JP2009501861A - シュラウドの半径方向脚部に配置されるタービンシュラウドセグメント用フェザーシール - Google Patents

Abstract

ガスタービンシュラウドアッセンブリ（３２）は、複数のシュラウドセグメント（４２）と、隣接するシュラウドセグメントの間に設けられたシール（７４）対と、を有し、各セグメントは、プラットホーム（４４）と、半径方向に延び、かつプラットホームと一体化された前側脚部（４６）および後側脚部（４８）と、を有する。脚部には、シールが挿入されるスロット（７２）が設けられる。シールは、隣接するプラットホームの間に隙間を残した状態で、隣接するシュラウドセグメントの半径方向脚部の間に配置されており、シュラウドの冷却空気は、この隙間を半径方向に通って主ガス流路に流入し、これによって、それぞれのシュラウドセグメントにおけるプラットホームの側面（５８，６０）を冷却する。

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンシュラウドの冷却に関する。

ガスタービンシュラウドアッセンブリは通常、円周方向に互いに隣接して配置されるとともに、タービンロータを囲むシュラウドリングを形成する複数のシュラウドセグメントを有する。タービンシュラウドアッセンブリは通常、きわめて高温のガスにさらされるために冷却される必要がある。シュラウドを通って流れる冷媒は、エンジン全体の性能を低下させるので、一般的には、シュラウドセグメントの耐久性を低下させることなく、冷却流の消費を最小限にすることが望ましい。これまで、所望しない冷却流の漏れを防止し、シュラウドセグメントのプラットホームなどの高温のセグメント部品に冷却流を十分に分配する取り組みがなされてきた。それにもかかわらず、タービンシュラウドアッセンブリ内にある従来からの冷却装置では、熱解析によると、例えば、分割プラットホームの両側縁部に、シュラウドセグメントの耐久性に不利に作用する比較的高温の部分が発生し得る。

したがって、従来技術のこれらのおよび他の制限に対処した、改良されたタービンシュラウドアッセンブリを提供する必要がある。

したがって、本発明の目的は、十分に冷却されるタービンシュラウドアッセンブリを提供することである。

したがって、本発明の１つの態様は、円周方向に互いに隣接して配置される複数のシュラウドセグメントと、エンジンケーシング内でシュラウドセグメント同士を支持する環状の支持構造体と、隣接するシュラウドセグメント間に設けられるシールと、を備えるガスタービンエンジンのタービンシュラウドアッセンブリを提示する。シュラウドセグメントはそれぞれ、隣接するシュラウドセグメントのプラットホームが全体としてシュラウドリングを形成するプラットホームを有し、さらに、前側脚部および後側脚部を有し、これらの前側脚部および後側脚部は、プラットホームと一体化され、そこから半径方向外側に延びるとともに、環状の支持構造体に連結し、これによって、前側脚部と後側脚部との間に環状のキャビティを画定するように、環状の支持構造体から半径方向内側に離間したプラットホームを支持する。隣接するシュラウドセグメントの半径方向脚部の間にシールが配置されるとともに、隣接するシュラウドセグメントのプラットホームの間に半径方向の空気流路が設けられて、それぞれのシュラウドセグメントにおけるプラットホームの側部を冷却できるようにする。

本発明の他の態様は、ガスタービンエンジンにおけるタービンシュラウドアッセンブリの冷却装置を提供し、この冷却装置では、タービンシュラウドアッセンブリは、複数のシュラウドセグメントを有し、これらのシュラウドセグメントは、円周方向に互いに隣接して配置されて、全体としてシュラウドリングを形成するプラットホームを有する。前側脚部および後側脚部は、プラットホームの外側面から半径方向に延び、これによって、これらの間にキャビティを画定する。冷却装置は、キャビティ内の冷却空気が、隣接するシュラウドセグメントの前側脚部の間および後側脚部の間で漏れることを実質的に防止する第１の手段と、キャビティ内の冷却空気を使用して、それぞれのシュラウドセグメントにおけるプラットホームの内側面と両側部との間の縁部を冷却できるようにする第２の手段と、を有する。

本発明のさらなる態様は、ガスタービンエンジンにおけるタービンシュラウドアッセンブリのシュラウドセグメントを冷却する方法を提供し、この方法は、（ａ）シュラウドセグメントの前側半径方向脚部と後側半径方向脚部との間で半径方向に画定され、かつシュラウドセグメントのプラットホームと環状の支持構造体との間で軸方向に画定されたキャビティに冷却空気を連続して案内するステップと、（ｂ）キャビティ内の冷却空気を所定の圧力に維持するために、複数のシュラウドセグメントの前側半径方向脚部の間および後側半径方向脚部の間の空気漏れを実質的に防止するステップと、（ｃ）シュラウドセグメントの各々の側部を冷却するように、隣接するシュラウドセグメントのプラットホーム間の半径方向流路を経由して、シュラウドセグメントのプラットホームによって画定されるガス流路にキャビティから冷却空気を連続して案内するステップと、を有する。

以下に説明する好ましい実施形態を参照して、本発明のこれらのおよび他の特徴がより深く理解されるであろう。

図１を参照すると、ターボファンガスタービンエンジンは、本発明の用途の一例として示した本発明の実施形態を組み込んでおり、ハウジングつまりナセル１０と、コアケーシング１３と、全体として参照番号１２で示され、ファン１４、低圧圧縮機１６および低圧タービン１８を有する低圧スプールアッセンブリと、全体として参照番号２０で示され、高圧圧縮機２２および高圧タービン２４を有する高圧スプールアッセンブリと、を含んでいる。燃焼器２５は、燃焼ガスを発生させるために設けられている。低圧タービン１８および高圧タービン２４は、複数のロータ段２８およびステータベーン段３０を有する。

図１〜図４を参照すると、各ロータ段２８は、タービンシュラウドアッセンブリ３２によって囲まれた複数のロータブレード３３を有し、各ステータベーン段３０は、対応するタービンシュラウドアッセンブリ３２内の環状ガス流路３６に燃焼ガスを流入させるか、またはこの環状ガス流路から流出させて対応するロータ段２８に通流させるために、ロータ段２８の上流および／または下流に置かれたステータベーンアッセンブリ３４を有する。

例えば、低圧タービン（ＬＰＴ）ベーンアッセンブリにおける第１の段などのステータベーンアッセンブリ３４は、例えば、１つのロータ段２８のシュラウドアッセンブリ３２の下流に配置され、例えば、互いに円周方向に連結されて、複数の軸方向ステータベーン４０（１つを一部のみ示す）を備えたタービンベーンアウタシュラウド３８を形成する複数のステータベーンセグメント（図示せず）を有し、ステータベーン４０によって、ロータ段２８から燃焼ガスを流出させるために、ロータ段２８に対する環状のガス流路３６の下流側部分が分割されたガス流路に分割される。

ロータ段２８のシュラウドアッセンブリ３２は、複数のシュラウドセグメント４２（１つのみを示す）を有しており、各シュラウドセグメントは、それぞれのフック（図示せず）を備えた前側半径方向脚部４６および後側半径方向脚部４８を有するプラットホーム４４を含んでいる。シュラウドセグメント４２は、円周方向に互いに連結されて、シュラウドアッセンブリ３２を形成している。

各シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４は、外側面５０および内側面５２を有し、前端部５４と後端部５６との間で軸方向に画定され、両方の側面５８と側面６０との間で円周方向に画定される。セグメントのプラットホーム４４は、全体として、ロータブレード３３を囲むタービンシュラウドリング（図示せず）を形成し、ロータ段２８とともに環状ガス流路３６の一部を画定する。タービンシュラウドリングは、タービンベーンアウタシュラウド３８のすぐ上流に配置されるとともに、これと当接し、環状ガス流路３６の外壁（図示せず）の一部を形成している。

前側半径方向脚部４６および後側半径方向脚部４８は軸方向に離間し、外側面５０から半径方向外側に一体で延びており、前側半径方向脚部４６および後側半径方向脚部４８のフックが、複数のシュラウド支持セグメント（図示せず）で形成され、コアケーシング１３内に支持された環状のシュラウド支持構造体６２に従来からの方法で連結されている。こうして、環状の中間キャビティ６４が、前側半径方向脚部４６と後側半径方向脚部４８との間で軸方向に画定され、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４と環状の支持構造体６２との間で半径方向に画定される。環状の中間キャビティは、例えば、低圧圧縮機１６または高圧圧縮機２２からのブリード空気などの冷却空気源と流体連通し、これにより、加圧された冷却空気が環状キャビティ６４に流入され、受け入れられる。

各シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４は、プラットホーム４４をトランスピレーション冷却するために、プラットホーム４４内を軸方向に延び、かつ冷却空気を案内する、例えば、複数の穴６６などの空気冷却流路を有することが好ましい。穴加工の都合上、両端が閉じられるように円周方向に延びる溝６８が、例えば、プラットホーム４４の外側面５０に設けられており、このため、プラットホームの後端部５６から真っ直ぐ軸方向に溝に向かって穴６６をあけ、この溝６８で終端させることができる。したがって、溝６８は、キャビティ６４内に受け入れられた冷却空気を取り込むために、穴６６の共通の入口を形成する。しかし、穴あけ工程を簡便にするために、他のタイプの出口を作ることもできる。また、冷却空気を穴６６から十分に流出させ、タービンベーンアウタシュラウド３８に対する、シュラウドセグメント４２におけるプラットホーム４４の後端部５６の接触面を減少させるために、穴６６の１つまたは複数の出口を設けることが好ましい。例えば、プラットホーム４４の内側面５２に開口部を備えて、これによって、例えば、ガス流路３６に冷却空気を流出させるように、穴６６の共通出口を形成する細長い凹部７０が、プラットホーム４４の後端部５６に設けられる。冷却空気を穴６６から十分に流出させるために、他のタイプの出口を使用することもできる。

溝６８は、中間キャビティ６４と流体連通しており、このため、中間キャビティ６４に流入された冷却空気は、軸方向の穴６６に向けられ、これを通流して、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４を効果的に冷却し、次いで、プラットホーム４２の後端部５６で細長い凹部７０から流出されて、ガス流路３６に流入する以前に、タービンベーンアウタシュラウド３８などの下流のエンジン部品をさらに冷却する。

穴６６における共通の入口として機能する溝６８は、穴６６がシュラウドセグメント４２におけるプラットホーム４４の軸方向長さ全体の大部分を貫通し、これによって、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４を効果的に冷却するように、前側脚部４６に近接して配置されることが好ましい。

中間キャビティ６４内の冷却空気が漏れることを防止するとともに、中間キャビティ６４内における冷却空気の圧力を所定のレベルに維持するために、隣接するシュラウドセグメント４２の間に適切なシールを設けることが望ましい。したがって、隣接するシュラウドセグメント４２の前側半径方向脚部４６の間および後側半径方向脚部４８の間にシールが設けられている。本発明のこの実施形態では、それぞれの前側脚部４６および後側脚部４８の両側面に穴、好ましくは半径方向スロット７２を画定する。隣接する前側脚部４６または隣接する後側脚部４８の組み合う側面に画定された１対のスロット７２は、共同して１つのシールを収容する。例えば、フェザーシール７４が設けられ、各スロット７２は、フェザーシール７４の一部を受ける。フェザーシール７４は従来技術では公知であり、本明細書で詳細に説明することはしない。手短に言えば、フェザーシール７４は、１対のスロット７２で形成される連結キャビティ内に緩く収容された、概ね長方形断面の薄い金属バンドを有する。したがって、中間キャビティ６４内の空気圧と、前部キャビティ７６または後部キャビティ７８内の空気圧との間の圧力差のもと、フェザーシール７４は、（前側脚部４６に画定されたスロット７２内で）軸方向前側に押されるか、または（後側脚部４８に画定されたスロット７２内で）軸方向後側に押されて、それぞれのスロット７２の対応する側壁に当接し、これによって、隣接する前側脚部４６または隣接する後側脚部４８の組み合っている側面の間の隙間によって画定される軸方向流路を実質的に遮断する。あるいは、任意の他のタイプの薄い、可撓性の板金シールをこの目的で使用することができる。

熱解析によると、プラットホーム４４を貫通する軸方向穴６６に冷却空気を通流させることによって生じるプラットホーム４４のトランスピレーション冷却は、プラットホーム４４のほとんどの領域に対して有効であるが、特に、隣接するプラットホーム４４の組み合う側面の間に半径方向シールを設けた場合に、これは、中間キャビティ６４内の冷却空気の圧力損失を管理するのに、従来技術で広く使用されていることではあるが、両側面５８，６０に近接した領域をあまり効果的に冷却することができない。本発明のこの実施形態によれば、隣接するプラットホーム４４の組み合う側面５８と側面６０との間に隙間が設けられることで流路を形成し（図４を参照のこと）、中間キャビティ６４内の冷却空気が（図４の矢印で示すように）半径方向下方に進んでガス流路３６に流入することを可能にし、これによって、隣接するプラットホーム４４の組み合う側面５８，６０から熱を吸収し、特に、シュラウドセグメント４２におけるプラットホーム４４の内側面５２とそれぞれの側面５８，６０をつなぐ縁部を効果的に冷却する。

本発明は、冷却空気流の分配を適切に調整して、シュラウドアッセンブリでの所望しない空気漏れを最小限にしながら、シュラウドセグメントにおけるプラットホームの側面を効果的に冷却して、プラットホーム上の側面に近い部分が比較的高温にならないようにするとともに、シュラウドセグメントの耐久性を改良する。

上記の説明は、単に例示することを意図しており、当業者ならば、開示した本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対して変更を加えることができると分かるであろう。例えば、シュラウドセグメントのプラットホームを冷却するために、プラットホームの外側面に衝突するように冷却空気流を案内するなど、上記の実施形態で説明したシュラウドセグメントにおけるプラットホームのトランスピレーション冷却を別の形で構成することができる。シュラウドの半径方向脚部の間にシールを取り付ける代わりに、隣接するシュラウドの半径方向脚部の間の空気漏れを防止するシールとして機能する、隣接するシュラウドの半径方向脚部の任意の嵌め合い構造を本発明の別の実施形態で使用することができる。この開示を検討すれば、本発明の範囲に含まれるさらに他の修正が当業者には明らかになるであろうし、このような修正は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。

ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。 本発明の１つの実施形態に従って、図１のガスタービンエンジンに使用するタービンシュラウドアッセンブリの軸方向の断面図である。 図２のタービンシュラウドアッセンブリで使用されるシュラウドセグメントの斜視図である。 隣接するシュラウドセグメントにおけるプラットホームの組み合う側面の間の隙間によって形成された、冷却空気が通過する半径方向流路を示しており、図２の線４−４に沿って取ったシュラウドアッセンブリの部分断面図である。

Claims (18)

1. ガスタービンエンジンのタービンシュラウドアッセンブリであって、
   円周方向に互いに隣接して配置される複数のシュラウドセグメントと、
   エンジンケーシング内で前記シュラウドセグメント同士を支持する環状の支持構造体と、
   隣接するシュラウドセグメントの間に設けられるシールと、
   を有し、
   前記シュラウドセグメントはそれぞれ、前記隣接するシュラウドセグメントのプラットホームが全体としてシュラウドリングを形成するプラットホームを有し、さらに、前側脚部および後側脚部を有し、該前側脚部および該後側脚部は、前記プラットホームと一体化され、そこから半径方向外側に延びるとともに、前記環状の支持構造体と連結し、これによって、前記前側脚部と前記後側脚部との間に環状のキャビティを画定するように、前記環状の支持構造体から半径方向内側に離間した前記プラットホームを支持し、前記シールは、前記隣接するシュラウドセグメントの前記半径方向脚部の間に配置されており、半径方向の空気流路は、前記隣接するシュラウドセグメントのプラットホームの間に設けられており、前記シュラウドセグメントの各々における前記プラットホームの側面を冷却することを特徴とするタービンシュラウドアッセンブリ。
2. 前記半径方向流路は、隣接するプラットホームの組み合う側面の間の隙間によって画定されることを特徴とする請求項１に記載のタービンシュラウドアッセンブリ。
3. 前記シールは、各隣接する前側脚部の対の間および各隣接する後側脚部の対の間に配置されたフェザーシールからなることを特徴とする請求項１に記載のタービンシュラウドアッセンブリ。
4. 前記シュラウドセグメントはそれぞれ、前記前側脚部および後側脚部の各々の両側面に画定され、それぞれ１つのフェザーシールの一部を受ける半径方向スロットを有することを特徴とする請求項３に記載のタービンシュラウドアッセンブリ。
5. 前記シュラウドセグメントはそれぞれ、前記プラットホームの内部を貫通して延びており、前記前側脚部と前記後側脚部との間で外側面に画定される少なくとも１つの入口を有する冷却流路を備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンシュラウドアッセンブリ。
6. 前記冷却流路は、前記プラットホームの後端部に画定される少なくとも１つの出口を有することを特徴とする請求項５に記載のタービンシュラウドアッセンブリ。
7. ガスタービンエンジンにおけるタービンシュラウドアッセンブリの冷却装置であって、
   タービンシュラウドアッセンブリは、複数のシュラウドセグメントを有し、該シュラウドセグメントは、円周方向に互いに隣接して配置され、かつ全体としてシュラウドリングを形成するプラットホームを有し、さらに、前記プラットホームの外側面から半径方向に延びており、これによって、これらの間にキャビティを画定する前側脚部および後側脚部を有し、
   前記キャビティ内の冷却空気が、前記隣接するシュラウドセグメントの前記前側脚部の間および前記後側脚部の間で漏れることを実質的に防止する第１の手段と、
   前記キャビティ内の冷却空気を使用して、前記シュラウドセグメントの各々における前記プラットホームの内側面とそれぞれの両側面を連結する縁部を冷却する第２の手段と、
   を有する冷却装置。
8. 前記シュラウドセグメントの前記プラットホームをトランスピレーション冷却する第３の手段をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
9. 前記第１の手段は、隣接する前側脚部の間および隣接する後側脚部の間にそれぞれ位置する軸方向流路を実質的に遮断するように配置され、かつ半径方向に延びる複数のフェザーシールを有することを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
10. 前記シュラウドセグメントはそれぞれ、前記前側脚部および前記後側脚部の各々の両側面にキャビティを有し、各々の対の該キャビティは、隣接する脚部の組み合う側面に画定され、共同して前記フェザーシールの１つを収容することを特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
11. 前記第２の手段は、前記隣接するシュラウドセグメントの各々の対における組み合う側面の間の隙間からなることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
12. 前記第３の手段は、前記シュラウドセグメントの各々における前記プラットホームを貫通する複数の軸方向流路を有し、該軸方向流路は、前記冷却空気を取り込み、前記プラットホームの後端部から冷却空気を流出させるために、前記前側脚部と前記後側脚部との間の前記環状キャビティと流体連通することを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
13. ガスタービンエンジンにおけるタービンシュラウドアッセンブリのシュラウドセグメントを冷却する方法であって、
    （ａ）シュラウドセグメントの前側半径方向脚部と後側半径方向脚部との間で半径方向に画定され、前記シュラウドセグメントのプラットホームと環状の支持構造体との間で軸方向に画定されたキャビティに冷却空気を連続して案内するステップと、
    （ｂ）前記キャビティ内の前記冷却空気を所定の圧力に維持するために、前記シュラウドセグメントの前記前側半径方向脚部の間および前記後側半径方向脚部の間の空気漏れを実質的に防止するステップと、
    （ｃ）前記シュラウドセグメントの各々の側面を冷却するように、隣接するシュラウドセグメントのプラットホームの間の半径方向流路を経由して、前記シュラウドセグメントの前記プラットホームによって画定されたガス流路に前記キャビティから前記冷却空気を連続して案内するステップと、
    を含む冷却方法。
14. 前記シュラウドセグメントのプラットホームをトランスピレーション冷却するように、前記個々のシュラウドセグメントの内部を貫通して延びる流路に前記キャビティから前記冷却空気を連続的に案内するステップ（ｄ）を有することを特徴とする請求項１３に記載の冷却方法。
15. ステップ（ｂ）は、前記シュラウドセグメントの前記前側半径方向脚部の間および前記後側半径方向脚部との間に設けられるフェザーシールを使用して実施されることを特徴とする請求項１３に記載の冷却方法。
16. ステップ（ｃ）は、前記半径方向流路を形成する隣接するプラットホームの組み合う側面の間の隙間を使用して実施されることを特徴とする請求項１３に記載の冷却方法。
17. ステップ（ｄ）は、前記冷却空気を取り込むために、前記個々のシュラウドセグメントの外側面に画定され、前記個々のシュラウドセグメントの前記前側脚部と前記後側脚部との間に配置される少なくとも１つの流路入口を使用して実施されることを特徴とする請求項１４に記載の冷却方法。
18. ステップ（ｄ）は、前記ガス流路に流入する以前に前記エンジンの一部を冷却するように、前記冷却空気を前記流路から流出させるために、前記個々のシュラウドセグメントにおける前記プラットホームの後端部に画定された少なくとも１つの流路出口を使用して実施されることを特徴とする請求項１７に記載の冷却方法。

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