JP2011080468A - 阻止装置を備えたシュラウド組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン（１０）シュラウド組立体を開示する。
【解決手段】内側シュラウド（１０４、２０４）内に封入された阻止装置（１０６）は、高温ガス又は蒸気が外側シュラウドに接近する直接経路を有するのを妨げる。阻止装置（１０６）は、内側シュラウド（１０４、２０４）を越えかつ隣接するシュラウド組立体の内側シュラウド（１０４、２０４）内に延びるように該内側シュラウド（１０４、２０４）からオフセットした状態で配置される。別の実施形態では、その各々が阻止装置（１０６）を封入した状態で複数の内側シュラウド（１０４、２０４）が設けられ、阻止装置（１０６）は、内側シュラウド（１０４、２０４）間の間隙（２０５）を覆うように該内側シュラウド（１０４、２０４）内で互いに隣接しかつ該内側シュラウド（１０４、２０４）からオフセットした状態で配置される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、総括的にはタービンシュラウド組立体に関し、より具体的には、タービンシュラウド組立体で使用するようになった阻止装置に関する。

シュラウドは、タービン及びエンジン内で使用されて、回転ブレード及びケーシング構造体間の境界部として作用する。シュラウドは、ブレードに対して緊密な先端クリアランスを構成しかつノズルのための取付け部となる。一般的に、そのようなシュラウドは、金属材料で製作される。しかしながら、産業用ガスタービン及び航空機エンジンのシュラウドは、高温環境内で作動し、従って有用な設計寿命を得るためには冷却を必要とする。冷却空気を伴う金属シュラウドに代わる方法は、シュラウドとしてセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料を使用し、従って金属に優るＣＭＣの優れた温度性能によりシュラウドの冷却の必要性を排除することである。ＣＭＣシュラウドは一般的に、ガス／蒸気通路に最も近接した該シュラウドの端部における高温が金属外側ケーシングに最も近接した端部に到達するのを防止するためのシールを含む。一般的に、シュラウド端部ギャップを効果的にシールするためには、シールを冷却して該シールの設計寿命を維持しなければならない。

米国特許出願公開第２００９／００１０７５５号公報

タービンシュラウド組立体を開示し、本シュラウド組立体は、外側シュラウドと、外側シュラウドに取付けられた少なくとも１つの中空管状内側シュラウドと、内側シュラウド内に封入された阻止装置とを含む。阻止装置は、高温ガス又は蒸気が外側シュラウドに接近する直接経路を有するのを妨げる。１つの実施形態では、本シュラウド組立体の１つの内側シュラウドには、該内側シュラウド内に封入した１つの阻止装置が設けられ、阻止装置は、内側シュラウドを越えかつ隣接するシュラウド組立体の内側シュラウド内に延びるように該内側シュラウドからオフセットした状態で配置される。別の実施形態では、その各々が阻止装置を封入した状態で複数の内側シュラウドが設けられ、阻止装置は、内側シュラウド間の間隙を覆うように該内側シュラウド内で互いに隣接しかつ該内側シュラウドからオフセットした状態で配置される。

本発明の第１の態様は、タービンで使用するようになったシュラウド組立体を提供し、本シュラウド組立体は、タービンの外側ケーシングと境界を接するように構成された第１の側面及び該タービンの作動流体の流れに近接した第２の側面を有する外側シュラウドと、外側シュラウドの第２の側面及びタービンの作動流体流れ間に配置された内側シュラウドと、内側シュラウド内に封入された阻止装置とを含み、阻止装置は、内側シュラウドを越えかつ隣接するシュラウド組立体の内側シュラウド内に延びるように該内側シュラウドからオフセットした状態で配置される。

本発明の第２の態様は、タービンで使用するようになったシュラウド組立体を提供し、本シュラウド組立体は、タービンの外側ケーシングと境界を接するように構成された第１の側面及び該タービンの作動流体の流れに近接した第２の側面を有する外側シュラウドと、互いに隣接し、それらの間に膨張間隙を形成するように配置され、かつ外側シュラウドの第２の側面及びタービンの作動流体流れ間に配置された少なくとも２つの内側シュラウドと、互いに隣接しかつ内側シュラウド内に封入された少なくとも２つの阻止装置とを含み、阻止装置は、膨張間隙を覆うように内側シュラウドからオフセットした状態で配置される。

本発明の第３の態様は、タービンを提供し、本タービンは、外側ケーシングと、少なくとも１つの回転ブレードと、該タービンの外側ケーシング及び少なくとも１つの回転ブレード間に配置されたシュラウド組立体とを含み、シュラウド組立体は、外側ケーシングと境界を接するように構成された第１の側面及び少なくとも１つの回転ブレードと境界を接しかつタービンの作動流体の流れに近接するように構成された第２の側面を有する外側シュラウドと、外側シュラウドの第２の側面及びタービンの作動流体流れ間に配置された少なくとも１つの内側シュラウドと、内側シュラウド内に封入されかつ該内側シュラウドからオフセットした状態で配置された少なくとも１つの阻止装置とを含む。

本発明の実施形態による、タービン内におけるシュラウド組立体の断面図。 本発明の実施形態によるタービンシュラウド組立体の斜視図。 本発明の実施形態によるタービンシュラウド組立体の斜視図。 本発明の実施形態によるタービンシュラウド組立体の斜視図。 本発明の実施形態によるタービンシュラウド組立体及び隣接するタービンシュラウド組立体の斜視図。 本発明の実施形態による、その中に仮想線で示した阻止装置を備えたタービンシュラウド組立体の底面図。 本発明の実施形態によるタービンシュラウド組立体内で使用するようになった阻止装置の斜視図。

図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本発明の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面では、同じ参照符号付けが、図面間で同様の要素を表している。

図に移ると、図１は、本発明の実施形態による、タービン１０（図１には部分的に示している）内におけるタービンシュラウド組立体１００を示している。タービン１０は、少なくとも１つの回転ブレード１２と、外側ケーシング１４とを含む。本発明の実施形態によると、少なくとも１つのシュラウド組立体１００は、回転ブレード１２及び外側ケーシング１４間に配置される。また当技術分野では公知のように、作動流体（例えば、燃焼ガス又は蒸気）は、タービンを通って流れて、回転ブレード１２上に衝突する。当業者には分るように、タービン１０は、蒸気タービン、ガスタービン、混式ガス及び蒸気タービン、ＬＰタービン、ＩＰタービン、単流蒸気タービン、複合サイクルタービン、対向流タービン及び／又はＨＰタービンのようなあらゆるタイプのタービンとすることができることに注目されたい。

図２には、本発明の実施形態によるシュラウド組立体１００を示している。タービンシュラウド組立体１００は、外側シュラウド１０２を含み、外側シュラウド１０２は、タービン１０の外側ケーシング１４と境界を接するように構成された第１の側面１０１を有する。外側シュラウド１０２はさらに、回転ブレード１２に、従ってタービンの作動流体通路に近接した第２の側面１０３を含む。本明細書に説明するように、本発明の実施形態を使用することにより、外側シュラウド１０２は、高耐熱性材料からなる必要はなく、金属のようなあらゆる所望の材料を使用することができる。

さらに図２に示し、また図３により詳細に示すように、シュラウド組立体１００はさらに、外側シュラウド１０２及びタービン１０の作動流体通路間で該外側シュラウド１０２の第２の側面１０３に取付けられた少なくとも１つの内側シュラウド１０４を含む。作動流体通路に近接していることにより、内側シュラウド１０４は、高温に曝される。従って、図４に示す別の実施形態では、それらの間に膨張間隙を設けて、タービン１０の燃焼ガス又は蒸気通路から放出された高熱による膨張が可能になるようにした状態で、互いに隣接した複数の内側シュラウド１０４（例えば、図４に示すように２つの内側シュラウド１０４）を設けることができる。内側シュラウド１０４は、中空管状形状、或いはあらゆるその他の好適な形状又はコンシステンシーのものとすることができる。さらに、内側シュラウドは、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料、或いはセラミック材料、モノリシック形セラミック又はタービングレード超合金（Ｎｉ超合金のような）のような高温に耐えることができるあらゆるその他の好適な材料からなるものとすることができる。

どのくらい多くの内側シュラウド１０４を設けるかに関係なく、各内側シュラウド１０４は、少なくとも１つの阻止装置１０６を封入する。例えば、図４に示す実施形態では、２つの内側シュラウド１０４は２つの阻止装置１０６を封入し、また阻止装置１０６は、内側シュラウド１０４内で互いに隣接して配置される。図３では、１つの内側シュラウド１０４が、１つの阻止装置１０６を封入する。

阻止装置１０６は、中空又は中実管状形状、或いは内側シュラウド１０４内に嵌合するように構成されたあらゆるその他の所望の形状を含むことができる。外側シュラウド１０２に到達する熱を最良に阻止するために、阻止装置１０６、又は外側シュラウド１０２の第２の側面１０３に最も近接する阻止装置１０６の少なくとも一部分は、完全にほぼ不透過性かつ無孔性、つまり高温作動流体が阻止装置１０６を貫通して流れることができる孔がない状態である。

阻止装置１０６は、内側シュラウド１０４間のあらゆるギャップが覆われるように内側シュラウド１０４内に配置される。例えば、図５に示すように阻止装置１０６は、該阻止装置１０６が内側シュラウド１０４を越えかつ隣の隣接するシュラウド組立体２００の内側シュラウド２０４内に延びるようにオフセットされる。従って、阻止装置１０６は、内側シュラウド１０４及び隣接する内側シュラウド２０４間のギャップを覆うように配置される。隣接する内側シュラウド２０４内への阻止装置１０６のこの延長は、単一の内側シュラウド１０４を備えた実施形態として図５に示しているが、複数の内側シュラウド１０４を含む実施形態において同様の構成が実施可能となることを理解されたい。例えば、複数の内側シュラウド１０４（従って複数の阻止装置１０６）を設けた場合に、内側シュラウド１０４の端部に最も近接した阻止装置１０６は隣接する内側シュラウド２０４内に延びることができる。図４及び図６に示すように、複数の内側シュラウド１０４内に、複数の阻止装置１０６を設けた場合には、阻止装置１０６は、内側シュラウド１０４（図４及び図６内の仮想線で最も良く示す）間の膨張間隙１０５を覆うように該内側シュラウド１０４からオフセットした状態で配置することができる。

従って、阻止装置１０６は、高温作動流体が外側シュラウド１０２に接近する直接径路を有するのを妨げかつ作動流体通路から外側シュラウド１０２への蛇行径路を構成する。このように、高温作動流体が外側シュラウド１０２に殆ど到達せず、外側シュラウド１０２内での従来型の金属性のシール及び構成要素の使用を可能にする。さらに、本発明の実施形態による阻止装置１０６の構成は、冷却を加えない状態で、内側シュラウド１０４内における膨張間隙１０５及び隣接する組立体の内側シュラウド間のギャップ２０５をシールし、従って阻止装置１０６が内側シュラウド１０４と同じ又は同様な機能を有することが可能になり、従来型の金属シール又は複合組立体を使用した場合に必要となるような阻止装置１０６に対する付加的な冷却の必要性を排除する。

阻止装置１０６は、セラミック材料、ＣＭＣ材料、モノリシック形セラミック、タービングレード超合金（Ｎｉ超合金のような）などのようなあらゆる好適な材料を含むことができる。据付けを容易にするために阻止装置１０６は、図７に最もよく示すように少なくとも１つの傾斜端縁部１０８、１１０を有することができる。さらに、図２に最もよく示すように内側シュラウド１０４もまた、少なくとも１つの傾斜端縁部１０７を含むことができる。阻止装置１０６は、内側シュラウド１０４に接着することを必要としないが、１つの実施形態では阻止装置１０６は、内側シュラウド１０４に機械的に取付けることができる。

本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。

本明細書では、様々な実施形態について説明しているが、当業者が要素の様々な組合せ、それらの変形或いは改良を行なうことができ、またそれらが本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱せずに特定の状況及び物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではないこと、また本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

１０ タービン
１２ 回転ブレード
１４ 外側ケーシング
１００、２００ シュラウド組立体
１０２ 外側シュラウド
１０１ 第１の側面
１０３ 第２の側面
１０４、２０４ 内側シュラウド
１０５ 間隙
１０６ 阻止装置
１０７、１０８、１１０ 傾斜端縁部
２０５ ギャップ

Claims (10)

1. タービン（１０）で使用するようになったシュラウド組立体であって、
   前記タービン（１０）の外側ケーシング（１４）と境界を接するように構成された第１の側面（１０１）及び該タービン（１０）の作動流体の流れに近接した第２の側面（１０３）を有する外側シュラウド（１０２）と、
   前記外側シュラウド（１０２）の第２の側面（１０３）及び前記タービン（１０）の作動流体流れ間に配置された内側シュラウド（１０４、２０４）と、
   前記内側シュラウド（１０４、２０４）内に封入された阻止装置（１０６）と、を含み、
   前記阻止装置（１０６）が、前記内側シュラウド（１０４、２０４）を越えかつ隣接するシュラウド組立体（１００、２００）の内側シュラウド（１０４、２０４）内に延びるように該内側シュラウド（１０４、２０４）からオフセットした状態で配置される、
   シュラウド組立体。
2. 前記内側シュラウド（１０４、２０４）が、中空管状形状を含む、請求項１記載のシュラウド組立体。
3. 前記内側シュラウド（１０４、２０４）が、セラミック材料、セラミックマトリックス複合材料、モノリシック形セラミック、又はＮｉ超合金からなる、請求項１記載のシュラウド組立体。
4. 前記阻止装置（１０６）が、少なくとも１つの傾斜端縁部（１０７、１０８、１１０）を有する、請求項１記載のシュラウド組立体。
5. 前記内側シュラウド（１０４、２０４）が、少なくとも１つの傾斜端縁部（１０７、１０８、１１０）を有する、請求項１記載のシュラウド組立体。
6. 前記阻止装置（１０６）が、セラミック材料、セラミックマトリックス複合材料、モノリシック形セラミック、又はＮｉ超合金からなる、請求項１記載のシュラウド組立体。
7. タービン（１０）で使用するようになったシュラウド組立体であって、
   前記タービン（１０）の外側ケーシング（１４）と境界を接するように構成された第１の側面（１０１）及び該タービン（１０）の作動流体の流れに近接した第２の側面（１０３）を有する外側シュラウドと、
   互いに隣接し、それらの間に膨張間隙（１０５）を形成するように配置され、かつ前記外側シュラウドの第２の側面（１０３）及び前記タービン（１０）の作動流体流れ間に配置された少なくとも２つの内側シュラウド（１０４、２０４）と、
   互いに隣接しかつ前記内側シュラウド（１０４、２０４）内に封入された少なくとも２つの阻止装置（１０６）と、を含み、
   前記少なくとも２つの阻止装置（１０６）が、前記膨張間隙（１０５）を覆うように前記少なくとも２つの内側シュラウド（１０４、２０４）からオフセットした状態で配置される、
   シュラウド組立体。
8. 前記少なくとも２つの阻止装置（１０６）が、少なくとも１つの阻止装置（１０６）の端部が該少なくとも１つの阻止装置（１０６）を封入した前記内側シュラウド（１０４、２０４）の端部を越えて延びるように配置される、請求項７記載のシュラウド組立体。
9. 前記内側シュラウド（１０４、２０４）を越えて延びる前記少なくとも１つの阻止装置（１０６）の端部が、隣接するシュラウド組立体の内側シュラウド（１０４、２０４）内に延びる、請求項８記載のシュラウド組立体。
10. タービン（１０）であって、
    外側ケーシングと、
    少なくとも１つの回転ブレード（１２）と、
    該タービン（１０）の外側ケーシング（１４）及び前記少なくとも１つの回転ブレード（１２）間に配置されたシュラウド組立体と、
    を含み、前記シュラウド組立体が、
    前記外側ケーシングと境界を接するように構成された第１の側面（１０１）及び前記少なくとも１つの回転ブレード（１２）と境界を接しかつ該タービン（１０）の作動流体の流れに近接するように構成された第２の側面（１０３）を有する外側シュラウドと、
    前記外側シュラウド（１０２）の第２の側面（１０３）及び該タービン（１０）の作動流体流れ間に配置された少なくとも１つの内側シュラウド（１０４、２０４）と、
    前記少なくとも１つの内側シュラウド（１０４、２０４）内に封入されかつ該少なくとも１つの内側シュラウド（１０４、２０４）からオフセットした状態で配置された少なくとも１つの阻止装置（１０６）と、を含む、
    タービン。

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