JP6142000B2 - 補助周囲キャビティの内部に空気を排出する、動的に周囲を冷却する外側ケースを具備するガスタービン - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１１年１２月８日に出願された米国特許出願第１３／３１４３１１号に基づく優先権を主張する部分的な継続出願である。当該特許出願は、参照により本出願に組み込まれている。

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンの外側ケースの加熱を制限するために熱から保護するための構造体に関する。

ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮セクションと燃焼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含んでいる。動作の際に、圧縮セクションは、周囲空気を導入し、当該周囲空気を圧縮する。圧縮された空気は、圧縮セクションから燃焼セクションの１つ以上の燃焼器に流入する。圧縮された空気は、燃焼器内で燃料と混合され、空気と燃料とから成る混合体が燃焼器で燃焼されることによって、高温の作動ガスが形成される。高温の作動ガスは、タービンセクションに至る。タービンセクションでは、高温の作動ガスが、静止する翼と回転する翼との交互する列を通じて膨張され、ロータを駆動するための動力を発生させるために利用される。その後に、膨張されたガスは、タービンセクションから流出し、エンジンから排出セクションを介して排出される。

一般的なガスタービンエンジンでは、圧縮機の１つ以上の段から得られた圧縮された空気の一部分を含む抽気が、タービンセクションの構成部品を冷却するために、冷却空気として利用される。また、例えばガスタービンエンジンの外側ケースの内部の強制対流空気流によって、排出セクションの部分を冷却するために、且つ、タービン排出ケースを所定温度より低く維持するために、さらなる抽気が排出セクションの部分に供給される。ガスタービンエンジンに関する技術が進歩した結果として、温度が上昇し、熱膨張に起因して関連する外側ケースが変形するようになった。例えば支持サポートストラットのような、ガスタービンエンジンの内部において外側ケースに支持されている外側ケースの構成部品では、外側ケースの変形によって応力が高められる場合がある。低周期疲労と共に影響を及ぼすさらなる応力は、排出端部支持ハウジングを支持するために外側ケースに取り付けられている支持サポートストラットのクラック、破損、又は故障の一因となる。

本発明の一の実施態様では、外側ケースを備えているガスタービンエンジンであって、外側ケースが、中央長手方向軸線を規定しており、外側ケースの表面が、中央長手方向軸線の周りに周方向に延在している、ガスタービンエンジンを提供する。排出ガス通路は、排出ガス流をガスタービンエンジンのタービンセクションから導くために、外側ケースの内部に形成されている。冷却チャネルは、外側ケースの外面に形成されており、チャネル入口及びチャネル出口を有している。空気ダクト構造体が、設けられており、チャネル出口と流通している入口端部と、空気ダクト構造体の入口端部と比較して圧力が低い低圧領域と流通している出口端部とを含んでいる。出口キャビティは、空気ダクト構造体の出口端部に配置されており、冷却チャネルから空気ダクト構造体の内部に空気を引き込むために、出口端部において圧力を低減させることができる。

空気ダクト構造体が、外側ケースの内面から出口キャビティの位置に至るまで排出ガス通路のラジアル方向内方に延在している、通路を備えている。

ストラットが、外側ケースの内面からラジアル方向内方に延在しており、空気ダクト構造体が、ストラットの周りに延在している放射シールドによって形成されており、外側ケースの内面に取り付けられている。

外側ケースを貫通している開口部は、外側ケースの外面から空気ダクト構造体に周囲空気を導くための冷却チャネルのチャネル出口を形成している。

冷却チャネルが、外側ケースの外面と外側ケースに支持されているパネル構造体との間に形成されており、周囲空気が、パネル構造体を通過して、冷却チャネルに流入する。

パネル構造体が、アキシアル方向に延在している間隙を具備する複数のパネルセクションを備えており、間隙が、一定間隔で配置されている周方向位置において隣り合うパネルセクション同士の間に形成されており、周期空気が、間隙を通じてチャネル部分の内部に流入する。

開口部が、外側ケースの外面から空気ダクト構造体に周囲空気を導くための冷却チャネル出口を形成するために、外側ケースを貫通して設けられている。

ガスタービンエンジンが、外側ケースの温度を制御するための遮熱／冷却システムを含んでおり、
遮熱／冷却システムが、
外側ケースの外面の反対側に位置する外側ケースの内面において支持されている内側絶縁層であって、外側ケースの内面に沿って周方向に延在しており、外側ケースからラジアル方向内方に配置されている排出ガス通路からの放射エネルギに対する耐熱性を有している内側絶縁層と、
ラジアル方向において外側ケースの外面に対して離隔して配置されているパネル構造体によって形成されており、外側ケースの外面の周囲に延在している冷却チャネルであって、略アキシアル方向において内側絶縁層と位置合わせされており、外側ケースの外面を冷却する周囲空気流のための流路を形成している冷却チャネルと、
を含んでいる。

ガスタービンエンジンが、パネル構造体に支持されている外側絶縁層であって、パネル構造体を覆っている外側絶縁層を含んでいる。外側ケースが、タービン排出ケースを備えており、内側絶縁層のアキシアル方向位置において排出ガス通路を形成している排出ディフューザを含んでいる。

本発明の他の実施態様では、ガスタービンエンジンが、排出セクションを含んでおり、排出セクションが、中央長手方向軸線を規定している外側ケースであって、外側ケースの外面が、中央長手方向軸線の周りに周方向に延在している。排出ダクトは、外側ケースの内部に配置されており、外側ダクト壁と内側ダクト壁との間に形成されており、ガスタービンエンジンのタービンセクションから流出する高温の排出ガスのための通路を形成している。後方支持ハウジングが、内側ダクト壁からラジアル方向内方に配置されており、ストラットが、外側ケースから後方支持ハウジングに延在している。シールド構造体は、ストラットを排出ガスから遮蔽するために、ストラットを囲んでいる。空気開口部が、外側ケースの外面を貫通して形成されており、ストラットとシールド構造体の一部分との間に延在しているラジアル方向通路と流通している。ディスクキャビティは、タービンセクションの段に隣り合って配置されており、ラジアル方向通路と流通しており、ディスクキャビティの圧力が、空気開口部を通じてディスクキャビティの内部に周囲空気を流すために、ガスタービンエンジンの外側の周囲空気の圧力より低い。

シールド構造体が、ストラットを囲んでいるストラットシールドと、ストラットシールドとストラットとの間に配置されている放射シールドとを含んでいる。

ラジアル方向通路が、放射シールドの内面とストラットの外面とによって形成されている。

放射シールドが、外側ダクト壁と外側ケースとの間に形成されている環状空間を通じて延在している。

放射シールドが、外側ケースの内面に取り付けられているラジアル方向外側端部であって、空気開口部を囲んでいるラジアル方向外側端部を含んでいる。

ガスタービンエンジンが、内側ダクト壁からラジアル方向内方に形成されているトンネルキャビティであって、ディスクキャビティの下流に配置されているトンネルキャビティを含んでおり、トンネルキャビティが、周囲空気がディスクキャビティに流入する前に、周囲空気を受容する。

冷却チャネルが、外側ケースの外面と外側ケースに支持されているパネル構造体との間に形成されており、周囲空気が、パネル構造体を通じて空気開口部に流入し、冷却チャネルの内部に至る。

冷却チャネルが、排出ケースの周りに周方向に延在しており、パネル構造体が、アキシアル方向に延在している間隙を具備する複数のパネルセクションを備えており、間隙が、一定間隔で配置されている周方向位置において隣り合うパネルセクション同士の間に形成されており、周期空気が、間隙を通じてチャネル部分の内部に流入する。

明細書は、特に本発明に注目すると共に本発明を明確に要求する請求項に関連するが、本発明は、類似する要素には類似する参照符号が付されている添付図面と共に以下の説明から良好に理解されるものと考えられる。

本発明の実施態様を表わし、排出セクションを含むガスタービンエンジンの一部分についての縦断面図である。 本発明の実施態様を表わし、排出セクションの部分的な斜視断面図である。 主空気入口を表わし、図２に表わす構造の下側部分の斜視図である。 補助空気入口を表わし、図２に表わす構造の下側から見た斜視図である。 ガスタービンエンジンの外側ケースの周囲の空気流を概略的に表わし、排出セクションのアキシアル方向断面図である。 排出セクションの上死点位置に隣り合っている排出セクションの一部分の斜視断面図である。 本発明の一の実施態様における絶縁層セグメントを表わす斜視図である。 本発明のさらなる実施態様における排出セクションを含むガスタービンエンジンの一部分についての縦断面図である。 図６に表わす本発明の実施態様における排出セクションの部分的な斜視断面図である。 図７に表わすストラット構造体の拡大断面図である。 ストラット構造体の放射シールドに形成されているディンプルを表わすストラット構造体の一部分についての拡大斜視断面図である。 放射シールドの斜視図である。 周囲空気を外側ケースの内部に通過させるための貫通穴を表わし、排出セクションのための外側ケースの外面の一部分についての斜視図である。 パネル構造体のセクション同士の間に間隙を形成しているタブを表わし、絶縁層を具備するパネル構造体の斜視図である。

好ましい実施例についての以下の詳細な説明では、本出願の一部分を形成している添付図面を参照する。添付図面は、限定することを意図せず、図解することを目的として、本発明を実施可能とされる好ましい実施例を表わす。他の実施例が利用可能であり、本発明の技術的思想及び技術的範囲を逸脱することなく、変更可能であることに留意すべきである。

図１は、本発明の実施態様を図示するために、アキシアル方向においてタービンセクション１２の下流に配置されているガスタービンエンジンの排出セクション１０の一部分を表わす。一般に、排出セクション１０は、略水平な長手方向中心軸線Ａｃの周りにおいて周方向に延在している外側ケース１１を具備する、円筒状構造体を備えており、ガスタービンエンジンの外側ケースの下流側延長部を形成している。排出セクション１０の外側ケース１１は、排出シリンダすなわちタービン排出ケース１４と、タービン排出ケース１４の下流に配置されている排出スプール構造体１６とを含んでいる。

タービン排出ケース１４は、タービン排出ケース１４の下流側端部のラジアル方向外方に延在している下流側排出ケースフランジ１８を含んでおり、排出スプール構造体１６は、排出スプール構造体１６のラジアル方向外方に延在している上流側スプール構造体フランジ２０を含んでいる。下流側排出ケースフランジ１８と上流側スプール構造体フランジ２０とは、結合部２２において互いに当接しており、例えばボルトのような従来技術に基づく手段（図示しない）によって共に保持されている。さらに、上流側排出ケースフランジ２１は、タービン排出ケース１４の上流側端部からラジアル方向外方に延在しており、タービン排出ケース１４をタービンセクション１２に支持するために、タービンセクション１２のラジアル方向に延在しているフランジ２３に螺合されている。

タービン排出ケース１４は、比較的薄肉とされ、排出端部支持ハウジング２４と排出ディフューザ２６の少なくとも一部分とを支持するための構造部材すなわちフレームを形成している。排出端部支持ハウジング２４は、ガスタービンエンジンのためのロータ２５の端部を支持するために配置されている。

ディフューザ２６は、高温の排出ガス３１をタービンセクション１２から運搬するための環状通路を形成している、内壁２８及び外壁３０を備えている。支持ハウジング２４は、複数のストラット構造体３２によって支持されている。ストラット構造体３２それぞれが、タービン排出ケース１４の内部における中心位置に支持ハウジング２４を支持及び維持するために、タービン排出ケース１４の接続部３６からディフューザ２６を通じて支持ハウジング２４の接続部３８に至るまで延在しているストラット３４を含んでいる。さらに、図３に表わすように、ストラット構造体３２は、ディフューザ２６を通過する高温の排出ガス３１からストラット３４を隔離するためにストラット３４を囲んでいる、ストラットシールドすなわちフェアリング４０を含んでいる。

高温の排出ガス３１がディフューザ２６を通過するので、その結果として、ディフューザ２６の外壁３０がタービン排出ケース１４のケース内面４２に向かってラジアル方向外方に熱を放射する。上述のように、タービン排出セクションを冷却するための、従来技術に基づく構造は、ガスタービンエンジンの圧縮セクションから供給される抽気を排出セクション１０に供給するので、ディフューザ２６とタービン排出ケース１４との間において冷却空気が流れ、これにより強制対流を通じて、タービン排出ケース１４の温度を制御又は低減することができる。本発明の一の実施態様では、遮熱／冷却システム４４が、圧縮器の抽気の利用を低減及び／又は解消させるために、並びに、タービン排出ケース１４及びスプール構造体１６の温度を制御するために設けられている。

図２及び図３を参照すると、一般に、遮熱／冷却システム４４は、内側絶縁層４６及び対流冷却チャネル４８を備えている。内側絶縁層４６は、ケース内面４２に支持されており、ケース内面４２の略全体を周方向において覆うように延在している。内側絶縁層４６は、ディフューザ２６とタービン排出ケース１４との間を遮熱しているので、ディフューザ２６の外壁３０から放射されたエネルギに対して熱抵抗を有している。

好ましくは、内側絶縁層４６は、概略的には互いに隣接して配置されている複数の絶縁層セグメント４６ａ（図５参照）によって形成されている。絶縁層セグメント４６ａは、タービン排出ケース１４のケース内面４２の略全体を遮熱するために、タービン排出ケース１４のアキシアル方向長さと略同一の長さである長手方向延長部すなわちアキシアル方向延長部を有している。従って、ディフューザ２６から放射された熱の大部分は、タービン排出ケース１４に到達することを妨げられるので、タービン排出ケース１４の壁をタービン排出ケース１４の内部に蓄積された熱負荷から隔離することができる。

さらに図５に表わすように、絶縁層セグメント４６ａは、先縁部５０、後縁部５２、及び両側縁部５４，５６を有している矩形状のセグメント部材を備えている。絶縁層セグメント４６ａの熱伝導率は、タービン排出ケース１４の壁の熱伝導率より低い。絶縁層セグメント４６ａの熱伝導率は、最大で約０．１５Ｗ／ｍ・Ｋであって、好ましくは、ディフューザ２６からタービン排出ケース１４に至る熱伝達に抗するように、約０．００５Ｗ／ｍ・Ｋとされる。絶縁層セグメント４６ａは、一の絶縁層セグメント４６ａの側縁部５４，５６が隣接する絶縁層セグメント４６ａの側縁部５４，５６と密接又は係合している状態において、タービン排出ケース１４のケース内面４２に位置決めされている。

絶縁層セグメント４６ａの構成は、一組の互いに対して反対側に配置された金属薄板層５８，６０と、金属薄板層５８，６０同士の間に配置された保温層６２であって、金属薄板層５８，６０より相当低い熱伝導率を有している保温層６２とから成る。複数の金属ブッシュ６４は、絶縁層セグメント４６ａを取り付けるための取付点において、金属薄板層５８，６０及び保温層６２を貫通して延在している。特に、金属ブッシュ６４それぞれは、金属薄板層５８，６０同士の間に所定の間隔を形成するための高剛性構造体であって、絶縁層セグメント４６ａそれぞれをタービン排出ケース１４に取り付けるための、例えばスペーサ６６（図４参照）のような固定用構造体を受容するように構成されている。スペーサ６６は、例えば内側絶縁層４６とタービン排出ケース１４との間における熱的不整合を発生させるために、絶縁層セグメント４６ａをケース内面４２に対して限定的に移動させるように構成されている。例えば、スペーサ６６それぞれが、スタッド６７を備えており、スタッド６７は、ケース内面４２に固定されているラジアル方向外側端部と、ナット６９を受容することによって絶縁層セグメント４６ａをナット６９とケース内面４２との間に保持するためのネジ付ラジアル方向内側端部とを有している。

絶縁層セグメント４６ａは、絶縁層セグメント４６ａをタービン排出ケース１４に組み付けることを容易にするために、後縁部５２から後列の金属ブッシュ６４に至るまで延在しているスロット６５を備えている。特に、スロット６５は、タービン排出ケース１４とディフューザ２６との間に最小の間隙が存在するタービン排出ケース１４の後方部分において、後列の金属ブッシュ６４を対応する列のスタッド６７に接触するようにアキシアル方向にある程度移動可能とすることによって、組立の際に絶縁層セグメント４６ａがスタッド６７に接触するように移動することを容易にする。

限られた間隙が、ケース内面４２の周囲の特定位置において隣り合う絶縁層セグメント４６ａ同士の間に形成されていることを留意すべきである。例えばストラット３４がケース内面４２から内方に延在している接続部３６には、間隙すなわち空隙が、ストラット３４それぞれの両側部に隣り合って配置された隣接している絶縁層セグメント４６ａ同士の間に形成されている場合があることに留意すべきである。同様に、限られた間隙が、水平結合面９２を形成している構造部に直接隣接している絶縁層セグメント４６ａ同士の間に存在する。絶縁層セグメント４６ａの代替的な構成は、これら位置における空隙を小さくするようになっていることに留意すべきである。例えば、絶縁層セグメント４６ａは、ストラット３４の周囲に近接して延在しているように構成されており、これによりケース内面４２を放射熱に対して露呈している空隙領域を小さくすることができる。

多数の絶縁層セグメント４６ａを設けることによって、内側絶縁層４６をタービン排出ケース１４に組み付けることが容易になり、さらには、内側絶縁層４６の選択部分を修理することができる。例えば内側絶縁層４６の一部分が損傷した場合に、内側絶縁層４６は、内側絶縁層４６の全体を交換する必要なく、損傷している可能性がある内側絶縁層４６それぞれを取外及び交換することができるように構成されている。

特定の構成を有する絶縁層セグメント４６ａについて説明したが、他の材料及び他の構成を絶縁層セグメント４６ａに適用することができることに留意すべきである。例えば、絶縁層セグメント４６ａは、例えばケース内面４２のような表面に熱抵抗を付与するように構成されている、既知のセラミック絶縁材料から形成されている場合がある。

図１に表わすように、対流冷却チャネル４８は、タービン排出ケース１４のケース外面６８の周りにおいて周方向に延在しており、略アキシアル方向において上流側の排出ケースフランジ２１から少なくとも下流側の排出ケースフランジ１８に至るまで、好ましくは排出スプール構造体１６の下流側端部からラジアル方向外方に延在している下流側スプール構造体フランジ７０に至るまで延在して配置されている。対流冷却チャネル４８は、パネル構造体７２によって形成されており、パネル構造体７２は、パネル構造体７２が上流側排出ケースフランジ２１において排出セクション１０に固定されている上流側位置７４から、パネル構造体７２が下流側スプール構造体フランジ７０において排出セクション１０に固定されている下流側位置７６に至るまで、延在している。パネル構造体７２は、対流冷却チャネル４８の第１の冷却チャネル部分７８を形成するために、すなわち、上流側排出ケースフランジ２１と下流側排出ケースフランジ１８との間に凹状領域を形成するために、ラジアル方向においてケース外面６８に対して離隔された状態で配置されている。さらに、パネル構造体７２は、対流冷却チャネル４８の第２の冷却チャネル８２を形成するために、すなわち、上流側スプール構造体フランジ２０と下流側スプール構造体フランジ７０との間に凹状領域を形成するために、ラジアル方向においてスプール構造体１６の外面８０に対して離隔された状態で配置されている。第１の冷却チャネル部分７８及び第２の冷却チャネル部分８２は、周方向において排出セクション１０の周囲に並列配置された流路を形成しており、下流側排出ケースフランジ１８及び上流側排出ケースフランジ２１のラジアル方向外側端部を横断して互いに流通している。

図２及び図３に表わすように、対流冷却チャネル４８は、周囲空気を対流冷却チャネル４８に供給するために第１の周方向位置に配置されている、主冷却空気供給入口８４を含んでいる。さらに、対流冷却チャネル４８は、第１の周方向位置の対角線上反対側に位置する第２の周方向位置に、排出空気出口８６を含んでいる。好ましい実施例では、主冷却空気供給入口８４（図２Ａ参照）は、排出セクション１０の外側ケース１１の下死点位置に配置されており、排出空気出口８６は、排出セクション１０の外側ケース１１の上死点位置に配置されている。

図２に表わすように、排出セクション１０は、２つの半体から、すなわち水平結合面９２において共に結合される上側半体８８及び下側半体９０から形成されている。本発明の一の実施態様では、パネル構造体７２は、水平結合面９２の上方の位置から及び水平結合面９２の下方の位置から水平結合面９２を横切って延在している箱状部分として形成されている、拡大側部９４を含んでいる。拡大側部９４は、水平結合面９２の周囲の空気流のためのさらなる間隙を有するように構成されており、以下に説明するように、空気を対流冷却チャネル４８にさらに供給するように構成されている場合がある。

パネル構造体７２は、金属薄板から形成されている、すなわち外側ケース１１と比較して相対的に薄くなっているパネルセクション７２ａを備えている。パネルセクション７２ａは、外側ケース１１の湾曲に適用するように湾曲しており、拡大側部９４から主冷却空気供給入口８４に向かって下方に延在しており、拡大側部９４から排出空気出口８６に向かって上方に延在している。パネルセクション７２ａは、排出セクション１０の上流側位置７４と下流側位置７６との間に延在している略矩形状セクションとして形成されており、好ましくは拡大側部９４と同様に、合じゃくり接合部９８において、パネルセクション７２ａのアキシアル方向に延在している縁部に沿って互いに係合又は当接している。パネルセクション７２ａ及び拡大側部９４は、従来手法によって、排出セクション１０の外側ケース１１に取り付けられており、好ましくは、例えばボルトやネジのような固定具によって、取り外し可能な構成部品として取り付けられている。拡大側部９４は箱状部分として形成されているが、パネル構造体７２の拡大側部９４が特定の形状に限定される必要はなく、空気流が水平結合面９２を通過して流れるように構成されていることを条件として、任意の形状であって良い。水平結合面９２は、一般に、排出セクション１０の外側ケース１１のラジアル方向外方に延在している拡大されたフランジ部分を備えている。さらに、主冷却空気供給入口８４及び排出空気出口８６は、パネル構造体７２の周りの下死点位置及び上死点位置において、パネルセクション７２ａそれぞれの内部に設けられていることに留意すべきである。

図２及び図２Ｂに表わすように、拡大側部９４は、下側部分１００を具備して形成されており、下側部分１００は、水平結合面９２の下方に延在しており、下方に面している補助空気入口構造体１０２において終端している。補助空気入口構造体１０２は、第１の補助空気入口開口部１０４及び第２の補助空気入口開口部１０６を含んでいる。第１の補助空気入口開口部１０４及び第２の補助空気入口開口部１０６は、並列配置されており、パネル構造体７２の下向きに面している開口部として形成されている。第１の補助空気入口開口部１０４と第２の補助空気入口開口部１０６とは、第１の冷却チャネル部分７８及び第２の冷却チャネル部分８２それぞれを覆うように、アキシアル方向において位置合わせされている。図示の如く、第１の補助空気入口開口部１０４と第２の補助空気入口開口部１０６とは、カバーパネルすなわちカバープレート１０８，１１０を備えている。カバーパネルすなわちカバープレート１０８，１１０は、例えばボルトやネジのような固定具１１２によって、第１の補助空気入口開口部１０４及び第２の補助空気入口開口部１０６を覆うように取り外し可能に取り付けられている。さらに図３に表わすように、カバープレート１０８，１１０のうち少なくとも１つのカバープレートは、さらなる周囲空気すなわち補助周囲空気１１６が補助空気入口構造体１０２を通じて対流冷却チャネル４８に流入するように、第１の補助空気入口開口部１０４及び第２の補助空気入口開口部１０６から移動可能すなわち取外可能とされる。

本発明の一の実施態様では、対流冷却チャネル４８は、主冷却空気供給入口８４を通じて非強制周囲空気を受容する。すなわち、ガスタービンエンジンの外側の位置から主冷却空気供給入口８４を通じて主対流空気供給流れ１１４に空気を輸送するための駆動力すなわち圧力が主冷却空気供給入口８４に作用しない状態において、空気は、対流冷却チャネル４８に供給される。主冷却空気供給入口８４の直径は、第１の冷却チャネル部分７８及び第２の冷却チャネル部分８２それぞれの少なくとも一部分に亘って延在する大きさとされる。これにより、主対流空気供給流れ１１４の一部が、第１の冷却チャネル部分７８及び第２の冷却チャネル部分８２それぞれに直接流入する。

対流冷却チャネル４８に流入する周囲空気は、排出セクション１０の周囲における温度分布が不均一になることに起因して発生する熱応力を低減するか又は最小限度に抑えるために、排出セクション１０の周囲における温度勾配を小さくする。特に、タービン排出ケース１４の温度差による熱膨張に関連すると共にストラット３４に伝播される応力が、対流冷却チャネル４８によって供給される冷却流れの不均一性を大きくすることによって低減される。さらに、タービン排出ケース１４の動作温度は、材料のクリープ限界より小さく維持されるので、ストラット３４に作用する応力を高める原因となる関連するタービン排出ケース１４のクリープ変形を回避することができる。

対流冷却チャネル４８は、対流冷却空気供給位置の数量を増やすために、補助空気入口構造体１０２の１つ以上のカバープレート１０８，１１０を変位させるか又は取り外すことによって、マルチポート冷却構造体として構成される。従って、第１の冷却チャネル７８及び第２の冷却チャネル８２に供給される冷却空気の量は、カバープレート１０８，１１０を取り外すか又は交換することによって冷却空気の量を増減させるように、現場に配置されたガスタービンエンジンにおいて調整される。例えば、１つ以上のカバープレート１０８，１１０を取り外すことによって冷却空気流を増やすことが望ましい。さもなければ、周囲空気の温度の高低に依存して補助空気流１１６を停止又は低減させるために、１つ以上のカバープレート１０８，１１０を交換することによって空気流を低減させることが望ましい。さらに、カバープレート１０８，１１０は、隣り合う機械設備と構成部品との間における熱的不整合を最小限に抑えるように、タービン排出ケース１４及び排出スプール構造体１６の温度を最適化するために利用される。

排出空気出口８６は、対流冷却チャネル４８の頂部に配置されているので、加熱された排出空気１１８は、対流によって対流冷却チャネル４８から流出する。排出空気出口８６の直径は、第１の冷却チャネル部分７８及び第２の冷却チャネル部分８２それぞれの少なくとも一部分に亘って延在する大きさとされるので、加熱された空気が、対流冷却チャネル４８から排出され、第１の冷却チャネル部分７８及び第２の冷却チャネル部分８２それぞれから排出空気出口８６に直接輸送される。その後に、加熱された空気は、排出空気出口８６から流出し、既存のガスタービンユニットに設けられている既存のルーバー構造体（図示しない）から排出される。

対流冷却チャネル４８を通過して流れる対流空気流れは、ケース外面６８と排出スプール構造体１６の外面８０とに沿って加熱された空気が発生させる対流力によって駆動される冷却空気流である。対流冷却チャネル４８内部の加熱された空気は、自然対流によって増大し、排出空気出口８６に向かって案内される。加熱された空気が対流冷却チャネル４８の内部で増大するので、加熱された空気は周囲空気を主冷却空気供給入口８４を通じて対流冷却チャネル４８に引き込み、駆動力を冷却空気の連続流れに外側ケース１１の外面の周りにおいて上方に効果的に作用させることができる。同様に、パネル構造体７２の側面に設けられた補助空気入口開口部１０４，１０６のうち少なくとも１つの開口部が開いている場合には、自然対流が対流冷却チャネル４８の周囲において上方に補助空気入口構造体１０２を通じて排出空気出口８６に加熱された空気を引き込む。

冷却空気が対流空気流れ４８として上方に流れる場合には、対流冷却チャネル４８の外側の周囲空気圧より低い圧力が、対流冷却チャネル４８の内部に発生することに留意すべきである。従って、パネル結合部９８、又はパネルセグメント７２ａの縁部が上流側位置７４及び下流側位置７６において排出セクション１０に取り付けられている結合部９７，９９（図２参照）において、対流冷却チャネル４８の内部に向かって漏出が発生する。この点において、漏出を防止するシールをパネルセグメント７２ａ及び側面部分９４の周縁部に設ける必要が無いこと、並びに、対流冷却チャネル４８の内部に向かう漏出が遮熱／冷却システム４４の冷却機能を発揮させるという優位性を有していることに留意すべきである。

任意には、図３に概略的に表わすように、ファンユニット１２０は、排出空気出口８６に接続された状態で設けられている。ファンユニット１２０は、対流冷却チャネル４８の冷却能力を高めるために、対流冷却チャネル４８に流入し対流冷却チャネル４８を通過する周囲空気を維持しつつ、排出空気出口８６から空気をさらに供給することができる。代替的又は付加的には、入口ファンユニット（図示しない）が、対流冷却チャネル４８の内部に流入する周囲空気流を増大させるために、主冷却空気供給入口８４に設けられている場合がある。対流冷却チャネル４８を通じて流すためにファンユニット１２０を設けた場合であっても、すなわち、ファンユニット１２０を排出空気出口８６に設けると共にファンユニットを主冷却空気供給入口８４に設けた場合であっても、空気流が対流冷却チャネル４８を通じて移動することによって、外側ケース１１の外側を囲んでいる周囲領域に対して、対流冷却チャネル４８の内部の圧力が低減される。

さらに図１、図３、及び図４に表わすように（図２には図示しない）、対流冷却チャネル４８が外側絶縁層１２２を備えている。外側絶縁層１２２は、パネルセグメント７２ａ及び側面部分９４によって形成されているパネル構造体７２の外面の略全体を覆っており、排出セクション１０の近傍で労働しているか又は排出セクション１０の近傍を通過する作業員を熱から保護するために、低い熱伝導性を有している。

図４を参照すると、任意のさらなる内側絶縁層すなわち第２の内側絶縁層１２４が、排出スプール構造体１６に設けられており、内部スプールセグメント表面１２６の周囲に円周方向に、且つ、ディフューザ２６を支持するために設けられているＺ字状のプレート構造体すなわちスプリングプレート構造体１２８からラジアル方向外方に延在している。第２の内側絶縁層１２４は、上述の内側絶縁層４６に類似した構造及び熱伝導性を有している、独立した絶縁層セグメントを備えている。さらに、第２の内側絶縁層１２４は、上述の内側絶縁層４６の絶縁層セグメント４６ａに類似した態様で、内部スプール構造体１２６に取り付けられている。第２の内側絶縁層１２４は、ディフューザ２６から排出スプール構造体１６に伝達される放射熱量を制限するか又は最小限度に抑えるために設けられている。従って、対流冷却チャネル４８の第２の冷却チャネル部分８２を通じて流れる空気についての対流空気流の要件が、第２の内側絶縁層１２４を設けることによって引き下げられる。

上述のように、遮熱／冷却システム４４は、内側絶縁層４６が排出セクション１０の外側ケース１１に伝達される熱エネルギ量を実質的に低減させることによって、外側ケース１１の材料をそのクリープ限界を下回るように維持するための要件を引き下げることができる、システムを提供する。従って、対流冷却チャネル４８によって付与される外部冷却構成は、対流空気流を介して外側ケース１１を適切に冷却することができる。これに伴って、強制空気流によって外部冷却ケース１１の内部を冷却する必要性が低減又は解消される。強制空気流によって外側ケース１１の内部を冷却する必要性が解消されることによって、すなわち、外側ケース１１の外部に対する冷却空気の吸排気を維持することによって、外側ケース１１の内部に配置された構成部品同士の間における熱的不整合すなわち熱勾配に関連する問題を回避することができる。

さらに、外側ケース１１を冷却するための空気供給が、圧縮機の抽気を利用しないので、すなわち、ガスタービンエンジンからの空気供給に依存するので、本発明における遮熱／冷却システム４４は、例えばシステムが圧縮機の抽気を引き込むことによって発生するタービン出力の低下を生じさせない。本発明における遮熱／冷却システム４４の冷却効果は、実質的にガスタービンエンジンの運転条件とは関係なく発揮される。従って、本発明は、ガスタービンエンジンの補助冷却空気を利用しないで実施可能とされ、補助冷却空気を利用するための要件を引き下げることができるので、ガスタービンエンジンの全体的な運転効率を高めることができる。

本発明の代替的な実施態様では、ガスタービンエンジン１０の内部において補助周囲圧力源を利用することによって、対流冷却チャネル４８を通じた流れが有効に形成される。当該実施態様では、図６〜図１０を参照すると、ストラット構造体３２が、ストラット３４それぞれを囲んでいる放射シールド３５を備えているシールド構造体をさらに含んでおり、放射シールド３５は、ストラット３４とストラットシールドすなわちフェアリング４０との間に配置されている。放射シールド３５とストラットシールドすなわちフェアリング４０とは、ストラット３４を熱から保護するためのシールド構造体を形成している。小さいストラットシールド間隙３７は、放射シールド３５によって形成されており、ストラット３４の外面と放射シールド３５の内面との間に形成されている環状の空隙とされる。放射シールド３５には、放射シールド３５を所定の間隔で配置させるために、且つ、放射シールド３５の内部において振動モードの形成を回避するために、ストラット３４に向かって内方に延在しているディンプル３９が形成されている（図９及び図１０参照）。本発明の一の実施態様では、放射シールド３５はストラット３４を放射熱エネルギから遮蔽しており、ストラットシールド間隙３７は冷却空気流路を形成している。

特に、ストラットシールド間隙３７は、空気ダクト構造体を形成している。空気ダクト構造体は、ケース内面４２における入口端部から、出口キャビティと流通しているシールド内側端部４７における出口に至るまで、ストラット３４及び放射シールド３５に沿ってラジアル方向内方に延在している、冷却空気経路又は冷却空気通路を形成している。出口キャビティは、ガスタービンエンジン１０の内部の低減圧力領域によって形成されている。本発明の一の実施態様では、ストラットシールド間隙３７によって形成されている空気経路は、周囲空気の流れを対流冷却チャネル４８の内部に引き込むための、ガスタービンエンジン１０の内部の補助周囲圧力源と連通している空気流路とされる。図７、図８、及び図１０から理解されるように、放射シールド３５は、フレア状壁部３５ａ，３５ｂによって形成されているフレア状のラジアル方向外側端部から形成されている。フレア状壁部３５ａ，３５ｂはそれぞれ、周方向反対向きに延在しており、ダクト２６の外壁３０と外側ケース１１との間に形成されている環状空隙を通じて延在している。さらに、フレア状壁部３５ａ，３５ｂは、外壁３０と外側ケース１１との間に閉じられた流路を形成するために、アキシアル方向において離隔している端部壁３５ｃ，３５ｄを介して結合されている。閉じられた流路は、放射シールド３５のシールド内側端部４７に至るまで延在している流路を囲んでいる。

図８に最良に表わすように、放射シールド３５は、外側ケース１１に取り付けられており、例えばフレア状壁部３５ａ，３５ｂは、複数の固定具４１によってケース内面４２に取り付けられており、放射シールド３５のラジアル方向外側端部は、ケース内面４２に密着されている。複数のケーススロット４３すなわち貫通穴は、外側ケース１１を貫通して形成されており（図１２参照）、放射シールド３５の外側端部によって密封されている領域において、ケース外面６８からケース内面４２に至るまで延在している。ケーススロット４３は、対流冷却チャネル４８とストラットシールド間隙３７との間を流通させている空気開口部を形成している。

放射シールド３５は、ストラット３４とフェアリング４０との間においてラジアル方向内方に延在しており、ディフューザ２６の内壁２８からラジアル方向内方に配置されているシールド内側端部４７を含んでいる。シールド内側端部４７は、出口キャビティの内部に向かって周囲冷却空気４９を排出する。出口キャビティは、タービンセクション１２の最終段ディスク構造体５９と排出セクション１０の上流側端部との間に位置する接合部６５に配置されている後方ディスクキャビティ５７に向かって周囲冷却空気４９が前方に流れる、内径キャビティすなわちトンネルキャビティ５１を備えている。特に、後方ディスクキャビティ５７は、最終段ディスク構造体５９のアキシアル方向後方に、且つ、ラジアル方向シール構造体すなわちラジアル方向密封パーティション６１のアキシアル方向前方に形成されている。ラジアル方向シール構造体６１は、支持ハウジング２４からダクト２６の内壁２８に至るまでラジアル方向に延在している。ラジアル方向密封パーティション６１が、ガスタービンエンジン１０の内部において周方向に延在していると共に並列に配置されている複数のセグメントから形成されていること、及び、ラジアル方向密封パーティション６１を形成しているセグメントの外側端部それぞれが、ラジアル方向形体６１ｂをディフューザ２６の内壁２８に係合するために弾性すなわちバネのような特性を有している、指状シール６１ａを含んでいることに留意すべきである。後方ディスクキャビティ５７の内側境界が、ロータ２５と支持ハウジング２４との間において内側シール接合部６３に形成されており、後方ディスクキャビティ５７の外側境界は、ディフューザ２６の内壁２８のアキシアル方向前方部分によって形成されており、最終段ディスク構造体５９のブレードプラットフォーム５９ａに至るまで延在している。

ラジアル方向密封パーティション６１を形成しているセグメントは、非液密の間隙が隣り合う指状シール６１ａ同士の間を含む当該セグメント同士の間に形成されているように位置決めされている。これにより、流体が、トンネルキャビティ５１から後方ディスクキャビティ５７に至るまで流れる。最終段ディスク構造体５９が回転した結果として、高温の排出ガス３１が接合部６５を通じて流れ、空気が後方ディスクキャビティ５７から抽出されるので、後方ディスクキャビティ５７の内部の補助周囲圧力が低減される。後方ディスクキャビティ５７の内部の補助周囲圧力は、ストラットシールド間隙３７から後方ディスクキャビティ５７に向かう周囲冷却空気４９の流れを駆動する、言い換えれば引き込むすなわち推進する。すなわち、後方ディスクキャビティ５７における補助周囲圧力によって、周囲冷却空気４９は、対流冷却チャネル４８から、外側ケース１１のケーススロット４３を通じて、ストラットシールド間隙３７を通じてシールド内側端部４７に向かってラジアル方向内方に流れる。周囲冷却空気４９は、ラジアル方向密封パーティション６１の間隙を通じて、後方ディスクキャビティ５７の内部に向かって流れる。

例えばガスタービンエンジン１０の内部の補助周囲圧力のキャビティのような供給源は、補助周囲圧力源がタービン出力を犠牲にしない程度で、本発明のために利用される。さらに、放射シールド３５の周囲空気経路に接続するための上述の流路は、すなわちラジアル方向密封パーティション６１を通過する経路を備えている上述の流路は、典型的な目的を達成するための一般的な説明に基づいて形成されており、補助周囲圧力を放射シールド３５の内側端部４７に連通させるための経路又は流路を備えている場合がある。

周囲冷却空気４９は、ストラット構造体３２それぞれのストラットシールド間隙３７を通じてラジアル方向内方に流れるので、周囲冷却空気４９は、対流冷却チャネル４８を通じて、外側ケース１１のケース外面６８及び外面８０に沿って周方向にケーススロット４３に向かって引き込まれる。周囲冷却空気４９を対流冷却チャネル４８の内部に向かって流すために、ストラットシールド間隙３７が、対流冷却チャネル４８の外側境界を形成しているパネル及び／又は絶縁構造体に形成されている。特に図１１に表わすように、パネル構造体７２のラジアル方向に延在している縁部７２ｂが、隣り合うパネルセクション７２ａ同士の間に位置する接合部１３０に配置されている。縁部７２ｂは、パネルセクション７２ａに載置された外側絶縁層１２２の隣り合うセクション同士の間に周囲空気を通過させるための、アキシアル方向に延在している開口部又は間隙を維持するために、外側絶縁層１２２のセクションの縁部を位置決めするためのストッパとして機能する。パネルセクション７２ａ同士の間に位置する接合部１３０に形成されている間隙によって、周囲冷却空気４９が、外側ケース１１のケース外面６８及び外面８０に沿ってケーススロット４３の内部に向かって通過するように、対流冷却チャネル４８の内部に向かって流れる。可能であれば、接合部１３０が、周方向においてストラット構造体３２同士の間の中央に配置されるように、且つ、接合部１３０を通じて対流冷却チャネル４８の内部に向かって通過する周囲冷却空気４９が、周囲冷却空気４９がケーススロット４３に到達した場合に外側ケース１１を冷却するために、ケース外面６８及び外面８０の大部分に沿って流れるように、パネルセクション７２ａ及び関連する接合部１３０の配置が選定される。実質的には、上述のように、周囲冷却空気は、ラジアル方向内方に通過し、後方ディスクキャビティ５７に至る。従って、接合部１３０における間隙は、冷却チャネル入口を形成しており、ケーススロット４３は、対流冷却チャネル４８のセグメントのための冷却チャネル出口を形成しており、複数の冷却チャネルセグメントは、外側ケース１１の外周に配置されている連続的な対流冷却チャネル４８を形成している。

外側ケース１１のケース外面６８及び外面８０を冷却するために周囲冷却空気４９を供給することに加えて、ストラットシールド間隙３７の内部に向かって通過する周囲冷却空気４９が、ストラット３４を熱からさらに保護するための冷却空気バリアを形成している。従って、空気流を駆動するためにガスタービンエンジン１０からエネルギを抽出することなく、例えば圧縮機の抽気を利用することなく、後方ディスクキャビティ５７の補助周囲圧力は、外側ケース１１を冷却するための、及び、冷却流れによってストラット構造体３４を保護するための周囲冷却空気４９の流れを有効に駆動するために利用される。

対流冷却チャネル４８を通じてストラット３４に沿ってラジアル方向内方に周囲空気を引き込むために、補助周囲圧力を利用する本発明の実施態様は、上述の外側絶縁層１２２及び内側絶縁層４６，１２４の実施態様のうち任意の実施態様と共に利用される。

本発明の特定の実施例について図解及び説明をしたが、当業者であれば、本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく、様々な他の変形及び変更を想到することができる。従って、特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲に属するこのような変形及び変更を含んでいることに留意すべきである。

１０ 排出セクション
１１ 外側ケース
１２ タービンセクション
１４ タービン排出ケース
１６ 排出スプール構造体
１８ 下流側排出ケースフランジ
２０ 上流側スプール構造体フランジ
２１ 上流側排出ケースフランジ
２２ 結合部
２３ フランジ
２４ 支持ハウジング
２５ ロータ
２６ ディフューザ（ダクト）
２８ （ディフューザ２６の）内壁
３０ （ディフューザ２６の）外壁
３１ 高温の排出ガス
３２ ストラット構造体
３４ ストラット
３５ 放射シールド
３５ａ フレア状壁部
３５ｂ フレア状壁部
３５ｃ 端部壁
２５ｄ 端部壁
３１ 高温の排出ガス
３６ （タービン排出ケース１４の）接続部
３７ ストラットシールド間隙
３８ （支持ハウジング２４の）接続部
４０ ストラットシールド（フェアリング）
４１ 固定具
４２ （タービン排出ケース１４の）ケース内面
４３ ケーススロット
４４ 遮熱／冷却システム
４６ 内側絶縁層
４６ａ 絶縁層セグメント
４７ シールド内側端部
４８ 対流冷却チャネル
４９ 周囲冷却空気
５０ （絶縁層セグメント４６ａの）先縁部
５１ 内径キャビティ（トンネルキャビティ）
５２ （絶縁層セグメント４６ａの）後縁部
５４ （絶縁層セグメント４６ａの）側縁部
５６ （絶縁層セグメント４６ａの）側縁部
５７ 後方ディスクキャビティ
５８ 金属薄板層
５９ 最終段ディスク構造体
６０ 金属薄板層
６１ ラジアル方向シール構造体（ラジアル方向密封仕切り）
６１ａ 指状シール
６１ｂ ラジアル方向形体
６２ 保温層
６３ 内側シール接合部
６４ 金属ブッシュ
６５ 接合部
６６ スペーサ
６７ スタッド
６８ ケース外面
６９ ナット
７０ 下流側スプール構造体フランジ
７２ パネル構造体
７２ａ パネルセクション（パネルセグメント、パネル構造体）
７２ｂ 縁部
７４ 上流側位置
７６ 下流側位置
７８ 第１の冷却チャネル部分
８０ （スプール構造体１６の）外面
８２ 第２の冷却チャネル部分
８４ 主冷却空気供給入口
８６ 排出空気出口
８８ （排出セクション１０の）上側半体
９０ （排出セクション１０の）下側半体
９２ 水平結合面
９４ 拡大側部（側面部分）
９７ 結合部
９８ 合じゃくり接合部（パネル結合部）
９９ 結合部
１００ （拡大側部９４の）下側部分
１０２ 補助空気入口構造体
１０４ 第１の補助空気入口開口部
１０６ 第２の補助空気入口開口部
１０８ カバープレート
１１０ カバープレート
１１２ 固定具
１１４ 主対流空気供給流れ
１１６ 補助周囲空気（補助空気流）
１１８ 排出空気
１２０ ファンユニット
１２２ 外側絶縁層
１２４ 第２の内側絶縁層
１３０ 接合部

Claims (9)

1. 中央長手方向軸線を規定している外側ケースであって、前記外側ケースの表面が、前記中央長手方向軸線の周りに周方向に延在している、前記外側ケースと、
   排出ガス流をガスタービンエンジンのタービンセクションから導くための排出ガス通路であって、前記外側ケースの内部に形成されている前記排出ガス通路と、
   前記外側ケースの外面に形成されている冷却チャネルであって、チャネル入口及びチャネル出口を有している前記冷却チャネルと、
   空気ダクト構造体であって、前記チャネル出口と流通している入口端部と、前記空気ダクト構造体の前記入口端部と比較して圧力が低い低圧領域と流通している出口端部とを含んでいる前記空気ダクト構造体と、
   前記空気ダクト構造体の前記出口端部に形成されている出口キャビティであって、前記冷却チャネルから前記空気ダクト構造体の内部に空気を引き込むために、前記出口端部において圧力を低減させる前記出口キャビティと、
   を備えており、
   前記冷却チャネルが、前記外側ケースの前記外面と前記外側ケースに支持されているパネル構造体との間に形成されており、
   周囲空気が、前記パネル構造体を通過して、前記冷却チャネルに流入することを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記空気ダクト構造体が、前記外側ケースの内面から前記出口キャビティの位置に至るまで前記排出ガス通路のラジアル方向内方に延在している、通路を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記ガスタービンエンジンが、前記外側ケースの前記内面からラジアル方向内方に延在しているストラットを含んでおり、
   前記空気ダクト構造体が、前記ストラットの周りに延在している放射シールドによって形成されており、前記外側ケースの前記内面に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記ガスタービンエンジンが、前記外側ケースの前記外面から前記空気ダクト構造体に周囲空気を導くために、前記冷却チャネルの前記チャネル出口を形成している前記外側ケースを貫通している開口部を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記パネル構造体が、アキシアル方向に延在している間隙を具備する複数のパネルセクションを備えており、
   前記間隙が、一定間隔で配置されている周方向位置において隣り合う前記パネルセクション同士の間に形成されており、
   周期空気が、前記間隙を通じて前記冷却チャネルの内部に流入することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記ガスタービンエンジンが、前記外側ケースの前記外面から前記空気ダクト構造体に周囲空気を導くための前記冷却チャネルの前記チャネル出口を形成している前記外側ケースを貫通している開口部を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
7. 前記ガスタービンエンジンが、前記外側ケースの温度を制御するための遮熱／冷却システムを含んでおり、
   前記遮熱／冷却システムが、
   前記外側ケースの前記外面の反対側に位置する前記外側ケースの内面において支持されている内側絶縁層であって、前記外側ケースの前記内面に沿って周方向に延在しており、前記外側ケースからラジアル方向内方に配置されている前記排出ガス通路からの放射エネルギに対する耐熱性を有している前記内側絶縁層と、
   ラジアル方向において前記外側ケースの前記外面に対して離隔して配置されているパネル構造体によって形成されており、前記外側ケースの前記外面の周囲に延在している前記冷却チャネルであって、略アキシアル方向において前記内側絶縁層と位置合わせされており、前記外側ケースの前記外面を冷却する周囲空気流のための流路を形成している前記冷却チャネルと、
   を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記ガスタービンエンジンが、前記パネル構造体に支持されている外側絶縁層であって、前記パネル構造体を覆っている前記外側絶縁層を含んでいることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
9. 前記外側ケースが、タービン排出ケースを備えており、前記内側絶縁層のアキシアル方向位置において前記排出ガス通路を形成している排出ディフューザを含んでいることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。

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