(57)【要約】  高温ガス経路（３８）の周りに円周方向に積み重ねられた内側シュラウドセグメント（３５）を有する静止シュラウドリングを含むガスタービンエンジンのタービン。内側シュラウドセグメントは、第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）であって、第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の内部を通して冷却剤を受け入れて送るように構成された冷却チャネル（６０）を有する冷却構成であって、冷却チャネルの各々は、第１の端部と、第１の内側シュラウドセグメントの外面を通して形成された出口（６３）を含む第２の端部との間で縦方向に延びる冷却構成と、円周方向縁部と、円周方向縁部（４８）に形成されたスロット（５７）と、スロット内に位置決めされたシーリング部材（５８）とを含む第１の内側シュラウドセグメントを含むことができる。冷却チャネルの少なくとも１つの出口（６３）は、スロット内に位置決めすることができる。【選択図】図６
2021525329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンのタービン（１０）であって、前記タービン（１０）は、高温ガス経路（３８）の周りに円周方向に積み重ねられた内側シュラウドセグメント（３５）を含む静止シュラウドリングを備え、前記内側シュラウドセグメント（３５）は、第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）であって、
前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の内部を通して冷却剤を受け入れて送るように構成された冷却チャネル（６０）を含む冷却構成であって、前記冷却チャネル（６０）の各々は、第１の端部と第２の端部との間で縦方向に延び、前記第２の端部は、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の外面を通して形成された出口（６３）を備える冷却構成と、
円周方向縁部（４８、５０）と、
前記円周方向縁部（４８、５０）に形成されたスロット（５７）と、
前記スロット（５７）内に位置決めされたシーリング部材（５８）と
を備える第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）を含み、
前記冷却チャネル（６０）の少なくとも１つの前記出口（６３）は、前記スロット（５７）内に位置決めされる、
タービン（１０）。
【請求項２】
冷却チャネルグループは、複数の前記冷却チャネル（６０）を備え、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記スロット（５７）内に位置決めされ、
前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）は、
対向した第１および第２の円周方向縁部（４８、５０）であって、前記円周方向縁部（４８、５０）は、前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）の１つを備える対向した第１および第２の円周方向縁部（４８、５０）と、
前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）の間に延びる対向した前縁（４４）および後縁（４６）と、
前記前縁（４４）および前記後縁（４６）と前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）との間に延びる対向した内方面（５４）および外方面（５２）であって、前記内方面（５４）は、前記高温ガス経路（３８）に向かって内方方向に方向付けられ、前記外方面（５２）は、外方方向に方向付けられる対向した内方面（５４）および外方面（５２）と
を備える、請求項１に記載のタービン（１０）。
【請求項３】
前記タービン（１０）は、軸方向（３０）、半径方向（３１）、および円周方向（３２）が画定される中心軸を備え、
前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）は、
前記前縁（４４）および前記後縁（４６）が前記軸方向（３０）にオフセットされ、それらの間の前記オフセットが前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の幅を画定し、
前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）が前記円周方向（３２）にオフセットされ、それらの間の前記オフセットが前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の長さを画定し、
前記内方面（５４）および前記外方面（５２）が前記半径方向（３１）にオフセットされ、それらの間の前記オフセットが前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の高さを画定する
ように配向される、
請求項２に記載のタービン（１０）。
【請求項４】
前記円周方向縁部（４８、５０）上の前記スロット（５７）は、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間で縦方向に延び、
前記シーリング部材（５８）は、前記スロット（５７）内で前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記前縁（４４）における第１の位置から前記後縁（４６）における第２の位置まで縦方向に延び、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々は、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記長さの少なくとも７５％にわたって延び、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記第１の端部は、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記外方面（５２）を通して形成された入口（６２）を備える、
請求項３に記載のタービン（１０）。
【請求項５】
前記円周方向縁部（４８、５０）上の前記スロット（５７）は、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間で縦方向に延び、
前記シーリング部材（５８）は、前記スロット（５７）内で前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記前縁（４４）における第１の位置から前記後縁（４６）における第２の位置まで縦方向に延び、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々は、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）の前記長さの少なくとも５０％にわたって延び、
前記スロット（５７）は、前記外方方向の境界を画定する天井（７３）と、前記内方方向の境界を画定する床（７５）との間に画定され、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記スロット（５７）の前記天井（７３）を通して形成される、
請求項３に記載のタービン（１０）。
【請求項６】
前記スロット（５７）の前記天井（７３）は、前記円周方向縁部（４８、５０）に隣接する面取り部分（８３）を備え、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記スロット（５７）の前記天井（７３）の前記面取り部分（８３）を通して形成される、
請求項５に記載のタービン（１０）。
【請求項７】
前記冷却チャネルグループは、少なくとも６つの前記冷却チャネル（６０）を備え、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、そこから放出される冷却剤の初期軌道が前記内方方向の方向成分を含むように向けられ、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）は、前記内側シュラウドセグメント（３５）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間に間隔を置いて配置される、
請求項５に記載のタービン（１０）。
【請求項８】
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記スロット（５７）内に位置決めされた前記シーリング部材（５８）に向けられ、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記シーリング部材（５８）に対して外方にある半径方向位置を備える、
請求項５に記載のタービン（１０）。
【請求項９】
前記シーリング部材（５８）は、対向した内方面（５４）および外方面（５２）を備え、前記外方面（５２）は、前記外方方向に方向付けられ、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記シーリング部材（５８）の前記外方面（５２）に向けられ、
前記冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）の各々は、衝突出口構成を備え、
基準出口を有する基準冷却チャネルに対して画定される前記衝突出口構成は、前記基準出口が前記基準冷却チャネルの断面流れ面積の６０％未満である断面流れ面積を有する構成を備える、
請求項８に記載のタービン（１０）。
【請求項１０】
ガスタービンエンジンの高温ガス経路（３８）を取り囲む静止シュラウドリングで使用するための内側シュラウドセグメント（３５）であって、前記内側シュラウドセグメント（３５）は、
前記内側シュラウドセグメント（３５）の内部を通して冷却剤を受け入れて送るように構成された冷却チャネル（６０）を含む冷却構成であって、前記冷却チャネル（６０）の各々は、第１の端部と、前記内側シュラウドセグメント（３５）の外面を通して形成された出口（６３）を備える第２の端部との間で縦方向に延びる冷却構成と、
対向した第１および第２の円周方向縁部（４８、５０）と、
シーリング部材（５８）を受け入れるために、それぞれ前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）に形成された第１および第２のスロット（５７）と
を備え、
前記冷却チャネル（６０）の少なくとも１つの前記出口（６３）は、前記第１のスロット（５７）内に位置決めされ、
前記冷却チャネル（６０）の少なくとも１つの前記出口（６３）は、前記第２のスロット（５７）内に位置決めされる、
内側シュラウドセグメント（３５）。
【請求項１１】
第１の冷却チャネルグループは、複数の前記冷却チャネル（６０）を備え、第２の冷却チャネルグループは、複数の前記冷却チャネル（６０）を備え、
前記第１の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記第１のスロット（５７）内の位置を備え、
前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記第２のスロット（５７）内の位置を備える、
請求項１０に記載の内側シュラウドセグメント（３５）。
【請求項１２】
前記内側シュラウドセグメント（３５）は、
前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）の間に延びる対向した前縁（４４）および後縁（４６）と、
前記前縁（４４）および前記後縁（４６）と前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）との間に延びる対向した内方面（５４）および外方面（５２）と
を備え、
前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）の間のオフセットは、前記内側シュラウドセグメント（３５）の長さを画定し、
前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間のオフセットは、前記内側シュラウドセグメント（３５）の幅を画定し、
前記内方面（５４）と前記外方面（５２）との間のオフセットは、前記内側シュラウドセグメント（３５）の高さを画定し、
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループの前記冷却チャネル（６０）の各々は、前記内側シュラウドセグメント（３５）の前記長さの少なくとも５０％にわたって延びる、
請求項１１に記載の内側シュラウドセグメント（３５）。
【請求項１３】
前記第１の円周方向縁部（４８）上の前記第１のスロット（５７）は、前記内側シュラウドセグメント（３５）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間で縦方向に延び、
前記第２の円周方向縁部（５０）上の前記第２のスロット（５７）は、前記内側シュラウドセグメント（３５）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間で縦方向に延び、
前記第１のスロット（５７）内の前記出口（６３）は、前記内側シュラウドセグメント（３５）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）との間に間隔を置いて配置され、
前記第２のスロット（５７）内の前記出口（６３）は、前記内側シュラウドセグメント（３５）の前記前縁（４４）と前記後縁（４６）の間に間隔を置いて配置される、
請求項１２に記載の内側シュラウドセグメント（３５）。
【請求項１４】
前記第１および前記第２のスロット（５７）の各々は、天井（７３）と、前記天井（７３）と対向した床（７５）との間に画定され、前記天井（７３）および前記床（７５）は、それぞれ前記内方面（５４）および前記外方面（５２）にほぼ平行であり、
前記第１の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）は各々、前記第１のスロット（５７）の前記天井（７３）を通して形成され、
前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）は各々、前記第２のスロット（５７）の前記天井（７３）を通して形成される、
請求項１３に記載の内側シュラウドセグメント（３５）。
【請求項１５】
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）の各々は、衝突出口構成を備え、
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループの前記冷却チャネル（６０）は、
互いにほぼ平行であり、
前記冷却チャネル（６０）の隣接するチャネルが反対配向の流れ方向を有する交互の向流配置に従って配置される、
請求項１４に記載の内側シュラウドセグメント（３５）。
【請求項１６】
ガスタービンエンジンのタービン（１０）であって、前記タービン（１０）は、高温ガス経路（３８）を取り囲む静止シュラウドリングの一部を共に形成する隣接する第１および第２の内側シュラウドセグメント（３５ａ、３５ｂ）の間に画定された界面（５６）に形成されたシールを備え、前記界面（５６）は、それぞれ前記第１および前記第２の内側シュラウドセグメント（３５ａ、３５ｂ）の隣り合う第１および第２の円周方向縁部（４８、５０）の間に形成され、前記シールは、
それぞれ前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）に配置された第１および第２のスロット（５７）であって、前記第１および前記第２のスロット（５７）は、前記界面（５６）に跨るシールチャンバ（５９）を協調的に形成する第１および第２のスロット（５７）と、
前記シールチャンバ（５９）内に位置決めされたシーリング部材（５８）であって、前記シーリング部材（５８）は、前記シールチャンバ（５９）内で動作可能な係合が前記界面（５６）にわたって位置決めされた前記シーリング部材（５８）を維持するように、前記シールチャンバ（５９）と対応して成形されたシーリング部材（５８）と、
前記第１および前記第２の内側シュラウドセグメント（３５ａ、３５ｂ）の各々内に形成された冷却チャネル（６０）であって、前記冷却チャネル（６０）の各々は、第１の端部と、出口（６３）を備える第２の端部との間で縦方向に延びる冷却チャネル（６０）と
を備え、
第１の冷却チャネルグループは、前記第１の内側シュラウドセグメント（３５ａ）内に形成された複数の前記冷却チャネル（６０）を備え、
第２の冷却チャネルグループは、前記第２の内側シュラウドセグメント（３５ｂ）内に形成された複数の前記冷却チャネル（６０）を備え、
前記第１の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）は各々、前記第１のスロット（５７）内の位置を備え、
前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）は各々、前記第２のスロット（５７）内の位置を備える、
タービン（１０）。
【請求項１７】
前記第１および前記第２の内側シュラウドセグメント（３５ａ、３５ｂ）は各々、
前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）の間に延びる対向した前縁（４４）および後縁（４６）と、
前記前縁（４４）および前記後縁（４６）と前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）との間に延びる対向した内方面（５４）および外方面（５２）と
を備え、
前記タービン（１０）は、中心軸が画定されるシャフト（２２）を備え、軸方向（３０）、半径方向（３１）、および円周方向（３２）は、前記中心軸に対して画定され、
前記第１および前記第２の内側シュラウドセグメント（３５ａ、３５ｂ）の各々は、
前記前縁（４４）および前記後縁（４６）が前記軸方向（３０）にオフセットされ、それらの間の前記オフセットが幅を画定し、
前記第１および前記第２の円周方向縁部（４８、５０）が前記円周方向（３２）にオフセットされ、それらの間の前記オフセットが長さを画定し、
前記内方面（５４）および前記外方面（５２）が前記半径方向（３１）にオフセットされ、それらの間の前記オフセットが高さを画定する
ように配向され、
前記内方面（５４）は、前記高温ガス経路（３８）に向かって内方方向を向き、前記外方面（５２）は、外方方向を向き、
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループの前記冷却チャネル（６０）の各々は、前記第１および前記第２の内側シュラウドセグメント（３５ａ、３５ｂ）のそれぞれの１つの前記長さの少なくとも５０％にわたって延びる、
請求項１６に記載のタービン（１０）。
【請求項１８】
前記スロット（５７）の各々は、前記外方方向の境界を画定する天井（７３）と、前記内方方向の境界を画定する床（７５）との間に画定され、
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記スロット（５７）の前記それぞれの１つの前記天井（７３）を通して形成される、
請求項１７に記載のタービン（１０）。
【請求項１９】
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、そこから放出される冷却剤の初期軌道が前記内方方向の方向成分を含むように向けられる、請求項１８に記載のタービン（１０）。
【請求項２０】
前記シーリング部材（５８）は、対向した内方面（５４）および外方面（５２）を備え、前記外方面（５２）は、前記外方方向を向き、
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の各々の前記出口（６３）は、前記シーリング部材（５８）の前記外方面（５２）に向けられ、
前記第１および前記第２の冷却チャネルグループ内の前記冷却チャネル（６０）の前記出口（６３）の各々は、衝突出口構成を備える、
請求項１８に記載のタービン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、ガスタービンエンジンのタービン内の高温ガス経路構成要素に関し、より具体的には、限定はしないが、タービンロータブレードの周りに形成された静止シュラウドの内部構造および冷却構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、ブレードの列が軸方向に階段状に積み重ねられた圧縮機セクションおよびタービンセクションを含む。各段は、典型的には、円周方向に間隔を置いて配置される固定されたステータブレードの列と、中心タービン軸またはシャフトの周りを回転するロータブレードの列とを含む。動作中、一般に、圧縮機ロータブレードは、シャフトの周りで回転され、ステータブレードと協働して空気の流れを圧縮する。このようにして供給された圧縮空気は、その後、燃焼器内で使用されて供給された燃料を燃焼する。しばしば作動流体と呼ばれる、燃焼により生じた高温膨張燃焼ガスの流れは、その後、エンジンのタービンセクションを通って膨張する。タービン内では、作動流体がステータブレードによってロータブレードに向け直され、回転力を与える。静止シュラウドをロータブレードの周りに構築し、高温ガス経路の境界を画定することができる。ロータブレードは、ロータブレードの回転がシャフトを回転させるように中心シャフトに接続され、このようにして、燃料のエネルギーは回転シャフトの機械的エネルギーに変換され、例えば、圧縮機のロータブレードを回転させるために使用することができ、これによって燃焼のために必要な圧縮空気の供給が生じるだけでなく、発電機のコイルを回転させて電力を生成することができる。動作中、高温、作動流体の速度、およびエンジンの回転速度のために、高温ガス経路内の構成要素の多くは、極度の機械的負荷および熱的負荷によって大きな応力を受けるようになる。
【０００３】
発電および航空機を含むような多くの産業用途は今なおガスタービンエンジンに大きく依存しており、このため、より効率的なエンジンの設計が継続的な目標となっている。機械の性能、効率、または費用対効果が少しずつでも向上すれば、この技術を中心に進化している競争の激しい市場において意味がある。ガスタービンの効率を改善するためのいくつかの既知の戦略が存在するが（例えば、エンジンのサイズ、燃焼温度、または回転速度の増加）、その各々は、一般に、すでに大きな応力を受けている高温ガス経路構成要素にさらなる負担をかけてしまう。その結果、そのような応力を軽減するための、あるいは応力によく耐えることができるようにそのような構成要素の耐久性を高めるための、装置、方法、またはシステムの改善が一般になお必要とされている。例えば、高温ガス経路内の極度の温度および圧力は、隣接するシュラウドセグメントの間に形成された静止シュラウドおよびシールに応力を加え、これにより劣化が引き起こされ、構成要素の耐用年数を短縮する。冷却剤効率およびシーリング効率を最適化すると同時に、構築に費用対効果があり、耐久性があり、かつ用途に柔軟に対応する新規のシュラウド設計が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／００７５８１号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本出願は、高温ガス経路の周りに円周方向に積み重ねられた内側シュラウドセグメントを有する静止シュラウドリングを含むガスタービンエンジンのタービンを説明する。内側シュラウドセグメントは、第１の内側シュラウドセグメントであって、第１の内側シュラウドセグメントの内部を通して冷却剤を受け入れて送るように構成された冷却チャネルを有する冷却構成であって、冷却チャネルの各々は、第１の端部と、第１の内側シュラウドセグメントの外面を通して形成された出口を含む第２の端部との間で縦方向に延びる冷却構成と、円周方向縁部と、円周方向縁部に形成されたスロットと、スロット内に位置決めされたシーリング部材とを含む第１の内側シュラウドセグメントを含むことができる。冷却チャネルの少なくとも１つの出口は、スロット内に位置決めすることができる。
【０００６】
本開示のこれらのおよび他の特徴は、以下の添付の図面と併せて、本開示の例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より完全に理解され認識されよう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示のシュラウドを使用することができるガスタービンエンジンのブロック図である。
【図２】本開示のシールを使用することができるロータブレードおよび静止シュラウドを有する高温ガス経路の側面図である。
【図３】隣り合う内側シュラウドセグメントの間の従来のシーリング配置の側面断面図である。
【図４】本開示による、内部冷却およびシーリング構成を含む内側シュラウドセグメントの側面断面図である。
【図５】本開示による、内部冷却およびシーリング構成を含む内側シュラウドセグメントの側面断面図である。
【図６】本開示による、冷却構成およびシーリング配置を有する内側シュラウドセグメントの間のシールの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示は、高温ガス経路に沿って配置された、タービンの構成要素、具体的には、内側シュラウドセグメントを冷却およびシールするためのシステムおよび方法に関する。見られるように、本発明の内側シュラウドセグメントは、特定のチャネルが内側シュラウドセグメントの内部およびシーリング配置内に形成される内部冷却構成（または「冷却構成」）を含む。
【０００９】
本明細書で使用される場合、「下流」および「上流」は、チャネルまたは通路を通る流体の流れ方向を示す用語である。したがって、例えば、タービンを通る作動流体の流れに関して、「下流」という用語は、流れの方向に概ね対応する方向を指し、「上流」という用語は、概ね流れの方向と反対の方向を指す。「半径方向」という用語は、軸線または中心線に垂直な移動または位置を指す。これは、軸線に関して異なる半径方向位置にある部分を説明するのに有用であり得る。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線の近くに位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」にあると述べることができる。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外方」にあると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動または位置を指す。
【００１０】
図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステムまたはエンジン（または「ガスタービン」）１０のブロック図である。以下で詳細に説明するように、ガスタービン１０は、冷却チャネルおよびシールを有するシュラウドセグメントを用いることができ、これにより、そのような高温ガス経路構成要素の応力態様が低減され、エンジンの効率を改善する。ガスタービン１０は、天然ガスおよび／または水素富化合成ガスなどの液体燃料またはガス燃料を使用することができる。図示するように、燃料ノズル１２が燃料供給１４を取り入れ、燃料を空気、酸素、酸素富化空気、酸素還元空気、またはそれらの任意の組み合わせなどの酸化剤と混合する。燃料と空気が混合されると、燃料ノズル１２は、最適な燃焼、排出量、燃料消費、および動力出力に適した比率で、燃料−空気混合物を燃焼器１６に分配する。
【００１１】
ガスタービン１０は、１つまたは複数の燃焼器１６の内部に位置する１つまたは複数の燃料ノズル１２を含むことができる。燃料−空気混合物は、燃焼器１６内の燃焼室において燃焼することで、高温の加圧された排気ガスを生成する。燃焼器１６は、排気ガス（例えば、高温加圧ガス）をトランジションピースを通して静止ステータブレードと回転ロータブレードの交互の列に送り、これにより、タービンケーシング内のタービンセクションまたはタービン１８の回転が生じる。排気ガスはタービン１８を通って膨張し、排気出口２０に向かって流れる。排気ガスがタービン１８を通過するとき、ガスはロータブレードにシャフト２２を回転させる。シャフト２２は、タービン１８を圧縮機２４に動作可能に接続することができる。認識されるように、シャフト２２は、ガスタービン１０、すなわち、タービン１８および圧縮機２４の中心軸を画定する。中心軸に対して、中心軸に沿った移動を表す軸方向３０が画定され、中心軸に向かうまたは中心軸から離れる移動を表す半径方向３１が画定され、中心軸の周りの移動を表す円周方向３２が画定される。
【００１２】
圧縮機２４はまた、シャフト２２に結合されたブレードを含む。シャフト２２が回転すると、圧縮機２４内のブレードも回転し、それによって吸気口２６から圧縮機２４を通る空気を圧縮し、燃料ノズル１２および／または燃焼器１６に送る。圧縮機２４からの圧縮空気（例えば、吐出された空気）の一部は、燃焼器１６を通過させることなく、タービン１８またはその構成要素へと向けることができる。吐出された空気は、ステータ上のシュラウドおよびノズル、ならびにロータ上のロータブレード、ディスク、およびスペーサなど、タービン構成要素を冷却する冷却剤として利用することができる。シャフト２２はまた、負荷２８に接続されてもよく、負荷２８は、航空機のプロペラまたは発電プラント内の発電機などの車両または静止負荷であってもよい。
【００１３】
図２は、ガスタービンのタービン内に含まれ得る高温ガス経路３８の例示的な軸方向セクションを示す。示すように、高温ガス経路３８は、ロータブレードの列の一部であるロータブレード３３を含み得る。ロータブレードの列は、静止タービンステータブレードの列（図示せず）の軸方向後方または下流に連続流関係で配置することができる。高温ガス経路３８はまた、ロータブレード３３の周りに半径方向外側（または「外方」）に円周方向に配置された静止シュラウドセグメント３４を含み得る。示されるように、シュラウドセグメント３４は、外側シュラウドセグメント３６の半径方向内側（または「内方」）に存在する内側シュラウドセグメント３５を含むことができる。空洞３７が、内側および外側シュラウドセグメント３５、３６の間に形成され得る。典型的には、冷却空気は、外側シュラウドセグメント３６を通して形成された１つまたは複数の冷却剤供給チャネル３９を通して空洞３７に提供される。見られるように、そのような冷却空気は、次に、内側シュラウドセグメント３５の内部を通して形成された内部冷却通路またはチャネルに送られ得る。
【００１４】
認識されるように、各シュラウドセグメント３４は、１つまたは複数の内側および外側シュラウドセグメント３５、３６を含み得る。次に、複数のシュラウドセグメント３４を円周方向に積み重ね、ロータブレードの列のすぐ外方に配置されたシュラウドリングを形成することができ、シュラウドセグメント３４の各々は、１つまたは複数の外側シュラウドセグメント３６に結合された１つまたは複数の内側シュラウドセグメント３５を有する。このアセンブリ内では、内側シュラウドセグメント３５は、内側シュラウドセグメントのリングがロータブレード３３の列を囲むように、円周方向に積み重ねることができる。この配置を考慮すると、内側シュラウドセグメント３５および外側シュラウドセグメント３６は、弧状の形状、または弧状の形状の表面を有し得る。
【００１５】
本明細書で使用されるタービン１８内のその一般的な構成および配向に従って、内側シュラウドセグメント３５は、上流または前縁４４と、対向する下流または後縁４６とを含み、これらは、高温ガス経路を通る作動流体の流れ方向を考慮してそのように呼ばれている。前縁４４と後縁４６との間に延びる内側シュラウドセグメント３５は、円周方向に配向された対向する縁部を含み、これらは、本明細書では円周方向縁部、またはより具体的には、第１の円周方向縁部４８および第２の円周方向縁部５０と呼ばれる。内側シュラウドセグメント３５はまた、一般に、前縁および後縁４４、４６と第１および第２の円周方向縁部４８、５０との間に延びる一対の対向した側方側または面５２、５４によって形成される。本明細書で使用される場合、内側シュラウドセグメント３５の側方面５２、５４は、外方面５２と、内方面５４とを含み得る。認識されるように、外方面５２は、外側シュラウドセグメント３６（および内側シュラウドセグメント３５と外側シュラウドセグメント３６との間に形成され得る空洞３７）に向けて方向付けられ、内方面５４は、高温ガス経路３８に向けて方向付けられ、その外側半径方向境界を画定する。内側シュラウドセグメント３５の内方面５４は、第１および第２の円周方向縁部４８、５０の間の漸進的な湾曲を除いて、実質的に平面であり得る。
【００１６】
タービン１８の中心軸の周りにあるように位置決めされた内側シュラウドセグメント３５の形状および寸法が、タービン１８の軸方向、半径方向、および円周方向３０、３１、３２に対してさらに説明され得る。したがって、対向した前縁および後縁４４、４６は、軸方向３０にオフセットされている。本明細書で使用される場合、軸方向３０におけるこのオフセットの距離は、内側シュラウドセグメント３５の幅寸法（または「幅」）として画定される。加えて、内側シュラウドセグメント３５の対向した第１および第２の円周方向縁部４８、５０は、円周方向３２にオフセットされている。本明細書で使用される場合、円周方向３２におけるこのオフセットの距離は、内側シュラウドセグメント３５の長さ寸法（または「長さ」）として画定される。最後に、内側シュラウドセグメント３５の対向した外方面および内方面５２、５４は、半径方向３１にオフセットされている。本明細書で使用される場合、半径方向３１におけるこのオフセットの距離は、内側シュラウドセグメント３５の高さ寸法（または「高さ」）として画定される。
【００１７】
図３は、隣接する第１および第２の内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂの間に形成され得るシーリング配置またはシール５５の断面側面図である。示すように、２つの内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂは、界面５６で互いに隣り合う（それらの割合は、説明の目的のために誇張されている）。認識されるように、界面５６は、第１の内側シュラウドセグメント３５ａの第１の円周方向縁部４８と第２の内側シュラウドセグメント３５ｂの第２の円周方向縁部５０との間に形成される。シール５５の一部として、第１の円周方向縁部４８および第２の円周方向縁部５０の各々は、対応するシーリング部材５８を受け入れるために長手方向に形成されたスロット５７を含む。いずれの場合も、スロット５７は、内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂの前縁４４から後縁４６まで延びることができる。スロット５７内に位置決めされたシーリング部材５８はまた、内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂの前縁４４から後縁４６まで延びるように構成され得る。隣接する内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂが組み立てられて界面５６を形成すると、スロット５７が協調または整列し、界面５６に跨る連続的なシールチャンバ５９を形成することが認識されよう。認識されるように、シールチャンバ５９は、シールチャンバ５９がシーリング部材５８の移動を制限するように、対応する形状のシーリング部材５８を受け入れるように構成される。このようにして、シールチャンバ５９は、シーリング部材５８を適切なシーリング位置に維持し、すなわち、シーリング部材５８が界面５６で形成されたギャップに跨るようにする。それによって、シーリング部材５８は、排気ガスが界面５６を介して高温ガス経路３８から漏れるまたは逃げるのを防止または限定する。シーリング部材５８は、内側シュラウドセグメント３５の外方面５２に近接する空気などの低温流体を、内方面５４に近接する高温ガス経路３８の高温ガスなどの高温流体から分離する。
【００１８】
しかし、認識されるように、シーリング部材５８は、高温ガス経路３８の近くのその位置を考慮すると、曝される極度の温度のために経時的に劣化する。さらに、シーリング部材５８は、隣接する内側シュラウドセグメント３５の間の振動および／または相対移動によって機械的に応力が加えられる。経時的に、このような劣化はシール５５の性能に悪影響を及ぼし、これにより高温ガスの漏れが引き起こされ、構成要素に損傷を与え、そしてエンジン効率に悪影響を及ぼす可能性がある。この領域における従来のシールは特定の方法で適切に機能することが示されているが、シール５５の構成要素寿命を延ばす、またはシーリング性能を改善する技術的進歩は、メンテナンスとダウンタイムの削減を介した効率および運用上の費用対効果の改善に直接つながる可能性がある。
【００１９】
ここで本発明を参照すると、図４および図５は、本開示による、冷却チャネル６０を有する内側シュラウドセグメント３５の側面断面図を示している。見られるように、シール劣化を低減し、かつ／またはシーリング性能を改善するために、本発明の例示的な実施形態は、冷却剤をスロット５７に直接供給するように位置決めされたそれぞれの出口６３を備えた１つまたは複数の冷却チャネル６０を有する内側シュラウドセグメント３５、およびしたがって、内部に形成されたシール６９を開示する。本開示の実施形態によるシール６９の断面図を示している図６も参照して、例示的な実施形態がここで提示される。便宜上、前の図ですでに識別されたものに対応する構成要素および要素は、同様の参照番号で識別されるが、本実施形態を理解するために、必要に応じて、または望ましい場合にのみ特に説明する。
【００２０】
シール６９に関して、図６に示すように、これはシール５５について上で説明されたのとほとんど同じ方法で、隣接する内側シュラウドセグメント３５の円周方向縁部の間に形成され得る。説明の目的のために、隣接する内側シュラウドセグメントは、第１の内側シュラウドセグメント３５ａおよび第２の内側シュラウドセグメント３５ｂとして指定されている。示されるように、第１および第２の内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂは、第１の内側シュラウドセグメント３５ａの第１の円周方向縁部４８と第２の内側シュラウドセグメント３５ｂの第２の円周方向縁部５０との間に形成された界面５６に沿って互いに隣り合う。シール６９の一部として、第１の円周方向縁部４８および第２の円周方向縁部５０は、シーリング部材５８を受け入れるために長手方向に形成された協調するスロット５７を含む。スロット５７は、第１および第２の内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂの前縁４４と後縁４６との間に延びることができる。スロット５７内に位置決めされたシーリング部材５８はまた、第１および第２の内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂの前縁４４から後縁４６まで延びることができる。第１および第２の内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂが示されるように位置決めされると、スロット５７が協調してシールチャンバ５９を形成し、これは、シーリング部材５８を界面５６に跨る位置に位置決めおよび維持し、それによってシールを行うことが認識されよう。
【００２１】
冷却チャネル６０に関して、他に限定されない限り、これは、内側シュラウドセグメント３５の内部を通して冷却剤を受け入れて送るように構成された任意の冷却通路を広く含み得る。したがって、例示的な実施形態によれば、冷却チャネル６０は、構成要素の冷却要件を満たすために必要な場合、様々な方向に配向され、内側シュラウドセグメント３５の様々な領域内およびそれらを通して配置され得る。例えば、冷却チャネル６０は、内側シュラウドセグメント３５のそれぞれ幅、長さ、および／または高さにわたって軸方向、円周方向、および／または半径方向に延びることができる。特定の好ましい実施形態によれば、冷却チャネル６０は、ほぼ円周方向３２に、または内側シュラウドセグメント３５の長さに沿って縦方向に延びるように配向される。特定の実施形態では、冷却チャネル６０は、内側シュラウドセグメント３５の長さの少なくとも５０％にわたってなど、内側シュラウドセグメント３５の長さの大部分にわたって延びることができる。代替の実施形態によれば、冷却チャネル６０は、内側シュラウドセグメント３５の長さの少なくとも７５％にわたって延びることができる。
【００２２】
本開示の冷却チャネル６０は、一般に、入口６２と出口６３との間で縦方向に延びることができ、これらは両方とも、内側シュラウドセグメント３５の外面上に形成され得る。入口６２と出口６３との間において、冷却チャネル６０は、本明細書の目的のために、上流セクション６５、中間セクション６６、および下流セクション６７として指定されている重なり合わないセクションと連続するセクションとの間で縦方向に延びるものとしてより具体的に説明され得る。図４および図５に示すように、中間セクション６６は、最も長いセクションであり得、これは、例示的な実施形態によれば、実質的に線形であり、内方面５４の近くにほぼ平行に配置される。認識されるように、冷却チャネル６０の中間セクションは、このようにして、冷却を内方面５４に提供するように構成される。冷却チャネル６０の上流セクション６５は、冷却剤を中間セクション６６に供給するセクションであり、したがって、上流セクション６５は、入口６２と中間セクション６６との間に一般に延びることができる。冷却チャネル６０の下流セクション６７は、使用後に冷却剤が排出されるセクションであり、したがって、下流セクション６７は、中間セクション６６と出口６３との間に延びることができる。
【００２３】
図４および図５に最も明確に示すように、内側シュラウドセグメント３５ａ、３５ｂは、円周方向縁部４８、５０にレール部分またはレール６８を含み得る。本明細書で使用される場合、レール６８は、円周方向縁部４８、５０に隣接する、高さが増加した縦方向のセクションである。したがって、第１および第２の円周方向縁部４８、５０において、内側シュラウドセグメント３５は、レール６８を有し得る。図４〜図６に図示するように、特定の好ましい実施形態によれば、上流セクション６５は、レール６８に配置され、その対応する下流セクション６７は、対向するレール６８に配置される。例えば、レール６８内では、冷却チャネル６０の上流セクション６５は、外方面５２上に形成された入口６２と中間セクション６６との接続部との間で内方方向に延びることができ、その接続部は、内方面５４の近くにある。対向するレール６８内では、下流セクション６７は、中間セクション６６との接続部から外方方向に延びることができる。以下でさらに説明するように、下流セクション６７はその後、出口６３に近づくと内方方向に延び得る。
【００２４】
冷却チャネル６０の入口６２に関して、例示的な実施形態によれば、これは、内側シュラウドセグメント３５の外面に形成され、冷却剤の供給を受け入れるように構成され得る。例えば、冷却チャネル６０の入口６２が配置される外面は、空洞３７内に画定された表面であり得る。この位置では、認識されるように、入口６２は、冷却剤供給チャネル３９を介して空洞３７に送達される冷却剤を受け入れる。他の構成もまた、可能である。
【００２５】
冷却チャネル６０の出口６３に関して、本開示によれば、これは、第１および第２の円周方向縁部４８、５０のいずれかに、より具体的には、スロット５７を画定する外面に配置され得る。本明細書で使用される場合、スロット５７は、外方表面または「天井」７３（外方方向におけるスロット５７の境界を画定する）と、内方表面または「床」７５（内方方向におけるスロット５７の境界を画定する）とを含む、いくつかの特定の表面によって画定されたものとしてより具体的に説明され得る。特定の好ましい実施形態によれば、図に示すように、出口６３は、スロット５７の天井７３を通して形成され得る。図６に最も明確に示されるように、外方天井７３は、円周方向縁部４８、５０に隣接する面取り部分８３を含み得る。特定の好ましい実施形態によれば、出口６３は、スロット５７の外方天井７３の面取り部分８３を通して形成され得る。さらに、好ましい実施形態によれば、出口６３は、そこから放出される冷却剤が内方の方向成分を含む初期軌道を有するように、配向されるか向けられる。好ましくは、初期軌道は、部材５８をシールする際に出口６３によって放出される冷却剤を誘導する。
【００２６】
また示すように、特定の好ましい実施形態によれば、冷却チャネル６０の出口６３は、衝突出口として構成され得るか、または本明細書でも使用されるように、衝突出口構成を有することができる。一般に、衝突出口構成は、断面流れ面積の減少を介して、出口を通って排出される冷却剤の流れに衝突する出口である。例えば、基準出口を有する基準冷却チャネルに対して画定される衝突出口構成は、基準出口が基準冷却チャネルの断面流れ面積よりも大幅に減少した断面流れ面積を有する構成である。したがって、例として、基準出口は、基準冷却チャネルの断面流れ面積の５０％または６０％未満である断面流れ面積を有し得る。例えば、好ましい実施形態によれば、衝突出口６３の断面流れ面積は、対応する冷却チャネル６０の断面流れ面積の６０％未満であり得る。認識されるように、このタイプの出口の断面積が狭くなると、出口から排出される冷却剤の速度が増加し、それによってシール６９内の冷却剤の熱伝達係数および冷却効果が増加する。さらに、この様式での高速冷却剤の放出は、特にその放出が内方方向に向けられている場合、シール６９の効果を高めることができる。具体的には、放出された冷却剤は、界面５６を加圧し、高温ガス経路３８から界面５６に入る高温ガスに方向的に対抗することができる。
【００２７】
単一のそのような冷却チャネル６０の使用が可能であるが、好ましい実施形態によれば、複数の冷却チャネル６０が冷却構成内に提供される。例えば、図４および図５の図は、複数のそのような冷却チャネル６０を有する内側シュラウドセグメント３５の幅に沿った異なる位置で取られた断面として理解され得る。図４および図５の２つの反対の流れ方向によって示されるように、これらの冷却チャネル６０の一部は、第１の円周方向縁部４８に配置されたスロット５７に形成された出口６３に冷却剤を送るように配向され得るが、他のこれらの冷却チャネル６０は、第２の円周方向縁部５０に配置されたスロット５７に形成された出口６３に冷却剤を送るように配向される。したがって、図４に示すように、冷却チャネル６０の第１の例は、第２の円周方向縁部５０に配置されたスロット５７内に形成された出口６３に向かって縦方向に延びる一方、図５に示すように、冷却チャネル６０の第２の例は、第１の円周方向縁部４８に配置されたスロット５７内に形成された出口６３に向かって縦方向に延びる。このようにして、本開示は、内側シュラウドセグメントの円周方向縁部に典型的には形成されるシールの利益のために、内側シュラウドセグメント３５の内部領域を通ってすでに循環された冷却剤を放出時に用いることができる冷却構成を提供する。したがって、本開示の冷却構成は、例えば、６、１０、２０またはそれ以上などの複数のそのような冷却チャネル６０を含み得ることを理解されたい。特定の好ましい実施形態によれば、複数の冷却チャネル６０は、それぞれの出口６３がスロット５７の長さに沿って間隔を置いて配置され、それによってシール６９およびシーリング部材５８の長さにわたって均一な冷却を提供するように、平行構成で配置され得る。さらに、複数の冷却チャネル６０は、隣接する冷却チャネル６０が反対配向の流れ方向を有する、すなわち、冷却剤が反対方向に流れるように、交互の向流配置に従って配置されてもよい。このようにして、複数の衝突出口６３は、望ましくは、内側シュラウドセグメント３５の両方の円周方向縁部４８、５０に形成されたスロット５７の長さに沿って間隔を置いて配置することができる。
【００２８】
高温ガス経路構成要素、例えば、内側シュラウドセグメント３５について開示された冷却構成およびシールは、従来の冷却構成およびシールと比較して、より少ない冷却剤を使用して冷却を行い、かつシーリング特性を改善することがそれぞれ見出され、その結果、冷却に関連するコストが削減され、エンジン効率が向上し、メンテナンスコストが低下する。認識されるように、本発明の内部冷却およびシーリング構成は、放電加工、掘削、鋳造、付加製造、それらの組み合わせ、または任意の他の技法を含む任意の従来の製造技法を介して、内側シュラウドセグメント３５などの高温ガス経路構成要素に形成することができる。
【００２９】
当業者には認識されることとなるように、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した多くの様々な特徴および構成は、本開示の他の可能な実施形態を形成するためにさらに選択的に適用することができる。簡潔にするため、および当業者の能力を考慮に入れて、可能な繰り返しの各々については詳細に提示または説明しないが、以下のまたはそれ以外のいくつかの請求項に包含されるすべての組み合わせおよび可能な実施形態は本出願の一部であることが意図されている。加えて、本発明のいくつかの例示的な実施形態の上記の説明から、当業者は、改良、変更、および変形を認識されよう。また当技術の範囲内のこのような改良、変更、および変形は、添付の特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、前述の記載は本出願の記載された実施形態のみに関係しており、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本出願の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更および変形が可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ガスタービン
１２  燃料ノズル
１４  燃料供給
１６  燃焼器
１８  タービン
２０  排気出口
２２  シャフト
２４  圧縮機
２６  吸気口
２８  負荷
３０  軸方向
３１  半径方向
３２  円周方向
３３  ロータブレード
３４  静止シュラウドセグメント
３５  内側シュラウドセグメント
３５ａ  第１の内側シュラウドセグメント
３５ｂ  第２の内側シュラウドセグメント
３６  外側シュラウドセグメント
３７  空洞
３８  高温ガス経路
３９  冷却剤供給チャネル
４４  前縁
４６  後縁
４８  第１の円周方向縁部
５０  第２の円周方向縁部
５２  外方面
５４  内方面
５５  シール
５６  界面
５７  スロット
５８  シーリング部材
５９  シールチャンバ
６０  冷却チャネル
６２  入口
６３  出口／衝突出口
６５  上流セクション
６６  中間セクション
６７  下流セクション
６８  レール
６９  シール
７３  天井
７５  床
８３  面取り部分
【図１】
2021525329.tif 000003
【図２】
2021525329.tif 000004
【図３】
2021525329.tif 000005
【図４】
2021525329.tif 000006
【図５】
2021525329.tif 000007
【図６】
2021525329.tif 000008
【国際調査報告】
2021525329.tif 000009
2021525329.tif 000010
2021525329.tif 000011