JP6232446B2 - タービン排気ケースのマルチピース型フレーム - Google Patents

Description

本開示は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンのタービン排気ケース内の熱管理に関する。

タービン排気ケースは、ガスタービンエンジンの後部またはその近傍にガス流路を提供する一方でエンジン軸受荷重を支持する、構造フレームである。一部の航空エンジンは、タービン排気ケースを利用して、ガスタービンエンジンの航空機機体への搭載に役立てている。産業上の適用では、タービン排気ケースは、ガスタービンエンジンを、発電機に動力を供給する動力タービンに結合するためにより広く用いられている。産業用タービン排気ケースは、例えば、低圧エンジンタービンと発電機動力タービンとの間に位置付けられる。タービン排気ケースは、内部軸受からの軸荷重を支えなければならず、また高温での持続的な運転が可能でなければならない。

タービン排気ケースは、空気流の方向付けと構造的支持との２つの主要な目的に役立つ。タービン排気ケースは、通常は、半径方向ストラットにより接続された内側リングと外側リングとを有する構造体を備える。ストラットおよびリングは、多くの場合、内側リングの軸方向内方に位置する軸受を同時に機械的に支持する一方、前部から後部への中心流路を画定している。タービン排気ケースの構成要素は、中心流路に沿って非常に高い温度に曝される。これらの高温に対処するために、種々の手法および構築法が用いられてきた。一部のタービン排気ケースフレームは、耐高温高応力材料を利用して、中心流路を画定し、かつ機械的荷重を支えている。他のタービン排気ケース構築法では、これら２つの機能を分離して、機械的荷重用の構造フレームを耐高温整流板で組み合わせて、中心流路を画定している。別個の構造フレームと流路整流板とを有するタービン排気ケースでは、ベーン整流板を構造フレーム内に設置することの技術的難題が生じる。整流板は、典型的には「瓶内の船」として構築され、ピースごとに単一フレーム内に造り上げられる。一部の整流板の実施形態は、例えば、各フレームストラットに対して整流板ベーンの吸気側および圧力側のピースを備える。これらのピースは、構造フレーム内に個々に挿入され、（例えば、溶接により）一体に接合されて、フレームストラットを包囲する。

本開示は、タービン排気ケースを通る空気流路を画定する１ピース型整流板と、マルチピース型フレームとを備えるタービン排気ケースを対象とする。マルチピース型フレームは、１ピース型ベーン整流板を貫通しかつその周辺に配設されて、軸受荷重を支持し、かつ内側リング、外側リング、複数のカバー、および複数の半径方向のストラットを備える。外側リングは、内側リングの外方に同心状に配設され、かつベーン位置にストラット開口部を含む中空のボスを有する。カバーは、中空のボスに固定される。半径方向のストラットは、１ピース型ベーン整流板と外側傾斜リング内の開口部とを貫通し、かつ内側リングと平坦なキャップとに半径方向に締結される。

ガスタービン発電機の概略図である。 図１のガスタービン発電機の第１のタービン排気ケースの簡略断面図である。 図２のタービン排気ケースに対し代替的なタービン排気ケースの簡略断面図である。

図１は、吸気口１２、圧縮機１４（低圧圧縮機１６および高圧圧縮機１８を含む）、燃焼機２０、エンジンタービン２２（高圧タービン２４および低圧タービン２６を含む）、タービン排気ケース２８、動力タービン３０、低圧軸３２、高圧軸３４、および動力軸３６を備えるガスタービンエンジン１０の簡略部分断面図である。ガスタービンエンジン１０は、例えば、産業用の動力タービンであり得る。

低圧軸３２、高圧軸３４、および動力軸３６は、回転軸Ａに沿って位置付けられる。図示した実施形態では、低圧軸３２および高圧軸３４は同心状に配置されるが、動力軸３６は、低圧軸３２および高圧軸３４の軸方向後方に配設される。低圧軸３２は、低圧圧縮機１６および低圧タービン２６を含む低圧スプールを画定する。高圧軸３４は、高圧圧縮機１８および高圧タービン２４を含む高圧スプールを同様に画定する。ガスタービンの技術分野で周知のように、吸気口１２で受けた空気流Ｆは、次に、低圧圧縮機１６および高圧圧縮機１８により加圧される。燃料が燃焼機２０で注入され、結果として生じた燃料空気の混合気がここで点火される。膨張する燃焼ガスが、高圧タービン２４および低圧タービン２６を回転させ、それにより高圧軸３４および低圧軸３２を介して高圧圧縮機１８および低圧圧縮機１６をそれぞれ駆動する。圧縮機１４およびエンジンタービン２２は、別個の軸上の高区域および低区域を含む２つのスプールの構成要素として示されているが、単一スプールまたは３つ以上のスプールの実施形態の圧縮機１４およびエンジンタービン２２も可能である。タービン排気ケース２８は空気流を低圧タービン２６から動力タービン３０へ移送し、ここでこの空気流は動力軸３６を駆動する。動力軸３６は、例えば、発電機、ポンプ、機械変速装置、または他の補機（図示せず）を駆動する。

低圧タービン２６から動力タービン３０への空気流路の画定に加えて、タービン排気ケース２８は、１つ以上の軸荷重を支持し得る。タービン排気ケース２８は、例えば、配設された軸受区画（図示せず）を介して低圧軸３２を支持して、荷重を低圧軸３２からタービン排気ケース２８の構造フレームに伝達することができる。

図２は、タービン排気ケース２８ａと標記する、タービン排気ケース２８の一実施形態の簡略断面図である。図２には、低圧タービン２６（低圧タービンケーシング４２、低圧ベーン３６、低圧ロータブレード３８、および低圧ロータディスク４０を含む）、動力タービン３０（動力タービンケース５２、動力タービンベーン４６、動力タービンロータブレード４８、および動力タービンロータディスク５０を含む）、およびタービン排気ケース２８ａ（フレーム１００ａ、外側リング１０２ａ、内側リング１０４、ストラット１０６、半径方向内側ストラット締結具１０８、カバー１１０、半径方向外側締結具１１２、ストラットボス１１４ａ、カバー締結具１１６ａ、シール１１８、整流板１２０、外側プラットフォーム１２２、内側プラットフォーム１２４、および整流板ベーン１２６を含む）を示す。

図１に関して上述したように、低圧タービン２６は、低圧軸３２を介して低圧圧縮機１６に接続されたエンジンタービンである。低圧タービンロータブレード３８は、低圧タービンロータディスク４０に据えつけられた周方向に分布するエーロフォイルの軸方向に重なる集合体である。１つのみの低圧タービンロータディスク４０および単一の代表的低圧タービンロータブレード３８を示したが、低圧タービン２６は、低圧ロータベーン３６を介在させた任意の数のロータ段を含み得る。低圧ロータベーン３６は、流れＦを方向付けるエーロフォイル表面であり、低圧ロータブレード３８に空力荷重を与えることにより、低圧軸３２（図１を参照）を駆動する。低圧タービンケーシング４２は、低圧タービン構成要素から、例えば、タービン排気ケース２８に半径方向および軸方向の荷重を移送する低圧タービン２６の堅固な外表面である。

動力タービン３０は、低圧タービン２６に平行であるが、圧縮機１４に動力を与えるのではなく、空気流Ｆからエネルギーを抽出して、発電機、ポンプ、機械変速装置、または同様な機器を駆動する。低圧タービン２６と同様に、動力タービン３０は、エーロフォイルのベーンおよびブレードの交互段を介して空気流を方向付けることにより動作する。動力タービンベーン４６は、空気流Ｆを方向付けて、動力タービンロータディスク５０上の動力タービンロータブレード４８を回転させる。

タービン排気ケース２８は、低圧タービン２６を動力タービン３０に接続する中間構造体である。タービン排気ケース２８は、ボルト、ピン、リベット、またはねじを介して、低圧タービン２６および動力タービン３０に、例えば、据えつけられる。一部の実施形態では、タービン排気ケース２８は、タービン排気ケース２８のみならず低圧タービン２６、動力タービン３０、および／またはガスタービンエンジン１０の他の構成要素も支持する設置用取付金具（例えば、トラス、支柱）の取付ポイントとして機能する。

タービン排気ケース２８は、例えば、低圧軸３２からの、軸荷重を含む構造荷重を支持するフレーム１００と、低圧タービン２６から動力タービン３０への空力流路を画定する整流板１２０との、２つの主要な構成要素を備える。整流板１２０は、単一の一体ピースで形成され得るが、フレーム１００は整流板１２０の周囲に組み立てられる。

整流板１２０の外側プラットフォーム１２２と内側プラットフォーム１２４とは、低圧タービン２６から動力タービン３０への環状ガス流路の内側および外側の境界を画定する。整流板ベーン１２６は、ストラット１０６を包囲する空力ベーン表面である。整流板１２０は、ストラット１０６の数に少なくとも等しい任意の数の整流板ベーン１２６を有し得る。一実施形態では、整流板１２０は、フレーム１００の各ストラット１０６に対して１つのベーン整流板１２６を有する。他の実施形態では、整流板１２０は、ストラット１０６が通過しない追加のベーン整流板１２６を含み得る。整流板１２０は、インコネルまたは別のニッケル系超合金等の、耐高温材料で形成され得る。

フレーム１００は、４つの別個の構造要素と、加えて接続用締結具とを備えるマルチピース型フレームである。フレーム１００の外径は、外側リング１０２と複数のカバー１１０との組み合わせにより形成される。外側リング１０２は、ストラットボス１１４ａを含む、堅固で実質的に円錐台形（ｆｒｕｓｔｏｎｉｃａｌ）の環帯である。ストラットボス１１４ａは、軸Ａに平行な実質的に平坦な外表面を有する、半径方向に延在する中空のボスである。複数のストラットボス１１４ａは、外側リング１０２ａの円周の周りのストラット１０６に対応する角度位置に分布され得る。ストラットボス１１４ａは、それらの半径方向の外延部にストラット開口部Ｓ_Aを有する。ストラット開口部Ｓ_Aは、ストラット１０６を挿入し得るストラットボス１２８を通る中空の通路である。ストラット開口部Ｓ_Aはカバー１１０を架けられ、ストラットボス１１４ａに対する空気シールと、ストラット１０６に対する取付ポイントとの両方を提供する。カバー１１０は、半径方向外側締結具１１２によりストラット１０６ａに固定され、かつカバー締結具１１６ａにより外側リング１０２ａのストラットボス１１４ａに固定される。カバー締結具１１６ａおよび半径方向外側締結具１１２は、それぞれカバー１１０を貫通してストラットボス１１４ａまたはストラット１０６内へ延在する、例えば、ピン、ボルト、またはねじであってもよい。一部の実施形態では、シール１１８を、カバー１１０とストラットボス１１４ａとの間に配設して、内側リング１０２ａ内からストラット開口部Ｓ_Aを介した流体の漏出を防止するようにしてもよい。シール１１８は、例えば、ガスケットまたは他の変形可能なシールであってもよい。カバー締結具１１６ａは、ストラット１０６の半径方向位置を調整するように、締め付けまたは緩めて軸Ａからのカバー１１０の半径方向距離を変えることができる。

フレーム１００の内径は、半径方向内側ストラット締結具１０８を有する実質的に円筒形構造体の、内側リング１０４により画定される。半径方向内側ストラット締結具１０８は、内側リング１０４を貫通してストラット１０６ａ内に半径方向内部に延在する、例えば、ねじ、ピン、またはボルトでよく、ストラット１０６ａをその半径方向内延部で内側リング１０４に固定する。他の実施形態では、半径方向内側ストラット締結具１０８は、内側リング１０４から半径方向内部に延在し、かつストラット１０６ａの内径で対応する支柱穴と合致する半径方向の支柱でもよい。ストラット１０６ａは、内側リング１０４から整流板ベーン１２６を介してストラットボス１１４ａ内に実質的に半径方向に延在する堅固な支柱である。ストラット１０６ａは、半径方向内側締結具１０８と半径方向外側締結具１１２との組み合わせにより、全方向に据えつけられる。フレーム１００は、中心流Ｆには直接に曝されないので、整流板１２０よりも、実質的に低温用に格付けされる材料で形成され得る。一部の実施形態では、フレーム１００は、砂型鋳造で形成され得る。

図３は、タービン排気ケース２８ｂと標記する、タービン排気ケース２８の代替的実施形態の簡略断面図である。図３には、低圧タービン２６（低圧タービンケーシング４２、低圧ベーン３６、低圧ロータブレード３８、および低圧ロータディスク４０を含む）、動力タービン３０（動力タービンケース５２、動力タービンベーン４６、動力タービンロータブレード４８、および動力タービンロータディスク５０を含む）、およびタービン排気ケース２８ｂ（フレーム１００ｂ、外側リング１０２ｂ、内側リング２０４、ストラット１０６、半径方向内側ストラット締結具１０８、カバー１１０、半径方向外側締結具１１２、ストラットボス１１４ｂ、カバースペーサ１１６ｂ、シール１１８、整流板１２０、外側プラットフォーム１２２、内側プラットフォーム１２４、および整流板ベーン１２６を含む）を示す。タービン排気ケース２８ｂは、タービン排気ケース２８ａとはフレーム１００ｂ、外側リング１０２ｂ、ストラットボス１１４ａ、およびカバースペーサ１１６ｂのみが異なり、他の全てにおいて図２および３に示した実施形態は同一である。カバースペーサ１１６ｂは、ストラットボス１１４ａに当接するがねじ込みされない調整可能なスペーサである。フレーム１００ｂの外側リング１０２ｂは、カバー締結具１１６ａに対して、開口部、例えば、ねじ穴またはボルト穴を有しないストラットボス１１４ｂの特徴を有する。ストラットボス１１４ｂ内に延在するのではなく、カバースペーサ１１６ｂは、ストラットボス１１４ｂと接触して、ストラットボス１１４ａからのカバー１１０の半径方向のオフセットを決定する。他の全てに関して、タービン排気ケース２８ｂは、タービン排気ケース２８ａと実質的に同一である。

タービン排気ケース２８は、整流板１２０を内側リング１０４および外側リング１０２と軸方向および周方向に揃え、かつ半径方向外方から各ストラット１０６を、ストラット開口部Ｓ_Aおよび整流板ベーン１２６を介して半径方向内側ストラット締結具１０８上に挿入することにより、組み立てられる。一部の実施形態（例えば、半径方向内側ストラット締結具がネジまたはボルト）では、半径方向内側ストラット締結具１０８を次いでストラット１０６の内径に固定し得る。次いで、カバー１１０をストラット開口部Ｓ_A上に載置し、半径方向外側締結具１１２を介してストラット１０６に固定する。最後に、カバー締結具１１６ａまたはカバースペーサ１１６ｂを、カバー１１０を介してストラットボス１１４に挿入し、かつ調整してストラット１１０の半径方向位置を画定する。図２にはカバー締結具１１６ａを示し、また図３にはカバースペーサ１１６ｂを示したが、タービン排気ケース２８の一部の実施形態では、ストラットボス１１４内に延在してカバー１１０を軸方向に固定する締結具と、ストラットボス１１４からのカバー１１０の半径方向オフセットを画定するカバースペーサとの両者を含み得る。フレーム１００のマルチピース型構造により、タービン排気ケース２８を整流板１２０の周辺に組み立てることが可能になる。したがって、整流板１２０は、単一の一体ピース、例えば、溶接または他の接合位置に対応する弱い箇所の無い、単一のダイキャスト体であり得る。

（可能な実施形態の検討）
以下に、本発明の可能な実施形態の非排他的な説明を行う。

タービン排気ケースは、タービン排気ケースを通る空気流路を画定する１ピース型ベーン整流板と、マルチピース型フレームとを備える。マルチピース型フレームは、１ピース型ベーン整流板を貫通しかつその周辺に配設されて、軸受荷重を支持するとともに、内側リング、外側リング、複数のカバー、および複数の半径方向のストラットを備える。外側リングは、内側リングの外方に同心状に配設され、かつベーン位置にストラット開口部を含む中空のボスを有する。カバーは、中空のボスに固定される。半径方向のストラットは、１ピース型ベーン整流板と外側傾斜リング内の開口部とを貫通し、かつ内側リングと平坦なキャップとに半径方向に締結される。

上記のタービン排気ケースは、追加的におよび／または代替的に、以下の特徴、構成、および／または追加の構成要素のうちのいずれか１つ以上を、任意選択的に含み得る。

マルチピース型フレームが鋼で形成される。

マルチピース型フレームが砂型鋳造で形成される。

整流板が一体に形成される。

整流板が、マルチピース型フレームよりも、高温用に格付けされる材料で形成される。

整流板が、ニッケル系超合金で形成される。

中空のボスとカバーとの間に配設される気密シールを更に備える。

カバーは、そのカバーを貫通して中空のボス内に延在するとともにカバーの中空のボスからの半径方向オフセットを画定する、調整可能なカバー締結具を介して、中空のボスに固定される。

カバーが、中空のボスに当接し、かつカバーの中空のボスからの半径方向オフセットを画定する、調整可能なカバースペーサを介して、中空のボスから離間される。

半径方向のストラットが、外側および内側半径方向ボルトを介して外側カバーおよび内側リングにそれぞれ締結される。

タービン排気ケースフレームは、内側円筒形リングと、複数の角度的に分散（angularly distributed）された中空のストラットボスを有する外側円錐台形リングと、半径方向の締結具を介して内側円筒形リングに固定される複数の半径方向のストラットと、半径方向のストラットに半径方向に据えつけられ、かつ中空のストラットボスから半径方向外方に離間される複数のカバーとを備える。

上記のタービン排気ケースフレームは、追加的におよび／または代替的に、以下の特徴、構成、および／または追加の構成要素のうちのいずれか１つ以上を、任意選択的に含み得る。

複数のカバーが、カバーを半径方向に貫通して中空のストラットボス内に延在する調整可能なカバー締結具により、中空のストラットボスに据えつけられ、かつストラットボスから半径方向外方に離間される。

複数のカバーが、半径方向にカバーを貫通して延在し、かつ中空のストラットボスに当接する調整可能なカバースペーサにより、中空のストラットボスから半径方向外方に離間される。

複数の半径方向のストラットが、半径方向のボルトを介してカバーと、内側円筒形リングとに据えつけられる。

中空のボスとカバーとの間に配設される気密シールを更に備える。

タービン排気ケースを組み立てる方法であって、該方法は、整流板を画定する流路の整流板ベーン、内側フレームリング上の半径方向の締結具、および外側円錐台形リングのストラットボス内のストラット開口部を揃えることと、ストラット開口部および整流板ベーンを通るように、半径方向のストラットを外側円錐台形リングの半径方向外方から挿入することと、半径方向の締結具を介して半径方向のストラットを内側フレームリングに固定することと、半径方向のストラットを、ストラットボスの半径方向外方にあり、かつストラット開口部に架かる平坦なカバーに固定することと、カバーとストラットボスとの間の隔離距離を調整して、ストラットの半径方向位置を調整することとを含む。

上記の方法は、追加的におよび／または代替的に、以下の特徴、構成、および／または追加の構成要素のうちのいずれか１つ以上を、任意選択的に含み得る。

カバーとストラットとの間の隔離距離を調整することが、カバーを貫通してストラットボス内に延在するカバー締結具を締め付けまたは緩めることを含む。

カバーとストラットとの間の隔離距離を調整することが、カバーを貫通して延在するとともにストラットボスに当接するカバースペーサを、締め付けまたは緩めることを含む。

外側円錐台形リングを、平坦なカバーとストラットボスとの間に位置決めされたシールで封止することを更に含む。

本発明を例示の実施形態（複数可）に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ、また均等物をその要素に代えて置換できることを当業者ならば理解するであろう。加えて、本発明の必須の範囲から逸脱することなく、多くの修正を行って特定の状況または材料を本発明の教示に適合させてもよい。したがって、本発明は、開示される特定の実施形態（複数可）に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内に収まる全ての実施形態を含むことが意図されている。

Claims (19)

1. タービン排気ケースであって、
   前記タービン排気ケースを通る空気流路を画定する１ピース型整流板と、
   前記１ピース型整流板を貫通しかつその周辺に配設されて、軸受荷重を支持するマルチピース型フレームと、を備え、前記マルチピース型フレームは、
   内側リングと、
   前記内側リングの外方に同心状に配設されるとともに、ベーン位置にストラット開口部を含んだ中空のボスを有する、外側リングと、
   前記中空のボスに固定される複数のカバーと、
   前記１ピース型整流板と前記外側リングの前記ストラット開口部とを貫通するとともに、前記内側リングと前記カバーとに半径方向に締結される複数の半径方向のストラットと
   を備える、
   タービン排気ケース。
2. 前記マルチピース型フレームは鋼で形成される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
3. 前記マルチピース型フレームは砂型鋳造で形成される、請求項２に記載のタービン排気ケース。
4. 前記１ピース型整流板は一体に形成される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
5. 前記１ピース型整流板は、前記マルチピース型フレームよりも、高温用に格付けされた材料で形成される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
6. 前記１ピース型整流板は、ニッケル系超合金で形成される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
7. 前記中空のボスと前記カバーとの間に配設される気密シールを更に備える、請求項１に記載のタービン排気ケース。
8. 前記カバーは、該カバーを貫通して前記中空のボス内に延在するとともに前記カバーの前記中空のボスからの半径方向オフセットを画定する、調整可能なカバー締結具を介して、前記中空のボスに固定される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
9. 前記カバーは、前記中空のボスに当接するとともに前記カバーの前記中空のボスからの半径方向オフセットを画定する、調整可能なカバースペーサを介して、前記中空のボスから離間される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
10. 前記半径方向のストラットは、外側および内側半径方向ボルトを介して前記カバーおよび前記内側リングにそれぞれ締結される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
11. タービン排気ケースフレームであって、
    内側円筒形リングと、
    複数の角度的に分散された中空のストラットボスを有する外側円錐台形リングと、
    半径方向の締結具を介して前記内側円筒形リングに固定される複数の半径方向のストラットと、
    前記半径方向のストラットに半径方向に据えつけられ、かつ前記中空のストラットボスから半径方向外方に離間された複数のカバーと、
    を備える、
    タービン排気ケースフレーム。
12. 前記複数のカバーは、前記カバーを半径方向に貫通して前記中空のストラットボス内に延在する調整可能なカバー締結具により、前記中空のストラットボスに据えつけられ、かつ前記ストラットボスから半径方向外方に離間される、請求項１１に記載のタービン排気ケース。
13. 前記複数のカバーは、半径方向に前記カバーを貫通して延在するとともに前記中空のストラットボスに当接する調整可能なカバースペーサにより、前記中空のストラットボスから半径方向外方に離間される、請求項１１に記載のタービン排気ケース。
14. 前記複数の半径方向のストラットは、半径方向のボルトを介して前記カバーと、前記内側円筒形リングとに据えつけられる、請求項１１に記載のタービン排気ケース。
15. 前記中空のボスと前記カバーとの間に配設される気密シールを更に備える、請求項１１に記載のタービン排気ケース。
16. タービン排気ケースを組み立てる方法であって、
    整流板を画定する流路の整流板ベーン、内側フレームリング上の半径方向の締結具、および外側円錐台形リングのストラットボス内のストラット開口部を揃えることと、
    前記ストラット開口部および前記整流板ベーンを通るように、半径方向のストラットを前記外側円錐台形リングの半径方向外方から挿入することと、
    前記半径方向の締結具を介して前記半径方向のストラットを前記内側フレームリングに固定することと、
    前記半径方向のストラットを、前記ストラットボスの半径方向外方にあるとともに前記ストラット開口部に架かる平坦なカバーに固定することと、
    前記カバーと前記ストラットボスとの間の隔離距離を調整して、前記ストラットの半径方向位置を調整することと、
    を備えた、
    方法。
17. 前記カバーと前記ストラットとの間の前記隔離距離を調整することは、前記カバーを貫通して前記ストラットボス内に延在するカバー締結具を締め付けまたは緩めることを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記カバーと前記ストラットとの間の前記隔離距離を調整することは、前記カバーを貫通して延在するとともに前記ストラットボスに当接するカバースペーサを締め付けまたは緩めることを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記外側円錐台形リングを、前記平坦なカバーと前記ストラットボスとの間に位置決めされたシールで封止することを更に含む、請求項１６に記載の方法。

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