(57)【要約】【課題】  弓形要素を支持するための冠状レールを提供する。【解決手段】  弓形シュラウドおよびシュラウドハンガーを支持するためのフランジは少なくとも１つの弓形レールからなり、各弓形レールは、内径と、第１テーパー位置と、第１テーパー領域と、第２テーパー位置と、第２テーパー領域とを有しており、該第１テーパー領域の少なくとも一部分の厚さがテーパーされ、該第２テーパー領域の少なくとも一部分の厚さがテーパーされる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シュラウド前部レールと、該シュラウド前部レールから軸方向後部に位置するシュラウド後部レールとからなり、該シュラウド前部レールは、内径と、第１端と、該第１端から円周距離に位置する第２端と、該第１端から第１テーパー距離に位置する第１テーパー位置と、該第１端および該第１テーパー位置の間に位置する第１テーパー領域と、該第２端から第２テーパー距離に位置する第２テーパー位置と、該第２端および該第２テーパー位置の間に位置する第２テーパー領域とを有しており、該第１テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第１テーパー位置と該第１端の間でテーパーされ、該第２テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第２テーパー位置と該第２端の間でテーパーされる、タービンシュラウド。
【請求項２】
該第１テーパー位置と該第２テーパー位置の間の該フランジの厚さが実質的に一定である、請求項１に記載のタービンシュラウド。
【請求項３】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しい、請求項１に記載のタービンシュラウド。
【請求項４】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しく、該第１端と該第２端の間の該円周距離の半分である、請求項３に記載のタービンシュラウド。
【請求項５】
シュラウド前部レールと、該シュラウド前部レールから軸方向後部に位置するシュラウド後部レールとからなり、該シュラウド後部レールは、内径と、第１端と、該第１端から円周距離に位置する第２端と、該第１端から第１テーパー距離に位置する第１テーパー位置と、該第１端および該第１テーパー位置の間に位置する第１テーパー領域と、該第２端から第２テーパー距離に位置する第２テーパー位置と、該第２端および該第２テーパー位置の間に位置する第２テーパー領域とを有しており、該第１テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第１テーパー位置と該第１端の間でテーパーされ、該第２テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第２テーパー位置と該第２端の間でテーパーされる、タービンシュラウド。
【請求項６】
該第１テーパー位置と該第２テーパー位置の間の該フランジの厚さが実質的に一定である、請求項５に記載のタービンシュラウド。
【請求項７】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しい、請求項５に記載のタービンシュラウド。
【請求項８】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しく、該第１端と該第２端の間の該円周距離の半分である、請求項７に記載のタービンシュラウド。
【請求項９】
ハンガー前部レールと、該ハンガー前部レールから軸方向後部に位置するハンガー後部レールとからなり、該ハンガー前部レールは、内径と、第１端と、該第１端から円周距離に位置する第２端と、該第１端から第１テーパー距離に位置する第１テーパー位置と、該第１端および該第１テーパー位置の間に位置する第１テーパー領域と、該第２端から第２テーパー距離に位置する第２テーパー位置と、該第２端および該第２テーパー位置の間に位置する第２テーパー領域とを有しており、該第１テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第１テーパー位置と該第１端の間でテーパーされ、該第２テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第２テーパー位置と該第２端の間でテーパーされる、弓形要素を支持するためのハンガー。
【請求項１０】
該第１テーパー位置と該第２テーパー位置の間の該フランジの厚さが実質的に一定である、請求項９に記載のハンガー。
【請求項１１】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しい、請求項９に記載のハンガー。
【請求項１２】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しく、該第１端と該第２端の間の該円周距離の半分である、請求項１１に記載のハンガー。
【請求項１３】
ハンガー前部レールと、該ハンガー前部レールから軸方向後部に位置するハンガー後部レールとからなり、該ハンガー後部レールは、内径と、第１端と、該第１端から円周距離に位置する第２端と、該第１端から第１テーパー距離に位置する第１テーパー位置と、該第１端および該第１テーパー位置の間に位置する第１テーパー領域と、該第２端から第２テーパー距離に位置する第２テーパー位置と、該第２端および該第２テーパー位置の間に位置する第２テーパー領域とを有しており、該第１テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第１テーパー位置と該第１端の間でテーパーされ、該第２テーパー領域の少なくとも一部分の厚さが該第２テーパー位置と該第２端の間でテーパーされる、弓形要素を支持するためのハンガー。
【請求項１４】
該第１テーパー位置と該第２テーパー位置の間の該フランジの厚さが実質的に一定である、請求項１３に記載のハンガー。
【請求項１５】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しい、請求項１３に記載のハンガー。
【請求項１６】
該第１テーパー距離および該第２テーパー距離が実質的に等しく、該第１端と該第２端の間の該円周距離の半分である、請求項１５に記載のハンガー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してガスタービンエンジン要素の耐久性の向上に関し、特に、ノズル部分、シュラウド部分およびシュラウドハンガー等のタービンエンジン固定要素内の熱応力の減少に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で圧縮され、燃料と混合され、燃焼器内で点火されて、高温燃焼ガスを生成する。該ガスは高圧タービン（ＨＰＴ）の下流に流れ、該高圧タービンは、１つ以上のＨＰＴタービンノズル、シュラウドおよびＨＰＴ動翼の列を含む１つ以上の段を有する。該ガスは次に低圧タービン（ＬＰＴ）に流れ、該低圧タービンは一般的に、個別のＬＰＴタービンノズル、シュラウドおよびＬＰＴ動翼を備えた多段を含む。該ＨＰＴおよびＬＰＴタービンノズルは、外側および内側バンドの間に半径方向に位置する複数の円周方向に離間配置された固定ノズル羽根を含む。一般的に各ノズル羽根は、冷却用空気がその中を通り抜ける中空翼形である。各羽根の冷却用空気は、該ノズルの該外側バンドの半径方向外方に位置する共通のスプーリを介して供給することができる。例えば該ＨＰＴ羽根等の高温に曝される一部の羽根では、各中空翼形内に緩衝板を挿入して、冷却用空気を該翼形に供給することができる。
【０００３】
タービンロータ段は、動作中に発生するトルクを支えるロータディスクから半径方向外方に延びる複数の円周方向に離間配置された動翼を含む。タービンノズルは、タービンロータ段の半径方向前部に位置付けられる。該タービンシュラウドは、該動翼と該シュラウドの間に半径方向隙間を形成するように、該タービン動翼の先端から半径方向外方に位置付けられる。該シュラウドは、環状ケーシングフランジに係合するフランジレールによって支持されるシュラウドハンガーによって適切な位置に保持される。該タービンノズル、シュラウドおよびシュラウドハンガーは、一般的に弓形部分として形成される。各ノズル部分は、外側バンド部分と内側バンド部分の間に連結される２つ以上の中空羽根を有する。各ノズル部分およびシュラウドハンガー部分は、一般的に環状外部ケーシングに取り付けられたフランジによってその半径方向外端で支持される。各羽根は、該内側および外側バンドを形成する半径方向内側および外側バンドパネルの間に配置された冷却中空翼形を有する。一部の設計では、該翼形、内側および外側バンド部分、フランジ部分および吸気ダクトは、該羽根が単一鋳造物となるように一緒に鋳造される。他の設計では、該羽根翼形は該外側バンドおよび該内側バンド内の対応する開口に挿入され、界面に沿ってろう付けされて、該ノズル部分を形成する。
【０００４】
特定の２段タービンは、該外側バンドから片持ち支持されて取り付けられた片持ち第２段ノズルを有する。第１および第２段ロータディスクの間に、該部分を該内側バンドに固定するための手段はほとんどまたはまったく存在しない。一般的な第２段ノズルは、複数の翼形すなわち羽根部分で構成される。ダブレットと呼ばれる２枚羽根設計は、非常に一般的な設計である。トリプレットと呼ばれる３枚羽根設計も、一部のガスタービンエンジンで使用される。ダブレットおよびトリプレットは、羽根部分の間の分裂した漏れ流れの減少において性能優位性を提供する。しかしながら、該外側バンドと取付構造のコード長が長いと、複数の羽根部分ノズルの耐久性に影響を及ぼす。長いコード長は、例えば図６に示される従来の外側バンドのように、該バンドの温度勾配によるコード応力の増加と、翼形とバンド応力の不均一性の増加を引き起こす。増加した熱応力は、外側バンドおよび該タービン羽根部分の耐久性を減少させる可能性がある。同様に、タービンシュラウド部分およびシュラウドハンガー内に存在する熱応力は、これらの要素に存在する温度勾配によるものである。
【特許文献１】米国特許第６，９０２，３７１号公報
【特許文献２】米国特許第６，２２７，７９８号公報
【特許文献３】米国特許第６，９３２，５６８号公報
【特許文献４】米国特許第６，９６９，２３３号公報
【特許文献５】米国特許第５，６１８，１６１号公報
【特許文献６】米国特許第４，４８５，６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
該外側バンドと取付構造の長いコード長によるシュラウドおよび複数の羽根部分の耐久性の減少を回避する、該タービンノズル部分およびシュラウド部分等のタービンエンジン要素を支持するためのフランジ設計を有することが望ましい。また、該外側バンドの温度勾配によるコード応力の増加と、該複数の羽根部分の長いコード長による翼形応力の不均一性の増加を回避する、タービンノズル部分を有することも望ましい。また、該部分の寿命を制限するトリプレットまたは他の複数の羽根部分の中間羽根付近の応力の増加を回避する、タービンノズル部分を有することも望ましい。また、温度勾配によるコード応力の増加を回避する、タービンシュラウドおよびシュラウドハンガーを有することも望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
弓形シュラウドおよびシュラウドハンガーを支持するためのフランジは少なくとも１つの弓形レールからなり、各弓形レールは、内径と、第１テーパー位置と、第１テーパー領域と、第２テーパー位置と、第２テーパー領域とを有しており、該第１テーパー領域の少なくとも一部分の厚さがテーパーされ、該第２テーパー領域の少なくとも一部分の厚さがテーパーされる。
【０００７】
本発明として扱われる主題は、特に本明細書の結び部分で指摘され、明確に主張される。好適かつ例示的な実施形態にしたがって、本発明はそのさらなる目的および利点とともに、添付図面と併せて以下の詳細な説明で説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
さまざまな図をとおして同一の参照番号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は、第１段のタービンロータ２５と、第２段のタービンロータ９５と、その間に位置する第２段のタービンノズル４０とからなるタービン段１０の一部分を示す。タービン翼２０および９０は、それぞれ第１段および第２段のタービンロータの周縁に円周方向に配列される。タービンシュラウド３０、１００は、タービン動翼２０、９０の先端に半径方向に近接して円周方向に配列された固定要素である。シュラウドはその外面がシュラウドハンガーによって支持されており、シュラウドハンガーはさらにフランジによって支持され、ケーシング７０に接続される。
【０００９】
図２に示されたように、タービンノズル部分４０は、内側バンド８０と、外側バンド５０と、内側バンドと外側バンドの間に延びる羽根４５とからなる。タービンノズル部分４０は通常、多重羽根構造を有しており、各ノズル部分は内側バンド８０および外側バンド５０に取り付けられた多重羽根４５からなる。図２に示されるノズル部分４０は、各部分に３枚の羽根４５を有する。タービンノズル羽根４５は、図２に示されるように、中空の場合もあるので、冷却用空気は中空翼形内を循環することができる。タービンノズル部分は、エンジンに取り付けられる際、内側および外側バンド８０、５０とともに環状タービンノズル組立体を形成し、高温ガスが通り抜け、高温ガスが翼形によって次のタービンロータ段に案内される環状流路面を形成する。
【００１０】
外側バンドを含むノズル部分は、羽根翼形、外側バンドおよび内側バンドを有する単体の鋳造物で作成することができる。あるいは、ノズル部分は、羽根翼形、外側バンドおよび内側バンド等の個別のサブ要素をろう付け等で結合することによって作成することができる。図４および図５はそのようなサブ要素、外側バンド５０を示しており、羽根翼形４５を挿入して、ろう付け等の適当な手段によって結合することができる翼形切欠６５を有する。
【００１１】
各ノズル部分４０の外側バンド５０および内側バンド８０は、多重ノズル部分が組み立てられて完全なタービンノズル組立体を形成する際に、環状流路面を形成するように弓形形状を有する。図１に示されるように、外側バンド５０は、外側バンド前部パネル５５と、前部フランジ５９と、前部フランジ５９から軸方向後部に位置する後部フランジ５６とからなり、これらはノズル部分４０に対する半径方向支持を提供するために使用される。前部フランジ５９は、図３および図４に示されるように、第１端５７から、第１端５７から円周距離に位置する第２端５８へ延びる前部弓形レール５１からなる。同様に、後部フランジ５６は、第１端５７から、第１端５７から円周距離に位置する第２端５８へ延びる後部弓形レール５３からなる。組立の際、前部弓形レール５１は、ケーシング７０から延びる前部ノズルサポート５２内の弓状溝と隙間嵌めで係合する。後部弓形レール５３は、ケーシング後部フランジに係合するＣクリップを用いてケーシングに取り付けられる。
【００１２】
図９は、弓形前部フランジ２１１および弓形前部フランジ２１１から軸方向後部に位置する弓形後部フランジ２１２を用いた、第１段のタービンシュラウド３０等の例示的なタービンシュラウドの例示的なシュラウドハンガー３００への取り付けを示す。弓形シュラウド前部フランジ２１１は、シュラウドハンガー３００内の対応する弓状溝に係合する弓形前部レール２０１を有する。弓形シュラウド後部フランジ２１２は、Ｃクリップ２５０を用いてシュラウドハンガーに取り付けられる弓形後部レール３１１を有する。弓形シュラウド前部レール２０１および弓形シュラウド後部レール３１１からなる例示的な弓形シュラウド部分２００が、図１０に示される。
【００１３】
図９はまた、例示的なシュラウドハンガー３００のタービンケーシング４００への取り付けも示す。図１１に等角図で示される例示的なシュラウドハンガー３００は、弓形前部外側レール３１１および弓形後部外側レール３２２を有しており、これらは弓形フランジおよび弓形レールを用いてハンガー３００をタービンケーシング４００に取り付けるために使用される。前部および後部弓形レール３１１、３２２は、図１１に示されるように連続的でも、円周方向に分割されていてもよい。図９に示される例示的実施形態では、ハンガー後部弓形レール３２２は、ケーシング４００から内方に延びる後部フランジ内の対応するケーシング後部弓状溝４０５に係合する。ハンガー前部外側弓形レール３１１は、ケーシング４００から内方に延びる前部フランジ内のケーシング前部弓状溝４０４に係合する。
【００１４】
弓形フランジによって支持される弓形要素内のコード応力を減少するための本発明の例示的実施形態が、図５に示される。弓形要素は、例えば図３および図４に示される前部弓形レール５１等の弓形レールを有しており、図１に示される前部ノズルサポート等の別の要素内の対応する弓状溝内での支持を提供する。図５に示されるように、弓形レールは、第１端５７と第２端５８の間で連続する一定の内径１４１を有する。従来設計の弓形支持レールと異なって、本発明の例示的実施形態の弓形レールの厚さは、弓形レールによって支持される弓形要素のコード応力が減少するように、第１端５７と第２端５８の間で変化する。図５に示される例示的実施形態では、弓形レールの厚さは、第１テーパー領域１６８および第２テーパー領域１６９においてテーパーされる。詳細には、弓形レール厚は、第１テーパー位置１７１における値「ｔ」から第１端５７における値「ｔ１」１５１にテーパーされ、第２テーパー位置１７２における値「ｔ」から第２端５８における値「ｔ２」１５２にテーパーされる。選択された領域においてテーパーすることによって弓形レールの厚さを変化させることにより、弓形レールがより柔軟になって、熱的変動の間に係合する弓状溝内に拡張することができる一方、中間領域の厚さを維持して溝からの高温ガスの漏れを防ぐ働きをする。
【００１５】
第１テーパー領域１６８および第２テーパー領域１６９のテーパーは、さまざまな方法で行うことができる。例えば、テーパー領域１６８および１６９の外側部の平面を研削することによってテーパーを行ってもよい。テーパーを行う別の例示的方法は、図５に示されるように、第１テーパー半径１６１と、第２テーパー半径１６２と、第１テーパー位置１７１および第２テーパー位置１７２の間の外径１５３とを使用することによる。いかなる所要の厚さも、レール内心１４０とレール外心１６０の間の適切な補正値を選択することによって得ることができる。
【００１６】
ノズル部分の外側バンドの設計の好適な実施形態（図３、図４）では、第１テーパー位置１７１および第２テーパー位置１７２は、弓形レールの外面上の中間点で一致する。第１テーパー半径１６１および第２テーパー半径１６２は等しい。ノズル部分の外側バンドに関して、前部弓形レール５１は、内径１４１が１２．５９６インチ、外径１５３が１２．６８６インチ、第１テーパー半径１６１が１１．７８６インチ、第２テーパー半径１６２が１１．７８６インチであった。弓形レールの厚さの減少の規模は、中間の約０．００００インチから第１端５７および第２端５８の約０．０１３５インチまで変化した。
【００１７】
タービンシュラウド前部弓形レール２０１の設計の好適な実施形態（図９）では、第１テーパー位置１７１および第２テーパー位置１７２は、弓形レールの外面上の中間点で一致する。第１テーパー半径１６１および第２テーパー半径１６２は等しい。ノズル部分の外側バンドに関して、前部弓形レール５１は、内径１４１が１２．２０１インチ、外径１５３が１２．２７５インチ、第１テーパー半径１６１が１１．４２５インチ、第２テーパー半径１６２が１１．４２５インチであった。弓形レールの厚さの減少の規模は、中間の約０．０００インチから第１端５７および第２端５８の約０．００５インチまで変化した。
【００１８】
タービンシュラウドハンガー後部弓形レール３２２の設計の好適な実施形態（図９）では、第１テーパー位置１７１および第２テーパー位置１７２は、弓形レールの外面上の中間点で一致する。第１テーパー半径１６１および第２テーパー半径１６２は等しい。ノズル部分の外側バンドに関して、前部弓形レール５１は、内径１４１が１３．３０２インチ、外径１５３が１３．３９７インチ、第１テーパー半径１６１が１２．４５４インチ、第２テーパー半径１６２が１２．４５４インチであった。弓形レールの厚さの減少の規模は、中間の約０．０００インチから第１端５７および第２端５８の約０．０１０インチまで変化した。
【００１９】
本明細書で説明される好適な実施形態によって、弓形レールが温度勾配の存在で曲がる能力が向上した結果として、タービンノズル部分の外側バンドの応力減少の例が、図７に示される。中間翼の前縁付近の外側バンドのピーク応力は、図６に示される従来設計の外側バンドの結果と比べて減少している。本発明の好適な実施形態の実施がもたらした外側バンドの応力減少は、図８に示される応力勾配グラフに示されるように、外側バンドの他の領域にも拡大する。好適な実施形態の外側バンドの相対応力分布１９２は、従来設計の外側バンドの相対応力分布１９１よりも著しく低下している。
【００２０】
さまざまな特定の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明が請求項の精神および範囲内で修正を加えて実施できることが当業者には理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガスタービンエンジンのタービンノズル、シュラウド、シュラウドハンガーおよびケーシングの組立体の長手方向断面図である。
【図２】図１に示されるノズル部分の斜視図である。
【図３】図２に示されるノズル部分の外側バンドを一面に対してある角度をなして軸方向後部方向に見た斜視図である。
【図４】図２に示されるノズル部分の外側バンドを別の一面に対してある角度をなして軸方向後部方向に見た別の斜視図である。
【図５】冠状フランジテーパー厚機構の例示的実施形態の概略図である。
【図６】従来設計のノズル部分の従来設計の外側バンドの一部分の斜視図であり、一部の設計で起こり得る応力曲線を示す。
【図７】本発明の例示的実施形態の外側バンドの一部分の斜視図であり、減少した応力曲線を示す。
【図８】従来設計の外側バンドと本発明の例示的実施形態の外側バンドの最大応力位置付近の相対応力勾配を示す。
【図９】ガスタービンエンジンのシュラウド、シュラウドハンガーおよびケーシングの組立体の長手方向拡大断面図である。
【図１０】図１に示されるシュラウド部分の斜視図である。
【図１１】図９に示されるシュラウドハンガー部分の斜視図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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