JP4553285B2 - 高圧及び低圧タービン複合式シュラウドのエンドレール冷却法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にエンドレール冷却用のガスタービンエンジン冷却構成部品に関し、具体的には各シュラウドセグメントが、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンセクションの両方に冷却を施すタービンエンジンシュラウドに関する。本発明は、さらにタービンエンジン部分組立体に関し、具体的には少なくとも1つの減衰シール及び主スプラインシールと組合わせて1対のかかる冷却セグメントを用いるシュラウド部分組立体に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの効率を高めるための、既知の取り組み方は、タービン運転温度を上昇させることである。運転温度が上昇すると、一部のエンジン構成部品の熱限界を超えることになり、結果として材料破損、または少なくとも有効寿命を縮める可能性がある。その上に、これらの構成部品の熱膨張や収縮が増大することが、異なる熱膨張係数の他の構成部品との離間距離やそれらの嵌まり合う関係に悪影響を及ぼす。従って、これらの構成部品は、高温の運転温度で起こる可能性のある損傷を回避するために冷却されなければならない。
【0003】
それで常法では、冷却目的のために圧縮機からの圧縮空気の一部分を空気流れの主流から抽気している。より高い運転温度により得られるエンジン運転効率における利得を不当に損なわないように、抽気された冷却空気の量は、全体の空気流れの主流のうちの僅かな割合に抑えられるべきである。このことは、冷却空気がこれらの構成部品の温度を安全な範囲内に維持するのに最大の効率で利用されることを必要とする。
【0004】
極めて高い温度にさらされる特に重要な構成部品は、燃焼器からすぐ下流にある高圧タービンノズルのすぐ下流に設置されるシュラウドである。シュラウドは、高圧タービンのロータを近接して囲繞し、従って、高圧タービンを通して流れる極めて高い温度の(高温)ガス主流の外側の境界(流路)を画定する。材料破損を防止し、また高圧タービンのロータ翼との適当な間隙を保つために、適当なシュラウド冷却が、重大な関心事である。
【0005】
シュラウド冷却は、シュラウドの基部背面をインピンジメント冷却すると同時に、シュラウドの基部の背面からそれを貫通してシュラウドの前部または前縁、(高温)ガス主流と接触する基部の底部または内側表面、及びシュラウドの後部または後縁に延びる冷却孔によって、シュラウドをインピンジメント冷却及びフィルム冷却するとともに冷却孔の内側に対流冷却の両方を施すことにより、達成され得る。冷却流れは、冷却空気が孔から出るときのインピンジメント冷却だけでなく、側面パネルまたはレールによって冷却通路または孔の内側の対流冷却としてももたらされる。例えば、1992年12月8日に登録された、本出願と同一の出願人による米国特許第5,169,287号(Proctorほか)を参照されたく、ここには、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクションのシュラウド冷却の先行する実施形態が示されている。この冷却は、高圧タービンセクションにおける高温のガス主流またはコアガス流の近傍のシュラウドの局部酸化及び焼損を極力少なくする。たしかに、本出願と同一の出願人による米国特許第5,169,287号のシュラウドの側面パネルを通して開口する冷却孔は、隣接するシュラウドの側面パネルに重要なインピンジメント冷却を施すことができる。
【0006】
シュラウドの前縁は、最も高温の流路ガスまたは空気を曝されるので、最も高い熱伝達係数を有する必要があり、このセクションは冷却するのが最も困難なものの1つになる。本出願と同一の出願人による米国特許第5,169,287号にまた示されるように、円周方向の孔列は、シュラウドの前縁にも開口するように傾斜させることができ、シュラウドの前縁で対流冷却及びフィルム冷却の両方を施す。この冷却フィルムは衰えて高温の流路空気と混合するので、より多くの対流及びフィルム冷却を施すためには、追加の円周方向の冷却孔列が必要になる可能性がある。
【0007】
異なる型のガスタービンエンジン用の別の型のシュラウド組立体が、1992年7月7日に登録された、本出願と同一の出願人による米国特許第5,127,793号(Walkerほか)に示される。米国特許第5,127,793号の図4及び図4cに具体的に示されるように、この先行技術のシュラウド組立体は、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンセクションの両方に跨るように設計された一体式のシュラウドセグメント30を用いる。図4に具体的に示されるように、冷却は、ポート78を通してまたセグメントに分けられたインピンジメント板80を通してかつシュラウドセグメント30の高圧部分83に対して冷却空気74の一部分を導くことにより施される。この空気74の別の1部分が、空洞Bに導かれ、その大部分は各シュラウドセグメント30の低圧部分85に隣接して設置される空洞Cに、タービンシュラウド支持体44の支持円錐部分86中に形成される孔84を通して供給される。シュラウド支持体44に取付けられたインピンジメント板81が、空洞Cからシュラウドセグメント30の低圧部分85上にインピンジメント冷却空気を計量し導く。この米国特許第5,127,793号の先行技術のシュラウド設計は、高圧及び低圧セクションの両方のシュラウドセグメント30の背面にかなりのインピンジメント冷却を施すが、隣接するシュラウドセグメントの側面パネルまたはレールに全くインピンジメント冷却を施さない。
【0008】
本出願と同一の出願人による米国特許第5,127,793号に示されるシュラウド組立体は、上流のタービンノズルのほぼ後端から下流のタービンノズルのほぼ前縁まで延びて、空気流れを翼列中に、次いで高圧タービンセクション(HPT)中の翼列中に、さらに低圧タービンセクション(LPT)中の別の翼列中に適当に導く、ターニングノズルを一般的に有するガスタービンエンジンの外方の空気流路を包み込む(つまり、周りに360度の環状の構造体を設ける)。これらのシュラウドセグメントの間の軸方向の間隙は、ガスタービンエンジンが生じる広い範囲の温度にわたる熱膨張を許す。高温の流路空気が、タービン翼列を通過すると、空気から仕事が取り出され、従って、翼列を通して軸方向に圧力及び温度低下を生じる。結果として、圧力及び温度の両方とも、シュラウドの前縁においてより高く、そしてシュラウドの後縁においてより低くなる。
【0009】
シュラウドセグメント間の軸方向の分割ラインまたは間隙に沿う一般的なシール方法は、薄い金属シール(“スプラインシール”と普通呼ばれる)が配置される機械加工された溝またはスロットを設けることで、シールにかかる圧力荷重で積極的なシールを行ない、空気漏れを極力少なくする。本出願と同一の出願人による米国特許第5,127,793号の図11aを参照されたく、そこには、シュラウドセグメント30中の1対の縦方向に延びるスロット、下部または“減衰(discourager)”スプラインシールを受入れる下部スロット、上部または“主(primary)”スプラインシールを受入れる上部スロットが示されている。 “減衰”シールの下方でシュラウドセグメント間に設定された軸方向のセグメント間隙の部分(通常“トレンチ(trench)”と呼ばれる)も、またタービン翼列により生じる圧力勾配のために軸方向の下流に移動する高温の流路空気を有する。この“トレンチ”には一般に何も優先的な冷却が加えられない。代わりに、過去には、“減衰”シールの周りで漏れる空気及び隣接する金属からの伝導は、軸方向の分割ライン、つまりシュラウドセグメントの側面レールまたはパネルのところを冷却するのに十分であると考えられてきた。しかしながら、より高い温度で運転するより最近のガスタービンエンジンにおいては、シュラウドセグメントの軸方向の分割ラインに沿う母材の酸化及び損耗(融解)が起きる可能性があるということが分かってきた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従って、とりわけ複合式高圧及び低圧タービンセクションの場合には、隣接するシュラウドセグメントの側面パネルに対する効果的なインピンジメント冷却を行なうシュラウド及び出来上がったシュラウド組立体を設けることが望ましいであろう。ガスタービンエンジンの効率を甚だしく低下させないように全体の利用可能な冷却空気を効率良く用いながら、かかるインピンジメント冷却を施すこともまた望ましいであろう。“減衰”シールの下方にあるシュラウドセグメントの間の“トレンチ”に効果的な冷却及びパージを施すことがさらに望ましいであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、隣接するタービン冷却構成部品(例えば、隣接するシュラウドセグメント間の軸方向の分割ラインでの)の側面レールまたはパネルに効果的なエンドレール冷却をもたらし、同時に減衰スプラインシールの下方にある隣接するタービンエンジン冷却構成部品(例えば、隣接するシュラウドセグメント)の間の間隙、つまり“トレンチ”における効果的な冷却をもたらす、ガスタービンエンジンの複合式高圧及び低圧タービンセクション用のシュラウドセグメントのようなタービンエンジン冷却構成部品に関する。本タービン冷却構成部品は、
(a)円周方向の前縁と、
(b)前縁から間隔を置いて配置された円周方向の後縁と、
(c)前縁及び後縁に接続され、背面及び前記タービン構成部品の前縁から後縁に向かう方向に移動するガスタービンエンジンの(高温の)ガス主流と接触する湾曲した内側表面を有する湾曲した基部と、
(d)前縁及び後縁に接続された、1対の間隔を置いて配置される対向する軸方向側面パネルと、を含み、
(e)側面パネルの各々は、各側面パネルの前縁から後縁まで縦方向に延びる、減衰スプラインシールの端縁を受入れることができる、下部減衰スプラインシールスロットを有し、各下部スロットは少なくとも底部壁面及び上部壁面を有し、
(f)側面パネルの各々は、下部スロットの上方に間隔を置いて配置され、各側面パネルの前縁から後縁まで縦方向に延びる、主スプラインシールの端縁を受入れることができる、上部主スプラインシールスロットを有し、各上部スロットは少なくとも底部壁面及び上部壁面を有し、さらに
(g)基部を貫通してその背面から延び、上部スロットの底部壁面及び下部スロットの底部壁面の間で側面パネルの少なくとも1つに開口する間隔を置いて配置された出口を有する複数の冷却空気通路と、
(h)下部スロットの長さ方向に沿いかつ上部スロットの底部壁面の下方に位置し、減衰シールが下部スロット中に配置されたときに、それを覆ってその上を流れる空気を受入れ、その空気流れを端縁を周って減衰シールの下側に通すことができる、複数の間隔を置いて配置された空気流れ経路と、
を含む。
【0012】
本発明は、さらに1対のかかる隣接するタービンエンジン構成部品を含むタービンエンジン冷却部分組立体に関し、タービンエンジン冷却部分組立体は、
(1)両者間に間隙を備える対向して隣接する側面パネルであって、隣接する側面パネルの各々についての下部スロットの長さ方向に沿う空気流れ経路の間隔は、各隣接する側面パネルに開口する冷却空気通路の各々の出口が、他方の隣接する側面パネルの空気流れ経路の1つと対向するように千鳥配列にされる、対向して隣接する側面パネルと、
(2)対向して隣接する側面パネルの間の間隙中に配置され、端縁の各々が、隣接する側面パネルの1つの下部スロットにより受入れられることができるような長さ及び厚さを有する1対の間隔を置いて配置された端縁を含む少なくとも1つの減衰スプラインシールと、を含み、
(3)少なくとも1つの減衰シールは、各隣接する側面パネルに開口する冷却空気通路の各々の出口の下方に配置され、さらに
(4)間隙中に配置され、端縁の各々が、隣接する側面パネルの1つの上部スロットにより受入れられることができるような長さ及び厚さを有する1対の間隔を置いて配置された端縁を含む少なくとも1つの主スプラインシールを含む。
【0013】
本発明のタービンエンジン冷却構成部品(例えば、シュラウド)は、エンドレール(つまり、分割ライン)領域、特に減衰シールの下方のタービン構成部品の金属に対して効果的で能率のよいしかもより一様な冷却を施すには特に有用である。千鳥配列されたつまりずらされた空気流れ経路(望ましくは下部スロットの底部壁面中の間隔を置いて配置された凹み)及び隣接する側面パネルに開口する冷却空気通路のための出口を有する1対のかかるタービン構成部品(例えば、シュラウドセグメント)を含む、本発明のタービンエンジン冷却部分組立体(例えば、シュラウド冷却部分組立体)もまた隣接する側面パネルの各々にインピンジメント冷却をゆきわたらせる。特に、このタービン冷却部分組立体は、冷却空気を、(a)減衰シールの上を、次いでその下に(下部スロットの底部壁面中の凹みのような空気流れ経路を介して)流し、冷却空気が流れて来たタービン構成部品(例えば、シュラウド)の側面パネル(下部スロットの下方)をインピンジメント冷却し、(b)冷却空気が来たその同じ側面パネルの下部スロットの壁面の底部の凹みを通してなどにより、減衰シールの上方から下流に(空気流れ経路を介して)また外方に流し、隣接する側面パネル(その下部スロットの下方)をインピンジメント冷却し、また(c)減衰シールの下方の“トレンチ”中の高温ガスまたは空気をパージする。
【0014】
本発明のタービンエンジン冷却構成部品は、いくつかの随意選択的ではあるが、好ましい特徴を有することができる。1つの好ましい特徴は、冷却空気が必要とされない、つまり不必要である側面パネルの一定の部分に開口する冷却空気通路を全く備えず、従って、全体の冷却空気流量の使用を節約することである。さらに別の好ましい特徴は、タービン冷却構成部品の一定のセクションの後側または後部部分、とりわけ高圧タービン(HPT)セクションを有するシュラウド冷却セグメントに、サブインピンジメントポケットを設けることである。このサブインピンジメントポケットは、HPTセクションの後側または後部部分(普通はHPTセクション中で最も低い吸込み圧力にある)に供給される冷却空気のソース圧力を減らすのに役立ち、適量の冷却空気をHPTセクションの後側または後部部分の側面パネルに開口する冷却空気通路に供給し、かかる通路から放出する全体の空気流量を減らし、さらに全体の冷却空気流量の使用を節約する。
【0015】
【発明の実施の形態】
図面を参照すれば、図1は、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンセクション用として全体を110で表わしたシュラウド組立体の形状になっている本発明のタービンエンジン冷却組立体の実施形態を示す。しかしながら、適当な変形形態については、本発明のタービンエンジン冷却組立体は、ノズル及び/または翼セクションのようなガスタービンエンジン中の他のセクションに冷却を施すのに適したものにすることができる。
【0016】
本発明のシュラウド組立体は、1体構造またはツーピース構造のどちらかにすることが可能な、130で表わされるシュラウドセグメントの形状のタービンエンジン冷却構成部品を含む。シュラウドセグメント130には、前部取付けフック132がその円周方向の前縁に設けられる。シュラウドセグメント130は、また中央または中間取付けフック134、及びシュラウドセグメント130の円周方向の後縁に後側または後部取付けフック136も備えている。
【0017】
多くのシュラウドセグメント130が、一般に周知の方式で円周方向に配置され、セグメントに分けられた360度シュラウドを形成する。多くのセグメントに分けられたシュラウド支持構造体144を用いて、シュラウドセグメント130を互いに結合する。各セグメントに分けられた支持体144は、2つのシュラウドセグメント130を円周方向に跨ぎ、支持するのが一般的であるが、適当に変型して1つ、3つ、またはそれ以上のセグメント130を支持することも可能である。図1に示す実施形態の場合には、一般的に組立体中に26個のシュラウドセグメント130及び13個のシュラウド支持体144があるが、異なる数のセグメント及び支持体が適するようにすることが可能性がある。
【0018】
各セグメントに分けられたシュラウド支持体144には、各々がそれぞれ前方に突出するハンガ152、154及び156を有する前部セクション146、中央または中間セクション148、及び後側または後部セクション150が設けられる。支持構造体144は、取付けフック132、134及び136がそれぞれハンガ152、154及び156により受入れられてそれぞれのシュラウドセグメント130を支持し、タング・イン・グルーブ(フック・イン・ハンガ)相互連結を構成する。
【0019】
各シュラウド支持構造体144は、一体型の連続する360度環状シュラウドリング構造体158によりさらに支持される。各シュラウドセグメント130と同様に、各シュラウド支持体144の半径方向の位置は、リング構造体158上に設けられる3つの異なる360度位置制御リング160、162及び164により精密に制御される。前部及び中間位置制御リング160及び162には、それぞれ支持構造体144のセクション146及び148の後方に突出する取付けフック168及び172をそれぞれ受ける軸方向前方へ突出するハンガ166及び170がそれぞれ形成され、一方、後部位置制御リング164には、支持構造体144のセクション150の後方へ突出する取付けフック176を受ける軸方向前方へ突出するハンガ174が形成されて、円周方向のタング・イン・グルーブ(フック・イン・ハンガ)相互連結を構成する。
【0020】
各シュラウド支持体144(従って、各シュラウドセグメント130)に施される半径方向の支持及び半径方向の位置制御が最大限となるように、支持リング158上の各ハンガ166、170及び174は、それぞれの位置制御リング160、162及び164と通常直接軸方向に位置合わせされる(つまり、同一半径方向平面に位置合わせされる)。この位置合わせにより、シュラウド支持組立体全体の剛性が増大する。支持リング構造体158は、一般的にその後端で燃焼器ケース(図示せず)にボルト止めされる。シュラウド支持組立体全体は、燃焼器ケースの当接面においてその前端から離れて片持ち支持される。燃焼器後部フランジから数インチ離れた前部及び中間位置制御リングは、それによって燃焼器ケースの半径方向の撓みのいかなる不均一な円周方向のばらつきにも影響されなくなる。
【0021】
セグメントに分けられたシュラウド設計は、高温の流動する排気ガスにより生じる劣悪な環境により生じる熱膨張を吸収することが一般的に要求される。セグメントに分けられたシュラウドハンガは、高温のシュラウド取付けフック及び位置制御リングの間の熱伝導経路を効果的に遮断する。従って、位置制御リングは、劣悪でしかも不均一な流路環境から充分に隔離される。
【0022】
圧縮機(図示せず)から抽気された高圧冷却空気の1部分は、支持体144のボス178中の高圧タービンセクション供給孔177を通して供給される。冷却空気のこの部分は、次いでなべ形の高圧タービンセクションのインピンジメント板179(支持体144に取付けられた)に衝突し、従って、高圧(HP)タービンセクションの上部HPプレインピンジメント空洞またはプレナム180を構成する。高圧空気のこの部分は、次いで冷却空気としてインピンジメント板179中の配列された小孔182を通してシュラウドセグメント130の高圧タービンセクションの下部HPポストインピンジメント空洞またはプレナム184中に供給される。圧縮機冷却空気はまた、支持体144中の低圧タービン供給孔185を通して供給される。冷却空気のこの他の部分は、支持体144に取付けられたなべ形低圧タービンセクションのインピンジメント板186に衝突し、従って低圧(LP)タービンセクションの上部LPプレインピンジメント空洞またはプレナム187を構成する。冷却空気のこの他の部分は、ついで冷却空気としてインピンジメント板186中の小孔188を通してシュラウドセグメント130の低圧タービンセクションの下部LPポストインピンジメント空洞またはプレナム189中に供給される。
【0023】
図2、図7、及び図8を参照すれば、各シュラウドセグメント130は、シュラウドセグメントの前縁及び前端における前部取付けフック132を含む前部高圧タービン(HPT)セクション190と、シュラウドセグメントの後縁及び後端における後部取付けフック136を含む後側または後部低圧タービン(LPT)セクション192とを有する。シュラウドセグメント130のHPTセクション190の後端及びLPTセクション192の前端は、中央または中間取付けフック134において結合されて、それぞれ高圧タービンの翼及び低圧タービンの翼に隣接する。(一体構成になっていないシュラウドセグメント130の場合には、HPTセクション190及びLPTセクション192は、当技術では既知の適当な手段により結合されるかまたは組み合わされるかした別個の部品にすることができる。)
シュラウドセグメント130は、前部取付けフック132から後部取付けフック136まで延びる基部196を有する。基部196は、外側表面または背面を有し、その部分がHPTセクション中の200として、またLPTセクション中の204として表わされる。基部196は、また一般的にシュラウドセグメント130の前端から後端に向かう方向に下流に移動する矢印210に表わされる(高温)ガス主流と接触する内側表面208を有する。図2に示すように、内側表面208は、HPTセクション190の前端から後端まで概ね直線状に延びるが、その後LPTセクション192の前端で斜めに上方にそのほぼ中間位置まで延び、その後LPTセクションの後端まで概ね直線状に延びる。シュラウドセグメントはまた、その前端及び後端で取付けフック132及び136に接続されると共にその中央または中間セクションで取付けフック134に接続され、またその底部端縁で基部196に接続される1対の対向する間隔を置いて配置された側面レールまたはパネル214を有する。
【0024】
図2、図7、及び図8にまた示すように、HPTセクション190は、それぞれの端部で取付けフック132及び134に、またその底部端縁で基部196に接続される複数の間隔を置いて配置された縦方向リブ218を有する。横方向に延びるリブ222が、それぞれの端部で側面パネル214に、また底部端縁で基部196に接続されて、HPポストインピンジメント空洞184(取付けフック132及び134、側面パネル214及び基部196により区画された)を、226で表わされる前部高圧HPポストインピンジメントポケット及び230で表わされる後部低圧HPポストインピンジメントポケットに分割する。後部HPサブインピンジメントポケット230は、円周方向のリブ222の上に設置され、後方に中間取付けフック134まで延びその端縁が2つのそれぞれの側面パネル214の間に延びる2次インピンジメント板(図示せず)中の小孔を通して冷却空気を供給され、この2次インピンジメント板も冷却空気をHPポストインピンジメント空洞184から供給される。LPTセクション192は、またそのそれぞれの端部で取付けフック134及び136に、またその底部端縁で基部196に接続される複数の間隔を置いて配置された縦方向リブ234を有し、同時にインピンジメント板186中の小孔188を通して供給される冷却空気を受入れるLPポストインピンジメント空洞189(取付けフック134及び136、側面パネル214及び基部196により区画された)を有する。
【0025】
図2及び図3に示すように、側面パネル214の各々は、下部または減衰シール溝またはスロット242及び下部スロット242の上方に間隔を置いて配置された上部または主シール溝またはスロット246を有する。スロット242及び246の各々は、シュラウドセグメント130の前縁または前端から概ね縦方向に延びて、下部スロット242の後縁または後端の辺りで、また上部スロット246に対する低圧インピンジメント空洞の後端で終わる。スロット242及び246は連続しているものとして示されているが、これらのスロットは、例えば、2つの別個のセクションにして、1つはHPTセクション用に、他方はLPTセクション用というような別個のセグメントまたはセクションにするか、またはLPTセクションが各スロットに対して2つの別個のセクションを有し、1つはLPTセクションの斜めの部分中にあって、もう1つはLPTセクションの直線状部分中にある、3つの別個のセクションにするような別個のセグメントまたはセクションにすることも可能である。
【0026】
また、図2及び図3に示されるのは、取付けフック132における前部垂直シール溝またはスロット248、取付けフック134における中央または中間位置垂直シール溝またはスロット250、及び取付けフック136における後部垂直シール溝またはスロット252である。垂直スロット248、250及び252の各々は、基部196の内側表面208からまたはその近傍から始まり、上方に延びて下部及び上部スロット242及び246と垂直に交差し、それぞれの取付けフック132,134及び136の上端で終わる。
【0027】
図4及び図10を参照すれば、下部スロット242は、底部壁面256、底部壁面256に端縁で接続された側壁面260、及び側壁面260に端縁で接続された上部壁面264を有し、一方、上部スロット246は、底部壁面266、底部壁面266に端縁で接続された側壁面270、及び側壁面270に端縁で接続された上部壁面274を有する。図4に特に示すように、下部スロット242の底部壁面256は複数の間隔を置いて配置された交互に入れ代わるランド278及びスロットまたは凹み282を有する。ランド278及び凹み282は、類似の寸法及び正方形の形状を有するものとして示されるが、また他の形状及び構成(丸みをつけられた端縁のような)だけでなく、異なる寸法とすることも可能である。
【0028】
特に図4、図9及び図10に示すように、基部196の外側表面または背面200または204において入口288を備える複数の細長い空気冷却孔または通路286が、シュラウドセグメント130の基部196を貫通して斜め下方にかつ半径方向内方に延び、図4、図9及び図10に示すように下部スロット242の上部壁面264を貫通して出口292で開口するか、あるいはそれに代えて示されるように、出口292は側壁面260及び上部壁面264を接続する端縁辺りで開口することができる。図4に示される本発明の実施形態について、各出口292はランド278の1つの上方に開口することも重要であるが、その理由は後述する。しかしながら、本発明の他の実施形態において必要であれば、通路286の出口292は、上部スロット246の底部壁面266及び下部スロット242の底部壁面256の間の側面パネル214上の別の箇所で開口することも可能である。
【0029】
通路286は、通常直線状であるが、円周方向及び半径方向に対して斜めにすることができる。このように斜めにすることで、通路286の長さがより大きくなり、基部及び側面レールまたはパネルの厚さよりかなり大きい長さになるので、その対流冷却表面が増大する。通路286は、一般的にHPTセクション190及びLPTセクション192に沿って間隔を置いて配置されるため、下部スロット242中に開口するそれぞれの出口292もまた下部スロットの全長に沿って間隔を置いて配置される。通路286はスロット242の全長に沿って連続するパターンで出口292で開口するが、本発明のシュラウドセグメントにおいては全体の冷却空気流量を使用するのを節約するためにかかる通路が下部スロットのある一定のセクションには開口させないことが好ましい。図5で示される1つのかかるセクションは、HPTセクション190の後端及びLPTセクション192の前端の間で296として表わされる遷移部の辺りである。この遷移部箇所296における通路286をなくすことで、HPTセクションからLPTセクションまでの冷却空気の無駄の多い流れが防止されるかまたは極減される。図6に示すように、冷却空気通路286が一般に不必要である別の1つのかかるセクションは、LPTセクションの後縁または後端辺りで300で表わされる箇所である。LPTセクションのこの箇所では、通常、下部スロット242に沿って軸方向後方に十分な空気流量があるので、通路286により追加の冷却空気を供給することなく適切に側面パネル214を冷却し、さらに全体の冷却空気流量を無駄に使用することを避ける。
【0030】
前部HPポストインピンジメントポケット226は、HPTセクション190の前部部分中に出口292で開口する通路286の入口288に冷却空気を供給するが、後部のサブインピンジメントポケット230は、HPTセクション190の後部部分中に出口292で開口する通路286の入口288に冷却空気を供給する。サブインピンジメントポケット230は、HPTセクション190の後端に出口292で開口する最後の僅かの(一般に4つの)通路286に関して全体の冷却空気流を控えめに使用する上で重要である。特に、ポケット230は、ポストインピンジメントプレナム184からの冷却空気流れがHPTセクション190の後端で通路286の入口288に入る前にその冷却空気流の圧力を減少させる。
【0031】
図3から図6までに示すように、シュラウドセグメント130は、追加の冷却通路の列を備えることができ、そのうちの5つは、304、306、308、310及び312で表わされ、基部196の外側表面または背面200又は204から基部196を貫通して延び、次いで出口314で内側表面208に開口する。通路286のように、通路304、306、308及び310、312は、通常直線状であるが、その対流冷却表面を増させるために長さが増大するように円周方向及び半径方向に関して斜め方向に延びることができる。列304、306、308、310及び312の通路を通して流れる空気が、シュラウドセグメント130のHPTセクション190及びLPTセクション192を対流冷却する。この目的に役立った後に、これらの列の通路の出口314から出る冷却空気は、シュラウドセグメントをフィルム冷却し内側表面208に沿う流れに混合する。
【0032】
本発明の別の態様は、シュラウド部分組立体であり、その1つの実施形態を図9及び図10に示し、全体を400として表わす。図10に詳細に示すように、部分組立体400は、全体を402で表わす円周方向セグメント間隙により分離される、対向して隣接する側面パネル214を有する1対の隣接するシュラウドセグメント130を含む。図9に詳細に示すように、隣接する側面パネル214の各々の下部スロット242のランド278及び凹み282は、間隔を置いて配置されて、各隣接する側面パネルの下部スロットのランドが、各隣接する側面パネルの凹みに対向するように互いに千鳥配列にされるかまたはずらされる。その結果、下部スロット242中に(ランド278の1つの上方で)開口する出口292を有する冷却通路286の各々も、隣接する側面パネルの下部スロットの凹み282と対向する。
【0033】
図2、図3及び図9に示すように、交互に入れ代わるランド278及び凹み282は、一般的に隣接する側面パネル214の各々の下部スロット242の全長の底部壁面256に沿って連続して延びる。しかしながら、これらの交互に入れ代わるランド278、及び特に凹み282は、連続的であることも下部スロット242の全長に沿う必要もない。例えば、通路286が下部スロット242中に開口してない下部スロット242のそれらのセクション(図5及び図6に示すような)の場合には、隣接する側面パネル214の下部スロット242の底部壁面256のその部分は、その中に形成される凹み282を備える必要がない。
【0034】
部分組立体400は、1対のシュラウドセグメント130の隣接する側面パネル214の下部スロット242により(ランド278の上方で)受入れられる間隔を置いて配置される端縁408を有する、間隙402中に配置される、下部減衰スプラインシール404をさらに含む。部分組立体400は、また1対のシュラウドセグメント130の隣接する側面パネル214の上部スロット246により受入れられる間隔を置いて配置される端縁416を有する、間隙402中に配置される、上部主スプラインシール412を含む。減衰シール404及び主シール412は、間隙402を、以後は底部空洞またはトレンチ420、中間圧力空洞またはシュート424、及び上部ポストインピンジメント空洞428と呼ばれる、3つのセクションに事実上分割する。減衰シール404及び主シール412の間に画定される中間圧力空洞またはシュート424は、一般的に、隣接する側面パネル214の各々のそれぞれ中央または中間垂直スロット250に受入れられる垂直スプラインシールにより前部HPT部分及び後部LPT部分に分割される。このシュート424は、HPポストインピンジメント空洞184及びLPポストインピンジメント空洞189の圧力より低く、局所ガス流れの圧力210、つまりHPTセクション190及びLPTセクション192の近傍における圧力よりも高い圧力を有する。
【0035】
シール412の各々、特にシール404の幅は、それらが間隙402と隣接する側面パネル214の各々のスロット242、246との組み合わされた幅より小さくなるようになっている。これは各隣接する側面パネル214の下部スロット242にとって特に重要であり、従って、側壁面260に隣接する各凹み282の部分は、シール404により覆われないで残ることができ、従って、空気流を通すこと可能である。シール404及び412が、一つの連続部片として示されるが、特に例えば、もしスロット242及び246が別個のセクションまたはセグメントであれば、それらのシールも別個のセクションにすることが可能である。
【0036】
図10に詳細に示すように、矢印432により表わされる冷却空気は、通路286を下方に流れて出口292から出る。この箇所で、この空気流れ432は、トレンチ420に隣接する側面パネル214のそれらの部分をインピンジメント冷却することができる2つの経路のうちの1つを通って進むことができる。1つの経路は、シュラウドセグメント130の後縁に向かってシュート424中を軸方向に下流に流れ、空気流れ432が来た通路286と同じ側の凹み282からトレンチ420中に出て、446により表わされるように、隣接する側面パネル214のシール404の下方の部分をインピンジメント冷却し、さらにトレンチ420中の高温ガスをパージするものである。もう一方の経路は、減衰シール404上を円周方向に流れて、矢印440により表わされるように、隣接するパネル214の下部スロット242に入り、矢印444により表わされるように、シール404の端縁408を周って、側壁面260に隣接する凹み282の覆われていない部分中に、次いで矢印446により表わされるように、凹み282を出てトレンチ420に入り、空気流れ432が来た同じ側面パネル214のシール404の448で示す下方の部分をインピンジメント冷却し、さらにトレンチ420中の高温ガスをパージするものである。(図10に示すように、それぞれの側面パネル214の各々の下方の部分448はまた、456により表わされるボンディングコートによりシュラウドセグメント130の金属部分に固着される454により表わされる断熱皮膜を含む。)
減衰シール404は一般的に固定されないで下部スロット242内で自由に動くことができるので、端縁408はスロット242の側壁面260に突き当たることが可能になり、従って、凹み282を覆い、それらは部分的にまたは完全に空気流れを通さなくする。図11に示すように、本発明の別の実施形態は、460で表わすように、各凹み282をスロット242の隣接するランド278の上方の側壁面260中及びその上方に延ばすので、シール404の端縁408がスロット242の側壁面260に突き当たった場合に、凹み282はシール404で覆われないで残り、従って空気の流れを通すことができる。図9から図11までに示す本発明の実施形態は、凹み282の形状の下部スロット242の長さ方向に沿って間隔を置いて配置された空気流れ経路を設け、スロット242(矢印440を参照)中に流れ込む空気を受入れ、次いで空気をシール404の端縁408上及びそれを周って流し(矢印444を参照)、次いでその空気流れをシール404の下側に通す(矢印446を参照)が、上部スロット246(及び主シール412)の底部壁面266の下方の空気流れ経路の別の設計もまた好適である。例えば、複数の間隔を置いて配置された湾曲した通路が、通路286のそれぞれの出口292に対向し、下部スロット242の上方に入口をそして下方に出口を有して、側面パネル214中に形成されることが可能であり、従って、シュート424中の空気432の流れはシール404の周り及び下側に向けることができる。
【0037】
本発明の特定の実施形態をこれまで説明してきたが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、それらに対して様々な変形形態を加えることが可能であることは、当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のシュラウドセグメント及び部分組立体を用いることが可能なシュラウド組立体の側面図。
【図2】 本発明のシュラウドセグメントの実施形態の拡大軸方向側面図。
【図3】 図2のシュラウドセグメントの下側の拡大斜視図。
【図4】 図3のシュラウドセグメントの異なる部分の拡大図。
【図5】 図3のシュラウドセグメントの異なる部分の拡大図。
【図6】 図3のシュラウドセグメントの異なる部分の拡大図。
【図7】 図2のシュラウドセグメントの実施形態の上面図。
【図8】 図7の線8−8による断面図。
【図9】 本発明のシュラウド部分組立体の実施形態の一部破断上面図。
【図10】 図9の線10−10による断面図。
【図11】 本発明のシュラウドセグメント及びシュラウド組立体の別の実施形態を示す図9に類似の図。
【符号の説明】
130 シュラウドセグメント
132 前部取付けフック
134 中間取付けフック
136 後部取付けフック
184 HPポストインピンジメント空洞
189 LPポストインピンジメント空洞
190 高圧タービン(HPT)セクション
192 低圧タービン(LPT)セクション
196 基部
200、204 背面
208 内側表面
210 ガス主流
214 側面パネル
226 前部HPポストインピンジメントポケット
230 後部HPサブインピンジメントポケット
242 減衰シールスロット
246 主シールスロット
248、250、252 垂直スロット
Claims (10)
- ガスタービンエンジン用のタービンエンジン冷却構成部品(130)であって、
(a)円周方向の前縁(132)と、
(b)前記前縁(132)から間隔を置いて配置された円周方向の後縁(136)と、
(c)前記前縁及び後縁(132,136)に接続され、背面(200,204)及び前記タービン構成部品(130)の前記前縁(132)から前記後縁(136)に向かう方向に移動するガスタービンエンジンのガス主流(210)と接触する湾曲した内側表面(208)を有する湾曲した基部(196)と、
(d)前記前縁及び後縁(132,136)に接続された、1対の間隔を置いて配置される対向する軸方向側面パネル(214)と、
を含み、
(e)前記側面パネル(214)の各々は、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで縦方向に延びる、減衰スプラインシール(404)の端縁(408)を受入れることができる、下部減衰スプラインシールスロット(242)を有し、各下部スロット(242)は少なくとも底部壁面(256)及び上部壁面(264)を有し、
(f)前記側面パネル(214)の各々は、前記下部スロット(242)の上方に間隔を置いて配置され、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで縦方向に延びる、主スプラインシール(412)の端縁(416)を受入れることができる、上部主スプラインシールスロット(246)を有し、各上部スロット(246)は、少なくとも底部壁面(266)及び上部壁面(274)を有し、さらに
(g)前記基部(196)を貫通してその前記背面(200,204)から延び、前記上部スロット(246)の前記底部壁面(266)及び前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)の間で前記側面パネル(214)の少なくとも1つから前記下部スロット(242)中に開口する間隔を置いて配置された出口(292)を有する複数の冷却空気通路(286)と、
(h)前記下部スロット(242)の長さ方向に沿いかつ前記上部スロット(246)の前記底部壁面(266)の下方に位置し、前記減衰シール(404)が前記下部スロット(242)中に配置されたときに、それを覆ってその上を流れる空気を受入れ、その空気流れを前記端縁(408)を周って前記減衰シール(404)の下側に通すことができる、複数の間隔を置いて配置された空気流れ経路(282)と、
を含む、ことを特徴とするタービンエンジン冷却構成部品(130)。 - 前記複数の空気流れ経路(282)は、前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)に沿う複数の間隔を置いて配置された凹み(282)であることを特徴とする請求項1に記載のタービン構成部品(130)。
- 前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)は、複数の間隔を置いて配置された交互に入れ代わる凹み(282)及びランド(278)を有し、また前記側面パネル(214)に開口する前記通路(286)の前記出口(292)の各々は、前記ランド(278)の1つの上方で前記下部スロット(242)中に開口することを特徴とする請求項2に記載のタービン構成部品(130)。
- (1)両者間に間隙(402)を備える対向して隣接する側面パネル(214)を有し、前記隣接する側面パネル(214)の各々についての前記下部スロット(242)の長さ方向に沿う空気流れ経路(282)の間隔は、各隣接する側面パネル(214)に開口する前記通路(286)の各々の出口(292)が、他方の前記隣接する側面パネル(214)の空気流れ経路(282)の1つと対向するように千鳥配列にされる、請求項1の隣接する1対の前記タービン構成部品(130)と、
(2)前記対向して隣接する側面パネル(214)の間の前記間隙(402)中に配置され、前記端縁(408)の各々が、前記隣接する側面パネル(214)の1つの前記下部スロット(242)により受入れられることができるような長さ及び厚さを有する1対の間隔を置いて配置された端縁(408)を含む少なくとも1つの減衰スプラインシール(404)と、
を含み、
(3)前記少なくとも1つの減衰シール(404)は、各隣接する側面パネル(214)に開口する前記通路(286)の各々の前記出口(292)の下方に配置され、さらに(4)前記間隙(402)中に配置され、前記端縁(416)の各々が、前記隣接する側面パネル(214)の1つの前記上部スロット(246)により受入れられることができるような長さ及び厚さを有する1対の間隔を置いて配置された端縁(416)を含む少なくとも1つの主スプラインシール(412)を含む、ことを特徴とするタービンエンジン冷却部分組立体(400)。 - 前記減衰シール(404)及び主シール(412)の各々は、1つの連続する部片であることを特徴とする請求項4に記載のタービン部分組立体(400)。
- 前部高圧タービンセクション(190)及び後部低圧タービンセクション(192)を有するガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンセクション用の冷却シュラウドセグメント(130)であって、
(a)前記高圧タービンセクション(190)の前端の円周方向の前縁(132)と、
(b)前記低圧タービンセクション(192)の後端の、前記前縁(132)から間隔を置いて配置された円周方向の後縁(136)と、
(c)前記後縁及び前縁(132,136)に接続し、背面(200,204)及び前記シュラウドセグメント(130)の前記前縁(132)から前記後縁(136)に向かう方向に移動するガスタービンエンジンのガス主流(210)と接触する湾曲した内側表面(208)を有する湾曲した基部(196)と、
(d)前記前縁及び後縁(132,136)に接続された1対の間隔を置いて配置された対向する軸方向側面パネル(214)と、
を含み、
(e)前記側面パネル(214)の各々は、前記側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで縦方向に延びる下部減衰スプラインシールスロット(242)を有し、各下部スロット(242)は、底部壁面(256)、上部壁面(264)、並びにその端縁で前記底部及び上部壁面(256,264)に接続された側壁面(260)を有し、前記底部壁面(256)は、その長さ方向に沿う複数の間隔を置いて配置された交互に入れ代わるランド(278)及び凹み(282)を有し、(f)前記側面パネル(214)の各々は、前記下部スロット(242)の上方に間隔を置いて配置され、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで縦方向に延びる上部主スプラインシールスロット(246)を有し、各上部スロット(246)は少なくとも底部壁面(266)及び上部壁面(274)を有し、さらに(g)前記基部(196)を貫通してその前記背面(200,204)から延び、前記側面パネル(214)の少なくとも1つの前記下部スロット(242)中に、前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)の前記ランド(278)の1つの上方で開口する出口(292)を有する複数の冷却空気通路(286)を含む、ことを特徴とする冷却シュラウドセグメント(130)。 - 前記上部及び下部スロット(246,242)は、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで連続して延びることを特徴とする請求項6に記載のシュラウドセグメント(130)。
- 前記シュラウドセグメント(130)の前記高圧タービンセクション(190)の前記後端から前記低圧タービンセクション(192)の前記前端への遷移部(296)辺りで前記下部スロット(242)中に開口する通路(286)が全くないことを特徴とする請求項7に記載のシュラウドセグメント(130)。
- ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンセクション用のシュラウド部分組立体(400)であって、
(a)1対の隣接するシュラウドセグメント(130)であって、その各々が、高圧インピンジメント空洞(184)を備える高圧タービンセクション(190)及び低圧インピンジメント空洞(189)を備える低圧タービンセクションを含み、またその各々が、
(1)前記高圧タービンセクション(190)の前端の円周方向の前縁(132)と、
(2)前記低圧タービンセクション(192)の後端の、前記前縁(132)から間隔を置いて配置された円周方向の後縁(136)と、
(3)前記後縁及び前縁(132,136)に接続され、背面(200,204)及び前記シュラウドセグメント(130)の前記前縁(132)から前記後縁(136)に向かう方向に移動するガスタービンエンジンのガス主流(210)と接触する湾曲した内側表面(208)を有する湾曲した基部(196)と、
(4)前記前縁及び後縁(132,136)に接続された1対の間隔を置いて配置された対向する軸方向側面パネル(214)と、
を含み、
(5)前記側面パネル(214)の各々は、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで縦方向に延びる下部減衰スプラインシールスロット(242)を有し、各下部スロット(242)は、底部壁面(256)、上部壁面(264)並びに前記底部壁面及び上部壁面(256,264)にその端縁で接続された側壁面(260)を有し、前記底部壁面(256)はその長さ方向に沿う複数の間隔を置いて配置された交互に入れ代わるランド(278)及び凹み(282)を有し、
(6)前記側面パネル(214)の各々は、前記下部スロット(242)の上方に間隔を置いて配置され、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで縦方向に延びる上部主スプラインシールスロット(246)を有し、各上部スロット(246)は少なくとも底部壁面(266)及び上部壁面(274)を有し、さらに
(7)前記基部(196)を貫通してその前記背面(200,204)から延び、前記側面パネル(214)の少なくとも1つの前記下部スロット(242)中に前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)の前記ランド(278)の1つの上方で開口する出口(292)を有する複数の冷却空気通路(286)を含み、
(8)前記1対のシュラウドセグメント(130)の前記対向して隣接する側面パネル(214)は、両者間に間隙(402)を有し、また前記隣接する側面パネル(214)の各々についての前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)中の前記ランド(278)及び凹み(282)の間隔は、前記隣接する側面パネル(214)の1つの前記ランド(278)が、他方の前記隣接する側面パネル(214)の前記凹み(282)と対向するように千鳥配列にされる、1対の隣接するシュラウドセグメント(130)と、
(b)前記対向して隣接する側面パネル(214)の間の前記間隙(402)中に配置され、前記端縁(408)の各々が、前記隣接する側面パネル(214)の1つの前記下部スロット(242)により受入れられることができるような長さ及び厚さを有する1対の間隔を置いて配置された端縁(408)を含む少なくとも1つの減衰スプラインシール(404)と
を、含み、
(c)前記少なくとも1つの減衰スプラインシール(404)は、各下部スロット(242)の前記底部壁面(256)の各ランド(278)の上方で各下部スロット(242)中に開口する前記出口(292)の下方に配置され、各下部スロット(242)の前記側壁面(260)に隣接する前記底部壁面(256)の各凹み(282)の少なくとも1部分が空気流れを通すことができるように、前記間隙(402)と前記隣接する側面パネル(214)の前記下部スロット(242)の前記底部壁面(256)との組合わされた幅より小さい幅を有し、さらに
(d)前記間隙(402)中に配置され、端縁(416)の各々が前記隣接する側面パネル(214)の1つの前記上部スロット(246)により受入れられることができるような長さ及び厚さを有する1対の間隔を置いて配置された端縁(416)を含む少なくとも1つの主スプラインシール(412)を含み、
(e)前記少なくとも1つの減衰シール(404)及び前記少なくとも1つの主シール(412)は、その間に、前記高圧インピンジメント空洞(184)及び前記低圧インピンジメント空洞(189)の圧力より低い圧力、並びに前記シュラウドセグメント(130)の高圧タービン及び低圧タービンセクション(190,192)の近傍の前記ガス主流(21)の圧力より高い圧力を有する中間圧力空洞(424)を画定する、
ことを特徴とするシュラウド部分組立体(400)。 - 前記上部及び下部スロット(242,246)は、各側面パネル(214)の前記前縁(132)から前記後縁(136)まで連続して延びることを特徴とする請求項9に記載のシュラウド部分組立体(400)。
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