JP2006052725A - 耐熱性ベーンアッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンにおいて有用な種類のベーンアッセンブリが提供される。
【解決手段】 タービンエンジンのためのベーンアッセンブリ（１０）は、内部キャビティ（２０）を有する耐熱ベーン（１２）と、ベーン（１２）の両側の端部からキャビティ内へ翼幅方向に延在する一対の可撓性の金属バッフル（２６）とを特徴とする。ナット・ボルトアッセンブリなどの剛性のファスナ（４８）が、バッフルに引張り荷重を掛ける。引張り荷重は、ベーンに掛けられる圧縮荷重として反応する。別の実施態様では、バッフルは、相対的に剛性であるが、ファスナは、可撓性である。ベーンに及ぼされた圧縮荷重は、耐熱材料により一般に示される脆性の影響を打ち消し、ベーンに損傷耐性を与える。この構成はさらに、ベーンに容易に固定できる金属バッフルの使用を可能とし、バッフルとベーンの翼幅方向末端との間の潜在的に困難なシールの必要なしで済ます。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおいて有用な種類のベーンアッセンブリに関し、特に、ベーンに圧縮荷重を掛ける張力バッフルアッセンブリを含むベーンアッセンブリに関する。

（政府権益の陳述）
本発明は、米国政府の契約第Ｆ−３３６１５−９７−Ｃ−２７７９号によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

ガスタービンエンジンのタービンモジュールに使用される流体案内ベーン（ｆｌｕｉｄ ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ ｖａｎｅ）などの流体案内ベーンは、高温のガス燃焼生成物に曝されている。高温ガスによる損傷の影響からベーンを保護するさまざまな手段がとられている。これらには、耐熱性ニッケルまたはコバルト合金でベーンを作成すること、ベーンに断熱被覆（ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ）を施すこと、およびエンジン圧縮機から抽出された相対的に低温の圧縮空気でベーンを冷却することが含まれる。

従来の冷却技術には、インピンジメント冷却が含まれる。インピンジメント冷却ベーンは、内部キャビティと、キャビティ内に配置されているがキャビティ壁からは短い距離だけ離間しているシート状金属冷却材インサートまたはバッフルとを有する。バッフルとキャビティ壁の間の空間は、インピンジメント空間と呼ばれる。バッフルは、一般にニッケル合金で作成されており、ベーンの翼幅方向（ｓｐａｎｗｉｓｅ）の末端（ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ）近くにおいてベーンに溶接されている。溶接接続部が、バッフルをベーンに取り付け、また、インピンジメントキャビティの翼幅方向の末端をシールする。多数のインピンジメント冷却孔が、バッフルを貫通している。エンジン作動中に、冷却材が、バッフルの内部に流入し、次いで、インピンジメント冷却孔を通って流れ、これらのインピンジメント冷却孔が、冷却材を複数の高速冷却材ジェットに分割する。冷却材ジェットは、キャビティ壁に衝突してキャビティ壁を低温に保つ。次いで、冷却材は、通常はキャビティ壁を貫通する冷却材排出通路を通って、インピンジメントキャビティから排出される。
米国特許第３，３７８，２２８号明細書 米国特許第４，３１４，７９４号明細書

上述した合金、被覆、および冷却技術の多くの長所にも拘わらず、タービンエンジンベーンの耐用寿命を延ばすようにあるいはエンジン性能を向上させるさらに高い内部温度においてエンジンを作動させるように、タービンエンジンベーンの耐熱性をさらに向上させるのが望ましい。耐熱性を向上させる方法の一つは、耐熱材料でベーンを構成することである。耐熱材料としては、耐熱金属合金（モリブデンおよびニオブ合金など）と、セラミックと、金属間化合物から成る組成物とが挙げられる。しかしながら、これらの材料は、いくつかのあるいは全ての温度において脆いので、割れを受けやすい。

また、耐熱材料は、ニッケルまたはコバルト合金より良好な耐熱性を示すとはいえ、依然として、既に述べた従来の金属バッフルを用いたインピンジメント冷却を利用する必要があり得る。従来の金属バッフルは、耐熱材料で作成されたベーンにおいてさえ、少なくとも二つの理由で望ましい。第一に、従来のバッフル合金は、耐熱材料が有するより高い熱膨張係数を有するが、エンジン作動中はより低い温度に曝されている。従って、従来の金属バッフルの熱応答は、耐熱ベーンの熱応答に適合することになる。第二に、従来の金属バッフルは、耐熱バッフルと異なり、構造上の完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を何らそれとわかるほど損なわずに、インピンジメント冷却孔を貫通させることができる。残念ながら、従来の金属冷却材バッフルは、バッフルをベーンに取り付けかつインピンジメントキャビティの端部をシールするために、耐熱ベーンに溶接できない。原理的には、インピンジメントキャビティ端部のシールの問題は、適合している材料で作成されたシールを用いて克服できるであろう。しかしながら実際には、このようなシールは、タービンエンジン内で遭遇する極端な温度および／または機械的酷使（例えば、振動および擦過（ｃｈａｆｉｎｇ））に耐えることができない。さらに、たとえ適切なシール材料が利用できたとしても、それ自体では、金属バッフルをセラミックベーンに取り付ける問題には対処することにはならないであろう。

必要とされているのは、良好な割れ抵抗性を示し、金属バッフルを受け入れることができ、しかも、苛酷な熱的および機械的環境に不適当な材料を使用する必要のない、冷却可能で非常に耐熱性のベーンアッセンブリである。

従って、本発明の一実施態様によれば、ベーンアッセンブリが、内部キャビティと、ベーンの両側の端部からキャビティ内へ延在するバッフルとを有するベーンを含む。バッフルに掛けられる引張り荷重は、バッフルをベーンに固定しかつバッフルとベーンとの間にシールをもたらすのを助ける。ベーンに掛けられる圧縮荷重は、ベーンを作成するのに使用される材料内のどのような脆性も補償するように応力分布を最適化するのを助ける。

本発明のさらに詳細な実施態様においては、ファスナが、バッフルを互いに接続する。バッフルは、ファスナに比較して相対的に可撓性である。ファスナは、バッフルをベーンに固定する引張り荷重を掛け、またファスナは、バッフルとベーンとの間にシールをもたらすようにバッフルを撓ませる。

本発明のさまざまな実施態様の上述したものおよび他の特徴は、以下の本発明を実施するための最良の形態の説明および添付の図面からより明らかになるであろう。

図１〜図３を参照すると、タービンエンジンのためのベーンアッセンブリ１０は、第一または径方向外側のプラットホーム１４と、第二または径方向内側のプラットホーム１６とを有するベーン１２を含む。径方向外側および内側のプラットホームとしてプラットホームを特定することは、ガスタービンエンジンのタービンモジュール内に取り付けるときのベーンの配置を反映している。エーロフォイル１８は、プラットホーム間に翼幅方向に延在する。ベーン壁２２により画成されるエーロフォイル形状の内部キャビティ２０は、エーロフォイルを通って翼幅方向に延在する。キャビティは、図１に最もよく示されるように、その翼幅方向末端にフレア（ｆｌａｒｅ）部分２４を有する。ベーンは、耐熱金属合金、セラミック、または金属間化合物から成る組成物などの耐熱材料で作成される。

金属バッフルアッセンブリは、それぞれニッケル基合金で作成された第一および第二（径方向外側および内側）のバッフル２６を含む。多数のインピンジメント孔２８が、バッフルを貫通している。各バッフルは、その翼幅方向の長さの大部分に沿ってエーロフォイル形状であり、また、ベーンキャビティのフレア部分２４に形状が類似しているフレア近接（ｐｒｏｘｉｍａｌ）端部３０と、方形化（ｓｑｕａｒｅｄ−ｏｆｆ）遠隔（ｒｅｍｏｔｅ）端部３２とを有する。冷却材入口３６が、冷却材を、各バッフルの内部へ流入させる。各フレア端部３０は、バッフルがベーン内に取り付けられるとき、それぞれキャビティ２０に面しあるいはキャビティ２０とは反対に面する内側表面３８と外側表面４０とを有する。隆起縁部４２が、各内側表面３８の周囲に延在する。隆起縁部は、例えばバッフルの一体形状部として、または、内側表面の周囲に局所的に施された所定の厚みの被覆として、任意の適切な方法で形成できる。最終のベーンアッセンブリにおいて、バッフルは、図１に最もよく示されるように、ベーンキャビティ２０内に納まり、バッフル近接端部３０は、ベーンの翼幅方向末端に最も近く、バッフル遠隔端部３２は、翼幅方向末端から遠く離れている。縁部４２は、キャビティのフレア部分に接触する。バッフルは、バッフルを取り囲むインピンジメントキャビティ４６を画成するようにベーン壁２２と協同する。

ナット・ボルトアッセンブリなどのファスナ４８が、バッフルを互いに接続する。本発明の一実施態様は、ファスナに比較して相対的に可撓性であるシート状金属バッフルを含み、ファスナは、バッフルに比較して相対的に剛性である。バッフルが最初にエーロフォイルキャビティ内に配置されるとき、バッフル遠隔端部３２は、バッフル間の間隙空間Ｃ₁（図４）によって互いに翼幅方向に離間される。しかしながら、ナット５０がボルト５２上へ締め付けられると、バッフルは、図１および図５に示されるように、特にフレア近接端部３０において、遠隔端部３２が互いに接触するまで撓む。その結果、ファスナは、翼幅方向に向いた引張り荷重をバッフルアッセンブリに掛け、次いで、バッフルアッセンブリが、翼幅方向圧縮荷重をベーンに掛ける。引張り荷重および圧縮荷重の大きさは、バッフルの材料、厚み、および形状寸法の適切な選択により、および、最初のバッフル間の間隙空間Ｃ₁により、正確に調整できる。代替として、ナットは、図６に示されるように、バッフル間の間隙を最初の値Ｃ₁から所定の非ゼロの値Ｃ₂に低減するのに十分なだけボルト上に締め付けることもできる。本発明のこの変形例では、引張り荷重および圧縮荷重が、Ｃ₁とＣ₂の間の差、すなわち実際には制御するのが困難となり得る差、に部分的に依存しているので、引張り荷重および圧縮荷重の制御はより不正確となると考えられる。

図７は、バッフルがファスナに比較して相対的に剛性であり、かつ、ファスナがバッフルに比較して相対的に可撓性である、代替の実施態様を例示している。この実施態様においては、バッフルの遠隔端部３２が、図７に示されるように、互いに接触することができるか、あるいは、互いに接触しないことができ、それによって、ファスナが締め付けられた後でさえ、バッフル間の空間が存在する。例示は、ナット・ボルトアッセンブリから成るファスナ内へ可撓性を導入するための三つの方法を図示している。第一に、ボルト５２のシャンク（ｓｈａｎｋ）が、ファスナに掛けられたトルクに応答して弾性的に変形するのに十分に可撓性であり得る。ボルトの変形は、断面積の低減されたネック５４を利用することにより増加させることができる。第二に、弾性的に変形可能なスペーサ５６を、ナットおよび／またはボルトと、バッフルとの間に配置することができる。第三に、波形ワッシャ５８または他の適切なばね装置を、ナットおよび／またはボルトと、バッフルとの間に配置することができる。図７は、これら全ての特徴部を図示しているとはいえ、これらは通常は、組み合わせてではなく、個々に使用されるものである。

エンジン作動中に、冷却材が、冷却材入口３６のそれぞれに流入し、インピンジメント孔２８を通って流れ、そして、ベーン壁２２に衝突してベーンをインピンジメント冷却する。次いで、冷却材は、図示していないが、冷却材出口を通ってインピンジメントキャビティから排出され、この冷却材出口は、通常は、ベーン壁２２を貫通する通路の形態をとる。

最も顕著な特徴を上述したので、他の特徴および選択肢もここでよりよく理解できる。

例示のバッフル２６は、翼幅方向の長さがほぼ等しいので、それらの遠隔端部３２とファスナ５８とは、ベーンキャビティ２０のほぼ翼幅中間に位置する。しかしながら、異なるバッフル長さおよびファスナの他の翼幅方向位置も満足のいくものとなり得る。

例示した実施態様は、バッフルを互いに接続するためのファスナとしてナット・ボルトアッセンブリを利用している。しかしながら、リベット、溶接接続部、またはろう付け接続部などといった他の種類のファスナも利用できる。

代替の構成において、図８に図示されている個々のスペーサ６０を、各内側表面の周囲に沿った隆起縁部４２の代わりに使用できる。なおさらなる実施態様においては、個々のスペーサも、隆起縁部も存在せず、エーロフォイルの翼幅方向末端近くにおいてインピンジメントキャビティ４６の少なくとも一部が実質的に除去されている。

開示したベーンアッセンブリは、いくつかの利点を有する。第一に、バッフルアッセンブリに掛けられた引張り荷重が、溶接接続部なしでバッフルアッセンブリをベーンにしっかりと固定する。ベーン上に及ぼされた対応する圧縮荷重が、引張り応力を緩和することによりベーン内の応力分布を向上させる。これによって、ベーンは、割れをより受け難くなり、また、それにも拘わらず割れが生じる場合は、ベーンの完全性を保証するのが助けられる。その結果、ベーンは、耐熱性であるが脆い耐熱材料で作成できる。バッフルアッセンブリに掛けられた引張り荷重はさらに、冷却材がインピンジメント孔を最初に通らずにキャビティへ流入するのを防止するように、インピンジメントキャビティ４６の翼幅方向末端をシールする。また、このシールは、振動、擦過に、および高温への長期の暴露に耐えることができないシール材料を用いずにもたらされる。

別の利点は、最初に米国特許第３，３７８，２２８号および第４，３１４，７９４号を参照することによって最もよく理解されるが、これら両方の特許とも、取り付けられたナットによって張力を掛けられた中空の管を有する複数の要素から成るセラミックベーンを開示する。引張り力は、ベーンに及ぼされる圧縮力として反応する。冷却材は、インピンジメント冷却のためのものとして開示されていないが、中空の管を通って流れる。両方の構成とも、冷却材は、ナット位置を過ぎて流れる必要がある。その結果、ナットの内径は、管の領域に制約を加え、従って、管に流入できる冷却材の量に制約を加える。原理的には、より大きなナットを使用できるとはいえ、これは、空間が貴重であるタービンエンジンまたは他の用途においてはしばしば実際的ではない。これとは対照的に、本発明のファスナ４８は、冷却材がその位置を過ぎて流れる必要のない位置に配置されている。従って、冷却材入口の領域は許容可能な最大のファスナの大きさによって制約を受けない。

本発明は、その特定の実施態様を参照して説明したとはいえ、添付の特許請求の範囲に記載された本発明から逸脱せずに形態および詳細のさまざまな変更を行い得ることは、当業者には理解されるであろう。

タービンエンジンのためのタービンベーンアッセンブリの側立断面図である。 ベーン、一対のバッフル、およびファスナアッセンブリを示す、図１のベーンアッセンブリの分解斜視図である。 図２の３−３方向の図である。 最初にベーン内に配置されているが互いに接続される前の可撓性バッフルの遠隔端部を示す図である。 互いに接続されかつ互いに接触された可撓性バッフルの遠隔端部を示す図である。 バッフルが互いに接続されているが互いに接触していない、代替の構成を示す図５と同様の図である。 相対的に剛性のバッフルを互いに接続するのに有用なさまざまな可撓性ファスナを示す図５と同様の図である。 本発明の代替の実施態様におけるベーンとバッフルとの間に配置されるのに適したシールである。

符号の説明

１０…ベーンアッセンブリ
１２…ベーン
２０…内部キャビティ
２２…ベーン壁
２４…フレア部分
２６…バッフル
２８…インピンジメント孔
３０…フレア近接端部
３２…方形化遠隔端部
４８…ファスナ
５０…ナット
５２…ボルト
５６…スペーサ
５８…波形ワッシャ

Claims (16)

1. 第一の端部と、第二の端部と、内部キャビティとを有するベーンと、
   第一の端部からキャビティ内へ延在する第一のバッフルと、第二の端部からキャビティ内へ延在する第二のバッフルとを含むバッフルアッセンブリと、
   を備えるベーンアッセンブリであって、
   バッフルアッセンブリは、それに掛けられた引張り荷重を有し、ベーンは、それに掛けられた圧縮荷重を有する、ことを特徴とするベーンアッセンブリ。
2. ベーンアッセンブリは、バッフルを互いに接続するファスナを有しており、バッフルは、相対的に可撓性であり、ファスナは、相対的に剛性であることを特徴とする請求項１記載のベーンアッセンブリ。
3. 各バッフルは、近接端部と、遠隔端部とを有しており、ファスナは、遠隔端部を互いに接触させることを特徴とする請求項２記載のベーンアッセンブリ。
4. ファスナは、ナットおよびボルトであることを特徴とする請求項２記載のベーンアッセンブリ。
5. ベーンアッセンブリは、バッフルを互いに接続するためのファスナを有しており、ファスナは、相対的に可撓性であり、バッフルは、相対的に剛性であることを特徴とする請求項１記載のベーンアッセンブリ。
6. ファスナは、変形可能なボルト、変形可能なスペーサ、ばね装置、および波形ワッシャのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項５記載のベーンアッセンブリ。
7. ボルトは、ネックを有することを特徴とする請求項６記載のベーンアッセンブリ。
8. バッフルは、相対的に可撓性の材料で作成され、ベーンは、相対的に脆性の材料で作成されることを特徴とする請求項１記載のベーンアッセンブリ。
9. バッフルは、ニッケル基合金で作成され、ベーンは、耐熱材料で作成されることを特徴とする請求項８記載のベーンアッセンブリ。
10. 耐熱材料は、モリブデン合金およびニオブ合金を含む耐熱合金と、セラミックと、金属間化合物から成る組成物とから成る群より選択されることを特徴とする請求項９記載のベーンアッセンブリ。
11. 各バッフルは、フレア近接端部を含むことを特徴とする請求項１記載のベーンアッセンブリ。
12. ベーンアッセンブリは、第一のベーンプラットホームと、第二のベーンプラットホームと、少なくとも一つのバッフルのフレア近接端部とその各ベーンプラットホームとの間に配置されたスペーサとを含むことを特徴とする請求項１１記載のベーンアッセンブリ。
13. バッフルは、キャビティ内で互いに接触することを特徴とする請求項１記載のベーンアッセンブリ。
14. インピンジメント孔が、バッフルを貫通することを特徴とする請求項１記載のベーンアッセンブリ。
15. 第一の端部と、第二の端部と、内部キャビティとを有するベーンと、
    遠隔端部と、フレア近接端部とを有し、ベーンの第一の端部からキャビティ内へ延在する第一のバッフルと、
    遠隔端部と、フレア近接端部とを有し、ベーンの第二の端部からキャビティ内へ延在する第二のバッフルと、
    バッフルの遠隔端部を互いに接続するファスナと、
    を備えることを特徴とするベーンアッセンブリ。
16. バッフルのフレア近接端部が、ファスナの影響を受けて撓み、それによって、引張り荷重をバッフルに掛けかつ圧縮荷重をベーンに掛けることを特徴とする請求項１５記載のベーンアッセンブリ。

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