JP2006097681A - タービンノズルのレール保持のための機械的解決法 - Google Patents

Abstract

【課題】 壊滅的なノズル破損を防ぐための、シングレット型ノズル（１２）の内側レール保持のための機械的構成を開示する。
【解決手段】 本機械的構成は、内側プラットホームレール（２８）を含むタービンノズルセグメント（１３）と、レール（２８）と軸方向に整合したタービンノズル内側支持リング（３０）と、内側支持リング（３０）に固定されかつ反対側のレール（２８）に対して軸方向に間隔を置いて整合した内側リテーナセグメント（３６）と、内側リテーナセグメント（３６）上の第１の円錐傾斜面（５０）と、内側プラットホームレール（２８）上の第２の面（５２）とを含む。２つの対向する円錐傾斜面（５０、５２）は、タービンノズル（１２）に対する内側プラットホームレール（２８）を拘束して、内側プラットホーム（２０）が下流方向にタービンの回転しているハードエア内に逸失するのを防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より具体的には、壊滅的なノズル破損を防ぐ、タービンノズルのレール保持のための機械的構成に関する。

ガスタービンでは、熱により生じる応力は、常にタービンノズル内に割れを発生させてきた。過酷な環境のため、これ迄の当技術分野の歴史は、ノズル翼形部のエンジン軸線方向（翼弦方向）に沿った割れを示している。万一割れが翼形部の長さ全体にわたって伝搬した場合、翼形部が壊滅的に破損し、ノズルの大きな部品片が外れ、下流方向にタービンの回転しているハードウエア内に移動することになる。続いて起こるタービンのハードウエア（回転及び固定の両方）に対する損傷は、過度かつ費用のかかるものとなる。

ダブレット又はトリプレット型ノズル設計（ノズルセグメント当りそれぞれ２つ又は３つの翼形部）では、多くの数の翼形部により、多重荷重経路の冗長性による壊滅的な破損に対する或る程度の安全度が得られる。しかしながら、シングレット（単一ベーンセグメント）型ノズル（セグメント当り１つの翼形部）では、両方のプラットホームにおいて保持していない場合には、万一翼形部が完全に２つに割れた場合に、翼形部及び／又はプラットホームの大きな部分が流路内に逸失する可能性がある。

典型的な実施では、軸方向、半径方向及び円周方向の拘束を与える外側保持リングのみにしっかりと取付けられた第１段ノズルを含む。ノズルの内側レールにおいては、ノズル翼弦方向ランドシールにおける接触により、軸方向の拘束のみが与えられている。このノズル翼弦方向ランドシールの概念は、ノズルが、内側及び外側タービンケース間の軸方向膨張差により外側保持リングフックの周りで回転するのを許しながら、大きな過渡的半径方向膨張差を可能にすることである。

航空機タービンエンジン設計を検討すると、しっかりと取付けられているが依然として機械的／構造的にコンプライアントな（順応性がある）設計を示しており、この設計は通常、問題にしているノズルセグメントのいずれかの端部に直接取付けられた多数の薄い金属プレートからなっている。同様な取付け方式は、内側及び外側ケース間（軸方向及び半径方向）の大きな過渡作動時の熱膨張差により、この大きさの陸上設置式タービンには実施できないことになる。また、民間航空機エンジンにおいて見られるものと比較して陸上タービンで要求される過酷な環境及び運転時間数を組合せた場合、たわみコンプライアント設計（飛行重量）は、堅牢にするのに向いていない。

本発明は、壊滅的なノズル破損を防ぐ、シングレット型ノズルの内側レール保持のための機械的構成に関するが、本発明はまた、ダブレット又はトリプレット型ノズル設計にも使用することができることに留意されたい。

本発明の例示的な実施形態では、壊滅的なノズル破損を防ぐための、シングレット型ノズルの内側レール保持のための機械的構成を提供し、本構成は、少なくとも１つのステータベーンを有しかつ内側プラットホームレールを含むタービンノズルセグメントと、その１つの側面上でその一部がレールと軸方向に整合したタービンノズル内側支持リングと、内側支持リングに固定されかつその一部が内側支持リングとは反対側のレールの軸方向側面上で該レールに対して軸方向に間隔を置いて整合した内側リテーナセグメントと、内側リテーナセグメント上の第１の円錐傾斜面と、第１の円錐傾斜面と対向した、タービンノズルの内側プラットホームレール上の第２の面とを含み、それによって、２つの対向する円錐傾斜面が、内側リテーナセグメントと内側支持リングとの間でタービンノズルに対する内側プラットホームレールを拘束して、ノズルセグメントの内側プラットホームが下流方向にタービンの回転しているハードエア内に逸失するのを防止する楔ロックを生じる。

本発明は、壊滅的なノズル破損を防ぐ、シングレット型ノズルの内側レール保持のための機械的構成を指向しているが、本発明はまた、ダブレット又はトリプレット型ノズル設計にも使用することができることに留意されたい。

本発明の内側保持設計は、タービンの内側及び外側ケース間の異なる膨張／移動を可能にする適応性のある境界面を維持しながら、内側拘束の不足を解決する。本発明は、取付け及び取外しの容易さに対する要求と冷却流漏洩が増加しないこととをバランスさせ、かつ内部部品による損傷（「ＤＯＤ」）の阻止に焦点を当てている。

単一翼形部ノズルのノズル翼形部が、２つの分離したノズル片を生じるように完全に割れた場合に、本発明の内側リテーナは、破損したノズルの内側部分の下流方向への完全な逸失に対して能動的な保持を与えて、壊滅的なノズル破損を防ぐ。保持は、ノズルの内側レールが半径方向外向きに移動し、次に後方にタービンの流れストリーム内に移動するに違いないという事実によって達成される。１方はリテーナ上にありまた他方はノズル内側レール上にある対向する傾斜面を使用することにより、内側ノズルを所定の位置に保持する楔ロックが達成される。従って、内側ノズルプラットホームが後向きに回転し、第１段バケットプラットホームの前縁と摩擦を引き起こす可能性があるとしても、破損モードは、ハードウエアの大きな部品片が完全に逸失するよりも遙かに厳しくない。

次に図面を参照すると、図１に示すのは、６Ｃ型タービン（図示せず）の第１段タービンセクション１０の断面図であり、この第１段タービンセクション１０は、ロータ１６の一部を形成する第１段ノズル１２及び第１段バケット１４を含む。図２は、第１段ノズル１２のセグメントの正面図を示す。ノズル１２は、外側バンド又はプラットホーム１８、内側バンド又はプラットホーム２０並びにプラットホーム１８及び２０間で延びる１つ又はそれ以上の翼形部２２を含む複数のノズルセグメント１３から形成される。よく知られているように、ノズル翼形部２２は、バケット１４と同様に、タービンの高温ガス路内に延びており、高温ガス路は、図１に矢印２４で示した流れ方向を有する。翼形部２２及びバケット１４は、タービンの軸線の周りに環状の列として配置される。各ノズルセグメント１３の外側プラットホーム１８は、外側保持リング２６に固定される。ノズルセグメントの各々は、半径方向内向きに向いた内側プラットホームレール２８を含み、この内側プラットホームレール２８の後面は、後方向への軸方向移動を阻止するように内側支持リング３０に対して当接している。通常、各レール２８の後面は、内側支持リング３０の軸方向前面との間をシールするための弓形の突出ランド３１を有し、レール２８は、支持リング３０の上半部及び下半部の周りに環状の翼弦方向シールを形成する。翼弦方向ランドシール３２の各々は一般的に、レール２８の面と一体形の隆起した狭い弓形ランド３１を含み、隣接するノズルと共に支持リング３０に対して当接した翼弦方向ランドシール３２の完全な円周方向列を形成する。

また、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボルト又はピン３４によって、複数の弓形のリテーナセグメント３６が内側支持リング３０に固定される。セグメント３６は、複数の弓形の内側リテーナスペーサ３８によって、支持レール３０から軸方向に間隔を置いて配置される。内側リテーナセグメント３６の半径方向外側縁部４０は、内側支持リング３６に向かう方向に軸方向に拡大しているが、リテーナセグメント３６と支持リング３０との間で延びるレール２８から間隔を置いて配置される。同様に、内側プラットホームレール２８の半径方向内側縁部は、内側支持リング３０から離れる方向に軸方向に拡大している。

本発明の例示的な実施形態では、タービン軸線の周りでノズル翼形部２２の環状列を形成する３２個のノズルセグメント１３があり、また内側リテーナセグメント３６及び内側リテーナスペーサ３８の各々は好ましくは６個あり、セグメント３６及びスペーサ３８の各々は、タービン軸線の周りに環状列として配置される。理解されるように、内側リテーナセグメント３６の前方の領域４２は、冷却空気、すなわち高圧下の圧縮機吐出空気を受けるので、高圧領域４２を前方ロータリム空洞及びさらに該リム空洞の外側の高温ガス路に隣接する低圧領域４４からシールすることが必須である。

再び図１を参照すると、第１段ノズル１２は、外側プラットホーム１８において、外側レールフック１７によって外側保持リング２６の後方フック１９に支持される。内側プラットホーム２０は、内側プラットホームレール２８の翼弦方向ランドシール３２において、内側支持リング３０との接触によって支持される。内側リテーナ３６は、複数のセグメントを含み、複数のシール３９及びスペーサ３８を貫通して内側支持リング３０にボルト止め及びピン止めされる。

図２を参照すると、外側保持リング２６及び内側支持リング３０に対する位置的関係で、第１段ノズルセグメントの一部分を示す。解り易くするために、図２には、このようなノズルセグメントの上半部のみを示しているが、エンジン中心線の周りで１８０°延ばしてこのようなノズルセグメントを完全に図示することができる。図２において、多数の内側保持セグメント３７を必要とする多数の支持リングフランジ／リブ２３を見ることができる。

内側リテーナリング３６は、その円弧長を内側支持リング３０上の隆起構造フランジ／リブ２３に適応するような寸法にした６つの別個のプレートセグメント３７からなる。設計が複雑にはなるが、リテーナ３６のセグメント化により、タービンの外側シェルを取付けた状態でさえ、その取付けが容易になる。ノズル１２を取付けた後に、各内側リテーナ３６は、前部から取付けられ、次にシール３９及びスペーサ３８を貫通して支持リング３０にボルト止めされる。厳しい公差のドエルピン３４（図１）を使用して、支持リング３０を通してのせん断力によって、破損したノズル１２の荷重を支持する。

典型的な破損モードは、翼形部２２を通って完全に伝搬した、ノズル１２の翼形部２２における割れ２５であろう。図１に示したような割れ２５は、単に例示したものであり、ノズル１２のスパンに沿ったあらゆる場所で発生する可能性がある。このような割れ２５が万一発生した場合、ノズル１２は、２つの部品片、すなわちその各々がノズル１２の翼形部２２の特定のセグメントを含む外側プラットホーム１８及び内側プラットホーム２０にそれぞれ分離することになる。従来のタービン設計でこのような分離が起こると、内側レール２８に拘束を与える内側リテーナリング３６を付加していない状態では、内側プラットホーム２０は、遊離したハードウエアとなることになる。

図３を参照すると、内側リテーナリング３６のより詳細な概略断面図を示しており、６Ｃ型タービンにおいて使用する、第１段ノズル内側レール２８、内側支持リング３０、スペーサ３８及びシール３９を含む周囲のハードウエアに対する内側リテーナ３６の位置的関係を示す。内側リテーナリング３６は、ノズル内側レール２８に極めて近接して取付けられるが、２つの部品間には直接接触はない。内側リテーナリング３６とノズル内側レール２８との間の間隙は、最小であるが、なおノズル１２がその過渡的運動の全範囲にわたって移動するのを可能にするように最適化される。内側リテーナリング３６とノズル内側レール２８との間の物理的な接触がない場合、保持機能は、２つの対向する円錐傾斜面、すなわち内側リテーナ上の１つの面５０及びノズル１２の内側レール２８上の１つの面５２によって行われる。また、物理的な接触がない場合、内側リテーナ３６は、ノズル翼弦方向ランドシール３２を通り抜ける冷却空気漏洩に何らの影響も与えない。

図４は、図３に示した構成の破損後の状況を示し、そこでは、離脱したノズル内側レール２８が、内側リテーナ３６と内側支持リング３０との間で楔係合している。内側リテーナシール３９は、解り易くするために、図４に示した図から削除している。ノズル１２のベーン２２における割れ２５のような破損の発生時に、ノズル１２の内側プラットホーム２０（図１参照）の残余部分は、図４に矢印５４で示すように、エンジン中心線から離れるように半径方向外向きに、次に下流方向に移動しなければならなくなる。このことが起こると、２つの対向する傾斜面５０及び５２は、接触し、内側リテーナ３６と内側支持リング３０との間に内側レール２８を拘束する。図４に点線の円で示した結果として生じる楔ロックにより、ノズル１２の内側プラットホーム２０が下流方向に第１段バケット３６のような回転しているハードエア内に逸失するのを防止し、それによって壊滅的なノズル破損を防ぐ。

本発明の内側レール保持の機械的構成は、上に指摘したように、破滅的なノズル破損を防ぐようにする点でシングレット型ノズルでの特定の用途を有するが、本発明はまた、ダブレット又はトリプレット型ノズル設計にも使用することができる。

同様に、本発明の内側レール保持の機械的構成は６Ｃ型のタービンに関して説明してきたが、他の型のタービンにも使用することができる。他のエンジン用途の場合に対する変更には、１）他のエンジンにおいてはより多い又はより少ないのが望ましい場合があるので、リテーナセグメントの異なる数及び長さ（６Ｃ型タービンに適したおよそ６０度での６個と対照的に）、２）所定のエンジン寸法に適合するように部品をある尺度で拡大又は縮小すること、３）スペーサ３８が支持リング３０の一部になるように該スペーサ３８を排除すること又は一体部品としてスペーサ３８をリテーナプレート３６に組込むこと、４）傾斜面５０及び５２の角度及び形状を変更すること、５）ノズル１２を上下逆にするか又は６Ｃ型タービンにおけるような内側プラットホーム２８の代わりに外側プラットホームレールに取付ける場合に、リテーナ３６は、外側レールにおいて使用することができることが含まれる。６Ｃ型タービンについて説明した本発明の実施形態と同様に、ノズル１２を上下逆にした実施形態では、外側レールは外側支持リングに対して当接することになり、かつリテーナ３６と同様な複数の弓形外側リテーナセグメントは、複数の弓形外側リテーナスペーサによって外側支持レールから間隔を置いて配置されることになる。また、外側リテーナセグメントの半径方向内側縁部は、外側支持リングに向かう方向に軸方向に拡大されることになり、外側プラットホームレールの半径方向外側縁部が外側支持リングから離れる方向に軸方向に拡大される。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられているものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、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。

６Ｃ型タービン、具体的にはこのようなタービンの第１段の周囲のハードウエアに対する内側リテーナの位置的関係を示す概略断面図。 直径の周りに多数のセグメントを必要とする内側支持リングを示す、６Ｃ型タービンに使用した内側リテーナの概略正面図（上半部のみの）。 ６Ｃ型タービンに使用する、第１段ノズル、内側支持リング、スペーサ及びシールを含む周囲のタービンハードウエアに対する内側リテーナの位置的関係を示す、本発明の内側リテーナの機械的構成のより詳細な概略断面図。 離脱したノズル内側プラットホーム／レールが内側リテーナと内側支持リングとの間に楔係合している、破損後の状況にある図３の構成を示す図。

符号の説明

１０ 第１段タービン
１２ ノズル
１３ ノズルセグメント
１４ バケット
１６ ロータ
１８ 外側プラットホーム
２０ 内側プラットホーム
２２ 翼形部
２５ 割れ
２６ 外側保持リング
２８ 内側プラットホームレール
３０ 内側支持リング
３２ 翼弦方向ランドシール
３４ ボルト又はピン
３６ 内側リテーナセグメント
３８ 内側リテーナスペーサ
４０ 内側リテーナセグメントの半径方向外側縁部
５０ 内側リテーナセグメントの円錐傾斜面
５２ 内側プラットホームレールの円錐傾斜面

Claims (10)

1. 少なくとも１つのステータ翼形部（２２）を有しかつ内側プラットホームレール（２８）を含むタービンノズルセグメント（１３）と、
   その１つの側面上でその一部が前記レール（２８）と軸方向に整合したタービンノズル内側支持リング（３０）と、
   前記内側支持リング（３０）に固定されかつその一部が前記内側支持リング（３０）とは反対側の前記レール（２８）の軸方向側面上で該レール（２８）に対して軸方向に間隔を置いて整合した内側リテーナセグメント（３６）と、
   前記内側リテーナセグメント（３６）上の第１の面（５０）と、
   前記第１の面（５０）と対向した、前記内側プラットホームレール（２８）上の第２の面（５２）と、を含み、
   それによって、前記タービンノズルセグメント（１３）における構造的破損に応答して、前記２つの対向する面（５０、５２）が、タービンノズル（１２）に対する前記内側プラットホームレール（２８）と接触しかつ前記内側リテーナセグメント（３６）と内側支持リング（３０）との間で該内側プラットホームレール（２８）を拘束する、
   タービン。
2. 前記第１及び第２の面（５０、５２）が接触することにより、前記ノズルセグメント（１３）の内側プラットホーム（２０）が下流方向にタービンの回転しているハードエア内に逸失するのを防止する楔ロックが生じる、請求項１記載のタービン。
3. 前記第１及び第２の面（５０、５２）が傾斜面である、請求項１記載のタービン。
4. 前記第１及び第２の面（５０、５２）が円錐面である、請求項１記載のタービン。
5. 前記第１及び第２の面（５０、５２）が円錐傾斜面である、請求項１記載のタービン。
6. 前記内側リテーナセグメント（３６）の半径方向外側縁部（４０）が、前記内側支持リング（３０）に向かう方向に軸方向に拡大している、請求項１記載のタービン。
7. 前記内側リテーナセグメント（３６）の半径方向外側縁部（４０）がさらに、少なくとも１つの弓形内側リテーナスペーサ（３８）によって、前記リテーナセグメント（３６）と内側支持リング（３０）との間に延びる前記レール（２８）から間隔を置いて配置されている、請求項６記載のタービン。
8. 前記内側リテーナセグメント（３６）上の第１の面（５０）が、該内側リテーナセグメント（３６）の半径方向外側縁部（４０）上に設置されている、請求項６記載のタービン。
9. 前記内側プラットホームレール（２８）の半径方向内側縁部が、前記内側支持リング（３０）から離れる方向に軸方向に拡大している、請求項６記載のタービン。
10. 前記内側プラットホームレール（２８）上の第２の面（５２）が、該内側プラットホームレールの半径方向内側縁部上に設置されている、請求項９記載のタービン。

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