JP5437561B2 - ガスタービン固定子及びタービン翼組立体 - Google Patents

Description

本発明は、全体としてガスタービンエンジンに関し、より詳細には、翼プラットホームシステムを組み立てるための装置および方法に関する。

少なくとも幾つかの公知の燃焼タービンエンジンは、燃焼器組立体内の混合気に点火して燃焼ガス流を発生させ、この燃焼ガス流が高温ガス経路を介してタービン組立体に運ばれる。圧縮空気が圧縮機組立体により燃焼器組立体に運ばれる。燃焼器組立体は、通常、燃焼器組立体の燃焼領域へ燃料および空気を供給するのを促進する燃料翼組立体を含む。タービン組立体は燃焼ガス流の熱エネルギーを力学的エネルギーに変換し、この力学的エネルギーがタービン組立体の軸を回転させる。タービン組立体の出力を利用して、機械、例えば発電機またはポンプに動力を与えることができる。

知られている翼組立体は、加工のやり方の異なる種々の材料から製造された複数の部品を含む。このような或る材料として、積層セラミックス基複合材料がある。通常、積層セラミックス基複合材料は様々な積層厚さを有する。積層厚さにむらがなければ、燃料翼組立体は効率的に作動する。このほか、積層セラミックス基複合材料は、亀裂なしで達成する曲げ半径が比較的小さいという限定的能力を有する。さらに、翼の羽根傾斜部分をプラットホームに連結することは困難な工程である。セラミックス基複合材料の翼も、いったん翼が設置されると検査するのが困難となり得る。

知られている多くのタービン翼組立体は、ガスタービンエンジンのプラットホームと連係するように製造された種々の部品を含む。非一体形プラットホームが使用される場合、ガスタービンエンジンのプラットホームに積層セラミックス基複合材料の翼を構造的に取り付けるのは困難であり得る。一体形プラットホームが使用される場合、翼からプラットホームに移行させるとフィレットに層間引張応力が存在する。さらに、積層セラミックス基複合材料では、共振周波数の制御が困難となる。
米国特許出願公開第２００４／０１１５３９５号公報 米国特許第６，９６９，２３９号公報 米国特許第６，８６０，７１４号公報 米国特許第６，７０９，２３０号公報 米国特許第６，６９６，１４４号公報 米国特許第６，５１４，０４６号公報 米国特許第６，０１３，５９２号公報 米国特許第５，３５８，３７９号公報 米国特許第４，７９０，７２１号公報 米国特許第４，５１９，７４５号公報 米国特許第４，３７６，００４号公報 米国特許第３，７５６，０２０号公報

面内負荷を可能な限り維持することにより、層間応力を最小にすることが重要である。

１態様において、ガスタービン固定子が提供される。ガスタービン固定子は翼組立体を含む。翼組立体は翼を含む。翼組立体はキャップも含む。翼組立体の翼はキャップから半径方向に延びている。翼は、圧力側シェルと個別の負圧側シェルとを含む。ガスタービン固定子は、翼組立体を受けるプラットホームも含む。

別の態様において、ガスタービンエンジン用のタービン翼組立体が提供される。翼組立体は負圧側シェルを含む。負圧側シェルは、前縁、後縁、およびそれらの間に凸面を含む。翼組立体は圧力側シェルも含む。圧力側シェルは、前縁、後縁、およびそれらの間に凹面を含む。負圧側シェルと圧力側シェルの前縁とは、相対的に近接して維持される。

ここでは、燃焼タービン翼を組み立てる方法が開示される。この方法は、圧力側シェルと個別の負圧側シェルとを備えた翼を形成するステップを含む。この方法は、圧力側シェルと負圧側シェルとを嵌合するステップも含む。

図１は、例示的な燃焼タービンエンジン１００の略図である。エンジン１００は圧縮機１０２と燃焼器１０４とを含む。燃焼器１０４は燃焼領域１０５と燃料ノズル組立体１０６とを含む。エンジン１００は、タービン１０８と圧縮機／タービン共通軸１１０（時に回転子１１０と称される）とをも含む。１実施形態において、エンジン１００は、ゼネラル・エレクトリック社（Ｇｒｅｅｎｖｉｌｌｅ、Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）から商業的に利用可能な、時に９ＦＢエンジンと称されるＭＳ７００１ＦＢエンジンである。本発明は任意の具体的なエンジンに限定されるものではなく、例えばゼネラル・エレクトリック社のエンジンモデルＭＳ７００１ＦＡ（７ＦＡ）およびＭＳ９００１ＦＡ（９ＦＡ）を含むその他のエンジンと組み合わせて埋め込むことができる。

作動中、圧縮機１０２を空気が流れ、燃焼器１０４に圧縮空気が供給される。具体的には、燃焼器１０４に一体化された燃料ノズル組立体１０６に圧縮空気が供給される。組立体１０６は燃焼領域１０５と連通している。燃料ノズル組立体１０６は燃料源（図１には示さず）とも連通しており、燃料と空気とを燃焼領域１０５に通じさせる。燃焼器１０４が燃料に点火し、これを燃焼させる。燃焼器１０４はタービン１０８と連通しており、このためガス流の熱エネルギーが力学的回転エネルギーに変換される。タービン１０８は回転子１１０に回転自在に連結され、これを駆動する。また、圧縮機１０２が軸１１０に回転自在に連結されている。例示的な実施形態において、複数の燃焼器１０４および複数の燃料ノズル組立体１０６が存在する。以下の検討において特に指示しない限りは、１つのみの各部品を検討する。

図２は、図１の燃焼タービンエンジン１００で使用できる、三段式ノズルを備えた例示的なタービン組立体１０８の断面図である。タービン組立体１０８は翼サブアセンブリ１１２を含む。翼サブアセンブリ１１２は、半径方向外側のプラットホーム１１４および半径方向内側のプラットホーム１１６により、タービン組立体１０８内で保持されている。

図３は、図１の燃焼タービンエンジン１００で使用できるタービン翼組立体１１２の例示的な実施形態の略図である。タービン翼組立体１１２は、負圧側シェル１１８と圧力側シェル１２０とを含む。例示的な実施形態において、負圧側シェル１１８および圧力側シェル１２０は、セラミックス基複合材料から加工されている。セラミックス基複合材料は翼のシーリングを促進する。負圧側シェル１１８は、前縁１２２と後縁１２３とを含む。圧力側シェル１２０は、前縁１２４と後縁１２５とを含む。負圧側シェル１１８は凸面を含み、圧力側シェル１２０は凹面を含む。凹面および凸面は、翼を通る燃焼ガス流を方向づけ、あるいは方向づけ直す人間工学的輪郭線である。

前縁１２２と前縁１２４とは相対的に近接して位置決めされる。前縁１２２と前縁１２４とは重なり合うか、噛合するか、またはそれらの間に非常に小さい距離を残すことができる。前縁１２２と前縁１２４とは、湾曲した経路を形成するように構成された嵌合面を有する。この湾曲した経路は、例えば重ね合わせ、溝形状、矢翼形状、またはシーリング部材により形成することができるが、これらに限定されるものではない。

後縁１２３と後縁１２５とは、これらも相対的に近接して位置決めされる。後縁１２３と後縁１２５とは重なり合うか、噛合するか、またはそれらの間に非常に小さい距離を残すことができる。後縁１２３と後縁１２５とは、湾曲した経路を形成するように構成された嵌合面を有する。この湾曲した経路は、例えば重ね合わせ、溝形状、矢翼形状、またはシーリング部材により形成することができるが、これらに限定されるものではない。

負圧側シェル１１８は、半径方向外側縁部１２６と半径方向内側縁部１２７とを含む。圧力側シェル１２０は、半径方向外側縁部１２８と半径方向内側縁部１２９とを含む。圧力側シェル１２０は、外側端部キャップ１３２内および内側端部キャップ１３４内で輪郭線付き空洞１３０に係合し、同様に負圧側シェル１１８も、外側端部キャップ１３２内および内側端部キャップ１３４内で輪郭線付き空洞１３０に係合する。半径方向外側縁部１２６は、外側端部キャップ１３２の空洞１３０に位置合わせされる。半径方向外側縁部１２８は、外側端部キャップ１３２の空洞１３０に位置合わせされる。半径方向内側縁部１２７は、内側端部キャップ１３４の空洞１３０に位置合わせされる。半径方向内側縁部１２９は、内側端部キャップ１３４の空洞１３０に位置合わせされる。

外側端部キャップ１３２と内側端部キャップ１３４との間で半径方向に締付け部材１３６が位置決めされている。締付け部材１３６は、圧力側シェル１２０と負圧側シェル１１８とを相互に対して実質一定方向で維持するのを促進する。さらに、締付け部材１３６は翼組立体１１２の構造的負荷を担持し、圧力側シェル１２０と負圧側シェル１１８とが空気力学的輪郭線を提供できることを促進する。例示的な実施形態において、半径方向外側端部キャップ１３２は締め具１３３を含む。締め具１３３は締付け部材１３６に螺合可能に連結する。外側端部キャップ１３２と内側端部キャップ１３４とを締付け部材１３６に連結することにより、負圧側シェル１１８、圧力側シェル１２０、締付け部材１３６、外側端部キャップ１３２、および内側端部キャップ１３４は相互に対してしっかりと位置合わせし維持される。選択的実施形態において、締付け部材１３６は、バイアス部材、例えば形状記憶部材、金属製翼桁、および／またはばねを有する。締付け部材１３６は冷却空気を含み、締付け部材１３６および／または翼の熱の低減を促進することができる。締付け部材１３６は、締付け部材１３６から軸線方向に延びる単数または複数の隔壁１３７を含むことができる。隔壁１３７、およびその所定の位置決めにより、重大な特定の共振モードの形状に対して翼の振動が低減することが促進される。

タービン翼組立体１１２は、半径方向外側プラットホーム１１４と半径方向内側プラットホーム１１６とを含む。半径方向内側プラットホーム１１６は、プラットホーム１１６の周りで円周方向に離間し軸線方向を向いた複数の溝穴１３９を含む。半径方向外側プラットホーム１１４は、プラットホーム１１４の周りで円周方向に離間し軸線方向を向いた複数の溝穴１３８を含む。溝穴１３８は、半径方向外側端部キャップ１３２を受けるように構成されている。溝穴１３９は、半径方向内側端部キャップ１３４を受けるように構成されている。

図４は、燃焼タービンエンジン１００（図１に示す）で使用できるタービン翼組立体１１２の選択的実施形態の略図である。タービン翼組立体１１２は、負圧側シェル１４０と圧力側シェル１４２とを含む。例示的な実施形態において、負圧側シェル１４０および圧力側シェル１４２は、セラミックス基複合材料から加工されている。セラミックス基複合材料は、シーリング隙間の除去を促進する。負圧側シェル１４０は、前縁１６０と後縁１６２とを含む。圧力側シェル１４２は、前縁１６４と後縁１６６とを含む。負圧側シェル１４０は凸面を含み、圧力側シェル１４２は凹面を含む。凹面および凸面は、翼を通る流れを方向づけ、あるいは方向づけ直す人間工学的輪郭線である。

前縁１６０と前縁１６４とは相対的に近接して位置決めされる。前縁１６０と前縁１６４とは重なり合うか、噛合するか、またはそれらの間に非常に小さい距離を残すことができる。前縁１６０と前縁１６４とは、湾曲した経路を形成するように構成された嵌合面を有する。この湾曲した経路は、例えば重ね合わせ、溝形状、矢翼形状、またはシーリング部材により形成することができるが、これらに限定されるものではない。

後縁１６２と後縁１６６とは、これらも相対的に近接して位置決めされる。後縁１６２と後縁１６６とは重なり合うか、噛合するか、またはそれらの間に非常に小さい距離を残すことができる。後縁１６２と後縁１６６とは、湾曲した経路を形成するように構成された嵌合面を有する。この湾曲した経路は、例えば重ね合わせ、溝形状、矢翼形状、またはシーリング部材により形成することができるが、これらに限定されるものではない。

圧力側シェル１４２は、凹面の半径方向外側縁部１４６から延びる半径方向外側フランジ１４４を含み、圧力側シェル１４２は、凹面の半径方向内側縁部１４８から延びる半径方向内側フランジ１４３も含む。負圧側シェル１４０は、凸面の半径方向外側縁部１４７から延びるフランジ１５０を含み、負圧側シェル１４０は、凸面の半径方向内側縁部１４９から延びるフランジ１５１も含む。

タービン翼組立体１１２は、圧力側シェル１４２と負圧側シェル１４０とを有する。半径方向内側プラットホーム１７４は、プラットホーム１７４の周りで円周方向に離間し軸線方向を向いた複数の溝穴１７０を含む。半径方向外側プラットホーム１７６は、プラットホーム１７６の周りで円周方向に離間し軸線方向を向いた複数の溝穴１７２を含む。溝穴１７２は、半径方向外側フランジ１５０と半径方向外側フランジ１４４とを受けるように構成されている。溝穴１７０は、半径方向内側フランジ１５１と半径方向内側フランジ１４３とを受けるように構成されている。

種々の具体的な実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明を、特許請求の範囲の精神および枠内で変更して実施できるということを当業者は理解するであろう。

例示的な燃焼タービンエンジンの略図である。 図１の燃焼タービンエンジンで使用できる、三段式ノズルを備えた例示的なガスタービン組立体の断面図である。 図１の燃焼タービンエンジンで使用できる、セラミックス基複合材料（ＣＭＣ）のタービン翼組立体の略図である。 図１の燃焼タービンエンジンで使用できるＣＭＣタービン翼組立体の選択的実施形態の略図である。

符号の説明

１００ 燃焼タービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０５ 燃焼領域
１０６ 燃料ノズル組立体
１０８ タービン組立体
１１０ 軸（回転子）
１１２ タービン翼組立体
１１４ 半径方向外側プラットホーム
１１６ 半径方向内側プラットホーム
１１８ 負圧側シェル
１２０ 圧力側シェル
１２２ 負圧側シェルの前縁
１２３ 負圧側シェルの後縁
１２４ 圧力側シェルの前縁
１２５ 圧力側シェルの後縁
１２６ 負圧側シェルの半径方向外側縁部
１２７ 負圧側シェルの半径方向内側縁部
１２８ 圧力側シェルの半径方向外側縁部
１２９ 圧力側シェルの半径方向内側縁部
１３０ 空洞
１３２ 外側端部キャップ
１３３ 締め具
１３４ 内側端部キャップ
１３６ 締付け部材
１３７ 隔壁
１３８ 半径方向外側プラットホームの軸線方向を向いた溝穴
１３９ 半径方向内側プラットホームの軸線方向を向いた溝穴
１４０ 負圧側シェル
１４２ 圧力側シェル
１４３ 圧力側シェルの半径方向内側フランジ
１４４ 圧力側シェルの半径方向外側フランジ
１４６ 圧力側シェルの半径方向外側縁部
１４７ 負圧側シェルの半径方向外側縁部
１４８ 圧力側シェルの半径方向内側縁部
１４９ 負圧側シェルの半径方向内側縁部
１５０ 負圧側シェルの半径方向外側フランジ
１５１ 負圧側シェルの半径方向内側フランジ
１６０ 負圧側シェルの前縁
１６２ 負圧側シェルの後縁
１６４ 圧力側シェルの前縁
１６６ 圧力側シェルの後縁
１７０ 半径方向内側プラットホームの軸線方向を向いた溝穴
１７２ 半径方向外側プラットホームの軸線方向を向いた溝穴
１７４ 半径方向内側プラットホーム
１７６ 半径方向外側プラットホーム

Claims (4)

1. ガスタービンエンジン用タービン翼組立体（１１２）であって、当該タービン翼組立体（１１２）が、
   （ａ）前縁（１６０）、後縁（１６２）及び該前縁と後縁との間の凸面を含む負圧側シェル（１４０）であって、半径方向外側縁部（１４７）から延びる半径方向外側フランジ（１５０）と、半径方向内側縁部（１４９）から延びる半径方向内側フランジ（１５１）とをさらに含んでいる負圧側シェル（１４０）と、
   （ｂ）前縁（１６４）、後縁（１６６）及び該前縁と後縁との間の凹面を含む圧力側シェル（１４２）であって、半径方向外側縁部（１４６）から延びる半径方向外側フランジ（１４４）と、半径方向内側縁部（１４８）から延びる半径方向内側フランジ（１４３）ととをさらに含んでいる圧力側シェル（１４２）と、
   （ｃ）前記圧力側及び負圧側シェル（１４２，１４０）の半径方向内側フランジ（１４３，１５１）を受けるための軸線方向を向いた溝穴（１７０）を有する半径方向内側プラットホーム（１７４）と、
   （ｄ）前記圧力側及び負圧側シェル（１４２，１４０）の半径方向外側フランジ（１４４，１５０）を受けるための軸線方向を向いた溝穴（１７２）を有する半径方向外側プラットホーム（１７６）と
   を有する、タービン翼組立体。
2. 前記負圧側シェル（１４０）及び前記圧力側シェル（１４２）の少なくとも１つが、セラミックス基複合材料から加工されている、請求項１記載のタービン翼組立体（１１２）。
3. ガスタービンエンジン用タービン翼組立体（１１２）であって、当該タービン翼組立体（１１２）が、
   （ａ）前縁（１２２）、後縁（１２３）及び該前縁と後縁との間の凸面を含む負圧側シェル（１１８）と、
   （ｂ）前縁（１２４）、後縁（１２５）及び該前縁と後縁との間の凹面を含む圧力側シェル（１２０）と、
   （ｃ）前記負圧側シェル（１１８）及び前記圧力側シェル（１２０）の半径方向外側縁部に連結するように構成された半径方向外側端部キャップ（１３２）と、
   （ｄ）前記負圧側シェル及び前記圧力側シェルの半径方向内側縁部に連結するように構成された半径方向内側端部キャップ（１３４）と、
   （ｅ）前記圧力側シェル（１２０）及び前記負圧側シェル（１１８）を相互に対して且つ前記外側端部キャップ及び前記内側端部キャップに対して一定方向に維持するように構成された締付け部材（１３６）と、
   （ｆ）前記半径方向内側端部キャップ（１３４）を受けるための軸線方向を向いた溝穴（１３９）を有する半径方向内側プラットホーム（１１６）と、
   （ｇ）前記半径方向外側端部キャップ（１３２）を受けるための軸線方向を向いた溝穴（１３８）を有する半径方向外側プラットホーム（１１４）と
   を有する、タービン翼組立体。
4. 前記負圧側シェル（１１８）及び前記圧力側シェル（１２０）の少なくとも１つが、セラミックス基複合材料から加工されている、請求項１記載のタービン翼組立体（１１２）。
   
   

Images