JP2007085340A

JP2007085340A - タービンブレード用のエンジェルウィングシール並びにステータ、ロータ及びウィングシール輪郭を選択する方法

Info

Publication number: JP2007085340A
Application number: JP2006249241A
Authority: JP
Inventors: Tagir R Nigmatulin; タジール・ロバート・ニガマトゥリン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-04-05
Also published as: CH704034B1; US20070224035A1; DE102006043744A1; CN1932249B; CN1932249A; US7465152B2

Abstract

【課題】タービン（１０）用のエンジェルウィングシール（３４）を記載する。
【解決手段】１つの態様では、タービン内のロータブレード（２２）とノズル（１８、２０）との間のエンジェルウィングシールは、タービンを通って流れる高温ガス流からタービンホイールスペース（４０）内への高温ガスの吸込みを阻止する。例示的な実施形態では、シールは、ブレードのシャンク（２５）からほぼノズルに向かって延びるシール本体（１２２）を含む。シール本体は、少なくとも１つの凹状面（１１６、１１８）を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、総括的には回転機械に関し、より具体的には、エンジェルウィングシールに関する。

ガスタービンエンジンのホイールスペース空洞は、ホイールスペース及びロータの温度を所望の温度範囲内に維持しかつ高温ガス通路での吸込みを防止するために、圧縮機からの冷却空気でパージされる。ホイールスペース空洞を密封するために、エンジェルウィングシールが設けられる。具体的には、エンジェルウィングシールは、タービンロータブレードつまりバケットの軸方向延長部であり、タービンの固定構成部品の一部を形成するノズルシールランドと重なり合うことによってシールを形成する。一般的に、エンジェルウィングシールは、ブレード又はバケットの一部として一体形に鋳造される。エンジェルウィングシール及びステータ表面の特殊な輪郭は、高温ガス通路での吸込みを防止するのを可能にしかつ冷却空気の使用を減少させるように選択すべきである。
米国特許第６，９２３，６１６号公報米国特許第６，７７３，２２９号公報米国特許第６，７２７，４５９号公報米国特許第６，６７２，８３２号公報米国特許第６，５５８，１２１号公報米国特許第６，５０６，０１６号公報米国特許第６，４０２，４７１号公報米国特許第６，３９０，７７４号公報米国特許第６，３８２，９１４号公報米国特許第６，１３２，１７４号公報米国特許第６，０９５，７５０号公報米国特許第５，９２４，８４３号公報米国特許第５，３８８，９６２号公報米国特許第５，３０２，０８６号公報米国特許第５，２２４，８２２号公報米国特許第５，２１１，５３６号公報米国特許第４，８８３，４０５号公報米国特許第４，８１５，９３３号公報

１つの態様では、タービンを通って流れる高温ガス流からタービンホイールスペース内への高温ガスの吸込みを阻止するために、タービン内でロータブレードとノズルとの間に配置されるシールについて記載する。例示的な実施形態では、本シールは、ブレードのシャンクからほぼノズルに向かって延びるシール本体を含む。シール本体は、少なくとも１つの凹状面を有する。

別の態様では、タービン内にシール装置を形成するための方法について記載する。タービンは、軸線の周りで回転可能なロータと、ロータによって支持されて該ロータと共に回転するようになったブレードと、ノズルとを有する。エンジェルウィングシールは、タービンを通って流れる高温ガス流からタービンホイールスペース内への高温ガスの吸込みを阻止するために、ロータブレードとノズルとの間に設けられる。エンジェルウィングシールは、ブレードのシャンクからほぼノズルに向かって延びる本体を有する。本方法は、エンジェルウィング本体内に少なくとも１つの凹状面を形成する段階を含む。

さらに別の態様では、タービン内において軸線の周りで回転可能なロータのエンジェルウィングシールについて記載する。タービンにおいて、ブレードは、ロータによって該ロータと共に回転するように支持され、またタービンはさらに、ノズルを含む。本エンジェルウィングシールは、タービンを通って流れる高温ガス流からタービンホイールスペース内への高温ガスの吸込みを阻止する。本エンジェルウィングシールは、ブレードのシャンクからほぼノズルに向かって延びるシール本体を含む。シール本体は、少なくとも１つの凹状面を含む。

図１は、全体を参照符号１０で表したガスタービンの断面を概略的に示しており、ガスタービン１０は、軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１２とスペーサ１４とを有するロータを含み、これらロータホイール１２及びスペーサ１４は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されかつ軸方向に延びるボルト１６によって互いに結合される。タービン１０は、例えば第１段ノズル１８及び第２段ノズル２０のようなノズルを有する様々な段を含み、これらのノズルは、円周方向に間隔を置いて配置された複数のステータブレードを有する。これらのノズルの間に位置しかつロータと共に回転する例えばそれぞれ第１段及び第２段ロータブレード２２及び２４のような複数のロータブレードを示している。

図２を参照すると、各ロータブレード、例えばロータブレード２２は、シャンク２５上に取付けられた翼形部２４を含み、シャンク２５は、プラットフォーム２６とシャンクポケット２８とを含み、シャンクポケット２８は、一体形のカバープレート３０と、ロータホイール１２（図１）上に形成されたほぼ対応するダブテールスロットに連結するためのダブテール３２とを有する。バケット２２は一般的に、一体形に鋳造され、軸方向に突出したエンジェルウィングシール３４を含む。シール３４は、隣接するノズル上に形成されたランド３６（図１参照）と協働して、高温ガス通路を通って流れるその全体を矢印３８（図１）で表した高温ガスのホイールスペース４０内への吸込みを制限する。

一般的に、エンジェルウィングシール３４は、エンジェルウィング本体４２と、その遠位端における上向き部つまり先端部４４と、それぞれ参照符号４６及び４８で表した上部及び下部エンジェルウィング根元ブレンド部と、それぞれシール本体上及び下表面５０及び５２とを含む。従来通り、上及び下表面５０及び５２は、根元ブレンド部から先端部４４まで延びる直線的表面であって、一般的に上表面５０は、ロータの回転軸線の周りで同心の円弧状表面を有する。

図３は、本発明の１つの実施形態によるエンジェルウィング１００、ロータ本体１０２及びステータ１０４の輪郭を示す。これらの輪郭は、ホイールスペース１０６内における高圧及び低圧のパターンを形成するのを可能にする。これらの輪郭は、少なくとも部分的にベルヌーイの法則に基づいて選択され、ベルヌーイの法則により、定常流になった非粘性かつ非圧縮性流体の場合には、単位体積当たりの圧力、位置エネルギー及び運動エネルギーの和があらゆる点において一定であることになる。より具体的には、ベルヌーイの法則は、変動する流れ及び高さ条件下における流体の挙動を説明しており、次式となる。
Ｐ＋１／２ｐｖ^２＋ｐｇｈ＝一定
上式において、Ｐは、静圧（ニュートン／ｍ^２で表す）であり、ｐは、流体密度（ｋｇ／ｍ^３で表す）であり、ｖは、流体流の速度（ｍ／秒で表す）であり、ｇは、重力加速度であり、またｈは、基準面からの高さである。この等式の第２項は、動圧として知られている。

図３に示すように、またこの例示的な実施形態では、ステータ１０４は、凹状面１０８及び１１０とステータ突出部１１２とを含み、またロータ本体１０２は、ロータ突出部１１４を含む。エンジェルウィング１００もまた、凹状面１１６及び１１８と外向き湾曲下面１２０とを含む。ステータ１０４、ロータ１０２及びエンジェルウィング１００におけるこれらの輪郭形状は、以下の方法、つまり鋳造、機械加工、溶接及びＴＢＣ／アブレイダブル皮膜のいずれか１つ又はそれらの組合せによって形成することができる。

エンジェルウィング１００（本明細書においては、シールと呼ぶこともある）については、ウィング１００は、ブレードのシャンクからほぼノズル１０４に向かって延びるシール本体１２２を含む。シール本体１２２は、少なくとも１つの凹状面を有する。この実施例としての実施形態では、シール本体１２２は、その先端部１２４における第１の凹状面１１６と、ロータから延びる本体部分１２６の長さに沿った第２の凹状面１１８とを有する。シール本体１２２は、本体部分１２６の長さに沿った外向き湾曲面１２０を有する。ノズル１０４は、ロータ１０２に向かって延びる第１の突出部１１２と凹状面１０８及び１１０とを有する。ロータ１０２は、突出部１１４を有する。

言うまでもなく、多くのその他の構成及び輪郭も可能である。一般に、突出部１１２及び１１４は、圧力の低下を引き起こし、また凹状面１０８、１１０、１１６及び１１８は、圧力の増大引き起こす。より具体的には、漏洩／流れ面積の変化により、速度及び圧力におけるその後の増大又は低下が生じる。高速度から低速度への移行の間に、ホイールスペース空洞内で空気が膨張して圧力が増大し、この増大した圧力が「バッファ」を形成するようになる。

本明細書において幾度か述べたように、ステータ１０４及びロータ１０２（エンジェルウィング１００を含む）は、高温ガス通路での吸込み並びにロータ１０２を冷却するための冷却空気の効率的使用を可能にしてロータ１０２を選択した作動温度範囲内及び温度勾配に維持するシール装置又は組立体を形成する。本明細書に記載及び／又は図示した方法及びシステムは、回転機械、より具体的にはガスタービンに関して記載及び／又は図示しているが、本明細書に記載及び／又は図示した方法及びシステムの実施は、ガスタービンに限定されるものではない。むしろ、本明細書に記載及び／又は図示した方法及びシステムは、例えば蒸気タービンを含む多くの異なるタイプのタービン上でシール装置を組立てるのに適用可能である。

以上、シール装置の例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法は、本明細書に記載した特定の実施形態にもまた組立てた特定のシール装置にも限定されるものではなく、むしろ本シール装置は、本明細書に記載したその他の方法とは独立してかつ別個に利用することができ、或いは本明細書に記載していないシール装置を組立てるために利用することができる。例えば、その他のシール装置もまた、本明細書に記載した方法を用いて組立てることができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。

タービンの一部分の概略部分断面図。タービンブレードの拡大斜視図。実施例としてのステータ及びロータ輪郭の概略図。

符号の説明

１０タービン
１２ロータホイール
１４スペーサ
１６ボルト
１８第１段ノズル
２０第２段ノズル
２２ロータブレード
２４翼形部
２５シャンク
２６プラットフォーム
２８シャンクポケット
３０カバープレート
３２ダブテール
３４エンジェルウィングシール
３６ランド
３８矢印
４０ホイールスペース
４２エンジェルウィング本体
４４上向き部又は先端部
４６上部エンジェルウィング根元ブレンド部
４８下部エンジェルウィング根元ブレンド部
５０シール本体上表面
５２シール本体下表面
１００エンジェルウィング
１０２ロータ本体
１０４ステータ
１０６ホイールスペース
１０８凹状面
１１０凹状面
１１２ステータ突出部
１１４ロータ突出部
１１６第１の凹状面
１１８第２の凹状面
１２０外向き湾曲下面
１２２シール本体
１２４先端部
１２６本体部分

Claims

軸線の周りで回転可能なロータと、前記ロータによって支持されて該ロータと共に回転するようになったブレード（２２）と、ノズル（１８、２０）とを有するタービン（１０）における、前記ロータブレードとノズルとの間に配置されてタービンを通って流れる高温ガス流からタービンホイールスペース（４０）内への高温ガスの吸込みを阻止するようになったシール（３４）であって、
前記ブレードのシャンク（２５）からほぼ前記ノズルに向かって延びるシール本体（１２２）を含み、
前記シール本体が、少なくとも１つの凹状面（１１６、１１８）を含む、
シール。
前記シール本体（１２２）が、その先端部（１２４）に第１の凹状面（１１６）を含む、請求項１記載のシール。
前記シール本体（１２２）が、前記ロータから延びる本体部分（１２６）の長さに沿った第２の凹状面（１１８）を含む、請求項１又は２に記載のシール。
前記シール本体（１２２）が、前記ロータから延びる本体部分（１２６）の長さに沿った外向き湾曲面（１２０）を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシール。
前記ノズル（１０４）が、前記ロータに向かって延びる第１の突出部（１１２）を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシール。
前記ノズル（１０４）が、少なくとも１つの凹状面（１０８、１１０）を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシール。
前記ロータが、少なくとも１つの突出部（１１４）を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシール。
ノズル（１８、２０）を含むタービン（１０）内において軸線の周りで回転可能でありかつブレード（２２）をそれと共に回転させるように支持するロータのエンジェルウィングシール（３４）であって、
該エンジェルウィングシールが、タービンを通って流れる高温ガス流からタービンホイールスペース（４０）内への高温ガスの吸込みを阻止するように設けられ、
該エンジェルウィングシールが、前記ブレードのシャンク（２５）からほぼ前記ノズルに向かって延びるシール本体（１２２）を含み、
前記シール本体が、少なくとも１つの凹状面（１１６、１１８）を含む、
エンジェルウィングシール（３４）。
前記シール本体（１２２）が、その先端部（１２４）における第１の凹状面（１１６）と、前記ロータから延びる本体部分（１２６）の長さに沿った第２の凹状面（１１８）とを含む、請求項８記載のエンジェルウィングシール（３４）。
前記シール本体（１２２）が、前記ロータから延びる本体部分（１２６）の長さに沿った外向き湾曲面（１２０）を含む、請求項８又は９に記載のエンジェルウィングシール（３４）。