JP2015514907A - タービンエンジン用タービン段 - Google Patents

Abstract

ノズル（１１２）とケーシング（１１４）によって支承されたセクタ化リング（１１８）の内側に取り付けられたホイールとを備え、ノズルはケーシングに取り付けられて環状分割リング（１３６）を当接することにより軸方向下流側で保持され、それぞれのリングセクタは上流側端部に、ケーシングレールに係合されて分割リングを半径方向に保持するＣ字形断面の部材（１４４）を含む、タービンエンジン用タービン段であって、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁（１４８）は、分割リングの内側で分割リングの軸方向寸法全体にわたって延在し、上流側端部はノズルの少なくとも１つの凹部（１６０、１６２）に係合されることを特徴とするタービン段。

Description

本発明は、航空機ターボプロップもしくはターボジェットのようなタービンエンジン用タービン段に関する。

一般に、このタイプのタービン段は、固定ノズルと、固定ノズルの下流側かつ環状ケーシングの内側に取り付けられるタービンホイールとを備える。ノズルは、一方が他方の内側に位置し、略半径方向ベーンによって互いに接続される２つの同軸プラットフォームを有する。外側プラットフォームは、上流側タブと下流側タブの２つの環状タブを有し、これらのタブは、半径方向外側に伸び、それぞれ外周にケーシングに取り付けるための取り付け手段を含む。ノズルは、ケーシングのフックによって半径方向に保持される。ノズルの下流側環状タブは、ケーシングの円筒状レールを半径方向外側に当接し、レールの環状溝内に受承された環状分割リングを軸方向下流側に当接し、環状溝は半径方向内側に開口している。

ホイールは、外縁でブレードを支承するロータディスクによって形成される。ホイールは、ケーシングによって支承されるセクタ化リングの内側に回転可能に取り付けられる。それぞれのリングセクタは、上流側端部にＣ字形断面の円周方向部材を有し、該部材は、ケーシングレールに係合されて、上述のレール溝内で分割リングを半径方向に保持する働きをする。

Ｃ字形部材は、下流側から軸方向に移動された後に、リングセクタを傾斜した状態で移動させることによってケーシングレールに係合される。そのためには、リングセクタは、最初に、上流側端部が下流側端部よりさらに半径方向外側に位置するように配置される。リングセクタは、所与の軸方向間隔にわたってケーシングレールに係合されているＣ字形部材と共に上流側に移動され、その後、Ｃ字形部材のレールへの係合を仕上げるために、リングセクタの下流側端部は半径方向外側に傾斜される。

先行技術では、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁の上流側周縁は、ノズルの下流側環状タブから軸方向隙間だけ離間される。この隙間は、リングセクタを傾斜させることにより上述の組立作業を行うのを可能とするのに必要である。この軸方向隙間があるために、Ｃ字形部材の半径方向内側壁は、分割リングの軸位方向寸法の極一部の半径方向内側に延在する。この部分は、原理上、分割リングを溝内で半径方向に保持するのに十分である。特定の実施形態では、上述の隙間は約１．９ミリメートル（ｍｍ）±０．２５ｍｍである。

しかし、製造上の公差のため、および部品の動作時の熱膨張差のために、分割リングを保持するＣ字形部材の半径方向内側壁の上流側端部の軸方向寸法は、不十分、もしくは最も好ましくない条件下ではゼロになる場合がある。この場合、分割リングを外すことが可能で、ノズルがこれ以上軸方向下流側に移動するのを妨げることになり、これは好ましくない。

本発明の目的は、先行技術の上述の問題に対して、簡単、効果的、かつコストのかからない解決策を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明は、固定ノズルとノズルから下流側かつ環状ケーシングの内側に取り付けられたホイールとを備え、ノズルはケーシングに取り付けられてケーシングのレールの環状溝内に取り付けられた環状分割リングを当接することにより軸方向下流側で保持され、ホイールはケーシングによって支承されたセクタ化リングの内側に取り付けられ、それぞれのリングセクタは上流側端部で、ケーシングレールに係合されて上述の溝内で分割リングを半径方向に保持するＣ字形断面の部材を含む、タービンエンジン用タービン段であって、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁は、分割リングの内側で分割リングの軸方向寸法全体にわたって延在し、上流側端部はノズルの少なくとも１つの凹部に係合され、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁の上流側周縁部は、リングセクタがノズルに対して回転運動しないようにノズルの相補的手段と協働する少なくとも１つの切欠部を含むことを特徴とする、タービン段を提供する。

本発明によれば、Ｃ字形部材は、半径方向内側壁が分割リングの軸方向全体にわたって軸方向に延在することによって、製造公差および部品の熱膨張差に関係なく、分割リングを半径方向に保持する働きをするように構成される。上述したように、Ｃ字形部材を特に傾斜させて組み立てるために、ノズルは、Ｃ字形部材の半径方向内側壁の上流側端部を受承するための凹部を含む。

そのような組立を可能にするために、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁の上流側端部は、ノズルの底部から、もしくはノズルの上記凹部の半径方向壁から、軸方向隙間だけ離間される。この軸方向隙間は、上述したのと同じ一般的なサイズ、すなわち、約２ｍｍである。

さらに、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁の上流側端部は、凹部の外側円筒状壁から、わずかなもしくはゼロの半径方向隙間だけ離間され、この円筒状壁は、ノズルの半径方向保持手段を形成する端部の周囲に延在している。したがって、本発明の特定の実施形態では、この半径方向に保持するだけに用いられる先行技術のケーシングフックを省略することができるので、ノズルを簡略化して、ケーシングの重量を約３ｋｇ低減することができる。

ノズルを使用してリングが回転運動しないようにすることで、リングがケーシングに対して回転しないようにする特定のペグを設置する必要がなくなる。このペグは、ペグの機械的保持を確保するためには、ケーシングの厚さおよび直径を増加させる必要があり、そのためケーシングの重量が増すことになる。

このように本発明によって回転運動が妨げられることで、タービン段の半径方向のサイズを低減することになる。

本発明の別の態様では、ノズルの相補的手段は、ノズルの局所極厚部を含む。

本発明の別の特徴によれば、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁の軸方向寸法は、Ｃ字形部材の半径方向外側壁の軸方向寸法よりも長い。

ノズルの下流側端部は、ケーシングレールを半径方向に押圧する外側円筒状面と、分割リングを押圧する下流側半径方向面とを有する半径方向外側環状タブを含んでもよく、この下流側半径方向面の少なくとも一部において上記凹部（単数または複数）が下流側へと開口している。

ノズルはセクタ化され、円周方向に端を突き合わせて配置される複数のセクタで構成される。上記凹部は円周方向に配向され、その円周方向端部はノズルセクタの円周方向端部で開口し、ノズルセクタの側方ウェブによって閉鎖される。

ノズルセクタの環状タブセクタの対向する側縁部は、ケーシングレールおよび／または分割リングの近くまで半径方向外側に伸びた封止片を受承するための直線状スロットを含むのが好ましく、溝は、上記凹部から上流側に位置する面内に伸びる、またはノズルセクタの上記側方ウェブの少なくとも一部に伸びる。これらの封止片は、セクタ間のガス漏れを抑える働きをする。

最後に、本発明は、航空機ターボプロップもしくはターボジェットのようなタービンエンジンであって、少なくとも１つの上述のタービン段を含むことを特徴とするタービンエンジンを提供する。

非限定的な例として添付図面を参照しながら詳述されている以下の記述を読めば、本発明はよりよく理解され、本発明の他の詳細、利点、および特徴がより明らかになるであろう。

先行技術のタービンエンジンのタービン段の軸方向片側部分断面図である。 図１の一部の拡大図である。 本発明のタービンエンジンのタービン段の軸方向片側部分断面図である。 図３の一部の拡大図であり、リングセクタを傾斜させて取り付けるステップを示した図である。 本発明のノズルセクタの外側プラットフォームの斜視図である。 本発明のリングセクタの斜視図である。 図５および図６に示されているタイプの外側プラットフォームとリングセクタとを組立位置で示した斜視図である。 図３に対応する図で、本発明のタービン段の変形形態を示した図である。 図８の段の部分斜視図である。 本発明のノズルセクタの外側プラットフォームの斜視図である。 本発明のリングセクタの斜視図である。 図１０および図１１に示されているタイプの外側プラットフォームとリングセクタとを組立位置で示した斜視図である。

最初に、図１について説明する。図１は、航空機ターボプロップもしくはターボジェットのようなタービンエンジンの低圧タービン１０を示しており、タービンは、タービンのケーシング１４に取り付けられるノズル１２と、ノズル１２から下流側に取り付けられて、ケーシング１４に取り付けられたリング１８内で回転するブレード付きホイール１６とを含む複数の段を有する。

ノズル１２は、略半径方向ベーンによって互いに接続された内側プラットフォームと外側プラットフォーム２０の２つの同軸プラットフォームを備える。外側プラットフォーム２０は、上流側タブ２２と下流側タブ２４の２つの環状タブを有し、これらのタブは、半径方向外側に伸び、ケーシングに取り付けるための取り付け手段を含む。

ノズル１２のタブ２２、２４は、それぞれの外周に、ケーシングの円筒状レール２６に取り付けるための上流側円筒状リムを含む。下流側タブ２４の円筒状リムは、少なくとも１つの半径方向切欠部を含み、ノズルがケーシングに対して回転運動しないようにケーシング１４によって支承される半径方向ペグ２８が切欠部に係合される。

ノズル１２の下流側タブ２４は、ケーシングの別のレール３２に対して半径方向に押圧する半径方向外側円筒状面３０と、レールの環状溝３８内に受承される環状分割リング３６を軸方向に押圧する下流側半径方向面３４とを有し、溝３８は半径方向内側に開口している（図２）。この分割リング３６は、ノズル１２を軸方向下流側に保持する働きをする。

ホイールの周囲のリング１８は、セクタ化され、円周方向に端を突き合わせてタービンのケーシング１４によって支承された複数のセクタで構成される。

それぞれのリングセクタ１８は、円筒状もしくは円錐台形状壁４０と、ロウ付けおよび／または溶接によって壁４０の半径方向内側面に固定されるアブレイダブル材料製のブロック４２とを備え、ホイールとリングセクタ１８との間の半径方向隙間を最小限に抑えるために、ブロック４２はハニカムタイプであり、ホイール１６のブレードの外側環状ワイパとの摩擦によって摩耗される部分である。

それぞれのリングセクタ１８は、上流側端部にＣ字形断面の円周方向部材４４を有し、部材内の開口部は上流側に開口し、部材はケーシングレール３２および分割リング３６上で下流側から軸方向に係合される。

それぞれのリングセクタ１８の部材４４は、それぞれ半径方向外側壁および半径方向内側壁である上流に伸びる２つの円筒状壁４６および４８を有し、これらの壁の下流側端部は半径方向壁５０によって互いに接続される。図２に示されているように、部材の壁４６は、レール３２の半径方向外側円筒状面を半径方向に押圧し、部材の内側壁４８は分割リング３６の一部の内側に半径方向に伸びる。

先行技術では、上述したように、それぞれの部材４４の内側壁４８の軸方向寸法は、外側壁４６の軸方向寸法より短く、内側壁の上流側周縁は、ノズル１２の支承面３４から軸方向隙間Ｊだけ離間され、軸方向隙間Ｊは、リングセクタ１８を傾斜させて取り付けるのに十分な大きさである。したがって、それぞれの部材４４の内側壁４８の上流側端部は、分割リング３６の軸方向寸法のわずかな間隔Ｌだけ延在するが、この構造は、特に、部品の製造上の公差や動作時の部品の熱膨張差により間隔Ｌが小さくなった場合の最も好ましくない条件下では、分割リングを溝３８内で保持するのに十分ではない。

本発明は、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の内側壁を長くし、内側壁の上流側端部がノズルの対応する凹部に受承されることによりリングセクタを取り付けることができるようにすることで、上述の問題を改善することができる。

最初に、本発明の第１の実施形態を示した図３〜図７について説明する。

図３〜図７に示されているノズル１１２は、特に、下流側環状タブ１２４が、図示されている例では、軸方向下流側に開口する、タブ１２４の外縁の円周方向溝１６０、１６２よって形成される上述のタイプの凹部を含む（図３、図４、および図５）という点で、上述のノズルとは異なる。これらの溝１６０、１６２の半径方向外側部分は、ケーシング１１４のレール１３２によって支承される分割リング１３６を押圧する下流側タブ１２４の半径方向面１３４へと開口している。

ノズル１１２はセクタ化され、円周方向に端を突き合わせて配置される複数のノズルセクタを備える。図５は、ノズルセクタの一部のみを示した図である（外側プラットフォーム１２０およびその環状タブ１２２、１２４のみが示されている）。

それぞれのノズルセクタ１１２は、セクタの円周方向寸法の半分以上にわたって伸びる環状溝１６０と、それより短いサイズの環状溝１６２とを有する。これらの溝１６０、１６２は、同じ円周上に位置し、下流側タブ１２４の軸方向極厚部１６４によって互いに離間される。

それぞれの溝１６０、１６２は、上記極厚部１６４によって閉鎖される円周方向一端を有し、それぞれの溝の円周方向他端は、軸方向下流側に伸びる、下流側タブ１２４の材料のウェブ１６６によって閉鎖される。

図３および図５に示されているように、ノズルセクタ１１２の対向する側縁部は、封止片（図示せず）を受承するための直線状スロットを含む。それぞれの側縁部は、外側プラットフォーム１２４の長手方向縁部に沿って伸びる直線状スロット１７０と、上流側タブセクタ１２２の側縁部に沿って半径方向に伸びる直線状スロット１７２と、下流側タブセクタ１２４の側縁部に沿って半径方向に伸びる直線状スロット１７４とを含む。それぞれのスロット１７４は、一部は上記ウェブ１６６内に形成され、下流側タブの外側円筒状面１３０のすぐ近くまで伸びる。

図３〜図７に示されているリングセクタ１１８は、特に、Ｃ字形部材１４４の半径方向内側壁１４８の軸方向寸法が半径方向外側壁１４６の軸方向寸法より長いという点で、上述のリングセクタとは異なる。図３に示されているように、それぞれのリングセクタ１１８の部材１４４の半径方向内側壁１４８は、分割リング１３６の軸方向寸法全体にわたって伸びて、上流側方向に分割リングを超えて、ノズルの上記溝１６０、１６２まで伸びる。

図６は、リングセクタ１１８を示した図である。部材１４４の内側壁１４８は、図示されている例では、２つの半径方向切欠部１８０、１８２を有し、これらの切欠部は、以下で詳述するが、セクタがノズルに対して回転運動しないようにノズルの相補的手段と協働する部分である。

切欠部１８０、１８２は、略Ｕ字形であり、周縁によって下流側端部で互いに接続される２つの平行な側縁部によって形成される。図示されている例では、切欠部のそれぞれの側縁部は、動作時のこのゾーンの応力集中を低減するために円形断面のオリフィス１８４によって切欠部の周縁に接続される。

それぞれのリングセクタ１１８の部材１４４の内側壁１４８の切欠部１８０は、壁のほぼ中央に位置し、ノズルの下流側タブ１２４の局所極厚部１６４を受承する部分となる。

図７に示されているように、リングセクタ１１８は、ノズルセクタ１１２に対して円周方向にオフセットされ、その結果、ノズルセクタのプラットフォーム１２０の長手方向縁部はリングセクタ１１８の長手方向縁部と軸方向に合致しない。このことにより、特に、組立体をより密閉状態にすることができる。

図７に示されているように、それぞれのリングセクタ１１８の部材１４４の内側壁１４８の切欠部１８２は、２つの隣接ノズルセクタ１１２の材料の対向するウェブ１６６を受承する部分である。

図６に明確に示されているように、切欠部１８０、１８２は、これら切欠部間に、部材の内側壁１４８の３つの異なる下流側端部１８４、１８６、および１８８を形成し、そのうちの１つ１８４はノズルセクタ１１２の溝１６０の一部に係合され、別の１つ１８６はセクタの溝１６２に係合され、最後の１つ１８８は隣接ノズルセクタの溝１６０の一部に係合される（図７）。

図４は、ケーシング１１４にリングセクタ１１８を組み合わせるステップを示した図である。リングセクタ１１８は、上流側端部が下流側端部よりさらに半径方向外側に位置するように斜めに配置される。リングセクタは、ケーシングレール１３２がセクタのＣ字形部材１４４の壁１４６と１４８との間に係合するまで、下流側からレールに向かって移動される。その後、図４に示されるように、部材の内側壁１４８は、ノズル１１２の下流側タブ１２４の上記溝１６０、１６２に係合する。その後、リングセクタ１１８の下流側端部は、下流側端部がケーシングのレールに対して押圧するように、半径方向外側に向かって傾斜される（矢印１９０）。傾斜は、リングセクタ１１８をほぼ点Ｃを中心として回転させることによって行われる。

図３に示されている組立位置では、それぞれのリングセクタ１１８の部材１４４の内側壁１４８の上流側周縁は、溝１６０、１６２の底部もしくは半径方向壁１５９から、このように傾斜させて組み立てるのに十分な軸方向隙間Ｊ´だけ離間される。図４に示されているように、傾斜している時は、この隙間Ｊ´は小さくなる。さらに、それぞれの部材１４４の内側壁１４８の上流側端部は、内側に、かつそれぞれの溝１６０、１６２の外側円筒状壁１６１に平行に伸び、この壁１６１から、わずかなもしくはゼロの半径方向隙間Ｈだけ離間される。したがって、これらの端部は、ノズルセクタの下流側端部を半径方向保持する手段を形成する。

本発明の変形形態を示した図８〜図１２について後述する。この形態では、ノズルセクタ２１２は、リングセクタ２１８のＣ字形部材２４４の内側壁２４６を受承する溝２６０、２６２それぞれの円周方向一端が閉鎖されず、したがって、ノズルセクタの側方縁部の一方で円周方向に開口しているという点で、本質的に上述のセクタ１１２と異なる。

ノズルセクタ２１２の大きい円周方向サイズの溝２６０の円周方向一端は、上記局所極厚部２６４によって閉鎖され、円周方向他端は、セクタの側縁部の一方へと開口している。ノズルセクタ２１２の円周方向サイズの短い方の溝２６２の円周方向一端は、上記局所極厚部２６４によって閉鎖され、円周方向他端は、セクタの他方の側縁部へと開口している。

この実施形態では、ノズルセクタ２１２の下流側タブセクタ２２４の側縁部内に形成された直線状スロット２７０は、溝２６０、２６２から上流側に位置する平面内で略半径方向に伸びる。これらのスロット２７０の半径方向外側端部は、タブ２２４の外側円筒状面２３０のすぐ近くに位置する。

リングセクタ２１８は、Ｃ字形部材の半径方向内側壁２４８それぞれが、上記切欠部１８０と同様の切欠部２８０で、ノズルセクタの上記極厚部２６４を受承する部分である切欠部１８０を１つだけ有するという点で、本質的に上述のリングセクタ１１８と異なる。

図１１に示されているように、切欠部２８０は、部材の内側壁２４８の２つの異なる下流側端部２８４、２８６を形成し、そのうちの１つ２８４はノズルセクタ２１２の溝２６０の一部に係合され、他方のそのうちの１つ２８６はセクタの溝２６２および隣接ノズルセクタの溝２６０の一部に係合される（図１２）。

リングセクタ２１８は、図４に関して上述したのと同じ方法で組み合わせられる。

Claims (8)

1. 固定ノズル（１１２）とノズルから下流側かつ環状ケーシング（１１４）の内側に取り付けられたホイールとを備え、ノズルはケーシングに取り付けられてケーシングのレール（１３２）の環状溝内に取り付けられた環状分割リング（１３６）を当接することにより軸方向下流側で保持され、ホイールはケーシングによって支承されたセクタ化リング（１１８）の内側に取り付けられ、それぞれのリングセクタは上流側端部に、ケーシングレールに係合されて上述の溝内で分割リングを半径方向に保持するＣ字形断面の部材（１４４）を含む、タービンエンジン用タービン段であって、それぞれのリングセクタのＣ字形部材の半径方向内側壁（１４８）は、分割リングの内側で分割リングの軸方向寸法全体にわたって延在し、上流側端部はノズルの少なくとも１つの凹部（１６０、１６２）に係合され、それぞれのリングセクタ（１１８）のＣ字形部材（１４４）の半径方向内側壁（１４８）の上流側周縁部は、リングセクタがノズル（１１２）に対して回転運動しないようにノズルの相補的手段（１６４、１６６）と協働する少なくとも１つの切欠部（１８０、１８２）を含むことを特徴とする、タービン段。
2. ノズル（１１２）の相補的手段（１６４、１６６）が、ノズル（１１２）の局所極厚部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の段。
3. それぞれのリングセクタ（１１８）のＣ字形部材（１４４）の半径方向内側壁（１４８）の軸方向寸法が、Ｃ字形部材の半径方向外側壁（１４６）の軸方向寸法よりも長いことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の段。
4. ノズル（１１２）の下流側端部が、ケーシングレール（１３２）を半径方向に当接する外側円筒状面（１３０）と、分割リング（１３６）を当接する下流側半径方向面（１３４）とを有する半径方向外側環状タブ（１２４）を含み、この下流側半径方向面の少なくとも一部において上記凹部（単数または複数）（１６０、１６２）が下流側に開口することを特徴とする、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の段。
5. ノズル（１１２、２１２）がセクタ化され、凹部（１６０、１６２、２６０、２６２）は円周方向に配向され、その円周方向端部はノズルセクタの円周方向端部で開口し、ノズルセクタの側方ウェブ（１６６）によって閉鎖されることを特徴とする、請求項４に記載の段。
6. ノズルセクタ（１１２、２１２）の環状タブセクタ（１２４、２２４）の対向する側縁部が、ケーシングレール（１３２、２３２）および／または分割リング（１３６、２３６）の近くまで半径方向外側に伸びた封止片を受承するための直線状スロット（１７４、２７４）を含み、溝は、上記凹部（２６０、２６２）から上流側に位置する面内に伸びる、またはノズルセクタの上記側方ウェブ（１６６）の少なくとも一部に伸びることを特徴とする、請求項５に記載の段。
7. それぞれのリングセクタ（１１８）のＣ字形部材（１４４）の半径方向内側壁（１４８）の上流端部分が、ノズルの上記凹部の半径方向壁（１５９）から軸方向隙間（Ｊ´）だけ離間され、凹部の外側円筒状壁（１６１）からわずかなもしくはゼロの半径方向隙間（Ｈ）だけ離間されることを特徴とする、請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載の段。
8. 航空機ターボプロップもしくはターボジェットのようなタービンエンジンであって、請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載の少なくとも１つのタービン段を含むことを特徴とするタービンエンジン。

Images