JPH04330302A - タービンシュラウドのクリアランス制御アセンブリ - Google Patents

タービンシュラウドのクリアランス制御アセンブリ

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JPH04330302A
JPH04330302A JP3023685A JP2368591A JPH04330302A JP H04330302 A JPH04330302 A JP H04330302A JP 3023685 A JP3023685 A JP 3023685A JP 2368591 A JP2368591 A JP 2368591A JP H04330302 A JPH04330302 A JP H04330302A
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JP
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shroud
support
segmented
position control
assembly
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JP3023685A
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English (en)
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Alan Walker
アラン・ウォーカ
Thomas G Wakeman
トーマス・ジョージ・ウエイクマン
Dean T Lenahan
ディーン・トーマス・レナハン
Larry W Plemmons
ラリー・ウェイン・プレモンス
Andrew P Elovic
アンドリュウ・ピィーレ・エロビック
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、一般にガスタービン
エンジンのシュラウドに関し、特に各シュラウドセグメ
ントが高圧タービンブレードおよび低圧タービンブレー
ド両方に連続的にまたがる、均一に冷却され、圧力バラ
ンスのとれたセグメント状シュラウドに関する。この設
計とすれば、回転ブレード間の１列の静止ベーンがなく
なり、これにより重量を減らし、コストを大幅に削減し
、冷却空気の必要量の軽減を通して性能を上げる。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンのシュラウドの主
要機能は、排気ガス外側通路に沿って適当な輪郭の環状
表面を与えるとともに、回転するタービンブレードの先
端（チップ）との間にできるかぎり小さいクリアランス
を画定することである。この小さなクリアランスを維持
することは、ブレード先端と外側流路表面との間からの
排気ガスの逃げを最小限にするのに必要である。回転す
るブレード先端と静止シュラウドとの間の半径方向クリ
アランスはタービン効率に有意な影響を持ち、クリアラ
ンスが小さいほど効率がよくなる。
【０００３】タービン効率および性能に対するブレード
先端クリアランスの影響は、この発明が対象とする高反
動ガスタービン用途でもっとも顕著である。クリアラン
ス隙間を狭く保てれば、それだけタービンの性能は向上
する。ブレード先端クリアランスはシュラウドの半径方
向位置により規定されるので、シュラウドの半径方向位
置をできるだけよく制御するために、シュラウドおよび
シュラウドサポートの設計に多大の努力が払われている
。
【０００４】シュラウドとブレードとの間の最小クリア
ランス、すなわちピンチ点は通常、過渡運転中に起こる
ので、定常状態運転条件でブレード先端クリアランスを
許容範囲内に維持するためには、シュラウドサポートの
過渡応答を制御することが臨界的に重要である。理想的
には、最小の定常状態クリアランスを達成し、エンジン
性能を改良するために、ステータ応答がロータ過渡応答
に合致しなければならない。
【０００５】良好なエンジン性能を達成するために、シ
ュラウドおよびシュラウドサポートをできるだけ丸く保
つことも必要である。シュラウドサポートおよびシュラ
ウドを変形する傾向のある、不均一な機械的および／ま
たは熱的半径方向荷重が原因で、ブレード先端がシュラ
ウドを局部的にこすることがある。これにより、シュラ
ウドが不均一に摩耗し、またそれに関連してブレード先
端が減り、その結果エンジン性能が劣化する。
【０００６】図１に示すシュラウドサポートの設計は、
周知の慣例の設計の代表的なものである。エンジンケー
ス１４に形成したクリアランス制御または支持リング１
０，１２は、冷却空気回路から冷却空気をこれらのクリ
アランス制御リング間に形成されたチャンネルに接線方
向に導くことによって加熱、冷却する。高圧タービンシ
ュラウド１８は低圧タービンシュラウド２０とは別個で
、それから軸線方向に離れている。高圧タービンブレー
ド２２および低圧タービンブレード２４の自由端それぞ
れが、対応するシュラウド１８および２０との間にクリ
アランス隙間２５を画定する。
【０００７】この慣例の設計を試験したところ、円周方
向温度勾配が８０°Ｆを超えることがわかった。この温
度変動は、主として、カウル下環境と、種々の配管器具
類１６のまわりでの冷却空気の漏れとに起因すると考え
られる。このような温度勾配は、ブレード先端こすれの
後、ブレード先端クリアランス隙間２５を０．００８イ
ンチだけ押し広げる。定常状態クリアランスが通常０．
０１５−０．０２０インチの範囲にあるので、この値は
重大なペナルティとなる。
【０００８】あらゆるシュラウドシステムの設計にあた
っての最重要関心事は、冷却空気を効果的に利用し、こ
の空気の寄生的漏れを減少できるかどうかである。現在
の高圧タービン設計では、燃焼器およびノズルの外側サ
ポートバンドのまわりに通した圧縮機吐出し空気を用い
て、高圧タービンを冷却する。シュラウドセグメントの
端部間に薄板金属シムシールを用いて、この空気の排気
ガス流路への漏れを制御するのが代表的である。このよ
うな慣例のシュラウド設計は、シュラウド冷却材の全圧
力がこれらのシールから抜けるのを許す。この漏れを図
１に方向を示す矢印２３で表示する。
【０００９】もっと最近の設計、たとえば図２に示す設
計は、３６０°連続な衝突（インピンジメント）バッフ
ル２６を組み込み、これによりシュラウド端部シール２
１両端間での差圧を小さくしている。このように差圧を
小さくする結果として、冷却材の漏れが減少する。しか
し、３６０°衝突バッフルの設計は、図２ａに線図的に
示したようなセグメント状シュラウドハンガー形状には
適用できない。このことは欠点となり得る。シュラウド
ハンガー１９を円周方向に間隔をあけて配置した一連の
セグメントとして形成して、不均一に加熱された流路シ
ュラウド１８がシュラウドサポート（３６０°連続なサ
ポートリング１２として形成するのが好ましい）の温度
に影響するのを防止するのが望ましいからである。この
ように、セグメント状シュラウドハンガー１９はシュラ
ウドをサポートリング１２から断熱する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって、過渡およ
び定常状態のエンジン運転条件の両方で、回転するター
ビンブレードに対して近接した円周方向に均一なクリア
ランスを維持する、ガスタービンエンジンのセグメント
状シュラウドが求められている。
【００１１】また、円周方向に均一に加熱および冷却さ
れ、したがって円周方向温度勾配を回避でき、また取り
付けたシュラウドをいつでもできるだけ円に近く保つこ
とのできる、ガスタービンエンジンのシュラウドサポー
トが求められている。
【００１２】さらに、シュラウドシール両端間の差圧を
小さくし、それにより冷却空気の寄生的漏れを減少させ
ることにより、冷却空気を効率的に使用するガスタービ
ンエンジンのシュラウドが求められている。
【００１３】この発明の他の目的は、シュラウドサポー
トに沿った、特に３つのシュラウドサポート位置制御リ
ングを形成する環状半径方向フランジに沿った熱伝達係
数を制御し、均一に維持することにある。
【００１４】この発明の別の目的は、シュラウドサポー
トおよびセグメント状シュラウドに隣接した両者間の圧
力を、これらの部材への半径方向荷重が最小になるかな
くなるように、制御することにある。
【００１５】この発明のさらに他の目的は、２つの隣り
合うロータにまたがり、両ロータのブレード先端クリア
ランスの制御を行うシュラウドを提供することにある。 各ロータごとに別々のシュラウドを使用すると、構成部
品および連結部の数が多くなり、連結部を通しての冷却
空気の漏れが増える。
【００１６】この発明のさらに他の目的は、ガスタービ
ンエンジンのセグメント状シュラウドのそのハンガーお
よびシュラウドサポート部材に対する組み立ておよび取
り外しを容易にすることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】この発明は、上述した要
求を満たすために開発されたものであり、したがってそ
の主たる目的は、高圧タービンブレードおよび低圧ター
ビンブレード両方に連続的にまたがるガスタービンエン
ジンのセグメント状シュラウドを提供することにある。
【００１８】簡潔に説明すると、この発明のガスタービ
ンエンジンのセグメント状シュラウドは、前部および後
部シュラウドハンガーで支持され、２つのシュラウドセ
グメントが各ハンガーで支持される。一方、シュラウド
ハンガーは３６０°連続なシュラウドサポートで支持さ
れる。シュラウドサポートはガスタービンエンジンのケ
ーシングに、シュラウドサポートに形成された環状の後
部半径方向装着用フランジを介してボルト止めされてい
る。シュラウドサポートは、シュラウドの半径方向位置
を制御するもので、３つの別個の３６０°連続な半径方
向フランジ、すなわち位置制御リングを介して、タービ
ンブレードとセグメント状シュラウドとの間に狭い半径
方向クリアランスを維持する。３つの別個の３６０°連
続な半径方向フランジのうち１つは後部半径方向装着用
フランジとして機能する。
【００１９】一連の環状冷却空気空所が、シュラウドセ
グメント、エンジンまたは燃焼器ケーシングおよび前部
および後部シュラウドハンガーの間に画定される。これ
らの環状空所を相互連結するポートの寸法は、ある空所
から次の空所にチョーク流れまたはチョークに近い流れ
を与えるようになっている。したがって、冷却空気の流
れの総量が変わっても、空所への冷却空気の流量は一定
に留まり、効果的である。
【００２０】この一定の流量は、シュラウドおよびその
支持部材を円周方向に３６０°均一に冷却し、３つの位
置制御リング上の熱伝達係数を維持し、制御する。他方
、この一定の流れは、シュラウドサポートの制御された
均一な熱膨脹および収縮を保証し、したがってタービン
ブレードおよびシュラウド間のクリアランスの正確な制
御が可能になる。冷却空気を一連の空所を通して案内す
ることにより得られるもう一つの利点は、冷却空気空所
における空気圧力を下流方向に順次低下することにより
、冷却空気の漏れが少なくなることである。
【００２１】各冷却空気空所における圧力を、シュラウ
ドハンガーを介してシュラウドサポートに加えられる荷
重を相殺する所定の値に維持する。このようにして、シ
ュラウドサポートにかかる機械的荷重を最小にすること
ができる。機械的荷重を軽減することにより、シュラウ
ドサポート部材の材料断面を薄くすることができるので
、一層軽量なシュラウドサポート・アセンブリを設計す
ることができる。
【００２２】この発明の上述した目的、特徴および効果
は、明細書中で個々に指摘してあり、また添付の図面に
関連した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００２３】
【実施例】これから、この発明を図３以降の図面を参照
しながら説明してゆく。図３は、この発明によるシュラ
ウドサポート系統の概略レイアウトを線図的に示す。一
体のシュラウドセグメント３０に、前部装着用フック３
２、中央または中間装着用フック３４および後部装着用
フック３６が設けられている。前部装着用フック３２お
よび後部装着用フック３６にはそれぞれ、軸線方向後方
へ延在する自由端３８および４０が形成されている。中
間装着用フック３４には、軸線方向前方へ延在する自由
端４２が形成されている。
【００２４】多数のシュラウドセグメント３０を円周方
向に、周知の態様で配置して、１つの３６０°のセグメ
ント状シュラウドを形成する。多数の前部および後部セ
グメント状シュラウドハンガー５８，６０により、シュ
ラウドセグメント３０をシュラウドサポート４４と相互
連結する。各セグメント状ハンガー５８，６０は、２つ
のシュラウドセグメント３０を円周方向にまたぎ、これ
らを支持する。代表的には、１つの組立体（アセンブリ
）に３２個のシュラウドセグメント、１６個の前部シュ
ラウドハンガーおよび１６個の後部シュラウドハンガー
を用いる。
【００２５】各セグメント状シュラウドハンガーおよび
それに付随するシュラウド対を、一体の３６０°連続な
環状シュラウドサポート４４で剛固に支持する。各シュ
ラウドセグメント３０の半径方向位置は、シュラウドサ
ポート４４上に設けられた３つの別個の３６０°サポー
トフランジまたは位置制御リング４６，４８，５０によ
り精密に制御される。前部および中間位置制御リング４
６および４８にはそれぞれ、軸線方向前方に突出する装
着用フック５２および５４が形成され、後部位置制御リ
ング５０には、軸線方向後方に突出する装着用フック５
６が形成されている。分かりやすいようにこのアセンブ
リの分解図を図４ｃに示す。各シュラウドセグメント３
０に設けられた軸線方向補強用リブ３１も示されている
。
【００２６】シュラウドサポート４４により各シュラウ
ドセグメント３０に与えられる半径方向支持および半径
方向位置制御を最大にするために、シュラウドサポート
４４上の各装着用フック５２，５４，５６は対応する位
置制御リング４６，４８，５０と直接軸線方向アライメ
ント関係にある（すなわち、同一半径方向平面内に並ん
でいる）。このアライメント関係により、シュラウドサ
ポート・アセンブリ全体の剛固さが増す。
【００２７】シュラウドサポート４４はその後端で燃焼
器ケース９６にボルト止めされている。シュラウドサポ
ート・アセンブリ全体は、その後端からはずれて、後部
位置制御リング５０で片持ち支持されている。それで、
前部および中間位置制御リング４６および４８は、後部
フランジから数インチ離れていることもあって、燃焼器
ケースの半径方向変形の円周方向の不均一なばらつきか
ら十分に断絶されている。
【００２８】セグメント状シュラウドの設計が必要なの
は、高熱の排気ガス流が生成する過酷な環境により加え
られる熱ひずみを吸収するためである。セグメント状シ
ュラウドハンガーは、高温のシュラウド装着用フックと
位置制御リングとの間の伝熱路を効果的に切断する。し
たがって、位置制御リングは、有害なかつ不均一な流路
環境から十分に隔離されている。
【００２９】各前部シュラウドハンガー５８には、軸線
方向前方へ突出する前部係合フランジ６２、軸線方向後
方へ突出する中間係合フランジ６４および半径方向に間
隔をあけて配置された１対の軸線方向後方へ突出する内
側および外側の後部係合フランジ６６，６８が形成され
ている。各後部シュラウドハンガー６０には、半径方向
に間隔をあけて配置された１対の軸線方向前方へ突出す
る内側および外側係合フランジ７０，７２が形成されて
いる。図３および図４から明らかなように、前部および
後部シュラウドハンガー５８および６０は、シュラウド
セグメントおよびシュラウドサポートの装着用フックと
、前部および後部セグメント状シュラウドハンガーの係
合フランジとの間に、トングが溝にはまる円周方向の相
互連結部（さねつぎ）を構成する。
【００３０】ブレード先端クリアランスを精密に制御し
、均一に維持するために、シュラウドサポート４４およ
びシュラウドセグメント３０の熱膨脹および収縮を精密
にかつ均等に制御しなければならない。シュラウドサポ
ートの温度応答に影響する主要なパラメータは、位置制
御リング４６，４８，５０上での冷却空気の熱伝達係数
（ｈ）である。これらの熱伝達係数に寄与する主な因子
は冷却空気の流量と流速である。この発明は、前部およ
び中間クリアランス制御リング４６および４８間に形成
される固定空所（キャビティ）に円周方向に向かううず
（スワール）流れを確立することにより、これらの熱伝
達係数を円周方向に均一に制御および維持する。
【００３１】主な空気流冷却路を図４に示す。シュラウ
ド冷却空気は、最初前部シュラウドハンガー５８に形成
された穴を通過し、次に前部および中間位置制御リング
４６および４８間を通過した後、後部位置制御リング５
０に達する。さらに詳しく述べると、冷却空気７４はポ
ート７６を通って環状空所（キャビティ）Ａに入る。こ
の空気の一部は、ポート７８を通って半径方向内方へ導
かれ、セグメント状衝突バッフル８０を通り、シュラウ
ドセグメント３０の高圧部分８３に達する。この空気の
別の部分は、半径方向外方へポート８２を通って空所（
キャビティ）Ｂへ導かれる。
【００３２】ポート８２の両側に大きな圧力比を確立し
て、チョーク流れまたは近チョーク流れ状態を生成し、
空所Ａから出てゆく空気の流速が本質的に固定される（
音速になる）ようにする。所望のうず巻き冷却空気流を
形成し、また前部および中間位置制御リング４６および
４８上に所望の値の熱伝達係数を達成および制御するた
めには、後述するように、空気を拡散させてその速度を
低下し、つぎに空所Ｂを通って接線方向および円周方向
に導く必要がある。
【００３３】空所Ｂに入った後、前部および中間位置制
御リング４６および４８間で接線方向にうず巻く空気を
、軸線方向に、シュラウドサポート４４の後方部分に向
かって導く。その空気の大部分を、各シュラウドセグメ
ント３０の低圧部分８５に隣接する空所（キャビティ）
Ｃに送る。冷却空気は、シュラウドサポート４４の支持
コーン部分８６に形成した穴８４を通って空所Ｃに入る
。３６０°衝突バッフル８１がタービン・シュラウドサ
ポート４４に取り付けられ、衝突冷却空気を空所Ｃから
シュラウドセグメント３０の低圧部分８５へ案内すると
ともに流量調整する。
【００３４】残りの空気８８は、出口案内ベーンの冷却
に用いられるだけでなく、後部フランジ冷却回路を通過
するので、（後部位置制御リング５０を形成する）後部
フランジを加熱または冷却する作用もなす。図４ａおよ
び図４ｂに、後部フランジ冷却回路の詳細を示す。外側
燃焼器ケーシング９６の後部フランジ９７には、ボルト
穴１０１まで半径方向にスロット９９が設けられている
。同様のスロット１０３がフランジ９７に沿って円周方
向に延びている。これらと同様のスロット加工部９９，
１０３が、関連したタービンフレーム１０７の前部フラ
ンジ１０５にも切削加工されている。
【００３５】空気は最初、燃焼器ケース９６のフランジ
９７の面を登り、またそれに沿って流れる。冷却空気８
８は、位置１０１ａのボルトが締りばめボルトであるた
め、そのまま後部位置制御リング５０を通過するのを阻
止される。位置１０１ｂのすきまばめボルトは、空気が
後部位置制御リング５０を通過するのを許す。この後、
空気８８は同様にフランジ１０５に沿って円周方向に、
その半径方向スロット９９にもどってから、外に出る。 この構成により、後部位置制御リング５０の均一な加熱
を行うことができる。
【００３６】前部および中間位置制御リング４６および
４８間にうず流を生成するのに種々の方法を用いること
ができるが、１つの設計では、ミニノズルをシュラウド
サポート４４に鋳造する。好適な、もっと経済的な、軽
量の設計では、図５および図６に示すように、標準寸法
の管から簡単なスクープ９０を形成する。丸い管を楕円
形に成形し、それから一端９２を締めつける。次に、一
連のスクープ９０を図示のようにシュラウドサポート４
４に、円周方向に間隔をあけた配列として、ろう付けす
る。各スクープ９０の楕円形状を適当に調整して、前部
および中間位置制御リング４６および４８上の熱伝達係
数を所望の値とするのに必要な空気流の速度を得るのに
適切な出口面積とする。
【００３７】ブレード先端クリアランス制御を維持し、
シュラウドの湾曲を回避するためには、３つのシュラウ
ド位置制御リング４６，４８，５０すべてが均一に応答
することが必須である。タービン・シュラウドサポート
４４のもっとも重要な機能は、シュラウドとタービンブ
レード先端との間のクリアランスを最小に維持すること
である。シュラウドサポートの熱応答がブレードを支え
るタービンロータの熱応答と合致していれば、このこと
は、定常状態でも過渡期でも、最善の態様でなし遂げら
れる。サポートの熱応答は、その質量およびその境界で
の熱伝達係数によって支配される。前部および中間位置
制御リング４６および４８上に所望のレベルの熱伝達係
数を確立するためには、シュラウドサポート４４の過渡
温度応答を、高圧タービンブレード２２を支持する高圧
ブレードディスクの熱成長と合致するように決定し、設
計する。
【００３８】同様に、後部位置制御リング５０上に所望
の熱伝達係数を達成するには、冷却回路の幾何形状およ
び圧力比を、前部および中間位置制御リング４６および
４８と等しく連動して応答するように設定する。このこ
とは、３つの位置制御リングの（熱）質量および剛性（
スチッフネス）をマッチングすることにより、部分的に
達成される。このようにして、３つの位置制御リングす
べての過渡温度応答を、シュラウドセグメントと高圧お
よび低圧タービンブレード２２および２４との間のクリ
アランスが最適となるように、制御する。
【００３９】前部および中間位置制御リングは同じ熱伝
達係数に制限される。後部位置制御リングの熱伝達係数
は、前部および中間位置制御リングのそれと同じではな
い。熱応答は、リングの質量と境界熱伝達係数の関数で
ある。後部位置制御リングの質量は、前部および中間位
置制御リングの質量より大きいので、熱伝達係数は異な
っている。３つのリングの質量および熱伝達係数は、シ
ュラウドの曲げを阻止するため、半径方向膨脹および収
縮が等しくなるように、確定する。
【００４０】図４にさらに示すように、シュラウドサポ
ート４４と燃焼器ケース９６との間にＥシール９４を設
けて、空所Ｂ内の圧力を所望の値に制御する。空所Ｂ内
の圧力を空所Ａ内の圧力より著しく低く設定し、こうし
てシュラウドサポート４４に有意な半径方向外向きの荷
重を加える。しかし、前部および後部ハンガーの荷重の
せいで、各位置制御リング装着用フック５２，５４，５
６には半径方向内向きの荷重もかかっている。シュラウ
ドサポート４４の両側での機械的荷重を正味ゼロとする
ために、圧力荷重をハンガー荷重を打ち消すように設定
する。このようにすれば、位置制御リングの熱応答によ
り位置制御リングの応答を厳密に制御することができる
。３つの位置制御リングの機械的荷重が、スロットルの
再バースト時に起こる臨界的な最小クリアランス状態を
含む、すべての状態でバランスされているからである。
【００４１】したがって、熱応力が存在するだけであり
、シュラウドサポート４４の両側に加えられる半径方向
荷重を釣り合わせる結果として重量を最小にすることが
できるので、シュラウドサポート４４の応力は著しく軽
減される。前部および中間位置制御リング４６および４
８より下流では、環状空所Ｂの減少した圧力から、シュ
ラウドサポート４４の後方部分で別の利点が得られる。 この低い圧力は、支持コーン部分８６の両側での差圧を
小さくするのに有効であり、これにより、そうでなけれ
ば大きな曲げ応力や望ましくない機械的なたわみが起き
る恐れのある、重要箇所での応力を限定する。
【００４２】空所Ａから空所Ｂへそして空所Ｃへと空所
圧力を段階的に順次減少させる結果として、シュラウド
サポート構造の両側に大きな圧力比が得られる。このよ
うな大きな圧力比の結果として、冷却空気ポート８２，
８４の両側にチョーク流れまたは近チョーク流れ状態が
生まれ、こうして、たとえ空所圧力がシールの劣化によ
りいくらか変動したとしても、よく空気流を制御できる
。このうまく維持された冷却空気流システムでは、位置
制御リングの加熱および冷却時の熱伝達係数が安定なま
まであるので、ブレード先端クリアランスを適切に制御
できる。その上、この設計により、シュラウドセグメン
ト３０に作用する冷却空気７４も適切に制御できる。
【００４３】シュラウドサポート・システムの組立工程
の概略を図７−図１０で説明する。これらの図面中、方
向を示す矢印９８は部品間の相対的な移動方向を指して
いる。この組立工程によれば、組立が簡単で、性能が向
上する。まず、図７に示すように、２つのシュラウドセ
グメント３０を１つの前部ハンガー５８に接線方向に組
み込む。次に、図８および図９に示すように、２つのシ
ュラウドセグメント３０と共に前部ハンガー５８を、３
６０°シュラウドサポート４４に軸線方向に組み込む。 図８および図９で、シュラウドサポート４４を後ろ向き
に軸線方向へ組立移動した後、半径方向外方へ移動する
。最後に、図１０に示すように、後部ハンガー６０を軸
線方向に組み立てて、シュラウド後部装着用フック３６
に、また後部装着用フック５６を介してシュラウドサポ
ート４４に係合させる。
【００４４】経験によれば、シュラウドセグメントは、
エンジン運転中に遭遇する熱勾配による永久的な円形ゆ
がみを受ける。このゆがみのため、平常運転中に狭いク
リアランスを維持しなければならない時には、シュラウ
ドセグメント３０をそのシュラウドサポート４４に対し
て円周方向に滑らせることが、困難もしくは不可能にさ
えなる。分解時にこのかみつきを防止するために、この
発明によれば取り外し手段を組み込む。
【００４５】取り外し手段は、図１１に点Ｘに示すよう
にシュラウド前部装着用フック３８の外周に切削加工し
た半径方向レリーフ１００または半径方向へこみを含む
。組立順序を逆にすることにより、前部ハンガー５８を
それに取り付けた２つのシュラウドセグメント３０と共
に、シュラウドサポート４４から軸線方向に引き抜く作
業を完了した後、レリーフ１００は、矢印１０２で示す
ように、シュラウド中間装着用フック３４を半径方向外
方へ移動するのを許容する。このようにシュラウドセグ
メント３０を回転すれば、たとえゆがんだ状態であって
も、シュラウドセグメントを接線方向および円周方向に
自由に移動でき、したがって分解が容易になる。
【００４６】前部セグメント状ハンガー５８のシュラウ
ドサポート４４への組立は簡単明瞭であり、２つのハン
ガーフランジ、すなわち前部フランジ６４および中間フ
ランジ６８をシュラウドサポート４４に係合させるだけ
である。したがって、各シュラウドセグメント３０は３
つの装着用フックを有するが、２つのフック、すなわち
前部および中間ハンガーフランジ（フック）のみをシュ
ラウドサポートに係合させる必要があるだけで、こうし
て簡単なかつ維持可能なアセンブリが得られる。これは
、エンジン運転中に前部ハンガーに生じるゆがみははる
かに小さいからである。すなわち、シュラウドセグメン
トは流路と装着用フックとの間で４００−５００°Ｆの
温度勾配を経験する。シュラウドセグメントは拘束され
ているので、熱応力は材料の降伏強度（耐力）を超え、
永久ひずみとなる恐れがある。
【００４７】ちなみに、シュラウドハンガーにおける半
径方向温度勾配は代表的には約５０°Ｆで、したがって
シュラウドハンガーはそのようなゆがみを示さない。こ
の点は、図１２に示す別の設計例に対する大きな改良点
である。図１２の設計では、３つの装着用フック１０４
，１０６，１０８を同時にシュラウドサポート１１０に
係合する必要があり、したがってゆるい公差を必要とし
、その結果ブレード先端クリアランス制御および冷却空
気の漏洩を犠牲にしなければならない。
【００４８】再び図４そして図１１，１１ａ，１１ｂお
よび１１ｃを参照すると、シュラウド中間装着用フック
３４にはその外面１１２にディンプル１１１を設けて、
実際にはいかなる溝にも係合することなく、シュラウド
サポート４４の中間装着用フック５４の内面１１４に対
する極めてきつい締りばめを保証する。ディンプル１１
１は、シュラウドセグメント３０をシュラウドサポート
４４に局部的にのみ接触させるので、シュラウド中間装
着用フックの温度は、シュラウドサポートの中間位置制
御リング４８の温度に、たとえあったとしても、ごく僅
かな影響しかもたない。図１１ｂからわかるように、中
間装着用フック３４の寸法Ａは約０．０９５インチ、寸
法Ｂは約０．０９０インチとすればよい。
【００４９】前部ハンガー５８の後端はＣクリップとほ
とんど同じ作用をなし、シュラウドセグメント３０およ
びシュラウドサポート４４をシュラウド中間装着用フッ
ク３４の位置で緊密に結合し、半径方向に相互に締結し
た状態に保つ。Ｃクリップは、図１に示したタイプの現
在の技術水準のシュラウド設計において、シュラウドを
半径方向に所定の位置に固定する目的で、用いられてい
る。図１ではＣクリップが位置Ｘに示してある。Ｃクリ
ップは、円周方向長さが個々のシュラウドと等しいセグ
メントである。Ｃクリップは通常圧力ばめにて装着して
、シュラウドのサポートへの緊密な保持を確実にする。 これにより、作動クリアランスを増加する原因となる、
サポートに対するシュラウドの半径方向移動を阻止する
。この発明においては、前部ハンガー５８の後端が、シ
ュラウド３０をサポートフック５４にクランプし、した
がってＣクリップと同様に機能する。
【００５０】図１３に示すように、高圧タービンノズル
の後端１１６は、シュラウドセグメント３０のすぐ上流
に位置し、その軸線方向圧力荷重をセグメント状シュラ
ウドに作用させるように設計されている。荷重Ｆは、前
部ハンガー５８に直接伝達され、そして図１３にさらに
示すように、シュラウドサポート４４を介して燃焼器ケ
ース９６に作用する。この構成により、他のエンジンで
は現在必要とされているようなノズル外側サポートが必
要なくなる。
【００５１】同じく重要なこととして、高圧ノズルから
のこの大きな軸線方向荷重は、点Ｙでシュラウドセグメ
ント３０を前部ハンガー５８に対してシールし、また点
Ｚで前部ハンガー５８をシュラウドサポート４４に対し
てシールするのに、使用される。この設計は、これらの
部品を軸線方向に積極的に拘束する一方、空所Ａ、Ｂお
よびＣの異なる圧力を効果的にシールし、分離する優れ
た面シールも提供し、そして臨界的な漏洩通路を塞ぐ作
用をなす。
【００５２】図１と図４を比較すると、シュラウドの前
部装着用フック３２および中間装着用フック３４を適切
に配置することで、慣例の高圧タービンシュラウド１８
の前端および後端に形成される典型的なオーバーハング
１１８（図１）がなくなることがわかる。前部ハンガー
５８の上に衝突バッフル８０を配設することにより、各
シュラウドセグメント３０の裏側全体を衝突（インピン
ジメント）冷却でき、特に最高の温度と曲げ応力が発現
する前部装着用フックの角および中間装着用フックの位
置でそれが可能である。この発明は、従来の設計で必要
とされたようなシュラウドに衝突バッフルをろう付けす
る必要をなくす。
【００５３】一般に、３６０°連続な衝突バッフルを用
いて、前述したようなシムシールの両側での冷却空気の
寄生的漏洩を少なくするのが望ましいと考えられる。し
かし、セグメント状シュラウドハンガーを使用すると、
シムシールの追加使用が必要であり、さらに漏れを増や
す結果となる恐れがある。具体的には、図１４に示すよ
うに、前部ハンガーのスプラインシール１２０が隣接す
る前部ハンガー間のシールとなり、また前部および中間
装着用フックシール１２２および１２４が隣接するシュ
ラウドセグメント３０間のシールとなる。しかし、これ
らのシールの両側での圧力比が極めて小さいので、漏れ
は流れ全体の５％以下となる。この値は、衝突空気の効
率よい利用により実現される冷却空気の節約や上述した
その他のシーリングによる効果と比べて、無視できる。
【００５４】前部ハンガーセグメント間のシムまたはス
プラインシール１２０は、前部および中間シュラウドフ
ック両方でのシムシール１２２および１２４を保持する
役目も果たす（図１４参照）。これは、組立工程を簡単
にする上で重要な特徴であり、維持可能という明確な利
点をもたらす。
【００５５】以上から理解できるように、この発明によ
れば、円周方向にうず巻く空気流を用いて、シュラウド
サポートの過渡温度応答を均一に制御することにより、
ブレード先端クリアランスの制御が持続され、かつブレ
ード先端クリアランスが改良される。位置制御リング間
のうず流は、位置制御リングの温度が円周方向に不均一
となる可能性をなくすのに有効である。
【００５６】前部および中間位置制御リングは、高圧ブ
レード先端クリアランスを確立する上で必須であり、こ
れらのリングは、燃焼器ケース９６の外側で起こるあら
ゆる空気流および温度の作用から隔絶されている。これ
らの位置制御リングは両方とも、うず流がそれぞれに同
等に作用するので、均一に応答する。ブレード先端クリ
アランスを制御するのに３つの位置制御リングを用いた
が、前部および中間位置制御リングは同じ空気および温
度ソースで制御されるので、熱応答を合致させる上では
、２つの熱伝達係数レベルが臨界的なだけである。
【００５７】接線方向空気スクープ９０は、冷却空気の
半径方向流れを効率よくそらせ旋回させ、それを接線方
向に向かわせる。空気スクープ９０の設計は、前述した
ような予め設定された値の熱伝達係数を確立するのに必
要な所望の空気流速を生じるように、空気スクープ管の
出口流れ面積を調節することにより、簡単に調整できる
。空気スクープを作製するのに円管を使用すれば、管の
円周は一定のままであるので、必要な出口面積に対する
制御と許容誤差が良好なものとなる。空気スクープを作
製するのに標準的な円管を使用することは、極めて経済
的でもある。
【００５８】それぞれ一体のシュラウドセグメント３０
は、高圧および低圧タービンブレード列両方をまたぐよ
うに設計されている。上述したように、シュラウドセグ
メント装着用フックが互いに向かい合っているので、衝
突空気を用いて各セグメントの裏側全体を冷却すること
ができる。さらに、接線方向に装填した、すなわち接線
方向に組み立てたシュラウドの設計では、従来の設計で
の前部オーバーハングがなくなる。前部シュラウドフッ
クのレリーフまたはへこみにより、このような接線方向
組立が可能になる。
【００５９】シュラウドセグメントが作動温度にあると
き、それらのガス流路側は装着用フックより熱くなる。 その結果、シュラウドセグメントはまっすぐになろうと
する、すなわち湾曲セグメントとなるよりはむしろ平ら
になろうとする。シュラウドサポートはこの伸長作用に
抵抗し、そのため、シュラウドセグメントの端部および
中心部に大きな接触力が生じる。シュラウドセグメント
はその軸線方向にも、シュラウドサポートに対して熱膨
脹するので、シュラウドセグメントはシュラウドサポー
トから離れようとする。接触力が摩擦によりシュラウド
セグメントを係止しようとし、そして熱膨脹によりシュ
ラウドセグメントが動くか離れる。このことは熱的ラチ
ェット作用として知られている。
【００６０】セグメント状シュラウドハンガーを介して
シュラウドセグメントを取り付けることにより、伸長に
抵抗する接触力が大幅に減少する。すなわち、湾曲した
シュラウドハンガーのエッジを反らすのに必要な力は、
３６０°のリングを同じ量だけ局部的に反らせるのに必
要な力より著しく小さい。摩擦、すなわち係止力が減少
するので、熱的ラチェット作用の起こる傾向も減少する
。
【００６１】シュラウド中間装着用フックは、前部およ
び後部シュラウド装着用フックと違って、前に向いてい
るので、シュラウドは、たとえば従来の設計で経験され
るような熱的ラチェット作用により、前部ハンガーも移
動することなく、前に動くことができない。装着用フッ
クのいずれも、セグメント状溝より著しく頑丈な３６０
°の溝に係合していないので、このことが起こる可能性
は非常に小さくなる。さらに、シュラウド中間装着用フ
ックでのＣクリップ型の係合は、所望通りに、シュラウ
ドを後方に押す傾向がある。
【００６２】しかし、シュラウドセグメントおよび前部
ハンガーが前方へ動くようなことがあると、前部シュラ
ウドハンガーに設けられた軸線方向ストッパ１２４（図
１３参照）がその軸線方向前方への移動を制限する。Ｅ
シール１２６を用いて、シュラウド中間装着用フックで
の漏れを最小にする。この位置でシュラウドとシュラウ
ドサポートとを緊密に結合する結果、半径方向の相対移
動は実質的にゼロとなり、したがってこれはＥシールに
とって理想的な設計である。もしもシュラウド中間装着
用フックの向きを逆にしたら、Ｅシールを収容するのに
フックをずっと長くしなければならなくなる。したがっ
て、ここに開示した設計により漏れと重量の両方が最小
になる。
【００６３】シュラウド中間装着用フックが前に向いて
いるので、高圧および低圧円筒形流路間のシュラウドの
移行部分は、ボアスコープのボスを設けるのに一層適切
である。従来の設計では、ボアスコープのボスの配設が
過度に複雑であるので、このことは、シュラウド中間装
着用フックを前向きにする重要な理由である。
【００６４】シュラウド圧力荷重を相殺するために、シ
ュラウドサポートには大きな圧力降下が課せられる。し
たがって、位置制御リングの半径方向の反りはそれらの
温度応答により影響されるだけである。もっと大きな圧
力降下でも受け入れられる場合には、位置制御リングは
、全体のクリアランスを改良（減少）する正味の外向き
の反りを呈するように設計することができる。半径方向
にバランスされた機械的荷重は、シュラウドサポートの
応力を小さくし、軽量なシステムを実現する。
【００６５】前部および中間位置制御リングは、タービ
ン効率に最大の影響を与える高圧ブレード先端クリアラ
ンスの制御を最大にするために、高圧シュラウド部分８
３の真上に配置する。シュラウドサポートの両側での圧
力比が高いので、近チョーク流れ状態が生じ、これによ
り冷却流れレベルの良好な制御が可能になる。
【００６６】以上、現在考えられるこの発明の最良の態
様を説明した。しかし、この発明の要旨を逸脱しない範
囲内で、種々の変更や変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のガスタービンエンジンのシュラウドシス
テムの部分的軸線方向断面図である。
【図２】従来のガスタービンエンジンのシュラウドシス
テムの部分的軸線方向断面図である。そして図２ａは、
慣例のセグメント状シュラウドハンガーの設計を示す略
図である。
【図３】この発明のシュラウドシステムを簡略化して示
す略図で、セグメント状シュラウド、セグメント状シュ
ラウドハンガー、シュラウドサポートおよびシュラウド
サポート位置制御リングの相対的位置と相互連結部を示
す。
【図４】この発明のガスタービンエンジンのシュラウド
システムの部分的軸線方向断面図である。図４ａは、図
４の後部位置制御リング付近の冷却空気回路を示す部分
的軸線方向断面図である。図４ｂは、図４ａのＡ−Ａ線
方向に見た冷却空気通路の横断面図である。そして図４
ｃは、図４のシュラウドサポート・システムの分解斜視
図である。
【図５】図３のシュラウドシステムの一部の軸線方向断
面図で、スワール管の位置を示す。
【図６】図５のＡ−Ａ線方向に見た円周方向断面図であ
る。
【図７】シュラウドを前部シュラウドハンガーに接線方
向に組み立てる工程を示す部分的斜視図である。
【図８】シュラウドおよび前部シュラウドハンガーをシ
ュラウドサポートに装着する組立順序を示す軸線方向断
面図である。
【図９】シュラウドおよび前部シュラウドハンガーをシ
ュラウドサポートに装着する組立順序を示す軸線方向断
面図である。
【図１０】シュラウドおよび前部シュラウドハンガーを
シュラウドサポートに装着する組立順序を示す軸線方向
断面図である。
【図１１】シュラウドサポートからのシュラウドの取り
外しを説明する部分的軸線方向断面図である。図１１ａ
は、シュラウドセグメントの端面図である。図１１ｂは
、図１１ａに円で囲んだ中間装着用フックの拡大図であ
る。そして図１１ｃは、ディンプル付きシュラウドセグ
メントを示す図１１ａのＧ−Ｇ線方向に見た断面図であ
る。
【図１２】ガスタービンエンジンのシュラウドの別の実
施態様を示す部分的軸線方向断面図である。
【図１３】図３に示したシュラウドの部分的軸線方向断
面図で、エンジン燃焼器ケーシング内でのシュラウドの
軸線方向保持を説明する。
【図１４】図４に示したシュラウドの前方部分の部分的
軸線方向断面図で、シュラウドシールの位置を示す。
【符号の説明】
３０　　シュラウドセグメント ３２，３４，３６　　装着用フック ３８，４０　　自由端 ４２　　装着用フック ４４　　シュラウドサポート ４６，４８，５０　　位置制御リング ５２，５４，５６　　装着用フック ５８，６０　　シュラウドハンガー ６２，６４，６６，６８，７０，７２　　係合フランジ
７４　　冷却空気 ７６，７８，８２，８４　　ポート ８０，８１　　衝突バッフル ８３　　シュラウドセグメントの高圧部分８５　　シュ
ラウドセグメントの低圧部分８６　　サポートコーン部
分 ９０　　空気スクープ ９６　　燃焼器ケーシング Ａ，Ｂ，Ｃ　　空所

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　複数の高圧タービンブレードと複数の
    低圧タービンブレードとを有するガスタービンエンジン
    に用いるセグメント状シュラウドアセンブリにおいて、
    シュラウドアセンブリは、複数のシュラウドセグメント
    を円周方向に配列してセグメント状シュラウドを形成し
    て構成され、上記シュラウドセグメントをガスタービン
    エンジン内に上記高圧タービンブレードおよび低圧ター
    ビンブレード両方に軸線方向にまたがるように配置した
    シュラウドアセンブリ。
  2. 【請求項２】　　さらに、上記セグメント状シュラウド
    を上記タービンエンジンに連結する一体の環状シュラウ
    ドサポートを含む請求項１に記載のシュラウドアセンブ
    リ。
  3. 【請求項３】　　さらに、上記シュラウドセグメントを
    上記シュラウドサポートに連結する複数のセグメント状
    シュラウドハンガーを含む請求項２に記載のシュラウド
    アセンブリ。
  4. 【請求項４】　　上記環状シュラウドサポートが、前部
    位置制御リングと、中間位置制御リングと、後部位置制
    御リングとを含む請求項３に記載のシュラウドアセンブ
    リ。
  5. 【請求項５】　　上記複数のセグメント状シュラウドハ
    ンガーが、上記シュラウドサポートを上記前部位置制御
    リングおよび中間位置制御リングと半径方向平面内でア
    ライメント関係に係合する、複数の前部シュラウドハン
    ガーを含む請求項４に記載のシュラウドアセンブリ。
  6. 【請求項６】　　上記複数のセグメント状シュラウドハ
    ンガーが、上記シュラウドサポートを上記後部位置制御
    リングと半径方向平面内でアライメント関係に係合する
    、複数の後部シュラウドハンガーを含む請求項５に記載
    のシュラウドアセンブリ。
  7. 【請求項７】　　ガスタービンエンジンのセグメント状
    シュラウドに用いる一体のシュラウドセグメントであっ
    て、このシュラウドセグメントをガスタービンエンジン
    に装着するための、前部装着用部材と、中間装着用部材
    と、後部装着用部材とを有するシュラウドセグメント。
  8. 【請求項８】　　さらに、互いに一体に形成された高圧
    シュラウド部分および低圧シュラウド部分を含む請求項
    ７に記載のシュラウドセグメント。
  9. 【請求項９】　　上記中間装着用部材が軸線方向前方に
    突出する自由端部分を有する請求項７に記載のシュラウ
    ドセグメント。
  10. 【請求項１０】　　上記前部装着用部材が軸線方向後方
    に突出する自由端部分を有し、上記後部装着用部材が軸
    線方向後方に突出する自由端部分を有する請求項９に記
    載のシュラウドセグメント。
  11. 【請求項１１】　　上記前部装着用部材に、上記ガスタ
    ービンエンジンからの上記シュラウドセグメントの取り
    外しを容易にするための半径方向へこみを設けた請求項
    ７に記載のシュラウドセグメント。
  12. 【請求項１２】　　セグメント状タービンシュラウドと
    、上記セグメント状タービンシュラウドをガスタービン
    エンジン内に半径方向に位置決めするシュラウドサポー
    トと、上記セグメント状タービンシュラウドおよび上記
    シュラウドサポートを相互連結する複数のセグメント状
    前部ハンガー部材と、上記セグメント状タービンシュラ
    ウドおよび上記シュラウドサポートを相互連結する複数
    のセグメント状後部ハンガー部材とを備え、上記前部ハ
    ンガー部材と上記シュラウドサポートとの間に第１冷却
    空気空所を形成し、上記シュラウドサポートと上記セグ
    メント状タービンシュラウドと上記後部ハンガー部材と
    の間に第２冷却空気空所を形成した、ガスタービンエン
    ジン用シュラウドアセンブリ。
  13. 【請求項１３】　　上記第１空所内の冷却空気圧力を第
    １の所定の値に保ち、上記第２空所内の冷却空気圧力を
    第１の所定の値より低い第２の所定の値に保つ請求項１
    ２に記載のシュラウドアセンブリ。
  14. 【請求項１４】　　上記第１および第２空所内の冷却空
    気圧力それぞれを、上記シュラウドアセンブリに加えら
    れる機械的荷重を相殺するレベルに維持する請求項１３
    に記載のシュラウドアセンブリ。
  15. 【請求項１５】　　上記シュラウドサポートが第１位置
    制御リングと第２位置制御リングとを含み、これらの第
    １および第２位置制御リングが上記第１および第２空所
    の外側に配置されている請求項１２に記載のシュラウド
    アセンブリ。
  16. 【請求項１６】　　さらに、上記シュラウドサポートを
    包囲する燃焼器ケースを含み、この燃焼器ケースと上記
    シュラウドサポートとの間に第３冷却空気空所を形成し
    た請求項１２に記載のシュラウドアセンブリ。
  17. 【請求項１７】　　さらに、上記シュラウドサポートを
    包囲する燃焼器ケースを含み、この燃焼器ケースと上記
    シュラウドサポートとの間に第３冷却空気空所を形成し
    た請求項１３に記載のシュラウドアセンブリ。
  18. 【請求項１８】　　上記第３空所内の冷却空気圧力を上
    記第１および第２の所定の値の中間の第３の所定の値に
    保つ請求項１７に記載のシュラウドアセンブリ。
  19. 【請求項１９】　　上記第３空所は上記第１空所から冷
    却空気を受け取り、上記第２空所に冷却空気を送り出す
    請求項１６に記載のシュラウドアセンブリ。
JP3023685A 1990-05-31 1991-01-25 タービンシュラウドのクリアランス制御アセンブリ Pending JPH04330302A (ja)

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