JP2011508150A - タービンノズルセグメント及びタービンノズルセグメントの修理方法 - Google Patents

Abstract

タービンノズルセグメントは、第１のバンドと、第１のバンドから延在する翼形と、第１のバンドに取り付けられる支持部とを含む。支持部は、周方向に離間する複数のタブを有する。修理済みタービンノズルセグメントは、切削加工された凹部を有する第１のバンドと、第１のバンドから延在する翼形と、凹部内にろう付けされる支持部であって、周方向に離間する３つ以上のタブを有する支持部とを備える。タービンノズルセグメントを修理する方法は、複数のタブを有する支持部を設けるステップと、タービンノズルセグメントから複数のタブを切削除去するステップと、支持部をタービンノズルセグメントに取り付けるステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジン構成要素に関し、特にタービンノズル組立体のリーフシール組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮機と燃焼器と少なくとも１つのタービンとを含む。圧縮機は、空気を圧縮し、この空気は、燃料と混合されて燃焼器へ導かれる。その後、混合気は点火されて高温燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスは、タービンへ導かれる。タービンは、エネルギーを燃焼ガスから抽出して、圧縮機に動力供給するだけでなく、有用な仕事を創出して飛行中の航空機の推進又は発電機等の負荷への動力供給を行なう。

タービンは、静翼組立体と動翼組立体とを含む。静翼組立体は、周方向に離間する複数の翼形を、燃焼ガスを導く流路を形成する内側及び外側バンド間において半径方向に延在させて有する固定ノズル組立体を含む。一般に、翼形とバンドは、１つ（一般にシングレットと呼ばれる）又は２つの離間する翼形を内側及び外側バンド間において半径方向に延在させて含む複数のセグメントをなして形成される。これらのセグメントは互いに接合されて、ノズル組立体を形成する。

動翼組立体は、静翼組立体の下流に位置し、ディスクから半径方向外方に延在する複数の翼を含む。各動翼は、プラットフォームと翼端との間において延在する翼形を含む。各動翼は更に、プラットフォームより下に延在するとともに、ディスクの対応する溝内で受ける翼根元を含む。これに代わる方法として、ディスクは、翼根元を設ける必要性を解消し得るブリスク、すなわち翼付きディスクでも良く、翼形は直接ディスクから延在する。動翼組立体は、翼端において固定環状シュラウドにより半径方向に固定される。シュラウドとプラットフォーム（又はブリスクの場合はディスク）は、燃焼ガスを導く流路を形成する。ノズルとシュラウドは別々に製造されて、エンジンに組み付けられる。従って、組立のためだけでなく、エンジンの動作中における熱膨張差及び収縮差に対応するためにも、隙間が両者間に必然的に設けられる。

固定された構成要素間における隙間は、該隙間を通る漏れを防ぐために適切に密封される。一般的なタービンノズルにおいて、空気の一部分は、圧縮機から抽気されてノズルを介して導かれて冷却する。抽気を用いることにより、エンジンの総合効率を低下させ、従って可能な場合は常に最小限に抑えられる。抽気は相対的に高圧であり、この圧力は、タービンノズルを介して流れる燃焼ガスの圧力を上回る。このため、抽気は、適切なシールが固定された構成要素間に設けられなければ、流路内に漏出することになる。

これらの隙間を密封するために用いられる一般的なシールは、リーフシールである。一般的なリーフシールは弓形であり、端と端とを突き合わせて静翼部品の周のまわりに配設される。例えば、ノズルの半径方向外側バンドは、軸方向に離間する前方及び後方レールを含む。これらのレールは、半径方向外方に延在し、シュラウド、シュラウドハンガ及び／又は燃焼器ライナ等の隣接する構成要素であるがこれらに限定されない隣接する構成要素の相補的表面に当接して、該構成要素と共に一次摩擦シールとなる。リーフシールは、この接合部における二次シールとなり、レールと隣接する構成要素との一部分を架橋する。リーフシールは、一般に、１つの隣接する構成要素に固定されるピンに沿って摺動するように構成される、相対的に薄い可撓片である。

密封対象の構成要素の具体的な形状に関係なく、リーフシールは、該リーフシールが各構成要素に係合して両者間の隙間を密封する閉鎖密封位置と、リーフシールの少なくとも一部分が構成要素から外れて、こうした構成要素間のガスの通過を可能にする開放位置とに移動可能である。多くの用途において、リーフシールのピンに沿った閉鎖位置への移動は、シールを横切る方向に差圧を適用することによって達成され、すなわちシールの片側の相対的に高い圧力と反対側の比較的低い圧力とがシールを閉鎖密封位置へと付勢して隣接する構成要素の表面に当接させ、両者間のガスの通過を防ぐ。

リーフシールは、タービンエンジンにおいて幅広く用いられてきたが、液密シールを創出するリーフシールの効果は、シールの一方側と他方側との間における十分な差圧の存在に依存する。タービンエンジンのある動作段階では、リーフシールの両側における流体圧力の差は相対的に小さい。これらの条件下では、リーフシールが当接するターボ機械の構成要素との係合状態から離脱して、両者間の漏出が起こる可能性がある。リーフシールを横切る方向の差圧が相対的に小さいことはまた、リーフシールが接触する構成要素に対して移動又は振動することを可能にする。タービンエンジンの動作及び他の振動源によって引き起こされるリーフシールの振動によって、リーフシールと該リーフシールが当接して維持される構成要素の表面との双方の望ましくない摩耗が生じる。このような摩耗は、リーフシールとタービンエンジンの構成要素との間におけるガスの漏出をもたらすだけではなく、エンジンの早期故障を引き起こし得る。

この問題を解決するために、他の設計では、ばね等のバイアス構造を含んで、リーフシールをある位置の方へと偏倚させていた。例えば、バンドは、周方向に離間する２つの半径方向延在タブをレールから軸方向に離間させて有する。凹部が、タブとレールの間に形成され、そこにリーフシールとばねが配設される。タブ、リーフシール及びばねは、バンドに取付けるためのピンを受ける穴を含む。少なくとも１つのタブは、一般にバンドの周縁部から離間する。タブ、リーフシール及びばねは、ばねがリーフシールを付勢して隣接する構成要素に当接させるように配置され、リーフシールが常に閉鎖密封位置に維持されるようにする。

限定されないが低公害燃焼器等の例では、この構成が十分ではないものもある。例えば、低公害燃焼器は、音響共鳴と高動圧振動とを招き得る火炎不安定性を生じ易い。高周波圧力変動は、シールに対して隣接する構成要素に圧接する方向の加重と除重とを反復的に行なうことにより、リーフシール、特に燃焼器ライナの後縁部とノズルバンドの前縁部との間のリーフシールを損傷させる。シールは、ばね及び／又はタブに支持されない部分において特に損傷を受け易い。シールは、自身の周縁部及び／又はバンド上のタブ間において完全に支持されない場合がある。

一例示的実施形態において、タービンノズルセグメントは、第１のバンドと、第１のバンドから延在する翼形と、第１のバンドに取り付けられる支持部とを含む。支持部は、周方向に離間する複数のタブを有する。また他の例示的実施形態において、修理済みタービンノズルセグメントは、研削加工された凹部を有する第１のバンドと、第１のバンドから延在する翼形と、凹部内にろう付けされる支持部とを含む。支持部は、周方向に離間する３つ以上のタブを有する。

更に他の例示的実施形態において、タービンノズルセグメントを修理する方法は、複数のタブを有する支持部を設けるステップと、複数のタブをタービンノズルセグメントから研削除去するステップと、支持部をタービンノズルセグメントに取り付けるステップとを含む。

例示的なガスタービンエンジンの断面略図である。 例示的なタービンノズル組立体の断面略図である。 例示的なタービンノズルセグメントの斜視図である。 例示的なタービンノズルリーフシール組立体の拡大断面図である。 例示的なタービンノズルセグメントの平面図である。 タービンノズルセグメントを修理する例示的な方法の流れ図である。

図１に、例示的なガスタービンエンジン１００の断面略図を示す。ガスタービンエンジン１００は、低圧圧縮機１０２と高圧圧縮機１０４と燃焼器１０６と高圧タービン１０８と低圧タービン１１０とを含む。低圧圧縮機１０２は、低圧タービンに軸１１２を介して結合される。高圧圧縮機１０４は、高圧タービン１０８に軸１１４を介して結合される。動作中、空気は、低圧圧縮機１０２と高圧圧縮機１０４を通って流れる。高圧縮空気は、燃焼器１０６に送られて、そこで燃料と混合され、点火されて燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、燃焼器１０６から導かれてタービン１０８及び１１０を駆動する。タービン１１０は、軸１１２を手段として低圧圧縮機１０２を駆動する。タービン１０８は、軸１１４を手段として高圧圧縮機１０４を駆動する。

図２に示すように、高圧タービン１０８は、タービンノズル組立体１１６を含む。タービンノズル組立体１１６は、燃焼器１０６又はタービン翼列の下流に位置する。タービンノズル組立体１１６は、環状配列のタービンノズルセグメント１１８を含む。複数の弓形のタービンノズルセグメント１１８は、互いに接合されて、環状のタービンノズル組立体１１６を形成する。図２〜５に示すように、ノズルセグメント１１８は、内側バンド１１２と外側バンド１２４との間に延在する１つ以上の翼形１２０を含む。翼形１２０は中空であり、内部冷却通路を有するか、又は１つ以上の冷却インサートを受ける。内側及び外側バンド１２２及び１２４は、ノズルセグメント１１８を上流及び下流の隣接する構成要素に接続する、軸方向に離間する１つ以上のレールを有する。

内側バンド１２２は、前方レール１２６と後方レール１２８とを含む。内側バンド１２２は更に、周方向に離間する複数のタブ１３０を有する。タブ１３０は、前方レール１２６から軸方向に離間して、タブ１３０と前方レール１２６との間に凹部１３２を形成する。リーフシール１３４は凹部１３２内に配設され、隣接する構成要素に当接して配置される。一例示的実施形態において、隣接する構成要素は、燃焼器ライナ１３６等の燃焼器ライナである。また他の例示的実施形態では、隣接する構成要素は、タービンシュラウドである。リーフシール１３４は、凹部１３２内においてピン１３８を用いて保持される。ピン１３８は、タブ１３０内の穴１４０とリーフシール１３４内の対応する穴１４２とを貫通して配置される。バイアス構造１４４は、ピン１３８によって保持され、リーフシール１３４を偏倚させて、隣接する構成要素に当接させる。タブ１３０、ピン１３８及びバイアス構造１４４は、ノズルセグメント１１８の周縁部１４６及び／又は周縁部１４７に隣接する。

外側バンド１２４は、前方レール１４８と後方レール１５０とを含む。外側バンド１２４は更に、周方向に離間する複数のタブ１５２を有する。タブ１５２は、前方レール１４８から軸方向に離間して、タブ１５２と前方レール１４８との間に凹部１５４を形成する。リーフシール１５６は、凹部１５４内に配設され、隣接する構成要素に当接して配置される。一例示的実施形態において、隣接する構成要素は、燃焼器ライナ１５８等の燃焼器ライナである。また他の例示的実施形態では、隣接する構成要素は、タービンシュラウドである。リーフシール１５６は、凹部１５４内においてピン１６０を用いて保持される。ピン１６０は、タブ１５２内の穴１６２とリーフシール１５６内の対応する穴１６４とを貫通して配置される。バイアス構造１６６は、ピン１６０により保持され、リーフシール１５６を偏倚させて、隣接する構成要素に当接させる。図３に示すように、タブ１５２、ピン１６０及びバイアス構造１６６は、ノズルセグメント１１８の周縁部１６８及び／又は周縁部１７０に隣接する。

タブ１３０、１５２は、内側バンド１２２及び／又は外側バンド１２４に取り付けられる支持部１７２と一体をなす。支持部１７２は、ろう付け、溶接、締結具を使用すること又は当該技術分野において周知の何らかの他の取付け方法によって取り付けられる。一例示的実施形態において、凹部１７４は、内側バンド１２２及び／又は外側バンド１２４に形成される。支持部１７２は、凹部１７４内に取り付けられる。支持部１７２は、複数のタブ１３０、１５２を含む。一例示的実施形態において、内側バンド１２２に取り付けられる支持部１７２は、内側バンド１２２の周縁部１４６に隣接する１つと、内側バンド１２２の他の周縁部１４７に隣接する１つと、両者間に位置する１つ以上との３つ以上のタブ１３０を有する。また他の例示的実施形態では、外側バンド１２４に取り付けられる支持部１７２は、外側バンド１２４の周縁部１６８に隣接する１つと、外側バンド１２４の他の周縁部１７０に隣接する１つと、両者間に位置する１つ以上との３つ以上のタブ１５２を有する。更にまた他の例示的実施形態において、内側バンド１２２に取り付けられる支持部１７２は、内側バンド１２２の周縁部１４６に隣接する１つと、内側バンド１２２の他の周縁部１４７に隣接する１つと、両者間に位置する１つ以上との３つ以上のタブ１３０を有する。外側バンド１２４に取り付けられる支持部１７２も、外側バンド１２４の周縁部１６８に隣接する１つと、外側バンド１２４の他の周縁部１７０に隣接する１つと、両者間に位置する１つ以上との３つ以上のタブ１５２を有する。

図６に、摩耗したタービンノズルセグメントを修理する例示的な方法の流れ図を示す。一例示的実施形態において、複数のタブ１５２を有する支持部１７２がステップ１７６で設けられる。支持部１７２は、当該技術分野において周知のように一体構造として鋳造される。次に、少なくとも１つのバンド上のタブ１５２が、ステップ１７８において切削除去される。本明細書において用いられる場合、切削とは、研削加工、フライス削り、レーザ加工、放電加工、電解加工又は構成要素から材料を除去する他の同様の加工処理のいずれか又は全てを含む。次に、凹部１７４が、支持部１７２を受けるためにバンド内に形成される。凹部１７４は、ステップ１７８と同時に、又は独自のステップとして別途に形成される。ステップ１８０において、支持部１７２は、ろう付け又は何らかの他の方法によって、バンドの凹部１７４に取り付けられる。ステップ１８２において、シール溝１８４と凹部１３２、１５４が、取付けステップ１８０で残された材料を切削除去することによって形成される。次に、リーフシール１５６、ピン１６０及びバイアス構造１６６が、ステップ１８６で、支持部１７２上のタブ１５２に組み付けられる。

動作時、リーフシールは偏倚して隣接する構成要素に当接し、タービンノズルセグメントと隣接する構成要素との間の密封を達成する。上記の例示的実施形態では、内側及び／又は外側バンドの周縁部に隣接する部分及び両者間の中間部分等であるがこれらに限定されない損傷を受け易い部分において、リーフシールに支持部を追加している。例示的実施形態は更に、機械的な密封負荷を高めるとともに、リーフシールの無支持長さを減少させる。

本明細書は、最良の形態を含む例示的実施形態を開示して、当業者が例示的実施形態の製造と使用を行なうことを可能にするものである。特許可能な範囲は、特許請求の範囲により限定され、当業者が想到するその他の例を含み得る。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価の構成要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。

Claims (20)

1. 第１のバンドと、
   前記第１のバンドから延在する翼形と、
   前記第１のバンドに取り付けられる支持部であって、周方向に離間する複数のタブを有する支持部と
   を備えるタービンノズルセグメント。
2. 前記複数のタブの少なくとも１つは、前記第１のバンドの周縁部に隣接する、請求項１に記載のタービンノズルセグメント。
3. 前記複数のタブは前記支持部と一体をなす、請求項２に記載のタービンノズルセグメント。
4. 第２のバンドを更に備え、
   前記翼形は、前記第１のバンドと前記第２のバンドとの間に延在する、請求項３に記載のタービンノズルセグメント。
5. 前記第１のバンドから延在し、前記複数のタブから離間して両者間に凹部を形成するレールと、
   前記凹部内に配設されるリーフシールとを更に備える、請求項４に記載のタービンノズルセグメント。
6. 各々の前記タブと前記リーフシールとを貫通して延在するピンと、
   各々の前記ピンに付随し、前記リーフシールを偏倚させて隣接する構成要素に当接させるバイアス構造とを更に備える、請求項５に記載のタービンノズルセグメント。
7. 切削加工された凹部を有する第１のバンドと、
   前記第１のバンドから延在する翼形と、
   前記凹部内にろう付けされる支持部であって、周方向に離間する３つ以上のタブを有する支持部と
   を備える、修理済みタービンノズルセグメント。
8. 前記タブの１つは、前記第１のバンドの第１の周縁部に隣接し、前記タブの１つは、前記第１のバンドの第２の周縁部に隣接する、請求項７に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
9. 前記タブは前記支持部と一体をなす、請求項７又は８に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
10. 第２のバンドを更に備え、
    前記翼形は、前記第１のバンドと前記第２のバンドとの間に延在する、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
11. 前記第１のバンドから延在し、前記複数のタブから離間して両者間に凹部を形成するレールと、
    前記凹部内に配設されるリーフシールとを更に備える、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
12. 各々の前記タブと前記リーフシールとを貫通して延在するピンと、
    各々の前記ピンに付随し、前記リーフシールを偏倚させて隣接する構成要素に当接させるバイアス構造とを更に備える、請求項１１に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
13. 前記第１のバンドから延在し、前記タブから離間して両者間に凹部を形成するレールと、
    前記凹部内に配設されるリーフシールとを更に備える、請求項８に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
14. 各々の前記タブと前記リーフシールとを貫通して延在するピンと、
    各々の前記ピンに付随し、前記リーフシールを偏倚させて隣接する構成要素に当接させるバイアス構造とを更に備える、請求項１３に記載の修理済みタービンノズルセグメント。
15. タービンノズルセグメントを修理する方法であって、
    複数のタブを有する支持部を設けるステップと、
    前記タービンノズルセグメントから複数のタブを切削除去するステップと、
    前記支持部を前記タービンノズルセグメントに取り付けるステップと
    を含む方法。
16. シール溝を前記支持部内に切削加工するステップを更に含む、請求項１５に記載のタービンノズルセグメントを修理する方法。
17. 凹部を前記タービンノズルセグメントに切削加工するステップを更に含む、請求項１５又は１６に記載のタービンノズルセグメントを修理する方法。
18. 第２の凹部を前記タービンノズルセグメントに切削加工するステップを更に含む、請求項１７に記載のタービンノズルセグメントを修理する方法。
19. リーフシール、バイアス構造及びピンを、前記複数のタブの各々に取り付けるステップを更に含む、請求項１８に記載のタービンノズルセグメントを修理する方法。
20. リーフシール、バイアス構造及びピンを、前記複数のタブの各々に取り付けるステップを更に含む、請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載のタービンノズルセグメントを修理する方法。

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