JP6453252B2 - ターボ機械のタービンリング - Google Patents

Description

本発明はタービンエンジンのタービンリングに関し、特に、ヘリコプターのタービンエンジンのタービンリングに関する。

このようなリングは、任意の種類のタービンエンジンに使用されて、このようなリング内に生じてしまう振動運動を抑制することができる。

従来のヘリコプターのタービンエンジンでは、高圧タービンリングは普通、リング支持体に固定される円形のセクタを備える。図２から分かるように、これらのセクタは、支持体のフックと協働するために適するフックを用いてこの目的のために設けられる。

空気流に触れる状態で、これらのリングセクタは、応力を空気力学的な流れから受け、これらの応力は、具体的には、上流段および下流段のウェイク（伴流）により生じ、そしてこれにより、振動運動が生じてしまう。具体的には、エンジンの動作範囲では、これらのセクタは共振状態になってしまう、すなわち振動疲労による割れを生じる、または早期摩耗現象を生じてしまう。

現在、このような振動運動を、より良好に制御することができるようにするために、１つの改善方法では、これらのセクタの特定の形状を見直すことが行なわれている。しかしながら、機械的応力および空気力学的応力が作用する場合、特定の形状の設計が複雑になる。

実行することがより容易である別の公知の解決策では、リングを組み付けるときのクリアランスを小さくする。しかしながら、半径方向の締め付け力がこれらのセクタと支持体との間に作用することにより、機械的応力が固定用フックに加わることになり、その結果、これらのフックが、大きな度合いの塑性変形を起こし、場合によっては割れを更に進行させてしまう。更に、このような作用によって、リングを取り付ける作業が更に複雑になるので、生産コストおよびメンテナンスコストが増加する。

前述の公知の構造に固有の不具合を少なくとも相当程度回避できるタービンリングおよびタービンエンジンが実際に必要になる。

本説明では、タービンリングが提供され、タービンリングは、略円筒形の支持体と、 円形を形成し、かつ空気流路のセグメントを画定するように構成される１つ以上のセクタであって、各セクタが支持体に取付装置を介して固定される、１つ以上のセクタと、を備え、取付装置は、支持体に属し、かつセクタに向かって突出するフック部分と、セクタに属し、かつ支持体に向かって突出するフック部分と、を備え、支持体のフック部分、およびセクタのフック部分は、セクタを支持体に固定するように協働して構成され、リングは更に、取付装置内に設けられ、かつセクタの一部分と支持体の一部分との間で半径方向に応力を受けて、セクタと支持体との間の相対運動を減衰させる制振装置を備え、制振装置は、支持体の内側表面に、そしてセクタのフック部分の外側表面に周方向に交互に接触するようになる。

少なくとも１つの加圧領域をセクタの前記一部分を維持し、かつ少なくとも１つの加圧領域を支持体の前記一部分を維持するこの制振装置を使用することにより、セクタと支持体との間の相対運動が抑制され、より小さくなる。更に、これらの相対運動は、セクタおよび／または支持体の制振装置との摩擦により、半径方向に減衰される。この摩擦により、これらのセクタのエネルギーが放散されるので、エネルギーが蓄積されることがなくなって、これらのセクタが、作動範囲で共振を起こす危険を小さくすることができることにより、振動疲労に起因する破損を大幅に小さく抑えることができる。

更に、制振装置は、セクタと支持体との間の相対運動を弾性的に抑制するので、セクタおよび支持体に作用する低サイクル疲労タイプの機械的応力を制限してセクタおよび支持体の寿命を延ばすのに十分な、セクタと支持体の間の半径方向クリアランスを維持することが可能である。

制振装置によって更に、セクタを、振動を制限したいというセクタの二次的な目的から解放することができる。このような状況では、制振装置の形状を更に自由に選択することができる：制振装置の形状は従って、簡易化することができるので、コストを低減することができる、または制振装置の形状は、セクタの他の機能について更に効果的に最適化することができる。

更に、制振装置は、セクタと支持体との間に残されることになるクリアランスに略一致する半径方向の寸法ガイドとして機能することにより、セクタを支持体に組み付ける作業を容易にすることができる：従って、セクタを制振装置に押圧して、確実にセクタが正確に位置決めされるようにすることができる。これにより、位置決め精度および再現性が向上するので、ブレードの先端におけるクリアランスの制御がより良好に行なわれるようになり、かつ不適格品の機械加工作業を減らすことができる。

制振装置が、支持体の内側表面に、そしてセクタのフック部分の外側表面に周方向に交互に接触するようになるこのような構造によって確実に、制振装置を簡単に成形することができるが、その理由は、制振装置が、支持体の内側表面、およびセクタのフック部分の外側表面に連続的に、かつ同時に接触する必要が全くないからである。

特定の実施形態では、制振装置は更に、セクタの一部分を支持体の一部分に押圧するように構成される。このような状況では、セクタの相対運動、および支持体の相対運動は、セクタの支持体との摩擦により減衰させることもできる。

特定の実施形態では、支持体は、第１取付装置に類似する第２取付装置によって更に固定される；支持体には更に、第２取付装置内に設けられ、かつ第１制振装置に類似する第２制振装置が設けられる。

特定の実施形態では、制振装置は可撓性ブレードを備える。この可撓性ブレードは、板状金属により形成される要素であることが好ましい。このような可撓性板状金属は、安価であり、成形が容易であり、そしてこのような制振に適する剛性を提供する。

特定の実施形態では、制振装置は、セクタの前記一部分と支持体の前記一部分との間で、制振装置の全長に亘って半径方向に応力を受ける。このような状況では、セクタおよび支持体に加わる応力は、セクタの全長に亘って分散され、更には、制振作用がセクタ全体に亘って均一に働くことになる。

特定の実施形態では、制振装置は、制振装置の全長に亘って、制振装置の長さに沿って分布された局所的な押込み部により略平滑になる。これらの押込み部は、具体的には、球状隆起部分により構成することができ、例えばプレス加工により形成することができる。

他の実施形態では、装置は、波形板状金属により形成される要素を備える。

特定の実施形態では、制振装置は、セクタのフック部分の外側表面と支持体の内側表面との間に設けられる。このような構造は、組付けが容易であり、更に、この構造では、２つのフック部分が互いに対して押圧されることにより、セクタを強固に固定することができ、かつセクタの制振機能を高めることができる。

他の実施形態では、制振装置は、支持体のフック部分の内側表面とセクタの外側表面との間に設けられる。

特定の実施形態では、制振装置は、セクタの一部分に形成される溝に少なくとも部分的に収容される。この溝により、制振装置をセクタに、制振装置を支持体に組み付ける前に取り付けることができるので、組み付け手順を容易にすることができる。更に、これにより、セクタと支持体との間の半径方向クリアランスを小さくすることができる。

他の実施形態では、制振装置は、支持体の一部分に形成される溝に少なくとも部分的に収容される。

特定の実施形態では、制振装置は、支持体のフック部分の遠位部分を少なくとも包み込む。制振装置は従って、所定の位置に容易に収容され、かつセクタがない状態でも、所定の位置に容易に留まる。

特定の実施形態では、制振装置は恒久的に、第１に、少なくとも１つの加圧領域を支持体のフック部分の外側表面に維持し、かつ加圧領域をフック部分の内側表面に維持し、そして第２に、少なくとも１つの加圧領域をセクタのフック部分の内側表面に維持し、かつ／または加圧領域をセクタの外側表面に維持するように構成される。制振装置をこのようにして、フックの端部の周りに挟み付けることができるので、確実に制振装置を所定の位置に収容して静止状態に保持することができる。

他の実施形態では、制振装置は、セクタのフック部分の遠位部分を少なくとも包み込む。

特定の実施形態では、制振装置は、セクタ（複数可）により形成されるリングの周方向の全長に沿って連続的に延在する単体要素である。しかしながら、制振装置は、装置の方位角平面に配置されるギャップで分断されるようにすることができる。

他の実施形態では、制振装置は、複数のセクションに分割され、セクションは、セクタ（複数可）により形成される円形の周方向の全長に沿って互いに続く。

特定の実施形態では、制振装置の１つのセクションは各セクタに結合される。

他の実施形態では、制振装置の各セクションは、複数のセクタに結合される。

特定の実施形態では、制振装置は更に、シール手段を支持体とセクタとの間に設けるように構成される。例えば、シール手段は編組ガスケットとすることができる。

特定の実施形態では、制振装置は、セクタに固定されるか、または支持体に固定されるかのいずれかである。この固定は、溶接により行なわれることが好ましい。

本説明は更に、前述のこれらの実施形態のうちのいずれかの実施形態による少なくとも１つのリングを含むタービンエンジンを提供する。

特定の実施形態では、タービンエンジンは、ヘリコプターのターボシャフトエンジンである。前記リングは、結合タービンに、かつ／またはフリータービンに取り付けられる。

特定の実施形態では、タービンエンジンは、航空機のターボジェットである。

前述の特徴および利点、および他の特徴および利点は、提案されるリングおよびタービンエンジンの種々実施形態についての以下の詳細な説明を読み取ることにより明らかになる。この詳細な説明では、添付の図面を参照する。

添付の図面は概略図であり、何よりも、本発明の原理を例示しようとしている。

これらの図面では、図ごとに、同一である要素（または、要素の一部）は、同じ参照記号により特定される。更に、異なる実施形態に属し、かつ類似の機能を有する要素（または、要素の一部）は、これらの図中に、１００，２００などの所定の値だけ増加する参照番号により特定される。

ヘリコプターのターボシャフトエンジンの一例の全体図である。 タービンリングの第１例の切り欠き斜視図である。 図２のリングの軸線方向断面図である。 図２のリングの変形例を示している。 図２のリングの別の変形例の切り欠き斜視図である。 制振装置の変形例を示している。 図６Ａの制振装置を備えた図２のリングの半径方向断面図である。 制振装置の別の変形例を示している。 図７Ａの制振装置を備えた図２のリングの半径方向断面図である。 リングの第２の実施形態の軸線方向断面図である。 図８Ａのリングの変形例の軸線方向断面図である。 図８Ａのリングの変形例の軸線方向断面図である。 リングの第３の実施形態の軸線方向断面図である。

本発明を更に具体的にするために、タービンリングの例示的な実施形態について、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。本発明はこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。

図１は、タービンエンジン１０、詳細にはヘリコプターのターボシャフトエンジンを示している。従来の如く、ターボシャフトエンジン１０は、圧縮機１１と、ガス発生装置１２と、互いに結合され、かつ高圧タービンおよび低圧タービンとも表記されるフリータービン１３および１４と、を備え、フリータービン１３および１４は、燃焼室１２から流出する燃焼ガス流によって回転駆動される。フリータービン１４は、シャフト１５の両側端部のうちの一方の端部に固定されるタービンホイール１４ａを備える。シャフト１５の他方の端部は、中間歯車１７と噛合する一次歯車１６を有する。中間歯車１７は出力歯車１８と噛合する。中間歯車１７および出力歯車１８は、タービンエンジン１０の減速ギアボックスの一部を形成する歯車である。出力歯車１８は、出力シャフト１９に結合されてヘリコプター（図示せず）のメインギアボックスに結合される。結合されるタービン１３は、圧縮機１１に駆動シャフト２０を介して結合されるタービンホイール１３ａを有する。結合されるタービン１３には更に、タービンリング３０が取り付けられ、このタービンリング３０は、空気流路を形成し、かつタービンホイール１３ａのブレードに対向している。

図２は、このようなタービンリング３０の第１の実施形態を示している。タービンリング３０は、タービン１３のケーシングの一体化部分を形成する略円筒形のリング支持体３１と、リング支持体３１に固定されてタービン１３内を通過する空気流路を形成する円形のリングセクタ３２と、を備える。

図３から更に明確に分かるように、各リングセクタ３２は、リング支持体３１に、取付装置３３ａおよび３３ｂを使用することにより固定される。各取付装置３３ａ、３３ｂでは、セクタ３２のフック３４が、支持体３１に向かって延びて、リングセクタ３２に向かって延びている支持体３１のフック３５と協働する。セクタ３２のこれらのフック３４の各々は従って、半径方向部分３４ａおよび接線方向部分３４ｂを有し、これらの部分が一体となって、各セクタ３２の全長に沿って連続して延びている。支持体３１の各フック３５もまた、半径方向部分３５ａおよび接線方向部分３５ｂを有し、これらの部分が一体となって、支持体３１の内周の全長に沿って連続的に内周に延設されている。

この第１の実施形態では、セクタ３２のこれらのフック３４には、フック３４の外側表面３４ｅから、フック３４の半径方向部分３４ａに少なくとも部分的に直線状に並んで突出するそれぞれのリブ４１が設けられる。このリブ４１は、フック３４の外側表面３４ｅと支持体３１の内側表面３１ｉとの間の半径方向のクリアランスとなって、制振装置５０を所定の位置に格納することができる。

制振装置５０は、好ましくは板状金属から形成される可撓性ブレードであり、この軸線方向断面で見たときに略Ｖ字状となる：この断面形状は、制振装置５０の全長に沿って略一定である。制振装置５０は従って、セクタ３２のフック３４の外側表面３４ｅと支持体３１の内側表面３１ｉとの間で応力を受けて、第１に、圧力がフック３４に制振装置の中心領域を介して作用し、かつ第２に、圧力が支持体３１に制振装置の２つの端部を介して作用するようになる。

この制振装置５０の剛性は、制振装置の厚さ、長さを調整することにより、広義には形状を調整することにより調整することができる。具体的には、この例では、制振装置は、約０．２ミリメートル（ｍｍ）の厚さを有する板状金属を用いて形成される。制振装置の材料は、所望の剛性に応じて選択することもできる。詳細には、板状金属はＩｎｃｏｎｅｌ（インコネル）７１８により形成することができる。

図２から分かるように、この例では、各取付装置３３ａ、３３ｂの制振装置５０は、ギャップを制振装置５０の方位角平面に配置して制振装置をタービン１３内の所定の位置に収納し易くしていることを除き、リング支持体３１の全長に沿って連続して延設される単体要素である。しかしながら、他の例では、制振装置は、ギャップを取り入れることなくリング支持体の全長に沿って連続させることができる。

この第１の実施形態の多数の変形例が適用可能である。例えば、図４の変形例では、溝４２が、リングセクタ３２のフック３４の外側表面３４ｅに形成される。このような溝４２は、制振装置５２を収容するように機能する。しかしながら、溝４２の深さは、制振装置５２の高さよりも浅いので、制振装置５２がフック３４の外側表面３４ｅを超えて飛び出す：制振装置５２は従って、支持体３１とセクタ３２のフック３４との間で応力を受ける。

更に、図４は、制振装置５２を、図３の制振装置５０の姿勢とは反対に上向きの姿勢で取り付けることが一般的に可能であることを示している。このような状況の下では、制振装置５２から圧力が支持体３１の内側表面３１ｉに、制振装置の中心領域を介して加わるのに対し、圧力はセクタ３２のフック３４に、制振装置の２つの端部を介して加わる。

図５は、リング３０の第１の実施形態の別の変形例を示している。この変形例では、制振装置５４は単体要素ではなく、複数セクタにより構成される：詳細には、制振装置５４の分割は、リングセクタ３２の分割に対応して、分割制振部５４が各セクタ３２に結合されるように設計される。しかしながら、制振装置５４は当然、他の或る方法で分割することができる。

図６Ａおよび図６Ｂは、タービンリング３０の第１の実施形態の別の変形例を示している。図３の実施形態とは異なり、制振装置５６は、制振装置の全長に亘って成形されてはいない。この変形例では、制振装置５６は、好ましくは板状金属により形成される可撓性ブレードであり、可撓性ブレードは、押込み部５７が、ブレードの平滑表面に規則的に形成されていることを除き、ブレードの全長に亘って略平滑である。図６Ｂから分かるように、制振装置５６は、制振装置の外側表面が、リング支持体３１の内側表面３１ｉを押圧するのに対し、これらの押込み部５７の内側端部は、リングセクタ３２のフック３３の外側表面３３ｅを押圧して、制振装置５６が、支持体３１の内側表面３１ｉに、そしてリングセクタ３２のフック３３の外側表面３３ｅに周方向に交互に接触するように構成される。

図７Ａおよび図７Ｂは、タービンリング３０の第１の実施形態の最後の変形例を示している。この変形例では、制振装置５８は、起伏によって制振装置５８を支持体３１の内側表面３１ｉ、およびリングセクタ３２のフック３３の外側表面３４ｅに制振装置の周方向に沿って交互に接触させることができる構成の波形板材である。

図８Ａは、タービンリング１３０の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態では、制振装置１６０は、好ましくは板状金属により形成される可撓性ブレードであり、この可撓性ブレードは、この軸線方向断面で見たときに略Ｕ字状であり、支持体１３１のフック１３５の遠位部分の周りと協働する、すなわちフック１３５の接線方向部分１３５ｂの端部で協働する。制振装置１６０は従って、フック１３５の遠位面に押圧される平面部分１６１を有し、平面部分１６１から制振装置１６０の２つの分岐部が延びている。第１部分１６２では、２つの分岐部は、互いに向かって延びて、フック１３５の遠位部分を締め付け、その後、第２部分１６３では、２つの分岐部は、互いに離れて延びて、第１に、フック１３４の接線方向部分１３４ｂの内側表面１３４ｉを押圧し、そして第２に、リングセクタ１３２の外側表面１３２ｅを押圧する。この例では、制振装置１６０の２つの分岐部は対称である。

図８Ｂは、タービンリング１３０の第２の実施形態の変形例を示している。この変形例では、異なる剛性を実現するために、制振装置１６０の内側分岐部は、制振装置の外側分岐部よりも長くなっている。従って、内側分岐部の第２部分１６３は、リングセクタ１３２の外側表面１３２ｅを図８Ａの変形例におけるよりも更に下流側で押圧する。

図８Ｃは、タービンリング１３０の第２の実施形態の別の変形例を示している。この変形例では、制振装置１６０の内側分岐部は、フック１３５の内側表面１３５ｉを押圧する第１傾斜部分１６２を有するが、リングセクタ１３２の外側表面１３２ｅを押圧する第２部分を有していない。

図９は、タービンリング２３０の第３の実施形態を示している。この第３の実施形態では、制振装置２６０は、好ましくは板状金属により形成される可撓性ブレードであり、この可撓性ブレードは、この軸線方向断面で見たときに略Ｌ字状であり、リングセクタ２３２のフック２３４の遠位部分の周りと協働する。制振装置２６０は、リング支持体２３１のフック２３５の半径方向部分２３５ａに押圧される平面部分２６１を有し、この場合、略接線方向の分岐部が半径方向部分２３５ａから突出している。第１部分２６２では、この分岐部は内側に向かって延びて、セクタ２３２のフック２３４の外側表面２３４ｅを押圧し、次に第２部分２６３では、この分岐部は外側に向かって延びて、支持体２３１の内側表面２３１ｉを押圧するようになっている。最後に、この分岐部を半径方向内側に折り返して、フック２３４の外側表面２３４ｉを直角に押圧するようにしている。セクタ２３２のフック部分２３４はこのようにして、支持体２３１のフック部分２３５に押圧される。

本説明において記載されるこれらの実施形態は、非限定的な例として与えられ、この技術分野の当業者であれば、本説明に鑑みて、本発明の範囲から逸脱しない範囲で容易にこれらの実施形態を変更するか、または他の構成を想到することができるであろう。

具体的には、記載されるこれらの実施形態の全ては、タービンエンジンの結合タービンに関するものであるが、本教示は、フリータービンに適用することもできる。同様に、本教示は、航空機のターボジェットの分野に直接言い換えることができる。

更に、これらの実施形態の種々特徴は、これらの特徴そのままで使用することができる、または互いに組み合わせて使用することができる。これらの特徴を組み合わせる場合、これらの特徴は、前述の通りに、または他の方法で組み合わせることができるので、本発明は、本説明において記載される特定の組み合わせに限定されない。具体的には、逆のことが指示されていない限り、いずれか１つの実施形態について記載される特徴は、類似の方法で、他のいずれかの実施形態に適用することができる。

Claims (7)

1. タービンリングであって、
   略円筒形の支持体（３１）と、
   円形を形成し、かつ空気流路のセグメントを画定するように構成される１つ以上のセクタ（３２）であって、各セクタ（３２）が支持体（３１）に取付装置（３３ａ，３３ｂ）を介して固定される、１つ以上のセクタ（３２）と、を備え、
   取付装置（３３ａ）は、支持体（３１）に属し、かつセクタ（３２）に向かって突出するフック部分（３５）と、セクタ（３２）に属し、かつ支持体（３１）に向かって突出するフック部分（３４）と、を備え、支持体のフック部分（３５）、およびセクタのフック部分（３４）は、セクタ（３２）を支持体（３１）に固定するように協働して構成され、
   前記タービンリングは、制振装置（５０）をさらに備え、制振装置は、取付装置（３３ａ）内に設けられ、かつセクタの一部分（３４ｅ）と支持体の一部分（３１ｉ）との間で半径方向に応力を受けて、セクタ（３２）と支持体（３１）との間の相対運動を減衰させ、
   制振装置が恒久的に、少なくとも１つの加圧領域を支持体（１３１）のフック部分（１３５）の外側表面に維持し、かつ加圧領域をフック部分の内側表面に維持することを特徴とする、タービンリング。
2. 制振装置が、板状金属により形成されることを特徴とする、請求項１に記載のリング。
3. 制振装置（５０）が、セクタの前記一部分（３４ｅ）と支持体の前記一部分（３１ｉ）との間で、制振装置の全長に亘って半径方向に応力を受けることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のリング。
4. 制振装置（５０）が、セクタ（３２）のフック部分（３４）の外側表面（３４ｅ）と支持体（３１）の内側表面（３１ｉ）との間に設けられることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のリング。
5. 制振装置（５２）が、セクタ（３２）の一部分（３４ｅ）に形成される溝（４２）に少なくとも部分的に収容されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のリング。
6. 制振装置（５４）が、セクタ（複数可）（３２）により形成される円形の周方向の全長に沿って互いに続く、複数の部分に分割されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のリング。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の少なくとも１つのリング（３０）を含む、タービンエンジン。

Images