JP2004204839A - 隣接する部材間を跨ぐ表面埋込形シールを有するシュラウドセグメント及び組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、セラミックマトリックス複合材料で作られたガスタービンエンジンのシュラウドセグメント及びシュラウド組立体に関する。
【解決手段】 シュラウドセグメント（１２）の半径方向外側表面（２４）は、円周方向に間隔を置いて配置された対向する第１及び第２の端縁部表面陥凹部（３２、３４）を含む。表面陥凹部は、セグメント（１２、１４）間、又はセグメントとエンジン部材との間に形成された表面陥凹部（３６）内に半径方向外側の流体シール部材（４４）を受ける形状のシール面（４０）を有する。凹部シール面（４０）は、円弧状の移行面（４２）によりシュラウドセグメントの半径方向外側表面（２４）と結合されている。表面陥凹部（３２、３４）は第１の形状を備え、該陥凹部（３２、３４）内に配置された流体シール部材（４４）は、第１の形状と形状が一致する第２の形状の表面（４６）を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般的に回転部品の周りに配置されたタービンエンジンのシュラウド及び回転ブレードの周りに配置されたそれらの組立体に関する。より具体的には、本発明は、例えばガスタービンエンジンのタービンセクション内で用いられる、特に低延性材料で作られた空気冷却式ガスタービンエンジンのシュラウドセグメント及びシュラウド組立体に関する。

一般的にガスタービンエンジンでは、複数の固定シュラウドセグメントが、軸流エンジンの軸線を中心に円周方向にかつ例えばタービンブレードなどの回転ブレード部材の周りで半径方向外側に組立てられて、ブレードを覆う半径方向外側流路境界の1部を形成する。更に、シュラウドセグメントの組立体は、ノズル及び／又はエンジンフレームのような軸方向に隣接するエンジン部材の軸方向間でエンジン内に組立てられる。ガスタービンエンジン技術における様々な形態において説明されてきたように、円周方向に隣接するシュラウドセグメント間及び軸方向に隣接するエンジン部材間の分離部分を通して、シュラウドセグメントの冷却空気が半径方向内向きにまたエンジン流路流体が半径方向外向きに漏洩するのを防止することが望ましい。このような望ましくない漏洩は、タービンエンジンの作動効率を低下させる可能性があることが知られている。一部の現行のシール設計及び組立体は、シュラウドセグメントのスロット内に配置されたシール部材を含む。現行のシュラウドの典型的な形態は、多くの場合、時としてスプラインシールと呼ばれる薄い金属ストリップを保持するために円周方向及び／又は軸方向端縁に沿ってスロットを有する。作動時、このようなスプラインシールは、半径方向に自由に動くことができて、スロット端縁において圧力荷重を受け、それによってシュラウドセグメント間の漏洩を最少にする。通常のスロット構成のために、比較的鋭い端縁において応力が発生する。しかしながら、後で述べるように、シュラウドセグメントが作られている現行の金属材料では、シュラウドセグメントを傷つけることなくこのような応力を吸収することができる。タービンエンジンシュラウド及びこのようなシュラウドシールに関する米国特許の実例には、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６が含まれる。

シュラウド及びシュラウドセグメントを作るのに現在一般的に使用されている金属タイプの材料は、エンジン作動中にシュラウドセグメントに損傷を生じさせることなく、シュラウドがシュラウドセグメントのスロット内に現在使用されているセグメント間リーフ又はスプラインシールを受けかつ保持することを可能にするほど十分に高い強度及び延性を備える機械的特性を有する。一般に、このようなスロットは、比較的鋭いコーナ又は比較的深い凹みを備えるように製造されるのが好都合であり、このことが、時として応力ライザと呼ばれる応力集中部位を生じさせる可能性がある。そのような種類の組立体は、エンジン作動中に大きな圧縮力をシュラウドセグメントに加えることになる可能性がある。このようなセグメントが、ガスタービンエンジンに現在用いられている標準的な耐熱合金で作られた場合、合金構造は、セグメントに損傷を与えることなくこのような圧縮力に容易に耐えてかつ対処することができる。しかしながら、シュラウドセグメントが低延性で比較的脆性の材料で作られた場合、このような圧縮荷重は、エンジン作動中にセグメントに対して破損又は他の有害な損傷をもたらす可能性がある。

現在のガスタービンエンジン開発は、シュラウドセグメント及び他の構成部品のようなより高温用途に使用するために、現在用いられている金属タイプの材料より高い耐熱性能を有するある種の材料を提案してきた。しかしながら、このような材料は、その形態が市場でセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）と呼ばれるが、シュラウドセグメントのような部品の設計及び使用の際には考慮しなければならない機械的特性を有する。例えば、ＣＭＣタイプの材料は、金属材料と比較すると破損に対して比較的低引張り延性又は低ひずみ性を有する。従って、ＣＭＣタイプのシュラウドセグメントが、流体シールを受けかつ保持するために比較的鋭いコーナ又は深い凹みのような特徴的形状を備えて製造された場合、このような特徴的形状が有害な応力ライザとして作用する可能性がある。ＣＭＣタイプのセグメントでのこのような応力ライザにおいて生じる圧縮力は、セグメントの破壊を引き起こすほど高くなる可能性がある。

一般に、市販されているＣＭＣ材料は、その形態が窒化ホウ素（ＢＮ）のようなコンプライアンス性のある材料で被覆された、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）のようなセラミックタイプの繊維を含む。この繊維は、セラミックタイプのマトリクス中に担持され、その１つの形態がＳｉＣである。一般的に、ＣＭＣタイプの材料は、本明細書中では低延性材料を定義しそれを意味するのに用いている、約１％より大きくない室温引張り延性を有する。通常、ＣＭＣタイプの材料は、約０．４〜０．７％の範囲内の室温引張り延性を有する。これは、少なくとも５％、例えば約５〜１５％の範囲内の室温引張り延性を有するシュラウド、及び支持構造体又はハンガ材料として現在用いられている金属材料と対比される。ＣＭＣタイプの材料から作られたシュラウドセグメントは、金属タイプの材料の耐熱性能よりも或る程度高い耐熱性能を有するが、流体シール用のスロット又は凹み内に生じる上述したまた現在用いられているタイプの圧縮力には耐えることができない。
米国特許第３，７９８，８９９号明細書 米国特許第３，８０７，８９１号明細書 米国特許第５，０７１，３１３号明細書 日本公開公報平成４−２５２８２４号 日本公開公報平成４−３３０３０２号 米国特許第５，５６２，４０８号明細書

従って、有害な応力を発生させることなくセグメント間流体シールを受けかつ保持するように構成にされたシュラウドセグメント及びシュラウドセグメント組立体は、脆性のセグメントに作動損傷を生じさせることなく流体シールが該セグメント間に保持された状態で、低延性シュラウドセグメントを有利に使用することを可能にする。

１つの形態では、本発明は、複数の円周方向に配置されたシュラウドセグメントを含むタービンエンジンのシュラウド組立体内で用いるためのシュラウドセグメントを提供する。各シュラウドセグメントは、少なくとも一対の第１及び第２の間隔を置いて、例えば円周方向及び／又は軸方向に間隔を置いて配置された対向する外側表面端縁部間で延びる半径方向外側表面を有するシュラウドセグメント本体を含む。一対において、シュラウドセグメントの第１及び第２の外側表面端縁部の少なくとも１つは、第１の形状の陥凹部シール面を備える陥凹部を含み、該陥凹部シール面は、該陥凹部に沿って延び、かつ円弧状の移行面によりシュラウド本体の半径方向外側表面と結合されている。

シュラウドセグメントの円周方向組立体では、セグメント間及び／又は軸方向に隣接する部材間における漏洩は、セグメント内のスロットタイプの陥凹部内にではなく、セグメントの半径方向外側表面上の陥凹部内に配置されたシールの組合せにより防止される。該組立体において、シュラウドセグメントの第１の端縁部は、並置された隣接する第２の部材、例えば円周方向に隣接する第２のシュラウドセグメントからそれらの間の分離部分により分離される。円周方向に隣接するシュラウドセグメントの場合、シュラウドセグメントの並置された陥凹部は、該シュラウドセグメント間でほぼ軸方向に延びる表面陥凹部を形成する。表面陥凹部内に配置されかつ分離部分を跨いでいるのは、流体シール部材である。流体シール部材は、シュラウドセグメントの陥凹部シール面の第１の形状と形状が一致する第２の形状を備えかつ分離部分に沿って該陥凹部シール面とそれぞれ接触するように並置されるシール面を含む。本発明の１つの形態は、シュラウドセグメントの平坦な表面とシール部材の平坦な表面とを並置された状態に保持するためのシール保持装置を含む。

本発明を、米国特許第５，５６２，４０８号明細書に示され記載されている一般的タイプの実施例の軸流ガスタービンエンジンに関連して説明する。このようなエンジンは、全体として前部から後部まで直列に流体連通している複数の協働するエンジン部材及びそれらのセクションを含み、それらには、長手方向のエンジン軸線の周りに軸対称に配置された、１つ又はそれ以上の圧縮機、燃焼セクション、及び１つ又はそれ以上のタービンセクションが含まれる。従って、本明細書中で用いるとき、例えば「軸方向前部」及び「軸方向後部」のような「軸方向」という用語を用いる成句は、エンジン軸線に対するほぼ相対的位置の方向を表し、「円周方向」という用語の形態を用いる成句は、ほぼエンジン軸線の周りでの円周方向の配置を意味し、また例えば「半径方向内側」及び「半径方向外側」のような「半径方向」という用語の形態を用いる成句は、ほぼエンジン軸線からの半径方向の相対的配置を意味する。

最新式のガスタービンエンジンの選択された部品又は構成部品、例えば非回転タービンシュラウドセグメントに対しては、上述のＣＭＣタイプの材料のような低延性材料を用いることが望ましいと判断されるようになってきた。しかしながら、このような材料の相対的に脆性である性質のために、このような構成部品の金属形態での流体シールを支持するのに現在用いられている従来型の機構は、用いることができない。すなわち、比較的に大きい機械的、熱的及び接触による応力により、脆性材料の破壊を生じる可能性がある。本発明の形態は、このような脆性材料で作られた部品又は構成部品に対して、該部品に望ましくない応力を作用させるのを回避するような方法で流体シールを保持するための部品構成及び機構を提供する。

低延性材料で作られたガスタービンエンジンのタービンシュラウドセグメント及びシュラウドセグメントの円周方向組立体の形態をした部品に関連して、本発明の形態を説明する。そのようなシュラウドセグメントの組立体は、一般的に軸方向に隣接するエンジン部材間、例えばタービンノズルとエンジンフレームとの間、間隔を置いて配置されたタービンノズル間等に配置される。図１の概略斜視図は、本発明の１つの実施形態において、全体を符号１０で示すシュラウドセグメントの円周方向組立体の、各々がＣＭＣ材料で作られた一対のタービンエンジンのタービンシュラウドセグメントを含む。第１のシュラウドセグメントは全体を符号１２で示し、第２のシュラウドセグメントは全体を符号１４で示す。図面の実施形態では、タービンエンジン内のシュラウドセグメント１２及び１４、並びに他の隣接するエンジン部材の方向は、それぞれエンジンの円周方向、軸方向及び半径方向を表すエンジン方向矢印１６、１８、及び２０により示される。

各シュラウドセグメント、例えばセグメント１２及び１４は、シュラウド本体２２を含み、該シュラウド本体２２は、本体の半径方向外側表面２４と、回転ブレード（図示せず）から半径方向外側に位置する、エンジン作動中にエンジンのフローストリームに曝される円周方向に円弧状の本体の半径方向内側表面２６とを有する。シュラウド本体２２は、当該技術においてよく知られかつ報告されてきた様々な方法(図示せず)でエンジン構造体により支持されることができる。各シュラウドセグメント本体の半径方向外側表面２４は、少なくとも一対の間隔を置いて配置された対向する外側表面端縁部の間で延びる。図１において、１つの対が、全体を符号２８で示す第１の円周方向外側表面端縁部と該第１の外側表面端縁部２８から間隔を置いて配置されかつ該第１の外側表面端縁部２８と対向する全体を符号３０で示す第２の円周方向外側表面端縁部との間で延びる。外側表面２４はまた、軸方向に間隔を置いて配置されかつ互いに対向する、全体を符号３１で示す端縁部間で軸方向に延びる。図１の実施形態において、第１及び第２の外側表面端縁部２８及び３０の各々は、それぞれ陥凹部３２及び３４を含み、該陥凹部３２及び３４は、それぞれ合わさって、シュラウドセグメント１２及び１４間の軸方向に延びる円周方向分離部分３８を跨ぐ表面陥凹部３６を形成する。各陥凹部３２及び３４は、合理的な許容範囲内で実質的に平坦であることを意味して図面では便宜上平坦であるように示している、各外側表面端縁部２８及び３０にほぼ軸方向に沿った、また図１の実施形態においては、便宜上各外側表面端縁部２８及び３０に軸方向にわたった第１の形状の陥凹部シール面４０を含む。各陥凹部のシール面４０は、シュラウド組立体中の流体シール部材の一致するシール面と協働するように意図されており、円弧状のフィレット形の移行面４２によりシュラウド本体の半径方向外側表面２４と結合される。本明細書中で用いられるように、円弧状というのは、相対的に鋭い表面屈曲形状と応力集中が高まる可能性がある配置とを避けるようにほぼ構成されていることを意味する。全体的に深さが浅い陥凹部は、平面研削、機械加工等を含むような機械的材料除去方法により外側表面端縁部内に容易に形成することができる。それに代えて、このような表面端縁部は、例えば鋳造の間のように、シュラウドを製造する間に、設けることができる。

図２は、流体シール部材４４がセグメント間を軸方向に延びている状態での、図１に示すセグメント組立体の一部の部分断面斜視図である。図３は、軸方向後方から前方を見た、図１に示すセグメント組立体の別の実施形態の概略部分断面図である。図２及び図３において、金属製として示すが必要に応じて高温要件を強化するためにＣＭＣ材料部材とすることができる流体シール部材４４は、撓み又は変形により一致させることができることを含む意味で、陥凹部シール面４０の第１の形状と形状が一致する第２の形状のシール面４６を含む。本明細書で使用するとき、「形状が一致する」というのは、協働する並置されたシール面の形状が、該シール面間に制御された或いは一定した境界面接触又は間隔を形成するように互いに整合した構成とされることが可能になるように構成されるか又は十分に撓み性を有することを意味する。それらの図の実施形態において、また製造の容易さの都合上、流体シール部材４４は、シール面４６が平坦で陥凹部シール面４０の形状と一致するように、例えば約０．０１〜０．０５インチの範囲の厚さを有する薄い平坦な金属ストリップとして示されている。「平坦な」という用語は、軽微な重要ではない変動を含むことを理解されたい。流体シール部材４４は、並置されたセグメント１２及び１４の表面４０に沿いかつ分離部分３８を跨いで軸方向に延びる。組立体において、図２において力の矢印４８で表されたシール保持装置と図３において一般的なシュラウドハンガ５０により支持された段付きピン４８とは、セグメント１２および１４を跨ぐように流体シール部材４４を陥凹部３６内に保持する。協働する実質的に一致する形状の表面４０及び４６は、並置されてそれら面の間に流体圧力降下タイプのシールを形成する。図３の実施形態において、全体を符号４８で示す段付きピン保持装置は、シュラウドハンガ５０により支持された拡大ヘッド５２と小型ピン部５４とを含む。ヘッド５２は、図１により明確に示す、陥凹部３６の表面４０において分離部分３８を跨ぐように流体シール部材４４を保持する寸法及び形状にされたスロット５６を含む。流体シール部材４４は、陥凹部３６内に配置されて、半径方向近傍のヘッド５２と該ヘッドのスロット５６との組合せでシール部材４４を円周方向１６に保持する。

シール保持装置４８は、組立体のこれらの部材を上述の相対的位置に保持するが、エンジン作動中、冷却用空気が一般的に、シュラウドセグメント本体の半径方向外側表面２４に対して、また該組立体の半径方向外側部分の周りに供給される。このような冷却用空気の圧力は、シュラウドセグメント本体の半径方向内側表面２６におけるエンジン流路流体の圧力より大きいために、このような冷却用空気の圧力は、シュラウドセグメント１２及び１４に向かって流体シール部材４４に荷重を加え又は該流体シール部材４４を押圧し、両者を押圧して実質的に一致するシール面４０及び４６とする。上述した組立体上へのそのような作用により、実質的に一致するシール面４０及び４６間により有効な圧力降下タイプの流体シールを形成する。上述したように、シール部材４４は、温度要件によりＣＭＣ材料が必要な場合、ＣＭＣ材料で作ることができる。更に、シール部材４４は、相対的に撓み性を有し又は変形可能として、シール部材表面４６が、圧力荷重を受けることにより、作動中の熱変形及び圧力荷重の間に表面４０の形状に追従しかつ該形状に一致することができるようにする。

流体シール式セグメントのシュラウドセグメント及び組立体を、該組立体の半径方向外側表面上に配置されたシールの組合せとセグメント内の応力集中の発生を回避する上述の協働する表面構成とを有するように形成することにより、低延性材料、例えばＣＭＣで作られたシュラウドセグメントを実用することが可能になる。本発明を、特定の実施例、材料、及び構造と形状の組合せに関して説明してきたが、それらは、本発明の技術的範囲をいかなる方法にせよ限定しようとするものではなく、むしろその特徴を表しかつ代表例として示すことを意図するものであることを理解されたい。関係する、例えばタービンエンジン、金属、非金属及び複合材料並びにそれらの組合せに関係する種々の技術の当業者には、本発明が特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱することなく変更及び修正することができることは明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

タービンエンジンのシュラウドセグメントにおける円周方向組立体の２つの隣接するシュラウドセグメントの概略部分斜視図。 流体シールがセグメントの並置された端縁部の表面陥凹部により形成された表面陥凹部内に配置されかつ保持された状態でのシュラウド組立体における、図１に示すシュラウドセグメントの一部の部分断面斜視図。 シールをシュラウドセグメントに保持しているシール保持装置の１つの形態を示す、図２の組立体の概略部分断面図。

符号の説明

１０ シュラウド組立体
１２ 第１のシュラウドセグメント
１４ 第２のシュラウドセグメント
２４ 半径方向外側表面
２６ 半径方向内側表面
３８ 分離部分
４０ 陥凹部シール面
４２ 移行面
４４ 流体シール部材
４６ 流体シール部材表面
４８ シール保持装置

Claims (16)

1. 少なくとも一対の第１（２８）及び第２（３０）の間隔を置いて配置された対向する外側表面端部間で延びる半径方向外側表面（２４）を有するシュラウドセグメント本体（２２）を含むタービンエンジンのシュラウドセグメント（１２）であって、
   前記対における前記半径方向外側表面（２４）の前記第１及び第２の外側端縁部（２８、３０）の少なくとも１つが、表面陥凹部（３２／３４）を含み、前記表面陥凹部（３２／３４）が、該陥凹部（３２／３４）に沿って第１の形状の陥凹部シール面（４０）を含み、
   前記陥凹部シール面（４０）が、円弧状の移行面（４２）により前記シュラウド本体の半径方向外側表面（２４）と結合されている、
   ことを特徴とするシュラウドセグメント（１２）。
2. 前記第１及び第２の外側端縁部（２８、３０）の各々が、表面陥凹部（３２、３４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシュラウドセグメント（１２）。
3. 前記一対の第１及び第２の外側表面端部（２８、３０）が、円周方向（１６）に間隔を置いて配置され、
   前記陥凹部（３２、３４）の前記陥凹部シール面（４０）が、該陥凹部（３２、３４）に沿って軸方向（１８）に延びている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のシュラウドセグメント(１２)。
4. 前記一対の第１及び第２の外側表面端部(３１）が、軸方向（１８）に間隔を置いて配置され、
   前記陥凹部（３２、３４）の前記陥凹部シール面（４０）が、該陥凹部（３２、３４）に沿って円周方向（１６）に延びている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のシュラウドセグメント(１２)。
5. 前記シュラウドセグメント(１０)が、円周方向（１６）に間隔を置いて配置された第２の対の第１及び第２の外側表面端部（２８、３０）を含み、該第２の対の前記陥凹部シール面（４０）が、軸方向（１８）に延びていることを特徴とする、請求項４に記載のシュラウドセグメント(１２)。
6. 前記陥凹部シール面（４０）の前記第１の形状が、平坦であることを特徴とする、請求項１に記載のシュラウドセグメント(１２)。
7. 前記シュラウドセグメント(１２)が、室温で測定して約１％より大きくない引張り延性を有する低延性材料で作られていることを特徴とする、請求項１に記載のシュラウドセグメント(１２)。
8. 前記低延性材料が、セラミックマトリックス複合材料であることを特徴とする、請求項７に記載のシュラウドセグメント(１２)。
9. 複数の円周方向（１６）に配置されたシュラウドセグメント(１２、１４)を含むタービンエンジンのシュラウド組立体（１０）であって、
   前記シュラウドセグメント(１２、１４)は、該シュラウドセグメント（１２）の前記第１及び第２の外側端縁部（２８、３０）が並置された隣接する第２の部材（１４）の表面（４０）から該表面との間の分離部分（３８）により分離された状態で、請求項１に記載の該シュラウドセグメント(１２)を含み、
   前記表面陥凹部（３２、３４）内に保持されかつ前記分離部分（３８）を跨いでいる流体シール部材（４４）が設けられ、
   前記流体シール部材（４４）が、前記陥凹部シール面（４０）の前記第１の形状と形状が一致しかつ前記分離部分（３８）に沿って前記陥凹部シール面（４０）と接触するように並置された第２の形状の流体シール部材表面（４６）を含む、
   ことを特徴とする、シュラウド組立体（１０）。
10. 前記流体シール部材（４４）が、前記陥凹部シール面（４０）との接触を可能にするのに十分な撓み性を有することを特徴とする、請求項９に記載のシュラウド組立体（１０）。
11. 前記一対の第１及び第２の外側表面端縁部（２８、３０）が、円周方向（１６）に間隔を置いて配置され、
    前記シュラウドセグメント（１２、１４）は、円周方向（１６）に隣接する前記第１及び第２の外側端縁部（２８、３０）の前記陥凹部（３２、３４）が該陥凹部の間に前記第１の形状の陥凹部シール面（４０）と軸方向（１８）に延びる分離部分（３８）とを含む軸方向（１８）に延びる表面陥凹部（３６）を形成する状態で、円周方向（１６）に配置され、
    前記流体シール部材（４４）が、前記分離部分（３８）に沿って軸方向（１８）に配置されている、
    ことを特徴とする、請求項９に記載のシュラウド組立体（１０）。
12. 前記シュラウドセグメント（１２、１４）の各々が、室温で測定して約１％より大きくない引張り延性を有する低延性材料で作られていることを特徴とする、請求項９に記載のシュラウド組立体(１０)。
13. 前記低延性材料が、セラミックマトリックス複合材料であることを特徴とする、請求項１２に記載のシュラウド組立体(１０)。
14. 前記流体シール部材（４４）が、室温で測定して約１％より大きくない引張り延性を有する低延性材料で作られていることを特徴とする、請求項１２に記載のシュラウド組立体(１０)。
15. 前記低延性材料が、セラミックマトリックス複合材料であることを特徴とする、請求項１４に記載のシュラウド組立体(１０)。
16. 前記陥凹部シール面（４０）の前記第１の形状と前記流体部材シール面（４６）の前記第２の形状との両方が、平坦であることを特徴とする、請求項９に記載のシュラウド組立体(１０)。

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