(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝突空気（４０）を通して排出する多孔スリーブ（４２）と、
前記スリーブの上端を閉ざしそして貫通入口孔（４６）を有するキャップ（４４）と、
底端から半径方向外方に延在する一体フランジ（４８）を含み、前記入口孔の周囲に前記キャップ（４４）上に配置されて空気を前記スリーブ内に導くスプーリーカップ（３２）と、
前記キャップに固定されて前記カップフランジ（４８）をキャップ上で緩く捕捉して前記カップフランジの限られた横方向滑動を可能にする保持体（５０）と
からなり、
前記キャップ（４４）はさらに、前記入口孔（４６）を囲む平坦座（５２）を含み、そして前記カップフランジ（４８）は平らで前記平坦座と当接してそれとともに接触密封をなすことを特徴とする、タービン静翼衝突邪魔板（３０）。
【請求項２】
前記保持体（５０）は環状であり前記カップ（３２）から横方向に隔てられて前記カップの前記の限られた横方向滑動を可能にする、請求項１記載の邪魔板。
【請求項３】
前記保持体（５０）はその周囲にある一体フランジ（５４）を含み、このフランジは前記キャップに固定されて前記保持体をそれから離隔し、前記カップフランジ（４８）を受入れる環状スロット（５６）を画成する、請求項２記載の邪魔板。
【請求項４】
前記保持体フランジ（５４）は前記カップフランジ（４８）から横方向に隔てられて前記カップとそのフランジの前記の限られた横方向滑動を可能にする、請求項３記載の邪魔板。
【請求項５】
環状ケーシング（１４）と、前記ケーシング（１４）に装着された複数の周方向に隣合うノズルセグメント（１６）とを備え、
各セグメントは外側および内側バンド（２４、２６）を含み、両バンドはその間に延在する１対の中空静翼（２８）と一体に結合されており、
各ノズル静翼（２８）は衝突邪魔板（３０）を含み、この邪魔板はそれから外方に延在する横方向浮動内側スプーリーカップ（３２）を有し、また、
前記内側スプーリーカップ（３２）それぞれと半径方向に整合した複数の周方向に相隔たる外側スプーリーカップ（３６）を含む多孔衝突リング（３４）と、
前記の整合した内側および外側スプーリーカップの対応対を半径方向に連結して冷却空気を通すそれぞれのスプーリー（３８）と
を備えているタービンノズル（１０）。
【請求項６】
各衝突邪魔板（３０）はさらに、衝突空気（４０）を通して排出する多孔スリーブ（４２）と、前記スリーブの上端を閉ざし貫通入口孔（４６）を有するキャップ（４４）とを備え、
前記内側スプーリーカップ（３２）は、その底端から半径方向外方に延在する一体フランジ（４８）を含み、前記入口孔の周囲で前記キャップ（４４）上に配置されて空気を前記スリーブ内に導き、また、
各衝突邪魔板（３０）は保持体（５０）を備え、この保持体は前記キャップに固定されて前記カップフランジ（４８）をキャップ上で緩く捕捉して前記カップフランジの限られた横方向滑動を可能にする、請求項５記載のノズル。
【請求項７】
各キャップ（４４）はさらに、前記入口孔（４６）を囲む平坦座（５２）を含み、そして前記カップフランジ（４８）は平らで前記平坦座と当接してそれとともに接触密封をなす、請求項６記載のノズル。
【請求項８】
各保持体（５０）は環状であり前記カップ（３２）から横方向に隔てられて前記カップの前記の限られた横方向滑動を可能にする、請求項７記載のノズル。
【請求項９】
各保持体（５０）はその周囲にある一体フランジ（５４）を含み、このフランジは前記キャップに固定されて前記保持体をそれから離隔し、前記カップフランジ（４８）を受入れる環状スロット（５６）を画成する、請求項８記載のノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的にはガスタービンエンジンに関し、特に、同エンジン内のタービンノズルに関する。
【０００２】
ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で圧縮されそして燃焼器内で燃料と混ぜられかつ点火されて高温燃焼ガスを発生し、燃焼ガスは下流方向に幾つかのタービン段を通流する。高圧タービンが圧縮機に動力を与え、そして代表的なターボファン航空機エンジンの場合、低圧タービンがファンに動力を与えて飛行中の航空機を推進する。
【０００３】
タービン段には複数の中空静翼を有する静止タービンノズルが含まれ、静翼は外側および内側バンド間に半径方向に延在する。静翼は翼形の形状を有し、静翼の下流に配置された対応タービン動翼間に燃焼ガスを導く。動翼はロータディスクの周囲に装着され、ロータディスクは運転中回転して作用中の圧縮機またはファンに動力を与えてそれを回転させる。
【０００４】
タービンノズル静翼は、運転中、翼面上を流れる高温燃焼ガスによって加熱されるので、圧縮機から抽出された冷却空気が静翼内に導かれて静翼を冷却する。静翼冷却は極めて複雑であり、そして様々な冷却形状を開示している多くの特許が存在する。
【０００５】
ノズル静翼は通例内部に衝突邪魔板を備え、冷却空気が衝突邪魔板を通って静翼の内面に衝突して静翼の内部冷却をなす。また、静翼は通例、翼壁を貫通するフィルム冷却孔を有し、これらの冷却孔は使用済み冷却空気を静翼の外面上に膜状に排出して高温燃焼ガスに対する追加的な保護をなす。
【０００６】
タービンノズルは通例その外側バンドにおいて周囲環状ケーシングに支持される。圧縮機から抽出された冷却空気は対応流路によりケーシングを通って個々の静翼内に導かれる。タービンノズルは高温燃焼ガスに直接さらされるので、冷却空気を通す周囲ケーシングの温度より高い温度に加熱される。タービンノズルと周囲ケーシングとの熱膨縮差に対処しなければ、運転中、容認し得えないほど大きな熱応力を防ぐことができず、このような熱応力はノズルの有効寿命に悪影響を与える。
【０００７】
従って、代表的なタービンノズルは複数の弧状ノズルセグメントとして形成され、２つ以上の静翼が、対応する外側および内側バンドセグメントと一体に形成され、各ノズルセグメントは通例一体の鋳物として形成される。ノズルセグメントは周囲ケーシングに固定され、そして隣合うバンドセグメント間に適当なシールを有する。タービンノズルのセグメント化はノズルの周方向連続性を遮断し、そしてノズルと周囲ケーシング間の拘束されない熱的移動差が発生し得る。
【０００８】
米国内で長年にわたって商用に供されてきた第２段タービンノズルの一例では、多孔衝突リングがノズル外側バンドを囲んで同バンドの衝突冷却に役立つ。この設計では個々のノズル静翼内に向かう別の流路が複数の入口管によって設けられ、これらの管は通常スプーリーと呼ばれ、衝突リングと幾つかの対応衝突邪魔板との間に半径方向に延在する。
【０００９】
各衝突邪魔板は一体の内側スプーリー容器またはカップを含み、このカップは邪魔板の頂部に固定された管の形態をなし、スプーリーの一端を受入れる。スプーリーの他端は、衝突リングを貫通するように固定された対応外側スプーリーカップ内に受入れられる。
【００１０】
各対の外側および内側スプーリーカップは一般に互いに半径方向に整合して両カップ間に対応スプーリーを受入れ、それぞれのスプーリーは両側のカップを連結して、衝突リングの衝突孔を通る空気流とは無関係に、冷却空気を個々の静翼内に導くように連通作用をなす。
【００１１】
定形状スプーリー設計の特別な問題は、スプーリーの外端を支持する衝突リングと、対応内側スプーリーカップが延在するノズルセグメントとの熱膨縮差である。
【００１２】
内側および外側スプーリーカップの周方向位置は、ノズル構成部の組立て中の初期低温位置から、高温でのエンジン運転中の高温位置へと必然的に変わる。
【００１３】
従って、外側および内側スプーリーカップ間の熱的移動差に対処するために、従来、比較的大きな環状バンドを個々のスプーリーの両端の周囲に設けている。スプーリーバンドはそれぞれのスプーリーカップ内で摩擦密封をなし、そして動かなくなったりスプーリー変形を起こしたりすることなく、個々のスプーリーの限られた量の傾斜を可能にする。
【００１４】
このように、外側および内側スプーリーカップは最初に、スプーリーをカップ内に挿入した状態で、低温組立て中半径方向に整合することができる。また、タービンの運転温度で、各対の外側および内側スプーリーカップ間の移動差が、個々のスプーリーの密封バンドを支えとする傾斜によって許容される。
【００１５】
スプーリーバンドは個々のスプーリーの外面から半径方向外方に突出しているので、個々のスプーリーの対応内径は本来比較的小さい。各静翼は、運転中の効果的な冷却のために所定量の冷却空気の通流を必要とするので、スプーリーの内径はその空気流要件に適合するように決定されなければならない。これに対応してスプーリーバンドの比較的大きな直径が必要になり、従ってスプーリーの全体的な寸法が増加し、それだけエンジン重量が増加する。エンジン重量の増加はエンジンの総合効率を減らすので、航空機エンジンの主要設計要目である。
【００１６】
各ノズルセグメントにおける隣合う静翼は、一体バンドセグメントによって一緒に固定されるので、隣接ノズルセグメントにおける隣合う静翼とは異なる膨縮をなす。隣合うノズルセグメントは隣合うバンドによって一体に結合されず、その代わりに支持ケーシングによって一緒に結合される。スプーリーカップ対間の熱的移動差は、各ノズル静翼に対して内側スプーリーカップの異なる位置を設定することによって別様に対処することができる。これは望ましくない。なぜなら、それはノズルセグメントの均等性を減らしそして部品の比較的多くの在庫数量の必要性を高めるからである。
【００１７】
従って、運転中の熱的移動差に対処するためにスプーリーと支持カップの改良形状を有するタービンノズルを設けることが望まれる。
【００１８】
【発明の概要】
タービンノズル静翼用の衝突邪魔板に多孔スリーブが含まれ、衝突空気を通して排出する。キャップがスリーブの上端を閉ざしそして入口孔を有する。スプーリーカップがその底端にフランジを備え、このフランジは、空気を通す入口孔の周囲でキャップ上に配置される。保持体がキャップに固定されてカップフランジをキャップ上で緩く捕捉してカップフランジの限られた横方向滑動を可能にする。
【００１９】
【発明の詳述】
本発明は、他の目的と利点とともに、添付図面と関連する好適実施例の以下の詳述からさらに明らかとなろう。
【００２０】
図１にはターボファン航空機ガスタービンエンジンの第２段タービンノズルの一例１０を示す。ノズル１０は長手方向または軸方向中心線１２に関して軸対称形でありそして環状ケーシング１４を含み、このケーシングに複数のノズルセグメント１６が任意の従来態様で装着される。
【００２１】
タービンノズルのすぐ上流に１列の高圧タービン動翼１８が配置されており、最初に高温燃焼ガス２０を受け、燃焼ガスからエネルギーが抽出されて動翼支持タービンロータを駆動する。第２段ノズル１０のすぐ下流に１列の第２段タービン動翼２２が配置され、追加エネルギーを燃焼ガスから抽出して第２段動翼支持ロータを駆動する。
【００２２】
図２は複数の周方向に隣合うノズルセグメント１６の２つを示し、両セグメントは、それらが装着される図１のケーシング１４から隔離されている。各セグメント１６は半径方向外側および内側バンド２４、２６を含み、両バンドは弧状セグメントの形態のもので、１対の中空翼形静翼２８と一体に結合され、各セグメントは通例一体鋳物として形成される。２つ以上の静翼を各ノズルセグメントに形成することができ、これらの静翼は両バンド間に半径方向に延在し、そして周方向に相隔たって燃焼ガスを軸方向に通す。
【００２３】
図１と図２に示したノズル静翼２８はそれぞれ衝突邪魔板３０を含み、この邪魔板は横方向浮動内側スプーリーカップ３２を有し、このカップは、例えば短い筒形管の形態のもので、邪魔板３０から半径方向外方に延在する。
【００２４】
多孔衝突リング３４が、半径方向に支持ケーシング１４と外側バンド２４との間に、締結具によってノズルセグメントの外側バンドに従来のように装着されて２つの同心空気流プレナムを画成する。
【００２５】
衝突リング３４には複数の周方向に相隔たる外側スプーリーカップ３６が含まれ、半径方向外方に延在しそして内側カップ３２の対応するものと概して半径方向に整合される。
【００２６】
複数のスプーリー３８、例えば、薄肉板金管の形態のものが、整合した内側および外側カップ３２、３６の対応対を貫通するように配置されて対応流路ブリッジを形成し、冷却空気４０を通して対応衝突邪魔板内に導き、こうしてそれぞれのノズル静翼の内部冷却をなす。冷却空気４０は従来のようにエンジンの圧縮機（図示せず）から抽出され、そしてケーシング１４に形成された入口を通る。
【００２７】
図１に示した衝突リング３４は多数の小さな衝突孔を有し、これらの衝突孔により冷却空気４０の一部分が衝突リングを通流し、一つの冷却回路においてノズル外側バンド２４の半径方向外面の衝突冷却をなす。
【００２８】
第２冷却回路がそれぞれのスプーリー３８を通るように画成され、冷却空気４０の残部を対応衝突邪魔板内に直接導入する。
【００２９】
衝突邪魔板はまた、その壁を貫通する多数の小さな衝突孔を有し、これらの衝突孔は静翼の内面の衝突冷却に役立ち、使用済みの静翼衝突空気は通例、静翼を貫通している従来の膜冷却孔を経て静翼から排出される。使用済み外側バンド冷却空気は通例、従来のように外側バンドの複数の開口を経てあるいは外側バンドの支持用装着フランジを経て周囲プレナムから排出される。
【００３０】
図３は、衝突邪魔板３０の一例の半径方向外端に取付けた浮動内側スプーリーカップ３２の一実施例をさらに詳細に示す。各衝突邪魔板には多孔スリーブ４２が含まれ、それを貫通する多数の小さな衝突孔を有し、これらの衝突孔により冷却空気がスリーブの内側から排出され、邪魔板が挿入された対応静翼の内面に衝突する。スリーブ４２は通例薄い板金部材であり、その半径方向内端が従来のように適当に閉ざされており、スリーブはまた薄肉板金キャップ４４を有し、このキャップはスリーブの外端または上端を閉ざすものである。キャップ４４は、それを貫通している大きな入口孔４６を除けば、中実または無孔であり、入口孔４６は冷却空気を邪魔板内に導く。
【００３１】
内側スプーリーカップ３２には一体の取付けフランジ４８が含まれ、カップの円形底端から半径方向外方に延在し、カップ３２は入口孔４６の周囲でキャップ４４上に直接接触している。
【００３２】
保持体５０がキャップ４４に固定されてカップフランジ４８をキャップ上で緩く捕捉し保持してカップフランジの限られた横方向滑動または浮動を可能にする。
【００３３】
キャップ４４は好ましくはさらに、入口孔４６を囲む平坦な円形座５２を含み、そしてカップフランジ４８は平らで前記平坦座と当接してそれとともに接触密封をなす。
【００３４】
図３に示した好適実施例では、保持体５０は好ましくは環状または円形であり、内側カップ３２から半径方向または横方向に隔てられてそれとの間に公称側間隙Ａを画成し、保持体５０内の内側カップの限られた横方向滑動を可能にする。
【００３５】
保持体５０はまた好ましくは、その周囲にある一体の軸方向延在フランジ５４を含み、このフランジはキャップ４４に、例えば、ろう付けまたは溶接によって固定されて保持体５０をそれから離隔し、カップフランジ４８を受入れそして捕捉する環状スロット５６を画成する。
【００３６】
保持体フランジ５４はカップフランジ４８から横方向または半径方向に隔てられてそれとの間に公称端間隙Ｂを画成し、内側カップ３２とその装着フランジ４８の限られた横方向滑動を可能にする。両半径方向間隙Ａ、Ｂは好ましくは相等しく、従って内側カップ３２は保持体５０の限られた境界内で横方向に自由に浮動または滑動し得る。このように浮動する内側カップ３２は、図１と図２に示した対応外側カップ３６と改良された半径方向整合をなし、これによりノズル構成部の初期組立てと、運転中のノズルの性能とが改善される。
【００３７】
さらに詳述すると、タービンノズルは、前述のようにそして図２に示すように、複数のノズルセグメント１６として形成されており、従って外側および内側バンドの周方向連続性が断ち切られている。この実施例では、外側バンドは一緒に固定されそして従来のようにケーシング１４に支持されている。タービンノズルの作用中、高温燃焼ガス２０がノズルセグメントを周囲の衝突リング３４とケーシング１４より高い作用温度に加熱する。衝突リング３４とケーシング１４はそれらに導かれる抽出空気４０によって冷却される。
【００３８】
衝突リング３４は完全に環状でありそして運転中比較的低温であり、またノズルセグメントは運転中比較的高温であるから、これらの構成部は加熱された時熱膨張差を生じそして冷却された時収縮差を生じる。
【００３９】
従って、邪魔板入口孔４６と対応外側スプーリーカップ３６との半径方向整合は、ノズル構成部の熱膨縮中、周方向に変わる。
【００４０】
浮動スプーリーカップ３２は保持体５０内で横方向位置が調整可能であり、従って、対応する内側および外側カップ３２、３６は互いに正確に半径方向に整合可能であり、ノズル構成部の熱的移動差によるスプーリーの望ましくない傾斜または上ぞりを起こすことなく、対応スプーリー３８を支承する。
【００４１】
図２に示すように、個別ノズルセグメント１６の２つの静翼は同セグメントに固定されるが、隣合うノズルセグメントの隣合う静翼は、セグメント間の軸方向分割線によって互いに分離されている。これに対応して、衝突リング３４は一体部材である。従って、外側カップ３６は、対応内側カップ３２との熱的移動差にかかわらず内側カップ３２と整合しなければならない。
【００４２】
図２に示した外側カップ３６は、低温時に、または組立て中の室温で、中心から中心までの公称周方向ピッチＣを有し得る。衝突リング３４が運転中に加熱されると、衝突リングの周が膨張するので、外側カップ３６は比較的大きなピッチＤを有する。
【００４３】
これに対応して、ノズル静翼２８と邪魔板入口孔４６は、組立て中の室温で低温周方向ピッチＥを有する。また、高温での運転中、入口孔４６はノズルセグメントの熱膨張により比較的大きな周方向ピッチＦを有する。
【００４４】
外側スプーリーカップ３６と邪魔板入口孔４６のそれぞれのピッチは、組立て中の低温時、あるいは運転中の高温時のいずれかでは合致し得るが、低温時と高温時の両方で合致することはない。
【００４５】
従って、保持体５０は好ましくは次のように、すなわち、内側スプーリーカップ３２の横移動を可能にする側間隙Ａ、Ｂを画成して、低温での組立て中と、ノズルセグメントの最高作用温度で、内側および外側スプーリーカップの対応対を半径方向に整合して、衝突リング３４とノズルセグメント１６との熱膨張差に対処するように直径が定められる。
【００４６】
浮動スプーリーカップ３２の特別な利点は、低温組立て中に、それぞれのスプーリー３８を対応する内側および外側カップ間に組付けることを可能にし、しかもノズルの高温作用時に、内側カップが保持体内で横方向に滑って各カップ対の半径方向整合を維持してそれぞれのスプーリー３８の傾斜を制限または防止し得るということである。また、浮動内側カップ３２は、ピッチの変化にかかわらずそれぞれの入口孔４６による冷却空気流路を維持する。
【００４７】
前述の浮動スプーリー設計の特別な利点は、定設計の異なる位置のスプーリーを無くして個々のノズルセグメントの共通性を維持し、これにより、ノズルに要する相異なる部品の数を減らすことを包含する。また、浮動スプーリーは、内側および外側スプーリーカップの各対間の比較的大きな位置公差の必要を無くする。このような公差は、さもなければ定形状内側スプーリー設計に必要とされるものである。
【００４８】
図３に示すように、各スプーリー３８は好ましくは薄肉板金管で、頂部と底部の外部環状ボスまたはバンド５８を含み、両環状バンドは、図１に示すように内側および外側スプーリーカップの対応内面と摩擦的に当接または係合するように外径が定められている。このように、各スプーリーの両バンド５８はそこでの効果的な空気密封をなし、従って、スプーリーを通って衝突邪魔板に入る圧縮冷却空気はスプーリーとカップ間の漏れをほとんど起こさない。
【００４９】
従って、スプーリーバンド５８は外側および内側スプーリーカップ内で内部空気密封をなす。また、平らなカップフランジ４８は対応平坦座５２上で効果的な空気密封をなして空気漏れを減らすか無くする。
【００５０】
浮動スプーリーカップ３２の他の利点は、図３に示したスプーリーバンド５８の高さＧを、本明細書の発明の背景の部分で述べた定形状スプーリーカップとともに用いる従来のスプーリーと比べて最小にし得ることである。定形状スプーリーカップ間の熱的移動差による両カップ間の固有の半径方向不整合により、従来寸法のスプーリーバンドは、スプーリーがスプーリーバンドを支えとして十分な程度傾斜して熱的移動差に対処し得るように、比較的高くなければならない。
【００５１】
これらの大きなスプーリーバンドは必然的にそれに対応する小さなスプーリー内径を必要とする。所与のスプーリーには特定流量の冷却空気を通さなければならないので、スプーリーの内径は所要流量によって制御され、従ってスプーリーバンドはそれに対応する大きな直径をもたなければならない。従って、支持用の定形状スプーリーカップの直径と寸法が増加し、タービンノズルに望ましくない重量が加わることになる。
【００５２】
しかし、浮動内側スプーリーカップ３２を利用することにより、スプーリー３８の傾斜または上ぞりはかなり減少するか皆無になり、従って、スプーリーバンド５８は最小高さＧをもつように寸法を定めることができるので、主としてそこでの所望空気密封だけをなし、衝突リング３４とノズルセグメントとの熱膨張差によるスプーリーカップ内のスプーリーの傾斜を生じない。
【００５３】
スプーリーバンドの高さＧを減らすことができるので、スプーリーの内径をそれだけ増すことができる。このように、スプーリーを通る所与の冷却空気流量に対して、所要内径を定めることができ、それに応じてスプーリーバンド５８の外径を従来の設計におけるバンドより小さくすることができ、その結果、スプーリーが比較的小さくなるばかりでなく、それに応じて内側および外側スプーリーカップ３２、３６も小さくなる。例えば、浮動スプーリーカップを浮動しないスプーリーカップの代わりに用いると、スプーリーバンド５８の高さを約５ミルから約２ミルまで減らすことができる。
【００５４】
従って、浮動スプーリーカップをそれぞれの衝突邪魔板に簡単に設けることにより、ノズルセグメントと衝突リング３４との熱膨縮差に対処することができ、効果的に密封された独立流路を維持して圧縮冷却空気を衝突リングを通して幾つかの静翼内のそれぞれの衝突邪魔板内に導入することができる。各浮動スプーリーは共通または同等設計を有し、それに応じて各ノズルセグメントも同等設計を有してタービンノズルにおける異なる部品の数を減らすことができる。
【００５５】
浮動スプーリーカップは、例えば、スタンピングされた板金で容易に形成することができ、そして衝突邪魔板の対応キャップ４４に容易に組付けることができので、製造費は低廉である。
【００５６】
以上、本発明の好適実施例と考えられるものを説明したが、それらの様々な改変が本発明の範囲内で可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による軸対称形第２段タービンノズルの軸方向断面図である。
【図２】図１に示したタービンノズルの一部分の分解図である。
【図３】本発明の一実施例による浮動スプーリーカップを有する図１と図２のノズル静翼内に装着した衝突邪魔板の一例の部分分解拡大図である。
【符号の説明】
１０  第２段タービンノズル
１４  環状ケーシング
１６  タービンノズルセグメント
２４  外側バンド
２６  内側バンド
２８  中空静翼
３０  衝突邪魔板
３２  内側スプーリーカップ
３４  多孔衝突リング
３６  外側スプーリーカップ
３８  スプーリー
４２  多孔スリーブ
４４  キャップ
４６  入口孔
４８  カップフランジ
５０  保持体
５２  平坦座
５４  保持体フランジ
５６  環状スロット
５８  スプーリーバンド
【図１】
0004648575.tif 000002
【図２】
0004648575.tif 000003
【図３】
0004648575.tif 000004