JP5778946B2 - シール・スロット経路によるガス・タービン構成部品の冷却 - Google Patents

Description

本発明は、ガス・タービン用のシュラウドおよびノズルに関し、より詳細には、ガス・タービンのシュラウドおよびノズルを冷却するための配置に関する。

ガス・タービン内で用いられるシュラウドは、タービンを通る高温ガス経路を囲み、部分的に画定している。シュラウドは通常、高温ガス経路の周りに配置された複数の周方向に延びるシュラウド・セグメントを特長とし、各セグメントは別々の内部シュラウド・ボディと外部シュラウド・ボディとを備えている。従来、２つまたは３つの内部シュラウド・セグメントが各外部シュラウド・セグメントに対して存在し、外部シュラウド・セグメントはタービンの固定内部シェルまたはケーシングに固定され、内部シュラウド・セグメントは外部シュラウド・セグメントに固定されている。内部シュラウド・セグメントは、タービンの回転部品（すなわち、バケットまたはブレードの列を保持するロータ・ホイール）を直接囲んでいる。

内部シュラウド・セグメントは高温ガス経路内の高温燃焼ガスにさらされるため、内部シュラウド・セグメントを冷却するためのシステムが、セグメントの温度を下げるために必要であることが多い。これは特に、タービンの第１および第２の段における内部シュラウド・セグメントに対して当てはまる。これらは、タービン燃焼器に近接しているために燃焼ガスの超高温にさらされている。熱伝達率も、タービン・バケットまたはブレードが回転するために非常に高い。

シュラウドを冷却するために、通常、タービン圧縮機からの比較的冷たい空気が、セグメントを通る対流冷却孔を介して供給され、セグメント間のギャップ内に入ってセグメントの側面を冷却し、高温の経路ガスがギャップ内に巻き込まれることを防止している。しかし、単一の冷却孔だとパージおよび冷却される領域は小さい。なぜならば、冷却孔を出る冷却空気の速度が大きくて、冷却空気は高温のガス流路内に拡散するからである。

通常、衝突後の空気は、２つの内部シュラウド間のガス経路内に漏れて、シール・スロット表面上に配置される硬／布シールを通っていく。シュラウド・スラッシュ面（特に、バケット領域の上方）は寿命限定領域であり、主な原因は酸化である。これは、バケットからシュラウドのセグメント間ギャップに向けて放出される高温ガスが連続的に巻き込まれるために生じる。従来の冷却方法では、スラッシュ面に沿って設けられ衝突後の低温部分から穿孔された冷却孔か、シール・スロットの長さに沿って機械加工された離れた垂直経路を用いている。これらによって、スラッシュ面冷却はある程度まで改善されるが、その効果は、低寿命スラッシュ面領域の全長には及んでいないために、非常に局所的である。

シール・スロットを備えるガス・タービンの別の構成部品は、ノズルである。ノズルは、複数の部分（またはセグメント）と隣接セグメント間のシールとによって構成されている場合がある。ガス・タービンにおける稼働運転ノズルは、以前の溶接補修の結果または稼働中の応力緩和が原因で、側壁が歪んでいる場合がある。動作温度で印加される負荷に起因するクリープ歪みも、歪みの一因となる場合がある。このような側壁の動きによって、側壁内に含まれるシール・スロットは、エンジン中心に対する所定の場所から外れてしまうことになる。

側壁が所定の場所に押し戻されないと、隣接するセグメント間のシール・スロットの互いの位置合わせができなくなり、シールを所定の場所に取り付けるのは無理であることが分かる場合がある。あるいは、シールを強制的にスロット内に入れられる場合があるが、こうすると、ノズル・セグメントが互いに固定されてしまって、互いに動くことも「浮く」こともできなくなってしまう。この浮くことは、熱膨張を可能にするためには、また確実にセグメントが、動作中にシール面に対して加重する（フック・フィットおよびコーダル・ヒンジ）ためには、必要である。セグメントが互いに固定されてしまうと、それらは歪んで、それらのシール面に対して加重しなくなることが起こり得る。この結果、圧縮機吐出空気が直接、高温ガス経路内に漏れることになって、燃焼およびノズル冷却に利用できる空気量が減ることになる。燃焼用の空気が減る結果、タービン性能が低下して、排出量が増えることになる。利用できる冷却空気が減ると、結果として金属温度が上がるために、ノズルの酸化が激しくなり、また冷却がなくなると、ノズル内の温度勾配が変化して部品の亀裂も進むことになる。この結果、その後の修復コストが増えて、部品の寿命が短くなる場合がある。

また側壁の位置合わせが不良であると、流路段差につながる場合もある。高温ガスは、経路は滑らかではなくなるが、隣接するノズル・セグメント間の不一致につまづくことになり、その結果、乱流が生じ、ガス流のエネルギーが低下するために、性能が低下することになる。また乱流が生じると、ノズルへの熱伝達が増加するため、金属温度が上がって、酸化および亀裂が促進されることになる。

米国特許第７，６２５，１７２号明細書

したがって、ガス・タービンのシュラウドおよびノズルを冷却することが求められる。

一実施形態によれば、ガス・タービン内で用いる構成部品のセグメントは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間の一対の対向する側面と、各側面内に設けられたシール・スロットとを備える。シール・スロットは表面を備え、表面は、前縁から後縁に規定される軸方向に延びる経路と、経路への少なくとも１つの入口と、経路からの少なくとも１つの出口であって、軸方向において少なくとも１つの入口から下流方向に離間に配置された少なくとも１つの出口と、を有する。

別の実施形態によれば、ガス・タービンは、内部シュラウドおよびノズルの少なくとも一方であって、周方向に配置された複数のセグメントを備え、各セグメントは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間の一対の対向する側面とを備える、内部シュラウドおよびノズルの少なくとも一方と、各側面内に設けられたシール・スロットであって、シール・スロットは表面を備え、表面は、前縁から後縁に規定される軸方向に延びる経路と、経路への少なくとも１つの入口と、経路からの少なくとも１つの出口であって、軸方向において少なくとも１つの入口から下流方向に離間に配置された少なくとも１つの出口とを備える、シール・スロットと、を備える。

さらに別の実施形態によれば、ガス・タービンの構成部品を冷却する方法が提供される。構成部品は、周方向に配置された複数のセグメントを備える。各セグメントは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間の一対の対向する側面と、各側面内に設けられたシール・スロットとを備える。構成部品はさらに、各シール・スロット上にシールを備える。本方法は、シール下方のシール・スロット内に漏れる冷却空気を、少なくとも１つの入口を通してシール・スロットの表面内に形成される経路内に送ることであって、経路は、前縁から後縁に規定される軸方向に延びる、送ることと、漏出冷却空気を経路に沿って送ることと、漏出冷却空気を経路の外に少なくとも１つの出口を通して送ることであって、少なくとも１つの出口は軸方向において少なくとも１つの入口から下流方向に離間に配置されている、送ることと、を含む。

内部シュラウド・セグメントの正面斜視図である。 図１の内部シュラウド・セグメントの後面斜視図である。 図１および２の内部シュラウド・セグメントの側面斜視図である。 別の内部シュラウド・セグメントの側面斜視図である。 ガス・タービン・ノズル部分の斜視図である。 本発明の実施形態によるシール・スロット表面の平面図である。 本発明の別の実施形態によるシール・スロット表面の平面図である。 本発明のさらなる実施形態によるシール・スロット表面の平面図である。

図１〜３を参照して、内部シュラウド・セグメント２は前縁４および後縁６を備えている。内部シュラウド・セグメント２は、外部シュラウド・セグメントに、前縁フック８および後縁フック１０によって接続されるように構成されている。

内部シュラウド・セグメント２は、比較的冷たい空気をタービン圧縮機から受け取って内部シュラウド・セグメントを冷却する衝突キャビティ（またはプレナム）１２を備えている。図１に示すように、後縁対流冷却開口部１４が、内部シュラウド・セグメント２を通って延びており、また図２に示すように、前縁対流冷却開口部１６が前縁４に隣接して設けられている。

さらに図１〜３を参照して、内部シュラウド・セグメント２は、シール・スロット表面２２上に配置される硬／布シールを受け取るように構成されたシール・スロット１８を備えていても良い。通常、衝突後の空気は、２つの内部シュラウド・セグメント間のガス経路内に、シール・スロット表面２２上に配置される硬／布シールを通って漏れる。衝突後の漏れ／冷却空気は、シール・スロット１８上の硬／布シールの下方のシール・スロット１８に入り、高温ガス経路内に出ていくことによって、内部シュラウド・セグメントのスラッシュ面２０により近い所で能動冷却を行なう。スラッシュ面２０は、内部シュラウド・セグメント２の対向する側面上に設けられている。

図４を参照して、離れた経路２４がシール・スロット表面２２内に設けられている。衝突後の漏れ／冷却空気は、シール・スロット１８上の硬／布シールの下方の垂直な入口経路２４に入り、スラッシュ面２０に対して能動冷却を行なう。本明細書で用いる場合、用語垂直は、タービン・シュラウドを通る高温ガス経路の上流位置から下流位置に向かう方向において前縁から後縁に規定される内部シュラウド・セグメントの軸方向に垂直な方向を指す。入口経路２４によってもたらされる冷却は局所的であり、スラッシュ面領域の全長には及んでいない。

図５を参照して、ガス・タービン・ノズルの部分またはセグメントは、外壁４２と、内壁４６と、壁４２および４６間の翼４４とを備える。ノズル・セグメントは前縁４および後縁６を備える。また部分は、ノズル・セグメントの対向する側面内に設けられた多くのシール・スロット１８も備えている。シール・スロット１８は、端面シール（しばしば、スプライン・シールまたはスラッシュ面シールと言われる）を保持している。端面シールは、隣接するノズル・セグメント間をシールし、圧縮機吐出空気が高温ガス経路内に漏れることを防止し、高温ガスが構成部品内に巻き込まれることを防止するものである。

図６を参照して、本発明の実施形態によれば、シール・スロット表面２２は複数の垂直な入口経路２８を備えている。衝突後の漏れ／冷却空気２６は、複数の垂直な入口経路２８に入ってから、経路３０内を軸方向に流れ、そして垂直な出口経路３２に入って高温ガス経路３４内に出る。本明細書で用いる場合、用語軸方向は、タービンを通る高温ガス経路の上流位置から下流位置に向かう方向における前縁から後縁への内部シュラウド・セグメントの方向を指す。

図６に示すように、出口経路３２は、入口経路２８から交互に配置されている。この構成によって、高温ガス経路からの燃焼ガス３４が内部シュラウド・セグメントのシール・スロットに入り得る可能性が減る。しかし当然のことながら、入口経路２８および出口経路３２は、互いと同軸であっても良い。また当然のことながら、入口経路２８および／または出口経路３２は、軸方向経路３０に垂直であっても良いが、その代わりに、軸方向経路３０とある角度をなして設けられていても良い。さらに当然のことながら、入口経路の数は出口経路の数と異なっていても良いし、入口経路および／または出口経路の幅および／または長さが互いに異なっていても良い。

図７を参照して、別の実施形態によるシール・スロット表面２２は、複数の垂直な入口経路２８を備えている。衝突後の漏れ／冷却空気２６は、入口経路２８に入り、経路３０内に流れた後に、垂直な出口経路３２から高温ガス経路３４内へと流れていく。図７に示すように、出口経路３２は、シール・スロット表面２２の軸方向において入口経路２８の後に設けられている。この構成によって、前縁の逆流マージンが低い場合に堅固な冷却がもたらされる。なぜならば、この構成によって、高温ガスがセグメントの前縁付近の出口経路３２を通って短絡することが防止されるからである。

図８を参照して、別の実施形態によるシール・スロット表面２２は、経路３６を備えている。漏れ／冷却空気２６は経路に入口３８から入り、経路３６を出口４０から出ていく。経路３６は、シール・スロット表面２２においてジグザグ構成を取っても良い。ジグザグ構成の代わりにまたはこれと組み合わせて、経路は蛇行構成を備えていても良い。経路３６の各部分（またはセグメント）は、図８では直線であると示しているが、部分（またはセグメント）は、湾曲していても良いし、曲線であってもよいことを理解されたい。図８の構成では、図６および７に示す実施形態と比べて対流経路長の増加が得られている。

図６〜８の実施形態において示す経路３０および３６によって、スラッシュ面の高温面により近いシール・スロット表面２２の連続的な対流冷却が得られる。連続的な部分長または全長の軸方向対流冷却が得られることによって、衝突後の漏れ／冷却空気の熱伝達率は増加し、高温スラッシュ面により近いところでの効果的な冷却を実現することができる。高温金属により近いところで連続的な部分長または全長の軸方向対流冷却が得られれば、スラッシュ面を冷却することに役立ち、その結果、内部シュラウドおよび／またはノズル・セグメントの機械的寿命が伸びる。シュラウドおよび／またはノズルの低寿命領域、特に、タービンのバケット領域の上方のシュラウド・セグメントのスラッシュ面長さに施す冷却が高まるにつれて、より長い機械的寿命を達成することができる。

図６〜８に示す実施形態のシール・スロット表面は、内部シュラウド・セグメントまたはノズル・セグメントのシール・スロットにより鋳造しても良い。また当然のことながら、図６〜８に示すシール・スロット表面２２の実施形態は、内部シュラウドまたはノズル・セグメントのシール・スロット表面を放電加工することによって形成しても良い。こうして、既存のシュラウドおよび／またはノズル・セグメントに変更を加えて、連続的な軸方向経路と入口および出口とを有するシール・スロット表面を備えるようにしても良い。

シール・スロット経路に沿って流れる冷却流を用いて、スラッシュ面金属温度をある温度要求を下回るように冷却して、より均一な金属温度配布を実現することができる。連続的な部分長または全長の軸方向対流冷却を得ることによって、高温スラッシュ面により近いところでの効果的な冷却を実現することができる。スラッシュ面温度が下がることによって、シュラウドおよびノズル部分の時間間隔を長くすることができ、より長い機械的寿命を達成することができる。シュラウドおよび／またはノズルの寿命限定領域を目標としているので、ＨＧＰ間隔を増加させながら、より高い機械的寿命を実現することができる。

本発明を、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連させて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、それどころか、添付の請求項の趣旨および範囲に含まれる種々の変更および等価な配置に及ぶことが意図されていることを理解されたい。

Claims (12)

1. ガス・タービン・エンジン内で用いる構成部品のセグメントであって、
   前縁（４）と、
   後縁（６）と、
   前縁と後縁との間の一対の対向する側面（２０）と、
   各側面内に設けられたシール・スロット（１８）であって、シール・スロット（１８）は表面（２２）を備え、表面は、
   前縁から後縁に規定される軸方向に延びる経路（３０、３６）と、
   経路への少なくとも１つの入口（２８、３８）と、
   経路からの少なくとも１つの出口（３２、４０）であって、軸方向において少なくとも１つの入口から下流方向に離間に配置された少なくとも１つの出口とを備える、シール・スロット（１８）と、
   シール・スロット（１８）の少なくとも１つの出口（３２、４０）が配置され、高温燃焼ガスにさらされる第１の面と、
   シール・スロット（１８）の少なくとも１つの入口（２８、３８）が配置される第２の面であって、第２の面が第１の面に対向し、経路が第１の面と第２の面の間を延びる、第２の面と、
   を備えるセグメント。
2. 経路（３０）はシール・スロット表面（２２）の全軸方向長さに延びる請求項１に記載のセグメント。
3. 少なくとも１つの入口は少なくとも１つの入口経路（２８）を備え、少なくとも１つの出口は少なくとも１つの出口経路（３２）を備える請求項１または２に記載のセグメントまたは請求項２。
4. 少なくとも１つの入口経路（２８）および少なくとも１つの出口経路（３２）の少なくとも一方は、経路（３０）に垂直である請求項３に記載のセグメント。
5. 少なくとも１つの出口は複数の出口を備え、少なくとも１つの入口は複数の入口を備え、複数の出口は複数の入口から軸方向にずれている請求項１〜４のいずれか一項に記載のセグメント。
6. 少なくとも１つの出口は複数の出口を備え、少なくとも１つの入口は複数の入口を備え、すべての出口はすべての入口から軸方向の下流方向にある請求項１〜４のいずれか一項に記載のセグメント。
7. セグメントは内部シュラウド・セグメント又はノズル・セグメントを含む請求項１〜６のいずれか一項に記載のセグメント。
8. 内部シュラウドおよびノズルの少なくとも一方を備え、内部シュラウドおよびノズルの少なくとも一方は、周方向に配置された複数の請求項１〜７のいずれか一項に記載のセグメントを備えるガス・タービン・エンジン。
9. ガス・タービン・エンジンの構成部品を冷却する方法であって、
   構成部品は、周方向に配置された複数のセグメントであって、各セグメントは、前縁（４）と、後縁（６）と、第１及び第２の面と、前縁と後縁との間の一対の対向する側面（２０）と、各側面内に設けられたシール・スロット（１８）とを備える、複数のセグメントと、各シール・スロット上のシールと、を備え、
   前記方法は、
   シール下方のシール・スロット内に漏れる冷却空気を、第２の面に配置された少なくとも１つの入口（２８、３８）を通して、シール・スロットの表面（２２）内に形成される経路（３０、３６）内に送ることであって、経路は、高温燃焼ガスにさらされる第１の面と、第１の面に対向する第２の面の間で、前縁から後縁に規定される軸方向に延びる、送ることと、
   漏出冷却空気（２６）を経路に沿って送ることと、
   漏出冷却空気を経路の外に第１の面に配置された少なくとも１つの出口（３２、４０）を通して送ることであって、少なくとも１つの出口は軸方向において少なくとも１つの入口から下流方向に離間に配置されている、送ることと、を含む方法。
10. 少なくとも１つの入口は少なくとも１つの入口経路（２８）を備え、少なくとも１つの出口は少なくとも１つの出口経路（３２）を備える請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも１つの入口経路および少なくとも１つの出口経路の少なくとも一方は軸方向経路に垂直である請求項９または１０に記載の方法。
12. 少なくとも１つの出口は複数の出口を含み、少なくとも１つの入口は複数の入口を含み、複数の出口は複数の入口から軸方向にずれている請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。