(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の曲率半径を有する弓形のほぼ軸方向に延びる外側アーム（６０）と、
前記第１の曲率半径よりも実質的に大きい第２の曲率半径を有する弓形のほぼ軸方向に延びる内側アーム（５８）と、
前記外側及び内側アーム（６０、５８）を結合して、該外側アーム（６０）及び内側アーム（５８）と共に全体としてほぼＣ字形断面を有する部材を形成するようになった弓形のほぼ半径方向に延びるフランジ（５７）と、
を含むガスタービンエンジン用Ｃ−クリップ（５６）。
【請求項２】
高温作動状態においてその低温組立状態におけるよりも実質的に高い温度を有するガスタービンエンジン用シュラウド組立体（３３）であって、
弓形の軸方向に延びる取付けフランジ（５４）を有し、回転タービンブレード（２４）の列を囲むようになった少なくとも１つの弓形シュラウドセグメント（３２）と、
前記取付けフランジ（５４）とかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びるフック（４４）を有するシュラウドハンガと、
前記フック（４４）及び取付けフランジ（５４）に重なった内側及び外側アーム（５８、６０）を有する弓形Ｃ−クリップ（５６）と、を含み、
前記外側アーム（６０）は、第１の曲率半径を有する弓形でほぼ軸方向に延び、
前記内側アーム（５８）は、前記第１の曲率半径よりも実質的に大きい第２の曲率半径を有する弓形でほぼ軸方向に延び、
前記Ｃ−クリップ（５６）は、前記外側及び内側アーム（６０、５８）を結合して、該外側アーム（６０）及び内側アーム（５８）と共に全体としてほぼＣ字形断面を有する部材を形成するようになった弓形のほぼ半径方向に延びるフランジ（５７）を更に備える、
シュラウド組立体（３３）。
【請求項３】
前記予め選択した寸法関係が、前記Ｃ−クリップ（５６）及び取付けフランジ（５４）のかみ合い部分間に予め選択した量の半径方向干渉を含む、請求項２記載のシュラウド組立体（３３）。
【請求項４】
前記予め選択した寸法関係が、前記取付けフランジ（５４）及びＣ−クリップ（５６）のかみ合い部分間に整合接合面（６２、６４、６６）を含む、請求項２記載のシュラウド組立体（３３）。
【請求項５】
ガスタービンエンジン用シュラウド組立体（３３）を構成する方法であって、
弓形の軸方向に延びるフック（４４）を有するシュラウドハンガを準備する段階と、
前記フック（４４）とかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びる取付けフランジ（５４）を有し、回転タービンブレード（２４）の列を囲むようになった少なくとも１つの弓形シュラウドセグメント（３２）を準備する段階と、
第１の曲率半径を有する弓形のほぼ軸方向に延びる外側アーム（６０）と、前記第１の曲率半径よりも実質的に大きい第２の曲率半径を有する弓形のほぼ軸方向に延びる内側アーム（５８）と、前記外側及び内側アーム（６０、５８）を結合して、該外側アーム（６０）及び内側アーム（５８）と共に全体としてほぼＣ字形断面を有する部材を形成するようになった弓形のほぼ半径方向に延びるフランジ（５７）と、を含む弓形Ｃ−クリップ（５６）を準備する段階と、
前記シュラウドセグメント（３２）の前記取付けフランジ（５４）と前記シュラウドハンガの前記フック（４４）とを並置し、該取付けフランジ（５４）及び該フック（４４）を前記Ｃ−クリップ（５６）の前記内側及び外側アーム（５８、６０）の間に保持する段階と
を含む方法。
【請求項６】
前記予め選択した寸法関係が、前記Ｃ−クリップ（５６）及び取付けフランジ（５４）のかみ合い部分間に整合接合面を含む、請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン構成部品に関し、より具体的には、タービンシュラウド及び関連するハードウェアに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスにより効果的にエネルギーを発生させかつこれらガスからエネルギーを抽出するためには、ガスタービンエンジンを高温で作動させることが望ましい。例えば固定シュラウドセグメント及びその支持構造体のようなガスタービンエンジンの一部の構成部品は、燃焼ガスの加熱ストリームに曝される。シュラウドは、主ガス流温度に耐えるように構成されるが、その支持構造体はそのように構成されておらず、そのような温度から保護されなければならない。そのようにするために、二次流路と一次流路との間に正圧差が維持される。これは、逆流マージンすなわち「ＢＦＭ」と呼ばれる。正のＢＦＭは、あらゆる漏洩流が非流路領域から流路に移動し、他の方向には移動しないようになることを保証する。
【０００３】
従来技術のタービン設計では、上述のシュラウド、リテーナ（「Ｃ−クリップ」と呼ばれる）及び支持部材のような様々な弓形形状部は、低温（すなわち、室温）組立状態下でその接合面において整合円周方向湾曲面を有するように設計される。高温エンジン作動状態の間に、シュラウド及びハンガは、それら自身の温度応答性に従って昇温しかつ膨張する。シュラウド温度はハンガ温度よりもはるかに高温であり、またシュラウドセグメントはハンガセグメント又はリングよりも小さいこともあるので、シュラウドセグメントの湾曲面（曲率）は、定常状態の高温作動状態下で接合面におけるハンガの湾曲面（曲率）よりも多く膨張しかつハンガの湾曲面（曲率）とは異なるように膨張する。エンジンが作動状態にある時、Ｃ−クリップが膨張して、かみ合いハードウェアにおける熱変形を可能にする。熱変形が増加するにつれて、Ｃ−クリップ及びかみ合いハードウェア内に応力が誘起される。温度勾配が大きくなればなるほど、応力が大きくなり、また部品損傷及び割れ発生の危険性が高くなればなるほど、Ｃ−クリップの作動寿命が低下する。
【特許文献１】米国特許第６，３５４，７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、高温作動状態におけるＣ−クリップの曲率偏位の影響を減少させて、Ｃ−クリップ、シュラウド及びハンガの耐久性への悪影響の危険性を最小にすることができるシュラウド及びＣ−クリップに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の必要性は本発明によって満たされ、本発明は、１つの態様によると、ガスタービンエンジン用Ｃ−クリップを提供し、本Ｃ−クリップは、第１の曲率半径を有する弓形のほぼ軸方向に延びる外側アームと、第１の曲率半径よりも実質的に大きい第２の曲率半径を有する弓形のほぼ軸方向に延びる内側アームと、外側及び内側アームを結合して、該外側アーム及び内側アームと共に全体としてほぼＣ字形断面を有する部材を形成するようになった弓形のほぼ半径方向に延びるフランジとを含む。
【０００６】
本発明の別の態様によると、高温作動状態においてその低温組立状態におけるよりも実質的に高い温度を有するガスタービンエンジン用シュラウド組立体を提供する。本シュラウド組立体は、弓形の軸方向に延びる取付けフランジを有し、回転タービンブレードの列を囲むようになった少なくとも１つの弓形シュラウドセグメントと、取付けフランジとかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びるフックを有するシュラウドハンガと、フック及び取付けフランジに重なった内側及び外側アームを有する弓形Ｃ−クリップとを含む。シュラウドセグメント及びＣ−クリップは、高温作動状態において熱膨張を受け、シュラウドセグメント及びＣ−クリップの１つの寸法は、高温作動状態においてそれらの間に予め選択した寸法関係を生じるように選択される。
【０００７】
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジン用シュラウド組立体を構成する方法は、弓形の軸方向に延びるフックを有するシュラウドハンガを準備する段階と、周囲温度における第１の低温曲率と周囲温度よりも実質的に高い作動温度における第１の高温曲率とを有しかつフックとかみ合い状態で配置された弓形の軸方向に延びる取付けフランジを有し、回転タービンブレードの列を囲むようになった少なくとも１つの弓形シュラウドセグメントを準備する段階と、周囲温度における第２の低温曲率と作動温度における第２の高温曲率とを有し、フック及び取付けフランジに重なった内側及び外側アームを有する弓形Ｃ−クリップを準備する段階と、第１及び第２の低温曲率を、第１及び第２の高温曲率がシュラウドセグメントと弓形Ｃ−クリップとの間に予め選択した寸法関係を形成するように選択する段階とを含む。
【０００８】
本発明は、添付図面の図と関連させて以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
様々な図全体を通して同一の参照符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジンの高圧タービン（ＨＰＴ）１０の一部分を示す。ＨＰＴ１０は、エンジンケーシング１２内に配置された幾つかのタービン段を含む。図１に示すように、ＨＰＴ１０は２つの段を有するが、異なる数の段も可能である。第１タービン段は、エンジンの中心軸線「Ｃ」の周りで回転する第１段ディスク１８から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された第１段ブレード１６を備えた第１段ロータ１４と、第１段ロータ１４内に燃焼ガスを導くための固定第１段タービンノズル２０とを含む。第２タービン段は、エンジンの中心軸線の周りで回転する第２段ディスク２６から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された第２段ブレード２４を備えた第２段ロータ２２と、第２段ロータ２２内に燃焼ガスを導くための固定第２段タービンノズル２８とを含む。複数の弓形第１段シュラウドセグメント３０は、第１段ブレード１６を近接して囲むように環状アレイの形態で円周方向に配置され、それによって第１段ロータ１４を通って流れる高温燃焼ガスの半径方向外側流路境界面を形成する。
【００１０】
複数の弓形第２段シュラウドセグメント３２は、第２段ブレード２４を近接して囲むように環状アレイの形態で円周方向に配置され、それによって第２段ロータ２２を通って流れる高温燃焼ガスの半径方向外側流路境界面を形成する。シュラウドセグメント３２及びその支持ハードウェアは、本明細書では「シュラウド組立体」３３と呼ぶ。本明細書では、本発明をＨＰＴ１０の第２段に関して説明するが、本発明はＨＰＴ１０の第１段にも同様に適用可能であることに注目されたい。
【００１１】
図２は、従来技術のシュラウド組立体３３をより詳細に示す。「シュラウドハンガ」３４と呼ばれる支持構造体が、エンジンケーシング１２（図１参照）に取付けられ、ケーシング１２に対して第２段シュラウドセグメント３２を保持する。シュラウドハンガ３４は、ほぼ弓形であり、それぞれ間隔を置いて配置された前方及び後方の半径方向に延びるアーム３８及び４０を有し、これらアーム３８及び４０は、長手方向部材４１によって結合される。シュラウドハンガ３４は、単一の連続した３６０°構成部品とすることができ、或いはシュラウドハンガ３４は、２つ又はそれ以上の弓形セグメントに分割することができる。弓形前方フック４２は、前方アーム３８から軸方向後方に延び、また弓形後方フック４４は、後方アーム４０から軸方向後方に延びる。
【００１２】
各シュラウドセグメント３２は、それぞれ半径方向外向きに延びる前方及び後方レール４８及び５０を有する弓形基部４６を含む。前方取付けフランジ５２は、各シュラウドセグメント３２の前方レール４８から前向きに延び、また後方取付けフランジ５４は、各シュラウドセグメント３２の後方レール５０から後向きに延びる。シュラウドセグメント３２は、ガスタービンエンジンの高い作動温度において許容強度を有するニッケル基超合金のような適当な超合金の一体形鋳造品として形成することができる。前方取付けフランジ５２は、シュラウドハンガ３４の前方フック４２に係合する。各シュラウドセグメント３２の後方取付けフランジ５４は、シュラウドハンガ３４の後方フック４４と並置され、かつ一般的に「Ｃ−クリップ」５６と呼ばれる複数の保持部材によって所定の位置に保持される。
【００１３】
Ｃ−クリップ５６は、その各々がそれぞれ内側及び外側アーム５８及び６０を備えたＣ字形断面を有する弓形部材であり、内側及び外側アーム５８及び６０は、シュラウドセグメント３２の後方端部をシュラウドハンガ３４に対して所定の位置に固定するように後方取付けフランジ５４及び後方フック４４とぴったり重なる。内側及び外側アームは、弓形の半径方向に延びるフランジ５７によって結合される。Ｃ−クリップ５６は単一の連続したリングとして形成することができるが、一般的には熱膨張に適応するようにセグメント化される。一般的に、１つのＣ−クリップ５６は、少なくとも１つのシュラウドセグメントを固定する。
【００１４】
図３は、シュラウドセグメント３２の後方部分の拡大図であり、様々な構成部品の半径を示す。「Ｒ１」は、Ｃ−クリップ５６の内側アーム５８の外側半径である。「Ｒ２」は、シュラウドセグメント３２の後方取付けフランジ５４の内側半径であり、また「Ｒ３」はその外側半径である。「Ｒ４」は、シュラウドハンガ３４の後方フック４４の内側半径であり、また「Ｒ５」はその外側半径である。最後に、「Ｒ６」は、Ｃ−クリップ５６の外側アーム６０の内側半径である。これらの半径は、様々な構成部品間の接合面６２、６４及び６６を定める。例えば、Ｃ−クリップ下部アーム５８の半径「Ｒ１」及び後方取付けフランジ５４の「Ｒ２」は、接合面６２において当接する。
【００１５】
図４Ａは、低温（すなわち、室温）組立状態におけるこれら接合面６２、６４及び６６の湾曲面（曲率）の円周方向関係を示す。曲率は、この状態における予め選択した寸法関係を生じるように設計される。本明細書で用いる場合の「予め選択した寸法関係」という用語は、構成部品間の特定の意図した関係が、接合面において、その関係が指定した半径方向ギャップであるか、構成部品間のギャップが名目上ゼロである「整合接合面」であるか、又は指定した量の半径方向干渉であるか否かに多かれ少なかれ一貫して当てはまることを意味する。例えば、図４Ａでは、接合面６２及び６６の円周周りの各点で予め選択した量の半径方向干渉が存在して、公知の工学原理によって後方取付けフランジ５４及び後方フック４４に所定の締め付け力を与えるようになる。接合面６４は、半径Ｒ３が半径Ｒ４に等しいという点で「整合接合面」である。「曲率」という用語は、直線からの偏位を意味するように用いており、また曲率の大きさは、その構成部品又は形状部の円半径に反比例することに注目されたい。
【００１６】
図４Ｂは、低温組立状態から高温エンジン作動状態への接合面６２、６４及び６６の変化を示す。例えば約５３８℃（１０００°Ｆ）から約９８２℃（１８００°Ｆ）のバルク材料温度のような作動温度において、シュラウドセグメント３２、シュラウドハンガ３４及びＣ−クリップ５６の全ては、それら自身の温度応答性に従って昇温しかつ膨張することになる。シュラウド温度はハンガ温度よりもはるかに高温であり、またシュラウドセグメント３２はハンガセグメント又はリングよりもはるかに小さいので、シュラウドセグメント３２の曲率は、定常状態の高温作動状態下で接合面６４におけるハンガの曲率よりも多く膨張しかつハンガの曲率とは異なるように膨張する。加えて、シュラウドセグメント３２内にはシュラウドハンガ３４におけるよりも大きな温度勾配がある。その結果、シュラウドセグメント３２及びその後方取付けフランジ５４は、Ｃ−クリップ５６又は後方フック４４のいずれかよりもはるかに大きな程度で膨張し、その半径を扁平な形状に増大させる傾向（「コーディング」と呼ばれる現象）になる。このことにより、シュラウド後方取付けフランジの外側半径とシュラウドハンガ後方フックの内側半径との間の接合面６４にギャップ「Ｇ１」が形成される。ギャップＧ１は、Ｃ−クリップ５６を強制的に開かせ、組立体内に応力を誘起する。これらの応力は部品寿命を制限し、損傷の危険性を増大させる。
【００１７】
図５は、本発明によって構成したシュラウド組立体１３３を示す。シュラウド組立体１３３は、ほとんどの態様において従来技術のシュラウド組立体３３と実質的に同一であり、長手方向部材１４１によってそれぞれ結合された間隔を置いて配置された前方及び後方の半径方向に延びるアーム１３８及び１４０と弓形の前方及び後方フック１４２及び１４４とを備えた「シュラウドハンガ」１３４を含む。シュラウドセグメント１３２は、それぞれ前方及び後方取付けフランジ１５２及び１５４を有する前方及び後方レール１４８及び１５０を備えた弓形基部１４６を含む。前方取付けフランジ１５２は、シュラウドハンガ１３４の前方フック１４２に係合する。後方取付けフランジ１５４は、後方フック１４４に係合する。シュラウドセグメント１３２は、その各々がフランジ１５７によって一体に結合されたそれぞれ内側及び外側アーム１５８及び１６０を有する複数の「Ｃ−クリップ」１５６によって所定の位置に保持される。
【００１８】
シュラウド組立体１３３は主として、接合面１６２及び１６４に影響を与えるＣ−クリップ１５６の特定の寸法の選択においてシュラウド組立体３３と異なる。図６Ａは、接合面１６２、１６４及び１６６の低温（すなわち、周囲環境温度）組立状態における曲率の関係を示し、この曲率の関係はまた、それらの「低温曲率」とも呼ぶ。接合面の「高温」曲率は、予測される高温エンジン作動状態において予め選択した寸法関係を達成するように選択されることになり、このことは、接合面の高温曲率が、各構成部品の熱膨張差に基づいて低温組立状態において意図的に「不整合」又は「補正」されることを意味する。具体的には、Ｃ−クリップ１５６の少なくとも内側アーム１５８の曲率は、シュラウド後方取付けフランジ１５４の内側面の曲率よりも小さく作られて、低温状態において接合面１６２にギャップ「Ｇ２」が形成される。
【００１９】
例えば約５３８℃（１０００°Ｆ）から約９８２℃（１８００°Ｆ）のバルク材料温度のような作動温度において、シュラウドセグメント１３２及びその後方取付けフランジ１５４は、図６Ｂに示すようにシュラウドハンガ後方フック１４４又はＣ−クリップ１５６の内側及び外側アーム１５８及び１６０よりも高温になりかつより多く膨張する。低温組立状態においてギャップ「Ｇ２」を設けることによって、後方取付けフランジ１５４が、それが昇温するにつれてＣ−クリップ１５６の内側アーム１５８上に過度の応力を加えることなく扁平になることが可能になる。
【００２０】
補正は、異なる方法によって達低することができる。いずれの場合でも、シュラウド組立体１３３の高温挙動をモデル化する適当な手段を使用して、構成部品が高温作動状態に加熱された時のそれらの寸法変化をシミュレートする。次に、構成部品の低温寸法は、高温作動状態において適当な「積み重ね」又は寸法的相互関係が得られるように設定される。
【００２１】
所望の高温積み重ねはまた、構成部品の簡単な意図的不整合によって達成することができる。例えば、「基準」寸法を備えたシュラウドハンガ１３４を有する図示したシュラウド組立体１３３では、Ｃ−クリップ１５６は、その構成部品が普通に使用されることになっているよりも僅かに大きい円半径を有する異なるエンジンでの使用を意図した構成部品とすることができる。例えば、Ｃ−クリップ内側アーム１５８の外側半径がシュラウド後方取付けフランジ１５４の内側半径と等しくなるように意図し、かつこれらの寸法の両方が低温組立状態において約４４．５ｃｍ（１７．５インチ）のオーダであるようなシュラウド組立体では、Ｃ−クリップ内側アーム１５８の外側半径における約２〜約３インチの増大が、最適な「補正」量と考えられることになる。これによって、理論的には後方取付けフランジ１５４の内側半径の曲率を高温作動状態においてＣ−クリップ内側アーム１５８の外側半径の曲率と整合させることが可能になる。図６Ｂに示したものが、その結果である。
【００２２】
実際の実施では、所望の程度の高温作動状態における予め選択した寸法関係を得ることと、低温組立状態における構成部品不整合によって引き起こされる組立の困難性を処理することとの間でバランスをとらなければならない。構成部品応力もまた、低温組立状態における許容限界値内に保たれなければならない。例示した実施例では、内側アーム１５８の外側半径は、従来技術のＣ−クリップ５６のこの同じ寸法よりも約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）から約１．３ｍｍ（０．０５０インチ）大きい。
【００２３】
目的に合うように設計した構成部品を使用して、所望の「補正」を行うことができる。例えば、Ｃ−クリップ１５６は、低温状態においてその内側アーム１５８の曲率が外側アーム１６０の曲率よりも小さくなり、同時にシュラウド後方取付けフランジ１５４の曲率よりも小さくなるように構成することができる。
【００２４】
上述の構成は、Ｃ−クリップ１５６及びシュラウド取付けフランジ１５４の両方の曲げ応力を実質的に減少又は排除することができる。この構成はまた、温度によるシュラウドレール又はＣ−クリップ応力に対する影響が最小又は全くないので、シュラウドセグメント１３２においてより高温の作動状態及びより大きな温度勾配を可能にする。この構成は、Ｃ−クリップ１５６の塑性変形の必要性を排除し、また別の材料を可能にすることができる。
【００２５】
以上、ガスタービンエンジン用のＣ−クリップ及びシュラウド組立体を説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、上記では本発明は第２段シュラウド組立体に関して詳細に説明したが、同様の構造はタービンの他の部分に組み込むことができる。従って、本発明の好ましい実施形態の上記の説明及び本発明を実施するための最良の形態は、単に例示の目的のためみに示したものであって、限定の目的として示したものではなく、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のシュラウド組立体を組み込んだ例示的な高圧タービンセクションの断面図。
【図２】図１のタービンセクションの一部分の拡大図。
【図３】図２の一部分の拡大断面図。
【図４Ａ】図２の線４−４に沿って取った部分断面図。
【図４Ｂ】図２の線４−４に沿って取った部分断面図。
【図５】本発明によって構成したシュラウド組立体の断面図。
【図６Ａ】図５の線６−６に沿って取った部分断面図。
【図６Ｂ】図５の線６−６に沿って取った部分断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１０  高圧タービン（ＨＰＴ）
１２  エンジンケーシング
１４  第１段ロータ
１６  第１段ブレード
１８  第１段ディスク
２０  第１段タービンノズル
２２  第２段ロータ
２４  第２段ブレード
２６  第２段ディスク
２８  第２段ノズル
３０  第１段シュラウドセグメント
３２  第２段シュラウドセグメント
３３  シュラウド組立体
３４  シュラウドハンガ
３８  前方の半径方向に延びるアーム
４０  後方の半径方向に延びるアーム
４１  長手方向部材
４２  弓形前方フック
４４  弓形後方フック
４６  弓形基部
４８  前方レール
５０  後方レール
５２  前方取付けフランジ
５４  後方取付けフランジ
５６  Ｃ−クリップ
５７  フランジ
５８  内側アーム
６０  外側アーム
６２  接合面
６４  接合面
６６  接合面
Ｒ１  外側半径
Ｒ２  内側半径
Ｒ３  外側半径
Ｒ４  内側半径
Ｒ５  外側半径
Ｒ６  内側半径
Ｇ１  ギャップ
Ｇ２  ギャップ
１３２  シュラウドセグメント
１３３  シュラウド組立体
１３４  シュラウドハンガ
１３８  前方の半径方向に延びるアーム
１４０  後方の半径方向に延びるアーム
１４１  長手方向部材
１４２  弓形前方フック
１４４  弓形後方フック
１４６  弓形基部
１４８  前方レール
１５０  後方レール
１５２  前方取付けフランジ
１５４  後方取付けフランジ
１５６  Ｃ−クリップ
１５７  フランジ
１５８  内側アーム
１６０  外側アーム
１６２  接合面
１６４  接合面
１６６  接合面
【図１】
0004812553.tif 000002
【図２】
0004812553.tif 000003
【図３】
0004812553.tif 000004
【図４Ａ】
0004812553.tif 000005
【図４Ｂ】
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【図５】
0004812553.tif 000007
【図６Ａ】
0004812553.tif 000008
【図６Ｂ】
0004812553.tif 000009