(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン１０用のエアシールアッセンブリ５４であって、前記ガスタービンエンジンは、ロータブレード２４と固定ベーン２６とが交互に配置されている列を有し、前記ブレードは、ロータディスク２８に固定されており、前記固定ベーンは、内径部分３４と、外径部分３２と、を有し、前記ベーンの前記外径部分は、エンジンケーシングから突出した片持ち翼になっており、前記ベーンの前記内径部分３４は、前記エアシールアッセンブリ５４にはめ込まれており、
第一エアシール５６を有し、前記第一エアシールは、環状の本体部分と、前記本体部分より径方向外向きに伸びる環状の前方レール６８と、を含み、前記前方レールは、複数の前方レール開口部７２を備えており、
リングレール５８を有し、前記リングレールは、前記前方レールと空間的に離間されており、前記リングレールは、その内部に複数のリングレール開口部８２を備えており、
複数のスペーサ６０を有し、前記スペーサは、前記前方レールと、前記リングレールと、を空間的に離間してそれらの間にはまり、前記各スペーサは、それぞれ内部にスペーサ開口部８４を備えており、
複数の固定装置８６を有し、前記各固定装置は、前記リングレール開口部と、前記スペーサ開口部と、前記前方レール開口部と、の間を通って前記スペーサを間に挟んだ状態で前記リングレールを前記エアシール上に固定し、それにより、前記ベーンの内径部分は、前記前方レールと、前記リングレールとの間に配置されるエアシールアッセンブリにおいて、
前記リングレール５８は、前記前方レールと対抗して前記リングレールの径方向内側端より径方向外向きに伸びるリングレール接触面８０と、前記リングレール接触面と交差して該リングレール接触面の径方向外向きに配置されたテーパ面８８と、を有することを特徴とするエアシールアッセンブリ。
【請求項２】
前記前方レール６８接触面７０には、耐摩耗性皮膜が施されていることを特徴とする請求項１記載のエアシールアッセンブリ。
【請求項３】
前記リングレール接触面８０には、耐摩耗性皮膜が施されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエアシールアッセンブリ。
【請求項４】
前記固定手段は、ボルトであることを特徴とする請求項１又は２又は３に記載のエアシールアッセンブリ。
【請求項５】
前記複数のスペーサは、前記前方レールと一体に取り付けられていることを特徴とする請求項１、２、３、４のいずれかに記載のエアシールアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン用のエアシールアッセンブリに関する。
従来の技術
ガスタービンエンジンは一般に、圧縮機、燃焼機及びタービンを備える。ガスタービンエンジンの各セクションは、長手軸に沿って順にエンジンケーシング内に配置されている。空気は、エンジンを軸方向に流れる。周知の通り、圧縮機で圧縮されたガスは、燃料と混ざり、燃焼機で点火及び燃焼される。燃焼機より発生する高温生成物は、タービンで膨張し、それにより、タービンが回転して、圧縮機が駆動される。
圧縮機及びタービンは、両方とも回転エアフォイル及び固定エアフォイルが交互に配置された列を有する。これらのエアフォイルは、一般的に、それぞれブレード及びベーンと呼ばれる。各エアフォイルは、外径部分及び内径部分がフランジ部となっているエアフォイル部を含む。ブレードは、回転ディスク内に固定される。ベーンは、一般的にエンジンケーシングから突出した片持ち翼になっている。各ベーンの外径部分は、前方接続部及び後方接続部でエンジンケーシングに固定されている。各ベーンの内径部分は、エアシールにゆるくはまっている。
エアシールは、高圧の空気が低圧領域に漏れるのを防ぐ。ガスタービンエンジンに現在使用されているエアシールは、金属合金によって製造されており、一体型の設計となっている。現在のエアシールは、環状のエアシール本体部分と、一体型に加工されている前方及び後方のレールと、を含む。これらのレールは、空間的に離間しており、上記エアシール本体部分より径方向外向きに伸びる。ベーンの内径部分に設けられたフランジ部は、前方及び後方のレールの間の間隙にはまる。組み立てのために、後方レールは、前方レールよりも短い。
フランス特許公開（旧法）第２０８６２７５号は、環状の本体部分と、本体部分より径方向外向きに伸びる環状の前方レールと、を備える第一エアシールを有するエアシールアッセンブリを開示している。リングレールは、上記前方レールと間に複数の空隙を有するように分離されている。複数の固定装置が上記レールと上記空隙を通り、リングレールをエアシール上に固定する。
現在使用されているのエアシールは、単純で比較的低価格であるが、比較的早く摩耗する。エアシールにおける広範囲の摩耗の一つの要因は、一般的なエンジン振動にガスタービンがさらされることである。エンジン振動によって、ベーンの内径部分にゆるくはまったフランジ部と、エンジンの前方及び後方のレール接触面と、の間に相対運動が起こる。ベーンフランジが前方及び後方のレールの接触面とこすれ合うので、レールの接触面は摩耗する。ガスタービンエンジン内へベーンを取り付ける方法によって、特に後方レールが摩耗しやすい。
金属部材の摩耗を減少させる方法の一つには、接触面に耐摩耗性の被膜層を施すことがある。被膜は、高耐久性、耐高温、及び耐摩耗性の金属であり、フレーム溶射又はプラズマ溶射によって表面に溶射される必要がある。表面に被膜を溶射するためには、サイトライン(line of site)や溶射ラインとも呼ばれる、表面へのアクセスが必要である。現在使用されているエアシールでは、後方レールが前方レールよりも短いので、前方レールの接触面は被膜を施すためにアクセス可能である。しかし、後方レールに関しては、前方レールによって溶射ラインが遮られるので、耐摩耗性被膜層を溶射するためにアクセスすることができない。従って、現在の設計における後方レールは、保護されていない状態である。
更に、後方レールが前方レールよりも短いために、後方レールの摩耗率は、前方レールよりも大きい。摩耗率が接触面の関数であることは、周知である。後部レールは、ベーンフランジとの接触領域が比較的小さいので、前方レールよりも速く摩耗する。ベーンは、後部レールの広範な摩耗によって回転ブレード列の方向に傾いてしまう。後方レールが完全に摩耗してしまうと、ベーンは、そのベーン列に隣接したタービンブレードの列に衝突してしまう。ベーンと回転ブレードとの間でのこのような接触は、エンジンの性能を損ない、エンジンの故障につながるおそれがある。
後方レールの摩耗を減少させる他の試みには、ベーンと後方レールとの接触領域を増加させるものがある。しかし、比較的長い後方レールを設けると、現在用いられている組み立て手順を使用することは不可能になり、また、前方レールに耐摩耗性被膜を溶射するための溶射ラインが遮られてしまうので前方レールに被膜を施すことができなくなってしまう。
後部レールの摩耗を減少させるまた他の方法には、エアシール全体をより耐摩耗性が高い金属によって製造することが挙げられる。このような金属の一つとしては、コバルトがある。しかし、エアシール全体をコバルト又は同様の耐摩耗性の金属で製造すると費用が大変高額になるので、この方法を用いることはできない。
本産業において現在実施されているのは、ガスタービンエンジンのオーバホールや修理時にエアシール全体を交換することである。この方法は、大変コストが高いので、本産業において、より耐摩耗性が高いエアシールが求められている。
発明の開示
本発明の目的は、ガスタービンエンジンエアシールアッセンブリにおける摩耗を減少させることである。
本発明によると、ガスタービンエンジンのためのエアシールアッセンブリは、エアシール本体部分を有する環状の第一エアシールを含む。エアシールの本体部分は、そこから径方向外向きに伸びる前方レールと、第一エアシールに取り付けられたリングレールと、を有する。前方レールと、リングレールと、の間にガスタービンエンジンベーンのベーンフランジをはめ込むために設けられた複数のスペーサによって、リングレールと、前方レールとは、空間的に離間している。本発明によって、組み立て前に前方レール及びリングレールにそれぞれ耐摩耗性被膜を溶射することができる。耐摩耗性被膜は、各レールとベーンフランジとの間での相対運動によって引き起こされる摩耗から前方レール及びリングレールを保護し、それらの運用寿命を延長する。
本発明の一つの形態では、ベーンフランジと接触するリングレールの接触面は、リングレールの径方向外側端部に向かって部分的に先細り状即ちテーパ状となっている。金属部材間の接触領域を増加させることによって、部材間の摩耗速度を減少させることができるということは周知である。リングレールの初期接触面が摩耗し始めるに従って、テーパ面によって、ベーンフランジとリングレールとの間の接触領域が増加する。従って、摩耗が進むにつれて、本発明のテーパ面によって摩耗速度を減少させることができる。
本発明の主要な利点の一つには、径方向に長くなるようにリングレールを製造することができることが挙げられる。リングレールの長さを延長することによって、避けることのできない摩耗が起った時にリングレールとベーンフランジとの間の接触領域を増加させ、それにより、リングレールの摩耗速度を減少させることができる。前方レールには、組み立て前に耐摩耗性被膜を溶射することができるので、リングレールの長さを延長することで前方レールへの耐摩耗性被膜の溶射が妨げられることはない。更に、テーパ面によって前方及び後方レールの間にベーンをはめ込むことができる十分な間隙が提供されるので、リングレールの長さを延長することによって組み立て工程が妨げられることもない。
本発明の他の主要な利点は、リングレールをコバルト又は他の同様の耐摩耗性材料より製造することができる点である。リングレールの大きさは比較的小さいので、エアシールの製造に使用される従来の材料よりもかなり高価な金属でリングレールを製造することがコスト的に可能となる。
本発明のまた他の利点は、リングレールが次第に摩耗しても、エアシール全体ではなく、リングレールのみを交換すればよい点である。リングレールにかかる負荷は、前方レールにかかる負荷よりも大きいので、リングレールは、前方レールよりも頻繁に修理及び交換することが必要である。このため、上記利点によって、ガスタービンエンジンの運用寿命の間、かなりのコストを削減することができる。
本発明に係る上記のまたその他の利点は、以下の実施形態の詳細な説明及び付随する図面によってより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ガスタービンエンジンの簡略化された部分切欠き図である。
図２は、ガスタービンエンジンケーシングに固定されてエアシールアッセンブリにはめ込まれた状態のベーンの拡大及び簡略化された部分説明図である。
図３は、図２のエアシールアッセンブリの断面図である。
図４は、ベーンクラスタがはめ込まれている図３のエアシールアッセンブリの分解説明図である。
図５は、ベーンクラスタがはめ込まれている図４のエアシールアッセンブリの部分切欠き側面図である。
図６は、本発明に係るテーパ面を有するリングレールを含む図５のエアシールアッセンブリの拡大部分切欠き図である。
図７は、摩耗した図６のエアシールアッセンブリの部分切欠き図である。
図８は、エアシールアッセンブリの他の形態の断面図である。
発明の最良の実施形態
図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１２と、燃焼機１４と、タービン１６と、をそれぞれ有する。ガスタービンエンジン１０の上記セクション１２、１４、及び１６は、長手軸１８に沿って順にガスタービンエンジンケーシング２０内に設けられている。空気２２は、ガスタービンエンジン１０の各セクション１２、１４及び１６を通って軸方向に流れる。圧縮機１２及びタービン１６は、回転ブレード２４及び固定ベーン２６が交互に配置された列を備える。回転ブレード２４は、回転ディスク２８上に固定されている。固定ベーン２６は、エンジンケーシング２０から突出した片持ち翼になっている。
図２を参照すると、ベーン２６は、外径バットレス３２と、内径バットレス３４と、がフランジ部となっているエアフォイル部３０を含む。外径バットレス３２は、前方フック３６及び後方フック３８を備える。前方フック３６及び後方フック３８は、それぞれ前方接続部４０及び後方接続部４２でエンジンケーシング２０に固定されている。内径バットレス３４は、そこより突出するベーンフランジ４６を有する。図４及び図５に最もよく示されているように、フランジ部４６は、スロット４８を備える。図４及び図５は、ベーンクラスタ５０内に配置されたベーン２６を示しており、各クラスタ５０にはそれぞれ三本のベーンが配置されている。各ベーンクラスタ５０は、一つの内径バットレスと、一つの外径バットレスを共有する。内径バットレス３４のベーンフランジ４６は、エアシールアッセンブリ５４内にはめ込まれる。
図２−４を参照すると、エアシールアッセンブリ５４は、第一環状エアシール５６と、リングレール５８と、複数のスペーサ６０と、をそれぞれ有する。第一エアシール５６は、上流端６４と、下流端６６と、上流端６４より径方向外向きに伸びる前方レール６８と、を備えるエアシール本体部分６２を有する。前方レール６８は、ベーンフランジ４６と接触する前方レール接触面７０を備える。前方レール６８の内部には、複数の前方レール開口部７２が形成されている。
リングレール５８は、内径端部７４と、外径端部７６と、それらの端部の間のリングレール接触面８０と、を有する。上記リングレール接触面８０は、ベーンフランジ４６と接触し、前方レール接触面７０に対向する。リングレール５８は、前方レール開口部７２と整合するように配置された複数のリングレール開口部８２を備える。
各スペーサ６０は、ベーンクラスタ５０のスロット４８にはまる大きさとなっている。各スペーサ６０の内部には、スペーサ開口部８４が設けられている。
前方レール接触面７０及びリングレール接触面８０には、エアシールアッセンブリ５４の組み立ての前に耐摩耗性被膜が溶射される。エアシールアッセンブリ５４を組み立てる時には、まず、リングレール開口部８２は、前方レール開口部７２と整合するように配置され、リングレール５８と前方レール６８との間には、上記複数のスペーサ６０によって間隙が設けられる。次に、上記アッセンブリは、ボルト８６、ピン、又はその他の固定手段によって一体となるよう固定される。この固定手段８６は、リングレール開口部８２と、スペーサ開口部８４と、前方レール開口部７２を通る。図５で最もよく示されているように、エアシールアッセンブリ５４の組み立てが完了した状態では、それぞれのベーンクラスタ５０の各ベーンフランジ４６は、スペーサ６０がスロット４８内にはまった状態でエアシールアッセンブリ５４内にはめ込まれている。それぞれのスペーサ６０は、エアシールアッセンブリ５４の回転を防止する回転防止装置として機能する。最後に、図２で示されるように、各ベーン２６の前方フック３６及び後方フック３８がそれぞれ前方接続部４０及び後方接続部４２でエンジンケーシング２０内にはまるように、エアシール及びベーンサブアッセンブリは、エンジンケーシング２０内に配置される。
本発明によって、エアシールアッセンブリ５４の後方レール５８の摩耗をかなり減少させることができる。リングレール接触面８０に耐摩耗性被膜を施すことによって、リングレール５８の摩耗速度は減少するので、エアシールアッセンブリ５４の運用寿命を実質的に延長することができるのである。
図６は、本発明の他の形態を示している。リングレール５８は、リングレール接触面８０と交差する、即ち、接触面８０につながってリングレール５８の外径端部７６に向かって先細即ちテーパ状となるように伸びるテーパ面８８を含む。
テーパ面８８は、リングレール５８の摩耗速度を減少させる。リングレール初期接触面８０は、図６に示すように、予め定義された径方向長さ９０を有する。耐摩耗性被膜によって摩耗の速度をかなり減少させることができるが、リングレール初期接触面８０は、必然的に摩耗する。図７に示すように、テーパ面８８が設けられていることによって、リングレール初期接触面８０が摩耗するに従って摩耗に伴って形成されるリングレール接触面１８０の径方向長さ１９０は、増加する。摩耗に伴う接触面１８０におけるこのような増加によって、リングレール５８の摩耗速度は減少する。従って、リングレール接触面８０にアクセスして被膜を溶射することができ、また、テーパ面８８によってベーンフランジ４６とリングレール５８との間で摩耗に伴う接触領域が増加するので、本発明に係るエアシールアッセンブリ５４の耐摩耗性は高くなる。
更に、本発明によって、他の機能を損なわずにリングレール５８の径方向長さを延長することができ、それにより、ベーンフランジ４６とリングレール接触面８０との接触領域を拡大することができる。また、ベーンフランジ４６を前方レール６８と、リングレール５８と、の間にはめ込むのに十分な間隙がテーパ面８８によって提供されるので、組み立て工程を変える必要がない。更に、前方レール６８は、組み立ての前に溶射されるので、リングレール５８の長さを延長することによって耐摩耗性被膜を溶射する際に前方レール６８へアクセスしにくくなるおそれはない。
エアシールの製造には、どのような金属合金を用いてもよいが、本発明によって、リングレール５８をコバルトのようにより高価でより耐摩耗性の高い材料で製造することが経済的に可能となる。リングレール５８は、エアシールアッセンブリ５４全体に比べて比較的小さいので、そのように小さな部位をコバルト又は耐摩耗特性を有する同様の材料で製造することは費用的に可能だからである。
本発明の他の利点は、リングレール５８が次第に摩耗しても、エアシール５４全体ではなく、リングレール５８のみを交換すればよい点である。リングレール５８にかかる負荷は、前方レールにかかる負荷よりも大きいので、リングレールは、前方レールよりも速く摩耗し、前方レールよりも頻繁な修理や交換が必要となる。従って、上記利点によって、ガスタービンエンジン１０の運用寿命の間かなりのコストを削減することができる。
図８を参照すると、エアシールアッセンブリ２５４の他の形態は、エアシール本体部分２６２を備える第一エアシール２５６を含む。エアシール本体部分２６２は、そこから径方向外向きに伸びる前方レール２６８と、エアシール本体部分２６２に取り付けられたＬ字型のリングレール２５８と、を有する。リングレール２５８は、図８に示すように、リベット２８６を使用してエアシール本体部分２６２に取り付けることができ、また、エアシール本体部分２６２上に溶接することもできる。複数のスペーサ２６０は、第一エアシール２５６の前方レール２６８と一体に示されている。しかし、スペーサ２６０は、リングレール２５８と一体に設けることもできる。
スペーサ６０は、四角い形状として示されているが、前方レール６８とリングレール５８とが空間的に離間しており、エアシールアッセンブリ５４の回転が防止されている限り、スペーサはどのような形状であっても本発明の範囲内である。更に、本発明の新規性は、組み立て前に各レール６８，５８のそれぞれの接触面７０，８０に耐摩耗性被膜を溶射することができるように、エアシールが少なくとも二つの部分にセグメント化されている点にある。従って、前方レール及びリングレールが異なるセグメントに配置されており、エアシールの組み立て前に各レールの接触面に耐摩耗性の被膜を溶射することができる限り、本発明の実施に当たってエアシールアッセンブリをどの部分でセグメント化してもよい。更に、示されているエアシールアッセンブリは、第二段タービンベーン用のものであるが、本発明は、圧縮機又はタービンベーンのどの段であっても使用することができる。
【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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