JP5231600B2 - ガスタービンエンジンシュラウド、およびガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、米国エネルギー省に付与の政府契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−００ＣＨ１１０６０のもと、米国政府の補助によりなされた。米国政府は本発明の一定の権利を有する。

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にセラミック製の環状壁を備えたガスタービンエンジンシュラウドに関する。

ガスタービンエンジンコンポーネントは多くの場合、高温に曝される。こうしたエンジンコンポーネントはガスタービンエンジンのタービンセクションに見られ、これらはタービンブレードを取り囲むガスタービンシュラウドを含む。通常のタービンシュラウドは金属材料で作られ、タービンエンジン内部の燃焼ガスの高温に耐えるように実質的な冷却が要求される。

一般に、回転タービンブレードの先端部とシュラウドの内側表面との間には、エンジン過渡期（ｅｎｇｉｎｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ）においてこれらの間の摩擦を防ぐように隙間が存在する。タービンブレードがセラミック製である場合、セラミックの低密度特性と高い剛性とによりタービンブレードの径方向の変位を更に低減させ、その結果、セラミック製のブレードと金属製のケーシングとの間の先端隙間を増大させ、ガス流からエネルギーを伝達する代わりに高い割合のコア流の漏れを生じさせる。

一例のガスタービンエンジンシュラウドが、高温タービンエンジンガスに耐える内側と、複数の径方向スロットを有する外側と、を備えた第１の環状セラミック壁を含む。第２の環状金属壁が、第１の環状セラミック壁の径方向外側に配置されるとともにその第１の環状セラミック壁を取り囲んでおり、その第１の環状セラミック壁のスロットと連関する複数のタブを備える。第１の環状セラミック壁と第２の環状金属壁とを固定するように、第２の環状金属壁のタブと第１の環状セラミック壁のスロットとが連関する。

別の例のガスタービンエンジンシュラウドが、高温タービンエンジンガスと接触する内側と、複数の径方向タブを含む外側と、を備えた第１の環状セラミック壁を含む。第２の環状金属壁が、第１の環状セラミック壁の径方向外側に配置されるとともに複数の取り付け手段を有する。スプリングが少なくとも一つの取り付け手段により第２の環状金属壁に取り付けられる。またスプリングは第１の環状セラミック壁の少なくとも一つのタブと連関する。第１の環状セラミック壁と、第２の環状金属壁とが固定される。

一例のガスタービンエンジンが、圧縮機セクションと、その圧縮機セクションと流体連通するように連結された燃焼室と、燃焼室の下流のタービンセクションと、を含む。タービンセクションは、高温タービンエンジンガスに耐える内側と、タブを備えた外側と、を含んだセラミック壁を有するとともに、そのセラミック壁を取り囲む金属壁を有し、この金属壁はセラミック壁のタブと連関するスロットを含む。セラミック壁のタブおよび金属壁のスロットは、内側セラミック壁と外側金属壁とを固定するように連関する。

明細書の以下の詳細な説明および図面から本発明およびその他の特徴が最もよく理解される。

以下の詳細な説明から、開示の実施例の様々な特徴および利点が当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を、以下のように簡単に説明する。

一例のガスタービンエンジンの断面図。 第１の環状セラミック壁と、第２の環状金属壁と、を有する一例のガスタービンエンジンシュラウドの図１の軸に沿った概略断面図。 第１の環状セラミック壁と、第２の環状金属壁と、を有する一例のガスタービンエンジンシュラウドの図１の軸に沿った概略断面図。 スプリングストラップを含む一例のガスタービンエンジンシュラウドの図１の軸に沿った概略断面図。 スプリングストラップおよびタブを含む一例のガスタービンエンジンシュラウドの図１の軸に沿った別の概略断面図。 第１の環状セラミック壁と、第２の環状金属壁と、を有する別の例のガスタービンエンジンシュラウドの概略断面図。 図４のガスタービンエンジンシュラウドの第２の環状金属壁内部に組み込まれたスロットの部分断面図。 第１の環状セラミック壁と、スプリングが連結された第２の環状金属壁と、を有する図３の一例のガスタービンエンジンシュラウドの部分断面図。

実施例では、回転タービンブレードの先端部とガスタービンエンジンのシュラウドの内側表面との間の隙間が漏れ損失を低減させるように制御される。これはシュラウドにセラミック等の低熱膨張物質を用いることにより達成される。図１を参照すると、推進用のガスタービンエンジン１０等の、一例のガスタービンエンジン１０の選択された部分を示す。この例では、図１の軸を画定するエンジン中心線１２の周りにガスタービンエンジン１０が円周状に配置される。ガスタービンエンジン１０は、ファン１４と、圧縮機セクション１６と、燃焼室セクション１８と、回転タービンブレード２２およびステータタービンベーン２４を含むタービンセクション２０と、を含む。高温環境を含む、ここに示されるものとは異なる種類の圧縮機や、燃焼室、タービンを有する、ファンもしくはエンジンを含まないエンジン等の、その他の種類のエンジンもまた、本明細書に開示の実施例から利益が得られることを理解されたい。ガスタービンエンジン１０のケーシングセクション２３（図１に概略的に示す）が、第１および第２の壁を含み、これらが協同してケーシングセクション２３を形成する。

図１を参照しながら図２ａ，２ｂを参照すると、タービンセクション２０の選択された部分が図１の軸に沿って示される。ガスタービンエンジンシュラウド２８が、第１の環状壁３０と、タービンケーシングの一部である第２の環状壁３２と、回転タービンブレード２２と、を含むように示す。回転タービンブレード２２を取り囲むように示すが、ガスタービンエンジンシュラウド２８がその他のガスタービンエンジンコンポーネントを取り囲むものも本発明に含まれる。第２の環状壁３２は、第１の環状壁３０の外側４０が第２の環状壁３２の内側４４と対向するように第１の環状壁３０を取り囲む。第１の環状壁３０の内側３８はガスタービンエンジン１０の動作からの高温燃焼ガスと接触し、その高温に耐える能力により、ブレードとの先端隙間をできるだけ小さくするとともに、タービンセクション２０内の空気冷却要件を低減させる。

第１の環状壁３０は、その一部として形成されるスロット３６を含む。この実施例ではただ１つのスロット３６を示すが、本発明では、第１の環状壁３０に沿って任意の数のスロット３６が配置されることを意図する。スロット３６が第１の環状壁３０の周りに径方向に配置されるとともに、第１の環状壁３０に沿って長手方向に配置される。スロット３６は第１の環状壁３０から第２の環状壁３２の内側４４に向かって突出する。第２の環状壁３２は、その第２の環状壁３２から径方向に突出するタブ３４を含むとともに、第１の環状壁３０のスロット３６との連絡が可能となるように形成される。同様にタブ３４が第２の環状壁３２に沿って長手方向に配置されて、長手方向のスロット３６と結合される。スロット３６は、タブ３４がスロット３６内に移動して第１の環状壁３０と第２の環状壁３２とを固定させるようにタブ３４と位置合わせされる。

第２の環状壁３２のタブ３４は、このタブ３４を通して図１の軸と平行に完全に延びる開口部４２を含む。一例の開口部４２は、図２ａに示すように丸穴であり、機械加工後に第２の環状壁３２から穿孔される。開口部４２の一部４２ａがタブ３４を超えて第２の環状壁３２へと延在してもよい。別の例の開口部４２が図２ｂに、第２の環状壁３２の機械加工後に切り抜かれた矩形の開口部として示される。この開示は、タブ３４および第２の環状壁３２内にぴったりと合って接触剛性を調整するように形成されるあらゆる幾何形状を意図するものであり、上記の形態に限定するものではない。この開口部４２は、加熱時や負荷時にタブ３４をより容易に変形しやすくすることにより、延性を増大させるのに役立ち、タブ３４の剛性を低下させる。開口部４２に起因して剛性の低下をもたらす延性の増加により、タブ３４とスロット３６との間に生じるタービン環境からの応力を低減し、いともたやすく膨張する金属タブ３４を設けることにより、タブ３４もしくはスロット３６に亀裂や破損が生じる可能性を低減させるだけでなく、第１の環状壁３０と第２の環状壁３２との付着性（ａｆｆｉｘａｂｉｌｉｔｙ）を高める効果がある。

実施例のタブ３４は開口部４２とともに個別に製造され、次いで機械加工されて、周知の方法を用いて第２の環状壁３２に取り付けられてもよく、タブ３４内に開口部を容易に形成しやすくするという効果がある。実施例のタブ３４および第２の環状壁３２は金属材料で作られており、効果的な取り付けを可能にする。開口部４２は本質的にタブ３４の表面領域の範囲内に配置されるが、図示のように第２の環状壁３２内に延在してもよい。第２の環状壁３２のタブ３４部分が第１の環状壁３０のスロット３６部分と連関するとき、第１の環状壁３０と第２の環状壁とは固定される。

実施例では、第１の環状壁３０はセラミック材料で作られる。第１の環状壁３０の高温に耐え、空気冷却要件を低減させる能力は、低密度や高剛性だけでなく、より耐熱性で耐食性のある、第１の環状壁３０のセラミック構成に起因する。第２の環状壁３２は、公知の金属もしくは金属合金などの適切な金属材料から作られてもよい。

図１，２ａ，２ｂを参照しながら図３ａを参照すると、一例のガスタービンエンジンシュラウド１２８を示す。一例のガスタービンエンジンシュラウド１２８は第１の環状壁１３０と、第２の環状壁１３２と、を含む。第２の環状壁１３２は、その第２の環状壁１３２の内側１４２が第１の環状壁１３０の外側１４０と対向するように第１の環状壁１３０を取り囲む。スロット１３６が第１の環状壁１３０の周りに径方向に配置されるとともに、第１の環状壁１３０に沿って長手方向に配置される。スロット１３６は第１の環状壁１３０の外側１４０から第２の環状壁１３２の内側１４２に向かって突出する。またスプリングストラップ１３４が設けられるとともに、第２の環状壁１３２に２つの付着点１４７，１４８で取り付けられる。第１の付着点１４７では、スプリングストラップ１３４が第２の環状壁１３２に溶接される。第２の付着点１４８では、スプリングストラップ１３４は第２の環状壁１３２にリベット締めもしくはボルト締めされる。スプリングストラップ１３４は、第１の環状壁１３０を第２の環状壁１３２に取り付けるように第１の環状壁１３０のスロット１３６内部と適合するように設計されることにより、第１の環状壁１３０と第２の環状壁１３２との間の応力を低下させる。一つのスプリングストラップ１３４およびスロット１３６だけを示すが、任意の数のスプリングストラップ１３４およびスロット１３６を用いてもよいことが本発明に含まれる。図示のスプリングストラップ１３４がスロット１３６の形状と一致するが、スプリングストラップ１３４がスロット１３６全体と連関しないように作られうることも本発明に含まれる。スプリングストラップ１３４はニッケル合金でもよい。しかしながら、スプリングストラップ１３４が環境要求事項に基づく任意の材料から作られうることが本発明に含まれる。

図３ｂを参照すると、スプリングストラップ１３４はまた、スロット１３６とタブ１３５との間に用いられうる。スプリングストラップ１３４は、その可撓性によりスロット１３６とタブ１３５の両方にかかる応力を低減するだけでなく、第１の環状壁１３０を第２の環状壁１３２に固定する付加的な補助としての機能を果たし、応力を受ける際にスロット１３６およびタブ１３５の代わりとなる。

図４を参照すると、別の例のガスタービンエンジンシュラウド２２８を示す。この実施例のガスタービンエンジンシュラウド２２８は、セラミック製の第１の環状壁２３０と、周知の金属材料製の第２の環状壁２３２と、を含む。第２の環状壁２３２は、その第２の環状壁２３２の内側２４２が第１の環状壁２３０の外側２４０と対向するように第１の環状壁２３０を取り囲む。第１の環状壁２３０の内側２３８は高温燃焼ガスと接触し、セラミック製であることに起因して、金属内壁に比べて空気冷却要件が低減されるとともに、高温燃焼ガスに耐えることができる。第１の環状壁２３０は、その外側２４０から延在したタブ２３４を有する。タブ２３４は第２の環状壁２３２のスロット２３６と連関する。タブ２３４およびスロット２３６が第１の環状壁２３０を第２の環状壁２３２に固定するように、タブ２３４とスロット２３６とが連関するように配置される。スロット２３６は第２の環状壁２３２の周りに径方向に配置されるとともに第２の環状壁２３２に沿って長手方向に配置され、一方、タブ２３４もまた径方向に配置されるとともに第１の環状壁２３０に沿って長手方向に配置される。

第２の環状壁２３２のスロット２３６は、第２の環状壁２３２に予成形されたリップ部２５４により形成される。第２の環状壁２３２のリップ部２５４は金属製であるため、セラミック製のリップ部２５４と比べてリップ部２５４の延性が増加し、ガスタービンエンジンシュラウド２２８の亀裂を減少させる。一例のシュラウド２２８が一つのタブ２３４およびスロット２３６のみを示すが、複数のタブ２３４およびスロット２３６が用いられるものも本発明に含まれる。

一例では、金属製の第２の環状壁２３２のスロット２３６は、めっき等のコンプライアント材料のストリップ部２５０と連関する。ストリップ部２５０はセラミックタブ２３４に優れた付着性を付与する材料である。一例のコンプライアント材料は延性および展性を有する金のストリップ部２５０である。しかしながら、延性および展性を有するその他のコンプライアント材料を用いることも本発明の開示に含まれる。熱に曝された場合、ストリップ部２５０は延性を呈し、金属製の第２の環状壁２３２をセラミック製の第１の環状壁２３０に固着させる能力を向上させる。

図４を参照しながら図５を参照すると、第２の環状壁２３２の一例のスロット２３６を示す。スロット２３６が第２の環状壁２３２の内側２４２より上に突出するのではなく、第２の環状壁２３２内部に組み込まれるように、第２の環状壁２３２の一部を周知の方法を通して除去することにより、スロット２３６が形成される。タブ２３４とスロット２３６とが、第２の環状壁２３２と第１の環状壁２３０とを固定すべく連関するように、タブ２３４が第２の環状壁２３２の内側２４２のスロット２３６内に挿入される。

スロット２３６が２つの突出したリップ部２５４ａ，２５４ｂによって画定される。スロット２３６の取り付け領域２３７がリップ部２５４ａ，２５４ｂの両方の対向面２５６側に位置する。またリップ部２５４ａ，２５４ｂと、スロット２３６の端部との間に遊間２５２が設けられる。この余剰の遊間２５２により、第２の環状壁２３２の金属材料の更なる延性および熱膨張が可能となる。スロット２３６の深さは第２の環状壁２３２の厚さや、タブ２３４の厚さ、および使用時にもたらされる環境要因に基づいて決定される。一例では、スロット２３６は第２の環状壁２３２の前側２６０と後側２６２との距離の間の一部のみに亘って延在する。しかしながら、スロット２３６が前側２６０と後側２６２との距離全体を含む、任意の距離に亘るように延在してもよいことが本発明の開示に含まれる。

図６を参照すると、別の実施例のガスタービンエンジンシュラウド３２８を示す。一例のガスタービンエンジンシュラウド３２８はセラミック製の第１の環状壁３３０と、金属材料製の第２の環状壁３３２と、を含む。第２の環状壁３３２の内側３４３は、その第２の環状壁３３２が第１の環状壁３３０を取り囲むように、第１の環状壁３３０の外側３４２と対向する。第１の環状壁３３０の内側３３８はタービンエンジンからの高温ガスと接触する。

第１の環状壁３３０は、外側に突出するとともに第１の環状壁３３０に予成形されたタブ３３４を含む。複数の取り付け手段３４０が第２の環状壁３３２に取り付けられるとともに第１の環状壁３３０の外側３４２に向かって延びる。一例の取り付け手段はナット３４０およびボルト３４１であるが、その他の取り付け手段が用いられうることも本発明の開示に含まれる。第２の環状壁３３２に取り付けられたボルト３４１とともに用いられるナット３４０にスプリング３３６が取り付けられる。このガスタービンエンジンシュラウド３２８の実施例では、ボルト３４１がスプリング３３６を通して延在し、次いでこのスプリングをナット３４０とボルト３４１との間に取り付けるためにナット３４０を締結するように、スプリング３３６は穿孔された孔を有する。スプリング３３６はタブ３３４に亘って円弧３４６を形成する。円弧３４６の頂部は少なくともその頂点で第２の環状壁３３２と連関する。スプリング３３６はタブ３３４とも連関する。スプリング３３６は、所定の位置にリベット締めすることによりタブ３３４と第１の環状壁３３０との両方に取り付けてもよく、このスプリング３３６を所定の位置にスポット溶接してもよく、その他の周知の許容できる手段を用いて取り付けうることが本発明の開示に含まれる。

一例のガスタービンエンジンシュラウド３２８の実施例では、ナット３４０は、ボルト３４１の垂直軸に沿って動かすことにより、スプリング３３６全体に亘って異なる張力を生み出すように、異なる位置に移動させることが可能である。スプリング３３６がナット３４０およびボルト３４１に取り付けられるとともにナット３４０の移動に応じて曲がる。これにより、第２の環状壁３３２と第１の環状壁３３０とを固定させるのに加えて、タブ３３４と第２の環状壁３３２との間の延性を向上させて、応力による亀裂や破損の頻度を低下させるだけでなく、第２の環状壁３３２と第１の環状壁３３０とが互いに近づくもしくはさらに遠ざかるように移動させる。代わりに応力がスプリング３３６に伝達されて、第１の環状壁および第２の環状壁への応力を緩和させる。

本発明の好ましい実施例について記載したが、特許請求の範囲内である程度の変更が行われうることが当業者にとって理解されるであろう。そのため、本発明の真の範囲および意義を画定するために以下の特許請求の範囲を検討すべきである。

２２…タービンブレード
２８…ガスタービンエンジンシュラウド
３０…第１の環状セラミック壁
３２…第２の環状金属壁
３４…タブ
３６…スロット

Claims (3)

1. 高温タービンエンジンガスに耐える内側と、複数の径方向スロットを有する外側と、を備えた第１の環状セラミック壁と、
   前記第１の環状セラミック壁の径方向外側に配置されるとともに前記第１の環状セラミック壁を取り囲む第２の環状金属壁であって、前記第１の環状セラミック壁と前記第２の環状金属壁とを固定するように、前記第１の環状セラミック壁の前記複数のスロットと連関する複数の径方向タブを備えた第２の環状金属壁と、
   を備え、
   前記タブの少なくとも一つがその少なくとも一つのタブを通る開口部を含み、該少なくとも一つのタブの延性を向上させることを特徴とするガスタービンエンジンシュラウド。
2. 前記開口部が、前記第２の環状金属壁内に延在することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンシュラウド。
3. 前記少なくとも一つのタブは前記第２の環状金属壁とは別個のものであり、前記第２の環状金属壁に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンシュラウド。

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