JP5210804B2 - タービン段内のロータリングの封止 - Google Patents

Description

本発明は、航空機ターボジェットやターボプロップなどのターボ機械のタービン段内のロータリングの封止に関する。

通常、ターボ機械タービンは、セクタリング内に取り付けられたロータホイールが続く、固定翼の環状列から構成されたノズルを有する少なくとも１つの段を備える。ノズルの下流端部は、半径方向外側に延在してタービンのケーシングに固定する固定手段を支持する環状リムを有する。そこから下流に位置するセクタリングは、断面がＣ形状又はＵ形状の環状係止部材によってタービンケーシングのレールに対して放射状に保持されている上流円筒リングを有する。環状係止部材は、ケーシングレール及びリングの円筒リムに軸方向に係合されている。

リングの円筒リム及びケーシングリールは、一般に、リングのリムとケーシングのレールとを収容する環状空間内へ半径方向外側に延びるタービン流れ部からのガスの流れを制限するように、ノズルの外側リムとリングの上流端部との間に取り付けられた環状シートによって熱的に保護されている。

それにもかかわらず、封止は完全なものではなく、タービン流れ部から到達する高温ガスの漏洩は、ケーシングの固定用フックの温度を上昇させ、これにより、フックを破損させる可能性があるひび割れ又は亀裂を形成させる。

さらに、ノズル翼は、一般に、ターボ機械のコンプレッサから上流で取り込まれた冷却用空気を通過させる流路を含む。

これらの翼の流路を流れる空気を一部取り、この空気をリングの上流リム及びケーシングのレールを収容する環状空間内に再注入してこれらの温度を低下させることが知られている。この空間に空気を注入することはまた、この空間内の圧力を、タービンを通過する燃焼ガスの圧力よりも高く維持し、これにより、環状空間を貫通する上記ガスの量を制限するように機能する。

それにもかかわらず、ノズルの外側リムとリングの上流端部との間の封止が十分なものではない場合には、リングのリムとケーシングのレールとを収容する環状空間内に注入される冷却用空気は、タービン流れ部内へと半径方向内側に通過する傾向があり、したがって、もはやケーシング及びリングの冷却に寄与しない。

本発明の特定の目的は、従来技術のこれらの問題に対処する、簡便で、実効的で、且つ、安価な方法を提供することである。

本発明は、ノズルの外側リムとリングの上流端部との間を半径方向にガスが通過するのを防止するのに簡便で効果的なノズルとセクタリングとの間の封止手段を含むタービン段を提供する。

この目的を達成するために、本発明は、タービンケーシングによって支持されたセクタリング内に取り付けられたロータホイールと、ホイールから上流に位置して固定翼の環状列から構成されたノズルとを備え、ノズルが、その下流端部において、タービンケーシングに固定する固定手段を有する外側環状リムと、ノズルの外側リムとリングとの間で半径方向にガスが通過するのを制限するようにノズルの外側リムとリングの上流端部との間に設けられた封止手段とを含む、ターボ機械のタービン段であって、封止手段は、ノズルの外側リムとリングの上流端部との間に略半径方向に延在する環状シートを備え、環状シートは、その内周及び外周において、ノズルの外側リムの下流面を軸方向に支持する手段と、ノズルの外側リムから軸方向に離隔されてリングの上流端部を軸方向に支持する上記シートの中間環状部とを備え、シートは、リングの上流端部によって軸方向に弾性的に予め圧力が加えられていることを特徴とする、タービン段を提供する。

本発明の封止シートは、その中間環状部がリングの上流端部を弾性的に支持する一方で、その内周及び外周として、ノズルのリムを軸方向に上流方向に支持する。ノズルリム及びリングに対するシートの３つの環状ベアリング領域は、これらの要素間に良好な封止を提供し、これにより、タービン流れ部から外側に向かってリングのリム及びケーシングのレールを収容する環状空間内にガスが通過するのを防止し、また、上記空間から内側に向かってタービン流れ部に空気が漏洩するのも防止する。

リングの上流端部は、シートの中間部を支持し、シート自体は、ノズルのリムを支持し、これにより、シートを屈曲させるように少しの量だけ弾性的に変形させ得る。シートの中間環状部近傍においてノズルの外側リムと封止シートとの間に設けられた軸方向の空間のために、この変形が可能となる。

様々な部品間における熱膨張差にかかわらず、様々な部品の製造許容誤差を吸収し、動作中において上述した３つのベアリング領域が保全されるのを確実にするように、この軸方向への予め加える圧力が決定される。したがって、シートの屈曲変形は、タービンの異なる動作速度によって大きくしたり小さくしたりすることができる。

シートは、例えばリベットによってノズルの外側リムに固定されているのが好ましい。一例として、リムは、その内周を介して、ノズルの外側リムの半径方向内側端部に固定することができる。

本発明の実施形態において、シートは、略平面であり、取り付け位置において、ノズルの外側リムの下流面に対して押圧されており、上記下流面内の環状溝を被覆している。

ノズルの外側リムの下流面内の環状溝は、ノズルのリムとシートの中間環状部との間の軸方向環状空間を画定するように機能し、したがって、シートが屈曲するように弾性的に変形するのを可能とする。この溝は、ノズルと同じ方法で区分けされ、タービンの軸まわりに３６０°にわたって略連続的であってもよく、上記溝の半径方向内側及び半径方向外側においてノズルの外側リムを支持するシートによって閉塞されている。

本発明の他の実施形態において、環状シートは、平面ではなく湾曲しており、上流に面した凹面側部を有する。例えば、環状シートは、開口側が上流を向いているＵ形状又はＶ形状の断面の環状部を備え、この環状部は、リングの上流端部を軸方向に支持しており、ノズルの外側リムの下流面と協働して環状空間を画定する。

封止シートは、ノズルと同じ方法で区分けされ、タービンの軸まわりに３６０°にわたって延在してもよい。シートは、金属から作られているのが好ましい。

本発明はまた、上述された段を少なくとも１つ備えることを特徴とする、ターボ機械タービンを提供する。

本発明はまた、上記特定されたタイプのタービン段を少なくとも１つ含むことを特徴とする航空機ターボジェットやターボプロップなどのターボ機械を提供する。

添付図面を参照して非限定的な例示によってなされた以下の説明を読むことにより、本発明がより良く理解することができ、本発明の他の特徴、詳細、及び利点がより明確になる。

ターボ機械タービンの軸方向断面における半分の断片図である。 図１の部分の縮尺を拡大した図であり、従来技術のタービン段を示す。 図２のＩ_３の詳細を、縮尺を拡大して示す図である。 本発明のタービン段の軸方向断面における断片図である。 図４に対応する図であり、本発明の変形例を示す。

まず、４つの段を有するターボ機械の低圧タービン１０を示す図１が参照される。各段は、タービンの外側ケーシング１６によって支持された固定翼１４の環状列から構成されたノズル１２と、ノズル１２の下流に位置するホイール１８とを備える。

ホイール１８は、環状フランジ２２によって軸方向に互いに組み立てられて放射ブレード２４を支持するディスク２０を備える。ホイール１８は、ディスクの環状フランジ２２に固定された駆動コーン２６を介して、タービンシャフト（図示せず）に接続されている。

各ホイール１８は、以下に詳細に記載されるように、係止部材を介してタービンのケーシング１６に円周方向に固定されたセクタから構成されたリング２８によって少しの間隙をもって外側を囲まれている。

各ノズル１２は、内壁３０及び外壁３２を有する。内壁３０及び外壁３２は、それらとタービンを通過するガス用の環状流れ部との間を画定する回転体の形態であり、それらの間に半径方向に延在する翼１４を有する。

図２においてより明確に視認できる上流段のノズル１２の外壁３２は、タービンケーシング１６の対応する軸方向環状溝４０に係合するように上流を向いている軸方向環状固定タブ３８をそれぞれ含む上流の半径方向外側環状リム３４と下流の半径方向外側環状リム３６とを有する。

ノズル１２の翼１４は、ノズルの壁３２の半径方向外側に位置する給送エンクロージャ４４から到達する冷却用空気（矢印４６）が通過する流路４２を有する。この空気は、その一部が、翼１４の後縁に近接して形成されてそれらの流路４２から開口しているオリフィス（図示せず）を介して、タービンガス流れ部に排出され、その一部が、ノズルの壁３０の半径方向内側に位置するエンクロージャ５２内に排出される（矢印５４）。冷却用空気は、ターボ機械のコンプレッサから上流で取り込まれ、適切な手段によって給送エンクロージャ４４に送り出される。

上流段のノズル１２から下流に位置するリング２８は、その上流端部に環状フック５６を有し、フックは、ケーシング１６の対応する円筒レール５８に対して押圧されており、断面がＣ形状又はＵ形状であって、フック５６及びレール５８上に上流側から軸方向に係合されている環状係止部材６０によってレールに対して半径方向に保持されている（図３）。

部材６０、フック５６、及びレール５８は、ケーシング１６とノズル１２との間のリング２８の周囲に延在する環状空間６２内に受け入れられる。部材６０の上流端部は、ノズルの下流環状リム３６の下流面６４を支持している。

タービン流れ部から環状空間６２内へとガスが半径方向外側に通過するのを制限するために、部材６０、ケーシングレール５８、及びリングフック５６は、リング２８の上流端部とノズルの環状リム３６の下流面６４との間に取り付けられた環状シート６６によって熱的に保護されている。

動作中、ケーシングレール５８及びリングフック５６は、それらを破損させる可能性があるひび割れ又は亀裂を生じさせ得る高温にさらされる。

これらの問題を改善するために、この空間内で温度を低下させるために、ノズル翼の流路４２内を流れる比較的低温の空気を一部取り、この空気を環状空間６２内に送ることが、既に提案されている。

この目的を達成するために、翼流路４２を環状空間６２に接続させるように、ノズルの外壁３２及び外側リム３６にダクト６８、７０がそれぞれ形成されている。ノズルの外壁３２に形成されているダクト６８は、一端において、翼の各流路４２と連絡し、他端において、ノズルの壁３２の外側に半径方向に位置し、且つノズルの外側環状リム３４、３６によって軸方向に画定されている環状通路７２と連絡している。ノズル１２の外側リム３６に形成されているダクト７０は、タービンの軸に対して傾斜しており、下流及び外側を向いている。それらの上流端部は、環状通路７２内に開口し、それらの下流端部は、ノズルの外側リム３６の下流面６４に開口している。

それにもかかわらず、環状シート６６は、それ自体には、ノズル１２とリング２８との間に十分な封止を提供する能力がなく、したがって、環状空間６２内に注入された空気は、タービンの流れ部内に半径方向に漏洩することになる。

本発明は、新規な封止手段を用いて、この問題に対する簡便な解決策を提供するものである。

本発明の封止手段は、環状シート８０を備える。環状シート８０は、ノズルの外側リム３６とリング２８の上流端部との間に半径方向に延在し、リム３６の下流面６４を支持する内周及び外周の上流側と、リング２８の上流端部を支持する中間環状部における下流側とにより、軸方向に予め圧力が加えられている。

図４に示される例において、環状封止シート８０は、略平面であり、リベット８２によってノズルの外側リム３６に固定されている。リベットは、タービンの軸に対して略平行であり、シート８０の半径方向内側端部に形成されたオリフィス８４と、ノズルのリム３６の半径方向内側端部に形成された対応するオリフィス８６とを通過している。

シート８０は、リム３６の下流面６４内の環状溝８８を完全に被覆している。この溝８８は、浅い軸方向深さ、例えば、シート８０の厚さと略同等の深さからなる。溝８８は、セクタの環状範囲の全てにわたってノズルのセクタに形成されており、タービンの軸まわりに３６０°にわたって延在してもよい。シートは、角のあるセクタから構成されており、各セクタはノズルのセクタに固定されており、シートは場合によってはノズルの軸まわりに３６０°にわたって延在している。

シート８０の内周は、溝８８の半径方向内側に位置する円周の周りに延在しており、上記内周は、リム３６の下流面６４の半径方向内部を軸方向に支持している。シートの外周は、溝の半径方向外側に位置する円周の周りに延在しており、この周は、リム３６の下流面６４の半径方向外部を軸方向に支持している。

示されている例において、リベット８２を取り付けたオリフィス８４、８６は、それぞれ、その内周近傍の環状溝８８に開口している１つの端部を有し、リング２８内において半径方向に位置している。リング２８の上流端部は、リベットと溝８８の外周との間に位置する領域において、シート８０に軸方向に当接している。

組み立て位置において、シート８０は、リングによって弾性的に予め圧力が加えられており、リングは、シートに対して軸方向に上流へと十分な力を働かせ、シートを少し屈曲させるように弾性的に変形させる。動作中における部品の熱膨張差にかかわらず、第１に様々な部品の製造許容誤差を吸収し、第２にノズルのリムとリングとに対して３つの環状領域が漏れ止めするように接触するのを保つように、シート８０の軸方向への予め加える圧力が決定される。したがって、シート８０の変形は、ターボ機械の動作サイクルの間に変化することができる。

３つのベアリング領域は、タービンの流れ部と、リングの上流リム５６及びケーシングレール５８のハウジングにおける環状空間６２との間の良好な封止を提供する。シート８０の内周とノズルのリム３６との間のＣ１におけるベアリング力、シートとリング２８の上流端部との間のＣ２におけるベアリング力、及び、シート８０の外周とノズルのリム３６との間のＣ３におけるベアリング力は、タービン流れ部から外側に向かって環状空間６２内にガスが通過するのを防止し、また、空間６２から内側に向かってタービン流れ部内に空気が漏洩するのも防止する。

環状通路７２と環状空間６２との間での流体連通を提供する図３のダクト７０は、本実施形態において、ノズルのリム３６に形成された軸方向孔９０とリムの環状タブ３８に形成された軸方向溝９２とに代替される。孔９０の下流端部は、シート８０の外側に半径方向に開口している。変形例において、ノズルのリム３６は、図３のダクトと同様のダクト７０を含んでもよく、このようなダクトは、シートの外側に半径方向に開口している下流端部を有する。

タービンケーシング１６にリング２８を取り付けるのに先立って、シート８０は、リベットによってノズルリムの下流面６４に対して既に押圧されてもよい。次いで、リング２８は、ケーシングレール５８に取り付けられ、軸方向に予め圧力を加えるためにシート８０に対して当接している。

変形例において、リング２８が取り付けられるのに先立って、シート８０は、リベットによって保持されており、その内周のみがリム３６の下流面と接触するように外方向に上流から下流へと延在している。ケーシングにリングを固定することにより、ノズルの外側リムに対してシートの外周を押圧するように機能する。

図５に示す他の変形例において、環状シート８０’は、平面ではなく湾曲しており、軸方向上流に面した凹面側部を有する。示される例において、シート８０’は、外周近傍に湾曲環状部を含み、その部分は、開口側が上流を向いているＶ形状又はＵ形状の断面を有する。シート８０’は、上述されたように、シート８０と同じ方法で取り付けられ、その湾曲部は、ノズルの外側リム３６の下流面６４と協働して環状空間９４を画定する。したがって、図３の実施形態のように、面６４に環状溝を設ける必要がない。シート８０’の湾曲部は、リングの上流端部を（Ｃ３において）支持しており、リングは、シート８０’に対して上流方向に軸方向に十分な力を働かせ、図３を参照して説明したように、シート８０’を屈曲させるように少しの量だけ弾性的に変形させる。

封止シート８０、８０’は合金から作られており、約１ミリから数ミリオーダの比較的薄い厚さからなる。

説明された例において、本発明のシート８０、８０’は、ノズルに付随し、ノズルの外側リム３６は、環状通路７２と環状空間６２との間の流体連通手段を含むが、シートは、このような手段を含まないノズルに付随することもできる。シートはまた、リベット８２以外の固定手段によってノズルに固定することもできる。シートは、リング２８の上流端部に選択的に固定することができる。

１０ 低圧タービン
１２ ノズル
１４ 固定翼
１６ タービンケーシング
１８ ホイール
２０ ディスク
２２ 環状フランジ
２４ 放射ブレード
２６ 駆動コーン
２８ リング
３０ 内壁
３２ 外壁
３４ 上流の半径方向外側環状リム
３６ 下流の半径方向外側環状リム
３８ 軸方向環状固定タブ
４０ 軸方向環状溝
４２ 流路
４４ 給送エンクロージャ
４６、５４ 矢印
５２ エンクロージャ
５６ 環状フック
５８ 円筒レール
６０ 環状係止部材
６２、９４ 環状空間
６４ 下流面
６６ 環状シート
６８、７０ ダクト
７２ 環状通路
８０、８０’ 環状封止シート
８２ リベット
８４、８６ オリフィス
８８ 環状溝
９０ 軸方向孔
９２ 軸方向溝

Claims (8)

1. タービンケーシングによって支持されたセクタリング内に取り付けられたロータホイールと、ホイールから上流に位置して固定翼の環状列から構成されたノズルとを備え、ノズルが、その下流端部において、タービンケーシングに固定する固定手段を有する外側環状リムと、ノズルの外側リムとリングとの間で半径方向にガスが通過するのを制限するようにノズルの外側リムとリングの上流端部との間に設けられた封止手段とを含む、ターボ機械のタービン段であって、封止手段が、ノズルの外側リムとリングの上流端部との間に略半径方向に延在する環状シートを備え、環状シートが、その内周及び外周において、ノズルの外側リムの下流面を軸方向に支持する手段と、ノズルの外側リムから軸方向に離隔されてリングの上流端部を軸方向に支持する前記シートの中間環状部とを備え、シートが、リングの上流端部によって軸方向に弾性的に予め圧力が加えられていることを特徴とする、タービン段。
2. シートが、ノズルの外側リムに固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン段。
3. シートが、その内周を介して、ノズルの外側リムの半径方向内側端部に固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン段。
4. シートが、略平面であり、組み立て位置において、ノズルの外側リムの下流面に対して押圧されており、外側リムの下流面内の環状溝を被覆していることを特徴とする、請求項１に記載のタービン段。
5. シートが、開口部が上流を向いているＵ形状又はＶ形状の断面の環状部を備え、前記環状部が、リングの上流端部を軸方向に支持しており、ノズルの外側リムの下流面と協働して環状空間を画定することを特徴とする、請求項１に記載のタービン段。
6. 封止シートが、シートセクタから構成されており、各セクタが、ノズルセクタに固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン段。
7. シートが、金属から作られていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン段。
8. 請求項１に記載のタービン段を少なくとも１つ含むことを特徴とする、航空機ターボジェット又はターボプロップなどのターボ機械。

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