JP2009138739A - ターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の問題に対して簡単、効果的、かつ低コストである解決方法を提供する。
【解決手段】ターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段であって、ケーシングによって担持されたセクター化リングによって取り囲まれた羽根車を備え、各リングセクターが、Ｃ字形状の断面を有した、かつリングセクターのリムの円周端部分上とケーシングレールの対応した部分上とに係合された２つのクランプによって、ケーシングレールに対して半径方向に締め付けられた円周リムを含む、段。
【選択図】図５

Description

本発明は、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段であって、円周方向に端同士を接するように配設されかつ圧縮機またはタービンのケーシングに締め付けられたリングセクターから構成された円筒状リングもしくは円錐台形状リングの中で回転するように取り付けられた羽根車を備える、タービンまたは圧縮機の段に関する。

各リングセクターはその端部の一方に、弾性クランプによってケーシングの環状レールに対して半径方向に締め付けられた円周リムを有する。この弾性クランプは実質的にＣ字形状の断面を有し、ケーシングレール上とリングセクターの円周リム上とに軸方向に係合されている。

最新技術では、これらのクランプは、３６０°にわたって延在する環状のクランプ手段を構成するように、端同士を接するように円周方向に配設されている。各クランプは、リングセクターの角度範囲または角度幅以上の角度範囲または角度幅を有し、したがってクランプの数はリングセクターの数以下である。

各クランプがリングセクターの角度範囲または角度幅と等しい角度範囲または角度幅を有するとき、各クランプが一般的に１つのリングセクターの円周リム上に係合されて、クランプの円周端部の側面がリングセクターの長手方向に延在する縁部と実質的に位置合わせされた状態となる。

各クランプは、一定量の半径方向のプレストレスをもってケーシングレール上とリングセクターの円周リム上とに係合されている。動作中、各リングセクターの中で比較的大きな温度勾配が半径方向に発生し、これによってリングセクターに「非曲げ化（ｕｎｂｅｎｄ）」が引き起こされる。この現象は本質的にリングセクターの曲率半径の増大を起こし、これによってクランプの中間部分内の応力の増大が引き起こされ、これがクランプの耐用期間を減少させる可能性がある。

本発明の特別の目的は、この問題に対して簡単、効果的、かつ低コストである解決方法を提供することである。

この目的のために、本発明は、ターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段において、ケーシングによって担持されたセクター化リングによって取り囲まれた少なくとも１つの羽根車を備え、該セクター化リングが実質的にＣ字形状の断面を有しかつケーシングレール上とリングリム上とに軸方向に係合された弾性クランプによってケーシングの環状レールに対して半径方向に締め付けられた円周リムを含む、タービンまたは圧縮機の段であって、各リングセクターが、リングセクターのリムの円周端部分上とケーシングレールの対応した部分上とだけに係合された少なくとも１つのクランプによって、ケーシングレールに対して保持されている、タービンまたは圧縮機の段を提供する。

したがって、本発明によると、クランプは互いに一定の円周方向の間隔が置かれており、各クランプは、リングセクターの端部分上とレールの対応する部分上とだけに係合されている。リングセクターの中間部分上とケーシングレールの対応する部分上とにはクランプは係合されていない。したがってターボ機械の動作中、各リングセクターの中間部分は、クランプを破損するリスクを冒すことなく半径方向に自由に移動できる。

したがって各リングセクターは、少なくともその端部の一方を介してケーシングレール上に半径方向に保持されている。したがって、従来技術とは対照的に、クランプ同士は決して当接するような形では配置されない。ロック手段は連続的に３６０°にわたって延在せず、これによってロック手段の重量が著しく減少されることを可能にする。クランプが接面レール上とリングセクターのリム上とで円周方向に移動することを防止するのには、クランプの半径方向のプレストレスで充分である。また、万一クランプの半径方向のプレストレスが不充分であり、または存在しない場合には、クランプを円周方向に阻止するシステムを設けることも可能である。これらのクランプは実質的に互いに同一である。

本発明の他の特徴によると、これらのクランプは、リングセクターの角度範囲または角度幅未満の角度範囲または角度幅を有する。

各リングセクターは１つのクランプによってケーシングレールに対して保持されてもよく、このクランプは、リングセクターのリムの円周端部分上とケーシングレールの対応した部分上とに係合されている。クランプは１つのリングセクターを半径方向に保持してもよく、あるいはクランプが隣接した２つのリングセクターにわたって取り付けられている場合は、クランプは２つのリングセクターを保持してもよい。

一変形例では、各リングセクターは２つのクランプによってケーシングレールに対して保持され、それらのクランプはそれぞれ、リングセクターのリムの円周方向端部分上と、ケーシングレールの対応する部分上とに係合されている。クランプはそれぞれ、リングセクターのリムの端部分を保持することができ、またクランプが上記２つのリングセクターのリムにわたって取り付けられている場合は、場合によっては隣接したリングセクターのリムの端部分をも保持することができる。

これらのクランプは、例えばクランプの角度範囲または角度幅以上の間隔分円周方向に互いに離隔されてもよい。

各クランプは、リングセクターの角度範囲または角度幅の約半分未満、好ましくは約３分の１未満、例えば約４分の１未満の角度範囲または角度幅を有してもよい。

本発明はまた、少なくとも１つの上述のタービンまたは圧縮機の段を含むターボ機械の圧縮機またはタービンも提供する。

本発明はまた、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械であって、少なくとも１つの上述のタービンまたは圧縮機の段を含んだターボ機械も提供する。

非限定的な例として添付図面を参照してここで行う以下の説明を読めば、本発明がより充分に理解されることが可能であり、本発明の他の特徴、詳細、および利点がより明確になる。

従来技術のタービン段を示す軸方向断面における断片概略片側図である。 図１の段のリングセクターとクランプの概略斜視図である。 図２のリングセクターの下流から見た極めて概略的な断片正面図である。 本発明の段のリングセクターとクランプの概略斜視図である。 本発明の変形形態のリングセクターと２つのクランプとの概略斜視図である。 図５のリングセクターとクランプの概略平面図である。

最初に図１を参照する。図１は航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械のタービン段１０を示している。段１０は、タービンのケーシング１６によって担持された固定羽根１４の環状列によって構成されたノズル１２と、ノズル１２の上流に取り付けられ、タービンのケーシング１６によって端同士を接するように円周方向に担持された複数のセクター２２から構成されたセクター化リング２０内で回転する羽根車１８とを含む。

ノズル１２は２つの円形壁、即ち外側壁２４と、ここに示していない内側壁とを有し、これらの壁はそれらの間にタービンを通るガスフローのための環状セクションを画定し、それらの壁の間で羽根１４が半径方向に延在する。このノズルを固定する手段は、円筒状リム２８に外側周囲で接続される少なくとも１つの上流放射タブ２６を備えており、この円筒状リム２８は上流に延在し、ケーシング１６の下流端部に向かって開いた環状溝３０内に係合されるように設計されている。

各リングセクター２２は、その上流端部と下流端部に、タービンケーシング１６に固定するための円周固定リム３２、３４を有する。リングセクターのこれらの上流の円周リム３２は上流に延在し、ケーシング１６の、下流に延在する円筒状リム３６に対して係合されている。これらのセクターの下流の円周リム３４は下流に延在し、Ｃ字形状断面を有したクランプ４０によって、ケーシングの円筒状レール３８に対して半径方向に締め付けられている。クランプ４０は、軸方向上流に面した開口部を有し、弾性変形されることによって、下流端部からケーシングレール３８上とリングセクターの下流円周リム３４上とに軸方向に係合されている。リングセクターの下流リム３４とケーシングレール３８とは実質的に同じ曲率半径を有する。

各クランプ４０は、２つの円周壁、即ちそれぞれ半径方向外側壁４２と半径方向内側壁４４とを備え、それらの壁はそれらの下流端部で放射壁４６によって相互に連結され、またそれぞれケーシングレール３８の外側上とリングセクターの下流リム３４の内側上とに係合されている。

クランプ４０の放射壁４６は軸方向に、レール３８およびリム３４の下流端部と、下流にあるノズル１２の放射壁２６との間に配置されていて、これによってクランプ４０が軸方向下流に移動するのを、またレール３８とリングセクターのリム３４とから脱係合するのを防止している。

図２から分かるように、従来技術では、各リングセクター２２が１つのクランプ４０と関連付けられている。ケーシングレール３８は、明確にするためにこの図では示していない。クランプは、リングセクターの角度範囲または角度幅Ｈと実質的に同一の角度範囲または角度幅Ｌを有する。図２で示した組み立て位置では、クランプの円周端部の側面４８は、リングセクターの側面５０と半径方向に一致して位置している。各クランプの側面４８は、ほぼ当接する形で互いに切れ目なく続く隣接したクランプの側面から小さな円周方向間隔を置いて位置付けられている。

クランプ４０は、一定量の半径方向のプレストレスをもって、ケーシングレール３８上とリングセクターの円周リム３４上とに係合されていることが好ましい。この目的のために、取り付けられていない状態の、クランプの円周方向に延在した壁４２と４４の間の半径方向間隔（クランプ内の開口部の半径方向寸法に対応する）は、ケーシングレール３８にセクターの下流リム３４を加えた半径方向厚みの合計よりも、例えば約１０分の数ミリメートル分小さくなっている。したがってクランプ４０は、その円周方向に延在した壁４２と４４が離れることによって半径方向に弾性変形しながら、クランプは軸方向にレール３８とセクターの下流リム３４とに係合される。

動作中、リングセクター２２は半径方向に大きな温度勾配を受ける。これによってリングセクターに「非曲げ化」が生じ、リングセクターは、ケーシングレール３８の曲率半径よりも大きくなる曲率半径を有するようになる。図３は、連続線を使用して、応力のない自由状態におけるリングセクターの、また破線を使用して、「非曲げ化」された状態におけるリングセクターの下流リム３４の形状および位置を示している。このリングセクターの「非曲げ化」によって、リングセクターの円周リム３４の距離Ｊにわたる半径方向内向きの移動が生じる。この距離Ｊはセクターの円周寸法に沿って変化し、セクターの中間部分で最大となる。この非曲げ化は、クランプ４０の中間部分で応力の著しい増大をもたらし、これによってクランプの耐用期間が減少する可能性がある。

本発明は、リングセクターの下流円周リム３４の端部分だけで係合されるクランプによって、リングセクター２２をケーシングレール３８に対して保持することによって、この問題が改善されることを可能にする。したがって動作中、セクターリム３４のこれらの中間部分は、それらが応力の集中する区域から充分離れていることから、力をクランプに伝えることなく自由に動くことができる。

図４に示した実施形態では、クランプ１４０は、リングセクター２２の幅よりも極めて小さな角度範囲または角度幅Ｌ’を示している。リングセクター２２の幅は従来技術のリングセクターの幅と同一である。クランプ１４０の幅Ｌ’は、リングセクター２２の幅Ｈの半分未満、好ましくは３分の１未満、例えば４分の１未満である。各リングセクター２２は、セクターリム３４の端部分上とケーシングレール３８の対応した部分（明確にするためにここでは示していない）上とに係合された１つのクランプ１４０に関連付けられている。したがってこの実施形態では、クランプの数は、リングセクターの数と同一である。

図５および図６で示した変形形態では、リングセクター２２はそれぞれにリングセクターの下流リム３４の端部分上とケーシングレール３８の対応する部分上とに係合された２つのクランプ２４０に関連付けられている。したがってクランプの数はリングセクターの数の２倍である。クランプ２４０は実質的に互いに同一であり、図４のクランプ１４０とも同一である。クランプ２４０は互いに比較的大きな円周方向間隔を置いて位置付けられており、上記円周方向間隔は例えば２つまたは３つのクランプの幅の合計に対応している。

従来技術のように、クランプ１４０および２４０は、それらの下流に位置付けられたノズル１２の放射壁２６にもたれ掛かることによって、軸方向下流に移動することを防止される（図１）。クランプ１４０、２４０がケーシングレール３４上とリングセクターの下流リム３８上とに取り付けられているとき、クランプを円周方向に移動することを防止するのに、半径方向のプレストレスだけで充分である。上記半径方向のプレストレスがゼロ、またはクランプが円周方向に移動するのを防止するのに充分ではない場合、クランプを円周方向に阻止するためのシステムが設けられる。

１０ タービン段
１２ ノズル
１４ 固定羽根
１６ ケーシング
１８ 羽根車
２０ セクター化リング
２２ リングセクター
２４ ノズルの外側壁
２６ ノズルの放射壁
２８、３６ 円筒状リム
３０ 環状溝
３２、３４ 円周リム
３８ ケーシングレール
４０、１４０、２４０ クランプ
４２ クランプの半径方向外側壁
４４ クランプの半径方向内側壁
４６ クランプの放射壁
４８ クランプの側面
５０ リングセクターの側面

Claims (11)

1. ケーシングによって担持されたセクター化リングによって取り囲まれた少なくとも１つの羽根車を備え、該セクター化リングが実質的にＣ字形状の断面を有しかつケーシングレール上とリングリム上とに軸方向に係合された弾性クランプによってケーシングの環状レールに対して半径方向に締め付けられた円周リムを含む、ターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段であって、各リングセクターが、リングセクターのリムの円周端部分上とケーシングレールの対応した部分上とだけに係合された少なくとも１つのクランプによって、ケーシングレールに対して保持されている、段。
2. クランプが、リングセクターの角度範囲または角度幅未満の角度範囲または角度幅を有する、請求項１に記載の段。
3. 各リングセクターが１つのクランプによってケーシングレールに対して保持され、クランプがリングセクターのリムの円周端部分上とケーシングレールの対応した部分上とに係合されている、請求項１に記載の段。
4. 各リングセクターが２つのクランプによってケーシングレールに対して保持され、クランプがそれぞれにリングセクターのリムの円周端部分上とケーシングレールの対応した部分上とに係合される、請求項１に記載の段。
5. クランプが、クランプの角度範囲または角度幅以上の間隔分円周方向に互いに離隔されている、請求項１に記載の段。
6. 各クランプが、リングセクターの角度範囲または角度幅の約半分未満の角度範囲または角度幅を有する、請求項１に記載の段。
7. 各クランプが、リングセクターの角度範囲または角度幅の約３分の１未満の角度範囲または角度幅を有する、請求項１に記載の段。
8. 各クランプが、リングセクターの角度範囲または角度幅の約４分の１未満の角度範囲または角度幅を有する、請求項１に記載の段。
9. クランプが互いに同一である、請求項１に記載の段。
10. 請求項１に記載の少なくとも１つのタービンまたは圧縮機の段を含む、ターボ機械の圧縮機またはタービン。
11. 請求項１に記載の少なくとも１つのタービンまたは圧縮機の段を含む、航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械。

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