JP2012007606A - 封止装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービンシステム内のバケット組立体のダブテールとロータホイールとの間の間隙を封止する封止装置を提供すること。
【解決手段】バケット組立体のダブテールとロータホイールとの間の間隙を封止する封止装置が開示されている。この封止装置は、間隙を覆うように構成されているカバープレートと、カバープレートから突出し、ダブテールに係合するように構成されている保持部材とを含む。封止装置は、バケット組立体が遠心力を受けた場合に、間隙に対して封止をもたらす。
【選択図】図3
【解決手段】バケット組立体のダブテールとロータホイールとの間の間隙を封止する封止装置が開示されている。この封止装置は、間隙を覆うように構成されているカバープレートと、カバープレートから突出し、ダブテールに係合するように構成されている保持部材とを含む。封止装置は、バケット組立体が遠心力を受けた場合に、間隙に対して封止をもたらす。
【選択図】図3
Description
本明細書に開示されている主題は、全般的に、高温ガス経路構成部品に関し、さらに具体的には、隣接する高温ガス経路構成部品を封止する封止装置に関する。
発電などの分野において、ガスタービンシステムが広く利用されている。従来のガスタービンシステムは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを含む。ガスタービンシステムの動作中には、システム内の種々の構成部品が高温流に晒され、それにより構成部品が故障する可能性がある。より高温の流れは、一般に、ガスタービンシステムの性能、効率および出力を高めるので、高温流に晒される構成部品を冷却し、ガスタービンシステムが高温で動作することができるようにしなければならない。
タービンバケットが、冷却しなければならない高温ガス経路構成部品の一例である。ガスタービン組立体内のバケットとロータホイールとの間に境界面をもたらすバケットダブテールの封止が不完全であると、高温ガスがダブテールとロータホイールとの間の間隙を通ってバケットに進入することが可能になることがあり、高温ガスは、これらの種々の構成部品を故障させる可能性がある。
バケットダブテールを冷却し高温ガスの吸込みを防止する技術分野では、様々な方策が既知である。例えば、多くの先行技術の方策は、バケットダブテールとロータホイールとの間の境界面を封止するために、ロータホイールに取り付けられている封止装置を利用する。しかし、ロータホイールに封止装置を取り付けるには、ロータホイールが封止装置を担持することができることを必要とする。したがって、ロータホイールは、封止装置を担持するための特徴を含むように特別に製造されなければならず、それはコストのかかる非効率的な方法である。さらに、他の先行技術の方策は、封止のために、封止装置を必要としないバケットの諸部分と連係することが必要な封止装置を利用する。バケットのこれらの部分もまた、封止装置を収容するために、不必要に特別に製造されなければならない。
したがって、当技術分野では、ガスタービンシステム内のバケット組立体ダブテールとロータホイールとの間の境界面を封止する封止装置が望ましいであろう。例えば、ダブテールに直接取り付けられ、ダブテールの最小限の修正しか必要としない封止装置が有利であろう。さらに、既存のバケットに後付けすることができ、ロータホイールの修正を必要としない封止装置が望ましいであろう。
本発明の態様および利点は、一部には、以下の説明に部分的に記載され、またはその記載から明らかとなる可能性があり、または本発明の実施を通して理解される可能性がある。
一実施形態では、バケット組立体ダブテールとロータホイールとの間の間隙を封止する封止装置が開示されている。封止装置は、間隙を覆うように構成されているカバープレートと、カバープレートから突出し、ダブテールに係合するように構成されている保持部材とを含む。封止装置は、バケット組立体が遠心力を受けた場合に、間隙に対して封止をもたらす。
別の実施形態では、境界面をもたらしかつバケット組立体とロータホイールとの間の間隙を封止するダブテール組立体が、開示されている。ダブテール組立体は、上流面と、下流面と、正圧側表面と、負圧側表面と、底面とを有するダブテールを含み、保持スロットを画定する。ダブテール組立体は、上流面に隣接して配設されている封止装置をさらに含み、封止装置は、間隙を覆うように構成されているカバープレートと、カバープレートから突出し、保持スロット内に係合される保持部材とを含む。封止装置は、バケット組立体が遠心力を受けた場合に、間隙に対して封止をもたらす。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照するとより良く理解されるであろう。本明細書に組み込まれておりかつその一部を成す添付図面は、本発明の実施形態を示しており、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。
その最良の形態を含む、当業者を対象にする、本発明の完全かつ実施可能な開示が、本明細書に記載されており、それは添付の図を参照する。
ここで、本発明の実施形態を詳細に参照するが、その1つまたは複数の例が図面に示されている。各例は本発明の説明として提供されており、本発明を限定するものではない。実際には、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本発明において種々の修正および変形を加えることができることが当業者に明らかになるであろう。例えば、一実施形態の一部として示されている、または記載されている特徴を別の実施形態に使用して、さらに別の実施形態を生み出すことができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内に入るそのような修正および変形を包含するものとする。
図1は、ガスタービンシステム10の概略図である。システム10は、圧縮機12と、燃焼器14と、タービン16とを含むことができる。圧縮機12とタービン16とは、シャフト18により連結されていてもよい。シャフト18は、単一シャフト、または結合されてシャフト18を形成する複数のシャフト部分であってもよい。当技術分野で一般に知られている通り、ロータホイール20または複数のロータホイール20(図4から図7参照)は、シャフト18に結合されていてもよく、シャフト18を中心に回転してもよい。本開示がガスタービンシステム10に限定されず、例えば蒸気タービンシステムまたは任意の他の適切なシステムであってもよいことを理解されたい。
タービン16は、複数のタービン段を含むことができる。例えば、一実施形態では、図2に示されている通り、タービン16は3つの段を有していてもよい。例えば、タービン16の第1段は、複数の円周方向に離間されたノズル21とバケット22とを含むことができる。ノズル21は、シャフト18の周囲に円周方向に配設され固定されていてもよい。バケット22は、シャフト18の周囲に円周方向に配設され、ロータホイール20によりシャフト18に結合されていてもよい。タービン16の第2段は、複数の円周方向に離間されたノズル23とバケット24とを含むことができる。ノズル23は、シャフト18の周囲に円周方向に配設され固定されていてもよい。バケット24は、シャフト18の周囲に円周方向に配設され、ロータホイール20によりシャフト18に結合されていてもよい。タービン16の第3段は、複数の円周方向に離間されたノズル25とバケット26とを含むことができる。ノズル25は、シャフト18の周囲に円周方向に配設され固定されていてもよい。バケット26は、シャフト18の周囲に円周方向に配設され、ロータホイール20によりシャフト18に結合されていてもよい。タービン16の様々な段は、タービン16内の高温ガス28流路内に配設されていてもよい。当技術分野で一般に知られている通り、高温ガス28がタービン段を通って流動する時、バケット22、24、26およびロータホイール20は、シャフト18を中心に回転してもよい。タービン16が3つの段に限定されず、タービン技術分野で知られている任意の数の段を有していてもよいことを理解されたい。
図3に示されている通り、バケット22、24、26の各々は、バケット組立体30を含むことができる。バケット組立体30は、プラットホーム32と、エーロフォイル34と、シャンク36とを含むことができる。エーロフォイル34は、プラットホーム32から径方向外側に延出していてもよい。シャンク36は、プラットホーム32から径方向内側に延在していてもよい。シャンク36は、複数のエンジェルウィング部を含むことができる。例えば、一実施形態では、シャンク36は、上流上部エンジェルウィング部42と、上流下部エンジェルウィング部44と、下流上部エンジェルウィング部46と、下流下部エンジェルウィング部48とを含むことができる。
バケット組立体30は、ダブテール38をさらに含むことができる。ダブテール38は、シャンク36から径方向内側に延在していてもよい。ダブテール38は、バケット組立体30とロータホイール20との間に境界面をもたらし得る。例えば、ダブテール38は、正圧側表面52と、負圧側表面54と、上流面56と、下流面58と、底面59とを含むことができる。ダブテール38は、複数のタング60をさらに含むことができる。タング60は、正圧側表面52および負圧側表面54から延出していてもよく、バケット組立体30とロータホイール20との間の結合を促進することができる。図4に示されている通り、例えば、ロータホイール20は、複数の円周方向に離間されたスロット70を画定していてもよい。各スロット70は、複数の凹部72を含むことができる。スロット70および凹部72は、バケット組立体30のダブテール38を収容する大きさに作られていてもよい。例えば、凹部72は、タング60を収容する大きさに作られていてもよい。システム10の動作中、ロータホイール20がシャンク18を中心に回転しかつバケット組立体30が径方向外側の遠心力90を受けると、凹部72は、タング60をその中に保持することにより、ダブテール38とロータホイール20との間の境界面を維持することができる。
ダブテール38は、幅W1を有していてもよい。幅W1は、一般に、ダブテール38上の任意の点で上流面56または下流面58を横断して測定され、ダブテール38に沿って部位ごとに変化する可能性がある。例えば、タング60を含むダブテール38の部分を横断する幅W1は、ダブテール38の他の部分を横断する幅W1より広い可能性がある。さらに、ダブテール38は先細になってもよく、または当技術分野において既知の任意の他の形状もしくは設計を有していてもよい。
スロット70は、幅W2をさらに画定していてもよい。ダブテール38と同様に、スロット70の幅W2は変化する可能性がある。さらに、スロット70の幅W2は、スロット70上の任意の点で、関連するダブテール38の幅W1と実質的に等しい可能性がある。
前段で検討された通り、ロータホイール20のスロット70は、ダブテール38が本開示のバケット組立体30とロータホイール20との間に境界面をもたらすように、バケット組立体30のダブテール38を収容してもよい。しかし、間隙80または複数の間隙80がこの境界面に存在している可能性がある。例えば、図4に示されている通り、間隙80が、ダブテール38の上流面56とロータホイール20の上流面76とに隣接して、またはダブテール38の下流面58とロータホイール20の下流面(図示せず)とに隣接して、ダブテール38の外周とスロット70の外周との間に存在している可能性がある。高温ガス28がタービン16を通りロータホイール20およびバケット組立体30を通過して流動する際、高温ガス28の一部がこのようにこれらの間隙80内に吸い込まれ、ロータホイール20およびバケット組立体30の温度を上昇させかつこれらの構成部品を故障させる可能性がある。したがって、封止装置100がダブテール38と共に利用されて、ダブテール組立体102を形成し、バケット組立体30とロータホイール20との間の境界面における高温ガス28の吸込みを防止してもよい。
本開示の封止装置100は、ガスタービンシステム10内のバケット組立体30のダブテール38とロータホイール20との間の境界面の間隙80を封止するのに利用されてもよい。さらに、封止装置100はダブテール38に含まれて、ダブテール組立体102を構成していてもよい。ダブテール組立体102は、ガスタービンシステム10内のバケット組立体30とロータホイール20との間に境界面をもたらし得る。
封止装置100は、例えばカバープレート110を含むことができる。カバープレート110は、一般に、ダブテール38とロータホイール20とに隣接して配設されていてもよく、間隙80を覆うように構成されていてもよい。例えば、例示的実施形態では、カバープレート110は、ダブテール38の上流面56とロータホイール20の上流面76とに隣接して配設されていてもよい。別の実施形態では、カバープレート110は、ダブテール38の下流面58とロータホイール20の下流面とに隣接して配設されていてもよい。さらに、カバープレート110は、各上流面および各下流面の両方に隣接して配設されていてもよい。
カバープレート110は、上端部112と、下端部114と、内面116と、外面118とを含むことができる。カバープレート110は、下方リップ部119をさらに含むことができる。下方リップ部119は、一般に、間隙80の下部と下端部114との間に延在しているカバープレート110の一部分であってもよい。
カバープレート110は、ダブテール38とロータホイール20との間の間隙80を覆うために任意の適切な形状と大きさとを有していてもよい。例えば、カバープレート110は、一般に、幅W3を有していてもよい。幅W3は、一般に、カバープレート110上の任意の点で、内面116または外面118を横断して測定されてもよく、カバープレート110に沿って部位ごとに変化する可能性がある。一般に、図4に示されている通り、カバープレート110上の任意の点における幅W3は、ダブテール38の幅W1およびスロット70の幅W2より広い可能性がある。したがって、カバープレート110は間隙80を覆うことができる。
ある実施形態では、カバープレート110は略長方形であってもよい。したがって、上端部112におけるカバープレート110の幅W3は、下端部114におけるカバープレート110の幅W3に実質的に等しい可能性がある。他の実施形態では、カバープレート110は略台形であってもよい。例えば、図8および図9に示されている通り、ある例示的実施形態では、上端部112におけるカバープレート110の幅W3は、下端部114におけるカバープレート110の幅W3より大きい可能性があり、一方、他の例示的実施形態では、下端部114におけるカバープレート110の幅W3は、上端部112におけるカバープレート110の幅W3より大きい可能性がある。さらに、いくつかの例示的実施形態では、図8に示されている通り、ロータホイール20の周囲のバケット組立体30の環状配列内に互いに隣接して配設されている台形カバープレート110は、下端部114における幅W3より大きい上端部112における幅W3を、それぞれ有していてもよい。代替の例示的実施形態では、図9に示されている通り、ロータホイール20の周囲のバケット組立体30の環状配列内に互いに隣接して配設されている台形カバープレート110の上端部112と下端部114とにおける相対幅W3は、交互であってもよい。システム10の動作中の本実施形態では、ロータホイール20がシャフト18を中心に回転しかつバケット組立体30が径方向外側の遠心力90を受けると、隣接するカバープレート110は、互いに対して封止し、任意の径方向外側の移動を最小限にすることができる。
封止装置100は、保持部材120をさらに含むことができる。保持部材120は、カバープレート110から突出していてもよく、ダブテール38に係合するように構成されていてもよい。例えば、保持部材120は、カバープレート110の内面116から延出していてもよい。さらに、保持部材120は、カバープレート110の下端部114に近接して配設されていてもよい。例示的実施形態では、保持部材120は、下方リップ部119により下端部114と離間されていてもよい。
保持部材120は、ダブテール38に係合してもよい。例えば、ダブテール38は、保持部材120を受け入れそれに係合するように構成されている保持スロット130を画定していてもよい。例示的実施形態では、保持スロット130は、上流面56と底面59とに隣接した、ダブテール38の切取り部分であってもよい。
保持部材120は、封止装置100を保持する種々の保持部を含むことができる。例えば、一例示的実施形態では、保持部材120は、径方向保持部122と軸方向保持部124とを含むことができる。径方向保持部122は、封止装置100が径方向外側の遠心力90を受けた場合に、封止装置100が径方向に移動するのを防止することができる。軸方向保持部124は、封止装置100がダブテール38から離れて軸方向に移動するのを防止することができる。
保持スロット130は、保持部材120の種々の保持部を収容しそれらに係合する種々の保持部を含むことができる。例えば、例示的実施形態では、保持スロット130は、保持部材120の径方向保持部122と軸方向保持部124とを収容しそれらに係合する径方向保持部132と軸方向保持部134とを含むことができる。
本開示の封止装置100は、バケット組立体30が遠心力90を受けた場合に、間隙80に対して封止をもたらすことができる。例えば、間隙80を覆うことにより、カバープレート110は、間隙80に対して封止をもたらし、高温ガス28がその中に吸い込まれることを防止する。ロータホイール20の周囲で封止装置100が環状配列内のバケット組立体30に配設された場合、隣接した封止装置100の隣接したカバープレート110を付加することにより、高温ガス28がカバープレート110の周囲を流動して間隙80内に入ることを防止することによって、間隙80に対して封止をさらにもたらす。
さらに、前段で検討された通り、システム10の動作中、ロータホイール20がシャフト18を中心に回転すると、バケット組立体30と封止装置100とは、径方向外側の遠心力90を受ける。例示的実施形態では、遠心力90を受けた場合、カバープレート110は、保持部材120を中心に枢動して、間隙80に対して封止をさらにもたらすことができる。例えば、封止装置100の重心の位置は、遠心力90の付与により封止装置100に保持部材120を中心とするモーメントが生じ、したがって保持部材120がカバープレート110の枢動中心の機能を果たすようになっていてもよい。
いくつかの例示的実施形態では、図6および図7に示されている通り、封止装置100は、バケット組立体30のエンジェルウィング部にさらに係合してもよい。例えば、図6に示されている通り、上流下部エンジェルウィング部44は、カバープレート110の上端部112のための係合スロット140を提供するように成形されていてもよい。あるいは、図7に示されている通り、係合スロット140は、上流下部エンジェルウィング部44から切り取られてもよい。あるいは、カバープレート110の上端部112は、下流下部エンジェルウィング部48に係合してもよい。封止装置100のバケット組立体30のエンジェルウィング部との係合により、封止装置100をダブテール38に対して軸方向にかつ径方向にさらに保持することができる。
本開示の封止装置100は、ガスタービン10内のバケット組立体30のダブテール38とロータホイール20との間の境界面の間隙80を有利に封止する。さらに、封止装置100は、ダブテール38の保持スロット130によって保持部材120が係合されることにより、ダブテール38に直接取り付けられる。本開示の封止装置100は、単にダブテール38の一部分を除去して保持スロット130を画定するだけのことにより、既存のダブテール38にさらに後付けされることができ、ロータホイール20またはバケット組立体30の任意の他の構成部品の修正を必要としない。
本明細書は、例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示しており、また、任意の装置またはシステムを作製し使用しかつ任意の援用されている方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定められており、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と僅かしか異ならない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。
10 ガスタービンシステム
12 圧縮機
14 燃焼器
16 タービン
18 シャフト
20 ロータホイール
21 第1段のノズル
22 第1段のバケット
23 第2段のノズル
24 第2段のバケット
25 第3段のノズル
26 第3段のバケット
28 高温ガス
30 バケット組立体
32 プラットホーム
34 エーロフォイル
36 シャンク
38 ダブテール
42 上流上部エンジェルウィング部
44 上流下部エンジェルウィング部
46 下流上部エンジェルウィング部
48 下流下部エンジェルウィング部
52 正圧側表面
54 負圧側表面
56 (ダブテール38の)上流面
58 (ダブテール38の)下流面
59 (ダブテール38の)底面
60 タング
70 スロット
72 凹部
76 (ロータホイール20の)上流面
80 間隙
90 遠心力
100 封止装置
102 ダブテール組立体
110 カバープレート
112 上端部
114 下端部
116 内面
118 外面
119 下方リップ部
120 保持部材
122、132 径方向保持部
124、134 軸方向保持部
130 保持スロット
140 係合スロット
W1、W2、W3 幅
12 圧縮機
14 燃焼器
16 タービン
18 シャフト
20 ロータホイール
21 第1段のノズル
22 第1段のバケット
23 第2段のノズル
24 第2段のバケット
25 第3段のノズル
26 第3段のバケット
28 高温ガス
30 バケット組立体
32 プラットホーム
34 エーロフォイル
36 シャンク
38 ダブテール
42 上流上部エンジェルウィング部
44 上流下部エンジェルウィング部
46 下流上部エンジェルウィング部
48 下流下部エンジェルウィング部
52 正圧側表面
54 負圧側表面
56 (ダブテール38の)上流面
58 (ダブテール38の)下流面
59 (ダブテール38の)底面
60 タング
70 スロット
72 凹部
76 (ロータホイール20の)上流面
80 間隙
90 遠心力
100 封止装置
102 ダブテール組立体
110 カバープレート
112 上端部
114 下端部
116 内面
118 外面
119 下方リップ部
120 保持部材
122、132 径方向保持部
124、134 軸方向保持部
130 保持スロット
140 係合スロット
W1、W2、W3 幅
Claims (15)
- バケット組立体(30)のダブテール(38)とロータホイール(20)との間の間隙(80)を封止する封止装置(100)であって、
前記間隙(80)を覆うように構成されているカバープレート(110)と、
前記カバープレート(110)から突出し、前記ダブテール(38)に係合するように構成されている保持部材(120)と
を含み、
前記封止装置(100)が、前記バケット組立体(30)が遠心力(90)を受けた場合に前記間隙(80)に対して封止をもたらす、
封止装置(100)。 - 前記保持部材(120)が、前記カバープレート(110)の下端部(114)に近接して配設されている、請求項1記載の封止装置。
- 前記カバープレート(110)が下方リップ部(119)を含む、請求項1乃至2のいずれか記載の封止装置(100)。
- 前記保持部材(120)が、前記下方リップ部(119)により前記カバープレート(110)の前記下端部(114)と離間されている、請求項3記載の封止装置(100)。
- 前記保持部材(120)が、径方向保持部(122)と軸方向保持部(124)とを含む、請求項1乃至4のいずれか記載の封止装置(100)。
- 前記カバープレート(110)が、上端部(112)と、下端部(114)と、幅(W3)とを有する略台形のカバープレート(110)である、請求項1乃至5のいずれか記載の封止装置(100)。
- 前記バケット組立体(30)が前記遠心力(90)を受けた場合に、前記カバープレート(110)が、前記保持部材(120)を中心に枢動して、前記間隙(80)に対して前記封止をさらにもたらす、請求項1乃至6のいずれか記載の封止装置(100)。
- 境界面をもたらしかつバケット組立体(30)とロータホイール(20)との間の間隙(80)を封止するダブテール組立体(102)であって、
上流面(56)、下流面(58)、正圧側表面(52)、負圧側表面(54)、および底面(59)を有するダブテール(38)であり、保持スロット(130)を画定する、ダブテール(38)と、
前記上流面(56)に隣接して配設されている封止装置(100)であり、前記間隙(80)を覆うように構成されているカバープレート(110)、および前記カバープレート(110)から突出し、前記保持スロット(130)内に係合される保持部材(120)を含む、封止装置(100)と
を含み、
前記封止装置(100)が、前記バケット組立体(30)が遠心力(90)を受けた場合に前記間隙(80)に対して封止をもたらす、
ダブテール組立体(102)。 - 前記ダブテール(38)と前記カバープレート(110)が、幅(W1、W3)をそれぞれ画定しており、前記カバープレート(110)の前記幅(W3)が、前記ダブテール(38)の前記幅(W1)より概して大きい、請求項8記載のダブテール組立体(102)。
- 前記保持スロット(130)が、径方向保持部(132)と軸方向保持部(134)とを含む、請求項8乃至9のいずれか記載のダブテール組立体(102)。
- 前記保持部材(120)が、前記保持スロット(130)の前記径方向保持部(132)に係合するように構成されている径方向保持部(122)と、前記保持スロット(130)の前記軸方向保持部(134)に係合するように構成されている軸方向保持部(124)とを含む、請求項10記載のダブテール組立体(102)。
- 前記保持スロット(130)が、前記上流面(56)と前記底面(59)とに隣接した切取り部分である、請求項8乃至11のいずれか記載のダブテール組立体(102)。
- 前記保持部材(120)が、前記カバープレート(110)の下端部(114)に近接して配設されている、請求項8乃至12のいずれか記載のダブテール組立体(102)。
- 前記バケット組立体(30)が前記遠心力(90)を受けた場合に、前記カバープレート(110)が、前記保持部材(120)を中心に枢動して、前記間隙(80)に対して前記封止をさらにもたらす、請求項8乃至13のいずれか記載のダブテール組立体(102)。
- 前記封止装置(100)が、バケット組立体エンジェルウィング部(44)にさらに係合する、請求項8乃至14のいずれか記載のダブテール組立体(102)。
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