JP4731156B2 - タービンシュラウドの非対称冷却要素 - 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、冷却式タービンシュラウド及び該シュラウドを冷却するインピンジメントバッフルに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合され点火されて高温燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスが１つ又はそれ以上のタービン段を通って下流方向に流れ、タービン段が燃焼ガスからエネルギーを取り出す。高圧タービン（ＨＰＴ）が、最初に燃焼器から燃焼ガスを受け、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機を駆動する。典型的な航空機用ガスタービンエンジン用途では、ＨＰＴの下流の低圧タービン（ＬＰＴ）が、付加的なエネルギーを取り出して、圧縮機の上流に配置されたファンを駆動するために用いられる出力エネルギーを供給するようにする。産業用又は船舶用ガスタービンエンジンでは、ＬＰＴは、発電機又は船舶のプロペラに動力を供給するための出力シャフトを駆動する。シャフトはまた、ヘリコプタブレード又はプロプジェットエンジンのプロペラを駆動するのにも用いることができる。

ＨＰＴは、燃焼器からの燃焼ガスの吐出を制御する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン又はタービンノズルを有する固定タービンノズルを含む。ＨＰＴはさらに、ロータディスクから半径方向外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タービンロータブレードを有する少なくとも１つのロータ段を含む。ブレードは翼形部を含み、この翼形部が、ノズルから燃焼ガスを受け、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、ロータディスクを回転させ、次に圧縮機を回転させるようにする。翼形部は、一般的に中空であり、その中に内部冷却回路を含み、この内部冷却回路を通して圧縮機から抽出した加圧空気の一部分を流してブレードを冷却するようにする。

ロータブレードを囲むのは、周囲のステータケーシングに固定結合された環状タービンシュラウドである。シュラウドは、ブレード先端との間に小さなギャップ又は先端間隙を形成するように該ブレード先端の上方に近接して懸架される。先端間隙は可能な限り小さくして、エンジン運転中に該間隙を通る燃焼ガスの漏洩量を最小にしてエンジンの運転効率を最大にするように該間隙において有効な流体シールを形成すべきである。しかしながら、ロータブレード及び周囲のタービンシュラウドの熱膨張及び収縮差のために、ブレード先端がシュラウドの内側面に対して摺擦して摩損を生じることがある。

ブレード先端は、ロータブレードの半径方向最外端に位置し、高温燃焼ガスに直接曝されるので、ブレード先端は冷却するのが難しく、ブレードの寿命はそれによって制限される。ブレード先端は、一般的に先端フロアから外向きに延びる、翼形部の正圧及び負圧側面のスキーラリブ延長部の形態になっている。冷却空気は、フロアの下を流れて伝導によってリブを冷却し、またフィルム冷却孔がフロアを貫通して露出したリブをフィルム冷却することができる。

タービンシュラウドもまた高温燃焼ガスに曝されるので、一般的に圧縮機から加圧空気の一部分を抽出し、この加圧空気の一部分をタービンシュラウドの半径方向外側面をインピンジメント冷却するように流すことによってタービンシュラウドもまた同様に冷却される。さらに、タービンシュラウドは、一般的に該タービンシュラウドを半径方向に貫通し該シュラウドの半径方向内側面上に出口を備えたフィルム冷却孔を含み、該出口からフィルム状に冷却空気を吐出してシュラウドの半径方向内側面を冷却するようにする。

シュラウドをインピンジメント冷却することも用いられる。バッフルには、インピンジメント冷却孔又は開口を組み入れて、冷却空気をシュラウドの背面又は半径方向外側面に衝突するように導いてシュラウドのインピンジメント冷却を達成する。一般的に、効果的にインピンジメント冷却するには比較的大量のインピンジメント冷却空気が必要であり、そのことによりエンジン効率が低下する。冷却空気は、エンジンからの出力を用いるので、エンジンにより多くの燃料を消費させることになる。インピンジメント冷却空気は、一般的に半径方向にシュラウドに隣接するプレナムに対して供給される。冷却空気は、入口ポートを通して供給される。インピンジメント孔は、一般的に円弧形シュラウドセグメント及び対応するバッフルの回転軸線に対して円周方向に対称的なパターンで配置され、従ってシュラウドを通して冷却空気を実質的に円周方向に一様に吐出する。

高圧タービンにおいては、温度は、必ずしも円周方向に一様ではなく、流路内のタービンシュラウドのような固定構成部品は、高温ストリークを受ける可能性がある。これらの高温ストリークは、燃焼器バーナを配置することに起因するものであり、また固定タービンノズル翼形部に対する燃焼器バーナの位置にも起因するものである。上流側タービンノズル翼形部からの圧力ウェイクは、局所的圧力勾配を低下させ、従ってフィルム冷却空気流量を減少させることによって固定構成部品のウェイク領域（後流領域）におけるフィルム冷却及び対流冷却を低下させる可能性がある。また、圧力ウェイクにより、シュラウドの前面と上流側ノズルとの間での冷却空気の漏洩流量が高圧領域内で減少し、この領域内におけるシュラウド前縁の局所的温度をさらに上昇させることになる。３−Ｄ空気力学を組み込みかつ流路端縁におけるより厳しい圧力勾配を特徴とする新型の高性能ノズル設計の場合には、この影響は特に厳しくなる可能性がある。局所的高温領域では、部品の酸化及び最終的な溶落ちを生じるおそれがある。このことは、結果として部品の早期故障及び／又はオーバホール時における高いスクラップ率をもたらすおそれがある。
米国特許第６，１９６，７６２号 特開２００２−０８９２０６号

冷却空気流量、エンジン効率の低下及び燃料消費を最小にしながら、円周方向の加熱勾配に対処するタービンシュラウド冷却システムを提供することが望ましい。

シュラウドセグメント又はバッフルのようなタービンシュラウド組立体非対称冷却要素は、円弧形パネルを含む。このパネルは、該パネルを貫通する複数の冷却開口と円弧形パネルの回転軸線と平行なパネルの軸方向中線とを有する。冷却開口の対称部分は、軸方向中線に対して対称である対称密度の開口入口を有する。冷却開口の非対称部分は、軸方向中線に対して非対称である非対称密度の開口入口を有する。

１つの例示的な冷却要素は、非対称部分内に冷却開口の高い密度区域を含み、この高い密度区域が、対称部分におけるよりも高い密度の開口入口を有する。非対称部分内の冷却開口の低い密度区域は、冷却開口の対称部分におけるよりも低い密度の開口入口を有する。このパネルの例示的な実施形態は、円弧形パネルのウェイク領域内に設置された冷却開口の高い密度区域を含む。

タービンシュラウド組立体並びにシュラウドセグメント及びバッフルのようなその非対称冷却要素は、固定タービンノズル翼形部に対するそれらの位置に起因する円周方向の高温ストリーキングの程度を低下させる。非対称冷却要素は、上流側タービンノズル翼形部からの圧力ウェイクによるウェイク領域内におけるそれらの位置に起因する円周方向の高温ストリーキングの程度を低下させる。非対称冷却要素は、局所的圧力勾配を低下させ、従ってウェイク領域におけるフィルム冷却空気流量を増大させることによって固定構成部品のウェイク領域内のフィルム冷却及び対流冷却を局所的に調整する。

非対称冷却要素は、高圧領域内においてシュラウドの前面と上流側ノズルとの間での冷却空気の漏洩流量の減少を引き起こす圧力ウェイクに起因する加熱を低減する。従って、非対称冷却要素は、局所的高温領域を減少又は排除し、部品の酸化及び最終的な溶落ちを防止するか又は遅延させ、さらに部品の早期故障及び／又はオーバホール時の高いスクラップ率を防止するか又は遅延させることができる。非対称冷却要素は、冷却空気流量、エンジン効率の低下及び燃料消費を最小にしながら、円周方向の加熱勾配に対処するタービンシュラウド冷却システムを提供する。

添付の図面に関連してなされる以下の記載において、本発明の前述の態様及びその他の特徴を説明する。

図１に断面で示すのは、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション８の一部分であり、高圧タービンセクション８は、タービンブレード１２を半径方向に近接して囲む状態で配置されたタービンシュラウド組立体１０を有する。タービンノズル１４は、外側バンド１８に取付けられた複数の固定ベーン１６を含み、固定ベーン１６は、燃焼器（図示せず）からのコアエンジンガス流２０を高圧タービンセクションを通して導く。シュラウド組立体１０は、環状配列の円弧形ハンガセグメント２４によって所定の位置に保持されかつ支持された環状配列の円弧形シュラウドセグメント２２を有する環状のシュラウド１１を含み、それらの全てが、エンジン中心軸線９の周りに円周方向に配置される。円弧形ハンガセグメント２４は、次にエンジン外側ケーシング２６によって支持される。

各ハンガセグメント２４は、前方すなわち上流側レール２８と後方すなわち下流側レール３０とそれらの間の本体パネル３２とを含む。上流側レール２８は、後方に延びる後方フランジ３４を有し、この後方フランジ３４が、外側ケーシング２６によって支持された前方に延びるケーシングフランジ３６に半径方向に重なる。同様に、下流側レール３０は、後方に延びる後方フランジ４０を有し、この後方フランジ４０が、前方に延びる外側ケースフランジ４２と半径方向に重なった状態になってハンガセグメント２４をエンジン外側ケーシング２６により支持する。

図１及び図２を参照すると、各シュラウドセグメント２２、言い換えれば別のタービンシュラウド組立体非対称冷却要素２５は、それぞれ半径方向外向きに延びる前方及び後方レール４６及び４８を備えた基体４４を有する。前方及び後方レール４６及び４８は、半径方向外向きに延びかつ傾斜して間隔を置いて配置された側方レール５０によって接合されて、シュラウドセグメント空洞５２を形成する。シュラウドセグメント前方レール４６は、前方に延びるフランジ５４を有し、このフランジ５４が、後方フランジ３４から半径方向内側の位置でハンガセグメント前方レール２８から後方に延びる後方フランジ５６と重なる。ハンガフランジ５８は、後方フランジ４０から半径方向内側の位置でハンガセグメント後方レール３０から後方に延びており、シュラウドセグメント後方レール４８から後方に延びる下にあるフランジ６０と重なる状態でＣ形断面セグメントを有する環状の保持リング６２によって保持される。

鍋形状バッフル６８の形態のタービンシュラウド組立体非対称冷却要素２５は、そのリム７０で、傾斜して間隔を置いた位置においてろう付けなどの適当な手段によってハンガセグメント２４に取付けられて、各バッフルが、各シュラウドセグメント空洞５２内の中央に配置されるようになる。シュラウドチャンバ１３８が、ハンガセグメント２４及び基体４４の各々の半径方向間に配置かつ画成される。従って、各バッフル６８は、該バッフルを取付けたハンガセグメントと共にシュラウドチャンバ１３８内部にバッフルプレナム７２を画成する。各ハンガセグメントは、多数の、例えば３つのシュラウドセグメントと、対応する数、例えば３つの円周方向に間隔を置いて配置されたバッフル６８から成るバッフルセグメントとを、各シュラウドセグメントに１つのバッフルを組み合わせて支持することができる。この後、各バッフルプレナム７２は、対応する数のバッフル及びシュラウドセグメントに対する働きをする。バッフル６８は、底部壁６９に隣接する側壁７１を含む。

燃焼器のすぐ前方の圧縮機（図示せず）の出力から取り出した高圧シュラウド冷却空気７７は、環状のノズルプレナム７４に送られて、冷却空気は、ノズルプレナム７４からハンガセグメント前方レール２８内に設けられた調量孔７６を通して各バッフルプレナム内に供給される。調量孔７６は、高圧冷却空気７７をノズルプレナム７４からバッフルプレナム７２に直接伝えて、漏洩損出を最小にする。高圧冷却空気７７は、シュラウドセグメント基体４４の半径方向外側背面８１に衝突するインピンジメント冷却空気流７９として、バッフルプレナムからバッフル６８の底部壁６９内のインピンジメント冷却開口７８を通して供給される。底部壁６９は、バッフル６８の円弧形パネル１００である。パネル１００の各々は、軸方向に間隔を置いて配置された対向する前端部及び後端部１０４及び１０６を含み、かつエンジン中心軸線９と同一直線上にある回転軸線１０２の周りを囲む。パネル１００の各々は、回転軸線１０２と平行な軸方向中線１１２を含む。

次に冷却空気７７は、シュラウドセグメント基体４４を貫通する複数の軸方向に傾斜した細長い対流冷却開口８０内にかつ該対流冷却開口８０を通って半径方向内向きに流れて、シュラウドを対流冷却する。対流冷却開口８０は、背面８１に対流開口入口１２０を備え、またシュラウドセグメント基体４４の半径方向内側正面８９に開口出口１３７を備える。シュラウドセグメント基体４４はまた、シュラウドセグメント２２の円弧形パネル１００であり、回転軸線１０２の周りを囲み、かつ回転軸線１０２と平行な軸方向中線１１２を含む。対流冷却開口８０の前方設置の第１の部分９３は、エンジン中心軸線９に対して前方すなわち上流方向９１に軸方向に傾斜しており、また対流冷却開口８０の後方設置の第２の部分９５は、エンジン中心軸線９に対して後方すなわち下流方向８３に軸方向に傾斜している。

対流冷却開口８０の第３の部分９７は、第１の部分９３の全てを含んでも含まなくてもよいが、この第３の部分９７は、基体４４の中線１１２に対して時計方向８７に円周方向に傾斜させることができる。対流冷却開口８０の第４の部分９９もまた、図４に示すように、エンジン中心軸線９と平行である基体４４の中線１１２に対して反時計方向８５に円周方向に傾斜させることができる。一般的に、対流冷却開口８０の第３の部分９７は、中線１１２から時計方向８７の範囲に設置され、また対流冷却開口８０の第４の部分９９は、中線１１２から反時計方向８５の範囲に設置される。対流冷却開口８０を傾斜させることは、それらが基体４４に与える対流冷却量を増大させる。対流冷却開口８０通路から流出すると、冷却空気７７は、シュラウドセグメント２２の半径方向内側面８９に沿って主ガス流と共に後方すなわち下流方向に流れて、シュラウドをフィルム冷却する。

タービンノズル１４のベーン１６からの圧力ウェイクは、局所的圧力勾配を低下させ、従って図２に示す対流冷却開口８０を通る冷却空気７７の流量を減少させることによって、図２に示すシュラウドセグメント２２のような下流側固定構成部品のウェイク領域１３４におけるフィルム冷却及び対流冷却を局所的に減少させる可能性がある。これは、対流冷却及びフィルム冷却効果を低下させる。また、圧力ウェイクにより、シュラウドセグメント２２の前方半径方向端面４５と上流側タービンノズル１４との間での冷却空気の漏洩流量が高圧領域で減少し、この領域内におけるシュラウド前縁の局所的温度をさらに上昇させることになる。３−Ｄ空気力学を組み込みかつ流路端縁におけるより厳しい圧力勾配を特徴とする新型の高性能ノズル設計の場合には、この影響は特に厳しくなる可能性がある。局所的高温領域では、この区域のシュラウドのようなタービン部品の酸化及び最終的な溶落ちが生じるおそれがある。このことは、結果として部品の早期故障及び／又はオーバホール時における高いスクラップ率をもたらすことになる。

バッフル６８の円弧形パネル１００内のインピンジメント冷却開口７８及びシュラウドセグメント２２のシュラウドセグメント基体４４又は円弧形パネル１００を貫通する対流冷却開口８０は、冷却開口７８及び８０の対称部分及び非対称部分１１０及び１１６を含む。対称部分１１０は、軸方向中線１１２に対して対称的である冷却開口７８及び８０の対称密度の開口入口１２０を有する。冷却開口７８及び８０の非対称部分１１６は、軸方向中線１１２に対して非対称である冷却開口７８及び８０の非対称密度の開口入口１２０を有する。冷却要素２５は、非対称部分１１６内に冷却開口７８及び８０の高い密度区域１３０を含み、その場合、高い密度区域１３０は、図３及び図４に示すように対称部分１１０におけるよりも高い密度の開口入口１２０を有することができる。冷却要素２５の別の実施形態は、非対称部分１１６内に冷却開口７８及び８０の低い密度区域１３２を含み、この低い密度区域１３２は、冷却開口７８及び８０の対称部分１１０におけるよりも低い密度の開口入口１２０を有することができる。本明細書中に示すパネル１００の例示的な実施形態は、円弧形パネル１００のウェイク領域１３４内に設置された冷却開口７８及び８０の高い密度区域１３０を含む。

ここに示す例示的な図の開口入口の密度変化は、列１４８に均等に間隔を置いて配置された均等な対称的パターンの冷却開口及び開口入口１２０で開始することにより達成される。高い密度区域１３０は、増大した数又は密度の冷却開口及びそれらの開口入口１２０を有し、均等に間隔を置いて配置された列１４８間に冷却開口１５０及びそれらの開口入口１２０を追加することで形成することができる。低い密度区域１３２は、減少した数又は密度の冷却開口及びそれらの開口入口１２０を有し、均等に間隔を置いて配置された列１４８から冷却開口及びそれらの開口入口１２０を除去することによって形成することができる。高い密度区域１３０において冷却開口を追加すること及び低い密度区域１３２において冷却開口を除去することの両方により、シュラウドの周りでの圧力低下及び加熱の円周方向の変化に対処しかつタービンノズルの高圧ウェイクに沿ったシュラウド上の高温ストリークを防止しながら、シュラウドへの全流量が維持される。

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説明してきたが、本発明の他の改良が本明細書における教示から当業者には明らかになるはずであり、また特許請求の範囲内に示す参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなくそれらを容易に理解するためのものである。

非対称パターンのシュラウド冷却開口を有するシュラウド冷却組立体を備えたガスタービンエンジン高圧タービンセクションの軸方向断面図。 図１に例示する高圧タービンセクションのタービンノズル及びその下流のシュラウドセグメントの平面図。 図２に示しかつ線３−３に沿って取ったバッフルの平面図。 図２に示しかつ線４−４に沿って取ったシュラウドセグメントの平面図。

８ ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション
９ エンジン中心軸線
１０ タービンシュラウド組立体
１２ タービンブレード
１４ タービンノズル
１６ ベーン
１８ 外側バンド
２２ 円弧形シュラウドセグメント
２４ 円弧形ハンガセグメント
２５ タービンシュラウド組立体非対称冷却要素
２６ 外側ケーシング
４４ シュラウドセグメントの基体
５２ シュラウドセグメント空洞
６８ バッフル
７２ バッフルプレナム
７４ ノズルプレナム
７６ 調量孔
７８ インピンジメント冷却開口
８０ 対流冷却開口
８１ シュラウドセグメント基体の半径方向外側背面
８９ シュラウドセグメント基体の半径方向内側正面
１０２ 回転軸線
１２０ 開口入口
１３７ 開口出口
１３８ シュラウドチャンバ

Claims (8)

1. 回転軸線（１０２）の周りを囲みかつ軸方向に間隔を置いて配置された対向する前端部及び後端部（１０４及び１０６）を有する円弧形パネル（１００）と、
   前記パネル（１００）を貫通する複数の冷却開口（７８及び８０）と、
   前記回転軸線（１０２）と平行な、前記パネル（１００）の軸方向中線（１１２）と、
   前記軸方向中線（１１２）に対して対称である対称密度の開口入口（１２０）を有する、前記冷却開口（７８及び８０）の対称部分（１１０）と、
   前記軸方向中線（１１２）に対して非対称である非対称密度の開口入口（１２０）を有する、前記冷却開口（７８及び８０）の非対称部分（１１６）と、
   前記円弧形パネル（１００）の上流側のタービンノズルからの圧力ウェイクにより形成される、該円弧形パネルにおけるウェイク領域（１３４）内に設置された前記冷却開口（７８及び８０）の高い密度区域（１３０）と
   を含むことを特徴とする、タービンシュラウド組立体冷却要素（２５）。
2. 前記冷却開口（７８及び８０）の非対称部分（１１６）内に冷却開口（７８及び８０）の高い密度区域（１３０）をさらに含み、前記高い密度区域（１３０）が、前記冷却開口（７８及び８０）の対称部分（１１０）におけるよりも高い密度の開口入口（１２０）を有する、請求項１記載の冷却要素（２５）。
3. 前記冷却開口（７８及び８０）の非対称部分（１１６）内に冷却開口（７８及び８０）の低い密度区域（１３２）をさらに含み、前記低い密度区域（１３２）が、前記冷却開口（７８及び８０）の対称部分（１１０）におけるよりも低い密度の開口入口（１２０）を有する、請求項２記載の冷却要素（２５）。
4. 前記冷却要素（２５）がバッフル（６８）であり、また前記冷却開口がインピンジメント開口（７８）である、請求項１ないし請求項３のいずれか一項記載の冷却要素（２５）。
5. 前記冷却要素（２５）がシュラウドセグメント（２２）であり、前記円弧形パネル（１００）が基体（４４）であり、また前記冷却開口が対流冷却開口（８０）である、請求項１記載の冷却要素（２５）。
6. エンジン中心軸線（９）の周りに円周方向に配置され、その各々が半径方向外側背面（８１）と半径方向内側正面（８９）と軸方向に間隔を置いて配置された対向する上流及び下流端部（１０４及び１０６）とを有する基体（４４）を含む、複数の円弧形シュラウドセグメント（２２）と、
   前記背面（８１）に対流開口入口（１２０）を備えまた前記半径方向内側正面（８９）に開口出口（１３７）を備えた状態で前記基体（４４）を貫通する複数の傾斜した細長い対流冷却開口（８０）と、
   前記シュラウドセグメント（２２）を支持し、かつガスタービンエンジン外側ケーシング（２６）に固定された複数の円弧形ハンガセグメント（２４）と、
   前記ハンガセグメント（２４）及び基体（４４）の各々の半径方向間に配置されたシュラウドチャンバ（１３８）と、
   前記ハンガセグメント（２４）及び基体（４４）の各々の半径方向間で前記シュラウドチャンバ（１３８）内に配置され、かつ前記シュラウドチャンバ（１３８）内でその半径方向外側にバッフルプレナム（７２）を画成した鍋形状バッフル（６８）と、
   前記ハンガセグメント（２４）の各々を貫通して配置され、前記バッフルプレナム（７２）に至る少なくとも１つの調量孔（７６）と、
   前記基体（４４）とほぼ同心に該基体から半径方向に間隔を置いて配置された前記バッフル（６８）のパネル（１００）を貫通しかつほぼ前記基体（４４）に向けて配向されたインピンジメント開口入口（１２０）を有する、複数のインピンジメント開口（７８）と、
   前記エンジン中心軸線（９）と平行になっている、前記パネル（１００）及び基体（４４）の平行な軸方向中線（１１２）と、
   前記軸方向中線（１１２）に対して対称である対称密度の開口入口（１２０）を有する、前記冷却開口（７８及び８０）の対称部分（１１０）と、
   前記軸方向中線（１１２）に対して非対称である非対称密度の開口入口（１２０）を有する、前記冷却開口（７８及び８０）の非対称部分（１１６）と、
   前記円弧形パネル（１００）の上流側のタービンノズルからの圧力ウェイクにより形成される、該円弧形パネルのウェイク領域（１３４）内に設置された前記冷却開口（７８及び８０）の高い密度区域（１３０）と
   を含むことを特徴とする、タービンシュラウド組立体（１０）。
7. 前記インピンジメント開口（７８）の非対称部分（１１６）内にインピンジメント開口（７８）の高い密度区域（１３０）をさらに含み、前記高い密度区域（１３０）が、前記インピンジメント開口（７８）の対称部分（１１０）におけるよりも高い密度の開口入口（１２０）を有する、請求項６記載の組立体（１０）。
8. 前記インピンジメント開口（７８）の非対称部分（１１６）内にインピンジメント開口（７８）の低い密度区域（１３２）をさらに含み、前記低い密度区域（１３２）が、前記インピンジメント開口（７８）の対称部分（１１０）におけるよりも低い密度の開口入口（１２０）を有する、請求項７記載の組立体（１０）。

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