JP2009209936A - 一体型衝突ブランケットを備えたタービンノズル - Google Patents

Abstract

【課題】一体型衝突ブランケットを備えたタービンノズルを提供する。
【解決手段】タービンノズルセグメントは、（ａ）アーチ状外側バンドセグメント５０と、（ｂ）外側バンドセグメント５０から半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根３０と、（ｃ）マニホルドカバー５４と外側バンドセグメント５０が共同的に衝突キャビティを画定する、外側バンドセグメント５０に固定されたマニホルドカバー５４と、（ｄ）冷却空気を外側バンドセグメント５０に案内するように構成される、少なくとも１つの衝突孔が貫通して形成されている、衝突キャビティ内に配置された衝突ブランケットを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は概してガスタービンエンジンタービンに関し、より詳細には、そのようなエンジンのタービン部分を冷却する方法に関する。

ガスタービンエンジンは、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧またはガス発生器を直流関係で有するターボ機械コアを含む。このコアは既知の方法で動作可能で、一時ガス流を発生させる。ターボジェットまたはターボファンエンジンでは、コア排気がノズルの中を案内されて、推力が発生する。ターボシャフトエンジンはコアの下流の低圧すなわち「仕事（ｗｏｒｋ）」タービンを使用して一次流からエネルギーを抽出して、軸またはその他の機械的負荷を駆動する。

ガス発生器タービンは、燃焼器から出たガスを回転翼またはバケット内に案内する固定羽根またはノズルの環状配列（「列」）を含む。一列のノズルと一列の翼が集合的に「段」を形成する。一般的に、２つ以上の段が直流関係で使用される。これらの構成要素は非常に高い温度環境で作動するものであり、適切な耐用年数を保証するために空気流によって冷却する必要がある。一般的に、冷却に用いられる空気は、圧縮機内の１つ以上の地点で抽出される。これらの抽気流は、熱力学サイクルの正味仕事量および／または推力の損失を表す。これらは燃料消費率（ＳＦＣ）を増加させるものであり、通常はできるだけ最小限に抑えるべきである。

従来技術のガス発生器タービンノズルは、「スプーリ（ｓｐｏｏｌｉｅ）」供給式マニホルドカバー、またはスプーリ供給式翼形インサートを備えた連続衝突リングのどちらかを用いて冷却していた。１つ目の方式に関しては、空気が外側バンドの上のマニホルドに供給されて、外側バンドを直接冷却せずに翼形に流れ込む。２つ目の構成は別個の衝突リングを利用して外側バンドを冷却するが、この流れは隣接するノズルセグメント間の隙間を通って漏れやすい。どちらの場合も、タービンノズル冷却の効率は所望されるよりも悪くなる。

従来技術のこれらおよびその他の欠点は、個々のタービンノズル外側バンドセグメントの独立衝突冷却を行なう本発明によって解決される。

本発明の一態様によれば、タービンノズルセグメントは、（ａ）アーチ状外側バンドセグメントと、（ｂ）該外側バンドセグメントから半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根と、（ｃ）該外側バンドセグメントに固定されたマニホルドカバーであって、該マニホルドカバーと該外側バンドセグメントが共同的に衝突キャビティを画定する該マニホルドカバーと、（ｄ）該衝突キャビティ内に配置された衝突ブランケットであって、冷却空気を該外側バンドセグメントに案内するように構成される少なくとも１つの衝突孔が貫通して形成された該衝突ブランケットとからなる。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのタービンノズル組立体は、（ａ）環状配列に配列された複数のタービンノズルセグメントであって、各タービンノズルセグメントが、（ｉ）アーチ状外側バンドセグメントと、（ｉｉ）該外側バンドセグメントから半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根と、（ｉｉｉ）該外側バンドセグメントに固定されたマニホルドカバーであって、該マニホルドカバーと該外側バンドセグメントが共同的に衝突キャビティを画定する該マニホルドカバーと、（ｉｖ）該衝突キャビティ内に配置された衝突ブランケットであって、冷却空気を該外側バンドセグメントに案内するように構成される少なくとも１つの衝突孔が貫通して形成された該衝突ブランケットとを有する該タービンノズルセグメントと、（ｂ）該タービンノズルセグメントを取り囲む環状支持構造と、（ｃ）各々が該マニホルドカバーの１つを独立連通状態で該支持構造と結合する複数の略円筒導管とからなる。

本発明の別の態様によれば、半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根を備えたアーチ状外側バンドセグメントを各々が有するノズルセグメントの配列を含むタービンノズルを冷却する方法が提供される。該方法は、（ａ）内部に配置された衝突ブランケットを有する密閉衝突キャビティを該外側バンドセグメントの各々に提供するステップと、（ｂ）冷却空気を別々に該衝突キャビティに案内するステップと、（ｃ）該衝突ブランケットの１つ以上の衝突孔を介して冷却空気を該外側バンドセグメントに案内するステップと、（ｄ）該衝突キャビティから冷却空気を排出するステップとからなる。

本発明は、添付図面の図と併せて以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
本発明の一態様にしたがって構成されたガスタービンエンジンの高圧タービン部分の断面図である。 マニホルドカバーが取り付けられた図１に示すタービンノズルの斜視図である。 衝突ブランケットの斜視図である。 マニホルドカバーの斜視図である。 図４のマニホルドカバーに取り付けられた図３の衝突ブランケットの斜視図である。

同じ参照番号が各図を通して同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、既知のタイプのガスタービンエンジンの一部であるガス発生器タービン１０の一部分を示す。ガス発生器タービン１０の機能は、既知の方法で、上流燃焼器（図示せず）の高温加圧燃焼ガスからエネルギーを抽出すること、さらにそのエネルギーを機械仕事に変換することである。ガス発生器タービン１０は、燃焼器に加圧空気を供給するように、軸を介して上流圧縮機（図示せず）を駆動する。

図示の例において、エンジンはターボシャフトエンジンであり、仕事タービンはガス発生器タービン１０の下流に位置付けられ、出力軸に連結されることになる。しかしながら、本明細書に記載の原理は、ターボプロップ、ターボジェット、およびターボファンエンジンと同様に、他の乗物または固定用途で用いられるタービンエンジンにも同様に適用できる。

ガス発生器タービン１０は、アーチ状にセグメント化された第１段外側バンド１６とアーチ状にセグメント化された第１段内側バンド１８の間に支持される、円周方向に離間配置された複数の中空翼形形状第１段羽根１４を備える第１段ノズル１２を含む。第１段羽根１４、第１段外側バンド１６および第１段内側バンド１８は、集合的に完全３６０°組立体を形成する複数の円周方向に隣接するノズルセグメントに配置される。第１段外側バンド１６および第１段内側バンド１８は、第１段ノズル１２を流れる高温ガス流のために、それぞれ外側および内側半径方向流路境界を画定する。第１段羽根１４は、第１段ロータ２０に燃焼ガスを最適に案内するように構成される。

第１段ロータ２０は、エンジンの中心線軸の周りを回転する第１段ディスク２４から外方に延在する翼形形状第１段タービン翼２２の配列を含む。セグメント化されたアーチ状第１段シュラウド２６は、第１段タービン翼２２を密接に取り囲むことによって、第１段ロータ２０を流れる高温ガス流のための外側半径方向流路境界を画定するように構成される。

第２段ノズル２８は第１段ロータ２０の下流に位置付けられており、アーチ状にセグメント化された第２段外側バンド３２とアーチ状にセグメント化された第２段内側バンド３４の間に支持される、円周方向に離間配置された複数の中空翼形形状第２段羽根３０を備える。第２段羽根３０、第２段外側バンド３２および第１段内側バンド３４は、集合的に完全３６０°組立体を形成する複数の円周方向に隣接するノズルセグメント３６（図２参照）に配置される。第２段外側バンド３２および第２段内側バンド３４は、第２段タービンノズル２８を流れる高温ガス流のために、それぞれ外側および内側半径方向流路境界を画定する。第２段羽根３０は、第２段ロータ３８に燃焼ガスを最適に案内するように構成される。

第２段ロータ３８は、エンジンの中心線軸の周りを回転する第２段ディスク４２から半径方向外方に延在する翼形形状第２段タービン翼４０の半径方向配列を含む。セグメント化されたアーチ状第２段シュラウド４４は、第２段タービン翼４０を密接に取り囲むことによって、第２段ロータ３８を流れる高温ガス流のための外側半径方向流路境界を画定するように構成される。

第１段シュラウド２６のセグメントは、例えば、図示のフック、レール、およびＣ字状クリップを既知の方法で用いて、アーチ状シュラウドサポート４８によって同様に担持されるアーチ状第１段シュラウドハンガー４６の配列によって支持される。

第２段ノズル２８は、第１段シュラウドハンガー４６およびシュラウドサポート４８との機械的結合によって部分的に支持される。各第２段羽根３０は、既知の様式で冷却空気を受け入れられるように中空になっている。

図２〜図５は、より詳細に第２段ノズル２８の構造を示す。図２は、組み立てられたガス発生器タービン１０に入れられるように、並んで配置された２つの個別ノズルセグメント３６を示す。図示の例において、ノズルセグメント３６は、外側バンド３２のセグメント５０と、内側バンド３４のセグメント５２と、中空第２段羽根３０を含む「シングレット（ｓｉｎｇｌｅｔ）」鋳造物である。各外側バンドセグメント５０の半径方向外端部は、マニホルドカバー５４によって密閉される。マニホルドカバー５４（図４参照）は、外側バンドセグメント５０の半径方向外面５８に適合する下部周縁部５６を有する一体的な若干の凸状構造物であり、外方に延在する流入管６０を備える。

図３に最も良く見られるプレート状衝突ブランケット６２は、複数の衝突孔６４を有し、この衝突孔６４は衝突ブランケット６２を貫通して形成されている。このブランケットは、金属薄板から鋳造または製造することができる。これは、図５に見られるように、マニホルドカバー５４の半径方向内側にあるリセス６６の内部に配置され、例えば、ろう付け、溶接、ファスナー、または接着剤によって固定される。

マニホルドカバー５４は、流入管６０である空気流のたった１つの入口を備えた一体型密閉構造を形成するように、外側バンドセグメント５０の外面５８に固定される。図１に見られるように、マニホルドカバー５４および外側バンドセグメント５０は、衝突ブランケット６２によって２つの部分に分けられる衝突キャビティ６８を共同的に画定する。

組み立ての際に、流入管６０は、「スプーリ」７０として知られている略円筒管または導管に連結される。スプーリ７０はシュラウドサポート４８を貫通して、後で詳しく述べるように、第２段羽根３０の内部に冷却空気の経路を形成する。各々の流入管６０に対して、１つのスプーリ７０が提供される。

作動中、圧縮機の最高圧力（ＣＤＰ：圧縮機吐出圧力）における圧縮機排気、または別の適切な冷却空気流は、既知の方法でシュラウドサポート４８に送給される。ＣＤＰ空気は、図１の矢印「Ｃ」で示すように、スプーリ７０に入る。そして、空気は流入管６０を通って、各ノズルセグメント３６の個々の衝突キャビティ６８に流れ込む。冷却空気は、矢印「Ｊ」で示すように、一連の噴流として衝突孔６４から出て、外側バンドセグメント５０に衝突してそれを冷却する。その後、使用済みの衝突空気はタービン羽根３０の内部に排出されるが、このとき衝突空気を既知の方法でさらなる冷却に用いることができる。マニホルドカバー５４とシュラウドサポート４８の間の領域は外側バンドキャビティ７２と呼ばれ、別個の空気流源によってパージされる。

この構成はいくつかの利点を提供する。衝突ブランケット６２をマニホルドカバー５４と一体的に接合することによって、さらにマニホルドカバー５４を外側バンドセグメント５０と接合することによって、セグメント間の漏れという不利益を伴うことなく、高圧空気を用いて外側バンドセグメント５０を衝突冷却することができる。そして、この構造によってノズル外側バンドキャビティをパージするのに低圧空気を利用することが可能になり、空気が低圧になるので、漏れ流の総量が減って、結果的にパフォーマンスに不利な条件が減ることになる。

以上、タービンノズルを冷却する方式を説明した。本明細書では、本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、当業者には明らかなように、添付の特許請求の範囲の範疇から逸脱することなく本発明を様々に改変することが可能である。従って、本発明は添付の特許請求の範囲によって定義されるものであり、本発明の好ましい実施形態および本発明を実施するための最良の形態に関する記載は、限定目的ではなく、あくまでも例示目的によってのみなされたものである。

Claims (8)

1. タービンノズルセグメント（３６）であって、
   （ａ）アーチ状外側バンドセグメント（５０）と、
   （ｂ）前記外側バンドセグメント（５０）から半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根（３０）と、
   （ｃ）前記外側バンドセグメント（５０）に固定されたマニホルドカバー（５４）であって、該マニホルドカバー（５４）と前記外側バンドセグメント（５０）が共同的に衝突キャビティ（６８）を画定する前記マニホルドカバー（５４）と、
   （ｄ）前記衝突キャビティ（６８）内に配置された衝突ブランケット（６２）であって、冷却空気を前記外側バンドセグメント（５０）に案内するように構成される、少なくとも１つの衝突孔（６４）が貫通して形成された前記衝突ブランケット（６２）とからなる、タービンノズルセグメント（３６）。
2. 前記衝突ブランケット（６２）が形成された複数の衝突孔（６４）を有する、請求項１に記載のタービンノズルセグメント（３６）。
3. （ａ）前記マニホルドカバー（５４）が形成された、半径方向内方に面するリセス（６６）を有しており、
   （ｂ）前記衝突ブランケット（６２）が前記リセス（６６）を閉じるように前記マニホルドカバー（５４）に固定されるプレートである、請求項１又はに記載のタービンノズルセグメント（３６）。
4. 前記衝突ブランケット（６２）が前記マニホルドカバー（５４）にろう付けされる、請求項３に記載のタービンノズルセグメント（３６）。
5. 前記マニホルドカバー（５４）が前記外側バンドセグメント（５０）にろう付けされる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービンノズルセグメント（３６）。
6. 前記マニホルドカバー（５４）が半径方向外方に延在する流入管（６０）を含む、請求項１に記載のタービンノズルセグメント（３６）。
7. 前記タービン羽根（３０）の半径方向内端部に配置されたアーチ状内側バンドセグメント（５２）をさらに有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタービンノズルセグメント（３６）。
8. 半径方向内方に延在する中空翼形形状タービン羽根（３０）を備えたアーチ状外側バンドセグメント（５０）を各々が有するノズルセグメントの配列を含むタービンノズル（２８）を冷却する方法であって、
   （ａ）内部に配置された衝突ブランケット（６２）を有する密閉衝突キャビティ（６８）を前記外側バンドセグメント（５０）の各々に提供するステップと、
   （ｂ）冷却空気を別々に前記衝突キャビティ（６８）に案内するステップと、
   （ｃ）前記衝突ブランケット（６２）の１つ以上の衝突孔（６４）を介して冷却空気を前記外側バンドセグメント（５０）に案内するステップと、
   （ｄ）前記衝突キャビティ（６８）から冷却空気を排出するステップとからなる、方法。