JP2012507657A - 鋸壁形タービンノズル - Google Patents

Abstract

タービンノズル（２４）は、環状の外側および内側バンド（３４、３６）間に半径方向に延びるベーン（３８）の列を含む。外側バンド（３４）は１対の半径方向フランジ（４６〜５２）を含み、その間に環状シール溝（５４、５６）が画定される。フランジ（４６〜５２）のうちの１つは、ノズル寿命を改善するために鋸壁形にされる。また、フランジ（４６〜５２）のうちの１つが、凸壁（６４）の列が、対応する狭間（６６）によって円周方向に離間される。
【選択図】図３

Description

本発明は一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、その中のタービンノズルに関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧され、高温燃焼ガスを生成するために燃焼器内で燃料と混合される。燃焼ガスは、燃焼器から、圧縮機に動力を供給するためにエネルギーを抽出するタービンロータブレードの列に燃焼ガスを導く第１段のタービンノズルを通って放出される。

高圧タービン（ＨＰＴ）は１つまたは複数のタービン段を有することができ、一般に、典型的なターボファン航空機エンジン構成では上流ファンに動力を供給するために燃焼ガスから追加のエネルギーを抽出する多段低圧タービン（ＬＰＴ）が後に続く。

第１段のタービンノズルは最初に燃焼器から高温燃焼ガスを受け取るので、その耐用寿命に影響を与える非常に厳しい動作環境にさらされる。ノズル構成要素は、耐用寿命を最大にするために、遭遇する高温動作において増強された強度を有する超合金から一般に形成される。

タービンノズルは動作中に様々な圧力負荷および熱負荷を受け、それはさらに様々な構成要素に対応する応力をもたらし、その応力はさらにノズル寿命に影響を与える。

ノズルは燃焼ガスによって加熱されるとき熱的に膨張し、温度がエンジンの様々な動作サイクル中に低下するとき対応して熱的に収縮するので、実質的な熱負荷および応力がノズル内に生成される。したがって、熱応力は、エンジンおよびノズルの定期的な動作サイクルにより大きさが周期的に変化する。

したがって、タービンノズル自体の寿命は動作サイクルで評価され、タービンノズルの特定設計に依存する。

例えば、大きいターボファンエンジンの典型的なタービンノズルは、対応するタービンノズルベーンを環状の外側および内側バンド間に一体化して支持するそれらのバンドの円周方向連続性を中断するように１つまたは複数のベーンセグメントに円周方向にセグメント化される。

完全に環状またはセグメント化なしのノズルバンドは強度および剛性が高められているが、それに応じて、バンド間を半径方向に延びる剛性のノズルベーンの膨張および収縮を抑制する。したがって、著しい熱応力が、対応する外側および内側バンドを一体化して接合するベーンの半径方向端部に生成される。

それに対応して、熱拘束ならびに構造剛性はノズルバンドを円周方向にセグメント化することによって低減され、それにより、対応して、セグメント化されたバンド間に好適なスプラインシールを必要とすることが設計の複雑さを増大させる。

ベーンシングレットの列を有するノズルはバンドの最大セグメント化を有し、単一のベーンは対応して短い外側および内側バンドセグメントに一体化して取り付けられる。

ベーンダブレットを有するノズルは、対応して周囲のまわりのセグメントがより少ない共通バンドセグメントに一体化して取り付けられる２つのベーンを含む。

さらに、バンドのセグメント化をさらに低減するために、３つのベーンが対応するバンドセグメントに一体化してグループ化されるノズルトリプレットも知られている。

しかし、各バンドセグメント中のベーンの数が増加するにつれて、個々のベーンの熱拘束に関する深刻な問題も増大し、ベーンが一体化バンドと交わる場所の熱応力が関連して増加する。

エンジン自体におけるノズルの取付け構成のため、現代のタービンノズルの設計の複雑さは増している。ノズルは構成要素の完全に環状のアセンブリであり、ノズルが遭遇する負荷および応力を普通なら増加させることになる熱拘束を最小にした状態でエンジン内で環状燃焼器の出口端部において適切に支持されなければならない。

したがって、ノズルは、それの内側および外側バンドに一体化して形成された様々なフランジを含み、そのフランジはエンジンにノズルを取り付け、封止するのに使用されるが、そのフランジはさらにノズルの構造剛性および対応する熱拘束を増大させる。

したがって、従来技術は、様々な航空機および産業用途用のサイズおよびパワーが小から大にわたる対応する様々なガスタービンエンジンで使用するための対応する様々な設計を有する様々な形態のタービンノズルで満ちている。

小型航空機エンジンの従来の一設計では、完全な環状または単一体のタービンノズルが、構造の複雑さを低減するために、しかしノズル寿命を犠牲にして、外側および内側バンドにいかなる円周方向セグメント化もすることなしに使用されている。

内側バンドは中央取付けフランジを含み、外側バンドは、前部および後部環状溝を画定する２対の円周方向連続フランジを含む。分割ピストンリングの形態の膨張シールが溝に捕捉され、対応する環状シールランドによるシーリング受面に半径方向外側に延びる。

このように、単一体タービンノズルはエンジン内で内側バンドから動かないように取り付けられ、外側バンドは半径方向に自由に膨張および収縮することができると同時に、リングシールが加圧ガスを封止する。

しかし、動作実績の示すところによれば、このタイプのタービンノズルは、セグメント化したタービンノズルで一般に見いだされる耐用寿命よりも実質的に短い限定された耐用寿命を有する。さらに、本開発プログラムでは、メンテナンス故障停止および運転コストを低減するためにこのタイプのノズルの耐用寿命を実質的に向上させることが望ましい。

米国特許第６４６４４５７号

したがって、耐用寿命を向上させるために熱応力を低減した単一体タービンノズルを提供することが望ましい。

タービンノズルは、環状の外側および内側バンド間に半径方向に延びるベーンの列を含む。外側バンドは１対の半径方向フランジを含み、その間に環状シール溝が画定される。フランジのうちの１つは、ノズル寿命を改善するために鋸壁形にされる。

好ましく例示的な実施形態により、本発明は、本発明のさらなる目的および利点と共に、添付図面に関連してなされる以下の詳細な説明でより詳細に説明される。

軸対称ターボファン航空機エンジンの概略軸方向図である。 図１に示したエンジンのＨＰＴの拡大軸方向断面図である。 図２に示したＨＰＴのノズルの概略分離図である。 一実施形態による、図２および３に示したタービンノズルの外側バンド部分の拡大軸方向断面図である。 図４に示され、ライン５−５に沿って得られた外側バンドの一部の前方を向いた概略図である。 外側バンドの別の実施形態を示す、図４に類似した外側バンドの拡大軸方向断面図である。 図６に示され、ライン７−７に沿って得られた外側バンドの一部の前方を向いた概略図である。 外側バンドの別の実施形態を示す、図４に類似した外側バンドの拡大軸方向断面図である。 図８に示され、ライン９−９に沿って得られた外側バンドの一部の前方を向いた概略図である。 外側バンドの別の実施形態を示す、図４に類似した外側バンドの拡大軸方向断面図である。 図１０に示され、ライン１１−１１に沿って得られた外側バンドの一部の前方を向いた概略図である。

長手方向または軸方向中心線軸１２のまわりに軸対称であるターボファン航空機ガスタービンエンジン１０が図１に概略的に示される。エンジンは、周囲空気１６を受け取る前部端部にファン１４を含む。

空気１６は最初にファン１４のロータブレードによって加圧され、さらに空気を加圧する遠心圧縮機１８の方に下流に導かれる。

次に、加圧された圧縮機空気は軸方向下流に環状燃焼器２０に導かれ、高温燃焼ガス２２を生成するために空気は燃料と混合され、点火される。図１に示した例示的燃焼器２０は逆流燃焼器であり、加圧された圧縮機空気は、最初、燃焼器の後部端部に導かれ、そこで燃焼ガスを生成するために方向を上流に転じられ、燃焼器は従来の構成の軸方向下流の方向に燃焼ガスの方向を再度転じるように構成される。

高温燃焼ガス２２は、燃焼器の出口端部から、中心線軸１２のまわりに線対称である環状の第１段タービンノズル２４を通って放出される。

タービンノズル２４は、支持ロータディスクから半径方向外側に延びる第１段タービンロータブレード２６の列に燃焼ガスを放出する。タービンノズル２４およびロータブレード２６は単段高圧タービン（ＨＰＴ）を画定する。

燃焼ガスは、タービンブレード２６から軸下流方向に、例えば３つの対応する段を有することができる対応する低圧タービン（ＬＰＴ）２８に放出される。ＬＰＴ２８の各段は対応するステータノズルを含み、さらに低圧タービンロータブレードの列が続く。

動作中、エネルギーはＨＰＴブレード２６によって燃焼ガス２２から抽出され、ＨＰＴブレード２６の支持ディスクは第１の駆動軸３０によって遠心圧縮機１８に接合されてそれにエネルギーを供給する。さらなるエネルギーがＬＰＴ２８で燃焼ガスから抽出され、ＬＰＴ２８のロータは、上流ファン１４を駆動するために、第１の駆動軸を通って同軸で配置され、軸方向前方に延びる第２の駆動軸３２によって接合される。

図１に示した例示的エンジンは一般に比較的小さいサイズおよび出力を有し、遠心形態の圧縮機１８は、所期の出力で必要とされる空気の体積を加圧するのに十分な能力を有する。このタイプの小さいエンジンは、遠心圧縮機で可能であるよりも実質的に高い圧力および体積に空気を加圧するために軸流圧縮機に多数の段を含む実質的により大きい高バイパスターボファン航空機エンジンと著しく異なる。

図２は、高温燃焼ガス２２を環状タービンステータノズル２４に放出し、次に第１段タービンブレード２６の列を通して軸方向下流に流す逆流環状燃焼器２０の出口端部の拡大図を示す。

図３に最も良く示されているように、第１段タービンノズル２４は、円周方向に連続する半径方向外側バンド３４および円周方向に連続する半径方向内側バンド３６を有し、それらの間に中空ノズルステータベーン３８の列が延びる単一体で完全な環状構成要素である。

外側および内側バンド３４、３６は、円周方向のセグメント化なしの完全な環状であり、ノズルの周囲または円周のまわりに互いに円周方向に離間するベーン３８の列の半径方向両端部に一体化して接合される。ノズルは、単一体または一体型アセンブリを達成するのに好適な任意の方法で形成することができる。

例えば、外側および内側バンド３４、３６は完全なリングとして別々に機械で製造するかまたは鋳造することができる。個々のノズルベーン３８は別々に鋳造することができる。さらに、バンドおよびベーンは、エンジンの高温環境に耐えるのに好適な超合金金属で形成することができ、ベーンは従来の方法で対応するバンドに適切にろう付けされる。

ベーン３８自体は、好ましくは、ノズルおよびバンドの上流または前部端部での前縁４０と、ノズルおよびバンドの後部端部での対応する軸方向反対側の後縁４２とをもつ典型的な三日月形または翼形形状を有する薄い金属壁をもつ中空品である。

図３に示した例示的実施形態では、中空ベーン３８の各々は外側バンド３４の対応する開口を通して半径方向に延び、ベーンを内部で冷却するために動作中開口を通して圧縮機放出空気を受け取る。

ベーンは、各ベーンを内部で冷却するためにベーンの中央チャンバに１つまたは複数の衝突バフルを含む任意の従来の冷却構成を有することができ、ベーンは、一般に、使用済みの冷却空気を放出してベーンの外部表面を膜冷却するためにベーンの側壁を通して配置された様々な列の膜冷却孔を有する。

環状ノズル２４は、図２で示したようにエンジンに適切に取り付けられる。例えば、内側バンド３６は、固定ノズルマウント４４の対応する環状溝に適切に捕捉される半径方向内側に延びる中央取付フランジを含む。マウント４４は、保持ボルトの列によって環状フレームに固定された環状保持器リングを含み、それらの間に保持溝を画定する従来の形状を有する。

図２および３で最初に示したように、外側バンド３４は、動作中ベーン間を流れる高温燃焼ガスを閉じ込めるために半径方向内側に面する円滑な内側表面を有する。外側バンドは適切に薄い環状プレートであり、外側バンド３４の外側表面から半径方向外側に延び、外側バンド３４に一体化された前部対および後部対のフランジ４６、４８、５０、５２を含む。

前部フランジ対の第１および第２のフランジ４６、４８は、対応する前部環状シール溝または座部５４を画定するために外側バンドの前部または上流端部で半径方向外側に延びる。

後部フランジ対の第３および第４のフランジ５０、５２は、後部環状シール溝５６を画定するために外側バンドの後部端部から半径方向外側に延びる。

図４に最も良く示されているように、第１のフランジ４６、第２のフランジ４８、第３のフランジ５０、および第４のフランジ５２は、ベーン３８の前縁４０と後縁４２に対応する外側バンド３４の前部端部と後部端部との間で下流への番号順に配置される。前部フランジ対４６、４８およびそれらの間の環状溝５４は、ベーン前縁４０から上流に片持ちされ、ベーン前縁４０に密に隣接して成端する外側バンド３４の前部端部に配置される。

対照的に、後部対のフランジ５０、５２およびそれらの間の対応する溝５６は、ベーン３８の中実後縁部分の直上の外側バンドの後部端部に配置される。図３に示したような各ベーン３８は、最初に、前縁から下流方向に幅が広がり、次に、比較的薄い後縁へと先細になるように幅が減少することに留意されたい。中空ベーンの内部冷却チャンバまたはプレナムは、その中に所望の衝突バフルまたは他の冷却フィーチャを受け取るのに好適な幅を確実にするために薄い後縁から上流で成端する。

図４に示した２つの環状シール溝５４、５６は、半径方向外側に面するかまたは開いており、構造的に同様または同一の第１および第２の膨張シールリング５８を対応して受け取る。

第１または前部膨張リング５８は、局所的な前部および後部フランジ４６、４８の上に部分的に半径方向に前部溝５４から半径方向外側に延び、外側バンド３４の上方で半径方向に離隔される。したがって、前部リング５８は、下部部分が前部溝５４の内部に捕捉され、外側部分は、好ましくは共通の半径方向高さを有する２つのフランジ４６、４８の上に外に向かって適切に延びる。

第２または後部膨張リング５８は、同様に、第３のフランジ５０と第４のフランジ５２との間の後部溝５６に配置される。後部リング５８はやはり下部部分が後部溝５６の内部に捕捉され、外側バンドの上方で半径方向に離隔される。さらに、後部リング５８の外側部分は、同様に共通の半径方向高さを有する２つのフランジ５０、５２の上に半径方向外側に延びる。

図２で最初に示したように、燃焼器２０のケーシングはノズルの外側バンド３４のちょうど上流で成端し、前部対のフランジ４６、４８のまわりに同心的に配置された環状前部ランド６０の形態の一体化延長部を含み、それに対して前部膨張リング５８は当接接触封止をもたらす。

同様に、タービンケーシングは、外側バンド３４の後部端部のまわりで始まり、環状後部ランド６２は対応する２つの後部フランジ５０、５２のまわりに同心的に配置され、それに対して後部膨張リング５８は別の当接接触封止をもたらす。

動作中、加圧された圧縮機放出空気１６が燃焼器のまわりに導かれ、ノズルの外側バンドを囲むオープンプレナムに分配され、対応するノズルベーン３８に外側バンドを通って流れ込む。

図４により良く示されているように、加圧された圧縮機空気１６は、外側バンド３４と２つのシーリングランド６０、６２との間の供給プレナムを加圧し、さらに、前部および後部シールリング５８に対抗する。

これらの２つのシールリング５８は、それらの半径方向外側の周囲表面と２つのランド６０、６２の対応する内側表面との間に効果的な接触封止をもたらし、加圧空気の燃焼ガス流路への漏洩を防止または最小にする。

さらに、前部リング５８は、第１のフランジ４６の後部表面に対して前方に加圧され、それに横方向当接接触封止をもたらす。同様に、後部シールリング５８は、第４のフランジ５２の前部表面に対して後方に加圧され、その間に横方向に相接する別の接触封止をもたらす。

２つの膨張リング５８は、一般に、それらの円周方向連続性において、その間に好適な横方向重ね継手をもつ単一の割れ目を含み、当初は直径が過大である。

このようにして、リング５８の自由外径は当初は２つのランド６０、６２の内径よりもわずかに大きくすることができ、その結果、リングは、当初、対応する環状ランド６０、６２の内部にアセンブリするためにより小さい直径に弾力圧縮することができ、その結果、弾性膨張力が各リングに残り、２つのランド６０、６２と常時接触しながらリングを半径方向外側に向かわせる。この外向き膨張力は図３および４に例えば正反対の矢印で表されている。

前部および後部シーリング溝５４、５６ならびにそれらの膨張リング５８の基本構成は従来のものであり、完全な環状で円周方向に連続な３６０度フランジ４６、４８、５０、５２を含む。この構成により、２つのリング５８の周囲のまわりに半径方向に外側封止が達成される。さらに、前部リング５８は、その前部面の当接横表面と前部フランジ４６との間に前部シールを有し、後部リング５８は、後部フランジ５２の当接横面と後部リングとの間に後部シールを有する。

しかし、４つのシーリングフランジ４６〜５２は、ノズルとシーリングランド６０、６２との間に半径方向熱膨張および収縮の差を許容するために、最小限のサイドクリアランスで２つのリング４８を適切に捕捉するのに必要とされる円周方向に連続な構成で実質的な構造剛性を薄い外側バンド３４に与える。

それにもかかわらず、この基本ノズル設計は商業サービスにおいて相応の長寿命に恵まれているが、ノズルの有効耐用寿命を向上させることが望ましく、それには設計における実質的な改善が必要とされる。

しかし、単一体タービンノズル２４は、単一体外側および内側バンドに一体化して接合された多くの中空ノズルベーンからなる非常に複雑な３次元アセンブリである。したがって、ノズルが受ける機械的および熱的な負荷および応力はかなり複雑であり、相互に関係がある。

特に、個々のベーン３８は、半径方向外側および内側端部において対応するバンドに剛接合され、動作中、分散した半径方向負荷経路を２つのバンド間にもたらす。ベーンの外側端部は外側バンド３４の内側表面に剛接合され、バンドの外側表面から半径方向外側に延びる４つのシーリングフランジと必然的に協同する。

前部対のフランジ４６、４８はベーンの前縁から軸方向前方に片持ちされる。その一方、後部フランジ５０、５２は、ベーン後縁の中実部分の直上に配置される。

外側バンド３４自体は比較的薄く可撓性であるが、それがいくつかのベーンの各々に接合される場所、およびいくつかのシーリングフランジの各々に接合される場所で局所的に強化され剛性である。

他の上記で開示した従来のタービンノズル２４は、従来の設計では以前には連続性が必要とされていたシーリングフランジの円周方向連続性を選択的に中断するために、上記で開示した４つのシーリングフランジ４６〜５２の少なくとも１つを選択的に城郭化するかまたは鋸壁形にすることによって有効寿命を延ばすように実質的に改善され得る。

図４に示した外側バンド３４の特別な形状を考慮すると、ノズル寿命を向上させる好ましい実施形態は、前部対のフランジ４６、４８がベーン３８の前縁から前方に片持ちされることと共に、ベーン３８の前縁に隣接してその近くにあるため第２のフランジ４８を鋸壁形にすることを含む。

鋸壁形の第２のフランジ４８は、フランジの円周方向連続性をセグメント化部分に中断する任意の好適な構成を有することができる。例えば、鋸壁形フランジ４８は、好ましくは、対応する長方形空間または狭間６６によって互いに円周方向に離間された長方形タブまたは中実凸壁６４の共通列を含む。

図５に最も良く示されているように、凸壁６４は比較的高く、協同する第１のフランジ４６の半径方向高さと一致し、したがって、外側バンド３４の外側表面で高さが始まり、第１のフランジ４６と同じ外径で高さが終了する。

それに応じて、協同する狭間６６は、同様に高くまたは最大限の高さであり、第２のフランジ４８の凸壁の最大限の高さで、隣り合う凸壁６４間にバンドの外側表面に沿って円周方向に延びる。

４つのフランジ４６〜５２はオリジナルの設計の利益を受けることができ、オリジナルの設計に基づいて対応する膨張リング５８を十分に支持するのに必要とされる最小の半径高さおよび軸方向厚さを有する。

第２のフランジ４８を選択的に変形して狭間空間６６を導入し、フランジの円周方向連続性を局所的に中断すると、ベーン前縁とバンドとの接合部の近くの外側バンドの構造剛性が低減され、局所応力が実質的に低減され、それ故にノズル寿命が向上する。

上記で示したように、各ベーンは、特にベーンの前縁および後縁の近くで、外側バンドとの接合により局所的に高い応力を有する局所的剛性半径方向負荷経路をもたらす。

ベーン前縁に近接して配置された第２のフランジ４８を選択的に鋸壁形にすると、外側バンドの構造剛性が局所的に低減され、その結果、外側バンドの応力が低減される。

第２のフランジ４８の主な機能は前部リング５８を軸方向に保持または捕捉することであるので、第２のフランジ４８は、依然として保持機能を備えながら円周のまわりで局所的に中断することができる。

対照的に、前部フランジ４６は連続的な円周方向構成を保持し、前部リング５８と軸方向に当接して横方向封止を維持することができる。

図３に最も良く示されているように、凸壁６４は、好ましくは、ノズルベーン３８の対応する対の間で円周方向に離間され、１つの凸壁６４は直接隣り合うベーンの前縁間に円周方向に離間される。このようにして、個々の凸壁６４自体に起因する構造剛性の局所的増加は、隣り合うベーン間の外側バンドに位置付けられ、凸壁間でベーン前縁を橋渡しする開放空間の狭間６６を残す。

したがって、各ベーンの前縁のまわりの薄い外側バンドと各ベーンとの間の構造剛性は実質的に低減され、対応して動作中のその場所の局部応力が低減し、その結果、ノズル寿命の向上がもたらされる。

図３に示した例示的実施形態では、ノズルは、その周囲のまわりに円周方向に離間した全数で２８個のベーン３８を含み、凸壁６４の数はノズルのベーンの数と１対１構成で一致し、数が２８個であることが好ましい。

この構成は、前部膨張リング５８を選択的に捕捉するための第２のフランジ４８の保持性能を同様に維持しながら、ベーンと外側バンドとの前縁接合部から個々の凸壁６４を離して適切に分離している。さらに、膨張リング５８は周囲に分割重ね継手を有するので、隣り合う凸壁６４の間隔が接近していることにより、横方向曲げに起因する重ね継手自体の受容できない分離を生じることなく、分割リング５８の有効な横方向または軸方向の保持が確実になる。

各凸壁６４は、好ましくは、上記で開示したように形状が長方形であり、協同する第１のフランジ４６と一致する半径方向高さを有する。その他に、各凸壁６４の円周方向の幅および軸方向の厚さは、セグメント化した第２のフランジ４８の保持機能を凸壁６４によって維持しながら、外側バンドの付加的剛性を最小にするように適切に設計することができる。

図４に示した実施形態は、前部フランジ対に鋸壁形の第２または後部フランジ４８だけを含み、残りの３つのフランジ４６、５０、５２はオリジナルの円周方向連続性を保持する。鋸壁形の第２のフランジ４８の設計の単独の変更により、ノズル寿命の実質的増加を得ることができ、他の点ではノズルはオリジナルで設計されているように従来通り動作する。

しかし、ノズルの設計におけるさらなる改善は、ノズルの注意深い構造分析をして、有用である場合に残りの３つのフランジの好適な変更に取り組むことよって得ることができる。例えば、分析によれば、後部または第４のフランジ５２もまた鋸壁形にされる場合、ベーン後縁４２と外側バンド３４との接合部の局所応力がさらに低減されることが予測される。

４つのフランジ４６〜５２は同様の形状を有し、外側バンドから半径方向外側に同様に延びるが、それらの４つのフランジは、外側バンド３４の軸方向両端部において、局所的に異なる外側バンド３４との接合部で、かつ特に前縁４０および後縁４２を含む下にあるノズルベーン３８と局所的に異なる協同して外側バンド３４と接合することに留意されたい。ベーンの前縁４０および後縁４２は外側バンドとの接合部で対応する局所応力集中を引き起こす。

ベーン後縁における第４のフランジ５２は局所的に応力を低減するように鋸壁形にすることができるが、そのような狭間は後部膨張リング５８のオリジナルのシーリング設計と衝突することに特に留意されたい。後部フランジ５２のいかなる円周方向の中断も、加圧された圧縮機空気が漏洩することがある局所部位を生成し、その漏洩はタービンノズルの適切な動作のために制御されなければならない。

図６および７は、このシーリング問題を解決するための鋸壁形の第４のフランジ５２の好適な形態を示す。特に、鋸壁形後部フランジ５２は、外側バンドの３６０度の全円周のまわりに円周方向に連続的な環状リッジまたはベース６８を含み、ベース６８は外側バンドの外側表面から半径方向外側に延びる。

この構成では、長方形の凸壁６４は比較的短く、支持ベース６８から一体化の幅で半径方向外側に延び、対応する短い狭間６６は、隣接する短い凸壁間に、環状ベース６８の上部表面上にまたはそれに沿って円周方向に延びる。

この構成では、後部フランジ５２が部分的に鋸壁形にされ、後部溝５６の底部に沿って完全表面有効範囲を保持する円周方向スカラップ模様化保持フランジを提供すると同時に、後部フランジの周囲のまわりの円周方向連続性および剛性を中断している。

スカラップ模様化後部フランジ５２のこの構成では、収縮リング７０の形態の第２の環状シールが、後部溝５６に、その中に同様に配置される第２の膨張リング５８に横方向に当接して配置される。このようにして、収縮リング７０は膨張リング５８と鋸壁形の第４のフランジ５２との間に軸方向に配置され、凸壁間の開放狭間６６に重なる二次封止を第４のフランジ５２にもたらす。

図６に示すように、後部溝５６中の第２の膨張リング５８は、半径方向外側封止を後部ランド６２にもたらすものとして動作すると同時に、第２の膨張リング５８の後部面と追加の収縮リング７０との間に二次封止をさらにもたらし、その結果、鋸壁形の後部フランジ５２に別の封止をもたらす。

さらに、収縮リング７０は、好ましくは、その周囲に重ね継手接合部を同様に有し、当初は直径が小さくされる。リング７０は、当初は、後部溝５６に取り付けるために直径が弾性的に拡大され、結果として生じる残留弾性負荷がリング７０を半径方向内側に収縮させることになり、その結果、その内径により、後部溝中の外側バンドの外側表面に別の接触封止がもたらされ、リング７０の内側後部表面によって環状ベース６８の前部面に沿った接触封止がさらにもたらされる。内側収縮力は正反対の矢印によって図７に示される。

図７は、対応するランド６０、６２に膨張リング５８の外側台座を提供するための膨張リング５８の半径方向外向きまたはアウトバウンド残留負荷を概略的に示す。それに応じて、収縮リング７０の半径方向内向きまたはインバウンド残留負荷が後部溝５６に収縮リング７０の内側台座を保証するようにさらに概略的に示される。

したがって、後部フランジ５２は、ベーン後縁のまわりの外側バンドの構造剛性を低減するために部分的に鋸壁形にすることができ、二次収縮リング７０は、膨張リング５８と協同して動作中好適なシーリングを集団で達成するように後部溝５６に導入される。

共通後部溝５６内の膨張リング５８と、協同する収縮リング７０との相対的寸法は、ノズルの動作環境に耐えるための要望に応じて選択することができる。収縮リング７０は膨張リング５８よりも薄いように示されているが、所望であれば後部溝５６の幅を拡大することによって適切に収容される同じまたは同様の厚さを有することができる。

前部および後部溝５４、５６の両方は、それらの中に取り付けられるシーリングリングの幅よりも数ミル広くなるように軸方向の幅が寸法合わせされ、シーリングリングによる望ましくない摩擦の制約なしに、ノズル外側バンドの自由な膨張および収縮が可能になる。さらに、様々なフランジ４６〜５２は、外側バンドとシーリングランド６０、６２との間の意図した差動半径方向移動に対して対応するシーリングリングを保持すると同時に、効果的な横方向シーリングをリングにさらに与えるのに十分な半径方向高さを保持する。

図８および９は、図４〜７で最初に示した鋸壁形の第２および第４のフランジ４８、５２を含むが、適切な鋸壁形の第３のフランジ５０をさらに含むさらなる別の実施形態を示す。

図４の実施形態のように、第３のフランジ５０は、外側バンド３４の外側表面で始まる高い凸壁６４を使用して鋸壁形にされ、対応する高い狭間６６が隣接する凸壁６４間にバンドの外側表面に沿って円周方向に延びる。

このフランジの機能は、シーリングのいかなる必要もなく、後部膨張リング５８を保持することができるので、最大限の深さの狭間６６を第３のフランジ５０で利用することができる。上記で示したように、後部溝６６のシーリングは、第３のフランジ５０から一般に離れている膨張リング５８の軸方向の前部表面ではなく、膨張リング５８の半径方向の周囲および軸方向の後部表面の両方で生じる。

鋸壁形の第４のフランジ５２はベーン後縁の上の外側バンドのまわりの構造剛性を低減するが、第３のフランジ５０の狭間は後部フランジ５２と共同して外側バンドの構造剛性をさらに低減する。

図８において、両方のフランジ５０、５２は、ベーンの列の薄い後縁４２の中実部分の直ぐ上に配置され、それにより、ベーン間に対応する負荷経路を与えることに留意されたい。分析が示唆するところによれば、鋸壁形の第３のフランジ５０を単独で使用し、残りの３つのフランジが円周方向に連続的であると、望ましくないことには、ベーン後縁と外側バンドとの間の接合部の局所応力が増加することになり、対応してノズル寿命が減少する。

したがって、ノズル外側バンド３４を囲む様々なシーリングフランジ４６〜５２は、タービンノズル中のそれらの相対的軸方向の場所に応じて、および下にあるノズルベーンの場所に関連して単に選択的に鋸壁形にすることができる。したがって、特定のノズル設計のための対応する応力解析を使用して、局所応力を望ましくなく増加させずに減少させてノズルの耐用寿命を向上させるのにいくつかの半径方向フランジのうちのどれを効果的に鋸壁形にできるかを決定することができる。

図１０および１１は、第１または前部フランジ４６も含めて４つのシーリングフランジ４６〜５２のすべてが適切に鋸壁形にされているタービンノズルのさらなる別の実施形態を示す。

したがって、第２のフランジ４８は、図４および５に示したものと同じ方法で鋸壁形にされる。

第４のフランジ５２は、図６および７に示したものと同じ方法で鋸壁形にされ、後部溝５６は後部膨張リング５８および後部収縮リング７０を共に含む。

第３のフランジ５０は、図８および９に示したものと同じ方法で鋸壁形にされる。

さらに、図１０および１１に示した第１のフランジ４６は、図６および７に示した後部フランジ５２と同じ方法で鋸壁形にされる。

特に、鋸壁形の第１のフランジ４６は、外側バンド３４から半径方向外側に延びる環状ベース６８を含み、短い凸壁６４はそのベース６８から半径方向外側に延び、対応する短い狭間６６が隣り合う短い凸壁間に支持環状ベース６８に沿ってまたはその上に円周方向に延びる。

それに応じて、前部溝５４は第１の膨張リング５８および横方向に当接する収縮リング７０を共に含む。前部溝５４中の収縮リング７０は、前部リング５８と第１のフランジ４６との間に軸方向に配置され、前部リング５８は前部収縮リング７０の後部面に横方向に当接し、収縮リングの前部面は鋸壁形の第１のフランジ４６に横方向に当接する。

後部溝５６中の後部収縮リング７０は後部膨張リング５８に後部封止をもたらすが、前部溝５４中の前部収縮リング７０は、ノズル外側バンドを囲む加圧空気１６を適切に含むように前部膨張リング５８に前部封止をもたらす。

したがって、図１０および１１は、４つのシーリングフランジ４６〜５２のすべてが、外側バンドの円周方向の堅さおよび剛性を局所的に低減し、その結果、ベーンの前縁および後縁の近くの応力を局所的に低減するように適切に鋸壁形にされる集合的実施形態を示す。前部溝５４は、前部フランジ対の２つの鋸壁形の前部および後部フランジ４６と４８との間に横方向に捕捉された第１の膨張リング５８を保持する。

後部溝５６は、後部フランジ対の鋸壁形の前部および後部フランジ５０、５２間に横方向に保持された第２の膨張リング５８を含む。

第１の収縮リング７０は、同様に、前部溝５４において第１の膨張リング５８と鋸壁形の第１のフランジ４６との間に軸方向に配置される。

さらに、第２の収縮リング７０は、同様に、後部溝５６において第２の膨張リング５８と鋸壁形の第４のフランジ５２との間に軸方向に配置される。

したがって、外側バンドの構造剛性を実質的に低減しながら対応する膨張リング５８を軸方向に保持するという２つの中央寄りのフランジ４８、５０の特定の利点のために最大限の高さの狭間６６が使用される。

短い狭間６６が、対応する収縮リング７０と協同して、スカラップ模様の第１および第４のフランジ４６、５２で効果的に使用され、主要膨張リング５８自体の二次シーリングを備えながら外側バンドの構造剛性をさらに低減する。

上記で示したように、対応する凸壁６４は、好ましくは、ノズルベーン自体から分離され、好ましくは、隣り合うベーンの前縁間に等距離で配置される。

図１１は、２つの後部フランジ５０、５２の対応する凸壁６４が、同様に、隣り合うベーンの後縁から、好ましくは後縁間に等距離で分離することができることを示す。この構成において、２つの後部フランジ５０、５２の後部凸壁６４は互いに位置合わせすることができるが、軸方向に一緒にそれら自体を位置合わせできる２つの前部フランジ４６、４８の対応する前部凸壁６４から円周方向にオフセットすることができる。

上記で開示した実施形態のすべてにおいて、１つまたは複数のシーリングフランジの狭間は外側バンドの構造剛性および堅さを低減するだけでなく、エンジンの総合効率をさらに改善するタービンノズルの重量も低減する。二次収縮リング７０を導入したことは、関連するフランジの対応する狭間によって重量の点で相殺される。

上記で開示した鋸壁形タービンノズルは、ベーンが外側バンドに接合する場所の普通なら局所的に高い応力を低減するのに有効であり、フランジ材料の選択的除去によりオリジナルのノズル設計を比較的わずかに変形することによりノズルの耐用寿命が対応して向上する。

本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると見なされるものが本明細書で説明されたが、本発明の他の変形が当業者には本明細書の教示から明らかであり、したがって、本発明の真の趣旨および範囲内にあるそのようなすべての変形が添付の特許請求の範囲で保護されることを要求する。

米国の特許状による保護を要求する内容は、発明者が要求する以下の特許請求の範囲に定義され区別されている発明である。

１０ ターボファン航空機ガスタービンエンジン
１２ 軸方向中心線軸
１４ ファン
１６ 周囲空気、圧縮機放出空気、加圧空気
１８ 遠心圧縮機
２０ 環状燃焼器、逆流環状燃焼器
２２ 高温燃焼ガス
２４ 第１段タービンノズル、環状タービンステータノズル、単一体タービンノズル
２６ 第１段タービンロータブレード、ＨＰＴブレード
２８ 低圧タービン（ＬＰＴ）
３０ 第１の駆動軸
３２ 第２の駆動軸
３４ 外側バンド
３６ 内側バンド
３８ ステータベーン、ベーン
４０ ベーン前縁
４２ ベーン後縁
４４ 固定ノズルマウント
４６、４８、５０、５２ フランジ
５４ 環状シール溝、前部溝
５６ 環状シール溝、後部溝
５８ 膨張シールリング
６０ 環状前部ランド
６２ 環状後部ランド
６４ 凸壁
６６ 狭間
６８ ベース
７０ 収縮リング

Claims (29)

1. 半径方向内側に延びるノズルベーン（３８）の列に一体化して接合された外側バンド（３４）であり、半径方向外側に延びる前部対および後部対のフランジ（４６〜５２）を含む、外側バンド（３４）を備え、
   前記フランジ（４６〜５２）のうちの１つが、前記外側バンドのまわりに円周方向に鋸壁形にされ、凸壁（６４）の列が、対応する狭間（６６）によって円周方向に離間されているタービンノズル（２４）。
2. 前記ベーン（３８）が、軸方向反対側の前縁および後縁（４０、４２）を有し、
   前記フランジが、前記ベーン（３８）の前記前縁および後縁（３８、４０）に対応する前記外側バンド（３４）の前部端部と後部端部との間で第１、第２、第３、および第４のフランジ順で配置され、
   前記第２のフランジ（４８）が前記前縁（４０）に隣接して鋸壁形にされる、請求項１記載のノズル。
3. 前記第２のフランジ（４８）の前記凸壁（６４）が、前記ベーン（３８）の対応する対の間で円周方向に離間される、請求項２記載のノズル。
4. 前記第４のフランジ（５２）が前記後縁（４２）に隣接して鋸壁形にされる、請求項３記載のノズル。
5. 前記第２のフランジ（４８）の前記凸壁（６４）が前記外側バンド（３４）の外側表面で始まり、前記狭間（６６）が、隣接する凸壁（６４）間に前記外側表面に沿って円周方向に延び、
   前記第４の鋸壁形フランジ（５２）が、前記外側バンド（３４）から半径方向外側に延びる環状ベース（６８）を含み、その中の前記凸壁（６４）が前記ベース（６８）から半径方向外側に延び、前記狭間（６６）が前記凸壁（６４）間に前記ベース（６８）の上方で円周方向に延びる、請求項４記載のノズル。
6. 前記第１および第２のフランジ（４６、４８）間の前部溝（５４）に配置される第１の膨張シールリング（５８）と、
   前記第３および第４のフランジ（５０、５２）間の後部溝（５６）に配置される第２の膨張シールリング（５８）と、
   前記後部溝（５６）において、前記第２のリング（５８）と前記鋸壁形の第４のフランジ（５２）との間に軸方向にさらに配置される収縮シールリング（７０）と
   をさらに含む、請求項５記載のノズル。
7. 前記第３のフランジ（５０）もまた鋸壁形にされる、請求項５記載のノズル。
8. 前記第１のフランジ（４６）もまた鋸壁形にされる、請求項５記載のノズル。
9. 前記第３のフランジ（５０）もまた鋸壁形にされ、凸壁（６４）が前記外側バンド（３４）の前記外側表面で始まり、対応する狭間（６６）が前記外側表面に沿って前記凸壁（６４）間に円周方向に延び、
   前記第１のフランジ（４６）もまた鋸壁形にされ、前記外側バンド（３４）から半径方向外側に延びる環状ベース（６８）を含み、凸壁（６４）が前記ベース（６８）から半径方向外側に延び、対応する狭間（６６）が前記ベース（６８）に沿って前記凸壁（６４）間に円周方向に延びる、請求項５記載のノズル。
10. 前記鋸壁形の第１のフランジと第２のフランジ（４６、４８）との間の前部溝（５４）に配置される第１の膨張シールリング（５８）と、
    前記鋸壁形の第３のフランジと第４のフランジ（５０、５２）との間の後部溝（５６）に配置される第２の膨張シールリング（５８）と、
    前記前部溝（５４）において、前記第１の膨張リング（５８）と前記鋸壁形の第１のフランジ（４６）との間に軸方向にさらに配置される第１の収縮シールリング（７０）と、
    前記後部溝（５６）において、前記第２の膨張リング（５８）と前記鋸壁形の第４のフランジ（５２）との間に軸方向にさらに配置される第２の収縮シールリング（７０）と
    をさらに含む、請求項９記載のノズル。
11. ノズルベーン（３８）の列の半径方向両端部に一体化して接合される環状の外側および内側バンド（３４、３６）と、前記外側バンド（３４）から半径方向外側に延び、環状シール溝（５４、５６）を画定するように軸方向に離間された１対のフランジ（４６〜５２）と、
    鋸壁形にされている、前記フランジ（４６〜５２）のうちの１つとを含むタービンノズル（２４）。
12. 前記鋸壁形フランジ（４６〜５２）が、対応する狭間（６６）によって円周方向に離間された凸壁（６４）の列を含む、請求項１１記載のノズル。
13. 前記凸壁（６４）が前記外側バンド（３４）の外側表面で始まり、前記狭間（６６）が、隣接する凸壁（６４）間に前記外側表面に沿って円周方向に延びる、請求項１２記載のノズル。
14. 前記鋸壁形フランジ（４６〜５２）が、前記外側バンド（３４）から半径方向外側に延びる環状ベース（６８）をさらに含み、前記凸壁（６４）が前記ベース（６８）から半径方向外側に延び、前記狭間（６６）が前記凸壁（６４）間に前記ベース（６８）の上方で円周方向に延びる、請求項１２記載のノズル。
15. 前記凸壁（６４）は、数が前記ベーン（３８）の列と一致する、請求項１２記載のノズル。
16. 前記凸壁（６４）が、前記ベーン（３８）の対応する対の間で円周方向に離間されている、請求項１２記載のノズル。
17. 前記シール溝（５４、５６）に配置されるシールリング（５８）をさらに含む、請求項１２記載のノズル。
18. 前記シールリングが、前記溝から半径方向外側に前記対のフランジ（４６、４８）の上方で延び、前記外側バンド（３４）の上方で半径方向に離隔される膨張リング（５８）を含む、請求項１７記載のノズル。
19. 前記シールリングが、前記外側バンド（３４）に半径方向内側で当接する収縮リング（７０）を含む、請求項１７記載のノズル。
20. 前記溝から半径方向外側に前記対のフランジ（４６、４８）の上方で延び、前記外側バンド（３４）の上方で半径方向に離隔される膨張シールリング（５８）と、
    前記膨張リング（５８）に横方向で当接し、前記外側バンド（３４）に半径方向内側で当接する、前記シール溝（５６）に配置される収縮シールリング（７０）と
    をさらに含み、
    前記収縮リング（７０）が前記鋸壁形フランジ（５２、４６）に横方向で当接する、請求項１２記載のノズル。
21. 前部環状シール溝（５４）を画定するために前記外側バンド（３４）からその前部端部で半径方向外側に延びる前記フランジのうちの第１のものと第２のもの（４６、４８）の前部対と、
    後部環状シール溝（５６）を画定するために前記外側バンド（３４）からその後部端部で半径方向外側に延びる前記フランジのうちの第３のものと第４のもの（５０、５２）の後部対と
    をさらに含み、
    前記４つのフランジ（４６〜５２）のうちの１つが鋸壁形にされる、請求項１２記載のノズル。
22. 前記ベーン（３８）が、前記外側バンド（３４）の前記前部端部および前記後部端部に対応する、軸方向反対側の前縁および後縁（４０、４２）を有し、前記第１、第２、第３、および第４のフランジ（４６〜５２）が前記前部端部と前記後部端部との間で下流への順で配置され、
    前記第２のフランジ（４８）が鋸壁形にされる、請求項２１記載のノズル。
23. 前記第４のフランジ（５２）もまた鋸壁形にされる、請求項２２記載のノズル。
24. 前記前部溝（５４）が膨張リング（５８）を含み、
    前記後部溝（５６）が、膨張リング（５８）と、横方向に当接し、さらに前記鋸壁形の第４のフランジ（５２）に横方向に当接する収縮リング（７０）とを共に含む、請求項２３記載のノズル。
25. 前記第３のフランジ（５０）もまた鋸壁形にされる、請求項２４記載のノズル。
26. 前記第３のフランジ（５０）の前記凸壁（６４）が前記外側バンド（３４）の外側表面で始まり、前記狭間（６６）が、隣接する凸壁（６４）間に前記外側表面に沿って円周方向に延び、
    前記第４のフランジ（５２）が、前記外側バンド（３４）から半径方向外側に延びる環状ベース（６８）を含み、前記第４のフランジの前記凸壁（６４）が前記ベース（６８）から半径方向外側に延び、前記狭間（６６）が前記凸壁（６４）間に前記ベース（６８）の上方で円周方向に延びる、請求項２５記載のノズル。
27. 前記第１のフランジ（４６）もまた鋸壁形にされる、請求項２２記載のノズル。
28. 前記前部溝（５４）が、膨張リング（５８）と、横方向に当接し、さらに前記鋸壁形の第１のフランジ（４６）に横方向に当接する収縮リング（７０）とを共に含む、請求項２７記載のノズル。
29. 前記第２のフランジ（４８）の前記凸壁（６４）が前記外側バンド（３４）の外側表面で始まり、前記狭間（６６）が、隣接する凸壁（６４）間に前記外側表面に沿って円周方向に延び、
    前記第１のフランジ（４６）が、前記外側バンド（３４）から半径方向外側に延びる環状ベース（６８）を含み、前記第１のフランジ（４６）の前記凸壁（６４）が前記ベース（６８）から半径方向外側に延び、前記狭間（６６）が前記凸壁（６４）間に前記ベース（６８）の上方で円周方向に延びる、請求項２８記載のノズル。

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