JP2007046602A - 熱整合型タービンシュラウド取付け組立体 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温作動状態においてその低温組立状態におけるよりも実質的に高い温度を有するガスタービンエンジン用のシュラウド組立体(33)を提供する。
【解決手段】本シュラウド組立体(33)は、弓形の軸方向に延びる取付けフランジ(54)を有し、回転タービンブレード(24)の列を囲むようになった少なくとも1つの弓形シュラウドセグメント(32)と、取付けフランジ(54)とかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びるフック(44)を有するシュラウドハンガと、フック(44)及び取付けフランジ(54)に重なった内側(58)及び外側アーム(60)を有する弓形C−クリップ(56)とを含む。取付けフランジ(54)とC−クリップ(56)の内側アーム(58)との曲率は、それらの間に整合接合面を形成するように選択される。それらの曲率は、フック(44)の曲率よりも実質的に大きい。
【選択図】 図2

Description

本発明は、総括的にはガスタービン構成部品に関し、より具体的には、タービンシュラウド及び関連するハードウェアに関する。
ガスにより効果的にエネルギーを発生させかつこれらガスからエネルギーを抽出するためには、ガスタービンエンジンを高温で作動させることが望ましい。例えば固定シュラウドセグメント及びその支持構造体のようなガスタービンエンジンの一部の構成部品は、燃焼ガスの加熱ストリームに曝される。シュラウドは、主ガス流温度に耐えるように構成されるが、その支持構造体はそのように構成されておらず、そのような温度から保護されなければならない。そのようにするために、二次流路と一次流路との間に正圧差が維持される。これは、逆流マージンすなわち「BFM」と呼ばれる。正のBFMは、あらゆる漏洩流が非流路領域から流路に移動し、他の方向には移動しないようになることを保証する。
従来技術のタービン設計では、上述のシュラウド、リテーナ(「C−クリップ」と呼ばれる)及び支持部材のような様々な弓形形状部は、低温(すなわち、室温)組立状態下でその接合面において整合円周方向湾曲面を有するように設計される。高温エンジン作動状態の間に、シュラウド及びハンガは、それら自身の温度応答性に従って昇温しかつ膨張する。シュラウド温度はハンガ温度よりもはるかに高温であり、またシュラウドセグメントはハンガセグメント又はリングよりも小さいこともあるので、シュラウドセグメントの湾曲面(曲率)は、定常状態の高温作動状態下で接合面におけるハンガ湾曲面(曲率)よりも多く膨張しかつハンガ湾曲面(曲率)とは異なるように膨張する。エンジンが作動状態にある時、C−クリップ(組立て時の室温において通常は予荷重をかけた締まり嵌めの状態で適用される)が膨張して、かみ合いハードウェアにおける熱変形を可能にする。熱変形が増加するにつれて、C−クリップ及びかみ合いハードウェア内に応力が誘起される。温度勾配が大きくなればなるほど、応力が大きくなり、また部品損傷及び割れ発生の危険性が高くなればなるほど、C−クリップの作動寿命が低下する。熱変形はまた、シュラウド組立体内にギャップを生じさせ、このギャップが望ましくない漏洩を増加させてBFMを低下させるおそれがある。
米国特許第6,354,795号公報
従って、高温作動状態におけるC−クリップの曲率偏位の影響を減少させて、C−クリップ、シュラウド及びハンガの耐久性への悪影響を最小にすることができる組立体に対する必要性が存在する。
上述の必要性は本発明によって満たされ、本発明は、1つの態様によると、高温作動状態においてその低温組立状態におけるよりも実質的に高い温度を有するガスタービンエンジン用シュラウド組立体を提供する。本シュラウド組立体は、弓形の軸方向に延びる取付けフランジを有し、回転タービンブレードの列を囲むようになった少なくとも1つの弓形シュラウドセグメントと、取付けフランジとかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びるフックを有するシュラウドハンガと、フック及び取付けフランジに重なった内側及び外側アームを有する弓形C−クリップとを含む。取付けフランジとC−クリップの内側アームとの曲率は、それらの間に整合接合面を形成するように選択され、この曲率は、フックの曲率よりも実質的に大きい。
本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジン用シュラウド組立体は、周囲温度における第1の低温曲率と該周囲温度よりも実質的に高い作動温度における第1の高温曲率とを有する弓形の軸方向に延びるフックを有するシュラウドハンガと、周囲温度における第2の低温曲率と作動温度における第2の高温曲率とを有しかつフックとかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びる取付けフランジを有し、回転タービンブレードの列を囲むようになった少なくとも1つの弓形シュラウドセグメントと、フック及び取付けフランジに重なった内側及び外側アームを有し、該内側アームが周囲温度における第3の低温曲率と作動温度における第3の高温曲率とを有する弓形C−クリップとを含む。第2及び第3の低温曲率は、第1及び第2の高温曲率がそれらの間に整合接合面を形成するように選択される。
本発明は、添付図面の図と関連させて以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
様々な図全体を通して同一の参照符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図1は、ガスタービンエンジンの高圧タービン(HPT)10の一部分を示す。HPT10は、エンジンケーシング12内に配置された幾つかのタービン段を含む。図1に示すように、HPT10は2つの段を有するが、異なる数の段も可能である。第1タービン段は、エンジンの中心軸線「C」の周りで回転する第1段ディスク18から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された第1段ブレード16を備えた第1段ロータ14と、第1段ロータ14内に燃焼ガスを導くための固定第1段タービンノズル20とを含む。第2タービン段は、エンジンの中心軸線の周りで回転する第2段ディスク26から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された第2段ブレード24を備えた第2段ロータ22と、第2段ロータ22内に燃焼ガスを導くための固定第2段タービンノズル28とを含む。複数の弓形第1段シュラウドセグメント30は、第1段ブレード16を近接して囲むように環状アレイの形態で円周方向に配置され、それによって第1段ロータ14を通って流れる高温燃焼ガスの半径方向外側流路境界面を形成する。
複数の弓形第2段シュラウドセグメント32は、第2段ブレード24を近接して囲むように環状アレイの形態で円周方向に配置され、それによって第2段ロータ22を通って流れる高温燃焼ガスの半径方向外側流路境界面を形成する。シュラウドセグメント32及びその支持ハードウェアは、本明細書では「シュラウド組立体」33と呼ぶ。本発明はHPTの第2段に関して説明するが、この原理はタービンの他の部分にも同様に適用可能である。
図2は、従来技術のシュラウド組立体33をより詳細に示す。「シュラウドハンガ」34と呼ばれる支持構造体が、エンジンケーシング12(図1参照)に取付けられ、ケーシング12に対して第2段シュラウドセグメント32を保持する。シュラウドハンガ34は、ほぼ弓形であり、それぞれ間隔を置いて配置された前方及び後方の半径方向に延びるアーム38及び40を有し、これらアーム38及び40は、長手方向部材41によって結合される。シュラウドハンガ34は、単一の連続した360°構成部品とすることができ、或いはシュラウドハンガ34は、2つ又はそれ以上の弓形セグメントに分割することができる。弓形前方フック42は、前方アーム38から軸方向後方に延び、また弓形後方フック44は、後方アーム40から軸方向後方に延びる。
各シュラウドセグメント32は、それぞれ半径方向外向きに延びる前方及び後方レール48及び50を有する弓形基部46を含む。前方取付けフランジ52は、各シュラウドセグメント32の前方レール48から前向きに延び、また後方取付けフランジ54は、各シュラウドセグメント32の後方レール50から後向きに延びる。シュラウドセグメント32は、ガスタービンエンジンの高い作動温度において許容強度を有するニッケル基超合金のような適当な超合金の一体形ケーシングとして形成することができる。前方取付けフランジ52は、シュラウドハンガ34の前方フック42に係合する。各シュラウドセグメント32の後方取付けフランジ54は、シュラウドハンガ34の後方フック44と並置され、かつ一般的に「C−クリップ」56と呼ばれる複数の保持部材によって所定の位置に保持される。
C−クリップ56は、その各々がそれぞれ内側及び外側アーム58及び60を備えたC字形断面を有する弓形部材であり、内側及び外側アーム58及び60は、シュラウドセグメント32の後方端部をシュラウドハンガ34に対して所定の位置に固定するように後方取付けフランジ54及び後方フック44とぴったり重なる。内側及び外側アームは、弓形の半径方向に延びるフランジ57によって結合される。C−クリップ56は単一の連続したリングとして形成することができるが、一般的には熱膨張に適応するようにセグメント化される。一般的に、1つのC−クリップ56は、少なくとも1つのシュラウドセグメントを固定する。
図3は、シュラウドセグメント32の後方部分の拡大図であり、様々な構成部品の半径を示す。「R1」は、C−クリップ56の内側アーム58の外側半径である。「R2」は、シュラウドセグメント32の後方取付けフランジ54の内側半径であり、また「R3」はその外側半径である。「R4」は、シュラウドハンガ34の後方フック44の内側半径であり、また「R5」はその外側半径である。最後に、「R6」は、C−クリップ56の外側アーム60の内側半径である。これらの半径は、様々な構成部品間の接合面62、64及び66を定める。例えば、C−クリップ下部アーム58の半径「R1」及び後方取付けフランジ54の「R2」は、接合面62において当接する。
図4Aは、低温(すなわち、室温)組立状態におけるこれら接合面62、64及び66の湾曲面(曲率)の円周方向関係を示す。曲率は、この状態における予め選択した寸法関係を生じるように設計される。本明細書で用いる場合の「予め選択した寸法関係」という用語は、構成部品間の特定の意図した関係が、接合面において、その関係が指定した半径方向ギャップであるか、構成部品間のギャップが名目上ゼロである「整合接合面」であるか、又は指定した量の半径方向干渉であるか否かに多かれ少なかれ一貫して当てはまることを意味する。例えば、図4Aでは、接合面62及び66の円周周りの各点で予め選択した量の半径方向干渉が存在して、公知の工学原理によって後方取付けフランジ54及び後方フック44に所定の締め付け力を与えるようになる。接合面64は、半径R3が半径R4に等しいという点で「整合接合面」である。「曲率」という用語は、直線からの偏位を意味するように用いており、また曲率の大きさは、その構成部品又は形状部の円半径に反比例することに注目されたい。
図4Bは、低温組立状態から高温エンジン作動状態への接合面62、64及び66の変化を示す。例えば約538℃(1000°F)から約982℃(1800°F)のバルク材料温度のような作動温度において、シュラウドセグメント32、シュラウドハンガ34及びC−クリップ56の全ては、それら自身の温度応答性に従って昇温しかつ膨張することになる。シュラウド温度はハンガ温度よりもはるかに高温であるので、シュラウドセグメント32の曲率は、定常状態の高温作動状態下で接合面64におけるハンガの曲率よりも多く膨張しかつハンガの曲率とは異なるように膨張する。加えて、シュラウドセグメント32内にはシュラウドハンガ34におけるよりも大きな温度勾配がある。
その結果、シュラウドセグメント32及びその後方取付けフランジ54は、C−クリップ56又は後方フック44のいずれかよりもはるかに大きな程度で膨張し、その半径を扁平な形状に増大させる傾向(「コーディング」と呼ばれる現象)になる。このことにより、それぞれ接合面62及び64にギャップ「G1」及び「G2」が形成される。ギャップG1は、C−クリップ56を強制的に開かせ、組立体内に応力を誘起する。これらの応力は部品寿命を制限し、損傷の危険性を増大させる。ギャップG2は、シュラウドセグメントを通り抜ける望ましくない漏洩を許すおそれがある。
図5は、本発明によって構成したシュラウド組立体133を示す。シュラウド組立体133は、ほとんどの態様において従来技術のシュラウド組立体33と実質的に同一であり、長手方向部材141によってそれぞれ結合された間隔を置いて配置された前方及び後方の半径方向に延びるアーム138及び140と弓形の前方及び後方フック142及び144とを備えた「シュラウドハンガ」134を含む。シュラウドセグメント132は、それぞれ前方及び後方取付けフランジ152及び154を有する前方及び後方レール148及び150を備えた弓形基部146を含む。前方取付けフランジ152は、シュラウドハンガ134の前方フック142に係合する。後方取付けフランジ154は、後方フック144に係合する。シュラウドセグメント132は、その各々がフランジ157によって一体に結合されたそれぞれ内側及び外側アーム158及び160を有する複数の「C−クリップ」156によって所定の位置に保持される。
シュラウド組立体133は主として、接合面162及び164に影響を与えるシュラウドセグメント132及びC−クリップ156の特定の寸法の選択においてシュラウド組立体33と異なる。図6Aは、これら接合面の低温(すなわち、周囲環境温度)組立状態における曲率の関係を示し、この曲率の関係はまた、それらの「低温曲率」とも呼ぶ。接合面の「高温」曲率は、予測される高温エンジン作動状態において予め選択した寸法関係を達成するように選択されることになり、このことは、接合面の高温曲率が、各構成部品の熱膨張差に基づいて低温組立状態において意図的に「不整合」又は「補正」されることを意味する。具体的には、C−クリップ156の内側アーム158と後方取付けフランジ154との曲率は、シュラウド後方フック144の内側面の曲率よりも実質的に大きく作られて、低温状態において接合面164にギャップ「G3」が形成される。接合面162は、後方取付けフランジ154及び後方フック144上に締め付け荷重を生成するように予め選択した量の半径方向干渉を含む。
例えば約538℃(1000°F)から約982℃(1800°F)のバルク材料温度のような作動温度において、シュラウドセグメント132及びその後方取付けフランジ154は、図6Bに示すようにシュラウドハンガ後方フック144又はC−クリップ156の内側及び外側アーム158及び160よりも高温になりかつより多く膨張する。低温組立状態においてギャップ「G3」を設けることによって、後方取付けフランジ154が、それが昇温するにつれてC−クリップ156の内側アーム158上に過度の応力を加えることなく扁平になり、かつ後方フック144との間により良好なシールを形成して高温作動状態における漏洩流を低減することが可能になる。接合面164は整合するので、作動状態において曲げ応力を誘起する危険性もまた減少又は排除される。
この構成を用いると、C−クリップ156は、高温及び低温の両方において後方取付けフランジ154との接触を維持する。半径方向干渉、従って締め付け荷重の程度は、高温作動温度において維持される。このことは、接合面162をシールすることによって地上アイドル時のような低温サイクル状態での漏洩を制限するという付加的な利点をもたらす。このことによりまた、C−クリップ内側アーム158の曲率半径が図6Aに示すように低温状態におけるシュラウド後方取付けフランジ154の曲率半径に等いか又はそれよりも小さいので、低温組立曲げ応力も回避される。
所望の補正量を計算するために、シュラウド組立体133の高温挙動をモデル化する適当な手段を使用して、構成部品が高温作動状態に加熱された時のそれらの寸法変化をシミュレートする。その時、構成部品の低温寸法は、高温作動状態において適当な「積み重ね」又は寸法的相互関係が得られるように設定される。
補正量は、特定の用途に応じて変化する。温度膨張の影響を完全に排除するためには、選択した構成部品の半径における2又は3インチのオーダの変化が必要となる可能性がある。これによって、理論的には接合面164を高温作動状態において整合させることが可能になる。図6Bに示したものが、その結果である。
実際の実施では、所望の程度の高温作動状態における予め選択した寸法関係を得ることと、シュラウド組立体133における様々な構成部品の基本的適合性との間でバランスをとらなければならない。構成部品応力はまた、低温組立状態における許容限界値内に保たれなければならない。例示した実施例では、後方取付けフランジ154の外側半径は、従来技術の後方取付けフランジ54の対応する寸法よりも約0.76mm(0.030インチ)から約1.3mm(0.050インチ)小さく、またC−クリップ156の内側アーム158の曲率は、同様の量だけ変更される。
また、構成部品の1つ又はそれ以上の厚さを変化させることによって所望の寸法関係を達成し、それによってそれら構成部品の有効曲率を変更することも可能である。例えば、図7Aは、それぞれ内側及び外側アーム158’及び160’を有する別のC−クリップ156’を用いる組立体を示す。内側アーム158’の内側半径は、従来技術のC−クリップ56の内側半径と同一であるが、内側アーム158’の外側半径(図2の半径R1に対応する)は、従来技術のC−クリップ56の外側半径よりも実質的に小さく、低温組立において接合面164にギャップ「G4」を生じる。これらの異なる曲面を形成するためには、内側アーム158’の厚さは中央部で最大であり、その遠位端に近づくと先細になる。この内側アーム158’の構成は、低温組立における過剰な応力を引き起こさずに上述の取付けフランジ154の曲率増大に適応する。構成部品の異なる部分を異なる半径に機械加工する同じ方法は、シュラウド取付けフランジ154にも使用することができる。
作動温度において、後方取付けフランジ154は、上述のようにそれが昇温するにつれて扁平になる。低温組立状態においてギャップ「G4」を設けることによって、後方取付けフランジ154が、図7Bに示すようにC−クリップ156’の内側アーム158’上に過度の応力を加えることなくこの方向に移動することが可能になる。
上述の構成は、C−クリップ156又は156’及びシュラウド取付けフランジ154の両方の曲げ応力を実質的に減少又は排除することができる。この構成はまた、温度によるシュラウドレール又はC−クリップ応力に対する影響が最小又は全くないので、シュラウドセグメント132においてより高温の作動状態及びより大きな温度勾配を可能にする。この構成は、C−クリップ156の塑性変形の必要性を排除し、また別の材料を可能にすることができる。
以上、ガスタービンエンジン用のC−クリップ及びシュラウド組立体を説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、上記では本発明は第2段シュラウド組立体に関して詳細に説明したが、同様の構造はタービンの他の部分に組み込むことができる。従って、本発明の好ましい実施形態の上記の説明及び本発明を実施するための最良の形態は、単に例示の目的のためみに示したものであって、限定の目的として示したものではなく、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
本発明のシュラウド組立体を組み込んだ例示的な高圧タービンセクションの断面図。 図1のタービンセクションの一部分の拡大図。 図2の一部分の拡大断面図。 図2の線4−4に沿って取った、低温組立状態における部分断面図。 図2の線4−4に沿って取った、高温作動状態における部分断面図。 本発明によって構成したシュラウド組立体の断面図。 図5の線6−6に沿って取った、低温組立状態における部分断面図。 図5の線6−6に沿って取った、高温作動状態における部分断面図。 図5の線6−6に沿って取った、別のシュラウド組立体を示す低温組立状態における部分断面図。 図5の線6−6に沿って取った、別のシュラウド組立体を示す高温作動状態における部分断面図。
符号の説明
10 高圧タービン(HPT)
12 エンジンケーシング
14 第1段ロータ
16 第1段ブレード
18 第1段ディスク
20 タービンノズル
22 第2段ロータ
24 第2段ブレード
26 第2段ディスク
28 第2段ノズル
30 第1段シュラウドセグメント
32 第2段シュラウドセグメント
33 シュラウド組立体
34 シュラウドハンガ
38 前方の半径方向に延びるアーム
40 後方の半径方向に延びるアーム
41 長手方向部材
42 弓形前方フック
44 弓形後方フック
46 弓形基部
48 前方レール
50 後方レール
52 前方取付けフランジ
54 後方取付けフランジ
56 C−クリップ
57 フランジ
58 内側アーム
60 外側アーム
62 接合面
64 接合面
66 接合面
R1 外側半径
R2 内側半径
R3 外側半径
R4 内側半径
R5 外側半径
R6 内側半径
G1 ギャップ
G2 ギャップ
G3 ギャップ
G4 ギャップ
132 シュラウドセグメント
133 シュラウド組立体
134 シュラウドハンガ
138 前方の半径方向に延びるアーム
140 後方の半径方向に延びるアーム
141 長手方向部材
142 弓形前方フック
144 弓形後方フック
146 弓形基部
148 前方レール
150 後方レール
152 前方取付けフランジ
154 後方取付けフランジ
156 C−クリップ
157 フランジ
158 内側アーム
160 外側アーム
162 接合面
164 接合面

Claims (10)

  1. 高温作動状態においてその低温組立状態におけるよりも実質的に高い温度を有するガスタービンエンジン用シュラウド組立体(33)であって、
    弓形の軸方向に延びる取付けフランジ(54)を有し、回転タービンブレードの列を囲むようになった少なくとも1つの弓形シュラウドセグメント(32)と、
    前記取付けフランジ(54)とかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びるフック(44)を有するシュラウドハンガと、
    前記フック(44)及び取付けフランジ(54)に重なった内側及び外側アーム(58、60)を有する弓形C−クリップ(56)と、を含み、
    前記取付けフランジ(52、54)と前記C−クリップ(56)の内側アーム(58)との曲率が、それらの間に整合接合面を形成するように選択され、
    前記曲率が、前記フック(44)の曲率よりも実質的に大きい、
    シュラウド組立体(33)。
  2. 前記取付けフランジ(54)及びC−クリップ(56)が、前記高温作動状態において熱膨張を受け、前記取付けフランジ(54)及びフック(44)が、前記高温作動状態においてそれらの間に整合接合面を形成する、請求項1記載のシュラウド組立体(33)。
  3. 前記C−クリップ(56)の内側アーム(58)の厚さが、その中央部で最大値になっておりかつその遠位端で最小値になっている、請求項1記載のシュラウド組立体(33)。
  4. 周囲温度における第1の低温曲率と前記周囲温度よりも実質的に高い作動温度における第1の高温曲率とを有する弓形の軸方向に延びるフック(44)を有するシュラウドハンガ(34)と、
    前記周囲温度における第2の低温曲率と前記作動温度における第2の高温曲率とを有しかつ前記フック(44)とかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びる取付けフランジ(54)を有し、回転タービンブレードの列を囲むようになった少なくとも1つの弓形シュラウドセグメント(32)と、
    前記フック(44)及び取付けフランジ(54)に重なった内側(58)及び外側アーム(60)を有し、前記内側アーム(58)が前記周囲温度における第3の低温曲率と前記作動温度における第3の高温曲率とを有する弓形C−クリップ(56)と、を含み、
    前記第2及び第3の低温曲率が、前記第1及び第2の高温曲率がそれらの間に整合接合面を形成するように選択される、
    ガスタービンエンジン用シュラウド組立体(33)。
  5. 前記第2及び第3の低温曲率が、前記第1の低温曲率よりも実質的に大きい、請求項4記載のシュラウド組立体(33)。
  6. 前記第1及び第2の高温曲率が、それらの間に整合接合面を形成し、前記第3の高温曲率が、前記第2の高温曲率よりも実質的に大きい、請求項5記載のシュラウド組立体(33)。
  7. 前記C−クリップ(56)の内側アーム(58)の第3の低温曲率が、該C−クリップ(56)の外側アーム(60)の低温曲率よりも実質的に大きい、請求項4記載のシュラウド組立体(33)。
  8. 前記第2及び第3の高温曲率が、前記高温作動状態においてそれらの間にギャップを形成する、請求項7記載のシュラウド組立体(33)。
  9. 前記第1及び第2の低温曲率が、前記低温組立状態においてそれらの間にギャップを形成する、請求項4記載のシュラウド組立体(33)。
  10. 前記C−クリップ(56)の内側アーム(58)の厚さが、その中央で最大値になっておりかつその遠位端で最小値になっている、請求項4記載のシュラウド組立体(33)。
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