JP2010065684A - ターボ機械シュラウドの流れ抑止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械（１０）用のシュラウドを開示する。
【解決手段】本シュラウドは、１以上の支持構造体と、ターボ機械（１０）のガス通路（１４）に配置された１以上の内側シュラウド（２０）とを含む。１以上の内側シュラウド（２０）及び１以上の支持構造体は、それらの間に１以上のギャップを有する。１以上のギャップは、１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）間で交互し、かつ１以上の圧力損失メカニズムを形成して該１以上のギャップ内における高温ガス（４８）流を減少させることができる。さらに開示するのは、ターボ機械（１０）及び該ターボ機械（１０）における高温ガス（４８）の吸込みを減少させる方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関する。具体的には、本発明は、ターボ機械用の流れ抑止装置に関する。

例えばガスタービンなどのターボ機械は一般に、外側シュラウドを含む少なくとも様々な構成要素によってターボ機械内に支持された１以上の内側シュラウドを含む。内側シュラウドは、タービンノズル列の直ぐ下流に設置されかつ該内側シュラウドを能動冷却しなければならないことが必要となるのに十分なほど高いガス温度に曝され、つまり、内側シュラウドに対する損傷は、そのような露出により生じることになる。しかしながら、外側シュラウドは一般に、該外側シュラウドがガス通路内に直接配置されていないので、能動冷却されない。

ターボ機械では、一般にタービンノズルと内側シュラウドとの間にある軸方向ギャップ内に高温ガスが吸込まれることが多い。このギャップに流入する高温ガス流は、それを中止させるか又はその他の方法で軽減させない場合には、前進して外側シュラウドに到達しかつ該外側シュラウドに対して損傷を引き起こす。一部は主としてノズルの後縁及び内側シュラウドの前縁の近接近により引き起こされる円周方向圧力勾配によって、吸込みが生じることが多い。円周方向圧力勾配は、高温ガスをギャップ内に強制的に押込む。

外側シュラウドに対する損傷を防止するために使用される１つの方策は、タービンノズルと内側シュラウドとの間のギャップ内に該内側シュラウドから二次冷却空気を噴射して高温ガスが外側シュラウドに到達するのを防止することである。

しかしながら、この方法は、ターボ機械の性能を低下させるものであり、本技術では、エンジンにマイナスの影響を与えないで高温ガス吸込みによる外側シュラウドへの損傷を防止する構造及び方法が良好に受入れられることになる。

本発明の１つの態様によると、ターボ機械用のシュラウドは、１以上の支持構造体と、該ターボ機械のガス通路に配置された１以上の内側シュラウドとを含む。１以上の内側シュラウド及び１以上の支持構造体は、それらの間に１以上のギャップを有する。１以上のギャップは、１以上の制限ギャップ及び１以上の非制限ギャップ間で交互し、かつ１以上の圧力損失メカニズムを形成して該１以上のギャップ内における高温ガス流を減少させることができる。

本発明の別の態様によると、ターボ機械は、ガス通路内に配置された複数のノズルと、複数のノズルの下流に配置されかつ該ターボ機械の中心軸線の周りで回転可能な複数のバケットとを含む。１以上のシュラウドが、複数のバケットの半径方向外側に設置され、かつ１以上の支持構造体と、ガス通路に配置された１以上の内側シュラウドとを含む。１以上の内側シュラウド及び１以上の支持構造体は、それらの間に１以上のギャップを有する。１以上のギャップは、１以上の制限ギャップ及び１以上の非制限ギャップ間で交互して、１以上の圧力損失メカニズムを形成して該１以上のギャップ内における高温ガス流を減少させることができる。

本発明のさらに別の態様によると、ターボ機械における高温ガスの吸込みを減少させる方法は、１以上の内側シュラウド及び１以上の支持構造体間におけるギャップ内に高温ガスを流すステップと、ギャップ内においてターボ機械の中心軸線に対して円周方向に高温ガスを流すステップとを含む。１以上の制限ギャップ及び１以上の非制限ギャップ間でギャップを交互させることにより該ギャップにおける高温ガス内に圧力損失を生じさせ、それによって該ギャップ内への高温ガスの流れを減少させる。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の目的、特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。

ターボ機械の部分断面図。 内側シュラウドの斜視図。 ターボ機械の部分円周方向断面図。

この詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１に示すのは、この実施形態ではガスタービン１０であるターボ機械の部分断面図である。ガスタービン１０は、該ガスタービン１０の中心軸線１８の周りで回転する複数のバケット１６の上流で高温ガス通路１４内に配置された複数のノズル１２を含む。１以上の内側シュラウド２０が、複数のバケット１６の半径方向外側に配置されかつ少なくとも部分的に高温ガス通路１４を形成する。１以上の内側シュラウド２０は、複数のノズル１２の直ぐ下流に配置されて、前方内側シュラウド端縁と後方ノズル端縁２６との間に前部ギャップ２２を有する状態になっている。同様に、後方内側シュラウド端縁２８は、前方ノズル端縁３２に対して後部ギャップ３０を有することができる。１以上の内側シュラウド２０は、幾つかの実施形態では該１以上の内側シュラウド２０における複数の冷却チャネル３６内に二次冷却流３４を噴射することによって能動冷却される。１以上の内側シュラウド２０は、１以上の外側シュラウド３８によって、ガスタービン１０内に支持される。幾つかの実施形態では、１以上の内側シュラウド２０は、１以上の外側シュラウド３８における対応する１以上の前方グルーブ４４及び１以上の後方グルーブ４６内に挿入されて該１以上の外側シュラウド３８に対して該１以上の内側シュラウド２０を固定する１以上の前方フック４０及び１以上の後方フック４２を含む。

エンジンの作動時に、高温ガス通路１４からの高温ガス（矢印４８で示す）は、前部ギャップ２２及び／又は後部ギャップ３０内に吸込まれる可能性がある。高温ガス４８は、前部ギャップ２２及び／又は後部ギャップ３０に沿って半径方向に及び円周方向に流れる。前部ギャップ２２及び／又は後部ギャップ３０全体に流れることが可能な場合には、高温ガス４８は、１以上の外側シュラウド３８を損傷させることになる。図２に示すように、高温ガス４８が前部ギャップ２２及び／又は後部ギャップ３０全体に流れるのを防止するために、複数のラビリンスポケット５０が、１以上の内側シュラウド２０内に配置される。図２の実施形態では、複数のラビリンスポケット５０は、１以上のシュラウド２０の前部ランド５４の外面５２に配置される。簡単にするために、本明細書では前部ランド５４に配置した複数のラビリンスポケット５０について説明するが、ラビリンスポケット５０は、前部ギャップ２２に関して以下に説明するのと同様に、後部ランド５６の外面５２に配置して後部ギャップ３０全体にわたる高温ガス４８流を防止することができることを理解されたい。

複数のラビリンスポケット５０は、１以上のシュラウド２０の周りの円周方向に延びる配列として構成される。図３に最も良く示すように、複数のポケット５０は、外面５２から深さ５８まで延び、リッジ６０が、複数のラビリンスポケット５０の隣接するラビリンスポケット５０間に配置され、またシャープエッジ６２が、リッジ６０が複数のラビリンスポケット５０と交わる部位を形成する。図３に示すようにガスタービン１０内に組付けられると、内側シュラウド２０及び外側シュラウド３８は、それらの間にギャップを形成し、これらギャップは、各リッジ６０における制限ギャップ６４及び各ラビリンスポケット５０における非制限ギャップ６６間で円周方向に交互する。この交互する制限ギャップ６４及び非制限ギャップ６６並びにシャープエッジ６２は、内側シュラウド２０及び外側シュラウド３８間に一連の圧力損失メカニズムを形成する。圧力損失は、シャープエッジを横切って流れかつ制限ギャップ６４及び非制限ギャップ６６間で急激な流路面積変化を受けてその中に乱流及び再循環を生じた高温ガス４８によって、引き起こされる。圧力損失は、前部ギャップ２２内における高温ガス４８の円周方向流れを減少させる。高温ガス４８の円周方向流れは、円周方向圧力勾配によって促進され、従って、一連の圧力損失メカニズムにより、ギャップ２２内における高温ガス４８流が抑止される。

複数のラビリンスポケット５０はさらに、ギャップ２２に流入した高温ガス４８に対する冷却メカニズムを構成する。高温ガス４８は、各ラビリンスポケット５０内で乱流状態にされ、従って高温ガス４８と能動冷却内側シュラウド２０との間の対流熱伝達が増大する。さらに、複数のラビリンスポケット５０は、それに対して高温ガス４８が曝される内側シュラウド２０の表面積を増大させ、従って高温ガス４８の温度を低下させる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン
１２ ノズル
１４ 高温ガス通路
１６ バケット
１８ 中心軸線
２０ 内側シュラウド
２２ 前部ギャップ
２４ 前方内側シュラウド
２６ 後方ノズル端縁
２８ 後方内側シュラウド端縁
３０ 後部ギャップ
３２ 前方ノズル端縁
３４ 二次冷却流
３６ 冷却チャネル
３８ 外側シュラウド
４０ 前方フック
４２ 後方フック
４４ 前方グルーブ
４８ 高温ガス
５０ ラビリンスポケット
５２ 外面
５４ 前部ランド
５６ 後部ランド
５８ 深さ
６０ リッジ
６２ シャープエッジ
６４ 制限ギャップ
６６ 非制限ギャップ

Claims (10)

1. ターボ機械（１０）用のシュラウドであって、当該シュラウドが、
   １以上の支持構造体と、
   前記ターボ機械（１０）のガス通路（１４）に配置された１以上の内側シュラウド（２０）と、
   前記１以上の内側シュラウド（２０）及び１以上の支持構造体間における１以上のギャップと
   を備えており、前記１以上のギャップが、１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）間で交互して、１以上の圧力損失メカニズムを形成して該１以上のギャップ内における高温ガス（４８）流を減少させることができる、シュラウド。
2. 前記１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）が、前記１以上の内側シュラウド（２０）の周りで円周方向に交互している、請求項１記載のシュラウド。
3. 前記１以上の内側シュラウド（２０）が、前記１以上のギャップに配置されて前記１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）を形成した複数のポケット（５０）を含む、請求項１記載のシュラウド。
4. 前記複数のポケット（５０）が、前記１以上の内側シュラウド（２０）の周りで円周方向に配置される、請求項３記載のシュラウド。
5. 前記複数のポケット（５０）が、前記１以上のギャップ内における前記高温ガス（４８）流の円周方向の流れを減少させることができる、請求項４記載のシュラウド。
6. ターボ機械（１０）であって、当該ターボ機械が、
   ガス通路（１４）内に配置された複数のノズル（１２）と、
   前記複数のノズル（１２）の下流に配置されかつ該ターボ機械（１０）の中心軸線（１８）の周りで回転可能な複数のバケット（１６）と、
   前記複数のバケット（１６）の半径方向外側に配置された１以上のシュラウドと
   を備えており、前記１以上のシュラウドが、
   １以上の支持構造体と、
   前記ガス通路（１４）に配置された１以上の内側シュラウド（２０）と、
   前記１以上の内側シュラウド（２０）及び１以上の支持構造体間における１以上のギャップと
   を備えており、前記１以上のギャップが、１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）間で交互して、１以上の圧力損失メカニズムを形成して該１以上のギャップ内における高温ガス（４８）流を減少させることができる、ターボ機械（１０）。
7. 前記１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）が、前記１以上のシュラウドの周りで円周方向に交互している、請求項６記載のターボ機械（１０）。
8. 前記１以上の内側シュラウド（２０）が、前記１以上のギャップに配置されて前記１以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）を形成した複数のポケット（５０）を含む、請求項６記載のターボ機械（１０）。
9. ターボ機械（１０）における高温ガスの吸込みを減少させる方法であって、
   １以上の内側シュラウド（２０）及び１以上の支持構造体間におけるギャップ内に高温ガス（４８）を流すステップと、
   前記ギャップ内において前記ターボ機械（１０）の中心軸線（１８）に対して円周方向に前記高温ガス（４８）を流すステップと、
   １以上の制限ギャップ（６４）及び１以上の非制限ギャップ（６６）間で前記ギャップを交互させることにより、該ギャップ内において前記高温ガス（４８）の圧力損失を生じさせるステップと
   を含む方法。
10. 前記高温ガス（４８）の圧力損失を生じさせるステップが、前記内側シュラウド内における複数のポケット（５０）に該高温ガス（４８）を流すステップを含む、請求項９記載の方法。

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