JP5144985B2 - 一体形タービンノズル及びシュラウド組立体を冷却するための方法及びシステム - Google Patents

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、一体形タービンノズル及びシュラウド組立体を冷却するための方法及びシステムに関する。

ガスタービンエンジンの効率を増大させる１つの公知の方法は、タービン作動温度を上昇させることを必要とする。しかしながら、作動温度が上昇すると、一部のエンジン構成部品の温度がその温度限界値を越え、有効寿命の短縮及び／又は材料破壊を生じるおそれがある。さらに、構成部品の熱膨張及び収縮の増大は、構成部品の間隙及び／又は構成部品の相互嵌合関係に悪影響を与えるおそれがある。従って、ガスタービンエンジン内には冷却システムを組入れて、そのような構成部品を冷却するのを可能にして、高い作動温度に曝された時に損傷する結果になる可能性を回避してきた。

冷却の目的で、主要空気ストリームから圧縮機空気を抽出することが知られている。エンジンの作動効率を維持するのを可能にするために、抽出する冷却空気の量は一般的に、全主要空気ストリームの小さなパーセンテージのみに制限される。従って、このことは、構成部品の温度を安全限界値内に維持するのを可能にするために、冷却空気を最大限の効率で利用することを必要とする。

例えば、高温に曝される１つの構成部品は、燃焼器から延びる高圧タービンノズルの直ぐ下流に設置されたシュラウド組立体である。シュラウド組立体は、高圧タービンのロータの周りで円周方向に延び、従って高圧タービンを通って流れる主要ガスストリームの外側境界（フローパス）の一部分を形成する。ガスタービンエンジンの効率は、タービンブレードの半径方向外表面とシュラウド組立体の半径方向内表面との間で測定したタービンブレード間隙の変動によって悪影響を受ける可能性がある。過渡エンジン作動時に、タービンブレード間隙は、タービンロータ及びシュラウド組立体の相対的半径方向変位の関数である。タービンロータは一般的に、固定シュラウドシステムよりも大きい質量を有し、従ってタービン作動時に、タービンロータは一般的に、シュラウド組立体よりも遅い（低速の）熱応答（温度応答）を有する。タービンロータの半径方向変位とシュラウド組立体の半径方向変位との差が過度に大きい時には、ブレード間隙が増大し、それにより、エンジン効率の低下が生じるおそれがある。

さらに、エンジンの作動時に、高圧タービンノズル外側バンドの後縁と隣接するシュラウドセグメントの前縁との間に、ギャップが形成される可能性がある。それに限定されないが、ノズル漏洩及び／又はパージ流を含む冷却空気は、ギャップに流入し、かつ高圧タービンを通って流れる主要ガスストリーム内に流入する。より具体的には、公知のノズル外側バンド後縁及びシュラウド前縁は、単純な９０°コーナ部を有するので、ギャップは、主要ガスストリーム内に直接開口している。エンジン作動時に、主要ガスストリームがノズルベーンを通って流れる時、ベーン後縁の下流に円周方向のガス圧力変動が生じる可能性がある。この円周方向ガス圧力変動は、外側バンド及びシュラウドセグメント間のギャップ内への局所的高温ガス吸込みを引き起こす可能性がある。その結果、ギャップを通って流れる冷却空気が、下流シュラウドセグメントを有効に冷却しなくなるおそれがある。
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

１つの態様では、ガスタービンエンジンのシュラウドセグメントをフィルム冷却する方法を提供する。本方法は、前面を形成した前縁を有するシュラウドセグメントを含むタービンシュラウド組立体を準備するステップを含む。タービンノズルは、該タービンノズルの外側バンドの後面と前面との間にギャップが形成されるように、タービンシュラウド組立体に組合わされ、後面上に形成されたリップは、ギャップに対して半径方向内側に位置しかつギャップのほぼ軸方向下流に延びる。冷却空気は、ギャップ内に導かれる。ギャップから流出した冷却空気は、リップに対して衝突して、シュラウドセグメントをフィルム冷却するのを可能にする。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のタービンノズル及びシュラウド組立体を提供する。本タービンノズル及びシュラウド組立体は、その前面を形成した前縁を備えたシュラウドセグメントを含む。タービンノズルは、その後面を形成した後縁を有する外側バンドを含む。タービンノズルは、シュラウドセグメントの上流に位置し、かつ後面及び前面間にギャップが形成されるようにシュラウドセグメントと組合わされる。ギャップは、ガスタービンエンジンを通って流れる高温ガスフローパスに向けて冷却空気を導くように構成される。後面は、ギャップに対して半径方向内側にて該後面上に形成されかつギャップの軸方向下流に延びるリップを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン用の冷却システムを提供する。ガスタービンエンジンは、前面を形成した前縁を有するシュラウドセグメントと、後面を形成した後縁を有する外側バンドを備えたタービンノズルとを含む。タービンノズルは、シュラウドセグメントの上流に位置し、かつ後面及び前面間にギャップが形成されるようにタービンシュラウド組立体と組合わされ、後面上に形成されたリップは、ギャップに対して半径方向内側に位置しかつギャップのほぼ軸方向下流に延びる。本冷却システムは、ギャップを通して、かつガスタービンエンジンの中心軸線とほぼ平行に該ガスタービンエンジンを通って流れる高温ガスフローパスに向けて冷却空気を導き、またギャップから流出した冷却空気をリップに対して衝突させて、シュラウドセグメントをフィルム冷却するのを可能にするように構成される。

本発明は、シュラウドセグメントをフィルム冷却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。本タービンシュラウド冷却システムは、高圧タービンを通って流れる高温ガスフローパスとタービンノズル及びシュラウドセグメント間に形成されたギャップを通って流れる冷却空気との間にバリヤを形成するのを可能にする。より具体的には、外側バンドの後縁における延長リップは、高温ガスフローパスとタービンノズルの外側バンド及びシュラウドセグメント間に形成されたギャップとの間にバリヤを形成するのを可能にする。さらに、延長リップは、ギャップを加圧するのを可能にして、ギャップ内への高温ガス進入を防止する又は制限するのを可能にする。１つの実施形態では、延長リップは、シュラウド前縁の丸コーナ部分と平行に、軸方向後方に面したフィルム冷却スロットを形成して、下流のシュラウドセグメントをフィルム冷却するのを可能にする。

以下において航空機ガスタービンのシュラウド組立体を冷却することに関連したその応用に関して本発明を説明するが、本発明の冷却システム又は組立体はまた、適切な変更を加えることにより、それに限定されないがノズル及び／又はベーンセクションのようなその他のタービンエンジン構成部品を冷却するのを可能にするためにも適用することができることは、当業者には明らかでありまた本明細書に記載した教示から分かる筈である。

図１は、シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示す例示的なシュラウド組立体の側面図である。図２は、シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示す別のシュラウド組立体の側面図である。過渡エンジン作動時にシュラウド組立体の温度応答及び／又はシュラウド組立体の変位を制御するのを可能にするために、この例示的な実施形態では、タービンエンジン冷却組立体１０８は、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション１１２及び低圧タービンセクション１１４のための、その全体を参照符号１１０で示したシュラウド組立体を含む。タービンエンジン冷却組立体１０８は、それに限定されないがノズルセクション及び／又はベーンセクションのようなガスタービンエンジンのその他のセクションの冷却を可能にするためにも適用することができることは、当業者には明らかでありまた本明細書に記載した教示から分かる筈である。

シュラウド組立体１１０は、シュラウドセグメント１３０の形態になったタービンエンジン冷却構成部品を含む。各シュラウドセグメント１３０は、該シュラウドセグメント１３０の円周方向前縁１３３に前方取付けフック１３２を含む。シュラウドセグメント１３０はまた、中央セクション取付けフック１３４と該シュラウドセグメント１３０の円周方向後縁１３７に隣接して後方取付けフック１３６とを含む。

複数のシュラウドセグメント１３０は、一般に知られた方式で円周方向に配置されて、環状分割形シュラウドを形成する。シュラウドセグメント１３０は、高圧タービンブレード（図示せず）と該シュラウドセグメント１３０の高圧タービンセクションの半径方向内表面１３８との間、及び低圧タービンブレード（図示せず）と該シュラウドセグメント１３０の低圧タービンセクションの半径方向内表面１４０との間に環状の間隙を形成する。複数の分割形シュラウド支持体１４４が、シュラウドセグメント１３０を相互連結する。各シュラウド支持体１４４は、円周方向に延びかつ隣り合うシュラウドセグメント１３０を支持する。別の実施形態では、シュラウド支持体１４４は、２つのシュラウドセグメント１３０よりも少い又は多いあらゆる適当な数のシュラウドセグメント１３０を支持するように変更されている。この例示的な実施形態では、シュラウド組立体１１０は、２６個のシュラウドセグメント１３０と１３個のシュラウド支持体１４４とを含んでいるが、別の実施形態では、あらゆる適当な数のシュラウドセグメント１３０及び／又はシュラウド支持体１４４を利用することができる。

各シュラウド支持体１４４は、それぞれの前方突出ハンガ１５２、１５４及び１５６を形成する前方セクション１４６、中央セクション１４８及び後方セクション１５０を含む。取付けフック１３２、１３４及び１３６は、シュラウド支持体１４４がそれぞれのシュラウドセグメント１３０を支持するように、それぞれ協働するハンガ１５２、１５４及び１５６によってタングイングルーブ又はフックインハンガ相互連結の形態で受けられる。

シュラウド組立体１１０は、環状シュラウドリング構造体１５８を含み、環状シュラウドリング構造体１５８は次に、シュラウド支持体１４４を所望の位置に保持する。１つの実施形態では、シュラウドリング構造体１５８は、単体の連続環状シュラウドリング構造体である。各シュラウド支持体１４４及び各シュラウドセグメント１３０の半径方向位置は、シュラウドリング構造体１５８上に形成された２つのみの環状位置制御リング１６２、１６４によって厳密に制御される。従来型のシュラウドリング構造体と対照的に、シュラウドリング構造体１５８は、シュラウド組立体１１０の重量を軽減する又は制限するのを可能にするために、２つのみの位置制御リング１６２、１６４しか含まない。中央セクション位置制御リング１６２は、軸方向前方突出ハンガ１６６を含み、軸方向前方突出ハンガ１６６は、支持構造体中央セクション１４８によって形成された後方突出取付けフック１６７を受けかつ／又は該後方突出取付けフック１６７と協働して、第１の円周方向タングイングルーブ又はフックインハンガ相互連結の形態になる。後方位置制御リング１６４は、軸方向前方突出ハンガ１６８を含み、軸方向前方突出ハンガ１６８は、支持構造体後方セクション１５０の後方突出取付けフック１６９を受けかつ／又は該後方突出取付けフック１６９と協働して、第２の円周方向タングイングルーブ又はフックインハンガ相互連結の形態になる。

この例示的な実施形態では、ハンガ１６６及び／又は１６８は、それぞれのハンガ１５４及びハンガ１５６とダイレクト軸方向整列状態になっており、つまり同一の半径方向平面内でほぼ整列しており、シュラウド支持体１４４に対して、従って対応するシュラウドセグメント１３０に対して行われる半径方向支持及び／又は半径方向位置制御を最大にするのを可能にする。この整列配向により、シュラウド支持構造体全体の剛性を増大させることが可能になる。図２に示す別の実施形態では、ハンガ１６６及び／又はハンガ１６８は、それぞれのハンガ１５４及びハンガ１５６とオフセット軸方向整列状態になっており、つまり同一の半径方向平面内でほぼ整列していない。この例示的な実施形態では、シュラウドリング構造体１５８は、該シュラウドリング構造体１５８の後端部において燃焼器ケース（図示せず）にボルト止めされる。シュラウドリング構造体１５８は、燃焼器ケース接合面において前縁１３３から離れる方向に片持支持される。従って、中央セクション位置制御リング１６２は、燃焼器後方フランジ（図示せず）から数インチ離して配置され、それによって燃焼器ケースにおける半径方向歪みのあらゆる不均一な円周方向変化から切り離される。

この例示的な実施形態では、高圧冷却空気１７０は、シュラウド組立体１１０の上流に位置した圧縮機（図示せず）から抽出される。圧縮機から抽出された高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、高圧タービンセクション１１２を冷却うるのを可能にする。圧縮機から抽出された高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４を冷却するのを可能にする。さらに図１を参照すると、第１の部分１７１及び第２の部分１７２に対応する方向矢印は、それぞれ高圧タービンセクション能動対流冷却域１７３を通る高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１及び低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６（後述する）を通る高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２のフローパスの少なくとも一部分を示している。

この実施形態では、高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、第１のつまり高圧タービンセクション能動対流冷却域１７３内に調量して送られる。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、シュラウド支持体１４４内に形成された少なくとも１つの高圧タービンセクション（ＨＰＴＳ）送給孔１７４を通して調量して送られる。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、高圧タービンセクション能動対流冷却域１７３内に配置された鍋形ＨＰＴＳインピンジメントバッフル１７５に対して衝突する。バッフル１７５は、シュラウド支持体１４４に結合され、従って少なくとも部分的に上方ＨＰＴＳ空洞又はプレナム１７６を形成する。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は次に、インピンジメントバッフル１７５内に形成された複数の穿孔１７７を通して、シュラウドセグメント１３０内に形成された下方ＨＰＴＳ空洞又はプレナム１７８内に冷却空気として調量して送られ、その下方ＨＰＴＳ空洞又はプレナム内において、冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の裏面１７９に対して衝突する。使用済みインピンジメント冷却空気１８０のような高圧冷却空気の一部分は、高圧タービンノズル外側バンド１８３と前縁１３３との間に形成されたギャップ１８２をパージするのを可能にするように構成された、シュラウドセグメント前縁１３３に又は該シュラウドセグメント前縁１３３の近くに形成された複数の前方に向いた冷却開口１８１を通してプレナム１７８から流出する。高圧冷却空気の一部分１８４は、シュラウドセグメント１３０内に形成された複数の後方に向いた冷却開口１８５を通して調量して送られて、内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却するのを可能にする。冷却開口１８１から流出した高圧冷却空気の使用済みインピンジメント冷却空気１８０は、前縁１３３におけるシュラウド組立体１１０内への高温ガスの進入又は再循環を防止する又は制限するのを可能にする。

圧縮機から抽出された高圧冷却空気の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４を冷却するのを可能にする。この実施形態では、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、第２のつまり低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６内に調量して送られる。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４内に形成された少なくとも１つの低圧タービン送給孔１８７を通して調量して送られる。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６内に配置された鍋形低圧タービンセクション（ＬＰＴＳ）インピンジメントバッフル１８８に対して衝突する。バッフル１８８は、シュラウド支持体１４４に結合され、従って上方ＬＰＴＳ空洞又はプレナム１８９を少なくとも部分的に形成する。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は次に、インピンジメントバッフル１８８内に形成された穿孔１９０を通してかつ下方ＬＰＴＳ空洞又はプレナム１９１内に調量して送られ、その下方ＬＰＴＳ空洞又はプレナム１９１内において、高圧冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の裏面１９２に対して衝突する。冷却空気１９３は、シュラウドセグメント１３０を貫通して形成された複数の後方に向いた冷却開口１９４を通してプレナム１９１から流出して、下流のシュラウドセグメント１３０の後縁１３７の半径方向内表面１４０をフィルム冷却するのを可能にする。

図１に示すように、高圧冷却空気１７０は、先ず始めに、少なくとも部分的に高圧タービンノズル外側バンド１８３と中央セクション位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造体１５８の部分との間に形成されたダクト２０４内に導かれる。高圧冷却空気１７０は、ダクト２０４を通して該高圧冷却空気１７０を導かれながら、該ダクト２０４内で第１の部分１７１と第２の部分１７２とに分離される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、ＨＰＴＳ送給孔１７４を通して能動対流冷却域１７３及びプレナム１７８内に調量して送られて、高圧タービンセクション１１２をインピンジメント冷却するのを可能にする。使用済みインピンジメント冷却空気１８０は、シュラウドセグメント前縁冷却開口１８１を通してシュラウドセグメント１３０から流出して高圧タービンノズル外側バンド１８３とシュラウドセグメント１３０との間に形成されたギャップ１８２をパージするのを可能にし、また／或いは高圧タービンセクション１１２の後端部２０５に形成された冷却開口１８５を通してシュラウドセグメント１３０から流出して該シュラウドセグメント１３０の内表面１３８及び／又は１４０をフィルム冷却するのを可能にする。

高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、少なくとも部分的にシュラウド支持体１４４とシュラウドセグメント１３０との間にかつ中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に形成された第２の能動対流冷却域１８６内に導かれる。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４を冷却するのを可能にする。１つの実施形態では、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４内に形成された複数の低圧タービン送給孔１８７を通して調量して送られる。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４とシュラウドリング構造体１５８との間にかつ中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に非能動対流冷却域２１１を形成した第３の領域２１０を冷却空気がバイパスするように、能動対流冷却域１８６内に直接調量して送られて、低圧タービンセクション１１４におけるシュラウドセグメントインピンジメント冷却を可能にする。使用済みインピンジメント冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の後縁１３７に又は該後縁１３７の近くに形成された冷却開口１９４を通してシュラウドセグメント１３０から流出する。

図１に示すフローパスにおいて、高圧タービンセクション能動対流冷却域１７３及び／又は低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６は、直接的にかつ能動的に冷却される。低圧タービンセクション非能動対流冷却域２１１は、非能動的である、つまり何らの高圧冷却空気も非能動対流冷却域２１１を通って流れない。従がって、過渡エンジン作動時に生じる環境状態に対する非能動対流冷却域２１１内における温度応答は、低下される及び／又は遅延される。その結果、中央セクション位置制御リング１６２及び／又は後方位置制御リング１６４の過渡変位もまた、減少する及び／又は遅延する。

図２に示す別の実施形態では、高圧冷却空気１７０は、少なくとも部分的に高圧タービンノズル外側バンド１８３と中央セクション位置制御リング１６２を形成したシュラウドリング構造体１５８との間に形成されたダクト２０４内に導かれる。高圧冷却空気１７０は、第１の部分１７１と第２の部分１７２とに分離される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、１つ又は複数のＨＰＴＳ送給孔１７４を通して、少なくとも部分的にプレナム１７６及びプレナム１７８を形成した高圧タービンセクション能動対流冷却域１７３内に調量して送られて、高圧タービンセクション１１２におけるシュラウドセグメントインピンジメント冷却を可能にする。使用済みインピンジメント冷却空気１８０は、シュラウドセグメント前縁冷却開口１８１を通してシュラウドセグメント１３０から流出して、高圧タービンノズル外側バンド１８３とシュラウドセグメント１３０との間のギャップ１８２をパージするのを可能にし、また／或いは高圧タービンセクション１１２の後端部２０５に形成された冷却開口１８５を通してシュラウドセグメント１３０から流出して、内表面１３８及び／又は１４０をフィルム冷却するのを可能にする。

高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、少なくとも部分的にシュラウド支持体１４４とシュラウドセグメント１３０との間にかつ中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に形成された低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６内に導かれて、低圧タービンセクション１１４を冷却するのを可能にする。１つの実施形態では、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４を貫通して形成された複数の低圧タービン送給孔１８７を通して調量して送られる。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、少なくとも部分的にプレナム１８９及びプレナム１９１を形成した低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６内に直接調量して送られて、低圧タービンセクション１１４におけるシュラウドセグメントインピンジメント冷却を可能にする。使用済みインピンジメント冷却空気１９３は、シュラウドセグメント１３０の後縁１３７に又は該後縁１３７の近くに形成された冷却開口１９４を通して該シュラウドセグメント１３０から流出する。

図１及び図２に示すようなシュラウド冷却組立体は、それぞれ１つ又は複数の送給孔１７４及び送給孔１８７を通して、高圧タービンセクション能動対流冷却域１７３及び／又は低圧タービンセクション能動対流冷却域１８６内に高圧冷却空気を直接導く。

図１及び図２に示すようなシュラウド冷却組立体では、高圧冷却空気は、低圧タービンセクション非能動対流冷却域２１１内には調量して送られないし或いは導かれない。その結果、低圧タービンセクション非能動対流冷却域２１１を形成した構成部品は、過渡エンジン作動時に、従来型のシュラウド冷却組立体内の能動対流冷却域を形成した構成部品よりも比較的低速で温度状態及び／又は環境に応答する。温度状態及び／又は環境に対するこのより低速の応答は、中央セクション位置制御リング１６２及び／又は後方位置制御リング１６４の比較的低速の過渡変位を可能にする。

従って、低圧タービンセクションシュラウドリング構造体をバイパスさせることによって、図１及び図２に示す高圧冷却空気フローパスは、過渡エンジン作動時にシュラウドセグメントの過渡温度応答及び／又は変位を減少させるかつ／又は遅延させるのを可能にする。この一層低速の応答はさらに、ブレード先端間隙及びタービンエンジン効率の改善を可能にする。

図３は、例示的なタービンノズル及びシュラウド組立体３００を示している。シュラウド組立体３００は、シュラウド組立体１１０（図１及び図２に示す）と同様であり、組立体１１０の構成部品と同一である組立体３００の構成部品は、図３において同じ参照符号を用いて特定している。ギャップ１８２は、上流タービンノズル３０２の外側バンド１８３と、シュラウドセグメント１３０を含む隣接する下流シュラウド組立体１１０との間の接合面に形成される。この例示的な実施形態では、タービンノズル３０２は、シュラウドセグメント１３０の上流に位置しかつ該シュラウドセグメント１３０に結合され（組合わされ）て、ガスタービンエンジン用のタービンノズル及びシュラウド組立体３００を形成する。

シュラウドセグメント前縁１３３は、シュラウドセグメント１３０の前面３０４を形成する。この例示的な実施形態では、前面３０４は、部分的にギャップ１８２を形成する丸形又は弓形のコーナ部３０６を含む。さらに、コーナ部３０６は、以下により詳細に説明するように、シュラウドセグメント１３０の内表面１３８、１４０に又は該内表面１３８、１４０に隣接して又は該内表面１３８、１４０の近くに、その全体を方向矢印３０８によって表したフィルム冷却層を形成する或いは発生するのを可能にするように構成される。

外側バンド１８３は、該外側バンド１８３の後面３１２を形成した後縁３１０を有する。タービンノズル３０２がシュラウドセグメント１３０に組合わされた時に、後面３１２と前面３０４との間にはギャップ１８２が形成される。ギャップ１８２は、冷却空気３２０が、矢印３２５で表したほぼ軸方向に進む燃焼ガスつまり高温ガスフローパスに向かって半径方向内向きに流れるのを可能にする。高温ガスフローパス３２５は、ガスタービンエンジンによって定まる中心軸線３２６とほぼ平行に流れる。冷却空気３２０には、少なくとも部分的に外側バンド１８３によって形成されたタービンノズル能動対流冷却域３３１から流出する使用済みタービンノズル冷却空気３３０、少なくとも部分的にタービンノズル３０２とシュラウドセグメント１３０を含むシュラウド組立体１１０との間に形成されたダクト２０４（図１に示す）からの漏洩空気３３２、及び／又はシュラウドセグメント１３０と協働するシュラウド支持体１４４との間に形成された能動対流冷却域１７３（図１に示す）から流出するシュラウド前縁冷却空気３３４を含むことができる。

この例示的な実施形態では、後面３１２上にリップ３５０が形成される。より具体的には、この例示的な実施形態では、リップ３５０は、ギャップ１８２に対して半径方向内側に位置し、かつギャップ１８２のほぼ後方つまり下流に延びる。リップ３５０は、シュラウドセグメント１３０の内表面１３８、１４０に沿って冷却空気３２０を導いて、該シュラウドセグメント１３０をフィルム冷却するのを可能にするように構成される。より具体的には、リップ３５０は、ギャップ１８２から流出した冷却空気３２０を該リップ３５０に対して衝突させかつ冷却空気３２０をシュラウドセグメント１３０の内表面１３８、１４０に向けて導いて、シュラウドセグメント１３０をフィルム冷却するのを可能にするように構成される。さらに、リップ３５０は、ギャップ１８２の軸方向下流に延びることによって、ギャップ１８２を加圧して内表面１３８、１４０に又は該内表面１３８、１４０の近くにフィルム冷却層３０８を形成する又は発生させるのを可能にして、ギャップ１８２内への望ましくない高温ガス進入を制限することが可能になるようにすることができる。

この例示的な実施形態では、複数の吐出開口３６０が、後縁３１０の後面３１２内に形成される。吐出開口３６０は、ギャップ１８２内への使用済みタービンノズル冷却空気３３０の流れを調量して送るように構成される。図３に示すように、吐出開口３６０は、中心軸線３２６及び／又はガスタービンエンジンを通って流れる高温ガスフルーパス３２５とほぼ平行に配向される。吐出開口３６０は、コーナ部３０６に向けて使用済みタービンノズル冷却空気３３０を導いて、フィルム冷却層３０８を形成するのを可能にするように構成される。この例示的な実施形態では、吐出開口３６０は、シュラウドセグメント１３０の内表面１３８、１４０とほぼ直線的に整列している。

図４は、タービンノズル及びシュラウド組立体３００の別の実施形態を示している。図４に示す例示的な実施形態は、図３に示す実施形態とほぼ同様である。従って、図３に示す構成部品と同一である図４に示す構成部品は、図４においては図３において使用したのと同じ参照符号を用いて特定している。この例示的な実施形態では、複数の吐出開口３６２が、外側バンド後縁３１０内にかつリップ３５０を貫通して形成される。吐出開口３６２は、リップ３５０を通して使用済みタービンノズル冷却空気３３０の流れを調量して送るように構成される。冷却空気３２０はギャップ１８２から流出すると、冷却空気３２０は、リップ３５０に対して衝突しかつ丸コーナ部３０６に沿って流れてシュラウドセグメント１３０の内表面１３８、１４０に又は該内表面１３８、１４０に隣接して又は該内表面１３８、１４０の近くにフィルム冷却層３０８を形成し又は発生させて、該シュラウドセグメント１３０をフィルム冷却するのを可能にする。リップ３５０内に形成された吐出開口３６２から流出した使用済みタービンノズル冷却空気３３０は、内表面１４０に沿って形成されたフィルム冷却層３０８を高温ガスフローパス３２５から遮蔽するのを可能にする。より具体的には、使用済みタービンノズル冷却空気３３０は、フィルム冷却層３０８と高温ガスフローパス３２５との間にバリヤを形成するのを可能にする。図４に示すように、この例示的な実施形態では、吐出開口３６２は、高温ガスフローパス３２５とほぼ平行にリップ３５０内に形成される。

図３及び図４を参照すると、前方に向いた冷却開口１８１は、シュラウドセグメント前縁１３３内に形成されかつギャップ１８２内へのシュラウド前縁冷却空気３３４の流れを調量して送るように構成される。この例示的な実施形態では、冷却開口１８１は、図３に示すような後面３１２内に形成された吐出開口３６０又は図４に示すようなリップ３５０を貫通して延びる吐出開口３６２から半径方向外側に位置している。１つの例示的な実施形態では、少なくとも１つの冷却開口１８１は、少なくとも１つの吐出開口３６０、３６２とほぼ平行である。シュラウド前縁冷却空気３３４が冷却開口１８１からギャップ１８２内に流出すると、冷却空気３３４は、ダクト２０４（図１に示す）から導かれた漏洩空気３３２と混合する。混合した冷却空気３２０は、該冷却空気３２０がギャップ１８２から流出する時に、リップ３５０に対して衝突する。冷却空気３２０は次に、丸コーナ部３０６に沿って流れて、フィルム冷却層３０８を形成し又は発生させる。この例示的な実施形態では、図３に示すように、後面３１２を貫通する吐出開口３６０から流出した使用済みタービンノズル冷却空気３３０は、コーナ部３０６に向けて導かれて、シュラウドセグメント内表面１３８上にフィルム冷却層３０８の形成するのを可能にする。図４に示すような別の実施形態では、使用済みタービンノズル冷却空気３３０は、リップ３５０内に形成された吐出開口３６２から流出して、内表面１３８、１４０に沿って形成されたフィルム冷却層３０８を高温ガスフローパス３２５と接触しないように遮蔽するのを可能にする。

上述した方法及びシステムは、シュラウドセグメントをフィルム冷却するのを可能にする。本方法及びシステムは、高圧タービンを通って流れる高温ガスフローパスとタービンノズル及びシュラウドセグメント間に形成されたギャップを通って流れかつ該ギャップから流出する冷却空気との間にバリヤを形成するのを可能にする。より具体的には、ギャップを通って流れる冷却空気は、タービンノズルの後縁から延びるリップに対して衝突するように導かれる。リップは、ギャップに対して半径方向内側に位置しかつギャップの軸方向下流に延びて、シュラウドセグメントの前縁上に形成された丸コーナ部に向けて衝突後冷却空気を導き、コーナ部により、ギャップの下流でシュラウドセグメントの内表面に又は該内表面の近くに又は該内表面に隣接してフィルム冷却層が形成され又は発生することが可能になる。この例示的な実施形態では、後面内に形成された吐出開口を通してタービンノズル外側バンドから流出する使用済みタービンノズル冷却空気は、ギャップから流出する冷却空気を丸コーナ部に向けて導いて、さらにフィルム冷却層を形成する又は発生させるのを可能にする。別の実施形態では、リップ内に形成された吐出開口を通してタービンノズル外側バンドから流出する使用済みタービンノズル冷却空気は、ガスタービンエンジンを通って流れる高温ガスフローパスからフィルム冷却層を遮蔽するのを可能にする。その結果、延長リップは、高温ガスフローパスと、外側バンド及びシュラウドセグメント間に形成されたギャップを通って流れかつ該ギャップから流出する冷却空気との間のバリヤとして働く。さらに、延長リップは、ギャップ内の冷却空気を加圧して、従来型の冷却システム又は組立体において見ることができるようなノズル後縁伴流効果によるギャップ内への高温ガス進入を防止する又は制限するのを可能にする。

以上、シュラウドセグメントをフィルム冷却するための方法及びシステムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法及びシステムは、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、本方法のステップ及び／又は本システムの構成部品は、本明細書に記載したその他のステップ及び／又は構成部品とは独立してかつ別個に利用することができる。さらに、記載した方法ステップ及び／又はシステム構成部品は、その他の方法及び／又はシステム内で使用すること或いはその他の方法及び／又はシステムと組合せて使用することもでき、また本明細書に記載した方法及びシステムのみで実施することに限定されるものではない。

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変更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。

シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示す例示的なシュラウド組立体の側面図。 シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示す別のシュラウド組立体の側面図。 例示的なタービンノズル及びシュラウド組立体の概略図。 タービンノズル及びシュラウド組立体の別の実施形態の概略図。

符号の説明

１０８ タービンエンジン冷却組立体
１１０ シュラウド組立体
１１２ 高圧タービンセクション
１１４ 低圧タービンセクション
１３０ シュラウドセグメント
１３２ 取付けフック
１３３ 前縁
１３７ 後縁
１３８ 内表面
１４４ シュラウド支持体
１４６ 前方セクション
１４８ 中央セクション
１５０ 後方セクション
１５２ 協働ハンガ
１５２ 突出ハンガ
１５８ シュラウドリング構造体
１６２ 制御リング
１６６ 軸方向前方突出ハンガ
１６７ 後方突出取付けフック
１７０ 高圧冷却空気
１７１ 第１の部分
１７２ 第２の部分
１７３ 能動対流冷却域
１７４ 送給孔
１７５ バッフル
１７６ 空洞又はプレナム
１７７ 穿孔
１７９ 裏面
１８０ 使用済みインピンジメント冷却空気
１８１ 冷却開口
１８２ ギャップ
１８３ 外側バンド
１８４ 部分
１８５ 冷却開口
１８６ 能動対流冷却域
１８７ 送給孔
１８８ インピンジメントバッフル
１９０ 穿孔
１９３ 冷却空気
１９３ 使用済みインピンジメント冷却空気
２０４ ダクト
２０５ 後縁
２１１ 非能動対流冷却域
３００ ノズル及びシュラウド組立体
３０２ タービンノズル
３０４ 前面
３０６ コーナ部
３０８ フィルム冷却層
３１０ 後縁
３１２ 後面
３２０ 冷却空気
３２５ 高温ガスフローパス
３２６ 中心軸線
３３０ タービンノズル冷却空気
３３１ 能動対流冷却域
３３２ 漏洩空気
３３４ 前縁冷却空気
３５０ リップ

Claims (6)

1. ガスタービンエンジン用のタービンノズル及びシュラウド組立体（３００）であって、
   その前面（３０４）を形成した前縁（１３３）を含むシュラウドセグメント（１３０）と、
   その後面（３１２）を形成した後縁（１３７）を有する外側バンド（１８３）を含むタービンノズル（３０２）と、
   前記後面（３１２）内に形成された複数の吐出開口（３６２）と、
   を含み、
   前記タービンノズルが、前記シュラウドセグメントの上流に位置し、かつ前記後面及び前面間にギャップ（１８２）が形成されるように前記シュラウドセグメントと組合わされ、
   前記ギャップが、ガスタービンエンジンを通って流れる高温ガスフローパス（３２５）に向けて冷却空気を導くように構成され、
   前記後面が、前記ギャップに対して半径方向内側にて該後面上に形成されかつ前記ギャップの軸方向下流に延びるリップ（３５０）を含み、
   前記複数の吐出開口が、前記ギャップ（１８２）内に冷却空気（３２０）の流れを調量して送るように構成される、
   各吐出開口（３６２）が、前記シュラウドセグメント（１３０）の内表面とほぼ直線的に整列して、前記前縁（１３３）上に形成された丸コーナ部（３０６）に向けて冷却空気（３２０）を導くのを可能にする、
   タービンノズル及びシュラウド組立体（３００）。
2. 前記リップ（３５０）が、前記シュラウドセグメント（１３０）の内表面に沿って冷却空気（３２０）を導くように構成されて、該シュラウドセグメントの下流部分をフィルム冷却するのを可能にする、請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（３００）。
3. 前記複数の吐出開口の各吐出開口（３６２）が、前記前縁（１３３）上に形成された丸コーナ部（３０６）に向けて使用済みタービンノズル冷却空気（１８２）を導くように構成される、請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（３００）。
4. 前記前縁（１３３）内に形成された複数の前方に向いた冷却開口（１８１）をさらに含み、
   前記複数の冷却開口が、前記ギャップ（１８２）内に冷却空気（１９３）の流れを調量して送るように構成される、
   請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（３００）。
5. 前記複数の冷却開口（１８１）の少なくとも１つが、前記後面（３１２）内に形成された前記複数の吐出開口（３６２）の少なくとも１つとほぼ平行である、請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（３００）。
6. ガスタービンエンジン用の冷却システム（１０８）であって、前記ガスタービンエンジンが、
   前面（３０４）を形成した前縁（１３３）を有するシュラウドセグメント（１３０）と、
   後面（３１２）を形成した後縁（１３７）を有する外側バンド（１８３）を含むタービンノズル（３０２）と、
   前記後面（３１２）内に形成された複数の吐出開口（３６２）と、
   を含み、
   前記タービンノズルが、前記シュラウドセグメントの上流に位置し、かつ前記後面及び前面間にギャップ（１８２）が形成されるようにタービンシュラウド組立体（３００）と組合わされ、前記後面上に形成されたリップ（３５０）が、前記ギャップに対して半径方向内側に位置しかつ前記ギャップのほぼ軸方向下流に延び、
   該冷却システムが、
   前記ギャップを通して、かつガスタービンエンジンの中心軸線（３２６）とほぼ平行に該ガスタービンエンジンを通って流れる高温ガスフローパス（３２５）に向けて冷却空気（１９３）を導き、また
   前記ギャップから流出した冷却空気（１８０）を前記リップに対して衝突させて、前記シュラウドセグメントをフィルム冷却するのを可能にする、
   ように構成され、
   各吐出開口（３６２）が、前記シュラウドセグメント（１３０）の内表面とほぼ直線的に整列して、前記前縁（１３３）上に形成された丸コーナ部（３０６）に向けて冷却空気（３２０）を導くのを可能にする、
   冷却システム（１０８）。
   

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