JP5080159B2 - シュラウドハンガ組立体及びガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジンとともに用いられるシュラウドハンガ組立体に関する。

少なくとも一部の周知のガスタービンエンジンは、ファン組立体とコアエンジンと出力タービンとを含む。コアエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する少なくとも１個の圧縮機を含み、この圧縮機において、前記空気は、燃料と混合され、かつ点火されて、高温燃焼ガスが生じしめられる。これらの燃焼ガスは、該燃焼ガスからエネルギーを取り出して前記圧縮機と航空機とに動力を供給する１個以上のタービンを介して導かれる。特に、周知のタービンは、燃焼ガスを、エンジンの中心軸のまわりにおいて回転する回転翼円板から半径方向外方に延在する複数個の周方向に離間するタービン翼の方へと導くタービンノズルを含む。

周知のタービンは、さらにまた、前記タービンノズルの下流に結合されるシュラウド組立体を含む。このシュラウド組立体は、タービンロータを取り巻くとともに、タービンを介して流れる燃焼ガスの外側境界を限定する。少なくとも一部の周知のシュラウド組立体は、エンジンの外側ケーシングに結合されて、タービン翼の先端部に隣接して、かつ前記先端部の半径方向外方に配置される複数個のシュラウドに対する支持体となるシュラウドハンガを含む。少なくとも一部の周知のシュラウドハンガ部材は、シュラウドハンガの一部分を貫通して延在して冷却空気がシュラウドの方へと導かれることを可能にする冷却路を含む。
米国特許第５，１６９，２８７号公報 米国特許第４，５７３，８６５号公報

ガスタービンエンジンの運転時において、時折、ちりが圧縮機から下流方向に移動するとともに、高圧タービンの一部分を閉塞させうる。時には、このちりは、シュラウドハンガ内に形成される少なくとも１個の冷却路の一部分を閉塞させうる。冷却路が閉塞すると、対応するシュラウドへの冷却空気の流量が有意に低下し得、その結果として高度のシュラウド障害が引き起こされうる。やがて、高度のシュラウド障害を有したまま運転を続けると、その結果として、シュラウドの耐用寿命の短縮、タービンの運転性能に対する悪影響および／またはエンジンの保守サイクル時間の短縮が引き起こされうる。

ひとつの態様において、シュラウドハンガ組立体を提供する。このシュラウドハンガ組立体は、シュラウドハンガと、前記シュラウドハンガに結合される、インピンジメントバッフルとを含む。このシュラウドハンガは、キャビティと、該キャビティ内に形成される複数個の冷却路とを含む。各冷却路は、シュラウドハンガの上流側面から該シュラウドハンガを貫通して延在して、冷却空気を前記インピンジメントバッフルの方へと導く。少なくとも２個の冷却路は、前記キャビティにより互いに連通状態に結合される。

さらに他の態様において、ガスタービンエンジンを提供する。このガスタービンエンジンは、圧縮機と、前記圧縮機の下流に結合されるタービン組立体とを含む。このタービン組立体は、前記エンジンを少なくとも部分的に取り巻くシュラウドハンガ組立体を含む。このシュラウドハンガ組立体は、シュラウドハンガと、前記シュラウドハンガに結合される、インピンジメントバッフルとを含む。前記シュラウドハンガは、キャビティと、該キャビティ内に形成される複数個の冷却路とを含む。各冷却路は、シュラウドハンガの上流側面から該シュラウドハンガを貫通して延在して、冷却空気を前記インピンジメントバッフルの方へと導く。少なくとも２個の冷却路は、前記キャビティにより互いに連通状態に結合される。

またここでは、ガスタービンエンジンの運転方法を開示する。この方法は、冷却空気をシュラウドハンガ組立体の方へと導いて、前記冷却空気がシュラウドハンガ組立体内に形成されるキャビティを介して流れるようにする段階と、前記キャビティから延在する複数個の冷却路を介して前記冷却空気を誘導する段階と、前記空気を前記複数個の冷却路からインピンジメントバッフルの方へと排出して、シュラウドハンガから吊設されるシュラウドを冷却しやすくする段階とを含む。

図１は、ひとつの例証的な実施例において、ファン組立体１２と高圧圧縮機１４と燃焼器１６とを含むガスタービンエンジン１０の略図である。エンジン１０は、さらにまた、高圧タービン１８と低圧タービン２０とを含む。エンジン１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。ひとつの実施例において、エンジン１０は、オハイオ州シンシナティのゼネラルエレクトリック社（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能なＧＥ９０である。ファン組立体１２と低圧タービン２０とは、第１のロータ軸３１により結合され、圧縮機１４と高圧タービン１８とは、第２のロータ軸３２により結合される。

運転時において、空気は、軸方向にファン組立体１２を通って、エンジン１０を介して延在する中心軸３４に対して実質的に平行をなす方向に流れ、圧縮空気が高圧圧縮機１４に供給される。この高圧縮空気は、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの燃焼ガス流は、タービン１８および２０を駆動する。タービン１８は、軸３２により圧縮機１４を回転させ、タービン２０は、軸３１によりファン組立体１２を駆動する。

図２は、エンジン１０（図１に図示）等のガスタービンエンジンとともに用いられうる燃焼器１６の断面図である。燃焼器１６は、燃焼ケース２１０を貫通して内方に延在する燃料ノズル２０８を介して自身内に燃料を噴射される環状燃焼室２０６を形成する外側ライナ２０２と内側ライナ２０４とを含む。燃焼器１６は、圧縮機１４から、燃焼室の外側ライナ２０２と燃焼ケース２１０との間に形成される環状通路２１２内へと排出される空気流により部分的に冷却される。同様に、燃焼器１６の内側において、環状チャンバ２１４が、内側ライナ２０４とノズル支持構造２１６との間に形成されて、燃焼器１６の冷却を容易にする。燃焼器１６から排出される燃焼ガスは、燃焼室２０６から列状の周方向に離間するタービンノズル部分２１８を介して導かれた後に、周方向に離間する列状のタービン翼２２０に衝突する。環状シュラウド２２４は、周方向に翼２２０のまわりにおいて延在する。シュラウド２２４は、互いに結合される複数個の弓形部分により製作されうる。シュラウド２２４の構造的支持は、Ｕ形ブラケット２３０によりシュラウド２２４に結合される半径方向内方に延在するフック２２８を含むシュラウドハンガ２２６の下流側端部によって果たされる。シュラウド２２４の上流側端部２３１の前端部は、後方に延在するカラー２３２によりシュラウドハンガ２２６に結合される。

カラー２３２の上流側面２３４は、それぞれのタービンノズル部分２１８の半径方向外方群２３８の下流側面２３６に当接して結合される。上流側面２３４と下流側面２３６との間における接触は、圧縮機１４から排出される冷却空気と燃焼器１６から排出される燃焼ガスとの間における流通を実質的に防止する。圧縮機１４から排出される冷却空気と燃焼器１６から排出される燃焼ガスとの間における温度差は、カラー２３２とタービンノズル部分２１８との間における熱膨張差を引き起こし得、その結果として上流側面２３４と下流側面２３６との間において相対移動と応力とが引き起こされうる。

図３は、シュラウドハンガ２２６の斜視図である。図４は、ちりよけ３０１を含むシュラウドハンガ２２６の斜視図である。図５は、図４に示される線５−５におけるシュラウドハンガ２２６の断面図である。図６は、図４に示される線６−６におけるシュラウドハンガ２２６の断面図である。

図３に示されるように、シュラウドハンガ２２６の上流側面２３４は、シュラウドハンガ２２６の上流側３００を横切って延在する。この例証的な実施例において、シュラウドハンガ２２６は、キャビティ３０２を備えるとともに、図４に示されるようにキャビティ３０２を横切って結合されるちりよけ（スクリーン）３０１を含む。ちりよけ３０１は、ちりがシュラウドハンガ２２６に侵入することを防ぎやすくする。これに代わる方法として、シュラウドハンガ２２６は、ちりよけ３０１を含まない。さらにまた、ちりよけ３０１は、取外し可能であるとともに、該ちりよけが損傷した場合に容易に交換されうる。複数個の冷却路３０４が、シュラウドハンガ２２６内に形成されるとともに、キャビティ３０２から内方にインピンジメントバッフル３０６の方へと延在する。ちりよけ３０１とキャビティ３０２と冷却路３０４との組合せは、冷却空気がシュラウド２２４に到達しうる経路の個数を有意に増加させる。インピンジメントバッフル３０６は、シュラウドハンガ２２６の半径方向内方側２３５に結合される。

ちりよけ３０１は、シュラウドハンガの上流側３００に、上流側面２３４に当接して結合される。この例証的な実施例では、ちりよけ３０１は、それぞれ半径方向上および下縁部３０７および３０８から高さ３０９にわたって半径方向に延在する。ちりよけ３０１は、キャビティ３０２内に配置されるとともに、前記キャビティを横切って延在して、以下により詳細に説明されるように、ちりがシュラウドハンガ２２６を介した空気流を阻止するのを防ぎやすくする。ちりよけ３０１は、自身を貫通して延在して空気流がちりよけ３０１を通ってキャビティ３０２に侵入することを可能にする複数個の開口３１０を備える。この例証的な実施例において、ちりよけ３０１は、さらにまた、少なくとも１個の凹部３１２を備える。特に、この例証的な実施例では、シュラウドハンガ２２６が有する冷却路３０４の２倍の個数の凹部３１２を備える。これに代わる方法として、ちりよけ３０１は、いかなる個数の凹部３１２をも備えうる。各凹部３１２は、ちりよけ３０１内において部分的に凹みをなして、各凹部３１２の内面３１９がちりよけ３０１の外面３２５から内方に距離３２１を有するようになっている。凹部３１２は、大きいちりによって閉塞されうる開口３１０の個数を最小限に抑える。これに代わる方法として、ちりよけ３０１は、外面３２５から外方に延在する少なくとも１個の凸部（図示せず）を含む。この例証的な実施例では、各開口３１０は、各冷却路３０４より小さい。これに代わる方法として、開口３１０は、ちりよけ３０１が本明細書に記載の機能を果たすことができるいかなる大きさであってもよい。

キャビティ３０２は、シュラウドハンガ２２６内に一体的に形成される。特に、キャビティ３０２は、上流側３００内に形成されるとともに、部分的に、半径方向に離間する弓形の縁部３１５および３１６により形成される。縁部３１５および３１６は、それぞれ縁部３０７および３０８から軸方向下流に延在して、縁部３１５および３１６により、ちりよけ３０１がキャビティ３０２内において皿形に埋設されうるようになっている。特に、ちりよけ３０１がキャビティ３０２内において結合されると、ちりよけの外面３２５は、キャビティ３０２を取り巻くハンガ上流側３００の外面３３０の部分に対して実質的に面一に配置される。キャビティ３０２は、縁部３１５および３１６から内方に凹む周方向離間部分３３４を含む。これに代わる方法として、キャビティ３０２は、何らかの個数の周方向離間部分３３４をも含む。各凹み部分３３４は、縁部３１５および３１６間において、ある内側高さ３１３とある周方向距離とにわたる。この例証的な実施例では、内側高さ３１３は、縁部３１５および３１６により形成されるキャビティ３０２の外側高さ３０９とは異なり、特に、この例証的な実施例においては、内側高さ３１３は、外側高さ３０９より短い。これに代わる方法として、内側高さ３１３は、外側高さ３０９と略等しい。

各冷却路３０４は、入口３１４と出口３１７と両者間に延在する実質的に円筒状の部分３１８とを含む。したがって、この例証的な実施例では、入口３１４は、キャビティ３０２の内側高さ３１３とは異なる入口直径３２２を有して形成される。特に、この例証的な実施例においては、入口３１４は、内側高さ３１３より狭い。これに代わる方法として、入口直径３２２は、内側高さ３１３と略等しい。

この例証的な実施例において、各キャビティ３０２は、冷却路３０４の少なくとも２個の入口３１４を横切って周方向に延在して、冷却路３０４が入口３１４においてキャビティ３０２により互いに連通状態に結合されるようになっている。冷却路３０４は、キャビティ３０２を介して相互依存するとともに、キャビティ３０２とインピンジメントバッフル３０６との間において半径方向内方に延在する。したがって、この例証的な実施例では、冷却路３０４は、キャビティ３０２から内方にインピンジメントバッフル３０６の方へと空気を誘導するように構成される。

運転時において、冷却空気は、ちりよけ開口３１０を介してシュラウドハンガ２２６内に流入する。冷却空気は、その後、シュラウドハンガ２２６の方へと導かれて、冷却空気がキャビティ３０２を通って流れるようになる。冷却空気がキャビティ３０２内に流入した後に、冷却空気は、次に、複数個の冷却路３０４を通って誘導される。冷却路３０４を脱出した後に、前記空気は、インピンジメントバッフル３０６の方へと排出されて、シュラウド２２４を冷却しやすくする。

ちりが偶然にエンジン内に流入すると、ちりよけ３０１は、ちりがシュラウドハンガ２２６に侵入することを防ぐ。さらにまた、冷却路３０４が互いに連通状態に結合されるため、ちりよけ３０１に当接して残留するちりにより、冷却空気がシュラウドハンガ２２６を通って流れることが妨げられることはない。ちりよけ３０１内の凹部３１２は、大きいちりによって閉塞されうる開口３１０の個数を最小限に抑えやすくする。その結果として、ちりが存在する場合でも、シュラウドハンガ２２６への空気流量を増加させやすくなる。冷却空気がシュラウド２２４に到達しなければ、シュラウド２２４の寿命と耐久性とが危うくなりうる。さらにまた、タービン効率は、シュラウド２２４の耐久性を高めることによって高まりうる。

特に、ちりが存在し、かつちりよけ３０１に当接していても、凹部３１２により、冷却空気が前記ちりのまわりにおいて、かつちりよけ３０１内のその他の開口３１０を通って流れることが可能になる。凹部３１２は、さらにまた、何らかのちりによって閉塞されるちりよけ開口３１０の個数を最小限に抑えるとともに、以って適切な流量の冷却空気がシュラウドハンガ２２６を通ってシュラウド２２４の方へと確実に供給されることを補助する。

冷却空気がキャビティ３０２に侵入した後に、冷却空気は、該冷却空気が冷却路３０４に到達するまでキャビティ３０２を通って流れる。したがって、キャビティ３０２は、冷却路３０４のマニホルドと同様の機能を果たす。相互依存する冷却路３０４は、冷却空気がシュラウドハンガ２２６を通って流れうる複数個のまた他の経路を提供する。冷却路３０４に侵入した冷却空気は、冷却路３０４を通って内方に誘導されるとともに、出口３１７を介してインピンジメントバッフル３０６を通って排出される。特に、インピンジメントバッフル３０６の方へと誘導された冷却空気は、インピンジメントバッフル３０６を通って排出される。インピンジメントバッフル３０６は、図５に示されるように、冷却空気がオリフィス３２４を通って流れてシュラウド２２４の衝突冷却に用いられるようにインピンジメントバッフル３０６を貫通して延在するオリフィス３２４を含む。

本明細書に記載の方法は、冷却空気をシュラウドハンガ組立体の方へと導いて、冷却空気がシュラウドハンガ組立体内に形成されるキャビティ３０２を通って流れるようにする段階を含む。この方法は、さらにまた、冷却空気を、キャビティ３０２から延在する複数個の冷却路３０４を介して誘導する段階を含む。加えて、冷却空気は、複数個の冷却路３０４からインピンジメントバッフル３０６の方へと排出されて、シュラウドハンガ２２６から吊設されるシュラウド２２４を冷却しやすくする。

前記の方法および装置は、ガスタービンエンジンを運転する費用効果的かつ高信頼性の手段である。シュラウドハンガ組立体は、該組立体内に形成される複数個の冷却路を連通状態に結合するキャビティを備える。複数個の開口は、シュラウドの衝突冷却を容易にする。ちりよけは、前記キャビティの上に延在して、ちりによって冷却空気が冷却路を通って流れることが妨げられるのを防ぐ。その結果として、このシュラウドハンガ組立体は、装置の保守サイクル時間を短縮しやすくして、シュラウドの耐用寿命を費用効果的な、かつ信頼できる態様で延ばす。

シュラウドハンガの例証的な実施例は、前記に詳細に説明されている。各シュラウドハンガは、本明細書に記載の特定の実施例とともに用いられることに制限されるわけではなく、逆に、各シュラウドハンガは、本明細書に記載のその他の構成要素と無関係かつ別途に利用されうる。さらにまた、本発明は、前記に詳細に説明されたキャビティおよびシュラウドハンガの実施例に制限されるわけではない。逆に、キャビティおよびシュラウドハンガのその他の変形態様は、特許請求の範囲の精神および範囲内において利用されうる。

本発明をさまざまな特定の実施例の観点から説明したが、当業者には、本発明を特許請求の範囲の精神および範囲内において改変して実施しうることが認識されよう。

例証的なガスタービンエンジンの略図である。 図１に示されるガスタービンエンジンとともに用いられうる燃焼器の断面図である。 図１および２に示されるガスタービンエンジンとともに用いられうる例証的なシュラウドハンガの斜視図である。 図１および２に示されるガスタービンエンジンとともに用いられうる、ちりよけを含む例証的なシュラウドハンガの斜視図である。 図４に示されるシュラウドハンガの第１の断面図である。 図４に示されるシュラウドハンガの第２の断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 第１のロータ軸
３２ 第２のロータ軸
３４ 中心軸
２０２ 外側ライナ
２０４ 内側ライナ
２０６ 燃焼室
２０８ 燃料ノズル
２１０ 燃焼ケース
２１２ 環状通路
２１４ 環状チャンバ
２１６ ノズル支持構造
２１８ タービンノズル部分
２２０ タービン翼
２２４ 環状シュラウド
２２６ シュラウドハンガ
２２８ フック
２３０ Ｕ形ブラケット
２３１ 上流側端部
２３２ カラー
２３４ 上流側面
２３５ 半径方向内方側
２３６ 下流側面
２３８ 外方群
３００ 上流側
３０１ ちりよけ
３０２ キャビティ
３０４ 冷却路
３０６ インピンジメントバッフル
３０７ 上縁部
３０８ 下縁部
３０９ 外側高さ
３１０ 開口
３１２ 凹部
３１３ 内側高さ
３１４ 入口
３１５ 縁部
３１６ 縁部
３１７ 出口
３１８ 円筒部
３１９ 内面
３２１ 距離
３２２ 入口直径
３２４ オリフィス
３２５ 外面
３３０ 外面
３３４ 周方向離間部分

Claims (7)

1. シュラウドハンガ（２２６）と；
   前記シュラウドハンガに結合される、インピンジメントバッフル（３０６）とからなり、
   前記シュラウドハンガは、キャビティ（３０２）と、前記キャビティ内に形成される複数個の冷却路（３０４）とを含み、前記シュラウドハンガの上流側面（２３４）に結合されるちりよけ（３０１）を含み、各々の前記冷却路は、前記シュラウドハンガの前記上流側面（２３４）から前記シュラウドハンガを貫通して延在して、冷却空気を前記インピンジメントバッフルの方へと導き、前記冷却路の少なくとも２個は、前記キャビティにより互いに連通状態に結合され、
   前記キャビティ（３０２）は、前記複数個の冷却路（３０４）の各々と連通状態に結合されるシュラウドハンガ組立体。
2. 前記インピンジメントバッフル（３０６）は、該インピンジメントバッフルを貫通して延在するオリフィス（３２４）を含み、冷却空気が前記オリフィスを通って流れてシュラウドハンガ組立体から半径方向内方にシュラウドを衝突冷却しやすくする請求項１に記載のシュラウドハンガ組立体。
3. 前記ちりよけ（３０１）は、ちりによって空気流が前記複数個の冷却路（３０４）へと流れることが妨げられるのを防ぎやすくする請求項１に記載のシュラウドハンガ組立体。
4. 前記ちりよけ（３０１）は、自身を貫通して延在する複数個の開口（３１０）と少なくとも１個の凹部（３１２）とを含む請求項１に記載のシュラウドハンガ組立体。
5. 前記ちりよけ（３０１）は、自身を貫通して延在する複数個の開口（３１０）と少なくとも１個の凸部とを含む請求項１に記載のシュラウドハンガ組立体。
6. 圧縮機（１４）と；
   前記圧縮機の下流に結合されるタービン組立体とからなるガスタービンエンジン（１０）であって、前記タービン組立体は、エンジンを少なくとも部分的に取り巻くシュラウドハンガ組立体において：
   シュラウドハンガ（２２６）と；
   前記シュラウドハンガから半径方向内方に結合される、インピンジメントバッフル（３０６）とからなるシュラウドハンガ組立体を含み、
   前記シュラウドハンガは、キャビティ（３０２）と、前記キャビティ内に形成される複数個の冷却路（３０４）とを含み、前記シュラウドハンガの上流側面（２３４）に結合されるちりよけ（３０１）を含み、各々の前記冷却路は、前記シュラウドハンガの前記上流側面（２３４）から前記シュラウドハンガを貫通して延在して、冷却空気を前記インピンジメントバッフルの方へと導き、前記冷却路の少なくとも２個は、前記キャビティにより互いに連通状態に結合され、
   前記キャビティ（３０２）は、前記複数個の冷却路（３０４）の各々と連通状態に結合されるガスタービンエンジン（１０）。
7. 前記インピンジメントバッフル（３０６）は、該インピンジメントバッフルを貫通して延在するオリフィス（３２４）を含み、冷却空気が前記オリフィスを通って流れてシュラウドハンガ組立体から半径方向内方にシュラウドを衝突冷却しやすくする請求項６に記載のガスタービンエンジン（１０）。
   

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