JP5379532B2 - ステータ構成要素を支持するシステムおよび方法 - Google Patents

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、特にタービンエンジンにおけるステータの取付けに関する。

ガスタービンエンジンは一般にコアエンジンを有し、コアエンジンは、このコアエンジンに流入する空気を圧縮する圧縮機と、燃料を圧縮された空気と混合した後、燃焼させて高エネルギーのガス流を創出する燃焼器と、このガス流からエネルギーを抽出して圧縮機を駆動させる第１または高圧タービンとを有する。航空機用ターボファンエンジンにおいては、コアエンジンより下流に配置される第２または低圧タービンが、ガス流からさらなるエネルギーを抽出してファンを駆動する。このファンから、エンジンが生じる主要な推進力が供給される。

環状のタービンノズルは、燃焼器と高圧タービンとの間およびタービン段どうしの間に配置される。このタービンノズルは、コアエンジンの縦軸のまわりに同心的に配置される、半径方向に離間した１対の内側および外側バンドと、この内側および外側環状バンド間に支持される翼形部とを含む。環状タービンノズル組立体において、これらの翼形部は、互いに対して周方向に離間して配置されるとともに、コアエンジン軸に対して半径方向に延在する。環状タービンノズル組立体は、互いに端部と端部とで取り付けられており、３６０度の周方向に延在するノズル組立体を形成する複数の弓形セグメント（別称として本明細書では１個または複数の「静翼」）により形成される。各タービンノズルセグメントは、内側および外側バンドの弓形セグメントと、これらの内側および外側バンドセグメント間に取り付けられる１個以上の翼形部とを含む。

タービンノズルは、燃焼器から出る高温ガス流を、タービンのロータ段に衝突させるとともに該ロータ段の回転をもたらすためにより効率的な方向に誘導および／または再誘導するよう機能する。また、ノズルによる誘導プロセスによってガス流が加速し、その結果、入口および出口平面間における静圧の低下をもたらされるとともに、ノズルとその支持システムに対する高圧の負荷およびモーメントが創出される。加えて、タービンノズルとその支持システムは、高温燃焼ガスと冷却空気とによる高い熱勾配に起因する負荷とモーメントとを、半径方向支持面に受ける。

従来のノズル支持システムにおいて、ノズルセグメントは、ボルト接合部、またはボルトと何らかの形態の締結機構とを組み合わせたものによってエンジン支持構造に取り付けられる。ところが、ノズル翼形部が受ける機械的な負荷およびモーメントと、熱膨張および収縮の差とにより、このような機構のノズルと支持部とに大きな曲げ応力が生じる。さらに、ボルトを受けるために必要な穴は、本質的に応力集中を生じるとともに、潜在的な漏れ経路になることがある。そして、組立に必要なナットおよびボルトによって、エンジン重量が望ましくなく増加するとともに、エンジンの組立および分解時間が増大する。

より小型のタービンエンジンの設計には、半径方向内側バンドはタービンロータ段が取り付けられる回転エンジン構造に隣接して延在するため、タービンノズルには、本質的に片持ち式の機構で半径方向外側バンドのみにおいて支持されるものもある。第１段ノズル等のいくつかの段において、ノズルは、内側バンドに結合される半径方向内側マウントまたはフランジ構造によりエンジン静止構造に取り付けられる。半径方向外側バンドは、機械的に保持されるわけではないが、周方向エンジンフランジにより軸方向の力に対して支持される。エンジンの第２段タービン等のその他の段では、タービンノズルは、半径方向外側バンドで取り付けられるが、半径方向内側バンドでは自由になっていてもよい。いずれの設計でも、タービンノズルバンドのまわりの周方向位置にボルトとクランプとを使用することによって、自身が取り付けられる構造よりも高温になるバンドが拘束されるので、ノズルの外側バンドの半径方向の反りが生じ、バンドに取り付けられる翼形部の真円度外れと応力とが生じる。このような翼形部の応力は、翼形部における割れの形成を招きかねない。

米国特許第３，７６５，７９１号 米国特許第４，８８３，４０５号 米国特許第５，１７６，４９６号 米国特許第５，２２４，８２２号 米国特許第５，２４９，９２０号 米国特許第５，２７１，７１４号 米国特許第５，３４３，６９４号 米国特許第５，３７２，４７６号 米国特許第７，１１２，０４２号

エンジン支持構造に対するタービンノズルセグメント等のステータ構成要素の取付けと支持とを改善する、また他の設計および方法を開発する必要性がある。従って、タービンエンジンの静翼等の静止要素をエンジン支持構造に取り付ける方法およびシステムにおいて、ボルトおよびナットを使用することなく、負荷とモーメントとに反発する取付け方法およびシステムを得ることが望ましい。組立体においてステータを容易に交換することができるようなタービンステータ構成要素用の反発式マウントシステムを得ることが望ましい。

タービンエンジンにおいて取外し可能な静止要素を支持する方法およびシステムを提供する本明細書に記載の例証的な実施例によって、上述の必要性を満たすことができる。この方法は、第１静止要素上の第１位置に配置されるステータハンガを、第１静止構造上に配置されるポストと係合させることによって、このポストに第１静止要素の重さの少なくとも一部分を支持させる段階と、第１位置から周方向に離間した第１静止要素上の第２位置に配置されるステータストッパを第２静止要素上に配置されるステータハンガと係合させる段階と、第１静止要素上の第３位置に配置されるフックを第２静止構造と係合させることによって、この第２静止構造に第２静止要素の重さの少なくとも一部分を支持させる段階とからなる。第１位置において外側バンド上に配置されるステータハンガと、第１位置から周方向に離間した第２位置に配置されるステータストッパとからなる反発式マウントシステムによって、静翼を支持する。

本発明の主題は、添付の特許請求の範囲において特に明記されている。以下の説明を添付図面に関連付けて参照することによって、本発明を良く理解することができよう。
本発明の例証的な実施例を含むロータおよびステータを示す、ガスタービンの一部分の縦断面図である。 本発明の例証的な実施例を含む、図１に示すガスタービン内のステータ構成要素の縦断面図である。 本発明に従ったステータマウントシステムの例証的な実施例を有するステータ組立体の等角図である。 本発明の例証的な実施例に従った反発式マウントシステムを有する静翼の等角図である。 本発明に従ったステータマウントシステムのまた他の実施例を有するステータ組立体の等角図である。 本発明のまた他の実施例に従った反発式マウントシステムを有する静翼の等角図である。 図３に示すシュラウドハンガの等角図である。

全図面を通して同様の参照符号が同様の構成要素を示す図面を参照すると、図１に、本発明の例証的な実施例を含むロータおよびステータを示す、例証的なガスタービン１０の一部分の縦断面図を示す。図１に示す例証的なガスタービン１０は、第１段タービンロータ２１と、第２段タービンロータ２２と、軸方向に両者間に配置される第２段タービンノズル２３とからなる。タービン翼２０および２４は、タービン中心線１１のまわりにおいて、それぞれ第１段および第２段ロータの縁部に周方向に配置される。本明細書に示される例証的な実施例は、タービンにおいてシュラウドハンガ３２、９０等の隣接する静止構造９１、９２を用いてタービンノズル２３等の静止要素を支持する支持システム３００を示す。

図２に、図１に示した第２段タービンノズルの拡大図を示す。この第２段タービンノズル２３は、内側バンド５１と、外側バンド５２と、内側バンド５１と外側バンド５２との間に延在する翼形部５０とからなる。本明細書に示すタービンノズルは、内側バンドと外側バンドとの間に１個の翼形部を有する。しかし、本発明のその他の実施例においては、内側バンドと外側バンドとの間において、タービンノズルセグメント内に複数の翼形部を設けることが可能である。内側バンド５１と外側バンド５２とによって、燃焼ガスのための流路が形成される。タービンノズル翼形部５０を中空（たとえば図５に示すように）にして、この中空の翼形部５０を介して、スプーリ１００から供給される冷却空気を循環させてもよい。外側バンドを含むノズルセグメント２３は、静翼翼形部と外側バンドと内側バンドとを有する一体成形の鋳物によって製作されてもよい。これに代わる方法として、ノズルセグメントは、静翼翼形部、外側バンドおよび内側バンド等の個別の部分構成要素のろう付け等の適切な従来式接合方法により製作されてもよい。

各ノズルセグメント２３の外側バンド５２および内側バンド５１は、弓形の形状を有して、多数のノズルセグメントがタービン中心線１１のまわりにおいて組み付けられたときに環状の流路を形成するようになっている。タービンノズルセグメント２３は、エンジン内において組み付けられたときに、高温ガスが通過する環状の流路を形成する内側および外側バンド５１、５２を有する環状タービンノズル組立体を形成する。図１に示すタービン１０において、第２段タービンノズルは、第１段タービンから出てくる流れを受けるとともに、その方向を第２段タービン内へと定めなおす。

図２および３を参照すると、これらの図に示した第２段ノズルの例証的な実施例は、ステータ支持システム３００により正位置に保持される。例証的な外側バンド片持ちマウントシステムを、図１および２に示す。図示の例証的な実施例において、外側バンド５２の軸方向前端部６１は、ノズルセグメント２３の周長に沿って周方向に延在する前フック５６を有する。この前フック５６は、第１段シュラウドハンガ３２の後端部から軸方向に突出する弓形レール４０上に載る。

図３に、本発明に従ったステータ構成要素マウントシステム３００の例証的な実施例を有するステータ組立体２００の等角図を示す。図解の便宜上、図３には、互いに周方向に位置する２個の外側バンド５２のみを示す。各外側バンド５２は、図３に示す後端部位置付近等の第１位置２２１に配置されるステータハンガ２１０と第２位置２２２のステータストッパ２２０とからなる反発式マウントシステム２０５を有する。ステータストッパ２２０は、図面では、外側バンド５２上の後端部付近において、ステータハンガ２１０から周方向に離間して配置されている。この支持システム３００は、さらに、軸方向前端部６１付近において図２および３に示す第３位置２２３に配置されるフック５６を含む。図３に示すように、この前フックは、前フック５６の近くに配置される静止構造９２上の弓形レール４０と係合する弓形の形状を有してもよい。本明細書において、これらの図に示すように、弓形レール４０は、外側バンド５２から軸方向前方に配置されるシュラウドハンガ３２の一部分を形成する。

図４に、本発明の例証的な実施例に従った反発式マウントシステム２０５を有する静翼５３の等角図を示す。ステータハンガ２１０とステータストッパ２２０とは、後端部６０付近に配置され、前フック５６は、外側バンド５２の前端部６１付近に配置される。ステータハンガ２１０は、自身の半径方向外端部に配置されるハンマのような形状を有する材料塊（本明細書では「ハンマ」と呼び、部材６８として識別する）を有するステム部６４からなる。このステータハンガは、ステム部６４の半径方向外端部付近に配置されるハンガ爪７１を有する。ステータストッパ２２０は、ステータハンガ２１０から周方向に離れて配置される。ステータストッパ２２０は、パドル後面８３と端面８６とを有するパドル部８０を含む。

組立時において、ハンガ爪７１は、たとえばシュラウドハンガ９０等の第１支持構造９１上に配置されるポスト９６と係合する。外側バンド５２上に配置されるステータストッパ２２０は、図３に示すように、周方向に隣接する外側バンド５２上に配置されるステータハンガ２１０と係合する。具体的には、パドル後面８３がステータハンガ２１０のステム部６４に隣接して配置される。ステータストッパ２２０の上部の一部分は、ハンマ６８の半径方向内側部分と係合する。タービンが動作していないときは、ハンガ爪７１は、ポスト９６上に載置されて、低温状態においてノズルを支持する。図３および４においては、回転防止タブ７２がハンガ爪７１の端部付近に配置されている。この回転防止タブ７２は、ポスト９６と係合して、組立時にノズルセグメント２３の回転を防止する。

タービン動作時には、ハンマ６８のステム部６４は、ノズルの接線方向の負荷に対してポスト９６に当接するように反発する。外側バンド５２の反対側の傾斜面上の第２位置２２２に配置されるステータストッパ２２０の上部は、半径方向のモーメントに対して、隣接するノズルセグメント２３の周方向に隣接する外側バンド５２のハンマ６８内に嵌合するように反発する。ハンマ７０の上部は、半径方向に３６０度のシュラウド支持部に当接するように反発する。ハンマ７０に加えて、ノズル前フック５６も半径方向の負荷に対して支持構造９２内に嵌合するように反発する。軸方向モーメントにはパドル８０が、隣接するノズルセグメントのハンマステム部６４および隣接する支持構造９１に嵌合するように反発する。軸方向負荷には、第２段シュラウドハンガなどの隣接する静止構造に当接するように反発する。ノズルセグメント２３が組み立てられて完全なノズル組立体になると、全てのノズルセグメントが、半径方向のモーメントに対して３６０度シュラウド支持部に当接するように、同時に、全ての軸方向負荷およびモーメントと周方向負荷とに対して隣接する支持構造に当接するように反発する。支持システム３００のこのような特徴は、タービン軸１１のまわりにおけるノズル組立体の真円度を高め、その結果としてノズルセグメント間の相対的な隙間を減少させる、従来技術を上回る改善をもたらす。

図５に、本発明に従ったステータマウントシステム３００のまた他の実施例を有するステータ組立体２００を示す。各セグメントが単一の翼を有する３個のノズルセグメントを示す。図示のノズル翼１００は、冷却空気流が通る中空キャビティを有する。ステータハンガ２１０のまた他の実施例を、図５および６に示す。ハンガ爪は、シュラウドハンガ等の隣接する支持構造９１上に配置されるポスト９６と係合する。このまた他の実施例において、反発式マウントシステム２０５は、反発具マウント６３（図６参照）上に配置される回転防止タブ１７２を有する。ステータハンガ２１０およびステータストッパ２２０と支持構造９１との係合は、すでに説明したとおりである。

図７に、本明細書に記載の静止要素マウントシステム３００に用いることができるシュラウドハンガ９０を示す。このシュラウドハンガ９０は、弓形の形状である内側レール９４を有する。この内側レールは、従来式タービンシュラウドを支持することができる。シュラウドハンガ９０は、これもまた弓形の形状である外側レールを有する。この外側レールは、ケーシング３４と係合するとともに、負荷に対してケーシング３４に当接するように反発する。シュラウドハンガは、図３、５および７に示すように、一般に軸方向に延在する少なくとも１個のポスト９６を有する。このポストは、既に説明したように静翼２３を支持するとともに、ポスト９６を介してシュラウドハンガとケーシングとに負荷を伝達する。シュラウドハンガとノズルと本明細書に示すその他の構成要素とは、高耐熱性を有するたとえばレネ８０（Ｒｅｎｅ ８０）およびインコネル７１８（Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８）等の従来のタービン材料により製作される。

本明細書では、最良の実施形態を含めた例を用いて本発明を開示した。これによって、当業者は本発明を実施および活用することができる。本発明の特許可能な範囲は、添付の特許請求の範囲において定義されるとともに、当業者に想起可能なその他の実施例も包含する。かかるその他の実施例は、特許請求の範囲に記載の文言と相違ない構成要素を含む場合、または、特許請求の範囲に記載の文言と実質的に同等である構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲の範疇にあるものとする。

Claims (7)

1. ガスタービンエンジンのステータ組立体であって、
   翼形部（５０）を有する静翼（５３）と、
   前記翼形部（５０）の半径方向外側部分上に配置される外側バンド（５２）と、
   前記外側バンド（５２）に軸方向に隣接するするシュラウドハンガ（１１６）であって前記外側バンドに軸方向に少なくとも一部が延びるポスト（９６）を備えるシュラウドハンガ（１１６）と、
   第１位置（２２１）において外側バンド（５２）上に配置されるステータハンガ（２１０）と、前記第１位置（２２１）から周方向に離間した第２位置（２２２）に配置されるステータストッパ（２２０）とを含む反発式マウントシステム（２０５）と、
   を備え、
   前記反発式マウントシステム（２０５）は、前記外側バンド上に位置し、前記ポストと係合して前記静翼を支持し、
   前記ステータハンガ（２１０）は、ステム部（６４）とハンマ（６８）とハンガ爪（７１）と
   を含み、
   前記ステータストッパ（２２０）は、周方向に隣接する前記外側バンド（５２）上の前記ステータハンガ（２１０）の前記ステム部（６４）と係合し、
   前記ハンマ（６８）と前記ハンガ爪（７１）は、前記ステム部（６４）に対して周方向の反対側に位置する
   ことを特徴とする、ステータ組立体。
2. 前記ハンガ爪（７１）は、該ハンガ爪（７１）の端部に配置される回転防止タブ（７２）を含む、請求項１に記載の静翼（５３）。
3. 前記ステータストッパ（２２０）は、パドル（８０）を含む、請求項１に記載の静翼（５３）。
4. 反発具マウント（６３）上に配置される回転防止ポスト（１７２）をさらに含む、請求項１に記載の静翼（５３）。
5. タービンエンジン内の取外し可能な静止要素を支持するシステム（３００）であって：
   第１静止構造（９１）上に配置されるポスト（９６）であって、第１静止要素（２３１）の重さの少なくとも一部分を支持するポスト（９６）と；
   前記ポスト（９６）と係合可能なハンガ爪（７１）を備え、前記第１静止要素（２３１）上の第１位置（２２１）に配置されるステータハンガ（２１０）と；
   周方向に隣接する第２静止要素（２３１）上に位置するハンマ（６８）のステム部（６４）に係合可能なパドル（８０）を備え、前記第１静止要素（２３１）上の前記第１位置（２２１）から周方向に離間した第２位置（２２２）に配置されるステータストッパ（２２０）と；
   前記第１静止要素（２３１）上の第３位置（２２３）に配置されるフック（５６）と；
   前記第２静止構造（９２）が前記第１静止要素（２３１）の重さの少なくとも一部分を支持するように前記フック（５６）と係合する第２静止構造（９２）と
   からなり、
   前記ステータストッパ（２２０）の一部分は、周方向に隣接する第２静止要素（２３２）上に配置されるステータハンガ（２１０）の一部分を形成するハンマ上部（７０）の一部分の下において摺動することができるように構成され、
   前記ハンマ（６８）と前記ハンガ爪（７１）は、前記ステム部（６４）に対して周方向の反対側に位置する
   ことを特徴とする、システム（３００）。
6. 前記第１静止要素（２３１）は、タービンノズル（１１５）である、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１静止構造（９１）は、タービンシュラウドハンガ（１１６）である、請求項５又は６に記載のシステム。
   

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