JP4495283B2 - ブレードを封じ込むタービンシュラウド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに係り、特にそのブレード封込めに係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なガスタービンエンジンはガスが連続的に流れるように連通させてファン、多段軸流圧縮機、燃焼器、高圧タービン（ＨＰＴ）および低圧タービン（ＬＰＴ）を含んでいる。運転中、空気が圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合され点火されて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスがＨＰＴとＬＰＴを通って下流に流れ、これらＨＰＴとＬＰＴでガスからエネルギーが抽出され、それぞれ対応する駆動軸を介して圧縮機とファンに動力を与える。
【０００３】
ファン、圧縮機およびタービンはいずれも、運転中に回転する対応のロータまたはディスクから半径方向外側に伸びるさまざまな形状のロータブレードを含んでいる。ロータブレードは、エンジンの耐用寿命中さまざまな理由で壊れ、その対応するロータディスクから分離することがある。すると、解放されたブレードが、遠心力により、半径方向外側に向けて、それを取り囲んでいるステータケース中に推進または放出される。これらいろいろなステータケースは、ブレード放出エネルギーを消散させてブレードを封じ込めると共にエンジンからブレードが解放されるのを防止するようにさまざまな形状をしている。
【０００４】
各種ロータブレードは大きさがいろいろであり、異なった回転速度で作動し、したがって解放されたときの放出エネルギー量もさまざまである。また、異なるロータブレードはそれを取り囲むステータケースもいろいろであり、それらステータケースの作動環境もファン、圧縮機およびＬＰＴの場合の比較的低温の環境からＨＰＴの最高温度の環境までさまざまである。
【０００５】
エンジン効率はケース内での対応するブレードの半径方向外側チップとの半径方向のクリアランスまたはギャップを最小にすることによって最大になるので、これらケースはブレードチップとのクリアランスを最小にしつつブレードに損傷を与えることなく時にはそれらの間の摩擦も許容するようにブレードチップを取り囲む各種形態のブレードシュラウドを含んでいる。チップの摩擦によりブレードシュラウドは損傷を受け、そのような損傷が蓄積したときには周期的な補修のための運転停止期間内にブレードシュラドを交換する。
【０００６】
タービンブレード封込めにおいて、対応するタービンケースはブレード放出エネルギーを消散させるためにそれぞれ相応する厚さになっている。ＨＰＴの場合、ブレードシュラウドは、通常、実質的な強さをもつ比較的厚い鋳造金属構造体であるので、ブレード封込めに大いに貢献している。
【０００７】
しかし、ＬＰＴブレードシュラウドは、通常、ブレード放出エネルギーを消散させる能力があるとしてもあまり大きくない、冷却されない軽量のシート金属構造体である。典型的なＬＰＴブレードシュラウドは、軽量のハニカムすり材が取付けられたシート金属バックシートの集合体である。このバックシートは前部レールと後部レールをもっており、これらレールはケースから半径方向内側に伸びる対応の前部および後部の取付け用フックに適切に取付けられる。このバックシートは、ケースに取付けるのに充分な剛性を提供すると共にブレードチップとの好ましいクリアランスを維持しつつもシュラウドの重量を最小にするように、たとえば約２０ミルの厚さの薄いシート金属である。このシート金属は、対応するフックに取り付けるのに充分な強度を提供するようにレールの一方または両方で局部的に厚くしてもよい。
【０００８】
構成によっては、バックシートはその軸方向に離れたレール間で極端に薄いことがあり、ダブラシートを用いて補強される。このダブラシートは通常バックシートの外側にろう付けその他の方法で固定されたもう一枚の薄いシート金属片である。
【０００９】
ダブラをもっていてもいなくてもＬＰＴシュラウドはいずれもそのブレード封じ込め能はごく僅かである。ダブラはバックシートに、たとえばろう付けされるが、ろう材は比較的脆性であり、ブレード放出の場合このろう材は脆性亀裂を生じ易く、シュラウドの強度を低下させる。
【００１０】
したがって、ブレード封込め能をもったＬＰＴブレードシュラウドを提供することが望まれる。
【００１１】
【発明の簡単な要約】
本発明の低圧タービンシュラウドは、取囲んでいる周囲の環状ケースに係合する対向した取付けレールを有する弧状バックシートを含んでいる。このバックシートはレール間に伸びる一体型構造の厚めのブレード封込めシールドを含んでいる。そして、レール間でハニカムすり材がバックシートに固定して接合されている。
【００１２】
【発明の詳細な記述】
本発明の別の目的および利点と共に、本発明の好ましい具体例について、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００１３】
図１に、長手方向または軸方向の中心線軸１２の回りで軸対称であるガスタービンエンジン１０のひとつの具体例を概略的に示す。このエンジンは、連続流れ連通関係で、ファン１４、多段軸流圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン（ＨＰＴ）２０、および低圧タービン（ＬＰＴ）２２を含んでいる。
【００１４】
運転中、空気２４は圧縮機で加圧され、燃焼器で燃料と混合され点火されて高温の燃焼ガス２６を生成し、この燃焼ガス２６はＨＰＴ２０とＬＰＴ２２を通って下流に流れ、これらＨＰＴとＬＰＴでガスからエネルギーが抽出され、それぞれ圧縮機１６とファン１４に動力が与えられる。燃焼ガス２６は燃焼器から排出される際に最高の温度をもっているので、ロータブレード、ステータベーンおよびブレードシュラウドを含むＨＰＴ２０は運転中圧縮機から抽気される圧縮空気２４の一部を用いて冷却される。ＬＰＴ２２に達した際燃焼ガス２６は温度が低くなっており、したがってＬＰＴは通常冷却されない。
【００１５】
図１に示した具体例の多段ＬＰＴ２２は対応するロータディスク３０から半径方向外側に伸びるいくつかの列になったロータブレード２８を含んでおり、ロータディスク３０は運転中ファン１４に動力を与える共通の駆動軸に連結・接合されている。
【００１６】
ＬＰＴはまた環状のケーシングまたはケース３２も含んでおり、このケース３２からはステータベーン３４の列の形態の対応するノズルが半径方向内側に伸びており、これらステータベーン３４はブレード列の対応するものと協同してそれらの間に燃焼ガス用のチャンネルを形成している。
【００１７】
本発明によると、ＬＰＴブレードシュラウド３６のひとつ以上の列が、ブレード放出事象の場合にブレード封込めに使用するために、ロータブレード２８のそれぞれの列を取囲んでケース３２に取付けられている。図１に示されているように、ロータブレード２８のひとつは作動中に壊れてそれを取囲んでいるディスク３０から分離されることがあり、こうして解放されたブレードは遠心力Ｆにより半径方向外側に推進または放出され、最初に周囲のブレードシュラウド３６に衝突し、次に周囲のケース３２に衝突する。
【００１８】
図２と３に示されているように、各ブレードシュラウド３６は円周方向で隣接する複数の弧状セグメントの形態であるのが好ましく、これらセグメントは集合してブレード列の半径方向外側チップ（先端）の回りで完全なリングを形成する。シュラウドは弧状バックシート３８を含んでおり、このバックシート３８はその軸方向の対向する両端に、ケース３２と係合するように、第一または前部取付け用レール４０と第二または後部取付け用レール４２とをもっている。バックシートはまた一体型ブレード封込めシールド４４も含んでおり、このシールド４４は一体となった、すなわちワンピース構造体として２つのレール４０、４２の間で軸方向に伸びている。バックシートのシールド部分は各々のレールより選択的に厚くなっており、放出されたブレードのブレード封込めの際にケースと協同してブレード放出エネルギーを消散する。
【００１９】
ブレードシュラウド３６はまた、２つのレール４０、４２の間で軸方向に、バックシート３８の半径方向内側の表面に直接固定して結合されたハニカム状のすり材４６も含んでいる。このすり材は通常のいかなる形態でもよく、各バックシートセグメントの円周方向の長さ全体にわたって伸びている。すり材４６は適切な高さをもっていて、その半径方向内側の表面がブレードチップから適切に離隔されてそれらの間にクリアランスギャップが得られるようになっている。
【００２０】
図３に示されているように、シールド４４は２つのレール４０、４２の間で軸方向に伸び、かつ、円周方向は弧状セグメントの全体にわたって伸びており、図２に示したブレードチップ上に直接整列されている。シールドの大きさは、破壊した場合にブレード２８のひとつがシールドに対して放出された際エネルギーを消散させるような厚さである。
【００２１】
図３に示した具体例の場合、シールドはレール４０、４２の間で軸方向に、またそれらに沿って円周方向に連続で、実質的に一定の厚さＡをもっているのが好ましい。あるいは、シールド４４は、ブレード封込め能を提供するものであれば、軸方向に分割され円周方向に伸びる複数の軽量にしたリブの形態であることもできる。
【００２２】
ケース３２自体によって得られるブレード封込め能に加えて追加の能力を導入することが望ましいので、封込めシールド４４は有効にブレード封込め材を位置させつつも全体の重量を低減するためにバックシート３８の他の部分に比べて選択的に厚みをつけてある。たとえば、封込めシールド４４は、すり材４６の厚さを変化させないように、両方のレール４０、４２から半径方向外側に伸びているのが好ましい。また、バックシート３８の半径方向内側の表面は２つのレールの少なくとも一方、たとえば後部レール４２から半径方向外側に凹んでいるのが好ましい。
【００２３】
図２に示した具体例の場合、前部レール４０はシールド４４の凹んだ内面と同じ高さであり、シユラウドの前部端をケーシングに取付けるのに適した最小の厚さＢをもっている。これに対応して、後部レール４２はケース３２にシュラウドの後部端を支持するように選択されるより大きい厚さＣをもっている。
【００２４】
通常の取付構成の場合、ケース３２は、前部レール４０および後部レール４２にそれぞれ係合させ、または取付けるように半径方向内側に伸び、かつ軸方向で離隔された一体型の前部フック４８および後部フック５０を含んでいる。これらレールをロックした状態でフックに保持するために適した手段が設けられる。たとえば、ほぼＵ字形のシート金属前部クリップ５２を、たとえばろう付けにより、前部レール４０の頂部に付けて前部フック４８の先端と軸方向で係合させる。また、後部レール４２は、隣接するノズルベーン３４の半径方向外側バンドの前端に形成された対応するほぼＵ字形の後部クリップ５４によって後部フックに対して半径方向に当接されて取り付けられる。
【００２５】
この具体例の構成では、後部レール４２が前部レール４０より厚く、シールド４４は前部レール４０はもちろん後部レール４２よりも厚い。この構成では、シユラウド３６を対応するケースフック４８、５０に取付ける際に必要とされるのに応じて前部レール４０の厚さＢと後部レール４２の厚さＣとを選択的に最小化し、一方前部と後部のレールの間には一体型の封込めシールド部分の形態で選択的に厚くした中央領域を設けている。
【００２６】
図２に示した好ましい具体例の場合、バックシート３８はＬＰＴ環境に適した任意の金属、たとえば通常のコバルト合金ＨＳ１８８で形成した一体の、すなわちワンピースのシート金属構造である。この封込めシールド４４は前部レール４０の少なくとも３倍の厚さが好ましい。一例を挙げると、前部レールが約２０ミルの厚さで、後部レール４２が約４０ミルの厚さ、封込めシールド４４が約６０ミルの厚さである。
【００２７】
レールはバックシート３８の中央のシールド部分より薄いが、このシールド部分のみがロータブレード２８の半径方向外側に配置されており、ケース３２との間に挟まれていて追加のブレード封込め能を提供している。
【００２８】
この改良されたブレード封込めシュラウド３６はそれを取囲むケース３２と協同し、全体としてブレード封込め能を提供する。特に、フック４８、５０の間のケース３２は厚さＤをもち、内側のシールド４４（厚さＡ）の半径方向外側に配置されている。ブレード２８の半径方向外側のシールド４４とケース３２との両者は全体として、放出されたブレードのブレード封込めのためにそのエネルギーを消散し、そして解放されたブレードの全部ではないとしてもほとんどがケースから解放されるのを防止する。
【００２９】
図２に示されているように、環状の断熱体５６がケース３２とシールド４４との間の利用できる空間に配置されており、この領域での熱による膨張と収縮を制御して作動中のブレードチップギャップの変動を最小にする。しかし、この断熱体はブレード封込め能がほとんどなく、ブレード封込めは主として、比較的に厚いケース３２および協同する封込めシールド４４によって提供される。
【００３０】
ブレード封込めシュラウド３６の特別な利点は、ブレード封込め能を発揮するために選択的に厚くしたバックシート３８を導入した以外は通常の構成でこれらシュラウドを構成できることである。
【００３１】
したがって、この構成により、より薄い従来のシュラウドをより厚いシュラウド３６と交換することによって、ケース３２の厚さを変更することなく、また支持フックおよびシュラウド３６のシールド４４以外の部分の幾何学的形状を変更することなく、ＬＰＴ２２をレトロフィットしてブレード封込め能または強度を増大することが可能になる。通常タービンシュラウドは通常のブレッドチップの摩擦のために定期的に交換されるため、古い設計のタービンシュラウドを、利用可能な空間内で、しかもシユラウドの設計に他のいかなる変更も加えることなく、本発明の改良されたブレード封込めシュラウド３６と単に交換することができる。
【００３２】
選択的に厚くしたバックシート３８により、従来のダブラは使用する必要がなくなる。バックシート３８のより厚い封込めシールド部分は、ブレード封込め強度を最大にするべく厚さを増大するためにろう付けその他の取り付けを必要とすることのない一体型のシート金属であり、望ましくない脆性または亀裂の開始部位を導入することがない。
【００３３】
さらにまた、バックシート３８の増大した厚さは、所望の半径方向チップクリアランスを変化させることにより空気力学的効率に悪影響を与えることのある運転中の望ましくない熱勾配を導入したり、疲労寿命に影響し得る望ましくない熱応力を導入したりしない。
【００３４】
本発明の好ましい具体例と思われる態様について説明して来たが、本明細書の教示により当業者には本発明の他の修正が明らかであり、したがって、そのような修正は本発明の真の思想と範囲内に入るものとして特許請求の範囲によって保護されることが望まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のひとつの具体例に従ったブレードシュラウドを有する低圧タービンを含むガスタービンエンジンのひとつの具体例に関する一部概略的な立面断面図である。
【図２】図２は、図１に破線の円２で示したＬＰＴブレードシュラウドの一部分の拡大図である。
【図３】図３は、ひとつの具体例として図２に示したシュラウドのいくつかの弧状セグメントのひとつの等角図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
２２ 低圧タービン（ＬＰＴ）
２８ ロータブレード
３２ 環状ケーシングまたはケース
３６ ＬＰＴブレードシュラウド
３８ 弧状バックシート
４０、４２ 取付け用レール
４４ ブレード封込めシールド
４６ ハニカムすり材
４８、５０ フック
５２、５４ クリップ

Claims (8)

1. 環状のケース（３２）に取付けてロータブレード（２８）列を取囲むことができる低圧タービンシュラウド（３６）であって、
   軸方向で対向する両端に前記ケースに係合させるための前部および後部取付け用レール（４０、４２）を有し、かつそれらの間で一体構造として軸方向に伸びるブレード封込めシールド（４４）を有している弧状バックシート（３８）を有し、
   前記シールド（４４）は、前記前部及び後部取り付け用レール（４０、４２）よりも厚く、
   前記シールド（４４）は、前記両方のレールより半径方向外側に伸びており、
   前記バックシート（３８）の半径方向内側の表面は、前記後部取り付け用レール（４２）のみから半径方向外側に凹んでおり、
   前記シュラウドは更に、前記レール間で前記バックシートの半径方向内側の表面に固定して接合されたすり材を含んでなるシュラウド。
2. 前記シールドが前記レール間で軸方向に、かつそれらに沿って円周方向に伸びており、前記ブレードのひとつがシールドに向けて放出された際にエネルギーを消散するような厚さである、請求項１記載のシュラウド。
3. 前記シールドが前記レール間で軸方向に、かつそれらに沿って円周方向に連続であり、前記厚さが一定である、請求項２記載のシュラウド。
4. 前記後部レールが前記前部レールより厚い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシュラウド。
5. 前記ケースと組み合わせられており、前記ケースが、前記シールドの半径方向外側で、全体として、前記放出されたブレードを封じ込めるためにエネルギーを消散するような厚さである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシュラウド。
6. 前記ケースが前記前部および後部レールとそれぞれ係合するように半径方向内側に伸びる前部および後部フックを含んでおり、さらに前記レールを前記フック上に保持する手段も含んでいる、請求項５記載の組み合わせ。
7. 前記バックシートが一体型のシート金属であり、前記シールドが前記前部レールより少なくとも３倍厚い、請求項５又は６記載の組み合わせ。
8. 低圧タービンをレトロフィットしてそのブレード封込め強度を増大させる方法であって、前記ケースの厚さを変更することなく、より薄いシュラウドをより厚い請求項４記載のシュラウドと交換することからなる方法。

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