JPS6237205B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 脚部および横棒部分を含む略Ｔ字形横断面を
有し該Ｔ字形の横棒部分の上面が円筒形内面を形
成し前記脚部が前記横棒部分から半径方向外方に
延びている膨張制御リングと、 冷却流体を前記膨張制御リング上の予め選択さ
れた位置に向けたマニホルド装置とを設け、 前記脚部の対向した側に配置された第１マニホ
ルドリングおよび第２マニホルドリングを有し前
記脚部の対向した側に向けられた複数の流体ポー
トを有する冷却マニホルドが前記マニホルド装置
に設けられ、更に該マニホルド装置が温度条件下
で前記膨張リングを同軸的に支持する装置を含
み、該同軸的に支持する装置が前記脚部より僅か
に大きな軸方向厚さのスペーサリングを有し該リ
ングを前記第１マニホルドリングと第２マニホル
ドリングとの間に前記脚部の半径方向外側に介在
させたことを特徴とするタービンに用いられるタ
ービンシユラウド組立体。

２ 請求の範囲第１項記載のタービンシユラウド
組立体において、膨脹制御リングが軸線と、所定
位置において脚部から外方に延びる複数個の突出
部とを画成し、かつスペーサリングがその内周部
分に形成された複数個の切欠部を画成し、前記切
欠部の各々が前記突出部の幅に実質的に等しい幅
を有しかつそれぞれの突出部を受け入れるように
配置されたタービンシユラウド組立体。

３ 請求の範囲第１項記載のタービンシユラウド
組立体において、第１マニホルドリング、第２マ
ニホルドリングおよびスペーサリングが複数個の
整列した穴を画成し、かつ前記第１マニホルドリ
ングおよび第２マニホルドリングの各々が一方お
よび他方の実質的に平行な扁平な面を画成し、前
記一方の扁平な面がさらに円周方向のみぞを画成
し、かつ前記一方の扁平な面が、さらに、前記第
１マニホルドリングおよび第２マニホルドリング
の各々の所定数の整列した穴を前記円周方向のみ
ぞに連絡する複数個の切欠領域を画成するタービ
ンシユラウド組立体。

４ 請求の範囲第３項記載のタービンシユラウド
組立体において、マニホルド装置が第１マニホル
ドリングおよび第２マニホルドリングを備え、前
記第１マニホルドリングおよび第２マニホルドリ
ングが膨脹制御リングの脚部の対向した側に配置
されたタービンシユラウド組立体。

５ 請求の範囲第４項記載のタービンシユラウド
組立体において、第１マニホルドリングおよび第
２マニホルドリングが複数個の流体ポートを画成
し、前記ポートが前記膨脹制御リングの脚部の対
向した側に向けられたタービンシユラウド組立
体。

６ 請求の範囲第５項記載のタービンシユラウド
組立体において、ポートの各々がみぞを第１マニ
ホルドリングまたは第２マニホルドリングのそれ
ぞれの内周部分に連絡し、前記ポートが前記ポー
トからの流体を略々膨脹制御リングの脚部と横棒
部分との交差部分に衝突させるために十分な角度
に向けられたタービンシユラウド組立体。

７ 請求の範囲第１項記載のタービンシユラウド
組立体において、該シユラウド組立体が前記膨脹
制御リングの前記円筒形の内面上に円周方向に装
着された複数個のセグメントからなるタービンシ
ユラウド組立体。

技術分野 本発明はタービンエンジン用シユラウド組立体
に関する。特に、本発明はガスタービンエンジン
のシユラウド組立体の冷却に関する。

背景技術 タービンのタービン羽根車を包囲するシユラウ
ドの冷却はやゝ独特の問題を呈している。シユラ
ウドは効率を維持するために羽根に極めて接近し
て取りつけられねばならない。タービン羽根車
は、温度に関係なく、起動時および運転中の両方
において自由に回転しなければならない。タービ
ンエンジンの特徴は、タービン羽根車およびそれ
を包囲するシユラウドが比較的高い温度で作動す
ることである。過去の経験では、シユラウドが通
常タービン羽根車よりも高い温度で作動すること
が判明している。それ故に、もしもこれらの二つ
の要素が同一材料で構成されるとすれば、シユラ
ウドはより早い割合で膨脹しかつ最終的には定常
状態で膨脹したタービン羽根車の外径よりも比較
的大きい内径を得ることになる。この状況におい
て、タービン羽根車に動力を与える高温の流体の
中のある部分はタービン羽根を迂回しかつさらに
タービン羽根の付近に不必要な乱流を惹起するか
もしれない。これらのいずれも燃料消費量を増大
させる。

従つて、タービンシユラウドとタービン羽根車
と羽根との間の膨脹の差を減少させるために冷却
することが望ましい。航空機を推進するために用
いられるタービンエンジンの冷却流体は絶縁され
ていないエンジンケースの上方を流れる大気中の
空気または圧縮機から抽気された空気またはター
ボ送風機エンジンの場合には送風機から抽気した
空気のいずれかから容易に得られる。

ある工業用ガスタービンエンジンでは、送風機
から抽気される空気の大気中の空気が得られな
い。その上、エンジンケースは熱損失を防止する
ために一般的に重厚に熱絶縁されており、従つて
周囲の空気は殆ど役にたたない。工業用ガスター
ビンエンジンの圧縮機段からの圧縮空気の流れ
は、通常、熱交換器に直接に通される。熱交換器
はガスタービン自体の中でのその後の燃焼のため
に流入する空気を温めかつ大気中に放出される前
の排気ガスを冷却する。温度が高過ぎるので、熱
交換器からの圧縮空気を冷却に利用することは実
施不可能である。

他方、種々のガス化タービン部分を冷却するた
めに、圧縮機段から空気を直接に抽気することが
できる。この抽気された空気は一次的には圧縮比
によりまた二次的には高温のエンジンケースから
伝導により決定される比較的に冷い温度を有して
いる。最高のエンジン効率を得るためには、抽気
した空気の使用は制限されるべきである。初期の
工業用ガスタービンエンジンでは、空気はタービ
ン羽根を包囲するシユラウド構造体にランダムな
態様で供給された。その上、初期のシユラウド構
造体に利用された材料は、通常、その強度に対し
て選択された。このようなエンジンでは、冷却用
空気を周囲の高温の構造体から絶縁する試みがな
されておらず、従つて、冷却用空気がシユラウド
構造体に到着する時期までに、可成りの量の冷却
能力が失われていた。最後に、初期のガスタービ
ンの大きい通風室装置は冷却用空気の圧力降下を
惹起し、従つて、高温のガスが通風室に入りさら
に冷却能力をさらに低下させていた。

タービンを通りかつタービン羽根車を超えて円
滑なガスの流れを維持しようと試みた結果、ター
ビンシユラウドを本質的にタービン車室の一体の
部分として構成することになつた。従つて、ター
ビン車室の比較的高い温度がタービンシユラウド
に伝導され、付随的にシユラウドを膨脹させた。
タービンシユラウドの膨脹を抑制しようとする試
みは完全には成功しなかつた。この問題を解決す
るために、冷却用空気を衝突させることにより得
られるタービンシユラウドリングの直径の減少ま
たはシユラウドリングの直径を同一の大きさに維
持する方法はタービンエンジン車室の膨脹により
課せられる機械的な制約により阻害された。

多くの初期のガスタービンエンジンは、工業用
および航空気用の両型式共、シユラウド全体の直
径の内側を実質上維持すると共に各々のセグメン
トを熱膨脹させるために重なり合うセグメントか
らなるシユラウド組立体を使用していた。シユラ
ウド組立体自体が分割されているために、タービ
ン羽根車に対して真円の開口部を設けることが困
難であつた。それ故に、タービンシユラウド組立
体とタービン羽根との間の隙間は真円からの外れ
を修正するために調整しなければならなかつた。
その結果、効率の損失を生じた。

ガスタービンシユラウド組立体膨脹制御の分野
における先行技術の例は1977年５月17日にダブリ
ユー・アール・パターソンに発行された米国特許
第4023919号および第4023731号、1976年11月９日
にピー・ピー・シフオードに発行された米国特許
第3990807号、1976年10月19日にビー・イー・ク
ナツドセンその他に発行された米国特許第
3986720号、1976年８月24日にハリンガーその他
に発行された米国特許第3975901号ならびに1978
年５月２日にケイ・ダブリユー・カーステンセン
その他に発行された米国特許第4086757号であ
る。

発明の開示 本発明は上述したような問題の一つまたはそれ
以上を克服するために意図されたものである。

概括して述べると、本発明は円筒形内面を画成
する膨脹制御リングを備えたタービンシユラウド
組立体である。冷却流体を膨脹制御リング上の予
め選択された位置に向つて指向させるためにマニ
ホルドが設けられている。スペーサリングが膨脹
制御リングをマニホルドに軸線方向に組み合わせ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本明細書に記載したシユラウド組立体
を使用することができるガスタービンエンジンの
一部分の断面図、第２図は第１図に示したシユラ
ウド組立体をさらに詳細に示した断面図、第３図
は膨脹制御リングの構造を例示するために一部分
を取除いて示した、第２図に示したシユラウド組
立体の部分立面図、第４図は膨脹制御リングの一
部分上に配置された状態で示した回転子シユラウ
ドセグメントの一部分の斜視図、第５図はタービ
ンシユラウド組立体をタービンケースに固定する
ボルトの中の１本を示すタービンシユラウド組立
体の断面図である。

発明を実施するための最良の形態 ガスタービンエンジン１０の一部分が第１図に
示されている。ガスタービンエンジン１０はガス
化タービン羽根車１２を含んでおり、タービン羽
根車１２の上には、複数個のタービン羽根１４が
装着されている。タービン羽根車１２はシヤフト
１６に固定されている。シヤフト１６はタービン
ケース１８の中で回転するように装着され、ター
ビン１８には燃焼室２０も固定されている。シヤ
フト１６は圧縮機（図示せず）を回転させる。圧
縮機からある量の冷却用流体、すなわち、空気が
通路２２に抽気されかつ通風室２４に通され、そ
の後複数個のタービンノズル羽根２６の内部に通
される。前述した冷却装置は前記米国特許第
4086757号明細書に記載したとおりである。

タービンノズル２６に通された冷却流体は通気
穴２８を通して環状の室３０の中に送られる。室
３０は熱絶縁材料３２により包囲されている。熱
絶縁材料としてはセラミツク繊維のようなこの技
術に良く知られている任意の材料を使用すること
ができる。室３０には一連のチユーブ３４が連絡
している。チユーブ３４はタービン羽根車１２を
包囲するフランジ３６に固定されている。フラン
ジ３６はタービンケース１８に固定されかつター
ビンシユラウド組立体４０のサポートの一部を形
成している。（第２図および第５図をも参照のこ
と。） チユーブ３４のその他の反対側の端部には薄板
部材３８が固定されており、薄板部材３８は環状
部分を形成している。冷却用流体がノズル羽根ラ
イナー２６からタービンシユラウド組立体に通さ
れるときに冷却用流体の温度上昇を最小限に止め
るために、絶縁材料３３が環状部の中にまたチユ
ーブ３４のまわりに配置されている。

タービンシユラウド組立体４０は第５図に示し
た態様に複数個のボルト部材４２によりフランジ
３６に固定されている。シユラウド組立体４０は
略々Ｔ字形の横断面形状を有する膨脹制御リング
４４からなつている。膨脹制御リング４４は横捧
部分４６を画成している。横棒部分は、また、円
筒形の内面４８を有している。円筒形の内面４８
には複数個の回転子セグメント５０が装着される
ように衝接している。

横棒部分４６から脚部５２が半径方向外方に延
びている。脚部５２の対向した側部には、冷却用
空気を脚部５２および横棒部分４６の交差部分に
通すマニホルドを形成するための装置が配置され
ている。この装置は第１マニホルドリング５４お
よび第２マニホルドリング５６のそれぞれからな
つている。マニホルドリング５４および５６は第
２図に示したようにその外周部分が異なつている
類似の構造に構成されている。第１マニホルドリ
ング５４および第２マニホルドリング５６は、そ
れらの間に介在しかつ膨脹制御リング４４の半径
方向に外方に配置されたスペーサリング６２を有
している。スペーサリング６２は膨脹制御リング
４４の脚部５２よりも僅か大きい幅を有してい
る。スペーサリング６２は膨脹制御リング４４を
マニホルド装置に半径方向に結合している。

さて、第５図とともに第３図を参照すると、マ
ニホルドリング５４およびマニホルドリング５６
には複数個の留め穴６４および６４′がそれぞれ
形成されていることが理解されよう。同様に、ス
ペーサリング６２には複数個の留め穴６５が形成
されている。第５図について前述した複数個のボ
ルト部材４２はこれらの留め穴を通してフランジ
３６およびフランジ６６に通される。フランジ６
６も、また、タービンハウジング１８に固定され
ている。フランジ３６にはその外周部分において
後方に延びかつマニホルドリング５４と重なり合
うリツプ３７が形成されていることに留意すべき
である。マニホルドリング５４にも、また、スペ
ーサリング６２と重なり合う後方に延びるリツプ
５５が形成されている。

スペーサリング６２には、膨脹制御リング４４
の脚部５２の外周部分に形成された突出部７２を
受け入れる複数個の平行な側部を有する切欠部７
０が形成されている。第３図を参照すると、各々
の突出部７２が対応する切欠部７０と組み合わさ
れ、突出部７２と切欠部７０との間に膨脹のため
の余地が与えられることは理解されよう。切欠部
７０の平行な側部および対応する突出部７０がリ
ングの均一な膨脹を必要とするので、膨脹制御リ
ング４４が熱膨脹する間、タービン羽根車１２に
対する膨脹制御リング４４の軸線方向の整列状態
は影響を受けない。それ故に、膨脹制御リング４
４は該リングの同心度に影響を与えないでタービ
ン車室自体から異なる程度に膨脹することができ
る。

各々のマニホルドリング５４および５６には、
他の形状も適宜使用することができるが、第３図
に示したような略々三角形の形状を有する複数個
の切欠領域７４および７４′が形成されている。
各々の切欠領域７４および７４′はその最も広い
部分をマニホルドリング５４の対応するみぞ５８
およびマニホルドリング５６のみぞ５８′に連絡
している。穴７６（第３図参照）が三角形の切欠
領域７４の略々頂点に形成されている。穴７６は
スペーサリング６２に形成された穴７８と連絡し
ている。スペーサリング６２の穴７８は、順次、
第２図に示されているように、第２マニホルドリ
ング５６の対応する穴７６′と連絡している。こ
の第２の穴７６′は、順次、第２マニホルドリン
グ５６の対応する切欠領域７４′に連絡してい
る。複数個のオリフイス、すなわち、ポート８０
がみぞ５８を膨脹制御リング４４に隣接する領域
に連絡している。（第５図参照）特に、第１マニ
ホルドリング５４の各々のポート８０は脚部５２
と横棒部分４６の交差部分の付近における膨脹制
御リング４４の一方の側に向けられている。複数
個の類似のポート８０′がマニホルドリング５６
に形成され、それにより穴７６，７８および７
６′を通して切欠領域７４′に通された冷却流体が
特に脚部５２と横棒部分４６との交差部分の付近
において膨脹制御リング４４の反対側に調節可能
な状態で向けられる。

この点について記載した特定の構造は、この用
途に対して十分に高い温度に耐える強度を有する
とともに比較的低い熱膨脹係数を保持するある特
定の低膨脹合金から形成することができる膨脹制
御リング４４を冷却する。一つの好適な合金はカ
ボツトコーポレーシヨンのステライト部により販
売されている「ハステロイＳ」である。膨脹制御
リング４４と隣接するマニホルドリングとスペー
サの間の比較的に弛い接触により、膨脹制御リン
グ４４を冷却しようとする努力を阻止する隣接の
エンジン部分からの熱伝導に対する比較的高い抵
抗を得ることができる。膨脹制御リング４４とス
ペーサリング６２との間の突出部および切欠部の
連結により、脚部５２と横棒部分４６との交差部
分に冷却用空気を送ることによつて得られる膨脹
制御リング４４の直径の減少を阻止する傾向を有
するこれらの二つの部分の間の機械的な応力が排
除される。

第４図を参照すると、膨脹制御リング４４の一
部分に装着された回転子シユラウドセグメント５
０の斜視図が示されている。各々の回転子シユラ
ウドセグメント５０には、複数個の内方に向いた
タブ８４が形成されている。タブ８４は回転子シ
ユラウドセグメントの外面４９に形成され、膨脹
制御リング４４の横棒部分４６に重なり合う。膨
脹制御リング４４は内方に向くタブ８４を分離す
る距離に実質的に等しい距離に隔置された複数個
の装着切欠部８６を有しており、従つて、タブ８
４を切欠部８６の中に向けその後複数個の回転子
シユラウドセグメント５０を第４図に示した位置
に向つて滑動させることにより、複数個の回転子
シユラウドセグメント５０を膨脹制御リング４４
上に配置することができる。２個の中央タブ８４
の一方にはダボ９０を中に配置するためのソケツ
トの一部を構成する切欠部８８が形成されている
ことに気付かれよう。マニホルドリング５４に
は、対応する穴９４が形成されている。従つて、
第２図からダボ９０が膨脹制御リング４４上の
各々の個々の回転子シユラウドセグメント５０を
円周方向に向けていることが理解されよう。回転
子シユラウドセグメント５０も、また、膨脹制御
リング４４と同一の低膨脹合金から製造すること
ができる。その上、円筒形の内面４８と接触す
る、すなわち、該内面と組み合わされる外面４９
は組み合わされる円筒形の面４８と実質的に同一
の曲率半径を有することが好ましい。

ダボピン９０を中央に配置することにより次に
隣接する回転子シユラウドセグメントの膨脹に影
響を与えることなく各々の個々の回転子シユラウ
ドセグメント５０を膨脹させることができること
が判明した。すなわち、第３図を参照すると、
各々の回転子シユラウドセグメント５０は一端部
における固定点から膨脹するよりも寧ろ膨脹制御
リング４４に対して中心部から外方に膨脹する。

第２図を参照すると、組み合わされるタービン
翼羽根１４に対する回転子シユラウド５０の横断
面が示されている。回転子シユラウドセグメント
５０には長手方向のみぞ９６が形成されているこ
とが理解されよう。長手方向のみぞ９６の中には
この技術において良く知られている態様で摩耗し
うる材料９８が固定されている。この摩耗しうる
材料はタービン羽根１４が回転子シユラウド弓形
部分に接触した場合にタービン羽根１４の先端部
を保護する役目をする。

さて、第３図を参照すると、各々の回転子シユ
ラウドセグメント５０の端部が相互に重なり合う
ように形成されていることが理解されよう。すな
わち、第１端部１００は次の隣接する回転子シユ
ラウドセグメントの第２端部１０２と重なり合つ
ている。

さて、本発明の作用をさらに良く理解するため
に、第１図を参照すると、冷却用空気がタービン
エンジンの圧縮機部分からノズル羽根２６に形成
された通路に供給されることが理解されよう。ノ
ズル２６を冷却した後、冷却用空気は各ノズルの
外方に通気口２８を通つて室３０の中に入り、そ
の後チユーブ３４の中に入る。各々のチユーブ３
４はセラミツク繊維材料のような材料３３により
絶縁されている。この材料はノズル羽根２６から
流れて途中でシユラウド組立体４０を通過する冷
却用空気の熱の上昇を阻止する。空気はチユーブ
３４から複数個の切欠領域７４においてマニホル
ドリング５４に通される。それと同時に、冷却用
空気の一部は切欠領域７４から穴７６，７８およ
び７６′を通つて切欠領域７４′に送られる。切欠
領域７４および７４′中の冷却用空気はポート８
０および８０′を通過して膨脹制御リング４４の
脚部５２と横棒部分４６との交差部分に調節可能
な状態で向けられる。

第２図の太い矢印により理解されるように、冷
却用空気は回転子シユラウドセグメント５０とタ
ービン車室１８との間を外方に流れてタービン羽
根１４の上流側および下流側の位置における高温
ガスの本流の中に入る。この空気の流路はタービ
ンの本流における高温のガスが膨脹制御リングに
到達することを効果的に阻止する点で特に有利で
ある。

回転子シユラウドセグメント５０がタービン車
室の隣接部分に直接に接触しておらず、従つて熱
がタービン車室から回転子シユラウドセグメント
に直接に効果的に伝導されないということに留意
すべきである。各各の回転子シユラウドセグメン
ト５０のタービン車室１８に対する連結は膨脹制
御リング４４を介し、かつ特に脚部５２を介して
なされている。冷却用空気は脚部５２に対して調
節可能に向けられているので、タービン車室１８
から脚部５２を通しての熱の伝導は減少せしめら
れ、一方、脚部および横棒部分自体はそれらに衝
突する空気により冷却される。

以上、本発明を特定の一実施例について記載し
たが、本発明はこの実施例に限定されるものでは
ない。本発明は添付請求の範囲によつてのみ限定
されるものである。