JP2012072762A

JP2012072762A - 先端間隙制御システムで使用するタービンブレード先端シュラウド

Info

Publication number: JP2012072762A
Application number: JP2011201240A
Authority: JP
Inventors: Lakshmanan Valliappan; ラクスマナン・ヴァリアッパン; Moorthi Subramaniyan; ムルティ・スブラマニャン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: JP5916060B2; DE102011053929A1; US8834107B2; FR2965292A1; RU2011138985A; US20120076634A1

Abstract

【課題】ターボ機械（１０）を通り抜ける空気流（１４０）を減少させるための先端間隙制御システム（１００）を提供する。
【解決手段】本先端間隙制御システム（１００）は、ケーシングシュラウド（１３０）と、ケーシングシュラウド（１３０）内に配置された先端シュラウド（１２０）とを含むことができる。先端シュラウド（１２０）は、前縁（１５０）における第１の段部（１７０）と第１の段部（１７０）に隣接する第２の段部（２００）とを含むことができる。ケーシングシュラウド（１３０）及び先端シュラウド（１２０）は、第２の段部（２００）の下流においてそれらの間に第１の空洞（２８０）を形成することができる。
【選択図】図４

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンのようなターボ機械に関し、より具体的には、それらの間を通しての漏洩を制限する空気力学的形状タービンブレード先端シュラウド及び付随するステータケーシングシュラウド設計を備えた先端間隙（チップクリアランス）制御システムに関する。

公知のように、タービンブレードは、ガス又は蒸気のような作動流体からの熱エネルギーをロータの回転により機械的仕事に変換するように設計された回転翼形部品である。タービンブレードの先端及び外側ケーシング間には一般的に、安全性及びその他の懸案事項に合わせた最小物理間隙必要量が存在する。しかしながら、この間隙はまた、作動流体の幾らかの有用な仕事を全く行なわない状態での逸出を許す。従って、タービンブレードの外縁をシールして、作動流体がギャップ内に逸出するのを防止することによって、タービンの性能を高めることができる。ブレード上で先端シュラウドを使用して、そのようなギャップをシールすることができる。先端シュラウドは、タービン性能を強化しかつさらに振動ダンパとしての働きをすることができる。先端シールはまた、シュラウド上で使用して、ギャップ内への漏洩を最少にすることができる。

しかしながら、先端シュラウドの使用は、全体タービンブレードに対して重量を付加するおそれがある。タービンブレードが重くなればなるほど、ブレード回転時に発生する遠心力がより大きくなり、従ってタービンブレード及び他の部品上により大きな荷重及び応力が作用する。さらに、先端シュラウドはまた、ガス圧力並びに遠心力によりシュラウドの縁部に作用する曲げ荷重のために屈曲する可能性がある。屈曲はより厚い先端シュラウドを設けることによって制限することができるが、厚さを増加させることは一般的に、先端シュラウドにさらに大きな重量を付加する。その他のタイプのターボ機械でも、同様の問題に直面する。

米国特許第６１０２６５５号明細書

従って、改良型の先端シュラウド設計を備えた先端間隙制御システム及び方法に対する要望が存在する。好ましくは、漏洩を制限するためのそのような改良型のシステム及び方法は、先端ギャップを通り抜ける漏洩流れを制限して全体タービン効率を増大させるが、部品寿命に悪影響を及ぼしかつ限界を与える可能性がある付加的重量を生じないことが必要である

本出願は、ターボ機械を通り抜ける空気流を減少させるための先端間隙制御システムを提供する。本先端間隙制御システムは、ケーシングシュラウドとケーシングシュラウド内に配置された先端シュラウドとを含むことができる。先端シュラウドは、前縁における第１の段部と第１の段部に隣接する第２の段部とを含むことができる。ケーシングシュラウド及び先端シュラウドは、第２の段部の下流においてそれらの間に第１の空洞を形成することができる。

本出願はさらに、ケーシングシュラウド及び先端シュラウド間のギャップを通り抜ける空気流を減少させる方法を提供する。本方法は、先端シュラウドの第１の段部の周りで空気流を強制的に方向転換させるステップと、先端シュラウドの第２の段部に沿ってケーシングシュラウドに向けて空気流を上昇させるステップと、ケーシングシュラウド及び先端シュラウド間に形成された第１の空洞内に空気流を閉じ込めるステップとを含むことができる。

本出願はさらに、ガスタービン用の先端間隙制御システムを提供する。本先端間隙制御システムは、ケーシングシュラウドとケーシングシュラウド内に配置された先端シュラウドとを含むことができる。ケーシングシュラウドは、ケーシングシュラウド段部とステータレールとを含むことができる。先端シュラウドは、前縁における第１の段部と第１の段部の下流に配置された第２の段部と第２の段部の下流に配置されたロータレールとを含むことができる。ステータレール及びロータレールは、第２の段部の下流においてそれらの間に第１の空洞を形成することができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

公知のガスタービンエンジンの概略図。先端シュラウドを備えた公知のタービンブレードの斜視図。ケーシングシュラウド内における図２の公知のタービンブレードの配置を示す図。本明細書で説明することができるような先端間隙制御システムの側面図。その中に空気流パターンを示した、図４の先端間隙制御システムの側面図。本明細書で説明することができるような先端シュラウドの別の実施形態の側面図。本明細書で説明することができるような先端シュラウドのさらに別の実施形態の側面図。本明細書で説明することができるような先端シュラウドのさらに別の実施形態の側面図。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、本明細書で説明することができるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気の流れ２０を加圧する。圧縮機１５は、加圧した空気の流れ２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、加圧した空気の流れを加圧した燃料の流れ３０と混合しかつその混合気を点火燃焼させて、燃焼ガスの流れ３５を形成する。単一の燃焼器２５のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガスの流れ３５は次に、タービン４０に送給される。燃焼ガスの流れ３５は、タービン４０を駆動して、機械的仕事を産生する。タービン４０内で生成された機械的仕事は、圧縮機１５並びに発電機及び同様のもののような外部負荷４５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、及び／又はその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙによって提供される多数の異なるガスタービンの１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有することができまたその他のタイプの部品を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンもまた使用することができる。本明細書ではまた、複数のガスタービンエンジン１０、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置を共に使用することができる。本明細書では、ガスタービンエンジン１０を示しているが、本出願は、あらゆるタイプのターボ機械に適用可能とすることができる。

図２は、タービン４０又はその他で使用することができる従来型のタービンブレード５０の一部分を示している。タービンブレード５０は、翼形部５５及び先端シュラウド６０を含むことができる。翼形部５５は、前縁６５及び後縁７０を含むことができる。前後縁６５、７０は一般的に、先端シュラウド６０に対して垂直に延びる。先端シュラウド６０は、厚さ及び幾つかの側壁７５を有することができる。側壁７５は、隣り合うブレード５０間にロッキング構成を形成するように切削することができる。先端シュラウド６０はまた、その上に先端シール８０を有することができる。先端シール８０は、レール又はその他の形態のものとすることができる。１つ又はそれ以上の先端シール８０を使用することができる。先端シール８０は一般的に、互いに平行に延びかつ先端シュラウド６０から上向きに延びる。タービンブレード５０及び先端シュラウド６０の多くの異なる構成が公知であると言える。

図３は、ケーシングシュラウド８５内に配置された同様のタービンブレード５０を示している。この図には、それらの間の先端漏洩流れ９０を示している。先端漏洩流れ９０は、先端シール８０及びケーシングシュラウド８５間の先端ギャップ９５の周りで（近くで）のみ制限することができる。その他の構成も公知であると言える。従って、先端ギャップ９５を通り抜ける先端漏洩流れ９０を減少させることにより、作動流体のより多くを翼形部セクション５５に対して導いて有用な仕事を産生することによって、全体システム効率を高めることができる。

図４は、本明細書で説明することができるような先端ギャップ間隙システム（先端間隙制御システム）１００を示している。一般的に説明すると、先端ギャップ間隙システム１００は、その上に先端シュラウド１２０を備えたタービンブレード１１０を含むことができる。先端ギャップ間隙システム１００はさらに、ケーシングシュラウド１３０を含むことができる。タービンブレード１１０は、上述したようにケーシングシュラウド１３０内で回転しかつ該ケーシングシュラウド１３０との間に空気の流れ１４０のための通路を形成する。

先端シュラウド１２０は、前縁１５０及び後縁１６０を含むことができる。前縁１５０は、第１の段部１７０の形態を取ることができる。第１の段部１７０は、厚さを有することができかつ第１の段部直線部分１９０に至る第１の段部傾斜部分１８０を有することができる。第１の段部１７０及びその部品の高さ並びに角度は、変化させることができる。本明細書では、その他の角度、形状及び構成を使用することができる。第１の段部１７０は、空気の流れ１４０がそれと接触すると、該空気の流れ１４０を強制的に上向き方向転換させるような形状とすることができる。

先端シュラウド１２０はさらに、第２の段部２００を含むことができる。第２の段部２００は、第１の段部１７０の後方において前縁１５０から離れる方向に配置することができる。第２の段部２００はまた、第２の段部直線部分２２０に至る第２の段部傾斜部分２１０を含むことができる。第２の段部傾斜部分２１０及び第２の段部直線部分２２０は、それらの間にほぼ直角を形成することができる。第２の段部２００及びその部品の高さ並びに角度は、変化させることができる。本明細書では、その他の角度、形状及び構成を使用することができる。第２の段部２００は、空気の流れ１４０を強制的にケーシングシュラウド１３０に向かわせるような形状とすることができる。

先端シュラウド１２０はまた、第３の段部２３０を含むことができる。第３の段部２３０は、第２の段部２００から離れる方向に第１の平坦部分２３５として水平方向に延びることができる。第３の段部２３０は次に、第２の段部２００から上向きに延びることができかつその上にロータ歯又はレール２４０を形成することができる。本明細書では、あらゆる数のロータレール２４０を使用することができる。第３の段部２３０はさらに、ロータレール２４０の後方で後縁１６０まで延びる第２の平坦部分２５０を含むことができる。第３の段部２３０及びロータレール２４０の長さ並びに角度は、変化させることができる。本明細書では、その他の角度、形状及び構成を使用することができる。

ケーシングシュラウド１３０はまた、その中に配置されたケーシングシュラウド段部２６０を含むことができる。ケーシングシュラウド段部２６０は、先端シュラウド１２０の前縁１５０又はその他の上方に配置されかつ空気の流れ１４０内に延びる下向き段部とすることができる。ケーシングシュラウド段部２６０は、第１のステータ歯又はレール２７０の周りで終端することができる。ケーシングシュラウド段部２６０の長さ及び角度は、変化させることができる。本明細書では、その他の構成を使用することができる。第１のステータレール２７０は、先端シュラウド１２０の第２の段部２００に向けて下向きに延びることができる。ステータレール２７０の高さ及び構成は、変化させることができる。あらゆる数の第１のステータレール２７０を使用することができる。本明細書では、その他の構成を使用することができる。

ケーシングシュラウド１３０は次に、上向きに延びかつその中に第１の空洞２８０を形成することができる。第１の空洞２８０は、ケーシングシュラウド１３０の第１のステータレール２７０の周りから先端シュラウド１２０のロータレール２４０まで延びることができる。従って、第１の空洞２８０は、第１のステータレール２７０及び第１のロータレール２４０間に形成することができる。第１の空洞２８０の高さ及び長さは、変化させることができる。本明細書では、その他の構成もまた使用することができる。

第１の空洞２８０の下流に、第２のステータ歯又はレール２９０を配置することができる。本明細書では、あらゆる数の第２のステータレール２９０を使用することができる。ステータレール２９０の高さ及び構成は、変化させることができる。第１のロータレール２４０及び第２のステータレール２９０間に、第２の空洞３００を形成することができる。第２の空洞３００の高さ及び長さは、変化させることができる。本明細書では、あらゆる数の空洞２８０、３００を形成することができる。本明細書では、その他の構成を使用することができる。

従って、先端ギャップ間隙システム１００は、それらの間を通過する可能性がある空気流１４０を制限する。具体的には、第１の段部１７０は、先端シュラウド１２０の前縁１５０において前方に面していて、空気流１４０を強制的に急な上向き方向転換させる。第２の段部２００は、第１の段部１７０の上方に持上げて、ケーシングシュラウド段部２６０と協働するようにすることができる。第２の段部２００及びケーシングシュラウド段部２６０の組合せにより、先端シュラウド１２０及びケーシングシュラウド１３０間の間隙が減少する。この持上げた状態の間隙はまた、先端シュラウド１２０及びケーシングシュラウド１３０間に第１の空洞２８０を形成する。第１の空洞２８０の形状により、空気流１４０を該第１の空洞２８０内に第１の渦流３２０を形成した状態にすることができる。第１の渦流３２０は、空気流１４０により大きな径路を取らせて、該空気流１４０を強制的に第３の段部２３０の周りでロータレール２４０に沿って上昇させる。同様に、空気流１４０は、下流において第２の空洞３００のロータレール２４０及び第２のステータレール２９０間内に第２の渦流３３０を形成することができる。本明細書では、その他のタイプの空気流を使用することができる。

従って、先端ギャップ間隙システム１００は、空気流１４０をより大きな半径で方向変換させかつ移動させて、その中の及び先端ギャップ９５を通り抜ける流れを制限するようにする。先端漏洩流れは、タービンの主な損失原因の１つである。それ故に、本明細書では、漏洩流れ全体を減少させながら、全体段効率を高めることができる。従って、先端漏洩流れの減少は、正比例的にタービン性能向上をもたらす。空洞２８０、３００の使用はまた、先端シュラウド１２０の全体重量の低減にも役立つ。

図６〜図８は、先端シュラウド１２０及び特に第２の段部２００についての変形形態を示している。図６は、第２の段部３４０の実施例を示している。この実施例では、第２の段部３４０は、湾曲形状３５０を有することができる。図７は、第２の段部３６０のさらに別の実施例を示している。この実施例では、第２の段部３６０は、上部ブラントエッジ３８０を備えたインデンテッド形状３７０を有することができる。図８は、第２の段部３９０のさらに別の実施例を示している。この実施例では、第２の段部３９０もまた、インデンテッド形状４００を備えているが、インデンテッド形状４００は、上部シャープエッジ４１０につながっている。本明細書では、多くのその他の形状及び構成を使用することができる。

上記の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気の流れ
２５燃焼器
３０燃料の流れ
３５燃焼ガスの流れ
４０タービン
４５負荷
５０タービンブレード
５５翼形部
６０先端シュラウド
６５前縁
７０後縁
７５側壁
８０先端シール
８５ケーシングシュラウド
９０先端漏洩流れ
９５先端ギャップ
１００先端間隙制御システム
１１０タービンブレード
１２０先端シュラウド
１３０ケーシングシュラウド
１４０空気の流れ
１５０前縁
１６０後縁
１７０第１の段部
１８０第１の段部傾斜部分
１９０第１の段部直線部分
２００第２の段部
２１０第２の段部傾斜部分
２２０第２の段部直線部分
２３０第３の段部
２３５第１の平坦部分
２４０レール
２５０第２の平坦部分
２６０ケーシングシュラウド段部
２７０レール
２８０第１の空洞
２９０レール
３００第２の空洞
３１０上向き方向転換
３２０第１の渦流
３３０第２の渦流
３４０第２の端部
３５０湾曲形状
３６０第２の段部
３７０インデンテッド形状
３８０上部ブラントエッジ
３９０第２の段部
４００インデンテッド形状
４１０上部シャープエッジ

Claims

ターボ機械（１０）を通り抜ける空気流（１４０）を減少させるための先端間隙制御システム（１００）であって、
ケーシングシュラウド（１３０）と、
前記ケーシングシュラウド（１３０）内に配置された先端シュラウド（１２０）と
を含み、
前記先端シュラウド（１２０）が、前縁（１５０）における第１の段部（１７０）と第１の段部（１７０）に隣接する第２の段部（２００）とを含み、
前記ケーシングシュラウド（１３０）及び先端シュラウド（１２０）が、第２の段部（２００）の下流においてそれらの間に第１の空洞（２８０）を形成する、
先端間隙制御システム（１００）。
第１の段部（１７０）が、第１の段部傾斜部分（１８０）と第１の段部直線部分（１９０）とを含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
第２の段部（２００）が、第２の段部傾斜部分（２１０）と第２の段部直線部分（２２０）とを含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
第２の段部傾斜部分（２１０）及び第２の段部直線部分（２２０）が、それらの間にほぼ直角を形成する、請求項３記載の先端間隙制御システム（１００）。
第２の段部（２００）が、湾曲形状（３５０）を含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
第２の段部（２００）が、インデンテッド形状（３７０）を含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
前記先端シュラウド（１２０）が、第１の空洞（２８０）の周りに配置された第３の段部（２３０）を含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
第３の段部（２３０）が、前記ケーシングシュラウド（１３０）に向けて延びるロータレール（２４０）を含む、請求項７記載の先端間隙制御システム（１００）。
第３の段部（２３０）が、前記ロータレール（２４０）に至る第１の平坦部分（２３５）を含む、請求項８記載の先端間隙制御システム（１００）。
第３の段部（２３０）が、前記ロータレール（２４０）及び後縁（１６０）間に第２の平坦部分（２５０）を含む、請求項８記載の先端間隙制御システム（１００）。
前記ケーシングシュラウド（１３０）が、第２の段部（２００）の周りに配置されたケーシングシュラウド段部（２６０）を含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
前記ケーシングシュラウド（１３０）が、前記ケーシングシュラウド段部（２６０）の周りに配置されたステータレール（２７０）を含む、請求項１１記載の先端間隙制御システム（１００）。
前記ケーシングシュラウド（１３０）が、第１の空洞（２８０）の下流に配置されかつ第２の空洞（３００）を形成した第２のステータレール（２９０）を含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
第１の空洞（２８０）が、ロータレール（２４０）とステータレール（２７０）とを含む、請求項１記載の先端間隙制御システム（１００）。
ケーシングシュラウド（１３０）及び先端シュラウド（１２０）間のギャップ（９５）を通り抜ける空気流（１４０）を減少させる方法であって、
前記先端シュラウド（１２０）の第１の段部（１７０）の周りで前記空気流（１４０）を強制的に方向転換させるステップと、
前記先端シュラウド（１２０）の第２の段部（２００）に沿って前記ケーシングシュラウド（１３０）に向けて前記空気流（１４０）を上昇させるステップと、
前記ケーシングシュラウド（１３０）及び先端シュラウド（１２０）間に形成された第１の空洞（２８０）内に前記空気流（１４０）を閉じ込めるステップと
を含む方法。