JP5427398B2 - ターボ機械のセクタ化されたノズル - Google Patents

Description

本発明は、特に航空機のターボプロップまたはターボジェットの低圧タービン用のセクタ化されたノズルに関する。

この種のタービンは複数の段を備え、各段はタービンホイールとステータノズルとを備え、各ノズルはセクタ化されている、すなわち周方向に端から端まで配置された複数のノズルセクタから構成される。

各ノズルセクタは、一方が他方の内側に延在し、略径方向翼により相互に接続される２つの環状プラットフォームセクタを有する。外側プラットフォームは、タービンの外側ケーシングに対する締結手段を有する。ノズルセクタは、アブレイダブル材料製の要素を支持するための環状レールセクタを含み、レールはノズルの内側プラットフォーム内部に径方向に位置し、上記プラットフォームの内側表面に接続される。アブレイダブル材料要素は、タービンのロータにより担持される環状ワイパーと協働して、ラビリンス型シールを形成するようにする。

ノズルセクタは、タービンの作動時にそれらのプラットフォームの熱膨張を調整するように、周方向に小間隔で互いに離間している。

作動時に、ノズルセクタは振動を受けやすく、また比較的大きな、ノズルセクタの小さな寄生運動や特にねじれの際にノズルセクタの変形を引き起こす可能性のある動的応力を受けやすい。

すでに、ノズルの内側プラットフォームのセクタに形成される軸方向の支承手段を使用してノズルを補強する方法が提案されている。１つのプラットフォームセクタの支承手段は、作動時のノズルの変形を制限するために隣接の内側プラットフォームセクタに形成される対応手段と協働するように設計される。

先行技術では、各内側プラットフォームセクタは、略Ｚ字型に切断され、隣接の内側プラットフォームセクタの対応する長手方向に延在する縁部と相補的である長手方向に延在する縁部を有する。プラットフォームセクタのＺ字型の長手方向に延在する各縁部は、周方向にオフセットされ、タービンが作動中に隣接のプラットフォームセクタの対応するマージン部を軸方向に支えるための垂直なマージン部により互いに接続され、ノズルの上記寄生運動および変形を制御する、長手方向に平行な２つの端部を備える。

しかし、この技術には欠点がある。各プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部は、Ｚ字型の切抜部を形成するように機械加工される必要がある。この機械加工は、ノズルを損傷するリスクがある難しい操作である。これらの長手方向に延在する縁部の機械加工は、特に、支承マージン部を形成する第１の切断と、上記支承マージン部を内側プラットフォームの上流側または下流側の周方向縁部に接続する第２の切断を行うことである。これらの切断はノズルの翼に近接して行われ、翼の曲線状の形状は、多かれ少なかれ機械加工操作を妨げる可能性がある。最後に、この技術は、比較的平らなノズルの内側プラットフォームにのみ適用でき、全てのタイプのノズルまたはノズルセクタに一般化され得ない。

本発明の特定の目的は、簡単で効果的な、また費用のかからない、先行技術の問題に対する解決策を提供することである。

このために、本発明は、ターボ機械用のセクタ化されたノズルを提供する。ノズルは、端から端まで設置される円筒状セクタであって、各々が略径方向翼により相互に接続される２つの同軸環状プラットフォームセクタを有する円筒状セクタと、アブレイダブル材料の要素を支持するための環状レールセクタであって、内側プラットフォームのセクタの径方向内部にあり、プラットフォームセクタの上記内側表面に接続される環状レールセクタとから構成され、各ノズルセクタは、内側プラットフォームのセクタの長手方向に延在する縁部に、隣接のノズルセクタに設けられた対応手段と協働する、周方向に相互に係合する手段を含み、内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部はＶ字型を形成する。

本発明によれば、内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部は、Ｚ字型ではなく、Ｖ字型である。したがって、これらの長手方向に延在する縁部は、先行技術の３つのマージン部とは違い、２つのマージン部で画定される。したがって、長手方向に延在する縁部は形状がより単純であり、これらの機械加工は、プラットフォームセクタの長手方向に延在する各縁部において、先行技術で２回の切断（周方向の切断と長手方向の切断）が必要であるのに比べて、１回だけ斜めの切断を行うだけなので、簡単で、より迅速に行える。

各ノズルセクタの内側プラットフォームセクタは、頂角が１８０°より大きい１つの長手方向に延在するＶ字型の縁部と、頂角が１８０°より小さい反対側の長手方向に延在する縁部とを有するのが好ましい。各プラットフォームセクタの第１の長手方向に延在する縁部は、その第２の長手方向に延在する縁部と相補的な形状にしてもよいし、内側プラットフォームセクタの全ては、ノズルセクタの製造を簡略化するように全く同じであってもよいし、またノズルセクタをタービンケーシングに締結する際に、内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する両縁部は、一方が他方の中に互いに係合するのに適するように全く同じであってもよい。

一例として、各内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する各縁部は、ノズルの回転軸に略平行な上流部と、上記回転軸に対して斜めの下流部とを有する。内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部の１つの斜め下流部は、上記長手方向縁部に隣接した翼の吸気側の下流部に略平行であってもよい。したがって、この長手方向に延在する縁部の下流部は、上記長手方向縁部に近接して位置する翼の曲率に部分的に従う。この下流部を形成するために行われる機械加工は、カッター手段が翼からさらに離れており、翼の曲率に沿った方向に動くので、カッター手段が翼と接触するリスクがないため、翼を損傷するリスクがない。

内側プラットフォームセクタの長手方向両縁部は互いに相補的であるように、上記プラットフォームセクタの１つの長手方向縁部の斜め下流部は、プラットフォームセクタの他方の長手方向縁部の斜め下流部と略平行である。

本発明の別の特徴によれば、各ノズルセクタのレールセクタは、その周方向端部の一方に、隣接のノズルセクタのレールセクタ上に軸方向の支承手段を備える。したがって、ノズルセクタ間の軸方向の支承手段は、内側プラットフォームセクタ上に形成されなくなるが、アブレイダブル要素を支持するためのレールセクタに対してオフセットしている。このことが以下で説明する理由により最も大きな利点となる。

軸方向支承手段は、ノズルの内側プラットフォームの径方向内部に位置し、支承手段の形状や寸法は内側プラットフォームの形状や寸法に対して限定されない。これらの支承手段は、ノズルレールセクタにより担持され、またはノズルセクタ上に形成され、機械加工や鋳造により上記レールセクタと一体型に形成される場合もあれば、またはレールセクタに締結される取付具である場合もある。

さらに、本発明は、１つの特定のタイプのノズルやノズルセクタに限定されない。

レールセクタは、略Ｌ字型の断面を有し、その外周で内側プラットフォームセクタの内面に接続され、その内周で要素またはアブレイダブル材料を担持する略円筒状壁のセクタの一端部に接続される略径方向壁を備え、上記レールセクタの軸方向支承手段はこの径方向壁に担持される。

支承手段は、レールセクタの径方向壁の上流面に形成されてもよい。この状況では、軸方向支承手段は、特に作動時に上記レールセクタの翼に加えられる空気力学的な力によるノズルセクタのねじれ変形を妨げる。変形例では、支承手段はレールセクタの径方向壁の下流面に形成される。

本発明の別の特徴によれば、各レールセクタは、隣接のレールセクタに向かって周方向に延在し、上記隣接のレールセクタを軸方向に支承する面を含む少なくとも１つの横方向タブを含む。この軸方向支承面はノズルの回転軸に対して略垂直であり、上流側または下流側を向く。

本発明はさらに、少なくとも１つの上述のタイプのセクタ化されたノズルを含むターボ機械用の低圧タービンを提供し、さらに上述したような少なくとも１つのノズルを含む航空機のターボプロップまたはターボジェットなどのターボ機械を提供する。

非限定的な例として説明された以下の記述を読むことにより、および添付図面を参照することにより、本発明はより良く理解され、本発明のその他の詳細、特性、および利点がより明らかになる。

ターボ機械の低圧タービンの軸方向断面半図である。 本発明の先行技術に従う、タービンのノズルセクタの斜視図である。 本発明の先行技術に従う、タービンのノズルセクタの斜視図である。 本発明のタービンノズルセクタの部分斜視図である。 本発明のタービンノズルセクタの部分斜視図である。

まずターボ機械用の低圧タービン１０を示す図１を参照する。タービンは、各々がタービンの外側ケーシング１６により担持されるノズル１２と、ノズル１２から下流側に位置するタービンホイール１８を有する４つの段を備える。

ホイール１８は、環状フランジ２２により軸合わせして一緒に組み立てられ、略径方向のブレード２４を担持するディスク２０を備える。これらのホイール１８は、ディスクの環状フランジ２２に締結される駆動コーン２６を介してタービンシャフト（図示せず）に接続される。

ディスク２０上のブレード２４を軸方向に保持する環状保持プレート２８は、各々が２つの隣接するディスクの環状フランジ２２間で軸方向にクランプされる内側径方向壁２９を有した状態でディスク間に装着される。

各ノズル１２は、同軸上にあり、それぞれ内側プラットフォームと外側プラットフォームとを構成し、それらの間でタービンを通過する環状ガス流路を画定する２つの環状プラットフォーム３０、３２を備え、これらのプラットフォームの間で略径方向の固定翼１４が延在する。ノズルの外側プラットフォーム３２は適切な手段によりタービンの外側ケーシング１６に固定される。

ノズルの内側プラットフォーム３０の各々は、アブレイダブル材料の環状要素３６を支持する環状レール３４に接続される。各環状レール３４は、ノズルの内側プラットフォーム３０の径方向内部に配置され、一般にＬ字方の断面を示す。レール３４は、その外周でノズルの内側プラットフォーム３０の内面に接続され、その内周でアブレイダブル要素３６を支持する円筒状壁４０の軸方向端部に接続される略径方向環状壁３８を有する。

これらのアブレイダブル要素３６は、径方向外側に配置され、保持プレート２８により担持される外側環状ワイパー４２に対向する。ワイパー４２は、ラビリンスシールを形成するように要素３６を擦るためのものであり、このワイパー４２により軸方向の空気がこれらのシールを通過するのを抑える。

タービンのノズル１２はセクタ化され、各々がタービンの長手軸に沿って端から端まで周方向に配置される複数のセクタから構成される。

図２および図３は、本発明の先行技術にしたがって製造されたノズル１２のセクタを示す図である。ノズル１２のこのセクタは、内側プラットフォームのセクタ３０と外側プラットフォームのセクタ３２とを備え、これらのセクタは５枚の翼１４により相互に接続される。

内側プラットフォームのセクタ３０および外側プラットフォームのセクタ３２の長手方向に延在する縁部は、ノズルセクタ１２の隣接するプラットフォームセクタの対応する長手方向に延在する縁部と相補的な形状を呈し、ノズルが組み立てられた時に長手方向両縁部は一方が他方の中に周方向に係合する。

先行技術では、内側プラットフォーム３０の長手方向に延在する縁部４４、４４’は、ノズルセクタ１２間の軸方向の支承手段を画定するように、Ｚ字型に機械加工される。

内側プラットフォームセクタ３０の長手方向に延在する縁部４４、４４’の各々は、タービンの長手軸に略垂直に延在し、上流側（マージン部４６）（または下流側（マージン部４８））に対向し、隣接する内側プラットフォームセクタ３０の対応する支承マージン部である対向の下流側（マージン部４８）（または上流側（マージン部４６））を軸方向に支承するように設計される軸方向支承マージン部４６（または４８）を含む。各内側プラットフォームセクタ３０は、一方の側方端部で上流側を向く支承マージン部４６、他方の側方端部で下流側を向く支承マージン部４８を含む。内側プラットフォームセクタ３０の隣接する内側プラットフォームセクタにかかる軸方向のスラストにより、タービン作動時のノズルセクタ１２の寄生運動や振動を抑えることが可能になる。

各支承マージン部４６、４８は、その第１の周方向端部で、プラットフォームセクタ３０の上流側周方向縁部５４にタービンの長手軸に略平行に延在する長手方向マージン部５０の下流側端部に接続される。支承面４６、４８の第２の周方向端部は、他方の端部でプラットフォームセクタ３０の下流側周方向縁部５６に接続される第２の長手方向マージン部５２の上流側端部に接続される。マージン部５０、５２は互いに平行で、支承マージン部４６、４８の周方向のサイズに等しい間隔だけ周方向で互いにオフセットしている。

内側プラットフォームセクタ３０の長手方向に延在する縁部の機械加工には、上述したように、多くの欠点がある。本発明は、内側プラットフォームセクタ３０の長手方向に延在する縁部をＶ字型にして単純化することで、これらの問題を少なくとも部分的に解決できるようにする。

図４および図５に示された本発明の実施形態では、各ノズルセクタの内側プラットフォームセクタ１３０は、１８０°より大きい、例えば、２１０°から２４０°の範囲の頂角のＶ字型である第１の長手方向に延在する縁部１４４（図４）と、１８０°より小さい、例えば、１２０°から１５０°の範囲の頂角のＶ字型である第２の長手方向縁部１４４’（図５）とを有する。

各内側プラットフォームセクタ１３０の第１の長手方向に延在する縁部１４４は、その第２の長手方向に延在する縁部１４４’と相補的であり、ノズルセクタの全ての内側プラットフォームセクタは、各プラットフォームセクタ１３０の長手方向に延在する縁部１４４、１４４’が隣接するプラットフォームセクタ１３０の対応する長手方向に延在する縁部に係合できるように全く同じである。

各内側プラットフォームセクタ１３０の長手方向に延在する縁部１４４、１４４’の各々は、プラットフォームセクタ１３０の上流側周方向縁部１５４から長手方向にレールセクタ１３４の径方向に延在する壁１３８とプラットフォームセクタ１３０との接続部まで延在する第１のマージン部１５０または上流側端部を有する。長手方向に延在する縁部１４４、１４４’の各々は、タービンの長手軸に対して斜めに延在する第２のマージン部１６６または下流側端部を有し、この第２のマージン部１６６は第１のマージン部１５０の下流側端部を内側プラットフォームセクタ１３０の下流側の周方向に延在する縁部１５６に直接接続する。内側プラットフォームセクタ１３０の長手方向に延在する縁部１４４、１４４’の第２のマージン部１６６は、互いに平行である。長手方向に延在する縁部１４４のマージン部１６６は、上記縁部１４４’に近接して位置する翼１１４の吸気側の端部に略平行に、かつそこから近くに延在し（図４）、他方の長手方向に延在する縁部１４４’のマージン部１６６は、上記縁部１４４’に近接して位置する反対側の翼１１４の圧力側の端部に略平行に、かつそこから近くで延在する（図４）。

内側プラットフォームセクタ１３０の斜めのマージン部１６６は、作動時にノズルセクタの寄生変形や寄生運動を抑えるように互いに対して支承することができる。

本発明のノズルの剛性を増大させるために、各ノズルセクタ１１２のレールセクタ１３４は、その周方向端部の一方に、隣接するノズルセクタのレールセクタを軸方向に支承する横方向タブ１６０を有する。タブ１６０は、略周方向に配向され、外側径方向壁１３８を介してレールセクタ１３４に接続される第１の周方向端部を含む。タブ１６０の第２の周方向端部は、隣接するレールセクタ１３４の外側径方向壁１３８の対応面１６４と協働するための軸方向支承面１６２を含み、面１６２、１６４はタービンの長手軸に略垂直である。

図示された実施例では、タブ１６０はレールセクタ１３４の径方向壁１３８から下流側に位置し、その第１の端部を介して上記壁の下流面に接続される。

このタブの支承面１６２は、上流側を向き、隣接するレールセクタ１３４の径方向壁１３８の下流側を向く面１６４を支承するように設計される。

変形例では、タブ１６０はレールセクタの径方向壁１３８から上流側に位置し、一端部を介して上記壁の上流面に接続され、上記タブの支承面１６２は下流側を向き、隣接するレールセクタ１３４の径方向壁の上流側を向く面１６４と協働する。

各ノズルセクタ１１２のレールセクタ１３４は、一体鋳造としてまたは機械加工により、上述したタイプの少なくとも１つの横方向支承タブ１６０を一緒に製造してもよい。変形例では、横方向タブ１６０は取付具であり、各レールセクタの周方向端部の一方に締結される。ノズルセクタのいずれのタイプも、このタイプの支承タブに取り付けできる。

１０ 低圧タービン
１２ ノズル
１４ 固定翼
１６ 外側ケーシング
１８ タービンホイール
２０ ディスク
２２ 環状フランジ
２４ ブレード
２６ 駆動コーン
２８ 保持プレート
２９ 径方向壁
３０、１３０ 内側プラットフォームセクタ
３２ 外側プラットフォームセクタ
３４ 環状レール
３６ アブレイダブル要素
３８ 環状壁
４０ 円筒状壁
４２ 環状ワイパー
４４、４４’ 長手方向に延在する縁部
４６、４８ 支承マージン部
５０ 第１の長手方向マージン部
５２ 第２の長手方向マージン部
５４、１５４ 上流側周方向縁部
５６、１５６ 下流側周方向縁部
１１２ ノズルセクタ
１１４ 翼
１３４ レールセクタ
１３８ 径方向に延在する壁
１４４ 第１の長手方向に延在する縁部
１４４’ 第２の長手方向に延在する縁部
１５０ 第１のマージン部
１６０ 横方向タブ
１６２ 支承面
１６４ 対応面
１６６ 第２のマージン部

Claims (13)

1. ターボ機械用のセクタ化されたノズルであって、ノズルが端から端まで配置された円筒状セクタから構成され、各円筒状セクタは略径方向翼により相互に接続される２つの同軸環状プラットフォームセクタとアブレイダブル材料の要素を支持するための環状レールセクタとを有し、レールセクタが内側プラットフォームセクタの径方向内部にあり、プラットフォームセクタの内面に接続され、各ノズルセクタが内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部に、隣接するノズルセクタに設けられた対応手段と協働する周方向に互いに係合するための手段を含み、
   内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部はＶ字型を形成する、セクタ化されたノズル。
2. 各ノズルセクタの内側プラットフォームセクタが、１８０°より大きい頂角のＶ字型の１つの長手方向に延在する縁部と、１８０°より小さい頂角を有する反対側の長手方向に延在する縁部とを有する、請求項１に記載のセクタ化されたノズル。
3. 各内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する各縁部が、ノズルの回転軸に略平行な上流部と、前記軸に対して斜めである下流部とを有する、請求項１に記載のセクタ化されたノズル。
4. 内側プラットフォームセクタの長手方向に延在する縁部のうちの１つの斜め下流部が、前記長手方向に延在する縁部に隣接する翼の吸気側の下流部に略平行である、請求項３に記載のセクタ化されたノズル。
5. 内側プラットフォームセクタの一方の長手方向に延在する縁部の斜め下流部が、前記プラットフォームセクタの他方の長手方向に延在する縁部の斜め下流部に略平行である、請求項３に記載のセクタ化されたノズル。
6. 各ノズルセクタのレールセクタが、その周方向端部の一方に、隣接するノズルセクタのレールセクタを軸方向に支承するための手段を備える、請求項１に記載のセクタ化されたノズル。
7. レールセクタが、略Ｌ字型の断面を有し、その外周で内側プラットフォームセクタの内面に接続され、その内周でアブレイダブル材料の要素を担持する略円筒状壁のセクタの一端部に接続される略径方向壁を備え、前記レールセクタの軸方向支承手段はその径方向壁により担持される、請求項６に記載のセクタ化されたノズル。
8. 支承手段が、レールセクタの径方向壁の上流面上に形成される、請求項７に記載のセクタ化されたノズル。
9. 支承手段が、レールセクタの径方向壁の下流面上に形成される、請求項７に記載のセクタ化されたノズル。
10. 各レールセクタが、隣接するレールセクタに向かって周方向に延在し、前記隣接するレールセクタを軸方向に支承する面を含む少なくとも１つの横方向タブを含む、請求項１に記載のセクタ化されたノズル。
11. 軸方向支承面が、ノズルの回転軸に略垂直であり、上流側または下流側を向く、請求項１０に記載のセクタ化されたノズル。
12. 少なくとも１つの請求項１に記載のセクタ化されたノズルを含む、ターボ機械用の低圧タービン。
13. 少なくとも１つの請求項１に記載のセクタ化されたノズルを含む、航空機のターボプロップまたはターボジェットであるターボ機械。

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