JP2012132444A - 低延性タービンシュラウド流路及びその取付け構成 - Google Patents

Abstract

【課題】中心軸線を有するガスタービンエンジン用のタービン流路装置を提供する。
【解決手段】本装置は、低延性材料の環状流路部材（５６）を含み、流路部材（５６）は、流路表面及び対向した背面を有しまたほぼ円筒形前部セクション（６２）並びに中心軸線に対する非垂直かつ非平行角度で後方かつ半径方向外向きに延在する後部セクション（６４）を備えた断面形状を有し、また本装置はさらに、流路部材（５６）を囲む環状固定構造体（７８）と、固定構造体（７８）及び流路部材（５６）間に配置された環状心出しスプリング（７０）とを含み、心出しスプリング（７０）は、流路部材（５６）を固定構造体（７８）内の心合せ位置に向けて付勢する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのようなエンジンのタービンセクションにおける低延性材料で製作されたタービン流路部品に関する。

一般的なガスタービンエンジンは、主ガス流れからエネルギーを取出す１以上のタービンロータを含む。各ロータは、回転ディスクによって担持されたブレード又はバケットの環状アレイを含む。ロータを通る流路は、ブレード又はバケットの先端を囲む固定構造体であるシュラウドによってその一部が形成される。これらの部品は、極度に高温度の環境内で作動しかつ適切な耐用寿命を保証するために空気流れによって冷却しなければならない。一般的に、冷却に使用する空気は、圧縮機から取出（抽出）される。抽出空気の使用は、燃料消費率（「ＳＦＣ」）に悪影響を与え、一般的に抽出空気の使用は、最低限にしなければならない。

金属シュラウド構造体をセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）のようなより良好な高温性能を有する材料で置換え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のような部品の設計及び適用時に考慮しなければならない固有の機械特性を有する。金属材料と比較した場合に、ＣＭＣ材料は、損傷に対する比較的低い引張延性又は低い歪み度、並びに低い熱膨張率（「ＣＴＥ」）を有する。

ＣＭＣ材料は、周囲の金属製ハードウェアとは異なる速度で膨張し、またフック、グルーブ、レールなどの小型取付け機構を形成するのには金属ほどは好適でない。従来型の機械的固定継手は、摩擦力に依存してことがあり、この摩擦力は、金属及びＣＭＣ材料の組合せを使用した場合に不一致となる可能性がある。

米国特許第６７３３２３３号明細書

従って、通常の取付け構成を備えた軽量かつ高温耐性であるタービン流路構造体に対する必要性が存在する。

この必要性は本発明によって解決され、本発明は、タービンシュラウド及び移行ダクトの両方として働くタービン流路構造体を提供する。本流路構造体は、空気冷却を必要としない低延性材料で製作され、またそのハードウェアを囲むことによって所定の位置に捕捉されかつスプリングによって心合せされる。

本発明の１つの態様によると、中心軸線を有するガスタービンエンジン用のタービン流路装置を提供する。本装置は、低延性材料で構成された環状流路部材を含み、流路部材は、流路表面及び対向した背面を有しまたほぼ円筒形前部セクション並びに中心軸線に対する非垂直かつ非平行角度で後方かつ半径方向外向きに延在する後部セクションを備えた断面形状を有し、また本装置はさらに、流路部材を囲む環状固定構造体と、固定構造体及び流路部材間に配置された環状心出しスプリングとを含み、心出しスプリングは、流路部材を固定構造体内の心合せ位置に向けて付勢する。

本発明の別の態様によると、中心軸線を有するガスタービンエンジン用のタービン流路装置を提供する。本装置は、環状シュラウド支持体と、シュラウド支持体と係合した環状シュラウドハンガと、低延性材料で構成されかつその前端部がシュラウドハンガに当接した環状流路部材と、流路部材及びシュラウド支持体を囲む環状タービンケースと、タービンケース及び流路部材間に配置された環状心出しスプリングとを含み、流路部材は、流路表面及び対向した背面を有しまたほぼ円筒形前部セクション並びに中心軸線に対する非垂直かつ非平行角度で後方かつ半径方向外向きに延在する後部セクションを備えた断面形状を有し、また心出しスプリングは、流路部材を固定構造体内の心合せ位置に向けて付勢する。

本発明は、添付図面の図と関連させて行った以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。

タービンシュラウドを組入れかつ本装置の態様により構成した装置を取付けたガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すエンジンのタービンセクションの拡大図。 タービンセクション内への軸方向ピンの据付けを示す、図２の一部分の断面図。 図２に示す心出しスプリングの部分前面正面図。 図４の心出しスプリングの平面図。 タービンセクション内への半径方向ピンの据付けを示す、図２の一部分の拡大図。

様々な図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の要素を概略的に示しており、ガスタービンエンジン１０は、それら全てが中心軸線「Ａ」に沿って直列流れ関係に配置された圧縮機１２、燃焼器１４及び高圧又はガス発生器タービン（「ＧＧＴ」）１６を有する。本明細書で使用する場合に、「軸方向」又は「縦方向」という用語は、軸線Ａに平行な方向を意味し、一方、「半径方向」という用語は、軸線Ａに対して垂直な方向を意味している。圧縮機１２、燃焼器１４及びＧＧＴ１６はまとめて、「コア」と呼ばれる。圧縮機１２は、燃焼器１４内に流れる加圧空気を供給し、燃焼器１４において、燃料が導入されかつ燃焼されて、高温燃焼ガスを発生させる。高温燃焼ガスはＧＧＴ１６に吐出され、ＧＧＴ１６において、高温燃焼ガスは膨張して、該高温燃焼ガスからエネルギーが取出される。ＧＧＴ１６は、シャフト１８により圧縮機１２を駆動する。ＧＧＴ１６から流出した加圧空気は、低圧タービン又は出力タービン（「ＬＰＴ」）２０に吐出され、ＬＰＴ２０において、加圧空気はさらに膨張して、エネルギーが取出される。出力タービン２０は、シャフト、ギヤボックス又はプロペラ（図１においてブロック２１で概略的に示す）に結合される。

図示したエンジン１０はターボシャフトエンジンであるが、本明細書に説明した原理は、ターボジェット及びターボファンエンジン、並びにその他の乗り物又は固設用途に使用されるタービンエンジンに同様に適用可能である。さらに、ＧＧＴシュラウド構造体は実施例として使用しているが、本発明の原理は、それに限定されないが高圧タービン（ＨＰＴ）及び中圧タービン（ＩＰＴ）ブレードを含む、シュラウドを有するあらゆるタービン翼形部に適用することができることが分かるであろう。さらに、本明細書に説明した原理はまた、蒸気タービンのような、空気以外の作動流体を使用するタービンに適用可能である。

図２を参照すると、ＧＧＴ１６は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された翼形中空ベーン２８を備えたノズル、及び翼形タービンブレード３２のアレイを担持した回転ディスク３０を備えたロータを含む。この実施例では、ベーン２８、ディスク３０及びタービンブレード３２は、ＧＧＴ１６における２つの軸方向段の第二段を含む。しかしながら、本発明の原理は、単段タービン、或いは多段タービンのあらゆる段に同様に適用可能である。

ベーン２８は、その先端が環状外側バンド３４によって境界付けられる。前向きＬ字形断面を有する環状前部レール３６が、外側バンド３４の前端部から半径方向外向きに延在し、また後向きＬ字形断面を有する環状後部レール３６が、外側バンド３４の後端部から半径方向外向きに延在する。

ベーン２８は、固定環状シュラウド支持体４０によって囲まれかつ該固定環状シュラウド支持体４０に取付けられる。シュラウド支持体４０の後方部分は、その後端部で始まりかつ前方に向かう軸方向の順序で、その内表面内に形成された半径方向に延在する保持リンググルーブ４４を備えた環状ボス４２、環状後向きハンガグルーブ４６、及びベーン２８の後部レール３８を受ける環状スロット４８を含む。

環状ハンガ５０が、後部レール３８の後端部に当接する。ハンガ５０は、ハンガグルーブ４６に係合した前向きフック５２を含む。従って、ハンガ５０は、後部レール３８を軸方向にシュラウド支持体４０に固定する。

Ｌ字形断面を有する環状保持リング５４が、「Ｌ字」の１つの脚部を保持リンググルーブ４４内に位置させた状態で、シュラウド支持体４０の内表面に対して据付けられる。保持リング５４は、十分に遠くまで半径方向内向きに延在して、半径方向にハンガ５０に重なりかつ該ハンガ５０に当接し、それによってハンガが後方に移動しかつハンガグルーブ４６から離脱するのを防止する。

一般に「Ｃ字クリップ」と呼ばれるＣ字形断面を有する弾性環状リテーナ４７が、シュラウド支持体４０のボス４２及び保持リング５４を覆って取付けられて、それらを互いに固定する。

上述の部品は全て、ガスタービンエンジンで使用するのに好適な公知の金属材料、例えば公知のニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金で構成することができる。そのような合金は、ＲＥＮＥ、ＩＮＣＯ及びＷＡＳＰＡＬＬＯＹのような商品名で市場購入可能である。

環状流路部材５６が、タービンブレード３２を囲んでいる。環状流路部材５６は、従来型のタービンシュラウド及び従来型の外側移行ダクトの両方の機能として働く。流路部材５６は、流路表面５８及び対向した背面６０を有し、かつ前方から後方に、ほぼ円筒形前部セクション６２並びに軸線Ａに対する非垂直かつ非平行角度で後方かつ半径方向外向きに延在する後部セクション６４を含む。前部セクション６２は、タービンブレード３２を囲みかつブレードを通る流路の一部を形成する。環状後部フランジ６５が、流路部材５６の後端部において半径方向外向きに延在する。流路部材５６の前端部はハンガ５０に当接し、また後部フランジ６５は、出力タービン２０の下流ノズル６６に当接する。これらはまとまって、流路部材５６を軸方向に設置する。

流路部材５６は、該流路部材５６がその直径を拡大又は収縮させる（例えば、半径方向コンプライアンス性を有する）ことができるが、それを囲むタービンケース７８に対する回転を拘束されるように取付けられる。様々なタイプの機械的構造体を使用して、この拘束を得ることができる。１つの構成を図３に示しており、図３では、タービンケース７８内に固定した軸方向ピン６８が、流路部材５６の後部フランジ６５に形成された半径方向スロット６９内に後方に延在する。少なくとも３つの等しい間隔を置いて配置された軸方向ピン６８を使用する場合には、流路部材５６もまた、横偏向を完全に拘束される、つまりタービンケース７８に対して同心に保持される。

流路部材５６は、公知のタイプのセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料で構成される。一般的に、市場購入可能なＣＭＣ材料は、窒化ホウ素（ＢＮ）のようなコンプライアンス性材料で被覆された、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）のようなセラミックタイプ繊維の形態を含む。繊維は、セラミックタイプマトリックス内に担持されており、その１つの形態が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。一般的に、ＣＭＣタイプ材料は、約１％よりも大きくない室温引張延性を有し、本明細書では、この約１％よりも大きくないという表現は、低い引張延性材料を定義しかつ意味している。一般的に、ＣＭＣタイプ材料は、約０．４〜約０．７％の範囲の室温引張延性を有する。ＣＭＣタイプ材料は、少なくとも約５％、例えば約５％〜約１５％の範囲の室温引張延性を有する金属と比較される。流路部材５６はまた、その他の低延性高温特性材料で構成することができる。

任意選択的に、流路表面５８は、ＣＭＣ材料で使用するのに好適な公知のタイプの環境皮膜或いはアブレイダブル又は摩擦耐性材料の層を組入れることができる。

図２に戻って参照すると、流路部材５６は、金属環状心出しスプリング７０によって半径方向に位置決めされる。心出しスプリング７０は、その前端部にそのより小さい直径を備えかつその後端部に半径方向外向きに延在するＬ字形フランジ７１を備えたほぼ切頭円錐形状を有する。図４及び図５で最も良く分かるように、心出しスプリング７０の前方部分は、スロット７２によって弾性スプリングフィンガ７４のアレイに分割される。心出しスプリング７０は、タービンケース７８の一部である環状リム７６と流路部材５６自体との間に捕捉される。据付け位置において、スプリングフィンガ７４は、流路部材５６を当接支持する。各個々のスプリングフィンガ７４は、流路部材５６を半径方向内向きに付勢して、スプリングフィンガ７４の完全リングにより流路部材５６が心合せ位置に保たれるようにする。材料、性質、寸法などのような心出しスプリング７０の特性は、必要に応じて変更して、流路部材５６に対して所望の予荷重又は心出し力を与えることができる。

スプリングタブ８０のアレイが、心出しスプリング７０の本体から軸方向前方かつ半径方向外向きに延在する。各スプリングタブ８０は、Ｃ字クリップ４７を軸方向に当接支持する半径方向に整列したフランジ８２を有する。心出しスプリング７０は、タービンケース７８のリム７６に対して軸方向に反力を生じ、従ってスプリングタブ８０は、Ｃ字クリップ４７を前方に付勢しかつ該Ｃ字クリップ４７がその据付け位置から離れる方向に後退するのを防止するように働く。

心出しスプリング７０は、タービンケース７８に対して回転しないように固定される。図示した実施例では、フランジ７１及びタービンケース７８の環状リム７６間にタック溶接７９が施工される。それに代えて、機械的継手又は機械的ファスナのような回転を防止する代替手段を使用することができる。

図６には、流路部材を拘束する別の方法を示している。半径方向ピン８４が流路部材５６内に機械加工されたスロット８６内に受けられる。ピン８４は、心出しスプリング７０内の孔を通って延在しかつ例えばタック溶接によって該孔に固定される。半径方向ピン８４は、流路部材５６及び心出しスプリング７０間の異なる熱膨張を可能にするが、操作又は重摩擦の間における横シュラウド移動を防止しかつさらに心出しスプリング７０、従ってタービンケース７８に対する流路部材５６の相対回転を防止する。少なくとも３つの等しい間隔を置いて配置された半径方向ピン８４を使用する場合には、流路部材５６は、横偏向を完全に拘束される、つまりタービンケース７８に対して同心に保持される。

一般に「Ｗ字シール」と呼ばれるコンボリュート断面を有する弾性環状金属シールを設けて、流路部材５６及び周囲構造体間の空気漏洩を防止することができる。図２にＷ字シールの実施例をアイテム８８及び９０として示している。

本明細書に説明したシュラウド構成は、従来型の構成に勝る幾つかの利点を有する。流路部材５６は、空気冷却がない状態で作動することができる流路表面を備えていて、サイクル性能の利点をもたらす。さらに、この部品は軸対称機械的捕捉構造体であるので、セクタが存在しない。このことにより、個別シュラウド及びダクト構造体が排除されるので、重量低減の利点が得られる。また、ＣＭＣ材料の低い熱膨張率により、流路部材内の熱応力が低くなることが期待される。

以上の説明は、ガスタービンエンジン翼形部及びその先端部構造を補修する方法を説明している。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずにそれらの実施形態に対して様々な修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、例示の目的で示すものであって、限定を目的とするものではない。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ ガス発生器タービン（「ＧＧＴ」）
１８ シャフト
２０ 低圧タービン又は出力タービン（「ＬＰＴ」）
２１ ブロック
２８ 翼形中空ベーン
３０ 回転ディスク
３２ 翼形タービンブレード
３４ 環状外側バンド
３６ 環状前部レール
３８ 後部レール
４０ 固定環状シュラウド支持体
４２ 環状ボス
４４ 保持リンググルーブ
４６ ハンガグルーブ
４７ 弾性環状リテーナ
４８ 環状スロット
５０ 環状ハンガ
５２ 前向きフック
５４ 環状保持リング
５６ 環状流路部材
５８ 流路表面
６０ 背面
６２ 前部セクション
６４ 後部セクション
６５ 環状後部フランジ
６６ 下流ノズル
６８ 軸方向ピン
６９ 半径方向スロット
７０ 心出しスプリング
７１ Ｌ字形フランジ
７２ スロット
７４ 弾性スプリングフィンガ
７６ 環状リム
７８ タービンケース
７９ タック溶接
８０ スプリングタブ
８２ フランジ
８４ 半径方向ピン
８６ スロット
８８ アイテム
９０ アイテム
Ａ 中心軸線

Claims (16)

1. 中心軸線を有するガスタービンエンジン用のタービン流路装置であって、
   低延性材料で構成された環状流路部材（５６）であって、流路表面及び対向した背面を有しまたほぼ円筒形前部セクション（６２）並びに前記中心軸線に対する非垂直かつ非平行角度で後方かつ半径方向外向きに延在する後部セクション（６４）を備えた断面形状を有する流路部材（５６）と、
   前記流路部材（５６）を囲む環状固定構造体（７８）と、
   前記固定構造体（７８）及び流路部材（５６）間に配置された環状心出しスプリング（７０）であって、前記流路部材（５６）を前記固定構造体（７８）内の心合せ位置に向けて付勢する心出しスプリング（７０）と
   を備える装置。
2. 前記流路部材（５６）がセラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１記載の装置。
3. 前記心出しスプリング（７０）が、１つの軸方向端部に半径方向外向きに延在するＬ字形フランジ（７１）を備えたほぼ切頭円錐形状を有する、請求項１記載の装置。
4. 前記心出しスプリング（７０）が、ほぼ軸方向に整列したスロット（７２）によって分離された弾性スプリングフィンガ（７４）の環状アレイを含む、請求項１記載の装置。
5. 前記心出しスプリング（７０）に固定されかつ前記流路部材（５６）の背面に形成された対応するスロット（８６）内に延在して、該流路部材（５６）及び心出しスプリング（７０）の相対横移動並びに相対回転を防止する半径方向ピン（８４）をさらに含む、請求項３記載の装置。
6. 前記固定構造体（７８）に固定されかつ前記流路部材（５６）のフランジ（６５）に形成された対応するスロット（６９）内に延在して、該流路部材（５６）及び固定構造体（７８）の相対横移動並びに相対回転を防止する軸方向ピン（６８）をさらに含む、請求項３記載の装置。
7. 中心軸線を有するガスタービンエンジン用のタービン流路装置であって、
   環状シュラウド支持体（４０）と、
   前記シュラウド支持体（４０）と係合した環状シュラウドハンガ（５０）と、
   低延性材料で構成されかつその前端部が前記シュラウドハンガ（５０）に当接した環状流路部材（５６）であって、流路表面及び対向した背面を有しまたほぼ円筒形前部セクション（６２）並びに前記中心軸線に対する非垂直かつ非平行角度で後方かつ半径方向外向きに延在する後部セクション（６４）を備えた断面形状を有する流路部材（５６）と、
   前記流路部材（５６）及びシュラウド支持体を囲む環状タービンケース（７８）と、
   前記タービンケース（７８）及び流路部材（５６）間に配置された環状心出しスプリング（７０）であって、前記流路部材（５６）を前記固定構造体（７８）内の心合せ位置に向けて付勢する心出しスプリング（７０）と
   を備える装置。
8. 前記流路部材（５６）がセラミックマトリックス複合材料を含む、請求項７記載の装置。
9. 前記心出しスプリング（７０）が、１つの軸方向端部に半径方向外向きに延在するＬ字形フランジ（７１）を備えたほぼ切頭円錐形状を有する、請求項７記載の装置。
10. 前記心出しスプリング（７０）が、ほぼ軸方向に整列したスロット（７２）によって分離された弾性スプリングフィンガ（７４）の環状アレイを含む、請求項７記載の装置。
11. 前記スロット心出しスプリング（７０）に固定されかつ前記流路部材（５６）の背面に形成された対応するスロット（８６）内に延在して、該流路部材（５６）及び心出しスプリング（７０）の相対横移動並びに相対回転を防止する半径方向ピン（８４）をさらに含む、請求項１０記載の装置。
12. 前記シュラウド支持体（４０）内のグルーブと係合しかつ前記ハンガ（５０）に軸方向に当接した保持リング（５４）と、
    前記シュラウド支持体（４０）及び保持リング（５４）を互いに固定したＣ字形断面を有する弾性環状リテーナ（４７）と
    をさらに含む、請求項７記載の装置。
13. 前記心出しスプリング（７０）が、前記環状リテーナ（４７）に当接したスプリングタブ（８０）を備えて、該心出しスプリング（７０）が、該リテーナ（４７）を前記シュラウド支持体（４０）対して軸方向に付勢する、請求項１２記載の装置。
14. 前記流路部材（５６）が、その後端部から半径方向外向きに延在する後部フランジ（６５）を含み、前記後部フランジ（６５）が、軸方向下流タービンノズル（６６）に当接する、請求項７記載の装置。
15. 前記タービンケース（７８）に固定されかつ前記流路部材（５６）の後部フランジ（６５）に形成された対応するスロット（６９）内に延在して、該流路部材（５６）及びタービンケース（７８）の相対横移動を防止する軸方向ピン（６８）をさらに含む、請求項１４記載の装置。
16. 翼形タービンブレード（３２）のアレイを担持した回転ディスク（３０）を備えたロータをさらに含み、前記流路部材（５６）の前部セクション（６２）が、前記タービンブレード（３２）を囲みかつ該タービンブレード（３２）を通る流路の一部分を形成する、請求項７記載の装置。