JP5525119B2 - タービン組立体及びそのタービンシュラウド - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジン用のシュラウドに関する。

ガスタービンエンジンは、ガス流からエネルギーを取出して機械的な仕事を行う１つ又はそれ以上のタービンを含む。構造的排気フレーム又はタービン後部フレーム（ＴＲＦ）を低圧タービン（ＬＰＴ）の後方に配置することは、従来技術では普通のことである。一般的に使用する構成のため、ＬＰＴの構造ケースとＴＲＦの構造ケースとの間の移行部は、内向き傾斜した直径を形成しなければならなくなる。

このＬＰＴケースからＴＲＦケースへの内向き傾斜部により、最終段のＬＰＴブレードを囲むシュラウドによって形成された軸方向前方境界面とＴＲＦケースの内向き傾斜した輪郭によって形成された後方境界面とを有する半径方向ポケットが形成される。破片（デブリ）が後方に放出されるようなタービン破損が発生した場合には、このポケットは、多数のデブリを捕捉し、デブリがエンジンの排気管から後方に放出されるのを防止することができる。このような方式でタービン破損によるデブリを捕捉することは、損傷により後方マウントへのエンジンカーカス荷重経路が分断される可能性があると思われるので、極めて望ましくない。このことは、次にエンジン構成部品の遊離及び航空機損傷を招くおそれがある。

また、ＬＰＴ出口ブレード先端シールの直ぐ後方に内向き傾斜したフレームケースが存在することにより、先端シール歯を横切ってブレードをバイパスする高温漏洩空気が衝突することになる。このサイクル空気は、最終ＬＰ段によって何も仕事が取出されなかったので、ＴＲＦが曝される残りのサイクル空気よりも著しく高温である。このサイクル空気はまた、ＬＰＴ吐出流の残りの部分と比較して高い衝突速度、従って高い熱伝達係数を有することになる。このことにより、局所的に、話題にしている過昇温度に加えてＴＲＦケースにおける有害な温度勾配及び熱疲労問題が生じるおそれがある。半径方向の移行部はまた、シュラウド軸方向位置の後方にある長さの円錐構造を必要とし、このことにより、エンジンに長さ及び重量が付加されることになる。
特開２００２−３６４３０６号公報

従って、ＴＲＦケースをデブリ及び高温から保護するタービンシュラウド装置に対する必要性が存在する。

上述の必要性は、１つの態様によると、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドを提供する本発明によって満たされ、本タービンシュラウドは、間隔を置いた前端部及び後端部と間隔を置いた円周方向端部とを有する弓形本体と、本体をエンジンの周囲ケースに取付けるための手段と、本体の後端部から後向きに突出しかつエンジンを通るガス流路の一部分を形成するようになった内面を有する弓形延長部材とを含む。

本発明の別の態様によると、タービン組立体は、タービンを通るガス流と相互作用する半径方向に延びるタービンブレードを含む少なくとも１つの段を支持する長手方向軸線の周りで回転可能なロータと、タービンブレードを囲む第１のセクションと第１のセクションの後方に配置されてタービンを通る流路の一部分を形成する第２のセクションとを有する環状の第１のケースと、第１のケースとブレードとの間に配置されたタービンシュラウドとを含む。タービンシュラウドは、間隔を置いた前端部及び後端部と間隔を置いた円周方向端部とを有する弓形本体と、本体の後端部から後向きに突出して該本体の後端部から第１のケースの第２のセクションまで延び、かつタービンを通るガス流路の一部分を形成するようになった内面を有する弓形延長部材とを含む。

本発明は、添付図面の図に関連して行った以下の説明を参照することによって、最も良く理解することができる。

様々な図全体にわたって同一の参照番号が同じ要素を表している図面を参照すると、図１は、従来技術のガスタービンエンジンの低圧タービン（「ＬＰＴ」）１０の一部分を示す。ＬＰＴ１０は、タービンブレード１２とタービンノズル又はベーン１４との交互段を含む。タービンノズル１４は、環状のＬＰＴケース１６に取付けられ、一方、タービンブレード１２は、適当なシャフト系と協働して圧縮機又は他の機械的負荷を回転させるロータ組立体（図示せず）に取付けられる。ＬＰＴケース１６の後端部２０は、円周方向に延びるタービンシュラウド２２を支持する。タービンシュラウド２２の目的は、ＬＰＴケース１６とタービンブレード１２の外端部との間に緊密取付けシールを形成し、従ってＬＰＴ１０における流れ損失を低減することである。図１に示すシュラウド２２は、従来技術の典型的なものであり、各々が、アブレイダブル部材２６を支持する基部２４を備えた弓形セグメントのリングを含む。アブレイダブル部材２６は、タービンブレード１２の半径方向外向きに延びるシール歯２８と相互作用して、所望のシールを形成する。

タービン後部フレーム又はＴＲＦ３０と呼ばれる固定フレームは、中心ハブ（図示せず）と、その１つを図１に示す複数の半径方向に延びるアーム３４と、最終段のタービンブレード１２の直ぐ後方でＬＴＰケース１６の後端部２０に取付けられた環状のＴＲＦケース３６とを含む。ＴＲＦケース３６は、何らの中間構造体なしで直接的に外側流路面を形成する。この構造の結果として、タービンシュラウド２２には半径方向の高さが必要なために、ＬＴＰケース１６とＴＲＦケース３６との間の移行部には、内向き傾斜した直径を設けなければならなくなる。

タービンシュラウド出口の後方にＬＴＰケース１６からＴＲＦケース３６までの内向き傾斜部が必然的に生じ、このことによって、タービンシュラウド２２によって形成された軸方向前方境界面とＴＲＦケース３６の内向きに延びる輪郭によって形成された後方境界面とを有する半径方向ポケット「Ｐ」が形成される。デブリが後方に放出されるようなタービン破損が発生した場合には、このポケットＰは、多数のデブリを捕捉し、デブリがエンジンの排気管から後方に放出されるのを防止することができる。この時、残りのＬＴＰブレードは、このデブリを回転させように作用し、ポケット区域においてケースに更なる損傷を引き起こすおそれがある。幾つかの状況では、この状態は、ＴＲＦケース３６を分断する可能性を有するおそれがある。

図２は、本発明の実施形態により構成したガスタービンエンジンの例示的な低圧タービン（「ＬＰＴ」）１１０を示す。本発明はさらに、高圧タービン又は圧縮機のような他形式の回転機械にも実施することができることに注目されたい。ＬＰＴ１１０は、タービンブレード１０２とタービンノズル又はベーン１０４との交互段を含む。タービンノズル１０４は、環状のＬＰＴケース１０６に取付けられ、一方、タービンブレード１０２は、適当なシャフト系と協働して圧縮機又は他の機械的負荷（図示せず）を回転させるロータ組立体１０８に取付けられる。

固定タービン後部フレーム（「ＴＲＦ」）１０９は、ハブ１１２と、その１つを図２に示す複数の半径方向に延びるアーム１１４と、継手１１８でＬＰＴケース１０６の後端部に取付けられた環状のＴＲＦケース１１６とを含む。この実施例ではボルト止めフラン継手である継手１１８は、最終段のタービンブレード１０２の長手方向前方の位置に作られる。この構成では、従来技術のＬＰＴ１０におけるのと同様に、依然として大径ＬＰＴケース１０６からＴＲＦケース１１６までの移行部が存在する。しかしながら、この移行部は、ＴＲＦ１０９内においてタービンシュラウド１２２の外側寄り（以下で説明する）に生じ、従って従来技術設計のポケットＰを排除する。従って、タービン破損が発生した場合に回転するデブリを軸方向に捕捉し、エンジンから後方にデブリが放出されるのを防止するような幾何学的形状は全く存在しない。

図３に示すように、ＴＲＦケース１１６の前端部１２０は、円周方向のタービンシュラウド１２２を支持する。シュラウド１２２は、タービンブレード１０２の翼弦長にわたって延びる基部１２４を含む。基部１２４は、例えば図示するようなアブレイダブル・ハニカム構造のような、公知の形式の固定シール部材１２６を支持する。シール部材１２６は、タービンブレード１０２の半径方向外向きに延びるシール歯１２８と相互作用して、タービンブレード１０２の外端部を通り抜ける漏洩流を最少にするシールを形成する。

シュラウド１２２はまた、後方に突出した延長部材１３０を含む。その内面１３２は、最終段のタービンブレード１０２の半径方向外端部とＴＲＦケース１１６との間に移行流路「Ｆ」を形成する。

図４〜図６にタービンシュラウド１２２の構造をより詳細に示す。タービンシュラウド１２２は、弓形セグメント１３４の円周方向列により組立てられているが、タービンシュラウドはまた、連続部材としても形成することができる。セグメント１３４は、コバルト又はニッケル基超合金のような高品質超合金で作ることができ、かつ耐食性材料及び／又は断熱皮膜で被覆することができる。基部１２４は、前端部１３６及び後端部１３８と、間隔を置いた円周方向端部１４０及び１４２とを有する。半径方向脚部１４６と軸方向脚部１４８とを有する前方レール１４４が前端部１３６に配置され、また後方レール１５０が後端部１３８に配置される。組立て時に、前方及び後方レール１４４及び１５０は、それぞれＴＲＦケース１１６の前方及び後方フック１５２及び１５４に係合する（図３参照）。基部１２４の円周方向端部１４０及び１４２の各々内に、長手方向シール溝１５５が形成される。シール溝１５５は、隣接するセグメント１３４間の漏洩を減少させる公知の形式の端面シール１５７（図５参照）を受け入れる。

延長部材１３０は、基部１２４の後端部１３８から突出する。図示した実施例では、延長部材１３０は、半径方向部分１３０Ａと、内向き傾斜した後方延長部分１３０Ｂと、外向き傾斜した後方延長部分１３０Ｃとを有する。外向き傾斜した後方延長部分１３０Ｃの後端部には、半径方向外向き延長リップ１５６が配置される。延長部材１３０の正確な構成は、特定の用途に適合するように変更することができる。

隣接するシュラウドセグメント１３２の延長部材１３０間の間隙をシールするための手段が設けられる。図示した実施例では、延長部シール１５８は、延長部材１３０の１つに取付けられかつ円周方向に突出して隣接する延長部材１３０との間で重なりシール又は「シップラップ（相じゃくり）」シール構成を形成するタブ状シール本体を含む。

作動中、ＬＰＴシュラウド１２２の延長部材は、ＬＰＴ出口段ブレード先端バイパス空気による衝突からＴＲＦケース１１６を保護する。タービンシュラウド１２２は、セグメント化されかつ一般的にＴＲＦ１０９に比較して高温に耐える材料で構成されるので、セグメント化シュラウド延長部材１３０上へのこのバイパス空気の衝突は、ＴＲＦケース１１６とは対照的に、温度勾配、熱−機械的疲労及び過昇温度の観点による懸念が遙かに少ない。ＴＲＦケース１１６はさらに、隣接する延長部材１３０間の延長部シール１５８によってブレード先端バイパス空気の局所的衝突からさえも保護される。この特徴形状部により、先端バイパス流とＴＲＦケース１１６との間のあらゆる「通視線」が遮られる。

以上、タービンシュラウド及びタービンシュラウドを組込んだタービン組立体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、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、本発明に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来技術のタービンセクション及びシュラウド組立体の概略断面図。 本発明の実施形態により構成したタービンシュラウドを示すガスタービンエンジンの一部分の概略側面図。 図２に示すシュラウド組立体の一部分の拡大図。 図２に示すシュラウド組立体の部分斜視図。 図３の線５−５に沿って取った図。 図３の線６−６に沿って取った図。

符号の説明

１０２ ＬＰＴタービンブレード
１０４ ＬＰＴタービンノズル
１０６ ＬＰＴケース
１０９ 固定タービン後方フレーム
１１０ 低圧タービン（ＬＰＴ）
１１４ アーム
１１６ ＴＲＦケース
１１８ 継手
１２２ タービンシュラウド
１２４ 基部
１２６ 固定シール部材
１２８ シール歯
１３０ 延長部材
１５２ 前方フック
１５４ 後方フック

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン用のシュラウド（１２２）であって、
   間隔を置いた前端部及び後端部と間隔を置いた円周方向端部とを有する弓形本体と、
   前記本体をエンジンの周囲ケースに取付けるための手段と、
   前記本体の後端部から後向きに突出しかつエンジンを通るガス流路の一部分を形成するようになった内面（１３２）を有する弓形延長部材（１３０）と、
   を含み、
   前記延長部材（１３０）が、
   前記本体の後端部から半径方向内向きに延びる第１の部分（１３０Ａ）と、
   前記第１の部分（１３０Ａ）の半径方向内端部から軸方向後方かつ半径方向内向きに延びる第２の部分（１３０Ｂ）と、
   前記第２の部分（１３０Ｂ）から軸方向後方かつ半径方向外向きに延びる第３の部分（１３０Ｃ）と、
   前記第３の部分（１３０Ｃ）の後端部に配置された、半径方向外向き延長リップ（１５６）と
   を含む
   ことを特徴とするシュラウド。
2. 前記本体の内面に取付けられたアブレイダブル材料をさらに含む、請求項１記載のシュラウド（１２２）。
3. 前記延長部材（１３０）の隣接する部材間の漏洩を防止するためのシールをさらに含む、請求項１又は２記載のシュラウド（１２２）。
4. 前記シールが、隣接する延長部材（１３０）に円周方向に重なるように該延長部材（１３０）上に配置されている、請求項３記載のシュラウド（１２２）。
5. 前記本体が、該本体の前端部に配置された第１のフックと前記後端部に配置された第２のフックとを含み、前記第１及び第２のフックが、エンジンのそれぞれの相補形レールに係合するようになっている、請求項１乃至４のいずれか１項記載のシュラウド（１２２）。
6. タービン組立体であって、
   タービンを通るガス流と相互作用する半径方向に延びるタービンブレードを含む少なくとも１つの段を支持する長手方向軸線の周りで回転可能なロータと、
   前記タービンブレードを囲む第１のセクションと前記第１のセクションから半径方向内向きに延び且つ該第１のセクションの後方に配置されてタービンを通る流路の一部分を形成する第２のセクションとを有する環状の第１のケースと、
   前記第１のケースとブレードとの間に配置されたタービンシュラウド（１２２）と、
   を含み、前記タービンシュラウドが、
   間隔を置いた前端部及び後端部と間隔を置いた円周方向端部とを有する弓形本体と、
   前記本体の後端部から後向きに突出して該本体の後端部から前記第１のケースの第２のセクションまで延び、かつタービンを通るガス流路の一部分を形成するようになった内面（１３２）を有する弓形延長部材（１３０）と、を含み、
   前記延長部材（１３０）が、
   前記本体の後端部から半径方向内向きに延びる第１の部分（１３０Ａ）と、
   前記第１の部分（１３０Ａ）の半径方向内端部から軸方向後方かつ半径方向内向きに延びる第２の部分（１３０Ｂ）と、
   前記第２の部分（１３０Ｂ）から軸方向後方かつ半径方向外向きに延びる第３の部分（１３０Ｃ）と、
   前記第３の部分（１３０Ｃ）の後端部に配置された、半径方向外向き延長リップ（１５６）と
   を含むことにより、該延長部材（１３０）の内面（１３２）が前記タービンブレード（１０２）の半径方向外端部と前記第１のケースとの間に移行流路（Ｆ）を形成し、タービン破損が発生した場合の前記タービンシュラウドと前記第２のセクションとの間における破片の捕捉を低減する
   ことを特徴とするタービン組立体。
7. 前記本体の内面に取付けられたアブレイダブル材料をさらに含む、請求項６記載のタービン組立体。
8. 前記延長部材（１３０）の隣接する部材間の漏洩を防止するためのシールをさらに含む、請求項６又は７記載のタービン組立体。
   

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