JP2013204593A5 - - Google Patents

Description

ガスタービンロータをパージする装置及び方法

本発明は、ガスタービンロータをパージする装置及び方法に関する。

始動又はシャットダウン運転中、個々のホールの特定の局所的体積部分はホイールの全体よりも高い温度又は低い温度になる。これにより高い温度勾配が誘起され、高い局所的熱応力並びにホイール凹みが生じ、ホイールの低サイクル疲労及び耐損傷能力を損なうだけでなく、ホイール間の過渡挙動に好ましくない影響を及ぼす。温度勾配を低減するために、ユニットロータホイールは、過渡運転中にホイール全体を冷却／加熱する２次流システムを必要とする。

ガスタービンにおいて、全運転範囲の間にユニットロータは材料能力を超える温度になる。従って、ロータ構成要素は、低サイクル疲労、脆化、及びクリープ問題を生じやすく、システム性能に好ましくない影響を及ぼす。ユニットロータホイールは、全運転範囲の間にホイールを冷却／加熱する熱管理システムを必要とする。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機からの空気を抽気（ブリード）すること、及びこのブリード空気をガスタービンエンジンのタービンに供給し、タービンのシール及び熱管理を実施することは一般的なことである。ブリード空気は、冷却空気を供給しタービンにシールをもたらすのに十分な圧力を有するように、最小の圧力損失で圧縮機からタービンに供給されなければならない。

あるブリード構成では、ブリード空気は、圧縮機から略半径方向内側方向に抽気され、次いで、下流方向にエンジンの中心を通って（例えば、駆動シャフト又は他の好適な手段を通して）タービンに供給される。ブリード空気の圧力損失を最小限にするため、ブリード空気は、略半径方向に渦低減器を通過する。軸流圧縮機は、円周方向に離間しかつ半径方向外側に延在するロータブレードの複数の段を有するロータと、ロータ及びロータブレードを囲み且つこれらと離間したケーシングとを備える。ロータは、２以上の軸方向に隣接したロータディスクであってそれらの間にチャンバを画成する２以上のロータディスクと、ロータと一体化され且つ圧縮機からの空気の一部を抽気してこれを半径方向内向きにチャンバに供給するよう構成された抽気部とを備える。２つの軸方向に隣接したロータディスクは、向かい合った半径方向延在面を有し、この向かい合った半径方向延在面の少なくとも一方は、ブリード空気を半径方向内向きに導いてチャンバ内での自由渦の形成を阻止するような輪郭に形成され、チャンバを流れるブリード空気の圧力損失を低減する。

半径方向延在面の少なくとも一方の輪郭は、複数の円周方向に離間した半径方向延在ベーンを含む。ベーンは、隣接するロータディスクの向かい合った半径方向延在面のうちの少なくとも一方から軸方向に、それらの向かい合った半径方向延在面の間の軸方向距離の実質的に僅かな割合だけ延在する。

米国特許第４９１９５９０号明細書

本発明の一実施形態では、ガスタービンロータ用のロータホイールは、複数の湾曲スロットで隔てられた複数の湾曲パドルを有する第１の側面と、複数の半径方向スロットで隔てられた複数の半径方向パドルを有する第２の側面とを備える。第１の側面は、ロータホイールの半径方向下方にロータを通る加圧空気の流れに曝されるように構成され、第２の側面は、ロータホイールの半径方向上方に向かう加圧空気の流れに曝されるように構成される。

本発明の別の実施形態では、ガスタービンのロータをパージする方法は、ロータの隣接するロータホイール間に、各ホイールの第１の側面で半径方向下方に向かい、各ホイールの第２の側面で半径方向上方に向かう加圧空気の流れを提供するステップと、各ロータホイールの第１の側面の湾曲スロットに加圧空気の流れを通過させるステップと、各ロータホイールの第２の側面の半径方向スロットに加圧空気の流れを通過させるステップとを含む。

本発明の例示的な一実施形態に係る複数のロータホイールを含むガスタービンロータの図。 本発明の例示的な一実施形態に係るロータホイールの半径方向上方流側面の図。 図２のロータホイールの半径方向上方流側面の半径方向パドルの図。 本発明の例示的な一実施形態に係るロータホイールの半径方向下方流側面の図。 図４のロータホイールの半径方向下方流側面の湾曲パドルの図。

図１を参照すると、ガスタービンロータ２は、軸方向に整列した複数のロータホイール４を含む。パージ流６は、ロータホイール４の向かい合ったラジアル面Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の間に提供される。図２を参照すると、パージ流６がロータホイール４のボアに対して半径方向上方又は外向きに流れるときに、ロータホイール４のラジアル面Ｒ１は、ロータホイール４の半径方向上方流側面にある。ロータホイール４の半径方向上方流側面は、半径方向パドル８を含み、該パドル８は、半径方向パドル８間に延在する半径方向スロット１２（図３）を含む。

半径方向パドル８は、ロータホイール４の重量を低減し且つホイールボアの温度応答を改善するために、例えば、半径方向パドル８から切り出し又は機械加工することができる凹部１０を含むことができる。半径方向スロット１２は、例えば、ミル加工により形成することができる。これにより、機械加工のコスト及びサイクル時間が低減される。半径方向スロット１２はまた、パージ流６の圧力損失も低減する。半径方向スロット１２はまた、湾曲スロット１８よりも形成が容易とすることができる。例えば、半径方向スロット１２は、ワンパスでミル加工することができるが、湾曲スロット１８は、複数回のパス（例えば、３〜４パス）が必要となる場合がある。

図４及び５を参照すると、ロータホイール４の半径方向下方流側面（例えば、ラジアル面Ｒ３）は、湾曲スロット１８で隔てられた複数の湾曲パドル１４を含む。パージ流６がロータホイール４のボアに対して半径方向下方又は内向きに流れるときに、パージ流６は半径方向下方である。湾曲パドル１４はまた、例えば、湾曲パドル１４から切り出し又は機械加工することができる凹部１６を含むことができる。湾曲スロット１８は各々、パドル入口２０及び角度付き出口２２を含む。湾曲スロットは、入力角θ１、スロット曲率Ｒ１及びＲ２、スロット幅Ｗ、スロット深さＤ、及び出口角θ２を含む６つの設計パラメータを有し、パージ流６の流入損失を最小限にし、パドル入口２０にてスワールを生成することによりパージ流６の接線速度を静圧頭に変換するよう設計することができる。角度付き出口２２は、ロータホイール４のボアでの流れの相対速度を増大させ、また、ボアでの流れのスワールを増大させてホールボアへの熱伝達を増大させるようにする。

ロータホイールがパージ流の半径方向下方流側面に湾曲したパドル及びスロットと、パージ流の半径方向上方流側面に半径方向パドル及びスロットとを含むことで、パージ流の接線方向の速度水頭を静圧頭に変換することによってパージ流の性能が向上される。ロータホイールはまた、ホイールボアへの改善された熱伝達を通じて、ロータホイール温度を制御することによってロータ寿命及び振動特性を改善する。半径方向上方流側面における半径方向スロットは、パージ流の圧力損失を低減しながら、機械加工のコスト及びサイクル時間を短縮する。半径方向パドル及び湾曲パドルの凹部は、ロータホイールの重量を低減し、ロータホイールのボアの温度応答を改善する。ロータのパージシステムはまた、ガスタービンの高速始動性能を向上させる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

２ ガスタービンロータ
４ ロータホイール
６ パージ流
８ 半径方向パドル
１０ 凹部
１２ 半径方向スロット
１４ 湾曲パドル
１６ 凹部
１８ 湾曲スロット
２０ パドル入口
２２ 出口（角度）
Ｒ１ ラジアル面Ｒ１
Ｒ２ ラジアル面Ｒ２
Ｒ３ ラジアル面Ｒ３

Claims (16)

1. ガスタービンロータ用のロータホイールであって、
   複数の湾曲スロットによって分離された複数の湾曲パドルを有する第１の側部と、
   複数の半径方向スロットによって分離された複数の半径方向パドルを有する第２の側部と、
   を備え、
   前記湾曲スロットは、各スロットの長手方向軸に沿って湾曲し、
   前記半径方向スロットは、直線状の軸を有し、
   前記第１の側部が、前記ロータホイールの半径方向下向きで前記ロータを通る加圧空気の流れに曝されるように構成され、
   前記第２の側部が、前記ロータホイールの半径方向上向きで前記加圧空気の流れに曝されるように構成されている、
   ロータホイール。
2. 前記複数の湾曲スロットが各々、パージ流をスワールして該パージ流の接線方向の速度水頭を静圧頭に変換するよう構成された入口を含む、請求項１に記載のロータホイール。
3. 前記複数の湾曲スロットが各々、前記ロータホイールのボア領域に対して、前記パージ流をスワールし且つ前記ロータホイールのボア領域への熱伝達を増大させるよう構成された角度を有する出口を含む、請求項２に記載のロータホイール。
4. 前記複数の湾曲パドルの各々並びに前記複数の半径方向パドルの各々が凹部を含む、請求項１に記載のロータホイール。
5. 前記各凹部が機械加工される、請求項４に記載のロータホイール。
6. 前記各凹部がミル加工される、請求項４に記載のロータホイール。
7. 前記複数の半径方向スロットの各々及び前記複数の湾曲スロットの各々が機械加工される、請求項１に記載のロータホイール。
8. 前記複数の半径方向スロットの各々及び前記複数の湾曲スロットの各々がミル加工される、請求項７に記載のロータホイール。
9. 請求項１に記載の複数のロータホイールを備えたガスタービン用ロータ。
10. ガスタービンのロータをパージする方法であって、
    前記ロータの隣接するロータホイール間で該各ホイールの第１の側部上に半径方向下向きに、及び前記各ホイールの第２の側部上に半径方向上向きに加圧空気の流れを提供するステップと、
    前記各ロータホイールの第１の側部上で複数の湾曲スロットに前記加圧空気の流れを通過させるステップと、
    前記各ロータホイールの第２の側部上で複数の半径方向スロットに前記加圧空気の流れを通過させるステップと、
    を含み、
    前記湾曲スロットは、各スロットの長手方向軸に沿って湾曲し、
    前記半径方向スロットは、直線状の軸を有する、
    方法。
11. 前記複数の湾曲スロットに前記加圧空気の流れを通過させるステップが、前記複数の湾曲スロットの各々の入口にて前記加圧空気の流れの接線方向の速度水頭を静圧頭に変換するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数の湾曲スロットの各々の入口にて前記加圧空気の流れの接線方向の速度水頭を静圧頭に変換するステップが、前記複数の湾曲スロットの各々の入口にて前記加圧空気の流れをスワールさせるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記複数の湾曲スロットに前記加圧空気の流れを通過させるステップが、前記ロータホイールのボアに対してある角度で且つ前記ロータホイールの回転方向で前記複数の湾曲スロットから外に前記加圧空気の流れを配向するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記複数の湾曲スロットが、前記各ロータホイールの第１の側部上の複数の湾曲パドル間に設けられる、請求項１０に記載の方法。
15. 前記複数の半径方向スロットが、前記各ロータホイールの第２の側部上の複数の半径方向パドル間に設けられる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記複数の湾曲パドルの各々及び前記複数の半径方向パドルの各々が凹部を含む、請求項１５に記載の方法。