JP6411754B2 - 二重壁タービン・シェルの熱制御用の流れスリーブおよび関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は概ね、タービン・ケーシング構造に関し、より詳細には、二重シェル・タービン・エンジン・デザインにおける外部タービン・シェルの内側表面上に取り付けられた流れスリーブに関する。

ガス・タービン・エンジンにおける効率および性能を最大にするためには、回転（たとえば、ロータ）および静止（たとえば、ステータ）部品間の隙間を最小限に保持しなければならない。しかし、このような隙間はまた、エンジンの複数の動作状態中の部品の温度変化および回転部品の速度変化に起因するロータおよびステータの伸縮に適応しなければならない。たとえば、ロータおよびステータ部品は温度の増加とともに半径方向に膨張し、一方でまた
、ロータ部品は速度変化とともに膨張または収縮する。

種々のシステムを用いて、半径方向および軸方向隙間をタービン動作のすべての状態を通じて調整および維持することが行なわれている。システムはたとえば、冷却および加熱用空気をロータおよび／またはステータ要素上へ供給する空気分配システムである。一般的に、空気をガス・タービン・エンジンの空気圧縮機から取って、タービン・ブレード、タービン・ホイール、ケーシング、またはタービン・ステータ・キャリア・リング上に分配する場合がある。特定の目的に応じて、空気を、圧縮機の複数の段から引き出す場合があるかまたは燃焼室エンクロージャから取って必要な加熱用空気を供給する場合がある。空気供給システムに調整バルブを設けて、空気流および温度の調節を、異なる供給源からの空気を混合することによって行なう場合がある。

米国特許第８，１５２，４４６号明細書

しかし、このようなシステムはすべての点で満足のいくものではなく、特に、二重シェル・ガス・タービン構成における外部シェルまたはケーシングの内側面に関してそうである。

１つの典型的だが非限定の実施形態では、ケーシングの内側面への固定に適応した流れスリーブが提供される。流れスリーブは、少なくとも２つの円弧状セグメントであって、各円弧状セグメントは、基部と、基部から半径方向外側に延びる一対の側壁であって、周囲方向に延びる流れチャンネルを側壁間に形成して空気を周囲方向に送るようにしている一対の側壁と、を備える少なくとも２つの円弧状セグメントと、基部における複数の流れ開口部であって、空気を半径方向内側方向に送るための複数の流れ開口部と、を備えている。

第２の典型的な態様では、タービン・ケーシングが提供される。タービン・ケーシングは、ガス・タービン・エンジン内の１または複数のタービン段を囲むように適合された内部および外部シェルであって、内部および外部シェルによってそれらの間で半径方向に空洞が形成され、外部シェルには空洞に対する空気入口が設けられている、内部および外部シェルと、外部シェルの内側面に固定された流れスリーブであって、空洞内において、流れスリーブは、少なくとも２つの円弧状セグメントであって、各円弧状セグメントは、基部と、基部から半径方向外側に延びる一対の側壁であって、周囲方向に延びる流れチャンネルを空気入口の半径方向内側に形成する一対の側壁と、を備える少なくとも２つの円弧状セグメントを備え、流れチャンネルは基部、側壁、および内側面によって画定され、流れチャンネルは、空気を内側面に沿って対向する周方向および軸方向に流すように適合されている、流れスリーブと、基部における複数の流れ開口部であって、流れチャンネル内の空気の一部を半径方向に空洞内に送るための複数の流れ開口部と、を備えている。

さらに他の典型的な態様では、タービン・ケーシングが提供される。タービン・ケーシングは、ガス・タービン・エンジン内の１または複数のタービン段を囲むように適合された少なくとも１つのシェルと、少なくとも１つのシェル内の空気入口と、少なくとも１つのシェルの内側面に固定された流れスリーブであって、流れスリーブは、少なくとも２つの円弧状セグメントであって、各円弧状セグメントは、基部と、基部から半径方向外側に延びる一対の側壁であって、基部、側壁、および内側面によって画定される周囲方向に延びる流れチャンネルを形成する一対の側壁と、を備える少なくとも２つの円弧状セグメントを備え、空気入口は流れチャンネルと位置合わせされている流れスリーブと、を備え、流れスリーブは、チャンネル内を流れる空気を、１または複数のタービン段のすぐ近くのスペースであって、少なくとも１つのシェルの内側面に沿う方向を含む周方向、半径方向、および軸方向のスペース内に分配するように構成されている。

さらに他の典型的な実施形態では、ターボ機械内の選択領域に冷却または加熱用空気を供給する方法が提供される。本方法は、ターボ機械の壁上の選択領域内に流れスリーブを設けることと、空気を流れスリーブに供給することと、流れスリーブを、流れスリーブに供給される空気を選択領域の目標表面のみに沿って流れスリーブの内外で送るように構成することと、を含んでいる。

次に本発明を、以下に特定される図面と関連して詳細に説明する。

本発明に対する対象領域を含む既知のガス・タービン・エンジン構成の単純化した断面である。 典型的だが非限定の実施形態による流れスリーブ・セグメントの上方斜視図であり、流れスリーブ・セグメントによって可能になる３つの冷却流経路を例示する図である。 図２に示す流れスリーブ・セグメントの下方斜視図である。 図２および３の流れスリーブ・セグメントが設置された二重シェル・タービン・ケーシングの部分斜視図である。 図４に示すように設置された流れスリーブの断面図であり、流れスリーブ・セグメントによって可能になる３つの冷却流経路のうちの２つを例示する図である。

図１に例示するのは、既知のガス・タービン・エンジン１０であり、二重シェル・タービン・ケーシング内のチャンバまたは空洞の冷却に関する典型的な実施形態に対する背景を与えるものである。この既知の構成では、圧縮機１２からの空気が燃焼器のアレイに排出される。燃焼器は、「筒型」１４（１つを示す）の形態であり、ロータ・シャフト１６の周囲方向に配置されている。燃料が燃焼器に供給され、そこで圧縮機からの空気と混合されて、燃焼室１５内で燃焼される。燃焼に続いて、得られた燃焼ガスを用いてタービン部分１８が駆動される。タービン部分１８は、本実施例では、４つの連続段（４つのホイール２０、２２、２４、および２６によって表わされる）を備えている。４つのホイール２０、２２、２４、および２６は、ロータ・シャフト１６上に取り付けられてシャフト１６とともに回転するようになっている。各ホイールは、動翼の列（それぞれ、ブレード２８、３０、３２および３４で表される）を保持している。ホイールは、固定ノズル（それぞれ静翼３６、３８、４０および４２によって表わされる）間に交互に配列されている。したがって、４段のタービンとして、第１の段はノズル３６および動翼２８を備え、第２の段はノズル３８および動翼３０を備え、第３の段はノズル４０および動翼３２を備え、および第４の段はノズル４２および動翼３４を備えるものが例示されていることが分かる。

タービン１０は、外部の構造的格納または外部シェル４４と内部シェル４６とを備えている。内部シェル４６は、第１および第２の段における動翼を囲むシュラウド４８、５０を搭載している。外部シェル４４は、軸方向に対向する端部においてタービン排気フレームに固定され、上流端において圧縮機ケーシングに固定されている。外部シェルは通常、一対の円弧状半シェルを水平方向の継手フランジに沿って互いに結合したものを備えていることが分かる。内部シェル４６の軸方向範囲は１つからすべてのタービン段まで変化しても良いが、図１では、内部シェルは第１および第２のタービン段に沿って延びている。

外部および内部タービン・ケーシングまたはシェル４４、４６によって、内部および外部シェル間で半径方向に空洞５２が形成され、その範囲はほぼ最初の２つのタービン段である。しかし当然のことながら、本発明の目的上、空洞５２の形状および軸方向範囲は、図示したものから変化して、たとえば、３つまたは４つの段を含んでも良い。

次に、図２および３を参照して、三面の比較的浅い、Ｕ字形の流れスリーブまたはチャンネル５４を、別個の円弧状セグメントの形態で示す。円弧状セグメントは、本明細書でさらに説明するように、外部シェル４４の内部または内側表面５６の周りで延びて、外部シェルが流れスリーブまたはチャンネルの開いた側面を実質的に閉じるようになっている。ほとんどの応用例において、４つの流れスリーブ・セグメント５４を用いても良く（たとえば、四分円当たり１つ）、各範囲は約４５度である。しかし、当然のことながら、セグメントの数および円弧状範囲は具体的な応用例によって異なっても良い。最も広い意味において、スリーブはそれぞれ、円弧状範囲が、具体的な応用例に応じて、０度を超えて実質的に９０度までの範囲、好ましくは３０〜６０度の範囲である。流れスリーブ・セグメントは実質的に同一であるので、詳細に説明する必要があるのは１つだけである。

図２および３に示すように、流れスリーブ・セグメント５４は、基部５８と、その側面に位置する一対の半径方向外側に延びるサイド・フランジまたは側壁６０、６２とを備えるように形成されている。側壁６０、６２の半径方向の外縁は湾曲していて、側壁の外縁と外部シェル４４の内側表面５６との間にギャップができるようになっている。より具体的には、また非限定的な例によって、ギャップの形成は、スリーブ・セグメントを外部ケーシングまたはシェル４４の内側面５６に固定するために用いる取付けラグ（後述する）の適切なサイジングによって行なっても良い。

流れスリーブ・セグメント５４の基部５８には、４つの取付けラグ６４、６６、６８、および７０が設けられている。これらの取付ラグを用いて、流れスリーブ・セグメント５４を外部シェル４４（雌ネジ付き）に固定することを、好ましくは（しかし必ずしもではないが）外部シェル上の既存のボルト孔パターンを用いて行なう。しかし、ラグおよび関連するボルトの数およびパターンは、具体的な応用例によって変わっても良い。

取付けラグ６４、６６、６８および７０間に、軸方向に並べられた３つのエア・ジェット開口部７２のグループ分けが存在し、これらによって、流れスリーブ５４の底面上の噴射ノズル７４（図３参照）に対する入口が得られている。流れスリーブ・セグメント５４の対向する端部の付近で、その半径方向外側の側面上に、一対の周囲方向に延びる通気道７６、７８および８０、８２が存在する。これらは、３つの直立した（半径方向外側に延びる）フィン８４、８６、８８および９０、９２、および９４によって、それぞれ画定されている。各グループにおけるフィンは、所望の流れ特性に応じて、互いに平行であっても良いしまたは角度が付いていても良い。各通気道の外端において、取り入れ口または他の表面特徴部９６、９８、１００、および１０２がそれぞれ設けられている。これらは、基部に沿って流れる空気を捕らえて、その空気を、空気噴射ノズル１０４、１０６、および１０８、１１０を介して半径方向内側に送る。空気噴射ノズル１０４、１０６、および１０８、１１０は、流れスリーブの底面から半径方向に突き出ている（図３参照）。噴射ノズルの数、間隔、および箇所も、具体的な応用例によって異なっても良い。

典型的な実施形態では、各流れスリーブ・セグメント５４は、空洞５２内の外部シェル４４の内部表面５６に固定されている。これは図４および５において最も良く分かる。前述したように、空洞５２の範囲は少なくとも第１および第２のタービン段であるが、本発明は、空洞の範囲の段数によって限定されることも、流れスリーブ５４の何らかの特定の幅に限定されることもない。一例では、空洞５２の範囲は３つの段であり、流れスリーブ５４の幅は空洞の軸方向長さのほぼ半分である。

図４および５に示すように設置された流れスリーブ・セグメント５４を用いて、複数の流路が、流れスリーブとともに流れスリーブに供給される圧縮機吐出空気によって作られている。圧縮機吐出空気の供給は、外部シェルまたはケーシングの周りに離間に配置された複数の圧縮機吐出空気入口１１２を介して行なわれる。たとえば、４つのこのような入口１１２を実質的に９０度の間隔で設けても良いが、この配置は変わっても良い。流れスリーブ・セグメント５４を用いることによって可能になる３つの流路を図２に示し、部分的に図５に示し、以下で詳細に説明する。

第１に、圧縮機吐出空気が、各流れスリーブ・セグメント５４に局所入口１１２を介して流れ込み、そして、基部５８に沿った対向する周囲方向と外部シェル４４の内側表面５６に沿った対向する周囲方向とに流れる。

第２に、空気の一部が、側壁６０、６２と外部シェルの内側表面５６との間のギャップのために、対向する軸方向に流れる。この流路は、空洞５２を画定する選択された軸方向および半径方向表面に沿ってまたその周りで延びて、これらの表面に対する対流冷却をもたらす。意義深いことに、これら第１の２つの流路はまた、外部シェル４４に対する熱伝達率（ＨＴＣ）のより高い値を達成する働きをする。空気流を、空洞５２を画定する表面に沿って送ることによって、空洞に供給される冷却用空気を減らしても良い。なぜならば、空洞全体を冷却用空気で満たす必要はないからである。

第３に、空気流の他の部分が、３組の噴射ノズルによって半径方向内側に送られる。具体的には、空気の一部は、中心に配置された噴射ノズル７４に流れ込み、空気の一部は流れスリーブの基部５８に沿って周囲方向に流れて、流路７６、７８、８０、および８２に入って取り込まれ、取り入れ口または他の表面特徴部９６、９８、１００、１０２を介して方向転換されて、半径方向に延びる噴射ノズル１０４、１０６および１０８、１１０の対の中に入る。なお、フィン８４、８６、８８および９０、９２、９４は、空気の流れを通路７６、８０および８２、８４に沿って噴射ノズルの上流で揃えることを、直交流成分をなくすことによって行なう働きをする。中心にある噴射ノズルと流れスリーブ・セグメントの対向する端部にある噴射ノズルとを通る異なる半径方向の流れは、内部シェル４４の内部構成の特定の表面を冷却することを目標とする。たとえば、噴射ノズル７４、１０４、１０６および１０８、１１０を出た空気によって、内部シェル４６上で軸方向に延びて周囲方向に離間に配置されたリブ１１２が衝突冷却される。フィンおよび噴射ノズルの数および配置と半径方向流れの具体的な目標とは、具体的な応用例および関連するタービン・シェル・デザインに応じて変えても良い。

別の典型的な実施形態において、タービン・シェルまたはケーシングが単一壁デザインの場合には、流れスリーブ・セグメント５４を単一シェルの内側表面に固定して、軸方向および周方向の流れによってシェルのＨＴＣが高まるようにしても良く、一方で、半径方向の流れを、概ね何らかの具体的な目標表面特徴部へではなくて、概ね段ノズル領域へ送ることで、ノズルおよびロータ間の半径方向隙間と動翼および周囲ステータ間の半径方向隙間との制御（すなわち、単一シェル）を向上させる。この例では、流れスリーブ・セグメントにおける半径方向開口部は、噴射ノズルを延ばす必要がないように十分であっても良い。

したがって、典型的な実施形態によって、冷却または加熱用空気をターボ機械内の空洞または選択領域へ供給するための効率的なメカニズムを提供することが、複数の流れスリーブ・セグメントを空洞または選択領域内においてターボ機械の壁面に取り付けること、空気を流れスリーブへ供給すること、および流れスリーブを、空気を実質的に流れスリーブの内側および／または外側において空洞または選択領域の目標表面のみに沿って分配するように構成することによって行なわれる。

種々の実施形態について本明細書で説明しているが、明細書から理解されるように、要素の種々の組み合わせ、そこでの変形、または改善が当業者によって行なわれても良く、それらは本発明の範囲内である。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの変更を行なっても良い。したがって本発明は、本発明を行なうために考えられるベスト・モードとして開示された特定の実施形態には限定されず、本発明には、添付の請求項の範囲に含まれるすべての実施形態が含まれることが意図されている。

Claims (17)

1. ケーシングの内側面への固定に適応した流れスリーブであって、
   少なくとも２つの円弧状セグメントであって、各円弧状セグメントは、基部と、該基部から半径方向外側に延びる一対の側壁であって、周囲方向に延びる流れチャンネルを前記側壁間に形成して、前記スリーブに供給される空気を周囲方向に送るようにしている一対の側壁と、を備える少なくとも２つの円弧状セグメントと、
   前記基部における複数の流れ開口部であって、空気を半径方向内側方向に送るための複数の流れ開口部と、
   前記スリーブを前記ケーシングの前記内側面に固定するための取付け特徴部であって、該取付け特徴部によって、前記流れスリーブの設置時に、実質的に一定の半径方向の間隙が前記側壁と前記内側面との間に設けられることで、空気が前記ケーシングの前記内側面に沿って軸方向に反対向きに流れることができる、取付け特徴部と、
   を備える、流れスリーブ。
2. 少なくとも１つの周囲方向に延びるフィンが、前記基部の対向する周囲方向の端部のすぐ近くに設けられて、前記基部の対向する周囲方向の端部に流路が少なくとも部分的に形成される、請求項１に記載の流れスリーブ。
3. 複数のフィンが、前記基部の対向する周囲方向の端部のすぐ近くに配列されることで複数の流路が形成され、各流路は、前記基部における少なくとも１つの対応する、半径方向に配向された開口部に向けて空気を送るように適合されている、請求項１または２に記載の流れスリーブ。
4. 前記基部に沿って設けられた少なくとも１つの画定された流路と、
   前記流路内の前記基部上の表面特徴部であって、前記少なくとも１つの画定された流路内の空気を捕らえて方向転換させて、前記基部における半径方向に配向された開口部内に入れる表面特徴部と、
   をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の流れスリーブ。
5. 前記少なくとも１つの半径方向に配向された開口部には、前記基部の底面から突き出る半径方向に配向された噴射ノズルに対する入口が含まれる、請求項３または４に記載の流れスリーブ。
6. 前記側壁は該ケーシングの該内側面に沿って湾曲していて、設置時に、半径方向の間隙が前記側壁と前記内側面との間に形成されることで、空気が該ケーシングの該内側面に沿って軸方向に反対向きに流れることが可能になっている、請求項１から５のいずれかに記載の流れスリーブ。
7. 前記少なくとも２つの円弧状セグメントは、４つの円弧状セグメントであって、各周囲範囲が０度を超えて実質的に９０度までの４つの円弧状セグメントである、請求項１から６のいずれかに記載の流れスリーブ。
8. ガス・タービン・エンジン内の１または複数のタービン段を囲むように適合された内部および外部シェルであって、前記内部および外部シェルによってそれらの間で半径方向に空洞が形成され、前記外部シェルには前記空洞に対する空気入口が設けられている、内部および外部シェルと、
   前記外部シェルの内側面に固定された流れスリーブであって、前記空洞内において、前記流れスリーブは、少なくとも２つの円弧状セグメントであって、各円弧状セグメントは、基部と、該基部から半径方向外側に延びる一対の側壁であって、周囲方向に延びる流れチャンネルを前記空気入口の半径方向内側に形成する一対の側壁と、を備える少なくとも２つの円弧状セグメントを備え、前記流れチャンネルは前記基部、前記側壁、および前記内側面によって画定され、前記流れチャンネルは、前記側壁と前記内側面との間に設けられた実質的に一定の半径方向の間隙により、空気を前記内側面に沿って周方向および軸方向に反対向きに流すように適合されている、流れスリーブと、
   前記基部における複数の流れ開口部であって、前記流れチャンネル内の該空気の一部を半径方向に前記空洞内に送るための複数の流れ開口部と、
   を備える、タービン・ケーシング。
9. 少なくとも１つの周囲方向に延びるフィンが、前記基部の対向する周囲方向の端部のすぐ近くに設けられて、前記基部の対向する周囲方向の端部に流路が少なくとも部分的に形成される、請求項８に記載のタービン・ケーシング。
10. 複数のフィンが、前記基部の対向する周囲方向の端部のすぐ近くに配列されることで、複数の流路であって、各流路は、前記基部における少なくとも１つの対応する、半径方向に配向された開口部に向けて空気を送るように適合されている複数の流路が形成される、請求項９に記載のタービン・ケーシング。
11. 前記基部に沿って設けられた少なくとも１つの画定された流路と、前記流路内の前記基部上の表面特徴部であって、前記少なくとも１つの画定された流路内の空気を捕らえて方向転換させて、前記基部における半径方向に配向された開口部を通して前記空洞内に入れるための表面特徴部をさらに備える、請求項８から１０のいずれかに記載のタービン・ケーシング。
12. 前記開口部には、前記基部の底面から前記空洞内に突き出る半径方向に配向された噴射ノズルに対する入口が含まれる、請求項１１に記載のタービン・ケーシング。
13. 前記側壁は該ケーシングの該内側面に沿って湾曲していて、設置時に、半径方向の間隙が前記側壁と前記内側面との間に形成されることで、前記流れチャンネル内の空気が前記外部シェルの該内側面に沿って軸方向に反対向きに流れることが可能になっている、請求項８から１２のいずれかに記載のタービン・ケーシング。
14. 該スリーブを該ケーシングの該内側面に固定するための取付け特徴部によって、該流れスリーブの設置時に、実質的に一定の半径方向の間隙が前記側壁と前記内側面との間に設けられることで、空気が該ケーシングの該内側面に沿って軸方向に反対向きに流れることができる、請求項８から１３のいずれかに記載のタービン・ケーシング。
15. 前記少なくとも２つの円弧状セグメントは、４つの円弧状セグメントであって、各周囲範囲が０度を超えて実質的に９０度までの４つの円弧状セグメントである、請求項８から１４のいずれかに記載のタービン・ケーシング。
16. ガス・タービン・エンジン内の１または複数のタービン段を囲むように適合された少なくとも１つのシェルと、
    前記少なくとも１つのシェル内の空気入口と、
    前記少なくとも１つのシェルの内側面に固定された流れスリーブであって、前記流れスリーブは、少なくとも２つの円弧状セグメントであって、各円弧状セグメントは、基部と、該基部から半径方向外側に延びる一対の側壁であって、前記基部、前記側壁、および前記内側面によって画定される周囲方向に延びる流れチャンネルを形成する一対の側壁と、を備える少なくとも２つの円弧状セグメントを備え、前記空気入口は前記流れチャンネルと位置合わせされている流れスリーブと、
    を備え、
    前記流れスリーブは、前記チャンネル内を流れる空気を、前記側壁と前記内側面との間に設けられた実質的に一定の半径方向の間隙により、前記１または複数のタービン段のすぐ近くのスペースであって、前記少なくとも１つのシェルの前記内側面に沿う方向を含む周方向、半径方向、および軸方向のスペース内に分配するように構成されている、
    タービン・ケーシング。
17. 前記少なくとも１つのシェルは、該ガス・タービン・エンジン内の１または複数のタービン段を囲むように適合された内部および外部シェルであって、それらの間で半径方向に空洞が形成された内部および外部シェルを備え、環状スリーブが前記空洞内の前記外部シェルの内側面に固定されている、請求項１６に記載のタービン・ケーシング。