JP5770970B2 - ガスタービンエンジン用タービンノズル - Google Patents

Description

本発明は、概して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タービンノズルを冷却する装置に関する。

ガスタービンエンジンは、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービン（「ＨＰＴ」）とが直列配置されたたターボ機械コアを備える。このコアは従来方式で動作し、一次ガス流を発生させる。高圧タービンは、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」）を有する。一列のノズルと一列のブレードとによって「段」が形成されている。２つ以上の段が直流配置されていることが多い。これらの構成要素は非常に高温の環境下で作動するので、適当な耐用年数を確保するには空気流による冷却が必要となる。

ＨＰＴノズルは、多くの場合、ノズル内の一次流路を画定する環状の内側バンドと外側バンドの間に延在し、配列されたエアフォイル状の羽根により構成される。従来技術のＨＰＴノズルの一部は、後部内側バンドにおいて、設計意図を超える温度に曝される。その結果、少ないエンジンサイクルであっても、酸化により後部内側バンドが損傷する。材料損傷は、望ましくない事象が連鎖する原因となり、これが重大なエンジン故障に繋がる恐れがある。例えば、多段ＨＰＴにおいて、第１段ノズルの内側バンドの後部部分が損傷すると、第１段ノズルと、隣接する第１段ブレードの前部回転シール部材即ち「エンジェルウィング（ａｎｇｅｌ ｗｉｎｇ）」との間に高温ガスが流れ込む可能性がある。一次流が一旦流れ込むと、第１段ロータディスクの前部冷却板が加熱され、亀裂が生じる可能性がある。冷却板に亀裂が生じると、高温空気により第１段ロータディスクが加熱され、ディスク支柱が損傷し、第１段タービンブレードが倒壊することがある。

従来技術のＨＰＴノズルの内側バンドには、多くの場合、軽量化のために材料が取り除かれたことによるポケットがある。しかし、一般的な内側バンドでは、高速流の場合、このポケットによって淀み領域が生じる可能性がある。淀み領域が生じると、冷却効果が低下し、上記の故障に繋がる可能性がある。

本発明では、高速流の淀みが低減された、重量削減ポケットを備える内側バンドを開示し、これにより、従来技術以上の及びその他の課題を解決する。

本発明の一実施形態において、タービンノズルは、中空のエアフォイル状タービン羽根と、このタービン羽根の第１端部に配置されており、タービン羽根に隣接する流路面と対向する背面とを有するアーチ形第１バンドとを含む。背面には、陥凹した少なくとも１つの開放ポケットが設けられており、この開放ポケットは、対向する端部において背面に接する底部壁によって部分的に画定されている。この底部壁は、実質的に内側に角部を有さない形状である。

本発明の別の実施形態において、ガスタービンエンジン用のタービンアセンブリは、一次流路全体に延在する複数のエアフォイル状タービンブレードを担持するディスクから成るタービンロータと、このロータの上流に配置されたタービンノズルとを含む。タービンノズルは、一次流路全体に延在する複数の中空のエアフォイル状タービン羽根と、このタービン羽根の内側端部に配置されたアーチ形内側バンドとを含む。内側バンドは、半径方向外方に面する流路面と、対向する背面とを有する。背面には、陥凹した少なくとも１つの開放ポケットが設けられており、この開放ポケットは、対向する端部において背面に接する底部壁によって部分的に画定されている。この底部壁は、実質的に内側に角部を有さない形状である。

添付図面を参照しながら以下の説明を参照することにより、本発明を更に理解できよう。

本発明の例示的実施形態における、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。 本発明の例示的実施形態における、タービンノズルセグメントの斜視図である。 本発明の別の例示的実施形態における、タービンノズルセグメントの斜視図である。 図２のタービンノズルセグメントの底面図である。 図２のタービンノズルセグメントの横断面図である。 図２のタービンノズルの断面図である。 図２のタービンノズルセグメントの内側バンドの一部分の横断面図である。 従来技術による、タービンノズルセグメントの内側バンドの一部分の概略横断面図である。 図２のタービンノズルセグメントの内側バンドの一部分の概略横断面図である。

全図面を通して同様の構成要素には同様の参照符号が付与されている添付図面を参照されたい。図１に、従来型のガスタービンエンジンの一部である、高圧タービン１０の一部分を示す。高圧タービン１０の機能は、既知のように、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、更にそのエネルギーを機械動力に変換することである。高圧タービン１０は、軸を介して上流圧縮機（図示せず）を駆動させ、燃焼器に加圧空気を供給する。

図示の例では、エンジンはターボファンエンジンであり、低圧タービン（図示せず）が高圧タービン１０の下流に配置され、ファンを駆動させる軸に連結されている。しかし、かかる構成は、ターボプロップ及びターボジェットエンジンをはじめとするその他の輸送手段のタービンエンジンにも、固定式のタービンエンジンにも適用可能である。

高圧タービン１０は、円周方向に離間配置された複数の中空エアフォイル状第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は、セグメント化されたアーチ形の第１段外側バンド１６とセグメント化されたアーチ形の第１段内側バンド１８とに挟持されている。第１段羽根１４、第１段外側バンド１６及び第１段内側バンド１８を組み合わせ、円周方向に隣接し合う複数のノズルセグメントとして配列することにより、３６０°分の組立体が完成する。第１段ノズル１２を流れる高温ガス流のために、第１段外側バンド１６及び第１段内側バンド１８により、半径方向外側流路境界及び半径方向内側流路境界がそれぞれ画定される。第１段羽根１４を適宜構成することにより、第１段ロータ２０に燃焼ガスを最適に案内することができる。

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エアフォイル状第１段タービンブレード２２の配列を含む。セグメント化されたアーチ形第１段シュラウド２６が、第１段タービンブレード２２を密接に包囲し、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している。

第２段ノズル２８は、第１段ロータ２０の下流に配設されており、円周方向に離間配置された複数の中空エアフォイル状第２段羽根３０を備える。第２段羽根３０は、セグメント化されたアーチ形の第２段外側バンド３２とセグメント化されたアーチ形の第２段内側バンド３４とに挟持される。第２段羽根３０、第２段外側バンド３２及び第２段内側バンド３４を組み合わせ、円周方向に隣接する複数のノズルセグメントとして配列することにより、３６０°分の組立体が完成する。第２段タービンノズル２８を流れる高温ガス流のために、第２段外側バンド３２及び第２段内側バンド３４はそれぞれ、半径方向外側流路境界及び半径方向内側流路境界を画定する。第２段羽根３０を適宜構成することにより、第２段ロータ３８に燃焼ガスを最適に案内することができる。

第２段ロータ３８は、エアフォイル状第２段タービンブレード４０を含む。第２段タービンブレード４０は、エンジン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し、配列されている。セグメント化されたアーチ形第２段シュラウド４４が、第２段タービンブレード４０を密接に包囲し、第２段ロータ３８を流れる高温ガス流のための半径方向外側流路境界を画定している。

図２及び図３に、第１段ノズル１２を形成する複数のノズルセグメント４６のうち１つのセグメントを示す。ノズルセグメント４６は、並列配置された、例えばろう付け結合により単一構成要素を形成する２つの個別「シングレット（ｓｉｎｇｌｅｔ）」鋳造物４８から成る。各々のシングレット４８は、ニッケル基又はコバルト基「超合金」等、高温特性を有する適宜の既知の材料から鋳造され、外側バンド１６のセグメント、内側バンド１８のセグメント及び中空第１段羽根１４を含む。かかる構成は、「ダブレット（ｄｏｕｂｌｅｔ）」鋳造物から製造されたタービンノズルをはじめ、複数の羽根を有する鋳造物及び連続タービンノズルリングにも適用可能である。

内側バンド１８は、流路面５４と対向する背面５６とを有する。１つ以上の開放ポケット５８が背面５６に形成される。ポケット５８は、機械加工、鋳造物への組み込み、又は各種技術の組み合わせにより形成される。

図４〜図６に、ポケット５８をより詳細に示す。各々のポケット５８は、開放周縁端６０を有する。ポケット５８は、前部壁６２、後部壁６４及び底部壁６６に囲まれ、この組み合わせにより画定されている。前部壁６２及び後部壁６４は略平面であり、互いに対して平行で、半径方向に整列している。これら構成要素の形状は、本発明の動作にとっては重要ではない。

底部壁６６は、第１端部６８と第２端部７０の間で略円周方向に延在する。底部壁６６は、背面５６において陥凹した中央部分７２と、２つの端部分７４を含む。端部分７４により、中央部分７２と背面５６の間に傾斜が形成される。中央部分７２は、円弧の一部の形状、又はその他適宜の曲線形状を成していて良い。

底部壁６６が背面５６から半径方向にオフセットされる距離を、ポケット５８の「深さ」と称し、参照符号「Ｄ」で示す。具体的な「Ｄ」の値は、ポケット５８の場所によって異なるが、基本的に、ポケット５８の円周中間点付近で最大になり、端部６８及び７０におけるゼロまで漸減する。軽量化のためには、深さ「Ｄ」の値をできるだけ大きくすることが望ましい。可能な深さの最大値は、内側バンド１８及び羽根１４が許容可能な材料厚さの最小値によって定まるが、「Ｔ」として数場所、示されている（図５参照）。例えば、最小厚さは約１．０ｍｍ（０．０４０ｉｎ）である。

図７に、ポケット５８の横断面の形状を示す。端部分７４の各々は、内側バンド１８の背面５６に対して非直角、非平行の角度θを成して配置される。角度θは、用途に応じて異なるが、分析の結果、傾斜角θを約２０°以下とすると再循環を最小限に抑えられるか、又は排除できることがわかっている。底部壁６６は、いかなる場合も、内側に角部を生じるような急激な遷移が無い、即ち小半径曲線を実質的に有さない形状である。端部分７４と背面５６の交差点は、滑らかに遷移している。例えば、背面５６に対して約２°〜約３°の角度を成して設けられた、端部分７４に滑らかな丸みが形成された引き込み部分７６、即ち単純な丸み形状の凸部を採用する。

動作中、比較的低温の空気の実質的なパージ流が、内側バンド１８の背面５６と接触する二次空気流路に発生する。この流れの場所を、図１に「Ｘ」として示す。この気流は主に、接線（即ち、図１のページに出入りする）方向に流れる。図８の流線「Ｓ」は、内側バンド１１８を、従来の形状を有するポケット１５８を備えた従来技術による内側バンドとした場合の、この流れの影響を示す。空気が比較的低速で再循環する領域「Ｚ」が明らかに存在するので、内側バンド１１８とパージ流との間の熱伝達が妨げられる。この領域Ｚにより、内側バンド１１８上に塵等の異物が堆積し、絶縁層が形成されることにより、熱伝達効率が更に低下する可能性がある。

対照的に、図９に、上記の内側バンド１８のポケット５８を通過する流れを示す。パージ流は、殆ど再循環することなく、高速でポケット５８を通過する。このポケット形状は、従来技術のポケット構造と比較して、再循環領域を無くすことで金属に接触する流速を概ね上昇させること、風損を減少させることで表面の平均流速を上昇させること、及び、不都合な絶縁層を形成する可能性がある塵の堆積を実質的に低減させることによって、内側バンド１８下の低温の高速流の熱伝達効率が大幅に向上する。例示的な構成要素の熱伝達の予備分析では、従来技術のポケット形状よりも、金属温度が局所的に約３３℃（６０°Ｆ）低下することが予測されている。

以上、タービンノズルバンドのポケット形状を説明した。一部の実施形態を用いて本発明を説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明の本質から逸脱することなく、これらに様々な改変を加えることができる。従って、以上の本発明の好ましい実施形態及び最良の態様は、例示目的のみにおいて説明されたものであり、本発明の実施形態を限定するものではない。

Claims (5)

1. （ａ）中空のエアフォイル状タービン羽根（１４）と、
   （ｂ）前記タービン羽根（１４）の第１の半径方向端部に配置されており、前記タービン羽根（１４）に隣接する流路面（５４）と対向する背面（５６）とを有するアーチ形第１バンド（１６、１８）と
   から成り、
   前記背面（５６）には、該背面（５６）から陥凹した、少なくとも１つの開放ポケット（５８）が設けられており、該開放ポケット（５８）は、対向する軸方向及び周方向端部において前記背面（５６）に接する底部壁（６６）によって部分的に画定され、
   前記底部壁（６６）の周方向端部には、実質的に角を形成するような急激な遷移及び小半径曲線が無く、
   前記底部壁（６６）が、周方向端部分（７４）の間に配置された中央部分（７２）を有しており、前記周方向端部分（７４）の各々により、前記背面（５６）と前記底部壁（６６）の前記中央部分（７２）の間に傾斜が形成され、
   前記傾斜が、前記背面（５６）に対して約２０度以下の角度を成し、
   前記底部壁（６６）が、前記底部壁（６６）と前記背面（５６）の間に延在する、相互に対向する軸方向前部壁及び後部壁（６２、６４）に挟持され、
   前記軸方向前部壁及び後部壁（６２、６４）が、略平面且つ相互に平行である、
   ことを特徴とする、タービンノズル。
2. 角度を成す遷移領域（７６）が、前記底部壁（６６）の前記対向する周方向端部が前記背面（５６）と交差する場所に設けられる、請求項１に記載のタービンノズル。
3. 丸みを付けた遷移領域（７６）が、前記底部壁（６６）の前記対向する周方向端部が前記背面（５６）と交差する場所に設けられる、請求項１に記載のタービンノズル。
4. 前記タービン羽根（１４）の前記第１バンド（１６、１８）の前記第１の半径方向端部に対向する第２の半径方向端部に配置されたアーチ形第２バンド（１６、１８）を更に有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービンノズル。
5. 複数の中空エアフォイル状タービン羽根（１４）が、前記第１バンド及び第２バンド（１６、１８）の間に配置される、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。
   

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