JP5111975B2

JP5111975B2 - タービンエンジンで使用するノズルセグメントを製作するためのノズルシングレット及びガスタービンエンジン

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Publication number: JP5111975B2
Application number: JP2007219190A
Authority: JP
Inventors: ジョン・ピー・ヘイワード; ジョセフ・エム・グエンタート; トッド・エス・ヘフロン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: EP1895104A3; US20080056907A1; JP2008057537A; CA2597660A1; US7806650B2; CA2597660C; EP1895104A2

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンで使用するノズルシングレットを製作するための方法及び装置に関する。

少なくとも幾つかの公知のタービンエンジンは、タービンノズル組立体を含み、タービンノズル組立体は、タービンの周りで円周方向に延びる複数のノズルシングレットを有する。ノズルシングレットは、タービンの様々な段全体にわたって配置されて空気をタービンブレードに向かって下流方向に流すのを可能にする。具体的には、隣接するノズルシングレットは、円周方向に間隔を置いて配置されかつそれを通して高温ガスが流れるスロートを形成するように配向される。スロートの面積は、該スロート面積がスロートから流出する高温ガスの質量流量を決定するのに寄与する要因であるので、異なる公知のエンジン間で又はエンジンの異なる領域内で変化させることができる。スロート面積は、スロート幅に比例する。従って、スロート幅を調整して、スロートに流入する質量流量の該スロートから流出する質量流量に対する比率を制御することができる。

公知のノズルシングレットは一般的に、２つの機械加工シングレットから製作される。これらのシングレットは、内側バンド、外側バンド及びそれらの間で延びる少なくとも１つの翼形部を含むような単体構造部品として鋳造される。次に、エンジン運転時における冷却を可能にするために、ノズルシングレット内に冷却孔が機械加工される。一般的に、冷却孔は、機械加工した各ノズルシングレットについて同一のパターンで機械加工される。ノズルシングレットを形成するようにノズルシングレットを組立てた後に、次に研磨及び／又は機械加工によってノズルシングレットの内側及び外側バンドを成形し直して、エンジンを組立てた時に所望のスロート幅が得られるように翼形部を位置決めする。具体的には、内側及び外側バンドは、円周方向に隣接したノズルシングレットとほぼ同一平面に配置されて所望の翼形部角度を形成するように製作される。スロート幅、従って翼形部角度は、エンジン毎に異なることになるので、内側及び外側バンドは、異なる角度で機械加工することができる。しかしながら、バンドを少なくとも幾つかの所望の翼形部角度に適応させるように機械加工することは、機械加工時に冷却孔が破壊された状態になることを回避するために冷却孔パターンを調整する必要性を生じることになる。

１つの態様では、タービンエンジン用のノズルシングレットを提供する。本ノズルシングレットは、内側バンド、外側バンド及びそれらの間で延びる少なくとも１つの翼形部を含む。本ノズルシングレットはまた、少なくとも１つの第２の冷却孔の列に対してある角度で配向された少なくとも１つの第１の冷却孔の列を含む。少なくとも１つの第１の列及び少なくとも１つの第２の列の配向は、それを配向し直さずに翼形部角度の変化に適応する冷却孔パターンを形成する。

別の態様では、タービンエンジンを提供する。本タービンエンジンは、複数のノズルシングレットを備えたタービンノズル組立体を含む。各ノズルシングレットは、内側バンド、外側バンド及びそれらの間で延びる少なくとも１つの翼形部を含む。各ノズルシングレットはまた、少なくとも１つの第２の冷却孔の列に対してある角度で配向された少なくとも１つの第１の冷却孔の列を含む。少なくとも１つの第１の列及び少なくとも１つの第２の列の配向は、それを配向し直さずに翼形部角度の変化に適応する冷却孔パターンを形成する。

またここでは、タービンエンジン用のノズルシングレットの冷却孔を配向する方法を開示する。この方法は、内側バンド、外側バンド及びそれらの間で延びる少なくとも１つの翼形部を有するノズルシングレットを準備する段階を含む。本方法はまた、少なくとも１つの第１の冷却孔の列を少なくとも１つの第２の冷却孔の列に対してある角度で配向する段階を含む。少なくとも１つの第１の列及び少なくとも１つの第２の列の配向は、それを配向し直さずに翼形部角度の変化に適応する冷却孔パターンを形成する。

下記の装置及び方法はシングレットに関して記載しているが、本発明は、シングレットに限定されるものではなく、むしろ、ダブレット及び／又はあらゆる他のノズルセグメントにも適用することができる。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器組立体１６を含む。エンジン１０はまた、直列軸流関係で配置された高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２１によって連結され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２２によって連結される。

図２は、ガスタービンエンジン１０で使用することができるタービンノズル組立体２４の拡大断面図である。１つの実施形態では、複数のタービンノズルシングレット３２は、互いに円周方向に当接されてタービンノズル組立体２４を形成する。この実施形態では、各ノズルシングレット３２は、翼形ベーン３６と一体形に形成された外側バンド３８及び対向する内側バンド４０を含む。従って、この例示的な実施形態では、ノズル組立体２４は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された翼形ベーン３６を含み、翼形ベーン３６は半径方向外側バンド又はプラットフォーム３８及び対向する半径方向内側バンド又はプラットフォーム４０によって互いに結合される。

外側バンド３８は、前面又は上流面４２、後面又は下流面４４及びそれらの間で延びる半径方向内面４６を含む。内側バンド４０もまた、前面又は上流面４８、後面又は下流面５０及びそれらの間で延びる半径方向内面５２を含む。内面４６及び５２は、燃焼ガスがタービンノズル組立体２４を通って流れる流路を形成する。１つの実施形態では、燃焼ガスは、ノズル組立体２４を通って高圧タービン１８及び／又は低圧タービン２０のような下流側タービンに向かって流れる。より具体的には、燃焼ガスは、タービンノズルシングレット３２間をタービンロータブレード３４に向かって流れ、タービンロータブレード３４が、高圧タービン１８及び／又は低圧タービン２０を駆動する。

図３は、タービンノズル組立体２４で使用することができるノズルシングレット３２の斜視図である。この例示的な実施形態では、ノズルシングレット３２は、外側バンド３８及び内側バンド４０間で延びる１つの翼形ベーン３６を含む。翼形ベーン３６、内側バンド４０及び外側バンド３８は各々、エンジン運転時にノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする複数の冷却孔６０を含む。

図４は、ノズル組立体２４で使用することができる２つの翼形ベーン３６の概略平面図である。翼形ベーン３６は各々、ノズルシングレット３２の後方端部７０に対してある角度で配向されてスロート面積Ａ_１を形成する。具体的には、第１の翼形部７２及び第２の翼形部７４は各々、角度α_１で配向される。角度α_１を調整することによって、スロート幅Ｗ_１を増大又は縮小させ、これによりスロート面積Ａ_１を増加又は減少させることができる。具体的には、スロート面積Ａ_１を増加させることにより、翼形部７２及び７４間を流れる空気の質量流量を増加させることが可能になり、またスロート面積Ａ_１を減少させることにより、翼形部７２及び７４間を流れる空気の質量流量を減少させることが可能になる。

図５ａ〜図５ｃは、ノズルシングレット３２で使用することができる公知の内側バンド４０の概略平面図である。具体的には、図５ａ〜図５ｃは、翼形部３６の周りでの内側バンド４０上における冷却孔６０の例示的な配向を示す。図５ａ〜図５ｃは、内側バンド４０の冷却孔６０を示しているが、外側バンド３８の冷却孔６０の構成は、内側バンド４０の構成と実質的に同一とすることができ、従って、以下の説明は、外側バンド３８にも適用されることになることを理解されたい。この例示的な実施形態では、冷却孔６０は、内側バンド４０の前方端部８２内に機械加工された複数の前方冷却孔８０と、内側バンド４０の第１の円周方向に間隔を置いて配置された側部８６内に機械加工された複数の第１の側部冷却孔８４と、内側バンド４０の第２の円周方向に間隔を置いて配置された側部９０内に機械加工された複数の第２の側部冷却孔８８とを含むパターンで配置される。

図５ａ〜図５ｃに示すように、冷却孔６０は、内側バンド４０をノズル組立体２４内部に適合するように機械加工した後におけるものとして示している。具体的には、冷却孔６０は、ノズルシングレット３２をノズル組立体２４内部に配向する前に内側バンド４０内に機械加工される。公知のノズル組立体では、該ノズル組立体内部の冷却孔６０のパターンは、組立てられる各ノズルシングレット３２において同一である。翼形部角度α_１を調整するために、内側バンド４０は、ノズル組立体２４内部に設置する前に機械加工される。具体的には、翼形部角度α_１に対して調整を行うために、内側バンド４０は、ノズル組立体２４内部に複数の隣接するノズルシングレット３２を嵌合するのを可能にするように成形し直される。

図５ａは、元の内側バンド４０を示しており、ここでは翼形部角度α_１は調整されていない。翼形部角度α_１が調整されていないので、図５ａに示す冷却孔６０の全ては、内側バンド４０の内部にそのままの状態で残っている。これと対照的に、図５ｂは成形し直した内側バンド４０を示しており、ここでは翼形部角度α_１は、より大きなスロート面積Ａ_１を形成するように増大されている。とりわけ、前方冷却孔８０の幾つかは、内側バンド４０から取り除かれている。さらに、図５ｃは、成形し直した内側バンド４０を示しており、ここでは翼形部角度α_１は、スロート面積Ａ_１を減少させるように縮小されている。とりわけ、前方冷却孔８０の幾つかは、内側バンド４０から取り除かれている。

図５ａ〜図５ｃで示すように、翼形部角度α_１の調整により、内側バンド４０全体にわたって冷却孔６０のパターンを変更する必要性が生じることになる。従って、ノズルシングレット３２の製造は、一層高価かつ人手がかかるものになる。

図６は、ノズルシングレット３２で使用することができる例示的な内側バンド４０の概略平面図である。具体的には、内側バンド４０では、冷却孔６０は、翼形部３６の周りにＶ字形パターンで配向される。図６は、内側バンド４０の冷却孔６０を示しているが、外側バンド３８内部の冷却孔６０の配向は、内側バンド４０の配向と実質的に同一とすることができることを理解されたい。従って、以下の説明は、外側バンド３８にも適用されることになる。この例示的な実施形態では、冷却孔６０は、内側バンド４０が該内側バンド４０の前方端部８２内に配向された２つの第１の冷却孔６０の列１００を含むようなパターンで配向される。別の実施形態では、第１の冷却孔６０の列１００は、該冷却孔６０が本明細書に記載するように機能するのを可能にする、内側バンド４０のあらゆる好適な位置に配向される。さらに別の実施形態では、内側バンド４０は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、あらゆる好適な数の第１の列１００を含む。さらに、第１の列１００は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、あらゆる数の冷却孔６０を含むことができる。この例示的な実施形態では、第１の列１００は、前方端部８２に対して傾斜角度β_１で配向される。第１の列１００が、内側バンド４０の異なる位置に配置された別の実施形態では、第１の列１００は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、内側バンド４０のあらゆる端部に対するあらゆる角度で配向される。

この例示的な実施形態では、内側バンド４０はまた、該内側バンド４０の前方端部８２内に配置された２つの第２の冷却孔６０の列１１０を含む。別の実施形態では、第２の冷却孔６０の列１１０は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、内側バンド４０のあらゆる好適な位置に配置される。別の実施形態では、内側バンド４０は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、あらゆる好適な数の第２の列１１０を含む。さらに、第２の列１１０は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、あらゆる数の冷却孔６０を含むことができる。この例示的な実施形態では、第２の列１１０は、前方端部８２に対して傾斜角度β_２で配向される。第２の列１１０が内側バンド４０の異なる位置に配置された別の実施形態では、第２の列１１０は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にする、内側バンド４０のあらゆる端部に対するあらゆる角度で配向される。

角度β_１及びβ_２は、翼形部３６を回転させた後に第１の列１００又は第２の列１１０内部に形成されたあらゆる冷却孔６０を取り除かずに、内側バンド４０を機械加工するのを可能にするあらゆる角度である。具体的には、翼形部３６は、ノズル組立体２４を組立てる前に配向されて該ノズル組立体２４内部に所望のスロート幅Ｗ_１を形成する。翼形部３６を所望の角度に配向した後に、前方端部８２を含む内側バンド４０の端縁部は、冷却孔６０を取り除かずに機械加工することができて、円周方向に隣接したノズルシングレット３２に対して各ノズルシングレット３２をほぼ同一平面に配置してほぼ均一な円周方向ノズル組立体２４を形成することができるようになる。従って、第１及び第２の冷却孔の列１００及び１１０の配向の位置により、冷却孔６０のパターンを設計し直す必要なしにノズルシングレット３２を機械加工して、翼形部３６間に所望のスロート面積Ａ_１を形成することができるようになる。

この例示的な実施形態では、冷却孔の第１の列１００及び冷却孔の第２の列１１０は、第１の列１００の各々が第２の列１１０の１つとの間で冷却孔１２０を共有するように配向される。別の実施形態では、あらゆる数の第１の列１００は、第２の列１１０の１つとの間で冷却孔６０を共有することができる。さらに、別の実施形態では、第１の列１００のどれも、第２の列１１０のいずれかとの間で冷却孔６０を共有しない。さらに、この例示的な実施形態では、第１の列１００の１つは、第２の列１１０の１つよりもより多くの数の冷却孔６０を有する。別の実施形態では、第１の列１００及び／又は第２の列１１０は、本明細書に記載するようにノズルシングレット３２を冷却するのを可能にするあらゆる好適な数の冷却孔６０で形成される。

この例示的な実施形態では、２つの平行な第１の冷却孔の列１００を示している。別の実施形態では、内側バンド４０は、２つよりも多い平行な第１の列１００を含む。さらに別の実施形態では、第１の列１００は平行でなく、むしろ、その各々が異なる角度β_１で配向される。さらに、この例示的な実施形態では、２つの平行な第２の冷却孔の列１１０を示している。別の実施形態では、内側バンド４０は、２つよりも多い平行な第２の列１１０を含む。さらに別の実施形態では、第２の列１１０は平行でなく、むしろ、その各々が異なる角度β_２で配向される。

上記の方法及び装置により、隣接するシングレット間にあらゆる所望のスロート面積を形成するように配向することができる翼形部を備えたノズルシングレットを製造することが可能になる。具体的には、ノズルシングレットの内側及び外側バンド上での冷却孔の配向により、冷却孔パターンを設計し直しかつ穿孔し直す必要なしに、翼形部を回転させかつ内側及び外側バンドを機械加工することが可能になる。

具体的には、翼形部は、ノズル組立体を組立てる前に角度を付けて、ノズル組立体内部に所望の面積を形成させることができる。翼形部に角度を付けた後に、内側バンドの端縁部は、なんらの冷却孔も取り除かずに機械加工することができる。従って、第１及び第２の冷却孔の列の配向は、翼形部角度の変化に適応するように設計し直すこと及び／又は穿孔し直すことを必要としない単一の冷却孔パターンを形成する。

１つの実施形態では、タービンエンジン用のノズルシングレットの冷却孔を配向する方法を提供する。本方法は、内側バンド、外側バンド及びそれらの間で延びる少なくとも１つの翼形部を有するノズルシングレットを準備する段階を含む。本方法はまた、少なくとも１つの第１の冷却孔の列を少なくとも１つの第２の冷却孔の列に対してある角度で配向する段階を含む。少なくとも１つの第１の列及び少なくとも１つの第２の列の配向は、それを配向し直さずに翼形部角度の変化に適応する冷却孔パターンを形成する。

本明細書で使用する場合、単数表現でなくかつ数詞のない表現で記載した要素又は段階は、そのような排除を明確に示していない限り、複数のそのような要素又は段階を排除するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴にさらに組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものでない。

本明細書に記載した装置及び方法は、ガスタービンエンジン用のノズルシングレットに関して説明しているが、本装置及び方法は、ガスタービン又はノズルシングレットに限定されるものではないことを理解されたい。同様に、例示したガスタービンエンジン及びノズルシングレット構成部品は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、ガスタービンエンジン及びノズルシングレットの両方の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。図１に示すガスタービンエンジンで使用することができるタービンノズル組立体の拡大断面図。図２に示すタービンノズル組立体で使用することができるノズルシングレットの斜視図。図２に示すタービンノズル組立体で使用することができる２つの翼形ベーンの概略平面図。図３に示すノズルシングレットで使用することができる公知の内側バンドの概略平面図。図３に示すノズルシングレットで使用することができる公知の内側バンドの概略平面図。図３に示すノズルシングレットで使用することができる公知の内側バンドの概略平面図。図３に示すノズルシングレットで使用することができる例示的な内側バンドの概略平面図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
１２低圧圧縮機
１４高圧圧縮機
１６燃焼器組立体
１８高圧タービン
２０低圧タービン
２１第１のシャフト
２２第２のシャフト
２４タービンノズル組立体
３２ノズルシングレット
３４ロータブレード
３６翼形部
３８外側バンド又はプラットフォーム
４０内側バンド
４２前面又は上流面
４４後面又は下流面
４６内面
４８前面又は上流面
５０後面又は下流面
５２内面
６０冷却孔
７０後方端部
７２第１の翼形部
７４第２の翼形部
８０前方冷却孔
８２前方端部
８４第１の側部冷却孔
８６円周方向に間隔を置いて配置された側面
８８第２の側部冷却孔
９０円周方向に間隔を置いて配置された側面
１００第１の列
１１０第２の列
１２０冷却孔

Claims

タービンエンジン（１０）用のノズルシングレット（３２）であって、
内側バンド前方端部（８２）を備える内側バンド（４０）、外側バンド前方端部を備える外側バンド（３８）及び該内側バンド（４０）と該外側バンド（３８）との間で延びる１つの翼形部（３６）と、
少なくとも１つの第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）に対してある角度で配向された少なくとも１つの第１の冷却孔（６０）の列（１００）と、を含み、
前記少なくとも１つの第１の冷却孔（６０）の列（１００）及び少なくとも１つの第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）は、前記内側バンド及び前記外側バンドの少なくとも１つの前方端部内に配置され、
前記第１の冷却孔（６０）の列（１００）の１つが、前記第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）の１つとの間で冷却孔を共有して、該第１及び第２の冷却孔の列がＶ字形パターンで配向されている
ことを特徴とする、ノズルシングレット（３２）。
前記第１の冷却孔（６０）の列（１００）の少なくとも１つが、前記第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）の少なくとも１つよりも多くの数の冷却孔を含む、請求項１記載のノズルシングレット（３２）。
前記第１の冷却孔（６０）の列（１００）が複数であり、該複数の第１の冷却孔（６０）の列（１００）が互いにほぼ平行である、請求項１記載のノズルシングレット（３２）。
前記第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）が複数であり、該複数の第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）が互いにほぼ平行である、請求項１記載のノズルシングレット（３２）。
複数のノズルシングレット（３２）を備えたタービンノズル組立体（２４）を含み、各ノズルシングレットが、
内側バンド前方端部（８２）を備える内側バンド（４０）、外側バンド前方端部を備える外側バンド（３８）及び該内側バンド（４０）と該外側バンド（３８）との間で延びる１つの翼形部（３６）と、
少なくとも１つの第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）に対してある角度で配向された少なくとも１つの第１の冷却孔（６０）の列（１００）と、を含み、
前記少なくとも１つの第１の冷却孔（６０）の列（１００）及び少なくとも１つの第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）は、前記内側バンド及び前記外側バンドの少なくとも１つの前方端部内に配置され、
前記第１の冷却孔（６０）の列（１００）の１つが、前記第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）の１つとの間で冷却孔を共有して、該第１及び第２の冷却孔の列がＶ字形パターンで配向されている
ことを特徴とする、タービンエンジン（１０）。
前記第１の冷却孔（６０）の列（１００）の少なくとも１つが、前記第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）の少なくとも１つよりも多くの数の冷却孔を含む、請求項５記載のタービンエンジン（１０）。
前記第１の冷却孔（６０）の列（１００）が複数であり、該複数の第１の冷却孔（６０）の列（１００）が互いにほぼ平行である、請求項５記載のタービンエンジン（１０）。
前記第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）が複数であり、該複数の第２の冷却孔（１２０）の列（１１０）が互いにほぼ平行である、請求項５記載のタービンエンジン（１０）。