JP6433994B2

JP6433994B2 - ３フックリングセグメント用の冷却システム

Info

Publication number: JP6433994B2
Application number: JP2016516668A
Authority: JP
Inventors: エックス．キャンベルクリスチャン; イングダリル; リーチン−パン; パタットハリー
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: EP3004553B1; CN105283638A; JP2016520757A; US8814507B1; WO2014193618A1; EP3004553A1; CN105283638B

Description

連邦政府による資金提供を受けた開発の記載
本発明のための開発は、アメリカ合衆国エネルギ省によって認められた契約番号DE-FC26-05NT42644によって一部補助された。したがって、アメリカ合衆国政府は本発明における何らかの権利を有することがある。

発明の分野
本発明は、ガスタービンエンジン用のリングセグメント、特に、ガスタービンエンジンにおけるリングセグメントの冷却に関する。

発明の背景
ガスタービンエンジンは、概して、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションと、排出セクションとを有する。作動時には、圧縮機セクションは周囲空気を引き込み、空気を圧縮してもよい。圧縮機セクションからの圧縮空気は燃焼器セクションにおける１つ又は複数の燃焼器に進入する。圧縮空気は燃焼器において燃料と混合され、空気・燃料混合物を燃焼器において燃焼させることができ、これにより、高温作動ガスを形成する。高温作動ガスはタービンセクションへ送られ、そこで固定翼と回転翼との交互の列を通って膨張させられ、ロータを駆動することができる動力を発生させるために利用される。タービンセクションから出た膨張したガスは、次いで、排出セクションを通じてエンジンから排出されてもよい。

燃焼タービンの最大電力出力は、燃焼セクションを通流するガスを可能な限り高い温度に加熱することによって達成される。しかしながら、高温ガスは、タービンセクションを通流するときに通過する翼及びリングセグメントなどの様々なタービン構成部材を加熱する。燃焼焼成温度を上昇させる可能性を制限する１つの態様は、上昇した温度に耐えるためのタービン構成部材の能力である。その結果、タービン高温部品を冷却するために様々な冷却方法が開発されてきた。

リングセグメントの場合、リングセグメントは、通常、リングセグメントパネルにインピンジ冷却を提供するためにインピンジプレートを通過する高圧空気が供給されるキャビティを有する。より長いリングセグメントには、高圧キャビティを中央部支持フックのそれぞれの側に１つずつの２つのキャビティに分割する、前方及び後方の支持フックの間に配置された中央支持フックが設けられていてもよい。米国特許第８３５３６６３号明細書に開示されているように、パネルを冷却するために２つのチャンバのそれぞれに高圧空気を提供することができる。

発明の概要
本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリが提供される。タービンシュラウドアセンブリは、リングセグメントを備え、リングセグメントは、リングセグメントパネルを有し、リングセグメントパネルは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間に形成された中央部とを有し、リングセグメントは、前縁における前方取付けフックと、中央部における中央部取付けフックと、後縁における後方取付けフックとを有する。リングセグメントキャリヤは、周方向に延びており、リングセグメントを支持するように設けられている。リングセグメントキャリヤは、前方セクションと、中央部と、後方セクションとを有する。前方セクションは、前方取付けフックに接続された前方ハンガを形成している。中央部は、中央部取付けフックに接続された中央部ハンガを形成しており、第１の漏れ通路を形成している。後方セクションは、後方取付けフックに接続された後方ハンガを形成しており、第２の漏れ通路を形成している。前方インピンジ冷却チャンバは、リングセグメントパネルとリングセグメントキャリヤとの間、及び前方取付けフックと中央部取付けフックとの間に形成されている。少なくとも１つの供給穴は、リングセグメントキャリヤを通って延びており、高圧冷却空気を前方インピンジ冷却チャンバ内へ計量供給するように構成されている。後方低圧チャンバは、リングセグメントパネルとリングセグメントキャリヤとの間、及び中央部ハンガと後方取付けフックとの間に形成されている。リングセグメントキャリヤは、冷却空気が後方低圧チャンバに進入するのを実質的に防止する。隔離板は、中央部取付けフックと、リングセグメントパネルに隣接した後方位置との間に延びており、隔離板とリングセグメントパネルとの間において後方低圧チャンバの半径方向内側に隔離チャンバを形成している。横断クロスオーバ通路は、中央部取付けフックを貫通して形成されており、冷却空気を前方インピンジ冷却チャンバから隔離チャンバへ提供し、隔離プレートは、隔離チャンバに提供された冷却空気が後方低圧チャンバに進入することを実質的に防止する。

前方インピンジ冷却プレートは、中央部取付けフックと、前方インピンジ冷却チャンバにおける前方位置との間に延びていてもよく、前方インピンジ冷却プレートは、インピンジ冷却穴を有し、前方インピンジ冷却チャンバを、半径方向外側の冷却チャンバ供給側と、半径方向内側のインピンジ冷却側とに分離している。前方インピンジ冷却チャンバの供給側における冷却空気は、第１の漏れ通路を通って後方低圧チャンバへ進入してもよく、後方低圧チャンバ内の冷却空気は、第２の漏れ通路を通ってタービンシュラウドアセンブリから流出してもよい。

隔離チャンバに提供された冷却空気は、リングセグメントパネルと接触するように方向付けられてもよく、中央部取付けフックに隣接した位置から後方取付けフックに隣接した位置までリングセグメントパネルに対流冷却を提供する。

隔離プレートは、中央部取付けフックと後方取付けフックとの間においてリングセグメントパネルの軸方向に延びる側に沿ってリングセグメントパネルに対して封止されていてもよい。

前方インピンジ冷却チャンバから隔離チャンバへの冷却空気の受渡しを行うために、横断クロスオーバ通路は、中央部取付けフックとの隔離プレートの接合部の半径方向内側に配置されていてもよい。

後方インピンジ冷却プレートは、横断クロスオーバ通路の半径方向内側において、隔離プレートと、中央部取付けフックとパネルに隣接した後方位置との間に延びるリングセグメントパネルとの間に配置されている。後方インピンジ冷却プレートは、隔離チャンバからパネルの外向きの面の少なくとも一部にインピンジ冷却を提供するインピンジ冷却穴を有してもよい。前方インピンジ冷却プレートは、中央部取付けフックと、前方インピンジ冷却チャンバにおける前方位置との間に延びていてもよく、前方及び後方のインピンジ冷却プレートは、パネルの一次ゾーンにインピンジ冷却を提供する一次ゾーン冷却プレートを有してもよく、さらに、パネルの二次ゾーンにインピンジ冷却を提供する前方及び後方の二次インピンジ冷却プレートを有し、それぞれの前方及び後方の一次及び二次冷却プレートは、中央部取付けフックの前方及び後方へ延びる２段階連続冷却通路を形成している。

複数の軸方向流れ対流冷却チャネルは、リングセグメントパネルの外側に形成されていてもよく、中央部ハンガフックに隣接した入口端部を有しており、入口端部は、隔離チャンバから冷却空気を受け取ってもよい。

１つ又は複数の軸方向対流冷却通路は、パネルの軸方向エッジに隣接するリングセグメントパネル内に延びていてもよく、軸方向対流冷却通路のそれぞれは、後方低圧チャンバから冷却空気を受け取る入口を有する。

複数の対流冷却通路は、パネルに設けられてもよく、前方インピンジ冷却チャンバからパネルの軸方向エッジまで延びており、対流冷却通路は、中央部取付けフックと、パネルの前縁との間に配置されている。

リングセグメントキャリヤの前方、中央部及び後方のセクションは、エンジン用のケーシングの協働構造と係合したそれぞれの前方、中央部及び後方の支持構造を有してもよい。前方高圧プレナムは、少なくとも１つの供給穴を通じて高圧冷却空気を提供するために、前方及び中央部の支持構造の間に形成されていてもよく、後方低圧プレナムは、中央部及び後方の支持構造の間に形成されていてもよく、かつ前方の高圧プレナムの高圧冷却空気から実質的に隔離されていてもよい。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリが提供されてもよい。タービンシュラウドアセンブリは、リングセグメントを備え、リングセグメントは、リングセグメントパネルを有し、リングセグメントパネルは、前縁と、後縁と、前縁と後縁との間に形成された中央部とを有し、リングセグメントは、前縁における前方取付けフックと、中央部における中央部取付けフックと、後縁における後方取付けフックとを有する。リングセグメントキャリヤは、周方向に延びており、リングセグメントを支持するように設けられている。リングセグメントキャリヤは、前方セクションと、中央部と、後方セクションとを有する。前方セクションは、前方取付けフックに接続された前方ハンガを形成している。中央部は、中央部取付けフックに接続された中央部ハンガを形成しており、第１の漏れ通路を形成している。後方セクションは、後方取付けフックに接続された後方ハンガを形成しており、第２の漏れ通路を形成している。リングセグメントキャリヤの前方セクションは、エンジンのケーシングの前方協働構造と係合させられた前方支持構造を有する。リングセグメントキャリヤの中央部は、ケーシングの中央部の協働構造と係合させられた中央部支持構造を有する。リングセグメントキャリヤの後方セクションは、ケーシングの後方協働構造と係合させられた後方支持構造を有する。リングセグメントパネルとリングセグメントキャリヤとの間、及び前方取付けフックと中央部取付けフックとの間に形成された前方インピンジ冷却チャンバに高圧冷却空気を提供するために、前方高圧プレナムは、前方支持構造と、中央部支持構造との間に形成されている。後方低圧プレナムは、中央部支持構造と後方支持構造との間に形成されており、前方高圧プレナムの高圧冷却空気から実質的に隔離されている。後方低圧チャンバは、リングセグメントパネルとリングセグメントキャリヤとの間、及び中央部ハンガと後方取付けフックとの間に形成されている。隔離チャンバは、中央部取付けフックと後方取付けフックとの間において後方低圧チャンバの半径方向内側に形成されている。横断クロスオーバ通路は、前方インピンジ冷却チャンバを隔離チャンバに接続している。隔離チャンバは、第２の漏れ通路を通る漏れ空気の減少を行うために、横断クロスオーバ通路を通じて提供される冷却空気から後方低圧チャンバを実質的に隔離している。

冷却空気の漏れは、前方インピンジ冷却チャンバから後方低圧チャンバへ第１の漏れ通路を通って通過してもよく、１つ又は複数の流れ通路は、後方低圧プレナムにおける圧力を減じかつ第２の漏れ通路を通る漏れ空気の減少をさらに行うために、後方低圧チャンバから、エンジンを通る高温ガス通路と流体接続したより低い圧力の位置まで延びていてもよい。

後方支持構造と、ケーシングの後方協働構造との間の係合は、タービンシュラウドアセンブリからの冷却空気の第３の漏れ通路を形成していてもよく、中央部支持構造と中央部協働面との間の係合は、前方高圧プレナムから後方低圧プレナムへの冷却空気の第４の漏れ通路を形成していてもよい。

後方低圧チャンバに進入する空気は、実質的に漏れ空気のみを含む。後方低圧チャンバ内の空気は、リングセグメントパネル内に延びる対流冷却通路用の冷却空気源を含んでもよい。対流冷却通路は、リングセグメントパネルの後縁までリングセグメントパネル内に軸方向に延びていてもよい。

図面の簡単な説明
明細書は、本発明を特に指摘しかつ本発明を明確に請求する請求項で終わっているが、本発明は、同じ参照符号が同じ要素を識別している添付の図面に関連した以下の説明からよりよく理解されると考えられる。

本発明の態様を備えるリングセグメントを有するタービンシュラウドアセンブリの断面図である。前方インピンジ冷却プレートを備えずに示された、発明の態様を例示する、リングセグメントの部分的に切り取られた透視図である。図２における線３−３に沿って見た断面図である。図２における線３Ａ−３Ａに沿って見た断面図である。リングセグメント用の代替的な対流冷却システムを示すタービンシュラウドアセンブリの断面図である。図４に示された対流冷却システムに代わる代替的な対流冷却システムを示す断面図である。リングセグメント用の別の代替的な対流冷却システムを示すタービンシュラウドアセンブリの断面図である。

発明の詳細な説明
好適な実施の形態の以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、例として、限定としてではなく、発明が実施されてよい特定の好適な実施の形態が示されている。本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、その他の実施の形態が使用されてもよく、変更がなされてもよいことが理解されるべきである。

発明の態様によれば、冷却空気漏れを減じるように構成された３フックリングセグメントの２ゾーン冷却を有するガスタービンエンジンにおけるアセンブリが提供される。特に、高温の作動ガスがタービンブレードを流過し、タービンブレードによって仕事が取り出される結果、リングセグメントの前縁から後縁へ大きな圧力降下が生じ得る。それ故に、前縁において要求される逆流マージンを維持するために提供される圧力が、後縁における冷却空気の過剰な漏れを生ぜしめる恐れがあることから、逆流マージンを維持するためにリングセグメントによって要求される冷却空気圧力が、前縁と後縁との間で異なる可能性がある。

本発明の態様は、特に、リングセグメントの中央部及び後方セクションのリングセグメント支持位置に形成された漏れ通路において生じる漏れ流に対処する。特定の構成では、リングセグメントを冷却するために提供される高圧空気からリングセグメントの後方取付けフックを隔離するために隔壁又は隔離プレートを設けることができ、これにより、後方取付けフックと、後方取付けフックに接続された後方ハンガとの間に形成された漏れ通路を通る漏れ空気流が減じられる。

発明の付加的な態様は、リングセグメントの軸方向長さに沿った、リングセグメントの周方向の係合するエッジにおける熱負荷の変動に対処する。例えば、リングセグメントにおける熱負荷はリングセグメントの前縁側の近くで最大であり、リングセグメントの後縁に向かって減少する。また、パネルの中央領域のためにインピンジ冷却が利用可能であってもよいのに対し、軸方向に延びるエッジは対流冷却通路を必要としてもよい。リングセグメントの前縁の近くのより高温の領域を冷却するために、冷却空気の初期使用を利用することができ、初期に使用された冷却空気は、次いで、リングセグメントを支持するための中央部取付けフックの後方などの、後縁の近くのリングセグメントの領域を冷却するために利用することができる。

図１を参照すると、タービンシュラウドアセンブリが例示されている。タービンシュラウドアセンブリは、全体として符号１０で示されており、タービンリングセグメント１２を有している。タービンリングセグメント１２はパネル１４を有する。パネル１４は、高温の作動ガスＦの下流への流れと直接接触し、タービンブレード１８の先端部の高い回転速度にさらされる内側１６を有する。以下でさらに詳細に説明するように、ブレード１８の周囲でエンジン内に周方向に延びる複数のリングセグメント１２が設けられており、リングセグメント１２は、複数のセグメントに分割されたリングセグメントキャリヤ２０によって支持されている。各リングセグメントキャリヤ２０は、周方向に延びており、１つ又は複数のリングセグメント１２を支持するように構成されている。リングセグメントキャリヤ２０は、以下でさらに説明するように、エンジンの外側ケーシング２２によって支持されている。

各リングセグメントのパネル１４は、前縁２４と、後縁２６と、これらの間に規定された中央部２８とを有する。加えて、リングセグメント１２は、前縁２４における前方取付けフック３０と、中央部２８における中央部取付けフック３２と、後縁２６における後方取付けフック３４とを有する。

各リングセグメントキャリヤ２０は、前方セクション３６と、中央部３８と、後方セクション４０とを有する。リングセグメントキャリヤ２０の前方セクション３６は、前方取付けフック３０に接続された前方ハンガ４２を形成している。特に、前方セクション３６は、リングセグメントキャリヤ２０の本体４６から延びる別個の前方ハンガ部材４４を有してもよく、前方ハンガ部材４４は、前方取付けフック３０のフランジセクション５０を受け入れるための溝又はスロット４８を形成している。前方ハンガ部材４４は、本体４６の溝又はスロット５４内に延びるハンガ部材フランジ５２によって本体４６に支持されている。前方フックフランジセクション５０と、前方ハンガ部材スロット４８との隣接する面、及びハンガ部材フランジ５２と、本体スロット５４との隣接する面は、それぞれ、前方インピンジ冷却チャンバ５６から上流方向への冷却空気の通過を実質的に制限するシールを形成している。前方インピンジ冷却チャンバ５６は、リングセグメントパネル１４とリングセグメントキャリヤ２０との間、及び前方取付けフック３０と中央部取付けフック３２との間に形成されている。

各リングセグメントキャリヤ２０の中央部３８は、中央部取付けフック３２に接続された中央部ハンガ５８を形成している。特に、中央部ハンガ５８は、中央部取付けフック３２のフランジセクション６２を受け入れる溝又はスロット６０を形成している。中央部フランジセクション６２と、中央部ハンガスロット６０との隣接面は、前方チャンバ５６から後方低圧チャンバ６４への冷却空気の通過を実質的に制限するシールを形成していることに注目してもよい。後方低圧チャンバ６４は、リングセグメントパネル１４とリングセグメントキャリヤ２０との間と、中央部取付けフック３２及びハンガ５８を含む構造と、後方取付けフック３４及び後方セクションハンガ６６を含む構造との間とに、形成されている。加えて、以下でさらに説明するように、中央部取付けフック３２と、中央部ハンガ５８との間のシールは、第１の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₁の少なくとも一部を形成しており、この第１の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₁を通って、前方冷却チャンバ５６からの冷却空気が、後方低圧チャンバ６４へ漏れ得る。

後方セクションハンガ６６は、リングセグメントキャリヤ２０に形成されており、後方取付けフック３４に接続されている。特に、後方セクションハンガ６６は、後方取付けフック３４のフランジセクション７０を受け入れる溝又はスロット６８を形成している。後方フランジセクション７０と、後方セクションハンガスロット６８との隣接面は、後方低圧チャンバ６４から下流方向への冷却空気の通過を実質的に制限するシールを形成していることに注目してもよい。加えて、以下でさらに説明するように、後方取付けフック３４と、後方ハンガ６６との間のシールは、第２の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₂の少なくとも一部を形成しており、この第２の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₂を通って冷却空気が後方低圧チャンバ６４から漏れ得る。

各リングセグメントキャリヤ２０の前方セクション３６は、エンジンケーシング２２の協働構造７４と係合させられた支持構造７２を有する。特に、支持構造７２は、協働構造７４の溝又はスロット７８内に係合させられたフランジセクション７６を有する。支持構造のフランジセクション７６と、協働構造のスロット７８との隣接面は、前方高圧プレナム８０から上流方向への冷却空気の通過を実質的に制限するシールを形成していることに注目してもよい。前方高圧プレナム８０は、リングキャリヤ本体４６とケーシング２２との間、及び協働構造７４と中央部支持構造８２との間に形成されている。

中央部支持構造８２は、リングセグメントキャリヤ２０の中央部３８に形成されており、エンジンケーシング２２の協働構造８６のスロット８８と係合させられたフランジセクション８４を有する。支持構造のフランジセクション８４と、協働構造のスロット８８との隣接面は、前方高圧プレナム８０から後方低圧プレナム９０に向かう下流方向への冷却空気の通過を実質的に制限するシールを形成していることに注目してもよい。後方低圧プレナム９０は、リングセグメントキャリヤ２０の本体４６とケーシング２２との間、及び中央部支持構造８２と後方支持構造９２との間に形成されている。

後方支持構造９２は、軸方向に延びるフランジを有する。このフランジは、後方支持構造９２を受け入れるスロット９６を形成する後方協働構造９４と係合させられ、協働する。後方支持構造９２と、後方協働構造９４との隣接面は、後方低圧プレナム９０から下流方向への冷却空気の通過を実質的に制限するシールを形成していることに注目してもよい。

加えて、以下でさらに説明するように、後方支持構造９２と後方協働構造９４との間のシールは、第３の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₃の少なくとも一部を形成しており、この第３の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₃を通って、冷却空気は後方低圧プレナム９０から漏れることがある。また、中央部支持構造８２と中央部協働構造８６との間のシールは、第４の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₄の少なくとも一部を形成しており、この第４の漏れ位置又は漏れ通路Ｌ₄を通って冷却空気が前方高圧プレナム８０から後方低圧プレナム９０へ漏れることがある。

高圧冷却空気は、タービンエンジンの圧縮機セクションから提供されるように、ケーシング２２を通って、前方高圧プレナム８０へ、冷却空気供給源に接続された供給通路９８を通って供給される。上述のように、中央部支持構造８４と、協働構造８６との間にシールが形成されており、後方プレナム９０は、前方プレナム８０に供給される高圧空気から実質的に隔離されている。

少なくとも１つの供給穴１００が、リングセグメントキャリヤ２０の本体４６を貫通して形成されており、前方プレナム８０から前方インピンジ冷却チャンバ５６へ高圧冷却空気を計量供給するように構成されている。１つ又は複数の供給穴１００は、好適には、前方プレナム８０内の空気と実質的に同じ圧力で高圧冷却空気を前方チャンバ５６に提供するようにサイズ決めされているが、損失は、前方チャンバ５６内に僅かにより低い圧力を生じ得る。

隔離板１０２は、中央部取付けフック３２と、リングセグメントパネル１４に隣接した後方位置との間に延びており、隔離板１０２とパネル１４との間に、後方低圧チャンバ６４よりも半径方向内側に隔離チャンバ１０４を形成している。特に、隔離板１０２は、中央部フック３２と中央部ハンガ５８との間に形成されたシールの領域に隣接した、この領域よりも半径方向内側の中央部フック３２における位置から、パネル１４に隣接した後方取付けフック３４における位置３５まで延びていてもよい。

複数の横断クロスオーバ通路１０６は、中央部取付けフック３２の半径方向内側端部を貫通して延びており、前方インピンジ冷却チャンバ５６と隔離チャンバ１０４との間に流体接続を提供している。インピンジ冷却プレート１０８は、リングセグメントパネル１４に隣接して前方チャンバ５６内に配置されており、中央部フック３２におけるクロスオーバ通路１０６よりも半径方向外側の位置３３から、前方取付けフック３０における位置３１として図１に示された前方位置まで延びている。インピンジ冷却プレート１０８は、前方インピンジ冷却チャンバ５６を、半径方向外側の冷却チャンバ供給側５６ａと、半径方向内側のインピンジ冷却側５６ｂとに分割している。複数のインピンジ冷却穴１１０は、インピンジ冷却プレート１０８を貫通して形成されており、供給側５６ａから冷却側５６ｂへの高圧空気の流れを可能にし、リングセグメントパネル１４の外側に面した面１５の少なくとも一部にインピンジ対流冷却を提供する。

前方チャンバ５６の冷却側５６ｂ内の冷却空気は高圧であり、供給側５６ａよりも約０．４ｂａｒ低い圧力のような、供給側５６ａ内の圧力よりも僅かに低い圧力であってもよい。冷却空気は、冷却側５６ｂからクロスオーバ通路１０６を通過し、高圧の冷却空気を隔離チャンバ１０４に提供する。この隔離チャンバ１０４において、冷却空気の圧力は、供給側５６ｂにおける圧力と実質的に同じであってもよい。

図１〜図３を参照すると、後方インピンジ冷却プレート１１２は、クロスオーバ通路１０６の半径方向内側において隔離プレート１０２とリングセグメントパネル１４との間に配置されており、中央部取付けフック３２と、パネル１４に隣接した後方位置との間に延びており、ここでは、後方取付けフック３４の内側端部に隣接した後方位置を有するように示されている。インピンジ冷却プレート１１２は、隔離チャンバ１０４を、半径方向外側の供給側１０４ａと、半径方向内側のインピンジ冷却側１０４ｂとに分割している。後方インピンジ冷却プレート１１２は、インピンジ冷却穴１１４を有する。インピンジ冷却穴１１４は、隔離チャンバ供給側１０４ａからインピンジ冷却側１０４ｂへの高圧冷却空気の流れを可能にし、パネル１４の外側に面した面１５の少なくとも一部にインピンジ対流冷却を提供する。

タービンシュラウドアセンブリ１０内の高圧空気は、実質的に、前方プレナム８０と、前方チャンバ５６と、隔離チャンバ１０４とに閉じ込められており、中央部取付けフック３２の前方及び後方のリングセグメントパネル１４の部分にインピンジ冷却を提供する。後方プレナム９０と、後方チャンバ６４とは、第４及び第１の漏れ通路Ｌ₄，Ｌ₁それぞれに沿って漏れ空気を受け取り、後方チャンバ６４内の冷却空気は、概して、後方プレナム９０内の冷却空気から隔離されている。実質的により低い圧力が、後方プレナム９０及び後方チャンバ６４内に維持され、これにより、第３及び第２の漏れ通路Ｌ₃，Ｌ₂それぞれを通るタービンシュラウドアセンブリ１０から高温ガス通路内への冷却空気の漏れを最小限に減じる。

後方インピンジ冷却プレート１１２に対する隔離プレート１０２の位置は、穴１１４を通る流れを制御するためにプレート１０２，１１２の間に空間を提供するように選択される。例えば、組立の制約を受け、位置３５における隔離プレート１０２と後方取付けフック３４との間の結合のロバスト性が維持されることを保証しつつ、本明細書に示されているよりも大きな隔離チャンバ１０４の体積が提供されてもよい。

セグメントの前縁及び後縁２４，２６の間には高温ガス通路における比較的な大きな差圧が存在し、前縁２４から後縁２６への圧力降下は、６ｂａｒのオーダであり得ることが理解されるべきである。例えば、前縁２４における高温ガス通路内の圧力は約１９ｂａｒであってもよく、後縁における圧力は約１３ｂａｒであってもよいが、圧力及び差圧についてここで提供される言及は、本発明の有利な態様を例示するという目的で提示されており、発明に対する限定ではない。

前方プレナム８０及び前方チャンバ５６に提供される圧力は、支持構造７２と、ハンガ部材フランジ５２と、フランジセクション５０との位置に形成された前方接続部における逆流漏れを防止するための逆流マージンを維持するのに十分であり、差圧は、高温ガス通路における圧力に対して２〜３ｂａｒのオーダであってもよい。

後方プレナム９０及び後方チャンバ６４への空気の漏れにより生じる圧力は、それぞれの前方プレナム８０及び前方チャンバ５６における圧力よりも約２〜３ｂａｒだけ低くてもよい。さらに、漏れ通路Ｌ₃，Ｌ₂の出口があるタービンシュラウドアセンブリ１０の後側、すなわち後方取付けフック３４及び後方セクションハンガ６６の下流における圧力は、下流ガス通路圧力よりも高圧であってもよいが、後方セクションハンガ６６の下流でかつ高温ガス通路の半径方向外側の隔離された領域Ｒ₁を形成する後縁２６におけるシール構造１１６の結果、後方プレナム９０及び後方チャンバ６４における圧力よりも低い。例えば、領域Ｒ₁における圧力は、後方プレナム９０及び後方チャンバ６４における圧力よりも約０．５〜３ｂａｒだけ低い範囲にあってもよい。後縁２６における高温ガスの圧力、及び領域Ｒ₁における圧力は、前縁２４における圧力よりも低いので、タービンシュラウドアセンブリの後端部内に十分な逆流マージンを維持するために必要とされる圧力は、さらに低い。後方プレナム９０及び後方チャンバ６４内に低い圧力を提供することによって、第３及び第２の漏れ通路Ｌ₃，Ｌ₂を通る漏れを駆動する圧力が減じられ、その結果、漏れによる冷却空気損失が減少する。

したがって、上記のことから、本発明の１つの態様は、漏れ通路位置における相対的な駆動圧力を減じるためにタービン高温ガス通路における周囲圧力に対するプレナム及びチャンバ内の圧力の制御を通じて、リングセグメント冷却システムからの漏れに対する制御を提供するということが明らかである。その結果、後方チャンバ６４によって規定された外側領域の大部分を高圧空気から隔離するこの構成は、リングセグメント１２に対する十分なインピンジ冷却を効率的に維持しながら、冷却空気要求の全体的な減少を生じる。

図２及び図３を参照すると、隔離プレート１０２と、後方インピンジ冷却プレート１１２とが、パネル１４の係合エッジ１１８及び１２０（図３）に隣接したパネル１４の半径方向外側に沿って、リングセグメント１２に接合されており、これにより、隔離チャンバ１０４は、中央部及び後方取付けフック３２，３４の間、及び係合エッジ１１８，１２０の間の封止された区画として構成されている。加えて、軸方向対流冷却通路１２２，１２４は、係合エッジ１１８，１２０に隣接してリングセグメントパネル１４を軸方向に貫通するように形成されていてもよく、高温ガス通路へ開口した、後縁２６における出口開口を有する。軸方向通路１２２，１２４は、後方低圧チャンバ６４へ開口したそれぞれの入口通路１２２ａ，１２４ａ（図３）を有する。後縁２６における高温ガス通路は後方チャンバ６４における圧力よりも低い圧力であるので、冷却空気は後方チャンバ６４から高温ガス通路内へ排出されるように流れ、後方チャンバ６４内の圧力を低下させ、係合エッジ１１８，１２０に隣接するパネル１４内に対流冷却を提供する。軸方向通路１２２，１２４への空気の調量、及び後方プレナム６４内の圧力の低下は、パネル１４内の冷却の増強を行いながら、第２の漏れ通路Ｌ₂を通過する漏れ空気の量を減じる。

より大きな漏れをも許容するより大きな冷却を達成するために、入口通路１２４ａ，１２４ｂ（図３）は、隔離チャンバ１０４の側１０４ａ，１０４ｂのうちのいずれかに接続されていてもよいことに注目すべきである。

加えて、冷却空気は、パネル１４の前方部分に沿って係合エッジ１１８，１２０へ提供されてもよい。特に、図１、図２及び図３Ａに示したように、複数の対流冷却通路１２５ａ，１２５ｂは、中央部取付けフック３２に隣接する位置と、前縁２４との間に設けられていてもよく、インピンジ冷却チャンバ５６のインピンジ冷却側５６ｂから係合エッジ１１８，１２０まで周方向に延びている。対流冷却通路１２５ａ，１２５ｂを通過する冷却空気は、インピンジ冷却チャンバ５６と、係合エッジ１１８，１２０との間においてパネル１４の前方部分に対流冷却を提供し、係合エッジ１１８，１２０において、隣接するリングセグメントの間の間隙に冷却空気を提供する。

図４を参照すると、リングセグメントパネル１４用の代替的な対流冷却回路を提供する発明の１つの態様が示されている。リングセグメントパネル１４の半径方向外側は、隔離チャンバ１０４’の半径方向内側部分として形成された、前方の周方向に延びる空気供給トラフ１２８を備えて形成されている。パネルは、さらに、供給トラフ１２８に隣接した前方端部を有し、供給トラフ１２８から冷却空気を受け取る、複数の平行な軸方向に延びるチャネル１３０を有する。チャネル１３０の半径方向外側は、隔離プレート１２０’の連続部であってもよい中実なプレート１３２によって後方低圧プレナム６４から分離されていてもよい。代替的に、チャネル１３０は、パネル１４の内側１６に隣接してリングセグメントパネル１４に形成されたキャストイン通路を有してもよい。チャネル１３０を通過する冷却空気は、後縁２６まで延びる出口通路１３１を通ってパネルから出てもよい。これにより、クロスオーバ通路１０６を通って隔離チャンバ６４に進入する空気は、パネル１４の内側１６にすぐ隣接した軸方向位置に沿って対流冷却を行うために、トラフ１２８内へ直接に通過することによってチャネル１３０に進入してもよい。

図４ａは、図４の冷却回路の代替的な構成を示しており、この場合、空気供給トラフ１２８の内面１３４にインピンジ冷却が提供される。特に、プレート１３２は、隔離プレート１０２とは別個のエレメントとして形成されており、チャネル１３０上に延びる中実のセクションを有し、トラフ１２８上に前方へ延びた延長部分１３２ａを有する。延長部分１３２ａは、クロスオーバ通路１０６から半径方向内側の位置において中央部取付けフック３２と交差しており、パネル１４の対流冷却のためにチャネル１３０に進入する前にトラフ１２８の内面１３４のインピンジ対流冷却を提供するインピンジ冷却穴１３６を有する。

図５を参照すると、中央部取付けフック３２の前方及び後方において二重のインピンジ冷却を有する、リングセグメントパネル１４用の代替的な対流冷却回路を提供する発明の別の態様が示されている。発明のこの態様によれば、第１及び第２の前方インピンジ対流冷却ゾーン又はチャンバ１３８ａ，１３８ｂは、中央部取付けフック３２の前方のリングセグメントパネル１４の半径方向外側に配置されており、第１及び第２の後方インピンジ対流冷却ゾーン又はチャンバ１４０ａ，１４０ｂは、中央部取付けフック３２の後方のリングセグメントパネル１４の半径方向外側に配置されている。

第１の前方冷却チャンバ１３８ａは、前方プレート１４２の第１のセクション１４２ａと、パネル１４の外側との間に形成されている。第１のセクション１４２ａは、パネル１４のインピンジ冷却のために前方インピンジ冷却チャンバ供給側５６ａから第１の前方冷却チャンバ１３８ａへ空気を通過させる、複数のインピンジ冷却穴１４４を有する。隔壁１４６は、半径方向及び周方向で第１及び第２の前方冷却チャンバ１３８ａ，１３８ｂの間に延びている。二次プレート１４８は、隔壁１４６の半径方向外側エッジから前方へ延びており、第２の前方冷却チャンバ１３８ｂの半径方向外側を形成している。二次供給チャンバ１５０は、第２の前方冷却チャンバ１３８ｂよりも半径方向外側において、二次プレート１４８と、前方プレート１４２の第２のセクション１４２ｂとの間に形成されている。

第１の前方チャンバ１３８ａ内へ通過する冷却空気は、パネル１４の一部にインピンジ冷却を提供し、隔壁１４６を通過して二次供給チャンバ１５０へ進入する。二次プレート１４８は、二次供給チャンバ１５０内の空気を第２の前方冷却チャンバ１３８ｂ内へ通過させるインピンジ冷却穴１５２を有しており、第２の前方冷却チャンバ１３８ｂにおいて、空気は、パネル１４の別の部分におけるインピンジ冷却を行う。第２の前方冷却チャンバ１３８ｂにおける空気は、次いで、複数の出口通路１５４内へ通過し、前縁２４を通ってリングセグメント２０から出てもよい。

隔離チャンバ１０４は、隔離プレート１０２と、後方プレート１５６の第１のセクション１５６ａとの間に形成されており、高圧空気は、前方インピンジ冷却チャンバ５６の供給側５６ａからクロスオーバ通路１０６を通って隔離チャンバ１０４へ提供される。第１の後方冷却チャンバ１４０ａは、後方プレート１５６の第１のセクション１５６ａと、パネル１４の外側との間に形成されている。第１のセクション１５６ａは、パネル１４のインピンジ冷却のために隔離チャンバ１０４から第１の後方冷却チャンバ１４０ａへ空気を通過させる、複数のインピンジ冷却穴１５８を有する。隔壁１６０は、半径方向及び周方向で第１及び第２の後方冷却チャンバ１４０ａ，１４０ｂの間に延びている。二次プレート１６２は、隔壁１６０の半径方向外側エッジから後方へ延びており、第２の後方冷却チャンバ１４０ｂの半径方向外側を形成している。二次供給チャンバ１６４は、第２の後方冷却チャンバ１４０ｂよりも半径方向外側において、二次プレート１６２と、後方プレート１５６の第２のセクション１５６ｂとの間に形成されている。

第１の後方チャンバ１４０ａ内へ通過する冷却空気は、パネル１４の一部にインピンジ冷却を提供し、隔壁１６０を通過して二次供給チャンバ１６４へ進入する。二次プレート１６２は、二次供給チャンバ１６４内の空気を第２の後方冷却チャンバ１４０ｂ内へ通過させるインピンジ冷却穴１６６を有しており、第２の後方冷却チャンバ１４０ｂにおいて、空気は、パネル１４の別の部分におけるインピンジ冷却を行う。第２の後方冷却チャンバ１４０ｂにおける空気は、次いで、複数の出口通路１６８内へ通過し、後縁２６を通ってリングセグメント２０から出てもよい。

したがって、図５の対流冷却システム５は、一次及び二次冷却ゾーン、すなわち、前方及び後方の冷却チャンバ１３８ａ，１３８ｂ及び１４０ａ，１４０ｂの対を提供し、それぞれの前方及び後方の一次及び二次冷却ゾーンの構成は、前記中央部取付けフック３２の前方及び後方へ延びる二段階連続冷却通路を形成している。

図５に示された構成では、隔離プレート１０２と、後方プレートの第２のセクション１５６ｂとは、後方低圧プレナム６４を高圧空気から実質的に隔離し、図１に関して上述したように、リングセグメントからの漏れ空気の減少を促進することが理解されてもよい。

本発明の特定の実施の形態が例示及び説明されているが、発明の思想及び範囲から逸脱することなく様々なその他の変更及び改変をなし得ることは当業者に明らかであろう。したがって、本発明の範囲に包含される全てのこのような変更及び改変を添付の請求項において網羅しようとするものである。

Claims

ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリにおいて、該タービンシュラウドアセンブリは、
リングセグメントであって、リングセグメントパネルを有し、該リングセグメントパネルは、前縁と、後縁と、前記前縁と前記後縁との間に規定された中央部とを有し、前記リングセグメントは、前記前縁における前方取付けフックと、前記中央部における中央部取付けフックと、前記後縁における後方取付けフックとを有する、リングセグメントと、
リングセグメントキャリヤであって、周方向に延びておりかつ前記リングセグメントを支持しており、前記リングセグメントキャリヤは、前方セクションと、中央部と、後方セクションとを有し、前記前方セクションは、前記前方取付けフックに接続された前方ハンガを形成しており、前記中央部は、前記中央部取付けフックに接続された中央部ハンガを形成し、前記中央部取付けフックと前記中央部ハンガとの間のシールが第１の漏れ通路の少なくとも一部を形成しており、前記後方セクションは、前記後方取付けフックに接続された後方ハンガを形成し、前記後方取付けフックと前記後方ハンガとの間のシールが第２の漏れ通路の少なくとも一部を形成している、リングセグメントキャリヤと、
前方インピンジ冷却チャンバであって、前記リングセグメントパネルと前記リングセグメントキャリヤとの間、かつ前記前方取付けフックと前記中央部取付けフックとの間に形成されている、前方インピンジ冷却チャンバと、
前記リングセグメントキャリヤを貫通し、高圧冷却空気を前記前方インピンジ冷却チャンバ内へ計量供給するように構成されている、少なくとも１つの供給穴と、
後方低圧チャンバであって、前記リングセグメントパネルと前記リングセグメントキャリヤとの間、かつ前記中央部ハンガと前記後方取付けフックとの間に形成され、前記リングセグメントキャリヤは、冷却空気が前記後方低圧チャンバに進入することを実質的に防止する、後方低圧チャンバと、
隔離プレートであって、前記中央部取付けフックと、前記リングセグメントパネルに隣接した後方位置との間に延びており、前記隔離プレートと前記リングセグメントパネルとの間に前記後方低圧チャンバの半径方向内側に隔離チャンバを形成している、隔離プレートと、
横断クロスオーバ通路であって、前記中央部取付けフックを貫通して形成されており、かつ前記前方インピンジ冷却チャンバから前記隔離チャンバへ冷却空気を提供し、前記隔離プレートは、前記隔離チャンバに提供された冷却空気が前記後方低圧チャンバに進入することを実質的に防止する、横断クロスオーバ通路と、
を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリ。
前記中央部取付けフックと、前記前方インピンジ冷却チャンバにおける前方位置との間に延びる前方インピンジ冷却プレートを備え、該前方インピンジ冷却プレートは、インピンジ冷却穴を有し、前記前方インピンジ冷却チャンバを、半径方向外側の冷却チャンバ供給側と、半径方向内側のインピンジ冷却側とに分離している、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記前方インピンジ冷却チャンバの前記供給側における冷却空気は、前記第１の漏れ通路を通って前記後方低圧チャンバへ進入し、前記後方低圧チャンバ内の冷却空気は、前記第２の漏れ通路を通って前記タービンシュラウドアセンブリから流出する、請求項２記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記隔離チャンバに提供された冷却空気は、前記リングセグメントパネルと接触するように方向付けられ、前記中央部取付けフックに隣接した位置から、前記後方取付けフックに隣接した位置まで前記リングセグメントパネルに対流冷却を提供する、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記隔離プレートは、前記中央部取付けフックと前記後方取付けフックとの間において、前記リングセグメントパネルの軸方向に延びる側に沿って前記リングセグメントパネルに対して封止されている、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記前方インピンジ冷却チャンバから前記隔離チャンバへの冷却空気の受渡しを行うために、前記横断クロスオーバ通路は、前記中央部取付けフックとの前記隔離プレートの接合部の半径方向内側に配置されている、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記隔離プレートと前記リングセグメントパネルとの間において前記横断クロスオーバ通路の半径方向内側に配置された、前記中央部取付けフックと、前記リングセグメントパネルに隣接した後方位置との間に延びる、後方インピンジ冷却プレートを備え、該後方インピンジ冷却プレートは、インピンジ冷却穴を有し、前記隔離チャンバから、前記リングセグメントパネルの外向きの面の少なくとも一部にインピンジ冷却を提供する、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記中央部取付けフックと、前記前方インピンジ冷却チャンバ内の前方位置との間に延びる前方インピンジ冷却プレートを備え、該前方インピンジ冷却プレートは、前記リングセグメントパネルの一次ゾーンにインピンジ冷却を提供する一次ゾーン冷却プレートであり、前記後方インピンジ冷却プレートは、前記リングセグメントパネルの二次ゾーンにインピンジ冷却を提供する二次インピンジ冷却プレートであり、前記一次及び二次冷却プレートは、前記中央部取付けフックの前方及び後方に延びる２段階連続冷却通路を形成している、請求項７記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記リングセグメントパネルの外側に形成され、前記中央部取付けフックに隣接した入口端部を有する、複数の軸方向流れ対流冷却チャネルを備え、前記入口端部は、前記隔離チャンバから冷却空気を受け取る、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記リングセグメントパネルの係合エッジに隣接する前記リングセグメントパネル内に延びる１つ又は複数の軸方向対流冷却通路を備え、該軸方向対流冷却通路はそれぞれ、前記後方低圧チャンバへ開口し該後方低圧チャンバから冷却空気を受け取る入口通路を有する、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記前方インピンジ冷却チャンバから前記リングセグメントパネルの係合エッジまで延びる前記リングセグメントパネルにおける複数の対流冷却通路を備え、該対流冷却通路は、前記中央部取付けフックと、前記リングセグメントパネルの前記前縁との間に配置されている、請求項１０記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記リングセグメントキャリヤの前記前方セクション、前記中央部及び前記後方セクションは、エンジン用のケーシングの協働構造と係合したそれぞれの前方支持構造、中央部支持構造及び後方支持構造を有し、
前記少なくとも１つの供給穴を通って前記高圧冷却空気を提供するために、前記前方支持構造と、前記中央部支持構造との間に、前方高圧プレナムが形成されており、
後方低圧プレナムが、前記中央部支持構造と前記後方支持構造との間に形成されており、前記前方高圧プレナムの前記高圧冷却空気から実質的に隔離されている、請求項１記載のタービンシュラウドアセンブリ。
ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリにおいて、該タービンシュラウドアセンブリは、
リングセグメントであって、リングセグメントパネルを有し、該リングセグメントパネルは、前縁と、後縁と、前記前縁と前記後縁との間の中央部とを有し、前記リングセグメントは、前記前縁における前方取付けフックと、前記中央部における中央部取付けフックと、前記後縁における後方取付けフックとを有する、リングセグメントと、
リングセグメントキャリヤであって、周方向に延びておりかつ前記リングセグメントを支持しており、前記リングセグメントキャリヤは、前方セクションと、中央部と、後方セクションとを有し、前記前方セクションは、前記前方取付けフックに接続された前方ハンガを形成しており、前記中央部は、前記中央部取付けフックに接続された中央部ハンガを形成し、前記中央部取付けフックと前記中央部ハンガとの間のシールが第１の漏れ通路の少なくとも一部を形成しており、前記後方セクションは、前記後方取付けフックに接続された後方ハンガを形成し、前記後方取付けフックと前記後方ハンガとの間のシールが第２の漏れ通路の少なくとも一部を形成している、リングセグメントキャリヤと、を備え、
前記リングセグメントキャリヤの前記前方セクションは、エンジンのケーシングの前方協働構造と係合した前方支持構造を有し、前記リングセグメントキャリヤの前記中央部は、前記ケーシングの中央部協働構造と係合した中央部支持構造を有し、前記リングセグメントキャリヤの前記後方セクションは、前記ケーシングの後方協働構造と係合した後方支持構造を有しており、
さらに、前記リングセグメントパネルと前記リングセグメントキャリヤとの間、かつ前記前方取付けフックと前記中央部取付けフックとの間に形成された前方インピンジ冷却チャンバに高圧冷却空気を提供するための、前記前方支持構造と前記中央部支持構造との間に形成された前方高圧プレナムと、
前記中央部支持構造と前記後方支持構造との間に形成され、前記前方高圧プレナムの前記高圧冷却空気から実質的に隔離された、後方低圧プレナムと、
前記リングセグメントパネルと前記リングセグメントキャリヤとの間、かつ前記中央部ハンガと前記後方取付けフックとの間に形成された後方低圧チャンバと、
前記中央部取付けフックと前記後方取付けフックとの間において前記後方低圧チャンバの半径方向内側に形成された隔離チャンバと、
前記前方インピンジ冷却チャンバを前記隔離チャンバに接続する横断クロスオーバ通路と、を備え、
前記隔離チャンバは、前記第２の漏れ通路を通過する漏れ空気の減少を行うために前記横断クロスオーバ通路を通って提供される冷却空気から前記後方低圧チャンバを実質的に隔離していることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドアセンブリ。
冷却空気の漏れは前記前方インピンジ冷却チャンバから前記後方低圧チャンバへ前記第１の漏れ通路を通過し、
前記後方低圧プレナムにおける圧力を減じかつ前記第２の漏れ通路を通る漏れ空気の減少をさらに行うために、前記後方低圧チャンバからエンジンを通る高温ガス通路と流体接続したより低い圧力の位置まで延びる、１つ又は複数の流れ通路を備える、請求項１３記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記後方支持構造と、前記ケーシングの前記後方協働構造との間の前記係合は、前記タービンシュラウドアセンブリからの冷却空気の第３の漏れ通路を形成しており、
前記中央部支持構造と、前記中央部協働構造との間の前記係合は、前記前方高圧プレナムから前記後方低圧プレナムへの冷却空気の第４の漏れ通路を形成している、請求項１３記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記後方低圧チャンバに進入する空気は、漏れ空気のみである、請求項１３記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記後方低圧チャンバ内の空気は、前記リングセグメントパネル内に延びる対流冷却通路用の冷却空気源を含む、請求項１６記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記対流冷却通路は、前記リングセグメントパネルの前記後縁まで前記リングセグメントパネル内に軸方向に延びている、請求項１７記載のタービンシュラウドアセンブリ。
前記後方低圧プレナムに進入する空気は、漏れ空気のみである、請求項１６記載のタービンシュラウドアセンブリ。