JP5345310B2 - タービンエンジンの冷却を促進するシステム及びガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、一体化されたタービンノズル及びシュラウド組立体を冷却するための方法及びシステムに関する。

ガスタービンエンジンの効率を高める１つの公知の方法では、タービン作動温度を高めることが必要とされる。しかしながら、作動温度が高くなると、特定のエンジン構成部品の熱限界を超える可能性があり、結果として耐用年数の短縮及び／又は材料破壊を生じることになる。更に、構成部品の熱膨張及び熱収縮が増大すると、構成部品の間隙及び／又は嵌合関係に悪影響を及ぼす可能性がある。その結果、従来型の冷却システムは、このような構成部品の冷却を促進して、高温の作動温度に曝されたときの潜在的に損傷をもたらす結果となるのを回避するためにスタービンエンジン内に組み込まれてきた。

冷却の目的で圧縮機からのメイン空気流から抽気することが知られている。エンジンの運転効率の維持を容易にするために、抽気される冷却空気の容積は通常、メイン空気流全体の小さな割合に限定される。従って、これにより、構成部品の温度を安全限度内に維持するのを容易にするために、冷却空気を最大限効率で利用することが必要となる。

例えば、高温に曝される１つの構成部品は、燃焼器から延びる高圧タービンノズルの直ぐ下流側に配置されるシュラウド組立体である。シュラウド組立体は、高圧タービンのロータの周りで円周方向に延び、従って高圧タービンを通って流れるメインガス流の外側境界（流路）の一部を形成する。ガスタービンエンジンの効率は、タービンブレードの半径方向外表面とシュラウド組立体の半径方向内表面との間で測定されるタービンブレード先端間隙の変動により悪影響を受ける可能性がある。エンジンの過渡運転の間、タービンブレード先端間隙は、タービンロータブレード及びシュラウド組立体の半径方向の変位の差の関数である。タービンロータは通常、固定シュラウドシステムよりも大きな質量を有し、従って、タービン作動中、タービンロータは通常、シュラウド組立体よりも遅い熱応答を有する。ロータブレードの半径方向変位とシュラウド組立体の半径方向変位との差が過度に大きい場合には、ブレード先端間隙が大きくなり、これによりエンジン効率の低下を生じる可能性がある。

更に、エンジン作動中、高圧タービンノズル外側バンドの後縁と、隣接するシュラウドセグメントの前縁との間にギャップが形成されることがある。限定ではないが、ノズル漏出流及び／又はパージ流を含む冷却空気がギャップに入り、高圧タービン内を通って導かれるメインガス流に流入する。冷却空気は一般に、外側バンド後縁内に位置付けられ、軸方向に整列した冷却孔の列によって提供され、該冷却孔は、シュラウド前縁の前方面に配向されて、端面の冷却及びギャップのパージを促進する。公知のノズル外側バンド後縁及びシュラウド前縁は、単純な９０°コーナーを有するので、ギャップは、メインガス流に直接開口している。エンジン作動中、メインガス流がノズルベーンを貫流するときに円周方向のガス圧変化がベーン後縁から下流側で生じる可能性がある。この円周方向のガス圧変化は、外側バンドとシュラウドセグメントとの間のギャップへの局所的な高温ガスの吸込みを引き起こす可能性がある。その結果、ギャップを貫流する冷却空気は、下流側シュラウドセグメントを効果的に冷却することができない。
米国特許第６，９８４，１００号公報 米国特許第６，７７９，５９７号公報 米国特許第６，４８５，２５５号公報 米国特許第６，４３１，８３２号公報 米国特許第６，４３１，８２０号公報 米国特許第６，３９８，４８８号公報 米国特許第６，３５４，７９５号公報 米国特許第６，３４０，２８５号公報 米国特許第５，５１１，９４５号公報 米国特許第５，２１７，３４８号公報 米国特許第４，９４９，５４５号公報

１つの態様において、エンジン組立体が提供される。本エンジン組立体は、内側バンドと、後方フランジ及び半径方向内表面を有する外側バンドとを含むノズル組立体を備える。後方フランジは、冷却流体を傾斜放出角で配向するように構成された複数の冷却孔を含む。エンジン組立体はまた、内側バンドと外側バンドとの間で延びる少なくとも１つの翼形ベーンを含む。

別の態様において、ガスタービンエンジンが開示される。本エンジンは、内側バンドと、外側バンドと、内側バンド及び外側バンド間で延びる少なくとも１つの翼形ベーンとを含むノズル組立体を備える。外側バンドは、後方フランジと半径方向内表面とを含み、後方フランジは、冷却流体を傾斜放出角で配向するように構成された複数の冷却孔を含む。

またここでは、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が開示される。この方法は、少なくとも１つのタービンノズルセグメントをガスタービンエンジン内に結合する段階を含む。少なくとも１つのタービンノズルセグメントは、後方フランジと半径方向内表面とを含む外側バンドと内側バンドとの間で延びる少なくとも1つの翼形ベーンを含む。本方法はまた、前縁と半径方向内表面とを含む少なくとも1つのタービンシュラウドセグメントを少なくとも1つのタービンノズルセグメントの下流側に結合する段階と、各タービンノズル外側バンド後方フランジに誘導される冷却流体が前記少なくとも1つのタービンシュラウドセグメントの前縁に向けて傾斜放出角で配向されるように、前記少なくとも１つのタービンノズルセグメントと流れ連通して冷却流体源を結合する段階とを含む。

本発明は、高圧タービンノズルの後縁と、隣接するシュラウドセグメントの前縁との間に定められるギャップ内への高温ガスの吸込みを最小にするためのタービンシュラウド冷却システムを提供する。このタービンシュラウド冷却システムは、高圧タービンを貫流する高温ガス流と、タービンノズル及びシュラウドセグメント間に定められるギャップを貫流する冷却空気との間の障壁の形成を促進する。

本発明は、航空機ガスタービンのシュラウド組立体の冷却に関わる本出願に際して以下で説明されるが、適切な変更によれば、本発明の冷却システム又は組立体はまた、限定ではないがノズル及び／又はベーンセクションなどの他のタービンエンジン構成部品の冷却を促進するのにも好適とすることができることは、当業者には明らかであり、本明細書で与えられる教示により導かれるはずである。

図１は、例示的なシュラウド組立体の側面図であって、シュラウド組立体を貫流する高圧冷却空気流を概略的に示している。図２は、代替的なシュラウド組立体の側面図であって、シュラウド組立体を貫流する高圧冷却空気流を概略的に示している。エンジン過渡動作中のシュラウド組立体の熱応答及び／又はシュラウド組立体の変位の制御を容易にするために、例示的な実施形態において、タービンエンジン冷却組立体１０８は、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション１１２及び低圧タービンセクション１１４用のシュラウド組立体（全体が参照符号１１０で示す）を含む。タービンエンジン冷却組立体１０８は、限定ではないが、ノズルセクション及び／又はベーンセクションのようなガスタービンエンジンの他のセクションの冷却を容易にするのにも好適とすることができる点は、当業者には明らかであり、本明細書で与えられる教示により導かれるはずである。

シュラウド組立体１１０は、シュラウドセグメント１３０の形態のタービンエンジン冷却構成部品を含む。各シュラウドセグメント１３０は、その円周方向前縁１３３において前方取付けフック１３２を含む。シュラウドセグメント１３０はまた、中央取付けフック１３４と、シュラウドセグメント１３０の円周方向後縁１３７に隣接する後方取付けフック１３６とを含む。

複数のシュラウドセグメント１３０は、一般に公知の方式で円周方向に配置され、環状のセグメントシュラウドを形成する。シュラウドセグメント１３０は、高圧タービンブレード（図示せず）とシュラウドセグメント１３０の高圧タービンセクションの半径方向内表面１３８との間、及び低圧タービンブレード（図示せず）とシュラウドセグメント１３０の低圧タービンセクションの半径方向内表面１４０との間に環状間隙を定める。複数のセグメントシュラウド支持体１４４がシュラウドセグメント１３０を相互連結する。各シュラウド支持体１４４は、隣接するシュラウドセグメント１３０を円周方向に跨いでこれらを支持する。別の実施形態において、シュラウド支持体１４４は、２つのシュラウドセグメント１３０よりも少ないか又は多い、あらゆる適当な数のシュラウドセグメント１３０を支持するように変更される。例示的な実施形態において、シュラウド組立体１１０は、２６個のシュラウドセグメント１３０及び１３個のシュラウド支持体１４４を含むが、別の実施形態において、あらゆる適当な数のシュラウドセグメント１３０及び／又はシュラウド支持体１４４を利用することができる。

各シュラウド支持体１４４は、前方セクション１４６、中央セクション１４８、及び後方セクション１５０を含み、それぞれが前方に突出したハンガ１５２、１５４、及び１５６を形成する。取付けフック１３２、１３４、及び１３６は、シュラウド支持体１４４がそれぞれのシュラウドセグメント１３０を支持するように、ハンガ１５２、１５４、及び１５６を溝内舌状部又はハンガ内フックの相互連結部において協働させることによって受けられる。

シュラウド組立体１１０は、シュラウド支持体１４４を支持する環状シュラウドリング構造体１５８を含む。一実施形態において、シュラウドリング構造体１５８は、一体部品の連続した環状シュラウドリング構造体である。各シュラウド支持体１４４並びに各シュラウドセグメント１３０の半径方向位置は、シュラウドリング構造体１５８上に形成された２つの環状位置制御リング１６２及び１６４だけによって厳密に制御される。従来のシュラウドリング構造体とは異なり、シュラウド組立体１１０の重量の低減又は制限を促進するために、シュラウドリング構造体１５８は２つの位置制御リング１６２及び１６４だけを含む。中央セクション位置制御リング１６２は、軸方向前方に突出したハンガ１６６を含み、該ハンガ１６６は、第１の円周方向の溝内舌状部又はハンガ内フックの相互連結部において支持構造体中央セクション１４８によって形成された後方突出取付けフック１６７を受け入れ及び／又はこれと協働する。後方位置制御リング１６４は、軸方向前方に突出するハンガ１６８を含み、該ハンガ１６８は、第２の円周方向の溝内舌状部又はハンガ内フックの相互連結部において支持構造体後方セクション１５０の後方突出取付けフック１６９を受け入れ及び／又はこれと協働する。

例示的な実施形態において、ハンガ１６６及び／又は１６８は、それぞれハンガ１５４及びハンガ１５６と直接軸方向で整列し、すなわち同じ半径方向平面内でほぼ整列して、シュラウド支持体１４４、従って対応するシュラウドセグメント１３０に提供される半径方向支持及び／又は半径方向位置制御を最大にするのを促進する。この整列の向きは、シュラウド支持組立体全体の剛性の増大を促進する。図２に示す別の実施形態において、ハンガ１６６及び／又はハンガ１６８は、それぞれハンガ１５４及びハンガ１５６とオフセットして軸方向に整列しており、すなわち同じ半径方向平面内では一般に整列していない。例示的な実施形態において、シュラウドリング構造体１５８は、その後端部において燃焼器ケース（図示せず）にボルト固定される。シュラウドリング構造体１５８は、燃焼器ケースの境界部において前縁１３３から離れて片持ち式にされる。従って、中央セクション位置制御リング１６２は、燃焼器後方フランジ（図示せず）から数インチ離れて位置付けられ、これによって燃焼器ケースにおける半径方向偏位のあらゆる非均一な円周方向ばらつきとは無関係にされる。

例示的な実施形態において、高圧冷却空気１７０は、シュラウド組立体１１０の上流側に位置付けられた圧縮機（図示せず）から抽気される。圧縮機から抽気された高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、高圧タービンセクション１１２の冷却を促進する。圧縮機から抽気された高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。図１を更に参照すると、第１の部分１７１及び第２の部分１７２に対応する方向矢印は、それぞれ高圧タービンセクションのアクティブ対流冷却域１７３を通る高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１、及び低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６（後述する）内を通る高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２の流路の少なくとも一部を示している。

この実施形態において、高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、第１のすなわち高圧のタービンセクションアクティブ対流冷却域１７３に流量調整される。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、シュラウド支持体１４４内に形成された少なくとも１つの高圧タービンセクション（ＨＰＴＳ）供給孔１７４を通って流量調整される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３内に位置付けられた平鍋形ＨＰＴＳ衝突バッフル１７５に衝突する。バッフル１７５は、シュラウド支持体１４４に結合され、従って、上側ＨＰＴＳキャビティ又はプレナム１７６を少なくとも部分的に形成する。次に高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、衝突バッフル１７５内に形成された複数の穿孔１７７を介して、シュラウドセグメント１３０内に定められた下側ＨＰＴＳキャビティ又はプレナム１７８に冷却空気として流量調整され、ここで冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の裏面１７９に衝突する。使用済み衝突冷却空気１８０などの高圧冷却空気の一部は、シュラウドセグメント前縁１３３又はその近傍で形成された複数の前方に向いた冷却開口１８１を介してプレナム１７８から出る。該冷却開口は、高圧タービンノズル外側バンド１８３とシュラウドセグメント前縁１３３との間に定められるギャップ１８２のパージを促進するように構成される。高圧冷却空気の一部１８４は、シュラウドセグメント１３０内に形成された複数の後方に向いた冷却開口１８５を介して流量調整されて、内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却を促進する。冷却開口１８１から出る高圧冷却空気の使用済み衝突冷却空気１８０は、前縁１３３におけるシュラウド組立体１１０内への高温ガス噴出又は再循環の阻止又は制限を促進する。

圧縮機から抽気された高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。この実施形態において、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、第２の又は低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に流量調整される。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４内に形成された少なくとも１つの低圧タービン供給孔１８７を介して流量調整される。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６内に位置付けられた平鍋形低圧タービンセクション衝突バッフル１８８に衝突する。バッフル１８８は、シュラウド支持体１４４に結合され、従って、上側ＬＰＴＳキャビティ又はプレナム１８９を少なくとも部分的に形成する。次いで、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、衝突バッフル１８８内に形成された穿孔１９０を介して下側ＬＰＴＳキャビティ又はプレナム１９１に流量調整され、ここで高圧冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の裏面１９２に衝突する。冷却空気１９３は、シュラウドセグメント１３０を通って形成された複数の後方に向いた冷却開口１９４を介してプレナム１９１から出て、下流側のシュラウドセグメント１３０の後縁１３７の半径方向内表面１４０のフィルム冷却を促進する。

図１に示すように、高圧冷却空気１７０は、最初に、少なくとも高圧タービンノズル外側バンド１８３と中央セクション位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造体１５８の一部との間に形成されたダクト２０４に配向される。高圧冷却空気１７０は、これがダクト２０４を通って配向されるときに、ダクト２０４内で第１の部分１７１と第２の部分１７２とに分離される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、ＨＰＴＳ供給孔１７４を介してアクティブ対流冷却域１７３内とプレナム１７８内に流量調整されて、高圧タービンセクション１１２における衝突冷却を促進する。使用済み衝突冷却空気１８０は、シュラウドセグメント前縁冷却開口１８１を介してシュラウドセグメント１３０から出て、高圧タービンノズル外側バンド１８３及びシュラウドセグメント１３０間に形成されたギャップ１８２のパージを促進し、及び／又は高圧タービンセクション１１２の後端部２０５に形成された冷却開口１８５を介してシュラウドセグメント１３０から出て、シュラウドセグメント１３０の内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却を促進する。

高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４とシュラウドセグメント１３０との間、及び中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に少なくとも部分的に形成される第２のアクティブ対流冷却域１８６に配向される。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。一実施形態において、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４内に形成された複数の低圧タービン供給孔１８７を介して流量調整される。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、アクティブ対流冷却域１８６に直接流量調整されて、低圧タービンセクション１１４におけるシュラウドセグメント衝突冷却を促進し、その結果、冷却空気は、シュラウド支持体１４４とシュラウドリング構造体１５８との間、及び中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に非アクティブ対流冷却域２１１を形成する第３の領域２１０を迂回する。使用済み衝突冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の後縁１３７又はその近傍に形成された冷却開口１９４を介してシュラウドセグメント１３０から出る。

図１に示す流路においては、高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３及び／又は低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６は、直接且つアクティブに冷却される。低圧タービンセクション非アクティブ対流冷却域２１１は、非アクティブであり、すなわちどのような高圧冷却空気も非アクティブ対流冷却域２１１を貫流しない。従って、エンジン過渡動作中に生じる環境条件に対する非アクティブ対流冷却域２１１内の熱応答が低減及び／又は遅延される。その結果、中央セクション位置制御リング１６２及び／又は後方位置制御リング１６４の過渡変位も低減及び／又は遅延される。

図２に示すように、高圧冷却空気１７０は、高圧タービンノズル外側バンド１８３と中央セクション位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造体１５８との間に少なくとも部分的に形成されるダクト２０４に配向される。高圧冷却空気１７０は、第１の部分１７１と第２の部分１７２とに分離される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、プレナム１７６及び１７８を少なくとも部分的に形成する高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３にＨＰＴＳ供給孔１７４を介して流量調整され、高圧タービンセクション１１２におけるシュラウドセグメント衝突冷却を促進する。使用済み衝突冷却空気１８０は、シュラウドセグメント前縁冷却開口１８１を介してシュラウドセグメント１３０から出て、高圧タービンノズル外側バンド１８３及びシュラウドセグメント１３０間のギャップ１８２のパージを促進し、及び／又は高圧タービンセクション１１２の後端部２０５に形成された冷却開口１８５を介してシュラウドセグメント１３０から出て、内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却を促進する。

高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４及びシュラウドセグメント１３０間、並びに中央セクション位置制御リング１６２及び後方位置制御リング１６４間に少なくとも部分的に形成された低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に配向されて、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。一実施形態において、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４を貫通して形成された複数の低圧タービン供給孔１８７を介して流量調整される。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、プレナム１８９及び１９１を少なくとも部分的に形成する低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に直接流量調整されて、低圧タービンセクション１１４におけるシュラウドセグメント衝突冷却を促進する。使用済み衝突冷却空気１９３は、シュラウドセグメント１３０の後縁１３７又はその近傍に形成された冷却開口１９４を介してシュラウドセグメント１３０から出る。

図１及び２に示すようなシュラウド冷却組立体は、それぞれの供給孔１７４及び供給孔１８７を介して高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３及び／又は低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に高圧冷却空気を直接配向する。

図１及び２に示すようなシュラウド冷却組立体においては、高圧冷却空気は、低圧タービンセクション非アクティブ対流冷却域２１１を介して流量調整又は配向されない。その結果、低圧タービンセクション非アクティブ対流冷却域２１１を形成する構成部品は、従来のシュラウド冷却組立体内でアクティブ対流冷却域を形成する構成部品よりも、エンジン過渡動作中の温熱条件及び／又は環境に対して比較的遅く応答する。温熱条件及び／又は熱環境に対するこの遅い応答は、中央セクション位置制御リング１６２及び／又は後方位置制御リング１６４の比較的遅い過渡変位を促進する。

従って、低圧タービンセクションシュラウドリング構造体を迂回することにより、図１及び図２に示す高圧冷却空気流路は、エンジン過渡動作中のシュラウドセグメントの過渡熱応答及び／又は変位の低減及び／又は遅延を促進する。より遅い応答は、ブレード先端間隙及びタービンエンジン効率の改善を促進する。

図３は、タービンノズルバンド１８３、ギャップ１８２、及びシュラウドセグメント前縁１３３の拡大断面略図である。タービンノズル外側バンド１８３は、タービンノズルセグメント５２０の一部として含まれる。タービンノズルセグメント５２０は、一般に、図４に示す円周方向に離間された複数の翼形ベーン５１０を含む。ベーンは、半径方向外側バンド１８３と半径方向内側バンド（図示せず）との間に延びる。例示的な実施形態において、外側バンド１８３は、半径方向内表面５２２と後方フランジ５０４とを含む。後方フランジ５０４は、上流面５０６、後縁５００、及び上流面５０６から後縁５００まで延びる複数の冷却開口５０８を含む。冷却開口５０８は、冷却空気５２６をシュラウドセグメント前縁１３３に向けて誘導するのを促進し、更に、ギャップ内に移動した移動高温ガスのギャップ１８２のパージを促進するように配向される。

図４は、タービンノズル外側バンド１８３、外側バンド後方フランジ５０４、ギャップ１８２、及びシュラウド組立体前縁１３３の概略平面図である。より具体的には、図４に示すように、後方フランジ冷却開口５０８は、後方フランジ５０４を斜めに貫通して延び、シュラウドセグメント前縁開口１８１は、シュラウドセグメント前縁１３３を斜めに貫通して延びる。例示的な実施形態において、各ノズルセグメント５２０は、第１の側壁５１２と第２の側壁５１４とを含む少なくとも１つの翼形ベーン５１０を含む。例示的な実施形態において、第１の側壁５１２は凸状であり、各翼形ベーン５１０の負圧面を定め、第２の側壁５１４は凹状であり、各翼形ベーン５１０の正圧面を定める。側壁５１２及び５１４は、各翼形ベーン５１０の前縁５１６及び軸方向に離間された後縁５１８で互いに接合される。各翼形部後縁５１８は、それぞれの各翼形部前縁５１６から翼弦方向で下流側に離間される。第１及び第２の側壁５１２及び５１４はそれぞれ、半径方向内側バンド（図示せず）から半径方向外側バンド１８３にわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びる。

各ベーン５１０は、前縁５１６から後縁５１８に向って翼形の輪郭（図示せず）を有する。高温燃焼ガスが翼形ベーン５１０の周りを流れるときに、側壁５１２に沿ったガスが加速されて低い静圧を生成し、側壁５１４に沿ったガスは減速されて高い静圧を生成する。エンジン作動中、高温燃焼ガスは、ベーン５１０とバンド１８３との間に誘導されて、内側バンド（図示せず）及び外側バンド１８３の表面上で側壁５１４から側壁５１２に向う１対の通路渦流を形成する。通路渦流は、スパン中間コア流からの高温燃焼ガスを内側バンド（図示せず）及び外側バンド１８３に向けて運ぶ。タービンノズル外側バンド後縁５００には、円周方向に沿って周期的な圧力変動がある。通路渦流とシュラウド前縁１３３における円周方向圧力変動の組合せは、円周方向に周期的な局所ホットスポット５５０をシュラウド内表面１３８上に発生させることになる。時間の経過と共に、このようなホットスポット５５０は、エンジン組立体の全体性能を低下させ、及び／又はエンジンの耐久性を低くする可能性がある。

冷却開口５０８は、後縁５００に対して外側バンド後方フランジ５０４において斜めに配向され、冷却開口５０８から放出される冷却流は、矢印Ａで示されるほぼ回転方向において放出角αで放出される。例示的な実施形態において、放出角αは傾斜しており、従って、タービン１１２及び１１４を通る燃焼ガスの流れと平行ではない。より具体的には、全ての冷却開口５０８は、同じ放出角αで斜めに配向される。或いは、開口５０８のいずれも冷却開口５０８が本明細書に記載するように機能することを可能にするあらゆる放出角αで不均一に斜めに配向することができる。例示的な実施形態において、開口５０８は、外側バンド後縁５００全体にわたり円周方向に等距離に離間される。更に、例示的な実施形態において、開口５０８は、全て同じ大きさにされ、等しく斜め配向される。例示的な実施形態で示される冷却開口５０８は等しい大きさにされ、且つタービンノズル外側バンド１８３の後縁５００にわたって均一に離間されているが、別の実施形態では、冷却開口５０８は、本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる大きさ、形状、又は向きを有することができる点を理解されたい。

例示的な実施形態において、冷却開口１８１は、シュラウド組立体前縁１３３を貫通して延び、斜めに配向されて、ギャップ１８２の中心線５５５に対して測定した放出角βで冷却流体を放出する。例示的な実施形態において、放出角βは斜めであり、従って、開口１８１から放出される流れは、タービン１１２及び１１４内を通る燃焼ガス流と平行ではない。より具体的には、例示的な実施形態において、冷却開口１８１は、矢印Ａの方向に放出角βで均等に斜めに配向される。或いは、開口１８１のいずれも本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる放出角βで不均一に斜めに配向してもよい。例示的な実施形態において、開口１８１は、シュラウド組立体前縁１３３にわたって円周方向に等距離に離間される。更に、例示的な実施形態において、開口１８１は、全て同じ大きさにされ、等しく配向されている。例示的な実施形態において示された冷却開口１８１は、同じ大きさにされ、シュラウド組立体１１０の前縁１３３にわたって均等に離間されているが、別の実施形態では、冷却開口１８１は、本明細書で記載されるように機能することを可能にするあらゆる大きさ、形状、又は向きを有することができる点は理解されたい。

例示的な実施形態において、冷却開口５０８は各々、ギャップ１８２にわたって配置された冷却開口１８１のそれぞれと実質的に整列される。例示的な実施形態において、冷却開口５０８は、それぞれの冷却開口１８１と実質的に整列されるが、別の実施形態では、冷却開口５０８は、それぞれの冷却開口１８１と整列する必要はなく、冷却開口５０８及び１８１が本明細書で記載されるように機能することができる、それぞれの冷却開口１８１からのある距離だけオフセットさせてもよい。これに加えて、例示的な実施形態では、放出角α及びβは同じ大きさを有する。放出角α及びβは、例示的な実施形態においては同じ大きさを有すると説明したが、別の実施形態では、冷却開口５０８及び１８１は、それぞれ異なる角度α及びβで配向することができる点は理解されたい。

作動中、冷却開口５０８及び１８１の斜めの向きは、これらを介して誘導される空気に対して時計方向すなわち接線方向の速度成分をもたらす。その結果、位置ずれした冷却孔を通る冷却空気を転向する際にエネルギー損失が殆ど無いので、冷却流のエネルギー増大が促進される。空気の時計方向モーメントは、ギャップ１８２内部の圧力分布の均衡を促進するので、ギャップ１８２内への高温ガスの吸込みが低減されるようになる。

更に、タービンノズル組立体５２０の周囲の冷却開口５０８及び１８１の斜めの向き及び位置は、ギャップ１８２内への高温ガスの吸込みを低減するのを促進し、前縁１３３から下流側のシュラウド内表面１３８にわたるフィルム冷却の改善を促進する。冷却開口５０８及び１８１の向き及び位置は、冷却開口５０８及び１８１の長さの増大を促進し、従って、各外側バンド１８３及びシュラウド組立体１１０内における冷却開口５０８及び１８１の対流冷却能力を高める。

上記のタービンノズルセグメント及びシュラウドセグメントは、タービンノズル外側バンドの後方フランジに沿って延び、タービンシュラウド組立体の前縁に沿って延びる複数の斜め配向の冷却孔を含む。より具体的には、これらの冷却孔は、外側バンドの後方フランジを貫通し、タービンシュラウド組立体の前縁を貫通して延びる。その結果、冷却空気は、後方フランジと前縁との間に形成されたギャップ内に配向され、ギャップ内への高温ガスの吸込みの低減を促進し、高温燃焼ガスに直接曝されるシュラウド内表面の区域への冷却空気の効率的な分布を促進する。従って、タービンノズルセグメント及びシュラウドセグメントは、低い作動温度で動作可能であり、その結果、タービンノズルセグメント及びシュラウドセグメントの耐久性及び有効寿命の延長を促進し、エンジンの運転コストが低減される。

以上において、タービンノズルセグメント及びシュラウドセグメントの例示的実施形態が詳細に説明された。これらのセグメントは、本明細書に記載された具体的な実施形態に限定されず、各セグメントの構成要素は、本明細書に記載された他の構成要素と独立して別個に利用することができる。

本発明を種々の具体的な実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明を請求項の精神及び範囲内で修正を実施することができる点は理解されるであろう。

シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示している例示的なシュラウド組立体の側面図。 シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示している代替のシュラウド組立体の側面図。 図１又は２に示すシュラウド組立体とタービンノズルとの間に定められたギャップの拡大概略断面図。 図３に示すシュラウド組立体及びタービンノズルの平面図。

符号の説明

１０８ タービンエンジン冷却組立体
１１０ シュラウド組立体
１１２ 高圧タービンセクション
１１４ 低圧タービンセクション
１３０ シュラウドセグメント
１３２ 前方取付けフック
１３３ シュラウドセグメント前縁
１３４ 中央取付けフック
１３６ 後方取付けフック
１３７ 円周方向後縁
１３８ フィルム冷却シュラウド半径方向内表面
１４０ 冷却半径方向内表面
１４４ シュラウド支持体
１４６ 前方セクション
１４８ 支持構造体中央セクション
１５０ 支持構造体後方セクション
１５２ 前方突出ハンガ
１５４ 前方突出ハンガ
１５６ 前方突出ハンガ
１５８ シュラウドリング構造体
１６２ 中央セクション位置制御リング
１６４ 後方位置制御リング
１６６ 軸方向前方突出ハンガ
１６７ 後方突出取付けフック
１６８ 軸方向前方突出ハンガ
１６９ 後方突出取付けフック
１７０ 高圧冷却空気
１７１ 第１の部分
１７２ 第２の部分
１７３ 高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域
１７４ 高圧タービンセクション（ＨＰＴＳ）供給孔
１７５ 平鍋形ＨＰＴＳ衝突バッフル
１７６ 上側ＨＰＴＳキャビティ又はプレナム
１７７ 穿孔
１７８ 下側ＨＰＴＳキャビティ又はプレナム
１７９ 裏面
１８０ 使用済み衝突冷却空気
１８１ 前縁冷却孔
１８２ ギャップ
１８３ 高圧タービンノズル外側バンド
１８４ 部分
１８５ 後方に配向された冷却孔
１８６ 第２のすなわち低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域
１８７ 低圧タービン供給孔
１８８ 平鍋形低圧タービンセクション衝突バッフル
１８９ 上側ＬＰＴＳキャビティ又はプレナム
１９０ 穿孔
１９１ 下側ＬＰＴＳキャビティ又はプレナム
１９２ 裏面
１９３ 使用済み衝突冷却空気
１９４ 後方に配向された冷却孔
２０４ ダクト
２０５ 後端部
２１０ 第３の領域
２１１ 非アクティブ対流冷却域
５００ 外側バンド後縁
５０４ 外側バンド後方フランジ
５０６ 上流面
５０８ 後方フランジ冷却孔
５１０ 翼形ベーン
５１２ 第１の側壁
５１４ 第２の側壁
５１６ 翼形部前縁
５１８ 翼形部後縁
５２０ タービンノズル組立体又はノズルセグメント
５２２ 半径方向内表面
５２６ 冷却空気
５５０ 周期的局所ホットスポット
５５５ 中心線
α 放出角
β 放出角

Claims (10)

1. ノズル組立体を備えたエンジン組立体であって、
   前記ノズル組立体が、
   内側バンドと、
   後方フランジ（５０４）と半径方向内表面（５２２）とを含み、前記後方フランジが冷却流体（５２６）を傾斜放出角（α）で配向するよう構成された複数の冷却孔（５０８）を含む外側バンド（１８３）と、
   前記内側バンドと前記外側バンドとの間を延びる少なくとも１つの翼形ベーン（５１０）と、
   シュラウド組立体（１１０）と
   を含み、
   前記シュラウド組立体が、シュラウド内表面（１３８）とシュラウド組立体前縁（１３３）とを含み、前記シュラウド組立体前縁が、前記外側バンド（１８３）後方フランジ（５０４）と前記シュラウド組立体前縁との間に定められたギャップ（１８２）の中心線（５５５）に対して傾斜角度（β）で冷却空気を放出するように構成された複数の冷却孔（１８１）を含み、
   前記外側バンド（１８３）の複数の冷却孔（５０８）の各々が、前記シュラウド組立体前縁（１３３）に定められた前記複数の冷却孔のそれぞれと、前記ギャップ（１８２）において整列されている
   ことを特徴とするエンジン組立体。
2. 前記外側バンド（１８３）の複数の冷却孔（５０８）の各々と、前記シュラウド組立体（１１０）の複数の冷却孔の各々とが、前記エンジン組立体のロータの回転方向に対して斜め配向されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン組立体。
3. 前記外側バンド後方フランジ（５０４）の複数の冷却孔（５０８）が、前記外側バンド後方フランジと前記シュラウド組立体前縁（１３３）との間に定められたギャップ（１８２）内への高温ガスの吸込みの低減を促進する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン組立体。
4. 前記外側バンド後方フランジ（５０４）の複数の冷却孔（５０８）と前記複数のシュラウド組立体前縁冷却孔（１８１）とが、前記シュラウド内表面（１３８）のフィルム冷却を促進する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン組立体。
5. 前記外側バンド後方フランジ（５０４）の複数の冷却孔（５０８）が、前記複数のシュラウド組立体前縁冷却孔（１８１）の各々の放出角（β）とは異なる放出角（α）で配向された、
   ことを特徴とする請求項２に記載のエンジン組立体。
6. 内側バンドと、外側バンド（１８３）と、前記内側バンド及び前記外側バンド間を延びる少なくとも１つの翼形ベーン（５１０）と、シュラウド組立体（１１０）とを含むノズル組立体を備えたガスタービンエンジンであって、
   前記外側バンドが、後方フランジ（５０４）と半径方向内表面（５２２）とを含み、前記後方フランジが、冷却流体（５２６）を傾斜放出角（α）で配向するように構成された複数の冷却孔（５０８）を含み、
   前記シュラウド組立体が、シュラウド内表面（１３８）とシュラウド組立体前縁（１３３）とを含み、前記シュラウド組立体前縁が、前記外側バンド後方フランジ（５０４）と前記シュラウド組立体前縁との間に定められたギャップ（１８２）の中心線（５５５）に対して傾斜角度（β）で冷却空気（１８０）を放出するように構成された複数の冷却孔（１８１）を含み、
   前記複数の冷却孔（５０８）の各々が、前記シュラウド組立体前縁（１３３）に定められた前記複数の冷却孔（１８１）のそれぞれと、前記ギャップ（１８２）において整列されている
   ことを特徴とするガスタービンエンジン。
7. 前記外側バンド（１８３）の複数の冷却孔（５０８）の各々と、前記シュラウド組立体（１１０）の複数の冷却孔の各々とが、前記エンジン組立体のロータの回転方向に対して斜め配向されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記外側バンド後方フランジ（５０４）の複数の冷却孔（５０８）が、前記外側バンド後方フランジと前記シュラウド組立体前縁（１３３）との間に定められたギャップ（１８２）内への高温ガスの吸込みの低減を促進する、
   ことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
9. 前記外側バンド後方フランジ（５０４）の複数の冷却孔（５０８）と前記複数のシュラウド組立体前縁冷却孔（１８１）とが、前記シュラウド内表面（１３８）のフィルム冷却を促進する、
   ことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
10. 前記外側バンド後方フランジ（５０４）の複数の冷却孔（５０８）が、前記複数のシュラウド組立体前縁冷却孔（１８１）の各々の放出角（β）とは異なる放出角（α）で配向された、
    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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