(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジン用のタービンノズル及びシュラウド組立体を提供する。【解決手段】タービンノズル及びシュラウド組立体１１０は、前縁及び該前縁に実質的に垂直な内表面とを有するシュラウドセグメントと、後方端部を有する外側バンド１８３を含むタービンノズルとを含み、タービンノズルは、シュラウドセグメントから上流側にあって、後方端部と前縁との間にギャップ１８２が定められるようにシュラウドセグメントに結合されており、シュラウドセグメントは、前縁と内表面との間に形成された少なくとも１つの冷却孔を含み、少なくとも１つの冷却孔は、ギャップ内の冷却空気を高温ガス流路３２０に向かって配向するように構成されている。【選択図】図３
2008138662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０８）用のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）であって、
前縁と、該前縁にほぼ垂直な内表面とを含むシュラウドセグメントと、
後方端部（１５０）を有する外側バンドを含むタービンノズルと、
を備え、
前記タービンノズルが前記シュラウドセグメントから上流側にあって、且つ前記後方端部と前記前縁との間にギャップが定められるように前記シュラウドセグメントに結合されており、
前記シュラウドセグメントが、前記前縁と前記内表面との間に形成された少なくとも１つの冷却孔を含み、
前記少なくとも１つの冷却孔（１８１）が、前記ギャップ内の冷却空気を高温ガス流路（３２０）に向かって配向するように構成されている、
ことを特徴とするタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの冷却孔（１８１）が更に、前記ギャップ（１８２）内の冷却空気を前記内表面に向けて配向して、前記内表面にわたり回復されたフィルム冷却層の形成を促進するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項３】
前記前縁（１３３）内に定められた少なくとも１つの前方に配向された冷却開口（１８５）を更に備え、前記少なくとも１つの前方に配向された冷却開口が、前記前縁と前記内表面との間に形成された前記少なくとも１つの冷却孔から半径方向外方にあり、前記ギャップ内に冷却空気を流量調整するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項４】
前記タービンノズル（１１２）及び前記タービンシュラウドセグメント（１３０）によって少なくとも部分的に定められたダクト（２０４）を更に備え、前記ダクトが前記ギャップ（１８２）に冷却空気を配向するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項５】
前記後方端部上に形成され、前記ギャップから下流側に延びるリップ（４０４）と、
前記後方端部を貫通して延びており、前記ギャップへの使用済みタービンノズル冷却空気（１８０）を流量調整して、前記リップが前記使用済みタービンノズル冷却空気を前記ギャップから前記シュラウドセグメント（１３０）に向けて配向して前記シュラウドセグメントの冷却を促進するように構成された少なくとも１つの排出開口（４０８）と、
を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項６】
前記前縁（１３３）と前記内表面との間に延びる丸みのあるコーナー部分（３１０）を更に備え、前記丸みのあるコーナー部分が、前記使用済みタービンノズル冷却空気（１８０）を前記内表面に向けて配向して、前記内表面へのフィルム冷却層の形成を促進するように構成されている、
ことを特徴とする請求項５に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項７】
前記ギャップ（１８２）が加圧されて前記ギャップ内でノズル後縁伴流作用の最小化を促進する、
ことを特徴とする請求項１に記載のタービンノズル及びシュラウド組立体（１１０）。
【請求項８】
ガスタービンエンジン用の冷却システム（１０８）であって、
該ガスタービンエンジンが、
前縁（１３３）と該前縁に実質的に垂直な内表面とを有するシュラウドセグメント（１３０）と、
前記シュラウドセグメントから上流側にあり、且つ後方端部を有する外側バンド（１８３）を含むタービンノズル（１１２）と、
を備え、
前記冷却システムが、前記前縁と前記内表面との間に形成された少なくとも１つの冷却孔（１８５）を備え、
前記冷却システムが、前記後方端部及び前記前縁間に定められたギャップから前記ガスタービンエンジン内で定められた高温ガス流路（３２０）に向けて冷却空気を配向するように構成されている、
ことを特徴とする冷却システム（１０８）。
【請求項９】
前記ギャップ（１８２）から前記前縁及び前記内表面間を延びる前記少なくとも１つの冷却孔を通って冷却空気を配向して、前記シュラウドセグメント（１３０）の前記内表面にわたり回復されたフィルム冷却層の形成を促進するように更に構成されている、
ことを特徴とする請求項８に記載の冷却システム（１０８）。
【請求項１０】
前記前縁（１３３）に定められた少なくとも１つの前方配向された冷却開口（１８１）を更に備え、
前記少なくとも１つの前方配向された冷却開口が、前記前縁及び前記内表面間に延びる前記少なくとも１つの冷却孔から半径方向外方にあり、前記少なくとも１つの前方配向された冷却開口が、前記ギャップへの冷却空気を流量調整するように構成されている、
ことを特徴とする請求項８に記載の冷却システム（１０８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には一体化されたタービンノズル及びシュラウド組立体を冷却するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの効率を高める１つの公知の方法では、タービン作動温度を高めることが必要とされる。しかしながら、作動温度が高くなると、特定のエンジン構成部品の熱限界を超える可能性があり、結果として耐用年数の短縮及び／又は材料破壊を生じることになる。更に、構成部品の熱膨張及び熱収縮が増大すると、構成部品の間隙及び／又は嵌合関係に悪影響を及ぼす可能性がある。その結果、従来型の冷却システムは、このような構成部品の冷却を促進して、高温の作動温度に曝されたときの潜在的に損傷をもたらす結果となるのを回避するためにスタービンエンジン内に組み込まれてきた。
【０００３】
冷却の目的で圧縮機からのメイン空気流から抽気することが知られている。エンジンの運転効率の維持を容易にするために、抽気される冷却空気の容積は通常、メイン空気流全体の小さな割合に限定される。従って、これにより、構成部品の温度を安全限度内に維持するのを容易にするために、冷却空気を最大限効率で利用することが必要となる。
【０００４】
例えば、高温に曝される１つの構成部品は、燃焼器から延びる高圧タービンノズルの直ぐ下流側に配置されるシュラウド組立体である。シュラウド組立体は、高圧タービンのロータの周りで円周方向に延び、従って高圧タービンを通って流れるメインガス流の外側境界（流路）の一部を形成する。ガスタービンエンジンの効率は、タービンブレードの半径方向外表面とシュラウド組立体の半径方向内表面との間で測定されるタービンブレード間隙の変動により悪影響を受ける可能性がある。エンジンの過渡運転の間、タービンブレード間隙は、タービンロータブレード及びシュラウド組立体の半径方向の変位の差の関数である。タービンロータは通常、固定シュラウドシステムよりも大きな質量を有し、従って、タービン作動中、タービンロータは通常、シュラウド組立体よりも遅い熱応答を有する。ロータブレードの半径方向変位とシュラウド組立体の半径方向変位との差が過度に大きい場合には、ブレード間隙が大きくなり、これによりエンジン効率の低下を生じる可能性がある。
【０００５】
更に、エンジン作動中、高圧タービンノズル外側バンドの後縁と、隣接するシュラウドセグメントの前縁との間にギャップが形成されることがある。限定ではないが、ノズル漏出流及び／又はパージ流を含む冷却空気がギャップに入り、高圧タービン内を通って導かれるメインガス流に流入する。より具体的には、公知のノズル外側バンド後縁及びシュラウド前縁は、単純な９０°コーナーを有するので、ギャップは、メインガス流に直接開口している。エンジン作動中、メインガス流がノズルベーンを貫流するときに円周方向のガス圧変化がベーン後縁から下流側で生じる可能性がある。この円周方向のガス圧変化は、外側バンドとシュラウドセグメントとの間のギャップへの局所的な高温ガスの吸込みを引き起こす可能性がある。その結果、ギャップを貫流する冷却空気は、下流側シュラウドセグメントを効果的に冷却することができない。
【特許文献１】米国特許第６，９８４，１００号公報
【特許文献２】米国特許第６，７７９，５９７号公報
【特許文献３】米国特許第６，４８５，２５５号公報
【特許文献４】米国特許第６，４３１，８３２号公報
【特許文献５】米国特許第６，４３１，８２０号公報
【特許文献６】米国特許第６，３９８，４８８号公報
【特許文献７】米国特許第６，３５４，７９５号公報
【特許文献８】米国特許第６，３４０，２８５号公報
【特許文献９】米国特許第５，５１１，９４５号公報
【特許文献１０】米国特許第５，２１７，３４８号公報
【特許文献１１】米国特許第４，９４９，５４５号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様において、ガスタービンエンジン用のタービンノズル及びシュラウド組立体が提供される。タービンノズル及びシュラウド組立体は、前縁及び該前縁に実質的に垂直な内表面とを有するシュラウドセグメントと、後方端部を有する外側バンドを含むタービンノズルとを含む。タービンノズルは、シュラウドセグメントから上流側にあって、後方端部と前縁との間にギャップが定められるようにシュラウドセグメントに結合されている。シュラウドセグメントは、前縁と内表面との間に延びる少なくとも１つの冷却孔を含む。少なくとも１つの冷却孔は、ギャップ内の冷却空気を高温ガス流路に向かって配向するように構成されている。
【０００７】
別の態様において、ガスタービンエンジン用の冷却システムが提供される。ガスタービンエンジンは、前縁と該前縁に実質的に垂直な内表面とを有するシュラウドセグメントと、シュラウドセグメントから上流側にあり、且つ後方端部を有する外側バンドを含むタービンノズルとを含む。タービンノズルは、シュラウドセグメントの上流側に位置付けられ、後方端部と前縁との間にギャップが定められるようにシュラウドセグメントに結合される。冷却システムは、前縁と内表面との間に形成された少なくとも１つの冷却孔を含む。冷却システムは、ガスタービンエンジン内で定められた高温ガス流路に向けてギャップ内の冷却空気を配向するように構成されている。
【０００８】
またここでは、ガスタービンエンジンのシュラウドセグメントを冷却する方法が開示される。この方法は、内表面と該内表面に実質的に垂直な前縁とを有するシュラウドセグメントを含むタービンシュラウド組立体を提供する段階と、タービンノズルの外側バンドの後方端部と前縁との間にギャップが定められるようにタービンノズルをタービンシュラウドセグメントに結合する段階とを含む。本方法はまた、冷却空気をギャップに配向する段階と、ギャップ内の冷却空気を前縁及び内表面間に延びる少なくとも１つの冷却孔を通して配向する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、シュラウドセグメントをフィルム冷却するためのタービンシュラウド冷却システムを提供する。このタービンシュラウド冷却システムは、高圧タービンを貫流する高温ガス流と、タービンノズル及びシュラウドセグメント間に定められるギャップを貫流する冷却空気との間の障壁の形成を促進する。より具体的には、外側バンドの後縁にある延長リップは、高温ガス流路と、タービンノズルの外側バンド及びシュラウドセグメント間に定められるギャップとの間に障壁を形成するのを促進する。更に、延長リップは、該ギャップを加圧してギャップへの高温ガスの噴出を阻止又は制限するのを促進することを可能とする。１つの実施形態において、延長リップは、シュラウド前縁の丸みのあるコーナー部分に平行に軸方向後方対向フィルム冷却スロットを形成し、下流側シュラウドセグメントのフィルム冷却を促進する。
【００１０】
本発明は、航空機ガスタービンのシュラウド組立体の冷却に関わる本出願に際して以下で説明されるが、適切な変更によれば、本発明の冷却システム又は組立体はまた、限定ではないがノズル及び／又はベーンセクションなどの他のタービンエンジン構成部品の冷却を促進するのにも好適とすることができることは、当業者には明らかであり、本明細書で与えられる教示により導かれるはずである。
【００１１】
図１は、例示的なシュラウド組立体の側面図であって、シュラウド組立体を貫流する高圧冷却空気流を概略的に示している。図２は、代替的なシュラウド組立体の側面図であって、シュラウド組立体を貫流する高圧冷却空気流を概略的に示している。エンジン過渡動作中のシュラウド組立体の熱応答及び／又はシュラウド組立体の変位の制御を容易にするために、例示的な実施形態において、タービンエンジン冷却組立体１０８は、ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション１１２及び低圧タービンセクション１１４用のシュラウド組立体（全体が参照符号１１０で示す）を含む。タービンエンジン冷却組立体１０８は、限定ではないが、ノズルセクション及び／又はベーンセクションのようなガスタービンエンジンの他のセクションの冷却を容易にするのにも好適とすることができる点は、当業者には明らかであり、本明細書で与えられる教示により導かれるはずである。
【００１２】
シュラウド組立体１１０は、シュラウドセグメント１３０の形態のタービンエンジン冷却構成部品を含む。各シュラウドセグメント１３０は、その円周方向前縁１３３において前方取付けフック１３２を含む。シュラウドセグメント１３０はまた、中央取付けフック１３４と、シュラウドセグメント１３０の円周方向後縁１３７に隣接する後方取付けフック１３６とを含む。
【００１３】
複数のシュラウドセグメント１３０は、一般に公知の方式で円周方向に配置され、環状のセグメントシュラウドを形成する。シュラウドセグメント１３０は、高圧タービンブレード（図示せず）とシュラウドセグメント１３０の高圧タービンセクションの半径方向内表面１３８との間、及び低圧タービンブレード（図示せず）とシュラウドセグメント１３０の低圧タービンセクションの半径方向内表面１４０との間に環状間隙を定める。複数のセグメントシュラウド支持体１４４がシュラウドセグメント１３０を相互連結する。各シュラウド支持体１４４は、隣接するシュラウドセグメント１３０を円周方向に跨いでこれらを支持する。別の実施形態において、シュラウド支持体１４４は、２つのシュラウドセグメント１３０よりも少ないか又は多い、あらゆる適当な数のシュラウドセグメント１３０を支持するように変更される。例示的な実施形態において、シュラウド組立体１１０は、２６個のシュラウドセグメント１３０及び１３個のシュラウド支持体１４４を含むが、別の実施形態において、あらゆる適当な数のシュラウドセグメント１３０及び／又はシュラウド支持体１４４を利用することができる。
【００１４】
各シュラウド支持体１４４は、前方セクション１４６、中央セクション１４８、及び後方セクション１５０を含み、それぞれが前方に突出したハンガ１５２、１５４、及び１５６を形成する。取付けフック１３２、１３４、及び１３６は、シュラウド支持体１４４がそれぞれのシュラウドセグメント１３０を支持するように、ハンガ１５２、１５４、及び１５６を溝内舌状部又はハンガ内フックの相互連結部において協働させることによって受けられる。
【００１５】
シュラウド組立体１１０は、シュラウド支持体１４４を支持する環状シュラウドリング構造体１５８を含む。一実施形態において、シュラウドリング構造体１５８は、一体部品の連続した環状シュラウドリング構造体である。各シュラウド支持体１４４並びに各シュラウドセグメント１３０の半径方向位置は、シュラウドリング構造体１５８上に形成された２つの環状位置制御リング１６２及び１６４だけによって厳密に制御される。従来のシュラウドリング構造体とは異なり、シュラウド組立体１１０の重量の低減又は制限を促進するために、シュラウドリング構造体１５８は２つの位置制御リング１６２及び１６４だけを含む。中央セクション位置制御リング１６２は、軸方向前方に突出したハンガ１６６を含み、該ハンガ１６６は、第１の円周方向の溝内舌状部又はハンガ内フックの相互連結部において支持構造体中央セクション１４８によって形成された後方突出取付けフック１６７を受け入れ及び／又はこれと協働する。後方位置制御リング１６４は、軸方向前方に突出するハンガ１６８を含み、該ハンガ１６８は、第２の円周方向の溝内舌状部又はハンガ内フックの相互連結部において支持構造体後方セクション１５０の後方突出取付けフック１６９を受け入れ及び／又はこれと協働する。
【００１６】
例示的な実施形態において、ハンガ１６６及び／又は１６８は、それぞれハンガ１５４及びハンガ１５６と直接軸方向で整列し、すなわち同じ半径方向平面内でほぼ整列して、シュラウド支持体１４４、従って対応するシュラウドセグメント１３０に提供される半径方向支持及び／又は半径方向位置制御を最大にするのを促進する。この整列の向きは、シュラウド支持組立体全体の剛性の増大を促進する。図２に示す別の実施形態において、ハンガ１６６及び／又はハンガ１６８は、それぞれハンガ１５４及びハンガ１５６とオフセットして軸方向に整列しており、すなわち同じ半径方向平面内では一般に整列していない。例示的な実施形態において、シュラウドリング構造体１５８は、その後端部において燃焼器ケース（図示せず）にボルト固定される。シュラウドリング構造体１５８は、燃焼器ケースの境界部において前縁１３３から離れて片持ち式にされる。従って、中央セクション位置制御リング１６２は、燃焼器後方フランジ（図示せず）から数インチ離れて位置付けられ、これによって燃焼器ケースにおける半径方向偏位のあらゆる非均一な円周方向ばらつきとは無関係にされる。
【００１７】
例示的な実施形態において、高圧冷却空気１７０は、シュラウド組立体１１０の上流側に位置付けられた圧縮機（図示せず）から抽気される。圧縮機から抽気された高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、高圧タービンセクション１１２の冷却を促進する。圧縮機から抽気された高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。図１を更に参照すると、第１の部分１７１及び第２の部分１７２に対応する方向矢印は、それぞれ高圧タービンセクションのアクティブ対流冷却域１７３を通る高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１、及び低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６（後述する）内を通る高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２の流路の少なくとも一部を示している。
【００１８】
この実施形態において、高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、第１のすなわち高圧のタービンセクションアクティブ対流冷却域１７３に流量調整される。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、シュラウド支持体１４４内に形成された少なくとも１つの高圧タービンセクション（ＨＰＴＳ）供給孔１７４を通って流量調整される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３内に位置付けられた平鍋形ＨＰＴＳ衝突バッフル１７５に衝突する。バッフル１７５は、シュラウド支持体１４４に結合され、従って、上側ＨＰＴＳキャビティ又はプレナム１７６を少なくとも部分的に形成する。次に高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、衝突バッフル１７５内に形成された複数の穿孔１７７を介して、シュラウドセグメント１３０内に定められた下側ＨＰＴＳキャビティ又はプレナム１７８に冷却空気として流量調整され、ここで冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の裏面１７９に衝突する。使用済み衝突冷却空気１８０などの高圧冷却空気の一部は、シュラウドセグメント前縁１３３又はその近傍で形成された複数の前方に向いた冷却開口１８１を介してプレナム１７８から出る。該冷却開口は、高圧タービンノズル外側バンド１８３と前縁１３３との間に定められるギャップ１８２のパージを促進するように構成される。高圧冷却空気の一部１８４は、シュラウドセグメント１３０内に形成された複数の後方に向いた冷却開口１８５を介して流量調整されて、内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却を促進する。冷却開口１８１から出る高圧冷却空気の使用済み衝突冷却空気１８０は、前縁１３３におけるシュラウド組立体１１０内への高温ガス噴出又は再循環の阻止又は制限を促進する。
【００１９】
圧縮機から抽気された高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。この実施形態において、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、第２の又は低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に流量調整される。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４内に形成された少なくとも１つの低圧タービン供給孔１８７を介して流量調整される。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６内に位置付けられた平鍋形低圧タービンセクション（ＬＰＴＳ）衝突バッフル１８８に衝突する。バッフル１８８は、シュラウド支持体１４４に結合され、従って、上側ＬＰＴＳキャビティ又はプレナム１８９を少なくとも部分的に形成する。次いで、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、衝突バッフル１８８内に形成された穿孔１９０を介して下側ＬＰＴＳキャビティ又はプレナム１９１に流量調整され、ここで高圧冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の裏面１９２に衝突する。冷却空気１９３は、シュラウドセグメント１３０を通って形成された複数の後方に向いた冷却開口１９４を介してプレナム１９１から出て、下流側のシュラウドセグメント１３０の後縁１３７の半径方向内表面１４０のフィルム冷却を促進する。
【００２０】
図１に示すように、高圧冷却空気１７０は、最初に、少なくとも高圧タービンノズル外側バンド１８３と中央セクション位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造体１５８の一部との間に形成されたダクト２０４に配向される。高圧冷却空気１７０は、これがダクト２０４を通って配向されるときに、ダクト２０４内で第１の部分１７１と第２の部分１７２とに分離される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、ＨＰＴＳ供給孔１７４を介してアクティブ対流冷却域１７３内とプレナム１７８内に流量調整されて、高圧タービンセクション１１２における衝突冷却を促進する。使用済み衝突冷却空気１８０は、シュラウドセグメント前縁冷却開口１８１を介してシュラウドセグメント１３０から出て、高圧タービンノズル外側バンド１８３及びシュラウドセグメント１３０間に形成されたギャップ１８２のパージを促進し、及び／又は高圧タービンセクション１１２の後端部２０５に形成された冷却開口１８５を介してシュラウドセグメント１３０から出て、シュラウドセグメント１３０の内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却を促進する。
【００２１】
高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４とシュラウドセグメント１３０との間、及び中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に少なくとも部分的に形成される第２のアクティブ対流冷却域１８６に配向される。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。一実施形態において、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４内に形成された複数の低圧タービン供給孔１８７を介して流量調整される。より具体的には、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、アクティブ対流冷却域１８６に直接流量調整されて、低圧タービンセクション１１４におけるシュラウドセグメント衝突冷却を促進し、その結果、冷却空気は、シュラウド支持体１４４とシュラウドリング構造体１５８との間、及び中央セクション位置制御リング１６２と後方位置制御リング１６４との間に非アクティブ対流冷却域２１１を形成する第３の領域２１０を迂回する。使用済み衝突冷却空気は、シュラウドセグメント１３０の後縁１３７又はその近傍に形成された冷却開口１９４を介してシュラウドセグメント１３０から出る。
【００２２】
図１に示す流路においては、高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３及び／又は低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６は、直接且つアクティブに冷却される。低圧タービンセクション非アクティブ対流冷却域２１１は、非アクティブであり、すなわちどのような高圧冷却空気も非アクティブ対流冷却域２１１を貫流しない。従って、エンジン過渡動作中に生じる環境条件に対する非アクティブ対流冷却域２１１内の熱応答が低減及び／又は遅延される。その結果、中央セクション位置制御リング１６２及び／又は後方位置制御リング１６４の過渡変位も低減及び／又は遅延される。
【００２３】
図２に示すように、高圧冷却空気１７０は、高圧タービンノズル外側バンド１８３と中央セクション位置制御リング１６２を形成するシュラウドリング構造体１５８との間に少なくとも部分的に形成されるダクト２０４に配向される。高圧冷却空気１７０は、第１の部分１７１と第２の部分１７２とに分離される。高圧冷却空気１７０の第１の部分１７１は、プレナム１７６及び１７８を少なくとも部分的に形成する高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３にＨＰＴＳ供給孔１７４を介して流量調整され、高圧タービンセクション１１２におけるシュラウドセグメント衝突冷却を促進する。使用済み衝突冷却空気１８０は、シュラウドセグメント前縁冷却開口１８１を介してシュラウドセグメント１３０から出て、高圧タービンノズル外側バンド１８３及びシュラウドセグメント１３０間のギャップ１８２のパージを促進し、及び／又は高圧タービンセクション１１２の後端部２０５に形成された冷却開口１８５を介してシュラウドセグメント１３０から出て、内表面１３８及び／又は１４０のフィルム冷却を促進する。
【００２４】
高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４及びシュラウドセグメント１３０間、並びに中央セクション位置制御リング１６２及び後方位置制御リング１６４間に少なくとも部分的に形成された低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に配向されて、低圧タービンセクション１１４の冷却を促進する。一実施形態において、高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、シュラウド支持体１４４を貫通して形成された複数の低圧タービン供給孔１８７を介して流量調整される。高圧冷却空気１７０の第２の部分１７２は、プレナム１８９及び１９１を少なくとも部分的に形成する低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に直接流量調整されて、低圧タービンセクション１１４におけるシュラウドセグメント衝突冷却を促進する。使用済み衝突冷却空気１９３は、シュラウドセグメント１３０の後縁１３７又はその近傍に形成された冷却開口１９４を介してシュラウドセグメント１３０から出る。
【００２５】
図１及び２に示すようなシュラウド冷却組立体は、それぞれの供給孔１７４及び供給孔１８７を介して高圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１７３及び／又は低圧タービンセクションアクティブ対流冷却域１８６に高圧冷却空気を直接配向する。
【００２６】
図１及び２に示すようなシュラウド冷却組立体においては、高圧冷却空気は、低圧タービンセクション非アクティブ対流冷却域２１１を介して流量調整又は配向されない。その結果、低圧タービンセクション非アクティブ対流冷却域２１１を形成する構成部品は、従来のシュラウド冷却組立体内でアクティブ対流冷却域を形成する構成部品よりも、エンジン過渡動作中の温熱条件及び／又は環境に対して比較的遅く応答する。温熱条件及び／又は熱環境に対するこの遅い応答は、中央セクション位置制御リング１６２及び／又は後方位置制御リング１６４の比較的遅い過渡変位を促進する。
【００２７】
従って、低圧タービンセクションシュラウドリング構造体を迂回することにより、図１及び図２に示す高圧冷却空気流路は、エンジン過渡動作中のシュラウドセグメントの過渡熱応答及び／又は変位の低減及び／又は遅延を促進する。より遅い応答は、ブレード先端間隙及びタービンエンジン効率の改善を促進する。
【００２８】
図３は、ガスタービンエンジンで使用する例示的なタービンノズル及びシュラウド組立体３００の一部を示している。シュラウド組立体３００はシュラウド組立体１１０と類似しており、従って、図１及び図２に示される構成要素と全く同じである図３に示す構成要素は、図３において、図１及び図２で使用される同じ参照符号を用いて識別される。ギャップ１８２は、上流側タービンノズル１１２の外側バンド１８３と、シュラウドセグメント３０２を有するすぐ上流側の隣接するシュラウド組立体１１０との間の境界部に定められる。例示的な実施形態において、タービンノズル１１２は、シュラウドセグメント３０２に結合され、タービンノズル及びシュラウド組立体３００を形成する。
【００２９】
シュラウドセグメント前縁３０４は、シュラウドセグメント３０２の前方面３０６を定める。例示的な実施形態において、シュラウドセグメント３０２の半径方向内表面３０８は、前方面３０６に実質的に垂直に延びる。更に、例示的な実施形態において、丸みのある又は湾曲したコーナー部分３１０は、前方面３０６と内表面３０８との間に延びてギャップ１８２を部分的に定める。
【００３０】
外側バンド１８３は、該外側バンド１８３の後方面３１６を定める後縁３１を有する。タービンノズル１１２がシュラウドセグメント３０２に結合されると、ギャップ１８２は一般に、後方面３１６と前方面３０６とを定める。ギャップ１８２は、冷却空気が燃焼ガス又は高温ガス流路３２０に向かって半径方向内方に流れるのを可能にする。高温ガス流路３２０は、ガスタービンエンジンにより定められる中心軸３２２にほぼ平行に流れる。冷却空気は、図１に示すダクト２０４から配向される漏出空気３２４及び／又は図１に示すアクティブ対流冷却域１７３から排出されるシュラウド前縁冷却空気３２６を含む。
【００３１】
例示的な実施形態において、シュラウドセグメント前縁３０４は、実質的に垂直に貫通して延びる少なくとも１つの前方に向いた冷却開口３６０を含む。その上、例示的な実施形態において、少なくとも１つの離散的な対流冷却孔３６２が前方面３０６と内表面３０８との間に延びる。具体的には、例示的な実施形態において、対流冷却孔３６２は、冷却開口３６０から半径方向内方にある位置で前方面３０６を通って内方面３０８に斜めに延びる。作動中、冷却開口３６０は、ギャップ１８２へのシュラウド前縁冷却空気３２６の流れを流量調整する。冷却空気３２６は、冷却開口３６０からギャップ１８２に排出され、冷却空気３２６は、図１に示すダクト２０４から排出された漏出空気３２４と混合される。混合冷却空気３６４の一部は、少なくとも１つの離散的な対流冷却孔３６２を通って内表面３０８に誘導され、内表面３０８全体にわたって回復されたフィルム冷却層３６６の形成を促進する。残りの混合冷却空気３６４は、ギャップから排出されてコーナー部３１０のフィルム冷却を促進する。フィルム冷却層３６６は、高温ガス流路３２０とシュラウドセグメント３０２との間の冷却障壁の形成を促進する。その上、孔３６２から排出された冷却空気３６４は冷却層３６６にエネルギを供給し、フィルム冷却層３６６が表面３０８から分離される前に表面３０８全体でより長い距離にわたって表面３０８に近接して維持できるようにする。その結果、シュラウドセグメント３０２の作動温度は、タービンエンジン及び／又はシュラウドセグメントの耐用年数が増大するのを可能にする。
【００３２】
図４は、タービンノズル及び／又はシュラウド組立体３００の代替の実施形態を示す。図４に示す代替の実施形態は、図３に示す実施形態と実質的に類似している。従って、図３に示される構成要素と全く同じである図４に示す構成要素は、図３において使用される同じ参照符号を用いて図４で識別される。ギャップ１８２は、上流側タービンノズル４０２の外側バンド４００と、シュラウドセグメント３０２を含む直ぐ下流側に隣接するシュラウド組立体１１０との間の境界部に定められる。例示的な実施形態において、タービンノズル４０２は、シュラウドセグメント３０２に結合されて、ガスタービンエンジンのタービンノズル及びシュラウド組立体３００を形成する。例示的な実施形態において、リップ４０４は、タービンノズル４０２の後方面４０６上に形成される。より具体的には、例示的な実施形態において、リップ４０４は、ギャップ１８２及びコーナー部３１０から半径方向内方に位置付けられ、中心軸３２２にほぼ平行に後方面４０６から下流側に延びる。
【００３３】
例示的な実施形態において、少なくとも１つの放出開口４０８は後方面４０６において定められる。具体的には、放出開口４０８は、後方面４０６を通って斜めに延びて、リップ４０４から半径方向外方にある。放出開口４０８は、リップ４０４に対して使用済みタービン冷却空気４１０の流れを流量調整する。具体的には、使用済みタービンノズル冷却空気４１０は、外側バンド４００によって少なくとも部分的に定められるタービンノズルアクティブ対流冷却域４１２からリップ４０４に向かって流量調整される。
【００３４】
作動中、使用済みタービンノズル冷却空気４１０は、リップ４０４に向けて配向された流量調整された流れにおいて排出開口４０８から排出される。リップ４０４は、コーナー部３１０及び内表面３０８に向けて冷却空気４１０を再配向する。その上、冷却空気３６４は、内表面３０８に向けて対流冷却孔３６２を通って誘導される。冷却空気３６４及び冷却空気４１０は、隣接する内表面３０８を混合し、内表面３０８にわたり回復されたフィルム冷却層４１４の形成を促進する。更に、後方面４０６から下流側、すなわちギャップ１８２から下流側に延びるので、リップ４０４は、ギャップを加圧してフィルム冷却層４１４の形成を促進することが可能とする。フィルム冷却層４１４は、高温ガス流路３２０とシュラウドセグメント３０２との間に冷却障壁を形成するのを促進し、ノズル後縁伴流作用に起因したギャップ１８２への望ましくない高温ガス噴出の低減が促進されるようになる。その上、フィルム冷却層４１４は、シュラウドセグメント３０２の作動温度の低下を促進し、その結果、タービンエンジン及び／又はシュラウド組立体１１０の耐用年数の増大が促進されるようになる。
【００３５】
図３及び図４を参照すると、例示的な実施形態において、冷却開口３６０は、シュラウドセグメント前縁３０４を通って延びて、ギャップ１８２へのシュラウド前縁冷却空気３２６の流れを流量調整する。その上、例示的な実施形態において、冷却開口３６０は対流冷却孔３６２から半径方向外方にあり、冷却開口３６０からギャップ１８２へ排出されるシュラウド前縁冷却空気３２６が、図１に示すダクト２０４から配向された漏出空気３２４と混合されるようになる。結果として生じる混合冷却空気３６４の一部は、対流冷却孔３６２を通り内方表面３０８に向かって誘導され、内表面３０８にわたり回復されたフィルム冷却層３６６の形成を促進する。１つの実施形態において、リップ４０４は少なくとも１つの排出開口４０８から半径方向内方に位置付けられ、開口４０８から排出される使用済みタービンノズル冷却空気４１０が、コーナー部分３１０にわたって、及び内表面３０８に向かってリップ４０４により再配向される。離散的な対流冷却孔３６２から排出された混合冷却空気３６４及び開口４０８から排出された冷却空気４１０は、表面３０８に隣接して混合され、内方表面３０８にわたって回復されたフィルム冷却層４１４の形成を促進する。フィルム冷却層３６６及び４１４は、高温ガス流路３２０とシュラウドセグメント３０２との間の冷却障壁の形成を促進し、ノズル後縁伴流作用に起因したギャップ１８２への望ましくない高温ガス噴出の低減が促進されるようになる。その上、フィルム冷却層３１６及び４１４は、シュラウドセグメント３０２の作動温度の低下を促進する。従って、フィルム冷却層３１６及び４１４は、タービンエンジン及び／又はシュラウド組立体１１０の耐用年数の増大を促進する。
【００３６】
上述の方法及びシステムはシュラウドセグメントのフィルム冷却を促進する。本方法及びシステムは、高圧タービンを貫流する高温ガス流と、タービンノズル及びシュラウドセグメント間に定められるギャップを貫流して出る冷却空気との間の障壁の形成を促進する。より具体的には、ギャップを貫流する冷却空気は、シュラウドセグメントの前縁を通って延びる開口を貫通して配向され、シュラウドセグメント内表面上の冷却層の形成を促進する。代替的な実施形態において、タービンノズル外側バンドから出る使用済みタービンノズル冷却空気は、タービンノズルの後縁から延びるリップに衝突するように配向される。リップは、ギャップから半径方向内方に位置付けられ、該ギャップから下流側に延びて、シュラウドセグメントの前縁上に形成された丸みのあるコーナー部分に向かって冷却空気を配向する。コーナーは、ギャップの下流側にあるシュラウドセグメントの内表面、その近傍、或いはそれに隣接した位置でのフィルム冷却層の形成又は作製を促進する。具体的には、フィルム層は、リップ及びコーナー部分により配向された冷却空気と、シュラウドセグメント前縁を通って延びる開口から排出された冷却空気とを組み合わせることにより形成される。１つの実施形態において、延長リップは、高温ガス流路と、外側バンド及びシュラウドセグメント間に定められたギャップを貫流し且つこれから出る冷却空気との間の障壁として機能する。更に、延長リップは、ギャップ内の冷却空気を加圧して、従来の冷却システム又は組立体において見られることがあるノズル後縁伴流作用に起因したギャップへのガス噴出の実質的な阻止又は制限を促進する。その上、フィルム冷却層はシュラウドセグメントの温度低下を促進し、その結果、フィルム冷却層は、タービンエンジンの耐用年数の増加及び／又はタービンエンジンの効率の向上を促進する。
【００３７】
１つの実施形態において、ガスタービンエンジンのシュラウドセグメントを冷却する方法が提供される。本方法は、内表面と該内表面に実質的に垂直な前縁とを有するシュラウドセグメントを含むタービンシュラウド組立体を提供する段階と、タービンノズルの外側バンドの後方端部と前縁との間にギャップが定められるようにタービンノズルをタービンシュラウドセグメントに結合する段階とを含む。本方法はまた、冷却空気をギャップに配向する段階と、ギャップ内の冷却空気を前縁及び内表面間に形成された少なくとも１つの開口を通して配向する段階とを含む。
【００３８】
以上で、シュラウドセグメントをフィルム冷却するための方法及びシステムの例示的な実施形態が詳細に説明された。本方法及びシステムは本明細書で記載された特定の実施形態に限定されず、本方法の各段階及び／又は本システムの構成要素は、本明細書に記載された別の段階及び／又は構成要素とは独立して且つ別個に利用することができる。更に、記載の方法の段階及び／又はシステムの構成要素はまた、他の方法及び／又はシステムにおいて定義され、或いは他の方法及び／又はシステムと組み合わせて使用することができ、本明細書に記載された方法及びシステムだけを用いた実施に限定されるものではない。
【００３９】
本発明を種々の具体的な実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明を請求項の精神及び範囲内で修正を実施することができる点は理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示している例示的なシュラウド組立体の側面図。
【図２】シュラウド組立体を通る高圧冷却空気流を概略的に示している代替のシュラウド組立体の側面図。
【図３】例示的なタービンノズル及びシュラウド組立体の一部の概略図。
【図４】タービンノズル及びシュラウド組立体の一部の代替の実施形態の概略図。
【符号の説明】
【００４１】
１０８  タービンエンジン冷却組立体
１１０  シュラウド組立体
１１２  タービンノズル
１１２  高圧タービンセクション
１１４  低圧タービンセクション
１３０  シュラウドセグメント
１３２  取付けフック
１３３  前縁
１３７  後縁
１３８  半径方向内表面
１４４  シュラウド支持体
１４６  前方セクション
１４８  中央セクション
１５０  後方セクション
１５２  前方突出ハンガ
１５２  協働ハンガ
１５８  シュラウドリング構造体
１６２  中央セクション位置制御リング
１６９  後方突出取付けフック
１７０  高圧冷却空気
１７１  第１の部分
１７２  第２の部分
１７４  供給孔
１７５  バッフル
１７６  プレナム
１７７  複数の穿孔
１８０  使用済み衝突冷却空気
１８１  前方配向された冷却孔
１８２  ギャップ
１８３  外側バンド
１８５  冷却開口
１８６  アクティブ対流冷却域
１８７  圧力タービン供給孔
１８８  バッフル
２０４  ダクト
２１１  非アクティブ対流冷却域
３００  ノズル及びシュラウド組立体
３０２  シュラウドセグメント
３０４  シュラウドセグメント前縁
３０６  前方面
３０８  内表面
３１０  コーナー部分
３１４  後縁
３１６  後方面
３２０  ガス流路
３２２  中心軸
３６０  冷却開口
３６２  冷却孔
３６４  冷却空気
３６６  フィルム冷却層
４００  外側バンド
４０２  タービンノズル
４０４  リップ
４０６  後方面
４０８  排出開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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