JP2009002340A - 相反冷却式タービンノズル - Google Patents

Abstract

【課題】相反冷却式タービンノズルを提供する。
【解決手段】タービンノズル（２０）は、外側及び内側バンド（４０、４２）に接合された第１及び第２のベーン（３６、３８）を含む。ベーン（３６、３８）は、軸方向分割線（４４）を有する外側寄り流路（６０）を形成した外側寄り側面（５０、５２）と、軸方向分割線がない内側寄り流路（５８）を形成した対向する内側寄り側面（５２、５０）とを含む。２つのベーン（３６、３８）は、内側寄り及び外側寄りベーン側面（５０、５２）を異なる状態で冷却するようになった異なる冷却回路（６２、６４）を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内におけるタービンに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて、高温燃焼ガスを発生するようになる。高圧タービン（ＨＰＴ）内において、このガスからエネルギーが抽出され、ＨＰＴは、圧縮機に動力供給する。

また、低圧タービン（ＬＰＴ）内において、付加的なエネルギーが抽出され、ＬＰＴは、航空機ターボファン航空機エンジン用途においては上流ファンを駆動し、或いは船舶及び産業用途においては外部駆動シャフトを駆動する。

最新式燃焼器は、アニュラ型であり、前方ドームから下流方向に延びて環状の燃焼ゾーンを形成した半径方向外側及び内側燃焼ライナを含む。燃料噴射装置及び協働する空気スワーラカップの列が、ドーム内に取付けられて霧化燃料噴流を吐出し、霧化燃料噴流が、好適に燃焼されて燃焼ガスを発生するようになる。

燃料噴射装置は、一般的には互いに均等な分散配置として円周方向に間隔を置いて配置され、それに対応してアニュラ型燃焼器出口に向かって下流方向に流れる燃焼ガスの比較的高温のストリークを発生させる。

最大燃焼ガス温度は、各高温ストリークの中心部に沿って見られ、それに対応して燃焼ガス温度は、各高温ストリークの中心部から半径方向外向きに低下し、このことは、外側及び内側燃焼器ライナ間での半径方向と並びに円周方向に間隔を置いた高温ストリーク間での燃焼器周りの円周方向との両方向で生じる。

アニュラ型燃焼器出口における結果として生じる燃焼ガス温度パターンは、外側及び内側ライナの半径方向間並びに高温ストリークの円周方向間の両方で変化するようになり、高温ストリーク間のより低温のガスは一般的に、低温ストリークと呼ばれる。高温及び低温ストリーク間での温度差は、数百度となる可能性があり、下流のタービン構成部品の性能及び作動に悪影響を及ぼす。

より具体的には、燃焼器出口から吐出された燃焼ガスは最初に、第１段ＨＰＴタービンノズルによって受けられ、第１段ＨＰＴタービンノズルは、燃焼ガスを支持ロータディスクの周辺部上に取付けられた後続の第１段タービンロータブレードの列に導く。タービンノズルは、対応する外側及び内側バンド間で半径方向に取付けられた中空ノズルベーンの列を含む。

ノズルは一般的に、対応する外側及び内側バンドセグメント内に一体形に取付けられた２つのベーンを有する通常のノズルダブレット構成として円周方向にセグメント化される。

従って、環状ノズルは、ノズルダブレットの外側及び内側バンドの対応する端面における軸方向分割線によって円周方向に分割される。また、端面は一般的に、その内部にスプラインシールを取付けるためのスロットを含み、スプラインシールは、タービンノズルの円周方向連続性を維持すると共に端面からの内部冷却空気損失をシールするようにする。

完全列の形態でのノズルベーンの数は、燃焼器内の燃料噴射装置の数よりもかなり多く、通常はその整数倍数ではない。従って、タービンノズルに対する燃焼器の組立において、燃料噴射装置は、ノズルベーン列の前縁に対して相対的円周方向位置が変化する。

従って、運転時に燃料噴射装置により生成される高温ストリークは、ベーン毎に異なった状態で又はランダムに円周方向に整列されるか又はクロックされ（時計方向に回転した状態で位置合わせされ）、その結果運転時にベーンを様々な熱負荷に曝す。高温ストリークは、ノズルベーンを最高温度の燃焼ガス内に浸し、一方、円周方向中間低温ストリークは、ベーンを比較的より低温の燃焼ガス内に浸す。

従って、タービンノズルは通常、例えば一般的なダブレット構成において、ほぼ同一のノズルベーン及びバンドセグメントを有する円周方向均一性を備えものとして設計される。その結果、ダブレットノズル構成では、各ダブレット内に２つの同一のベーンを備えた状態で偶数個のノズルベーンが見られる。

ノズルベーンは、対向する前縁及び後縁間で翼弦にわたって軸方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面及びほぼ凸面形の負圧側面を備えた典型的な三日月形輪郭を有する。各ダブレット内におけるベーンは、該ベーン間に内側寄り流路を形成し、ダブレット間のベーンは、それぞれの軸方向分割線を含む外側寄り流路を形成する。

内側寄り及び外側寄りノズル流路は、一般的には隣接するベーンの負圧側面に垂直な他方のベーンの後縁において形成される最小流れ面積まで下流方向に収束している。

燃焼ガスは一般的に、下流のタービンロータブレード列内に斜め円周方向角度で吐出され、タービンロータブレード列は、支持ロータディスクをブレード正圧側面に対してブレード負圧側面の方向に回転させる。

従って、各ノズルダブレットは、回転時にその上をタービンブレードが最初に通過する先導ベーンと、その上をタービンブレードが次に通過する追従ベーンとを含む。

燃焼器からの低温及び高温ストリークは、運転時に、タービンノズルの流路を通って軸方向に流れ、その結果、タービンロータブレードを交互する高温及び低温ストリーク内に同様に浸し、このことがまた、タービンロータブレードの性能に悪影響を与える。

従って、ノズルステータベーン及びタービンロータブレードは一般的に、その各列内において同一であり、一般的にそれらの異なる環境に対して同一の冷却回路をその内部に含む。ベーン及びブレードの両方は、運転時に、圧縮機から抽気した加圧空気の一部を使用してその対応する翼形部を冷却して、エンジンの所望の有効寿命を達成するようにしている。

圧縮機から抽気した空気は、燃焼器内では使用されないので、エンジンの全体効率が低下する。従って、圧縮機から抽気する冷却空気の量は、最少にしてエンジン効率を最大にするようにしなければならない。

しかしながら、従来の実施法では、ベーン及びブレードは、各列内においてそれらを同一に冷却するように設計して、運転時に高温ストリークと交互する低温ストリークのより著しく低い温度にも拘らず、燃焼器によって生成される高温ストリークによる最大温度及び熱負荷から翼形部を保護するようにしなければならない。
米国特許第３，４７５，１０７号公報 米国特許第５，１６９，２８８号公報 米国特許第５，９９７，２４５号公報 米国特許第６，０７７，０３６号公報 米国特許第６，１８３，１９２号公報 米国特許第６，２７０，３１７号公報 米国特許第６，３４５，９５５号公報 米国特許第６，４０２，４５８ Ｂ１号公報 米国特許第６，６０９，８８０ Ｂ２号公報 米国特許第６，７８３，３２３ Ｂ２号公報 米国特許第７，００８，１７８ Ｂ２号公報 米国特許出願公開第１１／３１１１０４号公報

従って、燃焼ガスにおける高温及び低温ストリークに選択的に対応してガスタービンエンジンの性能を向上させる改良型のタービンノズルを提供することが望ましい。

タービンノズルは、外側及び内側バンドに接合された第１及び第２のベーンを含む。ベーンは、軸方向分割線を有する外側寄り流路を形成した外側寄り側面と、軸方向分割線がない内側寄り流路を形成した対向する内側寄り側面とを含む。２つのベーンは、内側寄り及び外側寄りベーン側面を異なる状態で冷却するようになった異なる冷却回路を含む。

好ましくかつ例示的な実施形態により、本発明をその更なる目的及び利点と共に、添付図面と関連させて行った以下の詳細な記述においてより具体的に説明する。

図１に示すのは、長手方向又は軸方向中心軸線周りに軸対称であるガスタービンエンジン１０の一部分である。エンジンは、空気１４を加圧するための多段式軸流圧縮機１２を含む。

アニュラ型燃焼器１６は、圧縮機の下流に取付けられ、加圧空気１４を燃料と混合し、燃料を燃焼させて、高温の燃焼ガス１８を発生するようにする。

燃焼ガスは、燃焼器からＨＰＴ内の環状の第１段タービンノズル２０内に吐出され、第１段タービンノズル２０は次に、燃焼ガスをノズルの直後に続く第１段タービンロータブレード２２の列内に送る。ブレードは、支持ロータディスクの周辺部に好適に取付けられ、支持ロータディスクは次に、圧縮機１２のロータに結合され、圧縮機１２のロータは、運転時にタービンブレードによって動力供給される。

ＬＰＴは、ＨＰＴの下流に設置されかつその一部を図示しており、航空機エンジンのタービン構成において一般的に上流ファン（図示せず）に動力供給する付加的ロータブレードを含む。別の実施形態では、ＬＰＴは、船舶及び産業用途における外部駆動シャフトに動力供給することができる。

図１に示す燃焼器は、それらの間に環状の燃焼ゾーンを形成した半径方向外側燃焼器ライナ２４及び同軸の半径方向内側燃焼器ライナ２６を含む。これらライナは、ドーム２８から下流方向に延びかつ周囲の燃焼器ケーシングの内部に好適に取付けられる。

燃焼器ドーム２８は、協働する空気旋回カップ３２を貫通して延びる燃料噴射装置３０の列を含み、燃料噴射装置３０は、運転時に燃料及び空気の霧化混合気を燃焼器の内部に供給し、次に好適に燃焼させて高温の燃焼ガス１８を発生させる。

図１に示すアニュラ型燃焼器１６は、その下流側後方端部に環状出口３４を含み、この環状出口３４を通して運転時に高温の燃焼ガス１８が吐出される。燃料噴射装置３０の列は、個々の噴射装置がドームの周りで互いに円周方向に均等に間隔を置いて配置された状態で、燃焼器の上流側又は前方ドーム端部に配置される。

従って、運転時に燃焼器内に発生する燃焼ガス１８は、個々の燃料噴射装置３０の直ぐ軸方向後方に比較的高温のストリークを生じ、それに対応して比較的より低温の燃焼器低温ストリークが個々の燃料噴射装置３０の円周方向間に生じることになる。従って、高温及び低温ストリークは、タービンノズル２０を通りかつ次に第１のタービンロータブレード２２の列を通って下流方向に流れ、第１のタービンロータブレード２２の列が、それら高温及び低温ストリークからエネルギーを抽出して支持ロータディスクを回転させかつ圧縮機に動力供給することになる。

最初に図１に示した環状タービンノズル２０を、上流の燃焼器及び下流のタービンブレードと協同した状態で図２及び図３により詳細に示す。ノズル２０は、ノズルダブレット内に対として配置するのが好ましい交互する第１及び第２のステータベーン３６、３８の列を含む。各タブレット内の２つのベーンは、外側及び内側バンド４０、４２間で半径方向に延び、外側及び内側バンド４０、４２は、円周方向にアーチ形でありかつまとまってノズルの完全周辺部を形成する。

２つのベーン及びバンドセグメントは、単体構造鋳造品として一体形に形成するか又は個別に製作しかつ例えばロウ付けによって互いに好適に接合してノズルの単体構造構成部品を形成することができる。

環状ノズルは、対応する軸方向分割線４４によって円周方向にセグメント化され、この軸方向分割線４４は、各ダブレット内の外側及び内側バンド４０、４２の対向する円周方向端部における対応する端面４６によって形成される。

図３は、そこに軸方向スロットを有する端面４６の２つを示しており、スロット内には、図２の組立体に示す従来型のスプラインシール４８が配置される。従って、ノズルダブレット及びベーンの完全列は、対応する分割線によって外側及び内側バンドにおいて円周方向にセグメント化された完全環状タービンノズルを形成し、分割線は、その中にスプラインシール４８を有してノズルの円周方向連続性を維持するようになっている。

図２に示す列の交互する第１及び第２のベーン３６、３８は、同一の空気力学的輪郭を有しかつそれらベーンの間にほぼ同一の流路を形成する。例えば、ベーン３６、３８の各々は、対向する前縁５４及び後縁５６間で翼弦にわたって軸方向に延びるほぼ凹面形の正圧側面５０及び円周方向に対向するほぼ凸面形の負圧側面５２を有する。各ベーンの対向する側面は、外側及び内側バンド４０、４２間でノズルの半径方向高さにわたるスパンにわたって延びる。

図２に示す各ノズルダブレットは、そのそれぞれのアーチ形バンド４０、４２と一体形に接合された２つのみのベーン３６、３８を含む。図２にも示しているタービンブレード２２の列は、運転時に該タービンブレード２２の対応する凸面形負圧側面がその対向する凹面形正圧側面に先導する状態で回転する。

このようにして、各ダブレット内の第１のノズルベーン３６は、回転時にその上をタービンブレードが最初に通過する前方又は先導ベーンを構成し、第２のノズルベーン３８は、各ノズルセグメントにおける追従又は後方ベーンを構成する。

第１のベーン３６の正圧側面５０は、第２のベーン３８の対向する負圧側面５２に直接面しかつバンドと共にそれらの円周方向間に分割線がない内側寄り流路５８を形成する。従って、内側寄り流路５８を形成する２つの対向するベーン側面はまた、内側寄りベーン側面とも呼ばれる。

それに対応して、第１のベーン３６の負圧側面５２及び第２のベーン３８の正圧側面５０は、次の隣接するノズルダブレットのそれぞれの端面４６及び軸方向分割線４４に向かって円周方向外向きに又は外側寄りに面する。このようにして、第１のベーン３６の負圧側面５２は、次のダブレット上に配置された第２のベーン３８の正圧側面５０と協働して、バンドと共にノズルダブレットの各々間に、それぞれの軸方向分割線４４をその中に含む対応する外側寄り流路６０を形成する。

従って、各ダブレット内の第１のベーンの負圧側面５２及び第２のベーンの正圧側面５０は、外側寄りベーン側面を構成し、かつ対応する外側及び内側バンドと共に、分割線４４を含む外側寄り流路の対応する１つを形成し、一方、各ノズルダブレットの内部の内側寄り流路５８には、その中に如何なる軸方向分割線もない。

図２に示すタービンノズル２０の性能における大幅な向上は、燃焼器からの個々の燃料噴射装置３０を外側寄り流路６０の対応する１つに対して円周方向に位置合わせする又はクロックすることによって得ることができる。それに対応して、燃料噴射装置３０のいずれもが、完全列のノズルダブレットにおける内側寄り流路５８のいずれに対してもクロックされないか又は円周方向に位置合わせされない。

運転時に高温ストリークを発生させる燃料噴射装置３０の列とノズルベーン３６、３８の列との間でのこのようなクロッキング構成により、圧縮機から抽気する加圧冷却空気の限られた量を良好に利用するような異なる性能で、個々のベーンを選択的に冷却することが可能になる。

より具体的には、第１及び第２のベーン３６、３８の各々は、ベーン側面を選択的に冷却するようになったそれぞれの第１及び第２の冷却回路６２、６４を有する。２つの冷却回路６２、６４は、共通の特徴形状部を共用することができるが、異なる第１及び第２のベーン間の軸方向分割線がない内側寄り流路の境界となる該異なる第１及び第２のベーンの異なる側面を、軸方向分割線４４を有するノズルセグメント間の外側寄り流路６０の境界となる外側寄りベーン側面とは異なる状態で冷却するように異なる状態に好適に修正される。

より具体的には、異なる第１及び第２の冷却回路６２、６４は、ベーン３６、３８の内側寄り側面５０、５２に対してよりも該ベーン３６、３８の外側寄り側面５０、５２に対して相反冷却を行うように選択的に構成される。

燃焼器からの高温及び低温ストリークとの協同を向上させるために、第１及び第２の冷却回路６２、６４は、各ノズルセグメント又はダブレットにおいてノズルベーンの内側寄り側面に沿ってよりも該ノズルベーンの外側寄り側面に沿ってより多くの冷却を行うように選択的に構成される。具体的には、第１の冷却回路６２は、第２の冷却回路６４が第２のベーン３８の内側寄り負圧側面５２にわたって冷却を行うよりも、端面４６及び分割線に隣接する第１のベーン３６の外側寄り負圧側面５２わたってより多くの冷却を行うように好適に構成される。

それに対応して、第２の冷却回路６４は、第１の冷却回路６２が第１のベーン３６の内側寄り正圧側面５０上にわたって冷却を行うよりも、対応する端面４６及び分割線に近い第２のベーン３８の外側寄り正圧側面５０上にわたってより多くの冷却を行うように選択的に構成される。

例えば図２に示すように、第１及び第２の回路６２、６４は、個々のベーン３６、３８において、該個々のベーン３６、３８の前縁及び後縁間の内側寄り側面５０、５２に沿ってよりも、該個々のベーン３６、３８の前縁５４から後縁５６までのそれぞれの外側寄り側面５０、５２に沿ってより多くの冷却を行う。

図２及び図３に示すタービンノズルの例示的な実施形態は、先導する第１のベーン３６及び追従する第２のベーン３８に対応した異なる第１及び第２の冷却回路６２、６４の適当な修正を除いてその他は、その構成及び作動を従来型のものとすることができる。

例えば、基本的冷却回路６２、６４は、対向するベーン側面間の無孔ブリッジによって分離された各ベーンの前方及び後方部分内に２つの半径方向流れ通路を含む。加圧冷却空気１４が、圧縮機から好適に抽気されかつ外側及び内側バンドを通して各ダブレットの２つのベーンの内部に送られる。

第１のベーン３６は、前方及び後方流れ通路の対応する１つ内に配置された第１のインピンジメントバッフル６６、６８の対を有することができる。また、第２のベーン３８は、該第２のベーン３８の前方及び後方通路内に対応する第２のインピンジメントバッフル７０、７２の対を有する。

前方インピンジメントバッフル６６、７０は、その流量特性を除いて互いに同一とすることができる。また、後方バッフル７８、７２も同様に、その流量特性を除いて互いに同一とすることもできる。インピンジメントバッフルは、第１及び第２のベーン３６、３８において異なる冷却性能を得るように好適に修正することができる対応する小さいインピンジメント孔７４のパターンを有する。

さらに、第１及び第２のベーン３６、３８の各々はまた、各ベーンの両側面５０、５２を貫通する対応する従来型のフィルム冷却孔７６のパターンを含み、これらフィルム冷却孔７６もまた、各ベーンの冷却性能を選択的に修正するように使用することができる。

なおさらに、外側及び内側バンド４０、４２の露出表面並びに第１及び第２のベーン３６、３８の正圧及び負圧側面５０、５２は、従来型の断熱皮膜（ＴＢＣ）７８で被覆することができ、なおここでも同様に断熱皮膜（ＴＢＣ）７８は、ベーン３６、３８の断熱及び関連する冷却を制御するように好適に修正することができる。

図４は、ベーン３６、３８の２つの形態についての異なる第１及び第２の冷却回路６２、６４を有する様々な好ましい修正を概略的に示している。ベーンの冷却は様々なメカニズムによって行われるので、これらの様々なメカニズムは、所望の差異を生じさせるように修正して、環状タービンノズルの円周部周りに吐出される時に燃焼器の円周部周りで反復的に変化する高温及び低温ストリークを補完するようにすることができる。

２つの冷却回路６２、６４は、各ノズルダブレットにおける２つのベーン３６、３８内に異なるフィルム冷却構成を形成するように構成することができる。

２つの回路６２、６４はまた、２つのベーン３６、３８内において異なるインピンジメント冷却を行うように修正することもできる。

また、２つの冷却回路６２、６４はさらに、２つのベーン３６、３８の対向する側面上に異なる断熱皮膜７８を形成するように修正することもできる。

図２及び図３は、図４において見られるその概略図に対応する異なる冷却回路６２、６４の例示的な構成を示している。

第１及び第２の冷却回路６２、６４は、内側寄り流路５８に面する内側寄りベーン側面に沿ってよりも外側寄り流路６０に面する外側寄りベーン側面に沿ってより大きな又はより多く冷却するように、ベーン正圧及び負圧側面５０、５２上に相反フィルム冷却を行うように好適に構成することができる。

１つの構成では、第１及び第２のベーン３６、３８の対向する正圧及び負圧側面５０、５２を貫通するフィルム冷却孔７６のパターンは、内側寄り側面５０、５２を通してよりも外側寄りベーン側面５０、５２を通してより多くの冷却空気を吐出するように選択的に異なったものとすることができる。

図２において、ベーンの外側寄り側面は、対応する内側寄り側面上で見られるよりも、単位面積当たりより大きい密度又はより多くの数のフィルム冷却孔７６を有する。第１のベーン３６の外側寄り負圧側面５２が、第２のベーン３８の内側寄り負圧側面５２よりもより多くのフィルム冷却孔７６の列を有することに注目されたい。

それに対応して、第２のベーン３８の外側寄り正圧側面５０は、第１のベーン３６の内側寄り正圧側面５０よりも、より大きい密度又はより多くの列のフィルム冷却孔７６を有する。

異なる密度のフィルム冷却孔とは個別に又はそれら異なる密度のフィルム冷却孔と組合せて、フィルム冷却孔７６の寸法又は直径は、ベーン３６、３８の内側寄り側面よりも該ベーン３６、３８の外側寄り側面上でより大きなものとすることができる。一般的なフィルム冷却孔は、約１５〜２０ミル（０．３８〜０．５１ｍｍ）の基準直径を有しかつ従来型の設計においては一般的に単一の寸法となっている。しかし、本発明の場合には、大きい及び小さいフィルム冷却孔の両方をノズル内で選択的に使用することができ、その場合、より大きなフィルム冷却孔はその領域の上端部に設けることができ、一方、より小さいフィルム冷却孔はその領域の下端部に設けることができるようになる。

この構成におけるフィルム冷却孔は、各ベーン３６、３８の対向する正圧及び負圧側面上にわたって好適に分散配置して、各ベーンの前縁の直ぐ周りに強い冷却を行うと同時に、内側寄り表面よりも外側寄り表面に沿ってより多くの冷却を選択的に行うようにすることができる。高温ストリークは、特に外側寄り流路６０を通してだけ流れるように円周方向にクロックされるので、外側寄り流路６０の境界となるベーン側面上では、強いフィルム冷却が使用されることになる。

それに対応して、低温ストリークは、特に内側寄り流路５８を通して流れるように円周方向にクロックされるので、２つのベーン３６、３８の内側寄り表面には、より少ない冷却が必要とされ、その位置におけるフィルム冷却孔の構成が好適に調整されることになる。

圧縮機から抽気される加圧冷却流が一定量の場合には、その冷却流は、ベーン３６、３８の内側寄り表面に対してよりも外側寄り表面に対してより多くを選択的に再分散させて、高温及び低温ストリークによる異なる熱負荷に選択的に適合させることができる。従って、限られた量の冷却空気がより効率的に使用され、かつタービンノズルの異なる構成部品における温度差が減少する。

ノズルは、圧縮機から抽気した空気の一定量を使用してより効率的に冷却することができるか又はベーンの選択的な冷却の点から見て圧縮機から抽気する空気の量を減少させることができるかのいずれかとなる。

各ノズルベーン３６、３８は、その物理的構成及び冷却構成が最早互いに同一ではないが、本発明の場合には、特に高温及び低温ストリークによる異なる熱負荷に対処するための異なる従来型構成部品の構成を含んでいる。従来型の実施法によるノズルベーンの特定部分の過冷却は、本発明の場合には、大幅に減少させることができ、また限られた量の空気を良好に利用して、特にタービンノズルの円周部の周りで最早ランダムでない高温ストリークの反復的位置に対処することができる。

第１及び第２の冷却回路６２、６４は、図２及び図３において別の形態に修正して、内側寄り流路５８に沿ってよりも外側寄り流路６０に沿ってより大きい又はより多くのインピンジメント冷却をするような相反インピンジメント冷却をベーンの正圧及び負圧側面５０、５２上に対して行うことができる。

２つのベーン３６、３８の各々は、所望の異なる性能を得るように異なったものとして構成されたインピンジメント孔７４のそれぞれのパターンを有する物理的に同一の前方インピンジメントバッフル６６、７０及び物理的に同一の後方インピンジメントバッフル６８、７２を有することができる。幾つかのバッフルにおけるインピンジメント孔は、ベーン３６、３８の各々の正圧及び負圧側面５０、５２の対応する内面に面し、そのパターンは、ベーンの対応する内側寄り側面に対してよりも該ベーンの外側寄り側面５０、５２に対して、バッフルを通してより多くのインピンジメント冷却空気流を吐出するような好適に異なったものとなっている。

具体的には、インピンジメントバッフルの外側寄り側面は、該インピンジメントバッフルの対応する内側寄り側面よりも、単位面積当たり好適により大きい密度又は多い数のインピンジメント孔７４を有することができる。図２において、第１のベーン３６の負圧側面５２の内部におけるインピンジメントバッフルの外側寄り側面は、負圧側面５２に沿った第２のベーン３８の内部におけるバッフルの内側寄り側面よりも、より大きい密度のインピンジメント孔を有する。

それに対応して、正圧側面５０に沿った第２のベーン３８内におけるバッフルの外側寄り側面は、該正圧側面５０に沿った第１のベーン３６内におけるバッフルの内側寄り側面よりも、より大きい密度のインピンジメント孔を有する。

インピンジメントバッフルは、流入燃焼ガスによる局所的に高い熱負荷を受けるベーン３６、３８の前縁の後方での冷却効果を最大にするようになった好適なインピンジメント孔のパターンを該インピンジメントバッフル内に有する。また、インピンジメント孔のパターンは、第１及び第２のベーン３６、３８の対応する内側寄り側面に沿ってよりも、該第１及び第２のベーン３６、３８の外側寄り側面５２、５０に沿って前縁５４から後縁５６までより大きなインピンジメント冷却を行うように調整することができる。

さらにここでも、限られた冷却空気をベーン対内に再分散させて、低温ストリークを受けるベーンの内側寄り側面に沿ってよりも、高温ストリークを受ける該ベーンの外側寄り側面に沿って、より多くのインピンジメント冷却を利用するようにする。

上述のように、タービンノズルの露出表面は一般的に、ＴＢＣ７８で被覆される。従って、第１及び第２の冷却回路６２、６４は、ベーンの正圧及び負圧側面５０、５２上にＴＢＣ７８の相反度又は有効量を含むように修正して、内側寄り流路５８に沿ってよりも、外側寄り流路６０沿って、より多くの又はより大きな断熱及び冷却を行うようにすることができる。

断熱皮膜７８は、燃焼ガスの熱負荷に対する大きな断熱をもたらしかつ各ベーンの冷却効果を補完する。ＴＢＣ７８の厚さは、その断熱作用及び有効冷却能力を変えるように好適に変化させて、ベーン３６、３８の内側寄り側面に比較して該ベーン３６、３８の外側寄り側面を選択的に保護しかつ冷却することができる。

図４は、各ノズルダブレットにおける２つのベーン３６、３８の対向する側面の周りで異なる厚さを有するＴＢＣ７８の例示的な構成を概略的に示している。例えば、ＴＢＣ７８は、第１のベーン３６の前縁５４から後縁５６までの外側寄り負圧側面５２に沿って比較的厚くかつ均一なものにすることができ、また同様に、第２のベーン３８の前縁から後縁までの該ベーン３８の外側寄り正圧側面５０に沿って均一かつ厚いものにすることができる。

それに対応して、ＴＢＣ７８は、第１のベーン３６の前縁及び後縁間の内側寄り正圧側面５０に沿って比較的均一かつ薄いものにすることができ、また同様に、第２のベーン３８の前縁及び後縁間の負圧側面５２に沿って均一かつ薄いものにすることができる。

厚いＴＢＣ７８は、従来施工されていたＴＢＣよりも僅かに厚い約１５〜２０ミル（０．３８〜０．５１ｍｍ）とすることができる。比較的薄いＴＢＣは、約５〜１０ミル（０．１３〜０．２５ｍｍ）の厚さとすることができる。

燃料噴射装置３０をノズルベーンに対して特に円周方向に位置合わせする又はクロックすることによって、高温及び低温ストリークの相対的位置を空間内でかつランダム又は可変でない状態に固定することができ、それにより、これまで実現可能でなかったノズルベーン間に差がある状態でそれらノズルベーンを選択的に冷却することが可能になる。

上記に開示したこの例示的な実施形態では、ベーン３６、３８の２つの異なる構成を、ベーンの完全列の形態で使用しかつ反復的に入れ換え、また好ましい対の形態で配置している。図４は、燃焼器の円周部の周りに均等に間隔を置いて配置された燃料噴射装置３０の特定の個数Ａ、例えば１７個を概略的に示している。

それに対応して、対応する一対のベーン３６、３８並びに外側及び内側バンドセグメント４０、４２を備えたダブレットセグメントの個数は、列の形態になった燃料噴射装置の個数と等しく一致している。

従って、完全なタービンノズルにおける２つの形式のベーン３６、３８の全個数Ｂ、例えば３４個は、燃焼器の周りの燃料噴射装置３０の個数Ａの二倍（２×１７個）に正確に等しい。

図２及び図４は、本発明では、ベーン３６、３８が燃料噴射装置３０と比較して二倍数である場合には、燃料噴射装置３０の円周方向位置決め又はクロッキングにより、ノズルベーン間の正確かつ反復的な位置を固定することができることを概略的に示している。

好ましい実施形態では、燃料噴射装置３０は、軸方向分割線４４を有する対応する外側寄り流路６０と軸方向に整列した状態で、隣接するノズルダブレットの第１及び第２のベーン３６、３８間の中ほどで円周方向にクロックされる。従って、燃料噴射装置は、特有の利点のために軸方向分割線に対してクロックされる。

先ず第１に、タービンノズル用の冷却空気の幾らかは、分割線４４に沿ってスプラインシール４８の周りで漏洩しかつ外側寄り流路６０を通って流れる燃焼ガスの高温ストリークを希釈するのに役立つ。

大幅に厚いＴＢＣ７８は、２つのベーン３６、３８の内側寄り表面に沿ってよりも、該２つのベーン３６、３８の外側寄り表面にわたって障害物がない状態でより効果的に施工することができる。外側寄り表面に沿ったより厚いＴＢＣは、外側寄り流路を通って流れる高温ストリークに対する高い熱保護を与える。

さらに、２つの冷却回路６２、６４のフィルム冷却及びインピンジメント冷却構成の両方もまた、上述のように修正して、ベーンの内側寄り表面に沿ってよりも、該ベーンの外側寄り表面に沿って相反冷却を行いかつより多くの冷却を偏らせ、それに対応して高温及び低温ストリークによる異なる熱負荷に適合させるようにすることができる。

図４に示す例示的なベーン３６、３８は、タービンノズルの円周部の周りにほぼ均一な円周方向ピッチ間隔Ｐを有する。燃料噴射装置３０は、隣接するノズルダブレット間の中ほどにクロックさせることができると同時に、中間低温ストリークは、それに対応して各ダブレットにおける２つのベーン３６、３８間の中ほどにクロックさせることができる。

従って、低温ストリークは、内側寄り流路５８を通してだけに流れるように制限され、高温ストリークは、外側寄り流路６０を通してだけ流れるように制限される。また、第１及び第２の回路６２、６４の異なる冷却性能は、高温ストリークを閉じ込める外側寄り流路全体にわたってより多くの冷却を行い、また低温ストリークを閉じ込める内側寄り流路５８の周りでより少ない冷却を行うように効率的に使用することができる。

さらに、高温及び低温ストリークが、図２に示す下流のタービンブレード２２に近づくと、高温及び低温ストリークの密度差により、低温ストリークは、ブレードの凸面形表面上に局所的に集積すると同時に、高温ストリークは、ブレードの凹面形表面上に局所的に集積する。こうした現象は、コンピュータ解析及び使用したエンジンハードウェアにおいて観察されており、タービンブレードの空気力学的性能に悪影響を及ぼす。

しかしながら、内側寄り流路よりも外側寄り流路を選択的に冷却することにより、高温及び低温ストリークの周りに異なった状態で使用済み冷却空気が吐出されかつ高温ストリークの希釈が促進されて、それに対応して低温及び高温ストリークがタービンブレードの列内に向けて下流方向に吐出される時に該低温及び高温ストリーク間での温度の変動が減少する。

燃焼ガス温度の円周方向の変動の減少は、タービンロータブレードの対応する側面上での高温及び低温ストリークの局所的集積を減少させ、タービンロータブレードの空気力学的性能を増大させる。

より具体的には、図１及び図２に示すように、第１段タービンブレード２２の列は、タービンノズルの直後に続き、かつ各タービンブレードはその内部に従来型の冷却回路を備えた状態で中空である。加圧空気は、圧縮機から抽気されかつブレードを通して送られて、該ブレードの側面内の様々な列の従来型フィルム冷却孔内に吐出される。

エンジンの運転時に、上流のノズルベーン３６、３８内のフィルム冷却孔７６は、外側寄り流路６０を通して使用済みの冷却空気を吐出し、それによってタービンブレード２２に向かって下流方向に流れる燃焼器１６からの高温ストリークの希釈冷却を行う。

従って、高温ストリークはより低温となるので、その結果として、タービンブレード上に作用する熱負荷が減少する。こうして、第１段タービンブレードの冷却要件は低下し、またブレード冷却流を減少させてエンジン性能及び効率をさらに増大させることができるか或いは冷却流量を大きなブレード冷却のための同一の状態に維持してブレード寿命を高めることができるかのいずれかにすることができる。

さらに、予測熱負荷に対してベーン３６、３８を正常冷却するのに必要なものよりもより大きい又はより多い量の過剰な冷却空気を、該ベーン３６、３８を通して流すことができる。

このことは次に、過剰なベーン冷却空気を外側寄り流路６０内に吐出させて高温ストリークの希釈をさらに高めることになる。この過剰なベーン冷却は、次の隣接する負圧側面に対して垂直方向にベーン後縁に位置する最少流れ面積のノズルスロート部の上流で生じる。過剰なベーン空気は、運転サイクルに給気可能でなく、性能を低下させない。

それに対応して、タービンブレードに対する冷却空気流の更なる減少は、増大したベーン流が減少したブレード流と共に同時に発生するように生じさせることができる。ブレード冷却流は、運転サイクルに給気可能であり、該ブレード冷却流の減少はエンジン性能を向上させる。

高温ストリークは、燃焼器から様々なタービン段を通って下流方向に流れ続けるので、その選択的な希釈による作動及び性能における利点は、内部冷却回路を有する下流段のノズルベーン及びタービンブレードにおいて並びに周囲のタービンブレードシュラウドにおいて倍加される。

従って、第１段ノズルベーンを選択的に冷却することができることにより、ベーンそれ自体において並びに下流のタービンブレード及び後続のタービン段とのその協働において利点が複合される。

従って、各ノズルセグメントにおける異なるベーンを選択的に冷却することは、冷却性能、空気力学的性能及び熱応力に関して多くの利点をもたらす。限られた量の冷却空気で高温及び低温ストリークによる異なる熱負荷に対して良好に適合して、冷却性能を向上させかつベーン構成部品内の温度差を減少させるようになる。従って、熱応力が低下し、ブレード寿命を向上させることができる。

上記に開示した選択冷却式タービンノズルを使用して、必要に応じてノズルに対する全冷却空気流量をさらに減少させるようにする、或いは一定の冷却空気量を維持するようにする、或いは全冷却媒体流量をさらに増大させて後続の段に向かって後方に運ばれる高温ストリークの希釈を選択的に増大させるようにすることができる。この選択的冷却の様々な利点には、冷却、エンジン性能及び構成部品寿命の向上が含まれる。

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本明細書の教示から当業者には本発明のその他の変更が明らかになる筈であり、従って、全てのそのような変更が本発明の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして特許請求の範囲で保護されることを切望する。

従って、本特許によって保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。

ガスタービンエンジンのタービン部分の軸方向断面図。 線２−２に沿って取った、図１に示す高圧タービンの半径方向断面平面図。 図１及び図２に示すタービンノズルに見られる例示的なノズルダブレットの拡大斜視図。 それと協働する冷却回路の異なる構成を備えた、図２に示す燃焼器及びタービンの概略図。

符号の説明

Ａ 燃料噴射装置の数
Ｂ ベーンの数
Ｐ ピッチ
１０ エンジン
１２ 圧縮機
１４ 空気
１６ 燃焼器
１８ 燃焼ガス
２０ タービンノズル
２２ ロータブレード
２４ 外側ライナ
２６ 内側ライナ
２８ ドーム
３０ 燃料噴射装置
３２ スワールカップ
３４ 出口
３６ 第１のベーン
３８ 第２のベーン
４０ 外側バンド
４２ 内側バンド
４４ 軸方向分割線
４６ 端面
４８ スプラインシール
５０ 正圧側面
５２ 負圧側面
５４ 前縁
５６ 後縁
５８ 内側寄り流路
６０ 外側寄り流路
６２ 第１の冷却回路
６４ 第２の冷却回路
６６ インピンジメントバッフル
６８ インピンジメントバッフル
７０ インピンジメントバッフル
７２ インピンジメントバッフル
７４ インピンジメント孔
７６ フィルム冷却孔
７８ 断熱皮膜（ＴＢＣ）

Claims (10)

1. それらの間に軸方向分割線（４４）を有する外側及び内側バンド（４０、４２）間に対として半径方向に配置された交互する第１及び第２のベーン（３６、３８）の列を備えたタービンノズル（２０）を含み、
   前記第１及び第２のベーン（３６、３８）が、該第１及び第２のベーン（３６、３８）間に前記分割線（４４）がない内側寄り流路（５８）の境界となる該第１及び第２のベーン（３６、３８）の側面を該第１及び第２のベーン（３６、３８）間に分割線（４４）を備えた外側寄り流路（６０）の境界となる側面とは異なる状態で冷却するようになった異なる第１及び第２の冷却回路（６２、６４）を有する、
   ガスタービンエンジン装置。
2. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、前記ベーン対の内側寄り側面に対してよりも、該ベーン対の外側寄り側面（５０、５２）対して相反的により多くの冷却を行う、請求項１記載の装置。
3. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、前記ベーン（３６、３８）の前縁及び後縁（５４、５６）間の前記内側寄り側面（５０、５２）に沿ってよりも、該ベーン（３６、３８）の前縁（５４）から後縁（５６）までの前記外側寄り側面（５０、５２）に沿ってより多くの冷却を行う、請求項２記載の装置。
4. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、異なるフィルム冷却構成を含む、請求項３記載の装置。
5. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、前記内側寄り側面（５０、５２）を貫通するその密度よりも前記外側寄り側面（５０、５２）を貫通するその密度が大きいフィルム冷却孔パターンを含む、請求項４記載の装置。
6. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、異なるインピンジメント冷却構成を含む、請求項３記載の装置。
7. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、前記内側寄り側面（５０、５２）の内面に面するその密度よりも前記外側寄り側面（５０、５２）の内面に面するその密度が大きいインピンジメント孔（７４）パターンを有するインピンジメントバッフル（６６〜７２）を前記ベーン（３６、３８）内部に含む、請求項６記載の装置。
8. 前記第１及び第２の冷却回路（６２、６４）が、前記外側寄り及び内側寄り側面（５０、５２）上に異なる断熱皮膜（７８）を含む、請求項３記載の装置。
9. 前記ベーン（３６、３８）の上流に配置されたアニュラ型燃焼器（１６）をさらに含み、
   前記燃焼器（１８）が、それぞれ前記外側寄り流路（６０）に対してクロックさせた燃料噴射装置（３０）の列を含む、
   請求項３記載の装置。
10. 前記ベーン（３６、３８）列のベーン数が、前記燃料噴射装置（３０）列の燃料噴射装置数の二倍であり、
    前記噴射装置（３０）が、前記分割線（４４）に対してクロックされる、請求項９記載の装置。

Images