と接合することによって、セグメント間の漏れという不利益を伴うことなく、高圧空気を用いて外側バンドセグメント50を衝突冷却することができる。そして、この構造によってノズル外側バンドキャビティをパージするのに低圧空気を利用することが可能になり、空気が低圧になるので、漏れ流の総量が減って、結果的にパフォーマンスに不利な条件が減ることになる。 This configuration offers several advantages. By joining the impact blanket 62 integrally with the manifold cover 54 and further joining the manifold cover 54 with the outer band segment 50, the outer band can be used with high pressure air without the disadvantage of leakage between segments. The segment 50 can be impact cooled. And this structure allows low pressure air to be used to purge the nozzle outer band cavity, and the air is at a low pressure, reducing the total amount of leakage flow and consequently reducing performance disadvantages. It will be.
以上、タービンノズルを冷却する方式を説明した。本明細書では、本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、当業者には明らかなように、添付の特許請求の範囲の範疇から逸脱することなく本発明を様々に改変することが可能である。従って、本発明は添付の特許請求の範囲によって定義されるものであり、本発明の好ましい実施形態および本発明を実施するための最良の形態に関する記載は、限定目的ではなく、あくまでも例示目的によってのみなされたものである。 The method for cooling the turbine nozzle has been described above. Although the invention has been described herein with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the scope of the appended claims. Is possible. Accordingly, the present invention is defined by the appended claims, and the description of the preferred embodiment of the invention and the best mode for carrying out the invention is not intended to be limiting, but merely for illustrative purposes. It was made.
Claims (8)
(a)アーチ状外側バンドセグメント(50)と、
(b)前記外側バンドセグメント(50)から半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根(30)と、
(c)前記外側バンドセグメント(50)に固定されたマニホルドカバー(54)であって、該マニホルドカバー(54)と前記外側バンドセグメント(50)が共同的に衝突キャビティ(68)を画定する前記マニホルドカバー(54)と、
(d)前記衝突キャビティ(68)内に配置された衝突ブランケット(62)であって、冷却空気を前記外側バンドセグメント(50)に案内するように構成される、少なくとも1つの衝突孔(64)が貫通して形成された前記衝突ブランケット(62)とからなる、タービンノズルセグメント(36)。 A turbine nozzle segment (36) comprising:
(A) an arched outer band segment (50);
(B) a hollow airfoil shaped turbine blade (30) extending radially inward from the outer band segment (50);
(C) a manifold cover (54) secured to the outer band segment (50), wherein the manifold cover (54) and the outer band segment (50) jointly define a collision cavity (68); A manifold cover (54);
(D) at least one impact hole (64) configured to guide cooling air to the outer band segment (50), the impact blanket (62) being disposed within the impact cavity (68); A turbine nozzle segment (36) consisting of said impingement blanket (62) formed therethrough.
(b)前記衝突ブランケット(62)が前記リセス(66)を閉じるように前記マニホルドカバー(54)に固定されるプレートである、請求項1又はに記載のタービンノズルセグメント(36)。 (A) having a radially inwardly facing recess (66) in which the manifold cover (54) is formed;
A turbine nozzle segment (36) according to claim 1 or claim 2, wherein the collision blanket (62) is a plate secured to the manifold cover (54) to close the recess (66).
(a)内部に配置された衝突ブランケット(62)を有する密閉衝突キャビティ(68)を前記外側バンドセグメント(50)の各々に提供するステップと、
(b)冷却空気を別々に前記衝突キャビティ(68)に案内するステップと、
(c)前記衝突ブランケット(62)の1つ以上の衝突孔(64)を介して冷却空気を前記外側バンドセグメント(50)に案内するステップと、
(d)前記衝突キャビティ(68)から冷却空気を排出するステップとからなる、方法。 A method of cooling a turbine nozzle (28) comprising an array of nozzle segments each having an arcuate outer band segment (50) with a hollow airfoil shaped turbine blade (30) extending radially inwardly. ,
(A) providing a closed collision cavity (68) with an impact blanket (62) disposed therein to each of said outer band segments (50);
(B) separately guiding cooling air to the collision cavity (68);
(C) guiding cooling air to the outer band segment (50) through one or more collision holes (64) of the collision blanket (62);
(D) discharging the cooling air from the collision cavity (68).
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