JP4794420B2 - ターボエンジン用の改良されたブレードステータ - Google Patents

Description

本発明はターボエンジンの分野、特にターボエンジン用の改良されたブレードステータに関する。

航空ターボエンジンは従来、圧縮機、燃焼チャンバ、およびタービンを備える。タービンの役割は、燃焼チャンバから出る高温ガスの圧力エネルギーの一部を捕らえ、それを機械エネルギーに変換することによって、圧縮機の回転駆動をもたらすことにある。

燃焼チャンバの下流に位置するタービンは、最も厳しい条件で機能するターボエンジンの要素である。特に、この要素は、燃焼チャンバから出る高温ガスによって生成される大きな熱応力および機械応力を受ける。

軸流タービンは従来、ターボエンジンのハウジングに対して固定された１列のブレードからなる少なくとも１つのステータと、回転するように設定することが可能な１組のブレードを備える少なくとも１つのロータディスクとを備える。

ステータブレードは一般に、内部シュラウドと外部シュラウドと呼ばれる同心の２つの環状シュラウド上のターボエンジンの回転軸に対して放射状に固定され、ブレードの一方端部は内部シュラウドに連結され、ブレードの他方端部は外部シュラウドに連結される。

ステータは複数のセクタに分割することができ、各セクタに複数のブレードが設けられる。ターボエンジン上で、ステータセクタは固定された環状ハウジングに固定される。端部同士が連結された複数の同一セクタを、固定された環状ハウジング上の輪に取り付けることによって、ステータを再構成することが可能になる。ステータセクタは、ターボエンジンの回転軸と同軸である旋回軸を備える。

ステータセクタでは、内部シュラウドおよび外部シュラウド部分はそれぞれ、内部プラットフォーム、外部プラットフォームと呼ばれる。内部プラットフォームと外部プラットフォームの間で画定される空間は、燃焼チャンバから出る空気が流れる気流を構成する。

これらのプラットフォームは、気流に直接露出される部分と、他方の非露出部分とを備える。その結果、気流の範囲を定める面などの高温ガスに露出される部分は、以下に詳しく述べるフランジなどの非露出部分よりも急速に膨張する。

さらにプラットフォームはブレードよりも硬質の部片である。したがって、プラットフォームはブレードよりも大きな熱慣性を有し、それによって２つの結果が生まれる。温度上昇の影響下、一方ではブレードがプラットフォームよりも急速に膨張し、他方ではプラットフォームがその変形をブレードに課す。この現象は、バイメタル効果とも呼ばれる。

ターボエンジンが装備された航空機飛行の様々な局面で、ステータは加熱と冷却を受けるが、それが内部プラットフォームと外部プラットフォームを変形させる。これらの変形の影響下、ステータブレードは連続して牽引と圧縮を受け、その結果、ブレードの耐用年数にとって致命傷となる亀裂が現れる。

これらの問題を解決するために、従来技術から知られている解決法は、あまり硬質でないプラットフォームを備えるステータセクタを設計することにある。しかし、ステータセクタの機械的挙動がそれによって影響を受けることから、この解決法は満足とは程遠いものである。
米国特許第３７８１１２５号明細書 米国特許第６２１０１０８号明細書

本発明の目的は、上述の問題を、より可撓性のあるステータを提供することによって解決することにある。

この目的のために、本発明は、内部プラットフォームと外部プラットフォームとを備えるターボエンジン用のブレードステータセクタであり、上記プラットフォーム同士の間に少なくとも１つのブレードが固定され、上記プラットフォームの少なくとも一方が、プラットフォームに固定された第１端部と第２の自由端部とを有する少なくとも１つのフランジを備える、ブレードステータセクタであって、上記フランジが少なくとも１つの可撓性を高める遊離型切抜部を備えるブレードステータセクタに関する。

フランジは、放射状フランジまたは半円筒状フランジのいずれであってもよい。

本発明によると、この切抜部は非開口の形に作られる。

有利に、このような切抜部は、知られている様々な加工技術によって既に存在するステータセクタに容易に加えることができる。したがって、既に市販されているステータセクタの可撓性を高めることが可能である。

したがって、本出願は、ステータセクタの可撓性を高める方法であって、ステータセクタの少なくとも１つのフランジ内に少なくとも１つの非開口型切抜部を加工することからなる方法に関する。

添付図面を参照して、限定しない例としてここに掲げるこの記述の残りの部分を読めば、本発明がより良く理解され、本発明の他の特徴および利点が明らかになろう。

図１は、ターボエンジンに据え付けられたステータセクタ１の断面図を示す。内部プラットフォーム３と外部プラットフォーム４の間で、少なくとも１つの案内ブレード２がこのステータセクタ１に、上記ステータセクタ１の旋回軸Ｘに対して放射状に固定される。旋回軸Ｘと直角に交差する放射軸Ｙには、内部プラットフォーム３が、この軸Ｘから外部プラットフォーム４よりも小さな間隔しか置かずに位置する。

このブレード２は、燃焼チャンバから出る高温ガスに直接曝される。プラットフォーム３と４は、燃焼チャンバから出る空気に直接曝される部分、特に気流１２の範囲を定める面３ａおよび４ａと、この空気に曝されない他の部分とを備える。

安定した動作を備えたターボエンジンが機能している間、ステータセクタ１の様々な部分にわたって、恒久的な温度勾配があり、それがこのステータセクタ１に恒久的な変形をもたらす。

過渡運転で、即ちターボエンジンの速度上昇による加熱中、またはこの速度の低下による冷却中に、ステータセクタ１は漸進的な変形を受ける。

ターボエンジンの完全な機能動作の過程で、例えばこのようなターボエンジンを備える航空機の完全な飛行の過程で、これらの変形の結果、このステータセクタ１に亀裂が現れ、ターボエンジンに損傷が生じる可能性がある。

図２、図３、および図４はステータセクタ１の機能の異なった局面を示す。

図２は、休止中の、即ちターボエンジンが停止されているときのステータセクタ１を図式的に示す。熱応力または機械的応力のいずれもステータセクタ１に印加されない。

図３は加熱局面中のステータセクタ１を図式的に示す。飛行の過程で最も重要な加熱局面が、航空機の離陸時に観られる。この加熱局面の過程では、内部プラットフォーム３と外部プラットフォーム４は変形され、気流１２に曝されるそれらの面３ａと４ａは、この気流１２に面して凸面状になる傾向を有する。その結果、ステータセクタ１の中心に位置するブレード２ａは圧縮を受け、周囲に位置するブレード２ｂは牽引を受ける。

図４は冷却局面中のステータセクタ１を図式的に示す。反対に冷却局面の過程で、内部プラットフォーム３と外部プラットフォーム４は変形され、気流１２に曝されるそれらの面３ａと４ａは、この気流１２に面して凹面状になる傾向を有する。その結果、ステータセクタ１の中心に位置するブレード２ａは牽引を受け、周囲に位置するブレード２ｂは圧縮を受ける。

内部プラットフォーム３と外部プラットフォーム４の変形は、ステータセクタにおける亀裂の現れの一因となる。したがって、プラットフォーム３および４の変形を軽減して、ステータセクタ、特に、一般にステータセクタ１で耐用年数が最も短い部片であるブレード２の耐用年数を、延長する必要がある。

ステータセクタ１のプラットフォーム３または４は、図５および図６に示すように、放射状フランジとして知られる少なくとも１つのフランジ５、または少なくとも１つの半円筒状フランジ６を備えることができる。フランジ５または６は、プラットフォーム３または４に固定された第１端部５ａまたは６ａと、第２自由端部５ｂまたは６ｂ、即ちプラットフォーム３または４に固定されない端部とを備える。

放射状フランジ５は、ステータセクタ１の旋回軸Ｘと直角に交差する平面に延びる。放射状フランジ５は、ステータセクタ１のプラットフォーム３または４の近傍で軸方向のロックおよび密閉をもたらす。軸方向のロックとは、固定された環状ハウジング１３に対する、旋回軸Ｘと平行の方向の、ステータセクタ１のあらゆる並進運動を制限することである。

半円筒状フランジ６は、ステータセクタ１の旋回軸Ｘに対して円筒状に延びる。フランジは、ステータセクタに対応する円筒の一部分だけにわたって延びるということから半円筒状である。半円筒状フランジ６は、ステータセクタ１のプラットフォーム３または４の近傍で径方向のロックと密閉をもたらす。径方向のロックとは、旋回軸Ｘと直角に交差する放射軸Ｙの方向のステータセクタ１のあらゆる並進運動を制限することである。

これらのフランジの少なくとも１つのロック手段によって、固定された環状ハウジング１３に対する接線方向ロックが可能になるが、環状ハウジング１３は、この接線方向ロック手段と相互作用する相補手段を備える。接線方向ロックとは、ステータセクタ１が隣接するステータセクタに向かう、あらゆる側方運動を制限することである。

この接線方向ロック手段は、図５に示すターボエンジンの固定された環状ハウジング１３の相補ラグ８と交差することを目的とした切欠７であることができ、あるいは反対に、ターボエンジンの固定された環状ハウジング１３の相補切欠と相互作用することを目的としたラグであることができる。

本発明によると、ステータセクタ１の少なくとも１つのフランジ５または６は、少なくとも１つの非開口遊離型の可撓性を高める切抜部１０をさらに備えることができる。切抜部とは、一部片から材料を取り除いたものである。これは開口型または非開口型であってよい。本発明の意味では、「遊離型切抜部」とは、相補手段と相互作用することを目的としていない、例えば任意のロックをもたらさない切抜部として理解されるものである。

図５は、放射状フランジ５および半円筒状フランジ６を備えるステータセクタ１の外部プラットフォーム４を示す。これらのフランジ５または６は内部プラットフォーム３に存在することもできる。同じ原理によって機能する内部プラットフォーム３については詳しく述べない。

この実施例では、切抜部９は開口型であり、切欠９の形態である。これらの切欠９は、ステータセクタ１のプラットフォーム４の可撓性を高める。それらは上述のステータセクタ１の変形に対するブレードの感受性を軽減し、その耐用年数を延長することを可能にする。これらの遊離型の可撓性を高める切欠９は、フランジ５または６の第２自由端部５ｂまたは６ｂに位置することが好ましい。このような開口型切抜部は米国特許第３７８１１２５号明細書および米国特許第６２１０１０８号明細書から知られている。

図６は、放射状フランジ５および半円筒状フランジ６を備える、本発明によるステータセクタ１の外部プラットフォーム４を示す。

切抜部１０は非開口型である。これらの切抜部１０は、ステータセクタ１のフランジ５および６に作られた穴１０からなる。このような穴１０も同様に上述のステータセクタ１の変形に対する抵抗を高め、その耐用年数を延長することを可能にする。これらの穴１０は、フランジ５または６の、プラットフォーム３または４に固定された第１端部５ａまたは６ａに位置することが好ましい。

各ステータセクタ１は、ターボエンジンの固定された環状ハウジング１３に固定される。ステータセクタ１と環状ハウジング１３のアセンブリがブレードステータを構成する。

これらの切抜部１０は、知られている様々な加工技術によって得ることができる。これらの切抜部１０を、既存のステータセクタに有利に作ることができる。したがって、既に市販されているステータセクタの可撓性を高めることが可能である。

本出願は同様に、少なくとも１つのブレード２と、少なくとも１つのフランジ５または６とを備える、ステータセクタ１の可撓性を高める方法であって、ステータセクタ１の少なくとも１つのフランジ５または６内に、少なくとも１つの切抜部１０を加工することからなる方法にも関する。

ステータセクタが位置するターボエンジンの領域の断面図である。 休止中のステータセクタの線図である。 加熱局面中のステータセクタの線図である。 冷却局面中のステータセクタの線図である。 開口型切抜部を備えるステータセクタの外部プラットフォームの斜視図である。 本発明による非開口型切抜部を備えるステータセクタの外部プラットフォームの斜視図である。

１ ステータセクタ
２、２ａ、２ｂ ブレード
３ 内部プラットフォーム
３ａ、４ａ 気流の範囲を定める面
４ 外部プラットフォーム
５、６ フランジ
５ａ、６ａ 第１端部
５ｂ、６ｂ 第２自由端部
７ 切欠
８ 相補ラグ
９、１０ 切抜部
１２ 気流
１３ 環状ハウジング

Claims (11)

1. 内部プラットフォームと外部プラットフォームとを備えるターボエンジン用のブレードステータセクタであって、前記プラットフォーム同士の間に少なくとも１つのブレードが固定されており、前記プラットフォームの少なくとも一方が、プラットフォームに固定された第１端部と、第２の自由端部とを有する少なくとも１つのフランジを備えており、前記フランジが、可撓性を高める少なくとも１つの非開口で遊離型の切抜部を備えており、該可撓性を高める遊離型の切抜部は、フランジの厚みの減少によって形成されたものである、ブレードステータセクタ。
2. 切抜部が穴である、請求項１に記載のステータセクタ。
3. 穴がフランジの第１端部に位置する、請求項２に記載のステータセクタ。
4. フランジが、前記ステータセクタの旋回軸に対して半径方向平面に延びる、請求項１から３のいずれか一項に記載のステータセクタ。
5. フランジが、前記ステータセクタの旋回軸に対して半円筒状である、請求項１から４のいずれか一項に記載のステータセクタ。
6. 少なくとも１つの接線方向ロック手段を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のステータセクタ。
7. 接線方向ロック手段が切欠である、請求項６に記載のステータセクタ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の少なくとも１つのステータセクタを備える、ブレードステータ。
9. 請求項８に記載の少なくとも１つのステータを備える、タービン。
10. 請求項９に記載のタービンを備える、ターボエンジン。
11. 少なくとも１つのブレードと少なくとも１つのフランジとを備える、ターボエンジン用のブレードステータセクタの可撓性を高める方法であって、ステータセクタの少なくとも１つのフランジに、該フランジの厚みを減少させることにより、少なくとも１つの非開口型切抜部を加工することを含む、方法。

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