JP4269829B2 - シュラウドセグメント - Google Patents

Description

本発明は、航空機エンジン等のガスタービンエンジンの技術分野に関わり、特に、ガスタービンエンジンにおけるタービンに用いられるタービンシュラウドのシュラウドセグメントに関する。

航空機エンジン等のガスタービンエンジンにおけるタービンにはタービンシュラウドが用いられており、このタービンシュラウドはタービンケース内に配置されかつ燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制するものである。また、エンジン稼働時に前記タービンシュラウドに過度の熱応力が生じないように、通常、記タービンシュラウドは複数のシュラウドセグメントに分割して構成される。

更に、一般的な前記シュラウドセグメントの構成について説明すると、次のようになる。即ち、一般的なシュラウドセグメントは弧状のバックプレートをセグメント本体として具備しており、前記バックプレートの前端側は、前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持されてあって、前記バックプレートの後端側は、前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されている。そして、前記バックプレートの裏面には、タービンブレードの先端部の接触を許容するハニカムセル等のブレード接触部材が一体的に設けられている。

また、前記タービンにあっては、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えることできるように構成されている。即ち、断面コの字状のＣ型クリップを用い、前記バックプレートの後端側の表面（或いは前記バックプレートの後端側の表面に形成されたセグメントフックの外側面）と前記タービンケースにおけるリアケースフックの内側面を接触させた状態の下で、前記Ｃ型クリップにより前記バックプレートの後端側（或いは前記セグメントフック）と前記リアケースフックを挟持している。これにより、前記タービンケースと前記バックプレートとの間の空間の後側を封鎖して、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えることできる。

従って、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えつつ、複数の前記シュラウドセグメントによって（換言すれば前記タービンシュラウドによって）燃焼ガスから前記タービンケースを遮蔽することにより、燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。
特開平１１−６２５０９号公報

しかしながら、エンジン稼働時に前記シュラウドセグメントに大きな熱応力が生じて、前記バックプレートの反りが小さくなると、前記バックプレートの後端側の表面（或いは前記セグメントフックの外側面）と前記リアケースフックの内側面との間のおけるシュラウド径方向の間隙が大きくなって、前記Ｃ型クリップによって前記空間の後側の封鎖が不十分になる。そのため、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用（換言すれば前記タービンシュラウドによる遮蔽作用）を有効に発揮させることができず、前記タービンケースの高温化を十分に抑制することが困難なる。

また、前記シュラウドセグメントの他に、前記Ｃ型クリップを用いて、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えるために、前記ガスタービンエンジンの部品点数が増えて、前記ガスタービンエンジンの構成の複雑化及び前記ガスタービンエンジンの重量増大につながる。

請求項１に記載の発明にあっては、タービンケース内に複数のタービンブレードを囲むように配置されかつ燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制するタービンシュラウドを分割してなるシュラウドセグメントにおいて、
前端側が前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持され、後端側が前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持される弧状のバックプレートと、
前記バックプレートの後端側の表面に形成され、シュラウド径方向に平行な第１溝平面と、この第１溝平面に対向しかつシュラウド径方向に平行な第２溝平面とを有してあって、前記タービンケースにおけるケースフックに緊合可能な弧状のセグメント溝と、
前記バックプレートの裏面に一体的に設けられ、タービンブレードの先端部の接触を許容するブレード接触部材と、を具備してあって、
シュラウド軸方向における前記ケースフックの長さをｖ、前記セグメント溝の長さをｔとした場合に、ｖ＜ｔ≦（ｖ＋０．１mm）なるように前記第１溝平面及び前記第２溝平面が機械加工によって面仕上げされていることを特徴とする。

なお、前記バックプレートの前端側が前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に直接的に保持されても、間接的に保持されても差し支えない。

請求項１に記載の発明特定事項によると、シュラウド軸方向における前記ケースフックの長さをｖ、前記セグメント溝の長さをｔとした場合に、ｖ＜ｔ≦（ｖ＋０．１mm）なるように前記第１溝平面及び前記第２溝平面が機械加工によって面仕上げされているため、エンジン稼働時に前記バックプレートの反りが小さくなっても、前記セグメント溝と前記ケースフックとの間にシュラウド軸方向の間隙がほとんど生じることはなく、前記タービンケースと前記バックプレートとの間の空間の後側を封鎖することができる。また、同じ理由により、前記シュラウドセグメント以外の部品を用いることなく、前記タービンケースと前記バックプレートとの間の空間の後側を封鎖して、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えることができる。

前述の作用の他に、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えつつ、複数の前記シュラウドセグメントによって（換言すれば前記タービンシュラウドによって）燃焼ガスから前記タービンケースを遮蔽することにより、燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制することができる。

請求項２に記載の発明にあっては、請求項１に記載の発明特定事項の他に、前記バックプレートの前端側の表面に形成され、前記タービンケースにおけるケースインサートに嵌挿可能であって、前記タービンケースにおけるケースインサートに対して前記バックプレートの熱変位によりシュラウド軸方向へ移動可能に保持される弧状のセグメントフックと、を具備してなることを特徴とする。

ここで、前記セグメントフックが前記タービンケースにおけるケースインサートに対して前記バックプレートの熱変位によりシュラウド軸方向へ移動可能に保持されることによって、前記バックレートの前端側が前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持されることになる。

請求項２に記載の発明特定事項によると、請求項１に記載の発明特定事項による作用と同様の作用を奏する。

請求項３に記載の発明にあっては、請求項２に記載の発明特定事項の他に、前記バックプレートの前端に前方向へ突出して形成され、前記セグメントフックよりもシュラウド軸心側に位置してあって、前段のタービンノズルにおけるアウターバンドを保持する弧状のセグメントフランジと、具備してなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明特定事項によると、請求項２に記載の発明特定事項による作用の他に、前記セグメントフランジが前方向へ突出してあって、前記セグメントフックよりもシュラウド軸心側に位置してあるため、前記セグメントフランジによって前記セグメントフックと前記ケースインサートの間の間隙から前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えて、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用（換言すれば前記タービンシュラウドによる遮蔽作用）を促進することができる。

請求項４に記載の発明にあっては、請求項３に記載の発明特定事項の他に、シュラウド軸方向における前記セグメントフランジの長さをｓ、前記セグメントフックの長さをｋとした場合に、２ｋ≦ｓ≦２．８ｋになるように構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明特定事項によると、請求項３に記載の発明特定事項による作用の他に、２ｋ≦ｓであるため、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用を促進する一方、ｓ≦２．８ｋであるため、前記セグメントフランジが必要以上にシュラウド軸方向へ長くなることがない。

請求項１に記載の発明によれば、エンジン稼働時に前記バックプレートの反りが小さくなっても、前記セグメント溝と前記ケースフックとの間におけるシュラウド軸方向の間隙がほとんど生じることはなく、前記タービンケースと前記バックプレートとの間の空間の後側を十分に封鎖することができるため、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用を有効に発揮させて、前記タービンケースの高温化を十分かつ安定して抑制することができる。

また、前記シュラウドセグメント以外の部品を用いることなく、前記タービンケースと前記バックプレートとの間の空間の後側を封鎖して、前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えるために、ガスタービンエンジンの部品点数を少なくして、前記ガスタービンエンジンの構成の簡略化及び前記ガスタービンエンジンの軽量化を図ることができる。

請求項２に記載の発明よれば、請求項１に記載の発明の効果と同様の効果を奏する。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果を奏する他に、前記セグメントフランジによって前記セグメントフックと前記ケースインサートの間の間隙から前記タービンケース側への燃焼ガスのリークを抑えて、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用を促進することができるため、前記タービンケースの高温化の抑制が効果的に働き、前記タービンケースの高温化をより十分に抑制することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果を奏する他に、複数の前記シュラウドセグメントによる遮蔽作用を促進させつつ、前記セグメントフランジが必要以上にシュラウド軸方向へ長くなることがないため、前記シュラウドセグメントの軽量化、換言すればガスタービンエンジンの軽量化をより一層促進することができる。

最良の形態に係わる航空機エンジンにおける低圧タービン、及び最良の形態に係わるシュラウドセグメントについて、図１から図５を参照して説明する。

ここで、図１は、図５におけるＩ部の拡大図であって、図２は、図１におけるＩＩ部の拡大図であって、図３は、図１におけるＩＩＩ部の拡大図であって、図４は、最良の形態に係わるシュラウドセグメントの正面図であって、図５は、最良の形態に係わるシュラウドセグメントの平面図であって、図６は、最良の形態に係わる航空エンジンにおける低圧タービンの部分断面図である。

また、「前後」とは、図１，図２，図３，図５，図６において左右，図４において紙面に向かって表裏のことをいう。なお、各図面の向きは特許公報掲載時の状態を基準とし説明する。

図６に示すように、最良の形態に係わる航空エンジンおける低圧タービン１は、低圧タービンケース３を低圧タービン本体として具備している。この低圧タービンケース３は、メインタービンケース５と、メインタービンケース５の後端側に一体的に設けられたリアタービンケース７とからなって、メインタービンケース５の前端側は高圧タービンにおける高圧タービンケース９に連結されている。

メインタービンケース５内には、燃焼ガスを整流する複数段のタービンノズル１１，１３，１５，１７がケース軸方向（前後方向）へ適宜間隔に配置されており、各タービンノズル１１，１３，１５，１７はそれぞれセグメント化されている。また、メインタービンケース５内には、回転可能な複数段のタービンディスク（図示省略）がタービンノズル１１，１３，１５，１７と交互にケース軸方向に適宜間隔に配置されており、各段の前記タービンディスクの外周部には、複数（図５には、各段につき１つのみ図示）のタービンブレード１９，２１，２３，２５がそれぞれ設けられている。ここで、複数段のタービンディスクは一体的に連結されてあって、複数段のタービンディスクは低圧圧縮機の低圧圧縮機ロータ（図示省略）及びファンのファンロータ（図示省略）に一体的に連結されている。更に、メインタービンケース５内には、燃焼ガスの影響による高温化を抑える複数段のタービンシュラウド２７，２９，３１，３３が対応する段の複数のタービンノズル１１，１３，１５，１７を囲むように配置されており、各タービンシュラウド２７，２９，３１，３３はそれぞれセグメント化されている。

従って、燃焼器（図示省略）からの燃焼ガスの膨張によって複数段の前記タービンディスクが一体的に回転することにより、低圧タービン１は駆動力を得ることができると共に、複数段の前記低圧圧縮機ロータ及び前記ファンロータを一体的に回転させて、前記低圧圧縮機及び前記ファンを連動して駆動することができる。

図１及び図４に示すように、最良の形態に係わるシュラウドセグメント３５は、低圧タービン１における２段目のタービンシュラウド２９を分割してなるものであって、弧状のバックプレート３７をセグメント本体として具備している。

バックプレート３７の前端側の表面には、メインタービンケース５におけるケースインサート３９に嵌挿可能な弧状のセグメントフック４１が一体に形成されており、このセグメントフック４１は、自己の熱変位（バックプレート３７の熱変位）によってケースインサート３９に対してシュラウド軸方向（ケース軸方向、前後方向）へ移動可能に保持されるものである。ここで、セグメントフック４１がケースインサート３９に対してシュラウド軸方向へ移動可能に保持されることによって、バックプレート３７の前端側がメインタービンケース５に対してシュラウド軸方向へ移動可能に保持されることになる。

図１及び図３に示すように、バックプレート３７の前端には、前段のタービンノズル１３におけるアウターバンド４３を保持する弧状のセグメントフランジ４５が前方向へ突出して一体に形成されており、このセグメントフランジ４５は、セグメントフック４１よりもシュラウド軸心側（図１及び図３において下側）に位置してある。また、シュラウド軸方向におけるセグメントフランジ４５の長さをｓ、セグメントフック４１の長さをｋとした場合に、２ｋ≦ｓ≦２．８ｋになるように構成されている。

図１及び図５に示すように、セグメントフランジ４５の前端には、回止め切欠４７が形成されており、この回止め切欠４７は、メインタービンケース５に取付られた回止めピン４９に係合可能である。

図１及び図２に示すように、バックプレート３７の後端側の表面には、メインタービンケース５におけるケースフック５１に緊合可能な弧状のセグメント溝５３が形成されており、このセグメント溝５３は、シュラウド径方向（図１及び図２において上下方向）に平行な第１溝平面５３ｆａと、この第１溝平面５３ｆａに対向しかつシュラウド径方向に平行な第２溝平面５３ｆｂと、２つの溝平面（第１溝平面５３ｆａ及び第２溝平面５３ｆｂ）に垂直な溝弧面５３ｆｃとを有している。また、セグメント溝５３の溝弧面５３ｆｃには、ケースフック５１に接触可能な弧状の突起列５５が形成されている。

ここで、シュラウド軸方向におけるケースフック５１の長さをｖ、セグメント溝の長さをｔとした場合に、ｖ＜ｔ≦（ｖ＋０．１mm）なるように第１溝平面５３ｆａ及び第２溝平面５３ｆｂが機械加工によって面仕上げされている。

図１に示すように、バックプレート３７の裏面には、タービンブレード２１のチップフィン（先端部）２１ａの接触を許容するハニカムセル（タービン接触部材の一例）５７が一体的に設けられている。また、ハニカムセル５７の後端側は、後段のタービンノズル１５におけるアウターバンド５９の協働によりケースフック５１に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されるものである。ここで、ハニカムセル５７がケースフック５１に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されることによって、バックプレート３７の後端側がメインタービンケース５に対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持されることになる。

バックプレート３７の両側端面には、それぞれ、スプラインシール板６１の側部を嵌挿可能な一対（図１には、１つのみ図示）のシール溝６３が形成されており、同様に、セグメントフランジ４５の両側端面には、それぞれ、スプラインシール板６１の側部を嵌挿可能な一対（図１には、１つのみ図示）のシール溝６５がシール溝６３に連通して形成されている。ここで、スプラインシール板６１は、隣接する一対のシュラウドセグメント３５の隙間から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えるシールである。

次に、最良の形態の作用について説明する。

シュラウド軸方向におけるケースフック５１の長さをｖ、セグメント溝５３の長さをｔとした場合に、ｖ＜ｔ≦（ｖ＋０．１mm）なるように第１溝平面５３ｆａ及び第２溝平面５３ｆｂが機械加工によって面仕上げされているため、エンジン稼働時にバックプレート３７の反りが小さくなっても、セグメント溝５３とケースフック５１との間にシュラウド軸方向の間隙がほとんど生じることはなく、メインタービンケース５とバックプレート３７との間の空間の後側を封鎖することができる。

また、同じ理由により、シュラウドセグメント３５以外の部品を用いることなく、メインタービンケース５とバックプレート３７との間の空間の後側を封鎖して、低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えることができる。

前述の作用の他に、低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えつつ、複数のシュラウドセグメント３５によって（換言すればタービンシュラウド２９によって）燃焼ガスから低圧タービンケース３を遮蔽することにより、燃焼ガスの影響による低圧タービンケース３の高温化を抑制することができる。

ここで、セグメントフランジ４５が前方向へ突出してあって、セグメントフック４１よりもシュラウド軸心側に位置してあるため、セグメントフランジ４５によってセグメントフック４１とケースインサート３９の間の間隙から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えて、複数のシュラウドセグメント３５による遮蔽作用（換言すればタービンシュラウド２９による遮蔽作用）を促進することができる。特に、２ｋ≦ｓであるため、複数のシュラウドセグメント３５による遮蔽作用を促進する一方、ｓ≦２．８ｋであるため、セグメントフランジ４５が必要以上にシュラウド軸方向へ長くなることがない。

以上の如き、最良の形態によれば、エンジン稼働時にバックプレート３７の反りが小さくなっても、セグメント溝５３とケースフック５１との間におけるシュラウド軸方向の間隙がほとんど生じることはなく、メインタービンケース５とバックプレート３７との間の空間の後側を十分に封鎖することができるため、複数のシュラウドセグメント３５による遮蔽作用を有効に発揮させて、低圧タービンケース３の高温化を十分かつ安定して抑制することができる。特に、セグメントフランジ４５によってセグメントフック４１とケースインサート３９の間の間隙から低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えて、複数のシュラウドセグメント３５による遮蔽作用を促進することができるため、低圧タービンケース３の高温化の抑制が効果的に働き、低圧タービンケース３の高温化をより十分に抑制することができる。

また、シュラウドセグメント３５以外の部品を用いることなく、メインタービンケース５とバックプレート３７との間の空間の後側を封鎖して、低圧タービンケース３側への燃焼ガスのリークを抑えるために、航空機エンジンの部品点数を少なくして、航空機エンジンの構成の簡略化及び航空機エンジンの軽量化を図ることができる。特に、セグメントフランジ４５による遮蔽作用を促進しつつ、セグメントフランジ４５が必要以上にシュラウド軸方向へ長くなることがないため、シュラウドセグメント３５の軽量化、換言すれば航空機エンジンの軽量化をより一層促進することができる。

なお、本発明は、前述の最良の形態の説明に限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他種々の態様で実施可能である。

図５におけるＩ部の拡大図である。 図１におけるＩＩ部の拡大図である。 図１におけるＩＩＩ部の拡大図である。 最良の形態に係わるシュラウドセグメントの正面図である。 最良の形態に係わるシュラウドセグメントの平面図である。 最良の形態に係わる航空エンジンにおける低圧タービンの部分断面図である。

符号の説明

１ 低圧タービン
３ 低圧タービンケース
５ メインタービンケース
７ リアタービンケース
２９ タービンシュラウド
３５ シュラウドセグメント
３７ バックプレート
３９ ケースインサート
４５ セグメントフランジ
４７ 切欠
５１ ケースフック
５３ セグメント溝
５３ｆａ 第１溝平面
５３ｆｂ 第２溝平面
５７ ハニカムセル

Claims (4)

1. タービンケース内に複数のタービンブレードを囲むように配置されかつ燃焼ガスの影響による前記タービンケースの高温化を抑制するタービンシュラウドを分割してなるシュラウドセグメントにおいて、
   前端側が前記タービンケースに対して自己の熱変位によってシュラウド軸方向へ移動可能に保持され、後端側が前記タービンケースに対してシュラウド軸方向へ移動不能に保持される弧状のバックプレートと、
   前記バックプレートの後端側の表面に形成され、シュラウド径方向に平行な第１溝平面と、この第１溝平面に対向しかつシュラウド径方向に平行な第２溝平面とを有してあって、前記タービンケースにおけるケースフックに緊合可能な弧状のセグメント溝と、
   前記バックプレートの裏面に一体的に設けられ、前記タービンブレードの先端部の接触を許容するブレード接触部材と、を具備してあって、
   シュラウド軸方向における前記ケースフックの長さをｖ、前記セグメント溝の長さをｔとした場合に、ｖ＜ｔ≦（ｖ＋０．１mm）なるように前記第１溝平面及び前記第２溝平面が機械加工によって面仕上げされていることを特徴とするシュラウドセグメント。
2. 前記バックプレートの前端側の表面に形成され、前記タービンケースにおけるケースインサートに嵌挿可能であって、前記タービンケースにおけるケースインサートに対して前記バックプレートの熱変位によりシュラウド軸方向へ移動可能に保持される弧状のセグメントフックと、を具備してなることを特徴とする請求項１に記載のシュラウドセグメント。
3. 前記バックプレートの前端に前方向へ突出して形成され、前記セグメントフックよりもシュラウド軸心側に位置してあって、前段のタービンノズルにおけるアウターバンドを保持する弧状のセグメントフランジとを具備してなることを特徴とする請求項２に記載のシュラウドセグメント。
4. シュラウド軸方向における前記セグメントフランジの長さをｓ、前記セグメントフックの長さをｋとした場合に、２ｋ≦ｓ≦２．８ｋになるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載のシュラウドセグメント。

Images