JP5997470B2 - 連続リング複合タービンシュラウド - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンのタービンシュラウドに関し、より具体的には、このようなシュラウドの取付けおよびシーリングに関する。

従来のガスタービンエンジンは、一般に、コンプレッサと、燃焼器と、タービンと、ブレード、ディスク、およびリテーナ等の回転タービン部品と、高温の燃焼ガスで加熱されるため定期的に冷却が必要な、静翼、シュラウド、およびフレーム等の固定タービン部品とを備える。

高圧タービン（ＨＰＴ）段は、一般に、タービン翼端と、翼端を囲むシュラウドとの間の非常に小さい翼端隙間を維持する。シュラウド支持体が、回転する翼端に対して所望の位置でシュラウドを維持して、シュラウドとブレードとの間の隙間を制御する。効率を上げるために、翼端隙間はできるだけ小さくすべきである。しかし、エンジンの種々の動作モード中に、ブレードおよびタービンシュラウドが異なる速度で伸縮するため、翼端隙間は、一般に、効率を上げるのに望ましい隙間よりも大きくなる。

シュラウドは、従来、軸流エンジン軸の周りに周方向に組み立てられ、回転翼部材の周りに半径方向外向きに配置された、複数のガスタービンエンジン固定シュラウドセグメントの組立体であり、ブレードの周りに半径方向外側流路の境界を画定する。

シュラウドセグメントおよびシュラウド組立体は、設計されたエンジン動作温度および圧力環境で使用するように選択された、設計寿命の要件を満たすことができなければならない。モデムガスタービンエンジンのタービン部流路に存在するような困難な温度および圧力条件で、現在の材料がシュラウドとして効果的に動作できるようにするために、シュラウドの半径方向外側部分に冷却空気を供給することが行われてきた。しかし、当技術で周知であるように、このような冷却空気は、エンジン効率を低下させて供給される。したがって、エンジン内で設計されていない冷却空気のエンジン流路内への漏れを最小にすることにより、冷却空気を節約して使うことが望ましい。

複合、特に、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料が、現在使用されている金属タイプの材料よりも高い温度性能を有するため、シュラウドセグメントで使用されるものとして提案されてきた。しかし、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）として市販されているこのような材料は、シュラウドセグメント等の物品の設計および適用中に考慮しなければならない機械的特性を有する。ＣＭＣタイプの材料は、金属材料と比較すると、引張延性または緊張が比較的低いため、故障につながる。また、ＣＭＣタイプの材料は、ＣＭＣタイプの材料のシュラウド用の拘束支持体またはハンガとして使用される金属合金とは大きく異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。したがって、ＣＭＣタイプのシュラウドセグメントが動作中に一面で拘束され冷却されると、セグメントの故障を生じるのに十分な力がＣＭＣタイプのセグメントに発生し得る。

一般に、市販のＣＭＣ材料は、ＢＮ等の可撓性材料で被覆されたセラミックタイプの繊維、例えばＳｉＣである。繊維は、ＳｉＣ等のセラミックタイプのマトリックスに担持される。

タービンシュラウドは、翼端隙間の大きさにより、ガスタービンエンジンの全体効率または性能に直接影響を与える。タービンシュラウドは、さらにエンジンの性能にも影響を与える。これは、タービンシュラウドを冷却するために使用されるコンプレッサ排気および／または抽気が、燃焼プロセスまたはタービンブレードによる作業拡大プロセス中に使用されず、有用な作業をするために利用できないからである。

したがって、エンジンの全体効率を最大化するためにタービンシュラウドを冷却するのに使用される抽気量を制御または低減させることが望ましい。現在使用されている金属タイプの材料よりも高い温度性能を有するため、シュラウドにＣＭＣ材料を使用することも望ましい。

米国特許出願公開第２０１０／０１５４４３３号公報

ガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体は、少なくとも２つの一体構造の完全３６０度リングを含むマルチリングシュラウド支持組立体により支持された複合環状シュラウドを備える。シュラウドは、一体構造の完全３６０度リングのうち最も内側のリング内に、少なくとも一部が配置される。軸方向偏倚手段が、一体構造の完全３６０度リングのうち最も内側のリングの、内側に延びる環状内側フランジに対してシュラウドを付勢させシール係合する。

ガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体の例示的実施形態の３６０度リングは、金属製で同心の内側、中央、および外側リングを含む。内側リングは、中央リングの半径方向内側に配置され、中央リングは外側リングの半径方向内側に配置され、シュラウドは、内側リング内に少なくとも一部が配置される。少なくとも３本のクロッキングピンが、中央リングから、内側リングの軸方向に延びる長孔を通って、シュラウドの軸方向に延びるノッチ内へ半径方向内側に延びる。

軸方向偏倚手段は、Ｍシールまたはベローズシールとすることができる。

中央リングは、タービンシュラウド支持リングの後端部と一体になって、この後端部を形成することができる。タービンシュラウド支持リングを、エンジン基幹に固定接続して、エンジン基幹により支持されるようにすることができる。エンジン基幹は、燃焼器外筒の少なくとも一部とタービン外筒とを含むことができる。タービンシュラウド支持リング前端部のタービンシュラウド支持リングフランジを、燃焼器外筒の下流燃焼器外筒フランジとタービン外筒の上流タービン外筒フランジとの間に軸方向に配置して、ボルト留めすることができる。

内側リングの、外側に延びる環状外側フランジを、中央リングの後端面と、外側リングの外側リング後端部にある、外側リングの、内側に延びる環状端部フランジとの間に軸方向に配置して、閉じ込めることができる。取付けピンが、中央リングのピン孔に圧入され、中央リングから外側リングの半径方向孔を通って半径方向外側に延びることができる。

Ｍシールまたはベローズシールを、シュラウドと、タービンシュラウド支持リングに固定接続された環状固定子要素との間に配置することができる。

代替シュラウド組立体では、２つの一体構造の完全３６０度リングが、金属製で同心の組合せリングおよび中央リングを含む。組合せリングは、環状の内側および外側リング部と中心リング部とを含む。中央リングは、外側リング部の半径方向内側に配置され、シュラウドは、少なくとも一部が内側リング部内に配置される。

ガスタービンエンジン燃焼器、高圧および低圧タービン部、ならびに高圧タービンブレードを囲む連続ＣＭＣリングシュラウドの断面図である。 図１に示す高圧タービン部の拡大断面図である。 図１に示す連続ＣＭＣリングシュラウドの拡大横断面図である。 図１の連続ＣＭＣリングシュラウドを支持するタービンシュラウド支持リングの切欠斜視図である。 図１に示す環状金属内側リングにより支持された連続ＣＭＣリングシュラウドの切欠斜視図である。 図１に示す連続ＣＭＣリングシュラウド用の２つのリング支持体の拡大横断面図である。

図１および図２は、エンジン中心線１２を有し、下流関係に、燃焼器２６、高圧タービン２８（ＨＰＴ）、および低圧タービン２２（ＬＰＴ）を備えたガスタービンエンジン１０の高温部８を示す。高圧タービン２８は、環状の回転可能な高圧タービンロータ３４を備える。高圧第１および第２段タービンブレード３９、４０の軸方向に離間した第１および第２段列３７、３８が、高圧タービンロータ３４から半径方向外側に延びる。高圧第２段タービンノズル静翼４５を有する高圧第２段タービンノズル４３が、高圧第１および第２段タービンブレード３９、４０の第１および第２段列３７、３８間に動作可能に配置される。

第２段タービンブレード４０を囲む環状シュラウド４２を備えたシュラウド組立体３０により、第２段タービンブレード４０の半径方向外側翼端４４周りに流れが漏れるのを低減させる。特にエンジン１０の走行動作中に、翼端４４とシュラウド４２との間の半径方向翼端隙間ＣＬを最小にすることが望ましい。したがって、本明細書で開示されたシュラウド４２は、複合材料、特に、ＣＭＣから形成された連続リングであり、エンジン１０の静止構造または基幹５８に接続された金属製で同心の内側、中央、および外側リング５０、５２、５４を備えたシュラウド支持組立体４６により支持される。シュラウド組立体３０およびマルチリングシュラウド支持組立体４６は、従来または現在の設計よりもはるかに複雑さの少ない組立体である。

基幹は、基幹の半径方向内側に位置する部品を構造的に支持し、エンジン周囲にエンジン外筒を結合するエンジンフレームである。基幹により、エンジン外筒と、基幹から半径方向内側に位置する部品との間に画定されたエンジン隙間の閉鎖制御が容易になる。一般に、基幹は堅く設計される。

燃焼器２６は、環状外側ライナ９０、環状内側ライナ９２、ならびに外側および内側燃焼器ライナ９０、９２間に延びる半球形端部９４を備える。外側ライナ９０および内側ライナ９２は、燃焼器外筒９５から半径方向内側に離間し、これらの間に燃焼チャンバ５５を画定する。燃焼器外筒９５は全体が環状で、燃焼器２６の周りに延びる。燃焼チャンバ５５は全体が環状で、ライナ９０、９２により半径方向に結合される。

燃焼器外筒９５と外側ライナ９０との間に外側通路９８が画定される。外側および内側ライナ９０、９２は、後方または下流にタービンノズル９７まで延びる。燃焼器外筒９５の少なくとも一部が、燃焼器２６の周りに周方向に延びる燃焼器基幹フレーム１１０を形成して、エンジン１０内の燃焼器２６を構造的に支持する。燃焼器外筒９５は、環状の上流および下流燃焼器外筒フランジ１１５、１１６を備える。例示的実施形態では、上流および下流燃焼器外筒フランジ１１５、１１６は、ほぼ円形かつほぼ平行である。

図２を参照すると、ほぼ円形かつ平行な上流および下流タービン外筒フランジ６４、６６を備えたタービン外筒６０が、図１に示す燃焼器外筒９５にボルト留めされる。タービンシュラウド支持リング６８は、内側、中央、および外側リング５０、５２、５４を支持する。内側、中央、および外側リング５０、５２、５４は、一体構造の完全３６０度リングであるため、冷却流の漏れが大きく低減される。タービンシュラウド支持リング６８は、タービンシュラウド支持リング６８の前端部７３でタービンシュラウド支持リングフランジ７５を備える。図１に示すように、タービンシュラウド支持リングフランジ７５は、下流燃焼器外筒フランジ１１６と上流タービン外筒フランジ６４との間に軸方向に配置されて、これらにボルト留めされる。したがって、燃焼器外筒９５は、タービンシュラウド支持リング６８を支持する。シュラウド４２および内側、中央、外側リング５０、５２、５４は、エンジン中心線１２の周りを取り囲む。

図３〜５を参照すると、図３に示すタービンシュラウド支持リング６８の実施形態は、タービンシュラウド支持リング６８の後端部７０と一体になって、この後端部を形成する中央リング５２を備える。連続リング複合シュラウド４２は、環状半径方向内側部７１と、半径方向内側部７１よりも軸方向に短い環状半径方向外側部７２とを備える。３本以上のクロッキングピン７４が、中央リング５２から内側リング５０の軸方向に延びる長孔７６を通って、シュラウド４２の軸方向に延びるノッチ７８内へ半径方向内側に延びる。クロッキングピン７４は、シュラウド４２に半径方向に接触することにより、シュラウド４２が半径方向に偏心移動するのを防ぐ。シュラウド４２の半径方向位置決めに加えて、クロッキングピン７４により、シュラウド４２がエンジン中心線１２の周りを回転するのを防ぐ。クロッキングピン７４は、シュラウド４２を完全に位置決めして、シュラウド４２の軸方向の熱膨張を可能にする。

Ｍシール８０が、シュラウド４２と、本明細書ではハンガ８５として示される、タービンシュラウド支持リング６８に固定接続された環状固定子要素８２との間に配置される。Ｍシール８０は、ベローズシールの特定の実施形態であり、偏倚手段またはばね８１として作用する。Ｍシール８０は、内側リング５０の、内側に延びる環状内側フランジ８４に対してシュラウド４２を軸方向に偏倚させ、シール係合する。内側リング５０の、外側に延びる環状外側フランジ１００が、中央リング５２の後端面１１２と、外側リング５４の外側リング後端にある、外側リング５４の、内側に延びる環状端部フランジ１１４との間に軸方向に配置され、閉じ込められる。

中央リング５２のピン孔１０６に圧入される取付けピン１０４（本明細書で示す実施形態では４本使用されている）が、中央リング５２から外側リング５４の半径方向孔１０７を通って半径方向外側に延びる。取付けピン１０４は、軸方向負荷に後方に作用して、内側、中央、および外側リング５０、５２、５４が軸方向に押し離されるのを防ぐ。中央および外側リング５２、５４間に圧入１０８を使用する。

図６は、タービンシュラウド支持リング６８の後端部７０と一体になって、この後端部を形成する中央リング５２と、中央および外側リング５２、５４の機能を組み合わせた組合せリング１３０とを備えた２つの金属製同心リングを有する代替シュラウド組立体１２６を示す。組合せリング１３０は、環状の内側および外側リング部１３２、１３４と、これらの間の中心リング部１３６とを備える。組合せリング１３０は、一体構造の完全３６０度リングであるため、冷却流の漏れが大きく低減される。

３本以上のクロッキングピン７４が、中央リング５２から、シュラウド４２の軸方向に延びるノッチ７８内へ半径方向内側に延びる。クロッキングピン７４は、シュラウド４２に半径方向に接触することにより、シュラウド４２が半径方向に偏心移動するのを防ぐ。シュラウド４２の半径方向位置決めに加えて、クロッキングピン７４により、シュラウド４２がエンジン中心線１２の周りを回転するのを防ぐ。クロッキングピン７４は、シュラウド４２を完全に位置決めして、シュラウド４２の軸方向の熱膨張を可能にする。

中央リング５２のピン孔１０６に圧入される取付けピン１０４（本明細書で示す実施形態では４本使用されている）が、中央リング５２から外側リング部１３４の半径方向孔１０７を通って半径方向外側に延びる。取付けピン１０４は、軸方向負荷を後方に作用させて、組合せリング１３０が中央リング５２から軸方向に後方へ押し離されるのを防ぐ。中央リング５２と組合せリング１３０の外側リング部１３４との間に圧入１０８を使用する。Ｍシール８０が、シュラウド４２と、本明細書ではハンガ８５として示される、タービンシュラウド支持リング６８に固定接続された環状固定子要素８２との間に配置される。Ｍシール８０は、内側リング部の、内側に延びる環状内側フランジ８４に対してシュラウド４２を軸方向に偏倚させ、シール係合する。

本明細書で、本発明の好ましい例示的実施形態と考えられるものについて説明したが、本明細書の教示から、本発明の他の修正も当業者には明らかであろう。したがって、このような修正はすべて本発明の真の精神および範囲に含まれるものであることが、添付の特許請求の範囲において保証されることが望ましい。したがって、以下の特許請求の範囲で定義され区別された発明が、米国特許証により保証されることが望ましい。

８ 高温部
１０ ガスタービンエンジン
１２ エンジン中心線
２２ 低圧タービン
２６ 燃焼器
２８ 高圧タービン
３０ シュラウド組立体
３４ 高圧タービンロータ
３７ 第１段列
３８ 第２段列
３９ 第１タービンブレード
４０ 第２段タービンブレード
４２ シュラウド
４３ 第２段タービンノズル
４４ 翼端
４５ 第２段タービンノズル静翼
４６ マルチリングシュラウド支持組立体
５０ 内側リング
５２ 中央リング
５４ 外側リング
５５ 燃焼チャンバ
５８ 基幹
６０ タービン外筒
６４ 上流タービン外筒フランジ
６６ 下流タービン外筒フランジ
６８ タービンシュラウド支持リング
７０ 後端部
７１ 半径方向内側部
７２ 半径方向外側部
７３ 前端部
７４ クロッキングピン
７５ タービンシュラウド支持リングフランジ
７６ 長孔
７８ ノッチ
８０ Ｍシール
８４ 内側フランジ
９０ 外側ライナ
９２ 内側ライナ
９４ 半球形端部
９５ 燃焼器外筒
９７ タービンノズル
９８ 外側通路
１００ 外側フランジ
１０４ 取付けピン
１０６ ピン孔
１０７ 半径方向孔
１０８ 圧入
１１０ 燃焼器基幹フレーム
１１２ 後端面
１１４ 端部フランジ
１１５ 上流燃焼器外筒フランジ
１１６ 下流燃焼器外筒フランジ
１２６ シュラウド組立体
１３０ 組合せリング
１３２ 内側リング部
１３４ 外側リング部
１３６ 中心リング部

Claims (10)

1. 少なくとも２つの一体構造の完全３６０度リング（５０、５２、５４、または１３０）を含むマルチリングシュラウド支持組立体（４６）により支持された複合材料から形成された環状シュラウド（４２）であって、前記一体構造の完全３６０度リングのうち最も内側のリング内に、少なくとも一部が配置された環状シュラウド（４２）と、
   前記一体構造の完全３６０度リングのうち最も内側のリングの、内側に延びる環状内側フランジ（８４）に対して前記シュラウド（４２）を偏倚させシール係合する軸方向偏倚手段とを備えた、ガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
2. 前記一体構造の完全３６０度リングが、金属製で同心の内側、中央、および外側リング（５０、５２、５４）それぞれを含み、
   前記内側リング（５０）が、前記中央リング（５２）の半径方向内側に配置され、
   前記中央リング（５２）が、前記外側リング（５４）の半径方向内側に配置され、
   前記シュラウド（４２）の少なくとも一部が、前記内側リング（５０）内に配置された、請求項１記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
3. 前記中央リング（５２）から、前記内側リング（５０）の軸方向に延びる長孔（７６）を通って、前記シュラウド（４２）の軸方向に延びるノッチ（７８）内へ半径方向内側に延びる、少なくとも３本のクロッキングピン（７４）をさらに備えた、請求項２記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
4. 前記軸方向偏倚手段が、Ｍシール（８０）またはベローズシールである、請求項３記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
5. 前記中央リング（５２）が、タービンシュラウド支持リング（６８）の後端部（７０）と一体になって、前記後端部を形成し、前記タービンシュラウド支持リング（６８）が、エンジン基幹（５８）に固定接続されて、前記エンジン基幹により支持される、請求項４記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
6. 前記エンジン基幹（５８）が、燃焼器外筒（９５）の少なくとも一部とタービン外筒（６０）とを含み、
   前記タービンシュラウド組立体（３０）が、前記タービンシュラウド支持リング（６８）前端部（７３）のタービンシュラウド支持リングフランジ（７５）をさらに備え、
   前記タービンシュラウド支持リングフランジ（７５）が、前記燃焼器外筒（９５）の下流燃焼器外筒フランジ（１１６）と前記タービン外筒（６０）の上流タービン外筒フランジ（６４）との間に軸方向に配置されて、ボルト留めされる、請求項５記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
7. 前記中央リング（５２）のピン孔（１０６）に圧入され、前記中央リング（５２）から前記外側リング（５４）の半径方向孔（１０７）を通って半径方向外側に延びる取付けピン（１０４）をさらに備えた、請求項６記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（３０）。
8. 前記一体構造の完全３６０度リングが、金属製で同心の組合せリング（１３０）および中央リング（５２）を含み、
   前記組合せリング（１３０）が、環状の内側および外側リング部（１３２、１３４）と中心リング部（１３６）とを含み、
   前記中央リング（５２）が、前記外側リング部（１３４）の半径方向内側に配置され、
   前記シュラウド（４２）の少なくとも一部が、前記内側リング部（１３２）内に配置される、請求項１記載のガスタービンエンジンのタービンシュラウド組立体（１２６）。
9. 環状の回転可能な高圧タービンロータ（３４）を備えた高圧タービン（２８）上流の燃焼器（２６）と、
   前記高圧タービンロータ（３４）から半径方向外側に延びる高圧タービンブレード（４０）の列（３８）と、
   前記タービンブレード（４０）を囲む複合材料から形成された環状シュラウド（４２）を備えたシュラウド組立体（３０）であって、前記環状シュラウド（４２）が、一体構造の完全３６０度リング（５０、５２、５４、または１３０）を含むマルチリングシュラウド支持組立体（４６）により支持され、前記一体構造の完全３６０度の、金属製の内側、中央、および外側リング（５０、５２、５４）のうち最も内側のリング内に、前記環状シュラウド（４２）の少なくとも一部が配置されたシュラウド組立体（３０）と、
   前記リングのうち最も内側のリングの、内側に延びる環状内側フランジ（８４）に対して前記シュラウド（４２）を偏倚させシール係合する軸方向偏倚手段とを備え、
   前記内側リング（５０）が、前記中央リング（５２）の半径方向内側に配置され、
   前記中央リング（５２）が、前記外側リング（５４）の半径方向内側に配置され、
   前記シュラウド（４２）の少なくとも一部が、前記内側リング（５０）内に配置され、
   前記中央リング（５２）から、前記内側リング（５０）の軸方向に延びる長孔（７６）を通って、前記シュラウド（４２）の軸方向に延びるノッチ（７８）内へ半径方向内側に延びる、少なくとも３本のクロッキングピン（７４）をさらに備えた、ガスタービンエンジンの高温部（８）。
10. 環状の回転可能な高圧タービンロータ（３４）を備えた高圧タービン（２８）上流の燃焼器（２６）と、
    前記高圧タービンロータ（３４）から半径方向外側に延びる高圧タービンブレード（４０）の列（３８）と、
    前記タービンブレード（４０）を囲む複合材料から形成された環状シュラウド（４２）を備えたシュラウド組立体（３０）とを備え、
    前記環状シュラウド（４２）が、一体構造の完全３６０度の、金属製で同心の組合せリング（１３０）および中央リング（５２）を含むマルチリングシュラウド支持組立体（４６）により支持され、
    前記組合せリング（１３０）が環状の内側および外側リング部（１３２、１３４）と中心リング部（１３６）とを含み、
    前記中央リング（５２）が、前記外側リング部（１３４）の半径方向内側に配置され、
    前記シュラウド（４２）の少なくとも一部が、前記内側リング部（１３２）内に配置される、ガスタービンエンジンの高温部（８）。
    

Images