JP4248961B2

JP4248961B2 - 低圧タービンケースの内部冷却

Info

Publication number: JP4248961B2
Application number: JP2003279517A
Authority: JP
Inventors: ヘンリー・カルヴィン・アンダーソン，ジュニア; フレデリック・ジェイ・ゼガルスキー; ジェームズ・エドワード・トンプスン; トッド・ケネス・ボーゼル; カート・トマス・ヒルデブランド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-07-25
Also published as: CN100371560C; CN1487172A; EP1384858A3; US6902371B2; US20040018081A1; EP1384858A2; JP2004060656A

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの低圧タービンケースのケーシングの冷却に関し、より具体的には、シュラウドとケースとの間に冷却空気を流すことによるそのような冷却に関する。

ターボファン式ガスタービンエンジンは、一般的に前方ファン及びブースタ圧縮機と、ミドルコアエンジンと、後方低圧出力タービンとを含む。コアエンジンは、流れに沿って直列に、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンとを含む。コアエンジンの高圧圧縮機と高圧タービンとは、高圧シャフトにより相互接続されて高圧ロータを構成する。高圧圧縮機は、回転駆動されて、コアエンジンに入る空気を比較的高い圧力に加圧する。この高圧空気は、次に燃焼器内において燃料と混合され点火されて、高エネルギーのガス流を形成する。このガス流は後方へ流れて高圧タービンを通過し、該高圧タービンと高圧シャフトとを回転駆動し、次いで圧縮機を駆動する。

高圧タービンから流出したガス流は、低圧タービンを通って膨張する。低圧タービンは、低圧シャフトを介してファン及びブースタ圧縮機を回転駆動し、これら全てが、低圧ロータを構成する。低圧シャフトは、高圧ロータを貫通して延びる。発生される推力の大部分は、ファンによって発生される。エンジンフレームは、軸受を支持し担持するために使用され、これらの軸受は、ロータを回転自在に支承する。従来のターボファン式エンジンは、ファンフレームと、タービン中央フレームと、後方タービンフレームとを有する。

タービン中央フレームは、典型的には複数の放射状に半径方向に延びる支柱を介して相互に取付けられた外部ケーシングと内部ハブとを有する。流路フレームライナは、高温のエンジンガスをフレーム内で案内し方向付けする流路を形成するが、いかなる構造荷重も支える役割は負っていない。冷却空気は、ＧＥ９０型エンジンにおけるように、流路フレームライナの半径方向外側の流路ライナと外部ケーシングとの間の環状チャンバ内に導入される。流路フレームライナは、フレーム内を通過する高温ガスから支柱とフレームのその他の部分とを保護する。

タービン中央フレームの下流には低圧タービンが位置する。ケーシングと外側流路の構成部品との間の空洞内に取り込まれた高温流路ガスは、対流により熱をケーシングに伝達することになる。この熱はケーシングの金属温度を上昇させて、低サイクル疲労によりケーシング材料の有効寿命を短縮する。ケーシング材料の経時的特性が制限されることになり、許容できないケーシングの永久変形が起り、この変形がタービン段間の間隙に悪影響を及ぼしてケーシングの構成部品の耐用寿命を短縮することになる。

パージ空気による冷却は、低圧タービンケーシングと交互配置されたブレードシュラウドセグメント及び低圧タービンノズルのバンドセグメントとの間の環状空洞に供給されるが、該低圧タービンケーシングは例えばＧＥ９０型エンジンの場合には６つの低圧段にわたって延びる単一のリングであり、また該低圧タービンノズルのバンドセグメントにはタービン羽根エーロフォイルが半径方向内向きに懸架されている。図１及び図２に示したＧＥ９０型エンジンのタービン中央フレーム１００からのパージ空気９８は、流れ回路を通って、タービン中央フレームケースの後方レール１００と、低圧タービンケーシング１１１の低圧タービンフランジ１１０と、第１段ステータ流路の外側バンド１１６の後縁１１４とにより境界付けられている小さな第１段ステータ空洞１１２内に入る。第１段低圧タービンシュラウド１２２の前方リップ１２０における流れ通路１１８は、低圧タービンケーシング１１１と第１段シュラウド１２２上方との間の第１空洞１２４へパージ空気流が流入するのを可能にする。第１空洞１２４の後端１３０における漏れ通路１２８とシュラウドとは、パージ空気が第１空洞から流出することを可能にする。パージ空気回路は、低圧タービンケーシング１１１と第１低圧タービン段の１つのシュラウド１２２とにおける金属温度を僅かに低下させる。シュラウド上方の第１空洞１２４から冷却空気をパージすることができることにより、第１空洞に流入できる流路ガス量を制御する。パージ空気又は冷却空気は、低圧タービン（ＬＰＴ）ケーシングシェルの対流加熱を減少させる。この冷却空気を流出させることにより、シュラウドからＬＰＴケーシングへの対流又は伝導による熱伝達を減少させる。
米国特許５１８８５０７号明細書米国特許４２４２０４２号明細書米国特許５４３８７５６号明細書米国特許５８４８８５４号明細書米国特許６１６４６５６号明細書米国特許５１６７４８７号明細書米国特許４３０３３７１号明細書米国特許５２９２２２７号明細書米国特許５５８４６５１号明細書米国特許５５５３９９９号明細書米国特許５５９３２７７号明細書米国特許５９９３１５０号明細書

従って、低圧タービンのシュラウド及びタービンノズルバンドの上方の空洞におけるパージ空気流の量を改善しかつ該パージ空気流を制御することができることは非常に利点があることになる。低圧ケーシングのシェルを冷却するためには、これらの空洞のうちの最初の２つを冷却することが、特に有用であることが判明した。

低圧タービンケーシングは、中心線の周りを囲む円錐形の環状シェルと、該環状シェルの前端から半径方向内向きに垂下した前方フランジと、該前方フランジから軸方向後方へ延びる前方フックとを有する。それぞれ第１及び第２フックを有する軸方向に間隔を置いて配置された第１及び第２レールが、環状シェルから軸方向後方へ延びかつ前方フックの軸方向後方に設置される。第１の複数の第１冷却孔及び第２の複数の第２冷却孔が、それぞれ第１及び第２レールを貫通して延びる。例示的な実施形態においては、複数の冷却空気供給孔が、前方フランジを貫通して延びる。複数の冷却空気供給孔は、中心線に対してほぼ平行とすることができる。第１の複数の第１冷却孔及び第２の複数の第２冷却孔は、中心線に対して半径方向にそれぞれ第１及び第２レールを貫通して配置されることができ、或いは中心線に対して傾斜角度をもたせてそれぞれ第１及び第２レールを貫通して配置されることができる。

低圧タービンケーシングは、低圧タービンのケーシングとシュラウドとの組立体（低圧タービンケーシング／シュラウド組立体と表す）において使用されることができ、該組立体は、環状シェルの前端から半径方向内向きに垂下した前方フランジと、前方環状スロットを有しかつ前方フランジから軸方向後方へ延びる前方フックとを有する。環状の第１シュラウドが、環状シェルから半径方向内側に間隔を置いて配置され、かつ前方環状スロット内に配置された前方に延びる第１前方リップを有する。第１シュラウドの後方フランジが、第１環状スロット内に配置された環状の半径方向外側脚部を有する環状のＣ字形クリップによって第１フックに取付けられる。

第１環状空洞が、半径方向に環状シェルと第１シュラウドとの間に配置され、前方フランジから第１フックまで軸方向に延び、かつ第１の複数の第１冷却孔と流体連通している。環状ノズル保持部材が、タービンフランジと前方フランジとの間で軸方向に捕捉される。冷却空気流第１通路が、環状の冷却空気プレナムからタービンフランジと環状ノズル保持部材と前方フランジとを貫通して第１環状空洞まで延びる。第１通路は、タービンフランジを貫通して軸方向及び半径方向に開口したチャネルと、環状ノズル保持部材を貫通して軸方向に延びる半径方向に細長い孔と、前方フランジを貫通して第１環状空洞まで延びる複数の冷却空気供給孔とを含むことができる。

半径方向外側のタービン羽根バンドが、第１及び第２タービン羽根フランジにより第１及び第２フックから半径方向内向きに懸架される。環状シールが、半径方向に環状シェルと外側タービン羽根バンドとの間に配置され、かつ第１及び第２タービン羽根フランジ間で軸方向に延びる。第２環状空洞が、半径方向に環状シェルと環状シールとの間に配置され、第1及び第２レール間で軸方向に延び、かつ第１の複数の第１冷却孔及び第２の複数の第２冷却孔と流体連通している。

低圧タービンケーシングと低圧タービンケーシング／シュラウド組立体とは、ケーシングとＬＰＴシュラウドとノズルバンドとの間の空洞内に取り込まれる高温流路ガスの量を減らして、対流によりケーシングに伝達される熱の量を減少させることができる。このことは、ケーシングの金属動作温度を低下させ、それによって、熱と共に大きくなる低サイクル疲労をその材料が受けるケーシングの有効耐用寿命を増大させる。

低圧タービンケーシングと低圧タービンケーシング／シュラウド組立体とは、低圧ケーシングのシェルを冷却するために、低圧タービンのシュラウド及びタービンノズルバンドの上方の空洞におけるパージ空気流の量を改善しかつ該パージ空気流を制御することができ、このことは、これらの空洞のうちの最初の２つにおいて特に有用である。

本発明の上記の態様及びその他の特徴を、添付図面に関連してなされる以下の記述において説明する。

図３には、低圧タービンケーシング１０を有する低圧タービンケーシング／シュラウド組立体４０が示され、該低圧タービンケーシング１０は、中心線１４の周りを囲む円錐形の環状シェル１２を備える。前方フランジ１６が、環状シェル１２の前端１８から半径方向内向きに垂下し、前方フック２２が、前方フランジ１６から軸方向後方へ延びる。図３、図６及び図７を参照すると、それぞれ第１フック２４と第２フック２６とを有する軸方向に間隔を置いて配置された環状の第１レール２３と第２レール２５とが、環状シェル１２から軸方向後方へ延び、かつ前方フック２２の軸方向後方に設置される。第１及び第２フック２４、２６は、それぞれ第１及び第２環状スロット３４、３６を有する。第１の複数の第１冷却孔２７が第１レール２３を貫通して延び、第２の複数の第２冷却孔２９が第２レール２５を貫通して延び、それらの冷却孔を介して冷却空気５８を流すことを可能にする。

図４及び図５を参照すると、複数の冷却空気供給孔２８が前方フランジ１６を貫通して延びる。これら複数の冷却空気供給孔２８は、中心線１４に対してほぼ平行とすることができる。第１の複数の第１冷却孔２７及び第２の複数の第２冷却孔２９は、中心線１４に対して半径方向にそれぞれ第１及び第２レール２３、２５を貫通して配置されることができ、或いは図８に示すように、中心線１４に対して傾斜角度をもたせてそれぞれ第１及び第２レール２３、２５を貫通して配置されることができる。

図３、図４、図５及び図６を参照すると、低圧タービンケーシング／シュラウド組立体４０内の低圧タービンケーシング１０は、環状シェル１２の前端１８から半径方向内向きに垂下した前方フランジ１６を含む。前方フランジ１６から軸方向後方へ延びる前方フック２２は、前方環状スロット３２を含む。環状の第１シュラウド４２は、環状シェル１２から半径方向内側に間隔を置いて配置され、前方環状スロット３２内に配置された前方に延びる第１前方リップ４３を有する。第１シュラウド４２の後方フランジ４６は、第１フック２４の第１環状スロット３４内に配置された環状の半径方向外側脚部４８を有する環状のＣ字形クリップ４７によって第１フック２４に取付けられる。

第１環状空洞５０が、半径方向に環状シェル１２と第１シュラウド４２との間に配置され、前方フランジ１６から第１フック２４まで軸方向に延び、かつ第１の複数の第１冷却孔２７と流体連通している。環状ノズル保持部材４４が、タービンフランジ５６と前方フランジ１６との間で軸方向に捕捉される。冷却空気流第１通路５４が、環状の冷却空気プレナム５２からタービンフランジ５６と環状ノズル保持部材４４と前方フランジ１６とを貫通して第１環状空洞５０まで延びる。第１通路５４は、タービンフランジ５６を貫通して軸方向及び半径方向に開口したチャネル６０と、環状ノズル保持部材４４を貫通して軸方向に延びる半径方向に細長い孔６２と、前方フランジ１６を貫通して第１環状空洞５０まで延びる複数の冷却空気供給孔２８とを含むことができる。半径方向に開口したチャネル６０は、典型的にはタービンフランジ５６内に機械加工されたスロットである。

図３、図６及び図７を参照すると、半径方向外側のタービン羽根バンド６４が、第１及び第２タービン羽根フランジ６５、６６により第１及び第２フック２４、２６から半径方向内向きに懸架される。環状シール６８が、半径方向に環状シェル１２と外側タービン羽根バンド６４との間に配置され、第１及び第２タービン羽根フランジ６５、６６間で軸方向に延びる。第２環状空洞７０が、半径方向に環状シェル１２と環状シール６８との間に配置され、第１及び第２レール２３、２５間で延び、かつ第１の複数の第１冷却孔２７及び第２の複数の第２冷却孔２９と流体連通している。

更に図８は、冷却空気５８を第２フック２６内のスカラップ状通路８８を通して第２環状空洞７０から排出するために、第２冷却孔２９がどのようにフック２６の一部分を貫通して第２環状スロット３６内に至ることができるかを示している。図９には、第２冷却孔２９が、冷却空気５８を第２環状空洞７０から排出するために、第２レール２５を貫通して配置された軸方向に延びる前方孔８０と半径方向に延びる孔８２との組合せとすることができることが示されている。

低圧タービンケーシング１０と低圧タービンケーシング／シュラウド組立体４０とは、ケーシングとＬＰＴシュラウドとノズルバンドとの間の空洞内に取り込まれる高温流路ガスの量を減らして、対流によりケーシングに伝達れる熱の量を減少させることができる。このことは、ケーシングの金属動作温度を低下させ、それによって、熱と共に大きくなる低サイクル疲労をその材料が受けるケーシングの有効耐用寿命を増大させる。

本発明の好ましいと思われる実施形態について説明してきたが、本明細書の教示から本発明のその他の変更が当業者には明らかであり、従って、かかる変更は全てが、本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれるものとして、同時に提出した特許請求の範囲において保護されることを望む。

本発明の原理を説明するために、本発明の好ましい実施形態を十分に説明してきたが、同時に提出した特許請求の範囲に記載したような本発明の技術的範囲から逸脱することなく、その好ましい実施形態に様々な変更又は変形を加えることが可能であることを理解されたい。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

先行技術による第１段ガスタービンエンジンの低圧タービンケーシング／シュラウド組立体を示す長手方向断面図。図１に示したタービンノズルとケーシング／シュラウド組立体との間の先行技術による接合部を示す拡大図。本発明の例示的な実施形態による例示的なガスタービンエンジンの低圧タービンケーシング／シュラウド組立体を示す長手方向断面図。図３に示したタービンケーシングの前方フランジの周りの区域を示す長手方向拡大断面図。図３及び図４に示したタービンケーシングのノズル保持金属板と前方フランジとを示す斜視図。図３に示したタービンケーシング／シュラウド組立体における、半径方向貫通孔を有する第１フックを示す長手方向拡大断面図。図３に示したガスタービンエンジンの低圧タービンケーシング／シュラウド組立体における、半径方向貫通孔を有する第２フックを示す長手方向断面図。図３に示した例示的なガスタービンエンジンの低圧タービンケーシング／シュラウド組立体の第１の変形実施形態を示す長手方向断面図。図３に示した例示的なガスタービンエンジンの低圧タービンケーシング／シュラウド組立体の第２変形実施形態を示す長手方向断面図。

符号の説明

１０低圧タービンケーシング
１２円錐形の環状シェル
１４中心線
１６前方フランジ
２３第１レール
２５第２レール
２７第１レールの第１冷却孔
２９第２レールの第２冷却孔
４０低圧タービンケーシング／シュラウド組立体
４２第１シュラウド
４４ノズル保持部材
５０第１環状空洞
５２環状冷却空気プレナム
５４第１冷却空気流通路
６４外側タービン羽根バンド
６８環状シール
７０第２環状空洞

Claims

低圧タービンケーシング／シュラウド組立体（４０）であって、
中心線（１４）の周りを囲む円錐形の環状シェル（１２）を含む低圧タービンケーシング（１０）と、
前記環状シェル（１２）の前端（１８）から半径方向内向きに垂下した前方フランジ（１６）と、
前方環状スロット（３２）を有しかつ前記前方フランジ（１６）から軸方向後方へ延びる前方フック（２２）と、
前記環状シェル（１２）から軸方向後方へ延びかつ前記前方フック（２２）の軸方向後方に設置されている軸方向に間隔を置いて配置された、第１環状スロット（３４）を備えた第１フック（２４）を有する環状の第１レール（２３）と第２環状スロット（３６）を備えた第２フック（２６）を有する環状の第２レール（２５）と、
前記第１レール（２３）を貫通して延びる第１の複数の第１冷却孔（２７）と前記第２レール（２５）を貫通して延びる第２の複数の第２冷却孔（２９）と、
前記環状シェル（１２）から半径方向内側に間隔を置いて配置されかつ前記前方環状スロット（３２）内に配置された前方に延びる第１前方リップ（４３）を有する環状の第１シュラウド（４２）と、
前記第２環状スロット（３６）内に配置された環状の半径方向外側脚部（４８）を有する環状のＣ字形クリップ（４７）によって前記第１フック（２４）に取付けられた後方フランジ（４６）と、
半径方向に前記環状シェル（１２）と前記第１シュラウド（４２）との間に配置され、前記前方フランジ（１６）から前記第１フック（２４）まで軸方向に延び、かつ前記第１の複数の第１冷却孔（２７）と流体連通した第１環状空洞（５０）と、
タービンフランジ（５６）と前記前方フランジ（１６）との間で軸方向に捕捉された環状ノズル保持部材（４４）と、
環状の冷却空気プレナム（５２）から前記タービンフランジ（５６）と前記環状ノズル保持部材（４４）と前記前方フランジ（１６）とを貫通して前記第１環状空洞（５０）まで延びる冷却空気流第１通路（５４）と、
を含み、
前記第１通路（５４）が、前記タービンフランジ（５６）を貫通して軸方向及び半径方向に開口したチャネル（６０）と、前記環状ノズル保持部材（４４）を貫通して軸方向へ延びる半径方向に細長い孔（６２）と、前記前方フランジ（１６）を貫通して前記第１環状空洞（５０）まで延びる複数の冷却空気供給孔（２８）とを含むことを特徴とする組立体（４０）。
前記複数の冷却空気供給孔（２８）が、前記中心線（１４）に対してほぼ平行であることを特徴とする、請求項１に記載の組立体（４０）。
前記第１の複数の第１冷却孔（２７）及び前記第２の複数の第２冷却孔（２９）が、前記中心線（１４）に対して半径方向にそれぞれ前記第１レール（２３）及び前記第２レール（２５）を貫通して配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の組立体（４０）。
前記第１の複数の第１冷却孔（２７）及び前記第２の複数の第２冷却孔（２９）が、前記中心線（１４）に対して傾斜角度（３０）でそれぞれ前記第１レール（２３）及び前記第２レール（２５）を貫通して配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の組立体（４０）。
第１及び第２タービン羽根フランジ（６５、６６）により前記第１及び第２フック（２４、２６）から半径方向内向きに懸架された半径方向外側のタービン羽根バンド（６４）と、
半径方向に前記環状シェル（１２）と前記外側タービン羽根バンド（６４）との間に配置されかつ前記第１及び第２タービン羽根フランジ（６５、６６）間で軸方向に延びる環状シール（６８）と、
半径方向に前記環状シェル（１２）と前記環状シール（６８）との間に配置され、前記第１及び第２レール（２３、２５）間で軸方向に延び、かつ前記第１の複数の第１冷却孔（２７）及び前記第２の複数の第２冷却孔（２９）と流体連通した第２環状空洞（７０）と、
を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の組立体（４０）。