JP5072277B2 - 逆向きの流れ膜冷却壁 - Google Patents

Description

本発明は、全般にガスタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジン内のフィルム冷却される構成部品に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機内で加圧されかつ高温燃焼ガスを生成するために燃焼器内で燃料と混合される。エネルギーは、高圧タービン（ＨＰＴ）内のガスから抽出され、高圧タービンは、次に圧縮機をエネルギー供給する。さらなるエネルギーは、ターボファン航空機エンジン適用における上流側ファンをエネルギー供給するために、または船舶および工業適用に関する外部駆動シャフトをエネルギー供給するために低圧タービン（ＬＰＴ）において抽出される。

燃焼ガスは非常に高い温度を有するので、その上をガスが流れるほとんどのタービン構成部品は、一般に、圧縮機から抽気される空気の一部を使用して冷却される。これらの構成部品は、一般に、それらの有用寿命を最大化するために、高められた温度で強化された強度を有する最新技術の超合金金属で作られる。

これらの超合金構成部品は、一般に、そのために専用に作られた冷却構成を有し、冷却構成は、一般に、構成部品の内側を初期的に冷却する内部冷却回路を含み、フィルム冷却孔の列は、使用された冷却空気を排出するためのこれら構成部品の壁を通って延びる。フィルム冷却孔は、構成部品と外部燃焼ガスとの間に断熱空気層を提供するために構成部品の外部表面上を下流側に流れる、薄膜の状態で使用された冷却空気を最適に排出するために、浅い傾斜または約１５度のスロープ角度で傾斜される。

燃焼プロセスから逸らされる任意の空気は、エンジンの全体効率を低減するので、圧縮機からの抽気された空気の量は、エンジンの効率を最大化するために最小であるべきであるが、抽気冷却空気の十分な量は、それにもかかわらず、その適切に長い有用寿命を確実にするために様々なタービン構成部品を冷却し、かつ熱疲労によるその劣化を最小化するために必要である。

ガスタービンエンジン冷却構成における従来技術は、エンジンの特定の応用に対応して専用に作られたフィルム冷却孔およびそのパターンの無数の構成と置き換えられる。例えば、燃焼ガスは、エンジンの燃焼器内で生成され、エンジンの燃焼器は、一般に、線形冷却を生じさせるためにその内に様々なフィルム冷却孔を有する、径方向外側および内側燃焼器ライナによって画定される。

第１のステージのタービンノズルは、燃焼器の出口に配置され、径方向外側および内側支持バンド間に搭載された中空エーロフォイルベーンの列を含む。ベーンおよびバンドは、一般にその冷却のためのフィルム冷却孔の様々なパターンを含む。

タービンロータブレードの第１のステージ列は、第１のステージノズルの直後に続き、各ブレードは、支持ロータディスクの周辺に搭載された一体プラットフォームおよびダブテールで形成されたエーロフォイルを有する。エーロフォイルは、その間の燃焼ガスの漏れを最小にするために、周囲の環状タービンシュラウドに近く隣接して離間される径方向外側先端を含む。

ブレードエーロフォイルは、動作の間にロータブレードを冷却するためにその側壁を通るフィルム冷却孔のさらに他のパターンを含む。また、追加のタービンベーンおよびブレードステージは、燃焼ガスからエネルギーを抽出するためにタービンセクションで使用され、エネルギーが下流側方向にそこから抽出されるとき、燃焼ガスの温度における低減のために、フィルム冷却孔の一般的に異なるパターンで対応して冷却される。

タービンシュラウドは、高温燃焼ガスを境界付けるタービン構成部品の一例であり、高温燃焼ガスからの高い熱負荷から保護されなければならない。一般的なタービンシュラウドは、その裏側から延びる前部フックまたはレールと、後部で裏側から延びる軸方向に反対の後部レールまたはフックとを有する、アーチ形プレートまたは壁を含む。２つのフックは、エンジンの支持ケーシングに搭載されたハンガからタービンシュラウドを適切に懸架するために使用される。

タービンシュラウドの表側または径方向内側表面は、ブレード先端の列に面し、タービンブレード間で下流側に流れる燃焼ガスのための滑らかな外側境界を提供する。タービンシュラウドは、一般に、アーチ形セグメントで形成され、シュラウドセグメントの完全な列は、集合的に環状シュラウドを画定する。

タービンシュラウドは、様々な冷却構成とともに、様々な構成で従来技術において見出される。一実施形態において、シュラウドは、それを通って延びる任意のフィルム冷却孔なしに孔が形成されていないが、表側は、シュラウド自体の超合金金属とタービンブレード間を流れる高温燃焼ガスとの間のセラミック断熱バリアを提供する、従来の熱バリアコーティング被覆（ＴＢＣ）で被覆される。

しかしながら、ＴＢＣは、ガスタービンエンジンが、砂の多い環境で航空機が飛行するとき望ましくない腐食を受ける。そのような腐食は、シュラウドの有用寿命における低減をもたらす。

ＴＢＣ自体を排除することによって、ＴＢＣのこの腐食問題を排除することが望ましい。ＴＢＣを使用することなく、タービンシュラウドは、ＴＢＣ被覆されたシュラウドの対応する寿命に一致しかつ対応する寿命を超えるために、そのフィルム冷却を必要とするが、シュラウド冷却のための圧縮機から追加の空気を抽気する必要性のためにわずかな性能悪化を有する。

タービンシュラウドにおけるフィルム冷却孔の使用での１つの問題は、例えば、その特定の幾何形状および支持フックのために制限された表面積である。従来の設計において、冷却空気は、前部フックと後部フックとの間でタービンシュラウドの裏側に提供され、次に、シュラウド壁を通ってその表側へ延びる傾斜したフィルム冷却孔を通して流される。

前部および後部シュラウドフックは、互いから軸方向に離間され、フィルム冷却孔の入口が分配されることができるシュラウドの裏側で中央ポケットを画定する。裏側ポケットは、その間に、一般に、タービンシュラウドの周辺連続性を維持するためにスプライン封止が実装された、シュラウドセグメントの周辺を完成する対応する側方レールによっても境界付けられる。

冷却空気のための中央供給ポケットは、動作の間に高温燃焼ガスに完全に曝されるシュラウド表側の表面積より小さい対応する表面積を有する。フィルム冷却孔は、したがって、それから冷却空気が、シュラウドのより大きな表側に分配されるポケットのより小さな面積を収容するためのパターンおよび傾斜またはスロープに制限される。

典型的なフィルム冷却孔の最適性能は、約１５度から約２０度のスロープまたは傾斜角度で達成され、それに沿って放出された空気が、そこから下流側に膜の状態で流れる構成部品の外部表面との浅い放出角度を提供する。空気は、比較的高圧のジェットで各孔から放出され、浅い放出角度は、外部表面上に空気ジェットの剥離傾向を制限することが望ましい。フィルム空気は、フィルム冷却のおけるその効果を最大化するために、外側表面に取り付けられたままであるべきである。

フィルム冷却孔は、一般に、可能な場合にそれらの傾斜角度で列に配置される。しかしながら、タービンシュラウドの周辺近くで、周辺幾何形状は、一般にフィルム冷却孔のパターンの修正を必要とし、また、浅い最適値より実質的に大きく、およびしばしばシュラウド壁を通る実質的に垂直な傾斜角度を近づく傾斜角度を必要とする。

したがって、ガスタービンエンジン構成部品における最適ではない傾斜されたフィルム冷却孔の使用は、それからの冷却の効率を低減し、次に、特に上述されたタービンシュラウドなどの構成部品の望ましい有用寿命を達成するために、追加の冷却孔および圧縮機から抽気された追加の冷却空気を必要とする。
米国特許第３５８３８２４号公報 米国特許第４４９７６１０号公報 米国特許第４５７３８６７号公報 米国特許第５０６２７６８号公報 米国特許第５５８４６５１号公報 米国特許第５９９３１５０号公報 米国特許第６１５５７７８号公報 米国特許第６１９６７９２号公報 GE Aircraft Engines, "Turbine Shroud A," in public use or on sale in US for more than one year before August 2005 GE Aircraft Engines, "Turbine Shroud B," in public use or on sale in US for more than one year before August 2005

したがって、そのフィルム冷却を強化し、一方そのために必要な空気流の量を低減するために、その内のフィルム冷却の改善された構成を有するタービン壁を提供することが望ましい。

タービン壁は、反対面である裏側と表側とを含む。フィルム冷却孔は、壁を通して長手方向に傾斜する。隣り合う孔は、側方に離間され、逆向きの流れの状態でそれを通る冷却空気を流すために反対に傾斜される。

さらなる目的およびその利点とともに、好ましくかつ例示的な実施形態による本発明は、添付の図面ととともに行われる以下の詳細な記載でより詳細に記載される。

一般的な適用において飛行中の航空機にエネルギーを供給するように構成されたガスタービンエンジン１０の一部が、図１に概略的に示される。エンジンは、軸方向中央線軸１２の周りで軸対称であり、動作の間に空気１６を加圧するために有効な従来のマルチステージ軸方向圧縮機１４を含む。

加圧された空気は、動作の間にその出口から放出される高温燃焼ガス２０を生成するために、後部部分に示される環状燃焼器１８における燃料と混合される。

第１のステージのタービンノズルは、燃焼器の出口端部で径方向外側バンドと径方向内側バンドとの間で支持された、中空の第１のステージのノズルベーン２２の列を含む。ベーンは、エンジン中央軸１２に沿った長手方向の下流側で、そこから直接後部に配置された第１のステージのタービンロータブレード２４の列に、斜めに燃焼ガス２０を方向付けるように構成される。ノズルベーンおよびロータブレードの追加のステージは、従来構成の第１のステージのロータブレードに続く。

第１のステージのブレード２４は、支持ロータディスクの周辺の対応するスロット内に搭載された一体ダブテールを含み、ディスクは、次に、その内の圧縮機のいくつかの列にエネルギーを供給するための圧縮機１４のロータに結合される。

ベーン２２およびブレード２４の列は、第２のステージを含むことができるＨＰＴの第１のステージを画定し、一般に燃焼ガスからさらなるエネルギーを抽出するＬＰＴのいくつかのステージが続く。ＬＰＴのロータは、一般に、典型的な航空機エンジン適用におけるファン（図示せず）に結合され、または典型的な船舶および工業適用における外部駆動シャフト（図示せず）に結合されることができる。

背景技術の部分で上述されたように、燃焼ガス２０は、動作の間に極めて高温であり、したがって、動作の間に燃焼ガスが上を流れる様々な金属構成部品に高い熱負荷を与える。したがって燃焼ガスに曝される様々なタービン構成部品は、一般に、圧縮機から加圧された空気１６の一部を抽気することによって冷却され、したがってその空気は、燃焼器をバイパスし、かつエンジンの全体効率を低減する。

燃焼器１８、ノズルベーン２２、およびそれらの支持バンドのライナ、ならびにタービンブレード２４は、とりわけ冷却特徴タイプの従来のフィルム冷却孔を使用して加圧空気１６によって冷却されることができる典型的なタービン構成部品のいくつかの例である。

しかしながら、特に、以下に記載されるように改善されたフィルム冷却を享受することができるタービン構成部品の特定の形態は、第１のステージのタービンシュラウド２６である。タービンシュラウドは、図１の軸方向断面で示され、第１のステージのタービンブレード２４間で下流側に流れる、燃焼ガス２０のための環状外側境界を備える。

タービンシュラウド２６は、一般に、アーチ形セグメントの列で形成され、１つのアーチ形セグメントが、図３に部分的に示されるように互いに周辺で隣接する図２で分離して示され、従来のスプライン封止（図示せず）は、シュラウドセグメント間のスプリットライン接合部（図示せず）における対応するスロット内に搭載される。図４は、第１のステージのタービンロータブレード２４の径方向外側先端に近く隣接して配置されるタービンシュラウド２６を通る一般的な軸方向断面を示す。

図２に最初に示されるように、タービンシュラウド２６の各セグメントは、エンジンの中央線軸から適切な半径を有するアーチ形プレートまたは壁２８を含む。シュラウド壁２８は、径方向外側後表面または側３０と、その間に適切な厚みを有して、反対の（対向する）径方向内側前表面または表側３２を含む。

軸方向前部レールまたはフック３４は、その前縁のすぐ後部で裏側３０から延び、軸方向後部レールまたはフック３６は、その後縁の前方に離間する壁の長手方向または軸方向に反対側の端部に配置される。

中央ポケット３８は、対向するフック３４、３６によって軸方向に前部および後部で境界付けられ、さらに、一体側方レール４０によって周辺または側方で境界付けられる。反対側の側方レールは、端部スロットを含み。従来のスプライン封止（図示せず）は、図１に示されるようにタービンロータブレードの完全な列の周りでエンジンに組み立てられるとき、集合的なタービンシュラウドの周辺で隣接するセグメント間の接合部を封止するために搭載される。タービンシュラウド２６は、周囲ハンガ４２にその前部および後部フック３４、３６によって搭載され、周囲ハンガ４２は、次に、エンジンの環状ケーシングから懸架される。

図１および図２に示されるようにタービンシュラウド２６の基本構成は、従来のものであり、高温燃焼ガスが、第１のステージのタービンロータブレード２４間を軸方向に下流側に流れるときに、高温燃焼ガスのための外側流路または境界を画定する。タービンシュラウド２６は、ＨＰＴの厳しい環境で経験する高められた温度で強化された強度を有する、従来の超合金金属で形成されることができる。タービンシュラウド２６は、動作の間にその強化された冷却を提供するために以降に記載されるように修正される。

図３および図４に最初に示されるように、シュラウド壁２８は、タービンシュラウドの幅にわたって周辺にまたは側方に延びる複数の列に配置された、複数または多数のフィルム冷却孔１、２、３、４、５を含む。図４の断面図に示されるように、各フィルム冷却孔は、傾斜またはスロープ角度Ａで壁２８を通して長手方向に傾斜される。

スロープ角度は、下流側方向にそれに沿って断熱空気膜を生成するために、壁の前方側３２に沿って薄膜の状態で冷却空気１６を放出することができる、約１５度から約２０度の最適範囲で浅いことが好ましい。冷却空気１６は、圧縮機１４から抽気された加圧空気の一部であり、図１に示されるようにハンガ４２を最適に介して流され、かつタービンシュラウドの後方側でポケット３８内に最初に受けられる。

図４および図６に最初に示されるように、フィルム冷却孔１から５の各５つの列は、ポケット３８内部の壁の裏側３０に配置された対応する入口４４を含む。各５つの列は、また、壁の表側３２に配置された対応する出口４６を含む。個別の孔自体は、従来のものであり、円筒状でありかつ従来の慣例のレーザ穿孔によって適切に形成されることができる。

フィルム冷却孔は、浅いスロープ角度で傾斜されているので、それぞれ入口４４および出口４６は、壁の反対側３０、３２で卵型または楕円の周辺を形成する。各フィルム冷却孔１から５は、したがって別個で独立した孔であり、この孔は、ポケット３８から冷却空気１６を受け、かつタービンブレード間を流れる高温燃焼ガスに直接曝される壁の表側３２に沿って、浅い放出角度で対応するジェットにその空気を放出する。

フィルム冷却孔の様々な出口４６は、タービンシュラウドの幅を横切って周辺または側方に延びる５つの列で図５に示され、出口および列は、長手方向ピッチまたは間隔Ｂで燃焼ガス２０の下流側の流れ方向に沿って軸方向に適切に離間され、長手方向ピッチまたは間隔Ｂは、出口孔のパターンの冷却効率を最大化するために所望なように列毎に異なる。また、各５つの列における出口４６は、冷却効率を最大化するために同様に選択された周辺または側方ピッチまたは間隔Ｃを有する。

背景技術の部分で上述されたように、フィルム冷却孔は、極めて従来のものであり、高温燃焼ガスからの熱負荷に対するフィルム冷却を必要とする特定のタービンエンジン構成部品に一般的に専用に作られた、様々な構成、様々な方向、および様々なパターンで見出される。

しかしながら従来のフィルム冷却孔は、一般に、均一な列に配置され、その隣り合う列は、一方向のパターンに配置された同様に傾斜したフィルム冷却孔を有する。隣接する列は、したがって互いに交差するフィルム冷却孔なしに、必要な場合に高い密度でともに近く詰められることができ、またはともに非常に近く詰められることができ、金属基板自体の機械強度を低減する。

図２に示されるタービンシュラウドの例において、前部フック３４および後部フック３６ならびに側方レール４０は、裏側３０の表面積の実質的な部分を占め、その壁を通る適切なフィルム冷却孔を導入する能力を制限する。ポケット３８の周囲は、その内の入口を配置することによってフィルム冷却孔の位置を制限し、一般に、その配置のために１５度から２０度の最適な浅い範囲を実質的に超えるように、フィルム冷却孔の傾斜角度を必要とする。

タービンに垂直に近づく傾斜角度は、表側３２の周辺近くに冷却空気を効果的に排出するために、中央ポケット３８の境界近くに配置されるフィルム冷却孔を必要とすることがある。そのような斜めのフィルム冷却孔は、低減された効率を生じ、タービンシュラウドの所望の長い有用寿命を達成するために、そのようなより多くの斜めの孔および圧縮機から抽気されたより多くの冷却空気の使用を対応して必要とする。

図４および図５に示されるように、５つの列におけるフィルム冷却孔１から５は、各列における適切な側方間隔Ｃで側方に離間され、列毎の孔は、適切に側方に離間され、または側方方向に沿って列を互い違いに互いからずらされる（オフセットされる）。したがって、長手方向に隣接する列は、次に、逆向きの流れの状態でそれを通る冷却空気１６を流すために、それぞれ対向する後部方向および前部方向に傾斜されることができる。

例えば、図４および図７に示される壁２８を通る多数のフィルム冷却孔１から５を分配する方法において、後部の３つのフィルム冷却孔３、４、５の列などの複数の列は、壁を通って長手方向および側方に分配され、かつ第１または後部方向にそれを通って長手方向に傾斜され、壁の表側３２でその出口４６の対応するパターンを生じ、次に、個別の孔からの対応する空気ジェットの集合的な放出によって、表側のフィルム冷却を生じる。

対応して、フィルム冷却孔１、２の２つの前部列などのさらなる列は、壁２８を通して長手方向にかつ側方に分配されることができ、後部列の第１の方向とは反対の第２のまたは前部方向にそれを通って長手方向に傾斜される。前部で傾斜された孔１、２は、図５に最も良く示されるように、後部傾斜孔３、４、５からずらされまたは側方に互い違いにされる。

図５において、出口４６は、シュラウドの曝された表側３２上の実線で示される。フィルム冷却孔の５つの列の対応する入口４４は、シュラウドの反対の隠された裏側３０上の破線で示される。また、個別のフィルム冷却孔の長手方向の中央線軸は、想像線で示され、矢印は、それを通って排出されるフィルム冷却空気の対応する前部および後部方向を示す。

フィルム冷却の逆向きの流れは、有利なように孔間の側方にずれまたは互い違いを使用することができる、好ましくは隣接する列または一対の列でフィルム冷却孔の隣接する対において所望なときに局所的に生じることができる。

図３および図４に示されるように、５つの列の孔１から５の全ての入口４４は、壁２８の裏側３０の共通ポケット３８の内側で側方におよび長手方向に離間される。各フィルム冷却孔１から５は、単一の入口４４に対応する単一の出口４６を有し、出口４６は、また、複数の各フィルム冷却孔から別個のジェットを放出するために、対応する異なる二次元（２Ｄ）パターンの状態で、壁２８の反対の表側３２に側方および長手方向に離間される。

図４に示されるように、長手方向に隣接する列のフィルム冷却孔は、側方に離間された空気の別個のジェットにおける長手方向の逆向きの流れの状態で冷却空気１６を流すために、それぞれ入口４４と出口４６との間で反対に傾斜される。この逆向き流れの構成において、側方に隣接するフィルム冷却孔は、互いに交差することなく、長手方向にオーバークロスし（上を横切り）、または少なくとも部分的に互いに重なり合う。

例えば図４および図５は、第１の列の孔１が、後部方向に傾斜した第３の列の孔３と逆向き流れの状態で前部へ傾斜されることを示す。第３の列の孔３は、また第２の列の孔２と逆向き流れの状態で配置され、第２の列の孔２は、また第１の列の前部方向に傾斜する。

また、第２の列の孔２は、また図４の種類ではなく図６の種類の第４の列の孔４と逆向き流れの状態に配置される。第５の列の孔５は、第４の列の孔４と平行に追加のフィルム冷却を提供し、両方の列は、後部方向に傾斜される。

長手方向および側方に隣り合うフィルム冷却孔の逆向き流れ組合せの利点は、図４で理解されることができる。第１の２つの列の孔１、２が、第３および第４の列と逆向き流れの状態ではないなら、それらは、空間が許容する場合に、前部フックにより近くそれらから長手方向または軸方向に離間されるべきであり、または代わりに、それらの傾斜方向は、空間が前部フックに近いことが許容される場合、また再び後部の３つの列の傾斜の後部方向に平行に一致するように反転されるべきである。

しかしながら、前部フックは、従来のフィルム冷却孔の導入のための実質的な障害を呈する。孔出口の所望の位置は、燃焼ガスからの特定の熱負荷によって決定され、特定の熱負荷は、次にそれらから傾斜された対応する入口の位置を決定する。

フィルム冷却孔は、熱負荷を一致させるために、かつタービン壁自体の構造完全性を維持するために、軸方向かつ周辺の両方に分配されるべきである。従来のフィルム冷却孔の最適な浅い傾斜角度は、次に、それらの入口がこの例における前部フックを妨げさせることができる。

後部孔に対して反対に図４の前部孔を傾斜することによって、ポケット３８内の制限された表面積は、前壁３２にわたって制限された冷却空気を分配するために有利に使用されることができ、一方、ほとんどの場合において、ポケット３８全体に分配されたフィルム冷却孔の全てではないにしてもほとんどの浅い傾斜角度を維持する。

図４および図６に示されるフィルム冷却孔の反対に傾斜された列の新規な構成は、その近くに隣接する列のフィルム冷却孔の任意の隣接する対間で反対方向の逆向きの流れを許容する。例えば、第１の４つの列におけるフィルム冷却孔１から４は、対において反対に長手方向に傾斜することができ、傾斜した孔が、初期に裏側３０から反対の表側３２に向かう長手方向に収束する。この例において、第１の孔１および第３の孔３は、初期に、それらが裏側３０から下方に延びるのでともに収束する。

隣接するフィルム冷却孔は、表側３２に向かって長手方向で離れて発散するように反対に傾斜されることもできる。図４において、第１の孔１および第３の孔３、ならびに第２の孔２および第３の孔３、第２の孔２および第４の孔４は、このように発散する。

図４に示される例示的な実施形態において、隣接するフィルム冷却孔は、両方とも裏側３０からともに収束し、かつ表側３２に向かって離れて発散することができ、一方、交差することなく長手方向に上を横切る（オーバークロスする）または横切る程度を増大する。逆向き流れのフィルム冷却孔のこの上を横切ることは、裏側３０近くで横切る第１の孔１および第３の孔３によって、ならびに壁厚みの中間近くで横切る第２の孔２および第３の孔３によって表される。

隣接するフィルム冷却孔の長手方向位置に応じて、横切る量は、その対応する入口と出口との間で小さな量から大きな量まで変化することができる。例えば、対応する入口４４は、最小の長手方向で上を横切ってまたは重なって（図示せず）側方に整列されることができる。または、入口は、孔対１、３、孔対２、３．および孔対２、４に関して図６に示されるように、異なる範囲で互いから長手方向にずらされることができる。したがって、逆向き流れのフィルム冷却孔のそれぞれの出口４６は、図４および図６に示されるように、その入口から前部および後部でずらされることができ、または示されていない他の実施形態において、最小の上を横切ってまたは重なって側方に整列されることできる。

図５は、燃焼ガスが、ノズルベーンから第１のステージのタービンブレードに向かって排出される時の、燃焼ガス２０の主な斜め傾斜を示す。フィルム冷却孔１から５は、側方または周辺方向において傾斜またはスキュー角度Ｄで、シュラウドの軸方向軸または中央線軸に対して好ましくは逸らされる。このように、個別のフィルム冷却孔の入口４４は、５つの各列で同様な方法で、好ましくはいくつかの列間で必要なように変更するスキュー角度（逸らし角度）で、側方にずらされまたはそれぞれの出口４６から互い違いにされる。

図５に示される例示的なフィルム冷却孔１から５は、それらの長手方向または中央線軸の沿った断面で円筒形状であり、結果として図５に示される卵形出口４６は、それらに対して放出されたフィルム冷却空気を広げるために、燃焼ガス２０の入射角度に対して実質的に垂直に配置された主軸を有する。

図５に示される斜めのスキュー角度Ｄは、個々のフィルム冷却孔の長手方向長さＬが、浅いスロープ角度Ａを達成するときに実際の場合に、ならびに、それらの間に適切な間隔を維持しながら、様々な逆向き流れおよび交差することなく隣接するフィルム冷却孔の上を横切る種類を生じるために、増大されることも許容する。

逆向き流れ冷却孔が、浅い傾斜角度を有しているので、それらは、有効にその対応する出口から強化されたフィルム冷却を提供する。さらに、逆向き流れ孔の様々な上を横切る種類において、壁自体の追加の内部の対流冷却は、上を横切る孔の中間領域内で得られることができる。

図５に示される例示的な実施形態において、フィルム冷却孔１から５のいくつかの列のいくつかの出口４６は、壁の表側３２全体に関して２次元出口パターンで、それらの間に対応するピッチまたは間隔Ｂ、Ｃで長手方向および側方に集合的に分配される。この出口パターンは、後部の３つの孔３から５の列のための出口によって識別される高密度グルーピングまたは領域と、前部の２つのフィルム冷却孔１、２の列のための出口によって識別される比較的低密度グルーピングまたは領域とを含む。

図４に示されるような出口４６の高密度領域は、タービンブレード２４の後部端部に対応し、シュラウド後部端部は、燃焼ガスからの比較的高い熱負荷を受ける。したがって高密度領域は、シュラウド後部端部に局所的に強化されたフィルム冷却を提供する。

したがって、孔１、２の低密度領域は、タービンブレードの前部端部近くの上流側に配置され、シュラウド前部端部は、この領域における比較的低い熱負荷をよりわずかに冷却することを必要とする。

図４および図５に示されるように、高および低密度領域は、逆向き流れの状態でその長手方向の反対傾斜によって、長手方向に隣接する列のフィルム冷却孔により橋渡しされる。例えば、孔２は、逆向き流れの状態で孔１および３の上を横切る（オーバークロスする）。また孔１は、さらなる逆向き流れの状態で孔３の上を横切る。これらの第１の３つの上を横切る孔１から３の列は、それによって、ポケット３８の制限された領域内でともに並んで密に詰められ、全て約１５度まで低下するその最適な浅い傾斜角度を享受することができる。

図４および図５に示される種類において、出口４６の高密度領域は、出口４６の低密度領域から長手方向後部または下流側に配置される。この構成は、特に軍用航空機エンジンの強化された性能を提供する。

代わりに、出口の高密度領域は、タービンロータブレードの前部および後部端部にそれぞれ対応する、低密度領域の長手方向前部に配置されることができる。この構図（図示しない）は、商業用航空機エンジンの強化された性能を提供することができる。

図３および図４に示されるように、フィルム冷却孔１から５のいくつかの列のいくつかの入口４４は、図５に示される出口４６のパターンより小さな表面積で、ポケット３８内側の壁の裏側３０にわたって入口パターンの状態で、長手方向および側方に集合的に分配される。タービンシュラウドの表側３２全体は、動作の間に高温燃焼ガスに曝される。しかしながら、前部および後部フックならびに側方レールは、ポケット３８を境界付け、冷却空気を前方側部領域より対応して少なく受けるためにポケットの利用可能な面積を制限する。

出口４６のパターンは、その有効な冷却を提供するために、シュラウド前方側部上のより大きな表面積にわたって分配されることができ、対応するフィルム冷却孔は、対応する入口４４がより小さな表面積にわたって配置される中央供給ポケット３８から共通に供給される。

孔の完全なパターン内の反対の傾斜された逆向き流れのフィルム冷却孔を含む能力は、その最適値でまたはその最適値近くで、必ずしも全てではないフィルム冷却孔のほとんどの傾斜角度を維持するために、ポケット３８によって提供される制限された面積内でそのパターンが追加で専用に作られることを許容する。

図４に示される例示的な実施形態において、出口４６のパターンは、裏側３０と表側３２との間で傾斜された長手方向後部に３つのフィルム冷却孔３、４、５の列を含み、その対応する入口は、出口の前部に配置される。このように、孔３から５は、高い熱負荷の所望の領域においてその出口を配置するために後部に傾斜し、少なくとも２つの孔４、５の列は、後部フック３６の下を延びる。

対応して、フィルム冷却孔１、２の２つの列は、この実施形態において、壁の裏側と表側との間の長手方向前部で傾斜され、対応する入口は、出口の後部に配置される。これらの前方に傾斜した孔は、低い熱負荷領域内に出口を配置し、フィルム冷却が後部で連続しかつ後部の傾斜されたフィルム冷却孔によって再びエネルギーが供給される表側のフィルム冷却を開始する。

図５に関して上述されたように、燃焼ガス２０は、それらがタービンシュラウドの下を通過するとき、下流側方向で斜めに流れる。フィルム冷却孔のいくつかの列は、したがって卵形出口を提供するように長手方向または軸方向から逸らされ、卵形出口の主軸は、フィルム冷却効果を改善するために流れのストリームラインに対して斜めにまたは垂直である。

前部および後部の傾斜孔１から４の様々な列は、少なくとも部分的に長手方向に互いに上を横切り、個別のフィルム冷却孔間の交差を妨げるために側方にスキュー角度Ｄで変化し、それらの間の流体連通を避ける。図５は、その５つの例示的な列における対応するフィルム冷却孔の長手方向の様々なスキュー角度Ｄを示す。後部の３つの孔３から５の列における高密度出口４６は、長手方向と側方の両方である比較的近いピッチ間隔Ｂ、Ｃを有する。これらの孔は、比較的大きなスキュー角度Ｄも有する。

したがって前部の２つの孔１、２の列の低密度出口４６は、対応してより小さなスキュー角度Ｄとともに、長手方向と側方の両方であるより大きなピッチ間隔Ｂ、Ｃを有する。

図７は、前部の２つの孔１、２の列の低密度出口４６と、後部の３つの孔３、４、５の列の高密度出口４６とを含む、図５に示される例示的なタービンシュラウドの一部を示す。図７は、また、その逆向き流れ構成におけるそれらの制限された数の孔の効率を最大化するために、タービンシュラウドの壁２８を通る複数のフィルム冷却孔１から５を分配する好ましい方法を要約するフローチャートを含む。

フィルム冷却孔３、４、５の高密度列は、好ましくはその後部部分などタービンシュラウドの所望の位置に最初に導入される。次に、低密度のフィルム冷却孔１、２の追加の前部列は、高密度孔を用いて逆向き流れの状態でタービンシュラウドの前部部分を通して分配される。高密度孔は、第１または後部方向に壁を通して傾斜され、低密度孔は、反対または前部の第２の方向に壁を通して傾斜される。

逆向き流れは、その交差を妨げ、一方、反対に傾斜された孔が少なくとも部分的に上を横切ることを確実にするために、互いから前部および後部で傾斜された孔を側方にずらすまたは互い違いにすることによって生じる。反対に傾斜された孔の長手方向に隣接する孔におけるいくつかまたは全てのフィルム冷却孔は、空気供給ポケット３８によって提供される制限された表面積内のその所望の最適な浅い傾斜を生じるために、様々な量で長手方向にずらしまたは上を横切ることができる。

高密度孔３から５は、図５に示されるようにシュラウドの表側３２に出口４６の実質的に均一なパターンを生じるように、例えば図６に示されるように対応する浅いスロープ角度Ａで最初に導入される。低密度孔１、２は、次に、高密度孔を補足するために対応する浅いスロープ角度Ａで壁を通って分配されることができる。

低密度孔１、２のスキュー角度Ｄは、次に、反対に傾斜された高密度孔で低密度孔の交差を妨げるために必要なように変更されることができる。

高密度孔３から５の長手方向および側方間隔Ｂ、Ｃは、好ましくは均一であるので、低密度孔１、２の長手方向および側方間隔Ｂ、Ｃは、反対に傾斜された逆向き流れ孔間の交差を妨げるために、そのスキュー角度Ｄの変更とともに変更されることができる。

さらに、様々なフィルム冷却孔の長さＬは、また、逆向き流れ孔の交差を妨げることを支援するために変更されることもできる。

図５は、例示的な実施形態におけるフィルム冷却孔１から５の５つの列の完全なパターンを示し、この実施形態において、様々な孔の長手方向および側方間隔Ｂ、Ｃ、ならびにスキュー角度Ｄ、ならびに長さＬは、シュラウドの後部端部でより大きな熱負荷に関して特に専用に作られた好ましいパターンの状態で、逆向き流れのフィルム冷却孔を導入するために選択される。

図４は、第１の孔１が、それらの入口の近くで第３の孔３と交差流の状態で配置されるシュラウドの代表的な断面を示す。第２の孔２も、それらの中間近くで第３の孔３と交差流の状態で配置される。また、第２の孔２および第４の孔４は、交差流ではなく逆向き流れの状態で配置される。なぜなら、それらは、全体で互いから長手方向に離間されるからである。

しかしながら、図６は、第４の孔４の１つが、第２の孔２の１つと交差流の状態で上を横切ることを除いて、図４の断面に全体的に一致する図５に示されるように側方レールの一方近くのタービンシュラウドの他の断面を示す。

図５に示されるフィルム冷却孔の様々な列は、シュラウドの長手方向または軸方向軸に対して斜めである対応するスキュー角度Ｄを有するので、フィルム冷却孔を局所的に専用に作ることは、側方レールの近く、および特に後部フックの近くである必要がある。図５に示される第４の孔４の列は、全体的に均一であるが、その大きなスキュー角度Ｄの観点で、不十分な空間が、残りの孔４と実質的に同じ方向で最も左側の孔４を導入するために、シュラウドの左側に存在する。

したがって、最も左側の孔４の局所的な位置は、第４の孔４の残りから変わり、その出口４６は、第４の列における残りの出口と整列され、最も左側の第４の孔４の入口は、シュラウドにおける側方レールおよび他のフィルム冷却孔と干渉することを妨げるように適切に配置される。

フィルム冷却孔１から５は、約１５度の最適な浅い傾斜角度で傾斜されるべきであるので、その傾斜角度は、隣接するフィルム冷却孔間の交差を妨げるために、必要なように最後に変更されることができる。フィルム冷却孔の傾斜角度Ａを増大することは、図２および図５で示される反対の側方レールの近く、およびこれらの構成部品が、フィルム冷却孔の最適配置と干渉する前部および後部フックの近くで必要であり得る。

上述のように、タービンシュラウドにおける典型的なフィルム冷却孔の使用は、従来のものであり、そのパターンは、そこからの障害の観点で、前部および後部フックならびに側方レールに近くで必要なように修正されなければならない。各設計は、シュラウドによって経験される特定の熱負荷に関して、およびその特定の幾何形状に関して専用で作られる必要がある。

フィルム冷却孔の様々な形態および構成は、他の従来の慣例において上述のタービンシュラウドで使用されることができる。しかしながら、上述のような逆向き流れのフィルム冷却孔およびそれらの上で横切るまたは交差流の利点の導入の能力は、タービンシュラウドの冷却性能をさらに専用に作ることを許容する。

上述のタービンシュラウドは、他では従来の構成であり、特定のエンジン適用に関して、必要なように逆向き流れのフィルム冷却孔の導入に関してさらに修正されることができる。上述された例示的なタービンシュラウドは、単にＴＢＣによって保護された以前の孔が無いタービンシュラウドに関する改造として使用されることができる。代わりに、上述のタービンシュラウドは、任意のＴＢＣのダブテールであり、それを通るフィルム冷却孔を提供する有効コストで、動作においてシュラウドの所望の長い寿命を達成するためにその内の逆向き流れ孔を含むフィルム冷却孔の特定のパターンによる。

逆向き流れのフィルム冷却孔の導入は、上述のタービンシュラウド構成部品に制限されない。例えば、図７におけるフローチャートは、逆向き流れのフィルム冷却孔が、単一方向のフィルム冷却孔によって他の方法で冷却される、ガスタービンエンジン内の任意のタービン構成部品または部品４８で使用されることもできる。様々なタービン部品の幾何形状が、最適に傾斜されたフィルム冷却孔の導入を妨げる場合、上述された逆向き流れ孔が、実施の場合に導入されることができる。

そのような追加のタービン部品の例は、上述され、タービンベーンおよびブレードのエーロフォイル、および燃焼器ライナ自体を含む。

様々なタービン構成部品における逆向き流れのフィルム冷却孔の導入は、より多くのフィルム冷却孔が、約１５度の最適な浅いブレークアウト角度で穿孔されることを可能にし、それによって、幾何形状制約のためのより大きなブレークアウト角度を有する従来の孔の数を低減する。最適傾斜角度は、対応して各孔からの膜適用範囲を増大し、次に、圧縮機からのより多くの充填可能な冷却流れを必要とするより大きな傾斜角度で、追加の最適ではないフィルム孔の必要性を低減する。

上述の様々なフィルム冷却孔は、その入口と出口との間の比較的一定の流れ面積を有するそれらの簡単な円筒形構成で示される。代わりの実施形態において、冷却空気を拡散するために、かつ対応してその速度を低減するために、それらの入口と出口との間の流れ面積を増大するより複雑な拡散フィルム冷却孔などのフィルム冷却孔の他の形態が、使用されることもできる。

上述の上で横切るフィルム冷却孔の追加の利点は、横切る領域内のタービン壁自体の内部対流冷却で局所的に増大することである。それにもかかわらず、十分な材料が、それらの間に流体連通を妨げ、一方、その内の望ましくない大きな応力なしに壁の構造完全性も維持して、隣接する孔間に存在する。

本発明の好ましい例示的な実施形態であると考えられるものが、本明細書で記載されたが、本発明の他の修正は、本明細書の教示から当業者には明らかであり、したがって、本発明の真の精神および範囲内に入るとして、そのような全ての修正を添付の特許請求の範囲内で確保されることが望ましい。

したがって、本願による保護を望む発明は、特許請求の範囲で規定されかつ区別される発明である。

航空機ガスタービンエンジンの一部の軸方向断面図である。 図１に示される第１のステージタービンシュラウドの例示的部分の頂部または裏側の等角図である。 図１に示され全体的に線３−３に沿って取られた、集合的な環状シュラウドに配置される図２に示されるタービンシュラウドのアーチ形部分の扁平な図である。 図３に示されかつ第１のステージのタービンロータブレードの先端上の位置で線４−４に沿って取られた、タービンシュラウドを通る立面断面図である。 図２に示されかつ線５−５に沿って取られた、タービンシュラウドの底部または下面図である。 図５に示されかつジョグ線６−６に沿って取られた、タービンシュラウドの図４に類似する軸方向断面図である。 その内のフィルム冷却孔を分配する方法のフローチャートとともに、図５に示されるタービンシュラウドの表側部分の平面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 軸方向中央線軸
１４ マルチステージ軸方向圧縮機
１６ 空気
１８ 環状燃焼器
２０ 燃焼ガス
２２ 第１のステージのノズルベーン
２４ 第１のステージのタービンロータブレード
２６ タービンシュラウド
２８ シュラウド壁
３０ 径方向外側後表面または側
３２ 径方向内側前表面または側
３４ 軸方向前方レールまたはフック
３６ 軸方向後部レールまたはフック
３８ 中央ポケット
４０ 一体側方レール
４２ 周囲ハンガ
４４ 入口
４６ 出口

Claims (6)

1. タービンシュラウド（２６）であって、
   対向する裏側および表側（３０、３２）、並びに前記裏側（３０）の対向する端部から延びる前部および後部フック（３４、３６）を有するアーチ形の壁（２８）と、
   前記壁（２８）を通って長手方向に傾斜する複数の列のフィルム冷却孔（１〜５）と、
   前記フック（３４、３６）によって前部および後部が境界付けられ、かつ側方レール（４０）によって側方が境界付けられるポケット（３８）と、
   を有し、
   前記複数の列のフィルム冷却孔（１〜５）は、それを通る冷却空気（１６）を逆向きの流れで通すために、前部方向および反対の後部方向に傾斜し、隣り合う列をオーバークロスしている複数の列のフィルム冷却孔を含み、
   各前記孔（１〜５）は、前記ポケット（３８）の内側の前記裏側（３０）に入口（４４）を有し且つ前記表側（３２）に出口（４６）を有し、
   前記入口（４４）は、前記ポケット（３８）の内側で側方にかつ長手方向に離間され、前記出口（４６）は、異なるパターンで前記表側（３２）に側方にかつ長手方向に離間され、
   前記後部および前部の傾斜された孔（１〜５）は、周方向に垂直な断面において、前記裏側（３０）から互いに収束する孔の対（１及び２、３及び４）を複数有する
   ことを特徴とする、タービンシュラウド。
2. 前記後部および前部の傾斜された孔（１〜５）の前記複数の対（１及び２、３及び４）のうち１つの対の少なくとも１つの孔（１又は２）は他の対の１つの孔（３又は４）に対して、周方向に垂直な断面において、前記裏側（３０）から初期に収束した後、さらに前記表側（３２）に向かって離れて発散する請求項１記載のタービンシュラウド。
3. 前記フィルム冷却孔（１〜５）は、側方に逸らされ、その前記入口（４４）は、それぞれの出口（４６）から側方にオフセットされる請求項１記載のタービンシュラウド。
4. 前記フィルム冷却孔（１〜５）の前記出口（４６）は、高密度領域および比較的低密度領域を含む前記表側（３２）にわたるパターンで長手方向および側方に分配され、
   前記後部および前部方向孔（１〜３）は、前記高密度領域と前記低密度領域との間の逆向きの流れで反対に傾斜される請求項１記載のタービンシュラウド。
5. 前記出口（４６）の前記高密度領域は、前記出口（４６）の前記低密度領域の長手方向後部に配置される請求項４記載のタービンシュラウド。
6. 前記出口（４６）のパターンは、前記ポケット（３８）内側の前記入口（４４）のパターンより大きな表面積で、前記表側（３２）にわたって側方におよび長手方向に分配される請求項１記載のタービンシュラウド。
   

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