(57)【要約】ガスタービンエンジンのタービンセクション内の冷却装置は、シュラウドセグメントのプラットホーム（４４）内に冷却空気を導き、タービンシュラウド（３２）を冷却すると共に、実質的に直進する冷却空気流を形成し、タービンベーンシュラウド（３８）をインピンジメント冷却するのに用いられる。
2009501860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシュラウドセグメントおよびタービンベーンアウタシュラウドの両方を直列に冷却する、ガスタービンエンジンのタービンセクション内の冷却装置であって、
各タービンシュラウドセグメントを冷却するために、冷却空気を通流させる前記タービンシュラウドセグメントの各々のシュラウドプラットホーム内に延びる少なくとも１つの通路を備え、前記タービンシュラウドセグメントの各々の前記少なくとも１つの通路は、タービンベーンアウタシュラウドの前端部の周囲の実質的に全体にわたって前記冷却空気を組み合わせて衝突させるようにさらに導くことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの通路が、前記シュラウドプラットホームの軸方向の全長の大部分を貫通することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの通路が、前記タービンシュラウドセグメントの前側脚部と後側脚部との間に画定されたキャビティと流体連通することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの通路が、前記タービンベーンアウタシュラウドと衝突させるために、前記シュラウドプラットホームの後端部に冷却空気を排出させることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの通路が、複数の実質的に軸方向に真直ぐに延びる孔を含むことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
タービンセクションの環状ガス経路の外壁の一部を画定するガスタービンエンジン構造であって、
プラットホームを有するタービンシュラウドと、
前記タービンシュラウドのすぐ下流に配置された、複数のベーンを有するタービンベーンアウタシュラウドと、
を備え、
前記タービンシュラウドが、前記プラットホーム内に延びて前記プラットホームを実質的に軸方向に貫通する複数の通路を画定し、該通路が、前記タービンベーンアウタシュラウドと実質的に一直線に並んで配置されることを特徴とするガスタービンエンジン構造。
【請求項７】
前記通路が、前記プラットホームの外側面の少なくとも１つの入口および該プラットホームの後端部の少なくとも１つの出口を有する複数の孔を含む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構造。
【請求項８】
前記孔の少なくとも１つの入口が、前記タービンシュラウドの前側脚部に下流側で近接する位置に配置され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構造。
【請求項９】
前記孔が、前記プラットホームにおける軸方向の全長の大部分にわたって、実質的に直線方向に延び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構造。
【請求項１０】
下流側のタービンベーンアウタシュラウドをインピンジメント冷却するためにタービンシュラウドの冷却空気を再利用する方法であって、
（ａ）タービンシュラウドを冷却するために、該タービンシュラウドのシュラウドセグメントにおけるプラットホーム内に冷却空気を導き、該プラットホーム内を通流させるステップと、
（ｂ）タービンベーンアウタシュラウドをインピンジメント冷却するために、前記タービンベーンアウタシュラウドの前端部に向かって軸方向に流れる複数の実質的に直進する冷却空気流を形成するように、前記ステップ（ａ）における前記冷却空気を用いるステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）が、実質的に同時に実施されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）が、実質的に直進する冷却空気流を高速度で供給するために、前記タービンシュラウドの前記シュラウドセグメントにおける前記プラットホーム内に延びる複数の実質的に軸方向に真直ぐ延びる通路内に前記冷却空気を導くことによって行なわれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却空気が、前記シュラウドセグメントの前側脚部と後側脚部との間に画定されたキャビティから、前記実質的に軸方向に真直ぐ延びる通路内に導かれ、該通路から前記プラットホームの後端部に排出されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記タービンベーンアウタシュラウドのインピンジメント冷却時に、前記冷却空気をガス経路内に排出するステップ（ｃ）をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記タービンベーンアウタシュラウドの前記前端部の周囲の実質的に全体をインピンジメント冷却するように、前記実質的に直進する冷却空気流を導くことを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、さらに詳細には、タービンシュラウドの冷却および下流側ベーンアウタシュラウドの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、通常、高温部分、すなわち少なくとも１つのロータ段およびロータ段のすぐ下流および／またはすぐ上流に配置された少なくとも１つのステータベーン段を備えるタービンセクションを備える。ロータ段は、例えば、周方向に互いに隣接して配置されることによってタービンロータを囲むシュラウドリングを形成する複数のシュラウドセグメントを有する。ステータベーン段は、アウタシュラウド、インナシュラウドおよびこれらの間に延びる複数の半径方向ステータベーンを有する。ロータ段およびステータベーン段は、極めて高温のガスに晒されるので、冷却される必要がある。冷媒をロータ段およびステータベーン段に通流させると、エンジンの全体的な性能が低下するので、一般的には、タービンセクションの構成要素の耐久性を劣化させない限りにおいて、冷却流の消費を最小限に抑えることが望ましい。これまで、適切な冷却装置を開発する種々の取り組みにおいて、タービンセクションの上流側の構成要素を冷却するのに、一度用いた冷却空気を再利用することに努力が払われてきた。例えば、ガスタービンエンジンの設計者は、タービンシュラウドセグメントを冷却すると共に、このタービンシュラウドセグメントの冷却空気をさらに再利用し、下流側のステータベーン段を効果的な方法で冷却する、改良されたタービンセクション冷却装置を絶えず追求してきた。
【０００３】
従って、タービンシュラウドセグメントおよびステータベーン段の両方を効果的に直列に冷却する、ガスタービンエンジンにおける改良された冷却装置を提供することが必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の目的は、タービンセクションの環状ガス経路の外壁の一部を冷却する、ガスタービンエンジンにおける冷却装置を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明の一態様によれば、タービンシュラウドセグメントおよびタービンベーンアウタシュラウドの両方を直列に冷却する、ガスタービンエンジン内の冷却装置が提供される。この冷却装置は、タービンシュラウドを冷却するために、冷却空気を通流させるタービンシュラウドセグメントのシュラウドプラットホーム内に延びる少なくとも１つの通路を備える。各タービンシュラウドセグメントの少なくとも１つの通路は、タービンベーンアウタシュラウドの前端部の周囲の実質的に全体にわたって冷却空気を組み合わせて衝突させるようにさらに導く。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、タービンセクションの環状ガス経路における外壁の一部を画定するガスタービンエンジン構造が提供される。このエンジン構造は、プラットホームを有するタービンシュラウドを備える。複数のベーンを有するタービンベーンアウタシュラウドが、タービンシュラウドのすぐ下流に配置される。タービンシュラウドは、プラットホーム内に延びてプラットホームを実質的に軸方向に貫通する複数の通路を画定する。これらの通路は、タービンベーンアウタシュラウドと実質的に一直線に並んで配置される。
【０００７】
本発明のさらに他の態様によれば、タービンシュラウドの冷却空気を下流側のタービンベーンアウタシュラウドをインピンジメント冷却するのに再利用する方法が提供される。本方法は、（ａ）タービンシュラウドを冷却するために、タービンシュラウドのシュラウドセグメントにおけるプラットホーム内に冷却空気を導き、プラットホーム内を通流させるステップと、（ｂ）タービンベーンアウタシュラウドをインピンジメント冷却するために、タービンベーンアウタシュラウドの前端部に向かって軸方向に流れる複数の実質的に直進する冷却空気流を形成するのに、ステップ（ａ）の冷却空気を用いるステップと、を含む。
【０００８】
本発明の上記の態様および他の態様は、以下の好ましい実施形態を参照すれば、よく理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、本発明における用途の一例としての本発明の実施形態を含むターボファンガスタービンエンジンが示されている。このエンジンは、ハウジングつまりナセル１０と、コアケーシング１３と、ファン１４、低圧圧縮機１６および低圧タービン１８を含む参照番号１２で総称的に示される低圧スプールアセンブリと、高圧圧縮機２２および高圧タービン２４を含む参照番号２０で総称的に示される高圧スプールアッセンブリと、を備える。また、燃焼ガスを生成する燃焼器２５が設けられている。低圧タービン１８および高圧タービン２４は、複数のロータ段２８および複数のステータベーン段３０を備える。
【００１０】
図１〜図３を参照すると、ロータ段２８の各々は、タービンシュラウドアッセンブリ３２によって取り囲まれた複数のロータブレード３３を有し、ステータベーン段３０の各々は、ステータベーンアッセンブリ３４を備える。このステータベーンアッセンブリ３４は、ロータ段２８の上流および／または下流に配置され、対応するタービンシュラウドアッセンブリ３２内の環状ガス経路３６内に燃焼ガスを導入し、またはこの環状ガス経路３６から燃焼ガスを導出させ、対応するロータ段２８内に燃焼ガスを導く。
【００１１】
ステータベーンアッセンブリ３４、例えば、低圧タービン（ＬＰＴ）における第１のステータベーン段のベーンアッセンブリは、例えば、１つのロータ段２８のシュラウドアッセンブリ３２の下流に配置され、例えば、複数のステータベーンセグメント（図示せず）を備える。これらのステータベーンセグメントは、周方向において互いに接合され、複数の軸方向ステータベーン４０（１つのステータベーンの一部のみを図示）を備えるタービンベーンアウタシュラウドを構成する。これらのステータベーン４０により、ロータ段２８に対する環状のガス経路３６の下流側部分が、燃焼ガスをロータ段２８外へと導く複数の分割されたガス通路に分割される。
【００１２】
ロータ段２８のシュラウドアッセンブリ３２は、複数のシュラウドセグメント４２（１つのみを図示）を備える。これらのシュラウドセグメント４２の各々は、前側半径方向脚部４６および後側半径方向脚部４８を有するプラットホーム４４を備える。これらの脚部４６，４８は、それぞれ、フック（図示せず）を有する。複数のシュラウドセグメント４２は、周方向において互いに接合され、シュラウドアッセンブリ３２を構成する。
【００１３】
各シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４は、外側面５０および内側面５２を有し、前端部５４と後端部５６との間に軸方向に画定され、かつ互いに対向する側面５８と側面６０との間に周方向に画定される。複数のセグメントのこれらのプラットホーム４４は、全体として、タービンシュラウドリング（図示せず）を構成する。このタービンシュラウドリングは、ロータブレード３３を取り囲み、ロータ段２８と協働して環状ガス経路３６の一部を画定する。タービンシュラウドリングは、タービンベーンアウタシュラウド３８の直ぐ上流に配置され、このタービンベーンアウタシュラウド３８と当接し、これによって、環状ガス経路３６の外壁（図示せず）の一部を形成する。
【００１４】
前側半径方向脚部４６および後側半径方向脚部４８は、軸方向において互いに離間し、外側面５０から半径方向外方に一体に延びており、前側半径方向脚部４６および後側半径方向脚部４８のそれぞれのフックが、従来の方法によって、環状シュラウド支持構造体６２に接続される。環状シュラウド支持構造体６２は、複数のシュラウド支持セグメント（図示せず）を有し、コアケーシング１３内に支持される。従って、環状キャビティ６４が、前側脚部４６と後側脚部４８との間に軸方向に画定され、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４と環状シュラウド支持構造体６２との間に半径方向に画定される。この中央の環状キャビティは、冷却空気源、例えば、低圧圧縮機１６または高圧圧縮機２２からの抽気と流体連通し、この結果、加圧された冷却空気が、環状キャビティ６４内に導かれ、この環状キャビティ６４内に受け入れられる。
【００１５】
各シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４は、好ましくは、プラットホーム４４内に冷却空気を導き、プラットホーム４４をトランスピレーション冷却するために、プラットホーム４４内に軸方向に延びる通路、例えば、複数の孔６６を備える。ドリル加工の都合上、例えば、プラットホーム４４の外側面５０に、両端が閉じられるように周方向に延びる溝６８が設けられる。従って、プラットホームの後端部５６から溝６８に向かって軸方向に直線的に孔６６をドリル加工し、溝６８で終端させることができる。結果的に、溝６８は、キャビティ６４内に受け入れられた冷却空気を吸入させる孔６６の共通の入口を形成する。しかし、ドリル加工工程の都合上、他の形式の出口が作製されてもよい。また、冷却空気を孔６６から十分に排出し、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４における後端部５６のタービンベーンアウタシュラウド３８に対する接触面を縮小させるために、孔６６の１つまたは複数の出口を設けることが好ましい。例えば、プラットホーム４４の内側面５２に開口部を有する細長凹部７０が、プラットホーム４４の後端部５６に設けられ、これによって、例えば、ガス経路３６に冷却空気を排出させる孔６６の共通の出口が形成される。冷却空気を孔６６から十分に排出させるために、他の形式の出口が用いられてもよい。
【００１６】
溝６８が中央のキャビティ６４と流体連通しているので、キャビティ６４内に導かれた冷却空気は、軸方向の孔６６内に導かれ、この軸方向の孔６６内を通流し、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４を効果的に冷却する。次いで、この冷却空気は、プラットホーム４２の後端部５６において、細長凹部７０から排出され、ガス経路３６に流入する以前に、下流側のエンジン部品、例えば、タービンベーンアウタシュラウド３８と衝突する。
【００１７】
孔６６の共通の入口として機能する溝６８は、好ましくは、孔６６がシュラウドセグメント４２のプラットホーム４４における軸方向の全長の大部分を貫通し、これによって、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４を効率的に冷却するように、前側脚部４６の近くに配置される。
【００１８】
複数の孔６６は、好ましくは、周方向において実質的に均等に離間され、かつ好ましくは、タービンベーンアウタシュラウドと直線状に並んで配置される。従って、冷却空気は、タービンベーンアウタシュラウド３８の前端部と衝突する。各シュラウドセグメント４２の孔６６の数は、孔６６から排出された冷却空気が、タービンベーンアウタシュラウド３８の前端部の周囲の全体を効果的に冷却するように決定される。
【００１９】
エンジン運転中、キャビティ６４内に導かれた冷却空気は、タービンシュラウドリングを冷却するように、孔６６を介してシュラウドセグメント４２のプラットホーム４４内に導かれ、このプラットホーム４４内を通流する。タービンシュラウドリングのこの冷却と同時に、実質的に軸方向に真直ぐに延びる孔６６内を流れる冷却空気は、好ましくは、高速度で、タービンベーンアウタシュラウド３８の前端部に向かう複数の実質的に軸方向に直進する冷却空気流を形成し、これらの冷却空気流が、タービンベーンアウタシュラウド３８をインピンジメント冷却する。プレートに画定される従来のインピンジメント孔と対照的に、実質的に軸方向に真直ぐに延びる孔６６は、冷却空気をこの孔の長さの全体にわたって導き、比較的高い方向性を有する実質的に直進する多数の冷却空気流を形成する。換言すれば、これらの実質的に直進する冷却空気流は、個別に集束され、タービンベーンアウタシュラウド３８の前端部に達したとき、隣接する空気流によってわずかしか干渉されず、この結果、タービンベーンアウタシュラウド３８の前端部への大きなインピンジメント効果が得られる。プラットホーム４４の後端部５６における細長凹部７０が制限されているので、タービンベーンアウタシュラウド３８の前端部と衝突した冷却空気は、次いで、半径方向内側かつ後方に導かれ、これによって、環状ガス経路３６内に排出される以前に、タービンベーンアウタシュラウド３８の内側面の前部および軸方向ステータベーン４０の一部をさらにフィルム冷却する。
【００２０】
前述の説明は、単なる例示にすぎず、当業者であれば、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に対して、変更がなされてもよいことを認めるだろう。例えば、本発明は、記載されたターボファンガスタービンエンジン以外の任意の形式のガスタービンエンジンにも適用可能である。この開示内容を検討すれば、本発明の範囲内に含まれる他の修正が当業者に明らかになるであろう。このような修正は、特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による図１のガスタービンエンジンに用いられるタービンシュラウドアッセンブリの軸方向の断面図である。
【図３】図２のタービンシュラウドアセンブリに用いられるシュラウドセグメントの斜視図である。
【図１】
2009501860.tif 000003
【図２】
2009501860.tif 000004
【図３】
2009501860.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月16日(2007.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシュラウドセグメントおよびタービンベーンアウタシュラウドの両方を直列に冷却する、ガスタービンエンジンのタービンセクション内の冷却装置であって、
各タービンシュラウドセグメントを冷却するために、冷却空気を通流させる前記タービンシュラウドセグメントの各々のシュラウドプラットホーム内に延びる少なくとも１つの通路を備え、前記タービンシュラウドセグメントの各々の前記少なくとも１つの通路は、前記シュラウドプラットホームの後端部において、該シュラウドプラットホームの内側面に開口部を有する少なくとも１つの出口を画定し、該少なくとも１つの出口は、タービンベーンアウタシュラウドの前端部の周囲の実質的に全体にわたって前記冷却空気を組合せて衝突させるように導き、次いで、前記冷却空気をエンジンの高温ガス経路内に実質的に排出させることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの通路が、前記シュラウドプラットホームを実質的に軸方向長さにわたって貫通することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの通路が、前記タービンシュラウドセグメントの前側脚部と後側脚部との間に画定されたキャビティと流体連通することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの通路が、実質的に軸方向に真直ぐに延びる複数の孔を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの出口が、前記孔と流体連通し、これによって、前記孔の共通の出口を形成することを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
タービンセクションの環状高温ガス経路の外壁の一部を画定するガスタービンエンジン構造であって、
プラットホームを有するタービンシュラウドと、
前記タービンシュラウドのすぐ下流に配置された、複数のベーンを有するタービンベーンアウタシュラウドと、
を備え、
前記タービンシュラウドが、前記プラットホーム内に延びて前記プラットホームを実質的に軸方向に貫通する複数の通路を画定し、該通路が、前記タービンベーンアウタシュラウドと実質的に一直線に並んで配置され、前記通路は、前記プラットホームの後端部において、前記シュラウドプラットホームの内側面に開口部を有する複数の出口を画定し、該出口は、タービンベーンアウタシュラウドの前端部の周囲の実質的に全体にわたって前記冷却空気を組合せて衝突させるように導き、次いで、前記環状高温ガス経路内に前記冷却空気を実質的に排出させることを特徴とするガスタービンエンジン構造。
【請求項７】
前記通路が、前記プラットホームの外側面の少なくとも１つの入口を含む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構造。
【請求項８】
前記孔の少なくとも１つの入口が、前記タービンシュラウドの前側脚部に下流側で近接する位置に配置され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構造。
【請求項９】
前記孔が、実質的に前記プラットホームの軸方向長さにわたって、実質的に直線方向に延び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構造。
【請求項１０】
下流側のタービンベーンアウタシュラウドをインピンジメント冷却するためにタービンシュラウドの冷却空気を再利用する方法であって、
（ａ）タービンシュラウドを冷却するために、該タービンシュラウドのシュラウドセグメントにおけるプラットホーム内に冷却空気を導き、該プラットホーム内を通流させるステップと、
（ｂ）タービンベーンアウタシュラウドをインピンジメント冷却するために、前記タービンベーンアウタシュラウドの前端部に向かって軸方向に流れる複数の実質的に直進する冷却空気流を形成するように、前記ステップ（ａ）おける前記冷却空気の実質的に全量を用いるステップと、
（ｃ）前記インピンジメント冷却時に、前記タービンシュラウドおよび前記タービンベーンアウタシュラウドによって画定された高温ガス経路内に前記冷却空気の実質的に全量を排出させるステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）が、実質的に同時になされることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ステップ（ａ）および前記ステップ（ｂ）が、実質的に直進する冷却空気流を高速度で供給するために、前記タービンシュラウドの前記シュラウドセグメントにおける前記プラットホーム内に延びる複数の実質的に軸方向に真直ぐ延びる通路内に前記冷却空気を導くことによって行なわれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却空気が、前記シュラウドセグメントの前側脚部と後側脚部との間に画定されたキャビティから、前記実質的に軸方向に真直ぐ延びる通路内に導かれ、該通路から前記プラットホームの後端部に排出されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ）および前記ステップ（ｃ）が、前記プラットホームの後端部に画定された、前記タービンシュラウドの内側面に開口部を有する前記通路の少なくとも１つの出口を用いることによって実施されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記タービンベーンアウタシュラウドの前記前端部の周囲の実質的に全体をインピンジメント冷却するように、前記実質的に直進する冷却空気流を導くことを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
溝６８が中央のキャビティ６４と流体連通しているので、キャビティ６４内に導かれた冷却空気は、軸方向の孔６６内に導かれ、この軸方向の孔６６内を通流し、シュラウドセグメント４２のプラットホーム４４を効果的に冷却する。次いで、この冷却空気は、プラットホーム４２の後端部５６において、細長凹部７０から排出され、ガス経路３６に流入する以前に、下流側のエンジン部品、例えば、タービンベーンアウタシュラウド３８と衝突する。
【国際調査報告】
2009501860.tif 000006
2009501860.tif 000007