JP5069071B2

JP5069071B2 - 一体型タービンシュラウドアセンブリを冷却するためのシステム

Info

Publication number: JP5069071B2
Application number: JP2007254387A
Authority: JP
Inventors: チン−パン・リー; ジェイムズ・ハーベイ・ラフレン; ダスティン・アルフレッド・プラック; ジョージ・エリオット・ムーア; キャサリン・ジャニエットレンス・アンダーセン; ダニエル・ヴァーナー・ジョーンズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: CA2601686C; US7740444B2; EP1930549A2; EP1930549A3; CA2601686A1; JP2008138663A; US20080131264A1

Description

本発明は概してガスタービンエンジンに関し、より詳細には、一体型タービンシュラウドアセンブリを冷却するための方法およびシステムに関する。

ガスタービンエンジンの効率を向上させるための既知の方法の１つでは、タービンの運転温度を上昇させることが必要になる。しかしながら、運転温度が上昇すると、特定のエンジン部品の熱限界を超える可能性があり、耐用年数の減少および／または材料破壊が起こってしまう。さらに、部品の熱膨張および収縮が増大すると、部品間隔および／または部品の嵌合関係に悪影響を及ぼしかねない。このため、高い運転温度に曝された際に損傷を招く結果となる可能性を避けるために、そのような部品の冷却を促進すべくガスタービンエンジン内に冷却システムが組み込まれていた。
米国特許第６，９８４，１００号公報米国特許第６，７７９，５９７号公報米国特許第６，４８５，２５５号公報米国特許第６，４３１，８３２号公報米国特許第６，４３１，８２０号公報米国特許第６，３９８，４８８号公報米国特許第６，３５４，７９５号公報米国特許第６，３４０，２８５号公報米国特許第５，５１１，９４５号公報米国特許第５，２１７，３４８号公報米国特許第４，９４９，５４５号公報

空気を冷却目的で、圧縮機の主要気流から抽出することが知られている。エンジンの運転効率を円滑に維持するために、抽出される冷却用空気の量は一般的に主要気流の総量のほんのわずかな割合に限られている。しかしながら、これには部品の温度を安全限界内に維持するために、冷却用空気を最も効率よく利用することが要求される。

例えば、高温に曝される部品の１つは、燃焼器から延在する高圧タービンノズルのすぐ下流に位置するシュラウドアセンブリである。該シュラウドアセンブリは高圧タービンのロータの周囲に延在し、したがって該高圧タービンを流れる主要ガス流の外部境界（流路）を規定する。ガスタービンエンジンの効率は、タービン翼の半径方向外面とシュラウドアセンブリの半径方向内面との間で測定されるタービン翼間隔の変動によって悪影響を受ける。エンジンの過渡運転中、該タービン翼間隔はタービン動翼とシュラウドアセンブリの相対的な半径方向変位の関数となる。該タービン動翼は一般的に固定シュラウドシステムよりも大きな質量を有するため、タービンの運転中、該タービン動翼ではシュラウドアセンブリよりも一般的に熱応答が緩やかである。タービンロータの半径方向変位とシュラウドアセンブリの半径方向変位の差が大きすぎると、翼間隔は増大し、エンジン効率の減少をもたらす。

１つの態様では、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリが提供される。該タービンシュラウドアセンブリは、前縁と、後縁と、その間に規定される中央部とを含むシュラウド部分を含む。該シュラウド部分はまた、該前縁の前方取付フックと、該中央部の中央部取付フックと、該後縁の後方取付フックとを含む。シュラウドサポートは、円周方向に広がって該シュラウド部分を支持する。該シュラウドサポートは、前部と、中央部と、後部とを含む。該前部は、該前方取付フックに連結される前方ハンガーを形成する。該中央部は、該中央部取付フックに連結される中央部ハンガーを形成する。該後部は、該後方取付フックに連結される後方ハンガーを形成する。環状シュラウドリング構造は、該シュラウドサポートを支持するように構成される。該環状シュラウドリング構造は、該中央部ハンガーに連結される中央部位置制御リングと、該後方ハンガーに連結される後方位置制御リングとを含む。第１の強制対流冷却帯は、該シュラウド部分と該シュラウドサポートとの間かつ該前方取付フックと該中央部取付フックとの間に規定される。少なくとも１つの供給孔が該シュラウドサポート内に伸びており、冷却用空気の第１部分を計量しながら該第１の強制対流冷却帯に供給するように構成される。第１の自然対流冷却帯は、該シュラウドサポートと該環状シュラウドリング構造との間かつ該中央部位置制御リングと該後方位置制御リングとの間に規定される。該シュラウドサポートは、冷却用空気が該第１の自然対流冷却帯に入り込むのを実質的に防止する。

別の態様では、タービンシュラウドアセンブリを通る冷却用空気を提供して、該タービンシュラウドアセンブリの冷却を促進するためのタービンシュラウド冷却システムが提供される。該タービンシュラウドアセンブリは、前縁と、後縁と、その間に規定される中央部とを有するシュラウド部分と、円周方向に広がって該シュラウド部分を支持するシュラウドサポートとを含む。該シュラウドサポートは、該前縁に連結される前方ハンガーと、該中央部に連結される中央部ハンガーと、該後縁に連結される後方ハンガーとを含む。該タービンシュラウドアセンブリはまた、該中央部ハンガーに連結される中央部位置制御リングと、該後方ハンガーに連結される後方位置制御リングとを含むシュラウドリング構造を含む。該タービンシュラウド冷却システムは、該タービンシュラウドアセンブリの上流に配置される高圧タービンノズルの外側バンドと該シュラウドリング構造との間に少なくとも部分的に規定されるダクトに冷却用空気を案内するとともに、該シュラウドサポートを通る冷却用空気を計量しながら該シュラウド部分と該シュラウドサポートとの間に規定される少なくとも１つの強制対流冷却帯のみに直接供給して、シュラウド部分の冷却を促進するように構成される。

またここでは、タービンシュラウドアセンブリを冷却するための方法が開示される。この方法は、前縁と、後縁と、その間に規定される中央部とを有するシュラウド部分を含むタービンシュラウドアセンブリを提供することを含む。シュラウドサポートは、円周方向に広がって該シュラウド部分を支持する。該シュラウドサポートは、該前縁に連結される前方ハンガーと、該中央部に連結される中央部ハンガーと、該後縁に結合される後方ハンガーとを含む。環状シュラウドリング構造は、該中央部ハンガーに連結される中央部位置制御リングと、該後方ハンガーに連結される後方位置制御リングとを含む。冷却用空気は、該タービンシュラウドアセンブリの上流に配置される圧縮機から抽出される。冷却用空気は、該シュラウドサポートを通して計量しながら該シュラウド部分と該シュラウドサポートとの間に規定される少なくとも１つの強制対流冷却帯のみに直接供給される。

本発明は、タービンシュラウドアセンブリに高圧冷却用空気を提供して、効率的かつ信頼性のある方法で該タービンシュラウドアセンブリの冷却を促進するためのタービンシュラウド冷却システムを提供する。さらに、該タービンシュラウド冷却システムは、該シュラウドアセンブリ用の位置制御リングの過渡変位を円滑に減少させる。より詳細には、該タービンシュラウド冷却システムは、低圧（ＬＰ）シュラウドリング構造を迂回させながら該シュラウドアセンブリを通る冷却用空気を計量しながら供給して、エンジンの過渡運転中のシュラウド部分の熱応答を円滑に減少および／または遅延させる。その結果、該シュラウド部分の過渡変位が減少および／または遅延する。該減少および／または遅延させたシュラウド部分の熱応答は、タービン翼間隔の増大とタービンエンジン効率の向上を促進する。

本発明は航空機ガスタービンのシュラウドアセンブリの冷却に関する適用例を参照して以下に説明するが、ここに適切な変更を伴って提供される教示によって導かれる当業者であれば、本発明の冷却システムまたはアセンブリが、例えばノズルおよび／または羽根部分だがこれに限定されることはない他のタービンエンジン部品の冷却を促進するのにも適応可能であることは明らかなはずである。

図面を参照すると、図１および図２はシュラウドアセンブリの形態をとる既知のタービンエンジン冷却アセンブリを示しており、ガスタービンエンジンの高圧タービン部１２および低圧タービン部１４に対して全体的に１０で表される。シュラウドアセンブリ１０は、シュラウド部分３０の形態をとるタービンエンジン冷却部品を含む。各シュラウド部分３０は、シュラウド部分３０の円周前縁１６に前方取付フック３２を備える。シュラウド部分３０はまた、中央取付フック３４と、シュラウド部分３０の円周後縁１８に隣接する後方取付フック３６とを有する。

複数のシュラウド部分３０がタービン動翼（図示せず）の周囲に配置されて、分割された３６０度のシュラウドを形成する。シュラウド部分３０は、高圧タービン翼（図示せず）とシュラウド部分３０の高圧タービン部の半径方向内面３８との間かつ低圧タービン翼（図示せず）とシュラウド部分３０の低圧タービン部の半径方向内面４０との間に環状間隔を規定する。複数の分割シュラウドサポート４４は、シュラウド部分３０と相互接続する。各シュラウドサポート４４は円周方向に広がり、任意の適当な数のシュラウド部分３０を支持するように適当に変更することができるが、通常は２つの隣接するシュラウド部分３０を支持する。例えば、従来のシュラウドアセンブリ１０は２６のシュラウド部分３０と１３のシュラウドサポート４４を含むことができる。

各シュラウドサポート４４は、それぞれ前方に突出するハンガー５２、５４および５６を形成する、前部４６と、中央部４８と、後部５０とを含む。シュラウドサポート４４は、取付フック３２、３４および３６が各ハンガー５２、５４および５６で受け止められることによって、各シュラウド部分３０を舌・溝すなわちフック・ハンガー相互接続形式で支持する。

各シュラウドサポート４４はさらに、一体形連続環状シュラウドリング構造５８によって支持される。各シュラウド部分３０とともに各シュラウドサポート４４の半径方向位置は、シュラウドリング構造５８上に設けられる３つの分離した環状位置制御リング６０、６２および６４によって密接に制御される。前方位置制御リング６０および中央位置制御リング６２それぞれには、前部４６および中央部４８のそれぞれ後方に突出する取付フック６８および７２を受け止めるそれぞれ軸方向前方に突出するハンガー６６および７０が形成される。後方位置制御リング６４には、後部５０の後方に突出する取付フック７６を受け止める軸方向前方に突出するハンガー７４が円周方向の舌・溝すなわちフック・ハンガー相互接続形式で形成される。従来のシュラウドリング構造５８は、エンジンの過渡運転中のシュラウドアセンブリの熱応答を円滑に遅延させるために、シュラウドリング構造５８の質量を増大させる３つの位置制御リング６０、６２および６４を含む。

各シュラウドサポート４４、ひいては各シュラウド部分３０に与えられる半径方向支持および半径方向位置制御を最大限に発揮するために、各ハンガー６６、７０および７４は通常真っ直ぐな軸方向配列にあり、すなわち同じラジアル平面で各位置制御リング６０、６２および６４と一直線に並んでいる。この配列は、シュラウドアセンブリ１０全体の剛性を向上させる。図１に示されるように、シュラウドリング構造５８はリング構造５８の後端７５の燃焼器ケース（図示せず）にボルトで固定される。さらに、図１に示されるように、シュラウド部分の前縁１６は燃焼器ケースの接触面から離して片持ち支持される。そのようにして、前方位置制御リング６０および中央位置制御リング６２は燃焼器の後方フランジ（図示せず）から離して配置されることによって、燃焼器ケースの半径方向偏位のあらゆる不均一な円周方向偏差から分離される。

分割シュラウド設計は、高温で流れる排ガスによって形成される厳しい環境で課せられる熱成長を受け入れる。分割シュラウドサポートは、高温のシュラウド取付フックと位置制御リングとの間の熱伝導経路を効果的に分離する。したがって、位置制御リングは厳しく不均一な流路環境から十分に分離される。

従来技術のタービンエンジン冷却アセンブリでは、高圧冷却用空気９０が圧縮機（図示せず）から抽出される。高圧冷却用空気９０の第１部分９１は、シュラウドサポート４４のボス７８に形成される複数の高圧タービン部（ＨＰＴＳ）供給孔７７を介して供給される。高圧冷却用空気９０の第１部分９１はその後、シュラウドサポート４４に取り付けられる皿状のＨＰＴＳ緩衝板７９に衝突することにより、上部ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム８０を規定する。高圧冷却用空気９０の第１部分９１はその後、冷却用空気が下部ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム８３に入るように、緩衝板７９に形成された複数の穿孔８２を介して供給される。高圧冷却用空気９０の第２部分９２は、強制対流冷却帯８４を通り、シュラウドサポート４４に形成された複数の低圧タービン部（ＬＰＴＳ）供給孔８５を介して供給される。高圧冷却用空気９０の第２部分９２は、シュラウドサポート４４に取り付けられた皿状のＬＰＴＳ緩衝板８６に衝突することにより、上部ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム８７を規定する。高圧冷却用空気９０の第２部分９２はその後、冷却用空気が下部ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム８９に入るように、緩衝板８６に形成された穿孔８８を介して運ばれる。

図２に示されるように、まず高圧冷却用空気９０が、高圧タービンノズルの外側バンド９４と前方位置制御リング６０との間に少なくとも部分的に規定されるダクト９３に案内される。高圧冷却用空気９０は第１部分９１と第２部分９２に分離されて、高圧タービン部１２の冷却を促進するために、高圧冷却用空気９０がシュラウドサポート４４とシュラウドリング構造５８との間かつ前方位置制御リング６０と中央位置制御リング６２との間に少なくとも部分的に規定される第１領域９５に案内される。高圧冷却用空気９０の第１部分９１は、少なくとも１つの適当な計量孔９６を介して計量しながら少なくとも部分的にプレナム８０およびプレナム８３を規定する第２領域９７に供給されて、高圧タービン部１２におけるシュラウド部分の衝突冷却を促進する。使用済みの衝突冷却用空気はシュラウド部分３０を出て、シュラウド部分の前縁孔９８を通って高圧タービンノズルの外側バンド９４とシュラウド部分３０との間に規定される隙間９９のパージを促進し、かつ／または、高圧タービン部１２の後端１０１に規定される気膜冷却孔１００の列を通って低圧タービン部１４の内面４０の気膜冷却を促進する。

高圧冷却用空気９０の第２部分９２は、シュラウドサポート４４とシュラウドリング構造５８との間かつ中央位置制御リング６２と後方位置制御リング６４との間に少なくとも部分的に強制対流冷却帯８４を規定する第３領域１０２に案内されて、低圧タービン部１４の冷却を促進する。高圧冷却用空気９０の第２部分９２は、少なくとも部分的にプレナム８７およびプレナム８９を規定する第４領域１０４に計量しながら供給されて、低圧タービン部１４におけるシュラウド部分の衝突冷却を促進する。使用済みの衝突冷却用空気は、シュラウド部分３０をシュラウド部分の後縁孔１０５を通って出る。この対流流路では、領域９５および１０２が積極的に冷却され、エンジンの過渡運転中の熱応答が比較的迅速になる。この比較的迅速な熱応答により、位置制御リング６０、６２および／または６４の迅速な過渡変位が起こる。

図３は例示的なシュラウドアセンブリの側面図であり、該シュラウドアセンブリを流れる高圧冷却用空気を概略的に示している。図４は代替的なシュラウドアセンブリの側面図であり、該シュラウドアセンブリを流れる高圧冷却用空気を概略的に示している。エンジンの過渡運転中のシュラウドアセンブリの熱応答および／またはシュラウドアセンブリの変位を円滑に制御するために、例示的実施形態では、タービンエンジン冷却アセンブリ１０８が、ガスタービンエンジンの高圧タービン部１１２および低圧タービン部１１４に対して全体的に１１０で表されるシュラウドアセンブリを含む。ここに提供される教示によって導かれる当業者であれば、タービンエンジン冷却アセンブリ１０８が、例えばノズル部分および／または羽根部分だがこれに限定されることはないガスタービンエンジンの他の部分の冷却を促進するのにも適応可能であることは明らかなはずである。

シュラウドアセンブリ１１０は、シュラウド部分１３０の形態をとるタービンエンジン冷却部品を含む。各シュラウド部分１３０は、シュラウド部分１３０の円周前縁１３３の前方取付フック１３２を含む。シュラウド部分１３０はまた、中央部取付フック１３４と、シュラウド部分１３０の円周後縁１３７に隣接する後方取付フック１３６とを含む。

複数のシュラウド部分１３０は一般的に既知の方法で円周方向に配置されて、環状分割シュラウドを形成する。シュラウド部分１３０は、高圧タービン翼（図示せず）とシュラウド部分１３０の高圧タービン部の半径方向内面１３８との間かつ低圧タービン翼（図示せず）とシュラウド部分１３０の低圧タービン部の半径方向内面１４０との間に環状間隔を規定する。複数の分割シュラウドサポート１４４は、シュラウド部分１３０と相互接続する。各シュラウドサポート１４４は、円周方向に広がって隣接するシュラウド部分１３０を支持する。代替的実施形態では、シュラウドサポート１４４は任意の適当な数のシュラウド部分１３０、２つより少ないまたは多いシュラウド部分１３０を支持するように変更される。例示的実施形態では、シュラウドアセンブリ１１０は２６のシュラウド部分１３０と１３のシュラウドサポート１４４を含むが、代替的実施形態では任意の適当な数のシュラウド部分１３０および／またはシュラウドサポート１４４を利用してもよい。

各シュラウドサポート１４４は、それぞれ前方に突出するハンガー１５２、１５４および１５６を形成する、前部１４６と、中央部１４８と、後部１５０とを含む。取付フック１３２、１３４および１３６は、シュラウドサポート１４４が各シュラウド部分１３０を支持するように、それぞれ共働するハンガー１５２、１５４および１５６によって舌・溝すなわちフック・ハンガー相互接続形式で受け止められる。

シュラウドアセンブリ１１０は、同様にシュラウドサポート１４４を所望の位置に維持する環状シュラウドリング構造１５８を含む。１つの実施形態では、シュラウドリング構造１５８は一体形連続環状シュラウドリング構造である。各シュラウド部分１３０とともに各シュラウドサポート１４４の半径方向位置は、シュラウドリング構造１５８上に形成される２つの環状位置制御リング１６２および１６４のみによって密接に制御される。従来のシュラウドリング構造と対照的に、シュラウドアセンブリ１１０の重量を円滑に削減または制限するために、シュラウドリング構造１５８は２つの位置制御リング１６２および１６４のみを含む。中央部位置制御リング１６２は、サポート構造の中央部１４８によって形成される後方に突出する取付フック１６７を第１の円周方向の舌・溝すなわちフック・ハンガー相互接続形式で受け止め、かつ／またはそれと共働する軸方向前方に突出するハンガー１６６を含む。後方位置制御リング１６４は、サポート構造の後部１５０の後方に突出する取付フック１６９を第２の円周方向の舌・溝すなわちフック・ハンガー相互接続形式で受け止め、かつ／またはそれと共働する軸方向前方に突出するハンガー１６８を含む。

例示的実施形態では、ハンガー１６６および１６８は真っ直ぐな軸方向配列にあり、すなわち通常同じラジアル平面でハンガー１５４およびハンガー１５６それぞれと一直線に並んでいて、シュラウドサポート１４４、ひいては共働するシュラウド部分１３０に与えられる半径方向支持および／または半径方向位置制御を最大限に発揮する手助けをする。この配列方向は、シュラウドサポートアセンブリ全体の剛性を円滑に向上させる。代替的実施形態では、図４に示すように、ハンガー１６６および／またはハンガー１６８はずれた軸方向配列にあり、すなわち通常同じラジアル平面でハンガー１５４およびハンガー１５６と一直線には並んでいない。例示的実施形態では、シュラウドリング構造１５８は、シュラウドリング構造１５８の後端の燃焼器ケース（図示せず）にボルトで固定される。シュラウドリング構造１５８は、燃焼器ケースの接触面の前縁１３３から離して片持ち支持される。そのようにして、中央部位置制御リング１６２は燃焼器の後方フランジ（図示せず）から数インチ離して配置されることによって、燃焼器ケースの半径方向偏位のあらゆる不均一な円周方向偏差から分離される。

例示的実施形態では、高圧冷却用空気１７０がシュラウドアセンブリ１１０の上流に配置された圧縮機（図示せず）から抽出される。該圧縮機から抽出された高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１は、高圧タービン部１１２の冷却を促進する。該圧縮機から抽出された高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、低圧タービン部１１４の冷却を促進する。さらに図３を参照すると、第１部分１７１および第２部分１７２に対応する方向矢印が、高圧タービン部の強制対流冷却帯１７３を通る高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１および低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６（以下に説明する）を通る高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２の流路の少なくとも一部分をそれぞれ図示する。

この実施形態では、高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１は計量しながら第１すなわち高圧タービン部の強制対流冷却帯１７３に供給される。より詳細には、高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１はシュラウドサポート１４４に規定される少なくとも１つの高圧タービン部（ＨＰＴＳ）供給孔１７４を通って計量しながら供給される。高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１は、高圧タービン部の強制対流冷却帯１７３内に配置される皿状のＨＰＴＳ緩衝板１７５に衝突する。緩衝板１７５はシュラウドサポート１４４に連結されることにより、少なくとも部分的に上部ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム１７６を規定する。高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１はその後、冷却用空気がシュラウド部分１３０に規定される下部ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム１７８に入り、そこで冷却用空気がシュラウド部分１３０の背面１７９に衝突するように、緩衝板１７５に形成された複数の穿孔１７７を通して計量しながら供給される。高圧冷却用空気の一部分、例えば使用済みの衝突冷却用空気１８０は、高圧タービンノズルの外側バンド１８３と前縁１３３との間に規定される隙間１８２のパージを促進するように構成されたシュラウド部分の前縁１３３に、またはその近くに規定される複数の前方に指向する冷却孔１８１を通ってプレナム１７８を出る。高圧冷却用空気の一部分１８４はシュラウド部分１３０に規定される複数の後方に指向する冷却孔１８５を通して計量しながら供給されて、内面１３８および／または１４０の気膜冷却を促進する。冷却孔１８１を出る高圧冷却用空気の使用済みの衝突冷却用空気１８０は、前縁１３３におけるシュラウドアセンブリ１１０への高温ガスの圧入または再循環を円滑に防止または制限する。

圧縮機から抽出された高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、低圧タービン部１１４の冷却を促進する。この実施形態では、高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、第２すなわち低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６に計量しながら供給される。より詳細には、高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、シュラウドサポート１４４に規定される少なくとも１つの低圧タービンの供給孔１８７を通して計量しながら供給される。高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６内に配置される皿状の低圧タービン部（ＬＰＴＳ）緩衝板１８８に衝突する。緩衝板１８８はシュラウドサポート１４４に連結されることにより、少なくとも部分的に上部ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム１８９を規定する。高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２はその後、緩衝板１８８に規定される穿孔１９０を通して計量しながら下部ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム１９１に供給され、そこで高圧冷却用空気はシュラウド部分１３０の背面１９２に衝突する。冷却用空気はシュラウド部分１３０内に規定される複数の後方に指向する冷却孔１９４を通ってプレナム１９１を出て、シュラウド部分１３０の下流の後縁１３７の半径方向内面１４０の気膜冷却を促進する。

図３に示されるように、高圧冷却用空気１７０はまず、高圧タービンノズルの外側バンド１８３と中央部位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造１５８の一部分との間に少なくとも部分的に規定されるダクト２０４に導かれる。高圧冷却用空気１７０はダクト２０４内で第１部分１７１と第２部分１７２に分離されて、高圧冷却用空気１７０がダクト２０４を通って案内される。高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１は、ＨＰＴＳ供給孔１７４を通して計量しながら強制対流冷却帯１７３およびプレナム１７８に供給されて、高圧タービン部１１２における衝突冷却を促進する。使用済みの衝突冷却用空気はシュラウド部分１３０を出て、シュラウド部分の前縁冷却孔１８１を通って高圧タービンノズルの外側バンド１８３とシュラウド部分１３０との間に規定される隙間１８２のパージを促進し、かつ／または、高圧タービン部１１２の後端２０５に規定される冷却孔１８５を通ってシュラウド部分１３０の内面１４０の気膜冷却を促進する。

高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、シュラウドサポート１４４とシュラウド部分１３０との間かつ中央部位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に少なくとも部分的に規定される第２の強制対流冷却帯１８６に案内される。高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、低圧タービン部１１４の冷却を促進する。１つの実施形態では、高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、シュラウドサポート１４４に規定される複数の低圧タービンの供給孔１８７を通して計量しながら供給される。より詳細には、冷却用空気がシュラウドサポート１４４とシュラウドリング構造１５８との間かつ中央部位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に自然対流冷却帯２１１を規定する第３領域２１０を迂回するように、高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は計量しながら強制対流冷却帯１８６に直接供給されて、低圧タービン部１１４におけるシュラウド部分の衝突冷却を促進する。使用済みの衝突冷却用空気は、シュラウド部分１３０の後縁１３７に、またはその近くに規定される冷却孔１９４を通ってシュラウド部分１３０を出る。

図３に示される流路では、高圧タービン部の強制対流冷却帯１７３および低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６が直接積極的に冷却される。しかしながら、従来のシュラウドアセンブリ１０（図１に示す）の強制対流冷却帯８４（図２に示す）とは違って、低圧タービン部の自然対流冷却帯２１１は活動しておらず、つまり高圧冷却用空気は自然対流冷却帯２１１を流れない。このため、エンジンの過渡運転中に形成される環境条件に対する自然対流冷却帯２１１内の熱応答が減少および／または遅延する。その結果、中央部位置制御リング１６２および／または後方位置制御リング１６４の過渡変位もまた減少および／または遅延する。

図４に示される代替的実施形態では、高圧冷却用空気１７０は、高圧タービンノズルの外側バンド１８３と中央部位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造１５８との間に少なくとも部分的に規定されるダクト２０４に案内される。高圧冷却用空気１７０は、第１部分１７１と第２部分１７２に分離される。高圧冷却用空気１７０の第１部分１７１は、ＨＰＴＳ供給孔１７４を通して計量しながら少なくとも部分的にプレナム１７６およびプレナム１７８を規定する高圧タービン部の強制対流冷却帯１７３に供給されて、高圧タービン部１１２におけるシュラウド部分の衝突冷却を促進する。使用済みの衝突冷却用空気１８０はシュラウド部分１３０を出て、シュラウド部分の前縁冷却孔１８１を通って高圧タービンノズルの外側バンド１８３とシュラウド部分１３０との間の隙間１８２のパージを促進し、かつ／または、高圧タービン部１１２の後端２０５に規定される冷却孔１８５を通って内面１４０の気膜冷却を促進する。

高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、シュラウドサポート１４４とシュラウド部分１３０との間かつ中央部位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に少なくとも部分的に規定される低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６に案内されて、低圧タービン部１１４の冷却を促進する。１つの実施形態では、高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、シュラウドサポート１４４に規定される複数の低圧タービンの供給孔１８７を通して計量しながら供給される。高圧冷却用空気１７０の第２部分１７２は、少なくとも部分的にプレナム１８９およびプレナム１９１を規定する低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６に計量しながら直接供給されて、低圧タービン部１１４におけるシュラウド部分の衝突冷却を促進する。使用済みの衝突冷却用空気１９３は、シュラウド部分１３０の後縁１３７に、またはその近くに規定される冷却孔１９４を通ってシュラウド部分１３０を出る。

高圧冷却用空気が強制対流冷却帯８４を通って供給される従来のシュラウド冷却アセンブリと対照的に、図３および図４に示されるシュラウド冷却アセンブリは、高圧タービン部の強制対流冷却帯１７３および低圧タービン部の強制対流冷却帯１８６にそれぞれの供給孔１７４および供給孔１８７を通して高圧冷却用空気を直接案内する。

図３および図４に示されるシュラウド冷却アセンブリでは、高圧冷却用空気は低圧タービン部の自然対流冷却帯２１１を通して計量しながら供給または案内されるわけではない。その結果、低圧タービン部の自然対流冷却帯２１１を規定する部品は、図１に示される従来のシュラウド冷却アセンブリ内の強制対流冷却帯８３を規定する部品よりも、エンジンの過渡運転中の熱条件および／または環境への応答が比較的緩やかになる。この熱条件および／または環境に対する緩やかな応答は、中央部位置制御リング１６２および／または後方位置制御リング１６４の過渡変位を比較的緩やかにする手助けをする。

したがって、低圧タービン部のシュラウドリング構造を迂回させることによって、図３および図４に示す高圧冷却用空気の流路は、エンジンの過渡運転中のシュラウド部分の過渡的な熱応答および／または変位を円滑に減少および／または遅延させる。この緩やかな応答はさらに、翼端間隔の増大とタービンエンジン効率の向上を促進する。

タービンシュラウドアセンブリに高圧冷却用空気を提供するための上記方法およびシステムは、効率的かつ信頼性のある方法でタービンシュラウドアセンブリの冷却を促進する。さらに、上記方法およびシステムは、シュラウドアセンブリ用の位置制御リングの過渡変位を円滑に減少させる。より詳細には、該方法およびシステムは、ＬＰシュラウドリング構造を迂回させながら、シュラウドアセンブリを通る高圧冷却用空気を計量しながら供給して、エンジンの過渡運転中のシュラウド部分の熱応答を円滑に減少および／または遅延させる。その結果、シュラウド部分の過渡変位が減少および／または遅延する。減少および／または遅延した熱応答は、タービン翼間隔の増大とタービンエンジン効率の向上を促進する。

タービンシュラウドアセンブリに高圧冷却用空気を提供するための方法およびシステムの例示的実施形態は、上記に詳細に説明される。該方法およびシステムはここで説明された特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ該方法のステップおよび／または該システムの部品はここで説明された他のステップおよび／または部品から独立かつ分離して利用してもよい。さらに、説明した方法のステップおよび／またはシステムの部品は、他の方法および／またはシステムにおいて定義するか、またはそれと組み合わせて使用することができ、ここで説明したような方法およびシステムのみでの使用に限定されるものではない。

本発明をさまざまな特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者は本発明が請求項の精神および範囲内で変更を加えて実施可能であることを理解するであろう。

ガスタービンエンジン用の既知のシュラウドアセンブリの側面図である。図１に示されるシュラウドアセンブリの側面図であり、従来技術のシュラウドアセンブリを流れる流体を概略的に示している。例示的なシュラウドアセンブリの側面図であり、該シュラウドアセンブリを流れる高圧冷却用空気を概略的に示している。代替的なシュラウドアセンブリの側面図であり、該シュラウドアセンブリを流れる高圧冷却用空気を概略的に示している。

符号の説明

１０シュラウドアセンブリ
１２高圧タービン部
１４低圧タービン部
１６前縁
１８後縁
３０シュラウド部分
３２前方取付フック
３４中央取付フック
３６後方取付フック
３８内面
４０内面
４４シュラウドサポート
４６前部
４８中央部
５０後部
５２ハンガー
５４ハンガー
５６ハンガー
５８シュラウドリング構造
６０前方位置制御リング
６２中央位置制御リング
６４後方位置制御リング
６６軸方向前方に突出するハンガー
６８後方に突出する取付フック
７０突出するハンガー
７２取付フック
７４軸方向前方に突出するハンガー
７５後端
７６後方に突出する取付フック
７７高圧タービン部（ＨＰＴＳ）供給孔
７８ボス
７９緩衝板
８０ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム
８２穿孔
８３ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム
８４強制対流冷却帯
８５低圧タービン部（ＬＰＴＳ）供給孔
８６ＬＰＴＳ緩衝板
８７ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム
８８穿孔
８９ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム
９０高圧冷却用空気
９１第１部分
９２第２部分
９３ダクト
９４タービンノズルの外側バンド
９５第１領域
９６計量孔
９７第２領域
９８シュラウド部分の前縁孔
９９隙間
１００気膜冷却孔
１０１後端
１０２第３領域
１０４第４領域
１０５シュラウド部分の後縁孔
１０８タービンエンジン冷却アセンブリ
１１０シュラウドアセンブリ
１１２高圧タービン部
１１４低圧タービン部
１３０シュラウド部分
１３２取付フック
１３３前縁
１３４中央部取付フック
１３６後方取付フック
１３７後縁
１３８気膜冷却内面
１４０気膜冷却内面
１４４シュラウドサポート
１４６前部
１４８サポート構造の中央部
１５０サポート構造の後部
１５２前方に突出するハンガー
１５４共働するハンガー
１５６ハンガー
１５８シュラウドリング構造
１６２中央部位置制御リング
１６４後方位置制御リング
１６６軸方向前方に突出するハンガー
１６７後方に突出する取付フック
１６８軸方向前方に突出するハンガー
１６９後方に突出する取付フック
１７０高圧冷却用空気
１７１第１部分
１７２第２部分
１７３第１すなわち高圧タービン部の強制対流冷却帯
１７４ＨＰＴＳ供給孔
１７５ＨＰＴＳ緩衝板
１７６上部ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム
１７７穿孔
１７８下部ＨＰＴＳ空洞すなわちプレナム
１７９背面
１８０衝突冷却用空気
１８１前方に指向する冷却孔
１８２隙間
１８３タービンノズルの外側バンド
１８４一部分
１８５後方に指向する冷却孔
１８６第２すなわち低圧タービン部の強制対流冷却帯
１８７低圧タービン供給孔
１８８低圧タービン部（ＬＰＴＳ）緩衝板
１８９ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム
１９０穿孔
１９１ＬＰＴＳ空洞すなわちプレナム
１９２背面
１９３使用済みの衝突冷却用空気
１９４後方に指向する冷却孔
２０４ダクト
２０５後端
２１０第３領域
２１１低圧タービン部の自然対流冷却帯

Claims

ガスタービン用のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）であって、
前縁（１３３）と、後縁（１３７）と、その間に規定される中央部とを含み、前記前縁の前方取付フック（１３２）と、前記中央部の中央部取付フック（１３４）と、前記後縁の後方取付フック（１３６）とを含むシュラウド部分（１３０）と、
円周方向に広がって前記シュラウド部分を支持しており、前記前方取付フックに連結される前方ハンガー（１５２）を形成する前部（１４６）と、前記中央部取付フックに連結される中央部ハンガー（１５４）を形成する中央部（１４８）と、前記後方取付フックに連結される後方ハンガー（１５６）を形成する後部（１５０）とを含むシュラウドサポート（１４４）と、
前記シュラウドサポートを支持するように構成され、２以下の位置制御リングを備える環状シュラウドリング構造（１５８）と
を含み、
前記２以下の位置制御リングは、前記中央部ハンガーに連結される中央部位置制御リング（１６２）と、前記後方ハンガーに連結される後方位置制御リング（１６４）とからなり、
前記タービンシュラウドアセンブリ（１１０）は、さらに、
前記シュラウド部分と前記シュラウドサポートとの間かつ前記前方取付フックと前記中央部取付フックとの間に規定される第１の強制対流冷却帯（１７３）と、
前記シュラウドサポート内に伸びており、冷却用空気（１７０）の第１部分（１７１）を計量しながら前記第１の強制対流冷却帯に供給するように構成された少なくとも１つの供給孔（１７４）と、
前記シュラウドサポートと前記環状シュラウドリング構造との間かつ前記中央部位置制御リングと前記後方位置制御リングとの間に規定される第１の自然対流冷却帯（２１１）と
を含み、
前記シュラウドサポートは冷却用空気が前記第１の自然対流冷却帯に入り込むのを防止する、前記タービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
前記前縁（１３３）に規定され、前記第１の強制対流冷却帯（１７３）を出る冷却用空気（１７０）の量を計量しながら供給して、前記前縁によって少なくとも部分的に規定される隙間（１８２）のパージを促進するように構成された複数の前方に指向する冷却孔（１８１）をさらに有する、請求項１に記載のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
前記シュラウド部分（１３０）に規定され、前記第１の強制対流冷却帯（１７３）を出る冷却用空気（１７０）の量を計量しながら供給して、前記シュラウド部分の下流部分の気膜冷却を促進するように構成された複数の後方に指向する冷却孔（１８５）をさらに有する、請求項１に記載のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
前記第１の強制対流冷却帯（１７３）内に配置され、上部プレナム（１７６）と、下部プレナム（１７８）とを有し、冷却用空気（１７０）の第１部分（１７１）を計量しながら前記下部プレナムに供給するように構成された複数の穿孔（１７７）を規定する緩衝板（１７５）をさらに有する、請求項１に記載のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
前記複数の穿孔（１７７）が前記シュラウド部分（１３０）の背面（１７９）の衝突冷却を促進するように構成される、請求項４に記載のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
前記シュラウド部分（１３０）と前記シュラウドサポート（１４４）との間かつ前記中央部取付フック（１３４）と前記後方取付フック（１３６）との間に規定される第２の強制対流冷却帯（１８６）と、
前記シュラウドサポート内に伸びており、冷却用空気（１７０）の第２部分（１７２）を計量しながら前記第２の強制対流冷却帯に供給するように構成された少なくとも１つの供給孔（１８７）と、
前記後縁（１３７）に規定され、前記第２の強制対流冷却帯を出る冷却用空気の量を計量しながら供給して、前記後縁の一部分の気膜冷却を促進するように構成された複数の後方に指向する冷却孔（１９４）とをさらに有する、請求項１に記載のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
前記中央部位置制御リング（１６２）が前記中央部取付フック（１３４）と軸方向に並んでおり、前記後方位置制御リング（１６４）が前記後方取付フック（１３６）と軸方向に並んでいる、請求項１に記載のタービンシュラウドアセンブリ（１１０）。
タービンシュラウドアセンブリ（１１０）に、冷却用空気（１７０）を提供して、該タービンシュラウドアセンブリの冷却を促進するためのタービンシュラウド冷却システム（１００）であって、
前記タービンシュラウドアセンブリ（１１０）が、
前縁（１３３）と、後縁（１３７）と、その間に規定される中央部とを有するシュラウド部分（１３０）と；
円周方向に広がって該シュラウド部分を支持しており、該前縁に連結される前方ハンガー（１５２）と、該中央部に連結される中央部ハンガー（１５４）と、該後縁に連結される後方ハンガー（１５６）とを含むシュラウドサポート（１４４）と；
２以下の位置制御リングを備える環状シュラウドリング構造（１５８）と
を含み、
前記２以下の位置制御リングは、前記中央部ハンガーに連結される中央部位置制御リング（１６２）と、前記後方ハンガーに連結される後方位置制御リング（１６４）とからなり、
前記タービンシュラウド冷却システム（１００）は、
前記タービンシュラウドアセンブリの上流に配置される高圧タービンノズルの外側バンド（１８３）と該シュラウドリング構造との間に少なくとも部分的に規定されるダクト（２０４）に冷却用空気を案内し、
該シュラウドサポートを通る冷却用空気を計量しながら該シュラウド部分と該シュラウドサポートとの間に規定される少なくとも１つの強制対流冷却帯（１７３）のみに直接供給して、シュラウド部分の冷却を促進するように構成された、
タービンシュラウド冷却システム（１００）。
さらに、冷却用空気（１７０）が該シュラウドサポート（１４４）と該シュラウドリング構造（１５８）との間かつ該中央部位置制御リング（１６２）と該後方位置制御リング（１６４）との間に規定される自然対流冷却帯（２１１）に入り込むのを防止するように構成された、請求項８に記載のタービンシュラウド冷却システム（１００）。
さらに、複数の第１の供給孔（１７４）を通る冷却用空気（１７０）の第１部分（１７１）を計量しながら該シュラウド部分（１３０）と該シュラウドサポート（１４４）との間かつ該前方ハンガー（１５２）と該中央部ハンガー（１５４）との間に規定される第１の強制対流冷却帯（１７３）に供給して、該タービンシュラウドアセンブリ（１１０）の高圧タービン部（１１２）におけるシュラウド部分の衝突冷却を促進するように構成された、請求項８に記載のタービンシュラウド冷却システム（１００）。