JP2008088978A

JP2008088978A - ガス流れの閉じ込めを強化するための表面特徴を有するステータ−ロータ組立体及び関連するプロセス

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Publication number: JP2008088978A
Application number: JP2007253383A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-04-17
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Abstract

【課題】ステータ−ロータ組立体内のギャップを通る気体を制限する。
【解決手段】ステータ１８とロータ２２との間に少なくとも１つの界面領域９２を含むステータ−ロータ組立体２１の、界面領域内の少なくとも１つのステータ又はロータ表面は、陥凹部のパターンを含む。陥凹部を備える表面としては、ステータの後端の半径方向面６０、下側ディスカレッジャー面６２等が含まれ、この陥凹部はステータとロータとの間のギャップ７６を通るガス流を制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にタービンエンジンなどのターボ機械に関する。より具体的には本発明は、ターボ機械内のステータ−ロータ組立体の選択領域を通る気体（例えば、高温ガス）の流れを妨げるための方法及び物品に関する。

ほとんどのタービンンエンジンの典型的な設計は当該技術分野で公知である。タービンエンジンは、燃料と混合される空気を圧縮するための圧縮機を含む。燃料−空気混合気は、取り付けられた燃焼器内で点火されて、燃焼ガスを生成する。最新のエンジンでは約１１００から２０００℃の範囲内になる可能性のある高温の加圧ガスは、取り付けられた高圧タービンを転向するように流れを配向するタービンノズルを通って膨張することができる。タービンは通常、ロータシャフトに結合され、圧縮機を駆動する。次いでコアガスが高圧タービンから出て、エネルギーを下流側に提供する。エネルギーは、取り付けられた低圧タービンステージによって抽出される付加的な回転エネルギーの形態、及び／又は排気ノズルを通る推力の形態である。

より具体的には、燃焼器内で生成された熱エネルギーは、１つ又はそれ以上のブレードロータ組立体に高温燃焼ガスを衝突させることによって、タービン内で機械エネルギーに変換される。（当業者であれば、用語「ブレード」が通常は航空タービン用の語彙の一部であり、用語「バケット」は、典型的には同じタイプの陸上タービン用の構成部品を記述する際に用いられることは理解される）。ロータ組立体は、通常、円周方向に間隔を置いたロータブレードの少なくとも１つの列を含む。各ロータブレードは、正圧側面及び負圧側面を含む翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットフォームから半径方向外側に延びる。各ロータブレードはまたダブテールを含み、ダブテールは、プラットフォームと該ダブテールとの間に延びるシャンクから半径方向内方に延びる。ダブテールは、ロータ組立体内のロータブレードをロータディスク又はスプールに取り付けるのに用いられる。

当該技術分野で公知のように、ロータ組立体は、実際にはステータ−ロータ組立体の一部として考えることができる。ロータ組立体上のロータブレードの列及びステータ組立体上のステータベーンの列は、燃焼ガスを「作動させる」ため軸方向に配向された流路全体にわたって交互に延びる。ステータ要素のベーンを出る高温燃焼ガスのジェットは、タービンブレードに作用して、エンジンタイプに応じてタービンホイールを約３０００−１５，０００ｒｐｍの速度範囲で回転させる。（この場合もやはり、類似専門用語の観点において、ステータ要素、すなわちタービンが高速で回転する間静止を維持する要素はまた、当該技術分野では「ノズル組立体」と呼ぶことができる）。

以下で説明される各図で描かれるように、ステータ要素とブレード又はバケットとの間の界面における開口部は、高温コアガスが高温ガス経路を出て、タービンエンジンのホイール−スペースに入ることができる可能性がある。高温ガスのこの漏出を制限するために、ブレード構造は通常、軸方向に突出するエンジェルウィングシールを含む。典型的な設計によれば、エンジェルウィングは、隣接ステータ要素すなわちノズルから延びる突出セグメント又は「ディスカレッジャー」と協働する。エンジェルウィング及びディスカレッジャーは重なり合う（又はほぼ重なり合う）が、互いに接触せず、従ってガス流れを妨げる。これらの協働する特徴によって形成されたラビリンスシールの有効性は、エンジンの望ましくないセクション内への高温ガスの吸込みを制限するのに重要である。エンジェルウィングは種々の形状とすることができ、半径方向歯などの他の特徴部を含むことができる。その上、幾つかのエンジン設計では、複数の重なり合うエンジェルウィング−ディスカレッジャーシールを用いる。

このようなシールを用いる場合、例えば隣接エンジェルウィング−ディスカレッジャー突起間のような、ノズルの隣接領域とタービンブレードとの間の界面にギャップが残る。ギャップ、すなわち固定部品と回転部品との接合部に必要な間隙が存在することは理解できる。しかしながらギャップは、高温コアガスが高温ガス経路を出てタービンエンジンのホイール−スペース区域内に入ることができる経路を依然として提供する。

上記で触れたように、この経路による高温ガスの漏出は、幾つかの理由において不都合となる。第１に、作動ガス流からの高温ガスの喪失は、結果としてタービンエンジンから利用できるエネルギーの喪失を引き起こす。第２に、タービンホイール−スペース及び他のキャビティ内への高温ガスの吸込みは、ノズル構造支持体及びロータホイールなど、このような温度に長時間曝されるように設計されていない構成部品を損傷させる可能性がある。

作動ガス流からの高温ガスの漏出を更に最小にする１つの既知の技術は、米国特許第５，２２４，８２２号（Ｌｅｎｅｈａｎ他）に記載されているように、冷却空気すなわち「パージ空気」の使用を含む。典型的な設計では、空気は、圧縮機から逸らし又は「抽気」し、タービン冷却回路用の高圧冷却空気として用いることができる。従って、冷却空気は、全体的にホイール−スペースキャビティ及び他の機内領域を通って配向することができる二次流れ回路の一部である。１つの具体的な実施例では、冷却空気は、ロータ／ステータ界面に通気することができる。

従って、冷却空気は、許容限界下で特定のエンジン構成部品の温度を維持するように機能することができる。しかしながら、冷却空気は、ホイール−スペース領域から前述のギャップの１つに配向されるときに、付加的な特定の機能を果たすことができる。ギャップ内への冷却空気のこの逆流は、ギャップから出る高温ガス及びホイール−スペース領域内に入る高温ガスの望ましくない流れに対する付加的な障壁を提供する。

二次流れ回路からの冷却空気は、上記で検討した理由において極めて有利であるが、この使用に伴う欠点もある。例えば、高圧冷却及びキャビティパージ空気用の圧縮機からの空気の抽出は、タービンによる仕事を消費し、エンジン性能の観点でかなりのコスト高となる可能性がある。更に、幾つかのエンジン構成において、圧縮機システムは、少なくとも幾らかのエンジン出力設定の間、十分な圧力でパージ空気を提供することができない可能性がある。従って、高温ガスは、依然としてホイール−スペースキャビティ内に吸込まれる可能性がある。

高温ガス流路からタービンエンジン又は他のタイプのターボ機械において望ましくない領域内への高温ガスの漏出を低減するための新しい技術が当該技術分野で歓迎されることは、この考察から明らかになるはずである。その上、典型的には高温ガス漏出を低減することが必要とされる冷却及びキャビティパージ空気流れの減少は、これ自体が他の重要な利点を有することになる。例えば、より高いコア空気流が可能となり、これによって高温ガス流路で利用可能なエネルギーが増加する。

これらの目的を達成するための新規の技術は、依然としてガスタービンエンジン又は他のタイプのターボ機械の基本設計要件を忠実に守る必要がある。一般に、全体的なエンジン効率及び完全性は維持する必要がある。エンジン又はエンジン内の特定の特徴部に対して加えられるあらゆる変更は、全体的な高温ガス及び冷却空気流動場を阻害し又は悪影響を及ぼしてはならない。その上、企図される改良点は、時間を要し且つ経済的でない製造段階又は製造段階の変更を伴うべきではない。更に改良点は、例えば、様々なタイプのステータ−ロータ組立体のようなエンジン構造物の様々な設計に適合可能とすべきである。また、改良点が、低温ガス（例えば室温）及び高温ガスの閉じ込めに適合可能であれば極めて有利なものとなる。
米国特許第５，２２４，８２２号公報米国特許第６，５０６，０１６号公報米国特許第６，５０４，２７４号公報米国特許出願第１０／８４１，３６６号公報

本発明の１つの実施形態は、ステータの表面とロータの表面との間に少なくとも１つの界面領域を備えるステータ−ロータ組立体に関する。表面は、少なくとの１つのギャップによって離隔される。界面領域内の少なくとも１つのステータ又はロータ表面は、陥凹部のパターンを含む。このようなステータ−ロータ組立体を含むことができる種々のターボ機械はまた、本発明の概念の一部を提示する。

タービンエンジンステータ−ロータ組立体内のステータとロータとの間のギャップを通るガスの流れを制限するための方法は、本発明の別の実施形態を提示する。本方法は、ギャップに隣接しているステータ又はロータの少なくとも１つの表面上に陥凹部のパターンを形成する段階を含み、該陥凹部はガス流を妨げるのに十分な大きさ及び形状を有する。

図１は、全体的に数字１０で示したガスタービンエンジンの断面の概略図である。エンジンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置され軸方向に延びるボルト１６によって互いに接合された、軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１２及びスペーサ１４を含む。タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードから構成される、例えば第１のステージノズル１８及び第２のステージノズル２０などのノズルを有する種々のステージを含む。ノズルの間にあって、ロータと共に回転するのは複数のロータブレード又はバケットであり、第１及び第２のステージロータブレード２２及び２４がそれぞれ図示されている。

例えばブレード２２のような各ロータブレードは、シャンク２５上に取り付けられた翼形部２３を含み、該シャンクはプラットフォーム２６を含む。（ロータブレードの他の詳細な特徴の幾つかは、本明細書では具体的に例示されていないが、例えば、引用により本明細書に組み込まれる米国特許第６，５０６，０１６号（Ｗａｎｇ）のような、種々の引例で見ることができる）。シャンク２５は、ロータホイール１２上に形成されたダブテールスロットに対応して接続するためのダブテール２７を含む。

ブレード又はバケット２２は、図１に描くように、軸方向に突出するエンジェルウィング３３，３４，５０及び９０（「エンジェルウィングシール」と呼ばれることもある）を含む。エンジェルウィングは通常、ブレードと一体鋳造される。前述のように、これらは、それぞれ隣接ノズル２０及び１８から突出する「ランド」又はディスカレッジャー３６及び６４に対してほぼ相対する位置にある。１つの実施例として、ディスカレッジャー６４は、エンジェルウィング９０に対して相対して重なり合う位置で示される。このタイプのタービン内の高温ガス経路は、全体的に矢印３８で示される。上記で触れたように、幾つかの場合では、エンジェルウィング及びディスカレッジャーは、互いに完全には重ならない場合があるが、例えば先端間など、互いに対して相対し且つ近接して位置合わせすることができる。通常、この場合の先端は、直接整列されることになるが、図で見られるようにこれらの相対的な垂直位置は、十分な流量制限が維持される範囲で幾らか変動することができる。

図２は、図１に描くエンジンの一部の拡大図であり、第１のステージノズル（ステータ）１８及び第１のステージステータブレード２２を特徴として備える全体領域が強調されている。（この領域を図中の要素２１で示した「ステータ−ロータ組立体」と呼ぶことができる）。ノズル１８は、ディスカレッジャー５８、すなわち前述のようにガス流量制限スキームの一部として機能するように形作られたノズル構造の突出部分（端壁）を含む。ディスカレッジャーは通常、本開示事項において特別に感心のある種々の表面を特徴として備える。これらは、半径方向面６０及び下側ディスカレッジャー面６２を含む。ノズル１８はまた、半径方向ステータ面６６の下側末端近傍でこの設計において位置付けられるディスカレッジャー６４を含む。ディスカレッジャー６４は、上面６７及び下面６９を含む。

引き続き図２を参照すると、エンジェルウィング５０は、ロータブレード２２のシャンク２５から延びる。エンジェルウィングは、上側シール面７０及び下側シール面７２を含む。この場合のウィングは、「上向き部」又は先端部７４で終端するが、このような特徴部は必ずしも利用されるとは限らない。実際、エンジェルウィング（又はブレード２２に取り付けた他のあらゆるタイプのディスカレッジャーセグメント）の形状及び大きさは、大きく変化する可能性がある。上述のＷａｎｇ特許は、エンジェルウィング設計の多くの態様、並びに当該設計がどのように変化することができるかを記載している。全てのこのような変動は、本発明の要素の範囲内にある。上述のように、この図は、同様にシャンク２５から延びる下側エンジェルウィング９０を描いている。

ノズル１８及びブレード２２の部分の一部が界面領域９２内で互いに対面することは図２から明らかである。接面は、少なくとも１つのギャップ（以下に記載するように、２つのギャップが本明細書で示される）によって離隔される。従って、上側ギャップ７６は一般に、下側ディスカレッジャー面６２とエンジェルウィング先端部７４との間にある。下側ギャップ７７は一般に、ディスカレッジャー６４の下面６９とエンジェルウィング９０先端部９１との間にある。この場合では、ギャップ７６及び７７は一般に、緩衝キャビティ８０を定め、軸方向ギャップ７８と例えばホイール−スペース領域８２のようなタービンエンジンの「機内」領域との間に通路を形成する。

用語「界面領域」は、本明細書では、ノズル１８及びブレード２２の周囲部分と共に、ギャップ７６及び７７を含む制限寸法の通常領域を説明するのに用いられる。一般的な例証の目的において、図２の界面領域９２は、点線の境界線９４及び９６によって境界付けられて示される。界面領域の正確な境界は、ステータ−ロータ組立体の特定の設計に応じてある程度変化することになる。典型的な界面領域を定める１つの例示的な手法は、ロータブレード２２の長さ（図２の「高さ」と見なされる）によって決まることになる。従って、高温ガス経路３８内のブレード２２の高さを「Ｈ」で示す場合、界面領域（上側境界線９４）は、プラットフォーム２６から高さＨの最大約１０％まで延びると推定することができる。ステータ−ロータ組立体の「機内」領域（すなわち、下側境界線９６に対して）の観点では、界面領域は、最も機内側のディスカレッジャーの最下部すなわち下側エンジェルウィング９０を下回ってこの同じ長さ（Ｈの約１０％）を延びると推定することができる。（従って境界線９６はまた、ステータ上の最下部のディスカレッジャーすなわち図２のディスカレッジャー６４を含むように、ホイール空間領域８２全体にわたって常に延びることになる）。界面領域は、多くの場合「流量制限」領域と呼ぶことができる。

正常なエンジン作動に従って、高温ガス経路３８に沿ってエンジン内に配向されている燃焼ガスは、ステータ−ロータ組立体２１を通った後で、引き続きエンジン内の他のステータ−ロータ組立体を通って流れる。（技術的には燃焼ガスは、このステージで「燃焼後」と呼ぶ必要がある。更に、「高温ガス」は多くの場合複数のガスの混合物である点を理解されたい。混合物は通常、燃焼後ガスによって占められるが、混合物はまた、例えば以下で考察するノズル１８及び／又は冷却空気流９８からの種々の冷却注入物及び冷却流を含むことができる）。高温ガス流が、軸方向ギャップ７８に入ると、ガス流の一部（点線の矢印３７）が上側ギャップ７６を通って逃げて、緩衝キャビティ８０に流入することができる。（極めて異常なものとなる幾つかの極限状況では、高温ガスは、継続的に下側ギャップ７７を通って移動し、ホイール−スペース領域８２に入ることができる）。上述のように、矢印９８で示す冷却空気は通常、圧縮機（図示せず）から抽気され、エンジンの機内領域（例えばホイール−スペース８２）から緩衝キャビティ８０に配向され、高温ガスの漏出を妨げる。このようなガス流路系において存在する場合がある欠陥は上記で説明された。

本発明の１つの実施形態によれば、界面領域９２内のステータ又はロータ表面の少なくとも１つは、陥凹部のパターンを備える。高温ガス（例えば、燃焼後ガス）が陥凹部全体にわたって流れるときにガス流が妨げられる。発明者は、この現象に対してどのような特定の理論にも拘束されることを望まないが、各陥凹部は、流体流れが陥凹部上を移動するときに局所的な流れ渦を生成すると思われる。流体流れ内に渦が排出されると、この渦はガス流を制限する。このようにして、一次流路からホイール−スペース領域内への高温ガスの漏出は、既にディスカレッジャー−エンジェルウィング構造体によって部分的には遮られているが、更に制限されることになる。

本明細書で用いられる用語「陥凹部」とは、極めて広範な凹部、窪み、ディンプル、穴、又はあらゆる他のタイプの離散的シンクホールを包含することを意味する。幾つかの好ましい実施形態では、各陥凹部は、半球又は部分的半球の形状である。しかしながら、半球形状は、幾何学形状的に正確である必要はなく、すなわち幾らかの曲率の変動は可能である。

図３及び４は、陥凹部９９、１０１それぞれに利用可能な種々の半球形状の非限定的な断面図である。図３では、全半球すなわち全半径Ｒに等しい深さを有する半球が示される。図４には、はるかに浅い陥凹部が描かれている。また、陥凹部の表面縁部も同様に変化することができる。図３では、表面縁部１００及び１０２は、幾分丸く描かれているが、図４では、表面縁部１０４及び１０６は、比較的鋭利に描かれている。（（更に、所与の陥凹部に対する表面縁部の別の部分も、例えば、これらが特定のガス流体流に対して位置付けされる方法に応じて形状を変えることができる）。

例示的な図３及び４から明らかなように、陥凹部の深さは、かなり変わる可能性がある。最適な深さの選択に関連する要因は、陥凹部全体にわたるガス流のタイプ及び速度（１つ又はそれ以上の流れの中で）、ガス流を制限する必要がある程度、陥凹部が置かれるステータ及び／又はロータ表面の形状及び大きさ、陥凹部を形成されることになる手法、並びに局所ステータ−ロータギャップ領域の大きさを含む。一般に、商業用ターボ機械の典型的なステータ−ロータ組立体用の陥凹部の深さは、約０．５ｍｍから約６ｍｍまでにわたることになる。半球又は部分的半球陥凹部の場合、深さは通常、約０．５ｍｍから約６ｍｍまで、より多くの場合には約０．５ｍｍから約２．５ｍｍに及ぶことになる。当業者であれば、上述の要因並びに流体流れ研究、流量係数試験、計算上の流体力学予測、及び同様のものに基づいた所与の状況にとって最も適切な陥凹部深さを選択することが可能であろう。

上述のように、他の形状を有する陥凹部も可能である。１つの非限定的な例証として、陥凹部１０８（図５）は、傾斜側壁１１２と共に比較的平坦な底面１１０を有することができ、陥凹部の開口部がその底部１１０よりも大きな区域を有するようになる。側壁の勾配の程度は、本明細書で記載される多くの他の要因に応じて有意に変わる可能性がある。

陥凹部は、様々な多くの異なるパターンで配置することができる。選択される特定のパターンは、陥凹部の形状及び大きさに関して上記に挙げた多くの要因に応じて部分的に決定付けられることになる。通常は、必ずしもそうではないが、陥凹部は互いに均一に間隔を置いて配置される。

陥凹部間の距離はまた、ある程度変わる可能性がある。（本明細書での距離は、陥凹部の表面直径によって分割される中心間のスペースの比率として表わされる）。典型的なタービンエンジンステータ−ロータ組立体の場合、記載される比率は、約１．０から約３．０にまで及ぶことになる。幾つかの場合では、均一に間隔を置いた陥凹部のパターンは、陥凹部の他の列間で陥凹部の交互配置を含むことができる。上述のものと同様の流体流れの研究を利用して、所与の状況において陥凹部の最も適切なパターンを容易に決定することができる。また、パターン自体は、ステータ及び／又はロータの様々な表面セクションに沿って変化することができる点に留意されたい。（ガス流に曝される金属表面上の陥凹部の用途、形状、及び配置に関する他の詳細は、引用により本明細書に組み込まれる米国特許第６，５０４，２７４号（Ｒ．Ｂｕｎｋｅｒ他）で提供される）。

陥凹部は、様々な方法によって形成することができる。非限定的な実施例は、種々のフライス加工技術などの機械加工法を含む。利用可能な他の機械加工プロセスは、放電加工（ＥＤＭ）及び電解加工（ＥＣＭ）を含む。場合によっては、陥凹部は、例えばタービンロータ又はノズルのインベストメント鋳造法のような特定の構成部品の鋳造中に形成することができる。１つの実施例として、インベストメント鋳型表面は、例えば、「マウンド」、ドーム、ピラミッド、ピン、或いは他のあらゆるタイプの突起又はタービュレーションのようなポジティブ特徴の選択パターンを備えることができる。（これらの特徴を種々の表面に設けるための方法の幾つかは、引用により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１０／８４１，３６６号（Ｒ．Ｂｕｎｋｅｒ他）に記載されている）。ポジティブ特徴の形状は、ポジティブ特徴に対して逆になる陥凹部の所要の形状によって決まる。従って、鋳型を取り外した後、部品は、陥凹部の選択パターンを含むことになる。当業者であれば、所与の表面上に陥凹部を形成するための最も適切な技術（又は技術の組み合わせ）を容易に決定することができるであろう。

図６は、本発明の幾つかの実施形態による簡易図であり、ターボ機械のステータ−ロータ組立体に陥凹部を設ける利点を説明している。組立体１２０及び１２２では、ステータ及びロータのセクションは、それぞれモノリシックプレート１２４及び１２６によって表される。高温ガス流領域１２８内の高温ガス流は、矢印１３０で示される。流れ領域１２８から機内領域１３２（例えば、ホイール−スペース領域）への高温ガスの流れは流れ矢印１３４で示される。高温ガス流に対抗する冷却剤の流れは矢印１３６で示される。組立体１２０の場合には、いかなるステータ又はロータ表面上にも陥凹部が存在しない。高温ガス流１３４は、実質的にターボ機械の機内領域１３２内に延び、ここで場合によってはホイール、ディスク、及び他の温度感知構成部品を損傷させる可能性がある。

引き続き図６を参照して、ステータ−ロータ組立体１２２は、ステータ１２４の下面１３８上、及びロータ１２６の上面１４０上に陥凹部１３７を含む。陥凹部の実際の形状及び大きさは、この図では示されない。代わりに陥凹部は、「スワール」形状で表わされる。（上述のように１つの理論は、ガスが陥凹部上を流れるときに、各陥凹部内に渦が形成されるという事柄を含む）。組立体１２２について示すように、陥凹部が存在することにより、機内領域１３２への高温ガス１３４の漏出を大きく制限することが可能となる。従って、高温ガスは、タービンエンジンの感知領域内に吸込まれることなく、高温ガス領域１２８に効果的に「戻る」ことができる。更に結果として、冷却流１３６は、組立体１２０の場合程に十分な量である必要はなく、本明細書で記載された他の利点につながる。

陥凹部は、ステータ、ロータ、又はステータ及びロータの両方の様々な表面上に形成することができる。（場合によっては、陥凹部は、これらの表面の一部にだけ形成されることが必要となる）。一例として、陥凹部は、界面領域内のギャップの１つに延びる、１つ又はそれ以上のステータディスカレッジャーシールの種々の表面上に配置することができる。前述のように、陥凹部はまた、ギャップの１つに延びる１つ又はそれ以上のエンジェルウィング（ロータ上）の種々の表面上に形成することができる。

幾つかのタイプのステータ−ロータ組立体では、陥凹部をディスカレッジャーの表面内に組み込むことによりかなりの利点が得られ、陥凹部をロータブレードの表面内に組み込むことからは実質的な利点は得られない。しかしながら、陥凹部の有効性のレベルは、ステータ−ロータ組立体の特別な設計と共に、特徴部の大きさ、形状、及び正確な位置を含む本明細書で考察された多くの要因によって決まることになる。従って、幾つかのタイプのステータ−ロータ組立体では、ロータの種々のセクション上に陥凹部が存在することにより、本明細書で考察した実質的な利点をも得られることが期待される。

本明細書に添付の各図は、この開示事項の検証を簡素化するために、２次元斜視図によって全体が描画される。しかしながら、本明細書に記載した界面領域は通常、回転構成の一部である点を理解されたい。従って、通常は、陥凹部は、特定の構成部品すなわちロータ又はステータの周囲全体をほぼ囲むパターンで付加されることが重要である。

図７は、図１及び図２のタービンエンジン部分をはるかに大きな範囲まで拡大した別の図である。この図では、ステータ（ノズル）１８及び／又はロータブレード（バケット）２２の種々のセクション上での陥凹部の具体的な配置の非限定的な実施例が提供される。陥凹部の実施可能な場所は、種々の矢印記号で示される。図から、陥凹部が、例えば半径方向面６０（トレンチキャビティ５４に面する）、下側ディスカレッジャー面６２（上側ギャップ７６に面する）、及びステータ面６６を含むステータの様々な半径方向機内部分に組み込むことができることは明らかである。陥凹部はまた、ディスカレッジャー６４の種々の表面などの、下側ギャップ７７に付随する種々のステータ領域に組み込むことができる。図７はまた、エンジェルウィング５０及び９０上の陥凹部の配置を示している。各エンジェルウィングの多くの様々な領域は、その先端部７４と共に、例えばエンジェルウィング５０の上側シール面７０のような陥凹部を含むことができる。

陥凹部の配列用の主な領域は、通常、例えば、ステータの表面６０及び６２、並びにエンジェルウィング５０の種々の表面に沿ってステータ−ロータ組立体の「上側」領域内にあることに留意されたい。しかしながら、例えばエンジェルウィング９０及びディスカレッジャー６４に沿った「下側」領域内の陥凹部の配置はまた、同様に種々の利点を提供することができる。一例として、これらの領域内の陥凹部を使用することにより、効果的な流量抵抗を尚も維持しながら、ある程度まで間隙ギャップの拡大を実際に可能にすることができる。物理的ギャップの寸法が増大すると、機械加工公差及び組立嵌合に関する他の制約を軽減することができることによって、追加の製造上の利点が得られる。（これは、同様に上側ギャップ領域の場合においても利点である）。

本開示事項は、ターボ機械のタービンセクション内の例示されたステータ−ロータ組立体を有する。しかしながらまた、このような機械の他のセクション内のステータ−ロータ組立体もまた本発明から恩恵を受けることができる点は強調されるべきである。非限定的な例証として、多くのターボ機械内の圧縮機セクションはまた、エンジェルウィング−ディスカレッジャー構成を組み込むことができるステータ−ロータ組立体を含む。タービンの場合と同様に、本構造体は、シール機構（例えば、様々な圧縮機ステージを通る）であるが、ガスは一般に低温状態にある。従って、圧縮機のステータ−ロータ組立体において陥凹部を使用することはまた、ガス流を制限するのに極めて有利なものとすることができる。（一般に、本発明は、例えば室温以上のあらゆる温度でのガスの閉じ込めに好適であることが明らかにすべきである）。

陥凹部を有する利点は、簡易ステータ−ロータ組立体に対して実施される幾つかの試験によって確かめられた。組立体は、ギャップによって離隔された（及び図７で描かれたディスカレッジャー−エンジェルウィング（６４、９０）構成に幾分類似した）相対するディスカレッジャー−エンジェルウィング構造を含んでいた。第１の配置ではステータ表面には陥凹部はなかった。

第２及び第３の構成の両方において、陥凹部の選択パターン（４つの円周方向列）は、ステータ表面内に組み込まれた。陥凹部は、約２．５ｍｍの平均深さで、約８ｍｍの直径（陥凹部の開口部で）を有するセミ半球「ディンプル」の形状であった。第２の構成では、ディスカレッジャー及びエンジェルウィングは、前述の手法で互いに重なり合った。第３の構成では、エンジェルウィング及びディスカレッジャーは、重なり合わず、互いに位置合わせされ、すなわちディスカレッジャーの端部とエンジェルウィングの端部との間に軸方向ギャップが無いが、半径方向ギャップが依然として存在していた。各構成において、組立体は、一定量のパージ空気を組立体の機内側面上のホイール−スペース区域からギャップを通って高温ガス流路領域内に注入することができるように設計された。

各構成において、幾つかの圧力タップが陥凹部及びギャップに対する種々の位置でステータ内に組み込まれた。組立体内のロータが約４，５００ｒｐｍで回転すると、ステータ表面上の静圧（半径方向の）が圧力タップを用いて測定された。測定値は、３つの組立体の各々について種々のパージ流量で取得した。

第２及び第３の構成（それぞれ重なり合い、位置合わせされた）の両方において、ステータ上の同じ無次元圧力場は、第１の構成（陥凹部がないもの）でのパージ空気要件と比較して、少量のパージ空気を用いて維持することができることが明らかになった。従って、陥凹部の使用は、より少ないパージ空気を用いながらステータとロータとの間に効果的なシールを形成することが実証された。

本発明の別の実施形態は、上述のようなもののような、少なくとも１つのステータ−ロータ組立体を含むターボ機械に関する。ガスタービンエンジン（例えば、ターボジェット、ターボプロップ、陸上発電タービン、及び舶用推進タービンエンジン）は、ターボ機械の実施例を提示している。他のタイプも同様に当該技術分野で公知である。非限定的な実施例は、流体（気体または液体）が流れるステータ−ロータ組立体を組み込むこともあり得る、広範なポンプ及び圧縮機を含む。これらの他のターボ機械設計の多くにおいて、流路から機械の他の領域内への流体の漏出を低減するための新規の技術は、かなり関心のあるものとなる。従って、これらのターボ機械のいずれかにおけるステータ−ロータ組立体は、本開示事項で記載したような陥凹部のパターンを含むことができる。

本発明の更に別の実施形態は、ターボ機械内のステータとロータとの間のギャップを通る気体（例えば、高温ガス）の流れを制限するための方法に関する。前述のように、本方法は、ギャップに隣接しているステータ又はロータの少なくとも１つの表面上に陥凹部のパターンを形成する段階を含む。陥凹部は、同様に上述したように、ガス流を妨げるのに十分な大きさ及び形状を有する。陥凹部を形成する例示的な方法はまた、本開示事項で提供されている。

本発明は、本発明の詳細な実施形態に関して図示され記載されてきたが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の形態及び詳細に種々の変更を加えることができる点は理解されるであろう。更に、上述の特許、特許文献、及び他の文献の全ては、引用により本明細に組み込まれる。

ガスタービンの一部分の断面の概略図。図１の断面タービン部分の拡大図。陥凹部を含む物品表面の部分側面図。陥凹部を含む別の物品表面の部分側面図。あるタイプの陥凹部を含む物品表面の別の部分側面図。例示的なステータ−ロータギャップを通る比較流体流れの簡易図。図１の断面タービン部分の別の拡大図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
１２ロータホイール
１４ロータ空間
１６ボルト
１８ステータ
１８、２０ノズル
２１組立体
２２、２４ロータブレード
２３翼形部
２５シャンク
２６プラットフォーム
２７ダブテール
３３、３４、５０、９０エンジェルウィング
３６、５８、６４ディスカレッジャー
３８高温ガス経路
５４トレンチキャビティ
６０半径方向面
６２ディスカレッジャー面
６６ロータ面
６７上面
６９下面
７０、７２シール面
７２傾斜側壁
７４先端部
７６上側ギャップ
７７下側ギャップ
７８軸方向ギャップ
８０緩衝キャビティ
８２ホイール−スペース領域
９１先端部
９２界面領域
９４、９６境界線
９８冷却空気
９９陥凹部
１２０、１２２組立体
１２４ステータ
１２６ロータ
１２４、１２６モノシリックプレート
１２８高温ガス流領域
１３２機内領域
１３４、１３６流れ矢印
１３７陥凹部
１３８下面
１４０上面

Claims

ステータ（１８）の表面とロータ（２２）の表面との間に少なくとも１つの界面領域（９２）を備え、前記表面が少なくとも１つのギャップ（７６）によって離隔され、前記界面領域（９２）内のステータ又はロータ表面のうちの少なくとも１つが、陥凹部（９９）のパターンを含むことを特徴とするステータ−ロータ組立体（２１）。
前記ステータ（１８）が、ギャップ（７７）内に延びるセグメントを有する少なくとも１つのディスカレッジャーシール（６４）を備えたノズルであり、前記陥凹部（９９）のパターンが、前記セグメントの少なくとも１つの表面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の組立体（２１）。
前記ロータ（２２）が、タービンブレード又はバケットであることを特徴とする請求項１に記載の組立体（２１）。
前記タービンブレード又はバケット（２２）が、前記ギャップ内に延びる少なくとも１つのエンジェルウィング（５０）を備え、陥凹部（９９）のパターンが、前記エンジェルウィングの少なくとも１つの表面上に配置されることを特徴とする請求項３に記載の組立体（２１）。
前記陥凹部（９９）が、半球又は部分的半球の形状であることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
前記ステータ表面と前記ロータ表面との間の前記界面領域（９２）が、前記タービンエンジンの高温流路（３８）から前記ギャップ（７６）を通って前記ステータ−ロータ組立体（２１）のホイール−スペース領域（８２）までの気体の流れを制限する流量制限領域であり、前記陥凹部（９９）が、前記高温流路（３８）から前記ギャップ（７６）を通るガスの付加的な制限をもたらすのに十分な形状及び大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
ステータ（１８）及びロータ（２２）の相対する面を含み、前記相対面の少なくとも１つの上に陥凹部（９９）のパターンが配置された組立体（２１）。
少なくとも１つのステータ−ロータ組立体（２１）を備えたターボ機械であって、前記ステータ−ロータ組立体がステータ（１８）の表面とロータ（２２）の表面との間に少なくとも１つの界面領域（９２）を備え、前記表面が少なくとも１つのギャップ（７６）によって離隔され、前記界面領域内のステータ表面又はロータ表面の少なくとも１つが、陥凹部（９９）のパターンを含むことを特徴とするターボ機械。
前記陥凹部を含むタービンセクション及び圧縮機セクションの両方にステータ−ロータ組立体を備えることを特徴とする請求項８に記載のターボ機械。
ターボ機械のステータ−ロータ組立体（２１）内のステータ（１８）とロータ（２２）との間のギャップ（７６）を通るガスの流れを制限するための方法であって、ギャップに隣接しているステータ又はロータの少なくとも１つの表面上に、ガス流を妨げるのに十分な大きさ及び形状を有する陥凹部（９９）のパターンを形成する段階を含むこと特徴とする方法。