JP4890145B2 - 熱的にコンプライアントなタービンシュラウドアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービン構成要素に関し、より詳細には、タービンシュラウドおよび関連ハードウェアに関する。

ガスタービンエンジンは、これらのガスからエネルギーを効率的に生成および抽出するために、高温で動作させることが望ましい。ガスタービンエンジンのある種の構成要素、たとえば静止側シュラウドとそれらの支持構造は、燃焼ガスの加熱されたストリームにさらされる。シュラウドは１次ガス流温度に耐えるように構築されるが、その支持構造は、そのように構築されず、１次ガス流温度から保護しなければならない。そのために、２次流路と１次流路の間で陽差圧（positive pressure difference）が維持される。これは、逆流マージンまたは「ＢＦＭ（back flow margin）」と表される。陽性ＢＦＭは、どの漏れ流も確実に非流路エリアから流路に移動し、他方の方向で移動しないようにする。

従来技術のタービン設計では、上述のシュラウド、リテーナ、支持部材など様々なアーチ形フィーチャは、低温（すなわち、室温）組立て条件下で、それらの界面部において整合周縁曲率を有するように設計される。高温エンジン動作条件の間、シュラウドおよびハンガは加熱され、それら自体の温度応答に従って膨張する。シュラウド温度はハンガ温度よりはるかに高く、シュラウドセグメントはハンガセグメントまたはリングより小さいことがあるため、シュラウドセグメントの曲率は、定常状態の高温動作条件下で、界面部においてハンガ曲率より大きく、それと異なるように膨張することになる。さらに、シュラウド内での温度勾配がハンガ内より大きく、シュラウドがよりたわむ、またはコーディング（cording）する。

シュラウド支持レールとハンガ支持レールの間の、界面部におけるこれらの曲率差のため、ハンガ支持レールとシュラウド支持レールの間で漏れ間隙（leakage gap）が形成され、それによりシュラウド後縁部で冷却空気の過大な漏れが引き起こされ、シュラウド前縁部でＢＦＭが低下する可能性があり、高温の流路ガスを局所的に吸い込む危険が著しく高まる。また、これらの曲率の偏差は、高温条件でシュラウドに対して応力を生み出す可能性があり、シュラウドの寿命を低下させる。
米国特許第６３５４７９５号公報

したがって、高温動作条件でシュラウド支持レールとハンガ支持レールの間の曲率偏差を低減することができ、シュラウドとハンガ双方の耐久性に対する悪影響の危険を最小限に抑えるシュラウド設計が求められている。

上述の必要は本発明によって満たされ、本発明は、一態様によれば、高温動作条件で、その低温組立て条件における温度より実質的に温度が高いガスタービンエンジン用のシュラウドアセンブリであって、回転タービンブレードの列を囲むように適合され、アーチ形の、軸方向で延びる取付けフランジを有する少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメントと、取付けフランジと対合関係で配置された、アーチ形の、軸方向で延びるフックを有するシュラウドハンガとを含むシュラウドアセンブリを提供する。シュラウドセグメントとシュラウドハンガのうち１つの寸法は、高温動作条件において、それらの間で整合界面を作り出すように選択される。

本発明の他の態様によれば、ガスタービンエンジン用のシュラウドアセンブリを構築する方法が以下のステップ、すなわち、回転タービンブレードの列を囲むように適合された少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメントであって、周囲温度で第１の低温曲率を有し且つ前記周囲温度より実質的に高い動作温度で第１の高温曲率を有する、アーチ形の、軸方向で延びる取付けフランジを備える前記シュラウドセグメントを準備するステップと、前記周囲温度で第２の低温曲率を有し且つ前記動作温度で第２の高温曲率を有する、アーチ形の、軸方向で延びるフックを備え、該フックが前記取付けフランジと対合関係で配置されたシュラウドハンガを準備するステップと、前記第１および第２の高温曲率が前記シュラウドセグメントと前記シュラウドハンガの間で、予め選択された寸法関係を規定するように、前記第１および第２の低温曲率を選択するステップと、を含む。

本発明は、添付の図面と共に以下の説明を参照することによって、最もよく理解することができる。

同一の符号が様々な図全体にわたって同じ要素を示す諸図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンの高圧タービン（ＨＰＴ）１０の一部分を示す。ＨＰＴ１０は、エンジンケーシング１２内で配置されたいくつかのタービン段を含む。図１に示されているように、ＨＰＴ１０は２つの段を有するが、異なる数の段が可能である。第１のタービン段は、エンジンの中心線軸「Ｃ」の周りで回転する第１段ディスク１８から径方向で外向きに延びる複数の、円周方向で離隔された第１段ブレード１６を有する第１段ロータ１４と、燃焼ガスを第１段ロータ１４内に流すための静止側第１段タービンノズル２０とを含む。第２のタービン段は、エンジンの中心線軸の周りで回転する第２段ディスク２６から径方向で外向きに延びる複数の、円周方向で離隔された第２段ブレード２４を有する第２段ロータ２２と、燃焼ガスを第２段ロータ２２内に流すための静止側第２段ノズル２８とを含む。複数のアーチ形第１段シュラウドセグメント３０は、第１段ブレード１６を近接して囲み、それにより第１段ロータ１４を流通する高温燃焼ガス用の外部径方向流路境界を画定するように、環状アレイで円周方向に配列される。

複数のアーチ形第２段シュラウドセグメント３２は、第２段ブレード２４を近接して囲み、それにより第２段ロータ２２を流通する高温燃焼ガス用の外部径方向流路境界を画定するように、環状アレイで円周方向に配列される。シュラウドセグメント３２とそれらの支持ハードウェアは、本明細書では「シュラウドアセンブリ」３３と称する。

図２は、従来技術のシュラウドアセンブリ３３をより詳しく示す。「シュラウドハンガ」３４と称する支持構造がエンジンケーシング１２に取り付けられ（図１参照）、第２段シュラウドセグメント３２をケーシング１２に保持する。シュラウドハンガ３４は、一般にアーチ形であり、長手方向部材４１によって連結された、離隔された前方および後方の径方向で延びるアーム３８および４０をそれぞれ有する。シュラウドハンガ３４は、単一の連続する３６０°構成要素とすることも、２つ以上のアーチ形セグメントに分割することもできる。アーチ形前方フック４２は、前方アーム３８から軸方向で後方に延び、アーチ形後方フック４４は、後方アーム４０から軸方向で後方に延びる。

各シュラウドセグメント３２は、径方向で外向きに延びる前方レール４８および後方レール５０をそれぞれ有するアーチ形ベース４６を含む。前方取付けフランジ５２は、各シュラウドセグメント３２の前方レール４８から前方に延び、後方取付けフランジ５４は、各シュラウドセグメント３２の後方レール５０から後方に延びる。シュラウドセグメント３２は、ガスタービンエンジン内の高い動作温度で許容される強度を有する、ニッケルをベースとする超合金など好適な超合金の一個構成鋳鋼として形成することができる。前方取付けフランジ５２は、シュラウドハンガ３４の前方フック４２に係合する。各シュラウドセグメント３２の後方取付けフランジ５４は、シュラウドハンガ３４の後方フック４４と並設され、一般に「Ｃクリップ」５６と称する複数の保持部材によって定位置に保持される。

Ｃクリップ５６は、内部アーム５８および外部アーム６０をそれぞれ有する、それぞれがＣ字形断面を有するアーチ形部材であり、内部アーム５８および外部アーム６０は、シュラウドセグメント３２の後方端をシュラウドハンガ３４に対して定位置に固定するように、後方取付けフランジ５４および後方フック４４にぴったり重なり合う。これらは単一の連続するリングとして形成することができるが、Ｃクリップ５６は、典型的には、熱膨張に対処するように分割される。典型的には、１つのＣクリップ５６は、シュラウド全体に加えて、隣接する各シュラウドの２分の１を固定する。この場合には、Ｃクリップ５６の２倍の数のシュラウドセグメント３２がある。

図３は、シュラウドセグメント３２の後方部分の拡大図であり、様々な構成要素の半径を示す。「Ｒ１」は、Ｃクリップ５６の内部アーム５８の外側半径である。「Ｒ２」は、シュラウドセグメント３２の後方取付けフランジ５４の内側半径であり、「Ｒ３」はその外側半径である。「Ｒ４」は、シュラウドハンガ３４の後方フック４４の内側半径であり、「Ｒ５」はその外側半径である。最後に、「Ｒ６」は、Ｃクリップ５６の外部アーム６０の内側半径である。これらの半径は、様々な構成要素間で界面６２、６４、６６を画定する。たとえば、下部Ｃクリップアーム５８の半径「Ｒ１」と、後方取付けフランジ５４の「Ｒ２」は、界面６２で出会う。

図４Ａは、低温（すなわち、室温）組立て条件でのこれらの界面６２、６４、６６の曲率の関係を示す。諸曲率は、この条件で、予め選択された寸法関係になるように設計される。本明細書では、「予め選択された寸法関係」という用語は、構成要素間の特定の所期の関係が、指定された径方向間隙であろうと、構成要素間の間隙が公称ゼロである「整合界面」であろうと、指定された量の径方向干渉であろうと、その関係がその界面部で多少とも一貫して当てはまることを意味する。たとえば、図４Ａでは、後方取付けフランジ５４および後方フック４４に所定の締付け力をもたらすために、既知の工学原理に従って、界面６２および６６の周縁の周りの各点で、予め選択された径方向干渉がある。界面６４は、半径Ｒ３が半径Ｒ４に等しい点で「整合界面」である。「曲率」という用語を使用し、直線からの偏差を指すこと、また曲率の大きさは、ある構成要素または構成要素のフィーチャの円半径に反比例することに留意されたい。

図４Ｂは、低温組立て条件から高温エンジン動作条件への界面６２、６４、６６の変化を示す。動作温度、たとえば約５３８℃（１０００°Ｆ）から約９８２℃（１８００°Ｆ）のバルク材料温度では、シュラウドセグメント３２、シュラウドハンガ３４、Ｃクリップ５６のすべてが加熱され、それら自体の温度応答に従って膨張する。シュラウド温度は、ハンガ温度よりはるかに高く、シュラウドセグメント３２は、ハンガセグメントまたはリングよりはるかに小さいため、シュラウドセグメント３２の曲率は、定常状態の高温動作条件下で、界面６４部においてハンガ曲率より大きく、それと異なるように膨張することになる。さらに、シュラウドセグメント３２内での温度勾配がハンガ内より大きい。その結果、シュラウドセグメント３２とその後方取付けフランジ５４は、Ｃクリップ５６または後方フック４４よりはるかに大きい程度で、扁平な形状に膨張しその半径を増す傾向がある（「コーディング」と称する現象）。これにより、界面６４部において、シュラウド後方取付けフランジ外部半径とシュラウドハンガ後方フック内部半径との間で、間隙「Ｇ」が形成される。この間隙Ｇは、おそらくは高温ガスが非流路領域内に吸い込まれる点まで、過大な漏れを許し、許容されるＢＦＭを低下させる可能性がある。

図５は、本発明に従って構築されたシュラウドアセンブリ１３３を示す。シュラウドアセンブリ１３３は、大抵の態様において従来技術のシュラウドアセンブリ３３と実質的に同一であり、長手方向部材１４１によって連結された、離隔された前方および後方の径方向で延びるアーム１３８および１４０をそれぞれ有する「シュラウドハンガ１３４」と、アーチ形の前方フック１４２および後方フック１４４とを含む。シュラウドセグメント１３２は、前方取付けフランジ１５２および後方取付けフランジ１５４をそれぞれ担持する前方レール１４８および後方レール１５０を有するアーチ形ベース１４６を含む。前方取付けフランジ１５２は、シュラウドハンガ１３４の前方フック１４２に係合する。シュラウドセグメント１３２は、それぞれが内部アーム１５８および外部アーム１６０をそれぞれ有する複数の「Ｃクリップ」１５６によって定位置に保持される。

シュラウドアセンブリ１３３は、主にシュラウドセグメント１３２、シュラウドハンガ１３４、およびＣクリップ１５６のある種の寸法の選択においてシュラウドアセンブリ３３と異なり、これらの寸法は、これらの構成要素間の界面１６２、１６４、１６６に影響を及ぼす（図６Ａおよび図６Ｂ参照）。

図６Ａは、これらの界面１６２、１６４、１６６の「低温曲率」とも称される、低温（すなわち、周囲環境温度）組立て条件におけるそれらの曲率の関係を示す。界面の「高温」曲率は、予想される高温エンジン動作条件で、予め選択された寸法関係を達成するように選択され、これらが、各構成要素の熱成長差に基づいて、低温組立て条件で意図的に「不整合化」または「補正」されることを意味する。具体的には、シュラウド後方取付けフランジ１５４の外部表面の曲率は、低温条件において、ハンガ後方フック１４４の曲率より大きい。

動作温度、たとえば約５３８℃（１０００°Ｆ）から約９８２℃（１８００°Ｆ）のバルク材料温度では、シュラウドセグメント１３２とその後方取付けフランジ１５４は高温となり、シュラウドハンガ後方フック１４４より大きく膨張し、それらの間の界面１６４が、従来技術におけるものより「整合」されることに近づくものとなる。上記で指摘したように、本明細書では、「整合界面」という用語は、構成要素間の間隙が公称ゼロであることを意味する。本明細書で述べられている原理はまた、他の種類の寸法関係にも使用することができる。たとえば、予め選択された寸法関係は、指定された径方向間隙、または指定された量の径方向干渉とすることができる。図６Ｂに示されているように、より整合された界面１６４は、図４Ｂでわかる間隙「Ｇ」を実質的に減少させる、またはなくすることになり、したがって、最も広く行き渡っているエンジン動作条件において、より良好な封止を形成し、漏れ流を低下させる。これは、海洋および産業応用分野で使用されるものなど、産業用、高温適時のエンジンにおいて特に重要である。

この補正は、異なる方法によって達成することができる。どのような場合でも、シュラウドアセンブリ１３３の高温挙動をモデル化する好適な手段を使用し、構成要素が高温動作条件に加熱されたときの構成要素の寸法変化をシミュレーションする。次いで、構成要素の低温寸法は、適切な「スタックアップ（stack-up）」または寸法相互関係が高温動作条件で得られるように設定される。

所望の高温スタックアップは、構成要素の単純な、意図的な不整合を介して達成することができる。たとえば、「ベースライン」寸法を有するシュラウドハンガ１３４を有する図のシュラウドアセンブリ１３３では、Ｃクリップ１５６およびシュラウドセグメント１３２は、これらの構成要素が通常そうであるはずのものよりわずかに小さい円半径を有する、異なるエンジンと共に使用することが意図される構成要素を使用することができる。たとえば、シュラウド取付けフランジ１５４の外側半径がシュラウド後方フック１４４の内側半径に等しくなることを意図され、これらの寸法がどちらも、低温組立て条件で約４４．５ｃｍ（１７．５インチ）であるシュラウドアセンブリでは、シュラウド取付けフランジ１５４の外側半径の約２インチから約３インチの減少が、最適な量の「補正」と考えられることになる。これにより、理論的には、シュラウド取付けフランジ１５４の外側半径が、高温動作条件でシュラウド後方フック１４４の内側半径に等しくなることになる。この結果が、図６Ｂに示されているものである。

実際には、高温動作条件で、予め選択された寸法関係を、所望の程度で得ることと、低温組立て条件で、構成要素不整合によって引き起こされた組立て時の難点を管理することの間で、バランスを取らなければならない。また、低温組立て条件において、構成要素応力を許容される制限内で保たなければならない。図の例では、シュラウド取付けフランジ１５４の外側半径は、低温組立て条件で、シュラウド後方フック１４４の内側半径より約１．０２ｍｍ（０．０４０インチ）から約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）小さい。この補正量は、上述の間隙「Ｇ」を完全になくさないが、有益であることが判明している。換言すれば、この例の「予め選択された寸法関係」は、従来技術に対して、間隙「Ｇ」のサイズが縮小されることであろう。

別法として、目的に合うように設計された構成要素を使用することができる。たとえば、シュラウドハンガ後方フック１４４は、その曲率が、低温条件で、シュラウド後方取付けフランジ１５４の曲率より小さくなるように構築することができる。これは、図６Ａに示されているものと同じ、界面１６４の相対「スタックアップ」になるであろう。また、シュラウドハンガ１３４とシュラウドセグメント１３２を共にある程度修正することによって、所望の高温界面整合を達成することができる。

上述の構成および組立て方法により、後縁フック漏れ流が低減される可能性があり、シュラウド逆流マージンが向上される。また、整合界面により、高温エンジン動作条件で、Ｃクリップ応力が低減され、シュラウド応力が低減され、Ｃクリップ歪みが低減される。

ガスタービンエンジン用のシュラウドアセンブリについて述べた。本発明の特定の実施形態について述べられているが、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、様々な修正をそれらに加えることができることが、当業者には明らかとなるであろう。たとえば、本発明は、上記で第２段シュラウドアセンブリに関して詳しく述べられているが、同様な構造を、タービンの他の部分に組み込むことができる。したがって、本発明の好ましい実施形態の前述の説明、および本発明を実施するための最良の形態は、例示のために提供されているにすぎず、限定するために提供されていない。本発明は、特許請求の範囲によって規定される。

本発明のシュラウドアセンブリを組み込む例示的な高圧タービンセクションの横断面図である。 図１のタービンセクションの一部分の拡大図である。 図２の一部分の拡大横断面図である。 図２の線４−４に沿った部分横断面図である。 図２の線４−４に沿った部分横断面図である。 本発明に従って構築されたシュラウドアセンブリの横断面図である。 図５の線６−６に沿った部分横断面図である。 図５の線６−６に沿った部分横断面図である。

符号の説明

１０ 高圧タービン（ＨＰＴ）
１２ エンジンケーシング
１４ 第１段ロータ
１６ 第１段ブレード
１８ 第１段ディスク
２０ 第１段タービンノズル
２２ 第２段ロータ
２４ 第２段ブレード
２６ 第２段ディスク
２８ 第２段ノズル
３０ 第１段シュラウドセグメント
３２ 第２段シュラウドセグメント
３３ シュラウドアセンブリ
３４ シュラウドハンガ
３８ 前方の径方向で延びるアーム
４０ 後方の径方向で延びるアーム
４１ 長手方向部材
４２ アーチ形前方フック
４４ アーチ形後方フック
４６ アーチ形ベース
４８ 径方向で外向きに延びる前方レール
５０ 径方向で外向きに延びる後方レール
５２ 前方取付けフランジ
５４ 後方取付けフランジ
５６ Ｃクリップ
５８ 内部アーム
６０ 外部アーム
Ｒ１ Ｃクリップ５６の内部アーム５８の外側半径
Ｒ２ シュラウドセグメント３２の後方取付けフランジ５４の内側半径
Ｒ３ シュラウドセグメント３２の後方取付けフランジ５４の外側半径
Ｒ４ シュラウドハンガ３４の後方フック４４の内側半径
Ｒ５ シュラウドハンガ３４の後方フック４４の外側半径
Ｒ６ Ｃクリップ５６の外部アーム６０の内側半径
６２ 界面
６４ 界面
６６ 界面
Ｇ 間隙
１３２ シュラウドセグメント
１３３ シュラウドアセンブリ
１３４ シュラウドハンガ
１３８ 離隔された前方の径方向で延びるアーム
１４０ 離隔された後方の径方向で延びるアーム
１４１ 長手方向部材
１４２ アーチ形前方フック
１４４ アーチ形後方フック
１４６ アーチ形ベース
１４８ 前方レール
１５０ 後方レール
１５２ 前方取付けフランジ
１５４ 後方取付けフランジ
１５６ Ｃクリップ
１５８ 内部アーム
１６０ 外部アーム
１６２ 界面
１６４ 界面
１６６ 界面

Claims (9)

1. 高温動作条件で、その低温組立て条件における温度より温度が高いガスタービンエンジン用のシュラウドアセンブリ（１３３）において、
   回転タービンブレードの列を囲むように適合された少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメント（１３２）であって、前記シュラウドセグメント（１３２）が、アーチ形の、軸方向で延びる取付けフランジ（１５４）を有するシュラウドセグメントと、
   前記取付けフランジ（１５４）と対合関係で配置された、アーチ形の、軸方向で延びるフック（１４４）を有するシュラウドハンガ（１３４）と
   を備え、
   前記対合関係は、前記低温組立て条件下では、前記取付けフランジ及び前記フックの周方向中央位置で前記取付けフランジ及び前記フックが接する関係であり、
   前記取付けフランジ及び前記フックは、該取付けフランジ及び前記フックの間に半径方向間隙を形成し、該半径方向間隙は、前記低温組立て条件下で前記中央位置から周方向に離れた位置にあり、
   前記シュラウドハンガ（１３４）および前記シュラウドセグメント（１３２）が、前記高温動作条件で熱膨張を受け、前記シュラウドセグメント（１３２）とシュラウドハンガ（１３４）のうち１つの寸法が、前記高温動作条件において前記取付けフランジ（１５４）の外側半径と前記フック（１４４）の内側半径とが等しくなるように選択されるシュラウドアセンブリ。
2. 前記予め選択された寸法関係が、前記フック（１４４）と前記取付けフランジ（１５４）の対合部分間の、予め選択された量の径方向干渉を含む、請求項１記載のシュラウドアセンブリ（１３３）。
3. 前記予め選択された寸法関係が、前記フック（１４４）と前記取付けフランジ（１５４）の対合部分間の整合界面（１６２、１６４、１６６）を含む、請求項１記載のシュラウドアセンブリ（１３３）。
4. 前記予め選択された寸法関係が、前記フック（１４４）と前記取付けフランジ（１５４）の対合部分間の、予め選択された径方向間隙を含む、請求項１記載のシュラウドアセンブリ（３３）。
5. 前記フック（１４４）および前記取付けフランジ（１５４）と重なり合う内部および外部アーム（１５８、１６０）を有するアーチ形Ｃクリップ（１５６）をさらに備える、請求項１記載のシュラウドアセンブリ（１３３）。
6. 前記フック（１４４）が、第１の曲率半径を有し、
   前記Ｃクリップ（１５６）の前記内部および外部アーム（１５８、１６０）のうち少なくとも１つが、前記第１の曲率半径より小さい第２の曲率半径を有する、請求項５記載のシュラウドアセンブリ（１３３）。
7. 前記取付けフランジ（１５４）が、前記第１の曲率半径より小さい第２の曲率半径を有する、請求項６記載のシュラウドアセンブリ（１３３）。
8. 前記フックが、第１の曲率半径を有し、
   前記取付けフランジ（１５４）が、前記第１の曲率半径より小さい第２の曲率半径を有する、請求項１記載のシュラウドアセンブリ（３３）。
9. ガスタービンエンジン用のシュラウドアセンブリ（１３３）を構築する方法において、
   回転タービンブレード（１６）の列を囲むように適合された少なくとも１つのアーチ形シュラウドセグメント（１３２）であって、周囲温度で第１の低温曲率を有し且つ前記周囲温度より高い動作温度で第１の高温曲率を有する、アーチ形の、軸方向で延びる取付けフランジ（１５４）を備える前記シュラウドセグメント（１３２）を準備し、
   前記周囲温度で第２の低温曲率を有し且つ前記動作温度で第２の高温曲率を有する、アーチ形の、軸方向で延びるフック（１４４）を備え、該フックが前記取付けフランジ（５２、５４）と対合関係で配置されたシュラウドハンガ（１３４）を準備し、
   前記対合関係は、前記低温組立て条件下では、前記取付けフランジ及び前記フックの周方向中央位置で前記取付けフランジ及び前記フックが接する関係であり、前記取付けフランジ及び前記フックは、該取付けフランジ及び前記フックの間に半径方向間隙を形成し、該半径方向間隙は、前記低温組立て条件下で前記中央位置から周方向に離れた位置にあり、前記第１および第２の高温曲率において前記取付けフランジ（１５４）の外側半径と前記フック（１４４）の内側半径とが等しくなるように、前記第１および第２の低温曲率を選択する、方法。
   

Images