JP2007263115A - 羽根板と冷却用ライナとから構成されるアセンブリ、このアセンブリを含むターボ機械用ノズル案内羽根アセンブリ、ターボ機械、ならびにこのアセンブリの組み立ておよび補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根板と羽根板を冷却するためのフランジ付きの冷却用ライナとから構成されるアセンブリであって、フランジにおける固定部のシールが保証されているアセンブリを提案する。
【解決手段】本発明のアセンブリは、羽根板（２）および羽根板（２）を冷却するための冷却用ライナ（６）から構成され、羽根板（２）が、ライナ（６）が延伸する少なくとも１つの第１の開口（７）を備える中央の空洞（５）を含む一方で、ライナ（６）が、開口（７）のリム（１４）へと固定されるフランジ（１３）を含む。このアセンブリが、フランジ（１３）の近傍に、ライナ（６）の壁面と開口（７）の壁面（７’）との間に挿入される周状のインサート（１６）を含むアセンブリである。このようにして、フランジ（１３）における接続部がシールされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械のノズル案内羽根アセンブリの羽根板と羽根板を冷却するための冷却用ライナとから構成されるアセンブリに関する。

ターボ機械は、ロータステージ（圧縮機ロータステージおよび／またはタービンロータステージ）をノズル案内羽根アセンブリで隔てて含む。ノズル案内羽根アセンブリは、気体の流れの案内を目的とする複数枚の固定の羽根板を含む。固定の羽根板は、気体の経路において外側シュラウドと内側シュラウドとの間を延びている。羽根板を通過する気体の温度ゆえ、特にタービンステージを隔てているノズル案内羽根アセンブリにおいては、羽根板がきわめて厳しい動作条件にさらされるため、羽根板を通常は羽根板内での空気の強制的な対流によって冷却し、あるいは羽根板内での空気の衝突によって冷却する必要がある。

空気の衝突による冷却においては、多孔の長手方向のライナを使用することが可能である。これらのライナは、通常は、例えばクロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、およびニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金など、耐熱性の合金で作られる。このようなライナが、羽根板の空洞へと長手方向に挿入される。外側シュラウドにおいて、ライナへと冷却用の空気が供給される。ライナの内側の空洞と、ライナと羽根板との間に形成される空洞との間に存在する圧力差ゆえ、空気の一部が、ライナの孔を通って羽根板の内壁に向かって進められ、羽根板を冷却する。次いで、この空気は、羽根板の後縁に沿って、調整済みの孔によって気体の経路へと運び去られる。残りの空気は、内側シュラウドを通って、タービンディスクや軸受などのようなエンジンの他の冷却を必要とする部品へと運び去られる。

羽根板の空洞が、内側および外側のプラットフォームに２つの開口を形成している。ライナは、一般的には、外側において、例えばろう付けまたは溶接によって外側開口の壁面に固定される。したがって、これは、一種のろう付けによる案内路の接続をもたらしている。また、ライナの他方の端部は、内側開口によって案内されており、内側開口の壁面が、ライナの端部を案内する目的のための案内路を形成するとともに、ライナと羽根板との間の膨張の相違を補償できるようにしている。

好都合な構成によれば、ライナは、自身の外側に、ノズル案内羽根アセンブリへとろう付けされるフランジを含む。フランジスリーブが、米国特許出願公開第２００２／００２８１３３号明細書から知られている。フランジ付きのライナは、外側部分が案内路へとろう付けされるライナに対して、さまざまな利点を呈している。すなわち、ライナを所定の半径方向の位置にて羽根板へときわめて容易に取り付けることができ、ノズル案内羽根アセンブリへのフランジのろう付けが、容易に実行可能でありかつ視覚的に確認可能である。

フランジにおいて、ライナと羽根板との間に良好なシールを確保することが必須である。これは、満足できるシールが達成されない場合、一方向または他の方向へと漏れが生じ、各々不利な影響となるためである。すなわち、ノズル案内羽根アセンブリの外側シュラウドの外側の圧力が、ライナと羽根板との間に形成される空洞の圧力よりも大きい場合、空気が後者の空洞へと進入してライナの外側の圧力を高めるが、これは、ライナの内側から羽根板に向かって進もうとする空気の傾向が弱くなることを意味し、羽根板の冷却が弱くなることを意味する。反対に、ライナと羽根板との間の空洞の圧力が、ノズル案内羽根アセンブリの外側シュラウドの外側の圧力よりも高い場合には、羽根板の冷却に使用されて加熱された空気が、この後者の空洞から逃げ出し、他の手段によって可能にされているノズル案内羽根アセンブリの外側の冷却に不利な影響をもたらす。上述の問題は、この領域における冷却流の量を増やすことによって部分的に軽減できるが、或る位置において量を増やすということは、他のどこかの量を少なくすることを意味する。
米国特許出願公開第２００２／００２８１３３号明細書

このような状況はいずれも満足できるものではなく、フランジにおいて満足できるシール接続を達成する必要がある。

そのような接続は、ろう付けによって得ることができる。しかしながら、フランジにおいて、そのようなろう付けによる接合部を視覚的に確認できるとはいうものの、不完全なろう付けまたは欠陥のあるろう付けの恐れは依然として存在しており、空気の漏れの可能性が依存として残されている。

本発明は、羽根板と羽根板を冷却するためのフランジ付きの冷却用ライナとから構成されるアセンブリであって、フランジにおける締付部のシールが保証されているアセンブリを提案することを目的とする。

したがって、本発明は、この場合においてはターボ機械のノズル案内羽根アセンブリにおいて、羽根板と羽根板を冷却するための冷却用ライナとから構成され、羽根板が、ライナが延伸する少なくとも１つの第１の開口を備える中央の空洞を含む一方で、ライナが、開口のリムへと固定されるフランジを含むアセンブリに関し、このアセンブリが、フランジの近傍に、ライナの壁面と開口の壁面との間に挿入される周状のインサートを含む。

このようなインサートが、圧力低下を生じさせる。圧力低下は、流れの通過のための断面を狭くすることによって生み出され、あるいは邪魔板によって生み出される従来からの圧力低下のみならず、気密なシールによって生み出される圧力低下（無限大の圧力低下）をも意味すると理解すべきである。

リムへと固定されるフランジと、このフランジの近傍のインサートとの組み合わせのおかげで、空気が漏れることがなく（少なくとも、存在し得る漏れがわずかである）、ろう付けに不足があっても問題になることがない。具体的には、フランジが固定されているため、存在し得る空気の漏れは、フランジとリムとの間の小さなすき間を通過する漏れだけである。今や、圧力低下を生じさせるインサートゆえに、小さなすき間を通過するそのような漏れは、どちらの方向においても生じることができない。

さらに、特定の問題を解決するうえで、本件出願の出願企業は、アセンブリの組み立てをきわめて簡単にできることを発見した。具体的には、フランジの近傍におけるインサートの存在が、空気の漏れに対してきわめて有効な効果を有し、これは、もはやフランジをノズル案内羽根アセンブリへと完璧にろう付けする必要がないことを意味している。したがって、単にライナを、フランジとリムとの間のスポット溶接によって羽根板へと固定することができ、漏れはインサートのおかげで防止される。フランジの全周を巡ってろう付けを行う場合に比べて、時間およびコストの節約が顕著である。

インサートは、邪魔板および／またはシールとして機能することができる。

好ましくは、中央の空洞が、第２の開口を形成しており、ライナが、フランジと反対側の端部に、第２の開口へと案内される端部を含み、第２の開口の壁面が、この目的のための案内路を形成している。

好都合には、この場合には、ライナと第１の開口の壁面との間にすき間が存在する。

第１の特定の実施形態によれば、インサートが、邪魔板を形成する周状の帯を含む。

第２の特定の実施形態によれば、インサートが、弾性ばね板を含む。

第３の特定の実施形態によれば、インサートが、周状のばねを含む。

また、本発明は、上述のアセンブリを複数含むターボ機械のノズル案内羽根アセンブリ、およびそのようなノズル案内羽根アセンブリを含むターボ機械に関する。

さらに本発明は、羽根板が少なくとも１つの第１の開口を備える中央の空洞を含み、ライナがフランジを含む本発明のアセンブリを形成するため、後述のとおりターボ機械のノズル案内羽根アセンブリの中空の羽根板に冷却用のライナを取り付ける簡略化された方法であって、
ライナが、周状のインサートをライナの壁面と第１の開口の壁面との間に位置させるように、第１の開口を介して羽根板の空洞へと挿入され、
フランジがリムへとスポット溶接される、方法に関する。

本発明のインサートを使用することにより、フランジ付きのライナの使用を、空気の漏れの恐れを抑制しつつ、工業的規模で実行することができる。したがって、ノズル案内羽根アセンブリを補修する場合、および本発明のアセンブリを補修する場合に、ライナを羽根板から取り外して、再度取り付けるときに、
ライナのフランジを、インサートを削ることなくリムまで削り、
ライナを、第１の開口を通じて羽根板の中央本体から取り出し、
新たなフランジをライナに取り付け、
新たなフランジが取り付けられたライナを、周囲のインサートをライナの壁面と第１の開口の壁面との間に位置させるように、第１の開口を通じて羽根板の空洞に挿入し、
フランジをリムへと固定する、方法を実施することができる。

このような方法は、簡単に実施することができるという利点を有する。

本発明は、ライナが両端において開放しており、フランジとは反対側の端部の端部が開口へと案内され、開口の壁面が案内路を形成しているアセンブリに特によく適しているが、本発明が、ライナがフランジ付きの端部においてのみ開放しており、他端が必ずしも案内路に案内されていないアセンブリにも適用可能であることに、留意されたい。

本発明を、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態についての以下の説明の助けによって、よりよく理解できるであろう。

図１および図２を参照すると、ノズル案内羽根アセンブリ１が、複数枚の固定の羽根板２を含み、これらの羽根板２が、エンジンの気体の通路を通過する空気の流れを真っ直ぐにする翼列を形成している。図２の矢印が、上流から下流へのガス流の方向を表している。この通路は、羽根板２を支持している外側シュラウド３および内側シュラウド４によって区画されている。

羽根板２は各々、中空であり、冷却用ライナ６が挿入される中央の空洞５を含む。図１においては、種々の要素の形状の理解を容易にするために、最も左側の冷却用ライナ６が、このライナを収容している羽根板２の空洞５から途中まで引き出されて描かれている。以下では、羽根板２およびライナ６からなる１つの特定のアセンブリを説明するが、ノズル案内羽根アセンブリ１の全てのアセンブリ２、６が、同様の構造を有することを理解すべきである。

羽根板２の空洞５は、ノズル案内羽根アセンブリの外側シュラウド３および内側シュラウド４に、各々外側開口７および内側開口８を形成している。ライナ６が、外側開口７を介して、羽根板２へと嵌り込むように挿入されている。

ライナ６は、この例においては上流側に複数のオリフィス１０が穿孔されている中空の本体９を含み、羽根板２の外側開口７の付近に位置する供給パイプ１１においてライナ６の本体９へと供給された空気が、これらのオリフィス１０を通って、羽根板２の内壁に向かって進められる。この特定の例では、知られている方法で、羽根板２の内壁が、これらのオリフィス１０に面して複数のフィン１１を有し、羽根板２のよりよい冷却のための撹乱を形成している。さらにライナ６は、やはり図２において断面図であるにもかかわらず概略的に示されているが、外表面に複数のボス１２を含み、その機能は、ライナ６を羽根板２の空洞５内に位置決めできるようにすることにある。

ライナ６は、外側の端部にフランジ１３を含む。ここでは、このフランジ１３が、ライナ６を構成しているシートを形成することによって得られている。フランジ１３をライナ６へと取り付けても、同様に好都合である。フランジ１３は、羽根板２の空洞５によって形成された外側開口７の周囲において、ノズル案内羽根アセンブリによって形成されたリム１４に当接するように設計されている。フランジ１３は、後で詳しく説明するとおり、ろう付けまたは溶接によってこのリム１４に固定される。

内側の端部において、ライナ６は本体９と連続に端部１５を含み、端部１５が、羽根板２によって形成される内側開口８に挿入され、羽根板２の壁面８’が、この端部１５を知られている方法で案内するための案内路を形成している。この移動の自由度ゆえ、羽根板２とライナ６との間の熱膨張の相違を、吸収することができる。

さらに、羽根板２とライナ６とから構成されるアセンブリは、フランジ１３の近傍にインサート１６を含む。インサート１６の機能は、両方向について空気の漏れを防止し、あるいは少なくとも制限するために、フランジ１３の近傍に圧力低下を生成することにある。このインサート１６は、ライナ６を巡って周状である。インサート１６は、ライナ６またはノズル案内羽根アセンブリ１のいずれにも固定することができる。インサート１６は、フランジ１３の近傍に位置し、すなわちその効果をフランジ１３の効果と組み合わせることができる領域に位置している。換言すると、インサート１６によって生み出される圧力低下が、フランジ１３とリム１４との間に存在し得るすき間を通じての空気の漏れを防止するために、充分に大きくする必要がある。この特定の例では、インサート１６が、フランジ１３の下方において、フランジ１３が固定されるリム１４によって延長されている外側開口７の壁面７’に位置している。

次に、インサートについての３つの特定の実施形態を、図３から図５に関して説明する。これら３つの実施形態においては、インサート１６がライナ６に固定されて示されているが、当業者であれば、実施形態の詳細を何ら困難を伴うことなく、インサート１６が羽根板２によって形成される外側開口７の壁面７’に持ち込むことができることは、いうまでもない。３つの図において、インサートは、同じ参照番号１６によって指し示されている。

図３を参照すると、第１の実施形態に従い、インサート１６が、フランジ１３の下方においてライナ６の周囲に固定された周状の帯１６または周状のばね板を含む。この金属帯１６は、この場所においてライナ６の壁面を外側開口７の壁面７’から隔てている距離よりも短い距離にわたって半径方向に広がるように設計されており、好ましくは外側開口７の壁面７’と同一面に位置するように設計されている。「半径方向」という表現は、ライナの全体軸に対して半径方向、すなわちフランジ１３と端部１５との間のライナの長手方向に対して半径方向を意味すると理解すべきである。このようにして生成される圧力低下は、フランジ１３とリム１４との間の漏れを防止、または充分に抑制するために充分である。本実施形態においては、インサートが、ライナ６の全周を巡って空気流に対する邪魔板を形成している。

図４を参照すると、第２の実施形態に従い、インサート１６が、或る特定の弾性を呈する周状のばね板１６を含む。この金属製のばね板１６は、この場所においてライナ６の壁面を外側開口７の壁面７’から隔てている平均距離よりもおそらくは大きくてよい半径方向の寸法を有する。ライナ６が開口７へと導入されるとき、ライナ６が開口７に対して完全には中心に位置していなくても害はない。ライナ６が導入されるとき、ばね板１６が、ライナ６に最も近い開口７の壁の部分７’に当接して、外向きに弾性的に湾曲し、すき間を補正する。さらには、ばね板１６の寸法を、ばね板がライナ６の全周にわたって開口７の壁面７’に接触するようにして、シールを形成することができる。

本実施形態のおかげで、ライナ６と外側開口７の壁面７’との間にすき間を残すことが可能である。このようなすき間は、ライナ６の嵌め込みを容易にする。羽根板２へと導入されるとき、ライナ６は、端部１５において羽根板２の内側端に位置する案内路８に案内される。この案内が、内側開口８と外側開口７とがずれていても、外側開口の端部にすき間が存在するがゆえに妨げられることがないため、自由に実行される。このようなすき間は、ばね板１６の弾性によって補償されるため、嵌め合わせにとって害ではない。すなわち、ばね板１６が開口７に進入でき、漏れを抑えるという機能を実行できる。ばね板１６のおかげで、すき間の存在が漏れにつながることはなく、したがってすき間およびすき間が意味する利点が、ばね板１６の存在によって可能になる。

本実施形態において、インサート１６は、外側開口７の壁面７’に触れる（シールの機能）か、あるいは触れない（邪魔板の機能）かに応じて、邪魔板として機能でき、シールとして機能でき、あるいは両者として機能することができる。どちらの場合も、インサートの場所において圧力低下が引き起こされる。両方の機能を実行する場合には、シール要素１６が、ばね板１６が開口７の壁面７’に接していない特定の部位においては邪魔板として機能し、ばね板１６が開口７の壁面７’に接している他の部位においてはシールとして機能する。

図５を参照すると、第３の実施形態に従い、インサート１６が、周状のばね１６を含む。金属で製作されたこのばね１６は、両縁がライナ６の表面に固定されたばね板を含み、ばね板が２つの固定縁の間をラッパ状に広がるＵ字形の断面を呈している。すでに述べたように、このようなばね形成要素１６は、外側開口７に存在し得るいかなるすき間も補償することができ、さらにはライナ６の領域に応じ、ばね１６が開口７の壁面７’に接触しているか否かに応じて、シールおよび／または邪魔板として機能することができる。

インサートを、３つの好ましい実施形態に従って提示したが、それらが圧力低下を生じさせるべくライナ６の壁面と開口７の壁面との間に広がる限りにおいて、他の構造を想像できることは、いうまでもない。さらには、複数のインサートを組み合わせて一種のラビリンスシールを生み出すことも可能である。

インサート１６のおかげで、フランジ１３における空気の漏れを、仮に完全には回避できないにせよ、少なくとも大きく制限することができる。フランジ１３は、ろう付けによってリム１４に固定することができる。そのような場合、インサートが漏れを防止または制限するため、ろう付け材料の非存在が厳禁ではなくなる。また、インサートを使用することで、ライナ６を羽根板２に取り付けるために特別な方法を使用することができるようになり、その方法においては、
ライナ６が、外側開口７を介して羽根板２の空洞５へと挿入され、
フランジ１３がリム１４へとスポット溶接される。

このような取り付け方法は、きわめて迅速かつ安価である。それは、全周を巡ってろう付けを行う代わりに、フランジ１３を単にいくつかの点において溶接（一般的に使用される用語は、「点付け（ｔａｃｋｉｎｇ）」である）すればよいためである。スポット溶接が、ライナ６を羽根板２に保持するために充分である一方で、インサート１６が、フランジ１３においてシールをもたらし、あるいは少なくとも漏れを抑制するため、アセンブリが機能的に存続可能である。ノズル案内羽根アセンブリのライナにおいては、機械的な応力がそれほど大きくないため、ライナ６とリム１４との間のスポット溶接による取り付けが充分に強力である点に、留意されたい。

このように、取り付け方法を、一方では機械的な応力に適するように、他方では取り付けについての時間およびコストの制約に合わせて、自由に適合させることができる。この自由度は、ライナ６の壁面と開口７の壁面７’との間にインサートが存在することによってもたらされ、ろう付けとスポット溶接との間の選択を可能にしている。

ノズル案内羽根アセンブリ１に補修が必要となった場合、羽根板２とライナ６とから構成される各々のアセンブリについて、
ライナ６のフランジ１３を、インサート１６を削ることなくリム１４まで削り、
ライナ６を、開口７を通じて羽根板２の中央本体５から取り出し、
新たなフランジをライナ６に取り付け、
新たなフランジが取り付けられたライナ６を、周囲のインサート１６をライナ６の壁面と開口７の壁面７’との間に位置させるように、外側開口７を通じて羽根板２の空洞５に挿入し、
フランジ１３をリム１４へと固定する、補修方法を採用することが可能である。

フランジ１３を削る工程は、機械加工によって行うことができ、あるいは好ましくは、放電加工機を使用するルータ加工（ｒｏｕｔｉｎｇ）によって行うことができる（この種のルータ加工は、「ＥＤＭルータ加工」として当業者によく知られている）。行う必要があるルータ加工は、きわめて迅速に実行される。なぜならば、実行すべき作業がフランジ１３のルータ加工だけであり、このフランジが、一般的にはあまり厚くないためである。その後、ひとたびライナ６が羽根板２の中央の空洞５から取り出されると、新たなライナを再生すべく例えば溶接によってフランジをライナ６の本体９に取り付けることは、簡単である。次いで、新たなライナを、再び羽根板２の中央の空洞５へと挿入することができる。

本発明のノズル案内羽根アセンブリの一部分の概略斜視図を示す。 本発明のアセンブリの概略断面図を示す。 本発明のアセンブリの第１の実施形態によるインサートの概略断面図を示す。 本発明のアセンブリの第２の実施形態によるインサートの概略断面図を示す。 本発明のアセンブリの第３の実施形態によるインサートの概略断面図を示す。

符号の説明

１ ノズル案内羽根アセンブリ
２ 羽根板
３ 外側シュラウド
４ 内側シュラウド
５ 空洞
６ 冷却用ライナ
７ 外側開口
８ 内側開口
７’、８’ 壁面
９ 本体
１０ オリフィス
１１ フィン
１２ ボス
１３ フランジ
１４ リム
１５ 端部
１６ インサート

Claims (12)

1. 羽根板と羽根板を冷却するための冷却用ライナとから構成され、羽根板が、ライナが延伸する少なくとも１つの第１の開口を備える中央の空洞を含む一方で、ライナが、開口のリムへと固定されるフランジを含むアセンブリであって、
   フランジの近傍に、ライナの壁面と開口の壁面との間に挿入される周状のインサートを含む、アセンブリ。
2. インサートが、圧力低下を生じさせ、邪魔板および／またはシールとして機能する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 中央の空洞が、第２の開口を形成しており、ライナが、フランジと反対側の端部に、第２の開口内に案内される端部を含み、第２の開口の壁面が、この目的のための案内路を形成している、請求項１および２の一項に記載のアセンブリ。
4. ライナと第１の開口の壁面との間にすき間が存在する、請求項３に記載のアセンブリ。
5. インサートが、邪魔板を形成する周状の帯を含む、請求項１から４の一項に記載のアセンブリ。
6. インサートが、弾性ばね板を含む、請求項１から４の一項に記載のアセンブリ。
7. インサートが、周状のばねを含む、請求項１から４の一項に記載のアセンブリ。
8. フランジが、スポット溶接によってリムへと固定されている、請求項１から７の一項に記載のアセンブリ。
9. 羽根板とライナとから構成される請求項１から８の一項に記載のアセンブリを複数含む、ターボ機械のノズル案内羽根アセンブリ。
10. 請求項９に記載のノズル案内羽根アセンブリを含む、ターボ機械。
11. 羽根板が少なくとも１つの第１の開口を備える中央の空洞を含み、ライナがフランジを含む請求項１から８の一項に記載のアセンブリを形成するため、ターボ機械のノズル案内羽根アセンブリの中空の羽根板に冷却用のライナを取り付ける方法であって、
    ライナが、周状のインサートをライナの壁面と第１の開口の壁面との間に位置させるように、第１の開口を介して羽根板の空洞へと挿入され、
    フランジがリムへとスポット溶接される、
    方法。
12. 請求項１から８の一項に記載のアセンブリを補修するための方法であって、
    ライナのフランジを、インサートを削ることなくリムまで削り、
    ライナを、第１の開口を通じて羽根板の中央本体から取り出し、
    新たなフランジをライナに取り付け、
    新たなフランジが取り付けられたライナを、周囲のインサートをライナの壁面と第１の開口の壁面との間に位置させるように、第１の開口を通じて羽根板の空洞に挿入し、
    フランジをリムへと固定する、
    方法。

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