(57)【要約】【課題】タービン冷却部品を提供する。【解決手段】本タービン冷却部品（１００）は、前縁（１１０）と、後縁（１１４）と、前縁（１１０）及び後縁（１１４）に連結された第１の側面パネル（１１６）と、前縁（１１０）及び後縁（１１４）に連結された第２の側面パネル（１１６）と、後縁（１１４）及び前縁（１１０）に連結され、かつ加圧空気（１０５）を受けるように作動する空洞（１１８）並びに弓形内側表面（１３２）を部分的に形成した弓形基部（１０８）と、基部（１０８）内に設けられかつ第１の側面部分（１１６）に沿って前方部分（１１０）から後方部分（１１４）に延びる第１の側方冷却空気通路（２０４）と、基部（１０８）の前方部分内に設けられ、側方冷却空気通路（２０４）及び空洞（１１８）と連通しておりかつ該空洞（１１８）から加圧空気（１０５）を受けるように作動する前方冷却空気通路（２０２）とを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン冷却部品（１００）であって、
円周方向前縁（１１０）と、
前記前縁（１１０）から間隔を置いて配置された円周方向後縁（１１４）と、
前記前縁（１１０）及び後縁（１１４）に連結された第１の側面パネル（１１６）と、
前記前縁（１１０）及び後縁（１１４）に連結され、前記第１の側面パネル（１１６）に対して間隔を置いて配置されかつ該第１の側面パネル（１１６）に対して対向した第２の側面パネル（１１６）と、
前記後縁（１１４）及び前縁（１１０）に連結され、かつ前方部分、中間部分、後方部分、対向する第１の側面部分及び第２の側面部分、加圧空気（１０５）を受けるように作動する空洞（１１８）を部分的に形成した外側表面（１２４）、並びに該タービン部品（１００）の前記前縁（１１０）から前記後縁（１１４）への方向に移動するタービンエンジンのガス流パスと接触した弓形内側表面（１３２）を有する弓形基部（１０８）と、
前記基部（１０８）内に設けられかつ前記第１の側面部分（１１６）に沿って前記前方部分（１１０）から前記後方部分（１１４）に延びる第１の側方冷却空気通路（２０４）と、
前記基部（１０８）の前方部分内に設けられ、前記側方冷却空気通路（２０４）及び空洞（１１８）と連通しておりかつ該空洞（１１８）から前記加圧空気（１０５）を受けるように作動する前方冷却空気通路（２０２）と
を備える部品。
【請求項２】
該部品が、前記第１の側方冷却空気通路（２０４）及び後縁（１１４）と連通しておりかつ前記ガス流パス内に前記加圧空気（１０５）を放出するように作動する第１の出口（１２８）をさらに含む、請求項１記載の部品。
【請求項３】
該部品が、前記基部（１０８）内に設けられかつ前記第２の側面部分（１１６）に沿って前記前方部分から前記後方部分に延びる第２の側方冷却空気通路（２０４）をさらに含む、請求項１記載の部品。
【請求項４】
前記第２の側方冷却空気通路（２０４）が、前記前方冷却空気通路（２０２）と連通している、請求項１記載の部品。
【請求項５】
該部品が、
前記基部（１０８）の後方部分内に設けられかつ前記側方冷却空気通路（２０４）及び空洞（１０８）と連通した後方冷却空気通路（２０８）と、
前記後方冷却空気通路（２０８）及び後縁（１１４）と連通しておりかつ前記ガス流パス内に前記加圧空気（１０５）を放出するように作動する第２の出口（１２８）と
をさらに含む、請求項１記載の部品。
【請求項６】
該部品が、前記基部（１０８）内に設けられ、前記第２の側面部分に沿って前記前方部分から前記後方部分に延びかつ前記前方冷却空気通路（２０２）及び後方冷却空気通路（２０８）と連通した第２の側方冷却空気通路（２０４）をさらに含む、請求項５記載の部品。
【請求項７】
前記第１の側方冷却空気通路（２０４）が、前記空洞（１０８）と連通しておりかつ前記加圧空気（１０５）を受けるように作動する入口（１３０）を含む、請求項１記載の部品。
【請求項８】
前記第２の側方冷却空気通路（２０４）が、前記空洞（１０８）と連通しておりかつ前記加圧空気（１０５）を受けるように作動する入口（１３０）を含む、請求項３記載の部品。
【請求項９】
前記第１の側方冷却空気通路（２０４）が、前記加圧空気（１０５）の流量に影響を与えるように作動するリッジ部（７０５）を備えた内表面を有する、請求項１記載の部品。
【請求項１０】
前記前方冷却空気通路（２０２）が、前記加圧空気の流量に影響を与えるように作動するリッジ部（７０５）を備えた内表面を有する、請求項１記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンに関し、具体的には、タービンエンジンにおけるシュラウド冷却に関連する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンの高圧タービンセクションは、ケーシング内部に取付けられたディスクアセンブリから半径方向に延びるロータ動翼を含む。タービンエンジンは、ロータ動翼を囲むケーシングの周辺上に取付けられたシュラウドアセンブリを含む。ロータ動翼及びシュラウドアセンブリは、ロータ動翼の回転を生じさせる高温ガス流に曝される。ロータ動翼は、該ロータ動翼の遠位端に動翼先端を含む。動翼先端とシュラウドアセンブリとの間には、小さいギャップが形成される。ギャップを通って流れるガス流は、ロータ動翼の回転を生じさせるのに有効でないので、エンジン効率には小さいギャップが望ましい。
【０００３】
実際には、シュラウドアセンブリは、多くの場合、ケーシングに取付けられて円周方向シュラウドアセンブリを形成した幾つかのセグメントを含む。シュラウドアセンブリは高温に曝され、セグメントは、加圧空気を流すことにより冷却されることが多い。加圧空気は、シュラウドセグメントの表面に接触し、かつシュラウドセグメントの内部通路を通ってケーシング内部のガス流パス内に流入することができる。ひとたび加圧空気がシュラウドセグメントを冷却すると、ガス流パスに流入する加圧空気は、流れの方向を変更することによってガス流パスに望ましくない影響を与える可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７１３１８１４号明細書
【特許文献２】米国特許第７１２１７９０号明細書
【特許文献３】米国特許第７０３３１３８号明細書
【特許文献４】米国特許第６７２６３９１号明細書
【特許文献５】米国特許第６６０２０４８号明細書
【特許文献６】米国特許第６５０８６２３号明細書
【特許文献７】米国特許第６４０６２５６号明細書
【特許文献８】米国特許第６３６１２７４号明細書
【特許文献９】米国特許第６３６１２７３号明細書
【特許文献１０】米国特許第６３２２３２０号明細書
【特許文献１１】米国特許第６３０２６４２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６２２４３２９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００７／０２３７６３０号明細書
【特許文献１４】欧州特許出願公開第１２５６６９５号明細書
【特許文献１５】欧州特許出願公開第１２４５７９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、シュラウドセグメントを冷却するのに用いられる加圧空気の量を減少させ、かつガス流パスへの影響を小さくするように加圧空気をガス流パス内に吐出することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、タービン冷却部品は、円周方向前縁と、前縁から間隔を置いて配置された円周方向後縁と、前縁及び後縁に連結された第１の側面パネルと、前縁及び後縁に連結され、第１の側面パネルに対して間隔を置いて配置されかつ該第１の側面パネルに対して対向した第２の側面パネルと、後縁及び前縁に連結され、かつ前方部分、中間部分、後方部分、対向する第１の側面部分及び第２の側面部分、加圧空気を受けるように作動する空洞を部分的に形成した外側表面、並びに該タービン部品の前縁から後縁への方向に移動するタービンエンジンのガス流パスと接触した弓形内側表面を有する弓形基部と、基部内に設けられかつ第１の側面部分に沿って前方部分から後方部分に延びる第１の側方冷却空気通路と、基部の前方部分内に設けられ、側方冷却空気通路及び空洞と連通しておりかつ該空洞から加圧空気を受けるように作動する前方冷却空気通路とを含む。
【０００７】
本発明の別の態様によると、タービン冷却部品を製作する方法は、円周方向前縁及び該前縁から間隔を置いて配置された円周方向後縁を有するシュラウドセグメントの基部内に該円周方向前縁及び円周方向後縁を貫通するように第１の側方冷却空気通路を形成するステップと、第１の側方冷却空気通路と連通しておりかつ前縁及び後縁に連結された該シュラウドセグメントの第１の側面パネルと該前縁及び後縁に連結されかつ第１の側面パネルに対して間隔を置いて配置されかつ該第１の側面パネルに対して対向した第２の側面パネルとを貫通するように前方冷却空気通路を形成するステップとを含む。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によると、部品内に冷却空気通路を形成する方法は、プローブを使用して部品内に、第１の内径を有する空気通路の第１の部分を形成するステップと、プローブを使用して部品内に、第１の内径を有しかつ該空気通路の第１の部分と連通した空気通路の第２の部分を形成するステップと、プローブの移動速度を変化させて、該プローブにより空気通路の第２の部分の内径を第２の内径に増大させるようにするステップとを含む。
【０００９】
上記その他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１０】
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記その他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】シュラウドアセンブリの形態でのタービン冷却サブアセンブリの側面部分断面図。
【図２】図１のシュラウドセグメントの例示的な実施形態の上面部分断面図。
【図３】図１のシュラウドセグメントの別の例示的な実施形態の上面部分断面図。
【図４】図１のシュラウドセグメントのさらに別の例示的な実施形態の上面部分断面図。
【図５】図１のシュラウドセグメントを製作する例示的な方法の上面部分断面図。
【図６】図５の線Ａ−Ａに沿った前面部分断面図。
【図７】通路の例示的な輪郭付き内表面の一部分の上面断面図。
【図８】図７の通路の輪郭付き内表面を形成する例示的な方法の一部の上面断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
この詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、タービン動翼１１２と囲繞関係で配置されたその全体を参照符号１００で示すシュラウドアセンブリの形態でのタービン冷却サブアセンブリの側面部分断面図を示している。タービン動翼１１２は、タービンエンジンの高圧タービンセクション内においてロータ（図示せず）に連結される。矢印１０１の方向で、ガス流パスを示している。シュラウド冷却アセンブリ１００は、弓形シュラウドセグメントの環状列を有するシュラウドを含む。シュラウドセグメントは、その全体を参照符号１０２で示す。シュラウドセグメント１０２は、弓形ハンガセクションの環状列によって適所に保持される。ハンガセクションは、その全体を参照符号１０４で示す。ハンガセクション１０４は、その全体を参照符号１０６で示すエンジン外側ケースによって支持される。
【００１４】
シュラウドセグメント１０２は、基部１０８と、該基部１０８から半径方向かつ前向きに延びて該シュラウドセグメント１０２の円周方向前縁を形成した前方レール１１０と、該シュラウドセグメント１０２の円周方向後縁を形成した後方レール１１４と、基部１０８から半径方向外向きに延びる傾斜して間隔を置いて配置された側面レール１１６とを含む。基部１０８は、シュラウドセグメント空洞１１８を部分的に形成する。
【００１５】
作動中に、例えばタービンエンジンの圧縮機セクションからの加圧空気１０３は、ハンガセクション１０４によって形成された上部プレナム空洞１２０に流入し、かつ該ハンガセクション１０４内の孔１２２を介してシュラウドセグメント空洞１１８に流入する。シュラウドセグメント空洞１１８内の加圧空気１０３は、基部１０８の半径方向外側表面１２４上に衝突する。衝突（インピンジメント）空気１０５は、基部１０８を冷却し、かつ基部１０８の外側表面１２４から該基部１０８内に延びる通路１２６の入口孔１３０に流入して、シュラウドセグメント１０２の対流冷却を行う。インピンジメント空気１０５は、シュラウドセグメント１０２の後方レール１１４内に設置された出口孔１２８を介して通路１２６から流出する。インピンジメント空気１０５が出口孔１２８から流出すると、インピンジメント空気１０５は、矢印１０１で示すガス流パスに流入する。
【００１６】
図２は、シュラウドセグメント１０２の例示的な実施形態の上面部分断面図を示している。シュラウドセグメント１０２は、入口孔１３０を介してシュラウドセグメント空洞１１８と連通した前方通路２０２を含む。前方通路２０２は、出口孔１２８を備えた側方通路２０４と連通している。作動中に、インピンジメント空気１０５（図１の）は、入口孔１３０に流入し、前方通路２０２及び側方通路２０４を通って流れ、かつ出口孔１２８を介してガス流パス内に流出する。この図示した実施形態は、補助圧力孔２０６を含み、この補助圧力孔２０６は、付加的なインピンジメント空気１０５を側方通路２０４に供給するように設けることができる。補助圧力孔２０６は、入口孔１３０から離れた側方通路２０４の領域におけるインピンジメント空気１０５の圧力低下を補う。
【００１７】
前方通路２０２及び側方通路２０４を設置することにより、シュラウドセグメント１０２の前方レール１１０及び側面レール１１６領域における対流冷却が増大する。実験によると、シュラウドセグメント１０２の前方レール１１０及び側面レール１１６領域は、シュラウドセグメント空洞１１８の下方に位置しまたシュラウドセグメント空洞１１８に集積しかつ該シュラウドセグメント空洞１１８を冷却するインピンジメント空気１０５によって冷却される基部１０８の領域よりも相対的により高温になることを示した。
【００１８】
以前のシュラウドセグメントの実施形態は、側面レール１１６、前方レール１１０、及び後方レール１１４に沿って配置された通気孔を含み、これら通気孔は、シュラウドセグメント空洞１１８からインピンジメント空気１０５を受けかつ該インピンジメント空気１０５をシュラウドセグメント空洞１１８の外側表面に沿ってガス流パス内に送出していた。図２の例示した実施形態は、前方通路２０２及び側方通路２０４を用いて前方レール１１４及び側面レール１１６領域を冷却し、そのような通気孔を含む可能性はない。通気孔を省略することの１つの利点は、シュラウドセグメント１０２が、半径方向内側表面１３２（図１の）に沿って断熱皮膜を含むことができることである。製作において、皮膜は、通気孔を製作した（シュラウドセグメント１０２内に鋳造又は穿孔した）後に施工することができ、或いは通気孔を製作する前に施工することができる。通気孔を製作した後に皮膜を施工する場合には、通気孔は、皮膜が該通気孔を塞ぐのを防止するために覆われる。通気孔を製作する前に皮膜を施工した場合には、通気孔の製作に先立って該通気孔の領域から皮膜が除去される。これらの製作方法のいずれも、シュラウドセグメント１０２の製作費用を増加させる。
【００１９】
前方通路２０２及び側方通路２０４を設置することによって得られた前方レール１１４及び側面レール１１６における冷却の増大は、シュラウドセグメント１０２の設計から通気孔を省略して製作費用を低減する機会を可能にすることができる。他の利点には、シュラウドセグメント１０２から流出するインピンジメント空気１０５の量を減少させることを含むことができる。流出するインピンジメント空気１０５は、該流出インピンジメント空気１０５がタービンエンジンの高圧セクションに流入しかつガス流パスに悪影響を与え、それによってエンジンの効率を低下させるおそれがあるので、望ましくないことが多い。インピンジメント空気１０５は、多くの場合、タービンエンジンの圧縮セクション内で加圧された空気から送出される（ブリード空気）。冷却のために用いるブリード空気は、燃焼のためには用いられず、従って冷却のために用いるブリード空気を減少させることは、タービンエンジンの効率を増大させることになる。
【００２０】
図２の例示した実施形態は、２つの入口孔１３０及び２つの出口孔１２８を含むことに限定されるものではなく、単一の入口孔１３０又は複数の入口孔１３０並びに単一の出口孔１２８又は複数の出口孔１２８を含むあらゆる数の入口孔１３０及び出口孔１２８を含むことができる。
【００２１】
図３は、シュラウドセグメント１０２の別の例示的な実施形態を示している。図３におけるシュラウドセグメント１０２は、図２のシュラウドセグメント１０２と同様であるが、側方通路２０４と連通した後方通路２０８を含む。後方通路２０８は、インピンジメント空気１０５を導いてシュラウドセグメント１０２の後方レール１１４領域を対流冷却する。
【００２２】
図４は、シュラウドセグメント１０２のさらに別の例示的な実施形態を示している。図４におけるシュラウドセグメント１０２は、図２のシュラウドセグメント１０２と同様であるが、側方通路２０４及び側面レール１１６の外側表面と連通した複数の通気孔２１０を含む。通気孔２１０は、側面レール１１６の外側表面の冷却を増大させるように使用することができるが、通気孔２１０は、製作費用を増加させる可能性がある。
【００２３】
図５は、シュラウドセグメント１０２を製作する例示的な方法の上面部分断面図を示している。前方通路２０２、側方通路２０４及び後方通路２０８は、前方レール１１０、側面レール１１６及び後方レール１１４の外側表面を貫通して形成されている。通路が穿孔（ドリル加工）されると、望ましくないドリル加工孔は、領域５０１において密封することができる。通路の形成は、例えばドリル加工、放電加工（ＥＤＭ）、電解加工（ＥＣＭ）などを含む多様な技法を用いて行うことができる。
【００２４】
図６は、シュラウドセグメント１０２を製作する例示的な方法の線Ａ−Ａ（図５の）に沿った前面部分断面図を示している。シュラウドセグメント１０２の半径方向内側表面１３２は、環状輪郭を備える。環状輪郭は、前方通路２０２をドリル加工するのを困難にする可能性がある。前方通路２０２の穿孔は、各側面レール１１６から角度θで前方通路２０２をドリル加工することによってより容易に行うことができる。例えば、ドリル加工手順は、側面レール１１６の１つからシュラウドセグメント１０２の中間点まで角度θで第１の通路６０１をドリル加工するステップを含むことができる。第２の通路６０３は次に、対向する側面レール１１６から同じ角度でシュラウドセグメント１０２の略中間点で第１の通路６０１と交差することができるドリル深さでドリル加工することができる。別の実施形態では、互いに交差しない第１の通路６０１及び第２の通路６０３を含むことができる。対向する側面レール１１６から使用角度で前方通路２０２をドリル加工することにより、環状輪郭に適応する。後方通路２０８（図５の）は、同様にドリル加工することができる。側方通路２０４は、必要に応じて１回のドリル加工手順でドリル加工することができ、前方通路２０２及び後方通路２０８の一部分と交差することになる。通路がドリル加工されると、シュラウドセグメントの外側表面を真直ぐ貫通した通路の部分を密封することができる。所望の入口孔１３０及び出口孔１２８は、後続工程でドリル加工することができる。上述した通路の製作方法はドリル加工するステップを含むが、シュラウドセグメント１０２内の通路は、例えば鋳造法などを含むその他の方法を用いて製作することができる。
【００２５】
上述した通路を製作するために（ＥＤＭ／ＥＣＭ）法を用いる利点は、この穿孔法を用いて通路の輪郭付き内表面を形成することができることである。図７は、通路の例示的な輪郭付き内表面の一部分の上面断面図を示している。通路の輪郭付き内表面は、前方通路２０２、後方通路２０８及び側方通路２０４を含む上述した通路のあらゆる通路の特徴形状として設けることができる。図７を参照すると、通路７０１は、該通路７０１の内径を縮小したリッジ部７０５を含む。リッジ部７０５は、インピンジメント空気１０５（図１の）の流れを乱すことによって、通路７０１内を流れるインピンジメント空気１０５の対流冷却を向上させることができる。リッジ部７０５の望ましい効果には、インピンジメント空気１０５の流れ内に渦を発生させ、それにより該インピンジメント空気１０５の対流冷却作用を増大させることを含むことができる。
【００２６】
図８は、リッジ部７０５を形成する例示的な方法を示している。ＥＤＭプローブ８０１を使用して通路７０１を穿孔する。穿孔の間に、プローブ８０１は、回転されかつ矢印８０５の方向に前方に材料８０７内に駆動されて通路７０１を穿孔する。リッジ部７０５を形成するために、プローブ８０１の前方駆動を一時的に停止させ、その間にプローブ８０１により領域８０３内で材料除去を継続させて、領域８０３における通路７０１の内径を増大させる。通路７０１の部分に沿ったプローブ８０１の前方駆動を停止させることにより、リッジ部７０５が形成される。
【００２７】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２８】
１００  シュラウドアセンブリ
１０１  矢印
１０２  シュラウドセグメント
１０３  加圧空気
１０４  ハンガセクション
１０５  インピンジメント空気
１０６  エンジン外側ケース
１０８  基部
１１０  前方レール
１１２  タービン動翼
１１４  後方レール
１１６  側面レール
１１８  シュラウドセグメント空洞
１２０  上方プレナム空洞
１２２  孔
１２４  外側表面
１２６  通路
１２８  出口孔
１３０  入口孔
１３２  内側表面
２０２  前方通路
２０４  側方通路
２０６  圧力孔
２０８  後方通路
２１０  通気孔
５０１  領域
６０１  第１の通路
６０３  第２の通路
７０１  通路
７０５  リッジ部
８０１  プローブ
８０３  領域
８０５  矢印
８０７  材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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