JP2017072130A - ガスタービンベーン - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンプラットフォームとベーンキャリアとの間の境界面における、応力減少に通ずる改善された柔軟性を備えた革新的なガイドベーンを提供する。【解決手段】ガスタービン用のガイドベーン１であって、ベーンプラットフォーム２と、それに接続されたベーン翼３とを有しており、ベーンプラットフォームは、ガスタービンの周方向で延在し、かつガイドベーンキャリア溝内に収容されるようになっている細長いフック４を有しており、ガイドベーンはさらに、細長いフックの外面４１の遠位端部４１１、４１２に位置し、かつガイドベーンキャリア溝に当接するように配置された第１の突出パッド４２と第２の突出パッド４３とを有している。【選択図】図５

Description

本発明は概して、ガスタービン用のガイドベーンに関し、本発明は特に、ベーンプラットフォームとベーンキャリアとの間の境界面における応力の減少に通ずる改善された柔軟性を備えた革新的なガイドベーンを提供する。

背景
公知のように、ガスタービン用の標準的な構成は、回転軸に取り付けられたブレードによってガイドされる回転軸を取り囲む外側ケーシング又はベーンキャリアに堅く接続された複数のベーンを想定している。特に、各ベーンは、ベーンプラットフォームに接続された翼を有しており、このプラットフォームは外側ケーシング内に保持されている。高温の燃焼ガスが、回転軸を駆動するためにケーシングを通るとき、ベーンは高温にさらされる。

一般的に、ベーンは、その外径において外側ケーシングに、カンチレバー式に固定することができ、又はその外径及び内径において固定することができる（外径及び内径における固定の場合の設計は、ロッキングベーンとして公知である）。

図１には、従来技術によるカンチレバー式に設計されたステータベーン１００が概略的に示されており、このベーン１００は、ベーンプラットフォーム１０４に取り付けられた翼１０３を有している。ベーンプラットフォーム１０４は、前縁フック１０２と後縁フック１０１とを有していて、これらのフックはベーンキャリア１０５に取り付けられている。軸方向及び周方向の固定は、前縁フック１０２又は後縁フック１０１上で操作することができる。

続く図２には、従来技術による「ロッキングベーン」構造のステータベーン２００が示されている。この場合、ベーン２００は、ベーンプラットフォーム２０４に取り付けられた翼２０３を含み、この場合のベーンプラットフォーム２０４は、１つの外側フック２０１を有していて、この外側フック２０１は、ベーンキャリアの収容部分２０５内に嵌め込まれている。フック２０１は、軸方向外側、周方向、半径方向の支持を提供し、軸方向、半径方向、周方向でのベーン負荷をベーンキャリア２０５へと伝達する。

さらに、ベーン２００は、軸方向ではその内径２０２で、内側の軸方向支持を提供する内側の構造的要素２０８によって支持されている。構成要素２０２は、概略的に図示したように、ベーンキャリア２０５に嵌め込まれている。ベーン２００は、翼２０３にかけられるガスによる軸方向負荷により、外側及び内側の軸方向ベーンキャリア支持体２０５，２０８に対して押し付けられる。

過渡モードにおけるガスタービンエンジンの構造部品の熱膨張が異なることにより、ベーン２００の内側及び外側の軸方向支持体２０５，２０８は、軸方向で互いに変化するだろう。これにより、図３に示したようにベーン２００はベーンキャリア２０５に対して傾けられる場合がある。さらに、ベーン自体の熱応力により、フック２０１は任意の方向で曲げられる場合がある。

一般的に、従来技術の教示によれば、ベーン２００は周方向のフック２０１を有しており、このフックは外面に円筒状の空間を、内面に平らな表面を有している。ベーンキャリア２０５に設けられた収容溝は、外側と内側の円筒面を有しており、これにより図４に示したように、外面おける表面接触２０６と、内面における軸方向の線接触２０７とが形成されている。ベーンキャリア２０５の収容溝内における周方向でのフック２０１の好ましくない傾動を阻止するために、ベーンフック２０１とベーンキャリア２０５との間の隙間は通常は、できるだけ小さく維持されている。

特に、ロッキング形式のベーンには、従来技術のいくつかの欠点がある。

第１に、フックの熱変形（例えば、屈曲）により、溝内でベーンが押しつぶされる場合がある。これによりベーンやキャリアに高い力が加えられることになり、結果として耐用寿命は減じられる。

このような問題に対して行うことができる部分的な解決策は、前記隙間を増大させることであろうが、これにより、周方向でのベーンの相当の傾動が生じる恐れがある。さらには、軸方向の線接触及び面接触によっては不可能な相対的な外側及び内側の支持運動を補償するために、ベーンはフックの周りで、約数度（最大±５°）、自由に回転する恐れがある。

発明の概要
本発明の課題は、独立請求項１に実質的に定義されたようなガスタービンガイドベーンを提供することによって前述の技術的課題を解決することである。

さらに、本発明によれば、独立請求項８に実質的に定義されたようなガイドベーンキャリアも提供される。好適な実施の形態は、対応する従属請求項に定義されている。

以下に詳細に説明するがそれは単なる一例であり限定する目的にはない好適な態様によれば、本解決手段は、ガスタービン用のガイドベーンであって、ベーンプラットフォームと、前記ベーンプラットフォームに接続されたベーン翼とを有しており、前記ベーンプラットフォームは、前記ガスタービンの周方向で延在しかつガイドベーンキャリア溝内に収容されるようになっている細長いフックを有しており、前記ガイドベーンはさらに、前記細長いフックの外面の遠位端部に位置しかつ前記ガイドベーンキャリア溝に当接するように配置された第１の突出パッドと第２の突出パッドとを有している、ガイドベーンであって、前記突出パッドは丸み付けられた表面形状を有している、ガスタービン用のガイドベーンを提供する。

本発明の好適な態様によれば、前記ガイドベーンは、前記細長いフックの前記外面の反対側にある前記細長いフックの内面の遠位端部に位置し、前記ガイドベーンキャリア溝に当接するように配置された第３の突出パッドと第４の突出パッドとをさらに有している。

本発明の好適な態様によれば、前記第３の突出パッドと、前記第４の突出パッドとはほぼ平らな表面形状を有している。

本発明の好適な態様によれば、前記第１の突出パッドと前記第２の突出パッドとはそれぞれ、前記細長いフックの周方向に沿って長さＬにわたって延在していて、前記長さＬは、前記細長いフックの周方向の全長の５％〜２５％の範囲で選択されている。

本発明の好適な態様によれば、この長さＬは、細長いフックの周方向の全長の１０％〜１５％のサブ範囲で選択されたものである。

本発明の好適な態様によれば、前記長さＬは、前記細長いフックの周方向の全長の１２．５％である。

本発明の好適な態様によれば、前記細長いフックは、前記外面に位置するスロットを有していて、前記スロットは、半径方向のロックピンを収容するようになっている。

本発明の別の態様によれば、ガイドベーンキャリアであって、前記ガスタービンの周方向で延在し、ガイドベーンのベーンプラットフォームに設けられた対応する細長いフックを収容するようになっている溝を有しており、前記溝は、前記細長いフックの外面に対向する前記溝の上方の内面の、それぞれ上方の遠位端部に位置する第１の接触部分と第２の接触部分とを有している、ガイドベーンキャリアであって、前記第１の接触部分と前記第２の接触部分とは、軸方向に沿った断面図で見てほぼ平らな表面を有しているガイドベーンキャリアが提供される。

本発明の好適な態様によれば、ガイドベーンキャリアが、前記細長いフックの内面に対向する前記溝の下方の内面の、前記上方の遠位端部に対向する下方の遠位端部に位置する、第３の接触部分と第４の接触部分とをさらに有しており、前記第３の接触部分と前記第４の接触部分とは、ほぼ丸み付けられた表面形状を有している。

従って、ガイドベーンとガイドベーンキャリアとの間に周方向の線接触又は点接触のみを提供する新規性のある概念が発明された。

フックは、中央部分でキャリア溝よりも細く設計されていて、これにより、フックを押しつぶすことなく屈曲させることが可能になる。フックの周方向の２つの端部の内面と外面とに、キャリアとの局所的な接触を提供するためにパッドが配置されている。

外側のパッドは、軸方向で丸み付けられた表面形状であり、エンジンの中心軸線に対して同様に回転対称的である。これにより、外側のパッドとキャリア溝外面との線状の接触が提供される。

内側のパッドは、扁平でキャリア溝内面に対して接線状である。しかしながらキャリア溝内面は、軸方向で丸み付けられた形状である。これにより、軸方向の接線と周方向の接線との交点において内側のパッドとキャリアとの点接触が提供される。

本発明の態様によれば、ガイドベーンにより、接触個所で限定的な隙間でありながら、フックの周方向端部における規定された接触を維持しつつフックを中心として傾動することのできるガイドベーンが提供される。このような限定的な隙間は、周方向でのベーンの傾動を最小化するために必要である。

キャリアにおけるベーンの周方向でのロックのために、フックの中央に設けられたスロットに半径方向ピンが係合する。通常、このピンは、軸方向又は半径方向の負荷を支持するのではなく、周方向の負荷をキャリアへと伝達するだけである。

本発明の上述した対象とそれに伴う多くの利点とは、以下の詳細な説明を図面との関連で参照することにより、より分かり易く、良好に理解できるようになる。

従来技術の形式の対応するガイドベーンキャリア内へと嵌合されたガイドベーンを示した図である。 従来技術の形式の対応するガイドベーンキャリア内へと嵌合された別の形式のガイドベーンを示した図である。 従来技術の形式の対応するガイドベーンキャリア内へと嵌合された別の形式のガイドベーンを示した図である。 従来技術の形式の対応するガイドベーンキャリア内へと嵌合された別の形式のガイドベーンを示した図である。 本発明によるガイドベーンのフック要素を示す斜視図である。 本発明によるガイドベーンのフック要素を示す斜視図である。 ガイドベーンキャリア内に挿入されたガイドベーンを、ガスタービンの軸方向に対して垂直な平面に沿って示した断面図である。 ガイドベーンキャリア内に挿入されたガイドベーンを、ガスタービンの軸方向に対して垂直な平面に沿って示した断面図である。 ガイドベーンキャリア内に挿入された場合の本発明によるフック要素の詳細を示した図である。

図面の詳細な説明
図５には、本発明によるガスタービン用のガイドベーン１が示されている。ガイドベーン１は、参照符号２で示すベーンプラットフォームを有しており、このベーンプラットフォームには翼３が接続されている。ベーンプラットフォーム２は、ガスタービンの周方向Ｃに沿って延在する細長いフック４を有している。ベーンプラットフォーム２は、細長いフック４を収容するように構成された周方向溝を備えたガイドベーンキャリア（図示せず）内に収容されるようになっている。次いで、複数のガイドベーン１が、周方向Ｃに沿ってベーンキャリア溝内に順次に挿入されて、これにより半径方向Ｒに沿って複数の翼３が配置されて、ガスタービンの１つのガイドベーン段を構成している。次いで、図面において軸線Ａで示したガスタービンの軸方向に沿って複数の段が形成される。

細長いフック４はさらに、細長いフック４の外面４１のそれぞれ遠位端部４１１及び４１２に配置された第１の突出パッド４２と第２の突出パッド４３とを有している。本発明の態様によれば、突出パッド４２と４３は実質的に丸み付けられた表面形状を有している。好適な態様によれば、突出パッド４２，４３の丸み付けられた表面形状は、約４０ｍｍの曲率半径を有している。

続く図６には、細長いフック４が別の角度から示されていて、外面４１の反対側にある、同じフック４の内面４４が示されている。特に、細長いフック４は、細長いフック４の内面に位置し、ベーンキャリア溝（図示せず）に当接するように配置された第３の突出パッド４５と第４の突出パッド４６とを有している。突出パッド４５，４６は、内面４４のそれぞれ遠位端部４４１，４４２に配置されている。突出パッド４５，４６はほぼ平らな形状であって、形状的に、平行６面体と類似のものであってよい。

続く図７には、周方向Ｃに沿って延在する、ガイドベーンキャリア溝５内に挿入された細長いフック４の半径方向の一平面に沿った断面の一部が示されている。図面には、細長いフック４の外面４１が溝５の上方の内面５１に面していて、フック４の内面４４が溝５の下方の内面５６に面していることが明確に示されている。

キャリア溝５は、上方の内面５１のそれぞれ遠位端部５１１及び５１２に配置された第１の接触部分５２と第２の接触部分５３とを有している。接触部分５２，５３はそれぞれ、細長いフック４の突出パッド４２，４３に対して当接する。

同様に、キャリア溝５は、下方の内面５６のそれぞれ遠位端部５６１及び５６２に配置された第３の接触部分５４と第４の接触部分５５とを有している。キャリア溝５の接触部分５４，５５はそれぞれ、突出パッド４５，４６に当接する。

次の図８には、ガイドベーンキャリア溝５内に挿入された細長いフック４の同様の図が示されている。好適な形状によれば、突出パッド４３と４２は、それぞれ周方向Ｃに沿って長さＬにわたって延在している。この長さＬは、細長いフック４の周方向の全長Ｈの５％〜２５％のレンジ内で選択されたものである。さらに好適には、長さＬは、細長いフック４の全長Ｈの１０％〜１５％のサブレンジ内で選択される。より好適には、長さＬは、全長Ｈの１２．５％にほぼ等しい。

さらに図８を参照すると、細長いフック４は、外面４１に位置するスロット４８を有していて、このスロットは、半径方向ピン６０を収容するようになっている。次いで、半径方向ピン６０が、キャリア溝５の上方の内面に位置する対応するスロット内に挿入される。ピン６０には、キャリア溝５に沿った周方向でベーンプラットフォームが摺動するのを阻止するロック機能を有している。

最後の図９には、ガイドベーンキャリア溝５内に挿入された細長いフック４の横方向の断面図が示されている。特に、図面には、接触部分５２に当接する丸み付けられた突出パッド４２と、接触部分５４に当接する平らな突出パッド４６とが示されている。

好適には、溝５とフック４との間の直線的な周方向接触を形成するために、上方の内面５１に位置し、丸み付けられたパッド４２に接触する接触部分５２は、軸方向に沿った断面図でほぼ平らな表面を有している。特に、接触部分５２に対応する溝の曲率半径は軸方向に沿って一定である。

さらに、下方の内面５６に位置し、平らな突出パッド４６に接触する接触部分５４は、ほぼ丸み付けられた表面を有している。同じジオメトリが、突出パッド４３と４６にそれぞれ当接する接触面５３，５５に適用される（図９には図示せず）。

本発明を好適な実施例につき十分に説明したが、勿論、本発明の範囲内で変更が加えられてよく、本発明の適用はこれらの実施態様に限定されるものではなく、以下の請求項の内容によって限定されるものである。

Claims (11)

1. ガスタービン用のガイドベーン（１）であって、ベーンプラットフォーム（２）と、前記ベーンプラットフォームに接続されたベーン翼（３）とを有しており、前記ベーンプラットフォーム（２）は、前記ガスタービンの周方向で延在しかつガイドベーンキャリア溝（５）内に収容されるようになっている細長いフック（４）を有しており、前記ガイドベーン（１）はさらに、前記細長いフック（４）の外面（４１）の遠位端部（４１１，４１２）に位置しかつ前記ガイドベーンキャリア溝（５）に当接するように配置された第１の突出パッド（４２）と第２の突出パッド（４３）とを有している、前記ガイドベーン（１）において、
   前記突出パッド（４２，４３）は丸み付けられた表面形状を有していることを特徴とする、ガスタービン用のガイドベーン（１）。
2. 前記細長いフック（４）の前記外面（４１）の反対側にある前記細長いフック（４）の内面（４４）の遠位端部（４４１，４４２）に位置し、前記ガイドベーンキャリア溝（５）に当接するように配置された第３の突出パッド（４５）と第４の突出パッド（４６）とをさらに有している、請求項１記載のガイドベーン（１）。
3. 前記第３の突出パッド（４５）と、前記第４の突出パッド（４６）とはほぼ平らな表面形状を有している、請求項２記載のガイドベーン（１）。
4. 前記第１の突出パッド（４２）と前記第２の突出パッド（４３）とはそれぞれ、前記細長いフック（４）の周方向に沿って長さＬにわたって延在していて、前記長さＬは、前記細長いフック（４）の周方向の全長の５％〜２５％の範囲で選択されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガイドベーン（１）。
5. 前記長さＬは、前記細長いフック（４）の周方向の全長の１０％〜１５％の範囲で選択されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガイドベーン（１）。
6. 前記長さＬは、前記細長いフック（４）の周方向の全長の１２．５％である、請求項５項記載のガイドベーン（１）。
7. 前記細長いフック（４）は、前記外面（４１）に位置するスロット（４８）を有していて、前記スロット（４８）は、半径方向のロックピン（６０）を収容するようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガイドベーン（１）。
8. ガスタービン用のガイドベーンキャリア（１１）であって、前記ガスタービンの周方向で延在し、ガイドベーン（１）のベーンプラットフォーム（２）に設けられた対応する細長いフック（４）を収容するようになっている溝（５）を有しており、前記溝（５）は、前記細長いフック（４）の外面（４１）に対向する前記溝の上方の内面（５１）の、それぞれ上方の遠位端部（５１１，５１２）に位置する第１の接触部分（５２）と第２の接触部分（５３）とを有している、ガイドベーンキャリアにおいて、
   前記第１の接触部分（５２）と前記第２の接触部分（５３）とは、ほぼ平らな表面を有していることを特徴とする、ガスタービン用のガイドベーンキャリア（１１）。
9. 前記細長いフック（４）の内面（４４）に対向する前記溝（５）の下方の内面（５６）の、前記上方の遠位端部（５１１，５１２）に対向する下方の遠位端部（５１３，５１４）に位置する、第３の接触部分（５４）と第４の接触部分（５５）とをさらに有している、ガイドベーンキャリア（１１）であって、
   前記第３の接触部分（５４）と前記第４の接触部分（５５）とは、ほぼ丸み付けられた表面を有していることを特徴とする、請求項８記載のガイドベーンキャリア（１１）。
10. 請求項８又は９記載のガイドベーンキャリア（１１）を有していることを特徴とする、ガスタービン。
11. 請求項１から７までのいずれか１項記載のガイドベーン（１）を有していることを特徴とする、ガスタービン。