JP2022531385A - スペーサに取り付けられたタービンリングアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、軸線（ＸＸ）周りに延在するタービンリングアセンブリ（２）であって、タービンリング（４）を形成するセラミックマトリックス複合材料製の複数のリングセクタ（１０）と、タービンケーシング（３２）によって保持されたリング支持構造体（６）とを備え、各リングセクタ（１０）は、互いに軸線方向に離間した上流ラグ（１６）および下流ラグ（１８）が軸線方向外向きに延在する基部（１２）を備え、リング支持構造体（６）は、リングセクタ（１０）の下流ラグ（１８）が保持されるクランプ（２０ａ）を有するスペーサ（２０）と、リングセクタの上流ラグが保持される第１の上流フランジ（２２）と、第１の上流フランジ（２２）の上流において、第１の上流フランジ（２２）が保持される力を吸収する第２の上流フランジ（２４）と、を備える、タービンリングアセンブリ（２）に関する。

Description

本発明は、ターボ機械用のタービンリングアセンブリに関し、該アセンブリは複数の角度リングセクタを備え、これら角度リングセクタは、セラミックマトリクス複合材料製のタービンリングを形成するように端部から端部に配置される。

本発明の適用分野の１つは、特に航空用ガスタービンエンジンのものである。

先行技術
セラミックマトリックス複合材料、すなわちＣＭＣは、高温でそれらの機械的特性を保持することが知られており、それにより、それらは高温構造物の要素を構成することができる。

航空用ガスタービンエンジンでは、効率の向上と一部の汚染物質排出量の削減により、より高温での運転が求められている。完全に金属製のタービンリングアセンブリの場合、アセンブリの全ての要素、特に、典型的には金属材料が許容する温度よりも高い、非常に高温の流れにさらされるタービンリングを冷却する必要がある。この冷却は、使用される冷却流がエンジンの主流から取り出されるので、エンジンの性能に大きな影響を及ぼす。さらに、タービンリングに金属を使用することは、タービンでの温度を上昇させる可能性を制限するが、しかしながら、このことは航空エンジンの性能を向上させることを可能にするであろう。

さらに、金属タービンリングアセンブリは熱流の影響を受けて変形し、これは流路でのクリアランス、結果的にタービンの性能を変化させる。

これが、エンジンの異なる高温部分にＣＭＣを使用することが既に想定されている理由であり、特に、ＣＭＣは、伝統的に使用されている耐火金属の密度よりも低い密度という相補的な利点を有する。

したがって、ＣＭＣからの単一部品でのタービンリングセクタの製造は、特に文献米国特許出願公開第２０１２／００２７５７２号明細書に記載されている。リングセクタは、その内面がタービンリングの内面を画定する環状の基部と、金属リング支持構造体の２つのクランプ間に端部が半径方向に延在する２つのラグをそこから保持する外面とを含む。

したがって、ＣＭＣリングセクタを使用することにより、タービンリングを冷却するために必要な換気を大幅に削減することができる。しかしながら、ＣＭＣは金属材料とは異なる機械的挙動を有し、その統合、ならびにタービン内での位置決め方法再考されなければならなかった。実際、ＣＭＣは焼きばめ（通常金属リングに使用される）には耐えられず、その熱膨張は金属材料よりも低い。

さらに、ＣＭＣリングセクタの使用は、タービンケーシング上でのその統合に必要な部品の数を増加させ、それは、アセンブリのコストと重量を増加させ、複雑な取り付け操作（スリーブの焼きばめ、ブッシングの取り付けなど）を必要とする。

米国特許出願公開第２０１２／００２７５７２号明細書

発明の開示
したがって、本発明は、上述の欠点を有さないタービンリングアセンブリを提案することを目的とする。

この目的は、軸線の周りに延在するタービンリングアセンブリであって、タービンリングを形成するセラミックマトリックス複合材料製のリングセクタと、タービンケーシングによって保持されるリング支持構造体とを備え、各リングセクタは、互いに軸線方向に離間された上流ラグと下流ラグとが互いに半径方向外側に延在する基部を備え、リング支持構造体は、リングセクタの下流ラグが保持されるクランプを有するスペーサと、リングセクタの上流ラグが保持される第１の上流フランジと、第１の上流フランジの上流において、第１の上流フランジが保持される力を吸収するための第２の上流フランジと、を備える、タービンリングアセンブリによって達成される。

本発明によるタービンリングアセンブリは、特に、リング支持ケーシングに頼ることなく、リング支持構造体によってＣＭＣリングがタービンケーシング上に直接保持される点で顕著である。特に、従来技術と比較して、本発明によるアセンブリは、リング支持ケーシングをなくし、このケーシング上でリング支持構造体を保持することを可能にするラジアルスラッグをなくす。

さらに、リング支持構造体は、互いに分離かつ独立した幾つかの部品で作られており、これにより、角度セクタ当たりのこの構造体の取り付けが可能になり、クラウンの取り付けができなくなる。タービンリングアセンブリの取り付けは簡素化されており、工具を必要としない。さらに、製造公差はそれほど厳しくなく、スペーサは、３６０°フランジでは不可能なリングセクタ間のギャップを補償することを可能にする。また、ラジアルスラッグをなくすことで、リング支持構造体の部品を加工する作業を軽減する。これは、部品の節約をもたらし、従って、アセンブリの重量およびコストの低減をもたらす。

有利には、リング支持構造体は、リングセクタの基部の外面上に冷却空気を拡散させることを意図した空気ディフューザを更に備える。この場合、リング支持構造体のディフューザは、スペーサと第１上流フランジとの間に保持されるクランプを備えてもよい。

リング支持構造体は、第１上流フランジ、第２上流フランジおよび空気ディフューザのクランプを一緒に締結するために、スペーサにねじ込まれ、上流から下流に渡る複数の締結手段をさらに備えることが好ましい。

また、有利には、アセンブリは、リングセクタの上流ラグに対してリング支持構造体の第１の上流フランジを保持するように意図された上流軸線方向スラッグをさらに備える。同様に、アセンブリは、好ましくは、リングセクタの下流ラグに対してリング支持構造体のスペーサのクランプを保持するように意図された、下流軸線方向スラッグをさらに備える。

リング支持構造体のスペーサは、前記リング支持構造体をタービンケーシングに取り付けるための上流フックを備えてもよい。同様に、リング支持構造体の第１上流フランジは、前記リング支持構造体をタービンケーシングに取り付けるためのフックを備えてもよい。

さらに、リング支持構造体のスペーサは、タービンアセンブリの下流に配置された低圧タービンノズルを保持するための下流フックをさらに備えてもよい。

本発明はまた、上記で定義したアセンブリを備えるターボ機械に関する。

本発明によるタービンリングアセンブリの縦断面図である。 図２は、図１のタービンアセンブリの概略および斜視図を表す。

実施形態の説明
図１は、本発明によるタービンリングアセンブリ２を縦断面で示す。

このアセンブリ２は、特に、縦軸線ＸＸを中心とするセラミックマトリックス複合材料からなるタービンリング４と、金属リング支持構造体６とを備える。タービンリング４は、一組のタービンブレード８を取り囲んでいる。

さらに、タービンリング４は、端部同士を円周方向に配置してリングを形成した複数の角度リングセクタ１０から形成されている。図１において、矢印ＤAはタービンリングの軸線方向を示し、矢印ＤRはタービンリングの半径方向を示す。

各角度リングセクタ１０は、内面１２ａが設けられた基部１２を有する、実質的に逆Ｐｉ（またはπ）字形の断面を有し、内面１２ａは、タービンリングの内面の角度のある部分を画定し、通常は摩耗性被覆層１４が設けられ、当該被覆層はまた熱的および環境的障壁としても作用する。

２つのラグ－すなわち、上流ラグ１６および下流ラグ１８－は、内面１２ａに対向する基部１２の外面１２ｂから半径方向に延びている。これらラグ１６、１８は、リングセクタ１０の全幅（周方向）にわたって延びている。

本発明によれば、リング支持構造体６は、互いに分離した（すなわち、独立した）複数の部品を組み立てることによって製造される。

より具体的に図２に表わすように、これらの部品は、特にスペーサ２０、第１上流フランジ２２、力を吸収するための第２上流フランジ２４、および空気ディフューザ２６を含む。

スペーサ２０は、リングセクタ１０の下流ラグ１８がリングの縦軸線ＸＸの周りに均等に分散された複数の下流軸線方向スラッグ２８によって保持されるクランプ２０ａを備える。

また、スペーサ２０は、タービンケーシング３２の下流フック３０に係合することを意図した上流フック２０ｂを備え、この上流フック２０ｂは、タービンケーシングにリング支持構造体を直接取り付けることを可能にする。

スペーサ２０はまた、下流フック２０ｃを備え、この下流フック２０ｃは、それを保持するためにタービンリングアセンブリ２の下流に位置する低圧タービンノズル３４の対応するフック（図には示されていない）と係合することを意図するものである。

スペーサ２０は、回転の一部（すなわち、３６０°の部分）とすることができ、または端から端まで配置された複数のスペーサセクタのアセンブリによって生成することができることに留意されたい。

リングセクタ１０の上流ラグ１６は、第１上流フランジ２２に対して保持される。

また、第１上流フランジ２２は、タービンケーシング３２の上流フック３６に係合することを意図したフック２２ａを備え、このフック２２ａは、タービンケーシングにリング支持構造体を直接取り付けることを可能にする。

第１の上流フランジ２２は、回転の一部（すなわち、３６０°）とすることができ、または、それぞれ１８０°の２つの半フランジのアセンブリによって生成されることができる。

第１の上流フランジ２２は、力を吸収するために、第２の上流フランジ２４に対して上流に保持される。後者は、タービンリングアセンブリの上流に配置された高圧タービンノズル３８の力を吸収することを目的としている。

この前部フランジ２４は、回転部分（すなわち３６０°）とすることができ、または扇形部分とすることができる。

最後に、ディフューザ２６はリングセクタの基部１２の外面１２ｂに冷却空気を拡散させるものである。この目的のために、それは、リングセクタの基部１２の周囲に配置された空洞２６ａであって、ターボ機械のコンプレッサのステージから取り出され、その壁の多重穿孔によってリングセクタの基部の外面に向かって開口する冷却空気を供給される空洞２６ａを備える（図には示されていない）。

また、空気ディフューザ２６は、リングセクタ１０の上流ラグ１６に対して軸線方向アバットメントに直接入るクランプ２６ｂを備えている。

リング支持構造体６は、複数の締結手段４０（例えば、ボルト締結）をさらに備え、これら締結手段４０はスペーサ２０にねじ込まれ、上流から下流に交差して第１上流フランジ２２、力を吸収するための第２上流フランジ２４およびディフューザ２６のクランプ２６ｂを一緒に締結する。

タービンリングアセンブリ２は、リング支持構造体の第１上流フランジ２２をリングセクタ１０の上流ラグ１６に対して保持することを意図した上流軸線方向スラッグ４２をさらに備える。これらの上流スラッグ４２は、リングの縦軸線ＸＸの周りに均等に分配されている。

このようにして、リングセクタ１０の上流および下流ラグ１６、１８は、第１上流フランジ２２とリング支持構造体６のスペーサ２０のクランプ２０ａとの間に保持される。

タービンブレード８頂部のクリアランスの制御は、タービンケーシング３２の厚さを調整することによって、または後者に制御ボス（図には表されていない）を設けることによって達成することができることに留意されたい。

Claims (10)

1. 軸線（ＸＸ）周りに延在するタービンリングアセンブリ（２）であって、タービンリング（４）を形成するセラミックマトリックス複合材料製の複数のリングセクタ（１０）と、タービンケーシング（３２）によって保持されたリング支持構造体（６）とを備え、各リングセクタ（１０）は、互いに軸線方向に離間した上流ラグ（１６）および下流ラグ（１８）が軸線方向外向きに延在する基部（１２）を備え、リング支持構造体（６）は、リングセクタ（１０）の下流ラグ（１８）が保持されるクランプ（２０ａ）を有するスペーサ（２０）と、リングセクタの上流ラグが保持される第１の上流フランジ（２２）と、第１の上流フランジ（２２）の上流において、第１の上流フランジ（２２）が保持される力を吸収する第２の上流フランジ（２４）と、を備える、タービンリングアセンブリ（２）。
2. リング支持構造体（６）が、リングセクタ（１０）の基部（１２）の外面（１２ｂ）上に冷却空気を拡散させることを意図した空気ディフューザ（２６）を更に備える、請求項１に記載のアセンブリ。
3. リング支持構造体（６）の散気装置（２６）が、スペーサ（２０）と第１上流フランジ（２２）との間に保持されたクランプ（２６ｂ）を備える、請求項２に記載のアセンブリ。
4. リング支持構造体（６）が、第１上流フランジ（２２）、第２上流フランジ（２４）および空気ディフューザ（２６）のクランプ（２６ｂ）を一緒に締結するために、スペーサ（２０）に螺合され、上流から下流に交差する複数の締結手段（４０）を更に備える、請求項３に記載のアセンブリ。
5. リング支持構造体の第１上流フランジ（２２）をリングセクタ（１０）の上流ラグ（１６）に対して保持することを意図した上流軸線方向スラッグ（４２）を更に備える、請求項１～４のいずれか１項に記載のアセンブリ。
6. リング支持構造体（６）のスペーサ（２０）のクランプ（２０ａ）をリングセクタ（１０）の下流ラグ（１８）に対して保持することを意図した下流の軸線方向スラッグ（２８）を更に備える、請求項１～５のいずれか１項に記載のアセンブリ。
7. リング支持構造体（６）のスペーサ（２０）が、前記リング支持構造体（６）をタービンケーシング（３２）に取り付けるための上流フック（２０ｂ）を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のアセンブリ。
8. リング支持構造体（６）の第１上流フランジ（２２）が、前記リング支持構造体（６）をタービンケーシング（３２）に取り付けるためのフック（２２ａ）を備える、請求項１～７のいずれか１項に記載のアセンブリ。
9. リング支持構造体（６）のスペーサ（２０）が、タービンアセンブリの下流に配置された低圧タービンノズル（３４）を保持するための下流フック（２０ｃ）をさらに備える、請求項１～７のいずれか１項に記載のアセンブリ。
10. 請求項１～９のいずれか１項に記載のアセンブリ（２）を備えるターボ機械。

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