(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンノズルアセンブリ、特に、第２段セラミック複合材料（ＣＭＣ）ノズル羽根のぷラットフォーム境界面構成に関し、流れ抵抗を増加し、所望の漏れ調整を実現する迂回ガス漏れ経路を確立する境界面構成を提供する。【解決手段】ガスタービンの固定子羽根アセンブリは、半径方向内側の金属プラットフォーム３８と半径方向外側の金属プラットフォーム１４との間に保持されたセラミック系複合材料エーロフォイル３６を含み、エーロフォイルと半径方向内側の金属プラットフォーム及び半径方向外側の金属プラットフォームのうちの少なくとも一方のプラットフォームとの間の境界面は、ガスタービンの高温ガス流路からのガスに対して迂回漏れ流路を形成するような形状に規定される。【選択図】図２
2007085342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの固定子羽根アセンブリにおいて、半径方向内側の金属プラットフォーム（３８）と半径方向外側の金属プラットフォーム（１４）との間に保持されたセラミック系複合材料エーロフォイル（３６）を具備し、前記エーロフォイルと前記半径方向内側のプラットフォーム及び前記半径方向外側のプラットフォームのうちの少なくとも一方のプラットフォームとの間の境界面は、前記ガスタービンからのガスに対して迂回漏れ流路を形成するような形状に規定される固定子羽根アセンブリ。
【請求項２】
前記境界面は、互いにかみ合う段差面（４０、４２）を具備する請求項１記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項３】
前記境界面は、互いにかみ合うそぎ継ぎ（５６、５８）を具備する請求項１記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項４】
前記境界面は、前記エーロフォイルの滑らかな面（６６）に隣接する前記半径方向内側のプラットフォームに、摩滅可能な複数のナイフエッジ（６４）を具備する請求項１記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項５】
前記境界面が、前記半径方向内側のプラットフォーム（３８）に配置される請求項１記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項６】
第２のほぼ同一の境界面は、前記半径方向外側のプラットフォーム（１４）に配置される請求項５記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項７】
前記互いにかみ合う段差面（４０、４２）は、前記固定子羽根を通る半径方向中心線に対して垂直な少なくとも２つの段部を含む請求項２記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項８】
前記そぎ継ぎは、前記固定子羽根を通る半径方向中心線に対して約４５°の角度を成す互いにかみ合う面（５６、５８）を含む請求項３記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項９】
前記摩滅可能な複数のナイフエッジ（６４）は、前記エーロフォイルの前記滑らかな面（６６）に隣接する半径方向面で終わる少なくとも４つの突起部を具備する請求項４記載の固定子羽根アセンブリ。
【請求項１０】
ガスタービンの固定子羽根アセンブリにおいて、半径方向内側の金属プラットフォーム（３８）と半径方向外側の金属プラットフォーム（１４）との間に保持されたセラミック系複合材料エーロフォイル（１６）を具備し、前記内側の金属プラットフォーム及び前記外側の金属プラットフォームを受け入れるための凹部が前記プラットフォームの各々に形成され、各凹部は周囲縁部を含み、前記周囲縁部は前記エーロフォイルの隣接する面と協働して前記迂回漏れ流路を形成するような形状に規定される固定子羽根アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、タービンノズルアセンブリに関し、特に、第２段ＣＭＣノズル羽根のプラットフォーム境界面構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック系複合材料（ＣＭＣ）ノズル羽根並びに半径方向内側の金属アタッチメント又はプラットフォーム及び半径方向外側の金属アタッチメント又はプラットフォームなどの高温部品の密封は、急激な温度勾配が発生し、それに関連して熱応力が高くなり、部品の寿命が短くなること；冷却空気による内圧の結果、空気流路の壁がひずむこと；並びに時間の経過に伴ってシールが劣化することにより、性能が損なわれることに関連する問題を引き起こす。しかし、ＣＭＣ羽根と内側金属プラットフォーム及び外側金属プラットフォームとの間のシールを排除すると、高温ガスを取り込む開放流路が形成される。従って、半径方向内側の金属プラットフォーム及び半径方向外側の金属プラットフォームのうちの一方又は双方とＣＭＣ羽根との境界面に新たな幾何学的構造を提供することは、依然として必要である。ここで、新たな幾何学的構造は、セラミック部品と金属部品との一致する組み合わせを選択するという解決困難な問題を解決し、更に、個別の密封要素を追加する必要もない。シールなし構造は、無加圧羽根構造と同義でもある。
【特許文献１】米国特許第４，３２６，８３５号公報
【特許文献２】米国特許第５，７０４，７６２号公報
【発明の開示】
【０００３】
シールなし構造の成否を決定する鍵は、漏れの調整である。プラットフォーム境界面又は羽根境界面、あるいはその双方に斬新な境界面構造を形成することにより、漏れ調整の問題に対処できる。本発明の実施形態においては、流れ抵抗を増加し、その結果、所望の漏れ調整を実現する迂回ガス漏れ経路を確立する斬新な境界面構成が提供される。
【０００４】
ここで説明される種々の実施形態において、ＣＭＣ固定子羽根（エーロフォイルシェル又は単にエーロフォイルとも呼ばれる）は、１対の半径方向内側の金属プラットフォーム及び半径方向外側の金属プラットフォームの間に組み立てられる。それらの金属プラットフォームは、エーロフォイルシェルを貫通する１対のけたにより半径方向に互いに結合されてもよい。ＣＭＣエーロフォイルシェルを受け入れるためのエーロフォイル形凹部が、各プラットフォームの内面に形成される。ここで説明されるシールなし構成は、エーロフォイルシェル及び／又は内側プラットフォーム及び／又は外側プラットフォームのエーロフォイル形凹部のエーロフォイルシェルに隣接する内周面に配置される。
【０００５】
一実施形態においては、各プラットフォームの凹部の内周面及びそれに隣接する対応するエーロフォイルシェル面に、互いにかみ合う段継ぎが形成される。
【０００６】
第２の実施形態においては、境界面構成は、そぎ継ぎの形態をとる。すなわち、境界面構成は、各プラットフォームの凹部及び対応するエーロフォイルシェル面の隣接する周囲部分に関して延出する互いにかみ合う傾斜面を有する。
【０００７】
第３の実施形態においては、プラットフォームのエーロフォイル側の面に、エーロフォイルシェルの隣接する滑らかな面と境を接する側方へ突出する摩滅可能な複数のナイフエッジが形成される。
【０００８】
第４の実施形態においては、隣接するエーロフォイルシェルの対応する滑らかな面と係合する弾性境界面又はばね境界面が、各プラットフォームの凹部の周囲面に設けられる。所望の迂回流路又は屈曲流路を形成するために、弾性境界面の自由端部又は自由縁部の面には、対応するエーロフォイルシェルの隣接する係合面と境を接するように、先に説明されたような段継ぎ又はそぎ継ぎが形成されてもよいことは理解されるであろう。
【０００９】
従って、１つの面においては、本発明は、ガスタービンの固定子羽根アセンブリであって、半径方向内側の金属プラットフォームと半径方向外側の金属プラットフォームとの間に保持されたセラミック系複合材料エーロフォイルを具備し、エーロフォイルと半径方向内側の金属プラットフォーム及び半径方向外側の金属プラットフォームのうちの少なくとも一方との間の境界面は、ガスタービンの高温ガス流路からのガスに対して迂回漏れ流路を形成するような形状に規定される固定子羽根アセンブリに関する。
【００１０】
別の面においては、本発明は、ガスタービンの固定子羽根アセンブリであって、半径方向内側の金属プラットフォームと半径方向外側の金属プラットフォームとの間に保持されたセラミック系複合材料エーロフォイルを具備し、内側金属プラットフォーム及び外側金属プラットフォームを受け入れるための凹部が各プラットフォームに形成され、各凹部は周囲縁部を含み、周囲縁部はエーロフォイルの隣接する面と協働して迂回漏れ流路を形成するような形状に規定される固定子羽根アセンブリに関する。
【００１１】
更に別の面においては、本発明は、ガスタービンの固定子羽根アセンブリであって、半径方向内側の金属プラットフォームと半径方向外側の金属プラットフォームとの間に保持されたセラミック系複合材料羽根を具備し、羽根と半径方向内側の金属プラットフォーム及び半径法外側の金属プラットフォームのうちの少なくとも一方との間の境界面は、羽根の滑らかな面と係合するための弾性面を形成するような形状に規定される固定子羽根アセンブリに関する。
【００１２】
次に、添付の図面と関連させて本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１を参照すると、ＣＭＣエーロフォイルシェル及び金属プラットフォームアセンブリ１０が展開図で示される。特に、１対の半径方向内側の金属プラットフォーム１２及び半径方向外側の金属プラットフォーム１４は、１対の半径方向けた１６、１８により互いに結合される。１対のエーロフォイル形凹部２０、２２は、凹部の開いた側が互いに対向する状態で金属プラットフォームの面２４、２６にそれぞれ形成される。この実施形態においては、大きいほうのけた１８は、エーロフォイルシェル２８に冷却空気を供給する中空流路の形状である。この点に関して、エーロフォイルシェル２８は、エーロフォイルシェルの両端部が凹部２０、２２に受け入れられるように、組み立て中にけたを介して摺動自在に受け入れられる中空の部材である。尚、実施形態においては、プラットフォーム１２、１４には、それぞれ２つの凹部が形成され、従って、内側プラットフォームと外側プラットフォームとの間で１対の隣接するエーロフォイルシェルを支持できる。
【００１４】
別の構成においては、けた１６、１８を組み合わせて、外部エーロフォイルシェル２８を入れ子関係で適切な寸法許容差をもって受け入れることもできるような大きさに規定された単一のエーロフォイル形流路を形成してもよい。
【００１５】
図１に示されるように、凹部２０、２２は、エーロフォイルシェル２８と相補形になるように形成される。有害な過剰振動を回避すると同時に、エーロフォイルシェルとプラットフォームとの熱的不整合と関連する問題を回避するためには、エーロフォイルシェルとプラットフォーム凹部との許容差を調整しなければならないことが理解されるであろう。
【００１６】
図２を参照すると、内側金属プラットフォームの面２４のエーロフォイル形凹部２０に受け入れられた状態のエーロフォイルシェル２８が概略的に示される。凹部２０は、エーロフォイルシェル２８の圧力側の面３２及び吸込み側の面３４と境を接する閉鎖周囲縁部３０により規定される。この図は、以下に説明する境界面構成の基礎となる基準を提供する。この点に関して、ここで説明される独自の境界面構成は、半径方向内側のプラットフォーム１２及び／又は半径方向外側のプラットフォーム１４における凹部の面３０とそれに対向するエーロフォイルシェルの面３２、３４との境界面に形成される。便宜上、半径方向内側のプラットフォームの境界面のみが示される。
【００１７】
そこで図３を参照すると、内側金属プラットフォーム３８と共に組み立てられた関係にあるＣＭＣエーロフォイルシェル３６が示される。この例においては、境界面構成（又は単に境界面）は段継ぎの形態をとり、羽根を通る半径方向中心線に対して垂直な向きを有する側方段部４０、４２が、エーロフォイルシェル３６の下端部に形成された側方段部４６、４８と係合する下方プラットフォーム凹部４４の周囲縁部４３に形成される。尚、この構成により、下部プラットフォーム３８の下方からエーロフォイルシェルを挿入することが可能になる。しかし、内側プラットフォーム及び外側プラットフォームの双方の間でエーロフォイルシェル３６を一方向装着できるように、エーロフォイルシェルの反対側の端部にある段継ぎは、これを反転させた構成になるであろう。互いに接触する面の間に適切な許容差を定めることにより、タービンの高温ガス流路から漏れ出したガスは、全て、必然的に境界面を通る迂回経路に従って進み、その結果、別個の密封要素を使用する必要なく、漏れを所望の通りに調整できることが理解されるであろう。
【００１８】
次に、図４を参照すると、図３の構成より単純な構造である別の境界面が示される。特に、内側金属プラットフォーム５２に関して組み立てられた関係にあるＣＭＣエーロフォイルシェル５０が示される。この実施形態においては、半径方向内側のプラットフォームの凹部５４には、エーロフォイルシェル５０を通る半径方向中心線に対して約４５°の角度を成して傾斜する周囲縁部面５６が形成される。同時に、エーロフォイルシェル５０の下面５８も同様の角度を成して形成されるので、エーロフォイルシェルと内側プラットフォーム５２との間にそぎ継ぎが形成される。この場合にも、一方向装着に好都合であるように、エーロフォイルシェルの上端部の境界面は、この構成を反転させた構成になるであろう。
【００１９】
図５には、更に別の実施形態が示される。この場合、ＣＭＣエーロフォイルシェル５８は、内側金属プラットフォーム６０の凹部６２の中に受け入れられている。この実施形態においては、プラットフォーム６０の凹部６２の周囲縁部６３は、半径方向に互いに離間して配置された内側へ突出する複数の摩滅可能ナイフエッジ６４（４つ図示されている）から構成される。ナイフエッジ６４は、エーロフォイルシェル５８の隣接する滑らかな面６６と境を接し、それら２つの間に適切な許容差が規定される。この場合にも、プラットフォームを通る迂回流路によって、漏れガスに対する抵抗が増加することが理解されるであろう。
【００２０】
図６には、ＣＭＣエーロフォイルシェル６８と内側金属プラットフォーム７０との間の弾性を伴う境界面が示される。この実施形態においては、内側プラットフォームの凹部７２の周囲縁部は、半径方向に延出する逆方向を向いた切欠き又は溝穴７４、７６を有する。それらの溝穴７４、７６は、実際には、エーロフォイルシェルの隣接する滑らかな面７８に凹部７２の縁部８０を柔軟に又は弾性的に「係合」（すなわち、最小限の空隙を伴う係合）させて、ばねのように作用させる。先に説明した実施形態の迂回漏れガス流路の機能を取り入れるために、図３に示されるような段継ぎ又は図４に示されるようなそぎ継ぎを含むように、プラットフォーム凹部７２の縁部８０を構成してもよいことが理解されるであろう。そのように変形された境界面構成は、それぞれ、図７及び図８に概略的に示される。図７は、ＣＭＣエーロフォイルシェル８２が内側金属プラットフォーム８６の凹部８４に受け入れられている弾性段継ぎを示す。この場合、弾性を有する凹部（溝穴９０により形成される）の縁部８８には、エーロフォイルシェルの相補形の段継ぎ９４と境を接する段継ぎ９２が形成される。
【００２１】
図８においては、ＣＭＣエーロフォイルシェル９６は、内側金属プラットフォーム１００の凹部９８に受け入れられている。この場合、凹部９８（溝穴１０４により形成される）の縁部１０２には、エーロフォイルシェル９６の相補形の傾斜周囲面と境を接し、それにより境界面に弾性そぎ継ぎを形成する傾斜面１０６が形成される。
【００２２】
漏れを調整できるように流れ抵抗を増加することにより、急激な熱勾配を排除し、それと関連して熱応力の減少及び構成要素の寿命の延長を可能にし、ＣＭＣ羽根の壁部分を肉薄にして冷却空気による内部圧力を排除し、シールの劣化をなくすことにより頑丈で一貫した性能を維持することが可能になる。
【００２３】
現時点で最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して、本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に入る種々の変形及び等価の構成を含むことが意図されると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】半径方向けたにより結合されたＣＭＣエーロフォイルシェル、並びに関連する内側金属プラットフォーム及び外側金属プラットフォームを示した斜視展開図である。
【図２】ＣＭＣエーロフォイルシェルと半径方向内側の金属プラットフォームとの間の境界面における基礎又は基準構成を示した概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に従ったＣＭＣエーロフォイルシェルと内側金属プラットフォームとの間の段継ぎ境界面を示した概略図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に従ったＣＭＣエーロフォイルシェルと内側金属プラットフォームとの間のそぎ継ぎ境界面を示した概略図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に従ったＣＭＣエーロフォイルシェルと内側金属プラットフォームとの間の摩滅可能ナイフエッジ境界面を示した概略図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に従ったＣＭＣエーロフォイルシェルと内側金属プラットフォームとの間の弾性境界面を示した概略図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に従ったＣＭＣエーロフォイルシェルと内側金属プラットフォームとの間の組み合わせ弾性／段継ぎ境界面を示した概略図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に従ったＣＭＣエーロフォイルシェルと内側金属プラットフォームとの間の組み合わせ弾性／そぎ継ぎ境界面を示した概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０…ＣＭＣエーロフォイルシェル及び金属プラットフォームアセンブリ、１２…半径方向内側の金属プラットフォーム、１４…半径方向外側の金属プラットフォーム、２０、２２…凹部、２４、２６…金属プラットフォームの面、２８…ＣＭＣエーロフォイルシェル、３６…ＣＭＣエーロフォイルシェル、３８…内側金属プラットフォーム、４０、４２…側方段部、４６、４８…側方段部、５０…ＣＭＣエーロフォイルシェル、５２…内側金属プラットフォーム、５４…凹部、５６、５８…そぎ継ぎ面、５８…ＣＭＣエーロフォイルシェル、６０…内側金属プラットフォーム、６２…凹部、６４…摩滅可能なナイフエッジ、６６…滑らかな面、６８…ＣＭＣエーロフォイルシェル、７０…内側金属プラットフォーム、７２…凹部、７４、７６…溝穴、７８…滑らかな面、８２…ＣＭＣエーロフォイルシェル、８４…凹部、８６…内側金属プラットフォーム、９０…溝穴、９２、９４…段継ぎ、９６…ＣＭＣエーロフォイルシェル、９８…凹部、１００…内側金属プラットフォーム、１０４…溝穴、１０６…傾斜面
【図１】
2007085342.tif 000003
【図２】
2007085342.tif 000004
【図３】
2007085342.tif 000005
【図４】
2007085342.tif 000006
【図５】
2007085342.tif 000007
【図６】
2007085342.tif 000008
【図７】
2007085342.tif 000009
【図８】
2007085342.tif 000010