JP2011085138A

JP2011085138A - 間隙流れ制御のための渦チャンバ

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Publication number: JP2011085138A
Application number: JP2010229217A
Authority: JP
Inventors: Joshy John; ジョシー・ジョン; Sanjeev Kumar Jain; サンジーヴ・クマール・ジャイン; Sachin Kumar Rai; サチン・クマール・ライ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: US20110085892A1; CN102042043B; DE102010037862A1; CH702000A2; US8333557B2; CH702000B1; CN102042043A; JP5631686B2

Abstract

【課題】先端間隙流れ制御を行なうための渦チャンバを提供する。
【解決手段】本装置(１０)は、その表面（２１）から延びる流れダイバート部材（２５）を備えた第１の部材（２０）と、その表面（３１）及びダイバート部材（２５）の遠位端部（２６）間に間隙ギャップ面積Ａが定められた状態で第１の部材（２０）に近接して配置された第２の部材（３０）とを含み、それに沿って流体（５０）が上流側セクション（６０）から間隙ギャップ面積Ａを通って流れる流路（４０）が、第１及び第２の部材（２０、３０）間に形成されるようになる。第２の部材（３０）は、その中で流体が渦パターンで流れるように導かれた後に間隙ギャップ面積Ａを通って流れるのが可能になる二重渦チャンバ（７０、８０）を上流側セクション（６０）に定めるように形成される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示した主題は、先端間隙流れ制御を行なうための渦チャンバに関する。

一般的に、ガスタービンエンジンのタービン段は、管状タービンケーシング内に固定ベーンの列とそれに続く回転ブレードの列とを含む。タービンケーシングを通る流体の流れは、ベーン内で部分的に膨張しかつ回転ブレードに向けて導かれ、そこで該流体の流れはさらに膨張して必要な出力を発生させる。タービンの安全な機械的作動のために、回転ブレードの先端及びタービンケーシングの内部表面間には最小物理的間隙必要量が存在する。一般的に、タービンバケットには、より良好な空気力学的及び機械的性能のためのカバーが設けられる。カバーから外方に突出したレールを使用して、ケーシング及び回転ブレード間の物理的間隙を最小にする。この間隙必要量は、ロータ及びタービンケーシングの動的及び熱的挙動に基づいて変化する。

間隙必要量が比較的大きい場合には、高エネルギー流体流れが、タービン作動時にいかなる有用な出力も発生させないでブレードの先端及びタービンケーシングの内部表面間から逸出する。逸出した流体流れは、先端間隙損失を構成しかつタービン段における主な損失源の１つとなる。例えば、幾つかのケースでは、先端間隙損失はタービン段における全損失の２０〜２５％を構成する。

いずれにしても、先端間隙流れの量を減少させることにより、タービンの出力及び性能を直接的に増大させることができる。一般的に、そのような減少は、ロータ先端及びケーシング間の物理的間隙を縮小することによって達成することができる。しかしながら、この縮小はまた、回転及び固定構成要素間の損傷摩擦の機会を増大させる。

さらに、タービンエンジン性能は、高温ガス通路内に存在する高温からタービン構成要素を保護するために使用する冷却及びシール空気の量により決まることになる。冷却流れは一般的に、構成要素の冷却及び高温ガス通路に開口した空洞のパージに使用される。つまり、例えばホイールスペースへの高温ガスの吸込みは、ギャップを通して冷却空気の積極的な外向き流れを生じさせることによって防止することができる。一般的に、これらの冷却流れは、エンジンの圧縮機部分から抽出され、その場合に、あらゆる抽出がエンジンの全体性能に対する不利な要因となる。

米国特許第７，２５５，５３１号公報

本発明の１つの態様によると、装置を提供し、本装置は、その表面から延びる流れダイバート部材を備えた第１の部材と、その表面及びダイバート部材の遠位端部間に間隙ギャップが定められた状態で第１の部材に近接して配置された第２の部材とを含み、それに沿って流体が上流側セクションから間隙ギャップを通って流れる流路が、第１及び第２の部材間に形成されるようになる。第２の部材は、その中で流体が渦パターンで流れるように導かれた後に間隙ギャップを通って流れるのが可能になる二重渦チャンバを上流側セクションに定めるように形成される。

本発明の別の態様によると、間隙流れ制御行なうようになったタービンを提供し、本タービンは、その表面から延びるレールを有する回転タービンブレードと、その内部表面及びレールの遠位端部間に間隙ギャップが定められた状態で回転タービンブレードを円周方向に囲むタービンケーシングとを含み、それに沿って流体が上流側セクションから間隙ギャップを通って流れる流路が、形成されるようになる。タービンケーシングは、その中で流体が渦パターンで流れるように導かれた後に間隙ギャップを通って流れるのが可能になる二重渦チャンバを上流側セクションに定めるように形成される。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、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。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。

タービンケーシングの側面断面図。タービンケーシングの側面断面図。タービンバケットと共に示したタービンケーシングの別の実施形態の側面断面図。タービンケーシングの別の実施形態の側面断面図。タービンケーシングの別の実施形態の側面断面図。タービンケーシングの別の実施形態の側面断面図。タービンケーシングの別の実施形態の側面断面図。タービンケーシングの別の実施形態の側面断面図。非軸対称タービンケーシングの側面断面図。高圧パックシールの側面断面図。タービンのホイールスペース領域の側面断面図。突出部を備えたタービンケーシングの側面断面図。タービンの側面断面図。

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

本発明の態様によると、ガスタービンエンジン又は幾つかのその他の同様な装置における先端間隙流れの制御は、ロータ先端及びケーシング間の物理的間隙の対応する縮小なしに達成することができる。従って、タービン段性能は、タービンの機械的完全性に悪影響を与えないで向上させることができる。

図１及び図２を参照すると、装置１０を示しており、本装置１０は、それぞれ第１及び第２の部材２０及び３０を含む。第１の部材２０は、その表面２１から延びる流れダイバート部材２５を含む。第２の部材３０は、該第２の部材３０の表面３１及び流れダイバート部材２５の遠位端部２６間に実間隙ギャップ面積Ａが定められた状態で第１の部材２０に近接して配置される。従って、それに沿って流体５０が上流側セクション６０から実間隙ギャップ面積Ａを通って下流方向に流れることができる流体通路４０が第１及び第２の部材２０及び３０間に形成される。

第２の部材３０はさらに、上流側セクション６０に二重渦チャンバ７０及び８０を定めるように形成される。流体５０は、二重渦パターン７５及び８５で二重渦チャンバ７０及び８０内に流れるように導かれた後に実間隙ギャップ面積Ａを通って流れるのが可能になる。流体５０が二重渦パターン７５及び８５で流れるように導かれた場合には、実間隙ギャップ面積Ａを通る流体の有効流れ面積Ｅは、Ｅ＜Ａのように減少する。詳細には、第１の渦パターン７５は、第１のチャンバ２０に向けて流体５０の流れを逸らす。第２の渦パターン８５は次に、流れダイバート部材の上方でかつ周りで比較的急旋回９０を行なうように流れを導いて、流体５０が実間隙ギャップ面積Ａの厚さ全体を通って流れるのを防止するようにする。幾つかのケースでは、二重渦チャンバ７０及び８０は、有効流れ面積Ｅが実間隙ギャップ面積Ａよりもその厚さが大幅に小さくなるように構成することができる。

二重渦チャンバ７０及び８０は、上流側渦チャンバ７０及び下流側渦チャンバ８０として形成される。第２の部材３０はさらに、上流側渦チャンバ７０及び下流側渦チャンバ８０間に突出部１００を定めるように形成することができる。

図３〜図８を参照すると、上流側渦チャンバ７０は、凹面部分７１を含むか、又は壁部分７２及び凹面部分７１の組合せを該凹面部分７１が壁部分７２の外形に連結された状態で含むことができる。下流側渦チャンバ８０は、壁部分８１及び管状部分８２、或いは凹面部分８３を含むことができる。

突出部１００は、下流方向にθ１ほど傾斜させるか又は上流方向にθ２傾斜させることができる。他のケースでは、突出部１００は、その遠位端部にフレア１０１を含むことができる。フレア１０１は、上流及び下流方向のいずれか又は両方に指向させることができる。

図３〜図８の実施形態は、別々に示しているが、互いに様々な組合せとして様々な実施形態を実施することができ、また上記の実施形態と沿ったその他の構成を実施可能であることを理解されたい。

図１及び図２に戻って参照すると、有効間隙ギャップ面積の更なる縮小を達成するために、第２の部材３０は、流体通路４０内に二次流体Ｃを噴射するか又はその他の方法で排出するように形成することができる。二次流体Ｃは、冷却媒体を含むことができ、また流体５０の連続流れを阻止する働きをすることができる。二次流体Ｃが冷却媒体である場合には、流体通路４０内への二次流体Ｃの噴射はまた、本明細書に記載した様々な構成要素に対して冷却作用を与えることができる。

本装置１０は、様々な用途での使用に適用することができる。例えば、図１及び図２に示すように、本装置１０は、例えばガスタービンエンジンのタービン１０５の構成要素とすることができる。その場合には、第１の部材２０は、回転タービンブレード１１０を含むことができ、流れダイバート部材２５は、タービンブレード１１０に連結されたレール１１１を含むことができ、また第２の部材１３０は、タービンブレード１１０及びレール１１１を円周方向に囲みかつその内部表面及びレール１１１の遠位端部間に実間隙ギャップ面積Ａが定められるように構成されたタービンケーシング１１２を含むことができる。

つまり、先端間隙流れ制御を行なうようになったタービン１０５を提供し、本タービン１０５はその表面から延びるレール１１１を有する回転タービンブレード１１０と、タービンケーシング１１２とを含む。タービンケーシング１１２は、該タービンケーシング１１２の内部表面及びレールの遠位端部間に定められた間隙ギャップを備えた状態で、回転タービンブレード１１０及びタービンケーシング１１２を円周方向に囲むように構成される。従って、それに沿って流体５０が上流側セクション６０から間隙ギャップ面積Ａを通って流れることができる流路４０が、形成される。タービンケーシング１１２はさらに、その中で流体５０が渦パターン７５及び８５で流れるように導かれた後に間隙ギャップ面積Ａを通って流れるのが可能になる二重渦チャンバ７０及び８０を上流側セクション６０に定めるように形成される。

図９に示すように、第２の部材３０はまた、非軸対称ケーシング１２０を含むことができる。図１０に示すように、第１の部材２０は、高圧パッキンシール１３０を含むことができ、高圧パッキンシール１３０は、それに隣接して突出部並びに二重渦チャンバ７０及び８０が配置されたハニカム装置に対向している。図１１に示すように、第１の部材２０は、第２の部材３０が突出部１００を備えたタービンノズル１４１を含んだ状態で、タービンのホイールスペース空洞のタービンロータを含むことができる。このケースでは、第２の部材３０はさらに、流れダイバート部材２５の下流に配置された第２の流れダイバート部材１４２を含むことができる。

本発明の他の態様によると、タービン１０５を作動させる方法を提供する。本方法は、タービンケーシング１１２により形成された流体通路４０に沿って上流側セクション６０から、タービンケーシング１１２及び該タービンケーシング１１２によって円周方向に囲まれた回転タービンブレード１１０間に定められた実間隙ギャップ面積Ａを通して流体５０を流すステップを含む。本方法はさらに、実間隙ギャップ面積Ａを通して流体５０を流すのを可能にする前に、上流セクション６０における二重渦チャンバ７０及び８０内に渦パターン７５及び８５で流れるように流体５０を導くステップを含む。実施形態によると、流体５０を導くステップは、それによりタービンブレード１１０上に流体５０を逸らす上流側渦チャンバ７０内に流れるように該流体５０を導くステップと、その後、それにより強制的にレール１１１の上方に流体５０を比較的急旋回させる下流側渦チャンバ８０内に流れるように該流体５０を導くステップとを含むことができる。さらに、本方法は、渦パターン７５及び８５で流れるように流体５０を導くステップの間に、冷却流のような二次流体Ｃを該流体５０内に排出するステップを含むことができる。

シミュレーションでは、二重渦チャンバ７０及び８０を備えた一般的なタービン段は、段効率の対応する向上を伴う一定の物理的間隙ギャップにおける間隙流れの効果的な減少を示した。二重渦チャンバ７０及び８０は、新しいガス又は蒸気タービン、並びに既に稼動しているタービンに適用することができる。稼動しているタービンの場合には、二重渦チャンバ７０及び８０は、改修時における整備パッケージの一部として提供することができる。

突出部１００を備えた二重渦チャンバ７０及び８０は、単一の構成要素によって形成することができ、或いは互いに組立てた複数構成要素を使用することによって形成することができる。１つのそのような組立体は、図１２に示しており図１２の場合には、突出部１００は、ケーシングのＴスロット内に組立てられた別個の着脱可能部品を含むことができる。これは渦チャンバを組込むようなエンジンの改修時に特に有用なものとすることができる。一般的に、レールの上方のケーシングは管状形状を有し、また幾つかのケースでは、レールは、アブレイダブル又はハニカム構造体に当接させて配備することができ、この構造の場合にはレールは、図１３に示すようにガスタービンエンジンの様々な運転状態の間にグルーブ形状を意図的に形成するのを可能にする。

限られた数の実施形態に関してのみ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はなく、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装置
２０第１の部材
２１表面
２５流れダイバート部材
２６遠位端部
３０第２の部材
Ａ実間隙ギャップ面積
Ｅ有効流れ面積
３１表面
４０流路
５０流体
６０上流側セクション
７０、８０二重渦チャンバ
７１凹面部分
７２壁部分
７５、８５二重渦パターン
８１壁部分
８２管状部分
８３凹面部分
９０急旋回
１００突出部
１０１フレア
Ｃ二次流体
１０５タービン
１１０タービンブレード
１１１レール
１１２タービンケーシング
１２０非軸対象ケーシング
１３０高圧パッキンシール
１３１ハニカム装置
１４０タービンロータ
１４１ノズル
１４２第２の流れダイバート部材

Claims

装置(１０)であって、
その表面（２１）から延びる流れダイバート部材（２５）を備えた第１の部材（２０）と、
その表面（３１）及び前記ダイバート部材（２５）の遠位端部（２６）間に間隙ギャップ面積Ａが定められた状態で前記第１の部材（２０）に近接して配置された第２の部材（３０）と、を含み、
それに沿って流体（５０）が上流側セクション（６０）から前記間隙ギャップ面積Ａを通って流れる流路（４０）が、前記第１及び第２の部材（２０、３０）間に形成されるようになり、
前記第２の部材（３０）が、その中で前記流体が渦パターンで流れるように導かれた後に前記間隙ギャップ面積Ａを通って流れるのが可能になる二重渦チャンバ（７０、８０）を前記上流側セクション（６０）に定めるように形成される、
装置(１０)。
前記二重渦チャンバ（７０、８０）が、前記第２の部材（３０）が該二重渦チャンバ（７０、８０）間に突出部（１００）を定めるようにさらに形成された状態で、上流側及び下流側渦チャンバとして形成される、請求項１記載の装置(１０)。
前記上流側渦チャンバが、凹面部分（７１）を含む、請求項２記載の装置(１０)。
前記上流側渦チャンバが、壁部分(７２)と該壁部分(７２)の外径に連結された凹面部分（７１）とを含む、請求項２記載の装置(１０)。
前記下流側渦チャンバが、壁部分（８１）と管状部分（８２）とを含む、請求項２記載の装置(１０)。
前記下流側渦チャンバが、凹面部分（８３）を含む、請求項２記載の装置(１０)。
前記突出部（１００）が、下流方向に傾斜している、請求項２記載の装置(１０)。
前記突出部（１００）が、上流方向に傾斜している、請求項２記載の装置(１０)。
前記突出部（１００）が、その遠位端部にフレア（１０１）を含む、請求項２記載の装置(１０)。
前記第２の部材（３０）が、冷却流れを半径方向内向きに前記流路(４０)内に排出するようにさらに形成される、請求項１記載の装置(１０)。