JP2005299663A - タービンリング - Google Patents

Abstract

【課題】タービンのロータの外部シュラウドを形成する複数タービンリングの欠点を解消する。
【解決手段】タービンのロータの外部シュラウドを構成する、複数のセクタのアセンブリから形成されるタービンリング。セクタ１１は、スロットに収納された舌状部２７、２８、２９を備える、挿入されたシーリングシステムによって端部と端部を接続され、前記舌状部は、直線状であり、かつ前記セクタの径方向面それぞれの直線状スロット３１、３２、３３内にはめ込まれる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、タービンのロータの外部シュラウドを形成するタービンリングに関する。詳細には、本発明は、航空機ターボジェットの燃焼室の直ぐ下流側に置かれる高圧タービンに適用する。さらに詳細には、本発明は、前記タービンリングを形成するセクタの相互接続および冷却に関する。

非常に高温のガスで駆動される前述の種類のタービンにおいては、ロータは、ロータシュラウドを形成するために、周辺で端部と端部とが結合された複数の曲線状セクタで構成されている固定タービンリング内部で回転する。ブレードホイールを駆動するガスの温度により、セクタ間に発生する熱機械応力が、そのようなリングの劣化をもたらし、リングの寿命を低減させる。一般に、小さな割れ目および／または剥離が、セクタの内側（または「高温」）面、主に隣接セクタ間の接続部の近辺に見られることが多い。

リングに非作動空気の漏れを減少する良好なシーリングを提供して、高温ガスが再び入ることを防止するために、シーリングシステムがそのような隣接セクタ間に設けられる。このシーリングシステムは、舌状部を備え、この舌状部は、セクタ間に延びており、前記セクタの隣接する径方向面においてそれらに面して形成されたスロット内に収納される。

例えば、図１に示す従来技術のセクタ１は、スロット６、７、および８に収納された４つの舌状部２から５を備えるシーリングシステムを含む。舌状部３は曲がり、かつ２つのスロット６および７の間に延び、これらスロット６および７は、開いて互いに通じ、かつ直線状の他の舌状部２および４を収納する。特に曲がった舌状部を挿入すること可能にするために必要な厚みの差のために、スロットを正確に機械加工することは難しい。この舌状部を正確に位置決めすることも難しい。さらに、舌状部２は、スロット６内に完全に収納され、スロット６は、セクタの高温面９に平行であり、かつこの高温面に近い。不利な点は、スロットを形成することだけで、応力集中領域をもたらし、この応力集中領域は、高温面近くに配置される場合、その部分を弱め、かつその部分の劣化を加速する。本発明は、特に、これらの欠点を無くすことができる。

したがって、本発明は、第１に、ロータシュラウドを形成するタービンリングを提供する。タービンリングは、隣接するセクタ間に延びる舌状部を備える挿入されたシーリングシステムを用いて、端部と端部を相互接続された複数のセクタで構成されるタイプであり、前記舌状部は、前記セクタの隣接する径方向面において相互に面するように形成されたスロット内に収納される。タービンリングは、各シーリングシステムが、前記径方向面のそれぞれの直線状スロット内にはめ込まれている直線状舌状部により構成されていることを特徴とする。

真直ぐな舌状部によりシーリングシステムを構成することは、スロットの形成を簡単化し、舌状部をスロット内に組み込み易くする。さらに、舌状部が完全に直線状であるため、より良好に制御される表面に押し付けられる理由から、舌状部の位置合わせに対する制御が改良される。概して、漏れ断面は小さくされる。以下に、３つの舌状部だけを用いる構成を説明する。

さらに詳細には、有利には、前述のタービンリングはさらに、各シーリングシステムが、前記径方向面の内側に延びる山形（ｃｈｅｖｒｏｎ）構成の第１の舌状部および第２の舌状部を備え、前記舌状部は、舌状部の相対位置を正確に画定する前記径方向面の直線状スロット内にはめ込まれることを特徴とする。結果的に、２つの連続するセクタ間の空気漏れは、正確に校正される。したがって、このような漏れは、セクタ相互間の空間のすべてにわたり同一にできる。全体的に、漏れのレートは、前述の従来技術の構成に比較して１０％から２０％減少できると推定される。

本発明の別の利点は、舌状部を高温面に山形形状に配置することにより、応力集中領域を前記高温面からさらに離れるように（スロットが高温面から離れるため）移動でき、さらに舌状部と高温面との空間を十分に取ることにより、冷却空気放出チャネルをこの空間内に開くことができることにあり、この冷却空気放出チャネルは、セクタ内部に形成される空洞から空気を供給される。

さらに詳細には、本発明は、さらに、各セクタが冷却空気流空洞を有する前述のようなタービンリングを提供し、このタービンリングは、さらに、前記冷却空気流空洞とセクタの少なくとも１つの径方向面との間に延びる冷却空気放出チャネルを含むことを特徴とする。これら冷却空気放出チャネルは、径方向面の内側端部と前記第１および第２舌状部との間の前記径方向面に開いている。

添付の図面を参照してなされる、単に例示の目的で記述する以下の説明から、本発明は十分に理解され、また本発明の他の利点も明らかになるであろう。

図において、さらに詳細には図２から図４において、ロータの固定シュラウド、特にターボジェットの高圧タービンのロータの固定シュラウド（図示せず）を構成するタービンリングセクタ１１を示す。このタービンは、燃焼室の下流側に配置される。特に、このようなリングは、前記ロータを囲むわずかに円錐形のシュラウドを形成するように、端部と端部を図に示されるように配置した３２個の曲ったリングセクタ１１から構成される。各セクタ１１を、わずかに曲った厚いプレートにより構成することにより、リングを形成する。ほぼ矩形の内側面１２が存在し、この内側面１２は、わずかに凹状であり、高温ガス流に接触するために「高温」面と呼ばれ、ほぼ矩形の外側面１４は「低温」面と呼ばれる。ロータを通り流れる高温ガスの流れ方向に対して、燃焼室ノズルに面する入口端１６および反対側の出口端１８がある。各セクタ１１は、さらに、２つの径方向面２０および２１を有し、これらの径方向面を介して、各セクタは、前述のシーリングシステム２６（図２参照）によって隣接セクタの周辺に接続される。各シーリングシステム２６は、前記面する径方向面２０、２１に画定された対応するスロット内にはめ込まれた一式の舌状部により構成される。各舌状部は、２つの周辺で隣接するリングセクタにある２つのスロット内にはめ込まれる。

ロータブレードの先端は、このような方法で形成されたリングの内側面を通過して移動する。回転方向は、図３において矢印Ｆで表される。このように、燃焼室から噴射される高温ガスは、リングの内側面近くを流れるため、この内側面は高温に耐える必要がある。したがって、リングの構造体内の温度勾配を可能な限り最小化し（これにより、詳細にはセクタ間の漏れを最小化する）、さらに前記リングを効果的に冷却することの両方が必要となる。この目的のために、コンプレッサから送られる空気の一部を使用して、燃焼室に供給する。これを達成するために、各セクタ１１は、中空であり、かつ外部から供給される冷却空気流空洞３５を有する。

図４は、一式のセクタ１１から構成されるリングの位置を示すかなり簡略化した略図である。タービンケーシング１５は、リングと協働して、環状空洞１７を画定する。このアセンブリは、高圧ノズル２１と低圧ノズル２３との間に軸方向に置かれた高圧ブレードホイール１９の外側に径方向に延びる。コンプレッサからの空気は、燃焼室の上流側の点から取り込まれ、環状空洞１７内に流入（穴を通り）する。したがって、この空洞は、リングの全セクタに供給する。各リングセクタ（図３）は、隔壁４２で分離され、それぞれの開口３７および３８を通して供給される、ジグザグ形状の２つの別個の空洞３９および４０を有する。空洞３９に流れ込む空気は、リングセクタの入口側１６で開いている一連の放出チャネル４４を通り流出される。一方、空洞４０に流れ込む空気は、リングセクタの出口側１８で開いている一連の放出チャネル４６を通り流出される。

セクタ間のシーリングシステムを除けば、前述の配置は知られている。本発明は、詳細には、セクタ間の前記シーリングシステムの有利な改良に関する。

さらに詳細には（図２から図４）、各シーリングシステム２６は、この場合においては、２つの隣接セクタの径方向面のそれぞれの直線状スロット内にはめ込まれた３つの直線状舌状部により形成される。詳細には、各シーリングシステム（図２）は、前記径方向面の内側に配置された、すなわち、セクタの高温面に近接して配置された第１の舌状部２７および第２の舌状部２８を備える。舌状部２７および２８は、山形構成で配置される。すなわち舌状部２７および２８は、セクタの内側面１２および外側面１４に対してある角度で延びる、前記径方向面のスロット３１および３２にはめ込まれる。これらスロットは、２つの舌状部の相対位置を画定する。

さらに、各シーリングシステムは、第３の舌状部２９を含み、この第３の舌状部２９は、実質的に隣接セクタの一端から他端まで延び、リングの軸に平行で、かつ前記径方向面の外側にある。第３の舌状部２９は、隣接セクタの直線状スロット３３にはめ込まれる。図２から明らかなように、第１の舌状部２７は、内側に近い（すなわち、高温面に近い）２つのセクタの入口側近くにある点Ａと、第３の舌状部２９近くにある点Ｂとの間に延びる。第２の舌状部２８は、内側に近い各セクタの出口側１８近くにある点Ｃと、点Ｄとの間に延びるように配置され、点Ｄは、第１舌状部近くにあり、かつ実質的に点Ａから始まる第１の舌状部に沿って中央と２／３の点との間にある。

内側のセクタと外側のセクタとの間、ならびに一体として考えた第３の舌状部と前記第１および第２の舌状部との間の空間で確立された圧力により、図２に見られるように、前記第１の舌状部２７および第３の舌状２９は、それらが収納されるスロット３１、３３の内側面に押し付けられ、一方、第２の舌状部２８は、それが収納されるスロット３２の外側面に押し付けられる。

第１の舌状部２７の長さは、第３の舌状部２９との間に形成される角度に応じる。この角度が決定されると（いくつかの可能性を図５に示す）、第２の舌状部の位置および長さは、この角度から導き出すことができる。

第１の舌状部と第３の舌状部との間に形成される角度は、約１５°から７０°の範囲にできる。

スロットは高精度で機械加工でき、正確に配置される。各舌状部は、これらスロット内に挿入でき、これらの相対位置は正確に制御できる。結果として、前記第１の舌状部と第２の舌状部との間の（Ｓ_１における）漏れ断面、ならびに前記第１の舌状部と第３の舌状部との間の（Ｓ_２における）漏れ断面は、正確に制御される。

図２および図３をさらに詳細に参照すると、冷却空気流空洞３５からの空気による径方向面２０および２１の冷却に関する、本発明の別の有利な特徴を見ることができる。明らかなように、各セクタは、空洞４０とセクタの少なくとも１つの径方向面との間に延びる空気放出チャネル５０を有する。これらチャネルは、径方向面の内側端（高温面）と前記第１の舌状部２７および第２の舌状部２８との間で径方向面２９に開いている。これら２つの舌状部の山形構成により、これら空気放出チャネルを形成する空間が残される。これらチャネルは、リングの軸と平行な列で配置される。図３の例では、これらチャネルは、すべて径方向面に垂直に延びる。図６の例では、チャネル５０のいくつかは、径方向面に垂直に延びるが、前記列の端部にある他のチャネルまたはチャネルの少なくとも１つは、空洞から径方向面方向に向かう他のチャネルからある角度で広がっている。広がるチャネル間の角度は、１０°から１２０°の範囲にできる。特定の事例においては、チャネルは、反対方向に収束する角度で設けることができる。図７の変形形態においては、チャネルは、平行であり、かつ径方向面に垂直な方向に対してある角度を形成する。この角度は、空気が、リングの後方に向けられた構成部品により放出されるような角度である。図８の変形形態においては、チャネルは平行であり、かつ径方向面に垂直な方向に対してある角度を形成する。この角度は、空気が、リングの前方に向けられた構成部品により放出されるような角度である。

この例においては、回転方向を矢印Ｆで示される方向と仮定すると、チャネル５０は、ブレードが達する第１の面である径方向面２０で開いている。これは、セクタ相互間の空間に高温ガスが再導入されるのを回避または無くするのに好都合である。さらに、径方向面２１で開く、反対側の壁面を貫通する類似のチャネルを形成できる。チャネル５０から流出される空気は、そこを貫通してチャネルが形成されている壁面を対流（熱ポンプ）により冷却し、一方で、反対側壁面（面２１）は、空気噴射の衝撃により冷却される。さらに、チャネル５０から流出される空気噴射は、高温ガスの吸込みを防止する一種の流体システムを生成する。

さらに、好ましくは、スロット３１、３２、および３３は、独立、すなわちそれらスロットは、相互に連結していないことに注意すべきである。これにより、２つのスロット間の接続部に工具用の隙間を必要としない。さらにセクタ間の漏れ断面も減少する。

本発明は、さらに、前述の特徴を示す任意のリングセクタまたはリングセクタの任意のアセンブリを提供する。

従来技術のタービンリングを構成するのに用いるセクタの径方向面を示す図である。 本発明による舌状部リングを構成するのに用いるセクタの径方向面を示す図である。 図２のＩＩＩに沿って見た２つの連続セクタを示す図である。 そのようなリングセクタに結合されたケーシングの図である。 前記第１および第２の舌状部についてのさまざまな可能な方向を示す図である。 図３に示すセクタの１つの変形形態を示す部分図である。 図３に示すセクタの１つの変形形態を示す部分図である。 図３に示すセクタの１つの変形形態を示す部分図である。

符号の説明

１１ タービンリングセクタ
１２ 内側面
１４ 外側面
１５ タービンケーシング
１６ 入口端
１７ 環状空洞
１８ 出口端
１９ 高圧ブレードホイール
２０、２１ 径方向面
２２ 高圧ノズル
２３ 低圧ノズル
２６ シーリングシステム
２７ 第１の舌状部
２８ 第２の舌状部
２９ 第３の舌状部
３１、３２、３３ スロット
３５ 冷却空気流空洞
３７、３８ 開口
３９、４０ 空洞
４２ 隔壁
４４、４６ チャネル
５０ 空気流出チャネル

Claims (12)

1. ロータシュラウドを形成するタービンリングであって、該タービンリングが、隣接セクタ間に延びる舌状部（２７、２８、２９）を備える挿入されたシーリングシステムを用いて、端部と端部を相互接続された複数のセクタ（１１）により構成されるタイプであり、前記舌状部が、前記セクタの隣接する径方向面において相互に面するように形成されるスロット内に収納され、各シーリングシステムが、前記径方向面におけるそれぞれの直線状スロット（３１、３２、３３）にはめ込まれた直線状舌状部により構成されること、および各径方向面に形成されたスロットが独立していることを特徴とする、タービンリング。
2. ２つのセクタ間の各シーリングシステムが、前記径方向面の内部から山形構成で延びる第１および第２の舌状部（２７、２８）を備え、前記第１および第２の舌状部が、舌状部の相対位置を画定する前記径方向面におけるスロット（３１、３２）内にはめ込まれることを特徴とする、請求項１に記載のタービンリング。
3. 各シーリングシステムが、第３の舌状部（２９）を含み、該第３の舌状部（２９）は、実質的に隣接セクタの一端から他端まで延び、タービンリングの軸に平行であり、かつ前記径方向面の外側にあることを特徴とする、請求項２に記載のタービンリング。
4. 前記第１の舌状部（２７）が、内側に向かう各セクタの入口端近くにある点（Ａ）と、前記第３の舌状部近くにある点（Ｂ）との間に延びることを特徴とする、請求項３に記載のタービンリング。
5. 前記第１の舌状部および第３の舌状部の方向によって画定される角度が、１５°から７０°の範囲にあることを特徴とする、請求項４に記載のタービンリング。
6. 前記第２の舌状部（２８）が、内側に向かう各セクタの出口端近くにある点（Ｃ）と、点（Ｄ）との間に延び、該点（Ｄ）が、前記第１の舌状部近くにあり、実質的に第１の舌状部の中央と、第１の舌状部に沿った方向の２／３の点との間にあることを特徴とする、請求項４または５に記載のタービンリング。
7. 各セクタが、冷却空気流空洞（４０）を含み、各セクタが、前記冷却空気流空洞と前記セクタの少なくとも１つの径方向面（２０）との間に延びる空気放出チャネル（５０）を含み、該空気放出チャネルが、前記径方向面の内側端と前記第１および第２の舌状部との間で前記径方向面に開くことを特徴とする、請求項４または５に記載のタービンリング。
8. 空気放出チャネルの少なくともいくつかが、前記径方向面にほぼ垂直に延びることを特徴とする、請求項７に記載のタービンリング。
9. 前記空気放出チャネルの開口が、タービンリングの軸に平行な列に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のタービンリング。
10. 前記列の端部に配置される空気放出チャネルが、ある角度で形成され、かつ冷却空気流空洞から径方向面に向かう他のチャネルに対して広がっていることを特徴とする、請求項９に記載のタービンリング。
11. 前記セクタの２つの隣接する径方向面の面するスロットが、単一の舌状部（２７、２８、２９）を収納することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のタービンリング。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のリングを含むことを特徴とする、タービン。

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