JP3631491B2 - タービンシュラウドセグメント - Google Patents

Description

技術分野
本発明はガスタービンエンジンに関し、より詳しくはガスタービンエンジンに用いるシュラウドセグメントに関する。
発明の背景
従来の軸流ガスタービンエンジンは、列となったタービンブレードを備えており、この集合体は高温ガス、つまり燃焼部から流出する作動流体の流路を通して延びている。流路を流れる作動流体と互いに作用する結果、ブレードの列は、ガスタービンエンジンの長手方向の軸を中心として回転する。タービンを効率的に作動させるには、タービンブレードを迂回する作動流体の量を最小にし、作動流体がタービンを貫いて流れるようにすることが必要である。これを実現する方法の一つは、環状のシュラウドをタービンブレードの集合体を取り囲むようにタービンブレードの先端に近接させて複数配置することである。最新のガスタービンエンジンは、一般に、多数のセグメントからなるシュラウドを使用しており、これらセグメントは円周方向に整列して環状のシュラウドを形成している。
各シュラウドセグメントは、タービン部の支持構造に対してセグメントを保持する手段を有する支持体と、ブレードの先端に面して作動流体に晒される流路面とを備えている。流路面とブレード先端との隙間を最小にするため、流れ面は摩耗性被覆を備えていても良い。上記摩耗性被覆は、ブレードの先端がセグメントに接触しても、ブレードを作動中に破損させないようにしている。その結果、上記ブレードと上記セグメントとは、効率を事実上低下させることなく、作動中の熱膨張を許容するようになっている。
シュラウドセグメントは作動流体の高温ガスと接触するので、シュラウドセグメントを許容温度限界内に維持する手段が要求される。セグメントを冷却する手段の一つは、圧縮流体の一部をセグメントに直接流すことである。この冷却流体は、シュラウドセグメントの径方向外側の表面に衝突して、セグメントの熱をある程度取り除くようになっている。セグメントの温度を低下させるための他の技術は、摩耗性な層をセラミックス材で形成することである。セラミックス摩耗性被覆は、高温の作動流体と基体との間で熱を遮断する。さらには、上記摩耗性層をフィルム冷却する技術がある。
一般に、保持手段はフック型の構造で、セグメントの上流側と下流側の端縁に配置される複数のフックまたは周方向に延びるレールである。保持手段は支持構造と係合してセグメントを径方向に保持する。また、支持構造はピンを備えていても良く、このピンをセグメントの切り抜きに係合させてセグメントを横方向に位置決めしていても良い。
シール機構は、冷却流体がセグメントを迂回するのを防止するとともに、冷却流体が隣接するセグメントの間またはセグメントと支持構造との間に流入するのを防止するために使用される。従来のセグメント用のシール機構は、フェザーシール（feather seais）と″Ｗ″シールである。フェザーシールは隣接するセグメントの間を横に延びて、この隙間をシールする。複数の″Ｗ″シールは上記複数のセグメントと支持構造の間に配置されて、この間をシールする。この″Ｗ″シールは、通常、″Ｗ″シールを互いに連結するための横に延びるシール面を、セグメントに設けることが必要とされる。この軸方向の端縁に沿ったシール面の存在のために、フックとレールが基体からさらに外側に拡がって大きな側面形状を呈することになる。
シュラウドセグメントは、極限の温度に晒され、かつ回転するブレードと接触して摩耗するため、頻繁に取り換えられる。冷却流体に晒されるセグメントの径方向外側の表面と、作動流体に晒される流路面との間には大きな温度勾配が存在することになる。それに起因する温度勾配と熱膨張は、セグメントの変形を引き起こす。この変形はセグメントとブレードとが接触して破壊されることを増加させてしまう。しかし、セグメントに米国特許第5,071,313号に示すような延びたレールを備えて剛性を付与すると、別の問題が生じる。離間したフックを使用した場合であっても、延長レールよりも本質的に柔構造とすることができるが、″Ｗ″シールにより大きな側面形状のフックを使用することになると、セグメントは十分に柔構造とできなくなってしまう。この場合には、セグメントが熱変形に適応するのに十分なだけの変形を許容されなくなる結果、基体とセラミックス摩耗性層における圧縮応力が増大することになる。このことは、基体，摩耗性層またはその双方に亀裂をもたらすことになる。この他、セグメントの大きさと重量にも配慮する必要がある。
一つの可能な解決方法は、上記″Ｗ″シールを取り除き、欧州特許出願EP−Ａ−Ｏ第462735号に示すような短い個々のフックを保持手段として用いることである。このことは、シール性を劣化させ、圧縮機から冷却流体を余分に抽気してやる必要が生じる。他の解決方法は、支持構造にぴったり適合する連続的なレールを用いて、必要なシール性を提供することである。しかし、この形状は上記セグメントの熱膨張を調節できず、セグメントや支持構造を損傷させることになる熱応力の発生を招くことになる。ゆるく適合するレールを用い、冷却流体の損失を容認すれば、熱膨張を幾分調節するが、上記セグメントの径方向の位置決めが変動してしまうことになる。この変動はブレードとセグメントの間により大きな半径方向の間隙を生じさせ、ブレードと作動流体の衝突効率の低下をもたらすことになる。
上述のような技術にもかかわらず、科学者と技術者が出願人の代理人の指示に基づいて、ガスタービンエンジンの性能を低下させることなく、作動中に変形する薄くて柔軟なシュラウドセグメントの開発を行っていた。
発明の開示
本発明は、セグメントの熱変形の結果、シュラウドセグメントの最大の摩耗が軸方向の中心領域で生じていたという認識に幾分基づいていた。セグメントが熱くなるにつれて、摩耗性被覆はその下の基体よりも早く膨張する。この差が、非作動状態におけるセグメントの弧の形状からセグメントを変形させて平らにしてしまう。この結果、中心領域が径方向内側へ移動し、セグメントと回転するブレードとが摩耗性接触する可能性を増大させる。セグメントを剛性にして、この変形を防止すると、摩耗性の接触を少なくすることができるが、被覆層の亀裂と喪失に導く圧縮応力を被覆層に誘発することになる。
本発明によれば、シュラウドセグメントは少なくとも１つのフックを備えていて、これが支持構造に係合することによって、セグメント中心の径方向内側への移動を防止するとともに、加熱状態に応じてセグメントの変形を許容するようにされている。
本発明の特定の実施例によれば、セグメントは、１つのセンターフックと、センターフックの両側に配置した一対のサイドフックを備えている。センターフックは、セグメントの中心領域を径方向内側へ移動しないように保持している。複数の上記サイドフックは、セグメントの軸方向の中心軸回りの、過度の回転や揺動を防止するとともに、上記セグメントの補足的な保持を提供する。
本発明の他の実施例によれば、センターフックは離間した２つの部分から構成されており、それらは、互いに他のフックおよび中心軸から周方向に間隔をおいて配置されている。各部分は、セグメントの中心領域を径方向内側へ移動しないように保持している。しかし、いずれの部分も中心軸の真上にはない。
本発明の本質的な特徴は、セグメントの中心領域に配置された個々のフックにある。特定の実施例における特徴は、セグメントの端縁の近くで、センターフックの両側に配置された一対のサイドフックにある。他の特定の実施例における特徴は、離間した２つの部分を有する割れたセンターフックにある。
本発明の第１の利点は、摩耗性層の応力が小さくなり、セグメントの中心領域のおける摩耗性の接触が最小限に抑えられる結果、摩耗性層とシュラウドセグメントの寿命が延びることにある。応力の低下は、セグメントの柔軟性を改良したことによる。１つまたは複数のフックは、セグメントが基体に較べて大きく摩耗性層を熱膨張させて曲がりや変形を調節できりようにしている。セグメントの変形は摩耗性層の応力を低下させる。摩耗性の接触が最小限に抑えられるのは、セグメントの横側領域が径方向外側へ移動するとともに、フックがセグメントの中心領域の径方向内側への移動を防止していることによる。すなわち、セグメントが中心領域の径方向内側への移動をともなうことなく、平らになるようにされているためである。本発明の他の利点は、ブレードとセグメントの間隙の大きさが最小になる結果、ガスタービンエンジンの効率が向上することにある。ブレードとセグメントの間が摩耗性の接触をしないようにすることで、摩耗性層の摩滅を少なくし、それによって、間隙の大きさと、ブレードの回りから逃げる作動流体の量を最小限のものとできる。本発明のさらなる利点は、重量の減少、サイドフックによって提供される補足的な保持およびサイドフックによってセグメントが補助的に保持されることを挙げることができる。
本発明の上述の目的と他の目的、特徴および利点は、添付図面に示された模範的な実施例についての、以下の詳細な説明によって、明瞭なものとなる。
【図面の簡単な説明】
図１はガスタービンエンジンの側面図で、圧縮部、燃焼室及びタービン部を示すために一部を切り欠いて断面表示してある。
図２はタービンロータアッセッンブリの第１段とタービンシュラウドを示す側面図である。
図３はシュラウドセグメントの平面図である。
図４はシュラウドセグメントの側面図である。
図５はシュラウドセグメントの加熱後の状態を示す側面図で、非加熱状態のシュラウドセグメントは点線で示してある。
発明を実施するための最良の形態
図１を参照すると、ガスタービンエンジン12は圧縮部16、燃焼室18及びタービン部22を備えている。ガスタービンエンジン12は長手方向の軸24を中心として配置され、圧縮部16、燃焼室18及びタービン部22を貫いて延びる軸方向を向いた環状の流路14を備えている。作動流体は圧縮部16に流入し、仕事が加えられて、運動量の増加という形でエンネルギが付加される。作動流体は圧縮部16から排出され、燃焼室18に流入し、そこで燃料が作動流体に混合される。混合気体は燃焼室18で点火されて、作動流体に対してさらにエンネルギが付加される。燃焼作用の結果、燃焼室18からタービン部22に流入する作動流体の温度が高められる。タービン部22では、作動流体が多数のローターアッセンブリ28と衝突して、エンネルギを作動流体の高温ガスからローターアッセンブリ28に伝達する。この伝達されたエンネルギの一部は、回転シャフト32を経由して圧縮部16に戻される。伝達されたエンネルギの残りは、他の機能のため使用することができる。
図２を参照すると、ローターアッセンブリ28とタービンシュラウド34が示されている。ローターアッセンブリ28は、ディスク36と、ディスク36の外周に配置した複数のローターブレード38を備えている。タービンシュラウド34は、多数のローターブレード38の径方向外側に配置されている。タービンシュラウド34は、円周方向に隣接して配置された複数のセグメント40を備えている。セグメント40は、複数のローターブレード38の先端に対して径方向に近接している流路面42を備えた環状のリングを形成している。
各セグメント40は、基体45と摩耗性の層46を備えている。それぞれのセグメント40は、タービン構造体47に係合され、セグメントを径方向と軸方向に対して適切な位置に保持する手段を備えている。このセグメントの軸方向前端にある保持手段は、小型のレール48を備えている。後部にある保持手段は、複数のフック50を備えている。前端よりも後端に沿ってより大きな圧力差が生じるため、後端には、レールよりもむしろフックが使用される。より大きな圧力差が生じるのは、冷却流体により、セグメント外側には軸方向に一定の圧力となっており、セグメントの内側は軸方向に圧力が減少するようになっているためである。
レール48とフック50は、いずれもセグメントを径方向に保持するため、タービン構造体47の一対の凹部52,54に係合されている。レール48と複数のフック50の径方向の双方の幅は、凹部52,54の径方向の幅よりも十分に小さくなっており、この径方向の幅が径方向の間隙56,58を画成している。バンド62が前方の間隙56と後方の間隙58内に配置されている。バンド62は、レール48とフック50を経由してタービン構造体47とセグメント40の双方に係合している。バンド62は、セグメント40を径方向に弾性的に固定する手段を提供している。
冷却流体は、タービン構造体47内の通路（図示せず）から径方向内側へ流れ込み、バンド62の開口を通って、バンド62とセグメント40の径方向外側の表面66との間に形成される空洞64に流れ込む。そして、この冷却流体は径方向外側面66のインピンジメント孔68（図４参照）を通って基体45に衝突する。この冷却流体はセグメント40を許容温度限界内に維持する。
図３を参照すると、複数のフック50は、近接配置した一対のセンターフック70と、第１の側方フック72と、第２の側方フック74を備えている。センターフック70は、軸方向に向いているセグメント40の中心軸76を挟んで両側に配置されており、いずれのフックも中心軸76からずらさせている。側方フック72,74は、側縁の反対側に配置されており、センターフック70からの間隔D₁,D₂がセンターフック70の間隔D₃よりも十分に大きくしてある。
センターフック70は、セグメント40をタービン構造体47に保持するとともに、セグメント40の中心領域が径方向内側へ移動するのを防ぐための手段となっている。図３に示され、かつセンターフックについて上述のように説明されているけれども、１個のセンターフックが保持手段と内側への移動防止手段の両方を提供するために用いられることが可能である。しかし、離間したセンターフックは、セグメント40を径方向内側へ押圧する反発力を減少させることなく、セグメント40にさらに柔軟性を付与する。さらに、大きな曲げ応力を受け易い領域である中心軸76の延長上には、いずれのフックも配置していないこで、熱応力に対するセグメント40の柔軟性が最大にされている。
側方フック72,74は、セグメント40がセンターフック70の回りに回転したり、がたついたりする上下動（teeter）を防止する手段となり、それゆえ、側方フック72,74が側縁の過度に移動しないようにしている。側縁フック72,74は必要とされないかもしれないが、過度の回転は、一側縁が回転するブレード38との接触をもたらすのに十分なだけ、径方向内側への移動を招くことになる。そのような接触はセグメント40および／またはブレード38の破壊的な摩滅を招くかもしれない。また、側縁フック72,74は、センターフック70がセグメント40の保持に失敗した場合の、セグメント40の補助的な保持手段にもなっている。側縁フック72,74は、タービン構造体47の凹部58にゆるく嵌まって、セグメント40が作動時に生じる熱応力に対して変形するのを許容する。
作動時には、高温の作動流体がセグメント40の摩耗性の層46の上を流れ、セグメント40を加熱する。摩耗性の層46が高温の作動流体と直接接触し、かつ、一般的に使用されている摩耗性被覆は、金属製の基体よりも大きな膨張係数を有しているので、摩耗性の層46は基体45の材料よりも早く膨張する。図４と図５に示すように、セグメント40は、摩耗性の層46と基体45との間の熱応力を調節するため、平らになろうとする。図４は非加熱状態の弧状のセグメント40を示し、図５は、加熱によって変形を生じた後のセグメント40を示している。
セグメント40を強固に保持させすぎると、セグメント40の平坦化が許容されなくなる。このことは、セグメント40内及び、摩耗性の層46と基体45との間の熱応力を拡大させることになる。熱応力は、摩耗性の層46または基体45に亀裂を生じさせたり、摩耗性層46の削れや基体45からの分離を生じさせる場合もある。セグメント40がゆるく保持して平坦化を許容する均等間隔のフックを備えている場合には、中心領域が、回転するブレードの先端に向けて押圧されることになる。径方向内側へ過度に移動すると、セグメント中心領域における過度の摩滅を招くことになる。
しかし、本発明に係るセグメントにおいては、セグメント40がセンターフック70によって保持されて、中心軸76回りの領域が径方向内側へ過度に移動するのが防止される。セグメント40は、それぞれの側縁を径方向外側へ移動させてブレードの先端44から遠ざけるようにして、平らになる。さらに、フックの数が極めて少ないので、セグメント40の柔軟性が最大になり、摩耗性の層46と基体45との間の熱応力が最小になる。図１〜図５に示すように、一対の離間したセンターフック70を使用すれば、熱膨張に対するセグメント40の柔軟性がさらに付与できる。
例示的な実施例について開示，説明したが、発明の思想と範囲を逸脱することなく、種々の変形，省略，付加が行えることは、その技術分野の当業者によって、理解されるべきである。

Claims (4)

1. ガスタービンエンジン（12）に使用されるシュラウドセグメント（40）であって、該ガスタービンエンジンが長手方向の軸（24）回りに配置され、かつ支持構造（47）と作動流体に対する流路（42）を規定する流体通路とを備え、セグメントが弧状で、かつ支持構造（47）に保持されて長手方向の軸（24）を中心として円周方向に沿って延びる据え付け状態を有するシュラウドセグメントであって、
   前記セグメントが、
   中心軸（76）と流路面（42）と径方向外側面（66）とを備えた基体（45）であって、流路面（42）が据え付け状態において径方向内側へ向けられて作動流体に晒され、径方向外側面（66）が据え付け状態において径方向外側に向いて作動流体に比較して低温の流体に晒されており、前記流路面（42）と前記径方向外側面（66）との間の温度差が、弧状の前記セグメントを円周方向から外れる方向に変形させるようになっている基体を備えたシュラウドセグメントにおいて、
   前記セグメントが、
   前記セグメントを前記支持構造に対して保持する手段（50）であって、前記保持手段が前記基体の中心軸（76）回りの領域の径方向内側への移動を妨げるセンターフック（70）を備えており、保持手段（50）が据え付けられたセグメントの変形を許容して、セグメントの側縁の径方向外側への移動を可能としている手段を備えてお り、
   前記保持手段（50）が前記センターフック（70）と一対 の側方フック（72,74）とを備え、一対の側方フック（7 2,74）のそれぞれが基体側縁の互いに反対側に配置され て、一対の側方フック（72,74）が支持構造（47）にゆ るく保持されて、ガスタービンエンジン作動中の前記セ グメント（40）の変形が許容されていることを特徴とす るシュラウドセグメント。
2. 保持手段（50）のフックが第２のセンターフックを備え、第１のセンターフック（70）と第２のセンターフック（70）が中心軸（76）を挟んで互いに反対側に配置され、いずれのフックも中心軸（76）の延長上になく、側縁が径方向外側へ移動できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のシュラウドセグメント（40）。
3. ガスタービンエンジン（12）に使用されるシュラウド（34）であって、該ガスタービンエンジン（12）が長手方向の軸（24）回りに配置され、かつ支持構造（47）と作動流体に対する流路（42）を規定する流体通路とを備え、前記シュラウド（34）が流路の回りに延びて流路の一部を規定し、該シュラウド（34）が多数のシュラウドセグメント（40）を備え、各セグメント（40）が弧状で、かつ支持構造（47）に保持されて長手方向の軸（24）を中心として円周方向に沿って延びる据え付け状態を有するシュラウドセグメントであって、
   前記各セグメントが、
   中心軸（76）と流路面（42）と径方向外側面（66）とを備えた基体（45）であって、流路面（42）が据え付け状態において径方向内側へ向けられて作動流体に晒され、径方向外側面（66）が据え付け状態において径方向外側に向いて、作動流体に比較して低温の流体に晒されており、流路面（42）と径方向外側面（66）との間の温度差が、弧状のセグメントを円周方向から外れる方向に変形させるようになっている基体と、
   前記セグメントを支持構造に対して保持する手段（50）であって、該保持手段（50）が基体（45）の中心軸回りの領域の径方向内側への移動を妨げるセンターフック（70）を備えており、保持手段（50）が据え付けられたセグメントの変形を許容して、セグメントの側縁の径方向外側への移動を可能としている手段とを備えており、
   前記保持手段（50）がセンターフック（70）と一対の側 方フック（72,74）とを備え、一対の側方フック（72,7 4）のそれぞれが前記基体（45）側縁の互いに反対側に 配置され、一対の側方フック（72,74）が支持構造（4 7）にゆるく保持されて、ガスタービンエンジン作動中 のセグメント（40）の変形が許容され、側縁が径方向外 側へ移動できるようにしたことを特徴とするシュラウド。
4. 保持手段（50）が第２のセンターフック（70）を備え、前記第１のセンターフック（70）と前記第２のセンターフック（70）が中心軸（76）を挟んで互いに反対側に配置され、いずれのフックも中心軸（76）の延長上にないことを特徴とする請求項３に記載のシュラウドセグメント（40）。

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