(57)【要約】ガスタービンエンジン伸縮ジョイントは、間隙を間に画定する対向面を有する第１および第２部材を含む。室温において、通常エンジン動作中の第１および第２部材の温度分布プロファイルにしたがって間隙が変化する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおける熱膨張を許容する伸縮ジョイントであって、この伸縮ジョイントは、間隙を間に画定する対向面を有する第１および第２部材を含み、室温において、通常エンジン動作中の前記の第１および第２部材の温度分布プロファイルにしたがって、前記対向面の一端部から他端部まで前記間隙が変化している、伸縮ジョイント。
【請求項２】
室温において前記対向面が非平行である、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項３】
前記ガスタービンエンジンの動作温度において前記対向面が略平行である、請求項２に記載の伸縮ジョイント。
【請求項４】
室温において、通常エンジン動作中に高い動作温度にさらされる位置において前記間隙がより広く設けられている、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項５】
前記の第１および第２部材の一方が一端部で斜めに切断されて前記対向面の一つを形成している、請求項４に記載の伸縮ジョイント。
【請求項６】
前記の第１および第２部材がそれぞれ、タービンブレードのアレイを中心に延在する環状シュラウドの第１および第２の隣接するシュラウドセグメントを含み、前記間隙がこれらのセグメント間の間隙である、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項７】
ガスタービンエンジンにおける第１および第２部材を有する伸縮ジョイントであって、前記の第１および第２部材は、エンジン動作状態での該部材の温度勾配の関数として一端部から他端部まで室温において変化する間隙を画定する対向面を備えるとともに、前記エンジン動作状態にさらされる時に前記間隙が略均一である、伸縮ジョイント。
【請求項８】
室温において、通常エンジン動作中に高い動作温度にさらされる位置において前記間隙がより広く設けられている、請求項７に記載の伸縮ジョイント。
【請求項９】
前記対向面が室温において非平行である、請求項７に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１０】
前記対向面が前記ガスタービンエンジンの動作温度において略平行である、請求項９に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１１】
前記対向面の一つを形成するため、前記の第１および第２部材の一方が一端部において斜めに切断されている、請求項８に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１２】
前記の第１および第２部材がそれぞれ、タービンブレードのアレイを中心に延在する環状シュラウドの第１および第２の隣接するシュラウドセグメントを含み、前記間隙がこれらのセグメント間の間隙である、請求項７に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１３】
ガスタービンエンジンにおける第１および第２部材を有する伸縮ジョイントであって、前記の第１および第２部材が間隙を画定する対向面を備え、該対向面が、室温において非平行であるとともに、動作温度条件下では略平行である、伸縮ジョイント。
【請求項１４】
室温において、通常エンジン動作中に高い動作温度にさらされる位置において前記間隙がより広く設けられている、請求項１３に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１５】
前記の第１および第２部材の一方が一端部で斜めに切断されて前記対向面の一つを形成している、請求項１３に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１６】
前記の第１および第２部材がそれぞれ、タービンブレードのアレイを中心に延在する環状シュラウドの第１および第２の隣接するシュラウドセグメントを含み、前記間隙がこれらのセグメント間の間隙である、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項１７】
ガスタービンエンジンのタービンブレードのアレイを囲むように設けられている環状シュラウドであって、このシュラウドは、複数のセグメントを含み、隣接するセグメントの各対がセグメント間の間隙を間に画定する対向面を有し、これらのセグメント間の間隙が室温において、通常エンジン動作状態中の前記セグメントの温度プロファイルにしたがって長さ方向で変化している、環状シュラウド。
【請求項１８】
前記対向面が室温において非平行である、請求項１７に記載の環状シュラウド。
【請求項１９】
前記対向面が前記ガスタービンエンジンの動作温度において略平行である、請求項１８に記載の環状シュラウド。
【請求項２０】
室温において、通常エンジン動作中に高い動作温度にさらされる位置において前記セグメント間の間隙がより広く設けられている、請求項１７に記載の環状シュラウド。
【請求項２１】
前記セグメントの各々が一端部で斜めに切断されて前記対向面の一つを形成している、請求項１７に記載の環状シュラウド。
【請求項２２】
エンジン動作中に不均一な熱膨張を受ける第１および第２ガスタービンエンジン部材の間での流体の漏出を制御する方法であって、前記の第１および第２部材が間に間隙を画定する隣接端部を有し、前記の隣接端部および間隙が幅を有し、前記隣接端部が、使用時に該端部の幅にわたって変化する動作温度を有しており、前記方法は、ａ)エンジン動作中に前記隣接端部の幅に沿った予想動作温度の温度分布プロファイルを決定するステップと、ｂ）ステップａ）で得られた温度分布プロファイルにしたがって前記隣接端部の少なくとも一方を形状づけることにより、エンジン動作中に前記隣接端部の間でより均一なシールが得られるステップと、を含む方法。
【請求項２３】
ステップｂ）が、前記温度勾配プロファイルに対応する通路に沿って前記一端部を機械加工するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記温度分布プロファイルが線形であり、前記通路が直線に沿って斜めに延在する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記温度分布プロファイルが放物線状であり、前記通路が放物曲線に沿って延在する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
ガスタービンエンジンのタービン部のコンポーネントであって、
環状セグメント部分を有し、このセグメント部分は、加熱された時に予想可能に膨張する材料で製作されるとともに、環状セグメント部分と隣接する環状セグメント部分とが前記ガスタービンエンジンに取り付けられた時に該隣接する環状セグメントの対応する端面と対向するように設けられた端面を有し、環状セグメント部分と隣接する環状セグメント部分とが、前記ガスタービンエンジンが作動する時に前記端面に沿って高い動作温度と動作温度差にさらされ、前記の環状セグメント部分の端面が室温で互いに非平行であり、かつ前記動作温度差にさらされた時に熱膨張により互いに略平行となるように設けられている、コンポーネント。
【請求項２７】
前記コンポーネントがタービンシュラウドセグメントとタービンベーンセグメントとの群から選択される、請求項２６のコンポーネント。
【請求項２８】
前記環状セグメント部分の端面が室温において略平面状である、請求項２６のコンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にガスタービンエンジン、特にガスタービンエンジンにおける漏出制御の改善に関連する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービンシュラウドセグメントは、完全なリングとして製造された後、熱膨張を許容するジョイントを設けるようにセグメントに直線切断される。セグメントが最高動作温度にあるため熱膨張により長さが最大となる最高出力設定では、セグメント間の間隙は一般的に最小となる。低出力では、セグメントはそれほど膨張せず、間隙は閉じないため、一般的にシールが必要とされる。シール（例えばフェザーシール）が使用されないと、これらの間隙がシュラウド冷却空気の主要な漏出経路となり、熱力学的に不経済である。そのため、このような間隙を最小にすることが重要である。
【０００３】
図１ａに見られるように、従来シュラウドセグメント５の各々の対向端部は、隣接セグメント５の間に平行な合わせ面７を設けるように直線切断される。室温では、隣接シュラウドセグメント５の各対は間隙７を画定する。動作時に、シュラウドセグメント１０は均一な温度分布を持たない（シュラウドセグメント５の上流側は一般的に、下流側よりも高い温度にさらされる。）。図１ｂに見られるように、これによって、動作状態では不均一な熱膨張が生じ、ひいてはセグメント間の間隙が最適ではなくなる。シュラウドセグメント５は、ガス通路の上流では比較的高温、下流では比較的低温であり、これにより熱膨張が不均一になるとともに、下流側において間隙が比較的大きくなり、シュラウドセグメント５の周囲に画定される空洞から空気が漏出する。図１ｂに見られるように、高い熱膨張はシュラウドセグメント５の上流側の間隙を縮小するのに対して、低い熱膨張はセグメント５の下流側に比較的広い間隙を残す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ガスタービンエンジン部材の改良型シュラウドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのため、本発明の一形態によれば、ガスタービンエンジン伸縮ジョイントが提供され、伸縮ジョイントは、間隙を間に画定する対向面を有する第１および第２部材を含み、室温においては、通常エンジン動作中の第１および第２部材の温度分布プロファイルにしたがって面の一端部から他端部まで間隙が変化する。
【０００６】
本発明のさらに包括的な形態によれば、第１および第２部材を有するガスタービンエンジン伸縮ジョイントが提供され、第１および第２部材は、室温においてエンジン動作状態での部材の温度勾配の関数として一端部から他端部まで変化する間隙を画定する対向面を備え、間隙は、第１および第２部材がエンジン動作条件にさらされる時に略均一である。
【０００７】
本発明のさらに包括的な形態によれば、第１および第２部材を有するガスタービンエンジン伸縮ジョイントが提供され、第１および第２部材は間隙を画定する対向面を備え、これらの対向面は、室温では非平行であるとともに、動作温度条件下では略平行である。
【０００８】
本発明のさらに包括的な形態によれば、ガスタービンエンジンのタービンブレードのアレイを囲むように設けられた環状シュラウドが提供され、シュラウドは複数のセグメントを含み、隣接セグメントの各対は、セグメント間の間隙を間に画定する対向面を有する。室温では、通常エンジン動作状態中のセグメントの温度プロファイルにしたがって、セグメント間の間隙はその長さに沿って変化する。
【０００９】
本発明のまたさらに包括的な形態によれば、エンジン動作中に不均一な熱膨張を受ける第１および第２ガスタービンエンジン部材の間の流体の漏出を制御するための方法が提供され、第１および第２部材は間に間隙を画定する隣接端部を有し、かかる方法は、ａ）通常エンジン動作中において隣接端部に沿った部材の温度分布プロファイルを確立するステップと、ｂ）ステップａ）で得られた温度分布プロファイルにしたがって隣接端部の一方を形状づけるステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の性質を大まかに説明したうえで、好適な実施例が例として図示された添付図面を参照する。
【００１１】
図２を参照すると、エンジンケース１２で囲まれたガスタービンエンジン１０が図示されている。ガスタービンエンジン１０は、好ましくは亜音速飛行に使用するように設けられたタイプであり、圧縮機部１４と燃焼器部１６とタービン部１８とを含む。空気は圧縮機部１４を軸方向に流れて、ここで圧縮される。圧縮された空気は、次に燃料と混合されて、タービン部１８で膨張してタービンを回転させるとともに圧縮機部１４を駆動する前に燃焼器部１６で燃焼される。
【００１２】
タービン部１８は、エンジンケース１２に固定されたタービン支持ケース２０を含む。タービン支持ケース２０は、燃焼器部１６から放出される燃焼ガスの流れを横切って延在するステータベーン２２とロータブレード２４との交互の段を包囲している。ロータブレード２４の各段は、従来のロータディスク２５（図３に図示）に回転のため取り付けられている。ベーン２２の各段は内側および外側のプラットフォーム２３を有する。ロータブレード２４の各段の径方向外側に配置されているのは、周方向に隣接する環状シュラウド２６である。
【００１３】
さて図３を参照すると、タービンシュラウド２６は複数のロータブレード２４の径方向外側に配置されている。タービンシュラウド２６は複数の周方向に隣接するセグメント２８（うち一つのみが図３に図示）を含み、隣接セグメント２８の各対が伸縮ジョイント（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｊｏｉｎｔ）となる。より詳しく述べると、隣接セグメント２８の各対は、通常エンジン動作中のタービンシュラウド２６の径方向における膨張および収縮のためのセグメント間の間隙２９（図４ａ，図４ｂ参照）を画定する。セグメント２８は、複数のロータブレード２４の径方向外側先端部に径方向に近接する高温ガス流面３０（つまりセグメントの径方向内面）と、シュラウド２６を冷却するため冷却空気が送られる径方向外面３２とを有する環状リングを形成する。各セグメント２８は、軸方向に離間した上流側および下流側３４，３６を有する。
【００１４】
矢印３８で描かれているように、シュラウド３６の径方向内面３０を略軸方向に流れる高温空気は、シュラウド２６の上流側３４から下流側３６へ移動するにつれて冷却され、これにより、シュラウドセグメント２８の上流側３４は、比較的低温にさらされる下流端部よりも膨張する。これは図４ｂに矢印４０，４２で表されており、矢印４０はシュラウドセグメント２８の上流側３４の熱膨張を表すのに対して、矢印４２はセグメント２８の下流側３６の熱膨張を表す。
【００１５】
セグメント２８のこの不均一な膨張を補償してエンジン動作中にセグメント間の間隙を均一にするため、図４ａに見られるように、動作状態でセグメント間の間隙２９が均一に閉じることにより、小さな間隙を残し、さもなければエンジン１０の性能に悪影響を与えるであろう漏出を軽減するように、シュラウドセグメント２８の一端部を斜めに機械加工することが提案される。
【００１６】
図４ａに見られるように、各シュラウドセグメント２８の一端部４４は、シュラウドセグメント２８の上流側３４と下流側３６との間で見られる熱膨張勾配によって決定される角度で斜めに切断されている。こうして、室温では対向面４６が非平行となり、エンジン１０が作動していない時には、シュラウド２６の下流側３６よりも上流側３４における各セグメント間の間隙２９がより重要となる。しかし、エンジン動作中には、上流側３４が下流側３６よりも膨張することにより、対向面４６が互いに平行となるとともに、シュラウドセグメント２８の膨張のために間隙２９が閉じる。間隙２９は、エンジン動作状態で正確に平行な対向面４６を得るような大きさである必要はなく、設計上の好みなどを反映するように所望のマージンが残ってもよい。
【００１７】
こうして端部４４の斜めの切断（図４ａ）により、シュラウドセグメント２８の軸方向に不均一な熱膨張が補償され、動作状態においてセグメント間の間隙２９が均一に閉じるようになる。
【００１８】
本発明の方法は、特別なハードウェアや複雑性をエンジンに追加しないという長所を持つ。シュラウドセグメントにとってコストを高める要因ではないワイヤ放電加工によってこの作業が一般的に行われるので、高価ではない。
【００１９】
上述したように、ガスタービンエンジンのシュラウドセグメント２８はガス通路上流側で常に比較的高温であり、離れるにつれて徐々に低温となり、結果的にセグメント２８の下流側でセグメント間の間隙２９が大きくなる。漏出をより良好に制御するため、セグメント間の間隙２９は、ガス通路の近傍（つまり上流側）で広く、下流側の近傍で狭く機械加工されている。
【００２０】
温度分布がセグメントの一端部から他端部まで線形である上述の例と対照的に、本発明をいかなる温度分布にも適用できることは、やはり言うまでもない。例えば、通常巡航エンジン動作中の放物線状温度分布については、同じ結果、つまり動作温度で均一に閉じるセグメント間の間隙を得るため、直線の代わりに湾曲した輪郭にセグメントの一端部を機械加工することができる。この発想で、単純または複雑なすべての温度プロファイルに対応することができる。
【００２１】
エンジン動作状態での対向面に沿ったセグメントの温度分布プロファイルが確立されると、エンジン動作中にセグメント間の間隙をより均一に閉じるため、好ましくはセグメントの一端部をこの温度分布プロファイルにしたがって適切に設ければよい。所望であれば、セグメントの両端部を本発明による輪郭としてもよい。
【００２２】
最後に、セグメントにわたる径方向温度分布を補償するため、同じ原理を適用できることを指摘しておく。さらに、図５に見られるように、セグメント間の漏出がやはり重要であるベーンセグメントプラットフォームなど、他のタイプの部品にも適用でき、漏出をさらに軽減するためフェザーシールや他のシールとともに使用してもよい。熟練した読者には理解できるように、また図５に図示されているように、いずれの端部も、図４ａ，図４ｂに描かれているように室温または動作温度で直角である必要はない。
【００２３】
上述した本発明の実施例は、例示を目的としている。そのため当業者は、上記の説明が例示に過ぎないことと、本発明の趣旨を逸脱しない様々な代替例と変形例が考えられることを理解するだろう。例えば、本発明の輪郭を有する面は本発明の一つまたはそれ以上の合わせ面に設けられてもよく、合わせ面は線形であるか連続している必要はなく、非線形および／または段階的変化または他の不連続性が見られてもよい。また、セグメントは切断または機械加工される必要はなく、適当な方法で設けられてもよいことは言うまでもない。「室温」という用語は、本出願では非動作温度を指すのに使用され、このような温度は関連するエンジンの動作温度を下回る。したがって、本出願はこのような代替例、変形例、変更をすべて包含する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１ａ】ガスタービンエンジンのタービンブレードの段を囲むように設けられた環状シュラウドの一部を形成するいくつかのシュラウドセグメントを示す拡大概略側面図である。
【図１ｂ】ガスタービンエンジンのタービンブレードの段を囲むように設けられた環状シュラウドの一部を形成するいくつかのシュラウドセグメントを示す拡大概略側面図である。
【図２】本発明の好適な実施例によるセグメント化された環状シュラウドが使用されるタービン部の内部構造を示すためエンジンケースの一部分が破断された、ガスタービンエンジンの単純化された拡大立面図である。
【図３】図２のガスタービンエンジンの第１段タービンアセンブリとタービンシュラウドとを示す側方断面図である。
【図４ａ】静止時つまりエンジンが作動していない時のセグメント間の間隙を示すシュラウドセグメントの単純化された拡大側面図である。
【図４ｂ】通常動作状態でのセグメント間の間隙を示すシュラウドセグメントの単純化された拡大側面図である。
【図５】本発明によるベーンセグメントの単純化された拡大上面図である。
【図１ａ】
2007533894.tif 000003
【図１ｂ】
2007533894.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
2007533894.tif 000008
【図５】
2007533894.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月29日(2005.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおける第１および第２部材を有する伸縮ジョイントであって、前記の第１および第２部材は、エンジン動作状態での該部材の温度勾配の関数として一端部から他端部まで室温において変化する間隙を画定する対向面を備えるとともに、前記エンジン動作状態にさらされる時に前記間隙が略均一である、伸縮ジョイント。
【請求項２】
室温において、通常エンジン動作中に高い動作温度にさらされる位置において前記間隙がより広く設けられている、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項３】
前記対向面が室温において非平行である、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項４】
前記対向面が前記ガスタービンエンジンの動作温度において略平行である、請求項３に記載の伸縮ジョイント。
【請求項５】
前記対向面の一つを形成するため、前記の第１および第２部材の一方が一端部において斜めに切断されている、請求項２に記載の伸縮ジョイント。
【請求項６】
前記の第１および第２部材がそれぞれ、タービンブレードのアレイを中心に延在する環状シュラウドの第１および第２の隣接するシュラウドセグメントを含み、前記間隙がこれらのセグメント間の間隙である、請求項１に記載の伸縮ジョイント。
【請求項７】
ガスタービンエンジンのタービンブレードのアレイを囲むように設けられている環状シュラウドであって、このシュラウドは、複数のセグメントを含み、隣接するセグメントの各対がセグメント間の間隙を間に画定する対向面を有し、これらのセグメント間の間隙が室温において、通常エンジン動作状態中の前記セグメントの温度プロファイルにしたがって長さ方向で変化している、環状シュラウド。
【請求項８】
前記対向面が室温において非平行である、請求項７に記載の環状シュラウド。
【請求項９】
前記対向面が前記ガスタービンエンジンの動作温度において略平行である、請求項８に記載の環状シュラウド。
【請求項１０】
室温において、通常エンジン動作中に高い動作温度にさらされる位置において前記セグメント間の間隙がより広く設けられている、請求項７に記載の環状シュラウド。
【請求項１１】
前記セグメントの各々が一端部で斜めに切断されて前記対向面の一つを形成している、請求項７に記載の環状シュラウド。
【請求項１２】
エンジン動作中に不均一な熱膨張を受ける第１および第２ガスタービンエンジン部材の間での動作温度における漏出を最少化する方法であって、前記の第１および第２部材が間に間隙を画定する隣接端部を有し、前記の隣接端部および間隙が幅を有し、前記隣接端部が、使用時に該端部の幅にわたって変化する動作温度を有しており、前記方法は、ａ)エンジン動作中に前記隣接端部の幅に沿った予想動作温度の温度分布プロファイルを決定するステップと、ｂ）ステップａ）で得られた温度分布プロファイルにしたがって前記隣接端部の少なくとも一方を形状づけることにより、エンジン動作中に前記間隙の略均一な閉鎖が得られるステップと、を含む方法。
【請求項１３】
ステップｂ）が、前記温度勾配プロファイルに対応する通路に沿って前記隣接端部の一方を機械加工するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記温度分布プロファイルが線形であり、前記通路が直線に沿って斜めに延在する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記温度分布プロファイルが放物線状であり、前記通路が放物曲線に沿って延在する、請求項１３に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
図１ａに見られるように、従来シュラウドセグメント５の各々の対向端部は、隣接セグメント５の間に平行な合わせ面７を設けるように直線切断される。室温では、隣接シュラウドセグメント５の各対は間隙７を画定する。動作時に、シュラウドセグメント５は均一な温度分布を持たない（シュラウドセグメント５の上流側は一般的に、下流側よりも高い温度にさらされる。）。図１ｂに見られるように、これによって、動作状態では不均一な熱膨張が生じ、ひいてはセグメント間の間隙が最適ではなくなる。シュラウドセグメント５は、ガス通路の上流では比較的高温、下流では比較的低温であり、これにより熱膨張が不均一になるとともに、下流側において間隙が比較的大きくなり、シュラウドセグメント５の周囲に画定される空洞から空気が漏出する。図１ｂに見られるように、高い熱膨張はシュラウドセグメント５の上流側の間隙を縮小するのに対して、低い熱膨張はセグメント５の下流側に比較的広い間隙を残す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
最後に、セグメントにわたる径方向温度分布を補償するため、同じ原理を適用できることを指摘しておく。さらに、図５に見られるように、間隙１０４からのセグメント間の漏出がやはり重要であるベーン１０２のベーンセグメントプラットフォーム１００など、他のタイプの部品にも適用でき、漏出をさらに軽減するためフェザーシールや他のシールとともに使用してもよい。熟練した読者には理解できるように、また図５に図示されているように、いずれの端部も、図４ａ，図４ｂに描かれているように室温または動作温度で直角である必要はない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2007533894.tif 000010
【国際調査報告】
2007533894.tif 000011
2007533894.tif 000012