JPH11311104A - ガスタ―ビンエンジン用のシュラウド冷却アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直接的な冷却を受けないＣクリップの冷却を改
良したシュラウドアセンブリを提供する。 【解決手段】ガスタービンエンジンの高圧タービン部に
おけるシュラウドアセンブリを冷却するために、高圧冷
却空気が規制された流れとして邪魔板プレナムに導入さ
れ、次いで邪魔板の多孔を通ってシュラウドのレールと
背面の衝突冷却をなす。衝突冷却空気はその後シュラウ
ド部片の複数の細長い対流冷却通路を通って流出し、主
ガス流とともにシュラウド前面に沿って流れてフィルム
冷却をなす。シュラウド部片の後ろ側レールには一つ以
上の冷却孔が設けられ、シュラウド部片をシュラウドハ
ンガに保持する環状保持リングまたはＣ形クリップの衝
突冷却に役立つ。この冷却空気はその後Ｃクリップの内
側を後方に流れてＣクリップの対流冷却をなす。代替実
施例では、冷却空気がシュラウドベースの後部コーナに
向けられて過熱を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンエンジンに
関し、特に、ガスタービンエンジンの高圧タービン部の
ロータを囲むシュラウドアセンブリの冷却に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンエンジンの効率を高める公
知の一方策はタービン運転温度を高めることである。運
転温度を高めると、あるエンジン構成部の熱的限度を超
過するおそれがあり、その結果材料が損傷するかあるい
は少なくとも使用寿命が短くなる。加えて、これらの構
成部の熱膨縮の増加は、異なる熱膨張率の他の構成部と
のはめ合い関係と、諸間隙とに悪影響を及ぼす。従っ
て、これらの構成部を冷却して高い運転温度での損傷の
おそれを除く必要がある。そのために通常実際に行われ
ていることは、圧縮機の出口において主空気流から一部
の圧縮空気を冷却用として抽出することである。比較的
高い運転温度によって達成されるエンジン運転効率の向
上を過度に損なわないように、冷却空気の抽出量を全主
空気流の小部分に抑えなければならない。それには冷却
空気を最高効率で利用してこれらの構成部の温度を安全
限度内に保つ必要がある。

【０００３】極めて高い温度にさらされる一つのガスタ
ービン構成部は、高圧タービンノズルの下流直後に配置
したシュラウドアセンブリである。シュラウドアセンブ
リは高圧タービンのロータに近接してそれを囲み、高圧
タービンを通流する極めて高温の付勢されたガス流の外
側境界を画成する。部品の損傷を防ぎそして高圧タービ
ンの動翼との間隙を適切に保つためにシュラウドアセン
ブリの適度の冷却が必要である。

【０００４】さらに、エンジン運転中、シュラウドの後
部コーナはシュラウドの最高温部分である。後部コーナ
は隣合うシュラウド部片間に漏れる高温燃焼ガスにさら
される。また、後部コーナはホットストリーク、すなわ
ち、燃焼器の周沿いの不均等状態の結果としてのガス温
度局所増加域にさらされる。シュラウドにおける過度の
温度の結果として、シュラウドの破損とシュラウド漏洩
の増加とエンジン性能の低下が発生するおそれがある。

【０００５】代表的なシュラウドアセンブリには複数の
シュラウドハンガが含まれ、エンジンの外側ケースによ
り支持されそして複数のシュラウド部片を支持する。シ
ュラウド部片は、部分的に、通常Ｃクリップと呼ばれる
１個の弧状リテイナ又は複数の弧状リテイナにより適所
に保持される。圧縮された冷却空気が、シュラウドハン
ガに形成された流量規制孔を通って、シュラウドハンガ
とシュラウド部片との間に配設された邪魔板プレナムに
導入される。これらの邪魔板プレナムはハンガに固定さ
れたなべ形邪魔板により画成される。各邪魔板には多孔
が設けられ、空気流が多孔を通って関連シュラウド部片
の背面すなわち半径方向外側表面と衝突冷却接触をなす
ように導かれる。

【０００６】対流モードの冷却を達成するために、シュ
ラウド部片にそれらを貫通する複数の通路が設けられ
る。邪魔板の多孔は、シュラウド部片に接触する衝突冷
却空気がこれらの通路を通流してシュラウド部片の対流
冷却をなすように妥当な位置に設けられる。通路を出た
対流冷却空気はその後シュラウド部片の半径方向内側表
面に沿って流れシュラウドのフィルム冷却をなす。

【０００７】この構成において直接的な冷却を受けない
シュラウドアセンブリの一要素は前述のＣクリップであ
る。その結果、高い運転温度によりＣクリップが過熱し
て破損するおそれがある。従って、Ｃクリップの冷却を
改良したシュラウドアセンブリが必要である。

【０００８】

【発明の概要】上述の必要に応じて、本発明では、衝突
冷却空気が、シュラウド部片の後ろ側レールを貫通する
ように形成された一つ以上の冷却孔を通ってＣクリップ
に導かれる。圧縮された冷却空気が、シュラウド部片を
支持するシュラウドハンガに形成された流量規制孔を通
って邪魔板プレナムに導入される。冷却孔はシュラウド
部片の後ろ側レールを軸方向に貫通して邪魔板プレナム
と連通している。冷却孔は、Ｃクリップと係合している
後ろ側レールの後方延在フランジから半径方向内方に配
設され、冷却空気をＣクリップに直接導くようになって
いる。冷却空気は、Ｃクリップの基部に衝突した後、Ｃ
クリップの内側を後方に流れてＣクリップの対流冷却を
なす。

【０００９】他の実施態様では、シュラウド部片の後ろ
側レールに形成された冷却孔の一つ以上が、シュラウド
の後部コーナの衝突冷却と、シュラウド部片のベースと
Ｃクリップとの間の後部空洞の与圧とをなすように配設
され、高温ガスの流入とその結果としてのシュラウド後
部コーナの過熱を防止し得る。本発明の他の目的と利点
は添付図面と関連する以下の詳細な説明から明らかとな
ろう。

【００１０】本発明の要旨は特許請求の範囲に明確に記
載されているが、本発明は添付図面と関連する以下の説
明から最も良く理解し得よう。

【００１１】

【実施例の記載】添付図面の全図を通じて対応符号は同
様な部分を表す。図１には本発明のシュラウドアセンブ
リが総体的に１０で示され、タービン動翼１２に近接し
てそれらを囲んでおり、タービン動翼１２はガスタービ
ンエンジンの高圧タービン部におけるロータ（図示せ
ず）に担持されている。タービンノズルが概略的に１４
で示され、外側バンド１８に固定された複数の静翼１６
を含み、燃焼器（図示せず）からの矢印２０で示す主ガ
ス流またはコアエンジンガス流がこれらの静翼により導
かれて高圧タービン部を通りロータを従来のように駆動
する。

【００１２】シュラウドアセンブリ１０は弧状シュラウ
ド部片の環状列の形態のシュラウドを含み、１個の弧状
シュラウド部片が概略的に２２で示されている。これら
の弧状シュラウド部片は、環状列をなす弧状シュラウド
ハンガ部片により保持され、１個のハンガ部片が概略的
に２４で示されている。これらのハンガ部片は、概略的
に２６で示されているエンジン外側ケースにより支持さ
れている。さらに詳述すると、各ハンガ部片は前側また
は上流側レール２８と、後ろ側または下流側レール３０
とを含み、両レールは本体パネル３２により一体に連結
されている。前側レール２８には後方突出フランジ３４
が設けられ、外側ケース２６により担持された前方突出
フランジ３６と半径方向に重なり合っている。フランジ
３６に重ねたピン３８がフランジ３４の切欠きに支承さ
れて各ハンガ部片２４の角位置を定めている。同様に、
後ろ側レール３０には後方突出フランジ４０が設けら
れ、外側ケースの前方突出フランジ４２と半径方向に重
なり合っており、こうしてエンジン外側ケース２６によ
るハンガ部片の支持がなされている。

【００１３】各シュラウド部片２２にはベース４４が設
けられ、半径方向外向きに突出した前側レール４６と後
ろ側レール４８を有する。両レールは、図２に明示のよ
うに、半径方向外向きに突出しかつある角度だけ相隔た
るサイドレール５０により連結され、シュラウド部片空
洞５２を画成している。シュラウド部片の前側レール４
６には前方突出フランジ５４が設けられ、ハンガ部片の
前側レール２８から後方に突出したフランジ５６と、フ
ランジ３４から半径方向内方に離れた位置で重なり合っ
ている。フランジ５８が、フランジ４０の半径方向内側
の位置でハンガ部片の後ろ側レール３０から後方に突出
しており、そしてフランジ５８の下側においてシュラウ
ド部片の後ろ側レール４８から後方に突出しているフラ
ンジ６０と重なり合うように、通常Ｃクリップと呼ばれ
るＣ形断面の全体に弧状のリテイナ６２により保持され
ている。このリテイナは熱膨張のための間隙を有する単
一のリングの形状にすることができるし、或は、弧状の
複数のリテイナから構成することができる。ピン６４が
ハンガ部片により担持され、前側レールシュラウド部片
フランジ５４の切欠き６６（図２）に支承されて、ハン
ガ部片により支持されたシュラウド部片の角位置を定め
ている。

【００１４】なべ形邪魔板６８がそれらの縁７０におい
てハンガ部片２４に、ろう付け等の適当な手段により、
角度的に相隔たる位置で固定され、こうして各シュラウ
ド部片空洞５２内の中央に一つの邪魔板が配置されてい
る。各邪魔板はそれを固定したハンガ部片とともに邪魔
板プレナム７２を画成している。実際には、各ハンガ部
片は３つのシュラウド部片と、３つの周方向に相隔たる
邪魔板６８からなる１つの邪魔板部とを保持し得るもの
で、各シュラウド部片に１つの邪魔板が関連する。この
場合、各邪魔板プレナム７２は３つの邪魔板と３つのシ
ュラウド部片とを補完する。燃焼器の直前の圧縮機（図
示せず）の出口から抽出した高圧冷却空気が環状プレナ
ム７４に導入され、そこから冷却空気はハンガ部片前側
レール２８に設けた流量規制孔７６を通って各邪魔板プ
レナム内に圧送される。流量規制孔７６は冷却空気をノ
ズルプレナムから直接邪魔板プレナムに送給して漏れ損
失を最少にすることに注意されたい。邪魔板プレナムか
ら高圧空気が邪魔板の多孔７８を通り冷却空気流として
シュラウド部片ベース４４の背面すなわち半径方向外面
４４ａに衝突する。衝突後の冷却空気は、シュラウド部
片ベース４４を貫通する複数の細長い通路８０を通流し
てシュラウドを対流冷却する。これらの対流冷却通路を
出た冷却空気は主ガス流とともにシュラウド部片の前面
すなわち半径方向内面４４ｂに沿って後方に流れシュラ
ウドをさらにフィルム冷却する。

【００１５】邪魔板の多孔７８と対流冷却通路８０は、
３つの冷却モード、すなわち衝突冷却と対流冷却とフィ
ルム冷却の効果を最大にするように、図２に示した所定
位置パターンに従って設けられ、これらの冷却モード
は、同時に、シュラウド温度を許容限度内に保つのに必
要な圧縮機高圧冷却空気の量を最少にする。図２に見ら
れるように、邪魔板６８の底壁６９における多孔７８の
位置パターンは３列になっており、各列が６つの孔から
なっている。シュラウド部片ベース４４から半径方向外
向きに突出した浅い補強リブ８１と合致する長さ中央箇
所で孔列パターンに間隙が存在することに注意された
い。これらの底壁孔を通った冷却空気流は、シュラウド
背面４４ａに、概して、円７９で示した複数の衝突冷却
域にわたって衝突する。底壁の多孔は、衝突冷却された
シュラウド表面域（円７９）が対流冷却通路８０の入口
８０ａと合致しないように妥当な位置に設けられてい
る。その結果、これらの衝突冷却空気流から対流冷却通
路８０に直接流入する冷却空気は事実上存在せず、従っ
てシュラウドの衝突冷却は極めて多くなる。

【００１６】図１と図２に見られるように、邪魔板は側
壁７１に底壁６９近辺において追加列をなす多孔７８ａ
を有し、これらの多孔により衝突冷却空気流が、矢印７
８ｂで示すように、シュラウド部片ベース４４と前側レ
ール、後ろ側レールおよびサイドレールとの間の遷移部
におけるフィレット７３に衝突する。これらの均等分布
位置においてシュラウドを衝突冷却することにより、シ
ュラウドレールを経て外方にハンガと外側ケースに向か
う熱伝導は減少する。この熱伝導は、６１で示すように
シュラウドフランジ６０の半径方向外側表面の通常の機
械加工切除部を拡大してこのフランジとハンガフランジ
５８との接触表面積を減らすことによりさらに減少す
る。シュラウドハンガと外側ケースへの熱伝導を制限す
ることは、シュラウドとタービン動翼１２との間に適当
な間隙を保つ重要な因子である。

【００１７】しかし、熱伝導をこのように制限しても、
Ｃクリップ６２の加熱が生じ得る。Ｃクリップ６２が過
熱すると部品の破損を生じる可能性がある。本発明によ
れば、冷却空気はシュラウド部片２２の後ろ側レール４
８に形成した複数の冷却孔６３を通ってＣクリップ６２
に直接送給される。冷却孔６３はフランジ６０の半径方
向内側の位置で後ろ側レール４８を軸方向に（すなわ
ち、タービンロータの回転軸線と平行に）貫通している
ので、シュラウド部片空洞５２からの冷却空気がＣクリ
ップ６２の基部に直接衝突する。一好適実施例では、６
つの冷却孔６３が各シュラウド部片２２に隔設される。
この冷却空気はＣクリップ６２の温度をかなり低減す
る。

【００１８】Ｃクリップ６２を最も有効に冷却するに
は、冷却孔６３を通る空気は、Ｃクリップに流れる前
に、可能な最低温度になっているべきである。前述のよ
うに、シュラウドベース４４に対する衝突効果が最大に
なるのは、邪魔板の多孔７８から流れる空気がシュラウ
ド冷却孔８０の入口８０ａに直接流入しない時である。
Ｃクリップ６２をより有効に冷却するために、邪魔板６
８に補助冷却孔９０が設けられ、邪魔板６８の追加多孔
７８ａの軸方向後方列内に配設されている。本発明の好
適実施例では、補助冷却孔９０の位置は冷却孔６３と１
対１の関係に整合するように注意深く設定される。補助
冷却孔９０は多孔７８ａの列における他の孔より直径が
大きいので、空気流量が多くなる。補助孔９０は、邪魔
板６８から流出する冷却空気９１が補助孔９０から冷却
孔６３まで直進経路をたどるように配設され、こうし
て、シュラウドの後ろ側レール４８の表面への衝突をな
るべく少なくする。その結果、Ｃクリップ６２に向かっ
て流れる前の冷却空気９１の加熱を極めて少なくし得
る。冷却空気９１はＣクリップの基部に衝突し、次いで
Ｃクリップの内側を後方に流れてＣクリップの対流冷却
をなす。従って、Ｃクリップに対する冷却効果は最大に
なる。

【００１９】本発明の他の実施例では、図３と図４に明
示のように、一つ以上の軸方向冷却孔９８がシュラウド
部片２２の後ろ側レール４８に形成されている。シュラ
ウド部片空洞５２からの冷却空気は孔９８を通流しそし
てシュラウド２２のベース４４の後部コーナ１００に導
かれ得るので、後部コーナ１００の衝突冷却をなし得
る。孔９８からの冷却空気流はまた、Ｃクリップ６２と
シュラウド２２のベース４４との間の空間により形成さ
れたシュラウド後部空洞１０２の与圧に用いて、後部空
洞１０２への高温燃焼ガスの流入を防止するようにする
ことができる。冷却孔９８はシュラウド部片２２の軸方
向中心線１０４とほぼ平行でよく、中心線１０４はそれ
自体エンジンの縦軸線と平行である。あるいは冷却孔９
８は、半径方向平面において内方または外方に軸方向中
心線１０４から離れるように、あるいは接線方向に軸方
向中心線１０４に向かってまたはそれから離れるように
傾斜してもよく、こうして圧縮冷却空気流を所要方向に
向け得る。

【００２０】好ましくは、少なくとも一つの冷却孔９８
が、冷却空気を後部コーナ１００の一つに直接流すよう
に配設される。これを達成するために、孔９８の軸線は
シュラウド２２の軸方向中心線１０４から接線方向に測
定した角度Ｔで配置される。その結果、孔９８の後端１
０６は孔９８の前端１０８より軸方向中心線１０４から
離れた位置にある。角度Ｔは約２０度〜約７０度の範囲
にあればよい。好ましくは、角度Ｔは約３５度〜約５５
度の範囲にある。さらに好ましくは、角度Ｔは約３９度
〜約４４度の範囲にある。

【００２１】好ましくは、孔９８の軸線はまた、エンジ
ンの縦軸線に対して半径方向の平面において測定した角
度Ｄで配置され、これにより孔９８の後端１０６は孔９
８の前端１０８から半径方向内方の位置にあり、冷却空
気流をＣクリップ６２から離しそしてシュラウド部片２
２のベース４４に直接衝突するように導く。角度Ｄは約
０度〜約４５度の範囲にあればよい。好ましくは、角度
Ｄは約０度〜約７度の範囲にある。さらに好ましくは、
角度Ｄは約１．８度〜約２度の範囲にある。

【００２２】冷却孔９８の数と寸法は、後部空洞１０２
への高温ガス流入の防止に十分な空気を送給し、しかも
シュラウド空洞５２への高温ガスの流入を引起こさない
ように冷却空気の十分な逆流余裕を保つように選定され
る。一好適実施例では、４つの孔９８の配列が用いら
れ、４つの孔は全て上述の角度Ｄで配設されるととも
に、シュラウド２２の後部コーナ１００に最も近い２つ
の孔９８はまた上述の角度Ｔで配設される。代替的に、
孔９８は角度Ｔおよび（または）角度Ｄの任意の組合せ
で配設され得る。一実施例では、孔９８は角度Ｔと角度
Ｄのいずれでも傾斜していない。

【００２３】図２について再度説明すると、冷却通路８
０の位置パターンは、線８２、８４、８６で示すように
概して３列になっており、これらの線はそれぞれ通路出
口８０ｂと整合している。図示のように、通路８０は全
て真っ直ぐであり、代表的な場合レーザ穴あけにより形
成され、そしてエンジン軸線に対して斜めの方向、すな
わち、周方向かつ半径方向に延在する。この斜め配向に
より通路は長さが大きくなり、ベースの厚さよりかなり
大きいので、通路の対流冷却表面が増大する。こうする
と、対流冷却通路の数を従来設計に比べてかなり減らし
得る。冷却通路の数が減ると、冷却空気の量を減らすこ
とができる。

【００２４】列８２の通路はそれらの出口がシュラウド
部片ベース４４の半径方向前端面４５に位置するように
配設されている。図１に見られるように、これらの通路
を通流する空気は、シュラウド背面を衝突冷却した後、
シュラウドの最前部を対流冷却するだけでなく、高圧ノ
ズル１４の外側バンド１８に衝突してそれを冷却する。
この目的を達成した後、冷却空気は主ガス流と混合しそ
してベース前面４４ｂに沿って流れてシュラウドをフィ
ルム冷却する。列８４、８６の通路は背面入口８０ａか
ら前面出口８０ｂまでシュラウド部片ベース４４を貫通
しておりそして衝突冷却空気を通し、この冷却空気はそ
の時シュラウド前部の対流冷却に役立つ。これらの通路
を出た冷却空気は主ガス流と混合しそしてベース前面に
沿って流れシュラウドをフィルム冷却する。

【００２５】図２からわかるように、冷却通路の大多数
は、高圧ノズル静翼１６（図１）により与えられた主ガ
ス流（矢印２０）の方向に対して斜めになっている。そ
の結果、この流れの高温ガスが列８４、８６の通路に入
って冷却空気とは逆向きに流れることは極めて少なくな
る。加えて、８８で示した３つの通路が１組の通路とし
てシュラウド部片サイドレール５０の一方を貫通してお
り、衝突冷却空気を導いて隣接シュラウド部片のサイド
レールに衝突させる。各シュラウド部片の一方のサイド
レールの対流冷却と他方のサイドレールの衝突冷却は、
サイドレールを経てハンガとエンジン外側ケースに達す
る熱伝導の減少に役立つので有利である。加えて、通路
８８は斜めになっているので、これらの通路から出た冷
却空気は、シュラウド部片相互間の間隙に入ろうとする
主ガス流の周方向成分２０ａとは逆向きに流れる。これ
は高温ガスのこれらの間隙への流入の減少に有効である
から、シュラウド部片間位置でホットスポットが発生す
ることはなくなる。

【００２６】以上、通常Ｃクリップと呼ばれているリテ
イナと、Ｃクリップとシュラウドベースとの間に設けた
空洞との冷却を改良したシュラウドアセンブリを説明し
た。本発明の特定実施例を説明したが、本発明の範囲内
で様々な改変が可能であることは当業者には明らかであ
ろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により製造されたシュラウドアセンブリ
の軸方向断面図である。

【図２】図１に見られるシュラウド部片の平面図であ
る。

【図３】本発明の代替実施例により製造されたシュラウ
ドアセンブリの軸方向断面図である。

【図４】本発明の代替実施例により製造されたシュラウ
ド部片の平面図である。

【符号の説明】

１０ シュラウドアセンブリ １２ タービン動翼 ２２ シュラウド部片 ２４ ハンガ部片 ４４ シュラウド部片ベース ４６ 前側レール ４８ 後ろ側レール ５０ サイドレール ５２ シュラウド部片空洞 ６０ 後ろ側レールのフランジ ６２ Ｃクリップ ６３ 冷却孔 ６８ なべ形邪魔板 ７２ 邪魔板プレナム ７６ 流量規制孔 ７８、７８ａ 孔 ８０、８８ 冷却通路 ９０ 補助冷却孔 ９８ 冷却孔 １００ シュラウド部片後部コーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランダル・ブレント・ライドベック アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、サ ウス・ハミルトン、ホームステッド・サー クル、53番 (72)発明者 ジョン・ダブリュ・ハニフィ アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、シェイディ・ウェル・コー ト、8255番 (72)発明者 グレゴリー・エイ・ホワイト アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、マークブレット・アヴェニュー、2846 番

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 前端と後端とを有するベースと、 前記前端において前記ベースから外方に突出し、基端と
   末端とを有する前側レールと、 前記後端において前記ベースから外方に突出し、基端と
   末端とを有しそして冷却孔が形成されている後ろ側レー
   ルとからなるガスタービンエンジン用シュラウド部片。
2. 【請求項２】 前記後ろ側レールは複数の追加冷却孔を
   有する請求項１記載のシュラウド部片。
3. 【請求項３】 前記冷却孔は前記シュラウド部片の軸方
   向中心線に対してある角度で配設されている請求項１記
   載のシュラウド部片。
4. 【請求項４】 前記冷却孔は前記シュラウド部片の軸方
   向中心線から接線方向に測定した角度Ｔで配設されてい
   る請求項１記載のシュラウド部片。
5. 【請求項５】 前記冷却孔は前記シュラウド部片の軸方
   向中心線から半径方向平面において測定した角度Ｄで配
   置されている請求項１記載のシュラウド部片。