JP4200846B2 - シュラウドセグメント - Google Patents

Description

本発明は、航空機エンジン等のガスタービンエンジンの技術分野に関わり、特に、ガスタービンエンジンにおけるタービンに用いられるタービンシュラウドのシュラウドセグメントに関する。

航空機エンジン等のガスタービンエンジンにおけるタービンにはタービンシュラウドが用いられており、このタービンシュラウドは、タービンケース内に複数のタービンブレードを囲むように配置されかつ燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制するものである。また、エンジン稼働時に前記タービンシュラウドに過度の熱応力が生じないように、通常、前記タービンシュラウドは、複数のシュラウドセグメントに分割して構成される。

更に、一般的な前記シュラウドセグメントの構成について説明すると、次のようになる。即ち、一般的なシュラウドセグメントは、弧状のバックプレートをセグメント本体として具備しており、前記バックプレートの前端側は、前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持されてあって、前記バックプレートの後端側は、前記タービンケースにおけるケースフックに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されている。そして、前記バックプレートの裏面には、タービンブレードの先端部の接触を許容するブレード接触部材が一体的に設けられている。

また、前記タービンの前段側にあっては、前記バックプレートと前記タービンケースとの間を冷却空気が後方へ流れるように構成されており、前記タービンケースにおける前記ケースフックには、冷却空気が通過可能な複数の冷却空気用貫通穴が周方向へ適宜間隔に形成されている。ここで、前記冷却空気用貫通穴の大きさ・個数によって、前記タービンケースと前記バックプレートの間を流れる冷却空気の流量が設定されるようになっている。

従って、複数の前記シュラウドセグメントによって（換言すれば前記タービンシュラウドによって）燃焼ガスから前記タービンケースを遮蔽することにより、燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制することができる。更に、複数の前記冷却空気用貫通穴によって冷却空気の流量を調節した状態の下で、前記タービンケースと前記バックプレートの間に前方向から冷却空気が流れることにより、冷却空気による冷却作用が働いて、前記タービンケースの高温化を確実かつ十分に抑制がすることができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。
特開平１１−６２５０９号公報

ところで、前述のように、前記タービンケースと前記バックプレートの間を流れる冷却空気の流量を設定できるように複数の前記冷却空気用貫通穴が必要である一方、前記ケースフックに複数の前記冷却孔が加工（形成）されると、前記タービンケースに応力集中が生じる箇所が増え、前記タービンケース全体としての機械的強度が低下して、前記タービンケースの寿命を延ばすことが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前記タービンケースにおける前記リアケースフックに冷却空気用貫通穴を加工することなく、前記タービンケースと前記バックプレートの間を流れる冷却空気の流量を設定することができる、新規な構成のシュラウドセグメントを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明にあっては、タービンケース内に複数のタービンブレードを囲むように配置されかつ燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制するタービンシュラウドを分割してなるシュラウドセグメントにおいて、
前端側が前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持され、後端側が前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持される弧状のバックプレートと、
前記バックプレートの後端側の表面に形成され、前記タービンケースにおけるリアケースフックに嵌合可能であって、シュラウド径方向へ平行でかつ前記リアケースフックのケースフック平面に対向可能なバンプ平面と、このバンプ平面に直交しかつ前記リアケースフックのケースフック弧面に対向可能なバンプ弧面とを有した弧状のバンプと、
前記バックプレートの裏面に一体的に設けられ、前記タービンブレードの先端部の接触を許容するブレード接触部材と、を具備してあって、
エンジン稼働時における前記バックプレートのシュラウド軸方向の熱変位を想定した場合の前記バンプ平面と前記ケースフック平面との間隙が、前記タービンケースと前記バックプレートとの間を後方へ流れる冷却空気の流量を設定する所定の間隙になるように、前記バンプ平面が機械加工によって面仕上げされていることを特徴とする。

なお、前記バックプレートの前端側は、前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に直接的に保持されても、間接的に保持されても差し支えない。同様に、前記バックプレートの後端側は、前記タービンケースに対して自己の熱変位（前記バックプレートの変位）によってシュラウド軸方向へ移動可能に直接的に保持されても、間接的に保持されても差し支えない。

請求項１に記載の発明特定事項によると、エンジン稼働時における前記バックプレートのシュラウド軸方向の熱変位を想定した場合の前記バンプ平面と前記ケースフック平面との間隙が前記所定の間隙になるように、前記バンプ平面が機械加工によって面仕上げされているため、前記タービンケースにおける前記リアケースフックに冷却空気用貫通穴を加工することなく、前記タービンケースと前記バックプレートの間を流れる冷却空気の流量を設定することができる。

前述の作用の他に、複数の前記シュラウドセグメントによって（換言すれば前記タービンシュラウドによって）燃焼ガスから前記タービンケースを遮蔽することにより、燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制することができる。更に、前記バンプ平面と前記ケースフック平面との間隙によって冷却空気の流量を調節した状態の下で、冷却空気が前記タービンケースと前記バックプレートの間を後方へ流れることによって、冷却空気による冷却作用が働いて、前記タービンケースの高温化を確実かつ十分に抑制することができる。

請求項２に記載の発明にあっては、請求項１に記載の発明特定事項の他に、前記バックプレートの前端側の表面に形成され、前記タービンケースにおけるフロントケースフックの周溝に緊合可能であって、前記フロントケースフックの周溝に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持される弧状のセグメントフックと、を具備してなることを特徴とする。
ここで、前記セグメントフックが前記フロントケースフックの周溝に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されることによって、前記バックプレートの前端側が前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されることになる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明特定事項による作用と同様の作用を奏する。

請求項３に記載の発明にあっては、請求項１又は請求項２に記載の発明特定事項の他に、前記バックプレートの前端面に設けられ、前記バックプレートと前段のタービンノズルの間から前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えると共に、前記バックプレートと前段のタービンノズルの間から主流側への冷却空気のリークを抑えるフロントシールと、を具備してなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明特定事項によると、請求項１又は請求項２に記載の発明特定事項による作用の他に、前記フロントシールによって前記バックプレートと前段のタービンノズルの間から前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えることができるため、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用（換言すれば前記タービンシュラウドによる遮蔽作用）を促進することができる。

また、前記フロントシールによって前記バックプレートと前段のタービンノズルの間から主流側への冷却空気のリークを抑えることができるため、冷却空気による冷却作用を促進することができる。

請求項４に記載の発明にあっては、請求項３に記載の発明特定事項の他に、前記フロントシールの先端部が前段のタービンノズルにおけるアウターバンドに自己の弾性力によって接触できるように構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明特定事項によると、請求項３に記載の発明特定事項による作用と同様の作用を奏する。

請求項５に記載の発明にあっては、請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載の発明特定事項の他に、前記バックプレートの後端に前記後段のタービンノズルにおけるアウターバンドの一部分に係合可能な回止め切欠が形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明特定事項によると、請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載の発明特定事項による作用の他に、前記後段のタービンノズルを前記タービンケースに対して回止めした状態の下で、前記回止め切欠を前記後段のタービンノズルにおける前記アウターバンドの一部分に係合させることにより、前記タービンケースに回止めピンを取付けることなく、換言すれば、前記タービンケースに回止めピン用取付穴を加工することなく、前記シュラウドセグメントを前記タービンケースに対して回止めすることができる。

請求項１に記載の発明によれば、前記タービンケースにおける前記リアケースフックに冷却空気用貫通穴を形成することなく、前記タービンケースと前記バックプレートの間を流れる冷却空気の流量を設定できるため、前記タービンケースに応力集中が生じる箇所を少なくして、前記タービンケース全体としての機械的強度の低下を抑制して、前記タービンケースの寿命を長くことができる。

請求項２に記載の発明よれば、請求項１に記載の発明の効果と同様の効果を奏する。

請求項３に記載の発明よれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の効果を奏する他に、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用、及び冷却空気による冷却作用を促進することができるため、前記タービンシュラウドによって燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を効率的に抑えることができ、前記タービンケースの寿命を十分に長くすることができる。

請求項４に記載の発明よれば、請求項４に記載の発明の効果と同様の効果を奏する。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載の発明の効果の他に、前記タービンケースに回止めピン用取付穴を加工することなく、前記シュラウドセグメントを前記タービンケースに対して回止めすることができるため、前記タービンケースに形成される取付穴の数を減らして、前記タービンケースに応力集中が生じる箇所をより一層少なくして、前記タービンケースの寿命を更に長くすることができる。

最良の形態に係わる航空機エンジンにおける低圧タービン、及び最良の形態に係わるシュラウドセグメントについて、図１から図５を参照して説明する。

ここで、図１は、図５におけるＩ部の拡大図であって、図２は、図１におけるＩＩ部の拡大図であって、図３は、最良の形態に係わるシュラウドセグメントの正面図であって、図４は、最良の形態に係わるシュラウドセグメントの平面図であって、図５は、最良の形態に係わる航空エンジンにおける低圧タービンの部分断面図である。

また、「前後」とは、図１，図２，図４，図５において左右，図３において紙面に向かって表裏のことをいう。なお、各図面の向きは特許公報掲載時の状態を基準とし説明する。

図５に示すように、最良の形態に係わる航空エンジンおける低圧タービン１は、低圧タービンケース３を低圧タービン本体として具備している。この低圧タービンケース３は、メインタービンケース５と、メインタービンケース５の後端側に一体的に設けられたリアタービンケース７とからなって、メインタービンケース５の前端側は高圧タービンにおける高圧タービンケース９に連結されている。

メインタービンケース５内には、燃焼ガスを整流する複数段のタービンノズル１１，１３，１５，１７がケース軸方向（前後方向）へ適宜間隔に配置されており、各タービンノズル１１，１３，１５，１７はそれぞれセグメント化されている。また、メインタービンケース５内には、回転可能な複数段のタービンディスク（図示省略）がタービンノズル１１，１３，１５，１７と交互にケース軸方向に適宜間隔に配置されており、各段の前記タービンディスクの外周部には、複数（図５には各段につき１つのみ図示）のタービンブレード１９，２１，２３，２５がそれぞれ設けられている。ここで、複数段のタービンディスクは一体的に連結されてあって、複数段のタービンディスクは低圧圧縮機の低圧圧縮機ロータ（図示省略）及びファンのファンロータ（図示省略）に一体的に連結されている。更に、メインタービンケース５内には、燃焼ガスの影響による高温化を抑制する複数段のタービンシュラウド２７，２９，３１，３３が対応する段の複数のタービンノズル１１，１３，１５，１７を囲むように配置されており、各タービンシュラウド２７，２９，３１，３３はそれぞれセグメント化されている。

従って、燃焼器（図示省略）からの燃焼ガスの膨張によって複数段の前記タービンディスクが一体的に回転することにより、低圧タービン１は駆動力を得ることができると共に、複数段の前記低圧圧縮機ロータ及び前記ファンロータを一体的に回転させて、前記低圧圧縮機及び前記ファンを連動して駆動することができる。

図１から図３に示すように、最良の形態に係わるシュラウドセグメント３５は、低圧タービン１における１段目のタービンシュラウド２７を分割してなるものであって、弧状のバックプレート３７をセグメント本体として具備している。このバックプレート３７は、シュラウド軸方向（ケース軸方向、前後方向）へ延びた第１プレート部３７ａと、この第１プレート部３７ａの前端縁に一体に形成されかつシュラウド軸心側（図１から図３において下側）へ突出した第２プレート部３７ｂとを有している。

バックプレート３７の前端側の表面には、メインタービンケース５におけるフロントケースフック３９の周溝４１に緊合可能な弧状のセグメントフック４３が一体に形成されており、このセグメントフック４３は、断面コの字形状のＣクリップ４５によってフロントケースフック３９の周溝４１に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されるものである。ここで、セグメントフック４３がフロントケースフック３９の周溝４１に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されることによって、バックプレート３７の前端側がメインタービンケース５に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されることになる。

また、バックプレート３７の後端側は、後段のタービンノズル１３におけるアウターバンド４７とメインタービンケース５におけるリアケースフック４９の協働によりメインタービンケース５に対して自己の熱変位（バックプレート３７の熱変位）によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持されるようになっている。

図１及び図２に示すように、バックプレート３７の後端側の表面には、メインタービンケース５におけるリアケースフック４９に嵌合可能な弧状のバンプ５１が形成されており、このバンプ５１は、シュラウド径方向（図１及び図２において上下方向）へ平行でかつリアケースフック４９のケースフック平面４９ｆａに対向可能なバンプ平面５１ｆａと、このバンプ平面５１ｆａに直交しかつリアケースフック４９のケースフック弧面４９ｆａに対向可能なバンプ弧面５１ｆａとを有している。また、バンプ５１のバンプ弧面５１ｆｂには、リアケースフック４９のケースフック弧面４９ｆｂに接触可能な弧状の突起列５３が形成されている。

ここで、エンジン稼働時におけるバックプレート３７のシュラウド軸方向の熱変位を想定した場合のバンプ平面５１ｆａとケースフック平面４９ｆａとの間隙が、メインタービンケース５とバックプレート３７との間を後方へ流れる冷却空気ＣＡの流量を設定する所定の間隙ｍになるように、バンプ平面５１ｆａがケースフック平面４９ｆａと同様に機械加工によって面仕上げされている。また、バンプ５１をリアケースフック４９に嵌合させた状態にあっては、常時、バンプ弧面５１ｆｂとケースフック弧面４９ｆｂとの間隙は、バンプ平面５１ｆａとケースフック平面４９ｆａとの間隙よりも大きくなるように設定されている。なお、冷却空気ＣＡは、前記圧縮機によって圧縮された空気であって、前段のタービンノズル１１におけるアウターバンド５５の導入穴５５ｈからメインタービンケース５とバックプレート３７との間に導入される。

図１及び図４に示すように、バックプレート３７の後端には、後段のタービンノズル１３におけるアウターバンド４７の一部分（タブ）４７ａに係合可能な回止め切欠５７が形成されている。

図１に示すように、バックプレート３７の裏面には、タービンブレード１９のチップフィン（先端部）１９ａの接触を許容するハニカムセル（タービン接触部材の一例）５９が一体的に設けられている。なお、ハニカムセル５９の代わりに、別のタービン接触部材を用いても差し支えない。

バックプレート３７の前端面には、弧状のフロントシール６１が一体的に設けられており、このフロントシールは、バックプレート３７と前段のタービンノズル１１の間から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えると共に、バックプレート３７と前段のタービンノズル１１の間から主流側（図１において下側）への冷却空気ＣＡのリークを抑えるものである。また、フロントシール６１の先端部が前段のタービンノズル１１におけるアウターバンド５５に自己の弾性力（フロントシール６１の弾性力）によって接触できるように構成されている。

バックプレート３７の両側端面には、第１スプラインシール板６３の側部を嵌挿可能な一対（図１には１つのみ図示）の第１シール溝６５がそれぞれ形成されており、各第１シール溝６５は第１プレート部３７ａの前端付近から後端付近かけてシュラウド軸方向へ延びるようにそれぞれ構成されている。ここで、第１スプラインシール板６３は、隣接する一対のシュラウドセグメント３５の第１プレート部３７ａの隙間から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えると共に、隣接する一対のシュラウドセグメント３５の第１プレート部３７ａの隙間から主流側への冷却空気ＣＡのリークを抑えるものである。

また、バックプレート３７の両側端面には、第２スプラインシール板６７の側部を嵌挿可能な一対（図１には１つのみ図示）の第２シール溝６９がそれぞれ形成されており、各第２シール溝６９は第２プレート部３７ｂの基端から先端付近にかけてシュラウド径方向へ延びるようにそれぞれ構成されている。なお、第２スプラインシール板６７は、隣接する一対のシュラウドセグメント３５の第２プレート部３７ｂの隙間から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えると共に、隣接する一対のシュラウドセグメント３５の第２プレート部３７ｂの隙間から主流側への冷却空気ＣＡのリークを抑えるものである。

更に、図１、図３、図４に示すように、バックプレート３７の両側端面の前部には、一対のシールギャップ７１がそれぞれ形成されており、各シールギャップ７１は、第１シール溝６５の前端側及び第２シール溝６９の基端側にそれぞれ連通してある。

次に、最良の形態の作用について説明する。

エンジン稼働時におけるバックプレート３７のシュラウド軸方向の熱変位を想定した場合のバンプ平面５１ｆａとケースフック平面４９ｆａとの間隙が所定の間隙ｍになるように、バンプ平面５１ｆａが機械加工によって面仕上げされているため、メインタービンケース５におけるリアケースフック４９に冷却空気用貫通穴を加工することなく、メインタービンケース５とバックプレート３７との間を流れる冷却空気ＣＡの流量を設定することができる。

更に、後段のタービンノズル１３を低圧タービンケース３に対して回止めした状態の下で、回止め切欠５７を後段のタービンノズル１３におけるアウターバンド４７の一部分４７ａに係合させることにより、低圧タービンケース３に回止めピンを取付けることなく、換言すれば、低圧タービンケース３に回止めピン用取付穴を加工することなく、シュラウドセグメント３５を低圧タービンケース３に対して回止めすることができる。

前述の作用の他に、第１スプラインシール板６３，第２スプラインシール板６７等によって燃焼ガスのリークを抑えつつ、複数のシュラウドセグメント３５によって（換言すればタービンシュラウド２７によって）燃焼ガスから低圧タービンケース３を遮蔽することにより、燃焼ガスの影響による低圧タービンケース３の高温化を抑制することができる。更に、第１スプラインシール板６３，第２スプラインシール板６７等によって冷却空気ＣＡのリークを抑えつつ、バンプ平面５１ｆａとケースフック平面４９ｆａとの間隙によって冷却空気ＣＡの流量を調節した状態の下で、冷却空気ＣＡがメインタービンケース５とバックプレート３７の間を後方へ流れることによって、冷却空気ＣＡによる冷却作用が働いて、低圧タービンケース３の高温化を確実かつ十分に抑制することができる。

ここで、第１スプラインシール板６３及び第２スプラインシール板６７の他に、フロントシール６１によってバックプレート３７と前段のタービンノズル１１の間から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えることができるため、複数のシュラウドセグメント３５による遮蔽作用（換言すればタービンシュラウド２７による遮蔽作用）を促進することができる。また、第１スプラインシール板６３及び第２スプラインシール板６７の他に、フロントシール６１によってバックプレート３７と前段のタービンノズル１１の間から主流側への冷却空気ＣＡのリークを抑えることができるため、冷却空気ＣＡによる冷却作用を促進することができる。

以上の如き、最良の形態によれば、メインタービンケース５におけるリアケースフック４９に冷却空気用貫通穴を加工することなく、メインタービンケース５とバックプレート３７の間を流れる冷却空気ＣＡの流量を設定できると共に、低圧タービンケース３に回止めピン用取付穴を加工することなく、シュラウドセグメント３５を低圧タービンケース３に対して回止めすることができるため、低圧タービンケース３に応力集中が生じる箇所を極力少なくして、低圧タービンケース３全体としての機械的強度の低下を抑制して、低圧タービンケース３の寿命を長くすることができる。

特に、複数のシュラウドセグメント３５による遮蔽作用、及び冷却空気ＣＡによる冷却作用を促進することができるため、タービンシュラウド２７によって燃焼ガスの影響による低圧タービンケース３の高温化を効率的に抑えることができ、低圧タービンケース３の寿命をより十分に長くすることができる。

なお、本発明は、前述の最良の形態の説明に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他種々の態様で実施可能である。

図５におけるＩ部の拡大図である。 図１におけるＩＩ部の拡大図である。 最良の形態に係わるシュラウドセグメントの正面図である。 最良の形態に係わるシュラウドセグメントの平面図である。 最良の形態に係わる航空エンジンにおける低圧タービンの部分断面図である。

符号の説明

１ 低圧タービン
３ 低圧タービンケース
５ メインタービンケース
７ リアタービンケース
３５ シュラウドセグメント
３７ バックプレート
３９ フロントケースフック
４１ 周溝
４９ リアケースフック
４９ｆａ ケースフック平面
４９ｆｂ ケースフック弧面
５１ バンプ
５１ｆａ バンプ平面
５１ｆｂ バンプ弧面
５９ ハニカムセル
６１ フロントシール

Claims (5)

1. タービンケース内に複数のタービンブレードを囲むように配置されかつ燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制するタービンシュラウドを分割してなるシュラウドセグメントにおいて、
   前端側が前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持され、後端側が前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持される弧状のバックプレートと、
   前記バックプレートの後端側の表面に形成され、前記タービンケースにおけるリアケースフックに嵌合可能であって、シュラウド径方向へ平行でかつ前記リアケースフックのケースフック平面に対向可能なバンプ平面と、このバンプ平面に直交しかつ前記リアケースフックのケースフック弧面に対向可能なバンプ弧面とを有した弧状のバンプと、
   前記バックプレートの裏面に一体的に設けられ、前記タービンブレードの先端部の接触を許容するブレード接触部材と、を具備してあって、
   エンジン稼働時における前記バックプレートのシュラウド軸方向の熱変位を想定した場合の前記バンプ平面と前記ケースフック平面との間隙が、前記タービンケースと前記バックプレートとの間を後方へ流れる冷却空気の流量を設定する所定の間隙になるように、前記バンプ平面が機械加工によって面仕上げられていることを特徴とするシュラウドセグメント。
2. 前記バックプレートの前端側の表面に形成され、前記タービンケースにおけるフロントケースフックの周溝に緊合可能であって、前記フロントケースフックの周溝に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持される弧状のセグメントフックと、を具備してな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. 前記バックプレートの前端面に設けられ、前記バックプレートと前段のタービンノズルの間から前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えると共に、前記バックプレートと前段のタービンノズルの間から主流側への冷却空気のリークを抑えるフロントシールと、を具備してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシュラウドセグメント。
4. 前記フロントシールの先端部が前段のタービンノズルにおけるアウターバンドに自己の弾性力によって接触できるように構成された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. 前記バックプレートの後端に後段のタービンノズルにおけるアウターバンドの一部分に係合可能な回止め切欠が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のシュラウドセグメント。

Images