JP5580040B2

JP5580040B2 - ガスタービエンジン用のステータ組立体

Info

Publication number: JP5580040B2
Application number: JP2009296938A
Authority: JP
Inventors: アーサー・シュルアー; マレック・スラヤー; レスチェク・ルゼスズテック; ヤクブ・ブロニスゼウスキ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: EP2204539A3; US8206100B2; JP2010156334A; CA2689179C; EP2204539A2; CA2689179A1; US20100166545A1; EP2204539B1

Description

本発明は、総括的にはガスタービエンジンに関し、より具体的には、そのようなエンジンの固定空気力学的部材に関する。

ガスタービンエンジンは、ステータ又はベーンと呼ばれる１つ又はそれ以上の列の固定翼形部を含み、これら固定翼形部は、ブレード又はバケットと呼ばれる下流の回転翼形部の段に対して空気流を方向転換させるために使用される。ステータは、大きな空気力学的負荷に耐えなければならず、またさらに発生可能性がある振動に対応する大きな減衰性を備えていなければならない。

特に小型ステータ組立体では、翼形部に加えてそれらの周囲の支持部材は一般的に、一体形の機械加工鋳造品又は機械加工鍛造品として製作される。ステータはまた、溶接又はロウ付けによって組立てられてきた。それらの構成のいずれも、個々の翼形部の交換及び補修の容易化に役立つものではない。容易な分解を可能にする別のステータ構成（例えば、機械的な組立体）が知られている。しかしながら、それらの構成には、大きな振動減衰性を維持しながら、組立体の剛性を高める特徴形状部が不足している。

従来技術のこれらの及びその他の欠点は、本発明によって対処され、本発明は、運転中に剛性及び良好な振動減衰性があり、かつ個々の構成要素の補修又は交換を可能にするために容易に分解することができるステータ組立体を提供する。

１つの態様によると、ガスタービンエンジン用のステータ組立体は、（ａ）外側スロットの円周方向アレイを有する外側シュラウドと、（ｂ）内側スロットの円周方向アレイを有する内側シュラウドと、（ｃ）内側及び外側シュラウド間で延びかつその各々が内側及び外側スロット内に受けられた内側及び外側端部を有する複数の翼形形状ベーンと、（ｄ）ベーンの内側端部に係合しかつ該内側端部を半径方向内向き方向に付勢した環状の弾性保持リングスプリングとを含む。

本発明の別の態様によると、ガスタービンエンジン用のステータ組立体を組立てる方法は、（ａ）外側スロットの円周方向アレイを有する外側シュラウドを準備するステップと、（ｂ）内側スロットの円周方向アレイを有する内側シュラウドを準備するステップと、（ｃ）内側及び外側スロットを貫通して複数の翼形形状ベーンを挿入するするステップと、（ｄ）ベーンの内側端部を、該内側端部を半径方向内向き方向に付勢する弾性保持リングと係合させるステップとを含む。

本発明は、添付図面の図と関連させてなした以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。

本発明の態様により構成したステータ組立体を組入れたガスタービンエンジンの概略半部分断面図。図１のガスタービンエンジンのブースタの拡大図。部分組立状態におけるステータ組立体の斜視図。図３に示すステータ組立体の別の斜視図。図３のステータ組立体のさらに別の斜視図。ステータ組立体の保持リングの一部分の前面図。ステータ組立体の分解側面図。

様々な図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、その全体を参照符号１０で示した代表的なガスタービンエンジンを示している。エンジン１０は、長手方向中心線つまり軸線Ａと、軸線Ａの周りに同心にかつ該軸線Ａに沿って同軸に配置された環状の外側固定ケーシング１２とを有する。エンジン１０は、直列流れ関係で配置された、ファン１４、ブースタ１６、圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン２２及び低圧タービン２４を有する。運転中に、圧縮機１８からの加圧空気は、燃焼器２０内で燃料と混合されかつ点火され、それによって燃焼ガスを発生する。高圧タービン２２によってこれらのガスから幾らかの仕事が取出され、高圧タービン２２は、外側シャフト２６を介して圧縮機１８を駆動する。燃焼ガスは次に、低圧タービン２４内に流れ、低圧タービン２４は、内側シャフト２８を介してファン１４及びブースタ１６を駆動する。ファン１４により、エンジン１０によって生成される推力の大部分が得られ、またブースタ１６は、圧縮機１８に流入する空気を過給するために使用される。内側及び外側シャフト２８及び２６は、それら自体が公知の方法で１つ又はそれ以上の構造フレーム内に取付けられた軸受内に回転可能に取付けられる。

この図示した実施例では、エンジンは、ターボファンエンジンである。しかしながら、本明細書に記載した原理は、ターボプロップ、ターボジェット及びターボファンエンジン、並びにその他の車両又は固定式用途で使用されるタービンエンジンにも同様に適用可能である。

図２に示すように、ブースタ１６は、軸方向流れシーケンスで、回転ブースタブレードの第１段３０、第１段ステータ組立体３２、回転ブースタブレードの第２段３４及び第２段ステータ組立体３６（図１参照）を含む。説明のために、本発明は、実施例として第１段ステータ組立体３２を用いて説明することにするが、本発明の原理は、第２段ステータ組立体３６又はあらゆるその他の同様の構造体にも同様に適用可能である。

図３〜図６は、ステータ組立体３２を一層詳細に示している。ステータ組立体は一般的に、環状の外側シュラウド３８、内側シュラウド４０、複数のベーン４２及び充填ブロック４６を含む。

外側シュラウド３８は、剛性金属部材であり、かつ間隔を置いて配置された半径方向外向きに延びる前方及び後方フランジ５０及び５２によって境界付けられた外面４８を有する。これらのフランジ５０及び５２の１つ又は両方は、ケーシング１２に対する機械的取付けのためのボルト孔又はその他の機構を含む。ベーン４２を受けるような寸法にされた翼形形状外側スロット５４の円周方向アレイが、外側シュラウド３８を貫通している。図示した特定の実施例では、外側シュラウド３８は、ブースタブレードの第１段３０のためのシュラウドとして働く前方張出し部５６を含む。

内側シュラウド４０は、例えば金属又はプラスチックで形成することができる剛性部材であり、かつ間隔を置いて配置された半径方向内向きに延びる前方及び後方フランジ６０及び６２によって境界付けられた内面５８を有する。前方及び後方フランジ６０及び６２並びに内面５８は、協働して環状の内側空洞６４を形成する。ベーン４２を受けるような寸法にされた翼形形状内側スロット６６の円周方向アレイが、内側シュラウド４０を貫通している。

ベーン４２の各々は、翼形形状であり、かつ内側及び外側端部６８及び７０、前縁７２並びに後縁７４を有する。張出しプラットフォーム７６（図７参照）が、外側端部７０に配置される。張出しプラットフォーム７６は、ほぼ平面の前方及び後方面７８及び８０を含む。前方及び後方面７８及び８０間の全軸方向長さは、外側シュラウド３８の前方及び後方フランジ５０及び５２間にとまり嵌め（ｓｎｕｇｆｉｔ）を構成するように選択される。ベーン４２は、内側及び外側スロット６６及び５４内に受けられる。ベーン４２の各々は、その内側端部６８においてフック８２と協働する。この図示した実施例では、フック８２は、ほぼ軸方向に整列したスロットを形成するように配向される。

軸方向に細長い外側グロメット８４が、プラットフォーム７６と外側シュラウド３８との間に配置される。外側グロメット８４は、ベーン４２の外側端部７０を受けるほぼ翼形形状の中心開口部を有する。外側グロメット８４は、ベーン４２及び外側シュラウド３８を所望の相対的位置に保持すると同時に振動減衰を行なうことになる高密度弾性材料で製造される。好適な材料の非限定的な実施例には、フッ化炭素又はフッ化シリコーンエラストマが含まれる。任意選択的に、ベーン４２の内側端部６８と内側シュラウド４０との間に、外側グロメット８４と同様の構造の内側グロメット（図示せず）を設置することができる。

保持リング４４は、フック８２に係合しかつそれらフック８２に半径方向内向き方向の予加重を加えるほぼ環状の弾性部材である。保持リング４４は、バネ鋼、高力合金（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬのようなニッケル基合金）又は同様な材料で製作することができる。保持リング４４には、フック８２に対する確実な連結を保証する機構を組込まれる。この図示した実施例では、保持リング４４は、「ウェーブ」又は「波形」形態を有し、かつ軸線Ａに対して垂直な平面内においてほぼ扁平正弦曲線形状を示す。

充填ブロック４６（図１参照）は、フック８２及び保持リング４４を封入保護しかつ内側空洞６４を満たした弾性部材である。半径方向内向きに面した露出部分の断面形状は、重要ではない。任意選択的に、露出部分は、ラビリンスシールの固定部分として使用することができ、そのようなケースでは、その断面形状は、対向するシール構成要素の断面形状と相補状態であることになる。外側及び内側グロメットと同様に、充填ブロック４６は、隣接する構成要素を所望の相対的位置に保持すると同時に振動減衰を行なうことになる高密度弾性材料で製造される。好適な材料の実施例には、シリコーンゴムがある。任意選択的に、充填ブロック４６は、その有効重量を減少させかつ／又はアブレシブ作用を備える中空ビードのような充填材料を含むことができる。

図７を参照すると、ステータ組立体３２は、以下のように組立てられる。最初に、外側シュラウド３８内の外側スロット５４及び外側グロメット８４を通してベーン４２を挿入して、各ベーン４２のプラットフォーム７６が外側シュラウド３８の外面４８に対して着座しかつプラットフォーム７６の前方及び後方面７８及び８０がそれぞれ前方及び後方フランジ５０及び５２に対して当接するようにする。ベーン４２の内側端部は、内側シュラウド４０内のそれぞれの内側スロット６６を貫通しまた使用している場合には任意選択的な内側グロメットを貫通する。全てのベーン４２が設置されると、保持リング４４をベーン４２の各々のフック８２を係合させかつ次に保持リング４４を解放して、ベーン４２を内側及び外側シュラウド４０及び３８内に保持する半径方向内向き方向予荷重を与える。次に、保持リング４４及びフック８２を囲みかつそれらに接合した状態で、内側空洞６４内の所定の位置に、充填ブロック４６を形成する。この充填ブロック４６は、例えば未硬化材料（例えば、シリコーンゴム）を自由形態で塗布した後に公知の硬化処理（例えば加熱）を施すことによって、或いは内側シュラウド４０を囲む型部材を設けかつ該型部材内に材料を射出することによって設置することができる。組立てた後に、プラットフォーム７６の前方及び後方面７８及び８０を外側シュラウド３８の前方及び後方フランジ５０及び５２間に配置することによって、ベーン４２の配向を設定する。

分解又は補修が必要な場合には、例えば切削、研削又は化学的溶解によって、充填ブロック４６の全て又は一部を除去する。次に、ベーン４２の１つ又はそれ以上から保持リング４４の係合を外すことができ、整備又は交換を必要とする全てのベーン４２を取外すことができる。それに代えて、保持リング４４は、切断して取外すことができる。充填ブロック４６、内側シュラウド４０、外側グロメット８４及び内側グロメット（使用している場合）のいずれか又は全ては、補修目的で廃棄可能であると見なすことができる。再設置する時に、内側シュラウド４０及び／又はグロメットは、交換する（必要な場合には）ものとし、最初の設置について上述したように、新しい充填ブロック４６（又は、その一部分）は形成し直すことになる。ベーン４２及び外側シュラウド３８の再利用により、経済的に実行可能な補修を行なえる。

上記のステータ組立体は、従来技術の設計に優る多くの利点を有する。本ステータ組立体は、個別の翼形部の使用及び非金属構成要素での製作により重量効果がある。保持リング半径方向予荷重力によって、有効な外側流路シール作用が得られる。本ステータ組立体は、機械加工、溶接又はロウ付け構成と比較して、容易かつ自由度がある組立体補修又は翼形部交換を可能にする。本ステータ組立体は、従来技術で製作した小型ステータ組立体に優る剛度の利点を有する。本ステータ組立体により、ベーンの静的応力が低下して、組立体コンセプトを損なうことなく異なるベーン翼形部材料選択を採用する自由度が得られる。最後に、非金属グロメット及び弾性充填ブロック４６の使用により、組立体の振動減衰性の増大が得られる。

以上は、ガスタービンエンジン用のステータ組立体について説明してきた。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれら実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態の上述の説明及び本発明を実施するための最良の形態は、説明のために示したものであって限定のために示したものではない。

１０ガスタービンエンジン
１２外側固定ケーシング
１４ファン
１６ブースタ
１８圧縮機
２０燃焼器
２２高圧タービン
２４低圧タービン
２６外側シャフト
２８内側シャフト
３０回転ブースタブレードの第１段
３２（第１段）ステータ組立体
３４回転ブースタブレードの第２段
３６第２段ステータ組立体
３８外側シュラウド
４０内側シュラウド
４２ベーン
４４保持リング
４６充填ブロック
４８外側シュラウドの外面
５０外側シュラウドの前方フランジ
５２外側シュラウドの後方フランジ
５４外側スロット
５６前方張出し部
５８内側シュラウドの内面
６０内側シュラウドの前方フランジ
６２内側シュラウドの後方フランジ
６４内側空洞
６６内側スロット
６８ベーンの内側端部
７０ベーンの外側端部
７２ベーンの前縁
７４ベーンの後縁
７６張出しプラットフォーム
７８プラットフォームの前方面
８０プラットフォームの後方面
８２フック
８４外側グロメット
Ａ長手方向軸線

Claims

ガスタービンエンジン用のステータ組立体であって、
（ａ）外側スロット（５４）の円周方向アレイを有する外側シュラウド（３８）と、
（ｂ）内側スロット（６６）の円周方向アレイを有する内側シュラウド（４０）と、
（ｃ）前記内側及び外側シュラウド（４０、３８）間で延びかつその各々がそれぞれ前記内側及び外側スロット内に受けられた内側及び外側端部を有する複数の翼形形状ベーン（４２）と、
（ｄ）前記ベーン（４２）の内側端部に係合しかつ該内側端部を半径方向内向き方向に付勢した環状の弾性保持リング（４４）と、
を含み、
前記ベーン（４２）の各々が、その外側端部に配置された張出しプラットフォーム（７６）を有し、前記張出しプラットフォーム（７６）が、前記対応する外側スロット（５４）よりもその断面積が実質的に大きい
ステータ組立体。
前記保持リング（４４）は、中心軸線（Ａ）に対して垂直な平面内においてほぼ扁平正弦曲線形状を有する、請求項１記載のステータ組立体。
ガスタービンエンジン用のステータ組立体であって、
（ａ）外側スロット（５４）の円周方向アレイを有する外側シュラウド（３８）と、
（ｂ）内側スロット（６６）の円周方向アレイを有する内側シュラウド（４０）と、
（ｃ）前記内側及び外側シュラウド（４０、３８）間で延びかつその各々がそれぞれ前記内側及び外側スロット内に受けられた内側及び外側端部を有する複数の翼形形状ベーン（４２）と、
（ｄ）前記ベーン（４２）の各々の外側端部と前記それぞれの外側スロット（５４）との間に配置された弾性非金属グロメット（８４）と、
（ｅ）前記ベーン（４２）の内側端部に係合しかつ該内側端部を半径方向内向き方向に付勢した環状の弾性保持リング（４４）と、を含む、
ステータ組立体。
ガスタービンエンジン用のステータ組立体であって、
（ａ）外側スロット（５４）の円周方向アレイを有する外側シュラウド（３８）と、
（ｂ）内側スロット（６６）の円周方向アレイを有する内側シュラウド（４０）と、
（ｃ）前記内側及び外側シュラウド（４０、３８）間で延びかつその各々がそれぞれ前記内側及び外側スロット内に受けられた内側及び外側端部を有する複数の翼形形状ベーン（４２）と、
（ｄ）前記ベーン（４２）の内側端部に係合しかつ該内側端部を半径方向内向き方向に付勢した環状の弾性保持リング（４４）と、を含み、
各ベーン（４２）が、その内側端部に配置されたフック（８２）を含み、前記フック（８２）が、前記保持リング（４４）に係合する、
ステータ組立体。
前記内側シュラウド（４０）の内側空洞（６４）内に配置された環状の弾性非金属充填ブロック（４６）をさらに含み、
前記弾性非金属充填ブロック（４６）が、前記フック及び保持リング（４４）を封入保護するようになる、
請求項４記載のステータ組立体。
ガスタービンエンジン用のステータ組立体であって、
（ａ）外側スロット（５４）の円周方向アレイを有する外側シュラウド（３８）と、
（ｂ）内側スロット（６６）の円周方向アレイを有する内側シュラウド（４０）と、
（ｃ）前記内側及び外側シュラウド（４０、３８）間で延びかつその各々がそれぞれ前記内側及び外側スロット内に受けられた内側及び外側端部を有する複数の翼形形状ベーン（４２）と、
（ｄ）前記ベーン（４２）の内側端部に係合しかつ該内側端部を半径方向内向き方向に付勢した環状の弾性保持リング（４４）と
を含み、
前記保持リング（４４）が、波形形状を有する
ステータ組立体。
ガスタービンエンジン用のステータ組立体を組立てる方法であって、
（ａ）外側スロット（５４）の円周方向アレイを有する外側シュラウド（３８）を準備するステップと、
（ｂ）内側スロット（６６）の円周方向アレイを有する内側シュラウド（４０）を準備するステップと、
（ｃ）前記内側及び外側スロットを貫通して複数の翼形形状ベーン（４２）を挿入するステップと、
（ｄ）前記ベーン（４２）の各々の外側端部と前記それぞれの外側スロット（５４）との間に弾性非金属グロメット（８４）を挿入するステップと、
（ｅ）前記ベーン（４２）の内側端部を、該内側端部を半径方向内向き方向に付勢する弾性保持リング（４４）と係合させるステップと、
を含む、方法。
ガスタービンエンジン用のステータ組立体を組立てる方法であって、
（ａ）外側スロット（５４）の円周方向アレイを有する外側シュラウド（３８）を準備するステップと、
（ｂ）内側スロット（６６）の円周方向アレイを有する内側シュラウド（４０）を準備するステップと、
（ｃ）前記内側及び外側スロットを貫通して複数の翼形形状ベーン（４２）を挿入するステップと、
（ｄ）前記ベーン（４２）の内側端部に配置されたフック（８２）を、該内側端部を半径方向内向き方向に付勢する弾性保持リング（４４）と係合させるステップと、を含む、
方法。
前記内側シュラウド（４０）の内側空洞（６４）内に環状の弾性非金属充填ブロック（４６）を設置して、該弾性非金属充填ブロック（４６）が前記フック及び保持リング（４４）を封入保護するようにするステップをさらに含む、請求項８項記載の方法。
前記充填ブロック（４６）が、
（ａ）前記内側空洞（６４）に流動性形態で未硬化材料を施すステップと、
（ｂ）前記材料を硬化させて該材料を固化させるステップと、
によって設置される、請求項９記載の方法。