JP5442227B2 - タービンノズルセクタ - Google Patents

Description

本発明は、タービンノズルセクタと、複数のこのタイプのセクタを組み立てた結果形成されるノズルを有するタービンを備えたターボ機械と、セクタなどを製造する方法とに関する。

本発明は任意のタイプのタービンおよび任意のタイプの地上または航空のターボ機械に適用される。特に、本発明は飛行機のターボジェットのタービンに適用される。

本出願において、用語「上流側」および「下流側」は、タービンを通る流体の通常の流れ方向に対して定義される。さらに、軸方向はタービンロータの回転軸方向に相当し、半径方向は上記回転軸に垂直な方向である。結局、その逆に指定しない限り、形容詞「内側の」および「外側の」は、要素の内側（すなわち、半径方向内側）部分または表面が、同要素の外側（すなわち、半径方向外側）部分または表面より上記回転軸に近いというように、半径方向に対して使用される。

飛行機のターボジェットタービンは、固定要素（ステータ）と可動要素（ロータ）とを有する。可動要素はブレードを有する可動ホイールであり、これらの可動ホイールをノズルとしても知られている固定羽根のグリッド間に介装される。ノズルと可動ホイールを備える一対は、タービンの一段を構成する。タービンの組み立てをより簡単にするために、少なくとも２つのノズルセクタを組み立てることによりノズルが形成される。

タービンを通るガスの温度を考えると、特定のノズルの羽根はこれらのノズルを冷却できるように中空である。これは、２スプールのターボジェットでは、一般的に最も上流側に位置し、第１段ノズルとも呼ばれるノズルの羽根に適用される。

より正確には、本発明は、外側プラットフォームセグメントと内側プラットフォームセグメントとを備え、その間に１つまたは複数の中空羽根が延在するタイプのタービンノズルセクタに関する。各中空羽根は冷却空気を供給し羽根の後縁に沿って配設された複数の排気口と連通する後縁空洞を含み、これらの排気口は冷却空気の一部を排気する働きをする。

上述のタイプのセクタの知られている例を、図１および図２に示す。

図１はこの知られている例のセクタ１０の斜視図であり、図２は図１の面ＩＩ−ＩＩにおける半径方向断面図である。セクタ１０は、外側プラットフォームセグメント２と内側プラットフォームセグメント４とを備え、その間に、隣接可動ホイール（図示せず）を駆動するのに好適な方向に空気流を導く羽根６が延在する。複数のセクタを組み立てて、ノズルを構成する。組み立てると、セグメント２はノズルの環状内側プラットフォームを形成し、セグメント４はノズルの環状外側プラットフォームを形成する。

羽根６は冷却空気を通過させることができるように中空である。各羽根の内部には、３つの空洞が存在する（図２を参照）。この３つの空洞は、後縁空洞１６（羽根の後縁脇に位置する）、前縁空洞１２（羽根の前縁部脇に位置する）および中央空洞１４（上述した２つの空洞の間に位置する）である。作動時に、これらの３つの空洞１２、１４、および１６は冷却空気を供給される。この冷却空気は、一般に、高圧タービン内からのターボジェットの一次気流から取り込まれる。冷却空気の流路は、矢印Ｆで象徴的に表す。

後縁空洞１６は、中央空洞１４および２つの空洞１４、１６間にある連通オリフィス１５（図２に示される）を経由して冷却空気を供給される。後縁空洞１６は、複数の排気口１８（すなわち出口チャネル）と連通する。この排気口１８は、羽根の後縁に沿って、羽根の正圧側壁１９を貫通して配設される。図２において、排気口１８は点線で示されている。これら排気口により冷却空気の一部を矢印ｆに沿って排気することが可能になる。排出された空気は正圧側壁１９に沿って空気の膜を形成し、この空気の膜がタービンを通過する高温ガスから羽根の後縁を保護し、後縁を冷却する。

セクタ１０は、一般に、可溶性中子を使用して空洞１２、１４、および１６を配設されて鋳造により製造される。これらの可溶性中子を取り除くために、空洞１２、１４、および１６は、最初にそれらの外側および内側の両端部（すなわち、図２においては上端部および下端部）は開口している。これらの中子を取り外した後、空洞の外側および内側の開口部は閉じられる。

したがって、後縁空洞１６の外側開口部１６ａおよび内側開口部１６ｂは、各プレート２０、２２により閉じられる。したがって、作動時にプレート２０、２２を通って空気が排気されることはない。プレート２０は、外側プラットフォームのセグメント２の外面に位置付けされて、その後昇温される予備焼結部から作られ、この予備焼結部は拡散溶接により、セグメント２に溶接する。

セクタ１０を酸化と高温腐食から保護するために、一般に、気体技術によりアルミニウムの保護皮膜をセクタに蒸着させる。これはアルミ化方法とも呼ばれる。この知られている方法は、アルミニウムを含むドナーを使用して、セクタ１０の特定の部分（特に、羽根６の負圧面および正圧面）上にアルミニウムを蒸着させることにあり、アルミニウムは気相内で、ハロゲン化アルミニウムの形でドナーからセクタ１０まで伝達される。このハロゲン化アルミニウムは、一般に「ベクトル」ガスと呼ばれるガスを使用して形成される。このガスは、ハロゲンイオンを放出する温度影響下で、昇華することができる。これらのイオンはドナーと反応して、揮発性ハロゲン化アルミニウムを生成する。ハロゲン化アルミニウムは、アルゴンなどの還元ガスまたは不活性ガスで希釈してもよい。

後縁空洞１６は、プレート２０、２２が皮膜に溶接できないため、保護皮膜を蒸着させる前にプレート２０、２２で閉じられる。したがって、皮膜を蒸着させるのに使用されるガス（すなわち、揮発性ハロゲン化アルミニウムおよび上述の例の不活性ガス）は、後縁空洞１６の内部にほとんど、または全く浸透しない。場合によっては、いくらかのガスが排気口１８の内部に浸透する可能性があるが、これらの排気口１８は非常に小さいセクションであるため、この内部に浸透するガスはごくわずかの量であり、非常に短い間隔である。したがって、後縁空洞１６の壁は、保護皮膜により覆われていないか、または排気口１８の近傍でごくわずかに覆われている。

いくつかの調査報告書により、外側プラットフォームセグメント２とプレート２０とに近接して位置する後縁空洞１６のゾーンＣがひどく高温腐食にさらされることが明らかになった。図２において、このゾーンＣは環に囲まれている部分である。残念なことに、このゾーンＣの修理は非常に難しい。これは、どんな修理の場合も、外側プラットフォーム２に溶接されているプレート２０を取り外す必要があるためである。このことは、そのような従来技術のノズルセクタの高い廃棄率につながる。

本発明の目的は、外部プラットフォームセグメントに近接して位置する後縁空洞のゾーンがほとんど高温腐食にさらされない、上述の特定のタイプのタービンノズルセクタを提案することである。

本目的は、後縁空洞が外側プラットフォームと同じ高さに位置する空気出口孔と連通し、空気出口孔が外部プラットフォームセグメントに固定される部品を貫通して配設される、上述の特定のタイプのタービンノズルセクタにより達成される。タービンの作動中、空気出口孔は冷却空気の一部を排気する働きをする。

作動時に、空気出口孔により、確実に冷却空気が外側プラットフォームセグメントに近接して位置する後縁空洞のゾーン内に流れるのが可能になり、その結果、このゾーンは良好に冷却され、したがって、ほとんど高温腐食にさらされなくなる。

さらに、有利には、セクタ上に保護皮膜を蒸着させるのに気体技術を使用し、その結果、蒸着に使用されるガスの一部が空気出口孔を通過し、この孔の近傍に位置する空洞の壁は保護皮膜によって覆われる。有利には、皮膜は腐食から保護し、壁が皮膜により保護されるので、さらに高温腐食にほとんどさらされなくなる。この利点は、任意のタイプの防食皮膜でも得られ、したがって、本発明はアルミニウムの皮膜を蒸着させることに限定されないことに留意されたい。

一実施形態において、保護皮膜を蒸着させるのに使用されるガスの浸透を促進するために、空気出口孔の出口セクションの面積を２ｍｍ^２以上にする。

一実施形態において、空気出口孔の出口セクションの面積を８ｍｍ^２以下にする。これは、出口孔を通って排気される冷却空気の量を制限する。出口孔を通過する冷却空気の排気が多すぎると、特に、排気口を通って空気が排気される率が低くなり、羽根の後縁を冷却するのに不利となる。

一実施形態において、空気出口孔は、外側プラットフォームセクタに固定される部品を貫通させる。したがって、その部品を設置する前に、孔の出口セクションは貫通させられ、較正される。部品が使いやすいように選択されて、その結果、較正動作が簡単に、かつ高精度に行われ得る。一例として、部品は金属プレートであり、ろう付けにより固定することができる。

空気出口孔は、上述した以外の何らかの方法で設けられ得ることに留意されたい。特に、外側プラットフォームセクタに固定される部品を貫通して配設されるのではなく、空気出口孔が直接外側プラットフォームセクタを貫通して設けられてもよい。例えば、セクタが鋳造成形される時に、セクタの成形時に空気出口孔を配設することができる。鋳造による製造の精度が不十分であると認められる場合は、孔を較正するための任意の機械加工工程を取り入れてもよい。他の代替形態においては、空気出口孔は、外側プラットフォームセクタにより部分的に、かつセクタに固定される部品により部分的に画定されてもよい。言い換えれば、その固定された部品は、後縁空洞からの外側開口部の一部を覆う。一例として、該部品は金属プレートまたは予備焼結プレートとしてもよい。

本発明およびその利点は、限定されない例示による本発明の一実施形態の以下の詳細な説明を読むことで、より理解することができる。本記述は、添付図面を参照する。

図１および図２は従来技術を示し、これらの図は上述している。

図３および図４において、一例として示されるセクタ１１０は、外側プラットフォームの近傍に位置する後縁空洞ゾーンに関してのみ、図１および図２のセクタ１０とは異なる。したがって、セクタ１０の部分に類似しているセクタ１１０の部分は、同一の符号に１００をプラスした形で識別され、これらについてはさらに説明しない。

セクタ１１０は鋳造により製造され、最初に後縁空洞１１６は、その外端部に外側開口部１１６ａを含み、この外側開口部１１６ａは外側プラットフォームのセグメント１０２を貫通する。外側開口部１１６ａは、羽根１０６の内部に空洞１１６を作るための成形時に使用された可溶性中子を抜くのに有用である。さらに、外側開口部１１６ａのセクションは、中子をこの位置でどんな破損のリスクも避けるのに十分な厚さにできる大きさのサイズである。例えば、外側開口部１１６ａのセクションは、一般に、長辺８ｍｍ×短辺２ｍｍの長方形の形で、面積は１６ｍｍ^２である。

セクタ１１０が成形された後、気体技術を使用して、セクタ上に保護皮膜を蒸着させて、腐食および酸化から保護する。一例として、この保護皮膜はアルミニウムの皮膜である。アルミニウムの皮膜を蒸着させる方法は、知られており上述している。

本発明によれば、後縁空洞の外側開口部１１６ａは閉じられておらず、空洞１１６は、外側プラットフォーム１０２にある空気出口孔１３０と連通する。作動時、孔１３０により、冷却空気の一部が矢印ｆ’に沿って排気される。したがって、外側プラットフォームセクタ１０２と同じ高さに位置するゾーンＣ内で空洞１１６の空気の流れが存在する。この冷却空気の流れにより、空洞１１６の壁がゾーンＣ内で冷却され、したがって、これらの壁はほとんど高温腐食にさらされることはない。

さらに、気体技術による保護皮膜の蒸着時に、蒸着に使用されるガスの一部が、孔１３０を通過し、皮膜がゾーンＣに位置する空洞１１６の壁に蒸着される。したがって、これらの壁は、皮膜により腐食から保護される。

空気出口孔１３０の出口セクションは、保護皮膜の蒸着時に十分な量のガスが通過でき、ガスが空洞１１６内部を十分に浸透できるように十分大きくする。しかし、この出口セクションは、作動時に、確実に冷却空気（矢印ｆ’）の流量が多すぎることがないように十分に小さくする。したがって、例えば、孔１３０の出口セクションは、一般に、直径１．６ｍｍ、約面積２ｍｍ^２の円形である。

空気出口孔１３０は、金属プレート１４０を貫通して配設される。このプレート１４０の形は、長方形または正方形である。プレート１４０は、ろう付けによって、外側プラットフォームセグメント１０２に固定される。プレート１４０は、十分に硬く、高温に耐えられる材料から作られるため、孔１３０の出口セクションの面積は一定のままで、作動時にもほとんど変化しないことが保証される。

タービンノズルセクタの従来技術の例の斜視図である。 図１の面ＩＩ−ＩＩにおける半径方向断面図である。 本発明のタービンノズルセクタの一例の斜視図である。 図３の面ＩＶ−ＩＶにおける半径方向断面図である。

符号の説明

２、１０２ 外側プラットフォームセグメント
４、１０４ 内側プラットフォームセグメント
６、１０６ 羽根
１０、１１０ タービンノズルセクタ
１２、１１２ 前縁空洞
１４、１１４ 中央空洞
１５、１１５ 連通オリフィス
１６、１１６ 後縁空洞
１６ａ、１１６ａ 外側開口部
１６ｂ、１１６ｂ 内側開口部
１８、１１８ 排気口
１９、１１９ 正圧側壁
２０、２２、１２２ プレート
１３０ 空気出口孔
１４０ 金属プレート

Claims (8)

1. 外側プラットフォームセグメント（１０２）と内側プラットフォームセグメント（１０４）とを備え、外側プラットフォームセグメント（１０２）と内側プラットフォームセグメント（１０４）との間に、１つまたは複数の中空羽根（１０６）が延在し、各中空羽根が、後縁空洞（１１６）を含み、前記後縁空洞（１１６）が、冷却空気が供給され前記中空羽根の後縁に沿って配設された複数の排気口（１１８）と連通し、前記排気口が冷却空気の一部を排気する働きをする、タービンノズルセクタ（１１０）であって、
   前記後縁空洞（１１６）が、空気出口孔（１３０）と連通し、前記空気出口孔（１３０）が、前記外側プラットフォーム（１０２）と同じ高さに位置しかつ冷却空気の一部が排気されるのを可能にし、前記空気出口孔（１３０）が、前記外側プラットフォームセグメント（１０２）に固定される部品を貫通して配設されることを特徴とする、タービンノズルセクタ。
2. 前記空気出口孔（１３０）が面積２ｍｍ^２以上の出口セクションを含む、請求項１に記載のタービンノズルセクタ。
3. 前記空気出口孔（１３０）が面積８ｍｍ^２以下の出口セクションを含む、請求項１または２に記載のタービンノズルセクタ。
4. 前記部品が、ろう付けにより外側プラットフォームセグメント（１０２）に固定された金属プレート（１４０）である、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンノズルセクタ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンノズルセクタ（１１０）を提供するステップ、および
   蒸着に使用されたガスの一部が空気出口孔（１３０）を通過し、空気出口孔（１３０）の近傍に位置する後縁空洞（１１６）の壁が保護皮膜で覆われるように、前記セクタ上に保護皮膜を蒸着するために気体技術を使用するステップ
   を備える製造方法。
6. 前記保護皮膜がアルミニウムの皮膜である、請求項５に記載の製造方法。
7. ノズルを備える少なくとも１つのタービンを含むターボ機械であって、ノズルが請求項１から４のいずれか一項に記載の複数のノズルセクタ（１１０）を組み立てた結果形成されたものである、ターボ機械。
8. ターボ機械が、高圧タービンおよび低圧タービンを有する２スプールのターボジェットであり、前記ノズルが、タービンを通過する空気流の通常の流れ方向において最も上流側に位置する低圧タービンのノズルである、請求項７に記載のターボ機械。

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