JP2010216473A - タービンエンジンのシュラウドリング - Google Patents

Abstract

【課題】複数のブレードを有するロータを含む改良されたタービンエンジンを提供する。
【解決手段】一実施形態において、システムは、複数のブレードを有するロータを含むタービンエンジンを含む。タービンエンジンは、ブレードの周りに配置されたシュラウド５４を更に含む。シュラウド５４は、噛み合い歯７０、７２、７４、７６を介して互いに係合する複数のセグメント６４を含む。噛み合い歯７０、７２、７４、７６は、タービンエンジンの縦軸に沿って軸方向３５に配向される。
【選択図】図５

Description

本発明はガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンのシュラウド、シュラウドリング及びシュラウドハンガーに関する。

タービンエンジンは、中央ロータに取り付けられた複数のブレードを有するタービンを含む。蒸気又は燃焼ガス等の高温の加圧流体は、これらのブレードを回転するよう駆動し、更に中央ロータを回転させて１つ以上の負荷を駆動する。例えば、負荷としては、ガスタービンエンジンの空気圧縮機、発電機又はその両方が挙げられる。

米国特許第６，７２２，８５１号

タービンエンジンの性能は、少なくとも部分的には高温の加圧流体からブレードへのエネルギー伝達に基づく。従って、これらのブレードとシュラウドの間の隙間は、性能に重大な影響を及ぼす可能性がある。隙間が大きいと一般的に漏れが多くなるため性能が悪化するのに対して、隙間が小さいと一般的に漏れが少なくなるため性能が向上する。残念なことに、隙間が小さいと、場合によってはブレードとシュラウドの間に摩擦状態が起こる可能性がある。例えば、タービン部品は温度変化によって膨張、収縮、又は概して変形する可能性があり、それがブレードに対するシュラウドの対称性、配置及び隙間の変化につながることがある。これらの対称性、配置及び隙間の変化は、タービンエンジンの性能を悪化させ、摩耗を増加させる可能性がある。

出願当初の請求項に係る発明の範囲に相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、請求項に係る発明の範囲を制限することを意図するものではなく、むしろ本発明の可能な形態の概要を提供することのみを意図するものである。実際、本発明は、以下に記載の実施形態と同様の又は異なる様々な形態を含む。

第１の実施形態において、システムは、複数のブレードを有するロータを備えるタービンエンジンを含む。タービンエンジンは、ブレードの周りに配置されたシュラウドを更に含む。シュラウドは、噛み合い歯を介して互いに係合する複数のセグメントを含む。噛み合い歯は、タービンエンジンの縦軸に沿って軸方向に配向する。

第２の実施形態において、システムは、円周配列で配置され、多数のタービンブレードを取り囲むように構成された多数のセグメントを有するタービンシュラウドを含む。タービンシュラウドは、第１円周側面に配置された第１組の歯と、第２円周側面に配置された第２組の歯を有する第１セグメントを含む。第１及び第２組の歯は、タービンシュラウドの軸に対して軸方向に延在する。タービンシュラウドは、第３円周側面に配置された第３組の歯と、第４円周側面に配置された第４組の歯を有する第２セグメントを更に含む。第３及び第４組の歯は、タービンシュラウドの軸に対して軸方向に延在する。第１及び第２セグメントは第２及び第３組の歯に連結し、第２及び第３組の歯はタービンシュラウドの軸に対して半径方向に第１及び第２セグメントを支持する。

第３の実施形態において、システムは、タービンケーシングと、複数のタービンブレードの周りに延在するように構成された複数のシュラウドセグメントを有するタービンシュラウドとを含む。システムは、タービンケーシングとシュラウドセグメントの間に配置されたピン／スロットガイドを更に含む。ピン／スロットガイドは、タービンエンジンの回転軸に対してシュラウドセグメントの半径方向移動を可能にするように構成される。

本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の要素を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解することができるであろう。

本発明の特定の実施形態に従って、タービンシステムの全動作温度範囲にわたって略円形状を維持するように構成されたシュラウドリングを含むタービンを有するタービンシステムのブロック図である。 本発明の特定の実施形態に従った、図１に示すタービンシステムの切欠側面図である。 本発明の特定の実施形態に従った、図２の線３−３で切り取られたタービン断面の切欠側面図である。 本発明の特定の実施形態に従った、図３の線４−４で切り取られたシュラウドリングの切欠側面図である。 本発明の特定の実施形態に従った、図３に示すシュラウドリングの斜視図である。 本発明の特定の実施形態に従った、高温のタービン運転期間中の図５に示す個々のシュラウドリングセグメントの斜視図である。 本発明の特定の実施形態に従った、低温のタービン運転期間中の図５に示す個々のシュラウドリングセグメントの斜視図である。

本発明の１つ又は複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、実際の実装全ての特徴を本明細書で説明するわけではない。いずれの実際の実装の開発においても、あらゆる技術的計画又は設計計画の場合と同様に、実装ごとに異なる可能性があるシステム関連の制約及びビジネス関連の制約との適合等、開発者の具体的な目標を実現するため、多数の実装固有の決定が行われなければならないことを理解されたい。更に、そのような開発努力は複雑で時間がかかる可能性があるが、それでも、本開示の恩恵を受ける当業者には設計、組立、及び製造の日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介する時、冠詞である「１つの」、「その」及び「前記」は、その要素が１つ以上存在することを意味するものとする。「からなる」、「含む」及び「有する」といった用語は包括的であり、その用語には列挙した要素以外の追加要素が存在し得ることを意味するものとする。

本発明の実施形態は、タービンブレードをバイパスする高温の加圧流体（例えば、蒸気又は燃焼ガス）の量を減少させることによって、タービンシステム効率を向上させる。具体的には、タービンシュラウドをタービンブレードの周りに配置して、タービンブレードと外部タービンケーシングの間の距離を最小化する。特定の実施形態では、タービンシュラウドは、連結して連続環状リングを形成する複数のセグメントを含む。この構成において、シュラウドは、タービンシステムの動作温度範囲にわたって略円形状を維持する。特定の実施形態では、シュラウドセグメントは噛み合い歯を介して互いに係合する。これらの噛み合い歯は、タービンエンジンの縦軸に沿って軸方向に配向され、半径方向にセグメントを支持する働きをする。これらの噛み合い歯は、セグメントの熱膨張及び収縮に応じて異なる半径方向位置で互いに係合するように構成される。このようにして、シュラウドは、タービンシステムの温度変化にかかわらずその略円形状を維持する。更にまた、シュラウドセグメントは、ピン・溝構造を介してタービンケーシングに取り付けて、ケーシングに対する各々のシュラウドセグメントの半径方向移動を可能にする。そのため、タービン温度が上昇すると、シュラウドセグメントの膨張によってセグメントが半径方向外側に移動する。同様に、高温タービン状態によってタービンブレードの伸長が引き起こされる。

伸長しているタービンブレードと膨張しているシュラウドセグメントの組み合わせによって、タービンシステムの動作温度範囲にわたってタービンブレードとシュラウドの間のほぼ一定の分離距離、即ち隙間が得られる。ほぼ一定の分離距離を維持することによって、ブレードとシュラウドの間の摩擦の可能性を減少させながら、タービンブレードをシュラウドにより近付けることが可能になる。より接近した分離距離が、高温の加圧流体（例えば、蒸気又は燃焼ガス）の流体漏れ即ちバイパスを最小化することによって、高温の加圧流体からロータへのエネルギー伝達が向上する。特定の実施形態では、各々のシュラウドセグメントは、高温の加圧流体からシュラウドセグメントを保護するための熱障壁として機能する１つ以上のカバーセグメントを含む。以下の説明において、本発明の実施形態をガスタービンエンジンに関連して説明するが、実施形態は蒸気タービンエンジン及びその他の回転機械に同等に適用できる。

次に図面を見てまず図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図が示されている。図は、燃料ノズル１２と、燃料供給１４と、燃焼器１６とを含む。図示のように、燃料供給１４は、天然ガス等の液体燃料及び／又はガス燃料を、タービンシステム１０に対して燃料ノズル１２を介して燃焼器１６内に送る。後述のように、燃料ノズル１２は、燃料を噴射して圧縮空気と混合するように構成される。燃焼器１６は混合気を点火燃焼させてから、高温の加圧排気ガスをタービン１８に入れる。排気ガスがタービン１８内のタービンブレードを通過することによって、タービン１８を回転するよう駆動する。以下で詳述するように、タービン１８は、タービンブレードを介して排気ガスを案内することによってタービン効率を向上させるように構成されたシュラウドリングを含む。シュラウドリングは、シュラウドリングが略円形状とタービンブレードからのほぼ一定の分離距離（即ち、隙間）をタービンシステム１０の全動作温度範囲にわたって確実に維持するために、噛み合い歯を介して連結する複数のセグメントを含む。タービン１８内のブレードと軸１９との連結によって軸１９の回転が生じることになり、図示のように、軸１９はタービンシステム１０の全体にわたって複数の部品にも連結されている。最終的に、燃焼プロセスの排気は排気出口２０を介してタービンシステム１０から出ることになる。

タービンシステム１０の一実施形態では、圧縮機ブレードが圧縮機２２の部品として含まれる。圧縮機２２内のブレードは軸１９に連結し、軸１９がタービン１８によって回転するように駆動されると回転することになる。圧縮機２２は、空気取入口２４を介してタービンシステム１０に空気を吸い込む。更に、軸１９は負荷２６に連結し、負荷２６は軸１９の回転によって駆動されることになる。明らかであるように、負荷２６は、発電所又は外部機械的負荷等の、タービンシステム１０の回転出力によって電力を発生する任意の適切な装置である。例えば、負荷２６としては、発電機、航空機のプロペラ等が挙げられる。空気取入口２４は、外気取入口等の適切な機構を介してタービンシステム１０内に空気３０を吸い込む。その後、空気３０が圧縮機２２のブレード内を流れ、圧縮機２２が燃焼器１６に圧縮空気３２を供給する。特に、燃料ノズル１２は、圧縮空気３２と燃料１４を混合気３４として燃焼器１６内に噴射する。燃料ノズル１２は、燃焼、例えば、燃料の浪費や過剰排出をもたらすことのないように燃料をより完全に燃焼させる燃焼に適した混合気３４を発生させるように構成された整流器、旋回器及びその他の機構を含む。タービンシステム１０の一実施形態は、更なる排気ガスをタービンブレード内に案内することによってタービン効率を向上させるために、タービン１８内に特定の構造及び部品（例えば、円周方向に隣接するセグメント間の軸方向に配向された歯を有するセグメント化されたシュラウドリング）を含む。

図２は、タービンシステム１０の一実施形態の切欠側面図である。図示のように、本実施形態は、燃焼器１６、例えば６、８、１０又は１２個の燃焼器１６の環状配列に連結される圧縮機２２を含む。各々の燃焼器１６は、各々の燃焼器１６内に位置する燃焼領域に混合気を供給する少なくとも１つの燃料ノズル１２（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０個又はそれ以上）を含む。燃焼器１６内の混合気の燃焼によって、排気ガスが排気出口２０に向かうにつれて、タービン１８内のベーン又はブレードの回転が生じることになる。以下で詳述するように、タービン１８の特定の実施形態は、タービンブレード内の燃焼ガス流を増加させることによってタービン効率を向上させるために、様々な独自機構（例えば、円周方向に隣接するセグメント間の軸方向に配向された歯を有するセグメント化シュラウドリング）を含む。

図３は、図２の線３−３で切り取られたタービン１８の一実施形態の詳細断面図である。燃焼器１６からの高温ガスは、矢印３６で示すように、下流のタービン１８に軸方向３５に流れ込む。本実施形態において示されているタービン１８は、３つのタービン段を含む。その他のタービン構造は、それ以上又はそれ以下のタービン段を含む。例えば、あるタービンは１〜２０個のタービン段を含む。第１タービン段は、タービン１８の周りの円周方向４１に略等間隔に配置されたノズル３８及びバケット（例えば、ブレード）４０を含む。第１段ノズル３８はタービン１８に固定的に取り付けられ、燃焼ガスをバケット４０に向かって案内するように構成される。第１段バケット４０はロータ４２に取り付けられており、ロータ４２は燃焼ガスがバケット４０内を流れると回転する。ロータ４２は更に、圧縮機２２及び負荷２６を駆動する軸１９に連結される。燃焼ガスはその後、第２段ノズル４４及び第２段バケット４６内を流れる。第２段バケット４６は、ロータ４２にも連結される。最終的に、燃焼ガスは第３段ノズル４８及びバケット５０内を流れる。燃焼ガスが各々の段を流れるにつれて、燃焼ガスからのエネルギーがロータ４２の回転エネルギーに変換される。各々のタービン段を通過した後、矢印５２で示すように、燃焼ガスはタービン１８から軸方向３５に出る。

図示のように、第１段バケット４０は、シュラウドライナー５６を含むタービンシュラウド５４によって取り囲まれる。シュラウド５４は、タービン１８の円周の周りに配置されたハンガー５８によってタービンケーシング５５に連結される。本実施形態のシュラウドライナー５６は、シュラウド５４を熱的に絶縁するために高温で作動するタービン１８で使用される。しかし、シュラウド５４が動作温度に耐えるように構成されている場合、低温タービン１８はシュラウドライナー５６を省略しても良い。

タービンシュラウド５４は、バケット４０をバイパスする燃焼ガスの量を最小化する働きをする。具体的には、タービンシュラウド５４とバケット４０の間の隙間５７は、ガスが軸方向３５に沿って下流に流れる時に燃焼ガスがバケット４０をバイパスするための経路を形成する。バイパスガスからのエネルギーはバケット４０によって捕捉されて回転エネルギーに変換されることがないので、ガスバイパスは望ましくない。言い換えれば、タービンシステム効率は、少なくとも部分的にはバケット４０によって捕捉される燃焼ガスの量に左右される。従って、バケット４０とシュラウド５４の間の隙間５７を最小化することが望ましい。しかし、隙間５７が小さすぎると、特定の動作温度下でシュラウド５４に接触して、摩擦として知られる望ましくない状況を引き起こす可能性がある。明らかであるように、隙間５７の半径方向長さは温度に基づいて変化する。例えば、低温運転状態中は、バケット４０とシュラウド５４の間の隙間５７が、各部品の熱膨張及び収縮によって高温運転期間中と異なる場合がある。特定の実施形態では、タービンシステム１０の動作温度は約５００℃〜約２０００℃に及ぶ。隙間５７の半径方向長さは、特にタービンシステム１０の全動作温度範囲にわたって摩擦を防止するように構成される。

本実施形態は、タービンシュラウド５４とバケット４０の間の摩擦の可能性を減少させながら、隙間５７の半径方向長さを最小化する。具体的には、図３に示すように、タービンシュラウド５４はハンガー５８によってタービンケーシング５５に取り付けられており、ハンガー５８はケーシング５５に対して半径方向３７へのシュラウド５４の移動を円滑にする。本実施形態のシュラウド５４は、結合してバケット４０を取り囲む環状リングを形成するセグメントからなる。これらのセグメントの各々は、タービンケーシング５５に配置されたハンガー５８によって個別に支持される。ハンガー５８とタービンシュラウド５４のセグメントの間の取付具は、タービン１８内の温度が変化するにつれて半径方向３７へのシュラウドセグメントの移動を円滑にするように構成される。

タービン運転中、シュラウド５４及びバケット４０の温度は、軸方向３５に沿って下流に流れる高温の燃焼ガスが原因で上昇する。しかし、タービンケーシング５５の温度は、燃焼ガスからの距離だけでなく冷却剤循環（例えば、空気流）によってシュラウド５４及びバケット４０の温度よりも実質的に低く維持することができる。明らかであるように、高い温度は概して部品を膨張させる。従って、シュラウド５４がタービンケーシング５５に対して半径方向３７に移動できるようにすることによって、シュラウド５４はバケット４０が半径方向３７に伸長するにつれて膨張する。その結果、適切な隙間５７をタービン１８の全動作温度範囲にわたって維持される。その一方で、シュラウド５４がタービンケーシング５５にしっかりと取り付けられている場合、シュラウドの膨張はタービンケーシング５５によって抑制され、低い温度によって低い膨張率が得られる。従って、摩擦を防止するために、大きな隙間５７をバケット４０とシュラウド５４の間に形成して、バケット４０が伸長している作動状態を補うことができるが、シュラウド５４の膨張はタービンケーシング５５の影響を受けていることによって制限される。そのため、タービンケーシング５５に対して半径方向３７へのタービンシュラウドセグメントの移動を可能にする取付構造を設けることで小さな隙間５７を円滑にして、タービン効率を向上させる。

明らかであるように、特定の実施形態では、アクティブ制御システムを使用して、シュラウドセグメントを半径方向３７に移動させ、冷却剤流によってシュラウドセグメントの温度ひいては半径方向の膨張又は収縮、或いはその両方を調節して、隙間５７を変化させる。始動即ち一般的に過渡状態の間は、隙間５７を増大又は最大化させて、効率を悪化させる摩擦状態の可能性を減少させる。定常状態（例えば、通常運転）の間は、隙間５７を減少又は最小化させて効率を向上又は最大化させる。後述のように、タービンシュラウド５４の開示の実施形態では、タービンバケット４０に対するシュラウド５４の配置及び対称性を向上させることによって、隙間５７が狭くなり、効率が向上する。

図４は、図３の線４−４で切り取られたタービンシュラウド５４の一実施形態の詳細図である。図示の実施形態は、タブ又は突出部５９及び６１を介してシュラウド５４に固定するシュラウドライナー５６を含む。タブ５９及び６１は、それぞれシュラウド５４の溝部６３及び６５内に嵌合するように構成される。タブ５９及び６１と溝部６３及び６５は、連結してシュラウドライナー５６をシュラウド５４に固定するように構成される。特定の実施形態では、シュラウドライナー５６は、円周方向４１に沿って複数のセグメントに分割される。前述のように、シュラウド５４は、連結してタービンバケット４０を取り囲むセグメントからなる。各々のシュラウドセグメントは、１つ以上のシュラウドライナーセグメントを含む。例えば、各々のシュラウドセグメントは１、２、３、４、５個又はそれ以上のシュラウドライナーセグメントを含む。このようにして、シュラウドライナー５６は、シュラウド５４とバケット４０の間の全円周において円周方向４１に沿って延在する。代替的には、シュラウドライナー５６は、シュラウド５４をタービンバケット４０に直接隣接して配するようにして省略しても良い。

前述のように、シュラウド５４は、ハンガー５８によってタービンケーシング５５に非固定的に連結される。具体的には、ピン６０が軸方向３５に沿って配向され、ハンガー５８に連結されて、軸方向３５及び円周方向４１へのシュラウド５４の移動を抑制する。ピン６０はハンガー５８に固定的に取り付けられ、タービンシュラウド５４のスロット６２内に摺動するように構成される。例えば、各々のシュラウドセグメントは、各々の軸方向側面に２つのスロット６２（即ち、上流側面の２つのスロット６２と下流側面の２つのスロット６２）を含む。２つのピン６０をこれらのスロット６２の各々の内部に配置しても良い。言い換えると、合計８個のピン６０は、シュラウド５４の各々のセグメントをタービンケーシング５５に整列させる働きをする。代替的な実施形態では、それ以上又はそれ以下のスロット６２及び／又は各々のスロット内のピン６０を使用する。例えば、特定の実施形態では、タービンシュラウド５４の各々のセグメントは、一方の軸方向側面のみにスロット６２を含む。更なる実施形態では、一方又は両方の軸方向側面で、シュラウド５４のセグメントごとに１、２、３、４、５、６、７、８個又はそれ以上のスロットを使用する。また更なる実施形態では、スロット６２ごとに１、２、３、４、５、６個又はそれ以上のピン６０を使用して、シュラウド５４をタービンケーシング５５に連結する。その他の実施形態では、代わりのコネクタ、例えばタブ、舌部等をスロット６２内に配置して、軸方向３５及び円周方向４１へのシュラウド５４の移動を抑制する。

図４に示すように、２つのピン６０は各々のハンガー５８から軸方向３５に延在する。これらのピンは、半径方向３７に配向された各スロット６２内に嵌合する。このようにして、軸方向３５及び円周方向４１へのシュラウドの移動を制限する。しかし、ピン／スロット構造は、半径方向３７への移動を円滑にする。従って、シュラウドセグメントは、低温のタービン状態の間は半径方向内側に、高温のタービン状態の間は半径方向外側に移動する。このようにして、バケット４０とシュラウド５４の間の半径方向隙間５７を、タービン動作温度範囲にわたって維持する。

図５は、特定の実施形態に従った、複数のシュラウドセグメント６４を含むタービンシュラウド５４の斜視図である。シュラウドセグメント６４の数は、タービン構造に基づいて変更する。例えば、図示のシュラウド５４は、全円周を画定するように円周配列で次々に配置された２０個のシュラウドセグメント６４を含む。代替的な実施形態は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０又は６０個のセグメント、或いはそれらの間の任意の数のセグメントを含んでも良く、それを超えても良い。

例えば、タービンシュラウド５４は、同様に配置されたシュラウドセグメント６４の中で、中間接続部６９を備えた隣接するシュラウドセグメント６６及び６８を含む。以下で詳述するように、中間接続部６９は、熱膨張及び収縮中にセグメント間の一定のシールを維持しながら、拘束又は望ましくない変形を伴わずにシュラウドセグメント、例えば６６及び６８を半径方向３７に移動可能とするように構成される。その結果、中間接続部６９は、バケット４０に対する適切な対称性（例えば、円形状）及び配置を維持することができ、更にタービンシュラウド５４とバケット４０の間の隙間５７の均一性を向上させる。図示のように、シュラウドセグメント６６は、円周方向４１に沿ってシュラウドセグメント６８に直接隣接して配置される。

各々のシュラウドセグメントは、各々が円周側面に沿って配置され、軸方向３５に配向された組の噛み合い歯を含む。具体的には、シュラウドセグメント６６は、第１円周側面に第１組の歯７０と、第１側面の反対の第２円周側面に第２組の歯７２とを含む。同様に、シュラウドセグメント６８は、第３円周側面に沿って配置された第３組の歯７４と、第４円周側面に沿って配置された第４組の歯７６とを含む。図５に示すように、セグメント６６の第２組の歯７２は、セグメント６８の第３組の歯７４と噛み合う。後述のように、これらの歯の噛み合いパターンは、タービンシュラウド５４の温度によって変化する。更にまた、更なるタービンシュラウドセグメント６４がタービンシュラウド５４の全円周範囲の周りに配置される。このようにして、バイパスを最小化しながら、バケット４０内を流れるように燃焼ガスを案内する。各々のシュラウドセグメント６４は、例示的なセグメント６６及び６８と同様の組の歯を含む。これらの歯は、噛み合ってタービンケーシング５５内にタービンシュラウド５４を形成するように構成される。具体的には、噛み合い歯は各々のセグメント６４を半径方向３７に支持しながら、タービンシュラウド５４内の温度変化に基づいて半径方向移動を円滑にする。

前述のように、各々のシュラウドセグメント６４は、各々の軸方向側面に２つのスロット６２を含む。これらのスロット６２は、ピン６０と相互作用してシュラウド５４をタービンケーシング５５に連結するように構成される。具体的には、ピン６０は各々のスロット６２内に配置されて、軸方向３５及び円周方向４１への各々のセグメント６４の移動を制限する。しかし、ピン６０は半径方向３７への各々のセグメント６４の移動を可能にする。従って、歯の噛み合い係合が温度によって変化するので、各々のセグメント６４は半径方向３７に自由に移動することができる。この構成は、タービン１８の動作温度範囲にわたってバケット４０とシュラウドセグメント６４の間でほぼ一定の隙間５７を維持する働きをすることによって、タービンシステム効率を向上させる。同様に、（例えば、ピン６０及びスロット６２による）半径方向移動の自由度を備えた中間接続部６９により、セグメントがタービンバケット４０に対する対称性及び配置を維持でき、タービン１８の動作温度範囲にわたって隙間５７の制御の向上をもたらす。

図６は、特定の実施形態に従った、噛み合い歯７２及び７４の各々の歯を示す例示的なシュラウドセグメント６６及び６８の詳細斜視図である。前述のように、これらの歯７２及び７４は、半径方向３７でも円周方向４１でもなく、軸方向３５に配向される。図示のように、歯７２及び７４は一連の交互の雌雄部分として画定されており、交互のタブ及びスロット、交互の舌部及び溝部等として説明することができる。一般的に、一方の組の歯７２の雄部分が他方の組の歯７４の雌部分に嵌合し、逆の場合も同じである。これらの交互の雌雄部分は、軸方向３５に平行且つ互いに平行に、軸方向３５に伸長するものとしても説明することができる。図示のように、舌部及び溝部は、上流側面から下流側面までセグメント６４の全軸方向範囲に沿って延在する。舌部及び溝部の数は、タービンシステム構造によって変化する。例えば、歯７２及び７４は、２、３、４、５、６、７、８個又はそれ以上の舌部とそれに対応する数の溝部を含む。

図示の実施形態では、各々の組の歯７２及び７４が４個の舌部と４個の溝部を含む。具体的には、歯７２は舌部７８、８６、９４及び１０２を含み、歯７４は舌部８４、９２、１００及び１０８を含む。同様に、歯７２は溝部８２、９０、９８及び１０６を含み、歯７４は溝部８０、８８、９６及び１０４を含む。これらの舌部及び溝部は、軸方向３５に沿って連結して、半径方向３７にタービンシュラウド５４のセグメント６６及び６８を支持するように構成される。この構成において、舌部７８は溝部８０に連結するように構成され、舌部８４は溝部８２に連結するように構成され、舌部８６は溝部８８に連結するように構成され、舌部９２は溝部９０に連結するように構成され、舌部９４は溝部９６に連結するように構成され、舌部１００は溝部９８に連結するように構成され、舌部１０２は溝部１０４に連結するように構成され、舌部１０８は溝部１０６に連結するように構成される。シュラウド５４のその他のセグメント６４に関連する歯は、同様に連結するように構成される。この噛み合い歯７２及び７４と嵌合ピン６０及びスロット６２の構成は、タービン１８の動作温度範囲にわたってバケット４０とシュラウドセグメント６４の間でほぼ一定の隙間５７を維持しながら、半径方向３７にタービンシュラウド５４を支持する。また、この噛み合い歯７２及び７４と嵌合ピン６０及びスロット６２の構成は更に、タービンシュラウド５４とバケット４０の間の非対称性及び非整列の原因となる望ましくない変形を伴わずに、シュラウドセグメント６４の半径方向移動を可能にする。更にまた、この噛み合い歯７２及び７４と嵌合ピン６０及びスロット６２の構成は、隣接するシュラウドセグメント６４間の一定のシールを維持することによって、タービン効率を向上させる。

図６に示すように、各組の舌部及び溝部の各々の間の重なり又は係合の度合いは、歯７２及び７４の半径方向範囲に沿って変化する。具体的には、舌部７８は、円周方向４１の溝部８０内に完全に配置即ち完全に着座される。反対に、舌部１０８は、円周方向４１の溝部１０６から完全に分離される。舌部と溝部の間の分離距離は、半径方向外側方向に増加する。この構成は、シュラウド５４の高温状態と合致する。以下で詳述するように、低温のシュラウド状態では噛み合いパターンを修正することになる。前述のように、各々のセグメント６４は、シュラウド５４の温度が変化するにつれて半径方向３７に移動する。この移動により、スロット６２がピン６０に対して移動し、歯７２及び７４の噛み合いパターンが変更する。このようにして、タービン１８の温度が変化する時に、バケット４０とシュラウド５４の間の隙間５７の長さを維持する。ほぼ一定の隙間長さを維持することによって、バケット４０とシュラウド５４の間の摩擦の可能性を減少させながら、燃焼ガスからロータへのエネルギー伝達を向上させる。

図７は、特定の実施形態に従った、低温状態における例示的なシュラウドセグメント６６及び６８の斜視図である。図示のように、歯７２及び７４の間の噛み合いパターンは、図６の高温状態に関して上述した噛み合いパターンとは異なる。具体的には、舌部７８、８４及び８６は、それぞれ溝部８０、８２及び８８内に完全に配置即ち完全に着座される。同様に、舌部９２、９４、１００、１０２及び１０８は、図６の高温状態と比べて、低温状態においては、それぞれ溝部９０、９６、９８、１０４及び１０６に近接している。一般的に、低温状態における歯７２及び７４の間の噛み合いの度合いは、高温状態における噛み合いの度合いよりも大きくなる。噛み合いパターンの違いは、セグメント６６及び６８の熱収縮によるものである。前述のように、シュラウドセグメント６４の熱収縮は、セグメント６４を半径方向内側、即ち、バケット４０の近くに移動させることになる。半径方向内側移動の度合いは、低温運転状態中のバケット４０の半径方向収縮の度合いと同様になる。従って、バケット４０とシュラウド５４の間の隙間５７は、タービン１８の動作温度範囲にわたって維持される。同様に、シュラウドセグメント６４の半径方向移動は、シュラウド５４がタービンの温度変化にかかわらずその略円形状を維持することを可能にする。シュラウド５４の対称性及び配置を維持することによって、始動及び／又は過渡状態（例えば、低温運転状態）中の狭い隙間を円滑にする。その結果、バケット４０とシュラウド５４の間の摩擦の可能性を減少させながら、燃焼ガスとタービン１８の間のエネルギー伝達を様々なタービン温度にわたってほぼ一貫させることができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を使用して本発明を開示し、あらゆる装置又はシステムを製作且つ使用すること及びあらゆる組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含む。このようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等の構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に含まれることを意図している。

１０ ガスタービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 燃料供給
１６ 燃焼器
１８ タービン
１９ 軸
２０ 排気出口
２２ 圧縮機
２４ 取入口
２６ 負荷
２８ −−
３０ 空気
３２ 圧縮空気
３４ 混合気
３５ 軸方向
３６ 流れ方向
３７ 半径方向
３８ 第１段ノズル
４０ 第１段バケット
４１ 円周方向
４２ ロータ
４４ 第２段ノズル
４６ 第２段バケット
４８ 第３段ノズル
５０ 第３段バケット
５２ 流れ方向
５４ タービンシュラウド
５５ タービンケーシング
５６ シュラウドライナー
５７ 隙間
５８ シュラウドハンガー
５９ タブ
６０ ピン
６１ タブ
６２ スロット
６３ 溝部
６４ シュラウドセグメント
６５ 溝部
６６ シュラウドセグメント
６８ シュラウドセグメント
６９ 中間接続部
７０ 第１組の歯
７２ 第２組の歯
７４ 第３組の歯
７６ 第４組の歯
７８ 第１組の歯の舌部
８０ 第２組の歯の溝部
８２ 第１組の歯の溝部
８４ 第２組の歯の舌部
８６ 第１組の歯の舌部
８８ 第２組の歯の溝部
９０ 第１組の歯の溝部
９２ 第２組の歯の舌部
９４ 第１組の歯の舌部
９６ 第２組の歯の溝部
９８ 第１組の歯の溝部
１００ 第２組の歯の舌部
１０２ 第１組の歯の舌部
１０４ 第２組の歯の溝部
１０６ 第１組の歯の溝部
１０８ 第２組の歯の舌部

Claims (10)

1. タービンエンジンを含むシステムであって、
   前記タービンエンジンは、
   複数のブレード（４０）を有するロータ（４２）と、
   前記複数のブレード（４０）の周りに配置されたシュラウド（５４）とからなり、前記シュラウド（５４）は、噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）を介して互いに係合する複数のセグメント（６４）を含み、前記噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）は、前記タービンエンジンの縦軸に沿って軸方向（３５）に配向されるシステム。
2. 前記噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）は、前記タービンエンジンの前記縦軸に対して半径方向（３７）に前記複数のセグメント（６４）を支持する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）は、前記複数のセグメント（６４）の上流側面から下流側面までの全軸方向距離に延在する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数のセグメント（６４）は上流側面、下流側面、又はその両方に沿ったスロット（６２）を含み、前記スロット（６２）は前記タービンエンジンの前記縦軸に対して半径方向（３７）に延在する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記タービンエンジンは前記スロット（６２）内に配置されるピン（６０）を含み、前記ピン（６０）は前記軸方向（３５）に配向され、前記スロット（６２）は前記ピン（６０）に対して移動して前記セグメント（６４）の半径方向移動を可能にするように構成される、請求項４に記載のシステム。
6. タービンケーシング（５５）と、
   複数のタービンブレード（４０）の周りに延在するように構成された複数のシュラウドセグメント（６４）を有するタービンシュラウド（５４）と、
   前記タービンケーシング（５５）と前記複数のシュラウドセグメント（６４）の間に配置されたピン／スロットガイド（６０、６２）であって、タービンエンジンの回転軸に対して前記複数のシュラウドセグメント（６４）の半径方向移動を可能にするように構成される前記ピン／スロットガイド（６０、６２）とからなる、システム。
7. 各々のシュラウドセグメント（６４）は、前記回転軸に対して前記シュラウドセグメント（６４）の上流及び下流側面に配置されたスロット（６２）を有しており、前記スロット（６２）は前記回転軸に対して半径方向（３７）に配向される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記タービンケーシング（５５）は各々のスロット（６２）内に配置された少なくとも１つの固定ピン（６０）を有しており、各々のスロット（６２）は各固定ピン（６０）に沿って前記半径方向（３７）に移動する、請求項７に記載のシステム。
9. 前記複数のシュラウドセグメント（６４）は前記回転軸に沿って軸方向（３５）に配向された噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）を有しており、前記噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）は前記回転軸に対して半径方向（３７）に前記複数のシュラウドセグメント（６４）を支持するように構成される、請求項６に記載のシステム。
10. 前記噛み合い歯（７０、７２、７４、７６）は、前記複数のシュラウドセグメント（６４）の熱膨張及び収縮に応じて様々な半径方向位置で互いに係合するように構成される、請求項９に記載のシステム。

Images