JP4890142B2 - 冷却式シュラウド組立体及びシュラウドの冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービン構成部品に関し、より具体的には冷却式タービンシュラウドに関する。

ガスタービンエンジンの構成部品、例えば固定シュラウド又はシュラウドセグメント及びそれらの支持構造体は、燃焼ガスの加熱流に曝される。最も効率的にこれらの燃焼ガスを発生させかつそれら燃焼ガスからエネルギーを取り出すためには、ガスタービンエンジンを高温度で作動させることが望ましい。しかしながら、そのような高温は、基本構成部品材料の温度能力を超えることが多く、機械的及び／又は物理的特性の低下或いは構成部品の変形を招くおそれがある。その結果、様々な耐熱皮膜及び／又は冷却方法の使用が行われてきた。冷却を使用する場合には通常、例えばエンジンの高圧圧縮機の様々な位置から比較的より低温の空気を導いて該低温空気を構成部品内部に又は該構成部品から吐出することによって、対流冷却、インピンジメント冷却又はフィルム冷却を行うことが実施されている。

一部のタービン構成では、ノズル構造体上の流れによって発生する「頭部波（ｂｏｗ ｗａｖｅ）」流れ構造により、上流側シュラウド上に局所的な「ホットスポット」が生じる。冷却流の抽出はエンジン性能を低下させるので、これらの局所的ホットスポットのみに選択的にフィルム冷却を使用することが知られている。

しかしながら、特定の状況では、こうした選択的冷却方法は効果的なものではない。一部のタービン構成では、シュラウドセグメントの列と下流側ノズルセグメントとの間の部品数の違いにより、各シュラウドに隣接した「頭部波」の位置が揺れ動いて定まらず、シュラウドの局所的冷却を有効でないものにする。このような状況は、代わりとして、同一のシュラウド耐久性保護を得るためにシュラウドセグメント全体にわたってフィルム冷却孔の列を分散配置することを必要とすることになる。このことは、より多くの冷却流量を必要とすることになり、従ってエンジン性能を低下させる。さらに、一部のシュラウドには、その流路面上に断熱皮膜（ＴＢＣ）が組み込まれる。この表面における冷却孔の穿孔は、ＴＢＣの健全性を損なわせるおそれがある。
米国特許第６，１３９，２５７号公報 米国特許第６，３５４，７９５号公報

従って、その中に冷却孔を使用せずに効率的に冷却されるタービンシュラウドの必要性が存在する。

上述の必要性は、本発明によって満たされ、本発明は、１つの態様によると、長手方向中心線を有するガスタービンエンジン用の冷却式シュラウド組立体を提供する。本シュラウド組立体は、回転タービンブレードの列を囲み、かつ前方フランジ、軸方向向きの後方端縁を形成する後方フランジ及び内向きの流路面を有する少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメントを含む。シュラウドセグメントには、後方フランジ又は後方端縁を冷却するための冷却孔がない。少なくとも１つの固定タービンノズルが、シュラウドセグメントに軸方向に隣接して配置され、かつ翼形部と該翼形部の半径方向外側端部に配置されかつシュラウドに軸方向に隣接して配置されたアーチ形外側バンドとを含む。少なくとも１つの冷却孔が、冷却空気源と流体連通状態で外側バンド内に形成される。冷却孔は、シュラウドセグメントに対して冷却空気の流れを向けるように位置決めされる。

本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジン用のシュラウドを冷却する方法は、回転タービンブレードの列を囲み、前方端部、後方端縁を形成する後方フランジ及び内向きの流路面を有し、かつ後方フランジには冷却孔がない少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメントを設ける段階と、シュラウドセグメントに軸方向に隣接して配置され、翼形形状の翼形部と該翼形部の半径方向外側端部に配置されかつシュラウドに軸方向に隣接して配置されかつノズルプレナムを形成するアーチ形外側バンドとを含み、かつ翼形部上のガス流が後方フランジの一部分の局所的加熱を引き起こす頭部波を発生する少なくとも１つの固定タービンノズルを設ける段階と、ノズルプレナムからの冷却空気の流れをシュラウドセグメントの後方端縁に向けて局所的加熱を実質的に打ち消すようにする段階とを含む。

本発明は、添付図面の図と関連してなされる以下の説明を参照することよって最もよく理解することができる。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ構成要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンの高圧タービン（ＨＰＴ）１０の一部分を示し、ＨＰＴ１０は、エンジンケーシング１２内部に配置された幾つかのタービン段を含む。図１に示すように、ＨＰＴ１０は、二つの段を有するが、異なる段数も可能である。第１タービン段は、エンジンの中心軸線「Ｃ」の周りで回転する第１段ディスク１８から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔をおいて配置された第１段ブレード１６を備えた第１段ロータ１４と、燃焼ガスを第１段ロータ１４へと導くための第１段固定タービンノズル２０とを含む。第２タービン段は、エンジンの中心軸線の周りで回転する第２段ディスク２６から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔をおいて配置された第２段ブレード２４を備えた第２段ロータ２２と、燃焼ガスを第２段ロータ２２へと導くための第２段固定ノズル２８とを含む。以下詳細に述べる複数のアーチ形シュラウドセグメント３０は、第１段ブレード１６を緊密に囲むように環状列の形態で円周方向に配置され、それによって第１段ロータ１４を通って流れる高温ガスのための半径方向外側流路境界面を形成する。

第２段タービンノズル２８は、その各々がアーチ形外側バンド３６とアーチ形内側バンド３８との間に支持された翼形部３４を有する複数のノズルセグメント３２を含む。ノズルセグメント３２は、全体で完全３６０°組立体を形成するように配置される。翼形部３４は、燃焼ガスを下流側第２段ロータ１８に最適に向けるように構成される。各ノズルセグメント３２の外側及び内側バンド３６及び３８は、第２段ノズル２８を通る主ガス流路「Ｆ」のそれぞれ外側及び内側半径方向境界面を形成する。外側バンド３６は、それぞれ前方及び後方フランジ４０及び４２を有する。前方フランジ４０は、ノズルセグメント３２をエンジンケーシング１２に取付けるのに使用する軸方向に延びる前方レール４４と、「エンゼルウイング」と呼ばれることもある軸方向に延びるアーチ形阻止リップ部４６とを担持する。前方及び後方フランジ４０及び４２間には、ノズルプレナム４５が形成される。

図２は、シュラウドセグメント３０の１つをより詳細に示す。シュラウドセグメント３０は、その形状がほぼアーチ形であり、流路面４７、前方フランジ４８、軸方向向きの後方端縁５２を形成する後方フランジ５０並びに対向する側壁５４及び５６を有する。側壁５４及び５６は、隣接するシュラウドセグメント３０間の漏洩を防止するための公知の形式の端部シール（図示せず）を受けるようになったシール溝５８を含むことができる。シュラウドセグメント３０は、外向きに延びる前方壁６０と外向きに延びる後方壁６２とを含む。前方壁６０、後方壁６２並びに側壁５４及び５６は、協働して開口シュラウドプレナム６４を形成する。前方取付レール６６は前方壁６０から延び、また後方取付レール６８は後方壁６２から延びる。据え付けた時、後方フランジ５０の上面は、図６に示すように、第２段ノズルセグメント３２の阻止リップ部４６と相互作用して流路のガス漏洩を最少にする。

シュラウドセグメント３０は、ガスタービンエンジンの高い作動温度において許容可能な強度を有するニッケル基超合金のような好適な超合金の一体形鋳造品として形成することができる。シュラウドセグメント３０の少なくとも流路面４７には、耐環境性皮膜又は断熱皮膜（「ＴＢＣ」）或いはその両方のような保護皮膜を設けることができる。

シュラウドセグメント３０、具体的にはシュラウドセグメント３０の外側後方コーナ部７０Ａ及び７０Ｂは、後方フランジ５０及び後方端縁５２の局所的酸化及び「焼損」又は侵食を引き起こすおそれがある高温ガス流を受ける。従来技術のシュラウドセグメントでは、冷却空気源と流体連通状態で配置されかつ外側後方コーナ部７０Ａ及び７０Ｂに局所的冷却をもたらすように配置された冷却孔（図示せず）を設けることになる。不都合なことに、後方配置の翼形部３４を通過して流れる空気によって発生する「頭部波」流れ構造により、後方端縁５２近傍の空気流が乱され、これにより、シュラウドセグメント３０が冷却式でない場合には局所的「ホットスポット」が生じるおそれがあり、或いは企図した局所的冷却を有効でないものにするおそれがある。さらに、一部の形式のＴＢＣに冷却孔を穿孔することは、その割れ発生又は剥離を引き起こし、ＴＢＣを本質的に冷却と相いれないものにする可能性がある。従って、本発明のシュラウドセグメント３０には実質的に、フランジ５０又は後方端縁５２に向けた如何なるフィルム冷却孔もない。

図４及び図５は、ノズルセグメント３２をより詳細に示す。１つ又はそれ以上の冷却孔７２が、外側バンド３６内に形成される。これらの冷却孔７２は、それらがシュラウドセグメント３０の後方端縁５２上に作用する「頭部波」効果を打ち消すように戦略的に位置決めされかつ配向される。この実施例では、冷却孔７２は、約０．６１ｍｍ（０．０２４インチ）の直径を有する。冷却孔７２の各々は、前方フランジ４０を貫通し、かつノズルプレナム４５（図１参照）と流体連通状態で配置された入口７４と、シュラウドセグメント３０と流体連通状態で配置された出口７６とを有する。説明の目的のみのために、図２及び図３は、明瞭にするために矢印で表した、様々な冷却孔７２の中心軸線を示している。４つの冷却孔７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ及び７２Ｄの各々はそれぞれ、第１の冷却孔７２Ａに関して「Ｒ」のマークを付した角度で示すような半径方向平面内における角度でＨＰＴの中心軸線「Ｃ」（図１参照）に向かって傾いている。冷却孔７２の各々はまた、図３において第１の冷却孔７２Ａに関して「Ｔ」のマークを付した角度で示すような接線方向平面内における角度で傾いている。言い換えれば、冷却孔の各々は、円周方向において中心軸線の「左」又は「右」に傾いている。この特定の角度は、各冷却孔７２について変化する。この角度は、特定の用途に応じて決まることになる。一般的に、角度「Ｒ」は、約３２°〜約３５°であり、一方、角度「Ｔ」は、約４９°〜約５１°であることになる。

図示した実施例では、第１及び第３の冷却孔７２Ａ及び７２Ｃは、後方から前方方向に見たとき、接線方向平面内において右側に傾いており、また第２及び第４の冷却孔７２Ｂ及び７２Ｄは、後方から前方方向に見たとき、接線方向平面内において左側に傾いている。

作動中、比較的低温の冷却媒体が、公知の方法で第２段ノズル２８のノズルプレナム４５に供給される。この目的のために、例えば圧縮機吐出空気を使用することができる。冷却空気は、図６に示すように、外側バンド３６の前方フランジ４０における冷却孔７２を通って流れ、次に冷却空気は、冷却孔７２から流出してシュラウドセグメント３０の後方端縁５２、具体的には外側後方コーナ部７０Ａ及び７０Ｂ上に衝突する。使用済みの冷却空気はその後、主ガス流路「Ｆ」に流入する。この冷却流は、高度に局所化されており、翼形部３４上の「頭部波」によって引き起こされるあらゆる局所的加熱又逆流マージンの低下を打ち消す傾向を持つ。従って、全冷却流量を過度にしないでシュラウドセグメントに対して効果的な保護がもたらされる。一部の構成では、シュラウドセグメント３０の局所的部分における「頭部波」加熱を打ち消すことにより、その後方フランジ５０の冷却がない状態でシュラウドセグメントを機能させることを可能にすることができる。

以上は、ガスタービンエンジン用の冷却式シュラウド組立体について説明してきた。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、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本発明に対する様々な改良を行うことができることは当業者には明らかであろう。例えば、本発明は、第１段シュラウドセグメント３０及び後方取付ノズル２８に関して上記に詳細に説明しているが、同様の構造はタービンの他の部品にも組み込むことができる。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、例示のみを目的として示したものであって、限定を目的として示したものではなく、本発明は特許請求の範囲によって定まるものである。

本発明のシュラウド組立体を組み込んだ例示的なガスタービンエンジンの断面図。 本発明によって構成された例示的なシュラウドセグメントの斜視図。 図２のシュラウドセグメント及び下流側ノズルセグメントの上面図。 タービンノズルセグメント及び関連するシュラウドセグメントの部分斜視図。 タービンノズルセグメントの部分斜視図。 タービンノズルセグメント及び関連するシュラウドセグメントの部分断面図。

符号の説明

１０ 高圧タービン（ＨＰＴ）
１２ エンジンケーシング
１４ 第１段ロータ
１６ 第１段ブレード
１８ 第１段ディスク
２０ 第１段タービンノズル
２２ 第２段ロータ
２４ 第２段ブレード
２６ 第２段ディスク
２８ 第２段ノズル
３０ アーチ形シュラウドセグメント
３２ ノズルセグメント
３４ 翼形部
３６ 外側バンド
３８ 内側バンド
４０ 前方フランジ
４２ 後方フランジ
４４ 前方レール
４５ ノズルプレナム
４６ アーチ形阻止リップ部
４７ 流路面
４８ 前方フランジ
５０ 後方フランジ
５２ 軸方向向きの後方端縁
５４ 対向側壁
５６ 対向側壁
５８ シール溝
６０ 前方壁
６２ 後方壁
６４ 開口シュラウドプレナム
６６ 前方取付レール
６８ 後方取付レール
７０Ａ 外側後方コーナ部
７０Ｂ 外側後方コーナ部
７２Ａ 冷却孔
７２Ｂ 冷却孔
７２Ｃ 冷却孔
７２Ｄ 冷却孔
７４ 入口
７６ 出口

Claims (9)

1. 長手方向中心線を有するガスタービンエンジン用の冷却式シュラウド組立体であって、
   回転タービンブレード（１６）の列を囲み、前方フランジ（４８）、軸方向向きの後方端縁（５２）を形成する後方フランジ（５０）及び内向きの流路面（４７）を有し、かつ前記後方フランジ（５０）を冷却するための冷却孔（７２）がない少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメント（３０）と、
   前記シュラウドセグメント（３０）に軸方向に隣接して配置された少なくとも１つの固定タービンノズル（２８）と、
   を含み、前記固定タービンノズルが、
   翼形部（３４）と、
   前記翼形部（３４）の半径方向外側端部に配置されかつ前記シュラウドに軸方向に隣接して配置されたアーチ形外側バンド（３６）と、を含み、
   少なくとも第１及び第２の冷却孔（７２Ａ、７２Ｂ）を含む複数の冷却孔（７２）が、冷却空気源と流体連通状態で前記外側バンド（３６）内に形成され、かつ前記第１及び第２の冷却孔（７２Ａ、７２Ｂ）が前記シュラウドセグメントの同一部分に向かうよう位置決めされて、前記シュラウドセグメント（３０）に対して冷却空気の流れを衝突させることを特徴とする、
   シュラウド組立体。
2. 前記複数の冷却孔（７２）の少なくとも１つが、前記シュラウドセグメント（３０）の後方端部に対して直接衝突するように冷却空気の流れを向けるように配向される、請求項１記載のシュラウド組立体。
3. 前記少なくとも１つ冷却孔が、半径方向平面内における第１の角度（Ｒ）で前記中心軸線に向かって配置される、請求項２記載のシュラウド組立体。
4. 前記少なくとも１つの冷却孔が、接線方向平面内における第２の角度（Ｔ）で前記シュラウドセグメント（３０）の外側後方コーナ部（７０）に冷却空気の流れを向けるように配置される、請求項２記載のシュラウド組立体。
5. 前記複数の冷却孔（７２）の各々が、隣接するシュラウドセグメント（３０）の選択部分に対して冷却空気の流れを向けるように位置決めされる、請求項２記載のシュラウド組立体。
6. ガスタービンエンジン用のシュラウドを冷却する方法であって、
   回転タービンブレード（１６）の列を囲み、前方端部、後方端縁（５２）を形成する後方フランジ（５０）及び内向きの流路面（４７）を有し、かつ前記後方フランジ（５０）には冷却孔（７２）がない少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメント（３０）を設ける段階と、
   前記シュラウドセグメント（３０）に軸方向に隣接して配置され、翼形部（３４）と前記翼形部（３４）の半径方向外側端部に配置されかつ前記シュラウドに軸方向に隣接して配置されかつノズルプレナム（４５）を形成したアーチ形外側バンド（３６）とを含み、かつ前記翼形部（３４）上のガス流が前記後方フランジ（５０）の一部分の局所的加熱を引き起こす頭部波を発生する少なくとも１つの固定タービンノズル（２８）を設ける段階と、
   前記ノズルセグメント（３２）と流体連通した入口（７４）と前記後方端縁（５２）と流体連通した出口（７６）とを有する、少なくとも第１及び第２の冷却孔（７２Ａ、７２Ｂ）を含む複数の冷却孔（７２）を前記外側バンド内に形成する段階と、
   前記シュラウドセグメントの同一部分に向かうよう位置決めされた前記第１及び第２の冷却孔（７２Ａ、７２Ｂ）により、前記ノズルプレナム（４５）からの冷却空気の流れを前記シュラウドセグメント（３０）の後方端縁（５２）に衝突させて前記局所的加熱を実質的に打ち消すようにする段階と、
   を含む方法。
7. 前記複数の冷却孔（７２）の少なくとも１つが、前記シュラウドセグメント（３０）の後方端部の選択部分に対して直接衝突するように冷却空気の流れを向けるように配向される、請求項７記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの冷却孔が、半径方向平面内における第１の角度（Ｒ）で前記長手方向軸線に向かって配置される、請求項７記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの冷却孔が、接線方向平面内における第２の角度（Ｔ）で前記シュラウドセグメント（３０）の外側後方コーナ部（７０）に冷却空気の流れを向けるように配置される、請求項７記載の方法。
   

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