(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）であって、
タービンアセンブリ（２６）が、少なくとも１つのタービンブレード（３０）を有するロータアセンブリ（２８）から形成されており、前記タービンブレード（３０）は、概して細長い翼（３２）から形成されており、該翼（３２）は、前縁（３４）と、後縁（３６）と、圧力側（３８）と、吸込み側（４０）と、第１端部（４２）のチップ（１６）と、前記第１端部（４２）とは反対の側の、前記概して細長い翼（３２）の第２端部（４６）に結合されたプラットホーム（４４）とを有しており、
前記少なくとも１つのタービンブレード（３０）の前記チップ（１６）から半径方向外側に、複数のリングセグメント（１８）が配置されており、これらの複数のリングセグメント（１８）は、周方向に延びる列（４８）に整列させられて、前記少なくとも１つのタービンブレード（３０）の移動経路（５０）の周りに１つのリングを形成しており、各リングセグメント（１８）は、前記タービンアセンブリ（２６）内の高温ガス通路の一部を形成する内面（２２）を有しており、
前記リングセグメント（１８）の前記内面（２２）の半径方向外側に、少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）が配置され、且つ前記リングセグメント（１８）の少なくとも１つの外面（２４）に支持されて、前記リングセグメント（１８）の半径方向移動を制限するようになっており、
前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）は、前記リングセグメント（１８）の前記内面（２２）の半径方向外側に、リングを形成しており、
更に、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）から半径方向外側に延びる運動リミッタ（１０６）が設けられており、
前記運動リミッタ（１０６）は、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）から半径方向外側に延びる少なくとも１つのピン（１０８）から形成されており、該ピン（１０８）のヘッド（１１０）は比較的大きな横断面積を有していて、前記ピン（１０８）のボデー（１１２）から半径方向外側に配置されており、且つ隣接するタービン構成要素（１１６）に支持面（１１４）で以て固定されていることを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）は、前記複数のリングセグメント（１８）のうちの少なくとも１つのリングセグメント（１８）を形成している材料よりも低い熱膨張率を有している、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項３】
前記複数のリングセグメント（１８）のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）を係合させるように構成された上流支持面（５４）と下流支持面（５６）とを有している、請求項１又は２記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項４】
前記複数のリングセグメント（１８）のうちの少なくとも１つは、前記リングセグメント（１８）の上流側の側面（６０）に配置された第１の上流受容通路（５８）と、前記リングセグメント（１８）の下流側の側面に配置された第１の下流受容通路（６２）とを有しており、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）の上流縁部（６６）は、前記第１の上流受容通路（５８）内に入れられており、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）の下流縁部（６８）は、前記第１の下流受容通路（６２）内に入れられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項５】
前記第１の上流受容通路（５８）は、上流支持面（５４）と上流外側包囲面（７２）とから形成されており、前記第１の下流受容通路（６２）は、下流支持面（５６）と下流外側包囲面（７６）とから形成されている、請求項４記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項６】
少なくとも１つの前記リングセグメント（１８）から半径方向外側に、少なくとも１つの上流支持アーム（７８）が延びており、少なくとも１つの前記リングセグメント（１８）から半径方向外側に、少なくとも１つの下流支持アーム（８０）が延びており、前記少なくとも１つの上流支持アーム（７８）は、前記第１の上流受容通路（５８）を内蔵しており、前記少なくとも１つの下流支持アーム（８０）は、前記第１の下流受容通路（６２）を内蔵している、請求項５記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項７】
前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）は、上半部（８２）と下半部（８４）とから形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）の前記上半部（８２）と前記下半部（８４）とは、水平に配置された第１ジョイント部（８８）における第１交点（８６）で共に結合されており、且つ水平に配置された第２ジョイント部（９２）における第２交点（９０）で共に結合されている、請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項９】
前記第１ジョイント部（８８）と前記第２ジョイント部（９２）のうちの少なくとも一方は、前記下半部（８４）に設けられた第１ジョイント結合ブロック（９８）の開口（９６）と、結合状態において前記第１ジョイント結合ブロック（９８）に隣接して配置される、前記上半部（８２）に設けられた第２ジョイント結合ブロック（１００）の開口（９６）と、を貫通して延びる少なくとも１つのロックピン（９４）を介して共に結合されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記運動リミッタ（１０６）は、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）の上半部（８２）を固定するための上部運動リミッタ（１１８）と、前記少なくとも１つのクリアランス調整バンド（２０）の下半部（８４）を固定するための下部運動リミッタ（１２０）とを有している、請求項７から９までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細には、タービン翼チップと、リングセグメントといった、タービンエンジン内で半径方向に隣接する構成要素との間のギャップを縮小させ、これにより漏れを低減させることでタービンエンジンの効率を向上させるためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは通常、理論的な最高効率未満の効率で運転される。なぜならば、とりわけ高温の圧縮ガスがタービンエンジンの長手方向において下流側に移動する際に、流路内で損失が生じるからである。流路損失の一例は、タービンブレードのチップにわたる高温燃焼ガスの漏れであり、そこではタービンブレードに対して仕事が行われない。この漏れは、回転タービンブレードのチップと、リングシールを形成するリングセグメントのような周囲の静止構造との間の空間にわたって生じる。この空間はしばしば、ブレードチップクリアランスと呼ばれる。
【０００３】
ブレードチップクリアランスは、エンジンの始動中又は部分負荷運転中といった過渡的な状態の最中に、回転部分（ブレード、ロータ及びディスク）と静止部分（アウタケーシング、ブレードリング及びリングセグメント）とがそれぞれ異なる率で熱膨張するため、消失することはない。その結果、ブレードチップクリアランスは、実際には定常状態運転に達するまでのエンジン始動中は減少可能だが、定常状態運転の時点でクリアランスが増大する可能性があり、これによりエンジンの効率が低下することになる。ゆえに、タービンブレードチップ摩擦の可能性を減らし、且つこの望ましくない大きなブレードチップクリアランスを縮小する必要が生じる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
タービンブレードチップと半径方向外側のリングセグメントとの間のギャップを縮小させることによりタービンエンジンの効率を高めるためのタービンブレードチップクリアランス調整システムを有するガスタービンエンジンを開示する。タービンブレードチップクリアランス調整システムは、１つ又は複数のクリアランス調整バンドを有していてよく、クリアランス調整バンドは、リングセグメントの内面の半径方向外側に配置され、且つリングセグメントの少なくとも１つの外面に支持されて、リングセグメントの半径方向移動を制限する。運転中、クリアランス調整バンドはリングセグメントの半径方向移動を制限し、過渡的な始動状態の最中には狭窄点を有していない。更に、タービンエンジン運転中の最小ギャップは、ガスタービンエンジンの定常状態運転において見られる。よって、クリアランス調整システムのクリアランス調整バンドは、タービンブレードチップと半径方向外側のリングセグメントとの間のギャップを調節し、定常状態運転では実質的に消失させてゼロにするように構成されていてよく、完全に消失させないと、ギャップの消失手段を介してギャップを通じた高温燃焼ガスの漏れが生じることになる。
【０００５】
少なくとも１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、タービンアセンブリから形成されていてよく、タービンアセンブリは、１つ又は複数のタービンブレードを有するロータアセンブリから形成されており、タービンブレードは、概して細長い翼から形成されており、翼は、前縁と、後縁と、圧力側と、吸込み側と、第１端部のチップと、第１端部とは反対の側の、概して細長い翼の第２端部に結合されたプラットホームとを有している。複数のリングセグメントが、タービンブレードのチップから半径方向外側に配置されていてよい。複数のリングセグメントが、周方向に延びる列に整列させられて、少なくとも１つのタービンブレードの移動経路の周りに１つのリングを形成していてよい。各リングセグメントは、タービンアセンブリ内の高温ガス通路の一部を形成する内面を有していてよい。１つ又は複数のクリアランス調整バンドは、リングセグメントの内面の半径方向外側に配置され、且つリングセグメントの１つ又は複数の外面に支持されて、リングセグメントの半径方向移動を制限している。クリアランス調整バンドは、リングセグメントの内面の半径方向外側に、リングを形成していてよい。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整バンドは、１つ又は複数のリングセグメントを形成している材料よりも低い熱膨張率を有していてよい。
【０００６】
１つ又は複数のリングセグメントは、クリアランス調整バンドを係合させるように構成された上流支持面と下流支持面とを有していてよい。リングセグメントは、リングセグメントの上流側の側面に配置された第１の上流受容通路と、リングセグメントの下流側の側面に配置された第１の下流受容通路とを有していてよい。クリアランス調整バンドの上流縁部は第１の上流受容通路内に入れられていてよく、クリアランス調整バンドの下流縁部は第１の下流受容通路内に入れられていてよい。第１の上流受容通路は、上流支持面と上流外側包囲面とから形成されていてよい。第１の下流受容通路は、下流支持面と下流外側包囲面とから形成されていてよい。１つ又は複数の上流支持アームが、リングセグメントから半径方向外側に延びていてよく、１つ又は複数の下流支持アームが、リングセグメントから半径方向外側に延びていてよい。上流支持アームは第１の上流受容通路を内蔵していてよく、下流支持アームは第１の下流受容通路を内蔵していてよい。
【０００７】
少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整バンドは、上半部と下半部とから形成されていてよい。クリアランス調整バンドの上半部と下半部とは、水平に配置された第１ジョイント部における第１交点で共に結合されていてよく、且つ水平に配置された第２ジョイント部における第２交点で共に結合されていてよい。第１ジョイント部と第２ジョイント部のいずれか、又はその両方は、第１ジョイント結合ブロックに設けられた開口と、第２ジョイント結合ブロックに設けられた開口とを貫通して延びる１つ又は複数のロックピンを介して共に結合されていてよい。
【０００８】
クリアランス調整システムは、クリアランス調整バンドから半径方向外側に延びる運動リミッタを有していてもよい。運動リミッタは、クリアランス調整バンドから半径方向外側に延びる１つ又は複数のピンから形成されていてよく、この場合、ピンのヘッドは比較的大きな横断面積を有していて、ピンのボデーから半径方向外側に配置されており、且つ隣接するタービン構成要素に支持面で以て固定されている。少なくとも１つの実施形態では、運動リミッタは、少なくとも１つのクリアランス調整バンドの上半部を固定するための上部運動リミッタと、少なくとも１つのクリアランス調整バンドの下半部を固定するための下部運動リミッタとを有していてよい。
【０００９】
使用中、タービンは過渡的な始動状態を経て定常状態運転にもたらされてよい。運転中、クリアランス調整バンドはリングセグメントの半径方向移動を制限し、過渡的な始動状態の最中には一点においてギャップが最小になる狭窄点を有していない。その代わりに、最小ギャップは定常状態運転の最中に生じる。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整システムのクリアランス調整バンドは、タービンブレードチップと半径方向外側のリングセグメントとの間のギャップを調節し、定常状態運転では実質的に消失させてゼロにするように構成可能であり、完全に消失させないと、ギャップの消失手段を介してギャップを通じた高温燃焼ガスの漏れが生じることになる。ギャップを通じた高温燃焼ガスの漏れを解消することにより、タービンアセンブリ及びガスタービンエンジンの効率が高められる。
【００１０】
以下に、上記の実施形態及び別の実施形態をより詳細に説明する。
【００１１】
本明細書に組み込まれてその一部を成す添付図面は、開示された本発明の実施形態を図示するものであり、詳細な説明と共に本発明の原理を開示するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】タービンブレードチップクリアランス調整システムを備えたガスタービンエンジンの斜視断面図である。
【図２】タービンブレードチップクリアランス調整システムのクリアランス調整バンドの斜視図である。
【図３】ガスタービンエンジンのタービンアセンブリのリングセグメントの斜視図であり、リングセグメントは、部分的にクリアランス調整バンドを入れるように適合されている。
【図４】タービンアセンブリのリングセグメントを、クリアランス調整バンドと共に示す斜視図である。
【図５】図２に線５−５で詳細に示した部分における、クリアランス調整バンドを形成する上半部と下半部との結合部を詳細に示す斜視図である。
【図６】図５に示した、クリアランス調整バンドを形成する上半部と下半部との結合部の分解図である。
【図７】図５に示した、クリアランス調整バンドを形成する上半部と下半部との結合部を受容するためのポケットを備えたタービン構成要素の部分斜視図である。
【図８】図５及び図７に示した、タービン構成要素のポケット内に配置された、クリアランス調整バンドを形成する下半部の結合部の部分斜視図である。
【図９】図５及び図７に示した、タービン構成要素のポケット内に配置された、クリアランス調整バンドを形成する上半部の結合部の部分斜視図である。
【図１０】クリアランス調整バンドから半径方向外側に延在している運動リミッタの部分斜視図である。
【図１１】タービンエンジンの過渡的な始動及び遮断中に楕円形のリングセグメント形状が形成されることを防止するためにリングセグメントを半径方向外側に付勢する、複数の側方波形ばねの部分斜視図である。
【図１２】タービンエンジンの過渡的な始動及び遮断中に楕円形のリングセグメント形状が形成されることを防止するためにリングセグメントを半径方向外側に付勢する、複数の側方波形ばねの別の部分斜視図である。
【図１３】ブレードとリングセグメントが、タービンエンジンの始動プロセス中の熱成長に反応したときの、タービンブレードチップと、タービンブレードチップのすぐ外側のリングセグメントの内面との間のクリアランスを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図１３に示すように、複数のタービンブレードチップ１６と複数の半径方向外側のリングセグメント１８との間のギャップ１４を縮小することによりタービンエンジン１０の効率を高めるためのタービンブレードチップクリアランス調整システム１２を有するガスタービンエンジン１０が開示されている。タービンブレードチップクリアランス調整システム１２は、１つ又は複数のクリアランス調整バンド２０を有していてよく、クリアランス調整バンド２０は、リングセグメント１８の内面２２の半径方向外側に配置されており且つリングセグメント１８の半径方向移動を制限するために、リングセグメント１８の少なくとも１つの外面２４に支持されている。運転中、クリアランス調整バンド２０はリングセグメント１８の半径方向移動を制限し、過渡的な始動状態の最中には狭窄点を有していない。更に、タービンエンジン運転中の最小ギャップ１４は、図１３に示すようにガスタービンエンジン１０の定常状態運転において見られる。よって、クリアランス調整システム１２のクリアランス調整バンド２０は、タービンブレードチップ１６と半径方向外側のリングセグメント１８との間のギャップ１４を調節し、定常状態運転では実質的に消失させてゼロにするように構成されていてよく、完全に消失させないと、ギャップ１４の消失手段を介してギャップ１４を通じた高温燃焼ガスの漏れが生じることになる。
【００１４】
少なくとも１つの実施形態では、図１及び図４に示すように、ガスタービンエンジン１０は、タービンアセンブリ２６から形成されていてよく、タービンアセンブリ２６は、１つ又は複数のタービンブレード３０を有するロータアセンブリ２８から形成されており、タービンブレード３０は、概して細長い（）翼３２から形成されており、翼３２は、前縁３４と、後縁３６と、圧力側３８と、吸込み側４０と、第１端部４２のチップ１６と、第１端部４２とは反対の側の、概して細長い翼３２の第２端部４６に結合されたプラットホーム４４とを有している。複数のリングセグメント１８が、タービンブレード３０のチップ１６から半径方向外側に配置されていてよい。複数のリングセグメント１８は、周方向に延びる列４８に整列させられて、タービンブレード３０の移動経路５０の周りに１つのリングを形成していてよい。各リングセグメント１８は、タービンアセンブリ２６内の高温ガス通路５２の一部を形成する内面２２を有していてよい。
【００１５】
ガスタービンエンジン１０は、１つ又は複数のクリアランス調整バンド２０を有していてよく、クリアランス調整バンド２０は、図３及び図４に示すように、リングセグメント１８の内面２２の半径方向外側に配置され、且つリングセグメント１８の１つ又は複数の外面２４に支持されて、リングセグメント１８の半径方向移動を制限している。図２に示すように、クリアランス調整バンド２０は、リングセグメント１８の内面２２の半径方向外側にリングを形成していてよい。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整バンド２０は、１つ又は複数のリングセグメント１８を形成している材料の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整バンド２０は、１つ又は複数のリングセグメント１８を形成している材料よりも低い熱膨張率を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整バンド２０は、限定はされないがＩＮ９０９と別の適当な材料とを含む複数の材料から形成されていてよい。クリアランス調整バンド２０は、１．５インチ未満の厚さを有する薄いストリップから形成されていてよい。別の実施形態では、クリアランス調整バンド２０は、０．５インチ未満の厚さを有する薄いストリップから形成されていてよい。更に別の実施形態では、クリアランス調整バンド２０は、０．１２５インチ未満の厚さを有する薄いストリップから形成されていてよい。クリアランス調整バンド２０の軸方向の幅は、約４０ミリメートル〜約２００ミリメートルであってよい。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整バンド２０の軸方向の幅は、約９０ミリメートルであってよい。クリアランス調整バンド２０の幅：厚さの比は、限定はされないが、約５：１〜約３００：１であってよい。
【００１６】
図３及び図４に示したように、複数のリングセグメント１８は、クリアランス調整バンド２０を係合させるように構成された上流支持面５４と下流支持面５６とを有していてよい。１つ又は複数のリングセグメント１８は、リングセグメント１８の上流側の側面６０に配置された第１の上流受容通路５８と、リングセグメント１８の下流側の側面６４に配置された第１の下流受容通路６２とを有していてよい。クリアランス調整バンド２０の上流縁部６６は第１の上流受容通路５８内に入れられていてよく、クリアランス調整バンド２０の下流縁部６８は第１の下流受容通路６２内に入れられていてよい。第１の上流受容通路５８は、上流支持面５４と上流外側包囲面７２とから形成されていてよい。第１の下流受容通路６２は、下流支持面５６と下流外側包囲面７６とから形成されていてよい。クリアランス調整システム１２は、１つ又は複数のリングセグメント１８から半径方向外側に延びる１つ又は複数の上流支持アーム７８と、１つ又は複数のリングセグメント１８から半径方向外側に延びる１つ又は複数の下流支持アーム８０とを有していてよい。上流支持アーム７８は第１の上流受容通路５８を内蔵していてよく、下流支持アーム８０は第１の下流受容通路６２を内蔵していてよい。
【００１７】
少なくとも１つの実施形態では、図２に示したように、クリアランス調整バンド２０は、上半部８２と下半部８４とから形成されていてよい。図２、図５及び図６に示すように、クリアランス調整バンド２０の上半部８２と下半部８４とは、水平に配置された第１ジョイント部８８における第１交点８６で共に結合されていてよく、且つ水平に配置された第２ジョイント部９２における第２交点９０で共に結合されていてよい。第１ジョイント部８８と第２ジョイント部９２のいずれか、又はその両方は、第１ジョイント結合ブロック９８に設けられた開口９６と、第２ジョイント結合ブロック１００に設けられた開口９６とを貫通して延びる１つ又は複数のロックピン９４を介して共に結合されていてよい。図７〜図９に示すように、第１ジョイント結合ブロック９８は、リングセグメント１８とクリアランス調整バンド２０の半径方向外側に配置されたタービン構成要素１０４のポケット１０２内に配置されていてよい。ポケット１０２は、第１ジョイント結合ブロック９８の周方向移動を防止することができる。同様に、第２ジョイント結合ブロック１００も、リングセグメント１８とクリアランス調整バンド２０の半径方向外側に配置されたタービン構成要素１０４のポケット１０２内に配置されていてよい。ポケット１０２は、第２ジョイント結合ブロック１００の周方向移動を防止する。
【００１８】
図２及び図１０に示すように、クリアランス調整システム１２は、クリアランス調整バンド２０から半径方向外側に延びる運動リミッタ１０６を有していてもよい。運動リミッタ１０６は、クリアランス調整バンド２０から半径方向外側に延びる１つ又は複数のピン１０８から形成されていてよい。ピン１０８のヘッド１１０は、ピンのボデー１１２よりも大きな横断面積を有していてよく、ボデー１１２から半径方向外側に配置されていてよい。ヘッド１１０は、隣接するタービン構成要素１１６に支持面１１４で以て固定されていてよい。運動リミッタ１０６は、クリアランス調整バンド２０の上半部８２を固定するための上部運動リミッタ１１８と、クリアランス調整バンド２０の下半部８４を固定するための下部運動リミッタ１２０とを有していてよい。上部運動リミッタ１１８は上死点位置１２２に配置されていてよく、下部運動リミッタ１２０は下死点位置１２４に配置されていてよい。
【００１９】
図１１及び図１２に示すように、クリアランス調整システム１２は、１つ又は複数の側方波形ばね（side wave spring）１２６を有していてもよく、側方波形ばね１２６は、タービンエンジン１０の過渡的な始動及び遮断中に楕円形のリングセグメント形状が形成されることを避けるために、リングセグメント１８を半径方向外側に付勢していてよい。側方波形ばね１２６は、生じ得る流路振動に対する減衰部材に用いられてもよい。少なくとも１つの実施形態では、側方波形ばね１２６は、タービンベーンキャリア１３０の半径方向外向きの面１２８と、リングセグメント１８の半径方向内向きの面１３２との間に配置されていてよい。側方波形ばね１２６は、リングセグメント１８の上流側又は下流側、或いはその両方に配置されていてよい。少なくとも１つの実施形態では、複数の側方波形ばね１２６が、リングセグメント１８の上流側と下流側とに配置されていてよい。
【００２０】
使用中、タービン１０は過渡的な始動状態を経て定常状態運転にもたらされてよい。運転中、クリアランス調整バンド２０はリングセグメント１８の半径方向移動を制限し、図１３に示すように、過渡的な始動状態の最中には一点においてギャップ１４が最小になる狭窄点を有していない。その代わりに、最小ギャップ１４は定常状態運転の最中に生じている。少なくとも１つの実施形態では、クリアランス調整システム１２のクリアランス調整バンド２０は、タービンブレードチップ１６と半径方向外側のリングセグメント１８との間のギャップ１４を調節し、定常状態運転では実質的に消失させてゼロにするように構成されていてよく、完全に消失させないと、ギャップ１４の消失手段を介してギャップ１４を通じた高温燃焼ガスの漏れが生じることになる。ギャップ１４を通じた高温燃焼ガスの漏れを解消することにより、タービンアセンブリ２６及びガスタービンエンジン１０の効率が高められる。
【００２１】
上述した記載は、本発明の実施形態の図示、説明及び描写の目的のために提供されたものである。上記の各実施形態に対する変更及び適合は、当業者には明らかであり、本発明の範囲又は意図から逸脱することなく行われてよい。
【図１】
0006403883.tif 000002
【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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【図１２】
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【図１３】
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