JP4644465B2 - 分割流式タービンノズル - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンにおけるタービンノズルに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気は、圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生する。高温ガスは、燃焼器から高圧タービン内に吐出され、高圧タービンが、高温ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給する。

低圧タービンが高圧タービンに続き、燃焼ガスから追加のエネルギーを取り出して有用な仕事を行う。典型的なターボファン式航空機エンジン用途では、低圧タービンは、圧縮機の上流に配置されたファンに動力を供給して航空機を駆動するための推進力を生成する。船舶及び産業用途では、低圧タービンは、発電機又は船舶の推進スクリューに動力を供給するための出力駆動シャフトに結合される。

高圧タービンは、１つ以上の段の固定ノズルベーン及び回転ブレードを有する場合があり、低圧タービンは、一般的に幾つかの段のノズル及びブレードを含む。タービンブレードは、一般的に燃焼ガスが膨張するので下流方向に大きさが増大し、またエネルギーが取り出されるのでガスの温度は低下する。

燃焼ガスの高温を考慮して、高温燃焼ガスに曝されるエンジン構成部品は、一般的にその寿命を延ばすために冷却を必要とする。従って、圧縮機内で加圧された空気の一部分を種々のエンジン構成部品に導いて、様々な方法でそれらエンジン構成部品を冷却するようにすることができる。従来の技術には、燃焼器ライナ、ノズルベーン、ロータブレード及びそれらの関連構成部品を冷却するための様々な構成がある。

しかしながら、エンジン構成部品を冷却するために分流された空気は、燃焼過程には使用されず、従ってエンジン効率が低下する。従って、公知の冷却構成は、分流圧縮機空気の冷却効果を最大にするように意図されており、一般的に排気通路内に再導入する前に分流圧縮機空気を多数回使用する。これに対応して、タービン構成部品の高温での強度を高めかつ寿命を長くするために、それらタービン構成部品には最先端の超合金材料が用いられる。構成部品の耐久性及び寿命をさらに増大させるプラチナアルミナイドのような適当な皮膜によって、構成部品の耐酸化性がさらに高められる。

燃焼ガスは燃焼器の内部で最も高温であるので、燃焼器の出口に配置された第１段高圧タービンノズルは、寿命を長くするために最大の冷却効果を必要とする。第１段ノズルは、一般的にそれを冷却するためにノズルベーン自体の精巧な冷却構成に加えて最高圧力の圧縮機吐出空気を用いる。ベーンは、一般的に空気冷却媒体を循環させるために多数の内部通路を有しており、また一般的にベーンの内部表面をインピンジメント冷却するために内部インピンジメント板が用いられる。

ベーンは、一般的にその正圧及び負圧側面を貫通する幾つかのフィルム冷却孔の列を含み、その孔により使用済みインピンジメント空気をベーン翼形部の外部表面を覆う冷却空気の対応するフィルム内に吐出する。

ベーン翼形部の正圧側面はほぼ凹面形であり、また翼形部の対向する負圧側面はほぼ凸面形であり、翼形部の前縁及び後縁間のほぼ三日月形状により燃焼ガスを第１段高圧タービンロータブレードに効率的に導くようになっている。ノズルベーン上での燃焼ガスの温度分布及び圧力分布の両方が、その前縁から後縁まで変化するので、冷却構成は、許容可能な逆流マージンを維持しながらノズルベーンに均衡の取れた冷却を与えるように特別に構成されなければならない。ベーン内の冷却媒体の内圧力は、燃焼ガスがフィルム冷却孔内に逆流するのを防止するために該燃焼ガスの外圧力よりも局所的に高くなければならない。

第１段ロータブレードは、ロータディスクの周囲から半径方向外向きに延びており、それに対応して固定タービンノズルに対して用いる冷却構成とは異なる精巧な冷却構成を必要とする。圧縮機吐出空気は一般的に、作動時に回転する第１段タービンブレード内に発生する大きな遠心力を考慮して該ブレード内には別体のインピンジメント板がない状態で、第１段タービンブレードを冷却するように用いられる。

第２段高圧タービンでは、第２段タービンノズル及び第２段ロータブレードが使用され、一般的にその上での異なる圧力及び温度分布を考慮して第１段ノズル及びブレードに対する構成とは異なった構成で、対応する冷却を行うことを必要とする。

多段低圧タービンは、付加的なノズル及びロータブレードの列を含み、これらノズル及びブレードは、冷却を必要とする場合もあるし、或いはその特定エンジン構成に左右されない場合もある。燃焼ガス温度は低圧タービン内ではかなり低下しているので、ノズルベーン及びブレードを内部冷却するための付加的な複雑さ及び内部冷却の必要性は、一般的に要求されない。

低圧タービンノズルを冷却する際の特別な問題は、それを通って流れる燃焼ガスの圧力分布が低下していることである。圧縮機吐出空気は、ベーンの前縁及び後縁間の様々なフィルム冷却孔の列において許容可能な逆流マージンを維持しながら第１段タービンノズルを冷却するために用いることができるが、高圧圧縮機吐出空気は、低圧タービンノズル内で用いた場合には、燃焼ガスの圧力が大きく低下していることを考慮すると過度の逆流マージンを生じる可能性がある。

従って、長年にわたり当国で公に用いられてきた低圧タービンノズルの１つの実施形態では、ノズルベーンの冷却チャネルは、ベーンの前縁及び後縁領域に対応する２つの部分に分岐されている。前縁冷却回路は、圧縮機の８つの中間段と流れ連通した状態で結合され、一方、ベーンの後縁回路は、高圧タービンから回収した冷却空気と流れ連通した状態で結合される。回収空気は、中間段圧縮機空気とは異なる温度及び圧力を有しており、またベーンは、その正圧及び負圧側面内には出口孔が全くない状態の無孔である。

この従来の実施形態では、低圧タービンノズルベーンは、該ベーンの内側バンドの下方にある様々な前方及び後方空洞をパージ冷却するためにその内側バンドを通して吐出される２つの冷却空気供給源を備え、その他は無孔となっている。

船舶及び産業用ガスタービンエンジンは、一般的にその相当な精巧さ及び開発費用を考慮して航空機ターボファン式エンジンから派生している。ターボファン式エンジンの圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含むコアエンジンは、派生船舶及び産業用エンジンとして殆ど又は全く変更を加えずに用いることができる。低圧タービンは、発電機又は船舶用推進機構に動力を供給するための出力駆動シャフトを加えて適当に改造することができる。しかしながら、タービンノズル及びブレードの冷却構成は、派生エンジンにおいては変更されない状態のままである可能性がある。

派生エンジンの継続的開発において、元のターボファン式エンジンのファンは、高圧タービンと低圧タービンとの間に設置された新規の中間出力タービンによって駆動される多段低圧圧縮機と置き換えられる場合がある。１つの構成での中間出力タービンは、２つのノズル及びブレード段を用いることができる。

中間段は、高圧タービンと低圧タービンとの間に設置されるので、それら中間段は、高圧及び低圧タービン間での圧力及び温度分布の移行に曝される。中間出力タービンの第１段は、高圧タービンの直ぐ下流に配置されるので、意図する寿命に対して適当な冷却を必要とする。

しかしながら、中間出力タービンの第２段ノズルは、第１段中間出力タービンの下流かつ低圧タービンの直ぐ上流に設置されるのでベーンの内部冷却を必要とせず、従って中実として簡単に作ることができる。

第１段中間ノズルは、プラチナアルミナイドのような対応する酸化耐性皮膜を備えた状態で、高圧タービンノズルに用いるのと同じニッケル基超合金のような適当な超合金で形成することができる。これらの高強度ノズルベーンは、中間出力タービンにおける燃焼ガスの温度よりも若干低いその最大許容可能メタル温度を有する。
特開２００１−２１４７０７号公報 特開２０００−３４５８０８号公報

従って、中間出力タービンの第１段ノズルは、その所望の寿命を達成するためには付加的な冷却を必要とするが、その冷却は、高圧タービンに用いられるものよりも簡単かつ安価な新規の構成で行わなければならない。また、圧縮機から最小の付加的空気を分流してノズルを冷却し、同時に許容可能な逆流マージンを維持すべきである。

従って、高圧及び低圧タービン間の中間出力タービンの作動環境に適するように特別に構成した新規のタービンノズルを提供することが望まれている。

タービンノズルは、外側及び内側バンド間で翼長にわたって延びる対向する正圧及び負圧側面を有する中空のベーンを含む。ベーンは、前縁の後方の前方流れチャネルと後縁の前方の後方流れチャネルとその間に配置された中間流れチャネルとを含む。この３つの流れチャネルは、外側バンドの外側の外側プレナムから冷却空気を受けるように該外側プレナムと流れ連通した状態で配置される。前方及び中間チャネルはまた、空気を吐出するように内側バンドの下方の内側プレナムと流れ連通した状態で配置される。後方チャネルは、内側プレナムの外側の内側バンドを通して分割流として異なる圧力で空気を吐出する。

添付の図面に関連して行う以下の詳細な説明において、好ましくかつ例示的な実施形態に従って、本発明の更なる目的及び利点と共に、本発明をより具体的に説明する。

図１に概略的に示すのは、外部の発電機１２に動力を供給するための例示的な実施形態で構成した産業用ガスタービンエンジン１０である。このエンジンは、長手方向すなわち軸方向の中心軸線１４を中心に軸対称でありかつ３つのロータを含む。

より具体的には、エンジンは、直列に流れ連通した状態で、低圧圧縮機１６、高圧圧縮機１８及び燃焼器２０を、さらに対応するロータ又は駆動シャフトに結合された高圧タービン（ＨＰＴ）２２、中間出力タービン（ＩＰＴ）２４及び低圧タービン（ＬＰＴ）２６を含む。低圧及び高圧圧縮機１６、１８は従来型の多段圧縮機であり、これら圧縮機は、その軸方向に沿って空気２８を順次加圧する。加圧された空気は、高圧圧縮機の最終段から吐出され、燃焼器２０内で燃料と混合されて高温の燃焼ガス３０を発生する。

高圧タービン２２は従来型のものであり、２つのノズル及びロータ段を含み、これらノズル及びロータ段を通して高温燃焼ガスを導いて高圧圧縮機１８との間の対応する駆動シャフトによって高圧圧縮機１８に動力を供給するようになっている。

中間の出力タービン２４もまた、この例示的な実施形態では２つのノズル及びロータ段を含み、高圧タービンから吐出された燃焼ガスから追加のエネルギーを取り出して対応する駆動シャフトによって低圧圧縮機１６に動力を供給するようになっている。

低圧タービン２６は、中間出力タービン２４から吐出された燃焼ガスから追加のエネルギーを取り出して対応する出力駆動シャフトによって発電機１２に動力を供給するようになった従来型の多段タービンである。

燃焼ガス３０は連続する３つのタービン２２、２４、２６のノズル及びロータブレードを通って下流方向に流れるにつれて、燃焼ガスからエネルギーが取り出されるとその圧力及び温度が低下する。従って、タービンの様々なノズルベーン及びロータブレードは、それに沿って変化する燃焼ガスの圧力及び温度分布に対して特別に構成される。具体的には、高圧タービン及び中間出力タービンのベーン及びブレードは、環状の燃焼器２０の内側での燃焼過程から分流された加圧空気２８の一部分を用いて、該ベーン及びブレードおける燃焼ガス３０の特定の温度に適する冷却を行うことを必要とする。

図２は、高圧タービン２２の最終ロータ段のすぐ後に続きかつ図２には図示してない低圧タービンの上流に設置された中間出力タービン２４の例示的な実施形態をより具体的に示す。燃焼ガス３０は、燃焼器から高温で吐出されるので、高圧タービン２２のノズルベーン及びロータブレードの両方は、高圧圧縮機吐出空気がそれを通して導かれる従来型の冷却構成を用いて適当に冷却される。しかしながら、中間出力タービン２４に流入する燃焼ガス３０は、エンジンのこの領域の関連するタービン構成部品を冷却する必要性が殆どないほどに温度及び圧力が低下している。

具体的には、中間出力タービン２４は、この位置における燃焼ガス３０の減少した熱に対して適当に冷却されるように特別に構成された第１段タービンノズル３２を含む。中間出力タービンはまた、無冷却かつ中実のノズルベーンを有することができる第２段のタービンノズル３４を含み、この２つのタービンノズルは、この例示的な構成ではこれもまた中実かつ無冷却とすることができる対応するタービンロータブレード３６の列と協働する。

第１段タービンノズル３２とは異なり、中間出力タービン２４は、任意の従来型の構成及び作動を有して低圧圧縮機に適当に動力を供給するようにすることができる。

付加的に図３に示すように、ＩＰＴ２４は、列の形態で配置されかつ半径方向両端部において半径方向外側及び内側の円弧形バンド４０、４２に結合された複数の中空の翼形部すなわちベーン３８を含む。この例示的な構成では、３つのベーン３８が、対応する円弧形バンドセグメント４０、４２と一体に結合されるか又は鋳造され、多数のセグメントが端部を突き合わせて組み合わされてタービンノズル内にベーンの完全なリング状補集合体を完成する。

図２及び図４に示すように、外側バンド４０は、高圧圧縮機１８から加圧空気２８を受けるための開口すなわち凹部入口４６を備えた密閉外側プレナム４４を含む。外側プレナム４４は、周囲ケーシング内に従来の方法で第１段ノズルを支持するために外側バンドから外向きに延びる前方及び後方フック間に都合良く形成することができる。各支持フックな金属薄板カバーによって結合されて、外側プレナム４４を形成した密閉空洞を形成するようにすることができる。また、適当な凹設開口を、金属薄板カバー内に形成して入口４６を形成することができる。

これに対応して、内側バンド４２は、出口５０を形成する開口すなわち空洞を有する内側プレナム４８を含む。内側プレナム４８は、内側バンドから半径方向内向きに延びかつ金属薄板カバーによって橋絡された一対のフランジ間に形成され、金属薄板カバー内には出口５０を形成することができる。

内側バンド４２はまた、内側プレナム４８のフランジの後方に間隔を置いて配置された後方フランジを含み、後方フランジは内側プレナム４のフランジフランジと間に後方空洞すなわち凹部５２を形成する。図２に示す内側バンド４２の様々なフランジは、任意の従来通りの方法で、最終段ＨＰＴロータと第１段ＩＰＴノズルとの間の対応する前方空洞と第１段ＩＰＴノズルと下流の第１段ＩＰＴロータとの間の後方空洞とを形成する環状のバッフルプレートと協働するように構成することができる。

図４及び図５に示すように、ベーン３８の各々は、翼弦方向すなわち軸方向に対向する前縁及び後縁５８、６０において互いに結合された円周方向に対向する正圧及び負圧側壁すなわち側面５４、５６を含む。正圧側面５４は、ほぼ凹面形でありかつ外側及び内側バンド間で翼長にわたって半径方向に延びる。負圧側面５６は、ほぼ凸面形でありかつ２つのバンドの間で同様に延びる。各ベーンは、ほぼ三日月形の空気力学的輪郭を有しており、この輪郭により、作動時にその上を流れる燃焼ガスの対応する圧力及び温度分布が生じる。

図４及び図５に示す各ベーン３８はさらに、外側及び内側バンド間で半径方向翼長にわたって延びる前方、後方及び中間流れ回路すなわちチャネル６２、６４、６６を含む。前方チャネル６２は、外側及び内側プレナム４４、４８と流れ連通した状態で前縁５８の直ぐ後方に配置される。

中間チャネル６６は、外側及び内側プレナムと流れ連通した状態で前方チャネル６２の直ぐ後方に配置される。また、後方チャネル６４は、外側プレナム４４と内側プレナム４８の外側の後方凹部５２とに流れ連通した状態で中間チャネル６６の直ぐ後方かつ後縁６０の直ぐ前方に配置される。この幾つかのチャネル６２、６４、６６は、ベーンの半径方向翼長に沿って延びかつ対向する正圧及び負圧側面間で横方向に延びる対応する内部ブリッジによって形成される。

図４に示す多チャネル冷却回路構成の特有の利点は、ベーンの内部で選択的に分割される単一圧力源空気２８を用いてベーンの異なる領域に均衡の取れた冷却を行い、ベーンの外部表面上を下流方向に流れる燃焼ガス３０の温度及び圧力分布の変動にも拘わらず対応する逆流マージンを有することができることである。

上述のように、高圧タービンから吐出される燃焼ガスの圧力及び温度分布により、一般的にこの領域のタービンノズルに対しては２つの異なる空気圧力供給源を必要とするという特別の問題が生じる。１つの従来型の低圧タービンノズルでは、圧縮機からの第８段空気と高圧タービンからの回収空気とをノズルベーンの前縁及び後縁領域に適当に導いた状態で使用する。

しかしながら、図４に示すノズルベーン３８の多チャネル構成は、エンジンのこの領域における作動環境に適合させるために適当に分割して加圧空気の異なる吐出圧力を得るようにした状態で、ノズルベーン全体に対して圧縮空気２８の単一の圧力供給源を用いることを可能にする。例えば、第１１段加圧空気２８は、図１に示す高圧圧縮機１８から抽出し、ＩＰＴ２４の第１段タービンノズル３２に適当に導くことが可能である。

単一供給源の入口空気２８を分割する際の１つの特徴は、後方チャネル６４と流れ連通した状態で、ベーンの後縁に隣接して各ベーンの正圧側面を貫通する後縁出口スロット６８の半径方向列を導入することである。空気は後縁出口６８の列を通して吐出されるので、その圧力が低下し、図４に示す後方内側凹部５２内の吐出圧力は、ノズルへの空気入口圧力よりも大きく低下する。

これに対応して、各ベーンの正圧及び負圧側面５４、５６は、その中における圧力損失が対応してより少ない状態で外側及び内側プレナム間に加圧空気を閉じ込めるために、前方及び中間チャネル６２、６４の両方に沿って該側面を貫通する孔がない状態の無孔であるのが好ましい。後方チャネル６４に沿った正圧及び負圧側面もまた、単一列の後縁出口６８を除いて無孔であることが好ましい。また、ベーン内に内部チャネルを形成する幾つかのブリッジもまた、空気流をベーン内側の対応する内部チャネル内に分離して閉じ込めるために無孔であるのが好ましい。

各ベーン内側の多チャネル内への加圧空気の制御は、外側及び内側バンド４０、４２内の対応する開口入口７０及び開口出口７２によって制御される。具体的には、外側バンドは、それを貫通して半径方向に延びる前方、後方及び中間開口入口７０を含み、それらの入口は、流れ連通した状態で外側プレナム４４をそれぞれ前方、後方及び中間チャネル６２、６４、６６に結合する。内側バンド４２は、流れ連通した状態で前方及び中間チャネル６２、６６を内側プレナム４８に、また後方チャネル６４を内側プレナムの外側の後方凹部５２に結合する前方、中間及び後方開口出口７２を含む。

図４に示すように、前方チャネル６２は、２つのバンド間でのベーンの半径方向翼長全体にわたるベーンの前縁領域を局所的に冷却するような寸法にされる。後方チャネル６４は、２つのバンド間でのベーン翼長にわたるベーンの後縁領域を局所的に冷却するような適当な寸法にされる。また、中間チャネル６２は、ベーン翼長にわたる各ベーンの中央すなわち中間領域を局所的に冷却するような対応する寸法にされる。

上述のように、燃焼ガス３０の圧力及び温度分布は、各ベーンの前縁及び後縁間で大きく変化する。従って、前方及び後方チャネル６２、６４は、より大きい中間チャネル６６と比較して軸方向すなわち翼弦の広がりが比較的に小さい。中間チャネル６６は、前方チャネル６２及び後方チャネル６４の各々よりも翼弦方向に長いのが好ましい。

しかしながら、ベーンへの入口空気の圧力が依然として高く、かつベーンの側壁が比較的薄いので、各ベーンはさらに、中間チャネルを、外側及び内側バンド間で翼長にわたって延びる２つの半径方向脚部に分割する半径方向中間ブリッジすなわち隔壁７４を含む。中間ブリッジ７４は、ベーンの対向する正圧及び負圧側面を互いに一体に結合して、作動時における該側面に対する大きな内圧力に耐えかつ該側面の望ましくないゆがみ及び応力を低減するようにする。

図４に示す好ましい実施形態では、中間ブリッジ７４は、共通の鋳造品として外側バンド４０に一体に結合され、内側バンド４２の手前又は半径方向上方で終わる。それに対応して、外側バンド４０は、中間チャネルの２つの中間脚部に対応する２つの中間入口７０を含む。また、内側バンド４２は、その２つの脚部の下方に中間チャネルにおける単一すなわち共通の中間出口７２を含む。従って、中間チャネルは、外側バンド内の２つの入口と内側バンド内の共通出口とを備えた１つのチャネルとして機能する。

図４に示す好ましい実施形態では、内側バンド４２内の前方及び中間出口７２は、対応する前方及び中間チャネル６２、６６からの空気の流量を制限し又は調量するような寸法にされる。それに対応して、外側バンド内の前方及び中間入口７０は、それを通して導かれる空気の圧力損失を減少させるように比較的大きくなっている。

これと対称的に、外側バンド内の後方入口７０は、後方チャネル６４内への空気の流量を調量するか又は調整するような寸法にされるのに対して、内側バンド４２内の後方出口７２は、それを通しての圧力損失を減少させるように比較的大きくなっている。

従って、図４に示す多チャネルノズルベーン３８は、単一の圧力空気供給源を用いて、作動時にベーンを通過して流れる燃焼ガスの圧力及び温度の分布が変化するにもかかわらず対応する逆流マージンを備えた状態でベーンの異なる領域を別々に冷却することを可能にする。

例えば、ベーンの後縁における燃焼ガス３０の圧力は、図４においてＰ１で示し、後方凹部５２内に吐出される空気の圧力はＰ２で示している。内側プレナム４８内に吐出される冷却空気の圧力は、Ｐ３で示している。また、外側プレナム４４に供給される入口空気の圧力は、Ｐ４で示しており、高圧圧縮機の第１１段のような適当な段から選択される。

図４に示すノズルベーン３８の多チャネル構成は、共通の圧力入口空気が各ベーンを通して送られて、対応する後縁出口６８の列及び内側バンド４２内の幾つかの出口７２から吐出されるようにすることを可能にする。

具体的には、この幾つかのベーンの後方チャネル６４に対する後方出口７２は、前方及び中間チャネル６２、６６から内側プレナム４８内に吐出される空気の圧力Ｐ３よりも適度に小さい圧力Ｐ２で共通の後方凹部５２内に加圧空気を吐出するように該後方凹部５２と流れ連通した状態で、共通の内側バンド４２を貫通して配置される。吐出圧力Ｐ２はベーン後縁における燃焼ガス圧力Ｐ１よりも適度に大きく、吐出圧力Ｐ３は吐出圧力Ｐ２よりも適度に大きく、また供給源圧力Ｐ４は、今度は吐出圧力Ｐ３よりも大きい。

各ベーンの正圧及び負圧側面は前方及び中間チャネル６２、６６の両方に対して好ましくは無孔であるので、高圧入口空気は、比較的小さい圧力低下で前方及び中間チャネル６２、６６を通って流れて、内側プレナム４８内に比較的高い圧力Ｐ３を生じるようになり、次ぎに内側プレナム４８を図２に示すように使用して、ＨＰＴディスク後方空洞としても知られているＨＰＴの最終段と第１段ＩＰＴノズルの前側との間の対応する前方空洞をパージしかつ冷却することができる。次ぎにＰ３空気は、ロータシールを通して導かれてＩＰＴノズル後方空洞をパージする。

これに対応して、後方チャネル６４を通って流れる空気は、その一部が幾つかの後縁出口６８を通して吐出されるので、圧力を損失し、後方凹部５２内では比較的低圧Ｐ２に達する。後方チャネル内での圧力損失は、後縁出口の列に沿った該後縁出口の列からの望ましくないブローオフを減少させるのに適当な逆流マージンを可能にしながら、後方凹部５２内の吐出空気を図２及び図４に示すような第１段ＩＰＴノズルの前方の様々な上部空洞を冷却しかつパージするのに十分な圧力に保つ。

図４及び図５に示すように、前方及び中間チャネル６２、６６は、正圧及び負圧側面の内部表面に沿って軸方向に延びる従来型のタービュレータ７６を含むのが好ましい。タービュレータは、熱伝達を増大させ、これらチャネル内の加圧空気の冷却効果を高める。

これに対応して、後方チャネル６４は、滑らかでかつベーンの後縁領域を冷却するのに必要でないタービュレータが全くなく、後方凹部５２内の空気の適当な圧力を維持して該後方凹部から下流をパージしかつ冷却するのを可能にするのが好ましい。

最初に図３に示したように、各ノズルセグメントは、共通の外側及び内側プレナム４４、４８と流れ連通した状態で結合されたそれぞれの外側及び内側バンドセグメント４０、４２間で延びた複数のベーン３８を含む。各プレナムは、それぞれの入口４６及び出口５０を形成する単一の開口を含む。また、管状の外側スプーリ７８が、図２に示すようにプレナム入口内に配置され、また対応する内側スプーリ８０が、内側プレナム４８の出口５０内に配置される。

この構成では、２つのスプーリ７８、８０は、その他の点では従来通りの方法で、ＩＰＴノズル３２とノズルを囲む外側ケーシング及びノズル内側の内部バッフルとの間に浮動流れ接続を形成する。従って、加圧空気２８の入口流れを多数ベーン型ノズルセグメント内の共通の入口に効率的に導くことができ、また空気を各セグメント内の多数ベーンから共通の出口５０及び内側スプーリを通して隣接する構成部品に吐出することができる。

ノズルベーン３８の多チャネルは、ノズルの内側バンド下方の隣接するタービン構成部品の異なる要件に適合するような異なる出口圧力を備えた状態になるように、共通の供給源入口空気を該多チャネル内で流れ分割することを可能にする。各ノズルベーン３２の異なる領域を効果的かつ選択的に冷却することは、単一列の後縁出口６８を除いては実質的に無孔の正圧及び負圧側壁を備えたノズルベーン内の多チャネルによって行われる。適当な逆流マージンが、後縁出口６８におけるのを含むノズルベーン全体にわたって維持される。また、使用済みの冷却空気は、内側バンドの下方に設置された様々な前方及び後方空洞をパージしかつ冷却するための要件に適合する対応して異なる圧力で内側バンド４２を通してノズルベーンから吐出される。

図２に示す第１段ＩＰＴタービンノズル３２の特有の利点は、図１に示す高圧タービン２２及び低圧タービン２６と組み合わせたその選択的使用である。ＨＰＴ２２は、ＩＰＴ２４内の第１段ノズル３２の上流に配置され、またＬＰＴ２６はその下流に配置される。

上述のようにＨＰＴ２２内のノズルは、内部インピンジメント板及び高圧圧縮機吐出空気の使用を含む、該ノズルを冷却するための任意の従来型の構成を有することができる。

これと対照的に、ＩＰＴ第１段ノズル３２は、比較的より簡単かつ安価であり、第１１段高圧圧縮機空気のようなより低い圧力空気の供給源を備えたその特別に構成された多チャネルを用いており、その中に内部インピンジメント板を必要としない。ノズルベーン３８の軸方向の広がり全体にわたっての異なる冷却要件は、その中に特別に構成した多チャネルによって対処され、また適当な逆流マージンが多チャネルにより生じる差圧によって維持される。ノズル３２の内側バンドを通して吐出された高圧及び低圧使用済み冷却空気の異なる流れは、ＩＰＴノズルの前方及び後方の空洞領域を冷却しかつパージするように別々に導かれる。

本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものをこれまで説明してきたが、本発明の他の変更が本明細書の教示から当業者には明らかになるはずである。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。

その中に中間出力タービンを備えた産業用ガスタービンエンジンの概略図。 第２段高圧タービンに続く図１の中間出力タービンの軸方向断面図。 図２に示す中間出力タービンの第１ノズル段の一部の斜視図。 図２に示す第１段中間出力タービンのノズルベーンの１つにおける軸方向断面図。 線５−５に沿って取った、図４に示すノズルベーンの半径方向断面図。

符号の説明

２２ 高圧タービン
２４ 中間出力タービン
２８ 加圧空気
３０ 燃焼ガス
３２ 第１段タービンノズル
３４ 第２段タービンノズル
３６ タービンロータブレード
３８ ベーン
４０ 外側バンド
４２ 内側バンド
４４ 外側プレナム
４６ 外側プレナムの入口
４８ 内側プレナム
５０ 内側プレナムの出口
５２ 凹部
６２ 前方流れチャネル
６４ 後方流れチャネル
６６ 中間流れチャネル
７８ 外側スプーリ
８０ 内側スプーリ

Claims (7)

1. 対向する外側及び内側バンド（４０、４２）間で翼長にわたって延びかつ対向する前縁及び後縁（５８、６０）間で翼弦にわたって延びる対向する正圧及び負圧側面（５４、５６）を有する中空のベーン（３８）を含み、
   前記正圧及び負圧側面が、前記後縁に隣接して該正圧側面（５４）を貫通する後縁出口（６８）の列を除いて無孔であり、
   前記外側バンド（４０）が、加圧空気（２８）を受けるための入口（４６）を含む外側プレナム（４４）を有し、また前記内側バンド（４２）が、出口（５０）を含む内側プレナム（４８）と前記内側プレナム（４８）から間隔を置いて配置されて該内側プレナムの外側に後方凹部（５２）を形成した後方フランジとを有し、
   前記ベーン（３８）が、前記外側及び内側バンド（４０、４２）間で延びる前方、後方及び中間流れチャネル（６２、６４、６６）をさらに含み、
   前記前方チャネル（６２）が、前記外側及び内側プレナム（４４、４８）と流れ連通した状態で前記前縁（５８）の後方に配置され、
   前記中間チャネル（６６）が、前記外側及び内側プレナムと流れ連通した状態で前記前方チャネル（６２）の後方に配置され、
   前記後方チャネル（６４）が、前記外側プレナム（４４）、後縁出口（６８）及び後方凹部（５２）と流れ連通した状態で前記中間チャネルの後方かつ前記後縁（６０）の前方に配置されており、
   前記外側バンド（４０）が、流れ連通した状態で前記外側プレナム（４４）をそれぞれ前記前方、後方及び中間チャネル（６２、６６、６４）に結合する前方、後方及び中間開口入口（７０）を含み、
   前記内側バンド（４２）が、流れ連通した状態で前記前方及び中間チャネル（６２、６６）を前記内側プレナム（４８）に、また前記後方チャネル（６４）を前記内側プレナムの外側の前記後方凹部（５２）に結合する前方、後方及び中間開口出口（７２）を含み、
   前記中間チャネル（６６）が、翼弦方向に前記前方チャネル（６２）及び後方チャネル（６４）よりも長く、
   前記ベーン（３８）が、前記中間チャネルを前記外側及び内側バンド（４０、４２）間で翼長にわたって延びる２つの脚部に分割しかつ前記正圧及び負圧側面（５４、５６）をそれに沿って互いに一体に結合する中間ブリッジ（７４）をさらに含み、
   前記中間ブリッジ（７４）が、前記外側バンド（４０）に結合されかつ前記内側バンド（４２）の手前で終わり、
   前記外側バンド（４０）が、前記２つの中間脚部における２つの中間入口（７０）を含み、
   前記内側バンド（４２）が、前記２つの脚部の下方に中間チャネル（６６）における共通の中間出口（７２）を含む、
   ことを特徴とするタービンノズル（３２）。
2. 前記前方、中間及び後方チャネル（６２、６６、６４）が、無孔のブリッジによって分離されて、前記外側及び内側バンド（４０、４２）間に加圧空気の流れを閉じ込めるようなっている、
   請求項１記載のノズル。
3. 前記内側バンド（４２）の前方及び中間出口（７２）が、前記前方及び中間チャネル（６２、６６）からの空気の流量を調量するような寸法にされ、
   前記外側バンド（４０）の後方入口（７０）が、前記後方チャネル（６４）内への空気の流量を調量するような寸法にされている、
   請求項２記載のノズル。
4. 前記外側プレナムの入口（７０）が管状外側スプーリ（７８）を含み、また前記内側プレナム（４８）の出口（５０）が、管状内側スプーリ（８０）を含む、請求項３記載のノズル。
5. 前記前方及び中間チャネル（６２、６６）が、前記正圧及び負圧側面（５４、５６）の内部表面に沿ってタービュレータ（７６）を含み、
   前記後方チャネル（６４）にはタービュレータが全くない、
   請求項４記載のノズル。
6. 両端部において前記外側及び内側バンド（４０、４２）に結合された複数のベーン（３８）をさらに含み、前記ベーンの各々が、前記外側及び内側プレナム（４４、４８）と流れ連通した状態で配置されている、請求項４記載のノズル。
7. 該ノズル（３２）の上流に配置した高圧タービン（２２）及び該ノズル（３２）の下流に配置した低圧タービン（２６）と組み合わされた、請求項４記載のノズル。

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