JP2017529480A - ガスタービンエンジン内で使用可能なステータベーンシステム - Google Patents

ガスタービンエンジン内で使用可能なステータベーンシステム Download PDF

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Abstract

ガスタービンエンジン(12)用のステータアッセンブリ(10)であって、それぞれ全体として細長い翼(34)から成る複数のステータベーン(20)を備え、翼(34)は、前縁(36)と、後縁(38)と、正圧側(40)と、負圧側(42)と、第1の端部(44)に連結された内側端壁(14)と、第1の端部(44)とは反対側の第2の端部(46)に連結された外側端壁(16)と、を有し、ステータベーン(20)の一部の各外側端壁(16)に連結された第1の半径方向外側のタイバー(22)を備え、隣接する内側端壁(14)を互いに連結するために隣接する内側端壁(14)の間に延在する少なくとも1つの内側アライメントピン(48)を備え、内側端壁(14)に取り付けられた少なくとも1つの前方の内側シールリング(50)を備え、前方の内側シールリング(50)の少なくとも1つの半径方向内側面(54)に連結された少なくとも1つの変形可能なシール(52)を備え、少なくとも1つの変形可能なシール(52)は、上流に面した接触面(110)と半径方向内側に面した接触面(112)とを有している。

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジン内のステータベーン翼に関し、特にステータベーン翼用の支持システムに関する。
タービンエンジンは、通常、シェルから半径方向内方へ延在する固定の圧縮機ステータベーンの複数の列と、ロータを回転させるためのロータアッセンブリに取り付けられた回転可能な圧縮機ブレードの複数の列とを有する。通常のタービンエンジンはしばしば、集合的にステータと呼ばれる、複数の固定翼を備えたセグメントを含む。ステータセグメントは、定常ガス圧力負荷下で上流方向に偏向され、この偏向は、このセグメントがケーシングにどのように固定されているかに応じて周方向で変化する。セグメントの固定されていない端部は、より偏向され、上流のロータディスクに対する軸方向の隙間が小さくなる。このような問題は米国特許第8128354号明細書で対処されているが、少なくとも13のカスタムメイドの構成要素と少なくとも22のステータ組立てステップを要する。従って、ステータを形成するステータベーン翼の偏向及びアライメントをより効率的に制御する必要性がある。
ガスタービンエンジンで使用可能なステータアッセンブリであって、偏向を制限し、隣接するブレードロータディスクに対するクリアランス損失を阻止するために、内側端壁及び外側端壁を拘束するように構成されたステータアッセンブリが開示される。ステータアッセンブリは、内側端壁及び外側端壁を備えた複数のステータベーンから成っていてよく、これら複数のステータベーンは、第1の半径方向外側のタイバーによって互いに連結されている。少なくとも1つの実施形態では、第1及び第2の半径方向外側のタイバーは、第1及び第2のステータベーンセグメントを形成してよく、これらのステータベーンセグメントは一緒に、周方向に延在するステータアッセンブリを形成している。内側端壁と外側端壁は、周方向に延在する1つ以上のアライメントピンによって互いに連結されてよく、このアライメントピンは偏向を制限する。ステータアッセンブリは内側端壁から半径方向内側に延在するもう1つの変形可能なシールを備えていてよく、この変形可能なシールは、上流に面した接触面と半径方向内側に面した接触面を有していてよい。
少なくとも1つの実施形態では、ガスタービンエンジン用のステータアッセンブリは、それぞれ全体として細長い(generally elongated)翼から成る複数のステータベーンを備えていてよく、翼は、前縁と、後縁と、正圧側(pressure side)と、負圧側(suction side)と、第1の端部に連結された内側端壁と、第1の端部とは反対側の第2の端部に連結された外側端壁と、を有している。ステータアッセンブリはさらに、ステータベーンの一部の各外側端壁に連結された第1の半径方向外側のタイバーと、隣接する内側端壁を互いに連結するために隣接する内側端壁の間に延在する1つ以上の内側アライメントピンとを備えていてよい。ステータアッセンブリは、内側端壁に取り付けられた1つ以上の前方の内側シールリングと、前方の内側シールリングの少なくとも1つの半径方向内側面に連結される1つ以上の変形可能なシールとを備えていてよい。
少なくとも1つの実施形態では、1つ以上のステータベーンは、内側端壁と外側端壁と一体に形成されていてよい。別の実施形態では、ステータベーンのそれぞれは、内側端壁及び外側端壁と一体に形成されていてよい。第1の半径方向外側のタイバーは、外側端壁の半径方向外側面に設けられた凹部内に位置していてよい。第2の半径方向外側のタイバーが、第1の半径方向外側のタイバーに取り付けられていない残りのステータベーンの各外側端壁に連結されていてよく、これにより第1のステータベーンセグメントと第2のステータベーンセグメントとが形成され、これらステータベーンセグメントは一緒に、周方向に延在するステータアッセンブリを形成する。ステータアッセンブリはさらに、1つ以上の回転防止スロットを備えていてよく、この回転防止スロットは、第1及び第2のステータベーンセグメントの間の2つの境界面のうちの少なくとも一方に位置している。
ステータアッセンブリの内側アライメントピンは、1つ以上の周方向に延在する前方の内側アライメントピンと、1つ以上の周方向に延在する後方の内側アライメントピンとから成っていてよい。周方向に延在する前方の内側アライメントピンは、全体として細長い翼の前方に位置していてよく、周方向に延在する後方の内側アライメントピンは、全体として細長い翼の後方に位置していてよい。
ステータアッセンブリはさらに、隣接する外側端壁を互いに連結するために隣接する外側端壁の間に延在する1つ以上の外側アライメントピンを備えていてよい。外側アライメントピンは、1つ以上の周方向に延在する前方の外側アライメントピンと、1つ以上の周方向に延在する後方の外側アライメントピンとから成っていてよい。周方向に延在する前方の外側アライメントピンは、全体として細長い翼の前方に位置していてよく、周方向に延在する後方の外側アライメントピンは、全体として細長い翼の後方に位置していてよい。
ステータアッセンブリはさらに、後方の内側アライメントピンの後方で、内側端壁に取り付けられた1つ以上の後方の内側シールリングを備えていてよい。ステータアッセンブリはさらに、少なくとも1つの後方の内側シールリングの半径方向内側面に連結された1つ以上の変形可能なシールを備えていてよい。
ステータアッセンブリの利点は、このステータアッセンブリが、6つの既製品の構成要素と6つのカスタムメイドの構成要素から形成することができ、製造及び組立てを完了するために約17のステップしか必要ではないことにある。従って、時間とコストを削減でき、従来のシステムと比較して複雑さが低減されている。
ステータアッセンブリの別の利点は、このステータアッセンブリには溶接、硬質コーティング、又は応力除去の必要がないことにある。
ステータアッセンブリのさらに別の利点は、このステータアッセンブリがアッセンブリ全体の機械加工を必要とせず、これにより持ち上げ時間を減じることができ、大きな機械加工工具が必要ないことにある。
ステータアッセンブリの別の利点は、このステータアッセンブリがアッセンブリ全体のコーティングを必要とせず、これにより持ち上げ時間を減じることができ、準備及び輸送コストの必要性を減じることができることにある。
ステータアッセンブリのさらに別の利点は、このステータアッセンブリにより、切断又は溶接することなくシールリングを取り替えることができることにある。
ステータアッセンブリの別の利点は、このステータアッセンブリにより、切断又は溶接することなく個々の翼を取り替えることができることにある。
ステータアッセンブリのさらに別の利点は、このステータアッセンブリは、エンジン間でカバー半部及びベース半部を混合することを許容し、これにより在庫や取扱費が減じられることにある。
ステータアッセンブリの別の利点は、このステータアッセンブリが、90°セグメントにより形成することができるフレキシブルな構造を提供し、これにより在庫や取扱費がさらに減じられ、組立てや解体がさらに容易になることにある。
ステータアッセンブリのさらに別の利点は、このステータアッセンブリにより機械的な減衰が提供されることにある。
ステータアッセンブリの別の利点は、外側及び内側シールリングをボルトにより固定することができ、これにより容易な組立て及び取り替えが可能であることにある。
ステータアッセンブリのさらに別の利点は、ステータアッセンブリが、従来のステータアッセンブリにおいてはセグメント化により生じる漏れをなくすことができることにある。
これらの実施形態及びその他の実施形態を、以下でさらに詳細に説明する。
明細書の一部に組み込まれ明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される本発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に本発明の原理を開示する。
ガスタービンエンジン内の圧縮機ステータベーンセグメントを示す斜視図である。 図1の2−2線に沿ったガスタービンエンジン内の圧縮機ステータベーンセグメントを示す断面図である。 図2の3−3線で示したガスタービンエンジン内のステータアッセンブリの詳細を示す斜視図である。 図3の4−4線に沿ったステータアッセンブリの1つの翼の断面図である。 図4の5−5線に沿って切り取ったステータアッセンブリの内側端壁を詳細に示した図である。 図4に示したステータアッセンブリの内側端壁を詳細に示した図である。
図1〜図6に示すように、ガスタービンエンジン12で使用可能なステータアッセンブリ10であって、偏向を制限し、隣接するブレードロータディスク18に対するクリアランス損失を阻止するために、内側端壁14及び外側端壁16を拘束するように構成されたステータアッセンブリ10が開示されている。ステータアッセンブリ10は、内側端壁14及び外側端壁16を備えた複数のステータベーン20から成っていてよく、これら複数のステータベーン20は、第1の半径方向外側のタイバー22によって互いに連結されている。少なくとも1つの実施形態では、図3に示すように、第1及び第2の半径方向外側のタイバー22,24は、第1及び第2のステータベーンセグメント26,28を形成してよく、これらのステータベーンセグメント26,28は一緒に、周方向に延在するステータアッセンブリ10を形成している。内側端壁14と外側端壁16は、周方向に延在する1つ以上のアライメントピン30によって互いに連結されてよく、このアライメントピン30は偏向を制限する。ステータアッセンブリ10は内側端壁14から半径方向内側に延在するもう1つの変形可能なシール52を有していてよい。
少なくとも1つの実施形態では、ガスタービンエンジン12用のステータアッセンブリ10は、図3に示すように複数のステータベーン20から成っていてよい。各ステータベーン20は全体として細長い翼34から成っていて、この翼34は、前縁36と、後縁38と、正圧側40と、正圧側40とは翼34の反対側にある負圧側42と、第1の端部44に連結された内側端壁14と、第1の端部44とは反対側の第2の端部46に連結された外側端壁16と、を有している。少なくとも1つの実施形態では、1つ以上のステータベーン20が、図4に示すように内側端壁14及び外側端壁16と一体に形成されていてよい。別の実施形態では、各ステータベーン20が、内側端壁14及び外側端壁16と一体に形成されていてよい。全体として細長い翼34は、溶接されておらず、取り外すことができ、かつ置き換えることができる。
ステータアッセンブリ10は第1の半径方向外側のタイバー22を有していてよく、このタイバー22は、ステータベーン20の少なくとも一部の外側端壁16に連結されていてよい。第1の半径方向外側のタイバー22は、外側端壁16の半径方向外側面58に設けられた凹部56内に位置していてよい。第1の半径方向外側のタイバー22は、1つ以上のコネクタ60を介して外側端壁16に取り付けられていてよい。少なくとも1つの実施形態では、図3に示すように、1つ以上のコネクタ60が、外側端壁16における第1の周方向端部62に隣接して位置していてよく、1つ以上のコネクタ60が、第1の周方向端部62とは外側端壁16の反対側の端部にある外側端壁16の第2の周方向端部64に隣接して位置していてよい。少なくとも1つの実施形態では、少なくとも1つのコネクタ60は、1つ以上のボルト、ねじ、リベット、及び既存の又はさらに構想されるその他のコネクタから形成されてよいが、これに限定されるものではない。少なくとも1つの実施形態では、コネクタ60は、外側端壁16上の第1の周方向端部62に隣接する3つのコネクタ60及び、外側端壁16の第2の周方向端部64に隣接する3つのコネクタ60のような複数のコネクタ60によって形成されてよいが、これに限定されるものではない。少なくとも1つの実施形態では、第1の半径方向外側のタイバー22は、外側端壁16上の第1の周方向端部62に隣接する1つ以上のボルト66を介して外側端壁16に取り付けられてよい。
ステータアッセンブリ10はさらに、第2の半径方向外側のタイバー24を備えていてよい。この第2の半径方向外側のタイバー24は、第1の半径方向外側のタイバー22に取り付けられていない残りのステータベーン20の各外側端壁に連結されていて、第2のステータベーンセグメント28を形成する。同様に、第1の半径方向外側のタイバー22は、複数のステータベーン20を互いに連結して第1のステータベーンセグメント26を形成してよい。第1及び第2の半径方向外側のタイバー22,24は、第1及び第2のステータベーンセグメント26,28を形成して、これらのステータベーンセグメント26,28は一緒に、周方向に延在するステータアッセンブリ10を形成する。少なくとも1つの実施形態では、第1及び第2のステータベーンセグメント26,28は、それぞれステータアッセンブリ10の1/2を形成してよく、水平方向の中間点68で互いに連結されていてよい。第1及び第2のステータベーンセグメント26,28は、別の実施形態では別の構造を有していてよい。
ステータアッセンブリ10はさらに、図3に示すように、1つ以上の回転防止スロット70を有していてよい。回転防止スロット70は、第1及び第2のステータベーンセグメント26,28の間の2つの境界面のうちの少なくとも一方に位置している。ステータアッセンブリ10は、ステータアッセンブリ10の第1の側78で第1及び第2のステータベーンセグメント26,28の間の第1の境界面76に位置する第1の回転防止スロット74と、ステータアッセンブリ10の、第1の側78のほぼ反対側に位置する第2の側84で第1及び第2のステータベーンセグメント26,28の間の第2の境界面82に位置する第2の回転防止スロット80とを備えていてよい。回転防止スロット70は、第1及び第2のステータベーンセグメント26,28の両方の中に少なくとも部分的に延在していてよい。回転防止スロット70は、外側端壁16の上流側の縁部86へと、又は外側端壁16の下流側の縁部88へと延在していなくてよい。
ステータアッセンブリ10はさらに、図4〜図6に示すように、隣接する内側端壁14を互いに連結するために隣接する内側端壁14の間に延在する1つ以上の内側アライメントピン48を有していてよい。少なくとも1つの実施形態では、内側アライメントピン48は、1つ以上の周方向に延在する前方の内側アライメントピン90と、1つ以上の周方向に延在する後方の内側アライメントピン92とから成っていてよい。周方向に延在する前方の内側アライメントピン90は、全体として細長い翼34の前方に位置していてよく、周方向に延在する後方の内側アライメントピン92は、全体として細長い翼34の後方に位置していてよい。
ステータアッセンブリ10はさらに、隣接する外側端壁16を互いに連結するために隣接する外側端壁16の間に延在する1つ以上の外側アライメントピン94を有していてよい。少なくとも1つの実施形態では、外側アライメントピン94は、1つ以上の周方向に延在する前方の外側アライメントピン96と、1つ以上の周方向に延在する後方の外側アライメントピン98とから成っていてよい。周方向に延在する前方の外側アライメントピン96は、全体として細長い翼34の前方に位置していてよく、周方向に延在する後方の外側アライメントピン98は、全体として細長い翼34の後方に位置していてよい。
ステータアッセンブリ10は、図5及び図6に示すように、内側端壁14に取り付けられる1つ以上の前方の内側シールリング50と、前方の内側シールリング50の1つ以上の半径方向内側面54に連結される1つ以上の変形可能なシール52とを備えていてよい。少なくとも1つの実施形態では、前方の内側シールリング50は、取り外し可能であってよい。前方の内側シールリング50は、前方の軸方向ボルト108のような1つ以上のコネクタ60によって取り付けられてよいが、コネクタ60は軸方向ボルト108に限定されるものではない。従って、少なくとも1つの実施形態では、前方の内側シールリング50は、溶接を介して取り付けられておらず、従って、著しく迅速かつ低コストで交換可能になっている。変形可能なシール52は、図6に示すように、上流に面した接触面110と半径方向内側に面した接触面112とを有していてよい。上流に面した接触面110は、上流のロータディスク18に接触していてよく、どの構成要素に対しても機械的疲労又は熱的損傷の危険を有していない。前方及び後方の内側シールリング50,100へのベーンによるガス負荷及び圧力の結果、矢印114の方向で力が加えられると、接触が生じ得る。変形可能なシール52はハニカム状シールであってよいが、これに限定されるものではない。少なくとも1つの実施形態では、前方の内側シールリング50は前方の内側アライメントピン90の前方で、内側端壁14に取り付けられてよい。変形可能なシール52が摩耗した場合に、シールを復元するために、1つ以上のコーティング116が、変形可能なシール52に塗布されてよく、例えば上流に面した接触面110に、又は半径方向内側に面した接触面112に、又はその両方に、塗布することができるが、これに限定されるものではない。
別の実施形態では、前方の内側シールリング50は、形状記憶合金のような材料から形成されてよいが、これに限定されるものではない。このような材料は、摩擦接触により加熱されると、前方の内側シールリング50を、上流のロータディスク18との接触から逸れることができるようにする。例えば精密鋳造により形状記憶合金から形成された前方の内側シールリング50は、従来のシステムよりも高い費用対効果を得ることができる。
ステータアッセンブリ10は、後方の内側アライメントピン92の後方で、内側端壁14に取り付けられた1つ以上の後方の内側シールリング100を備えていてよい。1つ以上の変形可能なシール102が、後方の内側シールリング100の半径方向内側面104に連結されてよい。後方の内側シールリング100に連結された変形可能なシール102は、ハニカム状シール又はその他のシールであってよい。後方の内側シールリング100は、後方の軸方向ボルト106のような1つ以上のコネクタ60によって内側端壁14に連結されてよいが、コネクタ60は軸方向ボルト106に限定されるものではない。
少なくとも1つの実施形態では、ステータアッセンブリ10は、6つのカスタムメイドの構成要素と、6つの既製品の構成要素とから形成されてよい。既製品の構成要素はボルトやピンのようなものであって、これら全ては前述の通りである。ステータアッセンブリ10は、全体として細長い翼34と、第1の半径方向外側のタイバー22と、前方の内側シールリング50と、後方の内側シールリング100と、前方の変形可能なシール52と、後方の変形可能なシール102と、外側の半径方向ボルト60と、外側の半径方向ピンと、外側アライメントピン94と、内側アライメントピン48と、後方の軸方向ボルト106と、前方の軸方向ボルト108とを備えていてよい。
ステータアッセンブリ10の製造法は、従来のシステムよりも少ないステップを含んでいてよい。少なくとも1つの実施形態では、ステータアッセンブリ10は、約17のステップから形成することができる。即ち、鍛造品又は鋳物である翼34をフライス加工する;翼流路面をコーティングする;圧延されたリングから外側リングを旋削加工する;圧延されたリングから前方の内側シールリング50を旋削加工する;圧延されたリングから後方の内側シールリング100を旋削加工する;外側リングに穿孔する;前方の内側シールリング50に穿孔する;後方の内側シールリング100に穿孔する;前方の内側シールリング50に前方の変形可能なシール52をろう接する;後方の内側シールリング100に後方の変形可能なシール102をろう接する;前方の変形可能なシール52の内径を旋削加工又は研削加工する;後方の変形可能なシール102の径を旋削加工又は研削加工する;外側リングを半分に切断する;前方の内側シールリング50を半分に切断する;後方の内側シールリング100を半分に切断する;ボルト60、ピン48,90,92,96,98、ラインドリル及びリーマで穿孔された半径方向ピン穴、支持棒ファスナによって、翼34とリング50,102を互いに組み立てる;選択的に流路コーティングを仕上げする。
上記説明は、本発明を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

Claims (13)

  1. ガスタービンエンジン(12)用のステータアッセンブリ(10)であって、
    それぞれ全体として細長い翼(34)から成る複数のステータベーン(20)を備え、前記翼(34)は、前縁(36)と、後縁(38)と、正圧側(40)と、負圧側(42)と、第1の端部(44)に連結された内側端壁(14)と、前記第1の端部(44)とは反対側の第2の端部(46)に連結された外側端壁(16)と、を有し、
    前記ステータベーン(20)の一部の各外側端壁(16)に連結された第1の半径方向外側のタイバー(22)を備え、
    隣接する内側端壁(14)を互いに連結するために隣接する内側端壁(14)の間に延在する少なくとも1つの内側アライメントピン(48)を備え、
    前記内側端壁(14)に取り付けられた少なくとも1つの前方の内側シールリング(50)を備え、
    前記前方の内側シールリング(50)の少なくとも1つの半径方向内側面(54)に連結された少なくとも1つの変形可能なシール(52)を備え、該少なくとも1つの変形可能なシール(52)は、上流に面した接触面(110)と半径方向内側に面した接触面(112)とを有している
    ことを特徴とする、ガスタービンエンジン(12)用のステータアッセンブリ(10)。
  2. 前記ステータベーン(20)のうちの少なくとも1つは、前記内側端壁(14)及び前記外側端壁(16)と一体に形成されている、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  3. 前記ステータベーン(20)のそれぞれは、前記内側端壁(14)及び前記外側端壁(16)と一体に形成されている、請求項2記載のステータアッセンブリ(10)。
  4. 前記第1の半径方向外側のタイバー(22)は、前記外側端壁(16)の半径方向外側面(58)に設けられた凹部(56)内に位置している、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  5. 前記第1の半径方向外側のタイバー(22)に取り付けられていない残りのステータベーン(20)の各外側端壁(16)に連結された第2の半径方向外側のタイバー(24)をさらに備え、これにより第1のステータベーンセグメント(26)と第2のステータベーンセグメント(28)とが形成され、これらステータベーンセグメント(26,28)は一緒に、周方向に延在するステータアッセンブリ(10)を形成する、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  6. 前記第1及び第2のステータベーンセグメント(26,28)の間の2つの境界面(72)のうちの少なくとも一方に位置している少なくとも1つの回転防止スロット(70)をさらに備える、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  7. 前記少なくとも1つの内側アライメントピン(48)は、少なくとも1つの周方向に延在する前方の内側アライメントピン(90)と、少なくとも1つの周方向に延在する後方の内側アライメントピン(92)とを有している、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  8. 前記少なくとも1つの周方向に延在する前方の内側アライメントピン(90)は、前記全体として細長い翼(34)の前方に位置しており、前記少なくとも1つの周方向に延在する後方の内側アライメントピン(92)は、前記全体として細長い翼(34)の後方に位置している、請求項7記載のステータアッセンブリ(10)。
  9. 隣接する外側端壁(16)を互いに連結するために、隣接する外側端壁(16)の間に延在する少なくとも1つの外側アライメントピン(94)をさらに備える、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  10. 前記少なくとも1つの外側アライメントピン(94)は、少なくとも1つの周方向に延在する前方の外側アライメントピン(96)と、少なくとも1つの周方向に延在する後方の外側アライメントピン(98)とを有し、前記少なくとも1つの周方向に延在する前方の外側アライメントピン(96)は、前記全体として細長い翼(34)の前方に位置していて、前記少なくとも1つの周方向に延在する後方の外側アライメントピン(98)は、前記全体として細長い翼(34)の後方に位置している、請求項9記載のステータアッセンブリ(10)。
  11. 前記少なくとも1つの後方の内側アライメントピン(48)の後方で、前記内側端壁(14)に取り付けられる少なくとも1つの後方の内側シールリング(100)をさらに備える、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
  12. 前記少なくとも1つの後方の内側シールリング(100)の半径方向内側面(54)に連結された少なくとも1つの変形可能なシール(52)をさらに備える、請求項11記載のステータアッセンブリ(10)。
  13. 前記少なくとも1つの前方の内側シールリング(50)は、形状記憶合金から形成されている、請求項1記載のステータアッセンブリ(10)。
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