JP2008106748A - ガスタービンエンジンを組立てるための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ組立体（１１４）を提供する。
【解決手段】本ステータ組立体（１１４）は、半径方向内側表面（１１９）を備えたほぼ円筒形のケーシング（１１６）と、半径方向内側表面の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータリング通路（１３９）と、少なくとも１つのステータリング通路の少なくとも一部分内に挿入された少なくとも１つのステータリングセグメント（１５４）と、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータブレード通路（１５６）と、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成されかつ少なくとも１つのステータブレード通路に少なくとも部分的に隣接した少なくとも１つの半径方向通路（２００）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンに関連する圧縮機内に抽気空気流を供給するための方法及び装置に関する。

公知のガスタービンの少なくとも幾つかの構成部品は、高温度環境に曝される可能性があり、このような構成部品を冷却することにより、その有効寿命を延ばすことができる。少なくとも１つの公知の冷却方法は、圧縮機からの空気の少なくとも一部分を冷却することが望まれる構成部品に対して導くことを含む。一般的に、そのような空気を導くための方法及び装置は、圧縮機抽気と呼ばれる。幾つかの公知の圧縮機抽気はまた、圧縮機作動時における圧縮機ストール及び／又は圧縮機サージを減少させるのを可能にする。

公知の圧縮機抽気は、圧縮機ケーシング内に形成された所定の部位から圧縮機定格空気流量の所定のパーセンテージを導く。しかしながら、幾つかの公知の圧縮機抽気口は、圧縮機ケーシングの流路変形及び／又は構造弱体化を促進するおそれがある領域内に形成される。さらに、多くの公知の圧縮機抽気口の既存の構成は、ガスタービンの構成及び／又は運転に対する変化に適応するように簡単に変更可能ではない。
米国特許第３，９７６，３９４号公報 米国特許第６，１８３，１９５号公報 米国特許第６，９０８，２７８号公報 米国特許第７，０９０，４６２号公報 米国特許出願公開第２００４／０１９１０５８号公報

１つの態様では、ステータ組立体を提供する。本ステータ組立体は、半径方向内側表面を備えたほぼ円筒形のケーシングを含む。本組立体はまた、半径方向内側表面の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータリング通路を含む。本組立体はさらに、少なくとも１つのステータリング通路の少なくとも一部分内に挿入された少なくとも１つのステータリングセグメントを含む。本組立体はまた、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータブレード通路を含む。本組立体はさらに、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成されかつ少なくとも１つのステータブレード通路に少なくとも部分的に隣接した少なくとも１つの半径方向通路を含む。

別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本エンジンは、タービンに回転可能に結合された圧縮機を含む。圧縮機は、半径方向内側表面を備えたほぼ円筒形のケーシングを含む。圧縮機はまた、半径方向内側表面の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータリング通路を含む。圧縮機はさらに、少なくとも１つのステータリング通路の少なくとも一部分内に挿入された少なくとも１つのステータリングセグメントを含む。圧縮機はまた、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータブレード通路を含む。圧縮機はさらに、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成されかつ少なくとも１つのステータブレード通路に少なくとも部分的に隣接した少なくとも１つの半径方向通路を含む。

さらにここでは、ガスタービンエンジンを運転する方法を開示する。この方法は、ケーシングの半径方向内側表面の少なくとも一部分内に少なくとも１つのステータリング通路を形成する段階を含む。本方法はまた、少なくとも１つのステータリング通路内に挿入するような寸法にされた少なくとも１つのステータリングセグメントを準備する段階を含む。本方法はさらに、少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に、その少なくとも一部分が少なくとも１つのほぼ軸方向のステータブレード通路に隣接するように、少なくとも１つの半径方向通路を形成する段階を含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。エンジン１００は、圧縮機１０２と複数の燃焼器１０４とを含む。燃焼器１０４は、燃料ノズル組立体１０６を含む。エンジン１００はまた、タービン１０８と共通の圧縮機／タービンロータ１１０（ロータ１１０と呼ばれることもある）とを含む。１つの実施形態では、エンジン１００は、南カロライナ州グリンビル所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能な、９Ｅ型エンジンと呼ばれることもあるＭＳ９００１Ｅ型エンジンである。

図２は、領域２（図１に示す）に沿って取った、ガスタービンエンジン１００で使用する圧縮機１０２の一部分の拡大断面図である。圧縮機１０２は、ロータ組立体１１２とステータ組立体１１４とを含み、これらロータ組立体１１２及びステータ組立体１１４は、ケーシング半径方向内側表面１１９の少なくとも一部分と共に流路１１８を少なくとも部分的に形成するケーシング１１６内に配置される。この例示的な実施形態では、ロータ組立体１１２は、ロータ１１０の一部分を形成しかつタービンロータ（図示せず）に回転可能に結合される。ロータ組立体１１２はまた、流路１１８の内側流路境界１２０を部分的に形成し、またステータ組立体１１４は、内側表面１１９と共に流路１１８の外側流路境界１２２を部分的に形成する。それに代えて、ステータ組立体１１４及びケーシング１１６は、単体構造及び／又は統合型構成部品（図示せず）として形成される。

圧縮機１０２は、複数の段１２４を含み、ここで各段１２４は、円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード組立体１２６の列とステータベーンと呼ばれることもあるステータブレード組立体１２８の列とを含む。ロータブレード組立体１２６は、各ブレード組立体１２６がロータディスク１３０から半径方向外向きに延びるように該ロータディスク１３０に結合される。さらに、各組立体１２６は、内側ブレード結合装置１３４からロータブレード先端部分１３６まで半径方向外向きに延びるロータブレード翼形部分１３２を含む。圧縮機段１２４は、それに限定されないが、空気を含む原動又は作動流体と協働して、該原動流体を後続段１２４内で加圧するようにする。

ステータ組立体１１４は、ステータ内リング、ステータ支持リング及び／又はステータダブテールリンと呼ばれることもある複数のステータリング１３７の列を含む。リング１３７は、ケーシング１１６の少なくとも一部分内に軸方向に連続した形態で円周方向に形成された通路又はチャネル１３９内に挿入される。各チャネル１３９は、ロータブレード先端部分１３６と対向するケーシング１１６の部分にほぼ軸方向に隣接するように形成される。各ステータリング１３７は、各ブレード組立体１２８の列が一対の軸方向に隣接するロータブレード組立体１２６の列間に配置されるように複数のステータブレード組立体１２８を受けるような寸法及び形状にされる。この例示的な実施形態では、各ブレード組立体１２８は、ステータブレードダブテール部分（図２には図示せず）からステータブレード先端部分１４４まで延びる翼形部分１４０を含む。圧縮機１０２は、段１２４当り１つのステータベーン１３８の列を含み、段１２４の幾つかは抽気段（図２には図示せず）である。さらに、この例示的な実施形態では、圧縮機１０２は、軸方向中心線１５２の周りでほぼ対称である。

運転中に、圧縮機１０２は、圧縮機ロータ１１２を含むロータ１１０を介してタービン１０８によって回転される。第１段の圧縮機１０２を介して低圧領域１４８から収集された流体は、ロータブレード翼形部分１３２によってステータブレード組立体１２８の翼形部分１４０に向かって送られる。流体は、少なくとも部分的に加圧され、流体の圧力は、該流体が流路１１８の残りの部分を通って流れる時に少なくとも部分的に上昇する。より具体的には、流体は、流路１１８が連続する段につれて狭くなっていることを除いて第１段１２４とほぼ同様である後続段を通って流れ続けて、流体が流路１１８を通って流れるにつれて該流体を圧縮しかつ加圧することが可能になる。圧縮かつ加圧された流体は次に、高圧領域１５０内に導かれて、該流体は、タービンエンジン１００の内部で使用することができるようになる。

図３は、圧縮機１０２（図１に示す）で使用することができる例示的なステータブレードリングセグメント１５４の斜視図である。この例示的な実施形態では、セグメント１５４は、その各々が該セグメント１５４の内部にほぼ軸方向に形成された複数のステータブレード通路１５６を含む。さらに、各通路１５６は、ステータブレード組立体１２８を受けるような寸法及び形状にされる。各ステータブレード組立体１２８は、ステータブレードダブテール部分１５８を含み、ステータブレードダブテール部分１５８は、ステータブレード通路１５６を介して組立体１２８をケーシング１１６に結合するのを可能にする。この例示的な実施形態では、各ステータブレードリングセグメント１５４は、それに限定されないが、摩擦嵌合、保持金物（図示せず）又はあらゆる他の機械的結合手段の使用、溶接法、及びセグメント１５４をケーシング１１６と一体形に形成することを含む結合方法によってケーシング１１６に結合される。複数のリングセグメント１５４は、該セグメント１５４が圧縮機ケーシング１１６内でほぼ円周方向に延びるようにかつ円周方向に隣接するセグメント１５４が互いに当接するように、各チャネル１３９内に挿入される。従って、リングセグメント１５４は、外側流路境界１２２の少なくとも一部分を形成する。

図４は、圧縮機１０２の一部分内に形成された抽気通路又は抽気スロット２００の斜視図である。図５は、線５−５（図４に示す）に沿って取った抽気スロット２００の断面図である。単なる説明目的で、図４及び図５は、中心線１５２（図２に図示する）の下方における圧縮機１０２の一部分を示す。図５において、スロット２００から離れる方向に軸方向に延びるセグメントの部分は、全体を理解するために仮想線で示す。通路１５６は、その中に少なくとも１つのステータブレードダブテール部分１５８を受けるような寸法及び形状にされて、ステータブレード組立体１２８が所定の位置に固定させるようになる。参考のために、図４において、ステータブレード根元部分２０３の一部分を示す。より具体的には、各ダブテール部分１５８が通路１５６内に挿入されると、ダブテール部分１５８の半径方向外側表面２０１は、該部分２０１が外側流路境界１２２とほぼ同一面となるか又は該流路境界１２２とほぼ共面／共弧状になるように、ステータブレード組立体根元部分２０３と交差する。

この例示的な実施形態では、抽気スロット２００は、リングセグメント１５４内にほぼ半径方向に形成される。スロット２００は、境界１２２とほぼ同一面になった又は共面／共弧状になった開口部２０２を含む。この例示的な実施形態では、スロット２００は、第１の円周方向幅２０４、第２の円周方向幅２０６及び軸方向長さ２０８によって部分的に形成される。より具体的には、この例示的な実施形態では、幅２０６は、幅２０４よりも広い。それに代えて、幅２０４及び２０６は、本明細書に記載するようなスロット２００の作動を可能にするあらゆる寸法を有することができる。また、この例示的な実施形態では、スロット２００の寸法は、ほぼ矩形構成を形成する。それに代えて、スロット２００の寸法は、それに限定されないが、半円形形状及び／又は半楕円形形状のようなあらゆる非矩形を形成することができる。さらに、この例示的な実施形態では、スロット２００は、セグメント１５４内に形成されたスロット第１の壁２１０及びスロット第２の壁２１２によって少なくとも部分的に形成される。

この例示的な実施形態では、壁２１０は、圧縮機１０２の半径方向軸線２１６に対して測定した状態で鋭角である第１の壁角度２１４でセグメント１５４内に形成される。さらに、この例示的な実施形態では、壁２１２は、半径方向軸線２１６に対して測定した状態で鋭角である第２の壁角度２１８でセグメント１５４内に形成される。また、この例示的な実施形態では、角度２１４及び２１８は、ほぼ同じである。それに代えて、角度２１４及び２１８は、本明細書に記載したようなスロット２００の作動を可能にする、半径方向軸線２１６に対して測定した状態で鈍角及びゼロ角度を含むあらゆる角度とすることができる。さらに、スロット２１０は、セグメント１５４の少なくとも１つの軸方向端縁部２２２から軸方向距離２２０で配置される。幅２０４及び２０６、長さ２０８、角度２１４及び２１８並びに距離２２０は、少なくとも部分的にセグメント１５４の材料特性、圧縮機１０２の軸方向位置、圧縮機１０２及びエンジン１００の残りの部分の運転に必要な抽気流体流要件並びにスロット２００の近傍における流体流特性に基づいて可変に選択される。

セグメント１５４内にスロット２００を形成することにより、複数の利点が得られる。例えば、本明細書に記載したようにスロット２００を形成することは、既設の使用中の圧縮機を改造するのを可能にしかつハードウェアの修正を少なくするのを可能にする。その結果、スロット２００はまた、修正に関連する資本及び労務コストを減少させるのを可能にする。その上、スロット２００は、流体流路変形、既設セグメント１５４の固有振動数の変化、セグメント１５４の構造弱体化及び／又はセグメント１５４の振動数調整を減少させるのを可能にするように最適寸法にしかつ配置することができる。

ガスタービンエンジン１００を運転する方法を提供する。本方法は、ケーシング１１６の半径方向内側表面１１９の少なくとも一部分内に少なくとも１つのステータリング通路又はチャネル１３９を形成する段階を含む。本方法はまた、ステータリング通路１３９内に挿入するような寸法にされた少なくとも１つのステータリングセグメント１５４を準備する段階を含む。本方法はさらに、ステータリングセグメント１５４の少なくとも一部分内に少なくとも１つのステータブレード通路１５６を形成する段階を含む。本方法はまた、ステータリングセグメント１３９の少なくとも一部分内に、その少なくとも一部分がステータブレード通路１５６に隣接するように少なくとも１つの半径方向通路又はスロット２００を形成する段階を含む。

運転時に、流路１１８を通って流れるように加圧された流体の少なくとも一部分は、スロット２００内にかつセグメント１５４を通って流れ、流体はさらに、それに限定されないが、管類、配管及び流体マニホルドを含むことができる流体導管（図示せず）に導かれる。

図６は、圧縮機１０２（図２に示す）の一部分内に形成することができる別の抽気スロット３００の断面図である。この別の実施形態では、スロット３００は、第１の円周方向幅３０４、第２の円周方向幅及び軸方向長さ（その両方とも図示せず）によって部分的に形成された開口部３０２を含み、それらの幅は、本明細書に記載したようなスロット３００の作動を可能にするあらゆる寸法を有することができる。さらに、この別の実施形態では、スロット３００は、セグメント１５４内に形成されたスロット第１の壁３１０及びスロット第２の壁３１２によって少なくとも部分的に形成される。

この別の実施形態では、壁３１０は、圧縮機１０２の半径方向軸線２１６に対して測定した状態で鋭角である第１の壁角度で形成される。さらに、この別の実施形態では、壁３１２もまた、半径方向軸線２１６に対して計測した第２の壁角度（図示せず）で形成される。また、この別の実施形態では、角度３１４は、角度２１４（図４に示す）よりも小さく、また壁３１２に関連する角度は、角度２１８（図４に示す）よりも小さい。それに代えて、角度３１４及び壁３１２に関連する角度は、本明細書に記載したようなスロット３００の作動を可能にする、半径方向軸線２１６に対しての鈍角及びゼロ角度を含むあらゆる角度とすることができる。

この別の実施形態では、スロット３００は、該スロット３００を形成するのを可能にするために除去される別のステータブレードダブテール部分３５８の一部分３４１を含む。さらに、スロット３００は、セグメント１５４の軸方向端縁部２２２（図４に示す）から軸方向距離（図示せず）で配置される。そのような寸法は、少なくとも部分的にセグメント１５４の材料特性、圧縮機１０２内での軸方向位置、圧縮機１０２及びエンジン１００の残りの部分の運転に必要な抽気流体流要件、並びにスロット３００の近傍における流体流特性に基づいて可変に選択される。

図７は、圧縮機１０２（図２に示す）の一部分内に形成された複数の抽気スロット４００の斜視図である。スロット４００は、開口部４０２を含み、スロット２００（図４及び図５に示す）及び／又はスロット４００（図６に示す）とほぼ同じにすることができる。それに代えて、リングセグメント１５４内には、本明細書に記載したような圧縮機１０２の作動を可能にするあらゆる寸法及びあらゆる構成を有するあらゆる数のスロット４００を形成することができる。

本明細書に記載したように圧縮機を組立てるための方法及び装置により、タービンエンジンの運転が可能になる。具体的には、上述したようにステータリング内に形成した少なくとも１つの抽気スロットにより、効果的な圧縮機抽気構成が可能になる。より具体的には、そのような構成により、流体流路変形を減少させること、既設のステータリングの固有振動数の変化を減少させること、ステータリングの構造弱体化を減少させること、及びステータリングの振動数調整を容易にすることが可能になるような最適寸法及び配置のスロットが可能になる。さらに、本明細書に記載したようなスロットを形成する方法は、ハードウェアの修正を減少させると同時にそのような修正を行うことに関連する資本及び労務コストを減少させながら既設の使用中の圧縮機を改造することを可能にする。

以上、タービンエンジンに関連する圧縮機抽気スロットの例示的な実施形態を、詳細に説明している。本方法、装置及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態にも、またまた特定の例示した圧縮機抽気スロットにも限定されるものではない。

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改良で実行することができることは当業者には明らかであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 領域２に沿って取った、図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる圧縮機の一部分の拡大断面図。 図２に示す圧縮機で使用することができる例示的なステータブレードリングセグメントの斜視図。 図２に示す圧縮機の一部分内に形成された例示的な抽気スロットの斜視図。 線５−５に沿って取った、図４に示す抽気スロットの断面図。 図２に示す圧縮機の一部分内に形成することができる別の抽気スロットの断面図。 図２に示す圧縮機の一部分内に形成された複数の抽気スロットの斜視図。

符号の説明

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ 燃料ノズル組立体
１０８ タービン
１１０ ロータ
１１２ ロータ組立体
１１４ ステータ組立体
１１６ ケーシング
１１８ 流路
１１９ 内側表面
１２０ 内側流路境界
１２２ 外側流路境界
１２４ 第１段
１２６ ロータブレード組立体
１２８ ステータブレード組立体
１３０ ロータディスク
１３２ ロータブレード翼形部分
１３４ 内側ブレード結合装置
１３６ 先端部分
１３７ ステータリング
１３８ ステータベーン
１３９ ステータリング通路
１４０ 翼形部分
１４４ ステータブレード先端部分
１４８ 低圧領域
１５０ 高圧領域
１５２ 中心線
１５４ リングセグメント
１５６ ステータブレード通路
１５８ ダブテール部分
２００ スロット又は半径方向通路
２０１ 外側表面
２０２ 開口部
２０３ ステータブレード根元部分
２０４ 幅
２０６ 幅
２０８ 長さ
２１０ スロット第１の壁
２１２ スロット第２の壁
２１４ 第１の壁角度
２１６ 半径方向軸線
２１８ 角度
２２０ 距離
２２２ 軸方向端縁部
３００ 抽気スロット
３０２ 開口部
３０４ 幅
３１０ スロット第１の壁
３１２ スロット第２の壁
３１４ 第１の壁角度
３４１ 一部分
３５８ ステータブレードダブテール部分
４００ 抽気スロット
４０２ 開口部

Claims (10)

1. 半径方向内側表面（１１９）を備えたほぼ円筒形のケーシング（１１６）と、
   前記半径方向内側表面の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータリング通路（１３９）と、
   前記少なくとも１つのステータリング通路の少なくとも一部分内に挿入された少なくとも１つのステータリングセグメント（１５４）と、
   前記少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータブレード通路（１５６）と、
   前記少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成されかつ前記少なくとも１つのステータブレード通路に少なくとも部分的に隣接した少なくとも１つの半径方向通路（２００）と、
   を含むステータ組立体（１１４）。
2. 前記少なくとも１つの半径方向通路（２００）が、前記少なくとも１つのステータリングセグメント（１５４）内の所定の軸方向かつ円周方向位置に形成される、請求項１記載のステータ組立体（１１４）。
3. 前記少なくとも１つの通路が、前記少なくとも１つのステータリングセグメント（１５４）の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つの壁（２１０、２１２、３１０、３１２）によって、前記少なくとも１つのステータリングセグメントの半径方向最内側部分内に形成された開口部（２０２）によって、また前記少なくとも１つのステータリングセグメントの半径方向最外側部分によって、少なくとも部分的に形成される、請求項１記載のステータ組立体（１１４）。
4. 前記少なくとも１つの通路が、
   ほぼ半円形の開口部と、
   ほぼ半楕円形の開口部と、
   ほぼ矩形の開口部と、のうちの少なくとも１つを含む、
   請求項３記載のステータ組立体（１１４）。
5. 前記開口部（２０２）が、前記ステータリングセグメント（１５４）を貫通して延び、
   前記少なくとも１つの壁（２１０、２１２、３１０、３１２）が、前記ステータリングセグメント半径方向最内側部分との間で第１の所定の角度（２１４）を形成し、また前記ステータリングセグメント半径方向最外側部分との間で第２の所定の角度（２１８）を形成する、
   請求項３記載のステータ組立体。
6. 前記少なくとも１つの通路（２００）が、ステータブレード（１２８）の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つの壁によってさらに形成される、請求項３記載のステータ組立体（１１４）。
7. 前記少なくとも１つのステータブレード通路（１５６）が、その中に少なくとも１つのステータブレード（１２８）を受けるような寸法にされる、請求項１記載のステータ組立体（１１４）。
8. 前記ステータブレード（１２８）及び少なくとも１つのほぼ軸方向ステータブレード通路（１５６）が、ダブテール構成を含む、請求項７記載のステータ組立体（１１４）。
9. 圧縮機（１０２）をさらに含む、請求項１記載のステータ組立体（１１４）。
10. タービン（１０８）と、
    前記タービンに回転可能に結合された圧縮機（１０２）と、
    を含み、前記圧縮機が、
    半径方向内側表面（１１９）を備えたほぼ円筒形のケーシング（１１６）と、
    前記半径方向内側表面の少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータリング通路（１３９）と、
    前記少なくとも１つのステータリング通路の少なくとも一部分内に挿入された少なくとも１つのステータリングセグメント（１５４）と、
    前記少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成された少なくとも１つのステータブレード通路（１５６）と、
    前記少なくとも１つのステータリングセグメントの少なくとも一部分内に形成されかつ前記少なくとも１つのステータブレード通路に少なくとも部分的に隣接した少なくとも１つの半径方向通路（２００）と、を含む、
    ガスタービンエンジン（１０）。

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