JP6031116B2 - ガスタービンエンジン用の非対称半径方向スプラインシール - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、このようなエンジンにおけるタービンシュラウドをシールする装置及び方法に関する。

典型的なガスタービンエンジンは、直列流れ関係で、圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するターボ機械コアを含む。コアは、公知の方法で主ガス流を生成するよう作動する。タービンは、主ガス流からエネルギーを取り出す１つ又はそれ以上のロータを含む。各ロータは、回転するディスクによって担持されるブレード又はバケットの環状アレイを備える。ロータを通る流路は、シュラウドによって部分的に定められ、該シュラウドは、ブレード又はバケットの先端を囲む固定構造体である。これらの構成要素は、超高温環境で作動するので、十分な耐用期間を確保するために空気流により冷却しなければならない。通常、冷却に用いられる空気は、圧縮機から取り出される（抽気される）。抽気の使用は、燃料消費率（「ＳＦＣ」）に悪影響を及ぼすので、一般的には最小限に抑えるべきである。

タービンシュラウドは通常、リング又はアレイ状の横並びの弓状セグメントを含む。エンジン性能要件に適合しながらハードウェアに十分な冷却を提供するために、隣接するセグメント間の漏洩を最小限にする必要がある。これは、隣接するシュラウドセグメント間のギャップに架かる小さな金属ストリップであるスプラインシールを用いて達成されることが多い。多くの場合、複数のスプラインシールが、交差するスロットにおいて軸方向及び半径方向に位置付けられる。２つの直交するシールの接触部での漏洩を低減するために、Ｌ字形（「Ｌシール」）のシールが使用されることがあり、シールスロットにおけるシュート流を塞ぐようにする。Ｌシールは小型で組み付けが容易でなく、シュラウド組立体に必要な部品点数が増大する。

米国特許第５，８６８，３９８号明細書

従って、シュラウドシールスロットの交差部での漏洩を阻止し、組立が容易なスプラインシールに対する要求がある。

この要求は、非対称Ｌシールを提供する本発明によって対処される。

本発明の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用のシュラウド装置は、弓状内側流路面を定める弓状底壁部と、底壁部から半径方向外向きに延びる離間した前方及び後方壁部と、前方及び後方壁部間で底壁部から半径方向外向きに延びて、端面を各々が定める離間した前方及び後方側壁と、を有する環状シュラウドセグメントを含み、各端面は、端面に沿って略軸方向に延びる軸方向スロットと、端面に沿って略半径方向に延び、軸方向スロットと交差する第１の半径方向スロットと、軸方向スロット内に受けられる軸方向スプラインシールと、Ｌ字形を有し、半径方向レッグ及び該半径方向レッグよりも実質的に短い軸方向レッグを備えた第１の半径方向スプラインシールと、を含み、半径方向レッグが第１の半径方向スロット内に受けられ、軸方向レッグが前記軸方向スロット内に受けられる。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジン用のシュラウド装置は、弓状内側流路面を定める弓状底壁部と、底壁部から半径方向外向きに延びる離間した前方及び後方壁部と、前方及び後方壁部間で底壁部から半径方向外向きに延びて、端面を各々が定める離間した前方及び後方側壁と、を各々が有する弓状シュラウドセグメントの環状アレイを含み、シュラウドセグメントが、隣接する前記シュラウドセグメントの他面間にギャップが存在するように配列されており、各端面が、端面に沿って略軸方向に延びる軸方向スロットと、端面に沿って略半径方向に延び、軸方向スロットと交差する第１の半径方向スロットと、隣接する端面の各ペアの軸方向スロット内に各々が受けられる複数の軸方向スプラインシールと、各々がＬ字形を有し、半径方向レッグ及び該半径方向レッグよりも実質的に短い軸方向レッグを備えた複数の第１の半径方向スプラインシールと、を含み、半径方向レッグが、隣接する端面の各ペアの第１の半径方向スロット内に受けられ、軸方向レッグが、隣接する端面の各ペアの軸方向スロット内に受けられる。

本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することで最もよく理解することができる。

本発明の１つの態様に従って構成されたスプラインシール装置を組み込んだ、ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部の概略断面図。 図１に示すシュラウドの概略斜視図。 図１に示すタービンセクションの一部の拡大正面図。 スプラインシールが配置されたシュラウドセグメントの一部の拡大側面図。

種々の図を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、既知のタイプのガスタービンエンジンの一部である、ガス発生器タービン１０の一部を描いている。ガス発生器タービン１０の機能は、上流側燃焼器（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すること、及びエネルギーを既知の方向で機械的仕事に変換することである。ガス発生器タービン１０はシャフトを通じて上流側圧縮機（図示せず）を駆動し、加圧した空気を燃焼器に供給する。

例示の実施例において、エンジンは、ターボシャフトエンジンであり、作業タービン（出力タービンとも呼ばれる）がガス発生器タービン１０の下流側に位置付けられ且つ出力シャフトに結合されることになる。しかしながら、本明細書で記載される原理は、ターボプロップ、ターボジェット、及びターボファンエンジン、並びに他の移動体又は定置用途に使用されるタービンエンジンにも等しく適用可能である。

ガス発生器タービン１０は、弓状のセグメント化された第１段外側バンド１６と弓状のセグメント化された第１段内側バンド１８との間に支持される複数の円周方向に離間した翼形部形の中空の第１段ベーン１４を備えた第１段ノズル１２を含む。第１段ベーン１４、第１段外側バンド１６及び第１段内側バンド１８は、全体として完全な３６０度組立体を形成する複数の円周方向に隣接したノズルセグメントに配列される。第１段外側及び内側バンド１６、１８は、第１段ノズル１２を通って流れる高温ガスストリームのためのそれぞれ外側及び内側半径方向流路境界を定める。第１段ベーン１４は、燃焼ガスを第１段ロータ２０に最適に配向するように構成される。

第１段ロータ２０は、エンジンの中心軸線の周りを回転する第１段ディスク２４から外向きに延びる翼形部形第１段タービンブレード２２のアレイを含む。弓状第１段シュラウドセグメント２６のリングは、第１段タービンブレード２２を密接に囲み、これにより第１段ロータ２０を通って流れる高温ガスストリームのための外側半径方向流路境界を定めるように配列される。

第２段ノズル２８は、第１段ロータ２０の下流側に位置付けられ、弓状のセグメント化された第２段外側バンド３２と弓状のセグメント化された第２段内側バンド３４との間に支持される複数の円周方向に離間した翼形部形中空の第２段ベーン３０を含む。第２段ベーン３０、第２段外側バンド３２及び第２段内側バンド３４は、全体として完全な３６０度組立体を形成する複数の円周方向に隣接したノズルセグメントに配列される。第２段外側及び内側バンド３２、３４は、第２段タービンノズル３２を通って流れる高温ガスストリームのためのそれぞれ外側及び内側半径方向流路境界を定める。第２段ベーン３０は、燃焼ガスを第２段ロータ３８に最適に配向するように構成される。

第２段ロータ３８は、エンジンの中心軸線の周りに回転する第２段ディスク４２から半径方向外向きに延びた翼形部形第２段タービンブレード４０の半径方向アレイを含む。弓状第２段シュラウドセグメント４４のリングは、第２段タービンブレード４０を密接に囲み、これにより第２段ロータ３８を通って流れる高温ガスストリームのための外側半径方向流路境界を定めるように配列される。

第１段シュラウドセグメント２６は、弓状第１段シュラウドハンガー４６のアレイによって支持され、該ハンガーは、例えば、図示のフック、レール、及びＣ形クリップを公知の方法で用いて弓状シュラウド支持体４８によって担持される。第２段シュラウドセグメント４４は、弓状第２段シュラウドハンガー５０のアレイによって支持され、該ハンガーは、例えば、図示のフック、レール、及びＣ形クリップを公知の方法で用いて弓状シュラウド支持体４８によって担持される。

図２及び３は、第１段シュラウドセグメント２６をより詳細に示している。第１段シュラウドセグメント２６と第２段シュラウドセグメント４４は同一ではないが、類似の設計であることは理解されるであろう。第１段シュラウドセグメント２６に適用される本発明の原理は、スプラインシールを第２段シュラウドセグメント４４においてどのように実施できるかを示している。

各シュラウドセグメント２６は、前方及び後方壁部５４、５６とは反対側に底壁部５２から半径方向外向きに延びる弓状底壁部５２と、前方及び後方壁部５４、５６間を軸方向に延びる離間した側壁５８のペアとを有する。全体として、底壁部５２、前方及び後方壁部５４、５６、及び側壁５８は、開放シュラウドキャビティ６０を定める。

底壁部５２の半径方向内寄り面は、弓状の半径方向内側流路面６２を定める。底壁部５２の半径方向外寄り面は、熱伝達を向上させるために、突出ピン、リブ、フィン、及び／又は乱流プロモータを含むことができる。小さなテーパ付きピン形フィン６４が図２に示されている。底壁部５２は、後方壁部５６を通過して軸方向後方に延びて、後方フランジ又は突出部６６を定める。弓状前方レール６８は、前方壁部５４から軸方向前方に延び、弓状後方レール７０は、後方壁部５６を通って軸方向後方に延びる。例示の実施例において、ノッチ７２は、ピン（図示せず）又は他の回転防止機構を受けるために前方レール６８内に形成される。

第１段シュラウドセグメント２６は、側壁５８により定められる対向する端面７４（一般に「スラッシュ」面とも呼ばれる）を含む。端面７４は、「半径方向平面」と呼ばれるエンジンの中心軸線に平行な平面内にあることができ、又は、半径方向平面から僅かにオフセットすることができ、或いは、このような半径方向平面に対して鋭角であるような向きにすることができる。完全なリングに組み付けられると、図３において矢印「Ｇ」で示されるように、隣接するシュラウドセグメント２６の端面７４間にギャップが存在する。

各端面７４は、スプラインシールを受けるために内部形成されたシールスロットを有する。例示の実施例において、底壁部５２に沿って形成された略軸方向に延びる軸方向スロット７６と、後方壁部５６の軸方向位置に形成された略半径方向に延びる前方半径方向スロット７８と、前方半径方向スロット７８のすぐ後方に配置される略半径方向に延びる後方半径方向スロット８０と、が存在する。

スプラインシールは、シールスロット７６、７８、及び８０に挿入される。これらスプラインシールは、金属又は他の好適な材料の薄い平坦なストリップの形態をとり、シールスロット７６、７８、及び８０内に受けるようなサイズにされ、エンジンに設置されたときに隣接するシュラウドセグメント２６間のギャップＧにわたって延びるのに十分な幅を有する。より具体的には、直線状の軸方向スプラインシール８２が、軸方向シールスロット７６内に挿入される。前方半径方向スプラインシール）８４が前方半径方向シールスロット７８内に挿入され、後方半径方向スプラインシール８６が後方半径方向シールスロット８０内に挿入される。

図４において最もよく分かるように、前方半径方向スプラインシール８４（「Ｌシール」とも呼ぶことができる）は、半径方向レッグ８８及び軸方向レッグ９０を備え、断面がほぼ「Ｌ」字形である。例示の実施例において、半径方向レッグ８８の長さは、軸方向レッグ９０の長さの約２〜３倍である。半径方向レッグ８８は、前方半径方向シールスロット７８内に受けられ、軸方向レッグ９０は、軸方向シールスロット７６内に受けられ、その結果、軸方向レッグ９０は軸方向シール８２に接して位置するようになる。後方半径方向スプラインシール８６（「Ｌシール」とも呼ぶことができる）は、半径方向レッグ９２及び軸方向レッグ９４を備え、断面がほぼ「Ｌ」字形である。例示の実施例において、半径方向レッグ９２の長さは、軸方向レッグ９４の長さの約２〜３倍である。半径方向レッグ９２は、後方半径方向シールスロット８０内に受けられ、軸方向レッグ９４は、軸方向シールスロット７６内に受けられ、その結果、軸方向レッグ９４は軸方向シール８２に接して位置するようになる。

シール８２、８４、及び８６の各々は、ギャップ「Ｇ」にわたり、隣接するシュラウドセグメント２６における対応するスロット内に受けられる。スプラインシールは、シュラウドセグメント１８間のギャップにわたる。半径方向スプラインシール８４及び８６は、軸方向シール８２と組み合わせて、シュラウドセグメント２６間のシュート流を止めるのに有効である。

本発明は、従来のＬシールに優る幾つかの利点を有する。非対称Ｌシールは、Ｌシール構成の漏洩低減の利点と、非Ｌシール設計の組み付け性のし易さとを併せ持つ。Ｌシールが性能に適合することが必要となる設計において、シール数がより少ないことは、非対称Ｌシールが典型的なＬシールよりも大型で扱い易いことに加えて、組み付け時に現行の代替形態に優る利点がある。現在のところＬシールを有していない構成において、非対称Ｌシールは、組み付けを複雑にすることなく漏洩を低減することが期待される。

以上の説明は、ガスタービンエンジンにおけるスプラインシール装置について説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態についての上記の説明は、単に例示の目的で提供され、限定を目的とするものではない。

２６ 第１段シュラウドセグメント
５２ 弓状底壁部
５４ 前方壁部
５６ 後方壁部
５８ 側壁
６０ 開放シュラウドキャビティ

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン用のシュラウド装置であって、
   弓状内側流路面を定める弓状底壁部と、前記底壁部から半径方向外向きに延びる離間した前方及び後方壁部と、前記前方及び後方壁部間で前記底壁部から半径方向外向きに延びて、端面を各々が定める離間した前方及び後方側壁と、を有する環状シュラウドセグメントを備え、前記各端面が、
   前記端面に沿って略軸方向に延びる軸方向スロットと、
   前記端面に沿って略半径方向に延び、前記軸方向スロットと交差する第１の半径方向スロットと、
   前記端面に沿って略半径方向に延び、前記軸方向スロットと交差する第２の半径方向スロットと、
   前記軸方向スロット内に受けられる軸方向スプラインシールと、
   Ｌ字形を有し、半径方向レッグ及び該半径方向レッグよりも実質的に短い軸方向レッグを備えた第１の半径方向スプラインシールと、
   Ｌ字形を有し、半径方向レッグ及び該半径方向レッグよりも実質的に短い軸方向レッグを備えた第２の半径方向スプラインシールと、
   を含み、
   前記半径方向レッグが前記第１の半径方向スロット内に受けられ、前記軸方向レッグが前記軸方向スロット内に受けられ、
   前記半径方向レッグが前記第２の半径方向スロット内に受けられ、前記軸方向レッグが前記軸方向スロット内に受けられ、
   前記第１及び第２の半径方向スロットが、前記後方壁部に沿って前記弓状内側流路面まで延びる
   シュラウド装置。
2. 前記軸方向スロットが前記底壁部に沿って延びる、請求項１に記載のシュラウド装置。
3. 前記底壁部が、前記後方壁部を通過して軸方向後方に延びて後方突出部を定める、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記前方壁部から軸方向前方に弓状前方レールが延びる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記後方壁部から軸方向後方に弓状後方レールが延びる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. ガスタービンエンジン用のシュラウド装置であって、
   弓状内側流路面を定める弓状底壁部と、前記底壁部から半径方向外向きに延びる離間した前方及び後方壁部と、前記前方及び後方壁部間で前記底壁部から半径方向外向きに延びて、端面を各々が定める離間した前方及び後方側壁と、を各々が有する弓状シュラウドセグメントの環状アレイを備え、前記シュラウドセグメントが、隣接する前記シュラウドセグメントの他面間にギャップが存在するように配列されており、前記各端面が、
   前記端面に沿って略軸方向に延びる軸方向スロットと、
   前記端面に沿って略半径方向に延び、前記軸方向スロットと交差する第１の半径方向スロットと、
   前記端面に沿って略半径方向に延び、前記軸方向スロットと交差する第２の半径方向スロットと、
   隣接する前記端面の各ペアの軸方向スロット内に各々が受けられる複数の軸方向スプラインシールと、
   各々がＬ字形を有し、半径方向レッグ及び該半径方向レッグよりも実質的に短い軸方向レッグを備えた複数の第１の半径方向スプラインシールと、
   各々がＬ字形を有し、半径方向レッグ及び該半径方向レッグよりも実質的に短い軸方向レッグを備えた複数の第２の半径方向スプラインシールと、
   を含み、
   前記第１の半径方向スプラインシールの半径方向レッグが、前記隣接する端面の各ペアの第１の半径方向スロット内に受けられ、前記軸方向レッグが、前記隣接する端面の各ペアの軸方向スロット内に受けられ、
   前記第２の半径方向スプラインシールの半径方向レッグが、前記隣接する端面の各ペアの第２の半径方向スロット内に受けられ、
   前記軸方向レッグが、前記隣接する端面の各ペアの軸方向スロット内に受けられ、
   前記第１及び第２の半径方向スロットが、前記後方壁部に沿って前記弓状内側流路面まで延びる
   シュラウド装置。
7. 前記底壁部が、前記後方壁部を通過して軸方向後方に延びて後方突出部を定める、請求項６に記載の装置。
8. 前記軸方向スプラインシールが、前記第１及び第２の半径方向スプラインシールより軸方向後方まで延びる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシュラウド装置。