JP4671516B2

JP4671516B2 - タービン・シュラウド内の温度勾配を最小にする方法と装置

Info

Publication number: JP4671516B2
Application number: JP2001065848A
Authority: JP
Inventors: フレデリック・ジョセフ・ゼガルスキー; ジョン・シェリル・カーペンター
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: DE60118300T2; DE60118300D1; EP1132576A2; JP2001271607A; EP1132576A3; EP1132576B1; US6341938B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全般的にガスタービン機関、更に具体的に言えば、低圧タービン・シュラウドを含むガスタービン機関に関する。
【０００２】
【発明の背景】
典型的には、ガスタービン機関は燃焼器集成体、高圧タービン及び低圧タービンを含む。公知の機関では、燃焼器集成体と高圧及び低圧タービンが機関ケーシング内に配置されている。複数個の静止シュラウドが突き合わせになって、機関ケーシング内で低圧タービンの周りに円周方向に配置されたリング・シュラウドを形成する。各々の静止シュラウドが後板、及び後板に取付けられた削摩可能な材料を持っている。削摩可能な材料は、後板に互って種々の厚さを持っている。厚さが厚い区域は、高温燃焼ガスが隣接する静止シュラウドの間を流れて、機関ケーシングに当たるのを防止する封じとなる。更に、厚さが厚い区域が、隣り合う低圧固定子及び回転子集成体の間を軸方向に伸び、この回転子及び固定子集成体の間に軸方向の隙間を保つ。
【０００３】
運転中、空気及び燃料が燃焼器内で混合され、点火される。高温ガスが燃焼器を出て、低圧タービンに流れるとき、低圧タービンを取囲む静止シュラウドが機関ケーシングを高温ガスから遮蔽する。削摩可能な材料の厚さが後板の下流側に互って変化するので、後板に互る熱応答速度が、削摩可能な材料の厚さに対して変化する。その結果、後板に互って、並びに後板と削摩可能な材料の間で温度勾配が発生する。この勾配は機関がアイドリング時の出力運転から離陸時の出力運転まで加速する間に優勢となる。時間が経つと、この温度勾配が熱応力を誘起し、シュラウドの低サイクル疲労を招くことがある。熱応力は、後板材料を弱くして、後板の最終的な破損につながることがある。このような後板の破損があると、燃焼器を出ていく高温ガスが前には遮蔽されていた回転子集成体、固定子集成体及び機関ケーシングに当たることがある。
【０００４】
【発明の概要】
実施例では、ガスタービン機関内に配置された低圧タービン・シュラウドが、機関の運転中の温度勾配を最小限に抑える。シュラウドが、後板、及び後板に取付けられた削摩可能な材料を含む。後板が上流側の端、下流側の端、及び上流側及び下流側の端の間を伸びる本体を有する。本体が第１の部分及び第２の部分を有する。第１の部分が上流側の端から本体の第２の部分まで伸び、第２の部分が下流側の端まで伸びる。本体の第１の部分が第１の厚さを持ち、本体の第２の部分が第２の厚さを持っている。削摩可能な材料が後板の内面に取付けられ、削摩可能な材料の残りのセグメントより大きい厚さを持つ少なくとも１つのセグメントを含んでいる。
【０００５】
機関の運転中、高温燃焼ガスが低圧タービンに入るが、シュラウドによって、低圧タービンを取囲む機関ケーシングから遮蔽される。後板の内、厚さを厚くした区域は、後板の熱応答速度を下げ、その為、後板の本体の第１の部分の熱応答速度は、後板の本体の第２の部分の熱応答速度と大体等しくなる。その結果、後板に互る温度勾配が小さくなる。
【０００６】
【発明の詳しい説明】
図１は低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器集成体１６を含むガスタービン機関１０の略図である。機関１０は高圧タービン１８及び低圧タービン２０をも含む。圧縮機１２及び低圧タービン２０が第１の軸２４によって結合され、圧縮機１４及び高圧タービン１８が第２の軸２６によって結合される。１実施例では、機関１０は、オハイオ州シンシナチのゼネラル・エレクトリック社のエアクラフト・エンジンズ事業部から入手し得るＧＥ９０機関である。
【０００７】
動作について説明すると、機関１０の入口側２８から低圧圧縮機１２に空気が流れ、圧縮空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気が燃焼器集成体１６に送り出され、そこで燃料と混合されて点火される。燃焼ガスが燃焼器１６を通って、タービン１８及び２０を駆動する為に使われる。
【０００８】
図２は、低圧タービン２０の一部分の断面図である。タービン２０が、固定子集成体（図に示していない）及び回転子集成体（図に示していない）を円周方向に取囲む外側ケーシング（図に示していない）を持っている。複数個のシュラウド・セグメント４０が外側ケーシングから半径方向内側に配置されている。シュラウド・セグメント４０が低圧タービンの外側ケーシングと円周方向に接触して、静止リング・シュラウド（図に示していない）を形成する。各々のシュラウド・セグメント４０が後板４２を含む。
【０００９】
後板４２が上流側の端４４、下流側の端４６、及びその間を伸びる本体４８を含む。上流側の端４４が本体４８から半径方向内向きに伸びて、フランジ５０を形成する。フランジ５０は環状であって、後板の上流側の端４４を構造ケース（図に示していない）に取付けることが出来るようにする。下流側の端４６が本体４８から軸方向下流側に伸びて、フランジ５２を形成する。フランジ５２は環状であって、下流側の端４６を構造ケースに取付けることが出来るようにする。後板４２は外面５４及び内面５６をも有する。外面及び内面５４、５６が後板４２の上を伸びていて、半径方向内側の縁５８及び半径方向外側の縁６０で接続されている。
【００１０】
後板の本体４８は円錐形であって、上流側の端４４及び下流側の端４６の間を略平面状に伸びる。第１のベンド７０が後板の上流側の端４４及び後板の本体４８の間を伸びており、第２のベンド７２が後板の下流側の端４６及び後板の本体４８の間を伸びている。後板の本体４８が第１の部分７４及び第２の部分７６を有する。本体の第１の部分７４がベンド７０から本体の第２の部分７６まで伸び、本体の第２の部分７６が本体の第１の部分７４から第２のベンド７２まで伸びる。
【００１１】
後板の本体の第１の部分７４が第１の厚さＴ₁を持ち、後板の本体の第２の部分７６が、厚さＴ₁より小さい厚さＴ₂を有する。本体の第１の部分７４は第１のベンド７０からテーパが付けられていて、本体の第２の部分７６に向かって先細になっている。別の材料７８が本体の外面５４に取付けられる為、本体の第１の部分の厚さＴ₁は厚さＴ₂より大きい。１実施例では、別の材料７８は、後板の本４８にらう付けされる材料のストリップである。この代わりに、別の材料７８は後板４２と一体に形成される。別の材料７８は、後板４２を作るのに使われる材料に固有の材料特性及び性質と略同様な固有の材料特性及び性質を持っている。具体的に言うと、別の材料７８は、後板４２を作るのに使われる材料と略同様な平均熱膨脹係数を持っている。後板４２を製造するのと同じ材料を別の材料７８に使うことにより、異質金属のバイメタル・ストリップで起こるような問題が防止される。１実施例では、後板４２は、ＭＡＲ−Ｍ−５０９キャスト・アロイで作られる。
【００１２】
本体の第１の部分の別の材料７８は、テーパ付きの前縁８０及びテーパ付きの後縁８２を有する。テーパ付きの前縁及び後縁８０、８２は、別の材料７８を後板の本体４８に取付けた結果として、後板の本体４８内に誘起されるかもしれない応力集中を少なくする。
【００１３】
削摩可能な材料９０が、後板の内面５６に取付けられて、後板の内面５６から下流側に伸びる軸方向部分９２及び９４を含む。軸方向部分９４が後板の内面５６に取付けられる。軸方向部分９２が第１の部分９６、第２の部分９８及び第１の部分９６と第２の部分９８の間を伸びる第３の部分１００を有する。軸方向部分の第１の部分９６が後板の上流側の端４４及び後板の本体４８のセグメント１１０に取付けられる。軸方向部分の第２の部分９８が後板の本体４８のセグメント１１４に取付けられる。軸方向部分の第３の部分１００が、後板の本体セグメント１１０及び１１４の間の配置された後板の本体４８のセグメント１１２に取付けられる。後板の本体４８の第１の部分７４が本体のセグメント１１２と重なる。
【００１４】
軸方向部分の第１の部分９６が後板の内面５６及び削摩可能な材料９０の内面１２０の間で最小の厚さＴ₃を有する。厚さＴ₃は、軸方向部分の第１の部分９６に互って略一様である。軸方向部分の第２の部分９８の厚さが、厚さＴ₃から、頂点１２４に於ける厚さＴ₄まで徐々に増加する。軸方向部分の第３の部分１００が、後板の内面５６と第３の部分１００内に設けられた頂点１２２の間で厚さＴ₅を有する。第３の部分の厚さＴ₅は厚さＴ₃及び厚さＴ₄よりも厚手である。
【００１５】
第３の部分１００は普通はランドと呼ばれ、円筒形である。第３の部分１００が低圧タービンの回転子及び固定子部分（図に示していない）の間を軸方向に伸び、削摩可能な材料９０と関連する回転子の先端の間での高温ガスの流れを最小限に抑える密封作用をする。更に、第３の部分１００は、固定子及び回転子部分の間の隙間を保ちながら、関連する低圧タービンの固定子及び回転子部分の間の相対的な軸方向の動きに対処する。
【００１６】
運転中、空気が機関１０（図１に示す）に入り、圧縮機１２及び１４（図１に示す）の中を流れる。高圧圧縮機１４から出た空気が燃焼器集成体１６（図１に示す）に入り、燃料と混合されて、点火される。高温燃焼ガスが高圧タービン１８（図１に示す）を通って低圧タービン２０（図１に示す）に流れる。静止リング・シュラウドの遮蔽体は、高温燃焼ガスが外側機関ケーシングに当たることを防止する。更に、削摩可能な材料が回転子及び固定子集成体の間を軸方向に伸びていて、集成体の間に隙間を作ると共に、回転子集成体と接触出来るようにする界面を形成する。
【００１７】
高温燃焼ガスからの熱が後板４２及び削摩可能な材料９０に当たる。後板の別の材料７８は、別の材料７８がない場合に、後板４２内で起こり得る過渡的な熱応力を小さくする。後板の本体の厚さＴ₁が削摩可能な材料のセグメント１１０及び１１２に互って拡がり、また厚さＴ₂が削摩可能な材料のセグメント１１２及び１１４の一部分に互って拡がる。高温燃焼ガスが後板４２に当たるとき、厚さＴ₁は後板の本体の第１の部分７４の熱応答速度を下げて、後板の本体の第１の部分７４の応答速度が、後板の本体の第２の部分７６の熱応答速度と大体等しくなるようにする。その結果、後板４２に互る過渡的な勾配が小さくなり、こうして機関の運転中の潜在的な温度勾配を小さくする。
【００１８】
図３は、削摩可能な材料９０の拡大端面図である。削摩可能な材料９０は、複数個の薄い波形ストリップ１３０をハネカム形１３２に組合わせて形成される。ハネカム形１３２が複数個のセル１３４及び各セル１３４を隔てる複数個のセル壁１４４を含む。１実施例では、セル１３４は六角形である。この代わりに、セル１３４が円形、三角形、矩形、五角形又はその他の形であってよい。各々のセル１３４は、直径上で向かい合ったセル壁１３４の間で各々のセル１３４を測ったとき、０．０６２５吋より大きい幅１４６を持っている。１実施例では、幅１４６は約０．１吋から約０．１５吋までの範囲内にある。別の実施例では、幅１４６は約０．１２５吋である。セル幅１４６は削摩可能な材料９０の固さを減ずる。その結果、機関の運転中、セル１３４は、低圧回転子（図に示していない）の擦れのきびしさを減じ、削摩可能な材料９０の軸方向長さの範囲内の後板４２の熱応答速度を更に改善する。その結果、後板４２の温度勾配が更に減少する。
【００１９】
上に述べた後板はコスト効果があって信頼性が高い。後板が、第１の部分及び第２の部分を含む円錐形本体を有する。本体の第１の部分には、別の材料が取付けられていて、第１の部分が第２の部分の厚さよりも大きな厚さを持つようになっている。更に、削摩可能な材料が後板の内面から伸びている。削摩可能な材料は、削摩可能な材料の他のセグメントの厚さよりも大きな厚さを持つ少なくとも１つのセグメントを持っている。運転中、後板の厚さを厚くしたことにより、後板の本体の第１の部分の熱応答速度が低くなり、後板の本体の第１の部分の熱応答速度が、後板の本体の第２の部分の熱応答速度と大体等しくなる。更に、削摩可能な材料のセルの寸法を大きくしたことにより、これより小さいセルを持つ削摩可能な材料を持つ後板に比べて、この後板は高い金属温度で動作することが出来る。削摩可能な材料のセル幅を大きくした為に、削摩可能な材料の厚さを一層薄くした箇所に於ける後板の温度は、これより厚手の削摩可能な材料の区域と比べて、増加がそれ程目立たない。その結果、後板の温度勾配が減少し、低圧タービンが一層長い動作寿命で動作出来るようにするシュラウドが提供される。
【００２０】
本発明を種々の特定の実施例について説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲内で、本発明を変更して実施することが出来ることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン機関の略図。
【図２】図１に示したガスタービン機関に含まれるタービン・シュラウドの断面図。
【図３】図２に示したタービン・シュラウドに接続される削摩可能な材料の拡大端面図。
【符号の説明】
２０低圧タービン
４０シュラウド・セグメント
４２後板
４４上流側の端
４６下流側の端
４８本体
５４外面
５６内面
７４後板の本体の第１の部分
７６第２の部分
９０削摩可能な材料

Claims

回転子を含む低圧タービン（２０）及び少なくとも１つのシュラウドを含んでいて、前記低圧タービンが前記シュラウドよりも半径方向内側に配置されており、該シュラウドは複数個のシュラウド・セグメント（４０）を持ち、各々のシュラウド・セグメントが後板（４２）及び該後板に取付けられた削摩可能な材料（９０）を持っており、前記後板が内面（５６）、外面（５４）、上流側の端（４４）、下流側の端（４６）及び前記上流側の端及び下流側の端の間を伸びる本体（４８）を含んでおり、前記内面及び外面が前記後板の上を伸びており、前記後板の本体は第１の部分（７４）及び第２の部分（７６）を持ち、該第１の部分が上流側の端から本体の第２の部分まで伸び、前記第２の部分が本体の第１の部分から後板の下流側の端まで伸びているようなガスタービン機関（１０）を組立てる方法に於て、
各々の後板の本体の第１の部分が第１の厚さ（Ｔ₁）を持ち、且つ各々の後板の本体の第２の部分が第２の厚さ（Ｔ₂）を持つように複数個の後板を作る工程と、
各々の後板の内面に削摩可能な材料を取付けて回転子との界面を形成する工程と、
前記シュラウド・セグメントを組立てて、前記低圧タービンの回転子より半径方向外側に配置された環状配列を形成する工程と、
を含み、
前記複数個の後板（４２）を作る工程が、更に、本体の第１の部分（７４）が本体の第２の部分（７６）より厚手になるように後板を作る工程を含む
ことを特徴とする、方法。
前記削摩可能な材料（９０）を取付ける工程が、更に、削摩可能な材料が第３の厚さ（Ｔ₃）を持つ第１の部分（１１０）、第４の厚さ（Ｔ₄）を持つ第２の部分（１１２）及びその間を伸びていて、前記第３の厚さ及び前記第４の厚さより大きい第５の厚さ（Ｔ₅）を持つ第３の部分（１１４）を持つように、前記削摩可能な材料を取付ける工程を含む請求項１記載の方法。
前記削摩可能な材料（９０）を取付ける工程が、更に、前記削摩可能な材料の第３の部分（１１４）を後板の本体の内面（５６）に取付ける工程を含む請求項２記載の方法。
ガスタービン機関（１０）に対するタービン・シュラウドであって、
上流側の端（４４）、下流側の端（４６）及びその間を伸びる本体（４８）を有する後板（４２）を持ち、該本体は第１の部分（７４）及び第２の部分（７６）を有し、該第１の部分は前記上流側の端から前記第２の部分まで伸び、前記第２の部分は前記第１の部分から前記下流側の端まで伸び、前記第１の部分が第１の厚さ（Ｔ₁）を持ち、前記第２の部分が第２の厚さ（Ｔ₂）を持ち、更に前記後板が外面（５４）及び内面（５６）を有し、該外面及び内面が前記後板の上を伸びており、
前記タービン・シュラウドは、更に前記後板の内面に取付けられた削摩可能な材料（９０）を有し、
前記本体の第１の厚さ（Ｔ ₁ ）が前記本体の第２の厚さ（Ｔ ₂ ）より大きいことを特徴とする、タービン・シュラウド。
前記削摩可能な材料（９０）が第１の部分（１１０）、第２の部分（１１２）及びその間を伸びる第３の部分（１１４）を有し、該第３の部分は第３の厚さ（Ｔ₃）を持ち、前記第２の部分は第４の厚さ（Ｔ₄）を持ち、前記第１の部分は第５の厚さ（Ｔ₅）を持ち、前記第３の厚さが前記第４の厚さ及び前記第５の厚さよりも大きい請求項４記載のタービン・シュラウド。
ガスタービン機関であって、
低圧タービン（１８）及び該低圧タービンより半径方向外側に配置されるタービン・シュラウド（４０）を有し、該シュラウドは後板（４２）及び該後板に取付けられた削摩可能な材料（９０）で構成されており、前記後板は上流側の端（４４）、下流側の端（４６）、及びその間を伸びる本体（４８）を有し、該本体は第１の部分（７４）及び第２の部分（７６）を有し、前記第１の部分は前記上流側の端から前記第２の部分まで伸び、前記第２の部分は前記第１の部分から前記下流側の端まで伸び、前記第１の部分は第１の厚さ（Ｔ₁）を持ち、前記第２の部分は第２の厚さ（Ｔ₂）を持ち、更に前記後板は外面（５４）及び内面（５６）を有し、該外面及び内面が前記後板の上を伸びており、
前記後板の本体の第１の厚さ（Ｔ ₁ ）が前記後板の本体の第２の厚さ（Ｔ ₂ ）より大きいことを特徴とする、ガスタービン機関。
前記低圧タービン・シュラウドの削摩可能な材料（９０）が第１の部分（１１０）、第２の部分（１１２）及びその間を伸びる第３の部分（１１４）を有し、該第３の部分は第３の厚さ（Ｔ₃）を持ち、前記第２の部分は第４の厚さ（Ｔ₄）を持ち、前記第１の部分は第５の厚さ（Ｔ₅）を持ち、前記第３の厚さが前記第４の厚さ及び前記第５の厚さよりも大きく、前記第３の部分が前記後板の本体の内面に取付けられている請求項６記載のガスタービン機関。