JP3653114B2

JP3653114B2 - ステータベーン構造

Info

Publication number: JP3653114B2
Application number: JP01631395A
Authority: JP
Inventors: ダブリュー．ノーリスジェイムズ; ピー．マセニーアルフレッド
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JPH08218802A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンエンジンのステータベーンに関し、特にインナーシュラウド部、ステータ及びアウターシュラウド部を一体化したステータベーン構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
米国特許第３，２７５，２９４号には、ステータベーンの内周上に配設された箱型の構成要素が開示されており、この箱型構成要素をステータベーン内周に組み付けることにより、ガスタービンエンジンの円環状ベーン構造を形成するようになっている。
【０００３】
インナーシュラウド部、即ちステータベーンの組み付けベース部には、隣接するベーンを互いに連結するインターロック手段が配設されており、このインターロック手段の相互結合によって、適度な減衰力が与えられるようになっている。
【０００４】
さらに、ベース部の半径方向での膨張を許容しながら、ベース部が互いに摩擦結合状態に保たれるように、比較的薄い帯状部材からなるバンド支持部が各ベース部にしっかりと結合されている。
【０００５】
前記の薄帯状バンド支持部は溶接によってベース部に結合されており、溶接結合を可能とする為、各ベース部は金属材料から形成されていた。
【０００６】
航空技術において、周知のように、燃料の節約及び／又はより多くの積載容積に貢献する程度にエンジン構成部品の重量を低減することは極めて望ましいことである。ガスタービンエンジンの各セクションにおいて、重量低減のために、複合材料で製造するのに適合していることが判明しているセクションは、ファンセクション又はコンプレッサセクションである。
【０００７】
航空機の運行中、これらのセクションは非常に高温となり且つ極めて高い応力を受けるので、特定の複合材料のみがこのような高温高応力の環境で十分な耐久性を示すことが判明している。
【０００８】
十分な耐久性を有する複合材料の一つには、例えば、イミド樹脂とカーボンファイバー族が知られている。しかしながら、上述の複合材料の場合、その特性に起因して、ベーンの製造はかなり難しいのが現実である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来のステータベーン構造においては、ステータベーンを組み付ける円環状インナーシュラウド部を形成するベース部が金属材料で形成されていると共に、ベース部を互いに結合するための薄帯状バンド支持部を介してベース部を相互結合する必要があった。
【００１０】
したがって、ステータベーンをアセンブリーとして構成すべく、多数の追加的な部品を必要とするために、ガスタービンエンジンの総重量を顕著に軽量化することができず、エンジン性能の向上も十分満足できるものではなかった。また、部品点数の増加はエンジンの組み付け効率の低下につながっていた。
【００１１】
本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであり、少なくとも一対の周方向において互いに離間した中実の翼型ベーンと一体的結合或は一体成型された中空箱型インナーシュラウド部及びアウターシュラウド部とを有するステータベーンセグメントからなるガスタービンエンジンの改善された複合ステータベーン構造を提供することである。
【００１２】
インナーシュラウド部は、円環状の空洞部を画成すると共に、近接するベーンセグメントの端部にしっかりと嵌め込まれて、複数のベーンセグメントを相互結合するインターロック手段を提供するように構成されている。
【００１３】
また、本発明は、ガスタービンエンジンの回転軸と一体に形成されたラビリンスシールのナイフエッジ状シール部と適度な摩擦を伴って係合するように、インナーシュラウド部の底壁部に周方向に沿って形成された帯状摩擦片（ラブストリップ）によって特徴付けられる。
【００１４】
更にまた、本発明によるステータベーン構造は、隣接するベーンセグメント間の嵌合を当接部位で満足的な面接触を行うようにして減衰機能を果たすように工夫されている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるステータベーン構造においては、高温下でのベーンの機械的強度を考慮して、ベーンを少なくとも二つ、好ましくは三つの翼型からなるステータベーンセグメントから形成することによって良好なステータベーンを提供するものである。ベーンの翼型セクションを中実体に製造し、この翼型に一体的に結合された中空箱型構造のインナーシュラウド部とアウターシュラウド部を一体成形している。
【００１６】
中空箱型構造部によって、対向する側壁部、底壁部及び上壁部がもたらされると共に、各ベーンセグメントが組み付けられて円環状ステータベーンアセンブリーを形成するとき、中空箱型構造部の両端中空部は円環状空洞部を画成する。この中空箱型構造部の一端は近接するベーンセグメントの端部に嵌合するように細く絞られた形に形成されている。
【００１７】
上述の分割ベーン構造はガスタービンエンジンのかなりの軽量化をもたらすと共に、このような分割ベーン構造は機械的強度を高めるための余計な構造支持部を必要としない。加えて、適当な摩耗可能な材料から構成され且つインナーシュラウド部の内周に沿って帯状ラブストリップ部が付設されており、該ラブストリップ部が一体的に組み付けられた状態で、ラブストリップ部がタービンエンジンの回転軸に付設されたラビリンスシールをなすナイフエッジ状シール部と当接する構成とした。
【００１８】
【作用】
上記のように構成されているので、本発明のステータベーン構造によると、各ステータベーンセグメント又はインナーシュラウドセグメントが互いに隣接する箱型構造部の細く絞られたインターロック部を介して互いに適度な摺動を許容しながら相互結合されているので、気密性を保持しつつステータに加わった不所望な振動を減衰するように作用することができる。
【００１９】
また、ステータベーンアセンブリーとして複合材料からなるステータベーンセグメントが絞りサイドエッジ部を介して簡潔に一体的に結合されるのみならず、ロータディスク支持部材に付設されたナイフエッジ状シール部と共働してシール構造を提供するラブストリップがインナーシュラウド部の箱型構造の底面に一体的に形成されており、気密性を確実に保持しつつ、容易にステータベーンアセンブリーをロータブレード間に組み付けることができる。
【００２０】
【実施例】
図１〜図３は、本発明のガスタービンエンジンのステータベーン構造を説明するため、ガスタービンエンジンにおけるコンプレッサセクション１０の一部を示すものである。
【００２１】
このコンプレッサセクション１０は、圧縮段を覆ってコンプレッサの外郭をなすコンプレッサケーシングと、コンプレッサロータ１２，１４及び１６と、及びコンプレッサロータ１２，１４，１６と追補関係にあり、且つコンプレッサロータ１２，１４，１６と共働して圧縮作用を行うステータベーンアセンブリー１８及び２０とを有する。
【００２２】
図を簡潔にする目的から、図１では単に３つのコンプレッサロータ１２，１４及び１６と、２つのステータベーンアセンブリー１８及び２０のみを示すものとする。
【００２３】
コンプレッサロータ１２，１４及び１６は、互いに周方向に離間して配設されたロータブレード２２，２４及び２６から成り、該ロータブレード２２，２４，２６は、周知のように、夫々対応するロータディスク２８，３０及び３２上に支持されているか、若しくは各ロータディスク２８，３０，３２と一体的に形成されている。
【００２４】
ロータディスク２８，３０，３２は、エンジンの軸Ａを中心として回転運動可能に、符号３６で示されるようなナットとボルトの結合によってタービンエンジンのエンジンシャフト３４に支持されている。
【００２５】
各ステータベーンアセンブリー１８並びに２０は、図２において、符号４２で示された複数のステータベーンセグメントから構成されている。このステータベーンセグメント４２は、二つのベーン４４，４６とインナーシュラウド部４８とアウターシュラウド部５０が一体成形されてなり、図１に示すように、各ベーン４４及び４６がインナーシュラウ部ド４８からアウターシュラウド部５０の方へと延設されている。
【００２６】
各ステータベーンセグメント４２は、相互に離間してエンジン軸Ａの周囲を取り囲むように環状配設された翼型を形成するようにケーシング内周に組み付けられており、ガスタービンエンジンの作動ガスを各コンプレッサブレードへと方向付ける機能を有する。
【００２７】
図を簡略にし、かつ、開示内容を簡潔明瞭にするため、多段式コンプレッサの複数圧縮段の内、単一の圧縮段のみを示す。また、図１に示すベーンアセンブリー１８と２０の内、ベーンアセンブリー２０のみを一例として示す図２及び図３に従って詳説する。
【００２８】
本発明のステータベーンセグメント４２は、航空機の運転中に生ずるガスタービンエンジン内で生ずる高温に十分耐え、且つ、コンプレッサセクションに加わった高い応力にも十分耐え得る、複合材料のような非金属材料で製造される。
【００２９】
実施例においては、ステータベーンセグメント４２の複合材料として、カーボンファイバー或はイミドファイバーが用いられている。これにより、ファイバー材料は、ファイバークロスとして形成された後、ステータベーンアセンブリー１８，２０を形づくるように積層され、さらに、適当な接着剤とともに所望の形状に型成形される。
【００３０】
本発明の特徴を理解する上で、各ステータベーンセグメント４２がそれぞれ複数のステータベーン４４，４６を有した形で（図２参照）で一体成形されていることに留意すべきである。このことは剛性や組み付け効率や軽量化の観点から非常に有意義であり重要である。なお、ステータベーンセグメント４２に三個若しくはそれ以上のステータベーンを設けても良い。
【００３１】
図２に示す各ステータベーンセグメント４２は、中空箱型のインナーシュラウド部４８を有している。このインナーシュラウド部４８は、上壁部５２、底壁部５４、対向する前面壁部５６と背面壁部５８とから形成されている。
【００３２】
本発明によるステータベーン構造においては、図２に示したサイドエッジ部６０と６２は開口端として形成されており、円環状インナーシュラウド部４８を形成するためステータベーンセグメント４２を互いに組み合わせた状態において、各ステータベーンセグメント４２のサイドエッジ６０と６２が円環状開口通路を形成するようになっている。
【００３３】
各ステータベーンセグメント４２のサイドエッジ６０は、所定寸法に細く絞られており、これにより、図２中右隣のステータベーンセグメント４２の開口端にしっかりと嵌め込むことができるようになっている。
【００３４】
この絞られたサイドエッジ部６０と隣接するステータベーンセグメント４２の開口端との間の嵌め合いは、タービンエンジンの動作中に生ずるステータベーン４４，４６の振動を減衰し低減する目的で、嵌合部で適度な摩擦を生ずるように当接面間での摺動運動を許容するような所定の嵌め合いとなっている。しかも、互いに近接するステータベーンセグメント４２は、エンジンの作動ガスの漏れを防止するのに十分なシール特性をも確保している。
【００３５】
本発明に従うステータベーンアセンブリー２０の構造は、米国特許第３，２７５，２９５号に記載された、比較的薄いバンド支持部のような追加的支持部の必要性をなくすと同時に、該ステータベーンアセンブリー構造自体によって、燃焼ガス流路とエンジンシャフト、並びに燃焼ガス流路とインナーシュラウド部の円環状通路との間の気密性を保つために、ガスタービンエンジンに一般的に付設されるラブストリップの支持部を構成している。
【００３６】
図３に顕著に示すように、ラブストリップ６６と６８は、インナーシュラウド部４８の底壁部５４の底面に一体的に付着形成されており、円環状のインナーシュラウド部４８の内周に沿ったリング状シール部を画成している。このシール部は、図１に示すように、ロータディスク３２におけるロータディスク支持部材７３から延設されたナイフエッジ状シール７０，７２に当接共働して気密を保持するようになっている。
【００３７】
上述のように、インナーシュラウド部４８とアウターシュラウド部５０がステータベーンアセンブリー２０としてステータベーン４４と一体的に形成されているので、翼型並びシュラウドアセンブリーを結合する特別な手段を必要としない。従って、ガスタービンエンジンの性能向上につながるエンジン総重量の軽減を図ることができる。
【００３８】
図２と図３においては、インナーシュラウド部４８は四角形状に形成されているが、これに限らず、その他の類似した形状、又は、図１のステータベーンアセンブリー１８のインナーシュラウド部に見られるような多面多角形としてもよいのである。
【００３９】
図１に示すステータベーンアセンブリー１８のインナーシュラウド部の底面は、ロータディスク３０における傾斜したロータディスク支持部材上のナイフエッジ状シールとの気密性を保つために段付き面構造となっている。
【００４０】
かくして、前記中空箱型インナーシュラウド部４８の箱型とは、その断面が四角形状のみを指すものではなく、例えば図１の多面多角形断面の箱型をも含むものとする。
【００４１】
本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。それゆえ、前述の実施例は単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のステータベーン構造によれば、ステータベーンがインナーシュラウド部及びアウターシャウラウド部と簡潔且つコンパクトに一体成形されており、従来必要とされた複雑な多数の支持要素による支持構造を伴うことなく、ステータベーン構造自体が簡潔な支持構造をなし且つ気密性を確保しつつ、また固有の減衰特性を発揮することができる。
【００４３】
また、本発明によるステータベーン構造は、近年のガスタービンエンジンで一般に備わっている摩耗可能な材料から成るラブストリップをも一体的に含むように簡潔に形成されており、一層軽量化に貢献することができる。
【００４４】
加えて、本発明のステータベーン構造によると、ガスタービンエンジンのステータベーン部位の部品点数を減らすことができ、組み付け効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービンエンジンのステータベーンを有するコンプレッサセクションの部分断面図。
【図２】本発明によるステータベーン構造の拡大側面図であり、図３の２−２線部分断面図。
【図３】図２と関連する拡大部分断面図。
【符号の説明】
１０…コンプレッサセクション
１２，１４，１６…コンプレッサロータ
１８，２０…ステータベーンアセンブリー
２２，２４，２６…ロータブレード
２８，３０，３２…ロータディスク
４２…ステータベーンセグメント
４４，４６…ステータベーン
４８…インナーシュラウド部
５０…アウターシュラウド部
５２…上壁部
５４…底壁部
５６…前面壁部
５８…背面壁部
６０，６２…サイドエッジ
６６，６８…ラブストリップ

Claims

ガスタービンエンジンのエンジン作動ガスが通過するステータベーン構造であって、
アウターケースと、
端部同士を組み付けると円環になる、複数のインナーシュラウド弧状セグメントと、
端部同士を組み付けると上記円環と同心の円環になる、複数のアウターシュラウド弧状セグメントと、
互いに集合することにより相互に離間した一列のベーンを構成するように各々のインナーシュラウド弧状セグメントと各々のアウターシュラウド弧状セグメントとの間に付設された、少なくとも一対のステータベーンと、
を備え、
前記アウターシュラウド弧状セグメントは、前記アウターケースに付設されて集合的に前記一列のベーンを支持し、
前記少なくとも一対のステータベーン、インナーシュラウド弧状セグメント及びアウターシュラウド弧状セグメントは、複合材料から一体成形され、
前記インナーシュラウド弧状セグメントは、前記ステータベーンの内端から半径方向に延在した略箱型構造をなし、
該箱型構造は前記一対のステータベーンの内端に結合された上壁部と底壁部と一対の対向する側壁部とを含み、
該上壁部、底壁部及び対向する側壁部によって、前記円環内の環状通路を形成するように並ぶ開口通路が形成され、
さらに、隣接するインナーシュラウド弧状セグメントを相互に連結するインターロック手段として前記開口通路の端部が順次嵌合していることを特徴とするステータベーン構造。
請求項１において、前記複合材料は、カーボンファイバー族又はイミドファイバー族から選択したことを特徴とするステータベーン構造。
請求項２において、前記アウターケースは、ガスタービンエンジンのコンプレッサの外郭の一部を画成していることを特徴とするステータベーン構造。
請求項３において、前記インターロック手段は、前記箱型構造の両開口端の一端に形成された細く絞られた部分からなることを特徴とするステータベーン構造。
請求項４において、前記細く絞られた部分は隣接するインナーシュラウドセグメントの開口端内に摺動運動可能であるように嵌合され、これにより、開口端と該開口端に嵌合される細く絞られた部分とが互いに共働して前記摺動運動を介し、ステータベーンに加えられた振動エネルギーを吸収することを特徴とするステータベーン構造。
請求項４において、ステータベーン構造は前記箱型構造の底壁部の底面に付設された少なくとも一つのラブストリップを有し、該ラブストリップはガスタービンエンジンのエンジンシャフトに付設されたシール部と気密的に係合することを特徴とするステータベーン構造。
請求項４において、前記箱型構造の断面形状は四角形であることを特徴とするステータベーン構造。
請求項４において、前記箱型構造の断面形状は多角形であることを特徴とするステータベーン構造。
請求項４において、前記箱型構造は前面壁部と背面壁部とからなり、前面壁部と背面壁部との位置関係において、互いに相対的にずれており段差を有することを特徴とするステータベーン構造。