(57)【要約】      （修正有）【課題】一般にガスタービンエンジンの耐久性の改善に関し、詳細には、ノズルセグメントのようなタービンエンジンステータ構成要素における熱応力を低減する。【解決手段】少なくとも１つのアーチ形レールを備えたアーチ形構成要素を支持するためのフランジは、アーチ形レールのそれぞれが、内側半径１４１と、第１のテーパ位置１７１と、第２のテーパ位置１７２と、第２のテーパ領域１６９とを有している。そして、第１のテーパ領域１６８の少なくとも一部の厚みはテーパ付けされており、第２のテーパ領域１６９の少なくとも一部の厚みはテーパ付けされている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのアーチ形レール（６６）を備えたアーチ形構成要素を支持するためのフランジ（６５）であって、
前記各アーチ形レール（６６）が、
内側半径（１４１）と、
第１の端部（５７）と、
前記第１の端部（５７）から円周方向距離（１６５）を隔てて位置付けられた第２の端部（５８）と、
前記第１の端部（５７）から第１のテーパ距離（１６６）を隔てて位置付けられた第１のテーパ位置（１７１）と、
前記第１の端部（５７）と前記第１のテーパ位置（１７１）との間に位置付けられた第１のテーパ領域（１６８）と、
前記第２の端部（５８）から第２のテーパ距離（１６７）を隔てて位置付けられた第２のテーパ位置（１７２）と、
前記第２の端部（５８）と前記第２のテーパ位置（１７２）との間に位置付けられた第２のテーパ領域（１６９）と、
を有し、
前記第１のテーパ領域（１６８）の少なくとも一部の厚みが、前記第１のテーパ位置（１７１）と前記第１の端部（５７）との間でテーパ付けされ、
前記第２のテーパ領域（１６９）の少なくとも一部の厚みが、前記第２のテーパ位置（１７２）と前記第２の端部（５８）との間でテーパ付けされている、
ことを特徴とするフランジ（６５）。
【請求項２】
タービンノズルの外側バンド（５０）であって、
前方アーチ形レール（５１）と、
該前方アーチ形レール（５１）から軸方向後方に位置付けされた後方アーチ形レール（５３）と、
を備え、前記前方アーチ形レール（５１）が、
内側半径（１４１）と、
第１の端部（５７）と、
前記第１の端部（５７）から円周方向距離（１６５）を隔てて位置付けられた第２の端部（５８）と、
前記第１の端部（５７）から第１のテーパ距離（１６６）を隔てて位置付けられた第１のテーパ位置（１７１）と、
前記第１の端部（５７）と前記第１のテーパ位置（１７１）との間に位置付けられた第１のテーパ領域（１６８）と、
前記第２の端部（５８）から第２のテーパ距離（１６７）を隔てて位置付けられた第２のテーパ位置（１７２）と、
前記第２の端部（５８）と前記第２のテーパ位置（１７２）との間に位置付けられた第２のテーパ領域（１６９）と、
を有し、
前記第１のテーパ領域（１６８）の少なくとも一部の厚みが、前記第１のテーパ位置（１７１）と前記第１の端部（５７）との間でテーパ付けされ、
前記第２のテーパ領域（１６９）の少なくとも一部の厚みが、前記第２のテーパ位置（１７２）と前記第２の端部（５８）との間でテーパ付けされている、
ことを特徴とする外側バンド（５０）
【請求項３】
前記第１のテーパポイント（１７１）と前記第２のテーパポイント（１７２）との間のフランジの厚みが実質的に一定である、
ことを特徴とする請求項２に記載の外側バンド（５０）。
【請求項４】
前記第１のテーパ距離（１６６）と第２のテーパ距離（１６７）とが実質的に等しい、
ことを特徴とする請求項２に記載の外側バンド（５０）。
【請求項５】
前記第１のテーパ距離（１６６）及び第２のテーパ距離（１６７）が、前記第１の端部（５７）と前記第２の端部（５８）との間の円周方向距離（１６５）の半分に等しい、
ことを特徴とする請求項２に記載の外側バンド（５０）。
【請求項６】
タービンノズルの外側バンド（５０）であって、
前方アーチ形レール（５１）と、
該前方アーチ形レール（５１）から軸方向後方に位置付けされた後方アーチ形レール（５３）と、
を備え、前記後方アーチ形レール（５３）が、
内側半径（１４１）と、
第１の端部（５７）と、
前記第１の端部（５７）から円周方向距離（１６５）を隔てて位置付けられた第２の端部（５８）と、
前記第１の端部（５７）から第１のテーパ距離（１６６）を隔てて位置付けられた第１のテーパ位置（１７１）と、
前記第１の端部（５７）と前記第１のテーパ位置（１７１）との間に位置付けられた第１のテーパ領域（１６８）と、
前記第２の端部（５８）から第２のテーパ距離（１６７）を隔てて位置付けられた第２のテーパ位置（１７２）と、
前記第２の端部（５８）と前記第２のテーパ位置（１７２）との間に位置付けられた第２のテーパ領域（１６９）と、
を有し、
前記第１のテーパ領域（１６８）の少なくとも一部の厚みが、前記第１のテーパ位置（１７１）と前記第１の端部（５７）との間でテーパ付けされ、
前記第２のテーパ領域（１６９）の少なくとも一部の厚みが、前記第２のテーパ位置（１７２）と前記第２の端部（５８）との間でテーパ付けされている、
ことを特徴とする外側バンド（５０）
【請求項７】
前記第１のテーパポイント（１７１）と前記第２のテーパポイント（１７２）との間のフランジの厚みが実質的に一定である、
ことを特徴とする請求項６に記載の外側バンド（５０）。
【請求項８】
前記第１のテーパ距離（１６６）と第２のテーパ距離（１６７）とが実質的に等しい、
ことを特徴とする請求項６に記載の外側バンド（５０）。
【請求項９】
前記第１のテーパ距離（１６６）及び第２のテーパ距離（１６７）が、前記第１の端部（５７）と前記第２の端部（５８）との間の円周方向距離（１６５）の半分に等しい、
ことを特徴とする請求項６に記載の外側バンド（５０）。
【請求項１０】
外側バンド（５０）と内側バンド（８０）との間に半径方向に延びる少なくとも１つの翼形部（４５）を備えるタービンノズルセグメント（４０）であって、
前記外側バンド（５０）が、
前方アーチ形レール（５１）と、
該前方アーチ形レール（５１）から軸方向後方に位置付けされた後方アーチ形レール（５３）と、
を備え、前記前方アーチ形レール（５１）が、
内側半径（１４１）と、
第１の端部（５７）と、
前記第１の端部（５７）から円周方向距離（１６５）を隔てて位置付けられた第２の端部（５８）と、
前記第１の端部（５７）から第１のテーパ距離（１６６）を隔てて位置付けられた第１のテーパ位置（１７１）と、
前記第１の端部（５７）と前記第１のテーパ位置（１７１）との間に位置付けられた第１のテーパ領域（１６８）と、
前記第２の端部（５８）から第２のテーパ距離（１６７）を隔てて位置付けられた第２のテーパ位置（１７２）と、
前記第２の端部（５８）と前記第２のテーパ位置（１７２）との間に位置付けられた第２のテーパ領域（１６９）と、
を有し、
前記第１のテーパ領域（１６８）の少なくとも一部の厚みが、前記第１のテーパ位置（１７１）と前記第１の端部（５７）との間でテーパ付けされ、
前記第２のテーパ領域（１６９）の少なくとも一部の厚みが、前記第２のテーパ位置（１７２）と前記第２の端部（５８）との間でテーパ付けされている、
ことを特徴とするタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１１】
前記第１のテーパポイント（１７１）と前記第２のテーパポイント（１７２）との間のフランジの厚みが実質的に一定である、
ことを特徴とする請求項１０に記載のタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１２】
前記第１のテーパ距離（１６６）と第２のテーパ距離（１６７）とが実質的に等しい、
ことを特徴とする請求項１０に記載のタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１３】
前記第１のテーパ距離（１６６）及び第２のテーパ距離（１６７）が、前記第１の端部（５７）と前記第２の端部（５８）との間の円周方向距離（１６５）の半分に等しい、
ことを特徴とする請求項１０に記載のタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１４】
外側バンド（５０）と内側バンド（８０）との間に半径方向に延びる少なくとも１つの翼形部（４５）を備えるタービンノズルセグメント（４０）であって、
前記外側バンド（５０）が、
前方アーチ形レール（５１）と、
該前方アーチ形レール（５１）から軸方向後方に位置付けされた後方アーチ形レール（５３）と、
を備え、前記後方アーチ形レール（５３）が、
内側半径（１４１）と、
第１の端部（５７）と、
前記第１の端部（５７）から円周方向距離（１６５）を隔てて位置付けられた第２の端部（５８）と、
前記第１の端部（５７）から第１のテーパ距離（１６６）を隔てて位置付けられた第１のテーパ位置（１７１）と、
前記第１の端部（５７）と前記第１のテーパ位置（１７１）との間に位置付けられた第１のテーパ領域（１６８）と、
前記第２の端部（５８）から第２のテーパ距離（１６７）を隔てて位置付けられた第２のテーパ位置（１７２）と、
前記第２の端部（５８）と前記第２のテーパ位置（１７２）との間に位置付けられた第２のテーパ領域（１６９）と、
を有し、
前記第１のテーパ領域（１６８）の少なくとも一部の厚みが、前記第１のテーパ位置（１７１）と前記第１の端部（５７）との間でテーパ付けされ、
前記第２のテーパ領域（１６９）の少なくとも一部の厚みが、前記第２のテーパ位置（１７２）と前記第２の端部（５８）との間でテーパ付けされている、
ことを特徴とするタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１５】
前記第１のテーパポイント（１７１）と前記第２のテーパポイント（１７２）との間のフランジの厚みが実質的に一定である、
ことを特徴とする請求項１４に記載のタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１６】
前記第１のテーパ距離（１６６）と第２のテーパ距離（１６７）とが実質的に等しい、
ことを特徴とする請求項１４に記載のタービンノズルセグメント（４０）
【請求項１７】
前記第１のテーパ距離（１６６）及び第２のテーパ距離（１６７）が、前記第１の端部（５７）と前記第２の端部（５８）との間の円周方向距離（１６５）の半分に等しい、
ことを特徴とする請求項１４に記載のタービンノズルセグメント（４０）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンの耐久性の改善に関し、詳細には、ノズルセグメントのようなタービンエンジンステータ構成要素における熱応力の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジンにおいては、圧縮機内で空気が加圧されて燃料と混合され、燃焼器内で点火されて高温の燃焼ガスを生成する。ガスは、１つ又はそれ以上のＨＴＰタービンノズルとＨＴＰロータブレードの複数の列とを含む１つ又は複数の段を有する高圧タービン（ＨＴＰ）を通って下流側に流れる。次いでガスは、通常はそれぞれＬＰＴタービンノズル及びＬＰＴロータブレードを備える複数の段を含む低圧タービン（ＬＰＴ）に流れる。ＨＰＴ及びＬＰＴタービンノズルは、外側バンドと内側バンドとの間に半径方向に位置付けられた複数の円周方向に離間した固定ノズルベーンを含む。通常、各ノズルベーンは、冷却空気が貫通して通る中空の翼形部である。各ベーンの冷却空気は、ノズルの外側バンドの半径方向外方に位置付けられた単一のスプーリを介して供給することができる。例えばＨＴＰベーンのような高温に曝される特定のベーンでは、冷却空気を翼形部に供給するために、各中空の翼形部内に衝突バッフルを挿入してもよい。
【０００３】
タービンロータ段は、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したロータブレードを含み、該ロータディスクは、運転中に生じるトルクを伝達する。タービンロータ段の軸方向前方に位置付けられたタービンノズルは通常、アーチ型セグメントで形成される。各ノズルセグメントは、外側バンドセグメントと内側バンドセグメントとの間で接合された２つ又はそれ以上の中空ベーンを含む。各ノズルセグメントは及びシュラウドハンガーセグメントは通常、環状外側ケーシングに取り付けられたフランジによって支持される。各ベーンは、内側及び外側バンドを形成する半径方向内側及び外側バンドパネル間に配置された冷却式中空翼形部を有する。設計によっては、翼形部、内側及び外側バンド部分、フランジ部分、及び吸入ダクトは同時に鋳造されて、ベーンが単一鋳造品となるようにされる。別の設計では、ベーン翼形部は、外側バンド及び内側バンド内の対応する開口内に挿入されて界接面に沿って蝋付けされ、ノズルセグメントを形成する。
【０００４】
特定の２段タービンは外側バンドに取付られ該外側バンドから片持ち状にされた片持ち式第２段ノズルを有する。第１及び第２段ロータディスク間にはセグメントを内側バンドで固定するための接近手段がほとんど若しくは全く存在しない。典型的な第２段ノズルは、複数の翼形部又はベーンセグメントを有するように構成されている。ダブレットと呼ばれる２つのベーン設計は、極めて一般的な設計である。ガスタービンエンジンによっては、トリプレットと呼ばれる３つのベーン設計も使用される。ダブレット及びトリプレットは、ベーンセグメント間の分割ライン漏れ流れを低減する点で性能上の利点をもたらす。しかしながら、外側バンド及び支持構造体の長い翼弦長により、複数のベーンノズルセグメントの耐久性が損なわれる。翼弦長が長くなると、バンドによる温度勾配に起因したコーディング応力を増大させ、例えば図６で従来の外側バンドにおいて示されるように、翼形部及びバンド応力の不均一性が増大させる。この熱応力の増大は、外側バンド及びタービンベーンセグメントの耐久性を低下させる可能性がある。外側バンド及び支持構造体の翼弦長が長くなることに起因した複数ベーンセグメントの耐久性の低下を回避するタービンノズルセグメントなどのタービンエンジン構成要素を支持するフランジ設計を有することが望ましい。また、セグメントの寿命を制限するトリプレット又は他の複数のベーンセグメントの中央ベーン付近での応力の増大を回避するタービンノズルセグメントを有することが望ましい。
【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】
【０００５】
本発明のひとつは、少なくとも１つのアーチ形レールを備えたアーチ形構成要素を支持するためのフランジであって、前記各アーチ形レールが、内側半径と、第１の端部と、前記第１の端部から円周方向距離を隔てて位置付けられた第２の端部と、前記第１の端部から第１のテーパ距離を隔てて位置付けられた第１のテーパ位置と、前記第１の端部と前記第１のテーパ位置との間に位置付けられた第１のテーパ領域と、前記第２の端部から第２のテーパ距離を隔てて位置付けられた第２のテーパ位置と、前記第２の端部と前記第２のテーパ位置との間に位置付けられた第２のテーパ領域と、を有し、前記第１のテーパ領域の少なくとも一部の厚みが、前記第１のテーパ位置と前記第１の端部との間でテーパ付けされ、前記第２のテーパ領域の少なくとも一部の厚みが、前記第２のテーパ位置と前記第２の端部との間でテーパ付けされていることを特徴としている。
【０００６】
本発明としてみなされる対象は、特に、本明細書の最終部分において指摘され明確に請求される。本発明は、好ましい例示的な実施形態によれば、その更なる目的及び利点と共に添付図面を参照しながら以下の詳細な説明に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
種々の図の全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、第１段タービンロータ２５と、第２段タービンロータ９５、及びこれらの間に位置付けられた第２段タービンノズル４０を備えるタービン段の一部である。タービンブレード２０及び９０は、それぞれ第１段及び第２段タービンロータのリムの回りに円周方向に配置される。
【０００８】
図２に示すように、タービンノズルセグメント４０は、内側バンド８０及び外側バンド５０、並びに内側バンド及び外側バンド間を延びるベーン４５を備える。タービンノズルセグメント４０は通常、マルチベーン構成を有し、各ノズルセグメントが内側バンド８０及び外側バンド５０に取付られた複数のベーン４５を備える。タービンノズルベーン４５は、図２に示すように中空の場合があり、これにより中空翼形部を介して冷却空気を循環させることができるようにする。タービンノズルセグメントは、エンジン内で組み立てられた時に、環状タービンノズル組立体を形成し、内側及び外側バンド８０、５０は、高温ガスが通過し、翼形部によって次のタービンロータ段に配向される環状流路表面を形成する。
【０００９】
外側バンドを含むノズルセグメントは、ベーン翼形部、外側バンド、及び内側バンドを有する鋳造物の一体成型物から作ることができる。或いは、ノズルセグメントは、ベーンフォイル、外側バンド、及び内側バンドなどの個々のサブ構成要素を蝋付けなどの接合することによって作ることができる。図４及び図５は、こうしたサブ構成要素である外側バンド５０を示しており、該外側バンド５０は切り欠き部６５を有し、ここに翼形部４５を挿入して、蝋付けなどの好適な手段により接合することができる。
【００１０】
各ノズルセグメントの外側バンド５０及び内側バンド８０は、アーチ形状を有し、複数ノズルセグメントが組み立てられて完全なタービンノズル組立体を形成したときに、環状流路表面を形成するようにする。図１に示すように、外側バンド５０は、外側バンド前方パネル５５、前方フランジ５９、及び前方フランジから軸方向後方に位置付けられた後方フランジ５６を備え、これらはノズルセグメント４０に対する半径方向の支持を与えるのに用いられる。前方フランジ５９は、前方アーチ形レール５１を備え、該レールは、図３及び図４に示す第１の端部５７からある円周方向距離を隔てて位置付けられた第２の端部まで延びている。同様に、後方フランジ５６は、後方アーチ形レール５３を備え、第１の端部５７からある円周方向距離を隔てて位置付けられた第２の端部５８まで延びる。組立体では、前方アーチ形レール５１は、ケーシング７０から延びる前方ノズル支持体５２のアーチ形溝に適合する間隙と係合する。後方アーチ形レール５３は、ケーシング後方フランジと係合するＣ型クリップを用いてケーシングに取付られる。
【００１１】
図５には、アーチ形フランジにより支持されるアーチ形構成要素においてコーディング応力を低減するための本発明の例示的な実施形態が示される。アーチ形構成要素は、図３及び図４に示される例えば前方アーチ形レール５１のようなアーチ形レールを有し、該レールは、図１に示される前方ノズル支持体５２のような別の構成要素において対応するアーチ形溝内での支持を与える。図５に示すように、アーチ形レールは、第１の端部５７と第２の端部５８との間で連続する一定の内半径を有する。アーチ形支持レールの従来の設計とは異なり、本発明の例示的な実施形態のアーチ形レールの厚みは、アーチ形レールによって支持されるアーチ形構成要素のコーディング応力を低減するように第１の端部５７と第２の端部５８との間で変化することができる。図５に示される例示的な実施形態において、アーチ形レールの厚みは、第１のテーパ領域１６８と第２のテーパ領域１６９とにおいてテーパが付けられている。具体的には、アーチ形レールの厚みは、第１のテーパ位置１７１での値「ｔ」から第１の端部１５７での値「ｔ１」１５１までテーパ付けされ、第２のテーパ位置１７２での値「ｔ」から第２の端部５８での値「ｔ２」１５２までテーパ付けされる。選択領域におけるテーパ付けによりアーチ形レールの厚みが変動することで、レールが係合するアーチ形溝内部で熱的変動の間に膨張するようなアーチ形レールのより良好な柔軟性を可能にし、一方、中心領域で厚みを維持することは、溝全体を通じて高温ガスの漏出を阻止するように作用する。
【００１２】
第１のテーパ領域１６８及び第２のテーパ領域１６９のテーパは、種々の方法で導入することができる。例えば、テーパ領域１６８及び１６９の外側部分上の平坦面を研削することにより導入することができる。テーパを導入する別の例示的な方法は、図５に示すように、第１のテーパ半径１６１と、第２のテーパ半径１６２と、第１のテーパ位置１７１と第２のテーパ位置１７２との間にある外側半径１５３とを用いることによるものである。レール内側中心１４０とレール外側中心１６０とのオフセットを好適に選択することによって、必要とされるあらゆる厚みを得ることができる。
【００１３】
ノズルセグメントの外側バンドの設計の好ましい実施形態（図３、４）において、第１のテーパ位置１７１及び第２のテーパ位置１７２は、アーチ形レールの外側表面上の中間点で一致する。第１のテーパ半径１６１と第２のテーパ半径１６２は等しい。ノズルセグメントの外側バンドについては、前方アーチ形レール５１は、内側半径１６１が１２．５９６インチ、外側半径１５３が１２．６８６インチ、第１のテーパ半径１６１が１１．７８６インチ、第２のテーパ半径１６２が１１．７８６インチであった。アーチ形レールの厚みの減少の大きさは、中央部で約０．００００インチから第１の端部５７及び第２の端部５８で約０．０１３５インチの範囲であった。
【００１４】
図７には、本明細書で記載される好ましい実施形態によって温度勾配の存在下でアーチ形レールの柔軟性に対する能力が向上した結果として、タービンノズルセグメントの外側バンドにおける応力が低減した実施例が示される。中央ベーンの前縁付近の外側バンドのピーク応力は、図６に示す従来の外側バンド設計での結果に較べて低減されている。本発明の好ましい実施形態を実施することにより得られる外側バンドの応力低減は、図８に示す応力勾配プロットで図示されるように、外側バンド上の他の領域にも拡張することができる。外側バンドの好ましい実施形態における相対応力分布１９２は、従来設計の外側バンドにおける相対応力分布１９１よりも有意に小さい。
【００１５】
本発明は種々の特定の実施形態について説明してきたが、本発明は請求項の精神及び範囲内で修正を実施可能である点は当業者であれば理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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、及びケーシングの組立体の長手方向断面図。
【図２】図１に示すノズルセグメントの斜視図。
【図３】一方側に対してある角度で軸方向後方に見た図２に示すノズルセグメントの外側バンドの斜視図。
【図４】他方側に対してある角度で軸方向後方に見た図２に示すノズルセグメントの外側バンドの別の斜視図。
【図５】テーパが付いたクラウンフランジの厚み特徴部の例示的な実施形態の概略図。
【図６】ある設計において生じる可能性のある応力輪郭を示す、従来設計のノズルセグメントの従来設計の外側バンドの一部の斜視図。
【図７】応力輪郭の低減を示す本発明の例示的な実施形態の外側バンドの一部の斜視図。
【図８】従来設計の外側バンドと本発明の例示的な実施形態の外側バンドの最大応力位置近傍の相対応力勾配を示す図。
【符号の説明】
【００１７】
５７  第１の端部
５８  第２の端部
１６８  第１のテーパ領域
１６９  第２のテーパ領域
１７１  第１のテーパ位置
１７２  第２のテーパ位置
【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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