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技術 フランジによって支持されるタービンリングアセンブリ

出願人 サフランエアークラフトエンジンズ
発明者 クレマンルシユガエルエバンアリーヌプランキールクレールグロロー
出願日 2016年5月19日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2017-560765
公開日 2018年7月26日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 2018-520292
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール ガスタービン、高圧・高速燃焼室
主要キーワード 金属支持構造 取り付け形状 環状波形 主噴流 温度増大 通気オリフィス 複合物材料 フランジ相互
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年7月26日)のものです。
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図面 (13)

課題・解決手段

タービンリングアセンブリが、タービンリングを形成するセラミックマトリックス複合物材料で作られている複数のリングセクターと、さらに、第1及び第2の環状フランジを有するリング支持構造との両方を備え、各々のリングセクターは、第1及び第2のタブを有し、リングセクターの各々のタブは、リング支持構造の2つの環状フランジの間に保持されている。リングセクターの第1及び第2のタブの各々は環状溝を有する。リング支持構造の第1及び第2の環状フランジの各々は、各々のリングセクターの第1のタブの環状溝の中に、又は、各々のリングセクターの第2のタブの環状溝の中にそれぞれに受け入れられる環状突起を有する。弾性要素が、第1のフランジの環状突起と第1のタブの環状溝との間に、さらには、第2のフランジの環状突起と第2のタブの環状溝との間に挿入されている。

概要

背景

セラミックマトリックス複合物CMC)材料が、高温度においてその材料の機械的特性を維持することが知られており、及び、このことが、CMC材料高温構造要素を構成するために適したものにする。

ガスタービン航空エンジンでは、効率を改善するために、及び、特定の汚染排出物質を減少させるために、より高温度における動作が求められている。全体が金属で作られているタービンリングアセンブリの場合には、典型的にはその金属材料が耐えることが可能である温度よりも高い温度において、そのアセンブリの要素のすべてを冷却することと、特に非常に高温度の噴流を受けるタービンリングを冷却することとが必要である。こうした冷却は、使用される冷却流エンジンを通過する主噴流から取り出されるので、エンジンの性能に大きな影響を与える。このことに加えて、タービン内の温度の上昇が航空エンジンの性能を向上させることを可能にするにも係わらず、タービンリングのための金属の使用が、タービン内の温度増大の可能性を制限する。

これが、特に、従来において使用されている耐熱性金属密度よりも低い密度という付加的な利点をCMCがもたらすので、エンジンの様々な高温部分のためにCMCを使用することがすでに想定されていることの理由である。

したがって、CMCによって一体構造のタービンリングセクター(turbine ring sector)を形成することが、特に、ある特許文献に説明されている(例えば、特許文献1参照。)。このリングセクターは、タービンリングの内側面を形成する内面と、リングサポート(ring support)の金属構造ハウジング内に係合させられる端部を有する2つのタブ形成部分がそれから延びる外面とを有する、環状基部を備える。

CMCリングセクターの使用が、タービンリングを冷却するために必要とされる通気量を著しく減少させることを可能にする。しかし、特に、金属支持構造とCMCリングセクターとの間で生じる可能性がある膨張差(differential expansion)に直面する時に、リングセクターを所定位置に保持することが依然として問題のままである。さらに、別の問題が、強制された移動によって発生させられる応力に存する。さらに、ローターホイール(rotor wheel)のブレードの先端とリングセクターの内側面との間の接触の発生時にさえ、リングセクターが所定位置に保持される必要がある。

概要

タービンリングアセンブリが、タービンリングを形成するセラミックマトリックス複合物材料で作られている複数のリングセクターと、さらに、第1及び第2の環状フランジを有するリング支持構造との両方を備え、各々のリングセクターは、第1及び第2のタブを有し、リングセクターの各々のタブは、リング支持構造の2つの環状フランジの間に保持されている。リングセクターの第1及び第2のタブの各々は環状溝を有する。リング支持構造の第1及び第2の環状フランジの各々は、各々のリングセクターの第1のタブの環状溝の中に、又は、各々のリングセクターの第2のタブの環状溝の中にそれぞれに受け入れられる環状突起を有する。弾性要素が、第1のフランジの環状突起と第1のタブの環状溝との間に、さらには、第2のフランジの環状突起と第2のタブの環状溝との間に挿入されている。

目的

フランジ36の面36a上に分布しているフック39の個数が、フランジ36上に有することが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

タービンリング(1)を形成するセラミックマトリックス複合物材料で作られている複数のリングセクター(10)と、さらに、第1の環状フランジ(32)及び第2の環状フランジ(36)を有するリング支持構造(3)との両方を備える、タービンリングアセンブリであって、各々の前記リングセクター(10)は、前記タービンリング(1)の内側面を形成する内面と、第1のタブ(14)及び第2のタブ(16)がそれから半径方向に延びる外面とを有する、環状基部を形成する、部分(12)を有し、前記リングセクター(10)の各々の前記第1のタブ(14)及び前記第2のタブ(16)は、前記リング支持構造(3)の前記第1の環状フランジ(32)と前記第2の環状フランジ(36)の間に保持され、前記リングセクター(10)の前記第1のタブ(14)及び前記第2のタブ(16)の各々は、前記リング支持構造(3)の前記第1の環状フランジ(32)と前記第2の環状フランジ(36)とにそれぞれに面する前記第1のタブ(14)及び前記第2のタブ(16)の面(14a、16a)の中に環状溝(140、160)を有し、前記リング支持構造(3)の前記第1の環状フランジ(32)及び前記第2の環状フランジ(36)の各々は、前記リングセクターの前記第1のタブ(14)及び前記第2のタブ(16)に面するその環状フランジの面上に環状突起(34、38)を有し、前記第1の環状フランジ(32)の前記環状突起(34)は、前記リングセクター(10)各々の前記第1のタブ(14)の前記環状溝(140)の中に受け入れられ、一方、前記第2の環状フランジ(36)の前記環状突起(38)は、各々の前記リングセクター(10)の前記第2のタブ(16)の前記環状溝(160)の中に受け入れられ、少なくとも1つの弾性要素が、前記第1の環状フランジ(32)の前記環状突起(34)と前記第1のタブ(14)の前記環状溝(140)との間と、さらには、前記第2の環状フランジ(36)の前記環状突起(38)と前記第2のタブ(16)の前記環状溝(160)との間とに挿入されているタービンリングアセンブリにおいて、各々の前記弾性要素が、前記リングセクター(10)の前記第1のタブ(14)又は前記第2のタブ(16)の中に存在している前記環状溝(140)の頂部壁(142)と、前記リング支持構造(3)の前記第1の環状フランジ(32)又は前記第2の環状フランジ(36)の前記環状突起(34)の頂部壁(34c)との間に挿入されていること、又は、さらに、各々の前記弾性要素は、前記リングセクター(10)の前記第1のタブ(14)又は前記第2のタブ(16)の中に存在している前記環状溝(140)の底部壁(143)と、前記リング支持構造(3)の前記第1の環状フランジ(32)又は前記第2の環状フランジ(36)の前記環状突起(34)の底部壁(34b)との間に挿入されていることを特徴とするタービンリングアセンブリ。

請求項2

前記弾性要素の各々が、前記環状突起(34、38)の一方とこれに対応する前記環状溝(140、160)との間に弾性的な予応力を伴って取り付けられている分割環カラー(60、70)によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載のタービンリングアセンブリ。

請求項3

前記弾性要素の各々は、波形の形状を有する剛体材料の少なくとも1つのストリップ(170、180)によって形成されていることを特徴とする請求項1に記載のタービンリングアセンブリ。

請求項4

前記リング支持構造(3)の前記第1の環状フランジ(32)及び前記第2の環状フランジ(36)の前記環状突起は、前記リングセクター(10)の前記第1のタブ(14)及び前記第2のタブ(16)の前記環状溝(140、160)上に応力を及ぼすことと、前記リング支持構造(3)の一方の前記第2の環状フランジ(36)が、前記タービンリング(1)の軸線方向(DA)において弾性変形可能であることとを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のタービンリングアセンブリ。

請求項5

前記リング支持構造(3)の弾性変形可能な前記第2の環状フランジ(36)は、前記リング支持構造(3)の他方の前記第1の環状フランジ(32)の厚さよりも薄い厚さを有することを特徴とする請求項4に記載のタービンリングアセンブリ。

請求項6

前記リング支持構造(3)の弾性変形可能な前記第2の環状フランジ(36)は、前記リングセクター(10)の前記第2のタブ(16)に面するその環状フランジの面(36b)とは反対側に位置する、その環状フランジの面(36a)の上に分布した複数のフック(39)を有することを特徴とする請求項4又は5に記載のタービンリングアセンブリ。

請求項7

前記リング支持構造は、タービンケーシング(130)上に取り付けられている環状保持バンド(150)を含み、前記環状保持バンド(150)は、前記リング支持構造(103)のフランジ(154)の一方を形成する環状ウェブ(157)を含むことと、前記環状保持バンド(150)は、前記前記環状保持バンド上に円周方向に分布している第1の組の歯(152)を有し、前記タービンケーシング(130)は、前記タービンケーシング上に円周方向に分布している第2の組の歯(135)を有し、前記第1の組の歯(152)の歯と前記第2の組の歯(153)の歯は、一体的に、円周方向ツイストロックジョー継手を形成することとを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のタービンリングアセンブリ。

請求項8

前記タービンケーシング(130)は、前記タービンケーシングのシュラウド(138)と前記リング支持構造(103)の前記環状保持バンド(150)との間を延びる環状突起(131)を含むことを特徴とする請求項7に記載のタービンリングアセンブリ。

技術分野

0001

本発明の適用分野は、特にガスタービン航空エンジンに関する。しかし、本発明は、例えば産業用タービン等の他のタービンエンジンにも適用可能である。

背景技術

0002

セラミックマトリックス複合物CMC)材料が、高温度においてその材料の機械的特性を維持することが知られており、及び、このことが、CMC材料高温構造要素を構成するために適したものにする。

0003

ガスタービン航空エンジンでは、効率を改善するために、及び、特定の汚染排出物質を減少させるために、より高温度における動作が求められている。全体が金属で作られているタービンリングアセンブリの場合には、典型的にはその金属材料が耐えることが可能である温度よりも高い温度において、そのアセンブリの要素のすべてを冷却することと、特に非常に高温度の噴流を受けるタービンリングを冷却することとが必要である。こうした冷却は、使用される冷却流エンジンを通過する主噴流から取り出されるので、エンジンの性能に大きな影響を与える。このことに加えて、タービン内の温度の上昇が航空エンジンの性能を向上させることを可能にするにも係わらず、タービンリングのための金属の使用が、タービン内の温度増大の可能性を制限する。

0004

これが、特に、従来において使用されている耐熱性金属密度よりも低い密度という付加的な利点をCMCがもたらすので、エンジンの様々な高温部分のためにCMCを使用することがすでに想定されていることの理由である。

0005

したがって、CMCによって一体構造のタービンリングセクター(turbine ring sector)を形成することが、特に、ある特許文献に説明されている(例えば、特許文献1参照。)。このリングセクターは、タービンリングの内側面を形成する内面と、リングサポート(ring support)の金属構造ハウジング内に係合させられる端部を有する2つのタブ形成部分がそれから延びる外面とを有する、環状基部を備える。

0006

CMCリングセクターの使用が、タービンリングを冷却するために必要とされる通気量を著しく減少させることを可能にする。しかし、特に、金属支持構造とCMCリングセクターとの間で生じる可能性がある膨張差(differential expansion)に直面する時に、リングセクターを所定位置に保持することが依然として問題のままである。さらに、別の問題が、強制された移動によって発生させられる応力に存する。さらに、ローターホイール(rotor wheel)のブレードの先端とリングセクターの内側面との間の接触の発生時にさえ、リングセクターが所定位置に保持される必要がある。

先行技術

0007

米国特許出願公開第2012/0027572号明細書

0008

本発明はこうした欠点を回避することを目的とし、及び、この目的のために、本発明は、タービンリングを形成するセラミックマトリックス複合物材料で作られている複数のリングセクターと、さらに、第1及び第2の環状フランジを有するリング支持構造との両方を備える、タービンリングアセンブリを提案し、このタービンリングアセンブリでは、各々のリングセクターは、タービンリングの内側面を形成する内面と、第1及び第2のタブがそれから半径方向に延びる外面とを有する、環状基部を形成する部分を有し、及び、各リングセクターのタブは、リング支持構造の2つの環状フランジの間に保持され、及び、リングセクターの第1及び第2のタブの各々は、リング支持構造の第1の環状フランジと第2の環状フランジとにそれぞれに面するそのタブの面の中に、環状溝を有し、及び、リング支持構造の第1及び第2の環状フランジの各々は、一方のリングセクタータブに面するそのフランジの面上に環状突起を有し、及び、第1のフランジの環状突起は、各リングセクターの第1のタブの環状溝の中に受け入れられ、一方、第2のフランジの環状突起は、各リングセクターの第2のタブの環状溝の中に受け入れられ、及び、少なくとも1つの弾性要素が、第1のフランジの環状突起と第1のタブの環状溝との間と、さらには、第2のフランジの環状突起と第2のタブの環状溝との間とに挿入されている。各々の弾性要素は、リングセクターの第1のタブ又は第2のタブの中に存在している溝の頂部壁と、リング構造の第1のフランジ又は第2のフランジの環状突起の頂部壁との間に挿入されているか、又は、各々の弾性要素は、リングセクターの第1のタブ又は第2のタブの中に存在している溝の底部壁と、リング構造の第1のフランジ又は第2のフランジの環状突起の底部壁との間に挿入されている。

0009

リングセクターのための上記取り付け形状を使用することによって、及び、フランジの突起とリングセクターのタブの中の溝との間に弾性要素を挿入することによって、リングセクターと支持構造との間の膨張差が生じる場合にさえも、リングセクターが所定位置に保持され、及び、こうした膨張が、保持が弾性的であることによって補償されることが確実なものにされる。

0010

本発明のタービンリングアセンブリの一実施態様では、各々の弾性要素が、一方の環状突起とこれに対応する溝との間に弾性的な予応力(prestress)を伴って取り付けられている、分割環カラー(split annular collar)によって形成されている。

0011

本発明のタービンリングアセンブリの別の実施態様では、各々の弾性要素は、波形の形状を有する剛体材料の少なくとも1つのストリップによって形成されている。この状況においては、弾性要素は波形シートによって形成されてもよい。

0012

本発明のタービンリングアセンブリの特有の特徴では、リング支持構造の2つの環状フランジの突起は、リングセクターのタブの環状溝上に応力を及ぼし、及び、リング支持構造のフランジの一方が、タービンリングの軸線方向に弾性変形可能である。

0013

フランジの突起を介してリングセクターのタブ上に応力を及ぼすフランジの相互間にリングセクターを保持し、これが、弾性変形可能であるリング支持構造のフランジによって行われることによって、フランジとタブとが高温度にさらされる時にさえ、接触がさらに増強され、及び、したがって、フランジとタブとの間のシーリング強化される。特に、リング構造のフランジの一方が弾性変形可能であることが、「低温(cold)」時にリングセクターのタブ上にフランジによって及ぼされる応力を大きく増大させることなしに、CMCリングセクターのタブと金属製のリング支持構造のフランジとの間の膨張差を補償することを可能にする。

0014

特に、リング支持構造の弾性変形可能なフランジは、リング支持構造の他方のフランジの厚さよりも薄い厚さを有してもよい。

0015

本発明のタービンリングアセンブリの別の側面では、このタービンリングアセンブリは、さらに、リング支持構造の少なくとも一方の環状フランジと、この少なくとも一方の環状フランジに面するリングセクターのタブとの両方の中に係合している、複数の止めくぎ(peg)を備える。これらの止めくぎは、リング支持構造内でのリングセクターのあらゆる発生可能な回転を防止する働きをする。

0016

本発明のタービンリングアセンブリの別の側面では、リング支持構造の弾性変形可能なフランジは、リングセクターのタブに面するそのフランジの面とは反対側に位置する、そのフランジの面の上に分散した複数のフックを有する。フックの存在が、フランジ相互間をタブが滑動するようにタブを強制的に移動させる必要なしに、その弾性変形可能なフランジの相互間にリングセクターのタブを挿入するために、弾性変形可能なフランジを離れるように移動させることを容易にすることを可能にする。

0017

本発明のタービンリングアセンブリの別の実施態様では、リング支持構造が、タービンケーシング上に取り付けられている環状保持バンドを含み、及び、この環状保持バンドは、リング支持構造の一方のフランジを形成する環状ウェブを含む。この環状保持バンドは、上記環状保持バンド上に円周方向に分布している第1の組の歯(tooth)を有し、及び、タービンケーシングは、上記ケーシング上に円周方向に分布している第2の組の歯を有し、及び、第1の組の歯の歯と第2の組の歯の歯は、一体的に、円周方向ツイストロックジョー継手(circumferential twist−lock jaw coupling)を形成する。ツイストロックジョー継手によるこの連結が、リングセクターが容易に取り付け及び取外しされることを可能にする。

0018

本発明のタービンリングアセンブリの別の側面では、タービンケーシングは、タービンケーシングのシュラウドとリング支持構造の環状保持バンドとの間を延びる環状突起を含む。この環状突起は、タービンケーシングと環状保持バンドとの間で上流から下流へ漏洩を防止する。

0019

本発明は、添付図面を参照しながら、非限定的な例示の形で示されている以下の説明を了解することによって、より適切に理解されることが可能である。

図面の簡単な説明

0020

本発明のタービンリングアセンブリの一実施形態を示す半径方向の片側断面図を示す。
図1のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図1のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図1のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図1のタービンリングアセンブリの別の実施形態を示す部分的な片側断面図である。
本発明のタービンリングアセンブリの一実施形態を示す半径方向の片側断面図である。
図6のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図6のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図6のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図6のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図6のタービンリングアセンブリのリング支持構造内にリングセクターがどのように取り付けられているかを示す説明図である。
図6図8−11との保持バンドの概略的な斜視図である。

実施例

0021

図1高圧タービンのためのリングアセンブリを示し、このアセンブリは、金属リング支持構造3と共にセラミックマトリックス複合物(CMC)材料で作られているタービンリング1を備える。このタービンリング1は1組の回転ブレード5を取り囲む。タービンリング1は複数のリングセクター10によって形成されており、及び、図1は、2つの連続したリングセクターの間を通過する平面上の半径方向の片側断面図である。矢印DAがタービンリング1に対する軸方向を示し、一方、矢印DRがタービンリング1に対する半径方向を示す。

0022

各々のリングセクター10は、概ね逆さの文字Πの形状である断面を有し、環状基部12が、タービンの中を通る気体流のための流路を形成する、摩耗性材料の層13の形で被覆された内面を有する。上流タブ14と下流タブ16は、半径方向DRに環状基部12の外面から延びる。術語「上流の」及び「下流の」は、本明細書では、タービンの中を通る気体流の流れ方向(矢印F)を基準として使用されている。

0023

リング支持構造3が、リングセクター10の上流タブ14に面するそのフランジの面の上に突起34を有する上流環状半径方向フランジ32を有する、タービンケーシング30に固定されており、及び、突起34が、上流タブ14の外面14a内に存在している環状溝140内に受け入れられている。下流側では、リング支持構造は、リングセクター10の下流タブ16に面するそのフランジの面の上に突起38を有する下流環状半径方向フランジ36を有し、及び、突起38は、下流タブ16の外面16a内に存在している環状溝160内に受け入れられている。

0024

詳細に後述するように、各々のリングセクター10のタブ14とタブ16は、少なくとも「低温」時に、即ち、約25℃の周囲温度において、フランジがタブ14とタブ16とに応力を及ぼすように、環状フランジ32、36の間に予応力を伴って取り付けられている。

0025

さらに、ここで説明している具体例では、リングセクター10は、さらに、閉塞止めくぎ(blocking peg)によっても保持されている。さらに具体的に述べると、図1に示されているように、止めくぎ40は、リング支持構造3の上流環状半径方向フランジ32と、リングセクター10の上流タブ14との両方の中に係合している。このために、各々の止めくぎ40は、上流環状半径方向フランジ32内に形成されているそれぞれのオリフィス33と、上流タブ14内に形成されているそれぞれのオリフィス15との中を通過し、及び、オリフィス33、15は、リング支持構造3上にリングセクター10を取り付ける時に、互いに整合させられる。同様に、止めくぎ41は、リング支持構造3の下流環状半径方向フランジ36と、リングセクター10の下流タブ16との両方の中に係合している。このために、各々の止めくぎ41は、下流環状半径方向フランジ36内に形成されているそれぞれのオリフィス37と、下流タブ16内に形成されているそれぞれのオリフィス17との中を通過し、オリフィス37、17は、リング支持構造3上にリングセクター10を取り付ける時に、互いに整合させられる。

0026

さらに、セクター相互間のシーリングが、2つの互いに隣接するリングセクターの対向する端縁内において互いに面する溝の中に受け入れられているシーリングタング(sealing tongue)によって実現される。タング22aが、環状基部12の中央部分内において環状基部12の概ね全長にわたって延びる。別のタング22bがタブ14に沿って且つ環状基部12の一部分上を延びる。別のタング22cがタブ16に沿って延びる。タング22cはその一方の端部においてタング22aとタング22bに対して当接する。タング22a、22b、22cは、例えば金属で作られており、及び、使用中に遭遇する温度においてシーリング機能が実現されることを確実なものにするために、これらのタングのハウジング内に低温時に隙間なしに取り付けられている。

0027

従来通りの形で、フランジ32内に形成されている通気オリフィス32aが、タービンリング10の外側を冷却するために冷却空気配送されることを可能にする。

0028

本発明では、少なくとも1つの弾性要素が、リング支持構造の環状フランジの突起の各々とリングセクターのタブ内の環状溝の各々との間に挿入されている。さらに明確に述べると、ここで説明している実施形態では、分割環状カラー60が、リングセクター10の上流タブ14の外面14a内に存在している溝140の頂部壁142と、上流環状半径方向フランジ32の突起34の頂部面34cとの間に挿入されており、及び、分割環状カラー70が、リングセクター10の下流タブ16の外面16a内に存在している溝160の頂部壁162と、下流環状半径方向フランジ36の突起38の頂部面38cとの間に挿入されている。分割環状カラー60、70は、それぞれに自由状態にある時に、即ち、取り付け前に、環状溝140、160の頂部壁142、162によって形成されている半径よりも大きい半径を有するので、弾性である要素を構成する。分割環状カラー60、70は例えばレネ41合金で作られてもよい。取り付け前に、溝140、160内にカラー60、70を挿入することが可能であるように、カラー60、70を締めてその半径を縮小させるために、弾性応力がカラー60、70に加えられる。カラー60、70は、溝140、160内に入れられ終わると、膨張して、環状溝140、160の頂部壁142、162に対して当接する。したがって、カラー60、70は、リング支持構造3上の所定位置にリングセクター10を保持する働きをする。さらに明確に述べると、カラー60、70は、半径方向DRに方向付けられている保持力Fmをリングセクター10上に及ぼし、及び、この保持力は、第1に、上流環状半径方向フランジ32の突起34の底部面34bと上流タブ14の溝140の底部壁143との間の接触と、第2に、下流環状半径方向フランジ36の突起38の底部面38bと上流タブ16の溝160の底部壁163との間の接触とを確実なものにする働きをする(図1)。

0029

次に、図1に示されているタービンリングアセンブリに対応する、タービンリングアセンブリを形成する方法を説明する。

0030

上述したリングセクター10の各々は、リングセクターの形状に類似した形状の繊維プリフォームを形成することによって、及び、セラミックマトリックスによってリングセクターを高密度化することによって、セラミックマトリックス複合物(CMC)材料で作られている。

0031

繊維プリフォームを形成するために、例えば、日本の原料供給会社である日本カーボン株式会社によって名称「ニカロン」で販売されているSiC繊維ヤーン、又は、炭素繊維で作られているヤーン等の、セラミック繊維で作られているヤーンを使用することが可能である。

0032

繊維プリフォームは、有利には、3次元製織によって、又は、多層製織によって作られ、及び、非相互連結区域(zone of non−interlinking)が、タブ14、16に対応するプリフォームの一部分がセクター10から離れる形に動かされることを可能にするように配置されている。

0033

製織は、示されているインターロックタイプであってもよい。例えばマルチプレイン製織(multi−plain weave)又はマルチサテン製織(multi−satin weave)等の、他の3次元製織又は多層製織が使用されてもよい。国際公開第WO 2006/136755号パンフレットを参照されたい。

0034

製織の後に、ブランクが、セラミックマトリックスによって強化され且つ高密度化されるリングセクターのプリフォームを得るために、成形されてもよく、及び、高密度化が、特に、それ自体としては公知である化学蒸気浸透法CVI)によって行われることが可能である。

0035

CMCリングセクター製造の詳細な具体例が、特に、米国特許出願公開第US 2012/0027572号明細書に説明されている。

0036

リング支持構造3は、Waspaloy(商標)合金又はInconel 718等の金属材料で作られている。

0037

タービンリングアセンブリの形成の次に、リング支持構造3上にリングセクター10を取り付けることが行われる。図2に示されているように、上流環状半径方向フランジ32の環状突起34の端部34aと、下流環状半径方向フランジ36の環状突起38の端部38aとの間の間隔Eが、「休止状態」である時に、即ち、リングセクターがフランジの相互間に取り付けられていない時に、それぞれにリングセクターの上流タブ14内と下流タブ16内とにおいて環状溝140、160の末端壁141、161の間に存在している距離Dよりも小さい。

0038

各々のリングセクターのタブの溝の末端壁の相互間の距離Dよりも小さいリング支持構造のフランジの突起の相互間の間隔Eを形成することによって、リング支持構造のフランジの間にリングセクターを予応力を伴って取り付けることが可能である。しかし、取り付け中にCMCリングセクターのタブを損傷させることを防止するために、本発明では、リング支持構造は、リングの軸方向DAに弾性変形可能である少なくとも1つの環状フランジを含む。ここで説明している具体例では、弾性変形可能であるのは環状下流半径方向フランジ36である。詳細に述べると、リング支持構造3の環状下流半径方向フランジ36は、環状上流半径方向フランジ32に比較してより小さい厚さを有し、及び、このことが、ある程度の弾性を環状下流半径方向フランジ36に与える。

0039

リング支持構造3上にリングセクター10を取り付ける前に、分割カラー60、70が、それぞれに、環状半径方向フランジ32、36の突起34、38の頂部壁34c、38cに接触して配置される。

0040

その次に、リングセクター10は、リング支持構造3に互いに連続的に取り付けられる。リングセクター10を取り付けている最中に、リングセクター10に損傷を生じさせる危険性なしに、フランジ32、36上にそれぞれに存在している突起34、38が、タブ14、16内に存在している溝140、160の中に挿入されることを可能にするように、フランジ32とフランジ36との間の間隔を増大させるために、下流環状半径方向フランジ36が、図3図4に示されているように方向DAに引っ張られる。フランジ14、16の突起34、38がタブ14、16の溝140、160の中に挿入され、且つ、上記タブ14、16が、オリフィス33、15と、オリフィス17、37とを整合させるように位置決めされた後に、フランジ36が釈放される。その次に、フランジ32、36のそれぞれの突起34、38が、リングセクターのタブ14、16上に軸方向の応力(方向DA)を及ぼし、一方、カラー60、70がリングセクターのタブ14、16上に半径方向の応力を及ぼす(方向DR)。引張りによって下流環状半径方向フランジ36を遠ざかるように移動させることをより容易にするために、下流環状半径方向フランジ36は、その面36a全体上に分布している複数のフック39を有し、及び、この面は、リングセクター10の下流タブ16に面するフランジ36の面36bの反対側に位置している(図3)。この具体例では、弾性変形可能なフランジ36上に及ぼされるリングの軸方向DAにおける引張りが、少なくとも1つのアーム51を有する道具50によって加えられ、及び、この道具50の端部は、フランジ36の外面36a上に存在しているフック39の中に係合させられるフック510を含む。

0041

フランジ36の面36a上に分布しているフック39の個数が、フランジ36上に有することが望まれている牽引箇所(traction point)の個数に応じて決定される。この個数は、主としてフランジの弾性特性に依存している。当然であるが、本発明の範囲内で、リング支持構造の一方のフランジ上に軸方向DAにおいて牽引が及ぼされることを可能にする、他の形状と構成である手段を想定することが可能である。

0042

リングセクター10がフランジ32、36の間に挿入及び位置決めされた後に、止めくぎ40が、環状上流半径方向フランジ32と上流タブ14との中にそれぞれに形成されている互いに整合したオリフィス33、15の中に係合させられ、及び、止めくぎ41が、環状下流半径方向フランジ36と下流タブ16との中にそれぞれに形成されている互いに整合したオリフィス37、17の中に係合させられる。リングセクターのタブ14、16の各々は、閉塞止めくぎを通過させるための1つ又は複数のオリフィスを備えてもよい。

0043

別の実施形態では、カラー60、70が、リングセクターのタブ内の溝の底部壁と環状半径方向フランジ上の突起の底部面との間に配置されてもよい。図5は、リングセクター10の上流タブ14と、リング支持構造3の上流環状半径方向フランジ32とに関する、この別の実施形態を示す。図5では、カラー60は、リングセクター10の上流タブ14内の溝140の底部壁143と、上流環状半径方向フランジ32の突起34の底部面34bとの間に配置されている。カラー60は、半径方向DRに方向付けられている保持力Fmを及ぼし、この保持力Fmは、まず第1に、上流タブ14内の溝140の頂部壁142と上流環状半径方向フランジ32の突起34の頂部面34cとの間の接触を確実なものにする働きをする。

0044

図6は、本発明の別の実施形態による高圧タービンのためのリングアセンブリを示す。上述したように、この高圧タービンリングアセンブリは、セラミックマトリックス複合物(CMC)材料で作られているタービンリング101と、金属製のリング支持構造103とを備える。タービンリング101が1組の回転ブレード105を取り囲む。このタービンリング101は、複数のリングセクター110によって構成されており、及び、図6は、2つの連続的なリングセクターの間に位置する平面上の半径方向断面図である。矢印DAがタービンリング101に対する軸方向を示し、及び、矢印DRが、タービンリング101に対する半径方向を示す。

0045

各々のリングセクター110が、概ね逆さの文字Πの形状である断面を有し、環状基部112が、タービンの中を通る気体流のための流路を形成する、摩耗性材料の層113の形に被覆された内面を有する。上流タブ114と下流タブ116は、半径方向DRに環状基部12の外面から延びる。術語「上流の」及び「下流の」は、本明細書では、タービンの中を通る気体流の流れ方向(矢印F)を基準として使用されている。

0046

リング支持構造103は、2つの部分によって、即ち、タービンケーシング132と共に一体的に形成されていることが好ましい、上流環状半径方向フランジ132に対応する第1の部分と、タービンケーシング130上に取り付けられている環状保持バンド150に対応する第2の部分とによって構成されている。上流環状半径方向フランジ132は、リングセクター110の上流タブ114に面するそのフランジの面上に突起134を有し、及び、突起134は、上流タブ114の外面114a内に存在している環状溝1140内に受け入れられる。下流側部では、バンド150は、リングセクター110の下流端部116に面するそのフランジの面上に突起155を有する下流環状半径方向フランジ154を形成する環状ウェブ157を備え、及び、この突起は、下流タブ116の外面116a内に存在している環状溝160内に受け入れられる。バンド150は軸方向に延びる環状本体151を有し、この環状本体151は、その上流側部上に環状ウェブ157を備え、及び、その下流側部上に、バンド150上に円周方向に分布しており且つ第1の係合通路153によって互いに間隔を開けられている第1の組の歯152を備える(図9図12)。タービンケーシング130は、その下流側部上に、タービンケーシング130のシュラウド138の内側表面から半径方向に延びる第2の組の歯135を有する。これらの歯135は、シュラウド138の内側表面138a上に円周方向に分布しており、及び、第2の係合通路136によって互いに間隔を開けられている(図9)。歯152、135は、円周方向ツイストロックジョー継手を形成するように互いに協働する。

0047

詳細に後述するように、少なくとも「低温」時に、即ち、約25℃の周囲温度において、フランジがタブ114、116上に応力を及ぼすように、各リングセクター110のタブ114、116は、予応力を伴って環状フランジ132、154の間に取り付けられる。

0048

さらに、ここで説明している具体例では、リングセクター110は、さらに、閉塞止めくぎによっても保持される。さらに明確に述べると、図6に示されているように、止めくぎ140は、リング支持構造103の上流環状半径方向フランジ132の中と、リングセクター110の上流タブ114の中との両方に係合させられている。このために、各々の止めくぎ140は、上流環状半径方向フランジ132内に形成されているそれぞれのオリフィス133と、上流タブ114内に形成されているそれぞれのオリフィス115との中を通過し、及び、オリフィス133、115は、リング支持構造103上にリングセクター110を取り付ける際に整合させられる。同様に、止めくぎ141は、バンド150の下流環状半径方向フランジ154の中と、リングセクター110の下流タブ116の中との両方に係合させられている。このために、各々の止めくぎ141は、下流環状半径方向フランジ154内に形成されているそれぞれのオリフィス156と、下流タブ116内に形成されているそれぞれのオリフィス117との中を通過し、及び、オリフィス156、117は、リング支持構造103上にリングセクター110を取り付ける際に整合させられる。

0049

これに加えて、セクター相互間のシーリングが、2つの互いに隣接するリングセクターの対向端縁において互いに面する溝の内に収容されているシーリングタング(sealing tongue)によって実現される。タング122aが、環状基部112の中央部分内においてその環状基部112の概ね全長にわたって延びる。別のタング122bが、タブ114に沿って、且つ、環状基部112の一部分にわたって延びる。別のタング122cがタブ116に沿って延びる。タング122cは、一方の端部において、タング122aとタング122bとに対して当接する。例えば、タング122a、122b、122cは、金属で作られており、及び、運転中に遭遇させられる温度においてシーリング機能を果たすために、低温時に隙間を有するように、これらのタングのハウジング内に取り付けられている。

0050

従来通りに、フランジ132内に形成されている通気オリフィス132aが、タービンリング110の外側を冷却するための冷却空気を搬送する働きをする。

0051

これに加えて、タービンリングアセンブリの上流と下流との間のシーリングが環状突起131によって実現され、及び、この環状突起131は、タービンケーシング103のシュラウド138の内側面138aから半径方向に延びており、且つ、バンド150の本体151の表面と接触しているその自由端部を有する。

0052

本発明では、少なくとも1つの弾性要素が、リング支持構造の環状フランジの各突起と、リングセクターのタブ内の環状溝の各々との間に挿入されている。より明確に述べると、ここで説明している具体例では、分割環状波形シート170が、リングセクター110の上流タブ114の外面114a内に存在している溝1140の頂部壁1142と、上流環状半径方向フランジ132の突起134の頂部面134cとの間に挿入されており、一方、分割環状波形シート180が、リングセクター110の下流タブ116の外面116a内に存在している溝1160の頂部壁1162と、下流環状半径方向フランジ154の突起155の頂部面155cとの間に挿入されている。環状波形シート170、180は弾性要素を構成する。環状波形シート170、180は、特に、レネ41合金等の金属材料で作られてもよく、又は、SiC/B自己回復マトリックスによって高密度化されている炭素繊維補強材によって構成されているA500タイプの材料等の複合物材料で作られてもよい。波形シート170、180は、環状溝1140、1160及び突起134、155と交互に接触する。したがって、波形シート170、180は、リング支持構造103上の所定位置にリングセクター110を保持する働きをする。さらに明確に述べると、波形シート170、180は、第1に、(シート170の場合に)上流タブ114の溝1140の頂部壁1142と、上流環状半径方向フランジ132の突起134の頂部面134cとの間で、及び、第2に、(シート180の場合に)上流タブ116の溝1160の頂部壁1162と、下流環状半径方向フランジ154の突起155の頂部面155cとの間で、交互の接触点を介して、半径方向DRにリングセクター110を弾性的に保持する働きをする。

0053

次に、図6に示されているタービンリングアセンブリに対応する、タービンリングアセンブリを形成する方法を説明する。

0054

上述したリングセクター110の各々は、リングセクターの形状に類似した形状の繊維プリフォームを形成することによって、及び、セラミックマトリックスによってリングセクターを高密度化することによって、セラミックマトリックス複合物(CMC)材料で作られている。

0055

繊維プリフォームを形成するために、例えば、日本の原料供給会社である日本カーボン株式会社によって名称「ニカロン」で販売されているSiC繊維ヤーン、又は、炭素繊維で作られているヤーン等の、セラミック繊維で作られているヤーンを使用することが可能である。

0056

繊維プリフォームは、有利には、3次元製織によって、又は、多層製織によって作られ、及び、非相互連結区域が、タブ114、116に対応するプリフォームの一部分がリングセクター110から離れる形に動かされることを可能にするように構成されている。

0057

製織は、示されているように、インターロックタイプであってもよい。例えばマルチプレイン製織又はマルチサテン製織等の、他の3次元製織又は多層製織が使用されてもよい。国際公開第WO 2006/136755号パンフレットを参照されたい。

0058

製織の後に、ブランクが、セラミックマトリックスによって強化され且つ高密度化されるリングセクターのプリフォームを得るために、成形されてもよく、及び、高密度化が、特に、それ自体としては公知である化学蒸気浸透法(CVI)によって行われることが可能である。

0059

CMCリングセクター製造の詳細な具体例が、特に、米国特許出願公開第US 2012/0027572号明細書に説明されている。

0060

リング支持構造103は、Waspaloy(商標)合金又はInconel 718等の金属材料で作られている。

0061

タービンリングアセンブリの形成の次に、リング支持構造103上にリングセクター110を取り付けることが行われる。図7図8とに示されているように、上流環状半径方向フランジ132内と上流タブ114内とにそれぞれに形成されている整合させられたオリフィス133、115内に係合させられている止めくぎ140によって、リング支持構造103の上流環状半径方向フランジ132に対して、上流タブ114を介して、リングセクター110が最初に締め付け固定され、及び、環状波形シート170は、上流環状半径方向フランジ132の突起134の頂部面134cに対して接触する形で予め配置されている。フランジ132上に存在する突起134は、タブ114内に存在している溝1140内に係合させられている。

0062

リングセクター110のすべてがこのようにして上流環状半径方向フランジ132上に締付け固定され終わった後に、環状保持バンド150が、タービンケーシング103とリングセクター110の下流タブ116との間に、ツイストロックジョー継手によってアセンブリされる。ここで説明している実施形態では、バンド150の環状ウェブ157によって形成されている上流環状半径方向フランジ154と上記バンドの歯152の外側表面152aとの間の間隔Eが、リングセクターの下流タブ116内の溝1160の端部壁1161とタービンケーシング130上に存在している歯135の内面135bとの間に存在する距離Dよりも大きい(図8)。

0063

リングセクターの下流タブ内の溝の端部壁とタービンケーシング上に存在している歯の内面との間の距離Dよりも大きい、上流環状半径方向フランジと上記バンドの歯の外側表面との間の間隔Eを形成することによって、リング支持構造のフランジの相互間にリングセクターを予応力を伴って取り付けることが可能である。しかし、取り付け中にリングセクターのCMCタブに損傷を与えることを防止するために、及び、本発明によって、リング支持構造は、リングの軸方向DAに弾性変形可能である少なくとも1つの環状フランジを含む。ここで説明している具体例では、弾性変形可能であるのはバンド150上に存在している下流環状半径方向フランジ154である。明確に述べると、リング支持構造103の下流環状半径方向フランジ154を形成する環状ウェブ157は、上流環状半径方向フランジ132の厚さよりも薄い厚さを有し、これによって下流環状半径方向フランジ154に対して一定の度合いの弾性を与える。

0064

図9図10図11とに示されているように、バンド150の上流環状半径方向フランジ154の突起155の頂部面155cに接触する形に環状波形シート180を配置することによって、及び、下流タブ116内に存在している溝1160内に突起155を係合させることによって、バンド150がタービンケーシング130上に取り付けられる。ツイストロックジョー継手によってバンド150を締付け固定するために、バンド150上の歯152が、最初に、タービンケーシング130内に形成されている係合通路136に面する形に位置決めされ、及び、上記タービンケーシング上に存在している歯135が、同様に、バンド150上の歯152の相互間に形成されている係合通路153に面する形で配置される。間隔Eが距離Dよりも大きいので、歯135、152の幅に実質的に対応する角度をバンドが回転Rさせられることを可能にするように、歯135を越えて歯152を係合させるために、図10に示されている方向にバンド150上に軸方向の力FAを加えることが必要である。このようにバンド150を回転させた後に、バンド150が釈放され、及び、その次に、このバンド150は、リングセクター110の上流タブ116とタービンケーシング130の歯135の内側表面135bとの間に、軸方向の応力によって保持される。

0065

バンドがこのように所定位置に位置決めされた後に、止めくぎ141が、下流環状半径方向フランジ154内と下流タブ116内とにそれぞれに形成されている整合させられたオリフィス156、117内に係合させられる。リングセクターのタブ114、116の各々は、閉塞止めくぎを通過させるための1つ又は複数のオリフィスを含んでもよい。

0066

別の実施形態では、波形シート170、180は、リングセクターのタブの中の溝の底部壁と環状半径方向フランジの突起の底部面との間に配置されてもよい。この状態では、波形シート170、180は、第1に、(シート170の場合に)、上流タブ114の溝1140の底部壁1143と上流環状半径方向フランジ132の突起134の底面134bとの間での、及び、第2に、(シート180の場合に)、上流タブ116の溝1160の底部壁1163と、下流環状半径方向フランジ154の突起155の底面155bとの間での交互の接触点によって、半径方向DRにリングセクター110の弾性的保持を実現する。

0067

1タービンリング
3リング支持構造
10リングセクター
14上流タブ
15オリフィス
16 下流タブ
17 オリフィス
32上流環状半径方向フランジ
33 オリフィス
34環状突起
36 下流環状半径方向フランジ
37 オリフィス
38 環状突起
40 止めくぎ
41 止めくぎ

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