JP2015535565A - タービンシュラウドの取り付け及び封止の構成 - Google Patents

Abstract

中心線の軸を有しているガスタービンエンジンのためのタービンシュラウド装置が、軸方向については前方及び後方の端部の間を延びており、横方向については両端面の間を延びており、前記端面の各々にシールスロットが形成されているアーチ形の本体と、前記本体に取り付けられたアーチ形の静止シール部材とを有しているシュラウドセグメントと；軸方向において前記シュラウドセグメントの後方に配置されたタービンベーンと；前記シュラウドセグメント及び前記タービンベーンを囲むケーシングと；を備え、前記タービンベーンが、前記静止シール部材に当接するように前記ケースに取り付けられ、前記静止シール部材を圧縮して前記シュラウドセグメントを径方向外側へと前記ケーシングに押し付ける。【選択図】図１

Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンのタービンに関し、より詳しくは、そのようなエンジンのタービン部分の封止のための装置に関する。

ガスタービンエンジンは、高圧圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンとを直列な流れの関係にて有しているターボ機械コアを備える。コアは、公知の方式にて動作して主たるガス流を生じさせることができる。ターボジェット又はターボファンエンジンにおいては、コア排気ガスが、推力を生み出すために排気ノズルを通って導かれる。

ターボファンエンジンは、コアの下流の低圧タービンを使用して主たる流れからエネルギーを抽出し、推進の推力を発生させるファンを駆動する。低圧タービンは、燃焼器から出るガスを回転するブレード又はバケットに案内する環状に並べられた不動の翼又はノズルを備える。１列のノズルと１列のブレードとが、集合的に、「段」を構成している。典型的には、２つ以上の段が、直列な流れの関係にて使用される。

これらの構成要素は、高温環境で動作する。ガスの流路の外側の近隣の構成要素（ケーシングなど）を、適切な寿命を保証するために、高温から保護しなければならない。したがって、構成要素間（例えば、タービンロータのシュラウドと隣接するタービンノズルとの間）の流路のガスの漏れは、望ましくない。従来技術の設計は、シュラウドのハニカムの圧縮によって、漏れすき間を最小化しようと試みてきた。これは、或る程度は有効であるが、漏れを完全には防止していない。

したがって、シュラウドと隣接する構成要素との間の漏れを防止するタービンシュラウドの構成について、ニーズが存在する。

欧州特許出願公開第１８９０００８号明細書

このニーズが、漏れを防止するために圧縮されるハニカムシールとスプラインシールとの組み合わせによって取り付けられるタービンシュラウドを提供する本発明によって対処される。

本発明の一態様によれば、中心線の軸を有しているガスタービンエンジンのためのタービンシュラウド装置が、軸方向については前方及び後方の端部の間を延びており、横方向については両端面の間を延びており、前記端面の各々にシールスロットが形成されているアーチ形の本体と、前記本体に取り付けられたアーチ形の静止シール部材とを有しているシュラウドセグメントと；軸方向において前記シュラウドセグメントの後方に配置されたタービンベーンと；前記シュラウドセグメント及び前記タービンベーンを囲むケーシングと；を備え、前記タービンベーンが、前記静止シール部材に当接するように前記ケースに取り付けられ、前記静止シール部材を圧縮して前記シュラウドセグメントを径方向外側へと前記ケーシングに押し付ける。

本発明の別の態様によれば、中心線の軸を有しているガスタービンエンジンのためのタービンシュラウド装置が、環状に並べられ、各々が径方向外側に突き出す環状のシール歯を有している回転可能なタービンブレードと；前記タービンブレードを囲んでおり、環状に並べられた横並びのシュラウドセグメントを備えており、各々のシュラウドセグメントが、軸方向については前方及び後方の端部の間を延び、横方向については両端面の間を延びており、各々の端面にシールスロットが形成されているアーチ形の本体と、前記本体に取り付けられたアーチ形の静止シール部材とを備え、隣り合うシュラウドセグメントの前記端面が互いに当接し、少なくとも１つのスプラインシールが隣り合うシュラウドセグメントの間のすき間をまたぐように前記シールスロットに収容されるシュラウドと；環状に並べられ、軸方向においては前記シュラウドの後方に位置している翼形状のタービンベーンと；前記シュラウドセグメント及び前記タービンベーンを囲むケーシングと；を備え、前記タービンベーンの各々が、前記静止シール部材のうちの１つに当接するように前記ケースに取り付けられ、前記静止シール部材を圧縮して該当のシュラウドセグメントを径方向外側へと前記ケーシングに押し付ける。

本発明の以上の態様及び他の特徴が、添付の図面に関連して理解される以下の説明において説明される。

本発明を、以下の説明を添付の図面と併せて参照することによって、最もよく理解することができる。

本発明に従って構成されたガスタービンエンジンの概略の断面図である。 図１に示したエンジンのタービン部分の一部分の拡大図である。 図２に示したタービンシュラウドセグメントの正面図である。 図２に示したシュラウドセグメントの一部分の側面図である。 ２つの横並びのシュラウドセグメントについて、そこに設置されたスプラインシールを示す一部分の断面図である。

図面を参照すると、種々の図のすべてを通して、同じ構成要素は同一の参照番号によって指し示されており、図１及び図２が、他の構造物のなかでもとりわけ、ファン１２と、低圧圧縮機又は「ブースタ」１４と、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、高圧タービン２０と、低圧タービン２２とを有しているガスタービンエンジン１０の一部分を示している。高圧圧縮機１６は、多くが燃焼を維持するために燃焼器１８へと通過し、一部が燃焼器１８の周囲を通過して、燃焼器のライナ及び更に下流のターボ機械の両方の冷却に使用される圧縮空気をもたらす。燃料が、燃焼器１８の前端に導入され、従来からのやり方で空気と混合される。得られた燃料−空気混合物が燃やされ、高温の燃焼ガスが生み出される。高温の燃焼ガスは、高圧タービン２０に放出され、高圧タービンにおいて膨張し、エネルギーが抽出される。高圧タービン２０は、外側シャフト２４を介して高圧圧縮機１６を駆動する。高圧タービン２０から流出するガスは、低圧タービン２２に排出され、低圧タービン２２において更に膨張し、内側シャフト２６を介してブースタ１４及びファン１２を駆動するためのエネルギーが抽出される。

図示の例において、エンジンは、ターボファンエンジンである。しかしながら、本明細書に記載される原理は、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、並びにその他の乗物又は固定の用途に使用されるタービンエンジンにも、同様に適用可能である。

低圧タービン２２は、エンジン１０の中心線の軸「Ａ」を中心として回転するディスクから外向きに延びている翼形状のタービンブレード２８のアレイを保持するロータを備えている。図２に見られるように、各々のブレード２８の先端３０は、この先端３０から径方向外側に延びている１つ以上の環状のフランジ状のシール歯３２を有している。複数のシュラウドセグメント３４が、環状に配置されてタービンブレード２８をぴったりと囲むことで、ロータを通って流れる高温のガス流のための径方向外側の流路境界を定めている。

各々のシュラウドセグメント３４は、端面３８（図３を参照）の間を延び、前方及び後方の端部４０及び４２を有しているアーチ形の本体３６を備えている。本体３６は、後方から前方に、中心線の軸Ａに対して鋭角で延びる第１の区間４４と、やはり中心線の軸Ａに対して鋭角で延びる第２の区間４６と、第２の区間４６からおおむね径方向内側に延びる第３の区間４８と、第３の区間４８からおおむね軸方向に前方に延びる第４の区間５０とを備えている。第１の区間４４及び第２の区間４６は、浅い「Ｖ」の角度で出会い、Ｖの頂点が径方向外側を向いている。

第２の区間４６の前端は、軸方向に第３の区間４８よりも突き出しており、したがって両者が前方フランジ５２を定めている。更に、ボス５４が、第１及び第２の区間４４及び４６の交点に隣接して配置され、径方向外向きに形成された溝５６を備えている。

端面３８において、区間４４、４６、４８、及び５０の各々は、従来からのスプラインシール５９（図５に見て取ることができる）を受け入れるように寸法及び形状付けられたスロット５８を備えている。スプラインシールは、スロット５８に挿入される金属又は他の適切な材料の薄片の形態をとる。スプラインシールは、シュラウドセグメント３４の間のすき間をまたぐ。

静止シール部材６０が、本体３６の径方向内側の面に取り付けられている。シール部材６０は、シール歯３２と協働して非接触の回転シールを形成する目的を果たす。シール部材６０は、稼働時のシール歯３２との接触の事象（「擦れ」として知られる事象）において犠牲となるように構成されている。非金属の摩耗可能材料及びハニカム構造など、さまざまな種類の犠牲材料が存在する。

図示の例において、シール部材６０は、径方向に延びる複数のセルを横並びにて備えている公知の種類の金属製のハニカム構造を備えている。シール部材６０は、本体３６の内面に一致する後面を有している。更に、流路面６２も備えている。流路面６２は、階段状の外形を定める複数の円柱形部分を備えており、各々の「段」の表面が、隣接するシール歯３２に対して所望のすき間をもたらすように選択されている。本体３６の後端において、シール部材６０は、更に詳しく後述されるように、わずかな締まりばめ（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ）を生み出すように、本体３６の第１の区間４４よりも径方向内側に延びている。突出の高さ「Ｈ」が、説明の目的で大いに誇張されて図４に示されている。

再び図２を参照すると、ノズルがロータの下流に位置し、周方向に間隔を開けつつ並べられた複数の翼形状のベーン６４を備えており、各々のベーン６４は、アーチ形の先端シュラウド６６を終端としている。アーチ形の前方及び後方フック６８及び７０が、先端シュラウド６６から外方向に延びている。前方フック６８は、軸方向前方かつ径方向外側に延びており、その遠位端に軸方向前方に延びるフランジ７２を備えている。

環状のケーシング７４が、シュラウドセグメント３４及びベーン６４を囲んでいる。ケーシング７４は、軸方向後方を向いた環状の取り付けスロット７６を備え、Ｌ字形の断面形状を有する環状の取り付けフック７８を更に備えている。シュラウドセグメント３４の前方フランジ５２が、取り付けスロット７６に収容される。ボス５４の溝５６が、取り付けフック７８を受け入れる。

ベーン６４の前方フック６８が、取り付けフック７８によって定められたスロットに収容される。組み立てられたとき、ベーン６４の先端シュラウド６６は、シュラウドセグメント３４へと径方向外側に押し付けられる。

取り付けフック７８と先端シュラウド６６との間の径方向の距離は、先端シュラウド６６が静止シール部材６０とのわずかな締まりばめを生じるように選択される。シール部材６０は、この締まりばめに対応して圧縮され、空気の漏れに対して確実な封止を生み出し、シュラウドセグメント３４を取り付けフック７８に対して堅固に保持する。

シュラウドセグメント３４の第１の区間４４におけるスプラインシールと先端シュラウド６６の締まりばめとの足し合わせは、シュラウドセグメント３４の裏側を通ってノズルの前方区間の前方の空洞へと至る漏れの面積をきわめて小さくすることを可能にする。更に、流路からケース取り付けフック７８への視線の漏れも、軽減又は解消される。本明細書に記載の通りの構成は、気体の経路の空気が先端シュラウド６６の前方区間を越えてシュラウドセグメント３４とノズルとの間の空洞へと漏れることを防止する。この空洞を高温ガスの経路の温度から封止することで、取り付けフック７８が保護される。

この構成の技術的な利点は、すき間を通る漏れの低減及び空洞内の空気の温度の低減である。すき間を通る漏れ及び空気の温度の低減は、より良好な性能を可能にする。或いは、空洞内の空気の温度の低減は、ケースのフックを温度の上昇から保護し、割れを防止するうえで役に立つ。

以上、ガスタービンエンジン用のタービンシュラウドの封止の構成について説明した。本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明の技術的思想及び技術的範囲から離れることなく、それらについて種々の変更が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、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態様についての以上の説明は、あくまでも例示の目的で提示されているにすぎず、限定の目的で提示されているのではなく、本発明は特許請求の範囲によって定められる。

１０ ガスタービンエンジン、エンジン
１２ ファン
１４ ブースタ
１６ 高圧圧縮機
１８ 燃焼器
２０ 高圧タービン
２２ 低圧タービン
２４ 外側シャフト
２６ 内側シャフト
２８ タービンブレード
３０ 先端
３２ シール歯
３４ シュラウドセグメント
３６ 本体
３８ 端面
４０ 前方の端部
４２ 後方の端部
４４ 第１の区間
４６ 第２の区間
４８ 第３の区間
５０ 第４の区間
５２ 前方フランジ
５４ ボス
５６ 溝
５８ スロット
５９ スプラインシール
６０ 静止シール部材、シール部材
６２ 流路面
６４ ベーン
６６ 先端シュラウド
６８ 前方フック
７０ 後方フック
７２ フランジ
７４ ケーシング
７６ 取り付けスロット
７８ ケース取り付けフック、取り付けフック
Ａ 中心線の軸

Claims (18)

1. 中心線の軸（Ａ）を有しているガスタービンエンジン（１０）のためのタービンシュラウド装置であって、
   軸方向については前方及び後方の端部（４０、４２）の間を延びており、横方向については両端面（３８）の間を延びており、前記端面（３８）の各々にシールスロット（５８）が形成されているアーチ形の本体（３６）と、前記本体（３６）に取り付けられたアーチ形の静止シール部材（６０）とを備えているシュラウドセグメント（３４）と、
   軸方向において前記シュラウドセグメント（３４）の後方に配置されたタービンベーン（６４）と、
   前記シュラウドセグメント（３４）及び前記タービンベーン（６４）を囲むケーシング（７４）と
   を備えており、
   前記タービンベーン（６４）は、前記静止シール部材（６０）に当接するように前記ケースに取り付けられ、前記静止シール部材（６０）を圧縮して前記シュラウドセグメント（３４）を径方向外側へと前記ケーシング（７４）に押し付けている装置。
2. 前記シール部材（６０）は、前記タービンベーン（６４）が前記シュラウドセグメント（３４）の前記本体（３６）に接触することがないように構成されている請求項１に記載の装置。
3. 前記本体（３６）は、Ｖ字形に配置された第１及び第２の区間（４４、４６）を含む形状を有している請求項１に記載の装置。
4. ボス（５４）が、前記第１及び第２の区間（４４、４６）の交点に配置され、径方向外向きに形成された溝（５６）を備えている請求項３に記載の装置。
5. 前記ケーシング（７４）は、環状の取り付けフック（７８）を備え、
   前記取り付けフック（７８）は、前記ボス（５４）の前記溝（５６）に収容される請求項４に記載の装置。
6. 前記第２の区間（４６）の前端が、軸方向において第３の区間（４８）よりも突き出し、前方フランジ（５２）を定めている請求項３に記載の装置。
7. 前記ケーシング（７４）は、環状の取り付けスロット（７６）を備えており、
   前記シュラウドセグメント（３４）の前記フランジ（５２）が、前記取り付けスロット（７６）に受け入れられる請求項６に記載の装置。
8. 前記タービンベーン（６４）は、前方フック（６８）を径方向外側に延ばして有している先端シュラウド（６６）を備えており、
   前記前方フック（６８）は、前記ケーシング（７４）の前記取り付けフック（７８）によって定められたスロットに収容される請求項１に記載の装置。
9. 前記静止シール部材（６０）は、金属製のハニカム構造を備える請求項１に記載の装置。
10. 中心線の軸（Ａ）を有しているガスタービンエンジン（１０）のためのタービンシュラウド装置であって、
    環状に並べられ、各々が径方向外側に突き出す環状のシール歯（３２）を有している回転可能なタービンブレード（２８）と、
    前記タービンブレード（２８）を囲むシュラウドであって、環状に並べられた横並びのシュラウドセグメント（３４）を備えており、各々のシュラウドセグメント（３４）が、
    軸方向については前方及び後方の端部（４０、４２）の間を延び、横方向については両端面（３８）の間を延びており、各々の端面（３８）にシールスロット（５８）が形成されているアーチ形の本体（３６）と、
    前記本体（３６）に取り付けられたアーチ形の静止シール部材（６０）と
    を備え、
    隣り合うシュラウドセグメント（３４）の前記端面（３８）が互いに当接し、少なくとも１つのスプラインシール（５９）が隣り合うシュラウドセグメント（３４）の間のすき間をまたぐように前記シールスロット（５８）に収容されるシュラウドと、
    環状に並べられ、軸方向においては前記シュラウドの後方に位置している翼形状のタービンベーン（６４）と、
    前記シュラウドセグメント（３４）及び前記タービンベーン（６４）を囲むケーシング（７４）と
    を備えており、
    前記タービンベーン（６４）の各々が、前記静止シール部材（６０）のうちの１つに当接するように前記ケースに取り付けられ、前記シール部材（６０）を圧縮して該当のシュラウドセグメント（３４）を径方向外側へと前記ケーシング（７４）に押し付ける装置。
11. 各々のシール部材（６０）は、前記タービンベーン（６４）が前記対応するシュラウドセグメント（３４）の前記本体（３６）に接触することがないように構成されている請求項１０に記載の装置。
12. 各々のシュラウドセグメント（３４）の前記本体（３６）は、Ｖ字形に配置された第１及び第２の区間（４４、４６）を含む形状を有している請求項１０に記載の装置。
13. ボス（５４）が、前記第１及び第２の区間（４４、４６）の交点に配置され、径方向外向きに形成された溝（５６）を備えている請求項１２に記載の装置。
14. 前記ケーシング（７４）は、環状の取り付けフック（７８）を備え、
    前記取り付けフック（７８）は、前記ボス（５４）の前記溝（５６）に収容される請求項１３に記載の装置。
15. 前記第２の区間（４６）の前端が、軸方向において第３の区間（４８）よりも突き出し、前方フランジ（５２）を定めている請求項１２に記載の装置。
16. 前記ケーシング（７４）は、環状の取り付けスロット（７６）を備えており、
    各々のシュラウドセグメント（３４）の前記フランジ（５２）が、前記取り付けスロット（７６）に受け入れられる請求項１５に記載の装置。
17. 各々のタービンベーン（６４）は、前方フック（６８）を径方向外側に延ばして有している先端シュラウド（６６）を備えており、
    前記前方フック（６８）は、前記ケーシング（７４）の前記取り付けフック（７８）によって定められたスロットに収容される請求項１０に記載の装置。
18. 各々の静止シール部材（６０）は、金属製のハニカム構造を備える請求項１０に記載の装置。