JP5090686B2

JP5090686B2 - 冷却式タービンシュラウド

Info

Publication number: JP5090686B2
Application number: JP2006213288A
Authority: JP
Inventors: グレン・ハーバート・ニコルズ; カート・グローヴァー・ブリンク; チン−パン・リー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: CA2552794C; US20070031240A1; JP2007046604A; EP1749975A2; US7387488B2; EP1749975B1; EP1749975A3; CA2552794A1

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、そのようなエンジンの高圧タービンセクションで使用するシュラウド組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、燃焼ガスを発生させかつそれらのガスからエネルギーを取り出すのに最も効率的な高温度で作動させることが望ましい。ガスタービンエンジンの一部の構成部品、例えばタービンロータを緊密に囲みかつタービンを通って流れる高温燃焼ガスの外側境界面を形成する固定シュラウドセグメントは、燃焼ガスの高温ストリームに曝される。シュラウドセグメントの基体材料は、最高ガス流温度に耐えることができず、その最高ガス流温度から保護されなければならない。

背面上のインピンジメント冷却及び高温流路面上のフィルム冷却は、高圧タービンシュラウドを保護するための一般的な先行技術の方法である。シュラウドガス流路面上のフィルム冷却効率は、通過するタービンブレード先端によってフィルムが容易に破壊されるので、一般的に高くない。シュラウド温度を低く保つ別の方法は、高温流路面上に断熱皮膜（thermal barrier coating：ＴＢＣ）の層を施工して熱絶縁層を形成することである。１つの特に有効なＴＢＣの種類には、高密度垂直微細割れＴＢＣすなわち「ＤＶＭ−ＴＢＣ（dense vertically microcracked TBC）」がある。ＴＢＣの剥離を防止するためには、その下にあるボンディングコートの温度は、約９５０°Ｃ（１７５０°Ｆ）以下に保たれなければならない。さらに、ＴＢＣを貫通させて冷却孔を穿孔することにより、ＴＢＣの構造が損傷し、剥離が生じるおそれがある。ＤＶＭ−ＴＢＣを備えた一部の先行技術のシュラウドは、フィルム冷却がない状態で十分な稼働寿命を有する。しかしながら、現在では、エンジンは、高温度で長時間にわたって運転されるように設計されてきており、ＴＢＣ皮膜及び効果的な冷却の両方を必要とする。

従って、流路面に対して施工された皮膜の剥離を引き起こさずに、該流路面全体にわたるフィルム冷却適用範囲を実現することができ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、１つの態様によると、本発明は、ガスタービンエンジン用のシュラウドセグメントを提供し、本シュラウドセグメントは、回転タービンブレードの列を囲むようになったアーチ形流路面及び対向する内面と、軸方向向きの前縁を形成した前方オーバハングと、外向きに延びる前方壁及び外向きに延びる後方壁と、該前方及び後方壁と共に開口シュラウドプレナムを形成した対向する第１及び第２の側壁と、シュラウドプレナムから前縁に延びる少なくとも１つの前縁冷却孔と、プレナムから側壁の１つに延びる少なくとも１つの側壁冷却孔とを含む。流路面には、冷却孔がない。

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組立体は、複数の並んだシュラウドセグメントを含み、シュラウドセグメントの各々は、冷却孔がなくかつ回転タービンブレードの列を囲むようになったアーチ形流路面及び対向する内面と、軸方向向きの前縁を形成した前方オーバハングと、外向きに延びる前方壁及び外向きに延びる後方壁と、前記前方壁及び後方壁と共に開口シュラウドプレナムを形成した対向する左側壁及び右側壁と、シュラウドプレナムから前縁に延びる少なくとも１つの前縁冷却孔と、プレナムから側壁の１つに延びる少なくとも１つの側壁冷却孔とを有する。流路面には、冷却孔がない。

本発明は、添付図面の図と関連してなされた以下の説明を参照することに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の一部分を示す。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、２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。複数のアーチ形第１段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。

図２〜図５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、かつ流路面３２と、対向する内面３４と、軸方向向きの前縁３８を形成する前方オーバハング３６と、軸方向向きの後縁４２を形成する後方オーバハング４０と、対向する左及び右側壁４４及び４６とを有する。側壁４４及び４６は、その中に形成されて、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４８を有することができる。シュラウドセグメント３０は、外向きに延びる前方壁５２と外向きに延びる後方壁５４とを含む。前方壁５２、後方壁５４、側壁４４及び４６並びに内面３４は、協働して開口シュラウドプレナム５６を形成する。前方支持レール５８は前方壁から延び、また後方支持レール６０は後方壁５４から延びる。

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適当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３２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が設けられる。図示した実施例では、流路面３２は、該流路面に対して施工された高密度垂直微小割れ断熱皮膜（ＤＶＭ−ＴＢＣ）を有する。ＤＶＣ−ＴＢＣ皮膜は、柱状組織を備えたセラミック材料（例えば、イットリウム安定ジルコニアすなわち「ＹＳＺ（yttrium-stabilized zirconia）」）であり、約０．５１ｍｍ（０．０２０ｉｎ）の厚さを有する。ボンディングコート（見えない）と呼ばれる付加的金属層が、流路面３２とＴＢＣ６２との間に配置される。ボンディングコートは、ＭＣｒＡｌＹのようなニッケル含有オーバレイ合金又はシュラウドセグメント３０よりも耐環境損傷性がある他の組成物で作ることができ、或いはそれに代えて、ボンディングコートは、拡散ニッケルアルミナイド又はプラチナアルミナイドとすることができ、その表面は酸化して、セラミック上層皮膜に対して向上した付着性を与える保護アルミニウム酸化スケールとなる。ボンディングコート及びその上にあるＴＢＣは、まとめてＴＢＣシステムと呼ばれることが多い。

ＴＢＣシステムは、シュラウドセグメント３０に対して良好な熱保護をもたらすが、このＴＢＣシステムには、一定の限界がある。ＴＢＣシステムの最良の付着性のために、ボンディングコートの温度を約９５４°Ｃ（１７００°Ｆ）までに制限することが望ましい。ＴＢＣ６２はまた、その中に何らかの孔が穿孔された場合に剥離を生じ易い。従って、流路面３２には、ＴＢＣ６２を貫通する如何なる冷却孔もない。

前方オーバハング３６に沿って、比較的高密度に密集した前縁冷却孔６４の列が配置される。前縁冷却孔６４は、接線方向平面内においてほぼ前方から後方に延び、かつ半径方向平面において内向きに傾いている。前縁冷却孔の各々は、図３に示すように内面３４内に配置された入口６６と、前縁３８に連通した出口６８とを有する。

左側壁４４に沿って、左側壁冷却孔７０の列が配置される。左側壁冷却孔７０は、接線方向平面内において外向きに傾き、かつ半径方向平面内において内向きに傾いている。左側壁冷却孔７０の各々は、内面３４内に配置された入口７２と、左側壁４４の下方部分に連通した出口７４とを有する。図示した実施例では、互いに距離「Ｓ１」だけ離れた６つの左側壁孔７０が設けられている。左側壁冷却孔７０の正確な数、位置及び間隔は、特定の用途に適合するように変えることができる。

右側壁４６に沿って、右側壁冷却孔７６の列が配置される。右側壁冷却孔７６は、接線方向平面内において外向きに傾き、かつ半径方向平面内において内向きに傾いている。右側壁冷却孔７６の各々は、内面３４内に配置された入口７８と、左側壁４４の下方部分に連通した出口８０とを有する。図示した実施例では、互いに距離「Ｓ２」だけ離れた４つの右側壁孔７６が設けられている。右側壁冷却孔７６の正確な数、位置及び間隔は、特定の用途に適合するように変えることができる。

左側壁冷却孔７０及び右側壁冷却孔７６は、右側壁冷却孔７６からの流れが左側壁冷却孔７０間の領域８２において隣接するシュラウドセグメントの左側壁上に衝突することになるように千鳥配置される。左側壁冷却孔７０からの流れもまた、右側壁冷却孔７６間の領域８４において隣接するシュラウドセグメント３０の右側壁上に衝突することになる。

作動中、シュラウドプレナム５６に供給された冷却空気は、先ずシュラウドセグメント３０の内面３４上に衝突し、次いで前縁冷却孔６４並びに左及び右側壁冷却孔７０及び７６を通って流出する。前縁冷却孔６４を通って流出した冷却空気は、先ず第１段ノズル２０の外側バンドとシュラウドセグメント３０との間の空間にパージされ、その後シュラウド流路面３２に対してフィルム冷却層を形成する。側壁冷却孔７０及び７６を通って流出した冷却空気は、上記のように隣接するシュラウド側壁上にインピンジ冷却を行う。

ＴＢＣ６２により、流路面３２上に良好な断熱性がもたらされる。前縁冷却孔６４は、ＴＢＣ６２の構造を乱さない状態のままにしながら、シュラウドセグメント３０に対してパージ冷却及びフィルム冷却を行う。さらに、側壁の下方端縁は、固有のシュラウド幾何形状の結果としての「ブレークエッジ」作用に起因したＴＢＣチッピング及び剥離を最も受け易い。これらの端縁位置における左及び右側壁冷却孔７０及び７６の戦略的配列は、ボンディングコートの温度を低下させかつ制御し、それによって剥離の危険性を最少にする。連続した途切れのないＴＢＣ及び冷却のこの組み合わせにより、特に船舶用及び産業用タービンに有用な高温かつ長時間運転のための十分に耐久性のあるＴＢＣ設計を得ることができる。前縁３８並びに側壁４４及び４６において冷却孔を組み込むことまた、端縁におけるＴＢＣチッピング事象においてこれら領域近傍での十分な対流及び伝導冷却を保証することになる。

以上、ガスタービンエンジン用のシュラウドについて説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、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、本発明に対して様々な変更を加える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段シュラウド組立体に関して上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組み込むこともできる。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の前述の説明は、例示の目的だけのために示したものであって限定の目的のためのものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

本発明のシュラウドを組み込んだ例示的な高圧タービンセクションの断面図。本発明によって構成したシュラウドの底面斜視図。図２のシュラウドの上面斜視図。図２のシュラウドの別の斜視図。図２のシュラウドの別の斜視図。

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第１段シュラウドセグメント
３２流路面
３４（流路面の裏面側で）対向する内面
３６前方オーバハング
３８軸方向向きの前縁
４０後方オーバハング
４２軸方向向きの後縁
４４対向する左側壁
４６対向する右側壁
４８シール溝
５２外向きに延びる前方壁
５４外向きに延びる後方壁
５６開口シュラウドプレナム
５８前方支持レール
６０後方支持レール
６２ＴＢＣ
６４前縁冷却孔
６６入口
６８出口
７０左側壁冷却孔
７２入口
７４出口
７６右側壁冷却孔
７８入口
８０出口
８２領域
８４領域

Claims

ガスタービンエンジン用のシュラウドセグメント（３０）であって、
回転タービンブレードの列を囲むアーチ形流路面（３２）及び対向する内面（３４）と、
軸方向向きの前縁（３８）を形成した前方オーバハング（３６）と、
外向きに延びる前方壁（５２）及び外向きに延びる後方壁（５４）と、
前記前方及び後方壁（５２、５４）と共に開口シュラウドプレナム（５６）を形成した対向する第１及び第２の側壁（４４、４６）と、
前記シュラウドプレナム（５６）から前記前縁（３８）に延びる少なくとも１つの前縁冷却孔（６４）と、
前記プレナム（５６）から前記側壁（４４、４６）の１つに延びる少なくとも１つの側壁冷却孔（７０、７６）と
を含み、前記流路面（３２）には、冷却孔がなく、高密度垂直微細割れ断熱皮膜（６２）が、前記流路面（３２）に設けられているが、前記対向する第１及び第２の側壁（４４、４６）には設けられていない、シュラウドセグメント（３０）。
前記高密度垂直微細割れ断熱皮膜（６２）が０．５１ｍｍの厚さを有する、請求項１記載のシュラウドセグメント（３０）。
少なくとも１つの第１の側壁冷却孔（７０）が、前記プレナム（５６）から前記側壁（４４、４６）の１つに延び、また、少なくとも１つの第２の側壁冷却孔（７６）が、前記プレナム（５６）から前記側壁（４４、４６）の他の１つに延びる、請求項１又は請求項２記載のシュラウドセグメント（３０）。
その各々が前記シュラウドプレナム（５６）に流体連通した入口（７２）と前記側壁（４４、４６）の１つに流体連通しかつ第１の間隔だけ互いに間隔を置いて配置された第１の出口とを有する間隔を置いて配置された第１の側壁冷却孔（７０）の列と、
その各々が前記シュラウドプレナム（５６）に流体連通した入口（７８）と前記側壁（４４、４６）の他の１つに流体連通しかつ第２の間隔だけ互いに間隔を置いて配置された第２の出口とを有する間隔を置いて配置された第２の側壁冷却孔（７６）の列と、をさらに含み、前記第１及び第２の側壁冷却孔（７０、７６）が、該側壁冷却孔から流出する冷却空気を配向して隣接するシュラウドセグメント（３０）の側壁（４４、４６）に衝突させるように配置される、請求項３記載のシュラウドセグメント（３０）。
前記第１及び第２の出口が、該第１の出口の各々から流出する冷却空気が該第２の出口の隣接する出口間の前記第２の側壁（４６）の部分に衝突するように、また該第２の出口の各々から流出する冷却空気が該第１の出口の隣接する出口間の前記第１の側壁（４４）の部分に衝突するように配置される、請求項４記載のシュラウドセグメント（３０）。
ガスタービンエンジン用のシュラウド組立体であって、
複数の並んだシュラウドセグメント（３０）を含み、前記シュラウドセグメントの各々が、
冷却孔がなくかつ回転タービンブレードの列を囲むアーチ形流路面（３２）及び対向する内面（３４）と、
軸方向向きの前縁（３８）を形成した前方オーバハング（３６）と、
外向きに延びる前方壁（５２）及び外向きに延びる後方壁（５４）と、
前記前方及び後方壁（５２、５４）と共に開口シュラウドプレナム（５６）を形成した対向する左及び右側壁（４４、４６）と、
前記シュラウドプレナム（５６）から前記前縁（３８）に延びる少なくとも１つの前縁冷却孔（６４）と、
前記プレナム（５６）から前記側壁（４４、４６）の１つに延びる少なくとも１つの側壁冷却孔（７０、７６）と
を含み、前記流路面（３２）には、冷却孔がなく、高密度垂直微細割れ断熱皮膜（６２）が、前記流路面（３２）に設けられているが、前記対向する左及び右側壁（４４、４６）には設けられていない、シュラウド組立体。
前記高密度垂直微細割れ断熱皮膜（６２）が０．５１ｍｍの厚さを有する、請求項６記載のシュラウド組立体。
少なくとも１つの第１の側壁冷却孔（７０）が、前記プレナム（５６）から前記側壁（４４、４６）の１つに延び、また、少なくとも１つの第２の側壁冷却孔（７６）が、前記プレナム（５６）から前記側壁（４４、４６）の他の１つに延びる、請求項６又は請求項７記載のシュラウド組立体。
間隔を置いて配置された第１の側壁冷却孔（７０）の列と、間隔を置いて配置された第２の側壁冷却孔（７６）の列と、をさらに含み、
前記第１の側壁冷却孔（７０）の各々が、前記シュラウドプレナム（５６）に流体連通した入口（７２）と前記側壁（４４、４６）の１つに流体連通しかつ第１の間隔だけ互いに間隔を置いて配置された第１の出口とを備え、
前記第２の側壁冷却孔（７６）の各々が、前記シュラウドプレナム（５６）に流体連通した入口（７８）と前記側壁（４４、４６）の他の１つに流体連通しかつ第２の間隔だけ互いに間隔を置いて配置された第２の出口とを備え、
前記第１及び第２の側壁冷却孔（７０、７６）が、該側壁冷却孔から流出する冷却空気を配向して隣接するシュラウドセグメント（３０）の側壁（４４、４６）に衝突させるように配置される、
請求項８記載のシュラウド組立体。
前記第１及び第２の出口が、該第１の出口の各々から流出する冷却空気が該第２の出口の隣接する出口間の前記第２の側壁（４６）の部分に衝突するように、また該第２の出口の各々から流出する冷却空気が該第１の出口の隣接する出口間の前記第１の側壁（４４）の部分に衝突するように配置される、請求項９記載のシュラウド組立体。