JP2012507658A - 拡散冷却通路を備えたシュラウドハンガ - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンのためのシュラウドハンガ（４４）は、反対側の内面および外面ならびに反対側の前端部および後端部を備えた弓形本体（５２）と、（ａ）本体を通って延在する、略軸方向に位置合わせされたチャネル（７６）であり、本体の外部に開く一端を有するチャネル（７６）、および（ｂ）内面を通って延在しかつチャネルと交差している、略径方向に位置合わせされたディフューザ（７８）を含む少なくとも１つの冷却通路（７４）を中に有するチャネルとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、全般的に、ガスタービンエンジンのタービンに関し、さらに詳細には、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。

ガスタービンエンジンは、直列流れ関係にある高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンまたはガス発生器タービンとを有する、ターボ機械コアを含む。このコアは、既知の方法で一次ガス流を生成するように動作可能である。

ガス発生器タービンは、一次ガス流からエネルギーを抽出する１つまたは複数ロータを含む。各ロータは、回転ディスクにより担持されているブレードまたはバケットの環状アレイを含む。ロータを通過する流路は、部分的に画定されている。通常、２つ以上の段が直列流れ関係で使用されている。これらの構成要素は、極度の高温環境で動作するものであり、適切な耐用年数を保証するために空気流によって冷却しなければならない。通常、冷却に使用される空気は、圧縮機の１つまたは複数の点から抽出される。

従来の冷却式タービンシュラウドは、セグメント化されたハンガによって支持されおり、このハンガを通ってシュラウド冷却用空気が供給される。この空気は、通常、ハンガの本体の孔を通して供給される。ハンガを通った後で、空気は、ハンガとシートメタルインピンジメントバッフルとにより形成されているプレナムに進入する。次いで、空気はバッフルを通過し、シュラウドに衝突する。シートメタルバッフルを損傷させないために、空気がバッフルに直接衝突しないようにハンガの孔に角度が付けられていること、または空気が、プレナムに進入する前に拡散されることが好ましい。

現在のタービンシュラウドハンガは、バッフルに直接突き当たる真っ直ぐな孔、または複数の鋳造ディフューザを備えた孔のどちらかを使用する。直接インピンジメントを利用するタービンシュラウドハンガは、ハンガ孔から来る高速空気による作用（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）に起因するシートメタルバッフルのひび割れを受けた。従来の鋳造ディフューザは、相当な空間が組み込まれることを必要とし、鋳造過程において石英ロッドの使用を必要とする可能性がある。

先行技術のこれらおよび他の欠点が、単純で小型のインピンジメント空気ディフューザを組み込んでいるタービンシュラウドハンガを提供する本発明により対処される。

本発明の一態様によれば、ガスタービンエンジンのためのシュラウドハンガが、反対側の内面および外面ならびに反対側の前端部および後端部を備えた弓形本体と、（ａ）本体を通って延在する、略軸方向に位置合わせされたチャネルであり、本体の外部に開く一端を有するチャネル、および（ｂ）内面を通って延在しかつチャネルと交差している、略径方向に位置合わせされたディフューザを含む少なくとも１つの冷却通路を中に有するチャネルとを有する。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのためのシュラウドハンガを作製する方法が、（ａ）反対側の内面および外面ならびに反対側の前端部および後端部を備えた弓形本体を鋳造するステップと、（ｂ）内面を通って延在する略径方向に位置合わせされたディフューザを形成するステップと、（ｃ）本体を通って延在する、略軸方向に位置合わせされたチャネルであり、本体の外部に開く一端を有しかつディフューザと交差しているチャネルを形成するステップとを含む。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することにより、最も良く理解することができる。

本発明の態様に従って構成されているタービンエンジンのガス発生器コアの概略横断面図である。 図１に示されているタービンシュラウドハンガの横断面図である。 図２の線３−３に沿った図である。 図２の線４−４に沿った図である。 タービンシュラウドハンガを鋳造するための鋳型の概略横断面図である。 図５の鋳型を使用するシュラウドハンガ鋳造品の概略横断面図である。 冷却通路が中に機械加工された後の、図９のシュラウドハンガの図である。 本発明の態様に従って構成されている代替的タービンシュラウドハンガの横断面図である。 図８の線９−９に沿った図である。 図８の線１０−１０に沿った図である。

種々の図面を通じて同一参照番号が同一要素を示す図面を参照すると、図１および図２は、ガスタービンの部分を形成するガス発生器タービン１０を示している。ガス発生器タービンは、第１段ノズル１２を備えており、このノズルは、弓形のセグメント化された第１段外側バンド１６と弓形のセグメント化された第１段内側バンド１８との間に支持されている複数の円周方向に離間されたエーロフォイル形状中空の第１段ベーン１４を含む。第１段ベーン１４と、第１段外側バンド１６と、第１段内側バンド１８とは、完全な３６０°の組立体を集合的に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なるように配列されている。第１段外側バンド１６と第１段内側バンド１８とは、第１段ノズル１２を通って流動する高温ガス流の外側径方向流路境界と内側径方向流路境界とをそれぞれ画定する。第１段ベーン１４は、燃焼ガスを第１段ロータ２０に最適に方向付けるように構成されている。

第１段ロータ２０は、エンジンの中心線軸を中心に回転する第１段ディスク２４から外側に延出しているエーロフォイル形状の第１段タービンブレード２２のアレイを含む。セグメント化された弓形の第１段シュラウド２６が、第１段タービンブレード２２を近接して取り巻くように配置されており、それにより、第１段ロータ２０を通って流動する高温ガス流の外側径方向流路境界を画定する。

第２段ノズル２８が、第１段ロータ２０の下流に配置されており、弓形のセグメント化された第２段外側バンド３２と弓形のセグメント化された第２段内側バンド３４との間に支持されている複数の円周方向に離間されたエーロフォイル形状中空の第２段ベーン３０を含む。第２段ベーン３０と、第２段外側バンド３２と、第２段内側バンド３４とは、完全な３６０°の組立体を集合的に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なるように配列されている。第２段タービンノズル２８を通って流動する高温ガス流の、第２段外側バンド３２は外側径方向流路境界を、第２段内側バンド３４は内側径方向流路境界を、それぞれ画定する。第２段ベーン３０は、燃焼ガスを第２段ロータ３６に最適に方向付けるように構成されている。

第２段ロータ３６は、エンジンの中心線軸を中心に回転する第２段ディスク４０から径方向外側に延出しているエーロフォイル形状の第２段タービンブレード３８の径方向アレイを含む。セグメント化された弓形の第２段シュラウド４２が、第２段タービンブレード３８を近接して取り巻くように配置されており、それにより、第２段ロータ３６を通って流動する高温ガス流の外側径方向流路境界を画定する。

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クリップを既知の方法で使用して弓形のシュラウドサポート４６により担持されている弓形の第１段シュラウドハンガ４４のアレイにより支持されている。シュラウドプレナム４８が、第１段シュラウドハンガ４４と第１段シュラウド２６との間に画定されている。シュラウドプレナム４８は、既知の方法でインピンジメント冷却孔を開けられたバッフル５０を含む。

図２、図３および図４は、第１段シュラウドハンガ４４の１つをさらに詳細に示している。第１段シュラウドハンガ４４は、単に、例えば第２段シュラウド４２を支持しているハンガなどの他の同様の構成要素に等しく適用可能である本発明の原理を説明する例として使用されているに過ぎないことに留意されたい。第１段シュラウドハンガ４４は、単一鋳造品であり、反対側の内面５４および外面５６ならびに反対側の前端部５８および後端部６０を備えた弓形本体５２を有する。略Ｌ形の横断面を有する前部フック６２が、前端部５８において内面５４から径方向内側に延出している。略Ｌ形の横断面を有する後部フック６４が、後端部６０において内面５４から径方向内側に延出している。

軸方向脚部６８と径方向脚部７０とを備えた、略Ｌ形の横断面を有する前部取付けレール６６が、前端部５８において外面５６から延出している。略Ｌ形の横断面を有する後部取付けレール７２が、後端部６０において外面５６から延出している。

冷却通路７４の環状アレイが、本体５２内に形成されている。各冷却通路７４は、略軸方向に位置合わせされたチャネル７６と、略径方向に位置合わせされたディフューザ７８とを有する。チャネル７６は、前部取付けレール６６の径方向脚部７０を通過し、本体５２を通って延在する。図示の例では、チャネル７６の各々は、本体５２の外面５６から径方向外側に突出している任意選択のボス８０を通過している。チャネル７６の後端部は、ディフューザ７８に連結している。ディフューザ７８は、内面５４を通過し、本体５２を通ってボス８０内に延在する。ディフューザ７８の横断面流量範囲は、チャネル７６の横断面流量範囲より大幅に大きい。この例では、ディフューザ７８の後壁８２とチャネル７６の中心線との間の角度θ₁は、約９０度である。

動作中、エンジン内部の源からの冷却空気、例えば圧縮機の抽気、が、チャネル７６に供給される。チャネル７６を通って来る高速空気が、ディフューザ７８の後壁８２に衝突した時にその速度ヘッドのいくらかを失う。ディフューザの後壁は比較的厚い鋳造品の一部なので、冷却空気による作用に起因する損傷の危険がないように、十分な厚さを有するようにそれを作製することができる。より低速の空気は、次いで、図２に矢印で示されている通り径方向内側に方向転換し、拡散する。空気は、次に、シュラウドプレナム４８（図１参照）内に流入し、そこで、空気は、既知の方法でインピンジメント冷却に使用される。分析に基づいて、ディフューザ７８の軸方向位置を各特定の用途のために選択的に配置して、シュラウドプレナム４８内での空気の均一な送達を確実にすることができ、それにより、第１段シュラウド２６のための均一なインピンジメント冷却がもたらされる。

シュラウドハンガ４４は、既知のインベストメント鋳造法を使用して製造されてもよく、その方法では、シュラウドハンガ４４の形状およびその内部特徴を画定する空洞「Ｃ」を有するセラミックの鋳型が作り出される（図５に概略的に「Ｍ」で示されている）。鋳型の空洞Ｃは、ディフューザ７８の形状の不可欠な特徴すなわち突出部「Ｐ」を含む。鋳型Ｍは炉に配置され、例えば既知のコバルト基またはニッケル基の「超合金」などの液体金属が、その開口部（図示せず）内に注入される。金属がそのまま冷却され固められた後、外殻は破壊され、除去され、図６に示されている通り、ディフューザ７８を具備する、シュラウドハンガ４４の形になった鋳造品を露出させる。任意選択で、ディフューザ７８を、鋳造後に機械加工により形成することができると考えられる。

鋳造過程が完了した後、図７に示されている通り、チャネル７６は、機械加工により（例えば、穿孔、ＥＣＭ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：電解加工）、ＥＤＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：放電加工）、または同様の方法により）径方向脚部７０およびボス８０を通ってディフューザ７８と交差するように形成される。任意選択で、チャネル７６を、鋳造中に、石英ロッドまたは他の耐火コア要素を鋳型Ｍ内に既知の方法で組み込むことにより形成することができると考えられる。

冷却通路７４の寸法および形状は、特定の用途に適合するように変えられてもよい。例えば、図８〜図１０は、前述のシュラウドハンガ４４と構成上類似の代替的シュラウドハンガ１４４を示す。このシュラウドハンガは、チャネル１７６とディフューザ１７８とを含む冷却通路１７４を備えている。この例では、ディフューザ１７８の後壁１８２とチャネル１７６の中心線との間の角度θ₂は、約４５度である。本設計は、図２〜図４に示されている設計より、冷却通路１７４を出る流動に生じる圧力損失がより低く、用途によっては望ましい場合がある。

本明細書に記載されているシュラウドハンガは、従来の設計を凌ぐいくつかの利点を有する。チャネル７４の鋳肌を標的とすることにより、高速インピンジメント空気により生じるバッフルの損傷が回避される。本構成はまた、典型的な直列ディフューザ構成のための十分な空間がない限られた空間の領域で動作するように最適化されている。最後に、鋳造特徴は、作り出すのが比較的簡単であり、製造過程のコストおよび複雑さを低減する。

上述では、ガスタービンエンジンのためのシュラウドハンガを記載した。本発明の特定の実施形態を記載したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなくそれらに対して種々の修正を施すことができることが、当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明の好適な実施形態の上記説明、および本発明を実践するための最良の形態は、限定目的ではなく、例示目的のためにのみ提供されている。

１０ ガス発生器タービン
１２ 第１段ノズル
１４ 第１段ベーン
１６ 第１段外側バンド
１８ 第１段内側バンド
２０ 第１段ロータ
２２ 第１段タービンブレード
２４ 第１段ディスク
２６ 第１段シュラウド
２８ 第２段ノズル
３０ 第２段ベーン
３２ 第２段外側バンド
３４ 第２段内側バンド
３６ 第２段ロータ
３８ 第２段タービンブレード
４０ 第２段ディスク
４２ 第２段シュラウド
４４ 第１段シュラウドハンガ
４６ シュラウドサポート
４８ シュラウドプレナム
５０ バッフル
５２ （シュラウドハンガの）本体
５４ 内面
５６ 外面
５８ 前端部
６０ 後端部
６２ 前部フック
６４ 後部フック
６６ 前部取付けレール
６８ 軸方向脚部
７０ 径方向脚部
７２ 後部取付けレール
７４、１７４ 冷却通路
７６、１７６ チャネル
７８、１７８ ディフューザ
８０ ボス
８２、１８２ （ディフューザの）後壁
１４４ シュラウドハンガ
Ｃ 空洞
Ｍ 鋳型
Ｐ 突出部
θ₁、θ₂ 角度

Claims (18)

1. ガスタービンエンジンのためのシュラウドハンガであって、反対側の内面および外面ならびに反対側の前端部および後端部を備えた弓形本体と、
   （ａ）前記本体を通って延在する、略軸方向に位置合わせされたチャネルであり、前記本体の外部に開く一端を有するチャネル、および、
   （ｂ）前記内面を通って延在しかつ前記チャネルと交差している、略径方向に位置合わせされたディフューザ
   を含む少なくとも１つの冷却通路（７４）を中に有するチャネルとを備えるシュラウドハンガ。
2. 前記本体の前記外面から径方向外側に延出している、軸方向に離間された前部取付けレールと後部取付けレールとをさらに含む、請求項１記載のシュラウドハンガ。
3. 前記チャネルが、前記取付けレールのうちの１つを通過している、請求項２記載のシュラウドハンガ。
4. 前記本体の前記外面から径方向外側に延出している少なくとも１つのボスをさらに含み、前記少なくとも１つの冷却通路が、前記少なくとも１つのボスの内部に少なくとも部分的に配置されている、請求項１記載のシュラウドハンガ。
5. 前記内面から径方向内側に延出している少なくとも１つのフックをさらに含む、請求項１記載のシュラウドハンガ。
6. 前記少なくとも１つのフックが、略Ｌ形の横断面を有する、請求項５記載のシュラウドハンガ。
7. 前記チャネルの中心線から約９０度以下の非平行角度で、後壁が配設されている、請求項１記載のシュラウドハンガ。
8. 前記チャネルの中心線に対して約４５度の角度で、後壁が配設されている、請求項１記載のシュラウドハンガ。
9. ガスタービンエンジンのためのシュラウドハンガを作製する方法であって、
   （ａ）反対側の内面および外面ならびに反対側の前端部および後端部を備えた弓形本体を鋳造するステップと、
   （ｂ）前記内面を通って延在する略径方向に位置合わせされたディフューザを形成するステップと、
   （ｃ）前記本体を通って延在する、略軸方向に位置合わせされたチャネルであり、前記本体の外部に開く一端を有しかつ前記ディフューザと交差しているチャネルを形成するステップと
   を含む、方法。
10. 前記ステップ（ｂ）が、前記ディフューザの形状を画定する不可欠な特徴を具備する鋳型を使用して前記本体を鋳造することにより実施される、請求項９記載の方法。
11. 前記ステップ（ｃ）が、前記チャネルを前記鋳放しの本体に機械加工することにより実施される、請求項９記載の方法。
12. 前記シュラウドハンガが、前記本体の前記外面から径方向外側に延出している軸方向に離間された前部取付けレールと後部取付けレールとをさらに含む、請求項９記載の方法。
13. 前記チャネルが、前記取付けレールのうちの１つを通過するように形成されている、請求項１２記載の方法。
14. 前記本体の前記外面から径方向外側に延出している少なくとも１つのボスをさらに含み、前記少なくとも１つの冷却通路が、前記少なくとも１つのボスの内部に少なくとも部分的に配置されている、請求項９記載の方法。
15. 前記内面から径方向内側に延出している少なくとも１つのフックをさらに含む、請求項９記載の方法。
16. 前記少なくとも１つのフックが、略Ｌ形の横断面を有する、請求項１５記載の方法。
17. 前記チャネルの中心線から約９０度以下の非平行角度で、後壁が配設されている、請求項９記載の方法。
18. 前記チャネルの中心線に対して約４５度の角度で、後壁が配設されている、請求項９記載の方法。

Images