(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向軸を中心として配設された環状流路と、
ロータアッセンブリと、ステータアッセンブリと、を有し、前記ロータアッセンブリは、径方向外側に向かい、かつ、前記流路を通して延びた複数の回転ブレードを有する回転ディスクを有し、かつ、前記ステータアッセンブリは、前記ロータアッセンブリの径方向外側流路面を形成するとともにシュラウドセグメントを有しているガスタービンエンジンにおいて、前記シュラウドセグメントは、前記外側流路面を画成するとともに、そのシュラウドセグメントから延びた少なくとも一つのフックを有しており、さらに前記フックは取り付けた状態で前記シュラウドセグメントを保持するように前記ステータアッセンブリに係合しているものであって、このフックは前記シュラウドセグメントから外側に向かって延びた第一の部分と、この第一の部分から外側に向かって延びた第二の部分と、を有しており、この第二の部分は、上記ステータアッセンブリに相対して前記シュラウドセグメントを位置決めするように係合しうる位置決め面と、前記シュラウドセグメントを保持するように前記ステータアッセンブリに係合しうる支持面と、前記支持面から前記位置決め面にまで延びたアンダーカット面と、を有していて、前記ガスタービンエンジンの運転中は、前記アンダーカット面が前記ステータ構造体から離間するよう前記支持面からオフセットしていることを特徴とするガスタービンンジン用シュラウドセグメント。
【請求項２】
前記第一の部分は、前記シュラウドセグメントから径方向に延びており、前記第二の部分は、取り付けた状態で前記第一の部分から軸方向に延びており、前記位置決め面は、前記ステータ構造体内において上記シュラウドセグメントを軸方向に位置決めしているとともに、前記支持面は、前記シュラウドセグメントを前記ステータ構造体内において、前記ガスタービンエンジンの運転中に生じている径方向に向いた力に対抗するように保持しており、かつ、前記アンダーカット面は、前記ステータ構造体から径方向に離間してい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。
【請求項３】
前記第一の部分は、取り付けた状態でシールと係合しうるシール基部を有しており、このシールは、前記シール基部から前記ステータ構造体にまで延びていて、前記シュラウドセグメントと前記ステータ構造体との間に流体が流れないようにしており、前記シールは、取り付けた状態で前記第二の部分が、前記シール上側に延びてシール対向面を画成するように前記第一の部分を、前記ステータ構造体から離間させており、かつ、前記シール対向面は、前記第一の部分と前記支持面との間に延びてい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。
【請求項４】
前記シュラウドセグメントは、さらに、前記シュラウドセグメントの少なくとも一つの縁に沿って配列された複数のフックを有してい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。
【請求項５】
前記フックの軸方向部分は、取り付けられた前記シュラウドセグメントの前記軸と、前記径方向と、に関して測定して、幅Ｗを有しており、前記第二の部分は、前記第一の部分に隣接している側の前記第二の部分の幅Ｗが、前記位置決め面に隣接する側の第二の部分の幅Ｗよりも大きくなるようにテーパが付けられてい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。
【請求項６】
前記複数のフックは、前記シュラウドセグメントの前縁に沿って配設された第一のセットと、前記シュラウドセグメントの後縁に沿って配設された第二のセットと、を有していることを特徴とする請求項４に記載のシュラウドセグメント。
【請求項７】
長手方向軸を中心として配設された環状流路と、
ロータアッセンブリと、ステータアッセンブリと、を有し、前記ロータアッセンブリは、径方向外側に向かい、かつ、前記流路を通して延びた複数の回転ブレードを有する回転ディスクを有し、かつ、前記ステータアッセンブリは、前記ロータアッセンブリの径方向外側流路面を形成しているとともに、シュラウドセグメントと、シールと、を有しており、前記シュラウドセグメントは径方向外側流路面を画成しているとともに、複数のフックを有していて、この複数のフックはさらに、支持体の前縁に沿って配設された第一のセットと、前記支持体の後縁に沿って配設された第二のセットと、を有しており、前記フックは、それぞれ前記シュラウドセグメントから径方向に延び、かつ、フックが、前記ステータアッセンブリに係合して前記シュラウドセグメントを保持しており、前記フックは、それぞれ前記シュラウドセグメントから径方向に延びた第一の部分と、前記第一の部分から径方向に延びた第二の部分を有していて、前記第一の部分は、取り付けた状態で前記シールと係合しうる軸方向に向いた基部を有しており、その係合により前記シュラウドセグメントと前記ステータアッセンブリの間に流体が流れないようにしており、かつ、前記第二の部分は、前記ステータアセンブリに相対して前記シュラウドセグメントを軸方向に位置決めするための前記ステータアッセンブリと係合しうる位置決め面と、前記シュラウドセグメントを径方向に保持するために前記ステータアッセンブリと係合しうる支持面と、前記支持面から前記位置決め面へと延びたアンダーカット面と、前記第一の部分と前記支持面との間に延びたシール対向面と、を有しており、前記ガスタービンエンジンの運転中は、前記アンダーカット面が前記ステータ構造体から離間するよう前記支持面からオフセットしていることを特徴とするガスタービンエンジン用シュラウドセグメント。
【請求項８】
前記フックの前記第二の部分は、取り付けられた前記シュラウドセグメントの前記軸と、径方向と、に関して測定して、幅Ｗを有しており、前記第二の部分は、前記第一の部分に隣接している側の前記第二の部分の幅Ｗが、前記位置決め面に隣接している側の第二の部分の幅Ｗよりも大きくなるようにテーパが付けられていることを特徴とする請求項７に記載のシュラウドセグメント。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ガスタービンエンジン用シュラウドセグメントに関し、より詳細には、上記シュラウドセグメントから延びた１つ以上のフックによって、上記ガスタービンエンジンのステータ構造体に保持されているシュラウドセグメントに関する。
発明の背景
典型的な軸流ガスタービンエンジンは、長手方向軸を中心として連なって配置されているコンプレッサと、燃焼機と、タービンと、を有している。上記コンプレッサに流入した作動流体は、複数の列となった回転ブレードと相互に作用する。この様な相互の作用により、上記液体にはエネルギーが与えられる。上記コンプレッサから排出される圧縮された作動流体は、上記燃焼機に入り、この燃焼機内で燃料と混合されて着火される。上記加熱されたガスは、上記燃焼機から排出され、上記タービンに流れて行く。上記タービンは、また、複数の列となった回転ブレードを有しており、流れる上記加熱流体からエネルギーを引き出している。
上記ガスタービンエンジンの効率を最大とするために、多くのステップが設けられている。上記タービンでは、それぞれの回転しているタービンブレードは、翼を有していて、この翼は、上記ガスと相互に作用を行い、かつ、上記ガスと上記タービンブレードとの間で効率よくエネルギーの移動を行わせるようになっている。それぞれのタービンブレード列の直上流のタービンブレードは、静翼（ベーン）列となっている。上記複数のベーンは、上記流れを、方向づけており、この流れと、下流側のタービンブレードとの間の相互作用を、最適なものとするようになっている。上記翼の径方向内側にあり、隣接した翼の間に延びているのは、内側プラットフォームである。上記内側プラットフォームは、径方向内側流路面を画成していて、上記加熱ガスが径方向内側へと流れて、上記翼のまわりから逃げてしまわないようにしている。これに対応する径方向外側流路面は、タービンシュラウドによって画成されている。上記外側流路面は、上記翼の径方向外側先端部に径方向において極近接していて、上記翼の径方向外側を流れてしまう量を低減させている。
典型的なタービンシュラウドは、複数のアーチ型セグメントから形成されており、これらのアーチ型セグメントは、周方向に離間していて環状構造体を形成している。各セグメントは、支持体と、上記支持体上に延びている流路面と、上記ブレード列の外側の上記ステータアッセンブリに上記セグメントを保持するための手段と、を有している。保持手段としては通常２つのタイプのものが知られている。第一のものは、軸方向に上記セグメントのエッジに沿って延び、かつ、上記支持体から外側に向かって延びているレールを挙げることができる。上記レールは、上記ステータアッセンブリ内のスロットに連結するリップを有している。これとは別のタイプのものは、軸方向に上記セグメントのエッジに沿って離間し、かつ、上記支持体から外側に向かって延びている複数のフックである。上記これらのフックは、また、上記ステータアッセンブリ内に連結されて上記複数のセグメントを保持するようになっている。上記複数のフックの効果としては、上記セグメントの柔軟性にあり、この柔軟性は、上記セグメントの長さにわたるレールを有していないことによる。その効果としては、上記複数のフックは、上記レールをセグメント化したものであって、上記隣接したフックの間の離間が、さらなる柔軟性を付与することを挙げることができる。上記フックの欠点は、同一の加重を支持させるためには上記フックが上記レールに比べて相対的に大きな断面を有さなければならないことにある。このような大きなサイズとしなければならないことは、レールではなくフックを用いて得られる柔軟性を制限してしまうことになっていた。
複数の上記レールと複数の上記フックの別の効果としては、上記ステータアッセンブリ内において、上記セグメントを軸方向に適切に位置決めできることにある。上記目的のため、上記複数のフック又は上記複数のレールの軸方向に向いた面は、軸方向を規制する位置決め面として用いることができる。上記位置決め面は、対応する面と共働して上記ステータ構造体内において上記セグメントの軸方向の運動を規制するようになっている。
上記ガスタービンエンジンの運転中には、上記複数のセグメントの上記流路面は、上記タービンを流れる加熱されたガスに晒されることになる。上記タービン内部の極めて高い温度に耐えるように、上記セグメントは、断熱コーティングといった分離層によって被覆されており、また、冷却流体が、上記セグメントの径方向外側面を流れて行くようにされていても良い。上記冷却流体は、典型的には上記コンプレッサから抽気された流体であり、この流体は、燃焼プロセスを迂回したものである。上記流路内に上記冷却流体が確実に流れるようにするとともに、加熱ガスが外側に向かって流れないように、上記冷却流体は、上記ガスタービンシュラウドの上記流路面上を流れる上記加熱ガスよりも高い圧力とされている。このような高圧の冷却流体は、径方向内側に向かった力を上記セグメントに加えるので、保持手段によってこれに対抗させる必要がある。
上記複数のセグメントは、加熱された側と比較的さめた側とを有しており、このため上記セグメントには熱勾配が発生する。この熱勾配は、アーチ型のセグメントを平坦化させるように、又は、それが取り付けられた形状とは反対側の方向へと曲げてしまうことになる。このように反ったプレートは、さらに、上記保持手段にたいして負荷を加えることになる。
上記保持手段は、フック又はレールであっても、上記セグメントの径方向に向かった力によって上記保持手段内に発生する上記曲げ応力に耐えるだけのサイズとされていなければならない。明らかに、大きなサイズの上記フック又はレールが必要になると、上記セグメントの重量が増加し、かつ、上記セグメントの柔軟性が低下してしまう。加えて、上記保持手段は、外側に向かって延びて上記セグメントの位置決め手段となる必要もある。例えば、上記セグメントを定められた直径を有するステータアッセンブリ内に固定する必要がある場合、例えば、すでに組み立てたガスタービンエンジンに再度取り付ける場合には、上記複数のフック又はレールは、これらの軸方向長さを増加させ、延ばしてやる必要があり、このためモーメントアームが大きくなり、上記フックへの曲げ応力が増加してしまうことになっていた。
上記技術があるものの、科学者及び技術者は、出願譲受人の指示の下、ガスタービンエンジン用の軽量、かつ、柔軟性のあるシュラウドセグメントの開発を行ってきた。
発明の開示
本発明によれば、位置決め面と、支持面と、上記位置決め面と上記支持面との間に延びたアンダーカット面と、を有したシュラウドセグメントが提供できる。上記位置決め面は、上記シュラウドセグメントを、適切な位置に位置決めして、上記回転ブレードの外側流路面を画成するようにしている。上記支持面は、上記シュラウドセグメントを上記回転するブレードに向かって内側へと押しつける様な力に対して保持するようになっている。また、このアンダーカット面により、上記位置決め面から上記支持面が離間している。
本明細書において使用する用語“フック”とは、セグメントのエッジの沿って離間している複数のフックのうちの一つ又は、上記エッジに沿って延びている一つのレールを指す。
上記オフセット、すなわち、カットバック面がある結果、上記支持面によって発生する反作用による上記フックの曲げ応力は、最小化されることになる。上記フック内の上記曲げ応力を最小化させることにより、より小さい寸法のフックを使用することができ、より軽量、かつ、柔軟なシュラウドセグメントが得られるといった効果を発揮する。
本発明の特定の実施例においては、上記シュラウドセグメントは、複数のフックを有しており、それらのフックはそれぞれが、軸方向位置決め面と、支持面と、それらの間に延びたアンダーカット面と、を有している。上記支持面は、最大長さX1を有しており、上記アンダーカット面は、X2の長さ方向寸法を有している。上記複数のフックは、上記シュラウドセグメントの前縁に沿って配設された第一のセットと、上記シュラウドセグメントの後縁に沿って配設された第二のセットと、を有している。上記それぞれのエッジに沿って配設された複数のフックは、シール基部を有しており、このシール基部は、シールと連結して上記シュラウドセグメントと上記ステータアッセンブリの間の流体流の漏れをシールするようになっている。加えて、上記シール基部と上記シールとの間が連結して、上記シュラウドセグメントを、上記位置決め面と上記ステータアッセンブリの間が係合しうる限度内で運動するように軸方向に位置決めしている。別の特徴的な実施例では、上記複数のフックは、上記フックの屈曲部付近で最大幅を有するテーパ形状を有している。上記特徴により、上記フックの重量はさらに低減されるようになっている。
上記支持面の長さは、上記ロータアッセンブリへと向けて内側へと上記シュラウドセグメントを押しつける径方向への力に反発できるように、上記ステータアッセンブリと係合しうる充分な面を与えるとともに、上記位置決め面によって画成される限度内で上記シュラウドセグメントに軸方向運動を行わせることができる程度に短かくされている。上記最大長さX1は、上記支持面の長さに対応しているとともに、上記位置決め面は、上記ステータ構造体に係合するよう、すなわち、上記シュラウドセグメントが、上記位置決め面によって許される分だけ軸方向に沿って運動するようにされている。上記目的及びその他の目的、特徴については代表的な実施例と図面とをもってより詳細に後述する。
【図面の簡単な説明】
図１は、軸流ガスタービンエンジンの断面図である。
図２は、タービンの側面一部切り欠き図であり、タービンブレード列と、タービンシュラウドと、が示された図である。
図３は、複数のフックを有するタービンシュラウドセグメントの側面断面図である。
図４は、上記タービンシュラウドセグメントの斜視図である。
図５は、上記タービンシュラウドセグメントの上面図である。
図６は、上記ステータアッセンブリに対して軸方向の極限の位置にあるフック側面図である。
発明の最良の実施態様
図１は、軸流ガスタービンエンジン12を示しており、このガスタービンエンジン12は、長手方向軸16を中心として配設された環状流路14を有している。上記ガスタービンエンジン12は、コンプレッサ18と、燃焼機22と、タービン24と、を有している。上記流路14は、連続して上記コンプレッサ18と、上記燃焼機22と、上記タービン24と、を通っている。上記タービン24は、複数のロータアッセンブリ26を有しており、これらのロータアッセンブリ26は、上記流路14に延びているロータブレード28と、列となった複数のベーン34とを有するステータアセンブリ32と、を有しているとともに、このステータアセンブリ32は、上記流路を通して延び、かつ、それぞれのロータアッセンブリ36の直上流において延びている。
図２は、ロータアッセンブリ36と、それに隣接するステータアッセンブリ32と、を示している。上記ロータアッセンブリ36は、回転ディスク42と、上記ディスク42から延びた複数の回転ブレードと、を有している。それぞれのロータブレード44は、外側翼先端48を有する翼46と、上記ロータブレード44から横側に延びた内側プラットフォーム52と、上記ディスク42に上記ロータブレード44を取り付けるための手段である根本部54と、を有している。
上記ステータアッセンブリ32は、図２の上記ロータアッセンブリ36に対して上流側に複数のベーンからなる列56と、上記ロータアッセンブリの複数のベーンからなる下流側の列58と、タービンシュラウドと、を有している。それぞれの複数のベーン56,58は、翼64,66を有しており、これらは、上記流路14内を流れる流体と相互に作用して、流れる上記流体を、上記複数のベーン56,58の直下流にある上記ロータアッセンブリ36と最適に相互作用させるようにしている。
上記タービンシュラウド62は、複数のアーチ型シュラウドセグメント68を有しており、これらは、周方向に配列されて環状構造体を画成している。それぞれのシュラウドセグメント68は、支持体72と、上記流路14に面した流路面74と、上記シュラウドセグメント68を隣接する上記ステータアッセンブリ32構造体内に保持しておくための手段76と、を有している。複数の隣接する流路面74は、上記流路14の径方向外側面を画成している。上記外側流路面は、上記ロータブレード46の翼先端48に径方向において隣接している。
上記保持手段76は、より詳細には図３から図５に示されているように、対となった複数のフック78,82の２つのセットを有している。第一のセット78は、複数の隣接したフック84を有しており、これらのフック84は、上記シュラウドセグメント68の前縁に沿って延びている。上記第二のセット82は、隣接した複数のフック88を有しており、これらのフック88は、上記シュラウドセグメントの後縁92に沿って延びている。
複数のホール84,88のそれぞれのフックは、第一の部分94を有しており、この第一の部分は、上記支持体72から径方向外側へと延びており、かつ、第二の部分は、上記第一の部分94から軸方向へと延びている。上記第二の部分96は、それぞれ上記ステータアッセンブリ38内のスロット98に係合するサイズとされていて、径方向に向かった力に対抗するように上記セグメント68を径方向において保持するようになっている。上記第二の部分96は、位置決め面102と、支持面104と、アンダーカット面106と、を有している。上記位置決め面102は、上記ステータアッセンブリ32の対となる面108に、軸方向において面している。セグメント68のそれぞれの縁86,92に沿った複数の位置決め面102は、ともに軸方向における上記セグメント68の運動を規制するための手段となっている。ギャップＧは、それぞれの位置決め面102とその対となる面108との間に画成されていて、上記セグメント68が上記ギャッＧの軸方向長さに等しい量だけ前後に運動しうるようになっている。上記ギャップＧの寸法は、上記シュラウドセグメント68の上記流路面74の運動を制限するようにあらかじめ決められており、複数の翼先端48は、常に上記流路面74に隣接するようになっている。
ステータアッセンブリ32は、上記フック84,88それぞれの第一の部分44上のシール基部114に係合した対となった‘W'シール112を有している。上記‘W'シール112は、上記セグメント68と、それに隣接したステータ構造体38との間において、流体が流れないようにしている。加えて、上記‘W'シール112は、軸方向に向いたスプリング力を加えており、このスプリング力は、上記シュラウドセグメント68が、上記位置決め面102と上記対となった面108との間のギャップＧを保持するように位置決めしている。
支持面104は、上記ステータアッセンブリ32の延長部116と係合して、上記シュラウドセグメント68に加えられるいかなる径方向内側に向いた力に対しても対抗するようになっている。この力は、冷却流体が上記シュラウドセグメント68の外側に向かって径方向内側に流れることによって生じる。上記流体は、上記流路14内を流れる流体よりも高圧なので、その圧力差により、径方向内側に向かう力を発生させている。上記支持面104は、最大長さ寸法X1を有しており、この寸法X1は、上記延長部116の接触面に沿って計った長さであり、これは、上記フック88の上記ギャップＧが最小になる位置に対応している。すなわち、上記セグメント68が、上記支持面104と接触する面との間が最大接触するように動いた位置である（図６参照）。加えて、上記支持面104には、最小長さが有り、この最小長さは、上記セグメント68が、どちらの軸方向端における位置においても上記ステータ構造体38からはずれないように、あらかじめ決められている。
アンダーカット面106は、上記支持面104から上記位置決め面102にまで距離X2だけ延びており、上記２つの面102と、104と、を軸方向に離間させている。上記アンダーカット面106は、取り付けられた状態で上記アンダーカット面106が上記延長部116の接触面に接触しないように、上記支持面104から切り欠かれた部分である。従って、アンダーカット面106は、上記セグメント68を径方向において支持しておらず、この結果、上記フック88の最大曲げ応力の上記モーメントアームＭは、上記支持面の最大長さX1によって想定されている。
図５を参照すると、それぞれのフック84,88は、幅寸法Ｗを有しており、この寸法は、上記第一の部分94から外側に向かってテーパが付けられている。このテーパは、上記フック84,88の曲げに際する曲げ応力に対抗するため、最大強度を与えるようになっているとともに、不必要な部分のフック材料を除去して、上記セグメント68の全重量を低減させるようになっている。
運転中には、加熱されたガスは、上記流路14を通って流れて、上記シュラウドセグメント68を加熱する。冷却流体は、径方向内側（図２の矢印118）、かつ、上記シュラウドセグメントに向かって流れて、上記セグメント68を冷却し、かつ、上記セグメント68の温度を許容限度内に維持するようになっている。上記セグメント68に流れてくる高圧の冷却流体は、径方向内側に向かう力を上記セグメント68に作用させる。この結果、上記セグメント68を平たん化させたり、最初のアーチ形状と反対側に沿ったアーチとしてしまうように変形させるような温度勾配が生じる。上記セグメント68の変形は、上記フック84,88に対して径方向内側に向かう付加的な力を生じさせる。上記支持面104は、径方向内側へと向かった力に対抗して、上記セグメント68が、上記ステータアッセンブリ32からはずれたり、又は、上記回転ブレード44へ向かって移動しないようにしている。
上記セグメント68に加わる径方向負荷に反発して、上記フック84,88内に曲げ応力が生じる。この曲げ応力は、その一部が上記支持面104の長さ、すなわち、上記モーメントアームに依存している。上記支持面104を、上記第二の部分96全体にわたる長さにではなく、上記セグメント68がはずれ得ないような最小長に延ばすことによって、上記モーメントアームは最小とされている。
運転中には上記セグメント68は、前後に運動する。上記位置決め面102は、上記セグメント68は動きすぎて、上記流路面74が、上記回転ブレード44の上記翼先端に隣接しなくなることを防止している。上記位置決め面102が確実に適切な位置となるようにするとともに、上記支持面104の長さが、上記フック84,88内の曲げ応力を許容限度外にしてしまうようなモーメントアームとならないようにするため、上記アンダーカット面106は、上記支持面104と上記位置決め面102との間に配設されている。この結果、上記支持面104の上記最大長さX1、すなわち、最大モーメントアームＭを、最小とすることができる。上記支持面104の長さを最小とすることにより、複数のフック84,88の重量が低減されるとともに、上記セグメント68に最大の柔軟性を付与することもできる。
上記セグメントは、鋳造又は機械加工によって形成することができる。上記セグメントを鋳造するのが、上記アンダーカット面を有する上記フック又はレールを形成する手段としてコスト的に好都合である。
図１から図５は、前縁と後縁とに延びた複数のフックを有するシュラウドセグメントとして説明を行ってきたが、上記複数のフックの代わりに、それぞれレールを上記エッジのうちの一つ、又は、双方に沿って使用することもできる。上記レールは、上記セグメントの上記エッジに沿って延びている単一のフックであり、これは、図１から図５に記載したようなアンダーカット面によって位置決め面から離間されている支持面を有していても良い。
本発明は、代表的な実施例を持って説明してきたが、当業者によれば、本発明の趣旨及び範囲内において、種々の変更、除外、付加を行うことが可能であることが理解されよう。
【図３】
0003636721.tif 000002
【図４】
0003636721.tif 000003
【図１】
0003636721.tif 000004
【図２】
0003636721.tif 000005
【図５】
0003636721.tif 000006
【図６】
0003636721.tif 000007