JP2008303874A - 傾斜シールを有するシュラウド構成 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜シールを有するシュラウド構成の提供。
【解決手段】本構成に設けられるシュラウドセグメントは前縁部溝及び後縁部溝２２２を有する外側シュラウド２１２と、前縁部フック及び後縁部フック２１８を有する複数の内側シュラウド２１４とを含み、内側シュラウドの前縁部及び後縁部フックは各々外側シュラウドの前縁部及び後縁部溝に係合して、外側シュラウドに対して内側シュラウドを軸方向及び半径方向に固定する。内側シュラウドの後縁部フック及び外側シュラウドの後縁部溝の少なくとも一方が、ロータの軸方向に対してまたロータの半径方向に対してある角度で配置され内側及び外側シュラウドの他方に面した傾斜面２４０、２４２を含み、それにより内側シュラウド上への半径方向内向きの力が軸方向及び半径方向の力に変換され、内側及び外側シュラウド間の半径方向ギャップを緊密にシールするように内側シュラウドを強制的に押圧する。
【選択図】図４

Description

産業用ガスタービンでは、シュラウドセグメントが、タービンロータ軸線の周りの環状アレイ内のタービンシェルフフックに固定されて、タービンロータの一部をなすバケット先端の半径方向外側にかつ該バケット先端に隣接して環状シュラウドを形成する。シュラウドの内壁は、ガス通路の一部を画成する。従来では、シュラウドセグメントは、内側及び外側シュラウドを含み、内側及び外側シュラウドには、該内側及び外側シュラウドを互いに接合するための相補的なフック及び溝がそれらの前縁部及び後縁部に隣接して設けられる。次に、外側シュラウドは、タービンシェル又はケーシングフックに固定される。実施例の構成では、各シュラウドセグメントは、１つの外側シュラウドと２つ又は３つの内側シュラウドとを有する。
米国特許第６４０２４６６号明細書 米国特許第６８１４５３８号明細書 米国特許第７１１７９８３号明細書 米国特許第６９８４１０６号明細書 米国特許第６７２６４４８号明細書 米国特許第６４３５８２３号明細書 米国特許第６３９０７６９号明細書 米国特許第６１２６３８９号明細書 米国特許第６６３８０１２号明細書 米国特許第５６４１２６７号明細書 米国特許第３６２３７３６号明細書

本発明は、バケットの後方の流路とシュラウド冷却空気との間に存在する圧力勾配を利用して後縁部フックをより効果的にシールするのを可能にする。より具体的には、本発明は、通常は半径方向の力を発生させることになる圧力勾配に注目し、少なくとも１つの傾斜面を使用することによってその圧力勾配を軸方向及び半径方向の力に変換する。傾斜面は、内側シュラウド及び外側シュラウドの後縁部内に収納され、かつ実施例としての実施形態では、圧力勾配が内側シュラウドをガス通路の方向にかつエンジンの中心部に向かって強制的に僅かに移動させることになるような方法で配置される。この移動は、内側シュラウド及び外側シュラウド間の半径方向ギャップを緊密にシールするように該内側シュラウドを強制的に押圧することになる。

従って、本発明は、多段ガスタービンのステータシュラウドとして具体化することができ、本ステータシュラウドは、１つの段を通る高温ガス通路を部分的に画成し、かつタービンロータの一部をなす１つの段のバケットの先端をオーバレイするための表面を有するシュラウドセグメントを含み、シュラウドセグメントは、上流前縁部と下流後縁部とを有し、シュラウドセグメントは、外側シュラウドと該外側シュラウドに連結された少なくとも１つの内側シュラウドとを含み、外側シュラウドは、該外側シュラウドの前縁部及び後縁部の各々に隣接してかつ該前縁部及び後縁部の各々に沿って画成された溝を有し、後縁部に沿った溝は、軸方向上流方向に開口し、内側シュラウドは、それぞれ外側シュラウドの溝に係合するための前縁部軸方向突出フック部分と後縁部軸方向突出フック部分とを有し、この係合は、内側シュラウドを外側シュラウドに対して軸方向及び半径方向に固定し、内側シュラウドの後縁部フック及び外側シュラウドの後縁部溝の少なくとも一方は、ロータの軸方向に対してまた該ロータの半径方向に対してある角度で配置されかつ内側シュラウド及び外側シュラウドの他方に面した傾斜面を含み、それによって、内側シュラウド上への半径方向内向きの力が、軸方向及び半径方向の力に変換されて、内側及び外側シュラウド間の半径方向ギャップを緊密にシールするように該内側シュラウドを強制的に押圧する。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と共に本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されかつ評価されるであろう。

図１を参照すると、その全体を参照符号１０で表したシュラウドセグメントを図示しており、このシュラウドセグメント１０は、外側シュラウド１２と該外側シュラウド１２に固定するようになった複数の内側シュラウド１４の１つとを含む。内側シュラウドは、それぞれその前縁部及び後縁部１７、１９に隣接して、最終組立体において外側シュラウド１２の溝２０、２２内に円周方向滑動可能に係合するようになったフック１６、１８を有する。内側及び外側シュラウドはまた、それらシュラウド間に、内側シュラウドセグメントの壁面２６をインピンジメント冷却するようになったインピンジメント冷却プレート２４が取付けられる。外側シュラウド１２は、シュラウドセグメント１０をシェルに取付けるために、固定タービンシェルの一部をなすフック３２を受けるようになった半径方向外向きダブテール溝３０を有する。シュラウドセグメント１０の環状アレイはガスタービンのロータの周りにかつロータ上のバケット３５の先端の周りに形成され、それによってタービンの高温ガス通路を通って流れる高温ガスのための外側壁又は境界面３１を画成することが、分かるであろう。図１の実施例のシュラウド組立体のその他の特徴及び詳細は、米国特許第６４０２４６６号に開示されており、その開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れている。

図２は、別の実施例のシュラウド組立体を示している。図に示したように、その全体を参照符号１１０で表したシュラウドセグメント１０は、外側シュラウド１１２と複数の内側シュラウド１１４とを含む。一般的には２つ又は３つのシュラウドが設けられるが、明瞭にするためにそれらのうちの１つのみを示している。内側シュラウドは、それぞれその前縁部及び後縁部１１７、１１９に隣接して、最終組立体において外側シュラウド１１２のフック１２１、１２３によって画成された溝１２０、１２２内に円周方向滑動可能に係合するようになったフック１１６、１１８を有する。この図示した実施形態では、従来の方法でシュラウドセグメント１１０の表面の内壁をインピンジメント冷却するようになったインピンジメント冷却プレート１２４が、シュラウド間に取付けられる。

この図示した実施例では、外側シュラウド１１６は、固定タービンシェル又はケーシングの一部をなす前縁部及び後縁部フック１３４、１３６によって画成されたダブテール溝１３２内に係合してケーシングに対してシュラウドセグメントを固定するようになった半径方向外向きダブテール１３０を有する。この図示した構成に対する公知の変形形態は、図１に示したのと同様にタービンケーシングの一部として形成された対応する形状のダブテールを受けるようになった半径方向外側ダブテール溝を設けた外側シュラウドを含むことになる。

図１に示した構造におけるのと同様に、図２の組立体では、シュラウドセグメント１１０の環状アレイは、ガスタービンのロータの周りにかつロータ上のバケットの先端の周りに形成され、それによってタービンの高温ガス通路を通って流れる高温ガスのための外側壁又は境界面を画成する。図２に示す構造のその他の特徴は、米国特許第６８１４５３８号に開示されてており、その開示内容は、参考文献として本明細書に組み入れている。

図３は、本発明と比較するために示した、図１及び図２のシュラウド構成におけるシュラウド後縁部の拡大図であり、本発明の実施形態については、本明細書において以下に説明する。

伝統的なシュラウドフックは、図１及び図２に示すシュラウド組立体におけるのと同様に軸方向及び半径方向（垂直方向及び水平方向）フック構成要素を使用する。シュラウド組立体内部の冷却空気と流路シールとの間の圧力勾配は、円周方向／軸方向面上に力を作用させる。この円周方向又は軸方向面は、内側シュラウドのコーディングのため有効なシール面とならない。より具体的には、コーディングは、内側シュラウドを外側シュラウドよりも大きく湾曲させ、軸方向シール内のギャップを広げる。

本発明は、バケットの後方の流路とシュラウド冷却空気との間に存在する圧力勾配を利用して後縁部フックをより効果的にシールするのを可能にする。より高い効果のシールは、内側及び外側シュラウド間のギャップを減少させ、それが次にこの特定のシールにより失われる冷却流量を減少させる。より具体的には、本発明は、通常は半径方向の力を発生させることになる圧力勾配に注目し、少なくとも１つの傾斜面を使用することによってその圧力勾配を軸方向及び半径方向の力に変換する。傾斜面は、内側シュラウド及び外側シュラウドの後縁部内に収納され、かつ実施例としての実施形態では、圧力勾配が内側シュラウドをガス通路の方向にかつエンジンの中心部に向かって強制的に僅かに移動させることになるような方法で配置される。この移動は、内側シュラウド及び外側シュラウド間の半径方向ギャップを緊密にシールするように該内側シュラウドを強制的に押圧することになる。

従ってまたより具体的には、シールに沿った接触と後方フックにおける効果的なシールを保証するために、本発明の実施例としての実施形態では、圧力付勢力を純粋な半径方向の力から半径方向及び軸方向の力に変換する傾斜した円錐形構成要素が、シール内に組み込まれる。従って、実施形態として全体的には図１及び図２に示した型式のステータシュラウドを提供し、この実施形態では、内側シュラウドの後縁部フック及び外側シュラウドの後縁部溝の少なくとも一方は、ロータの軸方向に対してまた該ロータの半径方向に対してある角度で配置されかつ内側シュラウド及び外側シュラウドの他方に面した傾斜面を含む。

実施例としての実施形態では、図４に示すように、内側シュラウド２１４の後方又は後縁部２１９における内側シュラウドフック２１８は、ロータの軸線に対してまたロータの半径方向に対して傾斜した傾斜面２４０を含む。より具体的には、内側シュラウドフック２１８は、軸方向前向きかつ半径方向内向きに面した傾斜面２４０を含む。さらに、外側シュラウド２１２の軸方向前向き溝２２２は、対応して傾斜した面２４２を含み、この傾斜面２４２は、半径方向外向きにかつ軸方向後方又は後向き方向に面している。従って、軸方向の力は、内側シュラウド２１４上に作用し、外側シュラウド２１２と接触させるのに必要な量だけシュラウドを強制的に移動させる。機械が動作しているときには、この部位に常に圧力勾配が存在し、従って内側シュラウドシールは、常に閉鎖位置に付勢されることになる。

従って、本発明は、付勢力を純粋な半径方向から軸方向及び半径方向の組合せに変換し、内側及び外側シュラウド間の半径方向ギャップをシールするように内側シュラウドを強制的に押圧する。このようにして、圧力勾配は、軸方向／円周方向の代わりに半径方向に（軸方向力により）緊密シールを強制的に行わせる。軸方向／円周方向シールは、前述したように内側及び外側シュラウドのコーディング作用のため有効なシールとならない。

この図示した実施例では、内側シュラウド２１４の後縁部フック２１８は、半径方向外側周面２４４と半径方向内側周面とを含む。半径方向内側周面は、傾斜面２４０とロータの軸方向に略平行な第１の面２４６とを含む。この実施例では、フック２１８はさらに、軸方向に平行でありかつ第１の面２４６に対して傾斜面２４０の軸方向反対側にある第２の面２４８を含む。他方、フック２１８の半径方向外側周面２４４は、該フック２１８の略全軸方向長さに沿って軸方向に延在する。

この図示した実施例では、外側シュラウド２１２の後縁部溝２２２は、半径方向外側周面２５０と半径方向内側周面とを含む。半径方向内側周面は、傾斜面２４２とロータの軸方向に略平行な第１の面２５２とを含む。この実施例では、溝２２２はさらに、軸方向に平行でありかつ第１の面２５２に対して傾斜面２４２の軸方向反対側にある第２の面２５４を含む。他方、溝２２２の半径方向外側周面２５０は、該溝２２２の略全軸方向長さに沿って軸方向に延在する。

既に明らかなように、この図示した実施形態に加えて、シュラウドの後方端部をシールする本発明の傾斜フック概念を使用することができる外側シュラウド及び内側シュラウドの境界面の他の可能な幾何学形状も存在する。従って、本発明は、それに限定されないが、図示した傾斜シールの特定位置又は構成、或いは内側及び外側シュラウドフック並びに溝のそれぞれの構成のような、シールにおける有効ギャップを減少させる傾斜シールの使用として具体化される。

従って、現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、提出した特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

従来型の内側シュラウド保持設計を示す概略円周方向端面図。 別の従来型のシュラウドセグメントの概略円周方向端面図。 図１及び図２の従来型の内側シュラウド保持設計に対応したシュラウドセグメント後縁部の拡大概略円周方向端面図。 本発明を具体化したシュラウドセグメントの拡大概略円周方向端面図。

符号の説明

１０ シュラウドセグメント
１２ 外側シュラウド
１４ 内側シュラウド
１６、１８ 内側シュラウドフック
１７、１９ 前縁部及び後縁部
２０、２２ 外側シュラウド溝
２４ インピンジメント冷却プレート
２６ 壁面
３０ ダブテール溝
３１ 外側壁又は境界面
３２ フック
３５ バケット
１１０ シュラウドセグメント
１１２ 外側シュラウド
１１４ 内側シュラウド
１１６、１１８ 内側シュラウドフック
１１７、１１９ 前縁部及び後縁部
１２０、１２２ 溝
１２１、１２３ 外側シュラウドフック
１２４ インピンジメント冷却プレート
１３０ ダブテール
１３２ ダブテール溝
１３４、１３６ 前縁部及び後縁部フック
２１２ 外側シュラウド
２１４ 内側シュラウド
２１８ 内側シュラウドフック
２１９ 後方又は後縁部
２２２ 軸方向前向き溝
２４０ 傾斜面
２４２ 傾斜面
２４４ 半径方向外側周面
２４６ 第１の面
２４８ 第２の面
２５０ 半径方向外側周面
２５２ 第１の面
２５４ 第２の面

Claims (10)

1. 多段ガスタービンのステータシュラウドであって、
   １つの段を通る高温ガス通路を部分的に画成し、かつタービンロータの一部をなす前記１つの段のバケットの先端をオーバレイするための表面を有するシュラウドセグメント（１０、１１０）を含み、
   前記シュラウドセグメントが、上流前縁部（１７、１１７）と下流後縁部（１９、１１９、２１９）とを有し、
   前記シュラウドセグメントが、外側シュラウド（２１２）と前記外側シュラウド（２１２）に連結された少なくとも１つの内側シュラウド（２１４）とを含み、
   前記外側シュラウドが、該外側シュラウドの前縁部及び後縁部の各々に隣接してかつ該前縁部及び後縁部の各々に沿って画成された溝を有し、
   前記後縁部（２１９）に沿った前記溝（２２２）が、軸方向上流方向に開口し、
   前記内側シュラウド（２１４）が、それぞれ前記外側シュラウド（２１２）の溝（２２２）に係合するための前縁部軸方向突出フック部分と後縁部軸方向突出フック部分（２１８）とを有し、
   前記係合が、前記内側シュラウドを前記外側シュラウドに対して軸方向及び半径方向に固定し、
   前記内側シュラウド（２１４）の後縁部フック（２１８）及び前記外側シュラウド（２１２）の後縁部溝（２２２）の少なくとも一方が、前記ロータの軸方向に対してまた該ロータの半径方向に対してある角度で配置されかつ前記内側シュラウド及び外側シュラウドの他方に面した傾斜面（２４０、２４２）を含み、それによって、前記内側シュラウド上への半径方向内向きの力が、軸方向及び半径方向の力に変換されて、前記内側及び外側シュラウド（２１４、２１２）間の半径方向ギャップを緊密にシールするように該内側シュラウド（２１４）を強制的に押圧する、
   ステータシュラウド。
2. 前記後縁部フック（２１８）及び後縁部溝（２２２）の各々が、それぞれ前記ロータの軸方向に対してまた該ロータの半径方向に対してある角度で配置されかつ前記内側シュラウド及び外側シュラウドの他方に面した相補的な傾斜面（２４０、２４２）を含む、請求項１記載のステータシュラウド。
3. 前記内側シュラウドの後縁部フック（２１８）が、半径方向外側周面（２４４）と半径方向内側周面とを含み、
   前記半径方向内側周面が、前記傾斜面（２４０）と前記軸方向にぼぼ平行な第１の面（２４６）とを含む、
   請求項１記載のステータシュラウド。
4. 前記後縁部フック（２１８）が、前記第１の面（２４６）に対して前記傾斜面（２４０）の軸方向反対側で前記軸方向に平行な第２の面（２４８）をさらに含む、請求項３記載のステータシュラウド。
5. 前記傾斜面が、半径方向内向きにかつ軸方向前向きに面する、請求項１記載のステータシュラウド。
6. 前記後縁部フック（２１８）の半径方向外側周面（２４４）が、該後縁部フック（２１８）の略全軸方向長さに沿って軸方向に延在する、請求項３記載のステータシュラウド。
7. 前記外側シュラウドの後縁部溝（２２２）が、半径方向外側周面（２５０）と半径方向内側周面とを含み、
   前記半径方向内側周面が、前記傾斜面（２４２）と前記軸方向に略平行な第１の面（２５２）とを含む、
   請求項１記載のステータシュラウド。
8. 前記後縁部溝（２２２）が、前記第１の面（２５２）に対して前記傾斜面（２４２）の軸方向反対側で前記軸方向に平行な第２の面（２５４）をさらに含む、請求項７記載のステータシュラウド。
9. 前記傾斜面（２４２）が、半径方向外向きにかつ軸方向後向きに面する、請求項７記載のステータシュラウド。
10. 前記後縁部溝（２２２）の半径方向外側周面（２５０）が、該後縁部溝（２２２）の略全軸方向長さに沿って軸方向に延在する、請求項７記載のステータシュラウド。

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