JP2006504023A - タービンまたはコンプレッサのシートメタル製静止シュラウド - Google Patents

Abstract

中心軸を中心に回転するブレード（２）列を通り過ぎた軸方向の気体流を案内するための静止シュラウド（１）は、シートメタルで形成さている。このシートメタルは、連続的なシュラウド胴体部を形成するように屈曲している。シュラウド胴体部は、実質的に均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を有し、上流フランジ（３）が始点となり、先端隙間部（４）に亘り、下流フランジ（５）で終端となる。

Description

本発明は、実質的に均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を有する連続的なシュラウド胴体部を形成するように屈曲したメタルシート製のガスタービンエンジン用静止シュラウドに関する。

ガスタービンエンジンにおいては、ロータ速度の運転範囲および温度変化に亘って、コンプレッサブレードまたはタービンブレードの先端部とシュラウド内面との間に最適な隙間を維持するために、精密に加工されたシュラウドリングが、従来から必要とされている。ギャップが大き過ぎると、コンプレッサまたはタービンの効率が低下し、一方、ギャップが小さ過ぎると、ブレード先端部とシュラウドリングの内面が過度に接触するため、正確なブレードの先端部分の隙間が必要となる。

シュラウドリングの正確な製作公差の必要性は、熱膨張および熱収縮に適応させる必要があることにより複雑である。従来のシュラウドは、鍛造または鋳造のセグメントから加工されている場合が多く、例えばタービン部で猛烈な熱にさらされると、周方向に膨張する。コンプレッサ部からの冷却空気は、シュラウドセグメントにインピンジメント冷却を提供することにより膨張抑制を助ける。シュラウドを冷却することにより、部品の寿命および運転上の安全マージンが増加する。温度が高いと、部品の応力および材料の酸化が増す。シュラウドセグメント間の漏れを妨げるため、通常フェザーシールが設けられる。

従来のシュラウド製造の重大な欠点は、原価高な材料および付随する労力にある。高温およびシュラウドの重要な性質のため、非常に高価な耐熱合金の鍛造品を用いてシュラウドセグメントを製造する必要があると考えられている。シュラウドセグメントは、従来、厚い鍛造リングからなる材料の大部分を機械加工することにより製造されている。鍛造リングを製造するのに用いられる材料のうち、約７０％は、機械加工作業中に削り取られ、くずの金属チップとなってしまう。使用される耐熱合金もまた、機械加工性が非常に低い。このような複雑な形態により、特殊な工作機械の使用、あら研削加工および仕上げ加工、ならびにブレード先端部に隣接する内面の研磨が必要となる。

従来のシュラウドセグメントが機能する環境は、非常に厳しい要求がなされる。故障が大惨事につながる状況で航空機のエンジンは稼動しているため、エンジンの信頼性および予測可能な性能が明確に求められている。高回転速度、高温酸化、膨張と収縮、ならびに振動にさらされるタービンロータおよびタービンシュラウドなどの決定的な構成部品は重要である。そのため、細心な注意を払い精密に機械加工された鍛造部品を必要とする極めて正確な方法で、強度が高い高価な合金を用いて、重要なシュラウドセグメントを加工しなければならないと、設計者は従来指示してきた。

本発明の目的は、多くの部分が機械加工でくず鉄になってしまう耐熱合金の鍛造物から作られるシュラウドリングセグメント製品に代わる低価格の代替物を提供することである。

本発明のさらなる目的は、軸方向に延在するギャップの数を最小限にし、好ましくはギャップをすべて排除するシュラウドリングを製造することである。

本発明の他の目的は、下記の本発明の開示、図面および説明により明らかになるであろう。

本発明は、中心軸を中心に回転するブレード列を通る軸方向の気体流を案内するための静止シュラウドを提供する。この静止シュラウドは、シートメタルで製造されている。シートメタルは屈曲し、実質的に均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を有する連続的なシュラウド胴体部を形成する。シュラウド胴体部は、先端隙間部に亘る上流フランジが始点となり、下流フランジで終端となるように連続している。

したがって、本発明により、設計者は、従来の機械鍛造ではなく、シートメタルあるいは帯状金属片で形成されたシュラウドセグメントを、タービンまたは軸流圧縮機の高圧段周辺の高温環境に適応させることができる。シートメタル製シュラウドを用いることで、鍛造セグメントを同一の精度にするため現在必要とされている大規模な機械加工を必要とせず、先端部分の隙間制御を保つことができる。厚い鍛造リングを機械加工することより製造されるシュラウドセグメントは、特殊な工作機械で従来のシュラウドセグメントの複雑な逆向きの曲線を形成している。大量のくず鉄が生じる大規模な機械加工とは対照的に、このようなセグメントに使用される高価な耐熱合金は、非常に正確な厚さを有するシート状で、より経済的に提供される。インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）６００や６２６、あるいは他のニッケル合金などの耐熱合金は、機械加工性が非常に低く、完成部品を製造するには、あら研削加工、仕上げ加工および研磨などかなりの労力が必要とされる。それに対して、セグメント単位で製造する場合には、シートメタル製部品をプレス加工で成形することができ、ロール成形製造方法では、完全な環状に丸めることができる。

シートメタルのさらなる利点は、鍛造品に比べ、厚さが非常に正確であり、品質管理が向上することにある。シートメタルを冷間圧延することにより、金属の強度を強化または調整することができるとともに、機械加工を必要とせず改良された仕上げ面を提供することができる。

シートメタルの成形されたセグメントは、先端隙間部が過度の厚さを持って製造される場合がある。先端隙間部の内面は、組立治具にセグメントを取りつけて研磨することができ、それにより、ブレード先端部とシートメタル製シュラウドセグメントの内面との間の先端隙間の要求精度が達成される。

図１は、ターボファンガスタービンエンジンの軸方向の断面を図示している。しかし、本発明が、圧縮機およびタービン部を備えるあらゆる形式のエンジン（ターボシャフト型、ターボプロップ型または補助動力装置など）にも同様に適用されることを理解されたい。エンジンへの吸入空気は、ファンケース２に囲まれたファンブレード１を通過する。空気は、バイパスダクト３を通る環状外部流と、低圧軸流圧縮機４および高圧遠心圧縮機５を通る内部流に分かれる。圧縮空気は、ディフューザを通って圧縮機５から流出し、燃焼室８を取り囲むプレナム７内に収容される。燃料は、燃料チューブ９を通り、燃焼室８に供給され、ノズルから燃焼室８に噴射されてプレナム７からの空気と混合され、この混合気が点火される。プレナム７内の圧縮空気の一部は、側壁のオリフィスから燃焼室８に流入し、燃焼室の壁面に亘って冷却空気の幕を作る。あるいは、圧縮空気の一部は、インピンジメント冷却に使われ、最終的に燃焼室からの高温ガスと混合され、ノズルガイドベーン１０およびタービン１１を通り、排気ガスとしてエンジンの最後尾から排出される。

本発明は、軸流圧縮機やタービン部などのガスタービンエンジン内のあらゆるロータのシュラウドに適用できる。

図２は、静止シュラウド１の実施例を示している。この静止シュラウドは、エンジン軸を中心に回転するブレード２の列を通り過ぎた軸方向の気体流を案内するための先端隙間内面を有している。図３、図４および図５で最も良く示されているように、静止シュラウド１は、シートメタルで効果的に形成されている。このシートメタルは屈曲し、実質的に均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を有する連続的なシュラウド胴体部を形成している。

第１の実施例として、シュラウド胴体部は、上流フランジ３を始点とし逆方向に曲がり、先端隙間部４に至り、下流フランジ５で終端となるように連続している。従来鍛造しているようにインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）６００または６２５合金など同様の耐熱合金でシートメタルを製造することができる。しかし、シートメタルを製造することは、非常に安く、シュラウドセグメントあるいは完全なシュラウドリングを成形することは、高強度で低機械加工性の素材を機械加工することと比べ非常に安い。機械加工では、例えば最大７０％までかなりの量の素材が削り取られてしまうため、シートメタルを用いた際の素材の使用率はかなり向上する。

図３を参照すると、各セグメント間の軸方向に延在しているギャップを備えた円周方向のシュラウドセグメント列としてシュラウド１を製造することができる。別法として、突き合わされた端面間に１つのギャップを備える完全なリング状のシュラウド１を、周知のロール成形法でシートメタルから製造することができる。あるいは、完全なリング状にするため溶接、研磨して最終的な寸法に仕上げることも可能である。性能上の要求がある場合には、シールストリップを使用し、隣接するシュラウドセグメント間の全てのギャップをふさぐことも可能である。

図２から図５で示している実施例において、シュラウド１は、先端隙間部４から軸方向後方に延びるフランジ３、５を持つ形状を備える。別の実施例として、図６では、先端隙間部４から前方および後方にそれぞれ延びているフランジ３、５を図示している。

本発明により、従来技術の鍛造または機械加工された部品のように複雑ではなく、簡素で、実質的な均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を備える連続的なシュラウド胴体部が提供される。

図２を参照すると、静止シュラウドアッセンブリは、シュラウド１の半径方向外側に環状ケーシング６を備える。ケーシング６は、上流フランジ３および下流フランジ５をそれぞれ摺動可能に保持する上流スロット７および下流スロット８を備える。シュラウド１は、ある程度軸方向に動くため、ケーシング６とシュラウド１との間のシール９により係合されている。ケーシング６は、圧縮冷却空気の供給源（高圧圧縮機など）と連通している圧縮空気プレナム１０を備える。ケーシング６は、また、シュラウド胴体部１の先端隙間部４に近接して配置されるとともに、半径方向に延在している複数のインピンジメント冷却オリフィス１１を備え、冷却を提供する。例えば、インピンジメント冷却オリフィス１１から供給された冷却用空気は、高温ガス経路に流入し、シュラウドセグメント間の軸方向に延在するギャップへと向かう。図２に示す実施例において、フランジ３、５は、軸方向に延びており、したがって相対的に半径方向の動きが可能である。ケーシング６は、半径方向に延在する軸方向拘束当接部１２を備える。この当接部１２は、隣接した外側高温ガス経路壁１４の半径方向に延在するスロット１３に係合している。

現在発明者が企図しているように特定の好ましい実施形態に関して上記で説明してきたが、本発明は、本明細書に記載された要素と機械的および機能的に同等なものを含むことが理解されよう。

本発明が適用できる軸流圧縮機およびタービン部を示している典型的なガスタービンエンジンの１つの軸方向断面図。 本発明の第１実施例に基づくタービンシュラウドの詳細な軸方向断面図。 図２のシートメタル製静止シュラウドの斜視図。 図３のシュラウドセグメントの半径方向正面図。 図４の５−５の線に沿った断面図。 本発明の第２実施例に基づくシートメタル製シュラウドセグメントの別の形態例を示す断面図。

Claims (7)

1. 中心軸を中心に回転するブレード列を通り過ぎた軸方向の気体流を案内するための静止シュラウドであって、
   実質的に均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を有する連続的なシュラウド胴体部を形成するように屈曲したシートメタルを備え、
   上記の連続的なシュラウド胴体部が、先端隙間部に亘る上流フランジを始点とし、下流フランジで終端となる静止シュラウド。
2. 各隣接のセグメント間で軸方向に延在しているギャップを有するシュラウドセグメントの円周方向の列を備える請求項１に記載の静止シュラウド。
3. 隣接のセグメント間の上記各ギャップを覆っているシールストリップを含む請求項２に記載の静止シュラウド。
4. 上記フランジが、上記先端隙間部から軸方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の静止シュラウド。
5. ガスタービンエンジンの中心軸を中心に回転するブレード列を通り過ぎた軸方向の気体流を案内するための静止シュラウドアッセンブリであって、
   実質的に均一なシートの厚さおよび軸方向に均一な形状を有する連続的なシュラウド胴体部を形成するように屈曲したシートメタルと、
   上記シュラウド胴体部の半径方向外側の環状ケーシングと、
   を備え、
   上記の連続的なシュラウド胴体部が、先端隙間部に亘る上流フランジを始点とし、下流フランジで終端となり、
   上記ケーシングが、上記上流フランジおよび上記下流フランジをそれぞれ摺動可能に保持する上流スロットおよび下流スロットを含むことを特徴とする静止シュラウドアッセンブリ。
6. 上記ケーシングが、圧縮冷却空気の供給源と連通しており、かつ上記シュラウド胴体部の上記先端隙間部に隣接して設置された半径方向に延在するインピンジメント冷却オリフィスを含むことを特徴とする請求項５に記載の静止シュラウドアッセンブリ。
7. 上記フランジが、上記先端隙間部から軸方向に延びており、上記ケーシングが、半径方向に延在している軸方向拘束当接部を含むことを特徴とする請求項５に記載の静止シュラウドアッセンブリ。
   

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