JP2006105129A - タービンエンジンのシュラウドセグメント - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンのシュラウドセグメントを提供すること。
【解決手段】タービンエンジンのシュラウドセグメント（１０）は、一体取付けシステムが突出する外面（１６）含む本体（１２）を備える。取付けシステムは、別個の突出フックセグメント（２６）の、少なくとも２つの軸方向（４０）に離間した周方向（３８）に延びる列（２８、３０）を含み、取付けシステムを通るフープ応力路を遮断する。各突出フックセグメント（２６）は、１列（２８／３０）の他のセグメント支持面（３６）と周方向（３８）かつ半径方向（４２）に位置合わせされるセグメント支持面（３６）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、高温エンジンガス流に曝される面を含む、タービンエンジンのシュラウドセグメントに関する。詳細には、本発明は、例えば、ガスタービンエンジンのタービン部で使用される、低延性材料から作られた空冷ガスタービンエンジンのシュラウドセグメントに関する。

タービンエンジンのシュラウドセグメントは、翼を含む部品、例えば、ノズルセグメントまたは固定羽根部材から独立した別個の固定エンジン部品である。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、軸方向のフローエンジン軸を中心に周方向に組み立てられ、かつ回転羽根部材、例えば回転タービンブレードを中心に、これらの羽根部材から離間して半径方向に組み立てられる。同時に、この種のシュラウドセグメントは、ブレードを覆う半径方向流路の境界の一部を画定する。ガスタービンエンジン技術における種々の形態が説明されているが、回転ブレードの先端と、協働する、並置離間した固定シュラウドセグメントの面との動作間隙を、できるだけ狭く維持して、エンジン動作効率を高めることが望ましい。タービンエンジンのシュラウド、シュラウドセグメント、およびこの種のシュラウド間隙に関する米国特許の一般的な例として、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がある。

流路部品としての機能において、シュラウドセグメントは、設計エンジン動作温度および圧力環境で使用するために選択された設計寿命要件を満たすことができなければならない。最新のガスタービンエンジンのタービン部流路内のような、厳しい温度条件および圧力条件で、現在の材料がシュラウドセグメントとして効果的に動作することができるようにするために、シュラウドセグメントの外部に冷却空気を供給することが一般に行われている。しかし、当技術で公知のように、例えば前述した特許の一部に記載されているように、このような冷却空気の供給によって、エンジン効率が犠牲になる。したがって、エンジン流路内へ導入されることになっていない冷却空気がエンジン流路内へ漏出するのを最小限にすることにより、冷却空気を大切に使用することが望ましい。例えば、シュラウドセグメントの一部の形態は、通路を意図的に冷却して冷却空気をエンジンフロー流内へ送ることを含む。しかし、シュラウドセグメントの縁部周りの冷却空気の漏出により、冷却空気流を浪費して設計効率を低下させるおそれがある。

このようなセグメント縁部の漏出の１つの原因は、一般に「コーディング」と呼ばれる、撓みや歪み等のシュラウドセグメントの変形であることがわかっている。コーディングは、高温の半径方向内側シュラウド面と低温の空冷外側シュラウド面との温度差または温度勾配から生じる。少なくともシュラウドの半径方向内面または流路面とシュラウドセグメントとが、周方向に弧を描いて、ブレードの回転先端部の周りに流路環状面を画定する。外面に冷却空気が衝突することにより生じるシュラウドの内面と外面との温度勾配によって、シュラウドセグメントの弧がコーディングするか、または周方向にまっすぐに伸びる傾向がある。コーディングの結果、シュラウドセグメント内面の周端部が、セグメント中央部に対して半径方向外側に移動する傾向がある。このような動作が発生すると、ブレードとシュラウドとの摩擦を防止するのに必要な先端間隙が増加するおそれがある。シュラウドが元の湾曲状態からまっすぐになると、シュラウド端部が意図した流路から引き離されて、ブレードの間隙を実質的に増加させる。したがって、より効率的なエンジン動作を行うためには、コーディングを抑制するか、またはコーディングから生じる間隙を密閉することが望ましい。

ガスタービンエンジン技術で公知のように、他のセグメント歪みまたは歪み力が、例えば、高圧タービン内で発生するおそれがある。このような力は、タービンを通るさらに下流への流れを減少させる低いフロー流圧とは反対方向の、比較的高い冷却空気圧がシュラウドセグメントの半径方向外部に加わる結果として、シュラウドセグメントに作用する差圧により発生する。シュラウドセグメントと一体化された、一般に周方向に環状またはフープ状のシュラウドセグメント支持部を含む、シュラウドセグメント取付けシステムでは、このような温度勾配により生じる引張応力が、支持部を通して周方向通路内で発生する。このような環状構造内の引張応力は、しばしばフープ応力と呼ばれる。

シュラウドセグメントおよびその支持部として現在一般に使用されている金属材料は、シュラウドセグメントを、温度勾配および他の力により生じるこのような撓み、歪み、または過度のフープ応力を受けないように拘束することが可能な、十分に高い強度および延性を含む機械的性質を有する。このような拘束器具の例として、公知のサイドレール式の構造、または、例えば前述した特許文献３に記載されたＣクリップ式のシール構造がある。この種の拘束器具およびシールにより、少なくともシュラウドの一端部に圧縮力が加わり、コーディングまたは他の歪みを抑制する。他の公知のシュラウドセグメントの拘束器具または取付けシステムでは、一体取付けシステム内で大きなフープ応力が発生する。

現在のガスタービンエンジンの開発から、シュラウドセグメントおよび他の部品等の高温適用での使用について、現在使用されている金属材料よりも高い温度性能を有する材料が提案されている。しかし、セラミック基複合材料（ＣＭＣ）と呼ばれて市販されているこの種の材料は、シュラウドセグメント等の物品の設計時および適用時に考慮しなければならない機械的性質を有する。例えば、後述するように、ＣＭＣタイプの材料は、金属材料と比べてかなり低い引張延性または低い破壊歪みを有する。また、ＣＭＣタイプの材料は、約１．５〜５マイクロインチ／インチ／゜Ｆの範囲の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、これは、ＣＭＣタイプの材料から作られたシュラウドの拘束支持部またはハンガとして使用される市販の金属合金とは大きく異なる。この種の金属合金は、一般に、約７〜１０マイクロインチ／インチ／゜Ｆの範囲の熱膨張係数を有する。したがって、ＣＭＣタイプのシュラウドセグメントが、動作中に１つの面で拘束され冷却されると、セグメントまたはその一体取付けシステムを破壊させるのに十分な力または応力が、ＣＭＣタイプのセグメント内に発生する。

一般に、市販のＣＭＣ材料は、ＢＮ等の可撓性材料で被覆された、セラミックタイプの繊維、例えばＳｉＣを含む。繊維はセラミック基に担持され、その１つがＳｉＣである。一般に、ＣＭＣタイプの材料は、約１％未満の室温引張延性を有し、これは本明細書中で、低引張延性材料を定義し意味するために使用される。一般に、ＣＭＣタイプの材料は、約０．４〜０．７％の範囲の室温引張延性を有する。これを、例えば約５〜１５％の範囲において少なくとも約５％の室温引張延性を有する、金属シュラウドおよび／または支持構造またはハンガの材料と比較する。

ＣＭＣタイプの材料から作られたシュラウドセグメントは、金属材料よりも高い温度性能を有するが、前述した、現在使用されているタイプの、コーディングに対抗する圧縮力または同様の拘束力に耐えることはできない。また、このようなシュラウドセグメントは、一般にセラミックタイプの材料が受ける損傷または破損を受けることなく、応力が上昇する特徴、例えば比較的小さな曲がった表面積またはフィレット表面積で提供される特徴に耐えることができない。さらに、ＣＭＣ材料から物品を製造することにより、セラミック基内での比較的脆いセラミックタイプの繊維の破壊を防止する、このような比較的密なフィレットの周りのＳｉＣ繊維の曲げが制限される。

ＣＭＣ材料をシュラウドセグメントとして使用する一部の適用および実施形態では、半径方向の温度勾配と結び付けた、シュラウドセグメントの一体取付けシステムへの高圧荷重により、このような取付けシステムを通るほぼ連続した通路状のフープ応力量が発生して、取付けシステムが破壊するおそれがある。システムを通るこのようなフープ応力路を遮断するシュラウドセグメント取付けシステムを含む、このような低延性材料のシュラウドセグメントを設けることにより、ＣＭＣ材料のより高い温度性能をその目的に合わせて有利に使用することができるようになる。
米国特許第５０７１３１３号公報 特開平０４−２５２８２４号公報 特開平０４−３３０３０２号公報 米国特許第５５６２４０８号公報 米国特許第６７０２５５０号公報

本発明は、タービンエンジン、例えばガスタービンエンジンのタービンシュラウドアセンブリで使用されるシュラウドセグメントであって、本体内面と、本体内面から離間した本体外面とを含む本体を備えるシュラウドセグメントを提供する。本体は、離間した本体の第１の軸縁部および第２の軸縁部と、離間した本体の第１の周縁部および第２の周縁部との間に延びる。シュラウドセグメントは、本体外面と一体化され、本体外面から突出する、シュラウドセグメントを担持するための突出フックを含む取付けシステムを含む。各突出フックは、本体外面から延びるフックアームと、軸方向に延びるフック端部とを含み、このフック端部は、本体外面側を向いた、選択された支持面形状のセグメント支持面を含む。

本発明の実施形態によれば、一体突出フックの取付けシステムを通るフープ応力路を遮断または切断するために、また取付けシステムの突出フック内で半径方向の温度勾配により生じるフープ応力を低減するために、複数の独立した別個の突出フックセグメントが設けられる。このような突出フックセグメントは、取付けシステムを画定する、少なくとも２つの軸方向に離間した周方向に延びる列になっている。各列は、第１の周縁部と第２の周縁部との間で少なくとも一部が本体外面に沿って周方向に離間した、複数の別個の突出フックセグメントを含む。１列の各突出フックセグメントの各フック端部は、軸縁部側を向き、各突出フックの各セグメント支持面は、１列の他のセグメント支持面と周方向かつ半径方向に位置合わせされる。

本発明について、例えば、米国特許第５５６２４０８号公報に図示され記載された一般的なタイプの軸方向フローガスタービンエンジンと関連付けて説明する。この種のエンジンは、１つまたは複数のコンプレッサと、燃焼部と、長手方向エンジン軸を中心に線対称に配置された１つまたは複数のタービン部とを、一般に前方から後方へ連続して流体連通するように含む。したがって、本明細書で使用されるように、「軸方向」という語を使用するフレーズ、例えば、「軸方向前方」および「軸方向後方」は、エンジン軸に対して相対的な位置または一般的な方向を示す。「周方向」という語を使用するフレーズは、一般にエンジン軸を中心とする周方向位置または方向を示す。「半径方向」という語を使用するフレーズ、例えば、「半径方向内側」および「半径方向外側」は、一般にエンジン軸から相対的な半径方向位置または方向を示す。

図１は、本発明によるタービンエンジンのシュラウドセグメントの実施形態の概略斜視図である。この実施形態は、前述したＣＭＣ等の低延性材料から作られたシュラウドセグメントを、タービンエンジンのシュラウドアセンブリ内で、過度のフープ応力を含む過度の圧力または力をシュラウドセグメントに印加したり発生させたりすることなく、担持することのできる取付けシステムを含む。全体を１０で示すシュラウドセグメントは、全体を１２で示すシュラウドセグメント本体を含み、この本体１２は、本体半径方向内面１４と、半径方向内面１４から離間した本体半径方向外面１６とを有する。本体１２は、離間した第１の軸縁部１８および第２の軸縁部２０と、第１の周縁部２２および第２の周縁部２４との間に延びる。

シュラウドセグメント１０は、全体を２６で示す、複数の独立した別個の突出フックセグメントを含み、これらの突出フックセグメント２６は、本体半径方向外面１６と一体化され、本体半径方向外面１６から延びる。シュラウドセグメント１０を担持するために、突出フックセグメント２６はシュラウドセグメント取付けシステムを含み、このシステムは、システムを通るフープ応力路を切断する。この取付けシステムでは、軸方向に離間した周方向に延びる複数列の突出フックセグメント内で、突出フックセグメント２６が離間して、本体外面１６に沿って周方向に位置合わせされる。図１では、一体取付けシステムを含むこれらの列の全体を２８および３０で示す。

図では、各突出フックセグメント２６が、本体外面１６から延びるフックセグメントアーム３２と、軸縁部１８または２０側へほぼ軸方向に延びるフックセグメント端部３４とを含む。フックセグメント端部３４は、本体外面１６側を向いた、選択された支持面形状、例えば平面状または弧状のセグメント支持面３６を含む。図１では、周方向の列、例えば、列２８および列３０の突出フックセグメント２６のセグメント支持面３６が、列内で周方向かつ半径方向に互いに位置合わせされる。セグメント支持面３６は、図２、３および５にさらに明確に示される。図１では、すべてのフックセグメント端部３４が、セグメント本体の第２の軸縁部２０側を向く。

本発明に関連して使用されるように、面方向に対して「〜側」または「〜から」という語は、一般に、また主に、このような面または部材に対する方向にあることを意味する。図では、複数の周方向列の突出フックセグメントを含むシュラウドセグメント１０およびその取付けシステムの方向が、タービンエンジンに対して矢印３８、４０、４２で示され、これらの矢印は、それぞれエンジンの周方向、軸方向、半径方向を示す。

図２は、図１のシュラウドセグメント１０の周縁部２２から見た、線２−２に沿った、図１の実施形態の別の概略図である。図２は、セグメント支持面３６が周方向３８および半径方向４２に位置合わせされた状態の、軸方向４０に離間した周方向列２８および周方向列３０の突出フックセグメント２６を示す。図２では、セグメント支持面が、選択された平面状の支持面形状を有する。

図３は、本発明によるシュラウドセグメントの別の実施形態の周縁部２２から見た、図２と同様の、図１と関連して記載されたシュラウドセグメントに基づく概略図である。図３の実施形態では、複数の突出フックセグメント２６が、本体半径方向外面１６に沿って軸方向４０後方に離間した、２８、４４、３０で示される３つの周方向に延びる列内で周方向に離間する。図１および２に関連して説明したように、セグメント支持面が周方向３８および半径方向４２に位置合わせされた状態で、周方向列内の突出フックセグメント２６が周方向３８に離間する。図３では、すべてのフック端部３４が第２の軸縁部２０側を向く。

図４は、周方向に離間した突出フックセグメント２６の２つの軸方向に離間した周方向に延びる列、第１の列２８および第２の列４６を含む、本発明によるさらに別の実施形態の一部切欠概略斜視図である。本実施形態では、第１の周方向列２８の突出フックセグメント２６のフック端部３４が第２の軸縁部２０側を向き、第２の周方向列４６の突出フックセグメント２６のフック端部３４が第１の軸縁部１８側を向く。他の実施形態に関連して説明したように、１列のセグメント支持面３６が周方向３８および半径方向４２に互いに位置合わせされる。

図５の切欠概略図は、一般にタービンエンジンのシュラウドアセンブリで通例のように、他のシュラウドセグメント（図示せず）に周方向に隣接して、エンジン軸４８を中心に周方向に組み立てられたシュラウドセグメント１０を、軸方向４０後部から見た、図１のシュラウドセグメントと同様のシュラウドセグメントを示す。図５の実施形態では、周方向列の各突出フックセグメント２６のセグメント支持面３６の形状が、エンジン軸４８を中心とする半径５２と共に仮想線５０で示される円に沿った弧状となるように選択される。

本発明は、損傷を引き起こすおそれのある、取付けシステムを通るほぼ連続したフープ応力路を遮断する一体取付けシステムを含む、低延性材料から作られたシュラウドセグメントのタービンエンジンで使用可能なシュラウドセグメントを提供する。本発明について、特定の例、材料、および構造に関連して説明したが、これらは本発明の範囲の代表的な例を示すものであり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。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。

２列の突出フックセグメントを含む、本発明によるシュラウドセグメントの実施形態の概略斜視図である。 図１のシュラウドセグメントの周端部から見た、線２−２に沿った概略図である。 ３列の突出フックセグメントを含む別の形態のシュラウドセグメントの周端部から見た、図２と同様の概略図である。 ２列の突出フックセグメントを含む、本発明によるシュラウドセグメントのさらに別の実施形態の一部切欠概略斜視図である。 タービンエンジン内でエンジンの軸を中心に周方向に組み立てられたシュラウドセグメントの軸方向後部から見た、図１のシュラウドセグメントと同様のシュラウドセグメントの切欠概略図である。

符号の説明

１０ シュラウドセグメント
１２ シュラウドセグメント本体
１４ 本体半径方向内面
１６ 本体半径方向外面
１８ 第１の軸縁部
２０ 第２の軸縁部
２２ 第１の周縁部
２４ 第２の周縁部
２６ 突出フックセグメント
２８ 列
３０ 列
３２ フックセグメントアーム
３４ フックセグメント端部
３６ セグメント支持面
３８ 周方向
４０ 軸方向
４２ 半径方向
４６ 列
４８ エンジン軸

Claims (8)

1. 本体内面（１４）と、本体内面（１４）から離間した本体外面（１６）とを含む本体（１２）を備える、タービンエンジンで使用されるシュラウドセグメント（１０）であって、
   前記本体（１２）が、離間した本体の第１の軸縁部（１８）および第２の軸縁部（２０）と、離間した本体の第１の周縁部（２２）および第２の周縁部（２４）との間に延び、前記シュラウドセグメント（１０）が、前記本体外面（１６）と一体化され、前記本体外面（１６）から突出する、前記シュラウドセグメント（１０）を担持するための複数の離間した突出フックを含み、各突出フックが、前記本体外面（１６）から延びるフックアーム（３２）と、軸方向（４０）に延びるフック端部（３４）とを含み、前記フック端部（３４）が、前記本体外面（１６）側を向いた、選択された支持面形状のセグメント支持面（３６）を含み、
   前記複数の突出フックが、別個の突出フックセグメント（２６）の、少なくとも２つの軸方向（４０）に離間した周方向（３８）に延びる列（２８、３０）を含み、各列（２８、３０）が、前記第１の周縁部（２２）と前記第２の周縁部（２４）との間で少なくとも一部が前記本体外面（１６）に沿って周方向（３８）に離間した、複数の別個の突出フックセグメント（２６）を含み、１列（２８、３０）の各突出フックセグメント（２６）の各フック端部（３４）が、軸縁部（１８／２０）側を向き、
   各突出フックセグメント（２６）の各セグメント支持面（３６）が、１列（２８／３０）の他のセグメント支持面（３６）と周方向（３８）かつ半径方向（４２）に位置合わせされる、シュラウドセグメント（１０）。
2. 前記シュラウドセグメント（１０）が、約１％未満の室温で測定された低引張延性を有する低延性材料から作られる、請求項１記載のシュラウドセグメント（１０）。
3. 前記選択された支持面形状が、前記タービンエンジンの軸（４８）を中心とする弧状（５０）である、請求項１記載のシュラウドセグメント（１０）。
4. 前記選択された支持面形状が、平面状である、請求項１記載のシュラウドセグメント（１０）。
5. 前記別個の突出フックセグメント（２６）の各々の各フック端部（３４）が、同一の軸縁部（１８／２０）側を向く、請求項１記載のシュラウドセグメント（１０）。
6. 前記複数の突出フックが、別個の突出フックセグメント（２６）の、２つの軸方向に離間した周方向（３８）に延びる列（２８、３０）を含む、請求項５記載のシュラウドセグメント（１０）。
7. 前記複数の突出フックが、別個の突出フックセグメント（２６）の、３つの軸方向（４０）に離間した周方向（３８）に延びる列（２８、３０、４４）を含む、請求項５記載のシュラウドセグメント（１０）。
8. 前記複数の突出フックが、別個の突出フックセグメント（２６）の、少なくとも２つの軸方向（４０）に離間した周方向（３８）に延びる列（２８、４６）を含み、
   別個の突出フックセグメント（２６）の第１の列（２８）の各フック端部（３４）が、前記第２の軸縁部（２０）側を向き、
   別個の突出フックセグメント（２６）の第２の列（４６）の各フック端部が、前記第１の軸縁部（１８）側を向く、請求項１記載のシュラウドセグメント（１０）。

Images