(57)【要約】      （修正有）【課題】動翼のシュラウドを効果的に冷却する。【解決手段】動翼５の上流側で熱ガス流へ複数の冷却空気流が導入されることで、動翼５の受動シュラウド冷却が実現できる。冷却空気流は、空気力学的、幾何学的条件に基づく所定の径方向角度及び接線方向角度で角度的方向性が定められるので、外部シュラウド６のうち、熱的に負荷が大きい底面１１全体に主として冷却空気が当てられる。冷却方法を実施するための冷却装置においては、熱ガス流に向けられる冷却空気通路９は、静翼１を越えて下流側に突き出して軸方向での冷却空気の搬送を遮断するケーシング部３の領域に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静翼の下流側で熱ガス流を受けると共に、圧縮機からタービンケーシングを通って供給される冷却空気によって受動冷却されるガスタービン動翼外部シュラウドの冷却方法であって、
タービンステージの円周上で等しく分配される複数の冷却空気流を静翼（１）の下流側において所定方向に熱ガス流へ直接的に導入し、
該冷却空気流の位置及び角度的方向性を空気力学的、幾何学的条件に基づいて定め、冷却空気を動翼（５）の外部シュラウド（６）の底面（１１）全体に当てることを特徴とするガスタービン動翼の外部シュラウドの冷却方法。
【請求項２】
静翼（１）の出口角度に対応する接線方向角度で且つタービンケーシング（１２）に対して鋭角の径方向角度で冷却空気流を熱ガス流へ導入することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン動翼の外部シュラウドの冷却方法。
【請求項３】
タービンステージにおける空気力学的、幾何学的条件に基づき、円周方向−８５°〜８５°の範囲内で且つ径方向１５°〜９０°の範囲内での角度位置で冷却空気流を熱ガス流へ導入することを特徴とする請求項２に記載のガスタービン動翼の外部シュラウドの冷却方法。
【請求項４】
冷却空気及び熱ガスの両方の温度、密度及び速度に基づく特定角度で冷却空気流を熱ガス流へ導入し、冷却空気の損失を抑えつつ、冷却空気を外部シュラウド（６）の底面（１１）に到達させることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン動翼の外部シュラウドの冷却方法。
【請求項５】
冷却空気の密度及び速度の積と熱ガスの密度及び速度の積との商としての噴出率が約１．５であることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン動翼の外部シュラウドの冷却方法。
【請求項６】
プラットフォーム（２）を備える静翼（１）を含むステータと、外部シュラウド（６）を備える動翼（５）を含むロータとからなり、冷却空気がタービンケーシング（１２）及び内部ケーシング（１３）間の空間（１４）を介して外部シュラウド（６）に供給される請求項１に記載の冷却方法を実施するための冷却装置であって、
外部ケーシング（１２，４）に結合され、前記空間（１４）における冷却空気の軸方向へのさらなる搬送を遮断すべく、各静翼（１）を越えて下流側に突き出るケーシング部（３）と、
動翼（５）の上流側に位置して設けられ、円周に分配される複数の冷却空気通路（９）とを含み、
該冷却空気通路（９）の径方向角度及び接線方向角度がタービンステージにおける空気力学的、幾何学的条件に基づいて定められ、該冷却空気通路（９）を通過する冷却空気が熱ガス流に混ざり込んで、外部シュラウド（６）の底面（１１）に到達することを特徴とする冷却装置。
【請求項７】
冷却空気通路（９）は、外部ケーシング（１２）に対して１５°〜９０°の範囲内の径方向角度で且つ円周方向に対して−８５°〜８５°の範囲内の接線方向角度で角度的方向性が定められることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
冷却空気通路（９）は、ステータ寄りかロータ寄りかの軸方向に変化する位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静翼の下流側で熱ガス流を受けると共に、タービンケーシングを通って供給される冷却空気によって受動冷却（ passive cooling）されるガスタービン動翼の外部シュラウドの冷却方法と、この冷却方法を実施するための冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に知られているように、ガスタービンの効率は、タービン入口温度が高くなるほど高まるが、そのタービン入口温度は、高圧タービンの静動翼に用いられる材料によって制限を受けてしまう。しかしながら、タービン入口温度は、各要素の冷却を改善することで高めることができる。一般的に知られているように、ディスク、翼、プラットフォームあるいはシュラウドの温度は、内部ダクトを通って供給される冷却空気を用い且つ一部は外面に穿孔された膜冷却孔を介して供給される膜冷却空気による強制冷却によって抑えられる。その上、冷却効率を改善するために、プラットフォームあるいは静動翼のシュラウドは、外部からこれら要素に供給される圧縮機空気によって受動冷却される。しかしながら、動翼の外部シュラウドの受動冷却は、静翼及びタービンケーシング（例えばライナー）間の環状な隙間を介してシュラウドに軸方向に供給される冷却空気が主として熱ガス流の分流ラインを軸方向に越えてシュラウドの上面へ向けて流れるという点で不十分である。これは、冷却空気がライナー及びシュラウド間に設けられるラビリンスシールを通って流れるようになり、熱的に負荷が大きいシュラウドの底面（前記上面の反対面）は局所的にのみ冷却され、例えばシュラウドに対する翼の付け根部分といった最も熱的に負荷が大きい領域は冷却されないということを意味する。冷却効率を高めるために強制冷却方法（内部冷却）を適用するということは、一方では、シュラウド付き動翼を製造するために相当なコストを伴い、他方では、要求される壁厚が高くなって重量増加という結果になる。動翼シュラウドの受動冷却は、冷却空気の質量流量を十分に増やすことによっても改善可能であるが、大きな空力的損失を伴う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、広い見地で、航空機ガスタービンの動翼の外部シュラウドを受動冷却するための冷却方法及び冷却装置を提供することで、動翼シュラウドのうち、熱的に負荷が大きい底面における激しく且つ一律な冷却を得る一方、製造労力を抑え、冷却空気の質量流量を引き下げ、同様に空気力学的な損失を抑える。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１，６の特徴に基づいて設計された冷却方法及び冷却装置によって、上記問題を解決することが本発明の目的である。本発明のさらなる特徴及び優位的な実施形態は、従属請求項から明らかとなる。
【０００５】
言い換えれば、ラビリンスシールの方向において軸方向での冷却空気の搬送がシュラウドの上面で遮断されること、空気力学的、幾何学的条件に適合するような特定方向で、動翼の上流側における熱ガス流へ複数の冷却空気流が直接的に導入されること、そして、その結果、動翼と対向する外部シュラウドのうち、熱的に負荷が大きい底面に冷却空気が主として当てられ、従って、冷却がこの底面全体に及ぶこと、が本発明の本質である。
【０００６】
熱ガス流へ導入される冷却空気流の角度位置は、タービンケーシングに対する径方向角度（即ち、中心軸を含む平面上における軸方向に対する傾き角度）で定められ、１５°〜９０°の範囲内で採り得て、また、円周方向に対する接線方向角度（即ち、中心軸と直交する横断面上における径方向に対する傾き角度）で定められ、−８５°〜＋８５°の範囲内で採り得る。
【０００７】
ステータ及びロータ間の軸方向における冷却空気流の位置、言い換えれば、ステータ寄りかロータ寄りか、もまた可変である。
【０００８】
冷却空気流の位置特定のための重要なパラメータは、冷却空気及び熱ガスの両方の温度、密度及び速度である。例えば、冷却空気の密度及び速度の積と熱ガスの密度及び速度の積との関係を示す噴出率は約１．５である。
【０００９】
本発明に基づく冷却方法を実施するための冷却装置は、ラビリンスに向かう軸方向での冷却空気の搬送を遮断するケーシング部を含み、タービンの内部ケーシングあるいは静翼のプラットフォームの延長であるこのケーシング部は、静翼を越えて下流側に突き出し、タービンケーシングに結合される。このケーシング部において、冷却空気流を生成するための冷却空気通路であって、特定の径方向及び円周方向の角度で熱ガス流に向かう冷却空気通路が動翼の上流側に設けられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による冷却方法及びこれに対応する冷却装置は、動翼の外部シュラウドの効果的な受動冷却を提供し、従って、シュラウドにおける熱的ストレスを引き下げ、それらの疲労強度を向上させる。高い冷却効果にも関わらず、公知の受動シュラウド冷却配置よりも冷却空気の必要量が少なく、その結果、熱力学的効果が高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態を添付図面を考慮しつつ説明する。図１において、静動翼の領域における高圧タービンの図案が概略的に縦断面で示される。
【００１２】
静翼１の各外端に設けられるプラットフォーム２は、外部ケーシング（タービンケーシング）１２内に該外部ケーシング１２と間隔を有して同心に配置された内部ケーシング１３の一部を構成する静翼１（あるいは対応するプラットフォーム突出部）を越えて下流側に突き出るケーシング部３にまで達する。突き出しケーシング部３は、下流側において、ライナー４によって形成されるタービンの外部ケーシング１２に直接的に結合され、あるいは外部ケーシング１２若しくは内部ケーシング１３の一部として一体的に形成され、タービンケーシング１２及び内部ケーシング１３間に形成される（環状な）空間１４における冷却空気のさらなる搬送は、軸方向において遮断される。即ち、タービンケーシング１２及び内部ケーシング１３間に形成される環状空間１４は、その下流側開放端が突き出しケーシング部３によって閉塞されるものである。そして、静翼１の下流側に配置されたものは、ライナー４と対向する外部シュラウド６を外端に備える動翼５である。シュラウド６の外面７（背景技術で言及した「上面」のこと）は、この表面及びライナー４間にラビリンスシール８が生成されるようなものである。プラットフォーム２あるいは内部ケーシング１３に結合される突き出しケーシング部３において、複数の冷却空気通路９がタービンの円周方向に間隔をあけて設けられる。該冷却空気通路９は、静翼１の下流側であって動翼５の上流側における熱ガス流（矢印Ａ）に直ちに与えられるもので、円周方向に等分配置されて１０個存在する。ケーシング部３は、ライナー４によって形成される内部ケーシング（このライナー４は、特許的な観点から外部ケーシングの一部とみなされることもある）に直接的に結合されるので、ラビリンスシール８に対する冷却空気の（軸方向における）迅速な供給は不可能である。冷却空気通路９は、突き出しケーシング部３に位置しており、圧縮機によってタービンケーシング１２及び内部ケーシング１３間に供給される冷却空気が個々の冷却空気流（矢印Ｂ）の形で熱ガス流に対して特定方向に与えられるので、冷却空気流は、環形に維持される熱ガス流及びラビリンスシール領域における熱ガス流間の分流よりも下側（径内側）に維持、即ち、冷却空気流は、斜め下流側の軸中心に向けて冷却空気通路９から吐出されるようになっているので、その範囲で熱ガス流に混ざり込むことで、冷却空気は、翼底に到達し、熱的に負荷が大きいシュラウド６の底面１１を覆って全範囲を一律に冷却する。冷却空気通路９は、例えば外部ケーシング１２に対する径方向角度２０°で突き出しケーシング部３の壁に位置し、また、静翼１の出口角度、例えば（円周方向に対する）接線方向角度６４°で突き出しケーシング部３の壁に位置するものとされる。
【００１３】
冷却空気通路９の角度姿勢（角度位置）、言い換えれば、接線方向角度と径方向角度とによって定まる位置と、冷却空気通路９の軸方向位置、言い換えれば、静翼寄りか動翼寄りかのそれらの位置、その上、それらの断面積は、可変であり、タービンステージ（turbine stage）の空気力学的特性とシュラウドジオメトリ（shroud geometry）によって決まる。径方向角度は１５°〜９０°の範囲内を採り得て、接線方向角度は−８５°〜＋８５°の範囲内を採り得る。さらに、冷却空気を熱ガス流へ混ざり込ませ、且つそれをシュラウド６のうち、熱的に負荷が大きい底面１１に主として送るための重要なパラメータは、冷却空気及び熱ガスの両方の速度、温度及び密度である。上述された設計パラメータは、選択あるいは調整されるので、個々の冷却空気流の推進力は、冷却空気及び熱ガス間で生じる混合損失を抑えつつ、冷却空気流が各シュラウド６の底面１１に当たることを保証する。好ましい噴出率、言い換えれば、冷却空気の密度及び速度の積（Ｒ1＝ρ・ｕcooling air）と熱ガスの密度及び速度の積（Ｒ2＝ρ・ｕhot gas）との関係（Ｒ1／Ｒ2）は１．５である。
【００１４】
シュラウド底面（表面）の十分な冷却をも考慮した、空気力学的特性及びシュラウドジオメトリによって管理される角度姿勢での熱ガス流への冷却空気流の導入は、特に、動翼５に面しているシュラウド６のうち、熱的に負荷が大きい底面１１の一律且つ全体的な冷却、また、動翼５の側部の一律且つ全体的な冷却を提供する。これは、シュラウドにおける熱的ストレスを引き下げ、その結果、疲労強度を高めるという効果がある。シュラウドの底面を冷却するための冷却空気量は、熱ガス流へ完全に導入されるものの、冷却空気損失は、最初に言及した公知の受動シュラウド冷却方法と同じである。本発明の方法に係る高い冷却効果は、必要な冷却空気量を約３０％引き下げることを可能とし、これにより、空気力学的効果を変えることなく、熱力学的効果を高める。
【００１５】
特許請求の範囲の発明は、航空機ガスタービンエンジンに適用でき、産業用ガスタービン、船舶用ガスタービンあるいはヘビーデューティガスタービンに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】静動翼の領域における高圧タービンの概略縦断面である。
【符号の説明】
【００１７】
１  静翼
２  プラットフォーム
３  突き出しケーシング部（プラットフォーム突出部）
４  ライナー（内部ケーシング）
５  動翼
６  外部シュラウド
７  外部シュラウド６の外面
８  ラビリンスシール
９  冷却空気通路
１０  出口
１１  外部シュラウド６の底面（内面）
１２  タービンケーシング（外部ケーシング）
１３  内部ケーシング
１４  タービンケーシング１２及び内部ケーシング１３間の空間
Ａ  熱ガス流
Ｂ  冷却空気流
【図１】
2006144789.tif 000003