JP2012140937A - 構造的に低延性のタービンシュラウド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な熱特性に対応し且つ過度の集中荷重又は熱応力を加えることのない、金属支持ハードウェアへの低延性タービン構成要素の取付装置を提供すること
【解決手段】中心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、低延性材料を含み且つ対向する前方及び後方壁部並びに対向する内側及び外側壁部によって定められる断面形状を有し、壁部が対向する第１及び第２の端面間に延びて全体としてシュラウドキャビティを定める弓形シュラウドセグメント（２４）と、該シュラウドセグメント（２４）を囲み且つ該シュラウドセグメント（２４）を機械的に結合する環状固定構造体（６４）とを含む。固定構造体（６４）は、シュラウドセグメント（２４）と直接接触する少なくとも１つの軸方向に面する支持面（８０、８８）を含み、シュラウドセグメント（２４）が、少なくとも１つの軸方向に配向された力を吸収し、該軸方向に配向された力を支持面（８０、８８）に伝達するよう配置される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、このようなエンジンのタービンセクションにおいて低延性材料で製作されたシュラウドを装着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、直列流れ関係で、高圧圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを含む。コアは、主ガス流を発生するように公知の方法で作動可能である。高圧タービン（ガス発生器タービンとも呼ばれる）は、主ガス流からエネルギーを抽出する１つ又はそれ以上のロータを含む。各ロータは、回転ディスクにより担持されるブレード又はバケットの環状アレイを備える。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りその一部が定められる。これらの構成要素は、極高温の環境で作動する。

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き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。例えば、ＣＭＣ材料は、金属材料と比較した場合に、損傷に対する引張延性又は歪み度が相対的に低い。また、ＣＭＣは、約１．５〜５マイクロインチ／インチ／°Ｆの範囲の熱膨張率（「ＣＴＥ」）を有し、金属シュラウドの支持体として使用される商用の金属合金とは大きく異なる。このような金属合金は通常、約７〜１０マイクロインチ／インチ／°Ｆの範囲のＣＴＥを有する。

従来の金属シュラウドは、ハンガー又は複雑に機械加工された特徴要素（スロット、フック、又はレールなど）を有する他のハードウェアを用いて周囲の構造体に装着されることが多い。ＣＭＣシュラウドは、一般に、このような特徴要素を含めることには好適ではなく、また、これにより加わる集中荷重による影響を受けやすい。

米国特許第６５０３０５１号明細書

従って、様々な熱特性に対応し且つ過度の集中荷重又は熱応力を加えることのない、金属支持ハードウェアへの低延性タービン構成要素の取付装置に対する必要性がある。

この必要性は、構造的荷重経路の一部を形成する低延性シュラウドセグメントを含むタービンシュラウド取付装置を提供する本発明によって対処される。

本発明の１つの態様によれば、中心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、低延性材料を含み且つ対向する前方及び後方壁部並びに対向する内側及び外側壁部によって定められる断面形状を有し、壁部が対向する第１及び第２の端面間に延びて全体としてシュラウドキャビティを定める弓形シュラウドセグメントと、該シュラウドセグメントを囲み且つ該シュラウドセグメントを機械的に結合する環状固定構造体とを含む。固定構造体は、シュラウドセグメントと直接接触する少なくとも１つの軸方向に面する支持面を含み、シュラウドセグメントが、少なくとも１つの軸方向に配向された力を吸収し、該軸方向に配向された力を支持面に伝達するよう配置される。

本発明の別の態様によれば、中心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、低延性材料を含み且つ対向する前方及び後方壁部並びに対向する内側及び外側壁部によって定められる断面形状を有し、該壁部が対向する第１及び第２の端面間に延びて全体としてシュラウドキャビティを定め且つ隣接するシュラウドセグメントの端面が互いにシール関係で配置される弓形シュラウドセグメントと、該シュラウドセグメントを囲み且つ該シュラウドセグメントを機械的に結合する環状固定構造体とを含む。シュラウドキャビティに流入する空気及び該キャビティから流出する空気を冷却するための流路が定められる。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本発明の１つの態様に従って構成されたタービンシュラウド組立体及び取付装置を組み込んだ、ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部の概略断面図。 複数のスプラインシールと共に図示された、本発明の１つの態様に従って構成されたタービンシュラウドの分解斜視図。 図１の一部の拡大図。 図１のタービンシュラウド組立体の一部の斜視図。 図４に示すタービンシュラウド組立体の別の斜視図。 荷重スプレッダの斜視図。 図６の荷重スプレッダの平面図。 図６の荷重スプレッダの正面図。 本発明の１つの態様に従って構成された代替のタービンシュラウド組立体及び取付装置を組み込んだ、ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部の概略断面図。 図９のタービンシュラウド組立体の一部の斜視図。 荷重スプレッダの分解斜視図。 図３のシュラウド組立体における構造的荷重を描いた概略図。 図３のシュラウド組立体における構造的荷重を描いた別の概略図。 図３のシュラウド組立体を流れる冷却空気を示す概略図。 図９のシュラウド組立体における構造的荷重を描いた概略図。

種々の図面全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、既知のタイプのガスタービンエンジンの一部である、ガス発生器タービン（「ＧＧＴ」）の一部を示している。ＧＧＴの機能は、上流側燃焼器からの高温加圧燃焼ガスからエネルギーを抽出すること、及び既知の方法でエネルギーを機械的仕事に変換することである。ＧＧＴは、燃焼器の上流側に配置された圧縮機（図示せず）をシャフトを通じて駆動し、加圧空気を燃焼器に供給する。

図示の実施例において、エンジンはターボシャフトエンジンであり、作業タービンは、ＧＧＴの下流側に配置されて、ギアボックス、プロペラ、又は他の外部負荷を駆動するシャフトに結合される。しかしながら、本明細書に記載した原理は、ターボジェットエンジン及びターボファンエンジンにも、並びに他の車両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。

ＧＧＴは、複数の円周方向に間隔を置いて配置された中空の翼形部形第１段ベーン１２を備えた第１段ノズルを含み、該第１段ベーンは、弓形のセグメント化された内側及び外側バンド１４、１６により囲まれる。環状フランジ１８は、外側バンド１６の後端に半径方向外向きに延びる。第１段ベーン１２は、燃焼ガスを下流側の第１段ロータに最適に配向するよう構成される。

第１段ロータは、エンジンの中心軸線「Ａ」の周りに回転し且つ翼形部形の第１段タービンブレード２２のアレイを担持するディスク２０を含む。複数の弓形シュラウドセグメント２４を備えたシュラウドは、第１段タービンブレード２２を密接に囲み、これにより第１段ロータを通って流れる高温ガスストリームに対する外側半径方向流路境界を定めるように配列される。

第２段ノズルは、第１段ロータの下流側に位置付けられる。第２段ノズルは、複数の円周方向に間隔を置いて配置された中空の翼形部形第２段ベーン２６を備え、該ベーン２６は、弓形のセグメント化された内側及び外側バンド２８、３０により囲まれる。環状フランジ３２は、外側バンド３０の前端に半径方向外向きに延びる。

第２段ロータは、エンジンの中心軸線の周りに回転し且つ翼形部形の第２段タービンブレード３６のアレイを担持するディスク３４を含む。複数の弓形シュラウドセグメント３８を備えたシュラウドは、第２段タービンブレード３６を密接に囲み、これにより第２段ロータを通って流れる高温ガスストリームに対する外側半径方向流路境界を定めるように配列される。第１段及び第２段ロータは、共に機械的に結合されて既知のタイプの上流側圧縮機（図示せず）を駆動する。

図２に示すように、各シュラウドセグメント２４は、対向する内側及び外側壁部４０、４２、並びに前方及び後方壁部４４、４６により定められるほぼ矩形又は「箱」形の中空断面形状を有する。図示の実施例において、各壁間には丸みのある遷移部が設けられているが、先鋭又は直角縁の遷移部を用いることもできる。シュラウドセグメント２４は、半径方向内側流路表面４８（図３を参照）と、半径方向外側裏面５０とを有する。裏面５０は、整列目的で用いることができる１つ又はそれ以上の突出パッド５２を組み込むことができる。取付孔５４は外側壁部４２を通過する。シュラウドキャビティ５６は、壁部４０、４２、４４、及び４６内に定められる。取付孔５４を除いて、シュラウドセグメント２４は、以下で詳細に説明するように、大きな荷重を伝達することができる閉じた構造ボックスを形成する。

シュラウドセグメント２４は、既知のタイプのセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から構成される。一般に、商業的に入手可能な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。典型的には、ＣＭＣタイプの材料は、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且つ意味している。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。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。シュラウドセグメント２４はまた、その他の低延性高温使用可能な材料で構成することができる。

シュラウドセグメント２４の流路表面４８は、環境障壁コーティング（「ＥＢＣ」）、アブレーダブル材料、及び／又はＣＭＣ材料と共に用いるのに好適な既知のタイプの耐摩擦性材料５８の層を組み込むことができる。この層は、「摩擦コーティング」と呼ばれる場合もある。図示の実施例において、層５８は、約０．５１ｍｍ（０．０２０インチ）から約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）の厚みがある。

シュラウドセグメント２４は、対向する端面６０（一般的に「スラッシュ」面と呼ばれる）を含む。端面６０の各々は、エンジンの中心軸線Ａに平行な平面内にあり、「半径方向平面」と呼ばれる。これら端面はまた、このような半径方向平面に対して面が鋭角をなすような向きにすることができる。組み立てられ且つ装着されて環状リングを形成すると、隣接するシュラウドセグメント２４の端面６０間にはエンドギャップが存在する。従って、シール６２のアレイが端面６０に設けられる。同様のシールは一般に「スプラインシール」として知られており、金属又は他の好適な材料の薄いストリップの形状をとり、端面６０内のスロットに挿入される。スプラインシール６２はギャップ全体にわたる。

図３から図５を参照すると、シュラウドセグメント２４は、例えば、ニッケル基又はコバルト基「超合金」などの好適な金属合金から構成された固定エンジン構造体に装着される。この実施例において、固定構造体は、（断面で見たときに）軸方向レッグ６６、半径方向レッグ６８、並びに軸方向及び半径方向レッグ６６、６８の接合部から軸方向前方及び斜め外向きに延びるアーム７０を有する環状タービンステータ組立体６４である。

環状後方スペーサ７２は、半径方向レッグ６８の前方面に当接する。後方スペーサ７２は、連続的なもの、又はセグメント化したものとすることができる。図４及び５で最もよく分かるように、環状後方スペーサ７２は、ほぼ軸方向に整列して離間したランド７４のアレイを含み、該ランドはほぼ円筒形本体から半径方向外向きに延びる。環状後方スペーサ７２は、その後端から半径方向内向きに延びるフランジ７８を含む。フランジ７８は、後方支持面８０（図３を参照）を定める。軸方向ファスナー孔がランド７４の各々を通過し、半径方向ファスナー孔が、ランド７４間のスペースにて本体を通過する。

前方スペーサ８２は、連続又はセグメント化することができ、後方スペーサ７２の前方端部に当接する。前方スペーサ８２は、半径方向及び軸方向レッグ８４及び８６をそれぞれ備えて半径方向内向きに突出するフックを含む。フックは、前方支持面８８を定める。

図３で分かるように、タービンステータ組立体６４、第２段ノズルのフランジ１８、及び前方スペーサ８２は、例えば、図示のようなボルトとナットの組み合わせ９０又は他の好適なファスナーを用いて全て機械的に共に組み立てられる
シュラウドセグメント２４は、荷重スプレッダ９２のアレイ及びボルト９４を用いて後方スペーサ７２に機械的に固定される。

荷重スプレッダ９２の構成は、図６、７、及び８においてより詳細に図示される。各荷重スプレッダ９２は、１つ又はそれ以上のプレート９６を含み、各々が対向する内側面９８及び外側面１００を有し、ほぼ円筒形のボス１０２が外側面１００から半径方向外向きに延びている。一体形成されたネジを備えたファスナー孔１０４がボス１０２を貫通する。プレート９６は、薄いシート様要素を備えるバネアーム１０６により相互連結される。バネアーム１０６は、プレート９６から下流側（例えば、エンジン中心線Ａに対して半径方向内向き）に円弧を描く。荷重スプレッダ９２全体は、一体形構成要素として構成することができる。バネアーム１０６からプレート９６の外側面１００までの全体の半径方向高さ「Ｈ１」は、シュラウドキャビティ５６（図２を参照）の半径方向高さ「Ｈ２」にほぼ等しいように選択される。図示の実施例では、３つのシュラウドセグメント２４に対して１つの荷重スプレッダ９２が設けられ、そのため荷重スプレッダ９２は３つのプレート９６を含む。荷重スプレッダ９２は、特定の応用に適合させるためにより多くの数又はより少ない数のプレート９６を備えて製造することができる。

図３及び４を参照すると、各シュラウドセグメント２４は、荷重スプレッダ９２をシュラウドセグメント２４の内部に挿入することによって後方スペーサ７２に組み付けられる。バネアーム１０６は、シュラウドキャビティ５６への挿入を可能にするために半径方向に僅かに圧縮される。荷重スプレッダ９２が所定位置にあるときには、バネアーム１０６は半径方向外向きに広がってプレート９６を付勢し、ボス１０２をシュラウドセグメント２４の取付孔５４内の所定位置に保持するようにする。バネアーム１０６によって作用される力は、大きさが小さく、およそ数ポンドであり、単に組み付けを促進するためにのみ与えられる。次いで、ボルト９４（又は他の好適なファスナー）は、後方スペーサ７２を通って挿入され、荷重スプレッダ９２のファスナー孔１０４にネジ止めされる。この構成は、シュラウドセグメント１２を直接通過する個々のボルトを用いることと比べて、実質的により大きな支持面を提供する。

組み立て中、ボルト９４にトルクを加えて回転させると、ボルトは、ボス１０２が後方スペーサ７２に接触するまで該ボスを半径方向外向きに引き寄せる。これによりプレート９６の横方向拡張部分の弾性曲げを引き起こし、その結果、シュラウドセグメント２４に対して半径方向外向きの締め付け予荷重が加わる。半径方向の予荷重の正確な程度は、プレート９６の有効バネ定数によって決まるだけでなく、荷重スプレッダ９２及びシュラウドセグメント２４の相対寸法に、具体的には、外側壁部４２の厚み「Ｈ４」（図２を参照）と比べて外側表面１００上のボス１０２の半径方向高さ「Ｈ３」によっても決まる。高さＨ３が外側壁部４２の厚みよりも小さい場合、上述のようにシュラウドセグメント２４に半径方向締め付け予荷重が存在する。或いは、高さＨ３が厚みＨ４よりも大きい場合、荷重スプレッダ９２は、ある程度の半径方向固定クリアランスを許容し、半径方向の予荷重は全くか又はほとんどない。この意味で、荷重スプレッダの機能は、従来のタービンシュラウドの「ハンガー」と同様となる。寸法Ｈ３及びＨ４は公称寸法であること、及び特定の半径方向締め付け荷重又はクリアランスを得るのに必要なこの寸法の値は、組み付けられた構成要素に種々の溝、スロット、座ぐり、その他が存在することによって異なる点に留意されたい。

必要に応じて、シュラウドセグメント２４の外側壁部４２内の取付孔５４に対するボス１０２の相対位置及びクリアランス寸法を選択することにより、シュラウドセグメント２４を軸方向及び半径方向で拘束することができる。

前方及び後方支持面８０、８８を定める構成要素の材料、サイズ、及び形状は、所定の限度を超えるシュラウドセグメント２４の軸方向移動に抗して実質的に堅固なストップを提示するよう選択され、シュラウドセグメント２４に対し前後方向での所定の軸方向圧縮締め付け荷重を提供することができる。

作動時には、ＧＧＴ構成要素は、様々な荷重の影響下にある。完全な「箱」構造であるシュラウドセグメント２４は、これらの荷重に対する構造荷重経路の一部を物理的に形成することができ、該構造荷重経路の一部を形成するようにして設置されるという意味で「構造物」である。図１２Ａ及び１２Ｂは、これらの荷重を概略的に示している。１つの有意な荷重は、第１段ベーン１２上で軸方向後方に作用する空気荷重に由来する。図１２Ａの太線の矢印で示されるように、この軸方向荷重は、第１段ベーン１２のフランジ１８から前方スペーサ８２の軸方向レッグ８６を通り、シュラウドセグメント２４を通って後方スペーサ７２のフランジ７８に伝達される。換言すると、シュラウドセグメント２４は、軸方向に圧縮荷重を受ける。

別の有意な荷重は、内側壁部４０にわたる圧力差から生じた半径方向内向きの力であり、シュラウドセグメント２４の外寄りの２次空気よりも低い静圧である流路空気により生じる。これは、図１２Ｂの太線の矢印で示されており、この荷重により、シュラウドセグメント２４の外側壁部４２内に引張荷重がもたらされる。閉ループ箱形構造であるので、シュラウドセグメント２４は、この荷重を吸収することができる。その結果、外側壁部と前方並びに後方壁部４４、４６それぞれとの間のコーナーにおける曲げ応力が低減される。

燃焼流路からシュラウドセグメント２４の外寄りのスペースへの空気漏洩を防ぐための適切な手段が提供される。例えば、既知のタイプの環状バネシール１０８又は「Ｗ」シールを第１段外側バンド１６のフランジ１８とシュラウドセグメント２４（図３）との間に設けることができる。シュラウドセグメントの後端は、第２段ベーン２６のシールレール１１０に当接する。漏洩を阻止し且つシールを提供する他の手段を設けることもできる。

シュラウドセグメント２４にＣＭＣ又は同様の材料を使用することにより、金属合金と比べて高い温度性能がもたらされる。結果として、専用の冷却空気の対流特性を強化するよう設計された従来の流体システムは必要ではなく、対流冷却は、多くの用途において最小レベル近くまで低減することができる。最小量の流れに対して緊密にシールされた箱形キャビティからなる本明細書で記載されるシュラウド構成は、利用可能な最低限の対流システム特性を達成する。

好ましくは、壁部４０、４２、４４、及び４６の内部表面は、粗い表面仕上げ、フィン、スロット、リッジ、又は乱流プロモータ（すなわち、「タービュレータ」）などのあらゆる熱伝達強化構造体が実質的に存在しない。シュラウドセグメント２４により必要とされるあらゆる冷却は、スプラインシール６２を通って漏洩する流路ガスの吸い込みを阻止するのに必要な最小量の加圧空気を提供することにより達成される。図１３において「Ｉ」で表記された矢印で示すように、冷却空気は、セグメント２４間の端部ギャップを通る漏洩により、又は取付孔５４を通る漏洩により、或いは、必要な場合、１つ又はそれ以上の別個のオリフィス４１を通ってシュラウドセグメント２４に提供することができる。「Ｅ」で表記された矢印で示すように、冷却空気は、スプラインシール６２を通過する漏洩により流出する。緊密なシールを備えた大型開口を有することにより、漏洩流及び結果として得られる気流速度が最小にされ、従って、シュラウドセグメント２４の内側表面の対流熱伝達率が最小になる。

図９及び図１０は、本発明の別の態様に従って構成された代替のタービンシュラウド構造を示す。シュラウド構造は、高圧タービン（ＨＰＴ）の一部であり、ノズル２１２と、回転タービンブレード２２２のセットとを含み、上述のＧＧＴとほぼ同様の構造であるが、単一段しか有していない。ＨＰＴは、ターボファンエンジンで使用される構成に特有である。

タービンブレード２２２は、低延性（例えば、ＣＭＣ）シュラウドセグメント２２４のリングによって囲まれる。シュラウドセグメント２２４は、上述のシュラウドセグメント２４と同様の構造であり、内側、外側、前方、及び後方壁部２４０、２４２、２４４、２４６それぞれと、流路表面２４８及び裏面２５０とを含む。シュラウドキャビティ２５６は、壁部の内部に定められる。取付孔２５４は、外側壁部２４２を通って形成される。端面は、上述のタイプのスプラインシール用のスロット２６１を含むことができる。シュラウドセグメント２２４は、ボルト２９４及び荷重スプレッダ２９２（図１０にはボルトは図示していない）を用いて固定構造体（この実施例では、タービンケース２３６の一部）に装着される。

荷重スプレッダ２９２の構造は、図１１により詳細に示される。各荷重スプレッダ２９２はプレート２９６を含み、各々が対向する内側及び外側面２９８、３００を有する。プレートは、２つの横方向に延びるアーム３０４を備えた中央部分３０２を有する。内向きに延びるフランジ３０８を備えた半径方向に整列するボア３０６が中央部分３０２の中間に設けられる。各アーム３０４の遠位端は、外側面３００上に突出したフラットパッド３１０を含む。ほぼ管状のインサート３１２がボア３０６に据え込み加工又は他の方法で固定され、ネジ付きファスナー孔３１４を含む。荷重スプレッダ２９２の構造及び寸法に応じて、インサート３１２を用いることなく構造体にネジ付きファスナー孔３１４を直接形成することが可能となる。図示の実施例では、１つのシュラウドセグメント２２４に対して１つの荷重スプレッダ２９２が設けられる。荷重スプレッダ２９２は、特定の用途に適合させるために、より多くの又はより少ない数のプレートを用いて製造することができる。

中央部分３２０の浅い座ぐり３２０内に環状フランジ３１８を備えたほぼ管状のスペーサ３１６が受けられる。機能的には、スペーサ３１６は、上述のボスに相当し且つ該ボスを構成する。別個のスペーサ３１６により、荷重スプレッダ２９２のシュラウドキャビティ２５６内への挿入が可能にされる。特定の用途に応じて、シュラウドキャビティの半径方向高さは、別個のスペーサなしで荷重スプレッダ２９２の挿入を可能にするのに十分なものにすることができる。

図９及び図１０を再度参照すると、各シュラウドセグメント２２４は、スペーサ（又はボス）３１６が取付孔２５４内に挿入された後に、荷重スプレッダ２９２をシュラウドセグメント２２４の内部に挿入することによりタービンケース２３６に組み付けられる。任意選択的に、荷重スプレッダ２９２は、組み立て中に荷重スプレッダ９２を取付孔２５４内の所定位置に保持するために、上述のようなバネ要素を備えることができる。

組み立て中にボルト２９４にトルクを加えて回転させると、ボルト２９４は、スペーサ３１６がタービンケース２３６に接触するまで荷重スプレッダ２９２を半径方向外向きに引き寄せる。これによりアーム３０４の弾性曲げを引き起こし、その結果、シュラウドセグメント２２４に対して半径方向外向きの締め付け予荷重が加わる。パッド３１０が存在することにより安定した接触面が得られ、アーム３０４の有効バネ定数が依然として確実に予測できる。上述の荷重スプレッダ９２と同様に、半径方向の予荷重の正確な程度は、アーム３０４の有効バネ定数によって決まるだけでなく、荷重スプレッダ２９２及びシュラウドセグメント２２４の相対寸法、具体的には、外側壁部２４２の厚み「Ｈ６」（図９を参照）と比べてパッド３１０の表面上のスペーサ３１６の半径方向高さ「Ｈ５」によっても決まる。高さＨ５が外側壁部２４２の厚みＨ６よりも小さい場合、上述のようにシュラウドセグメント２２４に半径方向締め付け予荷重が存在する。或いは、高さＨ５が厚みＨ６よりも大きい場合、荷重スプレッダ２９２は、ある程度の半径方向固定クリアランスを許容し、半径方向の予荷重は全くか又はほとんどない。この意味で、荷重スプレッダの機能は、従来のタービンシュラウドの「ハンガー」と同様となる。寸法Ｈ５及びＨ６は公称構成で説明されており、特定の半径方向締め付け荷重又はクリアランスを得るのに必要なこの寸法の値は、組み付けられた構成要素に種々の溝、スロット、座ぐり、その他が存在することによって異なる点に留意されたい。

この特定の実施例において、ケース２３６は、半径方向内向きに突出し且つシュラウドセグメント２２４の後方壁部２４６に当接するフランジ３４２を含む。フランジ３４２は、後方壁部２４６及びフランジ３４２との間の漏洩を低減する環状「Ｗ」シール３４４を担持する。リーフシール３４６又は他の従来のタイプの円周方向シールは、シュラウドセグメント２２４の前方に装着され、前方壁部２４４に当接する。図９は、１つだけの特定の取付構成を示しており、本明細書で記載されるシール原理及び装置はあらゆるタイプのシュラウドセグメント取付構造と共に用いることができる点に留意されたい。

シュラウドセグメント２４と同様に、シュラウドセグメント２２４は、完全な「箱」を形成し、荷重に対する構造荷重経路の一部を物理的に形成することができ、該構造荷重経路の一部を形成するようにして設置されるという意味で「構造物」である。図１４は、これらの荷重を概略的に示している。有意な荷重は、第１段ベーン１２上で軸方向後方に作用する空気荷重「Ｌ１」と、シュラウドセグメント２２４に軸方向後方に作用する軸方向圧力荷重「Ｌ２」とを含む。太線の矢印で示されるように、これらの軸方向荷重は、シュラウドセグメント２４を通り、次いで、タービンケース２３６のフランジ３４２に伝達される。シュラウドセグメント２２４はまた、内側壁部２４０にわたる圧力差から生じた半径方向内向きの力「Ｌ３」を吸収する。

シュラウドセグメント２４と同様に、壁部２４０、２４２、２４４、及び２４６の内部表面は、粗い表面仕上げ、フィン、スロット、リッジ、又は乱流プロモータ（すなわち、「タービュレータ」）などのあらゆる熱伝達強化構造が実質的に存在しないことが好ましい。シュラウドセグメント２２４により必要とされるあらゆる冷却は、スロット２６１内のスプラインシール６２を通って漏洩する流路ガスの吸い込みを阻止するのに必要な最小量の加圧空気を提供することにより達成される。冷却空気は、セグメント２２４間の端部ギャップを通る漏洩により、又は取付孔２５４を通る漏洩により、或いは、必要な場合には、１つ又はそれ以上の別個のオリフィス２４１（図９）を通ることによりシュラウドセグメント２２４に提供することができる。冷却空気は、スプラインシールを通過する漏洩により流出する。特定の用途において必要又は望ましい場合には、シュラウドセグメント２２４の壁を通るフィルム冷却孔２４３を設けることができる。

上述の取付装置及び構成は、ＣＭＣ又は他の低延性タービンシュラウド構成要素の確実な取り付けを可能にする。これらは、荷重をタービンノズルの外部に伝達し、これらの荷重を追加の構成要素を用いることなくケース内に伝播させる。この構成は、ノズルとシュラウドとの間にシールが付加される追加の利点を有し、エンジン全体の効率を向上させることができる。流れを最小限にするための緊密なシールボックスを含む、本明細書で記載されるシュラウド構成は、利用可能な最低限の対流システム特性を達成する。低延性材料により必要とされるあらゆる冷却は、流路ガスの吸い込みを阻止するのに必要な最小量の加圧空気により達成される。緊密なシールを有する大型の開放キャビティを有することにより、漏洩流及び結果として得られる気流速度が最小にされ、従って、シュラウドセグメントの内側表面の対流熱伝達率が最小になる。

以上の説明は、ガスタービンエンジンの構造的低延性タービンシュラウド装置について説明している。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１２ 翼形部形第１段ベーン
１６ 外側バンド
１８ 環状フランジ
２２ 第１段タービンブレード
２４ シュラウドセグメント
２６ 第２段ベーン
４８ 半径方向内側流路表面
６４ 固定構造体
６６ 軸方向レッグ
６８ 半径方向レッグ
７０ アーム
７２ 環状後方スペーサ
７８ フランジ
８０ 支持面
８２ 前方スペーサ
８４ 半径方向レッグ
８６ 軸方向レッグ
８８ 支持面
９２ 荷重スプレッダ
９４ ボルト
１０８ 環状バネシール
１１０ シールレール

Claims (15)

1. 中心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、
   低延性材料を含み且つ対向する前方及び後方壁部並びに対向する内側及び外側壁部によって定められる断面形状を有し、前記壁部が対向する第１及び第２の端面間に延びて全体としてシュラウドキャビティを定める弓形シュラウドセグメント（２４）と、
   前記シュラウドセグメント（２４）を囲み且つ該シュラウドセグメント（２４）を機械的に結合する環状固定構造体（６４）と、
   を備え、
   前記固定構造体（６４）が、前記シュラウドセグメント（２４）と直接接触する少なくとも１つの軸方向に面する支持面（８０、８８）を含み、前記シュラウドセグメント（２４）が、少なくとも１つの軸方向に配向された力を吸収し、該軸方向に配向された力を前記支持面（８０、８８）に伝達するよう配置される、装置。
2. 前記シュラウドセグメント（２４）の上流側に配置されたタービンベーン（１２）を更に備え、前記ベーン（１２）の一部が前記シュラウドセグメント（２４）の前方壁部と直接接触している、請求項１記載の装置。
3. 前記シュラウドセグメント（２４）のシュラウドキャビティ内に受けられ且つ前記固定構造体（６４）に機械的に結合される荷重スプレッダ（９２）を更に備え、
   該荷重スプレッダ（９２）が、
   対向する内側及び外側面を有する横方向に延びるプレート（９６）と、
   前記外側面から半径方向に突出し且つ前記シュラウドセグメント（２４）のうちの１つの外側壁部内の取付孔を通って延びるボス（１０２）と、
   前記ボス（１０２）及び前記固定構造体（６４）を係合し、前記固定構造体（６４）に半径方向で前記ボス（１０２）をクランプするようにするファスナーと、
   を含む、請求項１記載の装置。
4. 前記荷重スプレッダ（９２）が、中央部分から横方向外向きに延びるアームを含む、請求項１記載の装置。
5. 前記シュラウドセグメント（２４）及び前記荷重スプレッダ（９２）の寸法は、前記ボス（１０２）が前記固定構造体（６４）にクランプされたときに、前記プレート（９６）が弾性的に変形して前記外側壁部に対して所定の予荷重を加えるように選択される、請求項１記載の装置。
6. 前記シュラウドセグメント（２４）及び前記荷重スプレッダ（９２）の寸法は、前記ボス（１０２）が前記固定構造体（６４）にクランプされたときに、前記プレート（９６）が前記荷重スプレッダ（９２）と前記外側壁部との間に所定の半径方向クリアランスを許容するよう位置付けられるように選択される、請求項１記載の装置。
7. 前記固定構造体（６４）が、
   前記シュラウドセグメント（２４）の前方壁部及び後方壁部にそれぞれ当接する実質的に堅固な環状の前方及び後方支持面（８０、８８）を含み、前記シュラウドセグメント（２４）の前記固定構造体（６４）に対する軸方向の移動を抑えるようにする、請求項１記載の装置。
8. 前記シュラウドセグメント（２４）が、セラミックマトリックス複合材を含む、請求項１記載の装置。
9. 前記シュラウドセグメント（２４）の端面が、１つ又はそれ以上のスプラインシールを内部に受けるように適合されたスロットを含む、請求項１記載の装置。
10. 前記シュラウドキャビティに流入する空気及び該キャビティから流出する空気を冷却するための流路が定められる、請求項１記載の装置。
11. 前記流入流路が、前記シュラウドセグメント（２４）の外側壁部内に形成される取付孔を通るギャップを含む、請求項１０記載の装置。
12. 前記流入流路又は流出流路、或いは両方が、隣接するシュラウドセグメント（２４）間にギャップを含む、請求項１０記載の装置。
13. 前記流入流路が、前記シュラウドセグメント（２４）の壁部のうちの１つを通って形成されるオリフィスを含む、請求項１０記載の装置。
14. 前記シュラウドセグメント（２４）の壁部が、あらゆる熱伝達強化構造体が実質的に存在しない、請求項１０記載の装置。
15. 前記流出流路が、前記シュラウドセグメント（２４）の壁部のうちの１つを通って形成されるフィルム冷却孔を含む、請求項１０記載の装置。