JP4101657B2 - ガスタービンエンジンのブレード先端を冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にタービン組立体に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンのロータブレード先端を冷却するための方法及び装置に関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧された空気は燃料と混合されて燃焼器へ導かれる。次にこの混合気は、点火されて、高温の燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスはタービンへ流れ、該タービンが燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給し、同時に飛行中の航空機を推進するか、或いは発電機などの負荷に動力を供給するような有用な仕事を行なう。

タービンは、ロータ組立体とステータ組立体とを含む。ロータ組立体は、ディスクから半径方向外向きに延びる複数のロータブレードを含む。より具体的には、各ロータブレードは、ディスクに隣接したプラットフォームから先端までの間で半径方向に延びる。ロータ組立体を通る燃焼ガス流路は、半径方向内側をロータブレードのプラットフォームによって境界付けられ、半径方向外側を複数のシュラウドによって境界付けられる。

ステータ組立体は、タービンに入る燃焼ガスをロータブレードへ向けるノズルを形成する複数のステータ羽根を含む。ステータ羽根は、根元プラットフォームと先端との間で半径方向に延びる。先端は、ステータ組立体をエンジン内に支持する外側バンドを含む。

作動時には、タービンのステータ組立体及びロータ組立体は、高温の燃焼ガスに曝される。長時間にわたり連続して高温燃焼ガスに曝されることにより、ロータ組立体の作動温度が上昇する。ロータ組立体が回転するにつれて、高い温度が各ロータブレード根元から各ロータブレード先端に向かって移動する。ロータブレード先端の上昇した作動温度は、ロータ組立体を囲むシュラウドを脆弱化させかつ酸化させる可能性がある。

ロータブレード先端の作動温度を低下させることを可能にするために、少なくとも一部の公知のロータ組立体では、圧縮機からの冷却空気を、プレスワール装置を通して導くブレード冷却システムを含む。プレスワール装置は、ロータブレード内部の半径方向通路内に空気を吐出する。冷却空気はロータブレードを通って流れ、ブレード先端を通って半径方向外向きに排出される。このような冷却システムは高価であり、かつ寿命を制約する局所的な問題に対処するために大量の冷却空気を使用する。
特公昭４８−０２６０８６号公報 特開平０１−０８３８２６号公報

例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン用のタービンは、コスト効果がありかつ信頼性がある方法でロータブレードの作動温度を低下させることを可能にするタービンノズル組立体を含む。各ロータブレードは、ロータ組立体の周りで円周方向に延びるシュラウドの直ぐ近傍で回転する先端を含む。タービンノズル組立体は、燃焼ガスを下流のロータブレードに流す複数のタービン羽根セグメントを含む。各タービン羽根セグメントは、内側プラットフォームから半径方向外向きに延び、かつ先端と根元とこれらの間で延びる本体とを含む。タービン羽根セグメント先端は、該羽根セグメントをガスタービンエンジン内に支持する外側バンドと一体に形成される。外側バンドは、冷却流体源と流れ連通しており、少なくとも１つの開口を含む。

作動時には、タービンが回転する時、冷却流体は、冷却流体源から各タービン羽根セグメントの外側バンドに供給される。冷却流体は、外側バンドの開口を通して回転するブレードに向けて下流方向に導かれる。より具体的には、冷却流体は、ロータブレード先端の周りで円周方向に供給されて、ロータブレード先端及び該ロータブレードを囲むシュラウドの作動温度を低下させることを可能にする。その結果、タービンノズル組立体は、コスト効果がありかつ信頼性がある方法でロータ組立体の作動温度を低下させることを可能にする。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は更に、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２２により結合され、圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２１により結合される。１つの実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチにあるＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓ社から購入可能なＧＥ９０型エンジンである。

作動時には、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２４を通ってガスタービンエンジン１０から出る。

図２は、ガスタービンエンジン１０に使用することができるステータ４２を含むロータ組立体４０の一部の破断断面図である。図３は、ステータ４２の一部の前面斜視図である。ロータ組立体４０は、軸方向の中心軸線（図示せず）の周りで接手４６により互いに同軸に結合された複数のロータ４４を含む。各ロータ４４は、１つ又はそれ以上のブリスク４８によって形成され、各ブリスク４８は、環状の半径方向外側リム５０と、半径方向内側ハブ５２と、これらの間で半径方向に延びる一体のウェブ５４とを含む。各ブリスク４８は更に、外側リム５０から半径方向外向きに延びる複数のブレード５６を含む。図２に示す実施形態においては、ブレード５６は、それぞれのリム５０と一体に結合されている。別の実施形態では、少なくとも１つの段において、各ロータブレード５６は、それぞれのリム５０の相補形スロット（図示せず）内に取付けられるブレードダブテール（図示せず）を用いる公知の方法により、リム５０に取外し可能に結合されることができる。

ロータブレード５６は、空気のような動力又は作動流体と協働するように構成される。図２に示す例示的な実施形態においては、ロータ組立体４０は、動力流体である空気を後段に適切に向けるように構成されているロータブレード５６を備える、低圧タービン２０（図１に示す）のようなタービンである。ロータリム５０の外表面５８は、空気がタービン段からタービン段へと流れる時にタービン２０の半径方向内側の流路表面を形成する。

ブレード５６は、軸方向中心軸線の周りで規定の最高設計回転速度までの速度で回転し、回転する部品内に遠心荷重を発生させる。回転するブレード５６により発生された遠心力は、各ロータブレード５６直下のリム５０の部分によって担持される。ロータ組立体４０及びブレード５６の回転は空気からエネルギーを取り出して、タービン２０を回転させかつ低圧圧縮機１２（図１に示す）を駆動するための動力を提供する。半径方向内側流路部分は、隣接するロータブレード５６により円周方向に境界付けられかつシュラウド５８により半径方向に境界付けられる。

ロータブレード５６の各々は、前縁６０と後縁６２とこれらの間で延びる翼形部６４とを含む。各翼形部６４は、負圧側面７６と、円周方向に対向する正圧側面７８とを含む。負圧側面７６及び正圧側面７８は、それぞれ軸方向に間隔をおいた前縁６０と後縁６２との間で延び、かつロータブレード先端シュラウド８０とロータブレード根元８２との間で半径方向スパンにわたって延びる。ブレード翼弦は、ロータブレード前縁６０と後縁６２との間で測定される。この例示的な実施形態においては、ロータブレード５６は、ステータシュラウド８８に隣接して回転しかつ該ステータシュラウド８８とロータブレード先端シュラウド８０とにより形成される空洞８９を貫くロータシール歯８６を含む。

ステータ組立体４２は、ほぼ円筒形の支持体９０を含む。タービンノズルとして知られる低圧タービン羽根セグメント９２の列が、支持体９０に取付けられて、エンジン１０内で円周方向に延びる。各羽根セグメント９２は、半径方向内側流路の一部を形成する内側プラットフォーム９６と、シュラウド８８と共に半径方向に流路を境界付ける外側プラットフォーム９８との間で半径方向に延びる複数の翼形部本体９４を含む。より具体的には、各翼形部本体９４は、羽根セグメント先端１００と羽根セグメント根元１０２との間で延びる。

各羽根セグメント本体９４は中空であって、空洞１１２を形成する内部表面１１０を含む。空洞１１２は、該空洞１１２内を通り抜けて冷却流体を通すための入口１１４と出口１１６とを含む。１つの実施形態において、冷却流体は圧縮機ブリード空気である。Ｕ字形の隔壁又は壁１２０が、翼形部先端１００から翼形部根元１０２に向けて半径方向に空洞１１２内に延びる。別の実施形態においては、隔壁１２０は非Ｕ字形である。隔壁１２０は、空洞１１２を第１の冷却通路１２２と第２の冷却通路１２４とに分割する。第１の冷却通路１２２は、該第１の冷却通路１２２に冷却流体を受け入れるための空洞入口１１４に流れ連通し、第２の冷却通路１２４は、該第２の冷却通路から冷却流体を排出するための空洞出口１１６に流れ連通している。

複数の冷却開口１３０が、第１の冷却通路１２２と第２の冷却通路１２４との間で隔壁１２０を貫通する。冷却開口１３０は、冷却流体が第１の冷却通路１２２から第２の冷却通路１２４へ通過するのを可能にする。より具体的には、空洞内部表面１１０に対する冷却開口１３０の寸法及び位置は、翼形部本体９４の前縁１３４に直ぐ隣接した空洞内部表面１１０の部分１３２に向けて冷却流体が方向付けられることを可能にするように選択される。従って、冷却流体は、空洞内部表面の部分１３２に衝突して、衝突冷却により翼形部本体９４を冷却する。

更に、流量調整開口１４０が、第１の冷却通路１２２と第２の冷却通路１２４との間で隔壁１２０を貫通している。開口１４０は、冷却流体が空洞内部表面１１０に衝突することなく第１の冷却通路１２２から第２の冷却通路１２４へ吐出されるように該内部表面１１０に対して配置される。この例示的な実施形態においては、開口１４０は、空気が半径方向内向きに空洞内部表面１１０から離れる方向に向けられるように、隔壁１２０の下部頂点１４２の近くに配置される。より具体的には、開口１４０の寸法及び位置は、第２の冷却通路１２４を対流冷却するように冷却流体を第２の冷却通路１２４内に吐出することを可能にするように選択される。１つの実施形態においては、開口１４０は、第１の冷却通路１２２に入る冷却流体の約１／３が該開口１４０を通して第２の冷却通路１２４内に吐出され、該冷却流体の約２／３が開口１３０を通して吐出されるような寸法にされる。別の実施形態においては、隔壁１２０は複数の開口１４０を含む。

外側バンド構造体１５０は、翼形部本体の先端１００と一体に形成される。外側バンド１５０は、支持体９０に対しタービン羽根セグメント９２を円周方向に結合するための複数のフックマウント１５２を含む。より具体的には、外側バンド１５０は、上流側１５４と下流側１５６とを含む。外側バンド下流側１５６は、それを貫通する開口１５８を含む。

熱シールド１６０は、外側バンド上流側１５４と外側バンド下流側１５６との間に取付けられるような輪郭にされる。従って、熱シールド１６０は、前縁１６２と後縁１６４とこれらの間で延びる熱シールド本体１６６とを含む。熱シールド本体１６６は、支持体９０と熱シールド１６０との間に空洞１６８を形成する。熱シールド前縁１６２は、外側バンド上流側のフックマウント１５２に隣接して該フックマウント１５２の半径方向外側に位置し、熱シールド後縁１６４は、外側バンド下流側１５６に隣接して該外側バンド下流側１５６の半径方向外側に位置する。

熱シールド１６０は更に、第１の組の開口１７０と第２の組の開口１７２を含む。１つの実施形態においては、熱シールドの第１の組の開口１７０は１つの第１開口１７０を含み、熱シールドの第２の組の開口１７２は第２開口１７２を含む。熱シールドの第２の組の開口１７２は、タービン羽根セグメントの翼形部本体９４と流れ連通し、熱シールドの第１の組の開口１７０は、タービン羽根セグメントの外側バンド１５０と流れ連通している。より具体的には、熱シールドの第２の組の開口１７２は、翼形部本体の空洞の第１の冷却通路１２２内に冷却流体を半径方向内向きに吐出し、熱シールドの第１の組の開口１７０は、外側バンドの冷却開口１５８に向けて冷却流体を軸方向に吐出する。開口１５８は、熱シールドの開口１７０と翼形部空洞の吐出口１１６とに流れ連通している。１つの実施形態においては、熱シールドの開口１７０はスロットである。

作動時には、燃焼器１６（図１に示す）から吐出される燃焼ガスが、ロータ組立体４０に回転エネルギーを与える。ロータ組立体４０が回転する時、高温燃焼ガスに連続的に曝されることにより、ロータブレード５６の先端はより高い温度で作動させられることになり、時間の経過とともにロータブレード５６の破断、酸化、及び疲労損傷が生じる可能性がある。ロータブレード先端を冷却するのを促進するために、冷却流体がステータ組立体の支持体９０に供給される。より具体的には、冷却流体が支持体９０と熱シールド１６０との間の空洞１６８に供給される。

次に冷却流体の一部は、熱シールドの開口１７２を通してタービン羽根セグメントの翼形部本体の空洞の第１の冷却通路１２２内に半径方向内向きに吐出される。バイパス冷却流体として知られる冷却流体の残りの部分は、熱シールドの開口１７０を通してタービン羽根セグメントの外側バンド１５０に向けて軸方向外向きに吐出される。

第１の冷却通路１２２から翼形部本体の空洞１１２に入った冷却流体は、冷却開口１３０と流量調整開口１４０とを通して空洞の第２の冷却通路１２４内に流入する。使用済みの冷却流体は、次に空洞出口１１６を通して翼形部本体の空洞１１２から吐出され、その時該空洞出口１１６において、熱シールドの開口１７０と外側バンドの流量調整部分１７４とを通して軸方向外向きに吐出されたバイパス冷却流体と混合される。１つの実施形態においては、使用済み冷却流体は、それがノズル翼形部を冷却するために使用された上流位置から送られるので、それに応じて熱力学的効率が増大するのを助ける。より具体的には、空洞の吐出口１１６から出た使用済み冷却流体は、タービン羽根セグメントの外側バンドの冷却開口１５８内で、熱シールドの開口１７０と流量調整貫通孔部分１７４とから出た冷却流体と混合される。

混合冷却流体は、次にタービン羽根セグメントの外側バンド１５０からシュラウドの空洞１８０内に下流方向に吐出され、次にロータ組立体の支持体の空洞１８２内に吐出される。空洞１８２に入った混合冷却流体は、燃焼ガス流路内に引き込まれ、それに応じてガス流の温度を低下させる。より具体的には、混合冷却流体は、燃焼ガス流路内に吐出される前に、回転するロータブレード５６、ロータの先端シュラウド８０、及びロータシール歯８６の周りを円周方向に流れる。冷却流体が空洞１８２を通って流れる結果、ステータシュラウド８８の作動温度も低下されることができる。１つの実施形態においては、混合冷却流体は拡散してはく離し、該混合冷却流体の一部は半径方向内向きに流れて、ロータブレード翼形部６４の少なくとも一部分の作動温度を低下させるのを助ける。

その結果、冷却流体は、ロータブレードのロータシール歯８６、ロータブレード５６、ロータの先端シュラウド８０、ステータシュラウド８８、及びロータブレード翼形部６４の一部分の作動温度を低下させることを可能にする。更に、冷却流体は、ロータブレード５６内に形成された冷却通路に直接供給されるのではなく、ロータブレードのロータシール歯８６、ロータブレード５６、及びロータの先端シュラウド８０のほぼ近傍内に吐出されるので、ステータ組立体４２はコスト効果がある。

タービン羽根セグメント９２は、公知の製造方法を用いて製作される。１つの実施形態においては、各セグメント９２は、空洞１１２、隔壁１２０、及び冷却通路１２２、１２４を形成する中子を使用して鋳造される。次いで隔壁１２０内に開口１３０及び１４０が機械加工される。付加的な開口１７０及び１７２が熱シールド１６０内に機械加工される。

上に述べたステータ組立体は、コスト効果がありかつ高い信頼性がある。ステータ組立体は、冷却流体を下流方向に導くための少なくとも１つの開口を備える外側バンドと、複数の第１開口と複数の第２開口とを備える熱シールドとを備えるタービンノズル組立体を含む。第１開口は外側バンドの開口と流れ連通し、第２開口は各羽根セグメント内に形成された空洞と流れ連通する。作動時には、冷却流体の一部が、羽根セグメントの空洞を通って導かれ、次いで外側バンドの開口を通して排出された冷却流体と混合される。外側バンドから吐出された冷却流体は、ロータ組立体の周りを円周方向に流れて、ロータブレードのシール歯の作動温度を低下させることを可能にする。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示したガスタービンエンジンに使用することができるロータ組立体とステータ組立体との一部の破断断面図。 図２に示したステータ組立体の一部の前面斜視図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
４０ ロータ組立体
４２ ステータ組立体
５６ ロータブレード
８０ 先端シュラウド
８６ ロータシール歯
８８ ステータシュラウド
９０ 支持体
９２ タービン羽根セグメント
９４ 羽根セグメント本体
１１２ 空洞
１１４ 空洞入口
１１６ 空洞出口
１２０ 隔壁
１２２ 第１の冷却通路
１２４ 第２の冷却通路
１３０ 冷却開口
１４０ 流量調整開口
１５０ 外側バンド
１６０ 熱シールド
１７０ 熱シールドの第１開口
１７２ 熱シールドの第２開口
１８０ シュラウド空洞
１８２ 支持体空洞

Claims (9)

1. 複数のタービンブレード（５６）とタービンノズル組立体（４２）とを備えるタービン（２０）を含み、前記タービンノズル組立体が、円周方向のタービン羽根セグメント（９２）の列と内側プラットフォーム（９６）とを含み、各羽根セグメントが、前記内側プラットフォームから半径方向外向きに延び、かつ先端（１００）と根元（１０２）とこれらの間で延びる本体（９４）とを含み、前記羽根セグメント先端が、前記タービンノズル組立体をガスタービンエンジン内に結合する外側バンド（１５０）を含むガスタービンエンジン（１０）を作動させるための方法であって、
   前記本体（９４）は中空であり、冷却流体を通すための空洞入口（１１４）と空洞出口（１１６）とを備える空洞（１１２）を形成する内部表面（１１０）を含み、
   前記空洞出口（１１６）は、前記外側バンドの開口（１５８）と流れ連通しており、
   前記空洞（１１２）内には、前記先端（１００）から根元（１０２）に向けて半径方向に延び、前記空洞（１１２）を第１の冷却通路（１２２）と第２の冷却通路（１２４）とに分割する隔壁（１２０）が設けられており、
   前記方法は、
   前記タービンノズル組立体を通して前記複数のタービンブレードに向けて燃焼ガスを流す段階と、
   前記タービン羽根セグメントの外側バンドに冷却流体を供給する段階と、
   熱シールド（１６０）内の第１の組の開口（１７０）を通して前記タービン羽根セグメントの外側バンドの開口（１５８）に向けて冷却流体を軸方向に導く段階と、
   タービン羽根セグメント本体の空洞（１１２）の前記空洞入口（１１４）に、前記熱シールド内に設けられた第２の組の開口（１７２）から半径方向内向きに冷却流体を導き、前記隔壁に設けられた冷却開口（１３０）を通過させて冷却流体を前記第２の冷却通路（１２４）に導き、該第２の冷却通路の冷却流体を前記空洞出口（１１６）から排出させて前記外側バンドの開口（１５８）に導く段階と、
   前記外側バンド内の開口（１５８）を通して冷却流体を下流方向に排出する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記冷却開口（１３０）を通過させて冷却流体を前記第２の冷却通路（１２４）に導く際、前記羽根セグメント本体の前縁（９４）に隣接する内部表面（１１０）の部分に向けて該冷却流体を方向付けることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記タービン羽根セグメント内に圧縮機ブリード空気を導く段階を更に含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. ガスタービンエンジン（１０）用のタービンノズル組立体（４２）であって、内側プラットフォーム（９６）から半径方向外向きに延びるタービン羽根セグメント（９２）の列を含み、
   各前記タービン羽根セグメントが、先端（１００）と根元（１０２）とこれらの間で延びる本体（９４）とを含み、
   前記先端が、前記タービン羽根セグメント本体の半径方向外側で延びる外側バンド（１５０）を含み、
   前記外側バンドが、前記タービン羽根セグメントの外側バンド（１５０）と流れ連通している熱シールド（１６０）と、前記タービン羽根セグメント先端から冷却流体を下流方向に導くように構成された開口（１５８）とを含み、
   前記本体（９４）は中空であり、冷却流体を通すための空洞入口（１１４）と空洞出口（１１６）とを備える空洞（１１２）を形成する内部表面（１１０）を含み、
   前記空洞（１１２）内には、前記先端（１００）から根元（１０２）に向けて半径方向に延び、前記空洞（１１２）を第１の冷却通路（１２２）と第２の冷却通路（１２４）と に分割する隔壁（１２０）が設けられており、
   前記隔壁には、第１の冷却通路（１２２）から第２の冷却通路（１２４）へ冷却流体が通過するのを可能にする冷却開口（１３０）が設けられており、
   前記熱シールド（１６０）は、第１の組の開口（１７０）と第２の組の開口（１７２）とを備え、該第１の組の開口（１７０）は前記外側バンドの開口（１５８）に向けて冷却流体を軸方向に吐出し、前記第２の組の開口（１７２）は前記空洞の第１の冷却通路（１２２）内に冷却流体を半径方向内向きに吐出し、
   前記空洞出口（１１６）は、前記外側バンドの開口（１５８）と流れ連通している
   ことを特徴とするタービンノズル組立体（４２）。
5. 前記冷却開口（１３０）は、前記羽根セグメント本体の前縁（９４）に隣接する内部表面（１１０）の部分に向けて前記冷却流体を方向付けることを特徴とする請求項４に記載のタービンノズル組立体（４２）。
6. 前記隔壁は、 U 字形であることを特徴とする請求項４又は５に記載のタービンノズル組立体（４２）。
7. 前記隔壁には、冷却流体が前記空洞の内部表面（１１０）に衝突することなく前記第１の冷却通路から前記第２の冷却通路へ吐出されるよう該隔壁の下部頂点（１４２）に配置された流量調整開口（１４０）が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のタービンノズル組立体（４２）。
8. 前記タービン羽根セグメントの外側バンドの開口（１５８）を通して下流方向に導かれる前記冷却流体が、圧縮機ブリード空気であることを特徴とする、請求項４に記載のタービンノズル組立体（４２）。
9. 前記タービン羽根セグメントの外側バンド（１５０）の少なくとも一方の開口（１５８）が、前記タービン羽根セグメントの外側バンドから下流方向に吐出される冷却流体の量を制御するように構成された複数の開口を含むことを特徴とする、請求項４に記載のタービンノズル組立体（４２）。

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