(57)【要約】【課題】　熱的に独立しているシュラウドセグメント（２４）を有するとともに、経済的かつ容易に製造できるベーンクラスタを提供する。【解決手段】　タービンエンジンの圧縮機またはタービン用のベーンクラスタは、非線形のスロット（２６）を有するシュラウド（１２）を含み、これらのスロット（２６）は、シュラウド（１２）を熱的に独立したシュラウドセグメント（２４）に分割するようにシュラウド（１２）を通って延在する。スロット（２６）は、一致する非線形の面（２８）によって境界づけられており、これらの面（２８）は、従来のワイヤ放電加工装置によって容易でかつ安価に形成される。スロット（２６）の非線形のプロファイルは、流体の漏れを効果的に防ぐ。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　外側シュラウドと、
　内側シュラウドと、
　これらのシュラウドの間に延在する少なくとも２つのエアフォイルと、を有しており、
　前記シュラウドの一方が、シュラウドセグメントを定めるように隣接するエアフォイルの間で該シュラウドを通って延在する非線形のスロットを有し、各々のスロットは、互いに一致する非線形の面によって境界づけられていることを特徴とするベーンクラスタ。
【請求項２】
　前記非線形のスロットは、接合部を間に有する少なくとも２つのスロット部分を含み、各々の接合部は、角度の方向変化にそれぞれ対応していることを特徴とする請求項１記載のベーンクラスタ。
【請求項３】
　少なくとも３つのスロット部分を含み、角度の方向が少なくとも２回変化していることを特徴とする請求項２記載のベーンクラスタ。
【請求項４】
　角度の方向変化は、少なくとも約１８０°の累積した角度の変化を定めていることを特徴とする請求項３記載のベーンクラスタ。
【請求項５】
　前記非線形のスロットは、湾曲部分を含むことを特徴とする請求項１記載のベーンクラスタ。
【請求項６】
　各々の前記非線形のスロットは、少なくとも２つの直線部分を含むことを特徴とする請求項１記載のベーンクラスタ。
【請求項７】
　前記非線形のスロットが延在する前記シュラウドは、内側シュラウドであることを特徴とする請求項１記載のベーンクラスタ。
【請求項８】
　前記非線形のスロットは、前記クラスタの隣接する全てのエアフォイルの間に設けられていることを特徴とする請求項１記載のベーンクラスタ。
【請求項９】
　前記スロットは、放電加工によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のベーンクラスタ。
【請求項１０】
　外側の側方端部を有する外側シュラウドと、
　内側の側方端部を有する内側シュラウドと、
　これらのシュラウドの間に延在する少なくとも１つのエアフォイルと、を有しており、
　前記外側シュラウドおよび前記内側シュラウドの少なくとも一方の側方端部が、横方向に隣接するベーンクラスタの側方端部の対応する非線形のプロファイルと一致する非線形のプロファイルを有していることを特徴とするベーンクラスタ。
　
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、タービンエンジンで使用される種類のシュラウド付きベーンクラスタに関し、特に、セグメント化された漏れにくいシュラウドを有するクラスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
　典型的なガスタービンエンジンの圧縮部は、エンジン軸と軸方向に交互に設けられた固定ベーンおよび回転ブレードの列を囲むケースを含む。各々のベーンの列は、ケースの内部で周方向に配置された複数のベーンクラスタから構成し、各々のクラスタをケースによって支持することができる。各々のベーンクラスタは、径方向内側のシュラウド、径方向外側のシュラウド、およびこれらのシュラウドの間に延在する２つ以上のエアフォイルを含む。内側および外側のシュラウドは、共同して作動媒体流体用の環状流路の一部の内側および外側の境界を画成する。
【０００３】
　エンジンの動作時には、ベーンクラスタは、不均一に加熱および冷却される。これに伴う温度勾配は、クラスタに過大な応力を与えて損傷を引き起こすおそれがある。熱によって引き起こされるこのような応力を軽減するのを助けるために、隣接する２つのエアフォイルの周方向中間位置で、シュラウドを分割するスロットによって２つのシュラウドの一方をセグメントに分割することができる。各々のクラスタの外側シュラウドは、クラスタをケースに連結するので、外側シュラウドよりも内側シュラウドをセグメント化することが一般的である。これらのスロットによって、シュラウドセグメントが互いに独立して膨張または収縮することが可能となり、損傷のおそれが減少する。
【０００４】
　スロットを形成する技術の１つには、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）がある。ワイヤ放電加工は、電源スプールに巻き付けられ、かつ巻取りスプールまで延在するワイヤの形態の帯電電極を使用する。ベーンクラスタのシュラウドは、これらのスプールの間でワイヤにさらされる。放電加工工程では、ワイヤが電源スプールから巻取りスプールまで移動し、同時にシュラウドに向かって進む。ワイヤ電極とシュラウドとの間の電荷の違いによって、シュラウドから材料を除去する放電が生じる。材料が除去されるに従って、スロットが完全に形成されるまでワイヤがシュラウドを通って進む。
【０００５】
　シュラウドのスロットの１つの難点は、エンジンの作動時に作動媒体流体が流路外に漏れるか、もしくは非作動媒体流体が流路内に漏れるおそれがある通路となってしまうことである。このような漏れは、小径の放電加工ワイヤを使用して細いスロット、すなわち対応する狭い切り口を有するスロットを加工することである程度軽減することができる。しかし、細い放電加工ワイヤを使用すると、加工時間が増加してしまう。さらに、細い放電加工ワイヤは、太い放電加工ワイヤよりも放電加工中に破損しやすい。また、細い放電加工ワイヤは、太い放電加工ワイヤよりもベーンクラスタに混入した微小な粒子状不純物によって失速するおそれが高い。最後に、細いワイヤを使用することができる商業的に流通している放電加工装置は、太いワイヤを使用する放電加工装置よりも特殊である。このため、製造業者は、細いワイヤを使用する比較的特殊な装置に投資することに経済的な魅力を感じない可能性がある。従って、比較的幅の広いスロットを選択して細いスロットを避けることが望ましい。
【特許文献１】米国特許第３７２８０４１号明細書
【特許文献２】米国特許第３９７０３１８号明細書
【特許文献３】米国特許第５１６７４８５号明細書
【特許文献４】米国特許第４４２２８２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
　幅の広いスロットを通る漏れを減少させる方法の１つは、スロットの内部にリセスを設けるとともにこのリセスにシールを設置することである。特許文献１〜３は、このような装置を開示している。シールは、独立したベーンのシュラウドの間や隣接するベーンクラスタの周方向端部の間には簡単に設置できるが、スロットを除いて一体であるベーンクラスタのエアフォイルの間のシュラウドスロットには簡単に設置できない。さらに、スロット内にリセスを形成することで、製造コストの上昇および製造処理能力の減少が生じてしまう。漏れを軽減しうる他の方法は、特許文献４に開示された密封ストリップのような外部のシールを各々のスロットにわたって設置することである。しかし、このような外部のシールも製造コストを増加させる。
【０００７】
　従って、熱的に独立しているシュラウドセグメントを有するとともに、経済的かつ容易に製造できるベーンクラスタが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　本発明では、ベーンクラスタが非線形のスロットを有するシュラウドを含み、これらのスロットは、シュラウドを熱的に独立したシュラウドセグメントに分割するようにシュラウドを通って延在する。スロットは、互いに一致する非線形の面によって境界づけられており、これらの面は、従来のワイヤ放電加工装置によって容易でかつ安価に形成される。非線形のスロットは、流体の漏れを効果的に防ぐ。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　図１〜図５を参照すると、タービンエンジンの圧縮機用のベーンクラスタは、径方向外側シュラウド１０、径方向内側シュラウド１２、およびこれらのシュラウドの間で径方向すなわち翼幅方向に延在する２つ以上のエアフォイル１４を含む。外側シュラウド１０の軸方向端部におけるフック１６によって、外側シュラウド１０のエンジンケース（図示省略）への取付けが容易になる。内側シュラウド１２の軸方向端部における脚部１８が、内側エアシール（図示省略）を収容する。クラスタは、側方端部２０の間で周方向に延在する。複数のこのようなクラスタがタービンエンジンに設置されると、シュラウドによって、環状の流体流路２２の一部の径方向内側および径方向外側の境界が画成される。この流路２２は、エンジン軸（図示省略）を取り囲む。ベーンクラスタ自体は、規定された寸法に仕上げ加工された金属性鋳造物である。
【００１０】
　内側シュラウド１２は、周方向に隣接するエアフォイル１４の間に設けられた非線形のスロット２６によって個々のセグメント２４に分割されている。これらのスロット２６は、ワイヤ放電加工または他の適切な方法によって設けられる。図１には、４種類の異なるスロット２６が示されているが、通常は、あるクラスタには１種類のスロット２６のみが使用される。内側シュラウド１２の最も左側の部分は、“鋳放し”状態すなわちスロット２６を含まない状態で図示されている。各々のスロット２６は、非線形であるが、図２〜図４に最もよく示されているように２つ以上の直線部分を含みうる。各々のスロット２６は、２８ａ，２８ｂなどの一対の一致する面によって境界づけられている。本明細書において、“一致する”面とは、互いに実質的に正確な対応面、すなわち互いに相補的な面を意味する。これは、隣接するスロット面を相補的としないスロット内のリセスを特徴とする、特許文献１〜３とは対照的である。
【００１１】
　図２〜図５は、４つのスロット２６をより詳細に示している。最初に図２を参照すると、非線形のスロット２６は、３つの直線部分２６ａ，２６ｂ，２６ｃを含み、これらの直線部分は、少なくとも１つの他の部分との間に接合部３２を有する。各々の接合部３２は、スロット２６内の角度の方向変化（ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ａｎｇｕｌａｒ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に対応する。例えば、スロット部分２６ａ，２６ｂの間の１つの接合部３２は、約９０°の径方向から横方向への角度の方向変化に対応する。スロット部分２６ｂ，２６ｃの間の他の接合部３２は、さらに約９０°の横方向から径方向への変化に対応する。従って、累積した角度の変化は、約１８０°である。
【００１２】
　図３は、スロット２６が３つの直線部分および２つの接合部３２を含む変形例を示している。各々の接合部３２は、約１２０°の角度の方向変化に対応し、累積した角度の変化は約２４０°である。
【００１３】
　図４は、スロット２６が７つの直線部分と６つの接合部を含む変更例を示している。各々の接合部は、約９０°の角度の方向変化に対応し、累積した角度の変化は約５４０°である。
【００１４】
　接合部３２における角度の方向の急な変化は、スロット２６を通る流体漏れを防ぐのを助け、これにより、安価に設けることができる比較的幅の広いスロットの使用が可能になる。このような角度の方向の急な変化がなければ、比較的幅の広いスロットは充分でないおそれがある。各々の方向変化は、流体漏れに対する耐性を高める。大きいつまり比較的急な変化は、小さいつまり比較的緩やかな変化に比べて優れている。従って、２つの直線部分および１つの接合部のみを有するスロットを使用することもできるが、最も実際的でコスト効率が高いスロットは、少なくとも３つの直線部分と、少なくとも合計が約１８０°である２箇所の方向変化を含むスロットである。直線部分の数が多ければスロットの漏れ耐性がさらに向上すると予想されるが、これに応じて比較的長くなるスロットの長さによって、ワイヤ放電加工を使用してスロットを切るのに必要な時間が増加してしまう。漏れ耐性と製造の複雑さとのトレードオフは、ベーンクラスタの設計者や製造業者が検討すべき事項である。
【００１５】
　図６〜図８に示されるように、非線形のスロット２６は、上述の例のように線形部分を必ずしも含む必要がなく、１つまたは複数の曲率半径を有する湾曲したスロットとすることができる。平均曲率半径Ｒは、スロット２６の長さに沿って連続的に変化してもよく（図６参照）、またはスロット２６の個々の部分２６ａ，２６ｂの間に１つまたは複数の明確な接合部３２が定められるように非連続的に変化してもよい（図７参照）。図８に示すように、スロット２６は、湾曲部分および直線部分の両方を合わせて含むことができる。スロット２６の漏れ耐性は、方向変化の急激さおよび数に左右されるので、滑らかに湾曲したスロット２６では、漏れ耐性が不充分であるおそれがある。急な方向変化を有する湾曲したスロット２６は、滑らかな湾曲部よりも優れていると予想されるが、直線部分を含むスロット２６よりも製造が困難でありうる。図５の蛇行スロットは、連続的に変化する複数の曲率半径を有する湾曲したスロット２６の例である。
【００１６】
　スロット２６は、必ずしも全てのエアフォイル１４の間に周方向に設ける必要はなく、その代わりに、例えば、所望の程度の熱的な独立性を得るように２つまたは３つのエアフォイル１４ごとに間にスロット２６を選択的に設けることができる。
【００１７】
　図１のクラスタは、ベーンの単一の列すなわち段の１つのセクタである。エンジンによっては、ベーンクラスタが周方向に整列した２つ以上のサブクラスタを含み、これらのサブクラスタは、互いに一体に設けられるとともに段間空間によって軸方向に離間されている。完全に組み立てられたエンジンでは、ロータブレードが段間空間内に径方向に延在する。本発明には、図示の単一段クラスタとともにこのような多段クラスタも含まれる。
【００１８】
　図９に示すように、スロット２６の非線形の形状は、隣接するベーンクラスタの側方端部２０の間の境界面として使用することもできる。このような構造は、少なくとも１つのエアフォイルがシュラウドの間で延在する内側および外側のシュラウド１０，１２を含む。少なくとも１つのシュラウド、例えば内側シュラウド１２の側方端部２０は、非線形のプロファイルを有し、このプロファイルは、横方向で隣接するベーンクラスタの端部に設けられた対応する非線形のプロファイルと一致する。
【００１９】
　本発明は、圧縮機用のステータベーンに関して示しているが、タービンにも同様に適用可能である。さらに、本発明は、内側シュラウドの代わりに外側シュラウドがセグメント化されたシュラウドであるクラスタを含む。当業者であれば分かるように、形態および詳細に関する上述のまたは他の変更は、請求項に記載の本発明から逸脱することなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】径方向内側のシュラウドが本発明に係るスロットによってセグメント化されているベーンクラスタの斜視図である。
【図２】図１の符号２で示したスロットの拡大説明図である。
【図３】図１の符号３で示したスロットの拡大説明図である。
【図４】図１の符号４で示したスロットの拡大説明図である。
【図５】図１の符号５で示したスロットの拡大説明図である。
【図６】湾曲部を有するスロットの拡大説明図である。
【図７】湾曲部を有する他のスロットの拡大説明図である。
【図８】湾曲部を有するまた他のスロットの拡大説明図である。
【図９】内側シュラウドの側方端部に非線形のプロファイルを有するベーンクラスタを示す図１と同様の斜視図である。
【符号の説明】
【００２１】
　１０…径方向外側シュラウド
　１２…径方向内側シュラウド
　１４…エアフォイル
　１６…フック
　１８…脚部
　２０…側方端部
　２２…環状の流体流路
　２４…シュラウドセグメント
　２６…非線形のスロット
　
【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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