JP2011508151A - タービンノズルセグメントおよびタービンノズルアセンブリ - Google Patents

Abstract

タービンノズルセグメントが、周方向に離隔された複数のタブ（１３０）を有するバンド（１２２、１２４）と、バンドから延びる単一のエーロフォイル（１２０）とを含む。複数のタブのうちの少なくとも１つは、前記第１のバンドの周縁端に隣接することができる。複数のタブは、前記第１のバンドと一体であることができる。タービンノズルセグメントは、第２のバンドをさらに備えることができる、単一のエーロフォイルは第１のバンドと前記第２のバンドとの間を延びることができる。タービンノズルセグメントは、第１のバンドから延び、複数のタブから離隔され、それらの間に陥凹部を画定するレールと、陥凹部内に配置されたリーフシールとをさらに備えることができる。
【選択図】図３

Description

例示的な諸実施形態は、一般に、ガスタービンエンジン構成部品に関し、より詳細には、タービンノズルアセンブリ用のリーフシールアセンブリに関する。

ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機、燃焼器、および少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は、空気を圧縮することができ、その空気は、燃料と混合し燃焼器に運ぶことができる。次いで、その混合物に点火して、高温の燃焼ガスを発生させることができ、その燃焼ガスをタービンに運ぶことができる。タービンは、その燃焼ガスから、圧縮機に動力を供給するエネルギー、ならびに、飛行中の航空機を推進させるため、または発電機などの負荷に動力を供給するために有用な仕事を生み出すエネルギーを取り出すことができる。

タービンは、ステータアセンブリおよびロータアセンブリを含むことができる。ステータアセンブリは、内側バンドと外側バンドとの間で径方向に延びる周方向に離隔された複数のエーロフォイルを有し、これらが燃焼ガスを運ぶための流路を画定する、固定式ノズルアセンブリを含むことができる。通常、エーロフォイルおよびバンドは、複数のセグメントの形に形成され、これらのセグメントは、内側バンドと外側バンドとの間を径方向に延びる離隔された１つ（通常、シングレット（ｓｉｎｇｌｅｔ）と呼ばれる）または２つのエーロフォイルを含むことができる。これらのセグメントは、１つに接合されてノズルアセンブリを形成する。

ロータアセンブリは、ステータアセンブリの下流におくことができ、また、ディスクから径方向外側に向かって延びる複数のブレードを含むことができる。各ロータブレードは、プラットフォームと翼端との間で延びることができるエーロフォイルを含むことができる。各ロータブレードは、また、プラットフォームの下方を延び、ディスク内の対応するスロットで受けることができる、翼根部を含むことができる。あるいは、ディスクは、翼根部の必要を軽減できるブリスクまたはブレード付きディスクとすることもでき、エーロフォイルは、ディスクから直接延びることもできる。ロータアセンブリは、翼端のところで固定式環状シュラウドと径方向に境界を接することができる。シュラウドおよびプラットフォーム（またはディスク（ブリスクの場合））は、燃焼ガスを運ぶための流路を画定する。ノズルおよびシュラウドは、別々に製造され、エンジンに組み立てられる。したがって、それらの間には、組立ての目的ならびにエンジン運転中の熱膨張および熱収縮の差に適応する目的で、必然的に隙間が設けられる。

固定式構成部品間の隙間は、それらを通じた漏れを防ぐために適切に封止される。典型的なタービンノズルでは、空気の一部分は、圧縮機から抽気され、ノズルを冷却するためにそれらのノズルを通って運ばれる。抽気の使用は、エンジンの全体的な効率を低下させるので、可能なときは常に最小限に抑えられる。抽気は、タービンノズル内を流れる燃焼ガスの圧力よりも大きい、比較的高い圧力にある。したがって、固定式構成部品間に適切なシールが設けられていない場合、抽気は、流路内に漏れることになる。

これらの隙間を封止するために使用される典型的なシールは、リーフシールである。典型的なリーフシールは、アーチ形であり、ステータ構成部品の周囲に端から端まで（ｅｎｄ ｔｏ ｅｎｄ）配置される。例えば、ノズルの径方向外側のバンドは、軸方向に離隔された前方レールおよび後方レールを含む。レールは、径方向外側に向かって延び、これだけに限るものではないが、シュラウド、シュラウドハンガ、および／または燃焼器ライナなど、隣接した構造構成部品の相補的な表面に当接し、レールとともに１次摩擦封止をもたらす。リーフシールは、この接合部のところで封止をもたらし、レールの一部分と隣接した構造構成部品とを橋渡しする。リーフシールは、通常、隣接した構造構成部品のうちの１つに固定されたピンに沿って摺動するように適合された、比較的薄いコンプライアントな部品片である。

封止されるべき構造構成部品の特定の形状にかかわらず、リーフシールは、それらのリーフシールが各構造構成部品と係合してそれらの間のスペースを封止する閉じた封止位置、およびリーフシールの少なくとも一部分が構造構成部品から係脱してそのような構成部品間のガスの通過を可能にする開位置に移動可能である。ほとんどの用途で、ピンに沿ったリーフシールの閉位置への移動は、シールをまたぐ圧力差を与え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、その反対側の比較的低い圧力とが、隣接した構造構成部品の表面に接する閉じた封止位置にシールを押し動かして、それらの構造構成部品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広く使用されているが、液密封止を生み出す上でのリーフシールの有効性は、シールの片側と他方の側との間に十分な圧力差があることによって決まる。タービンエンジンのある運転段階の間には、リーフシールの両側の流体圧力差が比較的低い。これらの条件下では、リーフシールが、ターボ機械の当接する構造構成部品との係合から外れ、構造構成部品間に漏れを生じさせることが起こりうる。また、リーフシールをまたぐ比較的小さな圧力差があると、リーフシールが接触している構造構成部品に対してリーフシールが移動または振動することができる。タービンエンジンの運転および他の振動源によって引き起こされるリーフシールのこの振動は、リーフシール、およびリーフシールが接する構造構成部品の表面の、望ましくない摩損を生み出す。このような摩損は、単にリーフシールとタービンエンジンの構造構成部品との間のガス漏れをまねくだけでなく、それらの早期故障を引き起こすおそれがある。

この問題を克服するために、他の設計は、リーフシールをある特定の位置に向かって偏倚させるための、ばねなどのバイアス構造を含んできた。例えば、バンドは、レールから軸方向に離隔された、径方向に延びる、周方向に離隔された２つのタブを有することができる。タブとレールとの間に、リーフシールおよびばねがそこに配置される陥凹部を形成することができる。タブ、リーフシール、およびばねは、バンドに据え付けるピンを受ける穴を含むことができる。タブの少なくとも１つは、通常、バンドの周縁端から離隔される。タブ、リーフシール、およびばねは、常にリーフシールを閉じた封止位置で維持するために、ばねがリーフシールを隣接した構造構成部品に押し当てるように配置される。

これだけに限るものではないが、低排出燃焼器など、一部の場合には、この構成は、十分ではない。例えば、低排出燃焼器は、火炎不安定になりやすく、音響共振および高い動的圧力変動をまねくおそれがある。高振動数の圧力揺らぎは、隣接した構造構成部品に接するシールに繰り返し載荷／除荷することによって、リーフシール、特に、燃焼器ライナの後方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するおそれがある。シールは、特に、それらのシールがばねおよび／またはタブによって支持されていない場合に損傷を受けやすい。シールは、それらの周縁端、および／またはバンド上のタブ間で、完全には支持されないことがある。

米国特許第２００７／１５４３０５号

例示的な一実施形態では、タービンノズルセグメントは、周方向に離隔された複数のタブを有するバンドと、バンドから延びる単一のエーロフォイルとを含む。他の例示的な実施形態では、タービンノズルセグメントは、周方向に離隔された３つ以上のタブを有するバンドと、バンドから延びる複数のエーロフォイルとを含む。

他の例示的な実施形態では、タービンノズルアセンブリは、環状リングを形成するように１つに組み立てられた複数のタービンノズルセグメントを含んでおり、各セグメントが、周方向に離隔された３つ以上のタブを有する外側バンドと、タブから軸方向に離隔されてそれらの間に陥凹部を画定するレールとを有する。セグメントは、また、陥凹部内に配置されたリーフシールと、タブおよびリーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、各ピンに関係付けられた、リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造とを有する。セグメントは、さらに、内側バンド、および外側バンドと内側バンドとの間を延びる複数のエーロフォイルを含む。

例示的なガスタービンエンジンの概略断面図である。 例示的なタービンノズルアセンブリの概略断面図である。 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アセンブリ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上面図である。 例示的なタービンノズルセグメントの下面図である。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略断面図を示す。ガスタービンエンジン１００は、低圧圧縮機１０２、高圧圧縮機１０４、燃焼器１０６、高圧タービン１０８、および低圧タービン１１０を含むことができる。低圧圧縮機は、シャフト１１２を通じて低圧タービンに結合することができる。高圧圧縮機１０４は、シャフト１１４を通じて高圧タービン１０８に結合することができる。運転時には、空気は、低圧圧縮機１０２および高圧圧縮機１０４を通って流れる。高度に圧縮された空気は、燃焼器１０６に供給され、その燃焼器１０６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から運ばれて、タービン１０８およびタービン１１０を駆動する。タービン１１０は、シャフト１１２を通じて低圧圧縮機１０２を駆動する。タービン１０８は、シャフト１１４を通じて高圧圧縮機１０４を駆動する。

図２に示したように、高圧タービン１０８は、タービンノズルアセンブリ１１６を含むことができる。タービンノズルアセンブリ１１６は、燃焼器１０６の下流とすることもでき、またはタービンブレードの列とすることもできる。タービンノズルアセンブリ１１６は、タービンノズルセグメント１１８の環状アレイを含む。複数のアーチ形タービンノズルセグメント１１８を１つに接合して、環状タービンノズルアセンブリ１１６を形成することができる。図２〜図６に示したように、ノズルセグメント１１８は、内側バンド１２２と外側バンド１２４との間を延びる１つまたは複数のエーロフォイル１２０を含むことができる。ノズルセグメント１１８は、シングレット構成またはダブレット構成で形成することができる。シングレット構成は、内側バンド１２２と外側バンド１２４との間を延びる単一のエーロフォイル１２０を含むことができる。ダブレット構成は、内側バンド１２２と外側バンド１２４との間を延びる２つのエーロフォイル１２０を含むことができる。２つよりも多くのエーロフォイル１２０を有する構成を含め、任意の構成を使用できることが当業者には理解されるはずである。エーロフォイル１２０は、中空で、内部冷却通路を有することもでき、または１つもしくは複数の冷却インサートを受けることもできる。内側バンド１２２および外側バンド１２４は、ノズルセグメント１１８を上流および下流の隣接構成部品に連結する、軸方向に離隔された１つまたは複数のレールを有することができる。

内側バンド１２２は、前方レール１２６および後方レール１２８を含むことができる。内側バンド１２２は、また、周方向に離隔された複数のタブ１３０を有することができる。タブ１３０は、前方レール１２６から軸方向に離隔されて、タブ１３０と前方レール１２６との間に陥凹部１３２を画定することができる。リーフシール１３４は、陥凹部１３２内に配置することができ、また隣接構成部品に当接するように位置決めすることができる。例示的な一実施形態では、隣接構成部品は、燃焼器ライナ１３６などの燃焼器ライナとすることができる。他の例示的な実施形態では、隣接構成部品は、タービンシュラウドとすることができる。リーフシール１３４は、ピン１３８によって陥凹部１３２内で保持することができる。ピン１３８は、タブ１３０内の穴１４０およびリーフシール１３４内の対応する穴１４２に通して位置決めすることができる。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を偏倚させて隣接構成部品に当接させることができる。図３に示したように、タブ１３０、ピン１３８、およびバイアス構造１４４は、ノズルセグメント１１８の周縁端１４６および／または周縁端１４７に隣接することができる。

外側バンド１２４は、前方レール１４８および後方レール１５０を含むことができる。外側バンド１２４は、また、周方向に離隔された複数のタブ１５２を有することができる。タブ１５２は、前方レール１４８から軸方向に離隔されて、タブ１５２と前方レール１４８との間に陥凹部１５４を画定することができる。リーフシール１５６は、陥凹部１５４内に配置することができ、また隣接構成部品に当接するように位置決めすることができる。例示的な一実施形態では、隣接構成部品は、燃焼器ライナ１５８などの燃焼器ライナとすることができる。他の例示的な実施形態では、隣接構成部品は、タービンシュラウドとすることができる。リーフシール１５６は、ピン１６０によって陥凹部１５４内で保持することができる。ピン１６０は、タブ１５２内の穴１６２およびリーフシール１５６内の対応する穴１６４に通して位置決めすることができる。バイアス構造１６６は、ピン１６０によって保持され、リーフシール１５６を偏倚させて隣接構成部品に当接させることができる。タブ１５２、ピン１６０、およびバイアス構造１６６は、ノズルセグメント１１８の周縁端１６８および／または周縁端１７０に隣接することができる。

図３、図５、および図６は、シングレット構成１７２を有する２つのノズルセグメント１１８が１つに接合された、またはダブレット構成１７４を有するノズルセグメント１１８が１部品として鋳造された、ダブレット構成１７４を有するノズルセグメント１１８を示す。さらに、エーロフォイル１２０、内側バンド１２２、および／または外側バンド１２４は、一体的に鋳造された部品として形成することもでき、または別個に形成し、蝋付け（ｂｒａｚｉｎｇ）によって１つに接合することもできる。例えば、エーロフォイル１２０を外側バンド１２４と一体的に鋳造することができ、内側バンド１２２をエーロフォイルに蝋付けすることができる。タブ１３０およびタブ１５２は、それぞれ、内側バンドおよび外側バンドと一体的に鋳造することができる。

シングレット構成１７２を有する例示的な一実施形態では、外側バンド１２４は、周方向に離隔された複数のタブ１５２を有することができ、それらのタブのうちの少なくとも１つが外側バンドの周縁端１６８、１７０に隣接する。ダブレット構成１７４を有する他の例示的な実施形態では、内側バンド１２２は、１つのタブが内側バンド１２２の周縁端１４６に隣接し、１つのタブが内側バンド１２２の他の周縁端１４７に隣接し、それらの間に１つまたは複数のタブが位置する、３つ以上のタブ１３０を有することができる。ダブレット構成１７４を有する他の例示的な実施形態では、外側バンド１２４は、１つのタブが外側バンド１２４の周縁端１６８に隣接し、１つのタブが外側バンド１２４の他の周縁端１７０に隣接し、それらの間に１つまたは複数のタブが位置する、３つ以上のタブ１５２を有することができる。ダブレット構成１７４を有する他の例示的な実施形態では、内側バンド１２２は、１つのタブが内側バンド１２２の周縁端１４６に隣接し、１つのタブが内側バンド１２２の他の周縁端１４７に隣接し、それらの間に１つまたは複数のタブが位置する、３つ以上のタブ１３０を有することができる。外側バンド１２４は、また、１つのタブが外側バンド１２４の周縁端１６８に隣接し、１つのタブが外側バンド１２４の他の周縁端１７０に隣接し、それらの間に１つまたは複数のタブが位置する、３つ以上のタブ１５２を有することができる。

運転中、リーフシールは、偏倚して隣接構成部品に当接し、タービンノズルセグメントと隣接構成部品との間に封止をもたらす。ここに記載の例示的な諸実施形態は、これだけに限るものではないが、内側バンドおよび／または外側バンドの周縁端に隣接した領域や、それらの間の中央領域など、損傷を受けやすい領域においてリーフシールに追加の支持をもたらす。例示的な諸実施形態は、また、機械的封止荷重を増大させ、リーフシールの支持されない長さを短縮する。

本明細書の記載は、当業者が例示的な諸実施形態を製造し使用できるようにするために、最良の形態を含めた例示的な諸実施形態を開示している。特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思いつく他の諸実施例を含む可能性がある。そのような他の諸実施例は、それらが請求項の文字通りの文言と相違しない構造的要素を有する場合、またはそれらが請求項の文字通りの文言と実質的に相違しない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 低圧圧縮機
１０４ 高圧圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ 高圧タービン
１１０ 低圧タービン
１１２ シャフト
１１４ シャフト
１１６ タービンノズルアセンブリ
１１８ タービンノズルセグメント
１２０ エーロフォイル
１２２ 内側バンド
１２４ 外側バンド
１２６ 前方レール
１２８ 後方レール
１３０ タブ
１３２ 陥凹部
１３４ リーフシール
１３６ 燃焼器ライナ
１３８ ピン
１４０ 穴
１４２ 穴
１４４ バイアス構造（偏倚構造）
１４６ 周縁端
１４７ 周縁端
１４８ 前方レール
１５０ 後方レール
１５２ タブ
１５４ 陥凹部
１５６ リーフシール
１５８ 燃焼器ライナ
１６０ ピン
１６２ 穴
１６４ 穴
１６６ バイアス構造（偏倚構造）
１６８ 周縁端
１７０ 周縁端
１７２ シングレット構成
１７４ ダブレット構成

Claims (20)

1. 周方向に離隔された複数のタブを有する第１のバンドと、
   前記第１のバンドから延びる単一のエーロフォイルと
   を備える、タービンノズルセグメント。
2. 前記複数のタブのうちの少なくとも１つが、前記第１のバンドの周縁端に隣接する、請求項１記載のタービンノズルセグメント。
3. 前記複数のタブが前記第１のバンドと一体である、請求項２記載のタービンノズルセグメント。
4. 第２のバンドをさらに備えており、
   前記単一のエーロフォイルが前記第１のバンドと前記第２のバンドとの間を延びる、請求項３記載のタービンノズルセグメント。
5. 前記第１のバンドから延び、前記複数のタブから離隔され、それらの間に陥凹部を画定するレールと、
   前記陥凹部内に配置されたリーフシールとをさらに備える、請求項４記載のタービンノズルセグメント。
6. 前記タブおよび前記リーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、
   前記ピンそれぞれに関係付けられた、前記リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造とをさらに備える、請求項５記載のタービンノズルセグメント。
7. 前記第１のバンドから延び、前記複数のタブから離隔され、それらの間に陥凹部を画定するレールと、
   前記陥凹部内に配置されたリーフシールとをさらに備える、請求項１記載のタービンノズルセグメント。
8. 前記タブおよび前記リーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、
   前記ピンそれぞれに関係付けられた、前記リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造とをさらに備える、請求項７記載のタービンノズルセグメント。
9. 前記第１のバンドから延び、前記複数のタブから離隔され、それらの間に陥凹部を画定するレールと、
   前記陥凹部内に配置されたリーフシールとをさらに備える、請求項２記載のタービンノズルセグメント。
10. 前記タブおよび前記リーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、
    前記ピンそれぞれに関係付けられた、前記リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造とをさらに備える、請求項９記載のタービンノズルセグメント。
11. 周方向に離隔された３つ以上のタブを有する第１のバンドと、
    前記第１のバンドから延びる複数のエーロフォイルと
    を備える、タービンノズルセグメント。
12. 前記第１のバンドから延び、前記タブから軸方向に離隔され、それらの間に陥凹部を画定するレールと、
    前記陥凹部内に配置されたリーフシールとをさらに備える、請求項１１記載のタービンノズルセグメント。
13. 前記タブおよび前記リーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、
    前記ピンそれぞれに関係付けられた、前記リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造とをさらに備える、請求項１２記載のタービンノズルセグメント。
14. 前記タブのうちの１つが前記第１のバンドの第１の周縁端に隣接し、前記タブのうちの１つが前記第１のバンドの第２の周縁端に隣接する、請求項１１乃至１３のいずれか１項記載のタービンノズルセグメント。
15. 前記タブが前記第１のバンドと一体である、請求項１４記載のタービンノズルセグメント。
16. 第２のバンドをさらに備えており、
    前記複数のエーロフォイルが前記第１のバンドと前記第２のバンドとの間を延びる、請求項１５記載のタービンノズルセグメント。
17. 環状リングを形成するように１つに組み立てられた複数のタービンノズルセグメントを備えるタービンノズルアセンブリであって、前記セグメントのそれぞれが、
    周方向に離隔された３つ以上のタブ、および前記タブから軸方向に離隔されてそれらの間に陥凹部を画定するレールを有する、外側バンドと、
    前記陥凹部内に配置されたリーフシールと、
    前記タブおよび前記リーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、
    前記ピンそれぞれに関係付けられた、前記リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造と、
    内側バンドと、
    前記外側バンドと前記内側バンドとの間を延びる複数のエーロフォイルとを備える、タービンノズルアセンブリ。
18. 前記内側バンドが、
    周方向に離隔された３つ以上のタブ、および、前記タブから軸方向に離隔されてそれらの間に陥凹部を画定するレールと、
    前記陥凹部内に配置されたリーフシールと、
    前記タブおよび前記リーフシールそれぞれを貫いて延びるピンと、
    前記ピンそれぞれに関係付けられた、前記リーフシールを偏倚させて隣接構成部品に当接させるバイアス構造とをさらに備える、請求項１７に記載のタービンノズルアセンブリ。
19. 前記外側バンド上の前記タブのうちの１つが前記外側バンドの第１の周縁端に隣接し、前記外側バンド上の前記タブのうちの１つが前記外側バンドの第２の周縁端に隣接する、請求項１８記載のタービンノズルアセンブリ。
20. 前記内側バンド上の前記タブのうちの１つが前記内側バンドの第１の周縁端に隣接し、前記内側バンド上の前記タブのうちの１つが前記内側バンドの第２の周縁端に隣接する、請求項１９記載のタービンノズルアセンブリ。

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