JP2009275704A - タービンに関連するモード振動を変更するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内側シュラウド内の振動の変更の助けとなる内側タービンシュラウド設計を改善する方法を提供する。
【解決手段】タービンにおけるシュラウド組立体の内側シュラウド７００の１以上のモード振動周波数を変更するためのシュラウド組立体及び方法が記載される。シュラウド組立体は、内側シュラウド及び外側シュラウドを含む。内側シュラウドは、第１の末端部分７０８、第１の末端部分と相対する第２の末端部分７１０、上面７０４、及び複数の回転タービンブレードに隣接した下面７０６を含む。内側シュラウドは、上面７０４上に形成され、第１の末端部分と第２の末端部分との間に延び、インピンジメント冷却区域７１６が間に定められる２つのレール７１２ａ、７１２ｂを含む。内側シュラウドは、２以上のレールを横断する方向で上面上に形成される１以上の交差部材７１８を含む。内側シュラウドにおける望ましくないモード励起を回避する方法が提供される。
【選択図】図７

Description

本発明は、一般にタービンに関し、より詳細にはタービンに関連したモード振動の変更に関する。

タービンは、航空機産業、産業用、及び発電用途の様々な分野で使用される。通常、比較的高圧高温条件下で動作するガスタービンは、ロータから延びた複数の回転タービンブレードを含む。これらのタービンブレードは、１以上の高温ガスにより駆動することができる。１以上の回転タービンブレード先端近傍での高温ガスの漏出により、タービン効率が低下する可能性がある。従って、タービンは通常、高温ガスの有意な漏出を最小にするためにシュラウド組立体を備える。シュラウド組立体は通常、タービンケーシングに固定され、回転タービンブレードを覆う。この点に関して、シュラウド組立体通常、回転タービンブレードに円周方向の被覆を与える。シュラウド組立体を含むガスタービンは、高温ガス漏出を最小にする利点を有し、従って、タービン効率を改善することができる。

従来、タービンのシュラウド組立体は、外側シュラウドと複数の内側シュラウドとを有する。外側シュラウドは通常、タービンケーシング又はシェルに固定される。典型的な内側シュラウドは、上面、下面、第１の（前方）末端部分、及び第２の（後方）末端部分を含むことができる。内側シュラウドの下面は通常、回転タービンブレードに隣接して配置される。タービンにシュラウド組立体を使用することにより、２次流路への高温ガスの漏出を阻止又は最小にすることができ、回転タービンブレードの各々のブレード先端の振動を低減することができる。加えて、複数の内側シュラウドの各々が高温ガスと連続的に接触しているので、内側シュラウドの各々の上面は通常、内側シュラウドの各々を冷却するためのインピンジメント冷却プレートで覆われる。

通常の動作及び負荷条件下では、複数の回転タービンブレードは、一定の毎分回転数で回転する。複数のタービンブレードの回転により、励起周波数での複数のタービンブレードの１以上の励起及び振動が引き起こされる。これに加えて、内側シュラウドは、調和周波数と振動の複数のモード振動周波数とを有する。内側シュラウドの調和周波数及び複数のモード振動周波数は通常、その質量及び設計又は構造的特徴、例えば、第１の末端部分と第２の末端部分との間に延びる複数のレールの厚み又はインピンジメント冷却区域の厚みの関数である。内側シュラウドのモード振動周波数の少なくとも１つが回転タービンブレードの１以上の励起周波数に近接して位置するときに問題が生じる。このような状況は、内側シュラウド内に共振又はモード励起をもたらす可能性がある。この共振により、高温ガス通路から二次流路を分離するシールに亀裂を生じさせ、二次流路への高温ガスの漏出をもたらし、よってタービン効率が低下する可能性がある。加えて、高温ガス通路（ＨＧＰ）吸込みが生じ、外側シュラウドに対する冷却を低下させる可能性がある。従って、外側シュラウドの温度が上昇し、外側シュラウドに対する構造的損傷を与える危険性が高くなる可能性がある。

このため、高温ガスの漏出は、シュラウド組立体の製品寿命を短縮し、シュラウド組立体に関連するメンテナンス及び補修コストが高くなる可能性がある。加えて、高温ガスの漏出は、タービン性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

従って、内側シュラウド内の振動の変更の助けとなる内側タービンシュラウド設計の改善の必要性がある。

本発明の１つの実施形態によれば、内側シュラウド及び外側シュラウドを含む、タービン用シュラウド組立体が開示される。内側シュラウドは、第１の末端部分、該第１の末端部分と相対する第２の末端部分、上面、及び複数の回転タービンブレードに隣接した下面を有する本体（７０２）を含む。内側シュラウドは更に、上面上に形成され、第１の末端部分と第２の末端部分との間に延びて、インピンジメント冷却区域が間に定められる２以上のレールを含む。加えて、内側シュラウドは、２以上のレールを横断する方向で上面上に形成される１以上の交差部材を含む。

本発明の別の実施形態によれば、タービンが開示される。タービンは、タービンケーシングと、ロータと、該ロータから延びる複数の回転ブレードと、シュラウド組立体とを含む。シュラウド組立体は、タービンケーシングに取付られた１つの外側シュラウドと、複数の内側シュラウドとを含む。複数の内側シュラウドの各々は、シュラウド組立体の内側シュラウドと外側シュラウドとの間を接続可能にする１以上の取付具を含む。加えて、複数の内側シュラウドの各々は、第１の末端部分と、該第１の末端部分と相対する第２の末端部分と、上面と、複数の回転タービンブレードに隣接した下面とを有する本体を含む。２以上のレールが、上面上に形成され、第１の末端部分と第２の末端部分との間に延び、１以上の交差部材が、２以上のレールを横断する方向で上面上に形成される。

本発明の更に別の実施形態によれば、タービンにおけるシュラウド組立体の内側シュラウドの１以上のモード振動周波数を変更するための方法が開示される。内側シュラウドの本体が準備される。本体は、第１の末端部分、第２の末端部分、上面、及びタービンに関連する複数の回転タービンブレードに隣接した下面を含む。第１の末端部分と第２の末端部分との間に本体の長さに沿って延び、インピンジメント冷却区域が上面上で且つ間に定められる２以上のレールが準備される。１以上の交差部材が、２以上のレールを横断する方向で上面上に設けられる。

当業者であれば、本発明の他の実施形態、態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明、添付図面、並びに添付の請求項から明らかになるであろう。

本発明の実施形態を利用することができるガスタービンの１つの実施例の断面図。 本発明の実施形態を利用することができる、図１に示すガスタービンの一部の断面図。 本発明の実施形態を利用することができるタービンシュラウドの１つの実施例の断面図。 タービンシュラウド組立体で使用する従来の内側シュラウドの概略斜視図。 図４に示す従来の内側シュラウドの線Ａ−Ａ’に沿った断面図。 図４に示す従来の内側シュラウドのキャンベル線図。 本発明の例示的な実施形態による内側シュラウドの１つの実施例の概略斜視図。 本発明の例示的な実施形態による内側シュラウドの別の実施例の斜視図。 本発明の例示的な実施形態による内側シュラウドの別の実施例の斜視図。 本発明の種々の例示的な実施形態による内側シュラウドの交差部材として利用可能な様々なタイプのリブの実施例。 本発明の例示的な実施形態による、図７の内側シュラウドキャンベル線図の１つの実施例。 本発明の例示的な実施形態による、内側シュラウドを作成するための方法の１つの実施例のフローチャート。

以上において本発明を概略的に説明してきたが、ここで必ずしも縮尺通りに描かれていない添付図面を参照する。

次に、本発明の全てではなく一部の実施形態を示している添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下でより詳細に説明する。実際に、本発明は、多くの様々な形態で具現化することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されるものとみなすべきではない。むしろこれらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満足することになるように提供される。全体にわたって同じ参照符号は同様の要素を示している。

内側シュラウドの実施形態、並びに内側シュラウドの１以上のモード振動周波数を変更するための内側タービンシュラウドを製造する方法の実施形態が開示される。内側シュラウド内に１以上の交差部材を含めることができ、１以上の交差部材を設けることにより、内側シュラウドの１以上のモード振動周波数をタービンに関連する１以上の回転タービンブレードの励起周波数から離れて変更又はシフトすることを可能にすることができる。

図１は、本発明の実施形態を利用することができるガスタービン１００の１つの実施形態の断面図を示す。図１にはガスタービン１００が示されているが、本発明の実施形態は、限定ではないが、種々の航空機産業、産業用、及び発電用途に利用されるタービンを含む、幅広い種類の様々なタービン設計及びタービンタイプに利用することができる。

図１を参照すると、図示のガスタービン１００は、吸気セクション１０２、圧縮機セクション１０４、燃焼器セクション１０６、タービンセクション１０８、及び排気セクション１１０を含むことができる。一般動作では、空気は、吸気セクション１０２を通って流入することができ、圧縮機セクション１０４において予め定義された又は予め設定された圧力まで加圧することができる。圧縮機セクション１０４により加圧された空気の少なくとも一部は、燃焼器セクション１０６に供給することができる。燃焼器セクション１０６において、加圧空気を燃料と混合することができ、次いで、組み合わされた空気及び燃料混合気を燃焼させることができる。燃焼器セクション１０６における空気及び燃料混合気の燃焼は、比較的高温且つ比較的高圧を有する高温ガスを生成することができる。燃焼器セクション１０６から出てくる高温ガスは、ガスタービン１００のタービンセクション１０８において膨張することができる。タービンセクション１０８での高温ガスの膨張に続いて、比較的低圧の高温ガスをガスタービン１００から排気セクション１１０を通じて送出することができる。排気セクション１１０から出てくる比較的低圧の高温ガスは、大気に、複合サイクル再生プラントに、及び／又は熱交換器の再循環ダクトに送出することができる。

本発明の特定の実施形態において、ガスタービン１００のような利用されるガスタービンは、圧縮機セクション１０４において約１７．５から約１８．５の圧力比と、約２３９０°Ｆよりも高い燃焼温度（Ｔ_ｆｉｒｅ）とを有することができる。タービンタイプ、タービンの用途、適用要件、及び／又は動作パラメータに応じて、ガスタービン１００は、幅広い様々な圧力比及び／又は燃焼温度を有することができる。

図２は、図１に示すタービン１００のようなガスタービンの一部の断面図である。図２は、ガスタービン１００のタービンセクション１０８における種々のシュラウド組立体の配置及び位置付けの１つの実施例の拡大断面図を示す。タービンセクション１０８は、タービンケーシング２００と、ノズル２０２のような複数の第１段ノズルを含むことができる。タービンセクション１０８は更に、３つの膨張段のような任意の数の膨張段を含むことができる。膨張段の各々は、回転タービンブレードの対応するセットを含むことができる。例えば、第１の複数の回転タービンブレード２０４は第１の膨張段に含めることができ、第２の複数の回転タービンブレード２０８は第２の膨張段に含めることができ、第３の複数の回転タービンブレード２１２はガスタービン１００の第３の膨張段に含めることができる。複数の回転タービンブレード２０４、２０８、及び２１２は、ガスタービン１００のロータ（図示せず）上に支持することができる。第２の複数の回転タービンブレード２０８及び第３の複数の回転タービンブレード２１２は、複数の第２段ノズル２０６及び複数の第３段ノズル２１０それぞれの後に配置することができる。第１段シュラウド組立体２１４は、第１の複数の回転タービンブレード２０４に隣接して配置することができる。同様に、第２段シュラウド組立体２１６及び第３段シュラウド組立体２１８は、第２及び第３の複数の回転タービンブレード２０８、２１２それぞれに隣接して配置することができる。第１段シュラウド組立体２１４は、ガスタービン１００の燃焼セクション１０４（図１に示す）から出て複数の第１段ノズル２０２を通って流入する１又はそれ以上の高温ガスの経路を定めることができる。複数の第１段ノズル２０２を通り抜ける１又はそれ以上の高温ガスは、複数の回転タービンブレード２０４を回転させることができる。ガスタービン１００の第１の膨張段の後、１又はそれ以上の高温ガスは、ガスタービン１００の第２の膨張段用の複数の第２段ノズル２０６を通って第２の複数の回転タービンブレード２０８に配向され、該第２の複数の回転タービンブレード２０８を回転させることができる。最後に、１又はそれ以上の高温ガスは、ガスタービン１００の第３の膨張段用の複数の第３段ノズル２１０を通って第３の複数の回転タービンブレード２１２に配向され、次いで、ガスタービン１００の排気セクション１１０に配向することができる。複数の回転タービンブレード２０４、２０８、及び２１２の回転により、ガスタービン１００のロータにより仕事出力を生成することができる。ガスタービン１００は、３つの膨張段で示されているが、種々の他のタービンは、任意の数の膨張段及びシュラウド組立体を含むことができる。

図３は、本発明の実施形態を利用することができるタービンシュラウドの１つの実施例の断面図である。図３は、図２に示すシュラウド組立体２１４のような、ガスタービンの第１段シュラウド組立体の断面図を示している。他の種々のタービンにおいて同様のシュラウド組立体を用いることができる。第１段シュラウド組立体２１４は、内側シュラウド３０２及び外側シュラウド３０４を含むことができる。インピンジメントプレート３０６を内側シュラウド３０２と外側シュラウド３０４との間に配置又は位置することができる。内側シュラウド３０２は、本体３０８、第１の末端部分３１０、及び第２の末端部分３１２を含むことができる。本発明の特定の実施形態において、本体３０８は、弓形構造であり、或いは１以上の弓形部分及び／又は表面を含むことができる。内側シュラウド３０２は更に、第１の末端部分３１０及び第２の末端部分３１２にそれぞれ配置された、第１の取付手段３１４ａと第２の取付手段３１４ｂとを含むことができる。第１及び第２の取付手段は、内側シュラウドと外側シュラウド３０４との接続を可能にする好適な取付機構及び／又は取付装置であり、及び／又はこれらを含むことができる。例えば、取付手段３１４ａ、３１４ｂはフック部分を含むことができ、該フック部は、外側シュラウドに付随する対応する下側フック３１６ａ、３１６ｂと係合又は取り外し可能に接続するよう機能する。好適な取付手段の他のタイプは、限定ではないが、他のタイプのフック、ボルト、スナップ、スクリュー、その他を含むことができる。外側シュラウド３０４は更に、取付部分３１８ａ、３１８ｂのような、複数の取付部分を含むことができ、図２に示すケーシング２００のようなタービンケーシングに外側シュラウド３０４を取り付けることを可能にする。取付部分３１８ａ、３１８ｂは、タービンケーシング２００上に設けられた１以上のフック（図示せず）によりタービンケーシング２００に外側シュラウド３０４を取り外し可能に取り付けることができるようになる。外側シュラウド３０４は更に、１以上の冷却孔（図示せせず）を含むことができ、外側シュラウド３０４の温度を予め定義された範囲内に維持するために冷却流体の循環を可能にする。冷却流体は、冷却空気、或いは他の何れかのタイプの冷却ガス又は冷却剤とすることができる。

外側シュラウド３０４は、例えば、鍛造プロセスで製造することができる。内側シュラウド３０２は、例えば、鍛造プロセス及び／又はインベストメント鋳造プロセスで製造することができる。１つの実施形態において、内側シュラウド３０２は、ニッケルが大半の又は最大の成分（ニッケルを約５０％以上含有）であるニッケル合金で作ることができるが、本発明の他の実施形態では、内側シュラウド３０２は、幅広い種類の異なる金属、合金、複合材、及び／又は他の材料の純粋な又は組み合わせたもので作り、又は構成することができる。

図４は、タービンシュラウド組立体で使用する従来の内側シュラウド４００の概略斜視図である。例えば、図４に示す内側シュラウド４００は、図３に示すシュラウド組立体で利用することができる。図４を参照すると、内側シュラウド４００は、上面４０２、下面４０４、第１の末端部分４２０、及び／又は第２の末端部分４２５を含むことができる。２つの端部レール４０６ａ、４０６ｂ、及び中心レール４０８が第１の末端部分４２０から第２の末端部分４２５まで延びることができる。図１に示すタービン１００のような、ガスタービン内では、内側シュラウド４００の下面４０４は、図２に示すブレード２０４のような複数の回転タービンブレードに隣接して配置又は位置することができる。この点に関して、内側シュラウド４００は、図２に示す第１段ノズル２０２のような複数のノズルから出る１又はそれ以上の高温ガス用の高温ガス経路を形成又は定めることができる。２つの端部レール４０６ａ、４０６ｂ、及び中心レール４０８は、内側シュラウド４００に対して構造的剛性をもたらすことができる。加えて、２つの端部レール４０６ａ、４０６ｂ、及び中心レール４０８は、内側シュラウド４００の上面４０２に沿ってインピンジメント冷却区域４１０を定め、図３に示すインピンジメント冷却プレート３０６のようなインピンジメント冷却プレートを収容することができる。冷却ガスは、インピンジメント冷却プレート３０６に当たり、内側シュラウド３０２を冷却して予め定義された範囲内に温度を維持するようにすることができる。また、冷却孔（図示せず）を内側シュラウド４００内に設け、図２に示すシュラウド組立体２１４のような関連するシュラウド組立体２１４の有効且つ効率的な冷却を提供又は可能にすることができる。

図５は、図４に示す従来の内側シュラウド４００の基準線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。図５は更に、２つの端部レール４０６ａ、４０６ｂそれぞれのレール厚みＲＴ１及びＲＴ２、中心レール４０８の中心レール厚みＣＴ、及びインピンジメント冷却区域４１０のベース部５０２のバスタブ厚みＢＴを示している。バスタブベース部５０２の底部は湾曲することができ、従って、内側シュラウド４００に弓形形状又は弓形構造を与えることができる。レール厚みＲＴ１及びＲＴ２、中心レール厚みＣＴ、及びバスタブ厚みＢＴは、内側シュラウド４００のモード振動周波数を規定する主要パラメータのうちの３つとすることができる。レール厚みＲＴ１、ＲＴ２、中心レール厚みＣＴ、及び／又はバスタブ厚みＢＴに利用される値の範囲は、内側シュラウド４００についての適用及び剛性要件のような様々なパラメータ及び／又は特性によって決まることができる。図１に示すガスタービン１００のようなガスタービンの種々の動作条件、サイズ、及び用途に応じて、レール厚みＲＴ１、ＲＴ２、中心レール厚みＣＴ、及び／又はバスタブ厚みＢＴの値の範囲は要望通りに変わることができる。従来、内側シュラウド４００のモード解析は、内側シュラウド４００に関連する１以上の振動周波数の決定を可能にすることができるので、内側シュラウド４００及び／又はタービン１００の設計時に考慮することができる。図４に示す内側シュラウド４００では、モード解析の１つの実施例から得られた内側シュラウド４００のモード振動周波数を以下の表１に示す。

図６は、図４に示す従来の内側シュラウド４００のキャンベル線図（Ｃａｍｐｂｅｌｌ ｄｉａｇｒａｍ）６００である。キャンベル線図６００は、図２に示す第１の複数の回転タービンブレード２０４など、内側シュラウド４００を利用した内側シュラウド４００のモード振動周波数とタービンの第１段回転タービンブレードの励起周波数との間の共振の一致を示している。キャンベル線図において、横軸は、図１に示すタービン１００のようなガスタービンのロータの毎分回転数（ｒｐｍ）の動作範囲を表すことができ、縦軸は、第１の複数の回転タービンブレード２０４の励起周波数を表すことができる。内側シュラウドのモード振動周波数は、右側の縦軸にプロットされている。ガスタービン１００において、第１の膨張段の複数の回転タービンブレード２０４は、９２個のブレードなど、任意の数のブレードを含むことができる。約３６００ｒｐｍのロータ動作範囲において、第１の複数の回転タービンブレード２０４の励起周波数は、内側シュラウド４００の第７モード振動周波数に近接して位置する場合がある。こうした状況は、内側シュラウド４００において共振又はモード励起をもたらす可能性がある。この共振は、内側シュラウド４００と第１の複数の回転タービンブレードとの間のクロス又はハニカムシールなどのシールの亀裂の一因となり、又は該亀裂を引き起こす可能性がある。これは、二次流路への高温ガスの漏出につながる可能性があり、ガスタービン１００の効率が低下する。それに加えて、高温ガス通路（ＨＧＰ）吸込みが生じ、図３に示す外側シュラウド３０４のような関連する外側シュラウドに対する冷却が低下する可能性がある。この冷却低下に起因して、外側シュラウド３０４に関連する温度が上昇し、外側シュラウド３０４に対する構造的損傷の一因となり、又は該損傷を引き起こす可能性がある。このため、高温ガスの漏出は、シュラウド組立体２１４のようなタービンシュラウド組立体の製品寿命を短縮する恐れがあり、シュラウド組立体２１４のメンテナンス及び補修コストが高くなる可能性があり、更に、ガスタービン１００の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

図４から６の上記の説明は、ガスタービン１００及び該ガスタービン１００と関連して利用することができる従来の内側シュラウド４００の１つの実施形態に関するものである。本発明の他の実施形態では、
異なるガスタービン又は他のタイプのタービンを利用することができる。これらの様々なタービンは、異なる構成要素及び／又は動作特性を含むことができる。例えば、異なるタービンは、膨張段内に任意の数のブレードを含むことができる。別の実施例として、異なるタービンは、ロータの異なる動作範囲（例えば、ｒｐｍ）を有することができ、これらの異なる動作範囲は考慮されるべき異なる励起周波数をもたらす可能性がある。

図４から６の上記の説明においては、内側シュラウド４００は、これに生じる幾つかの問題と共に詳細に説明された。これまで説明された問題を軽減するために、本発明の種々の実施形態を図７〜１０において説明する。以下で説明される本発明の幾つかの実施形態では、複数の設計上の修正形態について検討され、実験的に試行され、結果として、内側シュラウドの関連するモード周波数とタービンの動作範囲のブレード振動周波数との間のギャップの増大が改善されている。

図７は、本発明の実施形態による内側シュラウド７００の概略斜視図を示す。内側シュラウド７００は、本体７０２、上面７０４、下面７０６、第１の末端部分７０８、及び該第１の末端部分７０８と相対する第２の末端部分７１０とを含むことができる。内側シュラウド７００は更に、２つの端部レール７１２ａ、７１２ｂと、第１の末端部分７０８から第２の末端部分７１０まで延びる中心レールとを含むことができる。使用中、下面７０６は、図２に示す第１の複数の回転タービンブレード２０４のような複数の回転タービンブレードに隣接して配置することができ、下面７０６は、図２に示すノズル２０２のような複数の関連する第１段ノズルから出る１又はそれ以上の高温ガス用の高温ガス経路を形成又は定めることができる。２つの端部レール７１２ａ、７１２ｂ及び中心レール７１４は、内側シュラウド７００に対して構造的剛性をもたらすことができる。加えて、内側シュラウド７００は、弓形構造とすることができ、或いは、１以上の弓形部分及び／又は表面を含むことができる。１つの実施形態において、２つの端部レール７１２ａ、７１２ｂ及び中心レール７１４は、上面７０４に沿ってインピンジメント冷却区域７１６を定め、図３に示すインピンジメント冷却プレート３０６のようなインピンジメント冷却プレートを収容することができる。

加えて、本発明の一態様によれば、内側シュラウド７００は、上面に形成及び／又は接続された交差部材７１８を含むことができる。例えば、交差部材７１８は、内側シュラウド７００の上面７０４に配置又は形成された突出形状とすることができる。交差部材７１８は、２つの端部レール７１２ａ、７１２ｂ及び中心レール７１４を横断する方向に設けることができ、該交差部材は、インピンジメント冷却区域７１６を２つの部分に分割及び／又は二分することができる。

本発明の１つの実施形態において、内側シュラウド７００は、インベストメント鋳造プロセスを用いてニッケル合金（少なくとも約５０％がニッケル）から構成することができる。加えて、内側シュラウド７００は、第１の末端部分７０８及び第２の末端部分７１０それぞれに設けられた取付手段７２０ａ、７２０ｂを含むことができる。取付手段７２０ａ、７２０ｂは、図３を参照して図示及び説明された取付手段３１４ａ、３１４ｂと類似したものとすることができる。

他の種々の実施形態において、交差部材７１８の寸法は変えることができる。例えば、交差部材の寸法は、例えば、ガスタービン１００のロータの通常動作範囲（ｒｐｍ単位）、ガスタービン１００の膨張段でのブレードの数、内側シュラウド７００の材料、その他といった、ガスタービン１００の種々の要因に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。１つの実施形態において、交差部材７１８は、２つの端部レール７１２ａ、７１２ｂを横断する方向に延びる約０．４４６インチ（１．３２ｃｍ）の長さと、約０．１４５インチ（０．３７ｃｍ）の幅とを有することができる。

本発明の種々の実施形態において、内側シュラウド７００の上面７０４上に１以上の交差部材７１８を設けることにより、内側シュラウド７００のモード振動周波数の変更が可能になり、内側シュラウド７００の共振又はモード励起の回避の一助とすることができる。１つの実施形態において、複数の内側シュラウド７００は、図２に示すシュラウド組立体２１４のような、ガスタービン１００のシュラウド組立体で利用することができる。複数の内側シュラウド７００の各々の１以上の交差部材７１８により、図２に示す第１の複数の回転タービンブレードのような、複数の回転タービンブレードの励起周波数から離れて複数の内側シュラウド７００の各々の第７モード振動周波数をシフトすることを可能にすることができる。複数の内側シュラウド７００を利用するガスタービン１００はまた、本発明の種々の実施形態において、要望通りに他の複数の内側シュラウド設計を利用することができる。利用可能な追加の内側シュラウド設計の幾つかの実施例を本明細書で説明する。

本発明の一態様によれば、内側シュラウド７００は、複数の内側シュラウド７００の１以上の１以上のモード振動周波数をガスタービンの膨張段に関連する複数の回転タービンブレードの励起周波数から離れてシフトすることができる。例えば、１つの実施形態において、内側シュラウドの１以上のモード振動周波数は、ガスタービン１００の複数の回転タービンブレードの励起周波数から約±１０％離れてシフトすることができる。他の実施形態では、内側シュラウドの１以上のモード振動周波数は、要望に応じて、±５％、±７％、±１５％、その他のように、ガスタービン１００に関連する励起周波数から他の量又は百分率だけシフトすることができる。

３６００ｒｐｍで動作しているロータを有するガスタービンで利用する場合、内側シュラウド７００のモード振動周波数は、複数の回転ブレードの励起周波数から十分に離れてシフトされることが分かる。例えば、内側シュラウド７００の第７モード振動は、図１及び２に示すタービン１００の第１の複数の回転ブレードの励起振動周波数から離れてシフトされる。モード解析から得られた内側シュラウド７００モード振動周波数表現の１つの実施例を以下の表２に示す。

図７の実施形態は、交差部材と共に２つの端部レール及び１つの中心レールを用いて説明しているが、１以上の交差部材を有する２つの端部レールを備えた実施形態は、本発明の技術的思想及び範囲内にある。

図８Ａは、本発明の例示的な実施形態による内側シュラウド８００ａの別の実施例の斜視図である。図８Ａを参照すると、内側シュラウド８００ａは、２つの交差部材８０２ａ、８０２ｂが内側シュラウド８００ａの上面８０４上に配置されて図示されている。２つの交差部材８０２ａ、８０２ｂは、２つの端部レール８０６ａ、８０６ｂを横断する方向に突出した形状とすることができる。

図８Ｂは、本発明の例示的な実施形態による内側シュラウド８００ｂの別の実施例の斜視図である。図８Ｂを参照すると、内側シュラウド８００ｂは、３つの交差部材８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃが内側シュラウド８００ｂの上面８１０上に配置されて図示されている。３つの交差部材８０８ａ、８０８ｂ、８０８ｃは、内側シュラウド８００ｂの２つの端部レール８１２ａ、８１２ｂを横断する方向に突出した形状とすることができる。種々の実施形態において、ガスタービンの用途及びサイズに応じた様々な動作条件の下で、内側シュラウド８００ａ又は８００ｂのいずれかは、それぞれの内側シュラウドの１以上のモード振動周波数を変更し、複数の回転タービンブレードの励起周波数に起因する内側シュラウドのモード励起又は共振を回避することができる。

加えて、本発明の種々の実施形態において、１以上の交差部材は、上面に沿って多くの様々な方向に延びることができる。例えば、１以上の交差部材は、２つの端部レールの１つ又はそれ以上に対して１以上の直交方向及び／又は１以上の弓状方向など、２つの端部レールに対して横断方向ではない１以上の方向で２つの端部レール間に延びることができる。

図９は、本発明の種々の例示的な実施形態による内側シュラウドの交差部材として利用可能な様々なタイプのリブの実施例を示している。図９は、図７に示す内側シュラウド７００などの内側シュラウドの１以上のモード振動周波数を変更するためにガスタービンで利用できる代替の交差部材設計を示している。本発明の種々の実施形態による交差部材設計は、実質的に円形リブ９００、実質的に矩形リブ９０２ａ、９０２ｂ、実質的に楕円リブ９０４、及び／又は実質的に半円リブ９０６を含むことができる。要望に応じて、内側シュラウドのモード振動周波数を変更する同様の結果を得るために他のリブ形状及びサイズを利用して、モード振動周波数をタービンブレード励起周波数から十分に離れてシフトするなど、関連する設計目標及び／又は要件と合致するようにすることができる。

図１０は、本発明の例示的な実施形態による、図７の内側シュラウド７００のキャンベル線図の１つの実施例である。キャンベル線図１０００は、図２に示す第１の複数の回転タービンブレード２０４など、複数の回転タービンブレードの励起周波数と内側シュラウド７００のモード振動周波数との間の共振の一致を示している。１つの実施形態において、ロータの約３６００ｒｐｍの動作範囲では、第１の複数の回転タービンブレード２０４の励起周波数は、内側シュラウド７００の第７モード振動周波数から十分に離れて位置し又は低下することができる。内側シュラウド７００を利用することにより、内側シュラウド７００での共振又はモード励起は、図２に示すシュラウド組立体２１４のようなガスタービンのシュラウド組立体において低減又は回避することができる。図１に示すタービン１００のようなガスタービンの効率を高め、並びにシュラウド組立体２１４の製品寿命を長くすることができ、更にガスタービン１００の性能全体を改善することができる。

図１１は、本発明の例示的な実施形態による、内側シュラウドを作成、生成、及び／又は製造するための方法１１００の１つの実施例のフローチャートである。方法１１００は更に、ガスタービンにおけるシュラウド組立体の内側シュラウド（図７に示す内側シュラウド７０など）の１以上のモード振動周波数を変更する方法とすることができる。本方法はブロック１１０２から始まることができる。

ブロック１１０２において、内側シュラウド７００の本体を準備することができる。本体は、第１の末端部分と第２の末端部分とを含むことができる。加えて、幾つかの実施形態では、本体は内側シュラウド７００に弓状構造を備えることができる。本体が準備されると、工程はブロック１１０４に進むことができる。

ブロック１１０４で、内側シュラウド１００の第１の末端部分と第２の末端部分との間に延びる２以上のレールを設けることができる。２以上のレールが設けられると、工程はブロック１１０６に進むことができ、上面上に１以上の交差部材を設けることができる。１以上の交差部材は、２以上のレールを横断する方向で上面上に形成又は設けることができる。加えて、幾つかの実施形態では、１以上の交差部材は、２以上のレールを横断する方向で形成される突出形状を含むことができる。加えて、幾つかの実施形態では、上面上に設けられた１以上の交差部材は、図９に示す設計及び寸法のような、種々の設計及び寸法を有することができる。設けられた１以上の交差部材は、内側シュラウド７００に関連する１以上の周波数の変更を可能にすることができる。例えば、１以上の交差部材により、内側シュラウド７００の１以上のモード周波数をタービン内の対応する複数の回転タービンブレードに関連する励起周波数から離れてシフト可能にすることができる。

本方法１１００はブロック１１０６の後で終了することができる。

図１１の方法１１００で説明した工程は、必ずしも図１１に記載した順序で実施される必要はなく、好適な順序で実施することができる。加えて、本発明の幾つかの実施形態において、図１１に記載した工程の全てではなく、ほぼ同じ工程を実施してもよい。

要望に応じて、本発明の種々の実施形態において幅広い種類の異なるタイプ及び形状の交差部材を利用することができる。利用される交差部材により、周波数の各々が、タービンロータブレードの励起周波数の±１０％内のゾーン外など、タービンロータブレードの励起周波数近傍の望ましくないゾーンの範囲から外れるように、内側シュラウドの高調波及び他のモード周波数を変更可能にすることができる。タービンロータブレードの励起は、ブレードが固定されるタービンロータの回転に起因して引き起こされる可能性があり、不可避のものとすることができる。

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改良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。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、当業者がデバイス又はシステムを実施及び利用すること及び本方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ ガスタービン
１０２ 吸気セクション
１０４ 圧縮機セクション
１０６ 燃焼器セクション
１０８ タービンセクション
１１０ 排気セクション
２００ タービンケーシング
２０２ 第１段ノズル
２０４ 第１膨張段ブレード
２０６ 第２段ノズル
２０８ 第２膨張段ブレード
２１０ 第３段ノズル
２１２ 第３膨張段ブレード
２１４ 第１段シュラウド組立体
２１６ 第２段シュラウド組立体
２１８ 第３段シュラウド組立体
３０２ 内側シュラウド
３０４ 外側シュラウド
３０６ インピンジメント冷却プレート
３０８ 内側シュラウド本体
３１０ 内側シュラウド第１末端部分
３１２ 内側シュラウド第２末端部分
３１４ａ 内側シュラウド第１取付手段
３１４ｂ 内側シュラウド第２取付手段
３１６ａ 外側シュラウド下側フック
３１６ｂ 外側シュラウド下側フック
３１８ａ 外側シュラウド取付部分
３１８ｂ 外側シュラウド取付部分
４００ 内側シュラウド
４０２ 内側シュラウド上面
４０４ 内側シュラウド下面
４０６ａ 内側シュラウド端部レール
４０６ｂ 内側シュラウド端部レール
４０８ 内側シュラウド中心レール
４１０ 内側シュラウドインピンジメント冷却区域
５０２ 内側シュラウドベース
ＲＴ１ 内側シュラウド端部レール厚み
ＲＴ２ 内側シュラウド端部レール厚み
ＣＴ 内側シュラウド中心レール厚み
ＢＴ 内側シュラウドインピンジメント区域厚み
７００ 内側シュラウド
７０２ 内側シュラウド本体
７０４ 内側シュラウド上面
７０６ 内側シュラウド下面
７０８ 内側シュラウド第１末端部分
７１０ 内側シュラウド第２末端部分
７１２ａ 内側シュラウド端部レール
７１２ｂ 内側シュラウド端部レール
７１４ 内側シュラウド中心レール
７１６ 内側シュラウドインピンジメント冷却区域
７１８ 内側シュラウド交差部材
７２０ａ 内側シュラウド取付手段
７２０ｂ 内側シュラウド取付手段
８００ａ 内側シュラウド
８０２ａ 内側シュラウド交差部材
８０２ｂ 内側シュラウド交差部材
８０４ 内側シュラウド上面
８０６ａ 内側シュラウド端部レール
８０６ｂ 内側シュラウド端部レール
８００ｂ 内側シュラウド
８０８ａ 内側シュラウド交差部材
８０８ｂ 内側シュラウド交差部材
８０８ｃ 内側シュラウド交差部材
８１０ 内側シュラウド上面
８１２ａ 内側シュラウド端部レール
８１２ｂ 内側シュラウド端部レール
９００ 交差部材の円形リブ設計
９０２ａ 交差部材の矩形リブ設計
９０２ｂ 交差部材の矩形リブ設計
９０４ 交差部材の楕円 リブ設計
９０６ 交差部材の半円 リブ設計
１１００ 方法
１１０２ ブロック
１１０４ ブロック
１１０６ ブロック

Claims (10)

1. 内側シュラウド（７００）及び外側シュラウド（３０４）を含む、タービン（１００）用シュラウド組立体（２１４）において、前記内側シュラウド（７００）が、
   第１の末端部分（７０８）、該第１の末端部分と相対する第２の末端部分（７１０）、上面（７０４）、及び複数の回転タービンブレード（２０４）に隣接した下面（７０６）を含む本体（７０２）と、
   前記上面（７０４）上に形成され、前記第１の末端部分（７０８）と前記第２の末端部分（７１０）との間に延び、インピンジメント冷却区域（７１６）が間に定められる２以上のレール（７１２ａ、７１２ｂ）と、
   前記２以上のレール（７１２ａ、７１２ｂ）を横断する方向で前記上面（７０４）上に形成される１以上の交差部材（７１８）と、
   を備えるシュラウド組立体（２１４）。
2. 前記１以上の交差部材（７１８）が複数の交差部材を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
3. 前記１以上の交差部材（７１８）により、前記内側シュラウド（７００）の１以上のモード振動周波数を前記複数の回転タービンブレード（２０４）の励起周波数から離れてシフトすることができる、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
4. 前記１以上の交差部材（７１８）が、前記内側シュラウド（７００）の上面（７０４）上に形成された突出形状を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
5. 前記１以上の交差部材（７１８）が、前記内側シュラウド（７００）の上面（７０４）を二分して、前記インピンジメント冷却区域（７１６）を２つの部分に分割する、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
6. 前記内側シュラウド（７００）の本体（７０２）が弓形構造を有する本体を含む、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
7. 前記内側シュラウド（７００）が、１以上のニッケル合金から構成された内側シュラウドを含む、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
8. 前記第１の末端部分（７０８）及び前記第２の末端部分（７１０）が、前記内側シュラウド（７００）を前記外側シュラウドに接続可能にする１以上のそれぞれの取付具（７２０ａ、７２０ｂ）を更に含む、請求項１記載のシュラウド組立体（２１４）。
9. タービンケーシング（２００）と、
   ロータと、
   前記ロータから延びる複数の回転タービンブレード（２０４）と、
   前記タービンケーシング（２００）に取付られた複数の内側シュラウド（７００）と１つの外側シュラウド（３０４）とを含むシュラウド組立体（２１４）と、
   を備えたタービン（１００）において、
   前記複数の内側シュラウド（７００）の各々が、
   前記シュラウド組立体（２１４）の内側シュラウド（７００）と外側シュラウド（３０４）との間を接続可能にする１以上の取付具（７２０ａ、７２０ｂ）と、
   第１の末端部分（７０８）、該第１の末端部分と相対する第２の末端部分（７１０）、上面（７０４）、及び前記複数の回転タービンブレード（２０４）に隣接した下面（７０６）を含む本体（７０２）と、
   前記上面（７０４）上に形成され、前記第１の末端部分（７０８）と前記第２の末端部分（７１０）との間に延びる２以上のレール（７１２ａ、７１２ｂ）と、
   前記２以上のレール（７１２ａ、７１２ｂ）を横断する方向で前記上面（７０４）上に形成される１以上の交差部材（７１８）と、
   を含むタービン（１００）
10. タービン（１００）におけるシュラウド組立体（２１４）の内側シュラウド（７００）の１以上のモード振動周波数を変更するための方法（１１００）であって、
    第１の末端部分（７０８）、第２の末端部分（７１０）、上面（７０４）、及び複数の回転タービンブレード（２０４）に隣接した下面（７０６）を備えた本体（７０２）を準備する段階と、
    前記第１の末端部分（７０８）と前記第２の末端部分（７１０）との間に前記本体（７０２）の長さに沿って延び、インピンジメント冷却区域（７１６）が前記上面（７０４）上で且つ間に定められる２以上のレール（７１２ａ、７１２ｂ）を準備する段階と、
    前記２以上のレール（７１２ａ、７１２ｂ）を横断する方向で前記上面（７０４）上に１以上の交差部材（７１８）を準備する段階と、
    を含む方法（１００）。