JP2013139792A - タービン構成要素間の流体流れを減少させるためのタービン組立体および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン構成要素間の流体流れを減少させるためのタービン組立体および方法を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様によると、タービン組立体が、第１のスラッシュフェイスを備える第１のバケットと、第２のバケットの第２のスラッシュフェイス内に形成される凹部を含む第２のバケットとを含み、ここでは、第１のバケットが第２のバケットに隣接して配置される場合に、第２のスラッシュフェイスが第１のスラッシュフェイスに隣接する。このタービン組立体はまた、凹部に配置されるように構成されるピンを含み、このピンは、第１のバケットと第２のバケットとの間の流体流れを減少させるために第１のスラッシュフェイスの方に磁気的に付勢される。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題はガスタービンに関する。より詳細には、主題は、ガスタービンの複数の構成要素間または領域間の流体流れを減少させることに関する。

ガスタービンでは、燃焼器が、燃料または空気−燃料混合物の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、しばしば高温の圧縮空気である、流体により、圧縮機からタービンへと移送され、そこで熱エネルギーは機械エネルギーに変換される。一部のタービン実施形態では、構成要素間の流体が高温の圧縮空気内へと漏洩し、それによりパワー出力が低下し、タービンの効率が低下する。さらに、通常は冷却流体によって冷却される領域内に高温の圧縮空気が漏洩することにより、構成要素が損耗する場合があり、構成要素を修理または交換するためにダウンタイムが発生する場合がある。

米国特許第７３７１０４４（Ｂ２）号公報

流体が漏洩することは、ガスタービンの運転中に特定の構成要素が熱膨張することおよび複数の構成要素が相対的に移動することにより起こり得る。したがって、構成要素間で流体が漏洩するのを低減することにより、ガスタービンの効率および耐久性を向上させることができる。

本発明の一態様によると、タービン組立体が、第１のスラッシュフェイス（ｓｌａｓｈｆａｃｅ）を備える第１のバケットと、第２のバケットの第２のスラッシュフェイス内に形成される凹部を含む第２のバケットとを含み、ここでは、第１のバケットが第２のバケットに隣接して配置される場合に、第２のスラッシュフェイスが第１のスラッシュフェイスに隣接する。このタービン組立体はまた、凹部内に配置されるように構成されるピンを含み、ここでは、このピンは第１のバケットと第２のバケットとの間の流体流れを減少させるために第１のスラッシュフェイスの方に磁気的に付勢される。

本発明の別の態様によると、タービン構成要素間の流体流れを減少させるための方法が、第１のおよび第２のバケットに跨がって高温ガスを流すことを含み、ここでは、第１および第２のバケットは隣接する。この方法はまた、第１および第２のバケットの径方向内側部分を通るように冷却空気流れを流すことと、第１のバケットと第２のバケットとの間にピンを配置することとを含み、ここでは、磁気的特性によりピンが第１のバケットの第１のスラッシュフェイスの方に付勢され、ピンにより、第１のバケットと第２のバケットとの間の流体流れが減少される。

これらのおよび別の利点および特徴は、図面と併せた以下の説明からより明確となる。

本発明とみなされる主題に特に焦点が当てられ、本明細書の最後にある特許請求の範囲で明確に特許請求される。本発明の上述および別の特徴および利点は、添付図面と併せた以下の詳細な説明により明確となる。

燃焼器と、燃料ノズルと、圧縮機と、タービンとを含むガスタービンエンジンの一実施形態を示す概略図である。 例示のタービン組立体の一部分をそれぞれ示す正面図および背面図である。 例示のタービン組立体の一部分をそれぞれ示す正面図および背面図である。 例示のタービン組立体の端部を詳細に示す側面図である。

以下の詳細な記述で、例として図面を参照して、利点および特徴と併せて本発明の実施形態を説明する。

図１はガスタービンシステム１００の一実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２と、燃焼器１０４と、タービン１０６と、シャフト１０８と、燃料ノズル１１０とを含む。一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２と、燃焼器１０４と、タービン１０６と、シャフト１０８と、燃料ノズル１１０とを含むことができる。圧縮機１０２およびタービン１０６はシャフト１０８によって結合される。シャフト１０８は、単一のシャフトであるか、または、シャフト１０８を形成するために一体に結合される複数のシャフトセグメントであってよい。

一態様では、燃焼器１０４は、エンジンを駆動させるために、天然ガスまたは水素リッチ合成ガスなどの、液体燃料および／または気体燃料を使用する。例えば、燃料ノズル１１０が空気供給源および燃料供給源１１２に流体連通される。燃料ノズル１１０は空気−燃料混合物を作り、その空気−燃料混合物を燃焼器１０４内に放出し、それにより、圧縮ガスを加熱する燃焼が起こる。燃焼器１０４は、圧縮された高温の排ガスを、タービンノズル（すなわち、「ステージワンノズル」）に入る尾筒を通過するように誘導し、これらの排ガスはさらにタービンバケット内へと誘導され、それによりタービン１０６が回転する。タービン１０６が回転することによりシャフト１０８が回転し、それにより圧縮機１０２内へと流れる空気が圧縮される。タービン構成要素または部品は、高温ガスがタービン１０６を通って流れるときに、部品が熱膨張することおよび相対的に移動することを許容するための公差または隙間を有するように組み立てられるように構成される。高温ガス経路内に入る高温ガスより温度の低い流体の流れを減少させることにより、タービンの効率が向上する。具体的には、高温ガス経路内および圧縮ガス流れ内に流体が漏洩するのを低減することにより、所望される経路に沿った高温ガス流れの容量が増加し、高温ガスから抽出される仕事を増大させることが可能となる。さらに、冷却空気内への高温ガスの流れを制限したりまたは減少させたりすることにより、流体間の圧力差を維持することが可能となり、冷却のために冷却空気をタービンの種々の部品に誘導することが可能となる。ステータおよびロータなどのタービン部品間で流体が漏洩するのを減少させるための方法、システムおよび構成を、図２Ａ、２Ｂおよび３を参照して以下で詳細に考察する。描かれる構成は、タービン構成要素間の流体流れを密封または制限することを向上させる。

本明細書で使用される場合、「下流」および「上流」という用語は、タービンを通る動作流体の流れを基準とする方向を示す。したがって、「下流」という用語は、動作流体の流れ方向に概して対応する方向を意味し、「上流」という用語は概して動作流体の流れ方向と反対の方向を意味する。「径方向」という用語は軸または中心線に対する垂直方向の移動あるいは軸または中心線に対して垂直な位置を意味する。軸を基準にして異なる径方向位置にある部品を説明することが有用である可能性がある。この場合、第１の構成要素は第２の構成要素より軸に近接する場合、本明細書では第１の構成要素を第２の構成要素の「径方向内側にある」と述べることができる。逆に、第１の構成要素が第２の構成要素より軸から遠くにある場合、本明細書では第１の構成要素を第２の構成要素の「径方向外側にある」または「外側にある」と述べることができる。「軸方向」という用語は軸に平行な移動または位置を意味する。最後に、「円周方向」という用語は軸周りの移動または位置を意味する。以下の考察は主にガスタービンに焦点を当てるが、考察される概念はガスタービンのみに限定されない。

例示のタービン組立体の一部分が図２Ａおよび２Ｂに示される。図２Ａは第１のバケット２０２の正面図であり、図２Ｂは、第２のバケット２０４と、第１のバケット２０２と第２のバケット２０４との間に配置される、ピン２０６などの部材との背面図である。第１のバケット２０２は、シャンク２０８と、プラットフォーム２１０と、エーロフォイル２１２またはブレードとを含む。第１のバケット２０２のスラッシュフェイス２１４は、バケットがホイールまたはディスク上に設置されてスラッシュフェイスの表面が互いに面する場合に、第２のバケット２０４のスラッシュフェイス２１６に隣接するように構成される。第２のバケット２０４は、シャンク２１８と、プラットフォーム２２０と、エーロフォイル２２２またはブレードを含む。凹部２２４および２２６（「ポケット」または「シールスロット」とも称される）がピン２０６を受けるためにスラッシュフェイス２１６内に配置され、ここでは、第１のバケット２０２および第２のバケット２０４がタービン内で互いに隣接するときに、ピン２０６が第１のバケット２０２と第２のバケット２０４との間の流体流れを減少させるかまたは制限する。例えば、ピン２０６は、径方向内側の高温ガス２２８の流れが冷却空気２３０に入ることおよび径方向外側の冷却空気２３０の流れが高温ガス２２８に入るのを減少させるように凹部２２４、２２６内に配置される。さらに、ピン２０６は、隣接するバケット２０２、２０４の間の流体の軸方向の流れ２３２（すなわち、タービン軸２５０に沿う）を減少させる。シャンク２０８および２１８に跨がる流体流れを減少させることにより、高温ガス２２８を基準とした冷却空気２３０の圧力（「正圧」または「圧力差」とも称される）を維持するのを補助することができ、それにより、熱疲労および熱損耗を低減するためにタービン全体に冷却空気２３０を分布させることが可能となる。さらに、流体２３０が高温ガス２２８の流れに入るのを防止することにより、高温ガス２２８から抽出される仕事を増大させてタービン効率を向上させることが可能となる。

一実施形態では、ピン２０６が、シールまたは流量制限を向上させるためにピンをスラッシュフェイス２１４の方に付勢する、磁気層２３４などの、磁気的特性を有する。複数の実施形態では、スラッシュフェイス２１４が、シールまたは流量制限を向上させるためにピンをスラッシュフェイス２１４の方に付勢する、磁気層２３６などの、磁気的特性を有する。磁気層２３８などの、スラッシュフェイス２１６内の磁気的特性が、ピン２０６をスラッシュフェイス２１４の方に付勢してもよい。一実施例では、スラッシュフェイス２１６および凹部２２４、２２６内の磁気的特性がピンをスラッシュフェイス表面から遠ざける。これらの磁気的特性および対応する層は、ピン２０６、スラッシュフェイス２１４およびスラッシュフェイス２１６の表面の一部分または実質的に全体にあってよい。ピン２０６は、ピン２０６、スラッシュフェイス２１４およびスラッシュフェイス２１６の磁気的特性のうちの少なくとも１つを介して、スラッシュフェイス２１４の方に付勢される。

一実施形態では、スラッシュフェイス２１４および２１６、ピン２０６、ならびに／またはそれらの磁気層は、限定しないがＡｌｎｉｃｏおよびＳａｍａｒｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔ（ＳｍＣｏ₅）を含めた、所望の磁気的特性を提供する磁性材料を含む。例えば、ＡｌｎｉｃｏまたはＳａｍａｒｉｕｍ Ｃｏｂａｌｔは層として適用され得、または、粉末として部品材料に加えられてもよく、その場合、粉末は華氏約１０００度（摂氏約７２７度）において磁気的特性を維持することができる。別の実施形態では、バケット２０２、２０４および／またはピン２０６の磁気的特性は華氏約１２００度（摂氏約９２７度）において維持される。一実施例では、磁化されたＡｌｎｉｃｏのバケット２０２、２０４および／またはピン２０６の磁界強度は、約５メガガウスエルステッド （ＭＧＯｅ）のＢＨｍａｘ（磁性材料の最大エネルギー積の点における磁界強度）である。別の実施例では、磁化されたＳｍＣｏ₅のバケット２０２、２０４および／またはピン２０６の磁界強度は約３２ＭＧＯｅのＢＨｍａｘを有する。

バケット２０２、２０４および／またはピン２０６の磁気的特性は任意適当な方法によって提供されてよい。一実施形態では、磁気的特性は、バケットまたはピンを形成するのに使用される材料の特性であってよい。別の実施形態では、磁気的特性は層（例えば、層２３４、２３６、２３８）またはコーティングとして部材に付着されてよく、この場合、層は部材の表面の少なくとも一部分に付着される。複数の実施形態では、磁気層は、焼結、クラッディング、接着、および／または、コールドスプレーなどのスプレーにより付着される、合金粉末（例えば、Ａｌｎｉｃｏ）であってよい。磁気層がスラッシュフェイスおよび／またはピンの表面の少なくとも一部分に付着されるストリップである一実施例では、合金粉末がワックス潤滑剤にブレンドされ、その後、このブレンドすなわち混合物が所望の形状のストリップになるように加圧成形される。保護水素雰囲気（ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）下で、１つまたは複数のストリップが３０ミルの厚さに加圧成形されて焼結される。さらに、焼結されたストリップは、所望の磁気的特性が得られていることを確認するために試験され得る。また、ストリップは所望の強度特性が得られるようにも処理され得る。さらに、ストリップは、熱処理により部分的に膨張することを考慮した所望の厚さが得られるように機械加工されてよい。別の実施形態では、磁気層はレーザを使用してバケットシャンクまたはピンにクラッディングされる。

別の実施例では、磁性合金粉末の層またはコーティングをスラッシュフェイスおよび／またはピンに付着させるのに、コールドスプレイングなどのスプレー技術が使用され得る。一実施形態では、Ａｌｎｉｃｏおよび／またはＳｍＣｏ₅の粉末がバケットのシャンクまたはピンに直接に吹付けされ、次いで熱処理される。この付着プロセスは、その用途に応じて、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）スプレーまたはコールドスプレーを使用することができる。選択された１つまたは複数の部分に磁気層が付着された後、磁気的特性は試験され得、および／または、別の適切な技術によって強化され得る。

図３は、タービン組立体３００の一実施形態の詳細な側部断面図である。タービン組立体３００は第１のバケット３０２および第２のバケット３０４を含む。ピン３１０などの部材がバケット間の流体流れを減少させるために第１のバケットの凹部３１２内に配置される。描かれるように、組み立てられた部品には、第２のバケット３０４のスラッシュフェイス３０８に隣接するスラッシュフェイス３０６を備える第１のバケット３０２が含まれる。スラッシュフェイス３０６および３０８はタービンの半径３１４を基準に種々の角度で方向付けられ得、したがって、ピン３１０は、ピンの密閉特性に影響し得る種々の力を受けることができる。一実施形態では、接触点３２２のところに垂直力などの力が発生し、この力はピン３１０をスラッシュフェイス３０８から離れるように移動させるように作用し、それによりバケット間の流体流れが増加する。さらに、バケット３０２、３０４が回転することにより発生する遠心力もスラッシュフェイス３０８から離すようにピン３１０を付勢する。したがって、一実施形態では、スラッシュフェイス３０８は、接線方向３１６においてスラッシュフェイス３０８の方にピン３１０を付勢する磁気層３１８などの磁気的特性を有する。ピン３１０がスラッシュフェイス３０８の方に付勢されると、ピンおよびフラッシュフェイスが接触することにより、第１のバケット３０２と第２のバケット３０４との間で流体が流れるのを防止するためのシールまたは流量制限が形成される。一実施形態では、凹部３１２が、スラッシュフェイス３０８から遠ざけたりまたはスラッシュフェイスの方に近づけたりするためにピン３１０を付勢する、磁気層３２０などの、磁気的特性を有してよい。さらに、ピン３１０も、方向３１６においてピン３１０をスラッシュフェイス３０８の方に付勢する、磁気層３２４などの、磁気的特性を有してよい。一実施形態では、凹部３１２（スラッシュフェイス３０６内）、スラッシュフェイス３０８，ピン３１０、またはそれらの任意の組み合わせの、磁気的特性が、ピン３１０をスラッシュフェイス３０８の方に付勢する。この磁気的特性には任意適当な材料または材料処理が含まれてよく、これらには、任意適当な方法によりタービンバケット組立体の１つまたは複数の部分に付着される層および／またはストリップが含まれる。

本発明を限定された数の実施形態のみに関連させて詳細に説明してきたが、本発明のこれらの開示される実施形態のみに限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、上で説明されないが本発明の趣旨および範囲に見合う、任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、または等価の構成を組み込むように修正され得る。さらに、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様が説明した実施形態の一部のみを含んでもよいことも理解されたい。したがって、本発明は上述した説明によって限定されるものとしてみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲のみによって限定される。

１００ タービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ シャフト
１１０ ノズル
１１２ 燃料供給源
２００ タービン組立体（例えば、ロータ組立体）
２０２ 第１のバケット
２０４ 第２のバケット
２０６ ピン
２０８ シャンク
２１０ プラットフォーム
２１２ エーロフォイル
２１４ スラッシュフェイス
２１６ スラッシュフェイス
２１８ シャンク
２２０ プラットフォーム
２２２ エーロフォイル
２２４ 凹部
２２６ 凹部
２２８ 高温ガス
２３０ 冷却空気
２３２ 軸方向流れ
２３４ 磁気層
２３６ 磁気層
２３８ 磁気層
２５０ 軸
３００ タービン組立体
３０２ 第１のバケット
３０４ 第２のバケット
３０６ スラッシュフェイス
３０８ スラッシュフェイス
３１０ ピン
３１２ 凹部
３１４ 半径
３１６ 方向（付勢方向）
３１８ 磁気層
３２０ 磁気層
３２２ 接触点
３２４ 磁気層

Claims (20)

1. タービン組立体であって：
   第１のスラッシュフェイスを備える第１のバケットと；
   第２のバケットの第２のスラッシュフェイス内に形成される凹部を含む第２のバケットであって、前記第１のバケットが前記第２のバケットに隣接して配置される場合に、前記第２のスラッシュフェイスが前記第１のフラッシュフェイスに隣接する、第２のバケットと；
   前記凹部内に配置されるように構成されるピンであって、前記ピンが前記第１のバケットと前記第２のバケットとの間の流体流れを減少させるために前記第１のフラッシュフェイスの方に磁気的に付勢される、ピンと
   を含むタービン組立体。
2. 前記凹部が前記第２のバケットのシャンク内にある、請求項１記載のタービン組立体。
3. 前記ピンが前記ピン上の磁気層により磁気的に付勢される、請求項１記載のタービン組立体。
4. 前記磁気層がスプレーにより前記ピンに付着される、請求項３記載のタービン組立体。
5. 第１のスラッシュフェイスが前記ピンを前記第１のスラッシュフェイスの方に付勢するための磁気的特性を有する、請求項１記載のタービン組立体。
6. 前記第１のスラッシュフェイスの前記磁気的特性が前記第１のスラッシュフェイス内の磁気層によって生じる、請求項５記載のタービン組立体。
7. 前記磁気層がスプレーによって付着される、請求項６記載のタービン組立体。
8. 前記ピンが実質的に径方向に方向付けられ、実質的に接線方向において付勢される、請求項１記載のタービン組立体。
9. 前記第１のバケットと前記第２のバケットとの間の流体流れを減少させるために前記第２のスラッシュフェイス内に２つの凹部内に配置される２つのピンを含む、請求項１記載のタービン組立体。
10. タービン構成要素間の流体流れを減少させるための方法であって：
    第１のバケットおよび第２のバケットに跨がって高温ガスを流すステップであって、前記第１および第２のバケットが隣接する、ステップと；
    前記第１および第２のバケットの径方向内側部分を通るように冷却空気流れを流すステップと；
    前記第１のバケットと前記第２のバケットとの間にピンを配置するステップであって、磁気的特性が前記ピンを前記第１のバケットの第１のスラッシュフェイスの方に付勢し、前記ピンが前記第１のバケットと前記第２のバケットのとの間の流体流れを減少させる、ステップと
    を含む方法。
11. 前記ピンを配置するステップが、前記ピンを第２のスラッシュフェイス内に形成される凹部内に配置するステップを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記磁気的特性が前記ピン上の磁気層によって生じる、請求項１０記載の方法。
13. 前記磁気層がスプレーによって付着される、請求項１２記載の方法。
14. 前記ピンを配置するステップが、前記第１のスラッシュフェイスの磁気的特性により前記ピンを前記第１のフラッシュフェイスの方に付勢するステップを含む、請求項９記載の方法。
15. タービン組立体であって：
    第１の表面を備える第１の構成要素と；
    前記第１の構成要素と第２の構成要素が隣接する場合に前記第１の表面に隣接するように構成される第２の表面を備える第２の構成要素と；
    前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との間に配置されるように構成される部材であって、前記部材が、前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との間の流体流れを減少させるために前記第１の表面の方に磁気的に付勢される、部材と
    を含むタービン組立体。
16. 前記部材を受けるために前記第２の表面内に形成される凹部を含む、請求項１５記載のタービン組立体。
17. 前記部材が前記部材上の磁気層により磁気的に付勢される、請求項１５記載のタービン組立体。
18. 前記磁気層がスプレーにより前記部材に付着される、請求項１７記載のタービン組立体。
19. 第１の表面が前記部材を前記第１の表面の方に付勢するための磁気的特性を有する、請求項１５記載のタービン組立体。
20. 前記第１の表面の前記磁気的特性が前記第１の表面上の磁気層によって生じる、請求項１９記載のタービン組立体。