(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの外殻をなすケーシングと、
前記ケーシング内に設けられたタービンの動翼と、
前記ケーシング側に固定され、前記動翼の先端と規定のクリアランスを隔てて対向することで、前記動翼との間でのシール性を維持する円環状のシュラウドと、を備え、
前記シュラウドは、当該シュラウドを周方向に分割してなる複数の分割セグメントからなり、
前記分割セグメントにおいて前記動翼の先端に対向する対向面が、常温では凹凸面とされ、前記ガスタービンを作動させた状態では、前記動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てた円弧面とされていることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記凹凸面は、前記対向面に機械加工を施すことで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記対向面にコーティング層が形成され、当該コーティング層に前記凹凸面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項４】
前記分割セグメントは、当該分割セグメントを前記ケーシング側に係止するフック部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項５】
前記フック部が、前記分割セグメントにおいて周方向の両端部のみに形成されていることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
【請求項６】
前記シュラウドと前記ケーシングとの間に、断熱層が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項７】
ガスタービンの外殻をなすケーシングに固定され、前記ケーシング内に設けられたタービンの動翼の先端と規定のクリアランスを隔てて対向することで、前記動翼との間でのシール性を維持する円環状のシュラウドを周方向に分割してなる分割セグメントであって、
前記動翼の先端に対向する対向面が、常温では凹凸面とされ、前記ガスタービンを作動させた状態では、前記動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てた円弧面とされていることを特徴とする分割セグメント。
【請求項８】
請求項７に記載の分割セグメントの形成方法であって、
前記分割セグメントにおいて前記動翼の先端に対向する対向面について、前記ガスタービンを作動させた状態において前記動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てる円弧面とし、当該円弧面が常温に戻ったときの形状を示すデータを有限要素法解析により求めるステップと、
求められた前記データに基づき、常温において、前記分割セグメントの前記対向面を前記常温に戻ったときの形状に加工するステップと、
を備えることを特徴とする分割セグメントの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機のエンジン等に用いられるガスタービン、およびそれに用いる分割セグメント、分割セグメントの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、空気を圧縮機で圧縮して高温・高圧の圧縮空気とし、燃焼器においてこの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを生成する。そして、この高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送り込み、これがタービン内で膨張することで主軸を回転させ、駆動力を得る原動機である。
ガスタービンの内部は、起動時においては、１３００℃といった非常に高温となっており、車室ケーシングの外部の常温との間で、大きな温度差が生じている。
これにともない、車室ケーシングや、ガスタービンを構成する各種の部品には熱応力による変形が生じることがあり、これに対する様々な対策が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
ところで、図６に示すように、ガスタービン１においては、タービン２の動翼３と、車室ケーシング側に固定的に設けられたタービンケース４との間において、シール性を確保するために、タービンケース４の内壁部に環状のチップシュラウド５が設けられているものがある。このチップシュラウド５の内周面５ａが、動翼３の先端３ａと、微小なクリアランスＣを隔てて対向することで、動翼３とチップシュラウド５の間から燃焼ガスが漏れるのを防ぐのである。
【０００４】
チップシュラウド５は、組み立て上の理由から、チップシュラウド５を周方向に複数に分割してなるリングセグメント６から構成されている。
図７に示すように、リングセグメント６は全体として円弧状をなしている。そして、リングセグメント６において、タービンケース４に対向する側（外周側）には、タービンケース４に係止されるフック部７、８が一体に形成されている。フック部７、８は、それぞれガスタービン１の周方向に沿って複数が互いに間隔を隔てて形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１４４６１７号公報
【特許文献２】実開昭５９−１７２２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなリングセグメント６に対しては、運転時には、動翼３に対向する対向面６ａ側は、燃焼ガスと接するために耐熱コーティングを施していたとしても１０００℃程度の高温になる一方、タービンケース４は冷却され５００℃程度の温度となるためタービンケース４に対向する側は５００℃強の温度となる。
これによって作用する熱応力により、チップシュラウド５を構成する各リングセグメント６、および、その内周面６ａは、図７（ｂ）に示すように、周方向（ガスタービン１の周方向）において不均一に変形する。これは、動翼３に対向する内周面６ａ側と、フック部７、８が形成されている側（外周側）との温度差（フック部７、８が形成されている側では、フック部７、８を通してタービンケース４側に熱が逃げることにより発生する温度差）に起因した熱伸び差が内周側と外周側との間に生じる。ここで、図７（ｂ）は後述する切り欠き９を便宜上設けていない場合の運転時における内周面６ａの変形形状を示している。
さらに、リングセグメント６には熱応力対策として切り欠き９が設けられることが通常であるが、このリングセグメント６の周方向において、フック部７、８が形成されている箇所と、互いに隣接するフック部７、８の間に存在する切り欠き９の部分とでは、機械的特性（剛性や熱容量など）も異なる。その結果、図７（ｃ）に示すように、リングセグメント６の周方向において、フック部７、８が形成されている箇所に対し、互いに隣接するフック部７、８の間に存在する切り欠き９の部分において、変形量が小さくなる。これに伴い、図８に示すように、チップシュラウド５（リングセグメント６）と動翼３のクリアランスＣも、周方向において不均一となる。なお、運転中にチップシュラウド５と動翼３とが接触する事故を未然に防止するために、この周方向における不均一量を設計マージンとして確保しておく必要があり、結果として、クリアランスＣを大きくしなければならなかった。しかし、チップシュラウド５と動翼３のクリアランスＣは、ガスタービン１の燃費・性能に直結するため、クリアランスＣを均一化して、かつ、小さくするのが好ましい。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、チップシュラウドと動翼とのクリアランスを周方向において均一化してクリアランスを小さくし、ガスタービンの性能を向上させることのできるガスタービン、分割セグメント、分割セグメントの形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもと、本発明のガスタービンは、ガスタービンの外殻をなすケーシングと、ケーシング内に設けられたタービンの動翼と、ケーシング側に固定され、動翼の先端と規定のクリアランスを隔てて対向することで、動翼との間でのシール性を維持する円環状のシュラウドと、を備え、シュラウドは、当該シュラウドを周方向に分割してなる複数の分割セグメントからなり、分割セグメントにおいて動翼の先端に対向する対向面が、常温では凹凸面とされ、ガスタービンを作動させたときには動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てる円弧面とされていることを特徴とする。
このように凹凸面を形成しておくことで、対向面は、ガスタービンを作動させて高温状態となったときに動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てる円弧面となる。
このような凹凸面は、対向面に機械加工を施すことで形成することができる。また、対向面にコーティング層を形成し、当該コーティング層に凹凸面を形成することもできる。
【０００９】
分割セグメントはいかなる構成のものであってもよいが、当該分割セグメントをケーシング側に係止するフック部が形成されたものとすることができる。この場合、フック部は、分割セグメントの全体において、周方向に間隔を隔てて複数設けることもできるが、分割セグメントにおいて周方向の両端部のみに形成することもできる。
【００１０】
また、シュラウドとケーシングとの間に、断熱層を設けても良い。
【００１１】
また、本発明は、ガスタービンの外殻をなすケーシングに固定され、ケーシング内に設けられたタービンの動翼の先端と規定のクリアランスを隔てて対向することで、動翼との間でのシール性を維持する円環状のシュラウドを周方向に分割してなる分割セグメントであって、動翼の先端に対向する対向面が、常温では凹凸面とされ、ガスタービンを作動させた状態では、動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てた円弧面とされていることを特徴とする分割セグメントとすることもできる。
【００１２】
さらに、本発明は、上記したような分割セグメントにおいて動翼の先端に対向する対向面について、ガスタービンを作動させた状態において動翼との間で周方向に一定のクリアランスを隔てる円弧面とし、この円弧面が常温に戻ったときの形状を示すデータを有限要素法解析により求めるステップと、求められたデータに基づき、常温において、分割セグメントの対向面を常温に戻ったときの形状に加工するステップと、を備えることを特徴とする分割セグメントの形成方法とすることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガスタービンの作動状態において、動翼に対するチップシュラウドの対向面（内周面）を円弧面とすることで、チップシュラウドと動翼とのクリアランスを周方向において均一化してクリアランスを小さくし、ガスタービンの性能向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態におけるガスタービンの要部を示す断面図である。
【図２】リングセグメントを示す図であって、（ａ）側断面図、（ｂ）はタービンの軸線に直交する方向から見た図、（ｃ）は対向面（内周面）に形成した凹凸面と、ガスタービンを作動した状態における円弧面とを模式的に示す図である。
【図３】リングセグメントの他の例を示す図である。
【図４】リングセグメントのさらに他の例を示す図である。
【図５】リングセグメントとケーシングとの間に断熱層を形成した例を示す断面図である。
【図６】従来のガスタービンにおけるチップシュラウドを示す断面図である。
【図７】従来のリングセグメントを示す図であって、（ａ）側断面図、（ｂ）は、切り欠き無の場合における熱影響によるリングセグメントの変形状態を、タービンの軸線に直交する方向から見た模式図、（ｃ）は、切り欠き有の場合における機械的特性を加味したリングセグメントの変形状態を、タービンの軸線に直交する方向から見た模式図である。
【図８】従来のリングセグメントの変形量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるガスタービン１０の要部を説明するための図である。
ガスタービン１０は、その外殻をなす車室ケーシング内に、空気の流れの上流側から下流側に向かって空気取入口、圧縮機、燃焼器、タービン１１が設けられている。そして、空気取入口から取り込まれた空気は圧縮機によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器へ送り込まれる。燃焼器では、この圧縮空気に燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン１１に噴射され、タービン１１内で膨張してタービン１１を回転させる。タービン１１の回転エネルギーにより、ガスタービン１０の主軸に連結された圧縮機翼等が駆動される。
【００１６】
さて、このようなガスタービン１０において、タービン１１の軸方向に間隔を隔てて、タービン１１に一体的に設けられたタービンディスク１２が複数設けられている。そして、各タービンディスク１２の外周側には、動翼１３が一体的に設けられている。
【００１７】
動翼１３と、車室ケーシング側に固定的に設けられたタービンケース１４との間において、シール性を確保するために、タービンケース１４の内壁部に動翼１３の外周側に位置する円環状のチップシュラウド１５が設けられている。このチップシュラウド１５の内周面１５ａが、動翼１３の先端１３ａと、例えば０．５ｍｍ以下のクリアランスＣを隔てて対向することで、動翼１３とチップシュラウド１５の間から燃焼ガスが漏れるのを防ぐ。特に小型の航空機用のタービンでは０．１ｍｍ単位でのクリアランス管理を実施しており、０．１ｍｍ単位でのクリアランス低減が重要である。
【００１８】
チップシュラウド１５は、チップシュラウド１５を周方向に複数に分割してなるリングセグメント（分割セグメント）１６から構成されている。図２に示すように、各リングセグメント１６は円弧状をなしており、複数のリングセグメント１６を互いに連結することで、円環状のチップシュラウド１５を構成する。
【００１９】
各リングセグメント１６は、タービンケース１４に対向する側（外周側）に、タービンケース１４に設けられた係止部１４ａ、１４ｂに係止されるフック部１７、１８が一体に形成されている。ここで、係止部１４ａ、１４ｂ、フック部１７、１８の形状については何ら限定するものではなく、図示したもの以外の適宜の形状・構造とすることを許容する。
このようなフック部１７、１８は、それぞれガスタービン１０の周方向に沿って複数が互いに間隔を隔てて形成され、周方向において互いに隣接するフック部１７、１８間には、切り欠き１９が形成されている。
【００２０】
このようなリングセグメント１６において、動翼１３に対向する対向面（内周面）１６ａは、全体として円弧状をなしている。
さらに、本実施形態では、リングセグメント１６の対向面１６ａには、凹凸面２０が形成されている。この凹凸面２０は、ガスタービン１０が起動してタービン１１を高温の燃焼ガスが通過した状態のときに、タービン１１の中心に対して同心円弧状をなした円弧面２０Ｃを形成し、動翼１３の先端１３ａに対し、周方向において一定のクリアランスＣを隔てて対向するよう形成されている。
【００２１】
このような凹凸面２０は、リングセグメント１６の対向面１６ａに、直接機械加工を施すことで形成しても良いし、耐熱耐酸化コーティング等のコーティング層を形成し、このコーティング層に形成しても良い。
凹凸面２０は、まず、リングセグメント１６の対向面１６ａについて、ＦＥＭ（有限要素法）解析により、高温状態（ガスタービン１０が起動してタービン１１を高温の燃焼ガスが通過した状態のとき）でのリングセグメント１６の対向面１６ａの表面形状と、常温状態（凹凸面２０を形成するときの周囲雰囲気温度状態）での表面形状の差を解析し、この差から高温状態に円弧面２０Ｃが形成されるための常温状態での形状を算出して決定される。
そして、解析により得られた表面分布のデータに基づき、常温において、リングセグメント１６の対向面１６ａに、機械加工等により凹凸面２０を形成するのである。
【００２２】
このようにして、リングセグメント１６においた動翼１３に対向する対向面１６ａに、凹凸面２０を形成しておくことで、ガスタービン１０が起動してタービン１１を高温の燃焼ガスが通過した状態のときには、リングセグメント１６の対向面１６ａが、動翼１３の先端１３ａに対して周方向に一定のクリアランスＣを隔てて対向する円弧面２０Ｃとなる。これにより、クリアランスＣを、周方向不均一変形分のマージンを排除した状態で設計できるため、従来以上に狭めることが可能となり、ガスタービン１０の燃費・性能を向上させることが可能となる。
【００２３】
なお、上記実施形態において、フック部１７、１８の具体的な形状や設置数、設置間隔については、何ら限定する意図はない。
例えば、図３に示すように、フック部１７、１８を、図２に示した構成よりも、周方向に大きな間隔を隔てて形成し、切り欠き１９の周方向の長さを大きくしても良い。
【００２４】
また、図４に示すように、フック部１７、１８を、リングセグメント１６の周方向両端部のみに設けるようにしても良い。この場合、図２や図３の例よりも、フック部１７、１８の設置数を減らすことで、タービンケース１４側に逃げる熱量を抑えることができ、フック部１７、１８のガスタービン１０の半径方向における温度差を低減することができる。さらに、フック部１７、１８の数を図２や図３の例よりも少なくすることで、リングセグメント１６の剛性が小さくなり、リングセグメント１６の周方向中間部１６ｃ、つまり両端のフック部１７、１８の間の部分における剛性が全体的に低くなり、この部分における不均一な変形を抑えることもできる。
【００２５】
また、図５に示すように、タービンケース１４とリングセグメント１６との間に、タービンケース１４やリングセグメント１６よりも熱伝導率が低く、かつ必要十分な機械強度を有した材料、例えばセラミック、発泡系金属、耐熱コーティング等、からなる断熱層３０を挟み込むこともできる。
これにより、リングセグメント１６からタービンケース１４に逃げる熱量を抑え、周方向に不均一な温度分布、周方向に不均一な変形が生じるのを抑えることができる。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、リングセグメント１６に凹凸面２０、断熱層３０を設ける構成について説明したが、ガスタービン１０のそれ以外の部分についてはいかなる構造としても良い。
また、図２（ｃ）において、対向面１６ａに形成する凹凸面２０を示したが、これは、凹凸を強調して示した模式図に過ぎず、その形状については図示したものに何ら拘束されるものではなく、実際の解析に基づいた形状とするものであるのは言うまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…ガスタービン、１１…タービン、１３…動翼、１３ａ…先端、１４…タービンケース、１５…チップシュラウド、１５ａ…内周面、１６…リングセグメント（分割セグメント）、１６ａ…対向面（内周面）、１７、１８…フック部、２０…凹凸面、２０Ｃ…円弧面、３０…断熱層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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