JP2013151935A - タービンパッキンディフレクタ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンパッキンディフレクタを提供すること。
【解決手段】タービンは、軸の周りで回転可能なロータと、周方向に離隔した翼形部とその両側に配設された内側バンド及び外側バンドとを有するノズルの周方向列を含み、内側バンドは前縁部及び後縁部を有し、内側バンド上に配置された誘導具の列を含み、誘導具の列は、流体の流路を導くように作用し、流体の流路は、ロータ及び内側バンドによって部分的に画成される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、タービンエンジンに関する。

タービンの根元半径沿いの流路は、ノズルの内側バンド（リングともいう）とロータのバケットの根元のプラットフォーム沿いの流れ表面によって部分的に画成される。根元半径沿いの流路からの流体流れの漏れはバケット及びノズルを通らず、タービン段の性能低下に直接つながる。流体流れ漏洩に近接してロータ上に配設される歯は、流体流れ漏洩のスワール（渦流）を増大させる。例えば蒸気タービン段の典型的なノズル及びバケット設計は、バケット根元直径と等しいノズル根元直径を含んでおり、かなりの確率で上流に面した段差を生じ、流路における流体流れの流線特性を損なう。半径方向に再流入する流れは、流路に沿って流体流れのランダムな混合を生じ、そのため空力効率の損失を招く。

米国特許第７２４４１０４号

本発明の一態様では、ターボ機械は、軸の周りで回転可能なロータと、周方向に離隔した翼形部とその両側に配設された内側バンド及び外側バンドとを有するノズルの周方向列であって内側バンドが前縁部及び後縁部を有しているノズルの周方向列と、内側バンド上に配置された誘導具の列とを備えており、誘導具の列は流体の流路を導くように作用し、流体の流路はロータ及び内側バンドによって部分的に画成される。

本発明の別の態様では、タービンノズル列の内側バンドは、前縁部及び後縁部と、内側バンド上に配置された誘導具の列とを備えており、誘導具の列は流体の流路を導くように作用し、流体の流路はロータ及び内側バンドによって部分的に画成される。

本発明のさらに別の態様では、誘導具の列は、タービンの内側バンド部の案内面部分から延在する複数のフィンを備えており、内側バンド部はノズル列の端部に配置され、複数のフィンは流体の流路を導くように作用し、流路は内側バンド部及び回転軸を有するロータの部分によって部分的に画成される。

上記その他の利点及び特徴は、図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって明らかになろう。

本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

タービンの例示的な実施形態の一部分を示す図。 図１の領域２の部分図。 漏洩流路を示した図１の領域２の部分図。 図１のタービンの例示的な実施形態の一部分の部分断面斜視図。 図１のタービンの別の例示的な実施形態の一部分の部分断面斜視図。 タービンの例示的な実施形態を示す図。 タービンの別の例示的な実施形態を示す図。 ターボ機械圧縮機の例示的な実施形態を示す図。 ターボ機械の別の例示的な実施形態を示す図。

以下の詳細な説明では、例示のため図面を参照しながら、本発明の実施形態について、利点及び特徴と併せて説明する。

図１は、ターボ機械１００の例示的な実施形態の一部分を示す。タービンは、符号１０を付した矢印で示すように、流路の内側又は根元領域を画成する。作動流体（例えば蒸気）は、主流路１０に沿って矢印の方向に流れる。ターボ機械１００は、水平軸の周りで回転可能なロータ１０２と、軸方向に離隔した複数のロータホイール１０４であって各々周方向に離隔した複数のバケット１０６を有するロータホイール１０４とを備える。図１には、軸方向に離隔したノズル１１０の列を含むタービンの静止部品１０８が示してある。ノズル１１０の各列には、周方向に離隔した静翼形部１１２が内側バンド（又はリング）１１４と外側バンド（又はリング）１１６の間に配設されている。内側バンド１１４は前縁部２０３と後縁部２０４とを含んでおり、前縁部２０３は、後縁部２０４との関係では流路１０の上流にある。各々の内側バンド１１４は、ロータ１０２の回転軸に垂直な平面を画成する。各ノズル１１０と下流のバケット１０６の列はタービン段を形成し、タービンのタービンセクションには複数の段が存在する。静止部品と回転部品の間の漏洩流路をシールするため、パッキンリング（パッキンリングセグメント）１１８が、静止部品１０８（例えば内側バンド１１４）と、ロータホイール１０４間のロータ表面１２０との間に設けられる。内側バンド１１４の内側表面１２４に近接かつ対応して、ロータ表面１２０上に歯１２２が配置される。歯１２２と内側バンド１１４の内側表面１２４とは、間隙（ギャップ）１０１を画成する。間隙１０１は、矢印１１で示す作動流体の漏洩流路を画成する。漏洩流路は、流体が流路の根元領域に再流入する際に空力的非効率性（空力効率の悪さ）をもたらす。

かかる観点から、複数の誘導具（ダイバータ）１２６が、漏洩流路内で、内側バンド１１４の後縁部２０４に配置される。図示した実施形態の誘導具１２６は、漏洩流を主流路の根元領域へと導くように作用しつつ、漏洩流路が流路の根元領域に導入される際の空力的非効率性を低減する。誘導具１２６は、内側バンド１１４から延在するフィンその他同様の構造を含むことができる。誘導具１２６は、平坦な輪郭の両側面を有するフィン又は弧状の両側面を有するフィンを含むことができる。

図２は、図１の領域２の部分図を示す。誘導具１２６は、内側バンド１１４の後縁部２０４に近接して配置される。図示した実施形態では、後縁部２０４は、ロータ１０２の回転軸に実質的に垂直な面部分２０６と、ロータ１０２の回転軸に対して角度（φ）をなす案内面部分２０２とを含む。線２０１は、ロータ１０２の回転軸と平行である。面部分２０６と案内面部分２０２とは角度（θ）をなす。図示した実施形態では、角度θは９０°超であり、角度φは９０°未満である。別の実施形態では、角度θ及びφは、任意の角度でよく、例えば、角度θ及びφは各々９０°でも、９０°超でも、９０°未満でもよい。角度θ及びφは、設計プロセスにおいて、漏洩流路が流路の根元領域に導入される際の空力的非効率性を低減するように選択すればよい。角度θ及びφは、特定のノズル段における流体の圧力及び流量並びにノズル段の幾何形状に依存することがある。誘導具１２６の位置に対する歯１２２の位置（図では距離ｘとして示す）は、ロータ１０２と概ね同軸に配置される表面２０８にほぼ沿って流れるように漏洩流路を導くように選択すればよい。表面２０８に追従すると、漏洩流路は誘導具１２６に衝突する。距離ｘは、面部分２０６とロータホイール１０４の表面２２０とで定まる距離ｙによって部分的に決定できる。ｘ：ｙ比は０．３〜１の範囲内とすべきであり、ｘ＜ｙである。この比の望ましい値は、遷移状態（すなわち起動及び停止状態）の際のロータ１０４の軸方向移動を考慮することによって決定することができる。

図３は、漏洩流路を矢印１１で示した図１の領域２の部分透視斜視図を示す。漏洩流路は、（図２の）誘導具１２６及び案内面部分２０２によって方向転換され、漏洩流路は、一段と効率的かつ整然と流れて流路の根元領域に入る。漏洩流路は、案内面部分２０２と、誘導具１２６と、ロータホイール１０４の前縁表面２２０とによって部分的に画成される。

図４は、ターボ機械１００の例示的な実施形態の一部分の部分断面斜視図である。図示した実施形態では、誘導具１２６は、案内表面２０２上に半径方向に配置されている。誘導具１２６は互いに実質的に平行に配置される。各誘導具１２６は、互いに実質的に平行な直線状の両側面によって部分的に画成される。誘導具１２６は、線４０１で示す誘導具１２６の直線軸とロータ１０２の回転軸に垂直な線４０３とが角度（ω）をなすように配置される。角度ωは、ターボ機械１００の設計に際して漏洩流路が流路の根元領域に導入される際の空力的非効率性を低減するように選択すればよく、例えば０°〜１８０°の任意の角度が挙げられる。

図５は、ターボ機械１００の別の例示的な実施形態の一部分の部分断面斜視図である。図示した実施形態では、誘導具１２６は、弧状の形状に形成される。誘導具１２６の前縁と後縁は翼弦線５０１を画成し、翼弦線とロータ１０２の回転軸に垂直な線５０３は、角度ωをなす。上述の通り、角度ωは、漏洩流路が流路の根元領域に導入される際の空力的非効率性を低減する角度とすることができる。

図６は、ターボ機械１００の例示的な実施形態を示し、誘導具１２６は、内側バンド１１４に固定されるベース部６０２上に配置される。ベース部６０２は、締結具、溶接又はろう付けを始めとする任意の好適な方法で内側バンド１１４に固定することができる。

図７は、ターボ機械１００の別の例示的な実施形態を示し、誘導具１２６は、内側バンド１１４の一部分と摺動可能に係合するベース部７０２上に配置される。

図８は、ターボ機械圧縮機８００の例示的な実施形態を示す。圧縮機８００は、内側バンド１１４上に配置されたダイバータ１２６を含む。歯１２２は、ロータ表面１２０上に配置される。主流路８０２は、全体を矢印８０で示す。内側バンド１１４及び歯１２２は、全体を矢印８１で示す漏洩流路８１を画成する。図示した実施形態では、ダイバータ１２６は、内側バンド１１４の上流部８０５に近接して配置される。漏洩流路８１は概して内側バンド１１４の下流部８０３から上流部８０５まで流れ、ダイバータ１２６は、ターボ機械１００において漏洩流路８１に対して上述の通り作用する。

図９は、ターボ機械９００の別の例示的な実施形態を示す。図示した実施形態では、複数の誘導具（ダイバータ）１２６は、矢印１１で示す漏洩流路内で、内側バンド１１４の前縁部２０３と後縁部２０４の間に配置される。誘導具１２６は、歯１２２のうちの２つの歯の間に配設される。ただし、別の実施形態では、誘導具１２６は、流路１０に対して歯１２２の前又は後に配置し得る。

以上の実施形態は、漏洩流が主流路の根元領域に導入される際の混合損失及びランダムさを低減させることによってターボ機械の効率を増加させる。効率の増加は、内側リングにタービンノズルの後縁に近接して配置されたダイバータをの使用によって達成される。ダイバータは、漏洩流が主流路の根元領域に導入される際の空力的非効率性を低減する。

２ 領域
１０ 流路
１１ 矢印
８０ 矢印
８１ 漏洩流路
１００ ターボ機械
１０１ 間隙
１０２ ロータ
１０４ ロータ
１０６ バケット
１０８ 静止部品
１１０ ノズル
１１２ 周方向に離隔した静止翼形部
１１４ 内側バンド
１１６ リング
１２０ ロータ表面
１２２ 歯
１２４ 内側表面
１２６ 誘導具
２０１ 線
２０２ 案内表面
２０３ 前縁部
２０４ 後縁部
２０６ 面部分
２０８ 表面
２２０ 前縁表面
４０１ 線
４０３ 線
５０１ 翼弦線
５０３ 線
６０２ ベース部
７０２ ベース部
８００ 圧縮機
８０２ 主流路
８０３ ストリーム部
８０５ ストリーム部
９００ ターボ機械

Claims (20)

1. ターボ機械であって、
   軸の周りで回転可能なロータと、
   周方向に離隔した翼形部とその両側に配設された内側バンド及び外側バンドとを有するノズルの周方向列であって、内側バンドが前縁部及び後縁部を有しているノズルの周方向列と、
   内側バンド上に配置された誘導具の列であって、誘導具の列が、流体の流路を導くように作用し、流体の流路がロータ及び内側バンドによって部分的に画成される、誘導具の列と
   を備えるターボ機械。
2. 前記ロータがその上に配置された歯を含んでおり、歯と内側バンドとがそれらの間に間隙を画成する、請求項１記載のターボ機械。
3. 前記間隙が流体の流路をさらに画成する、請求項２記載のターボ機械。
4. 前記誘導具の列が前記歯から距離ｘの位置に配置され、内側バンドがロータから距離ｙの位置に配置されていて、ｘ：ｙ比が０．３〜１の範囲内にある、請求項２記載のターボ機械。
5. 前記内側バンドの後縁部が、前記軸に対して傾斜した角度で配置された表面を有する案内面部分を含んでいる、請求項１記載のターボ機械。
6. 前記誘導具の列が、前記内側バンドの案内面部分に配置される、請求項１記載のターボ機械。
7. 前記内側バンドの後縁部が、前記軸と実質的に平行に配置された表面を有する案内面部分を含んでおり、前記誘導具の列が案内面部分上に配置される、請求項１記載のターボ機械。
8. 前記誘導具の列の各誘導具が直線軸を画成しており、各誘導具の直線軸が互いに実質的に平行に配置されている、請求項１記載のターボ機械。
9. 前記誘導具の列の各誘導具が翼弦線を画成する弧状の形状を有しており、各誘導具の翼弦線が互いに実質的に平行に配置されている、請求項１記載のターボ機械。
10. 当該ターボ機械がタービンを備える、請求項１記載のターボ機械。
11. 当該ターボ機械が圧縮機を備える、請求項１記載のターボ機械。
12. タービン機械の内側バンドであって、
    前縁部及び後縁部と、
    内側バンド上に配置された誘導具の列であって、誘導具の列が、流体の流路を導くように作用し、流体の流路がロータ及び内側バンドによって部分的に画成される、誘導具の列と
    を備える内側バンド。
13. 前記誘導具の列が、内側バンドの後縁部の近傍に配置される、請求項１２記載の内側バンド。
14. 内側バンドの後縁部が、内側バンドによって画成される平面と垂直に交差する軸に対して傾斜した角度で配置された表面を有する案内面部分を含んでいる、請求項１２記載の内側バンド。
15. 誘導具の列が内側バンドの案内面部分に配置される、請求項１２記載の内側バンド。
16. 内側バンドの後縁部は、内側バンドによって画成される平面と垂直に交差する軸に対して実質的に平行に配置された表面を有する案内面部分を含んでおり、誘導具の列が案内面部分上に配置される、請求項１２記載の内側バンド。
17. 前記誘導具の列の各誘導具が直線軸を画成しており、各誘導具の直線軸が互いに実質的に平行に配置されている、請求項１２記載の内側バンド。
18. 前記誘導具の列の各誘導具が翼弦線を画成する弧状の形状を有しており、各誘導具の翼弦線が互いに実質的に平行に配置されている、請求項１２記載の内側バンド。
19. タービンの内側バンド部の案内面部分から延在する複数のフィンを備える誘導具の列であって、内側バンド部がノズルの列の端部に配置され、複数のフィンが流体の流路を導くように作用し、流路が内側バンド部及び回転軸を有するロータの部分によって部分的に画成される、誘導具の列。
20. 前記複数のフィンのフィンが、ロータの回転軸に対して傾斜した角度で配置された平坦な両側面を含む、請求項１９記載の誘導具の列。