JP5345370B2 - ターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機またはタービンのケーシング上で当接する形で円周方向にフック掛けされたリングセクターによって形成された円筒状リングもしくは円錐台形状リング内で回転する羽根ディスクを備えた、航空機のターボジェットまたはターボジェットプロップなどの、特にターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段に関する。

各リングセクターはその一方の端部に円周方向のフランジを備える。円周方向のフランジは、ケーシングレール上とリングセクターの円周フランジ上とに軸方向に係合された、実質的にＣ字形状の横断面の弾性ロックによってケーシングの環状レール上に半径方向に締め付けられている。

このロックには、円周方向に方向付けされた２つの平行の壁、即ちそれぞれ内壁と外壁であって一方が他方の内側に延在し、実質的に半径方向の壁によって一緒に連結された壁が設けられている。ロックの内壁と外壁とはそれぞれ、リングセクターのフランジ上とケーシングレール上とに半径方向の支持手段または支承手段を備える。ロックは半径方向の予荷重をもってセクターのフランジ上とケーシングレール上とに係合されている。ターボ機械のアイドル状態では、ロックの内壁と外壁は、ロックの実質的に全幅または全角度範囲に沿って、リングセクターのフランジ上とケーシングレール上とに半径方向に支承されている。

動作状態では、半径方向の比較的大きな温度勾配が各リングセクター内に現れ、これによってこのリングセクターの「非反らせ化（ｄｉｓｃａｍｂｅｒｉｎｇ）」が引き起こされる。この現象はさらにリングセクターの曲率半径の増大をもたらし、これによってロックの壁とリングセクターのフランジおよびケーシングレールとの間の半径方向の支承面が縮小する。これらの部片間の支承領域は本質的にロックの外壁の端部分とケーシングレールとの間、ならびにロックの内壁の中間部分とリングセクターとの間に位置付けられていることが分かっている。リングセクターとケーシングレールによって伝達された応力は、最適化されていないそれらの支承領域を通過し、次いで集中領域を形成して、ロックの耐用期間を減少させうる歪みを生む。

本発明は特に、この問題に対する簡単で、効果的で、かつ費用効果の高い解決方法を提供することを目的としている。

したがって、本発明は、ケーシングによって支持されたセクター化リングによって取り囲まれた少なくとも１つの羽根ディスクを備え、かつ該セクター化リングが、ケーシングレール上とリングのフランジ上とに軸方向に係合された実質的にＣ字形状の横断面のロックによってケーシングの環状レール上に半径方向に締め付けられた円周フランジを備え、各ロックは、半径方向の壁によって連結された、円周方向に方向付けられた２つの平行な壁、即ちそれぞれ内壁と外壁を有し、ロックの内壁と外壁はそれぞれ、リングセクターのフランジ上とケーシングレール上とに半径方向の支持手段または支承手段を備え、該支承手段はロックの幅または角度範囲の一部だけに延在する、特にターボ機械用のタービンまたは圧縮機の段を提案する。

本発明によると、ロックの半径方向の支承手段は、ロックの内壁と外壁の選択された部分によって形成され、それらの部分は、ターボ機械の動作状態に関わらず、恒久的にケーシングまたはリングセクターと接触した状態になるように最適化されている。それらの部分は、動作中にケーシングレールとリングセクターのフランジとによって伝達される応力に耐えるようにうまく外形化されかつ構成されており、このことによってロックの耐用期間が増大する。

本発明の他の特徴によると、ロックの内壁と外壁はそれぞれ、軸方向により大きな寸法の少なくとも１つの部分と、軸方向により小さな寸法の少なくとも１つの部分とを備え、より大きな寸法の部分または各部分は上記半径方向の支承手段を有する。

ロックの内壁と外壁とは、半径方向の支承手段を有したロックの作動部分（より大きな軸方向寸法の）と、その非作動部分（より小さな軸方向寸法の）とを充分に引き離すように構成されている。ロックの壁のより小さな軸方向寸法の部分は、例えばそれらの壁内に設けられた鋸歯状縁部によって形成されている。例えば、こうした鋸歯状縁部は、ロックの内壁と外壁の伝達される応力も歪みの集中領域もないところから材料を除去することによって形成される。このようにすると材料は従来技術よりもロックの壁内によりうまく分配され、これによって圧縮機またはタービンの１段におけるロックの重量が著しく減少されることを可能にする。さらに、材料のこの局部化された除去は、ロックの剛性が局部的に修正されることを可能にし、動作中にロックの剛性がリングセクターの変形に適合できるようにする。

ロックの内壁および／または外壁は、例えばより小さな軸方向寸法の中間部分とより大きな軸方向寸法の端部分とを備える。

ロックの内壁と外壁がそれぞれ、１つのより小さな軸方向寸法の中間部分とより大きな軸方向寸法の端部分とを備えるとき、リングセクターとロックとの間に、ならびにケーシングレールとロックとの間に伝達される応力は、ロックの内壁と外壁の端部分に局部化される。したがって、ロックの内壁の中間部分は、半径方向に自由に変位できるようになったリングセクターのフランジに接触しない。したがって、その場合、ロックは長い耐用期間を有する。

代替え方法として、または追加の特徴として、ロックの内壁および／または外壁は、より大きな軸方向寸法の中間部分とより小さな軸方向寸法の円周端部分とを備える。

ロックの内壁が、より大きな軸方向寸法の中間部分とより小さな軸方向寸法の端部分とを備えるとき、この壁の中間部分は、リングセクターのフランジによって伝達される大きな応力に耐え、このセクターの非反らせ化を制限するように構成されている。その結果、羽根の頂部とリングセクターとの間に半径方向のバックラッシュの小さな変化がもたらされ、これによってターボ機械の性能が向上する。

ロックの各壁のより大きな軸方向寸法の部分または各部分は、ロックの幅または角度範囲の約半分、好ましくは３分の１、また例えば４分の１を占める幅または角度範囲を有することができる。

さらに、本発明は、ターボ機械用の圧縮機またはタービンであって、少なくとも１つの、上述のようなタービンまたは圧縮機の段を備えた圧縮機またはタービンに関する。

同様に、本発明は、航空機用のターボジェットまたはターボジェットプロップなどのターボ機械であって、少なくとも１つの上述のような、タービンまたは圧縮機の段を備えたターボ機械に関する。

最後に本発明は、上述のタイプのタービンまたは圧縮機の段用のロックにおいて、第３の実質的に半径方向の壁によって一方の円周縁部で連結された、円周方向に方向付けられた２つの平行な壁、即ちそれぞれ内壁と外壁を備えて、実質的にＣ字形状の横断面を有したロックであって、内壁と外壁はそれぞれ、それらの該半径方向の壁と反対側の円周縁部で、円周方向にロックの幅または角度範囲の一部、例えば少なくとも４分の１に沿って延在する少なくとも１つの鋸歯状縁部を備え、それらの壁の非鋸歯状縁部分は半径方向の支承手段を有する、ロックに関する。

非制限的な例として添付図面を参照してここに掲げる以下の説明を読めば、本発明がより完全に理解され、本発明の他の特徴、詳細、および利点がより明確になる。

従来技術によるタービン段の軸方向部分断面概略片側図である。 図１の段のロックの概略斜視図である。 図１のリングセクターの下流から見た極めて概略的な部分正面図である。 本発明によるロックの概略斜視図である。 本発明の代替え的実施形態の概略斜視図である。 本発明の代替え的実施形態の概略斜視図である。 本発明の代替え的実施形態の概略斜視図である。

最初に図１を参照すると、図１は航空機のターボジェットまたはターボジェットプロップなどのターボ機械のタービン段１０を示している。この段１０は、タービンのケーシング１６によって支持された固定羽根１４の環状列によって構成された分配器１２と、分配器１２の上流に取り付けられ、タービンのケーシング１６によって端同士を接するように円周方向にフック掛けされた複数のセクター２２から構成されたセクター化リング２０内で回転する羽根ディスク１８とを含んでいる。

分配器１２は２つの、それぞれ内側回転壁２４と外側回転壁（図示せず）とを備え、それらの壁は間にタービン内のガス環状流れを画定し、それらの壁の間で羽根１４が半径方向に延在する。分配器を固定する手段は、円筒状縁部２８に外側周囲で接続される少なくとも１つの上流半径方向のタブ２６を備え、この円筒状縁部２８は上流に方向付けられており、ケーシング１６の下流に方向付けられた環状溝３０内に係合されるように構成されている。

各リングセクター２２は、その上流端部と下流端部に、タービンのケーシング１６上にフック掛けされた円周フランジ３２、３４を備える。リングセクターのこれらの上流の円周フランジ３２は上流に方向付けられ、ケーシング１６の下流に方向付けされた円筒状フランジ３６上に係合されている。セクターの下流の円周フランジ３４は下流に方向づけされ、実質的にＣ字形状横断面のロック４０によって、ケーシングの円筒状レール３８上に半径方向に締め付けられている。ロック４０の開口部は軸方向上流に方向付けされ、ロック４０は、弾性変形によって、下流端部からケーシングレール３８上とリングセクターの下流円周フランジ３４上とに軸方向に係合されている。リングセクターの下流フランジ３４とケーシングのレール３８とは、ターボ機械のアイドル状態で実質的に同じ曲率半径を有する。

各ロック４０は、図２でより良く示しているように、平行な２つの円周壁４２、４４、即ちそれぞれ半径方向内壁と半径方向内壁とを備え、それらの壁はそれらの下流端部で半径方向の壁４６によって一緒に連結され、またそれぞれケーシングレール３８の外側部上とリングセクターの下流フランジ３４の内側部上とに係合されている。

ロック４０の半径方向の壁４６は軸方向に、レール３８およびフランジ３４の下流端部と、下流に位置付けられた分配器１２の半径方向の壁２６との間に配置されていて、これによってロック４０が軸方向下流に移動するのを、またケーシングレール３８とリングセクターのフランジ３４とから脱係合するのを防止している。

半径方向の壁４６の反対側で、ロックの外壁４２と内壁４４はそれぞれケーシングレール３８上とセクターのフランジ３４上とに支承手段を備える。外壁４２はケーシングレール３８上に内側支承面４８を備え、内壁４４は、リングセクターのフランジ３４上に外側支承面５０を備え、それらの面４８、５０はロック４０の全幅Ｌまたは全角度範囲に沿って延在する。

ロック４０は、いくらかの半径方向の予荷重をもって、ケーシングレール３８上とリングセクターの円周フランジ３４上とに係合されている。したがって、取り付けられていないロックの円周壁４２と４４との間の半径方向の間隔（ロックの開口部の半径方向寸法に対応する）は、ケーシングレール３８とセクターの下流フランジ３４の半径方向厚みの合計よりも、例えば約１０分の数ミリメートル分小さくなっている。したがってロック４０は、レール３８とセクターの下流フランジ３４とに軸方向に係合する際に、ロック４０の円周壁４２、４４の広がりに起因して半径方向に弾性変形する。ロックの取り付け位置において、ターボ機械のアイドル状態において、支承面４８、５０の全体がケーシングレール３８とセクターのフランジ３４とにそれぞれ支承されている。

動作中、リングセクター２２は半径方向に大きな温度勾配を受ける。これがリングセクターの「非反らせ化」をもたらし、曲率半径は歪みのない状態よりも長くなり、その曲率半径は、ケーシングレール３８の曲率半径よりも大きくなる。図３を参照すると、連続線で、歪みのない自由状態におけるリングセクターの、また非連続線で、「非反らせ化」された状態におけるリングセクターの、下流フランジ３４の形状および位置を示している。リングセクターの「非反らせ化」によって、リングセクターの円周フランジ３４の半径方向内向きの変位Ｊが生じる。この変位Ｊはセクターの円周寸法に従って変化し、このセクターの中間部分で最大となる。これによって、ロック４０とレール３８およびフランジ３４との間の半径方向の支承面積が変更されてしまう。ロックの内壁４４は、この壁の中間部分に位置した領域５２内でリングセクターのフランジ３４上に支承され、次いでロックの外壁４２が、この壁４２の端部分に位置した領域５４内でケーシングレール３８に支承される。その結果、リングセクターとケーシングレールによって伝達された応力は、ロックの壁の支承面４８、５０の一部分だけを通過し、これによって、それらの歪みに耐えるように構成されていないロックの対応した部分上に大きな歪みの集中が引き起こされ、ロックの耐用期間が短くなる。

本発明は、支承手段が内壁と外壁の所定部分内に位置したロックによって、これらの欠点を少なくとも部分的に克服することを可能にする。それらの所定部分は、リングセクターのフランジとケーシングレールとに恒久的に接触するように設計されている。

図４に示した実施形態では、ロックの壁１４２、１４４は、半径方向の壁１４６の反対側に鋸歯状縁部１５８を備える。鋸歯状縁部１５８は、円周方向にロックの幅Ｌの一部に延在し、軸方向により大きな寸法の部分１６０と軸方向寸法でより小さな寸法の部分１６２とを画定している。

ロック１４０の外壁１４２は、その実質的に中央の部分内に鋸歯状縁部１５８を備えており、これはより小さな軸方向寸法の中間部分１６２を形成し、より大きな軸方向寸法の他の２つの端部１６０からそれを隔てている。

ロックの内壁１４４は、その各端部に鋸歯状縁部１５８を備え、したがって、より小さな軸方向寸法の２つの端部分１６２を、より大きな軸方向寸法の中間部分１６０によって互いに隔てて形成している。

より大きな軸方向寸法の部分１６０は、ケーシングレール３８上とリングセクターのフランジ３４上とに支承手段を備える。内壁４４の中間部分１６０は、円周方向にこの部分の全寸法に沿って延在しかつリングセクターのフランジ３４の中間部分と接触するように構成された外側支承壁１５０を備える。外壁１４２の各端部分１６０は、この部分の全円周方向寸法に沿って延在しかつケーシングレール３８の対応した部分と接触するように構成された内側支承面１４８を備える。

ここに示した実施例では、鋸歯状縁部１５８はロックの壁１４２、１４４の自由円周縁部に沿って延在し、軸方向に比較的小さな深さを有する。この深さは例えば従来技術のロック４０の支承面の対応する部分を省くように規定されている。

ロックの内壁１４４の中間部分１６０は、例えばロックの幅Ｌの約３分の１を占める、円周方向の寸法ｄ１に沿って延在する。ロックの外壁１４２の端部分１６０はそれぞれ、ロックの幅Ｌの約４分の１を占める円周方向の寸法ｄ２に沿って延在する。

段用のロック１４０の支承手段のこの特別な構成では、ロックの内壁１４４の支承面１５０は、ロックの外壁１４２の支承面１４８と互い違いに配設されている。従来技術のロック４０の壁の領域５２、５４に材料が維持されて、ターボ機械の動作状態において、ケーシングレール上とリングセクターのフランジ上とに支承手段の恒久的な接触が保証される。次いでこれらの部分はフランジとレールによって伝達される応力に耐えるように合致されることが可能である。その場合、鋸歯状縁部はロックを軽くするためだけに設けられる。鋸歯状縁部は、ロックがその湾曲においてより柔軟であることをさらに可能にして、動作中にロックがリングセクターの変位にさらに従うことができるようになる。

図５で示した代替え的実施形態では、ロックの内壁２４４は図４のロック１４０の内壁と同様である。

ロックの外壁２４２はその各端部分に鋸歯状縁部２５８を備えて、より大きな軸方向寸法の壁２４２の中間部分によって互いに離隔されたより小さな軸方向寸法の２つの端部分が形成されるようになる。

内壁２４４の中間部分２６０は、リングセクターのフランジ３４の中間部分に支承される外側面２５０を備え、外壁２４２の中間部分２６０は、ケーシングレール３８の対応する部分に支承される内側面２５０を備える。

ロックの内壁２４４の鋸歯状縁部２５８は、外壁２４２上に設けられた鋸歯状縁部と実質的に同様である。ロックの内壁と外壁の中間部分２６０はそれぞれ、ロックの幅Ｌの約３分の１を占める円周方向寸法の寸法ｄ１、ｄ２’を有する。

図５で示した構成では、１つの段に対するロック１４０の支承手段は、ロックの内壁の支承面２５０がロックの外壁の支承面２５０と半径方向に位置合わせされ、それらの中間部分に位置付けられるようなものである。各ロックの中間部分は、動作時のリングセクターの非反らせ化に逆らう、次いでこのリングセクターの中間部分の半径方向内向きの変位に逆らういくらかの半径方向の予荷重をもってケーシングレール上とリングセクターのフランジ上に係合される。したがって、その場合ロックの中間部分は、動作時のリングセクターによって伝達される歪に耐えるように構成され、従来技術に対して特に強化されている。

図６で示したさらに他の代替え形態では、ロック３４０の外壁３４２は、図４のロック１４０の外壁１４８と同様である。

このロックの内壁３４４は、実質的にその中間の部分内に鋸歯状縁部３５８を備える。鋸歯状縁部３５８はより小さな軸方向寸法の中央部分を形成し、より大きな軸方向寸法の他の２つの端部分から中央部分を隔てている。

より大きな軸方向寸法の部分１６０は、ケーシングレール３８上とリングセクターのフランジ３４上とにそれぞれ支承面３４８、３５０を備える。

ロックの壁３４２、３４４の端部分３６０はそれぞれ、ロックの幅Ｌの約４分の１を占める円周方向寸法の寸法ｄ１’、ｄ２を有する。

この構成では、支承手段および半径方向の締め付け手段は、リングセクターの端部分上とケーシングレールの対応した部分上とに位置付けられている。したがって、リングセクターの中央部分はロックと接触せず、ロックに歪みを伝達せずに、ターボ機械の動作時に自由に半径方向に変位することが可能である。この場合ロックはより長い耐用期間を有する。

図５で示した実施形態と同様に、ロックの内壁の支承面３５０も、外壁の支承面３４８と半径方向に位置合わせされている。図６に示したロックの支承面３４８、３５０の数は４つであり、図５のロックの数の２つとは異なる。

図７で示した代替え的実施形態では、ロック４４０の外壁４４２は図５のロック２４０の外壁２４２と同様であり、その内壁４４４は図６で示したロック３４０の内壁３４４と同様である。

ロック４４０は図６で示したロック３４０と実質的に同じ特性を有する。ロック４４０の壁は、図４に示したロック１４０の壁と実質的に反対のまたは対向する形状である。

ロック１４０、２４０、３４０、４４０の幅Ｌは、従来技術のロック４０の幅Ｌと実質的に同様である。

１０ タービン段
１２ 分配器
１４ 羽根
１６ ケーシング
１８ 羽根ディスク
２０ セクター化リング
２２ リングセクター
２４ 内側回転壁
２６、４６、１４６ 半径方向の壁
２８ 円筒状縁部
３０ 環状溝
３２、３４、３６ 円周フランジ
３８ 円筒状レール
４０、１４０、２４０、３４０、４４０ ロック
４２、１４２、２４２、３４２、４４２ ロックの外壁
４４、１４４、２４４、３４４、４４４ ロックの内壁
４８、１４８、３４８ 内側支承面
５０、１５０、２５０、３５０ 外側支承面
５２ 内壁４４の中間部分に位置した領域
５４ 外壁４２の端部分に位置した領域
１５８、２５８、３５８ 鋸歯状縁部
１６０ より大きな軸方向寸法の部分
１６２ より小さな軸方向寸法の部分
２６０ 中間部分
３６０ ロック壁３４２、３４４の端部分

Claims (10)

1. ケーシングによって支持されたセクター化リングによって取り囲まれた少なくとも１つの羽根ディスクを備え、かつ該セクター化リングが、ケーシングレール上とリングのフランジ上とに軸方向に係合された、Ｃ字形状の横断面のロックによってケーシングの環状レール上に半径方向に締め付けられた円周フランジを備え、各ロックが、半径方向の壁によって一方の円周縁部で連結された、円周方向に方向付けられた２つの平行な壁、即ち内壁および外壁を有し、該ロックの内壁と外壁とはそれぞれ、他方の円周縁部に、円周方向における該ロックの幅または角度範囲の少なくとも４分の１を占める範囲に亘って延在する、少なくとも１つの鋸歯状縁部を備え、内壁および外壁の非鋸歯状部分に、それぞれリングのフランジまたはケーシングレールに対する半径方向の支持または支承手段を備える、タービンまたは圧縮機の段。
2. ロックの内壁および外壁のそれぞれが、軸方向により大きな寸法の少なくとも一部分と、軸方向により小さな寸法の少なくとも一部分とを備え、より大きな寸法の部分または各部分が前記半径方向の支承手段を有し、より小さな寸法の部分または各部分が前記少なくとも１つの鋸歯状縁部によって形成される、請求項１に記載の段。
3. ロックの内壁が、より小さな軸方向寸法の中間部分とより大きな軸方向寸法の端部分とを、あるいはより大きな軸方向寸法の中間部分とより小さな軸方向寸法の端部分とを備える、請求項２に記載の段。
4. ロックの外壁が、より大きな軸方向寸法の中間部分とより小さな軸方向寸法の端部分とを、あるいはより小さな軸方向寸法の中間部分とより大きな軸方向寸法の端部分とを備える、請求項２に記載の段。
5. 各ロックの壁のより大きな軸方向寸法の部分または各部分が、ロックの幅または角度範囲の約半分を占める幅または角度範囲を有する、請求項２に記載の段。
6. 各ロックの壁のより大きな軸方向寸法の部分または各部分が、ロックの幅または角度範囲の約３分の１を占める幅または角度範囲を有する、請求項２に記載の段。
7. 各ロックの壁のより大きな軸方向寸法の部分または各部分が、ロックの幅または角度範囲の約４分の１を占める幅または角度範囲を有する、請求項２に記載の段。
8. 請求項１に記載のタービンまたは圧縮機の少なくとも１つの段を備える、ターボ機械用の圧縮機またはタービン。
9. 請求項１に記載のタービンまたは圧縮機の少なくとも１つの段を備える、航空機のターボジェットまたはターボジェットプロップなどのターボ機械。
10. 第３の実質的に半径方向の壁によって一方の円周縁部で連結された、円周方向に方向付けられた２つの平行な壁、即ち内壁および外壁を備える、横断面が実質的にＣ字形状のロックであって、内壁と外壁とがそれぞれ、他方の円周縁部に、円周方向における該ロックの幅または角度範囲の少なくとも４分の１を占める範囲に亘って延在する、少なくとも１つの鋸歯状縁部を備え、内壁および外壁の非鋸歯状部分が半径方向の支承手段を有する、請求項１に記載のタービンまたは圧縮機の段用のロック。

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