JP2012007607A - タービンシュラウドシーリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのタービン部分において低延性材料から成るシュラウドをシーリングするための装置及び方法を提供する。
【解決手段】タービンシュラウドシーリング装置は、（ａ）低延性材料から成る、対向し合う前壁１８及び後壁２０と対向し合う内壁１４及び外壁１６により画定された断面形状を有するシュラウドセグメント１２であって、これらの壁が、シュラウドセグメント１２の対向し合う第１端面４８及び第２端面４８の間に延在している、アーチ形のシュラウドセグメント１２と、（ｂ）第１端面４８に形成された少なくとも１つのスロット５０、５４、５８、６２、６６、７０、７８に収容される第１シールアセンブリであって、第１端面４８から突出する、第１端面４８の周縁に連続的なシーリング表面を画成するべく構成された、１つ又は複数のスプラインシール５２、５６、６０、６４、６８、７２、を有する第１シールアセンブリと、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、更に具体的には、当該エンジンのタービン部分において低延性材料から成るシュラウドをシーリングするための装置及び方法に関する。

典型的なガスタービンエンジンは、高圧圧縮機と燃焼器と高圧タービンとを流体的に直列な関係で有する、ターボ機械コア部を含む。このコア部は、周知のように動作し、一次ガス流を生成する。高圧タービン（ガスジェネレータタービンともよばれる）は、この一次ガス流からエネルギーを抽出する１つ又は複数のロータを含む。各ロータは、回転ディスクによって担持される、環状配列のブレード又はバケットを有する。ロータを介したこの流路は、ブレード又はバケットの先端部を取り囲む定置構造であるシュラウドによって部分的に画定されている。これらの部品は、極めて高温の環境下で動作するので、適正な耐用寿命を確保するには空気流による冷却が必要である。通常、冷却に使用する空気は、圧縮機から抽出（ブリード）される。ブリード空気の使用は、燃料消費率（ＳＦＣ）に悪影響を及ぼすので、通常はこれを最小限に抑えるべきである。

金属製のシュラウド構造をセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）等の、更に高い高温性能を備えた材料に置換することが提案されている。これらの材料は、シュラウドセグメント等の物品の設計やこれらの物品への適用の際に考慮しなければならない、固有の機械特性を有する。例えば、ＣＭＣ材料は、金属材料と比べると引張延性又は歪度が比較的低く、このことが故障に繋がる。また、ＣＭＣは、約１．５〜５マイクロインチ／インチ／度（華氏）の範囲の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するが、これは、金属製シュラウド用の支持部として使用する市販の金属合金とは大幅に異なる。こうした金属合金は、大抵は約７〜１０マイクロインチ／インチ／度（華氏）の範囲のＣＴＥを有する。

ＣＭＣシュラウドをセグメント化することにより、熱成長に伴う応力を低減することができ、エンジンのクリアランス制御システムを効果的に機能させることができる。セグメントの端面、即ち「切れ目」の面は、動作状態により端部間隙を有するが、ＣＭＣシュラウドでは、同等の金属製シュラウドよりも大きな間隙を有することがある。この切れ目の面の間隙を理由に、シールを使用して、シュラウドの漏れ流れを制限し、逆流マージンを保護する必要がある。

セグメント化されたＣＭＣシュラウドの１つのタイプでは、「ボックス」設計を取り入れているので、従来技術の金属製タービンシュラウドの取り付けに使用する従来のシュラウドハンガーが不要になる。従来技術では、通例、シュラウドハンガーを使用して、冷却空気圧の大部分を除去することによって、シュラウドに供給される冷却空気流を調節している。ボックス式のシュラウドはシュラウドハンガーを使用することがないので、シュラウドの外側部分が非常に高い空気圧に接する可能性がある。

米国特許出願公開第２００８／０２０６０４６号

従来技術のこれら及びその他の欠点は、タービンシュラウドの端部間隙に連続的な周縁シーリング表面をもたらすタービンシュラウドシーリング装置を提供する本発明によって解決する。

本発明の一態様によると、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドシーリング装置は、（ａ）低延性材料から成る、対向し合う前壁及び後壁と対向し合う内壁及び外壁により画定された断面形状を有する、アーチ形のシュラウドセグメントであって、これらの壁が、このセグメントの対向し合う第１及び第２端面の間に延在している、アーチ形のシュラウドセグメントと、（ｂ）第１端面に形成された少なくとも１つのスロットに収容される第１シールアセンブリであって、第１端面から突出する、第１端面の周縁に連続的なシーリング表面を画成するべく構成された、１つ又は複数のスプラインシールを有する第１シールアセンブリと、を有する。

本発明の別の態様によると、中央線軸を有するガスタービンエンジン用のタービンシュラウド装置は、（ａ）環状の定置構造と、（ｂ）複数のアーチ形シュラウドセグメントから成る、定置構造内に取り付けられた環状タービンシュラウドであって、各シュラウドセグメントが低延性材料から成り、対向し合う前壁及び後壁と対向し合う内壁及び外壁を有し、各々の壁が、対向し合う端面どうしの間に延在しており、接合される端面どうしが近接した状態でこれらのシュラウドセグメントが設置され、それぞれの対向し合う接合される端面どうしの間に端部間隙が画成されている、環状タービンシュラウドと、（ｃ）端部間隙の各々に設置されたシールアセンブリであって、接合される端面の周縁に連続的なシーリング表面を画成するべく構成された１つ又は複数のスプラインシールを有する、シールアセンブリと、を有する。

添付図面に関連する以下の説明を参照することにより、本発明を最もよく理解できよう。

本発明の一態様に従って構築されたシュラウドシーリング装置を組み込んだ、ガスタービンエンジンのタービン部分の概略部分断面図である。 幾つかのスプラインシールと共に示された、本発明の一態様に従って構築されたタービンシュラウドの分解斜視図である。 内部にスプラインシールが設けられた２つの隣接するシュラウドセグメントの概略正面立面図である。

様々な図面を通じて同一の参照符号で同一の要素を示す添付図面を参照すると、図１は高圧タービンのごく一部を示しており、この部分は、既知のタイプのガスタービンエンジンの一部分である。高圧タービンの機能は、周知のように、上流の燃焼器（図示せず）からの高温の加圧された燃焼ガスからエネルギーを抽出し、このエネルギーを機械的な仕事に変換することである。高圧タービンは、シャフトを介して上流の圧縮機（図示せず）を駆動させ、加圧された空気を燃焼器に供給する。

図示の例において、エンジンはターボファンエンジンであり、低圧タービンが、ガスジェネレータタービンの下流に配置され、ファンを駆動させるシャフトに結合されている。但し、本明細書に記述する原理は、ターボジェットエンジンやターボシャフトエンジンだけでなく、その他車両用又は定置用途に使用するタービンエンジンにも、同様に適用可能である。

高圧タービンは、エンジンの中心線軸を中心に回転する、エアフォイル形状のタービンブレード１０の配列体を担持するロータを含む。複数のアーチ形のシュラウドセグメント１２から成るシュラウドは、タービンブレード１０を緊密に取り囲んで配置されており、ロータを介して流れる高温のガス流の半径方向外側の流路境界を画定している。

図２からわかるように、各シュラウドセグメント１２は、対向し合う内壁及び外壁１４及び１６と、前壁及び後壁１８及び２０とにより画定される、略矩形又は「ボックス」形状の中空の断面形状を有する。図示の例においては、これらの壁どうしの間に、丸みを帯びたトランジション部分が設けられているが、尖った又は角張ったトランジション部分も同様に使用可能である。シュラウドセグメント１２は、半径方向内側の流路表面２２と、（図１から最もよくわかる）半径方向外側の裏面２４とを有する。裏面２４には、位置合わせの目的で使用する１つ又は複数の突出パッド２６が設けられている。丸みを帯びた前縁を有する任意のレール２８が前壁１４から前方に延在している。取付孔３０が外壁１６を貫通している。壁１４、１６、１８、２０には、シュラウドキャビティ３２が画成されている。

シュラウドセグメント１２は、既知のタイプのセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料で構築されている。一般に、市販のＣＭＣ材料は、例えばＳｉＣ等のセラミックタイプのファイバを含み、その外形が窒化ホウ素（ＢＮ）などの軟質材料でコーティングされている。このファイバは、セラミックタイプのマトリックスに担持され、その１つの形態が炭化珪素（ＳｉＣ）である。通常、ＣＭＣタイプの材料は、約１％以下の室温引張延性を有するが、このことは、本明細書で用いられる場合、低引張延性材料を定義及び意味する。一般に、ＣＭＣタイプの材料は、約０．４〜約０．７％の範囲の室温引張延性を有する。これは、例えば約５〜約１５％の範囲等の少なくとも約５％の室温引張延性を有する金属とは対照的である。また、シュラウド１２を、その他の低延性で高温性能を有する材料からも構築できる。

シュラウド１２の流路表面２２には、ＣＭＣ材料との併用に好適な既知のタイプの摩耗性又は耐摩擦性の材料３４の層が設けられる。この層は「ラブコート」とよばれることもある。図示の例において、摩耗性材料３４の厚さは、約０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）〜約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）である。

シュラウドセグメント１２は、この例ではタービンケース３６の一部である定置構造に機械的な手段によって取り付けられる。スペーサ３８が、取付孔３０の各々の内部に設置される。図示のボルト及びナットの組合せ等の留め具４０が、スペーサ３８を貫通し、シュラウドセグメント１２のパッド２６をケース３６の内面にクランプする。スペーサ３８又は別個のワッシャ（図示せず）を使用して、スペーサ３８（又はワッシャ）と留め具４０のシャンク部の間と、スペーサ３８（又はワッシャ）とシュラウドセグメント１２の外壁１６の間とをぴったり合わせることによって、取付孔３０を介したシュラウドキャビティ３２内の、又はこのシュラウドキャビティから外部への空気の漏れを防止できる。この特定の例において、ケース３６は、半径方向内側に突出する、シュラウドセグメント１２の後壁２０に圧接するフランジ４２を含む。フランジ４２は、後壁２０とフランジ４２の間の漏れを低減する環状の「Ｗ」字形のシール４４を担持している。リーフシール４６又は従来のタイプのその他の周縁シールが、シュラウドセグメント１２の前方に取り付けられ、前壁１４に圧接している。なお、図１では１つの特定の取付構成を図示しているに過ぎず、本明細書に記述するシーリングの原理及びシーリング装置は、あらゆるタイプのシュラウドセグメントの取付構成に適用可能である。

シュラウドセグメント１２は、対向し合う端面４８（一般に「切れ目」の面ともよばれる）を含む。図２に示すように、端面４８の各々は、「ラジアル平面」とよばれるエンジンの中心線軸に対して平行な平面上にある。これらの端面を、その平面がこのラジアル平面に対して鋭角を成すように配向してもよい。上述のように組立及び取付を行うと、隣接するシュラウドセグメント１２の端面４８どうしの間に端部間隙ができる。そこで、端面４８には一連のシールが設置される。同様のシールは、一般に「スプラインシール」として既知であり、端面４８のスロットに挿入される金属又はその他の適宜の材料の薄いストリップの形態をとる。スプラインシールはこの間隙を跨ぐ。図３は、隣接する端面４８どうしの間に間隙「Ｇ」を有する２つの隣接するシュラウドセグメント１２と、間隙Ｇを跨ぐように端面４８のスロットに収容された代表的なスプラインシール「Ｓ」とを示す、簡略的な参照図面である。以下の説明において、特定の「スロット」及びスプラインシールに言及する際、図３に示すように、スプラインシールの各々が、２つの隣接するシュラウドセグメント１２の接合される端面４８の対応するスロットに収容されており、これらの間隙を跨いでいるものと理解されたい。

図１及び図２は、シュラウドセグメント１２どうしの間隙を介した漏れを軽減するべく使用するシールを示す。なお、エンジンの運転時には、図１に示す破線の内側の領域は、第１温度と全圧及び静圧を有する一次流路の空気に曝される。この低圧ゾーンを「Ｐ１」で示す。破線の外側の領域は、かなり高い静圧を有する二次流路の空気に曝される。この高圧ゾーンを「Ｐ２」で示す。実際には、２つの圧力ゾーンＰ１及びＰ２の間の境界の正確な位置や具体的な形状は、様々に異なると思われる。別個にシールされたシュラウドハンガーを利用する従来技術の金属シュラウドの設計とは対照的に、シュラウドセグメント１２自体が、高圧及び低圧ゾーンＰ１及びＰ２の両方に露出する。

このような理由から、シュラウドキャビティ３２内の圧力を制限するべく、シュラウドセグメント１２の周縁全体には、封鎖された周縁シーリング表面、即ち「フルラップ」シールが設置される。これらのシールを纏めて「シールアセンブリ」という。略軸方向に位置合わせされた第１スロット５０が、内壁１４に沿って端面４８に形成される。軸方向の内側スプラインシール５２が、この第１スロット５０に収容される。

略半径方向に位置合わせされた第２スロット５４が、前壁１８に沿って端面４８に形成される。第２スロット５４の内端部は、第１スロット５０の前端部と交差する。半径方向前方スプラインシール５６が、第２スロット５４に設置される。半径方向前方スプラインシール５６には、２つの目的がある。高圧ゾーンＰ２の内側では、このシールがシュラウドセグメント１２への漏れを制限する。低圧ゾーンＰ１の内側では、シュラウドキャビティ３２から、図１に「ＬＥ」で示した前縁キャビティとよばれる、シュラウドセグメント１２の内側且つタービンブレード１０の前方の領域への漏れを制限する。

略半径方向に位置合わせされた第３スロット５８が、後壁２０に沿って端面４８に形成される。第３スロット５８の内端部は、第１スロット５０の後端部と交差する。半径方向後方スプラインシール６０が、第３スロット５８に設置される。このシールを使用して、シュラウドキャビティ３２から、図１に「ＴＥ」で示した後縁キャビティとよばれる、シュラウドセグメント１２の内側且つタービンブレード１０の後方の領域への漏れを制限する。また、半径方向後方スプラインシール６０を、周縁シール又はフランジ４２の一部分のようなケース部材に位置合わせして、シール６０の後方のシュートを伝う漏れ流れを制限するようにしてもよい。

略軸方向に位置合わせされた第４スロット６２が、外壁１６に沿って端面４８に形成される。外側スプラインシール６４が、第４スロット６２に収容される。略半径方向に位置合わせされた第５スロット６６が、前壁１４に沿って端面４８に形成され、第２スロット５０と第４スロット６２の前端部との間に延在している。外側前方スプラインシール６８が、第５スロット６６に設置される。略半径方向に位置合わせされた第６スロット７０が、後壁２０に沿って端面４８に形成され、第３スロット５８と第４スロット６２の後端部との間に延在している。外側後方スプラインシール７２が、第６スロット７０に設置される。外側、外側前方、外側後方のスプラインシール６４、６８、７２（「上方のスプラインシール」のグループという）が相俟って、高圧領域Ｐ２からシュラウドキャビティ３２への空気の漏れを制限する。

スプラインシールを収容するスロットを伝う「シュート」漏れを低減するべく、スプラインシールに構造が類似した、略Ｌ字形状の断面を有するコーナーシールを個々のスプラインシールの交点に設けてもよい。図２に示すように、コーナーシール７４及び７６がそれぞれ、内側及び半径方向前方スプラインシール５２及び５６の接合部と、内側及び半径方向後方スプラインシール５２及び６０の接合部とに設置される。

任意のレール２８がリーフシール４６に圧接している。リーフシール４６及びレール２８を通した端壁の漏れを阻止するべく、略軸方向に位置合わせされた第７スロット７８が、レール２８の断面の端面４８に形成され、第２スロット５４と交差している。補助前方スプラインシール８０が、第７スロット７８に収容される。一般に、端壁の漏れを制限するためには、補助スプラインシール８０が可能な限りリーフシール４６に近接して延在するように構成するべきである。

これらのスプラインシールが相俟って、間隙の周縁に「フルラップ」、即ち連続的なシーリング表面がもたらされる。これによって、運転時、従来の減圧シュラウドハンガーが無くても、シュラウドセグメント１２への又はこれらのシュラウドセグメントの外部への空気の漏れが制限される。

以上、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドシーリング装置について説明した。本発明の特定の実施例について説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、これらに様々な改変が可能であることは、当業者に明らかであろう。したがって、本発明の好適な実施例及び本発明を実施するための最良の形態に関する以上の説明は、例示を目的として用意されたものにすぎず、限定を目的としたものではない。

Claims (13)

1. ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドシーリング装置であって、
   （ａ）低延性材料から成る、対向し合う前壁及び後壁（１８、２０）と対向し合う内壁及び外壁（１４、１６）とにより画定された断面形状を有する、アーチ形のシュラウドセグメント（１２）であって、前記壁が、前記シュラウドセグメント（１２）の対向し合う第１端面及び第２端面（４８）の間に延在している、アーチ形のシュラウドセグメント（１２）と、
   （ｂ）前記第１端面（４８）に形成された少なくとも１つのスロットに収容される第１シールアセンブリであって、前記第１端面（４８）から突出する、前記第１端面（４８）の周縁に連続的なシーリング表面を画成するべく構成された、１つ又は複数のスプラインシールを有する第１シールアセンブリと、
   を有する装置。
2. 前記シールアセンブリは、前記第１端面（４８）の交差スロット内に設置される複数の略平坦なスプラインシールを有する、請求項１に記載の装置。
3. 略Ｌ字形の断面を有し、２つの交差スプラインスロットの接合部に設置される、少なくとも１つのコーナーシール（７４、７６）を更に有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記第２端面（４８）に形成された少なくとも１つのスロットに収容される第２シールアセンブリを更に有し、該シールアセンブリが、前記第２端面（４８）から突出する、前記第２端面（４８）の周縁に連続的なシーリング表面を画成するべく構成された、１つ又は複数のスプラインシールを有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記端面（４８）は、
   （ａ）前記内壁（１４）に沿った前記端面（４８）の第１スロット（５０）であって、内部に第１スプラインシール（５２）を収容する第１スロット（５０）と、
   （ｂ）前記前壁（１８）に沿った前記端面（４８）の第２スロット（５４）であって、前記第１スロット（５０）の前端部と交差する内端部を有し、内部に設置された第２スプラインシール（５６）を有する、第２スロット（５４）と、
   （ｃ）前記後壁（２０）に沿った前記端面（４８）の第３スロット（５８）であって、前記第１スロット（５０）の後端部と交差する内端部を有し、内部に設置された第３スプラインシール（６０）を有する、第３スロット（５８）と、
   （ｄ）前記外壁に沿った前記端面（４８）の第４スロット（６２）であって、内部に第４スプラインシール（６４）を収容する、第４スロット（６２）と、
   （ｅ）前記前壁（１８）に沿った前記端面（４８）の第５スロット（６６）であって、前記第２スロット（５４）と前記第４スロット（６２）の前端部との間に延在し、内部に設置された第５スプラインシール（６８）を有する、第５スロット（６６）と、
   （ｆ）前記後壁（２０）に沿った前記端面（４８）の第６スロット（７０）であって、前記第３スロット（５８）と前記第４スロット（６２）の後端部との間に延在し、内部に設置された第６スプラインシール（７２）を有する、第６スロット（７０）と、
   を有する、請求項１に記載の装置。
6. 前記シュラウドセグメント（１２）の前記前壁（１８）が、突出したレール（２８）を有し、
   前記第１端面（４８）が、前記内壁に沿った前記端面（４８）の第７スロット（７８）を有し、該第７スロットが、前記レールの場所に配置されると共に前記第２スロットと交差しており、内部に第７スプラインシール（８０）を収容する、請求項４に記載の装置。
7. 前記シュラウドセグメント（１２）が、セラミックマトリックス複合材料から成る、請求項１に記載の装置。
8. 中央線軸を有するガスタービンエンジン用のタービンシュラウド装置であって、
   （ａ）環状の定置構造と、
   （ｂ）複数のアーチ形シュラウドセグメント（１２）から成る、前記定置構造内に取り付けられた環状タービンシュラウドであって、
   各シュラウドセグメント（１２）が低延性材料から成り、対向し合う前壁及び後壁（１８、２０）と対向し合う内壁及び外壁（１４、１６）を有し、
   前記壁の各々が、対向し合う端面どうしの間に延在しており、
   前記シュラウドセグメント（１２）が、接合される端面（４８）どうしが近接した状態で設置され、それぞれの対向し合う接合される端面どうしの間に端部間隙が画成されている、環状タービンシュラウドと、
   （ｃ）前記端部間隙の各々に設置されたシールアセンブリであって、前記接合される端面（４８）の周縁に連続的なシーリング表面を画成するべく構成された１つ又は複数のスプラインシールを有する、シールアセンブリと、
   を有する装置。
9. 前記シールアセンブリが、前記端面（４８）の各々に形成された交差スロット内に設置された複数の略平坦なスプラインシールを有する、請求項８に記載の装置。
10. 略Ｌ字形の断面を有し、２つの交差スプラインスロットの接合部に設置された、少なくとも１つのコーナーシール（７４、７６）を更に有する、請求項９に記載の装置。
11. 前記端面（４８）の各々が、
    （ａ）前記内壁（１４）に沿った前記端面（４８）の第１スロット（５０）であって、内部に第１スプラインシール（５２）を収容する、第１スロット（５０）と、
    （ｂ）前記前壁（１８）に沿った前記端面（４８）の第２スロット（５４）であって、前記第１スロットの前端部と交差する内端部を有し、内部に設置された第２スプラインシール（５６）を有する、第２スロット（５４）と、
    （ｃ）前記後壁（２０）に沿った前記端面（４８）の第３スロット（５８）であって、前記第１スロットの後端部と交差する内端部を有し、内部に設置された第３スプラインシール（６０）を有する、第３スロット（５８）と、
    （ｄ）前記外壁（１６）に沿った前記端面（４８）の第４スロット（６２）であって、内部に第４スプラインシール（６４）を収容する、第４スロット（６２）と、
    （ｅ）前記前壁（１８）に沿った前記端面（４８）の第５スロット（６６）であって、前記第２スロット（５２）と前記第４スロット（６２）の前端部との間に延在し、内部に設置された第５スプラインシール（６８）を有する、第５スロット（６６）と、
    （ｆ）前記後壁（２０）に沿った前記端面（４８）の第６スロット（７０）であって、前記第３スロット（５８）と前記第４スロット（６２）の後端部との間に延在し、内部に設置された第６スプラインシール（７２）を有する、第６スロット（７０）と、
    を有する、請求項８に記載の装置。
12. 前記シュラウドセグメント（１２）の前記前壁（１８）が、突出したレール（２８）を有し、
    前記第１端面（４８）が、前記内壁に沿った前記端面（４８）の第７スロット（７８）を有し、該第７スロットが、前記レールの場所に配置されると共に前記第２スロットと交差しており、内部に第７スプラインシール（８０）を収容する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記シュラウドセグメント（１２）が、セラミックマトリックス複合材料から成る、請求項８に記載の装置。

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