JP2017096256A - ガスタービンエンジン用シュラウド組立体 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用シュラウド組立体を提供する。【解決手段】シュラウド組立体８０は、複数のブレード６８の近くに配置されたシュラウド９２、ハンガー９４、及びハンガー支持部９６を含む。ハンガー９４は、冷却回路を定める内部チャンバ１０２を有することができ、粒子セパレータが、内部チャンバ１０２の中に配置される。粒子セパレータは、冷却流体の流れを受け入れる入口を有することができ、冷却流体の流れは、主流れ１７２と副流れ１７４とに分かれ、粒子又は粒子状物質は副流れ１７４に沿って粒子セパレータの少なくとも一部を構成する粒子コレクタ１１４に運び入れられる。粒子は、副流れ１７４に拘束されて粒子コレクタに流入するが、主流れ１７２は、内部チャンバ１０２の残りの部分に分けられ、内部チャンバ１０２に流入する冷却流体の流れから粒子を除去する。【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービンエンジン用シュラウド組立体に関する。
タービンエンジン、及び特にガス又は燃焼タービンエンジンは、エンジンを通って複数のタービンブレード上を通過する燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出する回転エンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上及び海上移動並びに発電用に使用されているが、最も一般的には、ヘリコプターを含む航空機などの航空用途で使用されている。航空機において、ガスタービンエンジンは、航空機の推進用に使用される。地上用途では、タービンエンジンは、発電用に使用されることが多い。
航空機用のガスタービンエンジンは、エンジン効率を最大にするために高温で作動するよう設計されているので、高圧タービン及び低圧タービンなどの特定のエンジン構成要素の冷却が必要な場合がある。一般に、冷却は、高圧及び／又は低圧圧縮機からの低温の空気を冷却が必要となるエンジン構成要素にダクト供給することにより達成される。高圧タービン内の温度は約１０００°Ｃ〜２０００°Ｃであり、圧縮機からの冷却空気は、約５００°Ｃ〜７００°Ｃである。圧縮機空気は高温であるが、タービン空気よりは低温であり、タービンを冷却するために使用することができる。タービンの冷却する場合、タービンブレード及びタービンシュラウドの内部を含む種々のタービン構成要素に冷却空気を供給することができる。
冷却空気の中の埃、塵埃、砂、火山灰、及び環境汚染物等の粒子は、却の喪失及び航空機環境に関する冷運転時間又は「翼上時間（ｔｉｍｅ−ｏｎ−ｗｉｎｇ）」の低下を引き起こす可能性がある。この問題は、タービンエンジンが大量の浮遊粒子に晒される地球の周りの特定の動作環境で深刻になる。タービン構成要素にもたらされる粒子は、流れ通路及び構成要素の表面を目詰まりさせる、遮る、又は被覆する場合があり、構成要素の耐用年数が短くなる可能がある。
米国特許第８１０４３６２号明細書
ケーシング内に圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するタービンエンジン用シュラウド組立体であって、タービンは、複数の環状に配置されたノズルを定める固定ベーンと、固定ベーンと対になってタービンの１つの段を定める複数の環状に配置された回転ブレードとを有する。シュラウド組立体は、ブレードに対向する表側及び上記表側の反対側の裏側を有するシュラウドと；シュラウドを上記ケーシングに結合して、内部チャンバを定め、貫通してチャンバと流体接続する入口通路を有する前方面と、貫通してチャンバと流体接続する出口通路を有する後方面とを有する、ハンガーと；入口通路と流体接続して、入口通路を介してチャンバに冷却流体流を供給する第１の部分と、出口通路と流体接続して排出流れ通路を定める第２の部分とを有する、冷却回路と；チャンバの中に配置され、入口通路から離間しかつこれに対向して入口通路との間に間隙を定める排出流れ入口と、排出流れ通路に流体接続する排出導管と、排出流れ入口を排出導管に流体接続するチョーク部とを有する、少なくとも１つの粒子セパレータと、を備える。間隙は、冷却流体流の第１の部分が該間隙を通って流出する大きさであり、入口通路は、排出入口に位置合わせされ、冷却流体流の第２の部分が、入口通路から間隙を通って排出入口に流入して、冷却流体流に取り込まれた粒子が、主として運動量によって冷却流体流の第２の部分に拘束され、排出流体流を定める。
ケーシング内に圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するタービンエンジン用構成要素であって、タービンは、複数の環状に配置されたノズルを定める固定ベーンと、固定ベーンと対になってタービンの１つの段を定める複数の環状に配置された回転ブレードとを有する。構成要素は、内部チャンバを定め、貫通してチャンバと流体接続する入口通路を有する第１の面と、貫通してチャンバと流体接続する出口通路を有する第２の面とを有する、本体と；入口通路と流体接続して、入口通路を介してチャンバに冷却流体流を供給する第１の部分と、出口通路と流体接続して排出流れ通路を定める第２の部分とを有する、冷却回路と；チャンバの中に配置され、入口通路から離間しかつこれに対向して入口通路との間に間隙を定める排出流れ入口と、排出流れ通路に流体接続する排出導管と、排出流れ入口を排出導管に流体接続するチョーク部と、を有する、少なくとも１つの粒子セパレータと、を備える。間隙は、冷却流体流の第１の部分が該間隙を通って流出する大きさであり、入口通路は、排出入口に位置合わせされ、冷却流体流の第２の部分が、入口通路から間隙を通って排出入口に流入して、冷却流体流に取り込まれた粒子が、主として運動量によって冷却流体流の第２の部分に拘束され、排出流体流を定める。
圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するタービンエンジン用シュラウド組立体は、複数の環状の回転ブレードに対向するシュラウドと、シュラウドに結合して入口及び排出流れ出口を有する内部チャンバを定めるハンガーと、内部チャンバの中に配置されたバーチャルインパクタとを備える。冷却流体流は、入口を通って内部チャンバに導入され、バーチャルインパクタは、冷却流体流を、バーチャルインパクタを通って排出流れ出口から排出される排出粒子流体流と、内部チャンバの中でバーチャルインパクタの外部を流れる低減粒子流体流とに分離する。
航空機用ガスタービンエンジンの概略断面図。 図１のエンジンの燃焼器及び高圧タービンの側部断面図。 粒子セパレータを備えた図１のエンジンのシュラウド組立体の概略断面図。 図３の粒子セパレータの入口の拡大図。 シュラウド組立体を進む冷却流体に関する流路を示すシュラウド組立体の概略断面図。
本発明の記載された実施形態はタービンブレードに関し、より具体的にはタービンブレードの冷却に関する。例示目的で、本発明は、航空機ガスタービンエンジンに関して説明する。しかしながら、本発明は、これに限定されず、他の移動体用途、及び非移動体、商用、及び住宅用途などの非航空機用途における一般的に応用することができることを理解されたい。また、固定ベーン等のタービンエンジンの中のブレード以外の翼形部に応用することができる。
図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、前方１４から後方１６に延びた略長手方向に延びる軸線又は中心線１２を有する。エンジン１０は、下流側直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８と、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２と、排気セクション３８と、を含む。
ファンセクション１８は、ファン２０を囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、燃焼ガスを発生するエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、ファンケーシング４０と結合することができるコアケーシング４６により囲まれる。
エンジン１０の中心線１２の周りに同軸方向に配置されたＨＰシャフト又はスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動可能に接続する。より大きな直径の環状ＨＰスプール４８内にエンジン１０の中心線１２の周りに同軸方向に配置されたＬＰシャフト又はスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動可能に接続する。
ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６はそれぞれ、複数の圧縮機段５２、５４を含み、ここでは圧縮機ブレード５６、５８のセットが固定圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段５２、５４において、複数の圧縮機ブレード５６、５８は、リング状に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端まで中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができるが、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２は、回転ブレード５６、５８の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示されるブレード、ベーン、及び対応する圧縮機段の数は、例証として選択されおり、他の数も実施可能である点に留意されたい。
ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６はそれぞれ、複数のタービン段６４、６６を含み、ここではタービンブレード６８、７０のセットが固定タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）の対応するセットに対して回転して、段を通過する流体ストリームからエネルギーを抽出する。単一のタービン段６４、６６において、複数のタービンブレード６８、７０をリング状に設けることができ、ブレードプラットフォームからブレード先端まで中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができるが、対応する固定タービンベーン７２、７４は、回転ブレード６８、７０の下流側に隣接して位置付けられる。図１に示されるブレード、ベーン、及びタービン段の数は、例証として選択されおり、他の数も実施可能である点に留意されたい。
作動時には、回転ファン２０は、周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、次いで、該ＬＰ圧縮機２４は、加圧した周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給して、該ＨＰ圧縮機２６が周囲空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼室３０において燃料と混合されて点火され、これにより燃焼ガスを発生する。これらのガスからＨＰタービン３４によって一部の仕事が抽出され、これによりＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスは、ＬＰタービン３６に吐出され、該ＬＰタービン３６が追加の仕事を抽出してファン２０を駆動し、最終的に排気ガスは、排気セクション３８を介してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６を駆動することにより、ＬＰスプール５０を駆動してファン２０及びＬＰ圧縮機２４を回転させる。
ファン２０によって供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４をバイパスし、エンジン１０の一部分、特に高温部分の冷却に使用され、及び／又は航空機の他の態様の冷却又は動力供給に用いることができる。タービンエンジンの関連において、エンジンの高温部分は通常、燃焼器３０、特にタービンセクション３２の下流側にあり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直ぐ下流側にあるので最も高温の部分である。冷却流体の他の供給源は、限定ではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から吐出される流体とすることができる。
図２は、図１のエンジン１０の燃焼器３０及びＨＰタービン３４の側部断面図である。燃焼器３０は、デフレクタ７６及び燃焼器ライナ７８を含む。タービン３４のタービンブレード６８に軸方向に隣接して、放射状に離間した固定タービンベーン７２のセットがあり、隣接するベーン７２はそれらの間にノズルを形成する。タービン３４によってエネルギーを最大限取り出すことができるように、ノズルは燃焼ガスを回転ブレードに良好に流入させるように転向させる。高温燃焼ガスＨがベーン７２の外面に沿って通る際に、冷却流体流れＣは、ベーン７２を通過してベーン７２を冷却する。シュラウド組立体８０は、回転ブレード６８に隣接してタービン３４の流れ損失を最小にしかつ環状高温ガス流路を定める。同様のシュラウド組立体は、ＬＰタービン３６、ＬＰ圧縮機２４、又はＨＰ圧縮機２６にも関連付けることができる。
第１のバイパス流路８２ａ及び第２のバイパス流路８２ｂを備えるバイパス流路のセットは、それぞれ燃焼器３０の半径方向上部及び下部で燃焼器３０に隣接して配置される。各バイパス流路８２ａ、８２ｂは、圧縮機セクション２２をタービンセクション３２に流体接続する開口８４を備える。矢印８６は、バイパス流路を通る冷却流体の流れを示す。第１の流れ８６ａは、第１のバイパス流路８２ａを通過し、第２の流れ８６ｂは、第２のバイパス流路８２ｂを通過して、シュラウド組立体８０に流入することができる。第１のバイパス流路８２ａは、冷却流体の流れを直接、シュラウド組立体８０に送り込むことができるが、第２のバイパス流路８２ｂは、冷却流体をベーン７２の内部を経由してシュラウド組立体８０に送り込むことができる。バイパス流路８２ａ、８２ｂ、開口８４、及びベーン７２のうちの少なくとも１つを通過してシュラウド組立体８０に流入する流体は、冷却回路の第１の部分を成すことができる。
冷却流体は、シュラウド組立体８０に流入し、粒子セパレータ８８を通過する。冷却流体は、粒子セパレータ８８を通過してシュラウド組立体８０から流出し、冷却回路の第２の部分を定める。加えて、シュラウド組立体８０はインピンジメントバッフル９０を含むことができ、シュラウド組立体８０の中の冷却流体はインピンジメントバッフル９０及び冷却流体出口を通過することができ、冷却回路の第３の部分を定める。
図示の冷却回路の第１、第２、及び第３の部分は、本明細書に開示された発明概念の理解を助長する例証であることを理解されたい。第１の部分は、冷却流体がシュラウド組立体８０に送り込まれる、記載した冷却回路とは異なることができることを理解されたい。同様に、冷却回路の第２の部分は様々とすることができ、冷却流体は、シュラウド組立体８０から排出される。最後に、冷却回路の第３の部分は例示的かつ随意的であり、冷却流体の一部は、第２の部分とは異なる部位でシュラウド組立体８０から排出することができる。
図３は、図２のシュラウド組立体８０を示す概略図であり、冷却流体流れによって冷却することができる。シュラウド組立体８０は例示的であり、ＨＰタービン３４のブレード６８と関連付けて示されるが、代替的に、シュラウド組立体８０は、ＬＰタービン３６、ＬＰ圧縮機２４、又はＨＰ圧縮機２６と関連付けすることができる。
シュラウド組立体８０は、ブレード６８の周りで半径方向に離間したシュラウド９２と、シュラウド９２をエンジン１０のケーシングに結合してシュラウド９２をブレード６８に隣接して所定位置に保持するハンガー９４とを含む。ハンガー９４は、ハンガー支持部９６によって、シュラウド９２を直接コアケーシング４６に取り付けることができる。シュラウド９２及びハンガー９４は円周方向に延び、図１のエンジン１０は、ブレード６８が定める周囲の周りに広がることができる複数のシュラウド組立体８０を含むことができる。
ハンガー９４は、入口通路１０４を介してハンガー９４の外部と内部チャンバ１０２との間の流体連通を可能にする流体入口１００を有する本体をさらに定める。内部チャンバ１０２は、エンジン１０を通る高温流体流路Ｈに対して、内部チャンバ１０２の前方側の壁を定める第１の面又は前方面１０８と、内部チャンバ１０２の後方側の壁を定める第２の面又は後方面１１０とを備える。バーチャルインパクタ１１２を備えることができる粒子セパレータ８８は、内部チャンバ１０２の内部に配置されかつ後方面１１０に取り付けられる。もしくは、バーチャルインパクタ１１２は、シュラウド組立体８０の一部として形成することができる。バーチャルインパクタ１１２は、出口１１６を有する排出導管１１４を備える。出口１１６は排出流れ通路１１８に接続し、排出導管１１４とキャビティ１２０との間の流体連通を可能にする。キャビティ１２０は、ハンガー９４に隣接しかつその外部にあり、例えば、ハンガー９４とノズル、ベーン７２、又はバンドとの間に配置される。
インピンジメントバッフル９０は、さらに内部チャンバ１０２を定めることができる。複数のインピンジメント開口部１３２は、インピンジメントバッフル９０の複数の貫通開口を定めることができ、シュラウド９２とインピンジメントバッフル９０との間に位置決めされた空間１３４に対して内部チャンバ１０２を流体接続する。シュラウド９２は、空間１３４を定めるシュラウド前方壁１３６及びシュラウド後方壁１３８をさらに備えることができる。シュラウドは、冷却面１４０及びファンブレード６８に隣接した高温面１４２を備える。複数のフィルム孔１４４は、冷却面１４０を高温面１４２に流体接続する。
入口通路１０４及び排出導管１１４の長さは例示的であり、任意の長さとことができることを理解されたい。さらに、バーチャルインパクタ１１２の位置は、入口通路１０４に隣接すること又は離れることができ、シュラウド組立体８０及び関連の構成要素のそれぞれの幾何形状に基づいて変更することができる。さらに、バーチャルインパクタを利用するシュラウド組立体８０の寸法は、入口通路１０４及び排出導管１１４の相対的な長さ及び寸法を決定する。入口１０４、排出導管１１４、及びバーチャルインパクタ１１２を構成する要素の幾何形状は、同様に変更することができ、例えば、非限定的に、円筒、スロット、拡大は縮小断面等を含む。
入口通路１０４及び排出導管１１４は水平方向に整列しているが、代替的にオフセットすることができることをさらに理解されたい。例えば、入口通路１０４を通る長手方向軸線及びバーチャルインパクタ１１２を通る別の長手方向軸線は、オフセットすることができ、両者の間には横方向のずれが存在する。さらに、入口通路１０４及びバーチャルインパクタ１１２の長手方向軸線は、隅角偏位（ａｎｇｕｌａｒ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）によってオフセットすることができ、各軸線は一点で交差することができる。このような隅角偏位は、各軸線の間で任意の方向で２０度程度とすることができる。さらに、隅角偏位は、各軸が交差しないように及びエンジン中心線に対して角度方向及び横方向にずれるように、横方向ずれと組み合わせることができる。
図４を参照すると、バーチャルインパクタ１１２は、排出流れ入口１５０をさらに備える。排出流れ入口１５０は、角度テーパー付き部分を備え、断面積が縮小した収束入口１５２を定める。環状テーパー付き部分は、名目上は円形入口１５２であり、エンジン１０に対して環状であると理解すべきではない。収束入口１５２は、排出流れ入口１５０と排出導管１１４との間で最小断面積を有するチョーク部１５４で終端する。発散セクション１５６は、チョーク部１５４と排出導管１１４との間に配置することができ、冷却流体の流れは排出導管１１４に流入する前に減速する。チョーク部１５４は、収束入口１５２の最小面積に相当し、冷却流体のチョーク流れと理解されることを意図していない。リップ部１５８は、チョーク部１５４の反対側で収束入口１５２の端部に設けられる。リップ部１５８は、収束入口１５２の半径方向外側に配置された、チョーク部１５４の方向に進む環状発散部を備える。排出流れ入口１５０は、間隙１６０によって流体入口から離間し、冷却流体の流れは、入口通路１０４から、内部チャンバ１０２及び排出導管１１４の両方に流入することができる。
排出流れ入口１５０、収束入口１５２、チョーク部１５４、間隙１６０、リップ部１５８、及び発散セクション１５６の幾何形状は例示的であることを理解されたい。前述の各要素の長さは様々とすることができ、直線状要素は湾曲又はテーパー付きとすることができ、各要素は、凸状又は凹状寸法を有することができる。さらに、別の例示的なバーチャルインパクタにおいて、チョーク部は、入口の下流にあるように排出流れ導管に沿って任意の長さに配置すること、又はさらに排出流れ導管を定めること、又は入口の長さをさらに排出流れ導管に広げることができる。チョーク部１５４又は流れ入口１５０等の特定の幾何形状の環状要素は、別の形状を有することができ、例えば、非限定的に、円筒形、スロット、拡大又は縮小断面等を含む。さらに、間隙１６０は、チョーク部１５４の寸法に対して決定することができ、チョーク部１５４の直径に対する間隙１６０の比率は、１：１から１：４の間、好ましくは１：１から１：２の間である。
図５において、冷却流体の流れは、入口流１７０として入口通路１０４に入る。他の実施構成において、入口通路１０４は、入口流１７０を加速するように形作ること、例えば収束断面を有することができる。さらに、入口通路１０４は、内部チャンバ１０２の中に延びて間隙１６０の長さを低減することができる。入口流１７０は、流体入口１００から内部チャンバ１０２に入り、主流れ１７２及び副流れ１７４を含む２つの流れに分かれ、これらの流れは、内部チャンバ１０２と排出導管１１４との間の差圧、並びに間隙１６０の長さによって決まる。入口流１７０の約９０％とすることができる主流れ１７４は、内部チャンバ１０２に入り、その隅々まで広がる。入口流１７０の残りの約１０％とすることができる副流れ１７４は、排出導管１１４に入る。副流れ１７４は、間隙１６０から排出導管１１４を通って、出口１１６から流れ通路１１８を通過して出る。排出流れ通路１１８を通って抽出された冷却流体の流れは、排出流れ１７６を定めることができ、これは個別用途でエンジン、エンジン構成要素、又は車両の他の部位に分流することができる。内部チャンバ１０２と排出導管１１４との間の差圧は、主及び副流れ１７４、１７６の分流比を維持することができ、例えば、主流れ１７４と副流れ１７６の比率は９０％対１０％である。もしくは、バーチャルインパクタ１１２、入口１００、入口通路１０４の幾何形状、又は冷却回路内部で維持される圧力は、主流れ１７４と副流れ１７６の任意の比率をもたらすように適合させることができる。
埃、塵埃、砂、火山灰、及び環境汚染物とうの粒子又は粒子状物質は、エンジンシステムの外部で冷却流体の流れに取り込まれることになり、エンジン構成要素の中で冷却回路を伝って移動する可能性がある。入口１００から内部チャンバ１０２に入る粒子は粒子の質量及び冷却流体が移動する速度で定まる運動量を有することになる。粒子の運動量は、間隙１６０を横切って粒子を排出導管１１４の中に運び入れることになる。従って、主流れ１７２は、粒子の所定量が除去された清浄な流れをより含み、副流れ１７４は、運動量によって主流れ１７２から抽出された所定量の粒子が副流れ１７４の冷却流体に拘束されるので、汚れた流れ１７４をより含むことになる。副流れ１７４の中に拘束された粒子は、排出流体流れをさらに形成し、副流れ１７４に拘束された粒子は、排出流れ通路１１８を通って運ばれる。排出導管１１４に入る粒子は、最終除去のために排出導管１１４の中に収容すること、又は排出流れ通路１１８を介して粒子状物質を処理するのに適したエンジン構成要素に送ることができる。
所定量の粒子が除去された清浄な主流れ１７２は、内部チャンバ１０２を通ってインピンジメントバッフル９０に向かって流れる。冷却流体の主流れ１７２は、インピンジメントバッフル９０のインピンジメント開口部１３２を通過して、インピンジメント流れ１７８としてシュラウド９２とインピンジメントバッフル９０との間の空間１３４に流入して、冷却回路の第３の部分を定める。冷却流体の流れ１８０は、シュラウド９２のフィルム孔１４４を通過して、ファンブレード６８に隣接するシュラウド９２の高温面１４２に沿って冷却流体のフィルムをもたらす。
指向性のある粒子コレクタは例示的であり、半径方向、軸方向、前方、後方、又はこれらの任意の組み合わせといった、エンジン中心線に対して任意の方向に指向することができ、エンジン構成要素の中の冷却回路の少なくとも一部を定めることを理解されたい。また、ベーンとして示されるエンジン構成要素は例示的である。他のエンジン構成要素としては、ハンガーブラケット又は関連の要素、又はベーンに類似した翼形形状を有するエンジンブレードを挙げることができる。
さらに、粒子セパレータは、冷却流体の流れから粒子を除去するように作動することを理解されたい。システムは、粒子サイズ、質量、又はこれらの組み合わせに基づいて粒子の大部分を除去することを特徴とする。従って、主流れの中に残るいずれの粒子もフィルム孔等の冷却回路の残りの部分を通過する程度の小さなサイズ又は質量であり、関連する構成要素の閉塞又は損傷が低減する。
さらに、本明細書に記載のバーチャルインパクタは、ベーン又はエンジン構成要素を通過する冷却流体の流れから粒子を除去するのに最良であることを理解されたい。しかしながら、冷却流体の流れから粒子を分離しながら所望の冷却回路を実現するためにシステムの内部で他の粒子セパレータを使用することができる。
さらに、粒子セパレータは、冷却流体の流れから粒子を除去するように作動することを理解されたい。システムは、粒子サイズ、質量、又はこれらの組み合わせに基づいて粒子の大部分を除去することを特徴とする。従って、主流れの中に残るいずれの粒子もフィルム孔又はインピンジメント開口部等の冷却回路の残りの部分を通過する程度の小さなサイズ又は質量であり、関連する構成要素の閉塞又は損傷が低減する。
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を含む場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ケーシング内に圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するタービンエンジン用シュラウド組立体であって、上記タービンは、複数の環状に配置されたノズルを定める固定ベーンと、上記固定ベーンと対になって上記タービンの１つの段を定める複数の環状に配置された回転ブレードとを有し、上記シュラウド組立体は、
上記ブレードに対向する表側及び上記表側の反対側の裏側を有するシュラウドと、
上記シュラウドを上記ケーシングに結合して、内部チャンバを定め、貫通して上記チャンバと流体接続する入口通路を有する前方面と、貫通して上記チャンバと流体接続する出口通路を有する後方面とを有する、ハンガーと、
上記入口通路と流体接続して、上記入口通路を介して上記チャンバに冷却流体流を供給する第１の部分と、上記出口通路と流体接続して排出流れ通路を定める第２の部分とを有する、冷却回路と、
上記チャンバの中に配置され、上記入口通路から離間しかつこれに対向して上記入口通路との間に間隙を定める排出流れ入口と、上記排出流れ通路に流体接続する排出導管と、上記排出流れ入口を上記排出導管に流体接続するチョーク部とを有する、少なくとも１つの粒子セパレータと、
を備え、
上記間隙は、上記冷却流体流の第１の部分が上記間隙を通って流出する大きさであり、上記入口通路は、上記排出入口に位置合わせされ、上記冷却流体流の第２の部分が、上記入口通路から上記間隙を通って上記排出入口に流入して、上記冷却流体流に取り込まれた粒子が、主として運動量によって冷却流体流の第２の部分に拘束され、排出流体流を定める、シュラウド組立体。
［実施態様２］
上記排出流れ入口は、縮小断面積部を有し、上記チョーク部に到達する前に上記冷却流体流の第１の部分を加速する、実施態様１に記載のシュラウド組立体。
［実施態様３］
上記縮小断面積部は、チョーク部に向かって連続的に縮小する断面積部を有する、実施態様２に記載のシュラウド組立体。
［実施態様４］
上記排出流れ入口は、上記チョーク部に向かって断面積が縮小する、第１のテーパー付き部分を備える、実施態様１に記載のシュラウド組立体。
［実施態様５］
上記排出流れ入口は、上記チョーク部に向かって断面積が拡大する第２のテーパー部分で定められたリップ部を備える、実施態様４に記載のシュラウド組立体。
［実施態様６］
上記第２のデーパー付き部分は、上記第１のテーパー付き部分から延びる、実施態様５に記載のシュラウド組立体。
［実施態様７］
上記チョーク部は、上記排出流れ入口及び上記排出導管の最小断面積に等しいか又はそれ未満の最小断面積を有する、実施態様６に記載のシュラウド組立体。
［実施態様８］
上記排出導管は、上記チョーク部の下流で一定の断面積を有する、実施態様７に記載のシュラウド組立体。
［実施態様９］
上記ハンガーは、上記冷却流体流の第１の部分と流体接続するインピンジメントバッフルをさらに備える、実施態様１に記載のシュラウド組立体。
［実施態様１０］
上記インピンジメントバッフルは、複数の貫通開口を備える、実施態様９に記載のシュラウド組立体。
［実施態様１１］
上記冷却回路は、上記チャンバと流体接続しかつ冷却流体出口を定める第３の部分をさらに備える、実施態様１０に記載のシュラウド組立体。
［実施態様１２］
上記粒子セパレータは、バーチャルインパクタを備える、実施態様１に記載のシュラウド組立体。
［実施態様１３］
ケーシング内に圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するタービンエンジン用構成要素であって、上記タービンは、複数の環状に配置されたノズルを定める固定ベーンと、上記固定ベーンと対になって上記タービンの１つの段を定める複数の環状に配置された回転ブレードとを有し、上記構成要素は、
内部チャンバを定め、貫通して上記チャンバと流体接続する入口通路を有する第１の面と、貫通して上記チャンバと流体接続する出口通路を有する第２の面とを有する、本体と、
上記入口通路と流体接続して、上記入口通路を介して上記チャンバに冷却流体流を供給する第１の部分と、上記出口通路と流体接続して排出流れ通路を定める第２の部分とを有する、冷却回路と、
上記チャンバの中に配置され、上記入口通路から離間しかつこれに対向して上記入口通路との間に間隙を定める排出流れ入口と、上記排出流れ通路に流体接続する排出導管と、上記排出流れ入口を上記排出導管に流体接続するチョーク部とを有する、少なくとも１つの粒子セパレータと、
を備え、
上記間隙は、上記冷却流体流の第１の部分が上記間隙を通って流出する大きさであり、上記入口通路は、上記排出入口に位置合わせされ、上記冷却流体流の第２の部分が、上記入口通路から上記間隙を通って上記排出入口に流入して、上記冷却流体流に取り込まれた粒子が、主として運動量によって冷却流体流の第２の部分に拘束され、排出流体流を定める、構成要素。
［実施態様１４］
上記間隙の長さに対する上記チョーク部の直径の比率は、１：１と１：４との間である、実施態様１３に記載のノズル組立体。
［実施態様１５］
上記間隙の長さに対する上記チョーク部の直径の比率は、１：１と１：２との間である、実施態様１４に記載のノズル組立体。
［実施態様１６］
上記排出流れ入口は、縮小断面積部を備え、上記チョーク部に到達する前に上記冷却流体流の第１の部分を加速する、実施態様１３に記載の構成要素。
［実施態様１７］
上記縮小断面積部は、チョーク部に向かって連続的に縮小する断面積部を有する、実施態様１６に記載の構成要素。
［実施態様１８］
上記排出流れ入口は、上記チョーク部に向かって断面積が縮小する、第１のテーパー付き部分を備える、実施態様１３に記載の構成要素。
［実施態様１９］
上記排出流れ入口は、上記チョーク部に向かって断面積が拡大する第２のテーパー部分で定められたリップ部を備える、実施態様１８に記載の構成要素。
［実施態様２０］
上記チョーク部は、上記排出流れ入口及び上記排出導管の最小断面積に等しいか又はそれ未満の最小断面積を有する、実施態様１９に記載の構成要素。
［実施態様２１］
上記排出導管は、上記チョーク部の下流で一定の断面積を有する、実施態様２０に記載の構成要素。
［実施態様２２］
上記構成要素は、ハンガーブラケット、シュラウド、及びブレードのうちの少なくとも１つを備える、実施態様１３に記載の構成要素。
［実施態様２３］
圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するタービンエンジン用シュラウド組立体であって、
複数の環状の回転ブレードに対向するシュラウドと、
上記シュラウドに結合して入口及び排出流れ出口を有する内部チャンバを定めるハンガーと、
上記内部チャンバの中に配置されたバーチャルインパクタと、
を備え、
冷却流体流は、上記入口を通って上記内部チャンバに導入され、上記バーチャルインパクタは、上記冷却流体流を、上記バーチャルインパクタを通って上記排出流れ出口から排出される排出粒子流体流と、上記内部チャンバの中で上記バーチャルインパクタの外部を流れる低減粒子流体流とに分離する、シュラウド組立体。
１０ ガスタービンエンジン
１２ 長手方向軸線（中心線）
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ 低圧（ＬＰ）圧縮機
２６ 高圧（ＨＰ）圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ ＨＰシャフト／スプール
５０ ＬＰシャフト／スプール
５２ 圧縮機段
５４ 圧縮機段
５６ 圧縮機ブレード
５８ 圧縮機ブレード
６０ 圧縮機ベーン（ノズル）
６２ 圧縮機ベーン（ノズル）
６４ タービン段
６６ タービン段
６８ タービンブレード
７０ タービンブレード
７２ タービンベーン
７４ タービンベーン
７６ デフレクタ
７８ 燃焼器ライナ
８０ シュラウド組立体
８２ バイパス流路
８４ 開口
８６ 矢印
８８ 粒子セパレータ
９０ インピンジメントバッフル
９２ シュラウド
９４ ハンガー
９６ ハンガー支持部
Ｈ 高温流体流路
１００ 流体入口
１０２ 内部チャンバ
１０４ 入口通路
１０８ 前方面
１１０ 後方面
１１２ バーチャルインパクタ
１１４ 排出導管
１１６ 出口
１１８ 排出流れ通路
１２０ キャビティ
１３２ インピンジメント開口部
１３４ 空間
１３６ 前方壁
１３８ 後方壁
１４０ 冷却面
１４２ 高温面
１４４ フィルム孔
１５０ 排出流れ入口
１５２ 収束入口
１５４ チョーク部
１５６ 発散部
１５８ リップ部
１６０ 間隙
１７０ 入口流
１７２ 主流れ
１７４ 副流れ
１７６ 排出流れ
１７８ インピンジメント流れ
１８０ 冷却フジルム流れ

Claims (10)

  1. ケーシング（４６）内に圧縮機（２２）、燃焼器（３０）、及びタービン（３２）を有するタービンエンジン（１０））用シュラウド組立体（８０）であって、前記タービン（３２）は、複数の環状に配置されたノズルを定める固定ベーン（７２、７４）と、前記固定ベーン（７２、７４）と対になって前記タービン（３２）の１つの段を定める複数の環状に配置された回転ブレード（６８、７０）とを有し、前記シュラウド組立体（８０）は、
    前記ブレード（６８）に対向する表側（１４２）及び前記表側の反対側の裏側（１４０）を有するシュラウド（９２）と、
    前記シュラウド（９２）を前記ケーシング（４６）に結合して、内部チャンバ（１０２）を定め、貫通して前記チャンバ（１０２）と流体接続する入口通路（１０４）を有する前方面（１０８）と、貫通して前記チャンバ（１０２）と流体接続する出口通路（１１６）を有する後方面（１１０）とを有する、ハンガー（９４）と、
    前記入口通路（１０４）と流体接続して、前記入口通路（１０４）を介して前記チャンバ（１０２）に冷却流体流を供給する第１の部分と、前記出口通路（１１６）と流体接続して排出流れ通路（１１８）を定める第２の部分とを有する、冷却回路と、
    前記チャンバ（１０２）の中に配置され、前記入口通路（１０４）から離間しかつこれに対向して前記入口通路（１０４）との間に間隙（１６０）を定める排出流れ入口（１５０）と、前記排出流れ通路（１１８）に流体接続する排出導管（１１４）と、前記排出流れ入口（１５０）を前記排出導管（１１４）に流体接続するチョーク部（１５４）とを有する、少なくとも１つの粒子セパレータ（８８）と、
    を備え、
    前記間隙（１６０）は、前記冷却流体流の第１の部分が前記間隙（１６０）を通って流出する大きさであり、前記入口通路（１０４）は、前記排出流れ入口（１５０）に位置合わせされ、前記冷却流体流の第２の部分が、前記入口通路（１０４）から前記間隙（１６０）を通って前記排出流れ入口（１５０）に流入して、前記冷却流体流に取り込まれた粒子が、主として運動量によって冷却流体流の第２の部分に拘束され、排出流体流（１７４）を定める、シュラウド組立体（８０）。
  2. 前記排出流れ入口（１５０）は、縮小断面積部（１５２）を有し、前記チョーク部（１５４）に到達する前に前記冷却流体流の第１の部分を加速する、請求項１に記載のシュラウド組立体（８０）。
  3. 前記縮小断面積部（１５２）は、チョーク部（１５４）に向かって連続的に縮小する断面積部を有する、請求項２に記載のシュラウド組立体（８０）。
  4. 前記排出流れ入口（１５０）は、前記チョーク部（１５４）に向かって断面積が縮小する、第１のテーパー付き部分を備える、請求項１に記載のシュラウド組立体（８０）。
  5. 前記排出流れ入口（１５０）は、前記チョーク部（１５４）に向かって断面積が拡大する第２のテーパー部分で定められたリップ部（１５８）を備える、請求項４に記載のシュラウド組立体（８０）。
  6. 前記第２のデーパー付き部分は、前記第１のテーパー付き部分から延びる、請求項５に記載のシュラウド組立体（８０）。
  7. 前記チョーク部（１５４）は、前記排出流れ入口（１５０）及び前記排出導管（１１４）の最小断面積に等しいか又はそれ未満の最小断面積を有する、請求項６に記載のシュラウド組立体（８０）。
  8. 前記排出導管（１１４）は、前記チョーク部（１５４）の下流で一定の断面積を有する、請求項７に記載のシュラウド組立体（８０）。
  9. 前記ハンガーは、前記冷却流体流の第１の部分と流体接続するインピンジメントバッフル（９０）をさらに備える、請求項１に記載のシュラウド組立体（８０）。
  10. 前記粒子セパレータは、バーチャルインパクタ（１１２）を備える、請求項１に記載のシュラウド組立体（８０）。
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