JP4597588B2 - タービンノズルに冷却流体を供給するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンノズルに関し、より具体的にはタービンノズルに冷却流体を供給するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは、燃料空気混合気を燃焼させ、それを次にタービンノズル組立体を通してタービンに向けて流す燃焼器を含む。少なくとも一部の公知のタービンノズル組立体は、円周方向に配列された複数のノズルを含む。少なくとも一部の公知のタービンノズルは、一体に形成された内側及び外側バンドプラットホームによって結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置された中空の翼形ベーンを含む。より具体的には、内側バンドは半径方向内側流路境界の一部分を形成し、また外側バンドは半径方向外側流路境界の一部分を形成する。

少なくとも一部の公知のタービンノズル翼形ベーンは、中空でありかつその中に画成された空洞を含む。少なくとも一部の公知の翼形ベーン空洞は、前縁冷却通路、中央通路及び後縁通路に分割される。冷却空気は、エンジンの内部でかつタービンノズル外側バンドの周りで円周方向に延びるマニホールドに供給される。空気流は、マニホールドと一体に形成された複数の配流ポートを通して半径方向内向きに向けられる。具体的には、配流ポートは、冷却空気をそれぞれのタービンノズルベーンに供給するのを可能にするように、マニホールドの周りで円周方向に間隔を置いて配置される。より具体的には、公知の配流ポートは、該ポートを横切って環状側壁まで延びるほぼ平坦な半径方向内側面によって画成される。冷却空気流をタービンノズル翼形ベーン冷却通路全体にわたって配分するのを可能にするために、公知の配流ポートは、配流ポート側壁を貫通する複数の開口を含む。従って、開口は、配流ポート半径方向内側面からおよそ９０°の角度に配向される。

運転時、配流ポートに流れた空気流は、配流ポート開口を通ってノズル空洞に向けて半径方向内向きに強制的に流される。配流ポートに流入する空気流は、ポートの半径方向内側面に対して衝突し、ポート開口を通る流れの方向に向きを変える。しかしながら、空気流は流れの方向を変えると、乱流及び圧力損失が発生する。その上、乱流及び圧力損失は、翼形ベーン空洞中央冷却通路に供給される冷却空気流に悪影響を及ぼす可能性がある。中央冷却通路の冷却が低下した状態での長時間にわたる連続運転により、タービンノズルの有効寿命が制限されるおそれがある。
米国特許第 2896906 号明細書 米国特許第 4126405 号明細書 米国特許第 4251185 号明細書 米国特許第 4492517 号明細書 米国特許第 4551064 号明細書 米国特許第 5165847 号明細書 米国特許第 5197852 号明細書 米国特許第 5224818 号明細書 米国特許第 5964575 号明細書 米国特許第 6726446 号明細書

１つの態様では、ガスタービンエンジンを運転する方法を提供する。本方法は、半径方向内側壁で結合された側壁によって画成された複数の配流ポートを含むマニホールドリング内に冷却流体を供給する段階と、配流ポートを横切って円弧状に延びる半径方向内側壁によって画成された少なくとも１つの該配流ポート内に流れるようにマニホールドリングを通して冷却流体を円周方向に流す段階と、マニホールドリングの半径方向内側に位置する複数のタービンノズルに向けてマニホールドリングから冷却流体を半径方向内向きに吐出する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のタービンノズル組立体を提供する。本ノズル組立体は、タービンノズルとマニホールドリングとを含む。タービンノズルは、外側バンドと内側バンドと該外側及び内側バンドによって互いに結合された複数の翼形ベーンとを含む。各翼形ベーンは、中空でありかつその中に空洞を画成する。マニホールドリングは、タービンノズルの周りで円周方向に延びて冷却流体を半径方向内向きに各翼形ベーン空洞内に流すようになっている。マニホールドリングは、一対の側壁によって互いに結合された半径方向外側壁及び半径方向内側壁を含む。半径方向内側壁の少なくとも一部分は、一対の側壁間で円弧状に延びている。

さらに別の態様では、タービンノズル組立体を含むガスタービンエンジンを提供する。タービンノズル組立体は、少なくとも１つのタービンノズルとマニホールドリングとを含む。少なくとも１つのタービンノズルは、外側バンドと内側バンドと該外側及び内側バンドによって互いに結合された複数の翼形ベーンとを含む。翼形ベーンの各々は、中空でありかつその中に空洞を画成する。マニホールドリングは、ガスタービンエンジン内部で円周方向に延びかつ少なくとも１つのタービンノズルの半径方向外側に位置して冷却流体を半径方向内向きに各翼形ベーン空洞内に流すようになっている。マニホールドリングは、半径方向内側壁によって画成された少なくとも１つの配流ポートを含み、該半径方向内側壁は、側壁間で配流ポートを横切って円弧状に延びている。

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はまた、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は第１のシャフト２２によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８は、第２のシャフト２１によって結合される。

運転時、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機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に送られる。燃焼器１６からの空気流は、該燃焼器１６から流出してタービン１８及び２０を駆動し、その後ガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、ガスタービンエンジン１０のようなガスタービンエンジンに用いることができるマニホールドリング５１を含む例示的な公知のタービンノズル５０の斜視図である。図３は、ノズル５０を通る断面図である。図４は、タービンノズル５０に冷却流体を供給するのに用いることができる配流ポート１４０の拡大側面断面図である。この例示的な実施形態では、ノズル５０は、円弧状の半径方向外側バンド又はプラットホーム５４と円弧状の半径方向内側バンド又はプラットホーム５６とによって互いに結合された複数の円周方向に間隔を置いて配置された翼形ベーン５２を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、各バンド５４及び５６は、翼形ベーン５２と一体に形成され、またノズル５０は、少なくとも１つの翼形ベーン５２を含む。別の実施形態では、ノズル５０は複数のベーン５２を含む。

この例示的な実施形態では、翼形ベーン５２はほぼ同一であり、各ノズルは、リーディング翼形ベーン７６及びトレーリング翼形ベーン７８を含む。各個々のベーン５２は、第１の側壁８０及び第２の側壁８２を含む。第１の側壁８０は凸状であり、各翼形ベーン５２の負圧側面を画成し、また第２の側壁８２は凹状であり、各翼形ベーン５２の正圧側面を画成する。側壁８０及び８２は、各翼形ベーン５２の前縁８４と軸方向に間隔を置いた後縁８６とにおいて接合される。より具体的には、各翼形部後縁８６は、各それぞれの翼形部前縁８４から翼弦方向かつ下流方向に間隔を置いて配置される。

第１及び第２の側壁８０及び８２は、それぞれ半径方向内側バンド５６から半径方向外側バンド５４までスパンにわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びる。さらに、第１及び第２の側壁８０及び８２は、それぞれ各翼形ベーン５２内部に冷却空洞９０を画成する。より具体的には、空洞９０は、各それぞれの翼形部側壁の内面９２及び９４によって境界づけられかつ各バンド５４及び５６を貫通して延びる。

各冷却空洞９０は、その中に画成された複数の冷却通路１００に結合される。より具体的には、この例示的な実施形態では、通路１００は、前縁冷却通路１２０、後縁冷却通路１２２及びその間で延びる中央冷却通路１２４を含む。

マニホールドリング５１は環状であり、エンジン１０内で該マニホールドリング５１がタービンノズル５０の半径方向外側に位置するように円周方向に延びている。具体的には、マニホールドリング５１は、ケーシング７４に結合され、冷却空気を各配流ポート１４０に流す。各ポート１４０は、各タービンノズル外側バンド５４の半径方向外側でかつ該各タービンノズル外側バンド５４に対してほぼ中心合せされている。マニホールドリング５１は中空であり、半径方向外側端部１３８と一対の半径方向側壁１３６によって互い結合された半径方向内側壁１３４とを含む。

マニホールドリング５１は、半径方向内向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された配流ポート１４０を含む。当技術分野では公知なように、各配流ポート１４０は、ノズル５０を冷却するための冷却流体を供給する冷却供給源に結合される。１つの実施形態では、各ポート１４０は、圧縮機１４（図１に示す）のような圧縮機から冷却空気を受ける。

各配流ポート１４０内部には、スプーリ（ｓｐｏｏｌｉｅ）として知られている管１３２があり、この管１３２は、マニホールドポート３００と結合するようにほぼ中心合せされかつ半径方向内向きに延びる。より具体的には、この例示的な実施形態では、各スプーリ１３２は、各配流ポート１４０とマニホールドポート３００との間で少なくとも一部半径方向に位置合せされかつ各ポート１４０とノズルマニホールドポート３００との間で延びる。各マニホールドポート３００はまた、ノズル５０の半径方向外側面に結合されたカバープレート２０１に結合される。より具体的には、カバープレート２０１はノズル５０全体にわたって延び、冷却流体をノズル５０内に向けるのを可能にする輪郭付けした底面１５２を含む。この例示的な実施形態では、カバープレート底面１５２は、ほぼ半球状である。

複数の冷却開口１５４が、底面１５２を貫通している。より具体的には、この例示的な実施形態では、開口１５４は同一寸法になっており、カバープレート２０１全体にわたって軸方向及び円周方向に間隔を置いて配置されている。開口１５４は、マニホールドポート３００からの冷却流体の流量を制御する。より具体的には、より詳細に後述するように、開口１５４の寸法及び相対位置は、翼形ベーン空洞冷却通路１００への冷却流体の流量配分をほぼ一様にするのを可能にするように可変に選定される。

運転時、高温燃焼ガスがノズル５０を通って流れるので、ノズル５０の作動温度は上昇する。冷却マニホールドリング５１に供給される冷却流体は、円周方向に循環してから半径方向内向きに配流ポート１４０内に流れる。その後、冷却流体は、配流ポート１４０を通してスプーリ１３２に向かって半径方向内向きに強制的に流され、該スプーリ１３２において、流体はマニホールドポート３００内に流れる。冷却流体は、次にカバープレート２０１に向かって吐出され、該カバープレート２０１において、冷却プレート底面１５２が実質的に平坦ではなくノズル５０に向かって半径方向内向きに輪郭付けされているので、ポート底面１５２に衝突する空気流は、ポート１４０内に空気流バフェティングを発生させるようなマイマス作用を生じる状態ではね返されることはない。もっと正確に言えば、底面１５２の輪郭により、ノズル翼形部空洞９０に供給される空気流量配分を向上させることが可能になる。

図５は、タービンノズル５０（図２に示す）のようなタービンノズルに冷却流体を供給するのに用いることができる配流ポート２００の別の実施形態の拡大側面断面図である。冷却配流ポート２００は、図４に示す配流ポート１４０にほぼ類似しており、冷却配流ポート１４０の構成部品と同一である配流ポート２００における構成部品は、図４で用いたのと同じ参照符号を用いて図５において特定する。従って、配流ポート２００はほぼ円形であり、マニホールドリング５１から半径方向に延びている。

配流ポート２００はまた、マニホールドポート３００に結合されたスプーリ１３２と結合するように半径方向内向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された配流ポート２１０を含む。マニホールドポート３００は、ノズル５０全体にわたって延びかつ輪郭付けされた入口を含むカバープレート２１４に結合されており、該カバープレート２１４は、この例示的な実施形態では、くぼんだ輪郭の底面２１２になっている。底面２１２は平坦ではなく輪郭付けされているので、底面２１２により、冷却流体をノズル５０内に向けることが可能になる。より具体的には、この例示的な実施形態では、各配流ポート２００は、各セグメント内で各ポート２００が少なくとも一部軸方向に位置合わせされるように、各タービンノズル５０の半径方向外側でかつ該各タービンノズル５０に対してほぼ中心合せされている。当技術分野では公知であるように、配流ポート２００は、冷却流体をノズル５０に供給する冷却供給源に結合される。１つの実施形態では、ポート２００は、圧縮機１４（図１に示す）のような圧縮機から冷却空気を受ける。

各配流ポート２００はほぼ円形であり、スプーリ１３２及びマニホールドポート３００に結合される。この例示的な実施形態では、底面２１２は、カバープレート２１４と一体に形成され、ノズル５０全体にわたって円弧状に延びる。より具体的には、底面２１２は、ノズル５０から離れる方向に配流ポート２００に向かって半径方向外向きに輪郭付けされるか又は湾曲している。さらに、この例示的な実施形態では、側壁２１６は、カバープレート２１４からほぼ垂直に延びる。別の実施形態では、側壁２１６は、カバープレート２１４に対してほぼ垂直には配向されていない。

複数の冷却開口１５４が、側壁２１６を貫通している。より具体的には、この例示的な実施形態では、開口１５４は、同一寸法になっており、配流ポート２００全体にわたって軸方向及び円周方向に間隔を置いて配置されている。開口１５４は、配流ポート２００から各翼形ベーン空洞内への冷却流体の流量を制御する。より具体的には、開口１５４の寸法及び相対位置は、翼形ベーン空洞冷却通路１００への冷却流体の流量配分をほぼ一様にするのを可能にするように可変に選定される。

上記のタービンノズルは、マニホールドリングから各タービンノズルに向けて半径方向内向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された配流ポートを含む。より具体的には、各配流ポートは、側壁間でポートを横切って延びる半径方向内側面又は底面部分を含む。底面部分は、側壁間で円弧状に輪郭付けされているので、底面部分に衝突する冷却流体は、配分内でバフェティングを発生するように半径方向外向きにはね返されることはない。もっと正確に言えば、円弧状の面により、配流ポート開口を通して向きを変えられた冷却流体に関連する圧力損失をほぼ平坦な半径方向内側面を含む公知の配流ポートと比較して減少させるのが可能になるように、冷却流体の速度を低下させることが可能になる。その結果、タービンノズル翼形ベーン内部に画成された各冷却通路が冷却流体のほぼ同じ量を受けることができる流量配分パターンで、冷却流体がタービンノズルに供給される。従って、タービンノズル翼形ベーンは、低い作動温度で作動可能であり、そのことによりタービンノズルの耐久性及び有効寿命を延ばすことが可能になる。

以上、タービンノズルの例示的な実施形態を詳細に説明している。ノズルは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各タービンノズルの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立して別個に用いることができる。

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。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに用いることができる例示的なタービンノズルの斜視図。 図２に示すタービンノズルに用いることができる複数のノズルベーンを通る断面図。 図２に示すマニホールドリングに用いることができる、図２に示すタービンノズルに冷却流体を供給するための配流ポートの拡大側面断面図。 図２に示すタービンノズルのようなタービンノズルに冷却流体を供給するために用いることができる配流ポートの別の実施形態の拡大側面断面図。

符号の説明

５０ タービンノズル
５１ マニホールドリング
５２ 翼形ベーン
５４ 半径方向外側バンド
５６ 半径方向内側バンド
９０ ノズル翼形部空洞
１００ 冷却通路
１２０ 前縁冷却通路
１２２ 後縁冷却通路
１２４ 中央冷却通路
１３２ スプーリ
１３４ 半径方向内側壁
１３６ 半径方向側壁
１３８ 半径方向外側壁
１４０ 配流ポート
１５２ カバープレート底面
１５４ 開口
２０１ カバープレート
３００ マニホールドポート

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）用のタービンノズル組立体であって、
   外側バンド（５４）と内側バンド（５６）と該外側及び内側バンドによって互いに結合されかつ各々が中空であってその中に空洞（９０）を画成した複数の翼形ベーン（５２）とを含むタービンノズル（５０）と、
   前記タービンノズルの周りで円周方向に延びて冷却流体を半径方向内向きに各翼形ベーン空洞内に流すようになったマニホールドリング（５１）と、
   前記タービンノズル（５０）と前記マニホールドリング（５１）との間に設けられ、前記タービンノズル（５０）全体にわたって延びて該タービンノズル（５０）をカバーするカバープレートと
   を含み、
   前記マニホールドリングが、一対の側壁（１３６）によって互いに結合された半径方向外側壁（１３８）及び半径方向内側壁（１３４）を含み、前記半径方向内側壁の少なくとも一部分（１５２）が、前記一対の側壁間で円弧状に延びており、
   前記マニホールドリング（５１）は、管（１３２）を介してノズルマニホールドポート（３００）に結合された少なくとも1つの配流ポート（１４０）を含み、
   前記ノズルマニホールドポート（３００）は前記カバープレート（２０１）に結合され、該カバープレート（２０１）は前記ノズルマニホールドポート（３００）からの冷却流体の流量を制御する複数の開口（１５４）を含むことを特徴とするノズル組立体。
2. 半径方向内側壁（１３４）の少なくとも一部分（１５２）が、各タービンノズル空洞（９０）に向かう方向に半径方向内向きに輪郭付けされている、請求項１記載のタービンノズル組立体。
3. 半径方向内側壁（１３４）の少なくとも一部分（１５２）が、各タービンノズル空洞（９０）から離れる方向に半径方向外向きに輪郭付けされている、請求項１記載のタービンノズル組立体。
4. マニホールドリング（５１）が中空であってその中に空洞を画成しており、前記一対の側壁（１３６）及び半径方向内側壁（１３４）のうちの少なくとも１つを貫通する前記複数の開口（１５４）は、前記マニホールドリング空洞と流れ連通して該複数の開口から冷却流体を吐出するようになっている、請求項１記載のタービンノズル組立体。
5. タービンノズル翼形ベーン空洞（９０）が、その中に画成された複数の冷却通路（１００）を含み、前記複数のマニホールド冷却開口（１５４）が、前記複数の冷却通路と流れ連通している、請求項４記載のタービンノズル組立体。
6. マニホールドリング半径方向内側壁（１３４）が、各タービンノズル翼形ベーン空洞（９０）に向かう方向に半径方向内向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたほぼ球状の突出部（１４０）をさらに含む、請求項１記載のタービンノズル組立体。
7. 前記カバープレート（２０１）の底面は、半球状の部分を有する、請求項１乃至６のいずれか１項記載のタービンノズル組立体。
8. 前記カバープレート（２０１）は、該カバープレートから前記タービンノズル側に垂直に延びる側壁（２１６）を備え、該側壁間の前記カバープレートの底面は前記タービンノズルから離れる方向に前記配流ポートに向かって半径方向外向きに湾曲し、前記複数の開口（１５４）が前記側壁に設けられている、請求項１乃至６のいずれか１項記載のタービンノズル組立体。

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