JP2013139815A - タービンアセンブリ及びタービン部品間の流体流を低減する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの部品間の流体流れを低減する。
【解決手段】本発明の１つの態様では、タービンアセンブリは、ステータと、該ステータに隣接するロータとを含む。タービンアセンブリは、ロータに結合した部材に形成される通路であって、ロータとステータの間の流体の流れを低減する流体カーテンをロータとステータの間に形成する通路を含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンに関する。より具体的には、本主題は、タービンの部品間の流体流れの低減に関する。

ガスタービンにおいて、燃焼器は、燃料又は空気−燃料混合気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、流体（多くの場合、圧縮機からの圧縮空気）によってタービンに運ばれ、タービンで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。あるタービンの実施形態では、部品間からの圧縮高温空気への流体の漏れは、タービンの出力低下及び効率の低下を引き起こす。流体の漏れは、ガスタービンの作動中のある種の部品の熱膨張及び部品間の相対移動に起因することがある。従って、部品間の流体漏れを低減することができれば、タービンの効率及び性能を改善することができる。

米国特許第７５００８２４号明細書

本発明の一つの態様では、タービンアセンブリは、ステータと、該ステータに隣接するロータとを含む。タービンアセンブリは、ロータに結合した部材に形成される通路であって、ロータとステータの間の流体の流れを低減する流体カーテンをロータとステータの間に形成する通路を含む。

本発明の別の態様では、タービン部品間の流体流れを低減する方法は、ステータに高温ガスを流すステップと、ステータに隣接するロータに高温ガスを流すステップとを含む。本方法は、ステータ及びロータの半径方向内側部分を通して冷却空気流を流すステップと、ロータ上の部材からステータに流体を流し、ロータとステータの間の冷却空気の流れ及び高温ガスの流れの漏れを低減するステップとを含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から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具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

燃焼器、燃料ノズル、圧縮機、及びタービンを含むガスタービンエンジンの一実施形態の概略図。 例示的なタービンアセンブリの一部の側断面図。 別の例示的なタービンアセンブリの一部の側断面図。 さらに別の例示的なタービンアセンブリの一部の側断面図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

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。本システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、本システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を複数含んでいてもよい。圧縮機１０２とタービン１０６はシャフト１０８で結合される。シャフト１０８は、単一のシャフトでもよいし、或いは複数のシャフトセグメントを結合してシャフト１０８としたものでもよい。

ある態様では、燃焼器１０４は、エンジンを稼働させるために液体及び／又はガス燃料（例えば、天然ガス又は水素リッチ合成ガスなど）を用いる。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給源及び燃料供給源１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気−燃料混合気を生成して、空気−燃料混合気を燃焼器１０４に吐出して、燃焼を生じさせて加圧ガスを加熱する。燃焼器１０４は、トランジションピースを通して高温加圧排出ガスをタービンノズル（又は「第１段ノズル」）、次いでタービンバケットに送り、タービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転せしめ、空気が圧縮機１０２を流れる際に該空気を圧縮する。タービン部品又は部品は、高温ガスがタービン１０６を流れる間、部品が熱膨張及び相対移動できるように構成される。高温ガスよりも低温の流体の流れを低減することによって、タービン効率が改善される。具体的には、高温ガス経路又は加圧ガス流への流体の漏れを低減すると、所望の経路に沿った高温ガス流の体積が増大し、高温ガスから抽出できる仕事を増大させることができる。ステータ及びロータなどのタービン部品間の流体漏れを低減するための方法、システム及び構成は、図２〜図４を参照して以下で詳細に考察する。図示の構成は、流体カーテン又はシールを設けて高温ガス流への流体漏れを低減し、これにより高温ガスから抽出することのできる仕事を増大させる。さらに、流体カーテンは、時間の経過に伴って摩滅する可能性があるゴム及び／又は他の材料で作られた他のシールと比べて保守管理が実質的に少ない。

本明細書で使用される用語「下流側」及び「上流側」は、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流側」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を意味し、「上流側」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線又は中心線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。この用語は、軸線に対して異なる半径方向位置にある要素を記述するのに有用とすることができる。このようなケースでは、第１の部品が第２の部品よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向内側」にあると記述することができる。これに対して、第１の部品が第２の部品よりも軸線から遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向外側」又は「外寄り」にあると記述することができる。用語「軸方向」は、軸線に平行な移動又は位置を指す。最後に、用語「円周方向」は、軸線を中心とした移動又は位置を指す。以下の考察では、主としてガスタービンに焦点を当てているが、考察される本発明の概念は、ガスタービンに限定されず、蒸気タービンなどの他の回転機械にも適用することができる。

ここで図２を参照すると、例示的なタービンアセンブリ２００の一部の側断面図が示される。タービンアセンブリ２００は、軸線２０６の周りに配置されたロータ２０２及びステータ２０４を含む。ステータ２０４は、ベース２１０と、該ベース２１０から延在する翼形部２０８（「ノズル」ともいう。）とを含む。ロータ２０２は、ディスク２１２と、該ディスク２１２に結合した部材２１４とを含む。部材２１４は、カバープレートのような好適な構造体とすることができ、空気などの冷却流体２２４の高温ガス流２２８（「高温ガス経路」ともいう。）への流れを制限するように構成される。ディスク２１２及び部材２１４は、流体源２１８から流体を受けるための通路２１６を含み、該流体は、キャビティ２２１に送られて流体カーテン２２２を形成する。流体カーテン２２２（「流体バリア」、「流体シール」又は「流体流れ」ともいう。）は、ロータ２０２とステータ２０４の間に制限部を形成し、高温ガス流２２８への冷却流体２２４及び２２６の流れを低減する。さらに、流体カーテン２２２は、ロータ２０２とステータ２０４の間を半径方向内側に向かう高温ガス流２２８を低減し、これによりアセンブリ部品に対する熱応力を低減する。一実施形態では、流体は、部材２１４の突出部２２０を介して通路２１６を流れ、流体カーテン２２２は、軸線２０６に対してある角度で流れる。この角度は、流体カーテン２２２を形成するための好適な角度とすることができ、流体のタイプ、温度、キャビティ２２１の幾何形状及び／又は突出部２２０などの様々な要因に基づいて変えることができる。一実施形態では、本角度は、約−４５度〜約４５度の範囲とすることができる。別の実施形態では、本角度は、約１５度〜約７０度の範囲とすることができる。さらに別の実施形態では、本角度は、約２０度〜約６０度の範囲とすることができる。別の実施形態では、本角度は、約−１５度〜約３０度の範囲とすることができる。

流体カーテン２２２は、タービン部品の温度制御のため、流体源２１８（例えば、空気、水その他の冷却媒体）などの好適な流体源からの流体流で形成することができる。ロータ２０２とステータ２０４の間の図示の流体カーテン２２２の形成は、摩滅がなく又は交換の必要性のない低保守管理のシール又はバリアを提供しながら、高温ガス流２２８から抽出することのできる仕事量を増大させることにより、性能を向上させることができる。

図３は、例示的なタービンアセンブリ３００の一部の側断面図である。タービンアセンブリ３００は、ロータ３０２と、軸線３０６の周りに配置されたステータ３０４とを含む。ステータ３０４は、ベース３１０と、該ベース３１０から延在する翼形部３０８（「ノズル」ともいう。）とを含む。ロータ３０２は、ディスク３１２と、該ディスク３１２に結合した部材３１４とを含む。部材３１４は、カバープレートのような好適な構造体とすることができ、空気などの冷却流体３２４の高温ガス流３２８への流れを制限するように構成される。さらに、流体カーテン３２２が、ロータ３０２とステータ３０４の間を半径方向内側に向かう高温ガス流３２８を低減し、これによりアセンブリ部品に対する熱応力を低減する。ディスク３１２及び部材３１４は、通路３１６から流体を受けるための通路を含んでおり、通路３１６は入口３５０を通して冷却流体３２４を受ける。流体は、突出部を通してキャビティ３２１内に流入し、流体カーテン２２２を形成する。流体カーテン２２２（「流体バリア」、「流体シール」又は「流体流れ」ともいう。）は、ロータ３０２とステータ３０４の間に制限部を形成し、高温ガス流３２８への冷却流体３２４及び３２６の流れを低減する。冷却流体３２４及び３２６は、ロータ３０２及びステータ３０４の半径方向内側部分を通して流れて、部品の温度を制御する流体である。一実施形態では、通路３１６は、狭窄通路であり、該通路内の流体流速を増大させることにより、流体カーテン３２２の流速を増大させる。一実施形態では、流体は、部材３１４の突出部３２０を介して通路３１６を流れ、流体カーテン３２２は、軸線３０６に対してある角度で流れる。図２を参照して上記で考察したように、この角度は、高温ガス流３２８への流体の流れを制限するための好適な角度とすることができる。

図４は、ロータ４１６内に配置された部材４１４を含む例示的なタービンアセンブリ４１２の一部の側断面図である。図示のように、部材４１４は、入口４０２から冷却流体４００を受けるための通路４０８を含む。通路４０８は、部材３１４における出口４０４を通して冷却媒体を導いて、流体カーテン４０６を形成する。図示のように、流体カーテン４０６は、ロータ４１６とステータ３０４の間の制限バリアを形成し、これによりタービンアセンブリ４１２にわたる流体漏れを低減する。一実施形態では、タービンアセンブリは、カーテン４０６及び３２２などの１以上の流体カーテンを形成して、ロータ４１６とステータ３０４の間の流体流れを低減する１以上の通路を有することができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

２００ タービンアセンブリ
２０２ ロータ
２０４ ステータ
２０６ 軸線
２０８ 翼形部
２１０ ベース
２１２ ディスク
２１４ 部材
２１６ 通路
２１８ 流体源
２２０ 突出部
２２２ 流体カーテン
２２４ 冷却流体
２２８ 高温ガス流

Claims (16)

1. タービンアセンブリであって、
   ステータと、
   前記ステータに隣接するロータと、
   前記ロータに結合した部材に形成される通路であって、流体の流れを受け取ってロータとステータの間に流体カーテンを形成し、該流体カーテンでロータとステータの間の流体の流れを低減する通路と
   を備える、タービンアセンブリ。
2. 前記部材がカバープレートを含む、請求項１記載のタービンアセンブリ。
3. 前記流体カーテンが、前記カバープレートの突出部から送られる、請求項１記載のタービンアセンブリ。
4. 前記通路に、流体源から流体の流れが供給され、流体源がタービンアセンブリの一部の温度を制御するための流体を供給する、請求項１記載のタービンアセンブリ。
5. 前記通路が、該通路内で流体速度を増大させて流体カーテンを形成するための狭窄通路を含む、請求項１記載のタービンアセンブリ。
6. 前記通路が、タービン軸線に対してある角度で流体カーテンを配向させる、請求項１記載のタービンアセンブリ。
7. 前記低減された流体流れが、前記ステータ及びロータの半径方向内側部分を通して流れる低減された冷却空気流を含む、請求項１記載のタービンアセンブリ。
8. 前記流体カーテンが、前記冷却空気流から形成される、請求項７記載のタービンアセンブリ。
9. タービン部品間の流体流れを低減する方法であって、
   ステータに高温ガスを流すステップと、
   前記ステータに隣接するロータに高温ガスを流すステップと、
   前記ステータ及びロータの半径方向内側部分を通して冷却空気流を流すステップと、
   前記ロータ上の部材から前記ステータに流体を流し、前記ステータとロータの間の冷却空気の流れ及び高温ガスの流れの漏れを低減するステップと
   を含む方法。
10. 前記部材から流体を流すステップが流体カーテンを形成するステップを含む、請求項９記載の方法。
11. 前記流体カーテンが前記冷却空気流から形成される、請求項１０記載の方法。
12. 前記流体を流すステップが、前記部材の突出部の通路を通して前記流体を流すステップを含む、請求項９記載の方法。
13. 前記通路が、該通路内で流体流速を増大させてロータとステータの間に流体カーテンを形成する狭窄通路を含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記通路に、流体源から流体が供給され、流体源がタービンアセンブリの一部の温度を制御するための流体を供給する、請求項１２記載の方法。
15. 前記部材がカバープレートを含む、請求項９記載の方法。
16. 前記流体を流すステップが、タービン軸線に対してある角度で流体の流れを配向させるステップを含む、請求項９記載の方法。