JP5431087B2 - ガスタービンエンジンの分割フェアリング - Google Patents

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Description

本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンタービンに関し、詳細には、このようなエンジンの構造部材に関する。
ガスタービンエンジンは一般的に、エンジンの回転シャフトを支持する軸受から外側ケーシングまでの構造負荷経路を提供し、エンジンの骨格構造を形成する固定タービンフレーム(タービン間フレーム又はタービン中央フレームとも呼ばれる)を含む。タービンフレームは一般に、環状外側リングによって囲まれた環状の中心に位置するハブを含み、該ハブ及びリングは、複数の半径方向に延びるストラットにより相互連結される。タービンフレームは、タービンの燃焼ガス流路を横断し、従って、運転中に高温に曝される。このようなフレームは、燃焼ガス流路に曝されない他の構造部材とは異なり、「高温フレーム」と呼ばれることが多い。
高温からこれらのフレームを保護するために、タービンフレームは通常、高耐熱性材料でライニング加工され、フレーム構造を高温流路ガスから隔離する。ライナは、フレーム外側リングもしくはケース、ハブ構造、及びストラットを含む流路対象範囲全体を保護する必要がある。
ストラットを保護するために、単一構成のラップラウンドフェアリングが最も一般的である。この構成には、ハブ、外側リング又はその両方においてフレーム組立体からストラットが分離可能であり、ストラット全体にフェアリングを設置できるようにすることが必要とされる。このことにより設置及び現場保守が困難になる。
横方向分割の360°フェアリング/ノズル組み合わせ配置もまた公知である。この構成は、フェアリング/ノズル組立体を前方及び後方360°リングセクションに分割し、フレームを前方及び後方リングセクションの間に挟んで該セクションを共にボルト締めすることによって、単一構成のフレームへの組み付けを可能にすることができる。この構成は、受動的に冷却されるノズルカスケードにのみ好適である。
別の既知の構成は、個々のフェアリング/ノズル構成部品の前方及び後方セクションがストラットの周りで挟まれるインターロッキング分割フェアリング配置である。この配置は、フレームへの組み付け後にフェアリング半部分を共に維持するインターロッキング機構に依存する。このインターロッキング機構は、相当な量の物理スペースを費やすので、従って、多くのフレーム構成で使用するのには好適ではない。
米国特許第6,983,608号公報 米国特許第6,935,837号公報 米国特許第6,447,248号公報 米国特許第6,439,841号公報 米国特許第6,358,001号公報 米国特許第7,353,647号公報 米国特許第6,883,303号公報 米国特許第6,860,716号公報 米国特許第6,796,765号公報 米国特許第6,708,482号公報 米国特許第6,672,833号公報 米国特許第6,612,807号公報 米国特許第5,851,105号公報 米国特許第5,634,767号公報 米国特許第5,483,792号公報 米国特許第5,438,756号公報 米国特許第5,357,744号公報 米国特許第5,356,264号公報 米国特許第5,292,227号公報 米国特許第5,284,011号公報 米国特許第5,272,869号公報
従来技術のこれら及び他の欠点は、タービンフレームの分割フェアリング組立体を提供する本発明により対処される。
本発明の1つの態様によれば、ガスタービンエンジンにおける構造ストラットのフェアリングであって、(a)内側バンドと、(b)外側バンドと、(c)内側及び外側バンド間に延びる中空翼形部形ベーンと、を備え、(d)フェアリングが、内側バンド、外側バンド、及びベーンを通るほぼ横断平面に沿って分割されて、前部品と後部品とを定めるようにし、該フェアリングが更に、(e)前部品及び後部品を互いに固定するよう適合された、前部品及び後部品(104)により保持される相補的構造物と、を備える
本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体は、(a)(i)外側リング、(ii)ハブ、及びハブと外側リングとの間に延びる複数のストラットを含むタービンフレームと、(b)(i)内側バンド、(ii)外側バンド、及び(iii)内側及び外側バンド間に延びる中空翼形部形ベーンを含む二部品ストラットフェアリング(72)と、を備え、ストラットフェアリングが、内側バンド、(ii)外側バンド、及びベーンを通るほぼ横断平面に沿って分割されて、前部品と後部品とを定めるようにし、ストラットフェアリングが更に、前部品及び後部品を互いに固定するよう適合された、前部品及び後部品により保持される相補的構造物を含む。
本発明の1つの態様に従って構成されたガスタービンエンジンの概略片側断面図。 図1のガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体の拡大斜視図。 図1のガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体の拡大斜視図。 図2のタービンフレーム組立体の断面図。 図2のタービンフレーム組立体の断面図。 部分的に組み立てられた状態のタービンフレーム組立体の斜視図。 本発明の1つの態様に従って構成されたストラットフェアリングの斜視図。 図5のストラットフェアリングの側面図。 図5のストラットフェアリングの拡大図。 図5のストラットフェアリングの一部において半径方向外向きに見た図。
本発明は、添付図面を参照しながら以下の説明を読めばより理解できるであろう。
種々の図全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示している図面を参照すると、図1及び2は、他の構造体の中でも特に、圧縮機12、燃焼器14、及びガス発生器タービン16を有するガスタービンエンジン10の一部を示している。図示の実施例では、エンジンはターボシャフトエンジンである。しかしながら、本明細書で記載される原理は、ターボプロップ、ターボジェット、及びターボファンエンジン、並びに他の移動体又は定置用途で使用されるタービンエンジンにも等しく適用可能である。
圧縮機12は、燃焼器14に入る加圧空気を提供し、該燃焼器にて燃料が導入されて燃焼し、高温ガスを生成する。燃焼ガスは、静止ベーン又はノズル18と回転するブレード又はバケット20とが交互する列を含むガス発生器タービン16に吐出される。ここで燃焼ガスが膨張され、エネルギーが抽出されて、外側シャフト22を通じて圧縮機12を駆動する。
ガス発生器タービン16の下流側に作業タービン24が配置される。作業タービン24もまた、静止ベーン又はノズル26と回転数するブレード又はバケット30を支持するロータ28との交互する列を含む。作業タービン24は更に、燃焼ガスを膨張させてエネルギーを抽出し、内側シャフト32を通じて外部負荷(プロペラ又はギアボックス)を駆動する。
内側及び外側シャフト32、22は、1つ又はそれ以上の軸受34において回転するよう支持される。1つ又はそれ以上のタービンフレームは、軸受34から外側ケーシング36までの構造負荷経路を提供し、エンジン10の骨格構造を形成する。詳細には、作業タービン24の第1段ノズルカスケード40を組み込んだタービンフレーム38を含むタービンフレーム組立体が、ガス発生器タービン16と作業タービン24との間に配置される。
図2〜4は、タービンフレーム組立体の構造をより詳細に示している。タービンフレーム38は、前面44及び後面46を備えた環状の中心に位置するハブ42を含み、ハブ42は、前方フランジ50及び後方フランジ52を有する環状外側リング48により囲まれる。ハブ42及び外側リング48は、複数の半径方向に延びるストラット54により相互連結される。図示の実施例では、等間隔に配置された6つのストラット54がある。タービンフレーム38は、単一の一体化ユニットとすることができ、又は、個々の構成部品から構成することもできる。図示の実施例では、コバルトベース又はニッケルベースの「超合金」のような高温作動に好適な金属合金からの単一部品の鋳造物である。好適な材料の1つの実施例は、IN718として商業的に知られるニッケルベース合金である。ストラット54の各々は中空であり、外側リング48の外寄りの外側端部にある抽気ポートで終端する。
複数の供給管体組立体58は、タービンフレーム38内に取り付けられ、ストラット54間に位置付けられ、外側リング48とハブ42との間に延びる。この実施例では、6つの供給管体組立体58がある。
ノズルカスケード40は、複数の能動冷却翼形部を含む。この特定の実施例では、全部で48個の翼形部がある。この数は、特定の用途に合わせて変えることができる。翼形部の一部(この場合は12)は、軸方向に延伸されて、ストラット54及び供給管体組立体58を高温の燃焼ガスから保護するフェアリング(図4)内に組み込まれる。フェアリングの一部(この場合は6)は、分割構成のストラットフェアリング72である。フェアリングの他の部分は、単一部品構成の供給管体フェアリング74である。残りの翼形部(この場合は36)は、1つ又はそれ以上のベーンを各々有するノズルセグメント76に配列される。
本発明においては、ストラットフェアリング72のみを詳細に説明する。ノズルカスケード40の他の構成部品は、名称が「Turbine Frame Assembly and Method for a Gas Turbine Engine」のJ. A. Manteiga他による同時継続出願において説明しており、本出願は引用により本明細書に組み込まれる。
図5に示すように、ストラットフェアリング72は、弓状外側バンド80と弓状内側バンド82との間で支持される翼形部形ベーン78を含む。内側バンド82及び外側バンド80は、軸方向に延伸し、タービンフレーム38を通る流路の一部を定めるような形状にされる。前方フック84は、外側バンド80の外面から軸方向前方に突出し、後方フック86は、外側バンド80の外面から軸方向前方に突出する。
ベーン78は、軸方向に延伸し、前縁90と後縁92との間に延びる間隔を置いて配置された側壁88A及び88Bを含む。側壁88A及び88Bは、ストラット54用に空気力学的フェアリングを形成するような形状にされる。ベーン78の前方セクション94は、中空であり、以下でより詳細に説明するように衝突冷却される。ベーン78の後方セクション96もまた中空であり、マルチパスの蛇行流路(図6参照)を定める壁98を組み込む。スロット又は孔のような複数の後縁通路100は、後縁92を貫通する。
内側バンド82、外側バンド80、及びベーン78を含むストラットフェアリング72の構成部品は、共通の横断面にほぼ沿って分割され、ストラットフェアリング72が、前部品102と後部品104(図7参照)を有するようにされる。側壁88A及び88Bの各々は、前方及び後方部分に分割される。
側壁88A及び88B間の内部横方向スペースは、前部品102が前方から後方にストラット54を越えて軸方向に摺動することができ、後部品104が後方から前方にストラット54を越えて軸方向に摺動することができるように選択される。これにより、タービンフレーム38の分解又はストラット54の取り外しを必要とせずに、前部品102又は後部品104の取り付け又は取り外しが可能になる。これは、ハブ42又は外側リング48が軸方向に大きな突出部を有する場合でも当てはまる。側壁88A及び88Bの内側横方向内部表面には、あらゆる突起、フック、ボス、又は軸方向の自由摺動と干渉することになる他の特徴部が実質的にない。
前部分102及び後部分104の嵌合面120、122は、冷却空気の漏出又は高温流路ガスの吸込みを阻止する手段として少なくとも部分的に非平面の形状を有することができる。図示の実施例において、嵌合面120、122は、平面部分124及び「S字」部分126を有する分割線を定める。他の輪郭を用いることもでき、必要に応じて、金属ストリップ(図示せず)のようなシール要素を嵌合面120、122の間に配置してもよい。
前部品102及び後部品104をストラット54の付近に配置した後に互いに固定するための手段が設けられる。図示の実施例では、前部品102は、後面120から半径方向内向きに延びるタブ106を含み、後部品104は、前面122から半径方向内向きに延びるタブ107を含む。組み立てられると、タブ106、107は、金属バックル110のスロット108内に受けられる。図8に示すように、バックル110は、スロット108と同様にほぼ矩形である。スロット208及びタブ106及び107は、後部品104のタブ107とスロット108の側部間に小さな横方向ギャップ「gl」(例えば、約0.076mm(3ミル))を生じ、また、組み立てられたタブ106、107とスロット108の端部との間には同じサイズのギャップ「g2」を生じるような大きさにされる。ギャップ108は、前端で拡大され、前部品102のタブ106とスロット108の側部との間に僅かに大きな横方向ギャップ「g3」(例えば、約0.254mm(10ミル))を生じるようになる。バックル110は、例えばろう付けによりタブ107に固定され、任意選択的であるが、圧入ピン112が貫通することにより更に固定される。前部品102及び後部品104の半径方向外側端部は、嵌合フランジ114を通って差し込まれる剪断ボルト113又は他の同様の締結具で互いに固定される。図4に示すように、衝突冷却孔118が穿孔されたストラットバッフル116が、ストラット54とストラットフェアリング72との間に設置される。
組み立ての目的で、バックル110は、最初に上述のようにタブ107に固定することができ、次いで、後部品104をストラット54及びストラットバッフル116を越えて軸方向前方に摺動される。これは、供給管体フェアリング74及びノズルセグメント76の設置と連動して行われる。次に、前部品102は、ストラット54及びストラットバッフル116を越えて軸方向後方に摺動され、タブ106がスロット108と係合するように枢動される。最後に、剪断ボルト113を設置することができる。
前部品102及び後部品104は、コバルトベース又はニッケルベースの「超合金」のような高温作動に好適な金属合金から鋳造され、既知の方法による一方向凝固(DS)又は単結晶(SX)のような特定の結晶構造で鋳造することができる。好適な1つの材料の実施例は、RENE N4として商業的に知られるニッケルベース合金である。
再び図2A、2B、及び3Bを参照すると、前方ノズルハンガー164は、全体的にディスク形状であり、ほぼ「V字」形の断面を有する後方に延びるアーム172により相互接続される、外側フランジ168及び内側フランジ170を含む。内側フランジ170は、ストラットフェアリング72の前方フック84並びにサービス管体フェアリング74及びノズルセグメント76の同様のフックを受け入れるスロット176を備えた取り付けレール174を定める。外側フランジ168は、タービンフレーム38の前方フランジ50内のボルト孔に対応するボルト孔を有する。前方ノズルハンガー164は、軸方向に対応できるようにノズルカスケード40を半径方向で支持する。
後方ノズルハンガー166は、全体的にディスク形状であり、ほぼ「U字」形の断面を有する前方に延びるアーム180により相互接続される、外側フランジ175及び内側フランジ177を含む。内側フランジ177は、ストラットフェアリング72の後方フック86、並びに供給管体フェアリング74及びノズルセグメント76の同様のフックを受け入れるスロット184を備えた取付レール182を定める。外側フランジ175は、タービンフレーム38の後方フランジ52内のボルト孔に対応するボルト孔を有する。後方ノズルハンガー166は、軸方向の拘束を与える間にノズルカスケード40を半径方向で支持する。
組み付けられると、ストラットフェアリング72、供給管体フェアリング74、及びノズルセグメント76の外側バンドは、タービンフレーム38の外側リング48と協働して、環状外側バンドキャビティ186を定める。
環状外側バランスピストン(OBP)シール188は、例えばボルト又は他の好適な締結具を用いてハブ42の後面に取り付けられる。OBPシール188は、半径方向アーム190及び軸方向アーム192を備え、ほぼ「L字」形の断面を有する。前方シールリップ194は、ハブ42に当接し、半径方向外向きに延びる後方シールリップ196は、ノズルカスケード40に接して環状の「M字」形シール198を取り込む。同様の「M字」形シール200が、ノズルカスケード40の前端と固定エンジン構造体204上の別のソールリップ202との間で取り込まれる。全体として、ハブ42及びOBPシール188は、ハブ42の内部と連通する内側マニホルド206を定める。また、ストラットフェアリング72、供給管体フェアリング74、及びノズルセグメント76の内側バンドは、タービンフレーム38のハブ42、OBPシール188、及びシール198、200と協働して、環状内側バンドキャビティ208を定める。1つ又はそれ以上の孔210は、OBPシール188の半径方向アーム190を貫通する。運転中、これらの冷却孔210は、ハブ42から、下流側ロータ28の前面上に取り付けられた環状シールプレート212に冷却空気を通過させる。冷却空気は、シールプレート212内の孔214に流入し、次いで、従来の方法でロータに送られる。
OBPシール188の軸方向アーム192は、シールプレート212のシール歯218と噛み合うアブレイダブル材料216(金属ハニカムなど)を保持する。
図4及び6を参照すると、ストラットフェアリングの冷却は以下の通りである。圧縮機12(図1を参照)などの発生源から抽気された冷却空気は、抽気ポート56に送給されて、矢印Aで示されるストラット54を通って下方に流れる。ストラット54に入る空気の一部は、ストラットの最初から終わりまで通過して、矢印「B」で示されるようにハブ42にまで流れる。次いで、空気は内側マニホルド206を通過した後、上述のように下流側のタービンロータ26に流れる。
ストラット54に入る空気の別の一部は、ストラット54の側部の通路から出て、ストラットバッフル116に入る。この流れの一部は、ストラットバッフル116内の衝突冷却孔118から出て、矢印「C」(図6参照)で示すようなストラットフェアリング72を衝突冷却するのに使用される。衝突冷却後、矢印「D」で示すように、空気は外側バンドキャビティ186に流れる。空気の別の一部は、ストラットバッフル116から出て、矢印「E」で示すように、外側バンドキャビティ186に直接入る。最後に、ストラットバッフル116からの空気の第3の部分は、ストラットバッフル116とストラット54との間から出て、内側バンドキャビティ208をパージする(矢印「F」を参照)。同様の冷却空気流パターンは、供給導管組立体58及び供給管体フェアリング74の冷却のために実装される。
図6のD及びEで示されるパージ空気と衝突後の流れの組み合わせである、外側バンドキャビティ186からの空気は、矢印「G」で示すベーン78の後方セクション内の蛇行通路に入る。従って、この蛇行通路は、従来の方法で対流冷却においても使用され、その後、後縁冷却通路を通って排気される。
本明細書で説明される分割フェアリング構成は、従来の単一部品構成のラップフェアリング設計に勝る幾つかの利点を有する。本構成により、一体化タービンフレームの使用が可能になる。非一体化フレーム構成部品の取り付けには、高価な整合機械加工、組み立て方法、及び特別な締結具を必要とするので、これにより初期フレームコスト上で大きな利点をもたらす。
ストラットフェアリング72の「タブ」及び「バックル」機構はまた、組み立てるために極めて僅かな半径方向フレーム高さを必要とし、最良の一体化フレーム組立体に適合できるようにする。「タブ及びバックル」機構はまた、ストラットフェアリング72の内側端部へのアクセスにレンチを必要とせずに、フェアリング半部分を締結可能にする。これは、パッケージング上極めて有利である。加えて、インターロッキング機構の排除は、ベーン幅を大幅に節約し、インターロッキング設計と比べてより薄肉の高性能なフェアリング翼形部を可能にする。
最後に、本発明は、必要な付随フレームの量を低減することにより、損傷を受けた流路構成部品の取り外し及び交換組み立て時間が改善される。
以上、ガスタービンエンジンの分割フェアリングについて説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく、種々の修正を行い得ることは理解されるであろう。従って、本発明の好ましい実施形態に関する上記の説明並びに本発明を実施するための最良の形態は、限定の目的ではなく単なる例証として提供され、本発明は請求項によって定義される。
72 ストラットフェアリング
78 ベーン
80 外側バンド
82 内側バンド
84 前方フック
86 後方フック
88A、88B 側壁
90 前縁
92 後縁
94 前方セクション
96 後方セクション

Claims (10)

  1. ガスタービンエンジンにおける構造ストラットのフェアリング(72)であって、
    (a)内側バンド(82)と、
    (b)外側バンド(80)と、
    (c)前記内側及び外側バンド(80)間に延びる中空翼形部形ベーン(78)と、
    を備え、
    (d)前記フェアリング(72)が、前記内側バンド(82)、外側バンド(80)、及びベーン(78)を通るほぼ横断平面に沿って分割されて、前部品(102)と後部品(104)とを定めるようにし、
    前記フェアリング(72)が更に、
    (e)前記前部品(102)及び後部品(104)を互いに固定するよう適合された、前記前部品(102)及び後部品(104)により保持される相補的構造物と、
    を備え
    前記ベーン(78)が、前縁と後縁との間に延びる離間して配置された側壁のペアにより定められ、
    前記側壁部分の各々が、半径方向内向きに延びるタブ(106、107)を支持し、前記タブ(106、107)は、前記前部品(102)及び後部品(104)が組み立てられた状態にあるときに互いに隣接して位置するように位置付けられ、
    前記フェアリング(72)が更に、
    (f)前記タブのペア(106、107)を互いに囲んでクランプするスロット付きバックル(110)
    を備える
    ことを特徴とする、フェアリング(72)。
  2. ガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体であって、
    (a)(i)外側リング(48)、(ii)ハブ(42)、及び(iii)前記ハブ(42)と前記外側リング(48)との間に延びる複数のストラット(54)を含むタービンフレーム(38)と、
    (b)(i)内側バンド(82)、(ii)外側バンド(80)、及び(iii)前記内側及び外側バンド間に延びる中空翼形部形ベーン(78)を含む二部品ストラットフェアリング(72)と、
    を備え、
    前記ストラットフェアリング(72)が、前記内側バンド(82)、(ii)外側バンド(80)、及びベーン(80)を通るほぼ横断平面に沿って分割されて、前部品(102)と後部品(104)とを定めるようにし、
    前記ストラットフェアリング(72)が更に、前記前部品(102)及び後部品(104)を互いに固定するよう適合された、前記前部品(102)及び後部品(104)により保持される相補的構造物を含み、
    前記ベーンが、前縁と後縁との間に延びる離間して配置された側壁のペアにより定められ、
    前記側壁部分の各々が、半径方向内向きに延びるタブ(106、107)を支持し、前記タブ(106、107)は、前記前部品(102)及び後部品(104)が組み立てられた状態にあるときに互いに隣接して位置するように位置付けられ、
    前記フェアリング(72)が更に、
    (f)前記タブのペア(106、107)を互いに囲んでクランプするスロット付きバックル(110)
    を備える
    ことを特徴とする、ガスタービンエンジンのタービンフレーム組立体。
  3. 前記外側リング(48)、前記ハブ(42)、及び前記ストラット(54)が、が単一の一体鋳造物である、
    請求項2に記載のタービンフレーム組立体。
  4. 前記ストラット(54)の各々と関連するストラットフェアリング(72)のベーン(78)との間に配置される衝突冷却孔が穿孔されたストラットバッフル(116)を更に備える、
    請求項2または3に記載のタービンフレーム組立体。
  5. 前記ストラットフェアリングが、該ストラットフェアリングの外側バンド(80)を係合する、離間して配置された環状の前方及び後方ノズルハンガーにより前記タービンフレーム(38)に固定される、
    請求項2乃至4のいずれか1項に記載のタービンフレーム組立体。
  6. 前記側壁の嵌合面が非平面形状を有する、
    請求項に記載のフェアリング(72)。
  7. 前記バックル(110)と前記タブ(106、107)の一方とをピン(112)が通過させる、
    請求項に記載のフェアリング(72)。
  8. 前記前部品(102)及び後部品(104)が、1つ又はそれ以上の締結具に結合されるよう適合された嵌合フランジ(114)を保持する、
    請求項1、6乃至のいずれか1項に記載のフェアリング(72)。
  9. 前記ベーン(78)の後方セクションが、蛇行流路を定める壁を含み、該蛇行流路が、前記ベーン(78)の後縁に配置された少なくとも1つの後縁通路と流体連通している、
    請求項1、6乃至のいずれか1項に記載のフェアリング(72)。
  10. 前記前部品(102)及び後部品(104)が、金属合金から鋳造される、
    請求項1、6乃至のいずれか1項に記載のフェアリング(72)。
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