JPH09505124A - タービンシュラウドセグメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 タービンシュラウドセグメントはセンターフック（７０）を一側縁に沿って備え、このフックがセグメントをタービン構造に対して保持するとともに、セグメントの熱変形を許容する。特定の実施例においては、セグメントは、離間した一対のセンターフック（７０）と、第１の側方フック（７２）と、第１のセンターフックの反対側に配置された第２のセンターフック（７４）とを備えている。離間したセンターフックは、セグメントを保持し、セグメントの中心領域が径方向内側への移動するのを妨げる。側方フックは、補足的な保持を提供するとともに、セグメントの熱変形に対してセグメント側縁の半径方向外方への移動を許容する。

Description

【発明の詳細な説明】 タービンシュラウドセグメント 技術分野 本発明はガスタービンエンジンに関し、より詳しくはガスタービンエンジンに 用いるシュラウドセグメントに関する。 発明の背景 従来の軸流ガスタービンエンジンは、列となったタービンブレードを備えてお り、この集合体は高温ガス、つまり燃焼部から流出する作動流体の流路を通して 延びている。流路を流れる作動流体と互いに作用する結果、ブレードの列は、ガ スタービンエンジンの長手方向の軸を中心として回転する。タービンを効率的に 作動させるには、タービンブレードを迂回する作動流体の量を最小にし、作動流 体がタービンを貫いて流れるようにすることが必要である。これを実現する方法 の一つ、は、環状のシュラウドをタービンブレードの集合体を取り囲むようにタ ービンブレードの先端に近接させて複数配置することである。最新のガスタービ ンエンジンは、一般に、多数のセグメントからなるシュラウドを使用しており、 これらセグメントは円周方向に整列して環状のシュラウドを形成している。 各シュラウドセグメントは、タービン部の支持構造に対してセグメントを保持 する手段を有する支持体と、ブレードの先端に面して作動流体に晒される流路面 とを備えている。流路面とブレード先端 との隙間を最小にするため、流れ面は摩耗性被覆を備えていても良い。上記摩耗 性被覆は、ブレードの先端がセグメントに接触しても、ブレードを作動中に破損 させないようにしている。その結果、上記ブレードと上記セグメントとは、効率 を事実上低下させることなく、作動中の熱膨張を許容するようになっている。 シュラウドセグメントは作動流体の高温ガスと接触するので、シュラウドセグ メントを許容温度限界内に維持する手段が要求される。セグメントを冷却する手 段の一つ、は、圧縮流体の一部をセグメントに直接流すことである。この冷却流 体は、シュラウドセグメントの径方向外側の表面に衝突して、セグメントの熱を ある程度取り除くようになっている。セグメントの温度を低下させるための他の 技術は、摩耗性な層をセラミックス材で形成することである。セラミックス摩耗 性被覆は、高温の作動流体と基体との間で熱を遮断する。さらには、上記摩耗性 層をフィルム冷却する技術がある。 一般に、保持手段はフック型の構造で、セグメントの上流側と下流側の端縁に 配置される複数のフックまたは周方向に延びるレールである。保持手段は支持構 造と係合してセグメントを径方向に保持する。また、支持構造はピンを備えてい ても良く、このピンをセグメントの切り抜きに係合させてセグメントを横方向に 位置決めしていても良い。 シール機構は、冷却流体がセグメントを迂回するのを防止するとともに、冷却 流体が隣接するセグメントの間またはセグメントと支持構造との間に流入するの を防止するために使用される。従来のセグメント用のシール機構は、フェザーシ ール（ｆｅａｔｈｅｒ ｓ ｅａｉｓ）と″Ｗ″シールである。フェザーシールは隣接するセグメントの間を 横に延びて、この隙間をシールする。複数の″Ｗ″シールは上記複数のセグメン トと支持構造の間に配置されて、この間をシールする。この″Ｗ″シールは、通 常、″Ｗ″シールを互いに連結するための横に延びるシール面を、セグメントに 設けることが必要とされる。この軸方向の端縁に沿ったシール面の存在のために 、フックとレールが基体からさらに外側に拡がって大きな側面形状を呈すること になる。 シュラウドセグメントは、極限の温度に晒され、かつ回転するブレードと接触 して摩耗するため、頻繁に取り換えられる。冷却流体に晒されるセグメントの径 方向外側の表面と、作動流体に晒される流路面との間には大きな温度勾配が存在 することになる。それに起因する温度勾配と熱膨張は、セグメントの変形を引き 起こす。この変形はセグメントとブレードとが接触して破壊されることを増加さ せてしまう。しかし、セグメントに延びたレールを備えて剛性を付与すると、別 の問題が生じる。離間したフックを使用した場合であっても、延長レールよりも 本質的に柔構造とすることができるが、″Ｗ″シールにより大きな側面形状のフ ックを使用することになると、セグメントは十分に柔構造とできなくなってしま う。この場合には、セグメントが熱変形に適応するのに十分なだけの変形を許容 されなくなる結果、基体とセラミックス摩耗性層における圧縮応力が増大するこ とになる。このことは、基体，摩耗性層またはその双方に亀裂をもたらすことに なる。この他、セグメントの大きさと重量にも配慮する必要がある。 一つの可能な解決方法は、上記″Ｗ″シールを取り除き、短い個々のフックを 保持手段として用いることである。このことは、シール性を劣化させ、圧縮機か ら冷却流体を余分に抽気してやる必要が生じる。他の解決方法は、支持構造にぴ ったり適合する連続的なレールを用いて、必要なシール性を提供することである 。しかし、この形状は上記セグメントの熱膨張を調節できず、セグメントや支持 構造を損傷させることになる熱応力の発生を招くことになる。ゆるく適合するレ ールを用い、冷却流体の損失を容認すれば、熱膨張を幾分調節するが、上記セグ メントの径方向の位置決めが変動してしまうことになる。この変動はブレードと セグメントの間により大きな半径方向の間隙を生じさせ、ブレードと作動流体の 衝突効率の低下をもたらすことになる。 上述のような技術にもかかわらず、科学者と技術者が出願人の代理人の指示に 基づいて、ガスタービンエンジンの性能を低下させることなく、作動中に変形す る薄くて柔軟なシュラウドセグメントの開発を行っていた。 発明の開示 本発明は、セグメントの熱変形の結果、シュラウドセグメントの最大の摩耗が 軸方向の中心領域で生じていたという認識に幾分基づいていた。セグメントが熱 くなるにつれて、摩耗性被覆はその下の基体よりも早く膨張する。この差が、非 作動状態におけるセグメントの弧の形状からセグメントを変形させて平らにして しまう。この結果、中心領域が径方向内側へ移動し、セグメントと回転するブレ ードとが摩耗性接触する可能性を増大させる。セグメントを剛性にして、この変 形を防止すると、摩耗性の接触を少なくすることができるが、被覆層の亀裂と喪 失に導く圧縮応力を被覆層に誘発することになる。 本発明によれば、シュラウドセグメントは少なくとも１つのフックを備えてい て、これが支持構造に係合することによって、セグメント中心の径方向内側への 移動を防止するとともに、加熱状態に応じてセグメントの変形を許容するように されている。 本発明の特定の実施例によれば、セグメントは、１つのセンターフックと、セ ンターフックの両側に配置した一対のサイドフックを備えている。センターフッ クは、セグメントの中心領域を径方向内側へ移動しないように保持している。複 数の上記サイドフックは、セグメントの軸方向の中心軸回りの、過度の回転や揺 動を防止するとともに、上記セグメントの補足的な保持を提供する。 本発明の他の実施例によれば、センターフックは離間した２つの部分から構成 されており、それらは、互いに他のフックおよび中心軸から周方向に間隔をおい て配置されている。各部分は、セグメントの中心領域を径方向内側へ移動しない ように保持している。しかし、いずれの部分も中心軸の真上にはない。 本発明の本質的な特徴は、セグメントの中心領域に配置された個々のフックに ある。特定の実施例における特徴は、セグメントの端縁の近くで、センターフッ クの両側に配置された一対のサイドフックにある。他の特定の実施例における特 徴は、離間した２つの部分を有する割れたセンターフックにある。 本発明の第１の利点は、摩耗性層の応力が小さくなり、セグメントの中心領域 のおける摩耗性の接触が最小限に抑えられる結果、摩耗性層とシュラウドセグメ ントの寿命が延びることにある。応力の低下は、セグメントの柔軟性を改良した ことによる。１つまたは複数のフックは、セグメントが基体に較べて大きく摩耗 性層を熱膨張させて曲がりや変形を調節できりようにしている。セグメントの変 形は摩耗性層の応力を低下させる。摩耗性の接触が最小限に抑えられるのは、セ グメントの横側領域が径方向外側へ移動するとともに、フックがセグメントの中 心領域の径方向内側への移動を防止していることによる。すなわち、セグメント が中心領域の径方向内側への移動をともなうことなく、平らになるようにされて いるためである。本発明の他の利点は、ブレードとセグメントの間隙の大きさが 最小になる結果、ガスタービンエンジンの効率が向上することにある。ブレード とセグメントの間が摩耗性の接触をしないようにすることで、摩耗性層の摩滅を 少なくし、それによって、間隙の大きさと、ブレードの回りから逃げる作動流体 の量を最小限のものとできる。本発明のさらなる利点は、重量の減少、サイドフ ックによって提供される補足的な保持およびサイドフックによってセグメントが 補助的に保持されることを挙げることができる。 本発明の上述の目的と他の目的、特徴および利点は、添付図面に示された模範 的な実施例についての、以下の詳細な説明によって、明瞭なものとなる。 図面の簡単な説明 図１はガスタービンエンジンの側面図で、圧縮部、燃焼室及びタービン部を示 すために一部を切り欠いて断面表示してある。 図２はタービンロータアッセッンブリの第１段とタービンシュラウドを示す側 面図である。 図３はシュラウドセグメントの平面図である。 図４はシュラウドセグメントの側面図である。 図５はシュラウドセグメントの加熱後の状態を示す側面図で、非加熱状態のシ ュラウドセグメントは点線で示してある。 発明を実施するための最良の形態 図１を参照すると、ガスタービンエンジン１２は圧縮部１６、燃焼室１８及び タービン部２２を備えている。ガスタービンエンジン１２は長手方向の軸２４を 中心として配置され、圧縮部１６、燃焼室１８及びタービン部２２を貫いて延び る軸方向を向いた環状の流路１４を備えている。作動流体は圧縮部１６に流入し 、仕事が加えられて、運動量の増加という形でエンネルギが付加される。作動流 体は圧縮部１６から排出され、燃焼室１８に流入し、そこで燃料が作動流体に混 合される。混合気体は燃焼室１８で点火されて、作動流体に対してさらにエンネ ルギが付加される。燃焼作用の結果、燃焼室１８からタービン部２２に流入する 作動流体の温度が高められる。タービン部２２では、作動流体が多数のローター アッセンブリ２８と衝突して、エンネルギを作動流体の高温ガスからローターア ッセンブリ２８に伝達する。この伝達されたエンネルギの一部は、回転シャフト ３２を経由して圧縮部１６に戻される。伝達されたエン ネルギの残りは、他の機能のため使用することができる。 図２を参照すると、ローターアッセンブリ２８とタービンシュラウド３４が示 されている。ローターアッセンブリ２８は、ディスク３６と、ディスク３６の外 周に配置した複数のローターブレード３８を備えている。タービンシュラウド３ ４は、多数のローターブレード３８の径方向外側に配置されている。タービンシ ュラウド３４は、円周方向に隣接して配置された複数のセグメント４０を備えて いる。セグメント４０は、複数のローターブレード３８の先端に対して径方向に 近接している流路面４２を備えた環状のリングを形成している。 各セグメント４０は、基体４５と摩耗性の層４６を備えている。それぞれのセ グメント４０は、タービン構造体４７に係合され、セグメントを径方向と軸方向 に対して適切な位置に保持する手段を備えている。このセグメントの軸方向前端 にある保持手段は、小型のレール４８を備えている。後部にある保持手段は、複 数のフック５０を備えている。前端よりも後端に沿ってより大きな圧力差が生じ るため、後端には、レールよりもむしろフックが使用される。より大きな圧力差 が生じるのは、冷却流体により、セグメント外側には軸方向に一定の圧力となっ ており、セグメントの内側は軸方向に圧力が減少するようになっているためであ る。 レール４８とフック５０は、いずれもセグメントを径方向に保持するため、タ ービン構造体４７の一対の凹部５２，５４に係合されている。レール４８と複数 のフック５０の径方向の双方の幅は、凹部５２，５４の径方向の幅よりも十分に 小さくなっており、この径 方向の幅が径方向の間隙５６，５８を画成している。バンド６２が前方の間隙５ ６と後方の間隙５８内に配置されている。バンド６２は、レール４８とフック５ ０を経由してタービン構造体４７とセグメント４０の双方に係合している。バン ド６２は、セグメント４０を径方向に弾性的に固定する手段を提供している。 冷却流体は、タービン構造体４７内の通路（図示せず）から径方向内側へ流れ 込み、バンド６２の開口を通って、バンド６２とセグメント４０の径方向外側の 表面６６との間に形成される空洞６４に流れ込む。そして、この冷却流体は径方 向外側面６６のインピンジメント孔６８（図４参照）を通って基体４５に衝突す る。この冷却流体はセグメント４０を許容温度限界内に維持する。 図３を参照すると、複数のフック５０は、近接配置した一対のセンターフック ７０と、第１の側方フック７２と、第２の側方フック７４を備えている。センタ ーフック７０は、軸方向に向いているセグメント４０の中心軸７６を挟んで両側 に配置されており、いずれのフックも中心軸７６からずらさせている。側方フッ ク７２，７４は、側縁の反対側に配置されており、センターフック７０からの間 隔Ｄ₁，Ｄ₂がセンターフック７０の間隔Ｄ₃よりも十分に大きくしてある。 センターフック７０は、セグメント４０をタービン構造体４７に保持するとと もに、セグメント４０の中心領域が径方向内側へ移動するのを防ぐための手段と なっている。図３に示され、かつセンターフックについて上述のように説明され ているけれども、１個のセンターフックが保持手段と内側への移動防止手段の両 方を提供する ために用いられることが可能である。しかし、離間したセンターフックは、セグ メント４０を径方向内側へ押圧する反発力を減少させることなく、セグメント４ ０にさらに柔軟性を付与する。さらに、大きな曲げ応力を受け易い領域である中 心軸７６の延長上には、いずれのフックも配置していないこで、熱応力に対する セグメント４０の柔軟性が最大にされている。 側方フック７２，７４は、セグメント４０がセンターフック７０の回りに回転 したり、がたついたりする上下動（ｔｅｅｔｅｒ）を防止する手段となり、それ ゆえ、側方フック７２，７４が側縁の過度に移動しないようにしている。側縁フ ック７２，７４は必要とされないかもしれないが、過度の回転は、一側縁が回転 するブレード３８との接触をもたらすのに十分なだけ、径方向内側への移動を招 くことになる。そのような接触はセグメント４０および／またはブレード３８の 破壊的な摩滅を招くかもしれない。また、側縁フック７２，７４は、センターフ ック７０がセグメント４０の保持に失敗した場合の、セグメント４０の補助的な 保持手段にもなっている。側縁フック７２，７４は、タービン構造体４７の凹部 ５８にゆるく嵌まって、セグメント４０が作動時に生じる熱応力に対して変形す るのを許容する。 作動時には、高温の作動流体がセグメント４０の摩耗性の層４６の上を流れ、 セグメント４０を加熱する。摩耗性の層４６が高温の作動流体と直接接触し、か つ、一般的に使用されている摩耗性被覆は、金属製の基体よりも大きな膨張係数 を有しているので、摩耗性の層４６は基体４５の材料よりも早く膨張する。図４ と図５に示す ように、セグメント４０は、摩耗性の層４６と基体４５との間の熱応力を調節す るため、平らになろうとする。図４は非加熱状態の弧状のセグメント４０を示し 、図５は、加熱によって変形を生じた後のセグメント４０を示している。 セグメント４０を強固に保持させすぎると、セグメント４０の平坦化が許容さ れなくなる。このことは、セグメント４０内及び、摩耗性の層４６と基体４５と の間の熱応力を拡大させることになる。熱応力は、摩耗性の層４６または基体４ ５に亀裂を生じさせたり、摩耗性層４６の削れや基体４５からの分離を生じさせ る場合もある。セグメント４０がゆるく保持して平坦化を許容する均等間隔のフ ックを備えている場合には、中心領域が、回転するブレードの先端に向けて押圧 されることになる。径方向内側へ過度に移動すると、セグメント中心領域におけ る過度の摩滅を招くことになる。 しかし、本発明に係るセグメントにおいては、セグメント４０がセンターフッ ク７０によって保持されて、中心軸７６回りの領域が径方向内側へ過度に移動す るのが防止される。セグメント４０は、それぞれの側縁を径方向外側へ移動させ てブレードの先端４４から遠ざけるようにして、平らになる。さらに、フックの 数が極めて少ないので、セグメント４０の柔軟性が最大になり、摩耗性の層４６ と基体４５との間の熱応力が最小になる。図１〜図５に示すように、一対の離間 したセンターフック７０を使用すれば、熱膨張に対するセグメント４０の柔軟性 がさらに付与できる。 例示的な実施例について開示，説明したが、発明の思想と範囲を逸脱すること なく、種々の変形，省略，付加が行えることは、その 技術分野の当業者によって、理解されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガスタービンエンジンに使用されるシュラウドセグメントであって、ガスタ ービンエンジンが長手方向の軸回りに配置され、かつ支持構造と作動流体に対す る流路を規定する流体通路とを備え、セグメントが弧状で、かつ支持構造に保持 されて長手方向の軸を中心として円周方向に沿って延びる据え付け状態を有する シュラウドセグメントにおいて、 中心軸と流路面と径方向外側面とを備えた基体であって、前記流路面が据え付 け状態において径方向内側へ向けられて作動流体に晒され、前記径方向外側面が 据え付け状態において径方向外側に向いて前記作動流体に比較して低温の流体に 晒されており、前記流路面と前記径方向外側面との間の温度差が、前記弧状セグ メントを円周方向から外れる方向に変形させるようになっている基体と、 前記セグメントを前記支持構造に対して保持する手段であって、前記保持手段 が基体の中心軸回りの領域の径方向内側への移動を妨げるセンターフックを備え ており、保持手段が据え付けられたセグメントの変形を許容して、セグメントの 側縁が径方向外側へ運動するようになっている手段と、 を備えてなるシュラウドセグメント。 ２．前記保持手段が前記センターフックと一対の側方フックとを備え、一対の側 方フックのそれぞれが基体側縁の互いに反対側に配置されて、一対の側方フック がガスタービンエンジン作動中の前記セ グメントの変形を許容するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の シュラウドセグメント。 ３．複数の前記フックが第２のセンターフックを備え、それによって、第１のセ ンターフックと第２のセンターフックが中心軸を挟んで互いに反対側に配置され 、いずれのフックも中心軸の延長上にないことを特徴とする請求項１に記載のシ ュラウドセグメント。 ４．前記保持手段が第１のセンターフックと第２のセンターフックと一対の側方 フックとを備え、一対の側方フックのそれぞれが基体側縁の反対側に配置され、 それによって、一対の側方フックがガスタービンエンジン作動中のセグメントの 変形を許容するようになっていることを特徴とする請求項３に記載のシュラウド セグメント。 ５．ガスタービンエンジンに使用されるシュラウドであって、ガスタービンエン ジンが長手方向の軸回りに配置され、かつ支持構造と作動流体に対する流路を規 定する流体通路とを備え、セグメントが弧状で、かつ支持構造に保持されて長手 方向の軸回りに円周方向に沿って延びる据え付け状態を有し、シュラウドが多数 のセグメントを備え、それによって、各セグメントが備えているシュラウド。 ６．前記保持手段がセンターフックと一対の側方フックとを備え、一対の側方フ ックのそれぞれが前記基体側縁の互いに反対側に配置され、それによって、一対 の側方フックがガスタービンエンジン作 動中のセグメントの変形を許容するようになっていることを特徴とする請求項５ に記載のシュラウド。 ７．複数の前記フックが第２のセンターフックを備え、それによって、前記第１ のセンターフックと前記第２のセンターフックが中心軸を挟んで互いに対向する 側に配置され、いずれのフックも中心軸の延長上にないことを特徴とする請求項 ５に記載のシュラウド。 ８．前記保持手段が前記第１のセンターフックと前記第２のセンターフックと一 対の側方フックとを備え、一対の側方フックのそれぞれが基体側縁の互いに反対 側に配置され、それによって、前記一対の側方フックがガスタービンエンジン作 動中のセグメントの変形を許容するようになっていることを特徴とする請求項７ に記載のシュラウド。