JP6189455B2

JP6189455B2 - ガスタービンアセンブリの排気セクションのためのパージおよび冷却空気

Info

Publication number: JP6189455B2
Application number: JP2015553907A
Authority: JP
Inventors: ハリー・パタト; シェリル・エー・ショップフ; ジェローム・エイチ・ケイティ; アダム・ウォーレス; ディヴィット・ジェイ・ウィーブ
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: US20140205447A1; CN104919140B; EP2948638A2; CN104919140A; JP2016505108A; WO2014116626A3; EP2948638B1; WO2014116626A2; RU2638114C2; SA515360768B1; RU2015130230A; US9316153B2

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、エンジンのためのタービンセクションのガスタービン排気アセンブリに配置された構成要素の冷却に関するものである。

ガスタービンエンジンなどのターボ機械において、コンプレッサで加圧された空気は燃料と混合され、高温の燃焼ガスを発生するよう燃焼器で燃焼される。高温の燃焼ガスは、タービンアセンブリを含むタービンセクションで膨張される。ここで、コンプレッサへ電力供給するためにかつ発電のための発電機への動力供給などの有用な仕事を引き起こすためにエネルギーが抽出される。高温の燃焼ガスは、一連のタービンステージを通って移動する。タービンステージは一列の固定ベーンを含んでもよく、固定ベーンに続いて一列の回転タービンブレードが設けられる。このときタービンブレードは、コンプレッサへの電力供給のために高温燃焼ガスからエネルギーを抽出して、出力電力を提供してもよい。燃焼ガスは、タービンアセンブリのタービン排気ケーシング内に配置されるガス経路を通って燃焼される。

構成要素の寿命を維持したり延ばしたりするためにタービンアセンブリ内の構成要素には耐熱性が要求される。例えば構成要素内にまたは構成要素の周囲に配置される冷却システムが設けられてもよくかつ／または高温に抵抗性がある高価な合金が使用されてもよい。典型的には冷却システムはコンプレッサから冷却空気を引き出すつまり空気を抽出するが、これはエンジンの全体効率を減少させることがある。

本発明の態様によれば、タービンエンジンにおけるタービンアセンブリであって、外側ケーシングと、内側ケーシングと、外側流路壁と内側流路壁との間に規定される環状の排気ガス経路と、ガス経路から半径方向外側および半径方向内側に配置されるタービン排気ケーシングアセンブリと、を有するタービンアセンブリが提供される。タービンアセンブリは、内側ケーシングを外側ケーシングに支持させる複数の構造支柱をさらに備える。外側流路壁と内側流路壁との間に広がる領域では、これら支柱の各々をフェアリングが包囲する。第１のパージ空気経路が、支柱の少なくとも１つを通って半径方向内側に延在し、内側ケーシングから半径方向内側における少なくとも１つの構成要素にパージ冷却空気を供給するためにパージ冷却空気を内側ケーシングに導入する。第２のパージ空気経路が、少なくとも１つの構成要素から半径方向外側へパージ冷却空気をさらに誘導するために支柱の少なくとも１つを通って半径方向外側に延在しており、パージ空気を、排気ケーシングキャビティのうち外側流路壁から半径方向外側にある外側位置へ向けて流動させる。

第１のパージ空気経路は、支柱の中央部分を通って延在する筒状通路によって形成されてもよい。

第２のパージ空気経路は、支柱の半径方向外側端部と半径方向内側端部との間で半径方向に延在する開放キャビティによって形成されてもよく、また筒状通路は開放キャビティを通って延在してもよい。

開放キャビティは、ガス経路に平行な軸方向に細長く延在してもよく、かつ支柱オリフィスが、軸方向に広がる支柱の側面を通って開放キャビティから支柱の外側領域へ延在するとともに排気ガス経路から遮断されるように設けられてもよい。

支柱オリフィスは、支柱の半径方向外側端部に隣接して配置されてもよい。支柱シールドが、支柱の外面を包囲するように設けられてもよい。支柱シールドと支柱の外面との間には、パージ空気の流れを支柱オリフィスから支柱の外面に沿って半径方向内側に案内するためのギャップが規定される。

タービンアセンブリは、第２のパージ空気経路から排気ケーシングキャビティのうち内側流路壁から半径方向内側にある位置へのパージ空気の制御された流れを提供するために、支柱シールドの半径方向内側端部において出口オリフィスをさらに含んでもよい。出口オリフィスは、内側ケーシングに隣接する支柱内の開放キャビティから軸方向下流で延在してもよい。

タービンアセンブリは、第１のパージ空気経路を通って延在するオイルラインをさらに含んでもよい。オイルラインは、タービンエンジンの後方ベアリングのためのベアリング構成要素まで半径方向内側に延在する。

第１のパージ空気経路から流出した空気は、ベアリング構成要素ハウジングとタービンエンジンのロータシャフトとの間のシールの外側に対してシール圧力空気を提供してもよい。

チャンバが内側ケーシングとベアリング構成要素ハウジングとの間に配置されてもよい。該チャンバでは、シール圧力空気が、タービンエンジンのための半径方向内側冷却空気キャビティからの抽気と混ざり合い、内側ケーシングにおける第２のパージ空気経路への入口へ向けて半径方向外側へ流れる。

接続パージ空気経路が支柱とフェアリングとの間に配置されてよい。接続パージ空気経路は、排気ケーシングキャビティの外側位置へ供給されたパージ空気を第２のパージ空気経路から、排気ケーシングキャビティのうち内側流路壁から半径方向内側にある内側位置へ向けて半径方向内側に誘導するために外側流路壁と内側流路壁との間に延在している。

支柱は、取り外し可能な固定接続部で外側ケーシングと内側ケーシングとに取り付けられる取り外し可能な部材を備えてもよい。

外側ケーシングは、コアエンジンタービンと出力タービンとの間に中間タービンケーシングを規定してもよい。

本発明の別の態様によれば、外側ケーシングと、内側ケーシングと、外側流路壁と内側流路壁との間に規定される環状の排気ガス経路と、ガス経路から半径方向外側および半径方向内側に配置されるタービン排気ケーシングキャビティとを有する、タービンエンジンにおけるタービンアセンブリが提供される。タービンアセンブリは、内側ケーシングと外側ケーシングとの間に延在する複数の支柱をさらに備える。第１のパージ空気経路が支柱の少なくとも１つを通って半径方向内側に延在して、内側ケーシングから半径方向内側にある少なくとも１つの構成要素にパージ空気を供給するためにパージ空気を内側ケーシングへ誘導する。第２のパージ空気経路は、内側ケーシングに配置される流入部を有するとともに、パージ冷却空気を半径方向外側へ向けてさらに誘導するために少なくとも１つの支柱を通って半径方向外側に延在し、排気ケーシングキャビティのうち外側流路壁から半径方向外側にある外側位置へ向けてパージ空気を流動させる。

第１のパージ空気通路から流出したパージ空気をタービンステージ冷却キャビティに隣接する位置へ誘導する通路がタービンエンジン内で軸方向前方に延在していてもよい。前記位置ではパージ空気がタービンステージ冷却キャビティからの空気と混ざり合う。またこの通路は、パージ空気を第２のパージ空気通路への流入部へ向けて誘導するチャンバを含んでもよい。

第１のパージ空気経路には、タービンエンジンの圧縮セクションにおける第１の供給位置からパージ空気が供給されてよく、かつタービンステージ冷却キャビティには、第１の供給位置とは異なる圧縮セクションの第２の供給位置から冷却空気が供給されてもよい。

第２のパージ空気経路から流出したパージ空気の一部は、上述の少なくとも１つの支柱を包囲するフェアリングを通って半径方向内側に延在する接続パージ空気経路にパージ空気を供給してもよい。

第２のパージ空気通路から流出したパージ空気の一部は、タービンリングセグメントと外側流路壁との間のシールの位置へ向けて軸方向前方にパージ空気を供給してもよい。

支柱は、軸方向に延在して向かい合う側壁を含んでもよい。向かい合う側壁は、これら側壁の間に第２のパージ空気経路を形成するキャビティを規定する。支柱はまた、支柱からのパージ空気の流出のために外側流路壁から半径方向外側の位置において側壁を通って規定される支柱オリフィスを含んでもよい。

本明細書は特に本発明を示しかつ明瞭に請求する特許請求の範囲で締めくくられるが、本発明は添付の図面とともに以下の説明からより良く理解されると考えられる。図面では同様の参照符号は同様の要素を特定している。

本発明に基づく態様を包含し得る航空転用型産業ガスタービンエンジンの概略図である。エンジンのタービン排出ケーシングセクションの断面図である。図２の線２Ａ−２Ａに沿った断面図である。図２の線２Ａ−２Ａに沿った断面図である。図２の線３−３に沿った断面図である。図３の線４−４に沿った断面図である。タービン排気ケーシングにおける複数の支柱アセンブリの軸方向概略断面図である。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付の図面を参照が参照される。図面には、非限定的な例示として本発明が実施され得る好ましい特定の実施形態が例示的に図示される。他の実施形態が使用されてもよく、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに変更がなされてもよいことを理解されたい。

図１には、本発明を包含し得るガスタービンエンジン１０が概略的に図示される。図１に図示される特定のエンジンは航空転用型産業ガスタービンエンジンを含むが、本発明は本明細書で説明されるこの特定のエンジンに限定されないことに留意されたい。ガスタービンエンジン１０は、高圧コンプレッサ１２と、低圧コンプレッサ１４と、燃焼器１６と、高圧タービン１８を含むタービンセクション１７と、低圧タービン２０と、出力タービン２２と、発電機２４と、を備える。中間ケーシング２１が低圧タービン２０と出力タービン２２との間に延在しており、かつ中間ケーシング２１はタービン排気ケーシング２５を備える（図２）。高圧コンプレッサ１２は、約４atmから約２０atmの圧力を有する圧縮空気などの高圧空気を発生させるために、低圧コンプレッサの出口から連続コンプレッサステージを通って部分的に圧縮された空気を圧縮し、かつ低圧コンプレッサ１４は、約１atmから約４atmの圧力を有する圧縮空気などの低圧空気を発生させるために環境空気を連続ステージを通して圧縮する。高圧コンプレッサ１２および低圧コンプレッサ１４は併せて「圧縮装置」と称される。

燃焼器１６は、圧縮装置からの圧縮空気の一部を燃料と混ぜ合わせて、高温作動ガスをなす燃焼生成物を形成する混合物に点火する。作動ガスは燃焼器１６からタービンセクション１７へ移動する。タービンセクション１７内の各タービン１８，２０および２２内には固定ベーン（図示せず）および回転ブレード（図示せず）が列になって設けられる。ブレードの各列には別個のディスク（図示せず）が設けられる。高圧タービン１８の一部を形成するディスクは、高圧コンプレッサ１２を駆動するために高圧コンプレッサ１２に連結された第１の回転シャフト２６に連結されている（図１参照）。低圧タービン２０の一部を形成するディスクは、低圧コンプレッサ１４を駆動するために低圧コンプレッサ１４に連結された（図１に概略的に図示される）第２の回転シャフト２８に連結されている。第２の回転シャフト２８は、図１に図示されるように、第１の回転シャフト２６と同軸となるように第１の回転シャフト２６内に配置される。出力タービン２２の一部を形成するディスクは、発電機２４を駆動するために発電機２４に連結された第３の回転シャフト３０に連結される（図１参照）。作動ガスがタービン１８，２０および２２を通って膨張すると、作動ガスは、タービン１８，２０，２２内の回転ブレードの列ひいてはその対応するディスクおよび第１のシャフト２６、第２のシャフト２８ならびに第３のシャフト３０を回転させる。タービンディスクおよびシャフト２６，２８，３０によって形成される構造は概略的にタービンロータ３１と称される（図２参照）。

図２には、ベーン３２の最終ステージ列およびブレード３４の最終ステージ列を含む低圧タービン２０の最終ステージの出口または排出部に配置されるタービン排気ケーシング２５が図示される。タービン排気ケーシング２５は、外側リングまたは外側ケーシング３６と内側リングまたは内側ケーシング３８とを含み、外側リング３６と内側リング３８との間にはタービン排気ケーシングキャビティ４０が規定される。

環状の排気ガス経路４２は、外側流路壁４４と内側流路壁４６との間に規定される。ガス経路４２は、低圧タービン２０からの高温ガスを出力タービン２２へ誘導し、排気ケーシングキャビティを、外側ケーシングキャビティつまりキャビティ部分４０ａと内側排気ケーシングキャビティつまりキャビティ部分４０ｂとに分割する。外側排気ケーシングキャビティ４０ａは基本的に、排気ケーシング２５の外側リング３６と外側流路壁４４との間に規定されており、内側ケーシングキャビティ４０ｂは基本的に、内側流路壁４６と、ベアリングハウジング５０と出力タービン２２の前方端部つまり上流端部との間に延在するコーン（円錐部分）４９と、の間に規定される。

図２および図５を参照すると、複数の支柱アセンブリ４８がタービン排気ケーシング２５の周りで円形に離間配置されている。支柱アセンブリは、内側リング３８を支持するために外側リング３６から内側リング３８へ向けて半径方向内側に延在する。ベアリングハウジング５０は、内側リング３８の半径方向内側の面に支持され、かつタービンロータ３１を支持するための（参照符号５１で図示される）後方ベアリングを封入するために設けられる。各支柱アセンブリ４８は、外側リング３６および内側リング３８に固定される構造支柱５２と、ガス経路４２を通過する高温ガスから支柱５２を隔離して保護するために支柱５２を包囲するとともに外側流路壁４４と内側流路壁４６との間に延在するフェアリング５４と、を含む（図３も参照されたい）。

図３に図示されるように、各々の支柱５２は、エンジンの軸方向に細長く延在し、軸方向に広がる外側側壁５６，５８を規定する。また支柱５２は、半径方向および円周方向において内側リング３８を位置決めするべく実質的な構造支持部を提供するためにおおむね堅固な構造部材として形成される。さらに各支柱５２には、支柱５２の中央部分を通って半径方向に広がる軸方向細長支柱キャビティ６０が形成されており、軸方向細長支柱キャビティ６０は、外側側壁５６，５８に平行に延在して向かい合う軸方向細長内側キャビティ壁５６ａ，５８ａによって規定される。

図２を参照すると、本発明の一態様によれば、支柱５２は外側リング３６および内側リング３８に対して、例えば溶着しない取付けあるいは非一体的な取付けで取り外し可能に取付けられている。図示された実施形態では支柱５２は、外側および内側リング３６，３８に当接されており、かつねじ付きボルトまたはスタッド接続部６２などの取り外し可能な固定接続部によって外側および内側リング３６，３８に取り付けられている。

さらに図２および図２Ａに図示されるように、支柱５２には、円形頂部５２ｄなどの細長頂部５２ｄが形成されてもよい。頂部５２ｄは、ケーシング２５の外側リング３６への固定を容易にするために設けられてもよい。ケーシングからの側壁荷重および／または後荷重が頂部５２ｄに伝達されるがボルトまたはスタッド接続部６２によって支持されないように、ケーシングと頂部５２ｄとの間にはぴったりとした嵌合がもたらされる。図２Ｂには頂部５２ｄ’に関する代替構造が図示される。頂部５２ｄ’は長円形構造を有しており、図２Ａの円形構造に関して述べた様式と同様の様式でケーシング２５の側壁荷重および／または後荷重を受け取るよう設計されている。

代替的には支柱５２は細長頂部を備えずに形成されてもよい。言い換えると支柱５２は、直線的な壁を備えるよう、つまりケーシング２５の外側リング３６との接合部まで一定の断面で延在するよう形成されてもよい。この場合、ボルトまたはスタッド接続部６２が、他の状況では上述の頂部５２ｄ，５２ｄ’に伝わる負荷を支持する。

本明細書（図５）には４つの支柱５２が示されているが、本発明の範囲内で他の数の支柱５２が設けられてもよいことを理解されたい。例えば８つの支柱５２または他の数の支柱が設けられてもよい。

加えて４つのボルトまたはスタッド６２が図２に図示されている、つまり支柱５２の半径方向外側位置および半径方向内側位置のそれぞれに２つずつ配置されている。一方で２つのみのボルトまたはスタッドが設けられてもよい。このとき、ボルトまたはスタッドの各々は、支柱５２の半径方向外側端部および半径方向内側端部のそれぞれでの外側リング３６および内側リング３８への取り付けのために、支柱５２の長さ全体にわたって半径方向に延在する。

図２および図３を参照すると、本発明の態様によれば、二次空気システム（ＳＡＳ）が設けられる。ＳＡＳは、支柱キャビティ６０を通るよう規定される第１のパージ空気経路６３を含み、かつ外側リングにおける空気進入位置６６から、内側リング３６に取り付けられかつベアリングハウジング５０を包囲するシール壁７０における半径方向内側位置６８へ延在する筒状抽気経路部材６４によって規定されてもよい。第１の内側リングチャンバ７２は、内側リング３８から半径方向内側に配置されており、かつシール壁７０とベアリングハウジング５０との間に規定される。参照符号７４で図示される第１の冷却空気供給ラインは、空気経路部材６４に冷却空気を提供する。例えば空気経路部材６４への冷却空気は、高圧コンプレッサ１２の所定のステージから、例えばコンプレッサ１２の８番目のステージの抽気を提供されてもよい（図１も参照されたい）。第１の冷却空気供給ライン７４を経て提供された空気は、空気経路部材６４内に流入する前に例えば熱交換器を通過して冷却されてもよい。以下の説明から明らかなように、空気経路部材６４を経て提供された空気は、冷却空気作用と同様に、高温ガスの入口に対して、タービン排気ケーシング２５内の特定の領域に圧力をかけるパージ空気作用を提供する。例えば以下で詳述するように、空気経路部材６４は、支柱キャビティ６０を介して第１の内側リングチャンバ７２へ向けて冷却空気またはパージ空気を半径方向内側に誘導する。

図２に図示されるように、第２の内側リングチャンバ７６は、第１の内側リングチャンバ７２から半径方向外側において、内側リング３８とシール壁７０との間に規定される。支柱キャビティ６０は、内側リング３８を通って延在するよう設けられる貫通路７７を介して第２の内側リングチャンバ７６と流体連通している。支柱キャビティ６０は、冷却およびパージ空気を支柱５２の半径方向内側端部５２ｂから支柱５２の半径方向外側端部５２ａへ向けて半径方向外側に誘導するために、ＳＡＳの第２のパージ空気経路７８を規定する。第２の内側リングチャンバ７６は、より詳細に後述するように第１のパージ空気経路６３からの空気および筒状ディスク冷却空気からの空気の混合体として、第２のパージ空気経路７８のための冷却およびパージ空気を受け取る。

支柱の５２の半径方向外側端部５２ａおよび半径方向内側端部５２ｂは、タービン排気ケーシング２５内に制御されたパージ空気流を提供するために本明細書で開示されるように、既定のパージ空気通路およびオリフィスを除いて、外側および内側リング３６，３８と基本的なシーリング係合部を形成することに留意されたい。

任意で、抽気経路部材６４を通って延在するオイル供給ライン８０が設けられてもよい。オイル供給ライン８０は、ベアリング５１にオイルを提供してもよく、かつ支柱アセンブリ４８に伝達される熱から（つまりガス経路４２内の高温ガス流から）パージ空気によって保護されている。この時、第１および第２のパージ空気経路６３，７８の両方を流れるパージ空気が、オイル供給ライン８０への保護空気バリアを提供する。オイル供給ライン８０および該ライン内のオイルは、エンジンが急停止した場合つまりオイルがライン８０内を流れなくなった場合の「トリップ」または「負荷降下」状態中に特に生じる可能性のあるオイル供給ライン８０内でのコーキング傾向を防止するか減少させる温度に維持される必要がある。第２のパージ空気経路７８を通る空気の半径方向外側への流れは、支柱５２と第１のパージ空気経路６３そして関連付けられたオイル供給ライン８０との間に熱バッファを提供する。さらに第１のパージ空気経路６３を流れる冷却空気流は、増大された空気流量、つまり流速がより低いオイル供給ライン８０への冷却流を提供するのに基本的に必要な空気流量よりも大きな空気流量を提供するようになされる。第１のパージ空気経路６３を通るより低い流速は、流れに誘起される振動が発生する傾向が関連して低減されるように、抽気経路部材６４を通ってより低いマッハ数を規定する。

図５から明らかなように複数の支柱５２_１，５２_２，５２_３，５２_４が例示されている。支柱５２_２には、ベアリング５１からそしてタービン排気ケーシング２５からオイルを運び出すために、ベアリングハウジング５０から延在するオイルリターンライン８２が設けられてもよい。加えて第１の内側リングチャンバ７２へパージ空気を導入するために複数の抽気経路部材６４_１，６４_２，６４_３が設けられてもよい。

図２を参照すると、第１のパージ空気経路６３を通過する冷却空気またはパージ空気は第１の内側リングチャンバ７２に流入し、この空気の一部は、低圧タービン２０の最終ステージ８４へ向けてチャンバ７２内を軸方向上流へまたは前方方向へ流動する。第１のリングチャンバ７２内で前方に流れる空気の一部は、ベアリングハウジング５０におけるシール８５に対してシール圧力を提供する。つまりチャンバ７２内の空気圧は、オイルがシール８５を通って流出することを防止するためにベアリングハウジング５０とロータシャフト３１との間の位置においてシール８５の外側にシール圧力空気を提供する。前方に流れる空気の残りの部分は、第１の内側リングチャンバ７２からロータ３１に隣接するシール８７を通って第２の内側リングチャンバ７６へ向けて流動する。

加えて第１のパージ空気経路６３からの空気の一部は、オリフィス８９へ向けて第１の内側リングチャンバ７２内を軸方向下流つまり後方に流動して、後方シールにおけるベアリングコンパートメントの後方部分にパージ／冷却空気を提供し、出力タービン前方キャビティ７３からベアリングコンパートメントを含むベアリングキャビティ５３への空気および熱の侵入を防ぐ。

タービン２０の最終ステージ８４は、高圧コンプレッサ１２から導管９１（図１）などを介して抽出冷却空気を受け取ってもよい。少なくともこの空気の一部はディスク冷却キャビティ９０に提供される。例えば冷却空気流９３は、高圧コンプレッサ１２の９番目のステージから提供されてもよく、かつタービン２０の最終ステージ８４内の構成要素およびその付近の構成要素を冷却するためにかつタービン排気ケーシング２５への制御された流れまたは調整された流れを提供するために分配されてもよい。特にロータシャフト３１におけるオリフィス８６は、最終タービンステージ８４のディスク冷却キャビティ９０から第２の内側リングチャンバ７６への冷却空気の制御された抽出流８８を提供する。ここで抽出流８８は、参照符号９２で概略的に図示される位置で第１のパージ空気経路６３によって提供される空気と混ざり合い、混合流９４を形成する。混合流９４の一部９６は、シール９８を経て第２の内側リングチャンバ７６から流出し、最終タービンステージ８４と内側流路壁４６との間の接合部におけるシール１０２を高温排気ガスが通過することを防止するために内側流路壁チャンバ１００にパージ空気を提供する。

混合流９４のさらなる部分は、第２の内側リングチャンバ７６を通り、通路７７を経て第２のパージ空気経路７８へ向けて軸方向前方に流動する。つまり混合流は支柱５２の開放キャビティ６０内に流入し、そして支柱５２の半径方向外側端部５２ａへ向けて外側に流動する。図３を参照すると、支柱５２の半径方向外側端部５２ａには、複数の低損失パージ流オリフィス１０４が形成されている。オリフィス１０４は、内側キャビティ壁５６ａ，５８ａから外側側壁５６，５８のそれぞれへ向けて支柱５２の側板を横方向に貫通して延在する。パージ流オリフィス１０４は、第２のパージ空気経路７８のための流出通路を規定し、混合流９４が、開放キャビティ６０から、支柱５２の外面１０８と支柱５２を包囲するシールド１１０との間で支柱保護ギャップ１０６として規定される支柱５２の外側の領域に流出できるようにする。シールド１１０が、外側リング３６と内側リング３８との間で半径方向に広がっており、かつ外側リング３６と内側リング３８とに取り付けられていてもよい。

図２に図示されるように、混合空気９４のうちオリフィス１０４を通過する部分は、シールド１１０の外側縁部を通って支柱保護ギャップ１０６から流出し得る半径方向外側部分を含む。言い換えると、（半径方向外側前方ギャップ１１２ａおよび半径方向外側後方ギャップ１１２ｂによって図示される）損失が小さいつまり低損失なギャップが、シールド１１０と外側リング３６との間に設けられてもよい。既定のまたは制御された量のパージ空気が、前方ギャップ１１２ａおよび後方ギャップ１１２ｂから外側ケーシングキャビティ４０ａに流動してもよい。パージ空気のうち前方に流れる部分１１４ａは、後方タービンシール１１６に隣接する、つまり最終ステージタービンリングセグメント１１８の下流端部における、外側ケーシングキャビティ４０内の空気圧を増大させる。パージ空気の一部１１４ａと最終ステージのタービンケーシングキャビティ１２０における冷却／パージ空気の給気１１９とは、ガス経路４２からの高温ガスが外部に流出することを防ぐための陽圧パージ空気を提供する。最終ステージタービンケーシングキャビティ１２０に供給されるパージ／冷却空気は、高圧コンプレッサ１２のさらなるステージから、例えばコンプレッサ１２の１２番目のステージから、提供されてもよいことに留意されたい。

パージ空気のうち後方に流れる部分１１４ｂは、出力タービン２２を用いて前方外側シール１２２に隣接する外側ケーシングキャビティ４０ａ内の空気圧を増大させる。パージ空気の一部１１４ｂは、出力タービン２２への入口におけるガス経路４２から高温ガスが外部に流出することを防止するために陽圧パージ空気を提供する。後方に流れる部分１１４ｂはさらに、支柱シールド１０６およびフェアリング５４との間で半径方向内側へ向けて流動し（流れ１２３で図示される）、出力タービン２２とともに前方内側シール１２４に隣接する内側ケーシングキャビティ４０ｂ内の圧力を高め、内側ケーシングキャビティ４０ｂ内への高温ガスの流出を防止するための陽圧を提供する。

図２を参照すると、混合気９４のうちオリフィス１０４から支柱保護ギャップ１０６（図３）に流入するさらなる部分は、オリフィス１０４と内側リング３８との間に広がる支柱保護ギャップ１０６の半径方向部分に沿って、支柱保護ギャップ１０６によっておおむね規定される空気経路１２８に沿って半径方向に移動する半径方向内側部分１２６を含む。混合気９４の半径方向内側部分１２６は、図３にも図示されるようにシールド１１０と内側リング３８との間に規定される損失が小さいつまり低損失な半径方向内側ギャップにおける支柱保護ギャップ１０６から流出する。混合気９４のうち半径方向内側部分１２６によって規定される流れは、支柱５２周りに冷却空気バリアを形成し、かつ混合気９４のうち半径方向内側ギャップ１３０を通過する流れは、内側ケーシングキャビティ４０ｂに付加的なパージ空気１３１を提供する１つ以上の半径方向内側ギャップ１３０を通過する流れはさらに、内側ケーシングキャビティ４０ｂ内の構成要素およびその付近の構成要素を冷却する。本発明の好ましい構造では、支柱保護ギャップ１０６に流入する混合気９４のうち少なくとも１０％（つまり１０％以上）が、混合空気の流れの半径方向内側部分１２６を形成してギャップ１３０から流出すべきである。支柱保護ギャップ１０６に供給される混合空気の流れの特定の形態において、混合空気の流れ９４の約３分の２が、前方に流れる部分１１４ａおよび後方に流れる部分１１４ｂを形成するために半径方向外側ギャップ１１２ａ，１１２ｂを通過するよう供給されてもよく、かつ混合空気の流れの約３分の１は、支柱ギャップ１０６を通って半径方向内側ギャップ１３０へ向けて半径方向内側に流動するよう供給されてもよい。

さらに図２、図３および図４に図示されるように、混合気９４の一部は、内側リング３８に隣接する支柱５２の半径方向内側端部５２ｂにおいて開放キャビティ６０から軸方向下流に延在するオリフィス１３２を通って開放キャビティ６０から直接分配される。オリフィス１３２は、内側リング３８または支柱５２に形成されてよいことを理解されたい。オリフィス１３２を通過する混合気９４の流れは、内側ケーシングキャビティ４０ｂにさらなるパージ空気流１３４（図２および図３）を供給する。パージ空気流１３４は、出力タービン２２の前方内側シール１２４における陽圧を維持するためにかつタービン排気ケーシング構成要素を冷却するために半径方向内側ギャップ１３０を通過するパージ空気流１３１と混ざり合ってもよい。

構成要素を冷却する上述の二次空気システムは、構成要素を形成する金属の温度限界内にタービン排気ケーシング構成要素の温度を維持するためにかつタービンケーシング構成要素同士の間の温度バランスを維持するために、数個の熱交換機構を提供する。本発明の一態様によれば、上述のＳＡＳは、例えばエンジン１０のベースライン運転中に必要になる可能性のある、ガス経路４２からの高温ガスの漏出を防止する陽圧を形成するパージ空気を提供する。特にパージ空気は、タービン排気ケーシング２５内の外側および内側流路壁４４，４６に関連付けられたシールにおける高温ガスの漏出を防止したり制限したりする。

他の態様によれば、ＳＡＳシステムは、タービン排気ケーシング２５と熱交換する構成要素を冷却するために提供される。特に支柱５２の内面および外面には冷却空気流が供給される。つまり冷却空気流は、開放キャビティの表面に沿ってかつ外面１０８に沿って流れる。さらにシールド１１０の半径方向外側縁部および半径方向内側縁部におけるギャップ１１２ａ，１１２ｂおよび１３０から流出する混合気９４は、タービン排気ケーシングキャビティ４０内に冷却および熱吸収能力をもたらす。このとき混合気９４が自由対流によってケーシングキャビティ４０の領域を形成する表面を冷却する。例えばキャビティ４０内の混合気９４は、半径方向に延在する接続パージ空気経路に沿ってシールド１０６とフェアリング５４との間を対流によって流動してもよい。半径方向に延在する接続パージ空気経路は、フェアリング５４を冷却してタービン排気ケーシングキャビティ内にパージ空気を分配できるようにするために、外側キャビティ部４０ａと内側キャビティ部４０ｂとを接続する。

さらなる態様によれば、ＳＡＳは、タービン排気ケーシングキャビティ４０内の空気の温度を所定のレベル以下に維持するために熱吸収能力を提供する。なお、そうしない場合には、タービン排気ケーシング２５内の構成要素を合金にすることに関して問題が生じることがある。特に本願のＳＡＳは、タービン排気ケーシング構成要素を、タービン排気ケーシングキャビティ４０内に適切な冷却および熱吸収を提供することによって、よりコストの低い低温合金を用いて構成できるようにする。

本発明のＳＡＳは、エンジン動作の変動中の半径方向外側構成要素と半径方向内側構成要素との間の温度バランスの維持をさらに容易にする。具体的には、本明細書に開示される半径方向内側および半径方向外側の空気の流れは、状態変移中の構成要素間の温度バランスを維持するために。タービン排気ケーシング２５内の温度分散をもたらす。

加えてオイル供給ライン８０に関連して説明したように、本発明のＳＡＳにおける複数の空気経路は、エンジンが急停止する際に生じる状態において熱バリアを提供する。オイル供給ライン８０は、より高温となった構成要素からの「ヒートソーク」の影響を遅滞させるための熱吸収能力を提供する空気バリアによって形成される複数の層によって包囲されている。さらに第１および第２の内側リングチャンバ７４，７６によって形成される複数の空気チャンバは、ベアリングハウジング５０内に配置されるベアリングおよびオイルへの「ヒートソーク」の影響を遅滞させるためにベアリングハウジング５０の周囲に熱吸収能力を提供する。

本発明の特定の実施形態について示しかつ説明してきたが、当業者には本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくさまざまな他の変更および置き換えが可能であることは明らかであろう。したがって本発明の範囲内のすべてのそうした変更および置き換えが本願の特許請求の範囲に記載の範囲に包含されるよう意図されている。

１０ガスタービンエンジン
１２高圧コンプレッサ
１４低圧コンプレッサ
１６燃焼器
１７タービンセクション
１８高圧タービン
２０低圧タービン
２１中間ケーシング
２２出力タービン
２４発電機
２５タービン排気ケーシング
２６第１の回転シャフト
２８第２の回転シャフト
３０第３の回転シャフト
３１ロータシャフト
３２ベーン
３４ブレード
３６外側リング（外側ケーシング）
３８内側リング（内側ケーシング）
４０外側ケーシングキャビティ
４２排気ガス経路
４４外側流路壁
４６内側流路壁
４８支柱アセンブリ
４９コーン（円錐部分）
５０ベアリングハウジング
５１ベアリング
５２支柱
５３ベアリングキャビティ
５４フェアリング
５６内側キャビティ壁
５８外側側壁
６０開放キャビティ
６３第１のパージ空気経路
６４抽気経路部材
６６空気進入位置
６８半径方向内側位置
７０シール壁
７２第１の内側リングチャンバ
７３出力タービン前方キャビティ
７６第２の内側リングチャンバ
７７貫通路
７８第２のパージ空気経路
８０オイル供給ライン
８２オイルリターンライン
８４最終タービンステージ
８５，８７,９８，１０２シール
８６，８９，１０４オリフィス
８８抽出流
９０ディスク冷却キャビティ
９１導管
９３冷却空気流
９４混合気
１００内側流路壁チャンバ
１０６支柱保護ギャップ
１０８外面
１１０シールド
１１２半径方向外側ギャップ
１１６後方タービンシール
１２２前方外側シール
１２４前方内側シール

Claims

タービンエンジンにおけるタービンアセンブリであって、
前記タービンアセンブリは、外側ケーシングと、内側ケーシングと、外側流路壁と内側流路壁との間に規定される環状の排気ガス経路と、前記排気ガス経路から半径方向外側および半径方向内側に配置されるタービン排気ケーシングキャビティと、を有しており、さらに、
前記外側ケーシングに対して前記内側ケーシングを支持させる複数の支柱と；
前記外側流路壁と前記内側流路壁との間に広がる領域内で前記支柱の各々を包囲するフェアリングと；
前記内側ケーシングから半径方向内側の少なくとも１つの構成要素へ向けてパージ空気を供給するためにパージ冷却空気を前記内側ケーシングに導入する、前記支柱の少なくとも１つを通って半径方向内側に延在する第１のパージ空気経路と；
前記タービン排気ケーシングキャビティのうち前記外側流路壁から半径方向外側の外側位置へ向けてパージ空気を流動させるよう、前記少なくとも１つの構成要素から半径方向外側に前記パージ冷却空気をさらに誘導するために、前記支柱のうち少なくとも１つの支柱を通って半径方向外側に延在する第２のパージ空気経路と；
を備える前記タービンアセンブリにおいて、
前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱が、対向して軸方向に延在している側壁を含んでおり、対向して軸方向に延在している前記側壁が、前記側壁同士の間に前記第２のパージ空気経路を形成しているキャビティを規定しており、前記パージ空気を前記支流のうち前記少なくとも１つの支柱から流出させるために、前記側壁を貫通して形成されているオリフィスを含んでいることを特徴とするタービンアセンブリ。
前記第１のパージ空気経路は、前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱の中央部分を通って延在する筒状通路によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンアセンブリ。
前記第２のパージ空気経路は、前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱の半径方向外側端部と半径方向内側端部との間で半径方向に広がる開放キャビティによって形成され、かつ前記筒状通路は、前記開放キャビティを通って延在することを特徴とする請求項２に記載のタービンアセンブリ。
前記開放キャビティは、前記排気ガス経路の中心軸線に平行な軸方向に細長く、かつ前記開放キャビティから前記支柱の外側の領域へ前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱の軸方向に延在する側面を通って延在するオリフィスを含み、かつ前記排気ガス経路から遮断されていることを特徴とする請求項３に記載のタービンアセンブリ。
前記オリフィスは、前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱の前記半径方向外側端部に隣接して配置されており、かつ前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱の外面を包囲する支柱シールドを含み、かつ前記オリフィスからの前記パージ空気の流れを、前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱の前記外面に沿って半径方向内側に案内するために、前記支柱シールドと前記支柱の前記外面との間にギャップを規定することを特徴とする請求項４に記載のタービンアセンブリ。
前記タービン排気ケーシングキャビティのうち前記内側流路壁から半径方向内側の内側位置へ向けて、前記第２のパージ空気経路からの前記パージ空気の制御された流れを提供するために、前記支柱シールドの半径方向内側端部における出口オリフィスを含むことを特徴とする請求項５に記載のタービンアセンブリ。
前記出口オリフィスは、前記内側ケーシングに隣接する前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱内の前記開放キャビティから軸方向下流において延在していることを特徴とする請求項６に記載のタービンアセンブリ。
前記第１のパージ空気経路を通って延在するオイルラインを含み、前記オイルラインは、前記タービンエンジンの後方ベアリングのためのベアリング構成要素まで半径方向内側に延在していることを特徴とする請求項３に記載のタービンアセンブリ。
前記第１のパージ空気経路から流出した空気は、ベアリング構成要素ハウジングと前記タービンエンジンのロータシャフトとの間のシールの外側にシール圧力空気を提供することを特徴とする請求項１に記載のタービンアセンブリ。
前記内側ケーシングと前記ベアリング構成要素ハウジングとの間に配置されるチャンバを含み、ここで前記シール圧力空気は、前記タービンエンジンのためのタービンステージの半径方向内側冷却空気キャビティからの抽気と混ざり合い、そして前記内側ケーシングにおける前記第２のパージ空気経路への入口へ向けて半径方向外側へ流動することを特徴とする請求項９に記載のタービンアセンブリ。
前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱と前記フェアリングとの間に配置される接続パージ空気経路を含み、前記接続パージ空気経路は、前記第２のパージ空気経路から前記タービン排気ケーシングキャビティの前記外側位置に供給された前記パージ空気を前記タービン排気ケーシングキャビティのうち前記内側流路壁から半径方向内側の内側位置へ向けて半径方向内側に誘導するために、前記外側流路壁と内側流路壁との間に延在することを特徴とする請求項１に記載のタービンアセンブリ。
前記支柱は、取り外し可能な固定接続部で前記外側ケーシングおよび前記内側ケーシングに取り付けられる取り外し可能な部材であることを特徴とする請求項１に記載のタービンアセンブリ。
前記外側ケーシングは、コアエンジンタービンと出力タービンとの間に中間タービンケーシングを規定することを特徴とする請求項１に記載のタービンアセンブリ。
タービンエンジンにおけるタービンアセンブリであって、
前記タービンアセンブリは、外側ケーシングと、内側ケーシングと、外側流路壁と内側流路壁との間に規定される環状の排気ガス経路と、前記排気ガス経路から半径方向外側および半径方向内側に配置されたタービン排気ケーシングキャビティと、を有しており、さらに、
前記内側ケーシングと前記外側ケーシングとの間に延在する複数の支柱と；
前記内側ケーシングから半径方向内側の少なくとも１つの構成要素へ向けてパージ空気を供給するためにパージ空気を前記内側ケーシングへ誘導する、前記支柱の少なくとも１つを通って半径方向内側に延在する第１のパージ空気経路と；
前記内側ケーシングに配置される流入部を有するとともに、前記タービン排気ケーシングキャビティのうち前記外側流路壁から半径方向外側の外側位置へ向けてパージ空気を流動させるためにパージ冷却空気を半径方向外側へさらに誘導するために前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱を通って半径方向外側に延在する第２のパージ空気経路と；
を備える前記タービンアセンブリにおいて、
前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱が、対向して軸方向に延在している側壁を含んでおり、対向して軸方向に延在している前記側壁が、前記側壁同士の間に前記第２のパージ空気経路を形成しているキャビティを規定しており、前記パージ空気を前記支流のうち前記少なくとも１つの支柱から流出させるために、前記側壁を貫通して形成されているオリフィスを含んでいることを特徴とするタービンアセンブリ。
前記第１のパージ空気経路から流出した前記パージ空気をタービンステージ冷却キャビティに隣接する位置へ誘導する、前記タービンエンジン内を軸方向前方に延在する通路を含み、ここで前記パージ空気が前記タービンステージ冷却キャビティからの空気と混ざり合い、かつ、
前記第２のパージ空気経路への流入部へ向けてパージ空気を軸方向後方に誘導するチャンバを含むことを特徴とする請求項１４に記載のタービンアセンブリ。
前記第１のパージ空気経路には、前記タービンエンジンの圧縮セクションにおける第１の供給位置からパージ空気が供給され、かつ、
前記タービンステージ冷却キャビティには、前記第１の供給位置とは異なる前記圧縮セクションの第２の供給位置から冷却空気が供給されることを特徴とする請求項１５に記載のタービンアセンブリ。
前記第２のパージ空気経路から流出した前記パージ空気の一部は、前記支柱のうち前記少なくとも１つの支柱を包囲するフェアリングを通って半径方向内側に延在する接続パージ空気経路へパージ空気を供給することを特徴とする請求項１４に記載のタービンアセンブリ。
前記第２のパージ空気経路から流出した前記パージ空気の一部は、タービンリングセグメントと前記外側流路壁との間のシールの位置へ向けて、軸方向前方にパージ空気を供給することを特徴とする請求項１７に記載のタービンアセンブリ。
前記オリフィスが、前記外側流路壁から半径方向外側の位置において前記側壁を通って規定されることを特徴とする請求項１４に記載のタービンアセンブリ。