JP2017198190A - タービンエンジンシュラウド組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンは、複数の半径方向に延びる翼形部を有し、翼形部が先端で終端する、ロータ。【解決手段】翼形部７０を囲み、先端の各々に取り付けられたシュラウド要素を含み、第１及び第２の相互連結要素を備えた反対側の半径方向側面を有する、シュラウド組立体と、を備える。シュラウド要素の一方の前記第１の相互連結要素は、円周方向に隣接した前記シュラウド要素の他方の第２の相互連結要素にかみ合い、前記翼形部７０の円周方向の周りの隣接する前記シュラウド要素の間に複数の相互連結部を形成するようになっている。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には翼形部のためのシュラウド組立体に関する。

タービンエンジン、特にガス又は燃焼タービンエンジンは、エンジンを通って、多数の回転タービンブレードに入る加圧燃焼ガスの流れからエネルギーを取り出す回転エンジンである。

回転タービンブレードは、相互連結されてタービンに対する円周方向ケーシングを形成するシュラウドで支持することができる。Ｚ形の相互連結部は、シュラウド付きブレード組立体のための一般的な形態選択であり、製造及び組み立て時にプレツイストを必要とする。プレツイストを排除しながら相互連結構成を維持することは、シュラウド組立体の製造において有用であろう。

米国特許第８１９２１６６号明細書

１つの態様において、実施形態はタービンエンジンに関し、このタービンエンジンは、その周りで円周方向に離間した複数の半径方向に延びる翼形部を有し、翼形部が先端で終端するロータと；翼形部を囲み、先端の各々に取り付けられたシュラウド要素を含み、第１及び第２の相互連結要素を備えた反対側の半径方向側面を有するシュラウド組立体と；備え、シュラウド要素の一方の第１の相互連結要素は、円周方向に隣接したシュラウド要素の他方の第２の相互連結要素にかみ合い、翼形部の円周方向の周りの隣接するシュラウド要素の間に複数の相互連結部を形成する。

他の態様において、実施形態は、タービンエンジン用の相互連結シュラウド組立体に関し、相互連結シュラウド組立体は、複数の半径方向に延び、円周方向に離間し、シュラウド要素で終端する翼形部を備え、第１及び第２の相互連結要素を備えた反対側の半径方向側面を有し、相互連結して周方向に隣接する各翼形部の間に相互連結部を形成する。

さらに他の態様であって、実施形態はタービンエンジンの複数の回転ブレードの周りにシュラウドを形成する方法は、円周方向に隣接するブレードの各先端の間に相互連結部を形成すること、及び相互連結に予荷重を加えることを含む。

航空機用のタービンエンジンの概略断面図。 組み立てられた複数の翼形部の図。 シュラウド要素の斜視図。 シュラウド要素の他の斜視図。 シュラウド組立体の図。 図５のシュラウド組立体の斜視図。 図５のシュラウド組立体の断面図。 図５のシュラウド組立体の第２の実施形態の断面図．

本発明の説明される実施形態は、翼形部のためのシュラウド組立体に関する。例証目的のために、本発明は、航空機用ガスタービンエンジンに関して説明される。しかしながら、本発明は、そのように限定されず、圧縮機を含むエンジン内に、並びに他の移動体用途及び産業、商業、住宅の非移動体用途などの非航空機用途において一般的な適用可能性を有し得ることが理解されるであろう。

本明細書で使用される場合、用語「前方」又は「上流側」は、エンジン入口に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジン入口により近接していることを意味する。

加えて、本明細書で使用される用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、エンジンの中心長手方向軸線とエンジン外周との間に延びる寸法を意味する。

全ての方向性の言及（例えば、半径方向、軸方向、近位、遠位、上側、下側、上向き、下向き、左、右、横、前、後、上部、底部、上方、下方、垂直、水平、時計回り、反時計回り、上流側、下流側、後方、その他）は、読み手の本発明の理解を助けるために識別の目的で使用しているに過ぎず、特に位置、向き、又は本発明の用途に関して限定するものではない。接続に関する言及（例えば、取り付け、結合、接続、及び接合）は、広義に解釈すべきであり、別途指示されていない限り、一群の要素間の中間部材及び要素間の相対移動を含むことができる。従って、接続に関する言及は、必ずしも２つの要素が互いに固定関係で直接接続されることを示唆するものではない。例示的な図面は、単に例証の目的のものであり、本明細書に添付される図面中に示されている寸法、位置、順序及び相対サイズは変えることができる。

図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は一般に、前方１４から後方１６へ延びる、長手方向に延びた軸線又は中心線１２を有する。エンジン１０は、下流に向かって直列流関係で、ファン２０を含むファンセクション１８と、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２と、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８と、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２と、排出セクション３８とを含む。

ファンセクション１８は、ファン２０を囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りに半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、エンジン１０のコア４４を形成し、燃焼ガスを発生する。コア４４は、コアケーシング４６によって囲まれ、これはファンケーシング４０と連結することができる。

エンジン１０の中心線１２の周りに同軸で配置されたＨＰシャフト又はスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動接続する。ＬＰシャフト又はスプール５０は、直径がより大きい環状ＨＰスプール４８内でエンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置され、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動接続する。

ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６はそれぞれ複数の圧縮機段５２、５４を含み、圧縮機ブレード５６、５８のセットが対応する固定圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、段を通過する流体のストリームを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段５２、５４内に複数の圧縮機ブレード５６、５８をリング状に設けることができ、これらは中心線１２に対して半径方向外向きにブレードプラットフォームからブレード先端まで延びることができ、一方、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２は、回転ブレード５６、５８の上流に隣接して配置することができる。図１に示すブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は、単に例証の目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。

圧縮機段のためのブレード５６、５８は、対応するＨＰ及びＬＰスプール４８、５０の一方に取り付けられたディスク５９、６１に取り付けることができ、各段が各自のディスク５９、６１を有する。圧縮機段のためのベーン６０、６２は、コアケーシング４６に円周方向配置で取り付けることができる。

ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６は、それぞれ複数のタービン段６４、６６を含み、タービンブレード６８、７０のセットが対応する固定タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、段を通過する流体のストリームからエネルギーを抽出する。単一のタービン段６４、６６内に複数のタービンベーン７２、７４をリング状に設けることができ、これらは中心線１２に対して半径方向外向きに延びることができ、一方、対応する回転ブレード６８、７０は、固定タービンベーン７２、７４の下流に隣接して配置することができ、これもまた中心線１２に対して半径方向外向きにブレードプラットフォームからブレード先端まで延びることができる。図１に示すブレード、ベーン、及びタービン段の数は、単に例証の目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。

タービン段のためのブレード６８、７０は、対応するＨＰ及びＬＰスプール４８、５０の一方に取り付けられたディスク７１、７３に取り付けることができ、各段が各自のディスク７１、７３を有する。タービン段のためのベーン７２、７４は、コアケーシング４６に円周方向配置で取り付けることができる。

スプール４８、５０のいずれか又は両方に取り付けられ、これと共に回転するエンジン１０の部分は、個別に又は集合的にロータ５３とも呼ばれる。コアケーシング４６に取り付けられた部分を含むエンジン１０の固定部分もまた、個別に又は集合的にステータ６３と呼ばれる。

動作時、ファンセクション１８を出た空気流は、分流されて、空気流の一部がＬＰ圧縮機２４に送られるようになっており、次にＬＰ圧縮機２４は加圧周囲空気７６をＨＰ圧縮機２６に供給し、ＨＰ圧縮機２６はさらに周囲空気を圧縮する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧された周囲空気７６は、燃焼器３０内で燃料と混合されて点火され、それにより燃焼ガスが発生する。ＨＰタービン３４によってこれらのガスから一部の仕事が抽出され、これがＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスはＬＰタービン３６に排出され、ＬＰタービン３６は、更なる仕事を抽出してＬＰ圧縮機２４を駆動し、排出ガスは最終的に排出セクション３８を介してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６を駆動することでＬＰスプール５０が駆動されて、ファン２０及びＬＰ圧縮機２４が回転する。

残りの部分の空気流７８は、ＬＰ圧縮機２４及びエンジンコア４４をバイパスして、固定ベーン列、より具体的には、ファン排出側８４において、複数の翼形部ガイドベーン８２を含む出口ベーン組立体８０を通って、エンジン組立体１０を出る。より詳細には、半径方向に延びた翼形部ガイドベーン８２の円周方向列がファンセクション１８に隣接して用いられ、空気流７８に何らかの方向制御を与える。

ファン２０によって供給される空気流の一部はエンジンコア４４をバイパスすることができ、エンジン１０の部分、特に高温部分を冷却するために用いられ、及び／又は航空機の他の態様を冷却するか又は動力を与えるために用いられる。タービンエンジンとの関連において、エンジンの高温部分は、通常、燃焼器３０及び燃焼器３０の下流の構成要素、特にタービンセクション３２であり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直下流にあるので最も高温の部分である。他の冷却流体源は、限定されないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から排出される流体である場合がある。この流体は、ブリード空気７７とすることでき、これはタービンセクション３２の冷却源として燃焼器３０をバイパスする、ＬＰ又はＨＰ圧縮機２４、２６から引き出された空気を含むことができる。これは一般的なエンジン構成であり、限定を意味するものではない。

図２は、半径方向に延び、円周方向に離間した翼形部又はブレード７０を示し、各ブレード７０は、根元８８から延びて先端（図３）で終端し、該先端は、円周方向の列に配列され、アーチ形内側バンド９６及びアーチ形外側バンド９８で支持される。アーチ形外側バンド９８は、独立した別個のシュラウド要素１０２で構成されたシュラウド組立体１００を備え、各シュラウド要素１０２は反対側の半径方向側面１０７、１０９を有し、協働して各ブレード７０を囲む。

図３及び４に示すように、各シュラウド要素１０２は、先端９０においてブレード７０と一体形成されかつフランジ１０４を備える。図３に示すように、フランジ１０４は、第１及び第２の半径方向縁部１０６、１０８、及び半径方向縁部１０６を超えて円周方向に突出する座部１１０を含む。図４に示すように、座部１１０は、第１の半径方向縁部１０６及び該半径方向縁部１０６の円周方向外寄りのフランジ１０４自体の部分１１２によって形成される。

図５は、翼形部組立体１１４を示し、シュラウド要素１０２はブレード７０と一体成形され、ブレードは、ダブテール１１６で終端する。ダブテール１１６は、ロータ５３に取り付けるように形成される。組み立て時、ブレード７０は撓んで（１１８）相互連結部に予荷重を与える。ブレード７０は、翼形部組立体１１４の中立軸１２２に対して大部分が平行な位置１２０から相互連結した場合の湾曲位置１２４まで、実線１１８で示すように撓むことができる。また、ブレード７０は、大部分が湾曲した初期位置１２６から相互連結した場合の平行位置１２８まで撓むことができる。

ブレード７０の初期位置又は最終位置に無関係に、最終位置１２４、１２８では第２の半径方向縁部１０８は外向きに付勢されかつ座部は内向きに付勢されることになる。この付勢力はダブテール１１６からの圧縮力Ｆｃによってもたらされ、この付勢力は、第２の半径方向縁部１０８での上向き力Ｆ２及び座部１１０からの下向き力Ｆ１になる。

図６に示すように、円周方向に隣接する各シュラウド要素１０２は共に相互連結して隣接する各シュラウド要素１０２の間の複数の相互連結部１３０を形成し、シュラウド組立体１００を形成するようになっている。図７は、図６のシュラウド組立体１００の例示的な実施形態の断面図を示し、第１の相互連結要素１３４を有する第１のフランジ１３２は、第２の相互連結要素１３８を有する第２のフランジ１３６とかみ合い、第１のフランジ１３２は、第２のフランジ１３６と重なり合って当接する。

シュラウド組立体１００の組み立て時、第２のフランジ１３６の第２の半径方向縁部１０８は、力Ｆ₁及びＦ₂により第１のフランジ１３２に向かって付勢されることになる。この付勢力は、第１及び第２の相互連結要素の各表面の間に摩擦力を形成して、各シュラウド要素１０２を隣の半径方向に隣接するシュラウド要素１０２に接合するのを可能にする。

図８は、シュラウド組立体の第２の実施形態を示す。第２の実施形態は第１の実施形態と類似しており、同じ要素はそれぞれ１００だけ増やした数表示で特定するものとし、特段の断りにない限り、第１の実施形態の同じ要素の説明は、追加の実施形態に適用されることを理解されたい。

第２の実施形態において、第１のフランジ２３２の上に形成された第１の相互連結要素２３４は、第２のフランジ２３６の上に形成された傾斜した第２の相互連結要素２３８を受け取るように形成された傾斜座部２１０を含む。従って、各シュラウド要素２０２のフランジ２０４は、傾斜座部２１０及び該傾斜座部２１０に適合するように形成された傾斜部２４０を含む。頂点２４６を形成する２つの斜面２４２、２４４である限り、傾斜座部２１０及び傾斜部２４０は、第１の相互連結要素２３４が第２の相互連結要素２３８を受け取るように形成された任意の形状とすることができる。

タービンエンジンの複数の回転ブレードの周りに、ブレードと一体形成されたシュラウド要素を備えるシュラウド組立体を形成する方法は、円周方向に隣接したブレードの各先端の間に相互連結部を形成すること、及び相互連結部に予荷重をかけることを含む。相互連結部に予荷重を加えることは、相互連結要素が他の相互連結要素に向かって付勢されることである。

本明細書に記載の実施形態は、製造、性能、及び減衰能力に関する利点を有する。従来のシュラウドブレード組立体はＺ形相互連結部を含む。翼形部及びシュラウドの半径方向曲げを実施することで、各相互連結要素の接触が確実になり、プレツイストを必要とするＺ形シュラウド設計で用いられる典型的なねじり曲げを伴うことなく運転状態での外側バンドの予荷重がもたらされる。また、このタイプの曲げは、遠心力に対するブレードのバランス調整だけを必要とし、相互連結要素の各表面の間の接触面積の増加に起因するブレードの共鳴振動の減衰を改善する。また、接触面積の増加は、外側流路漏洩の低減を可能にする。デザイン形状の単純化及びプレツイストの必要性の排除により製造が容易になる。

開示された設計の用途は、ファン及びブースタセクションを有するタービンエンジンに限定されず、ターボジェット及びターボエンジンにも同様に適用可能であることを認識されたい。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作し且つ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ エンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ ＬＰ圧縮機
２６ ＨＰ圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
３８ 排出セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ ＨＰスプール
５０ ＬＰスプール
５２ ＨＰ圧縮機段
５３ ロータ
５４ ＨＰ圧縮機段
５６ ＬＰ圧縮機ブレード
５８ ＨＰ圧縮機ブレード
５９ ディスク
６０ ＬＰ圧縮機ベーン
６１ ディスク
６２ ＨＰ圧縮機ベーン
６３ ステータ
６４ ＨＰタービン段
６６ ＬＰタービン段
６８ ＨＰタービンブレード
７０ ＬＰタービンブレード
７１ ディスク
７２ ＨＰタービンベーン
７３ ディスク
７４ ＬＰタービンベーン
７６ 加圧周囲空気
７７ ブリード空気
７８ 空気流
８０ 出口ガイドベーン組立体
８２ 翼形部ガイドベーン
８４ ファン排出側
８８ 根元
９０ 先端
９６ 内側バンド
９８ 外側バンド
１００ シュラウド組立体
１０２ シュラウド要素
１０４ フランジ
１０６ 第１の半径方向縁部
１０７ 半径方向側面
１０８ 第２の半径方向縁部
１０９ 半径方向側面
１１０ 座部
１１２ 部分
１１４ 翼形部組立体
１１６ ダブテール
１１８ 撓み
１２０ 初期平行位置
１２２ 中立軸
１２４ 最終湾曲位置
１２６ 初期湾曲位置
１２８ 最終平行位置
１３０ 相互連結部
１３２ 第１のフランジ
１３４ 第１の相互連結要素
１３６ 第２のフランジ
１３８ 第２の相互連結要素
２００ シュラウド組立体
２０２ シュラウド要素
２０４ フランジ
２０６ 第１の半径方向縁部
２０８ 第２の半径方向縁部
２１０ 座部
２１２ 部分
２１４ 翼形部組立体
２１６ ダブテール
２１８ 撓み
２２０ 初期平行位置
２２２ 中立軸
２２４ 採取湾曲位置
２２６ 初期湾曲位置
２２８ 最終平行位置
２３０ 相互連結
２３２ 第１のフランジ
２３４ 第１の相互連結要素
２３６ 第２のフランジ
２３８ 第２の相互連結要素

Claims (10)

1. ロータ（５３）であって、前記ロータ（５３）はその周りで円周方向に離間した複数の半径方向に延びる翼形部（７０）を有し、前記翼形部（７０）が先端（９０）で終端する、ロータ（５３）と、
   前記翼形部（７０）を囲み、前記先端（９０）の各々に取り付けられたシュラウド要素（１０２、２０２）を含み、第１及び第２の相互連結要素（１３４、１３８、２３４、２３８）を備えた反対側の半径方向側面（１０６、１０８、２０６、２０８）を有する、シュラウド組立体（１００、２００）と、
   を備えたタービンエンジン（１０）であって、
   前記シュラウド要素（１０２、２０２）の一方の前記第１の相互連結要素（１３４、２３４）は、円周方向に隣接した前記シュラウド要素（１０２、２０２）の他方の第２の相互連結要素（１３８、２３８）にかみ合い、前記翼形部（７０）の円周方向の周りの隣接する前記シュラウド要素（１０２、２０２）の間に複数の相互連結部（１３０、２３０）を形成するようになっている、タービンエンジン（１０）。
2. 前記シュラウド要素（１０２、２０２）は、前記翼形部（７０）と一体成形される、請求項１に記載のタービンエンジン（１０）。
3. 前記翼形部（７０）はブレード（７０）である、請求項２に記載のタービンエンジン（１０）。
4. 前記ブレード（７０）は、前記先端（９０）の反対側のダブテール（１１６、２１６）で終端し、前記ダブテールは、前記ロータ（５３）に取り付けられる、請求項３に記載のタービンエンジン（１０）。
5. 前記第１の相互連結部（１３４、２３４）は第１のフランジ（１３２、２３２）を備え、前記第２の相互連結部（１３８、２３８）は第２のフランジ（１３６、２３６）を備え、前記第１のフランジ（１３２、２３２）は、前記第２のフランジ（１３６、２３６）に積み重ねられて当接する、請求項１に記載のタービンエンジン（１０）。
6. 前記第１の相互連結部（１３４、２３４）は、前記第１のフランジ（１３２、２３２）から円周方向に離間した座部（１１０、２１０）と、前記座部（１１０、２１０）内に位置する第２のフランジ（１３６、２３６）とをさらに備える、請求項５に記載のタービンエンジン（１０）。
7. 前記座部は、第１の半径方向縁部（１０６、２０６）及び第１のフランジ（１３２、２３２）で形成される、請求項６に記載のタービンエンジン（１０）。
8. 前記第１のフランジ（１３２、２３２）は前記第１の半径方向縁部（１０６、２０６）を超えて円周方向に突出しかつ前記第１の半径方向縁部（１０６、２０６）の円周方向外寄りにある、請求項７に記載のタービンエンジン（１０）。
9. 前記第２のフランジ（１３６、２３６）は、隣接するシュラウド要素（１０２、２０２）の第２の半径方向縁部（１０８、２０８）である、請求項８に記載のタービンエンジン（１０）。
10. 前記翼形部は、隣接する翼形部（７０）と相互連結した場合に該翼形部（７０）が撓んで、前記相互連結部に対して予荷重を与えて、前記第２の半径方向縁部が前記第１のフランジに向かって付勢されるようにするような大きさである、請求項９に記載のタービンエンジン（１０）。