JP4208605B2 - ガスタービンエンジンにおけるタービンノズルの内側バンド用のリーフシール支持体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンのタービンノズルに関し、具体的には、かかるタービンノズルの内側バンドに対するリーフシールの平衡支持に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ガスタービンエンジンの高圧タービン用ノズルは、燃焼器の出口において作動流路ガス流を受け、このガス流を高圧タービンの高速回転するロータに適合するように方向転換させるために設けられている。タービンノズルは、一般的に複数のセグメントで環状体を形成するように構成されており、各セグメントは、外側バンドと、内側バンドと、その間に配置された１つ又はそれ以上の中空の翼形部とを含む。高温ガス流とタービンノズルの半径方向内側にも外側にも存在する冷却流との間を分離するために、リーフシールが、内側及び外側バンド上に取り付けられてきた。リーフシールの取り付けは、より最近では、例えば特許文献１に見られるように、予荷重が加えられたばねと組み合わされた支持ピンによって行われている。このように、リーフシールは、該リーフシールとノズルとの間に全く間隙がない状態で、所定の位置に保持されている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，７９７，７２３号
【０００４】
押圧ばねは、弛く取り付けられたシールの問題に対する効果的な解決策であることが実証されているが、このようなリーフシールは、ノズルの形状及び非対称な状態での支持ピンの配置のために平衡状態で支持されないことが分かった。従って、カンチレバー支持力が、リーフシール上に作用する。ある種の状況では、一様でない支持は、振動及び圧力変動と組合わさって、リーフシールの脱離を生じる可能性がある。一旦シールが脱離すると、特定の羽根の前縁における逆流マージンが減少し、羽根に対する冷却流が弱まり或いは逆流さえも引き起こすことになることが分かるであろう。更に、壊れたリーフシールがたまたまバンドのインサート入口を塞ぎ冷却の供給を大きく制限することがあれば、羽根は高温状態になり早期に破損することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、前述のことを考慮に入れて、タービンノズルの性能及び信頼性に影響を与えることなく、内側及び外側ノズルバンドにおいてリーフシールに平衡支持を与える、改良されたタービンノズル設計が開発されることが望ましいであろう。また、現用のタービンノズルの構成部品に対して必要な変更を最小限にして、現場でそれらのタービンノズルを、リーフシールに所望の支持を与えるように容易に変更できようにすることも望ましいであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の例示的な実施形態においては、ガスタービンエンジンのタービンノズルを支持するために用いられる環状のバンドのセグメントが開示されており、該セグメントは、第１の端部及び該第１の端部と対向する第２の端部と、第１及び第２の端部の間で延びるフランジ部分と、第１及び第２の端部の間で延び、該フランジ部分と対向する第２の部分と、第１及び第２の端部の間でかつフランジ部分と第２の部分との間で延び、少なくとも１つの入口が形成されている表面と、ピンを受け入れてリーフシールをバンドセグメントに取り付けるための、フランジ部分に隣接して配置されている少なくとも１つのラグと、バンドセグメントに取り付けられたリーフシールに平衡支持を与えるのを助けるための、表面から延びる少なくとも１つの突出部とを含む。
【０００７】
本発明の第２の例示的な実施形態においては、ガスタービンエンジンのタービンノズル組立体が開示されており、該タービンノズル組立体は、互いにに接合されて外側バンドを形成する複数のセグメントと、互いに接合されて内側バンドを形成する複数のセグメントと、外側及び内側バンドの間に配置されている少なくとも１つの翼形部と、少なくとも１つのピン部材によって各内側バンドセグメントに取り付けられているリーフシールと、少なくとも１つのピン部材によって各外側バンドセグメントに取り付けられているリーフシールとを含む。各内側バンドセグメントは、ピン部材と共同して対応するリーフシールに平衡支持を与えるように、その表面から延びる突出部を含む。内側バンドセグメントの各々は、該内側バンドセグメントから延びるフランジを有する第１の部分と、該第１の部分と対向する第２の部分と、第１の端部と、該第１の端部と対向する第２の端部とを更に含み、上記表面は、第１および第２の端部の間でかつ第１及び第２の部分の間で延びている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
さて、図面において同一の符号は図を通して同じ要素を示しているが、その図面を詳細に参照すると、図１は、直列に流体連通した状態で、通常のファン１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを有する例示的なターボファン・ガスタービンエンジン１０を示す。燃焼器１６は、従来通りの方法で燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、高圧タービンノズル組立体１８を通して燃焼器から吐出され、この燃焼ガスは該高圧タービンノズル組立体から通常の高圧タービン２０に流れ、次いで通常の低圧タービン２２に流れる。高圧タービン２０は、適当なシャフト２４を介して高圧圧縮機１４を駆動し、一方、低圧タービン２２は、別の適当なシャフト２６を介してファン１２を駆動するが、これら全ては長手方向即ち軸方向の中心軸線２８の周りに同軸に配置されている。
【０００９】
次に図２及び図３を参照すると、タービンノズル１８は、複数の円周方向に隣接するノズルセグメント３０を含み、該ノズルセグメント３０は集合して完全な３６０度の組立体を形成するのが好ましいとういことが理解されるであろう。各ノズルセグメント３０は、弧状の半径方向外側バンドセグメント３４及び弧状の半径方向内側バンドセグメント３６に結合された２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置された翼形部３２を有することが好ましい。より具体的には、各翼形部３２は、その表面が外側バンドセグメント３４に隣接して位置する外側壁３８と、その表面が内側バンドセグメント３６に隣接して位置する内側壁４０と、外側壁３８から内側壁４０まで延びる前縁４２と、外側壁３８から内側壁４０まで延びる後縁４４と、翼形部３２の正圧側面上を前縁４２から後縁４４まで延びる凹面形表面４６と、翼形部３２の負圧側面上を前縁４２から後縁４４まで延びる凸面形表面４８をと含む。複数のインサート入口５０が、空気が冷却のために翼形部３２の内部に供給されるように、内側バンドセグメント３６（図３及び図４参照）及び外側バンドセグメント３４（図示せず）の内部に設けられる。
【００１０】
リーフシール５２及び５４は、それぞれ各外側バンドセグメント３４及び各内側バンドセグメント３６の前方又は上流部分に隣接して取り付けられることが更に分かるであろう。より具体的には、図３及び図４の各内側バンドセグメント３６に関して見られるように、リーフシール５４は、該リーフシール５４を貫通して配置されかつ対応するラグ６０の内部に保持された少なくとも１つのピン部材５８によって内側バンドセグメント３６の第１の部分５６（上流又は前方部分としても知られる）に取り付けられるのが好ましい。各内側バンドセグメント３６は、第１の端部６２及び第２の端部６４を含み、第１の部分５６が、第１及び第２の端部６２及び６４の間で延び、第２の部分６６（下流又は後方部分としても知られる）が、第１の部分５６と対向して配置され、第１及び第２の端部６２及び６４の間で延びており、また表面６８が第１及び第２の端部６２及び６４の間でかつ第１及び第２の部分５６及び６６の間で延びている。
【００１１】
表面６８は、それを貫通してインサート入口５０が設けられているので、連続していないことが分かるであろう。従って、ラグ６０は、一般的に第１及び第２の端部６２及び６４のうちの１つに隣接して、また非対称な配列の中央位置７０に配置されることになるが、その理由は、このような区域はその上にこのようなラグ６０を設置する材料を備えているからである。このことは、ガスタービンエンジン１０の低出力運転のような時に、ピン／ラグ連結が全くないリーフシール５４の端部７２上に、ある種のカンチレバー力が加わる原因となる。本明細書に示すように、このようなカンチレバー力は、振動及び圧力変動と組合わさって、リーフシール５４の脱離を引き起こす可能性がある。このことが起こるのを防止するために、本発明は、ピン部材５８と共同してリーフシール５４に平衡支持を与えるように、表面６８から延びる少なくとも１つの突出部材７４、本明細書中では別の呼び方もしている突出部を設置することを含む。この機能を達成するためには、突出部７４は、内側バンドセグメント３６にわたって実質的に対称的になるように、ピン部材５８及びラグ６０に対してほぼ等距離に配置されることが好ましい。
【００１２】
内側バンドセグメント３６の第１の部分５６は、それから延びるフランジ７５を含むことが図３及び図５から分かるであろう。リーフシール５４は、全体をフランジ７５に当てて配置されており、このフランジ７５は、リーフシール５４が第１の（上流）方向に移動するのを防止するが、前述のカンチレバー力がリーフシール５４に加わった場合に、反対（下流）方向に移動するのは防止しない。従って、リーフシール５４が特定量より多くフランジ７５から遠ざかる方向に移動するのを制限するように、突出部７４は、フランジ７５と所定の間隔を置いた関係で表面６８上に設置されるのが好ましい。突出部７４は、図５に見られるように該突出部が表面６８から所定の距離だけ延びるように、厚さ７６を有することが分かるであろう。突出部７４は、所定の幅７８を有するのが好ましく、そのため表面６８を横切って反対側端部に向かう第１の方向に所定の量だけ延びることになる。同様に、突出部７４は、所定の長さ８０を有するのが好ましく、そのため表面６８を横切って第２の部分６６に向かう第２の方向に所定の量だけ延びることになる。
【００１３】
突出部７４は、何らかの構成又は形状（例えば、長方形、三角形、又は多角形）を備えていれば、それでもリーフシール５４に支持を与えるという目的に役立つことができるが、突出部７４は、フランジ７５と実質的に平行な関係にあるほぼ平坦な表面を有する、フランジ７５の最も近くに設置された部分８２を含むのが好ましい。重量の問題を突出部７４の性能に対して釣り合わせるために、部分８２の平坦な表面は、ラグ表面８４の表面積より少ない表面積、好ましくはそのようなラグ表面８４のおよそ２５〜５０％の表面積を有するのが好ましい。突出部７４の重量は、内側バンドセグメント３６の全体重量と比較して最小限になっていることが更に分かるであろう。
【００１４】
内側バンドセグメント３６の表面６８上に突出部７４を配置するために、このような突出部７４は、該内側バンドセグメント３６の一体部分としてその表面６８上に鋳造されることができることが分かるであろう。それに代えて、既に稼動中のそれらタービンノズルセグメント３０の場合には、突出部７４は、溶接、ろう付け、又は他の類似の方法により表面６８に取り付けることができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態を示しかつ説明してきたが、当業者は、タービンノズルセグメント３０、特に内側バンドセグメント３６及び突出部７４の別の適用構造を本発明の技術的範囲から離れることなく適当な変更により達成することができる。特に、本明細書中に記載しかつ請求した技術思想は、外側バンドセグメント３４に対して或いはそれぞれ内側及び外側バンドセグメント３６及び３４に沿った様々な位置で用いることができるが、それでもなお本発明に含まれることを理解されたい。
【００１６】
なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるタービンノズルを含むガスタービンエンジンの断面図。
【図２】 図１に示すタービンノズルの拡大部分断面図。
【図３】 本発明による内側バンド部分を含む、図２に示すタービンノズルのセグメントの底面斜視図。
【図４】 図３に示すタービンノズルセグメントの端面図。
【図５】 図３及び図４に示すタービンノズルセグメントの側面図。
【符号の説明】
１８ タービンノズル組立体
３２ 翼形部
３４ 外側バンドセグメント
３６ 内側バンドセグメント
４２ 前縁
４４ 後縁
４６ 凹面形表面
４８ 凸面形表面
５２、５４ リーフシール
５６ フランジ部分
５８ ピン部材
６０ ラグ
７４ 突出部

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン（１０）のタービンノズル（１８）を支持するために用いられる環状のバンドセグメント（３４、３６）であって、
   （ａ）第１の端部（６２）及び該第１の端部と対向する第２の端部（６４）と、
   （ｂ）前記第１及び第２の端部（６２、６４）の間で延びるフランジ部分（５６）と、
   （ｃ）前記第１及び第２の端部（６２、６４）の間で延び、前記フランジ部分（５６）と対向する第２の部分（６６）と、
   （ｄ）前記第１及び第２の端部（６２、６４）の間でかつ前記フランジ部分（５６）と前記第２の部分（６６）との間で延び、少なくとも１つの入口（５０）が形成されている表面（６８）と、
   （ｅ）ピン（５８）を受け入れてリーフシール（５２／５４）を前記バンドセグメント（３４／３６）に取り付けるための、前記フランジ部分（５６）に隣接して配置されている少なくとも１つのラグ（６０）と、
   （ｆ）前記表面（６８）から延びる少なくとも１つの突出部（７４）と、
   を含み、
   前記突出部（７４）は、前記フランジ部分（５６）と実質的に平行な関係にあるほぼ平坦な表面を有する部分（８２）を含み、
   前記ほぼ平坦な表面部分（８２）は前記ラグ（６０）の表面（８４）のおよそ２５〜５０％の表面積を有し、これにより前記突出部（７４）が前記バンドセグメント（３４／３６）に取り付けられた前記リーフシール（５２／５４）に平衡支持を与えるのを助けることを特徴とするバンドセグメント（３４、３６）。
2. 前記突出部（７４）は、カンチレバーとしての前記ピン（５８）が存在しない前記リーフシール（５２／５４）の部分（７２）上に加わった力の影響によって前記リーフシール（５２／５４）が所定の量を越えて移動するのを制限するように、前記第１及び第２の端部（６２、６４）のうちの１つに隣接して前記表面（６８）上に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。
3. 前記突出部（７４）は、前記バンドセグメント（３４／３６）の前記フランジ部分（５６）と所定の間隔を置いた関係で、前記表面（６８）上に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。
4. 前記突出部（７４）は、前記表面（６８）から所定の量（７６）だけ延びていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。
5. 前記突出部（７４）は、前記表面（６８）を横切る第１の方向に所定の量だけ（７８）延びていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。
6. 前記突出部（７４）は、前記表面（６８）を横切って前記第２の部分（６６）に向かう第２の方向に所定の量（８０）だけ延びていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。
7. 前記突出部（７４）は、前記バンドセグメント（３４／３６）の一体部分として前記表面（６８）上に鋳造されていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。
8. 前記突出部（７４）は、前記バンドセグメント（３４／３６）の前記表面（６８）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドセグメント（３４／３６）。

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