JP5989972B2 - 低延性タービンシュラウド及び取り付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンのタービン部分に低延性材料で作製されたシュラウドを取り付ける装置に関する。

典型的なガスタービンエンジンは、一次ガス流からエネルギーを抽出する１つ以上のタービンロータを含む。各々のロータは、回転ディスクに支持された、環状配列のブレード又はバケットを有する。ロータを貫通する流路は、ブレード又はバケットの先端を取り囲む定置構造であるシュラウドによって、その一部が画定されている。これらの部品は、極めて高温の環境で動作するので、適当な耐用寿命を確保するには、気流による冷却が必要である。大抵、冷却に用いられる空気は、圧縮機から抽気（ブリード）される。抽気の使用は、燃料消費率（ＳＦＣ）に悪影響を及ぼすので、通常はこれを最小限に抑えるべきである。

金属製のシュラウド構造の代わりに、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）等のより高い高温耐性を備えた材料を用いることが提案されている。これらの材料は、シュラウドセグメント等の製品の設計時及び適用時に考慮する必要がある、固有の機械特性を有する。金属材料に比べて、ＣＭＣ材料は比較的引張延性が低く（即ち、破断ひずみが小さく）、熱膨張率（ＣＴＥ）が低い。

米国特許出願公開第２００８／０２０６０４６号

本発明は、楔効果を利用して定置構造に取り付けられる、略台形の断面形状を有するタービンシュラウドを提供する。

本発明の一態様によると、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウド装置は、低延性材料の、対向し合う前壁及び後壁と対向し合う内壁及び外壁とによって画定される断面形状を有する、アーチ形のタービンシュラウドセグメントを含み、これらの壁は、対向し合う第１の端面と第２の端面との間に延在している。前壁及び後壁の各々の少なくとも一部は外壁に対して鋭角を成して配向されており、前壁及び後壁の半径方向内側の端部どうしは、この前壁及び後壁の半径方向外側の端部どうしよりも大幅に互いに近接している。

本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウド装置は、（ａ）環状シュラウドを形成するように配置された複数のアーチ形シュラウドセグメントであって、各シュラウドセグメントは、低延性材料から成り、且つ、対向し合う前壁及び後壁と対向し合う内壁及び外壁とによって画定される断面形状を有しており、これらの壁は、対向し合う第１の端面と第２の端面との間に延在し、前壁及び後壁の各々の少なくとも一部は、外壁に対して鋭角を成して配向されており、前壁及び後壁の半径方向内側の端部どうしは、この前壁及び後壁の半径方向外側の端部どうしよりも大幅に互いに近接し合っている、複数のアーチ形シュラウドセグメントと、（ｂ）実質的に剛性である前後の環状支承面を含む環状の定置構造であって、この前後の支承面が、シュラウドセグメントの前壁及び後壁にそれぞれ当接することで、定置構造に対するシュラウドセグメントの軸方向移動及び半径方向内側の移動を抑止する、環状の定置構造とを有する。

添付図面に関連した下記の説明の参照により、本発明を最もよく理解できよう。

本発明の一態様により構成されたタービンシュラウド及び取り付け装置を組み込んだ、ガスタービンエンジンのタービン部分の概略部分断面図である。 図１に示すタービンシュラウドセグメントの斜視図である。 回転防止機構を示す、タービンシュラウド及び取り付け装置の拡大断面図である。 シュラウドロードばねを示す、図１の取り付け装置の部分断面図である。 本発明の一態様により構成されたタービンシュラウド及び取り付け装置を組み込んだ、ガスタービンエンジンのタービン部分の概略部分断面図である。

個々の図面を通して同一の参照符号で同一の要素を示す図面を参照すると、図１に、公知のタイプのガスタービンエンジンの一部である、高圧タービン（ＨＰＴ）の一部を示している。ＨＰＴの機能は、上流側の燃焼器（図示せず）からの高温の加圧燃焼ガスからエネルギーを抽出し、このエネルギーを公知のように機械的動力に変換することである。ＨＰＴは、シャフトを介して上流側の圧縮機（図示せず）を駆動させ、加圧された空気を燃焼器に供給する。

図示の実施例において、このエンジンはターボファンエンジンであり、低圧タービンが高圧タービンの下流側に配置され、ファンを駆動させるシャフトに結合されている。しかし、本明細書に記載する原理は、ターボジェットエンジンやターボシャフトエンジン、その他の車両又は定置用途で使用されるタービンエンジンにも同様に適用可能である。

ＨＰＴは、アーチ形且つセグメント状のＨＰＴ内側バンド１４と、アーチ形且つセグメント状のＨＰＴ外側バンド１６との間に支持された周方向に離間したエアフォイル形の複数の中空ＨＰＴベーン１２を備えるＨＰＴノズル１０を含む。ＨＰＴベーン１２、ＨＰＴ外側バンド１４、及びＨＰＴ内側バンド１６は、合わせて完全な３６０°のアセンブリを形成する、周方向に隣接する複数のノズルセグメントになるように配置されている。ＨＰＴ内側バンド１４及び外側バンド１６は、ＨＰＴノズル１０を流れる高温ガス流の、流路の内側及び外側の半径方向の境界をそれぞれ画定している。ＨＰＴベーン１２は、燃焼ガスを最適にＨＰＴロータ１８に導くように構成されている。

ＨＰＴロータ１８は、エンジンの中心軸を中心に回転するディスク２２から外側に延在する、エアフォイル形のＨＰＴタービンブレード２０の配列を含む。複数のアーチ形シュラウドセグメント２４を備えた環状のＨＰＴシュラウドは、第１段のタービンブレード２０を密接に取り囲むように配置されており、これによって、ＨＰＴロータ１８を流れる高温ガス流の半径方向外側の流路境界が画定されている。

低圧タービン（ＬＰＴ）ノズル２６は、ＨＰＴロータ１８の下流側に位置し、アーチ形且つセグメント状の内側バンド３０とアーチ形且つセグメント状の外側バンド３２との間に支持された、周方向に離間したエアフォイル形且つ中空の複数のＬＰＴベーン２８を備る。ベーン２８、内側バンド３０、及び外側バンド３２は、合わせて完全な３６０°のアセンブリを形成する、周方向に隣接する複数のノズルセグメントになるように配置されている。ＬＰＴベーン２８は、燃焼ガスを下流側のＬＰＴロータ（図示せず）に最適に導くように構成されている。

図２に示すように、各シュラウドセグメント２４は、対向し合う内壁３４及び外壁３６と前壁３８及び後壁４０とによって画定された略台形の中空断面形状を有する。図示の実施例では、これらの壁どうしの間に湾曲した或いは所定の半径を有する移行部が設けられているが、鋭角又は方形の縁を有する移行部を同様に用いてもよい。前壁３８及び後壁４０は、外壁３６に対して鋭角を成して配向され、シュラウドセグメント２４の翼弦の中心方向に向かって角度を成しており、これらの前壁及び後壁の内端どうしが、前壁及び後壁の外端どうしよりも近接している。その結果、外壁３６は、内壁３４よりも長手方向に大幅に長くなっている。図示の実施例では、前壁３８と後壁４０は各々、その半径方向内側の端部と半径方向外側の端部との間を、略直線状に延在している。シュラウドセグメント２４は、半径方向内側の流路面４２と、半径方向外側の背面４４とを有する。壁３４、３６、３８、４０内には、シュラウドキャビティ４６が画定されている。

シュラウドセグメント２４は、（一般に「スラッシュ」面ともよばれる）対向し合う端面４８を含む。図２に示すように、各端面４８は、「ラジアル平面」とよばれるエンジンの中心軸に平行な平面に位置している。また、これらの端面は、こうしたラジアル平面に対して鋭角を成すように配向されている。上述のように組み立て、取り付けると、隣接し合うシュラウドセグメント２４の端面４８どうしの間に、端部ギャップができる。これらの端面４８に１つ以上のシール（図示せず）を設けてもよい。同様のシールは、「スプラインシール」として周知であり、端面４８のスロットに挿入される金属薄片又はその他の適宜の材料の形態をとる。このスプラインシールは、シュラウドセグメント２４どうしの間のギャップを跨いでいる。

シュラウドセグメント２４は、より詳細に後述するように、回転防止機構を設けるための取り付け部品と噛合する位置決め機構を含み得る。位置決め機構の非限定的な例として、外壁３６内に又は外壁３６を貫通して形成された溝又は穴５０、端面４８の一方又は両方に形成された１つ以上のノッチ５２、或いは、外壁３６から突出したリブ５３が含まれる。

シュラウドセグメント２４は、公知のタイプのセラミックマトリックス（ＣＭＣ）材料から構成される。一般に、市販のＣＭＣ材料には、その外形が窒化ホウ素（ＢＮ）等の順応性材料で被覆された、例えばＳｉＣ等のセラミックファイバーが含まれる。このファイバーは、セラミックマトリックス中に担持されるが、その一形態が炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。通常、ＣＭＣタイプの材料は、室温で約１％以下の引張延性を有するが、本明細書で用いる場合、これは引張延性の小さい材料を定義及び意味する。一般に、ＣＭＣタイプの材料の室温における引張延性は、約０．４〜約０．７％の範囲である。これは、少なくとも約５％、例えば約５〜約１５％の範囲の室温での引張延性を有する金属類と対照的である。また、その他の低延性且つ高温耐性のあるその他の材料からも、シュラウドセグメント２４を構成することもできよう。

シュラウドセグメント２４の流路面４２には、ＣＭＣ材料への適用に適した、公知のタイプの、摩耗耐性のある又は耐摩耗性の材料５４の層が組み込まれている。この層は「ラブコート（ｒｕｂ ｃｏａｔ）」ともよばれる。図示の実施例では、耐摩耗性材料５４の厚さは、約０．０５１ｍｍ（０．０２０インチ）から約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）である。

再び図１を参照すると、シュラウドセグメント２４が、定置エンジン構造に取り付けられている。この実施例において、定置構造はタービンケース５６である。タービンケース５６は環状であり、このタービンケースには、シュラウドセグメント２４の直ぐ後方で半径方向内側に延在する環状フランジ５８が組み込まれている。フランジ５８は、シュラウドセグメント２４の後壁４０に対して略平行に配向されており、この後壁に当接する環状の後方支承面６０を含んでいる。例えば、図示のボルトナットの組合せ６４又はその他の適宜の固定具を用いて、保持器６２がタービンケース５６に取り外し可能に取り付けられている。保持器６２は、セグメント化が可能な環状部品であり、軸方向アーム６６及び半径方向アーム６８をそれぞれ備えた略Ｌ字形の断面を有する。半径方向の脚部６８は、シュラウドセグメント２４の前壁３８に対して略平行に配向された、この前壁に当接する環状の前方支承面７０を含んでいる。この実施例において、半径方向アーム６８は、前壁３８に対して平行な角度で延在しているが、必要に応じてこの構成を特定の用途に合わせて変更してもよい。フランジ５８及び保持器６２の材料、寸法、及び形状は、これらがシュラウドセグメント２４の軸方向移動及び半径方向内側の移動に対する、実質的に剛性の止め具になるように選択される。前後の支承面７０及び６０を画定する要素が実質的に剛性である限り、保持機材を逆にして、保持器６２がシュラウドセグメント２４の後方にあるようにしたり、或いは、両方の保持要素を取り外し可能であるようにしたりもできる。任意で、保持器６２の半径方向脚部６８に、これを貫通する１つ以上の通気孔７２を含めてもよい。

シュラウドセグメント２４を支承面６０及び７０に保持する手段が設けられる。この特定の例においては、シュラウドロードばね７４が、シュラウドセグメント２４の各々とタービンケース５６との間に取り付けられる。図４に示すように、シュラウドロードばね７４は渦巻き状の板ばねであり、タービンケース５６を貫通する位置決めピン７６によってタービンケース５６内に保持されている。

シュラウドセグメント２４をタービンケース５６に取り付ける構造は、上述の位置決め機構と噛合する１つ以上の部材を含む。例えば、位置決めピン７６を設ける場合、この位置決めピンは、半径方向内側に延在し、シュラウドセグメント２４の外壁３６の穴又は溝５０に嵌合する長さであってもよく、或いは、リブ５３を設ける場合は、このリブに支承されてもよい。代替的に、図３に示すようにノッチ５２を設ける場合、フランジ５８及び／又は保持器６２に、このフランジ５８及び／又は保持器６２の周囲の選択された位置から突起するタブ７８を設けてもよい。タブ７８は、ノッチ５２に入れ込まれる。

図５に、代替のシュラウド構造を取り入れたＨＰＴを示す。ＨＰＴは、ＨＰＴノズル１１０とＨＰＴロータ１１８とを含み、下流側にはＬＰＴノズル１２６が位置している。ロータ１１８のＨＰＴブレード１２０は、複数のアーチ形のシュラウドセグメント１２４から成る環状のＨＰＴシュラウドに取り囲まれている。

シュラウドセグメント１２４は、公知のタイプのセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料、又はその他の低延性且つ高温耐性のある材料から構成される。これらは、その断面形状以外において、上述のシュラウドセグメント２４と実質的に同様である。各シュラウドセグメント１２４は、対向し合う内壁１３４及び外壁１３６と前壁１３８及び後壁１４０とによって画定された、中空の断面形状を有する。図示の実施例では、これらの壁どうしの間に湾曲した（ｒａｄｉｕｓｅｄ）移行部が設けられているが、鋭角又は方形の縁を有する移行部を同様に用いてもよい。外壁１３６は、内壁１３４よりも長手方向に大幅に長くなっている。前壁１３８は、軸方向後方及び半径方向内側に延在するように角度を成す外側部分１４２と、主に半径方向に延在する内側部分１４４とを有する。後壁１４０は、軸方向前方及び半径方向内側に延在するように角度を成す外側部分１４６と、主に半径方向に延在する内側部分１４８とを有する。シュラウドセグメント１２４は、半径方向内側の流路面と、半径方向外側の背面とを有する。この流路面には、上述のようなラブコート（ｒｕｂ ｃｏａｔ）又は耐摩耗性の被覆１５０が含まれている。壁１３４、１３６、１３８、１４８には、シュラウドキャビティ１５２が画成されており、シュラウドセグメント１２４は、上述のような対向し合う端面を含む。シュラウドセグメント１２４は、上述のような位置決め機構を含んでいてもよい。

シュラウドセグメント１２４は、シュラウドセグメント１２４の直ぐ後方の半径方向内側に延在する環状フランジ１５６を含む、例えばタービンケース１５６等の定置構造に取り付けられる。保持器１５８が、シュラウドセグメント１２４の直ぐ前方のタービンケース１５４に、取り外し可能に取り付けられている。フランジ１５６及び保持器１５８は、シュラウドセグメント１２４の前壁１４０及び後壁１３８にそれぞれ当接する、環状の支承面１６０及び１６２を含む。特に、これらの支承面は、外側部分１４２及び１４６に当接している。こうして、シュラウドセグメント１２４は、上述のように物理的に取り付けられ、位置決めされている。しかし、流路面の寸法と位置を、必要に応じて特定の用途に合わせて変更してもよい。こうすることで、シュラウドセグメント１２４を周囲の機器類に対してよりコンパクトに「パッケージング」できる。

動作時、シュラウドセグメント２４は、保持器６２又はその他の適宜の通路の通気孔７２を介して送られる二次気流（典型的には圧縮機吐出圧力、即ちＣＤＰ）にさらされる。ＣＤＰ空気は、流路空気Ｆよりもかなり高い静圧なので、シュラウドセグメント２４を前後の支承面７０及び６０に対して半径方向内側へと付勢しようとする圧力勾配が存在する。支承面７０及び６０は、シュラウドセグメント２４の半径方向内側及び前後の軸方向の移動を防止するように構成されている。また、この圧力勾配によって、内側への「楔」効果が生じるので、シュラウドセグメント２４を支承面７０及び６０に対して封止し易くなり、これによってＣＤＰ空気の流路Ｆへの漏入を抑止し易くなる。同時に、ピン７４又はタブ７８等の位置決め機構は、シュラウドセグメント２４が回転しないように保持する。また、この構成によって、シュラウドセグメント２４が部品内の応力を高めることなく支持構造に対して膨張又は収縮可能なことにより、熱成長差の問題が最小限に抑えられる。このことは、シュラウドが支承面７０及び６０に沿って摺動可能とすることにより可能である。

エンジンを運転していないときは、重力によって（図１に示すセグメントの反対側の）エンジンの下半部に位置するシュラウドセグメント２４が、支承面７０及び６０から脱落し易くなると思われる。これを防ぐために、シュラウドロードばね７４が、シュラウドセグメント２４を半径方向内側に付勢して常に接触を保っている。

本明細書に記載のシュラウドセグメントの構成には、幾つかの有利な特徴がある。この構成では、取り付けを一貫性のない摩擦締め付け力に依存せず、応力の増大に寄与することになるＣＭＣ材料を貫通する穴又はその他の機構を最小限しか必要とせず、シュラウド材料と周囲の金属機材との熱膨張率の差による取り付け上の問題が最小限になる。この配置では、取り付け構造とシュラウドの側壁との間の封止を効率良く行えるという更なる利点が得られ、これによって、エンジンの全体的な効率を高めることができる。

以上、ガスタービンエンジンのタービンシュラウド構造及び取り付け装置について説明した。本発明の特定の実施例について説明したが、当業者には明らかなように、本発明の技術的範囲及び概念的範疇から逸脱することなく、これらに様々な改変が可能である。したがって、上述の本発明の好適な実施例、及び本発明を実施するための最適な形態は、説明目的で提示されたものにすぎず、限定目的で提示されたものではない。

Claims (11)

1. ガスタービンエンジン用のタービンシュラウド装置であって、
   （ａ）環状シュラウドを形成するように配置された複数のアーチ形シュラウドセグメント（２４、１２４）であって、該シュラウドセグメント（２４、１２４）の各々は、低延性材料から成り、対向し合う前壁及び後壁（３８、４０、１３８、１４０）と、対向し合う内壁及び外壁（３４、１３４、３６、１３６）とによって画定された断面形状を有し、前記壁は、対向し合う第１の端面と第２の端面との間に延在しており、前記前壁及び後壁（３８、４０、１３８、１４０）の各々の少なくとも一部が、前記外壁（３６、１３６）に対して鋭角に配向されており、前記前壁及び後壁（３８、４０、１３８、１４０）の半径方向内側の端部が、前記前壁及び後壁の半径方向外側の端部よりも大幅に互いに近接し合っている、アーチ形シュラウドセグメントと、
   （ｂ）環状の定置構造であって、前記シュラウドセグメントの前記前壁及び後壁（３８、４０、１３８、１４０）にそれぞれ直接当接することで、該定置構造に対する前記シュラウドセグメント（２４、１２４）の軸方向移動及び半径方向内側の移動を抑止する、実質的に剛性の前方及び後方の環状支承面（７０、６０）を含む環状の定置構造と
   を含み、
   前記支承面（７０、６０）のうち１つは、該支承面から延在するタブ（７８）を含み、該タブ（７８）が前記シュラウドセグメント（２４、１２４）に形成されたノッチ（５２）に入れ込まれることで、前記シュラウドセグメント（２４、１２４）と前記定置構造との相対的な回転を防止する、
   タービンシュラウド装置。
2. 前記タブ（７８）が設けられた前記支承面（７０、６０）には、該タブ（７８）が複数設けられ、前記シュラウドセグメント（２４、１２４）には、前記複数のタブ（７８）の各々に対応する複数の前記ノッチ（５２）が設けられている、請求項１に記載のタービンシュラウド装置。
3. 前記前壁及び後壁（３８、４０）の各々が、該前記前壁及び後壁の半径方向内側の端部と半径方向外側の端部との間に直線状に延在する、請求項１又は２に記載の装置。
4. （ａ）前記前壁及び後壁（１３８、１４０）が各々、
   （ｉ）前記外壁（１３６）から内側に延在する外側部分（１４２、１４６）であって、前記半径方向外側部分（１４２、１４６）の半径方向内側端部どうしが、該半径方向外側部分の半径方向外側の端部どうしよりも互いに近接し合っている、外側部分（１４２、１４６）と、
   （ｉｉ）前記外側部分（１４２、１４６）と前記内壁（１３４）との間にほぼ半径方向に延在する内側部分（１４４、１４８）とを含み、
   （ｂ）前記前方及び後方の支承面が、前記前壁及び後壁（１３８、１４０）の前記外側部分（１４２、１４６）に当接している、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記シュラウドセグメント（２４、１２４）が、セラミックマトリックス複合材料から成る、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記定置構造は、
   （ａ）前記シュラウドセグメント（２４）を取り囲む環状のタービンケース（５６）と、
   （ｂ）前記タービンケースから半径方向内側に延在し、前記後方の支承面（６０）を画定するフランジ（５８）と、
   （ｃ）前記タービンケース（５６）から半径方向内側に延在し、前記前方の支承面（７０）を画定する取り外し可能に取り付けられた保持器（６２）と
   を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記定置構造は、半径方向内側に延在する位置決めピン（７６）であって、前記シュラウドセグメント（２４、１２４）のうちの１つの前記外壁（３６、１３６）に形成された溝又は穴（５０）に嵌合することで、前記シュラウドセグメント（２４、１２４）と前記定置構造との相対的な回転を防止する位置決めピン（７６）を支持する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記定置構造と前記シュラウドセグメント（２４、１２４）との間に配置された少なくとも１つのシュラウドロードばね（７４）であって、前記シュラウドセグメント（２４、１２４）を前記支承面（７０、６０）の方向に付勢する、少なくとも１つのシュラウドロードばね（７４）を更に含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記シュラウドセグメント（２４、１２４）と前記定置構造の各々との間に板状のシュラウドロードばね（７４）が配置された、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 各々のシュラウドロードばね（７４）は、前記定置構造によって支持された位置決めピン（７６）によって保持される、請求項８に記載の装置。
11. 少なくとも１つの前記シュラウドセグメント（２４、１２４）の前記外壁（３６、１３６）は、該外壁から延在する少なくとも１つのリブ（５３）であって、前記定置構造によって支持された位置決めピンに当接することで、前記シュラウドセグメント（２４、１２４）と前記定置構造との相対的な回転を防止する少なくとも１つのリブ（５３）を含む、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。

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