JP2015086872A - ガスタービンのセグメント間隙の冷却用および／またはパージ用の微細チャネル排出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールを冷却し、他方では高温ガス路内への圧縮機抽出流の漏出を防止または最小化する、ガスタービンのセグメント間隙の冷却用および／またはパージ用の微細チャネル排出装置を提供する。【解決手段】ガスタービンステータ部品は、弓形セグメントの環状アレイで作られた複合式のセグメント化されたリングを含み、各セグメントは、それぞれのシール溝が形成された端面を有し、隣接する弓形セグメントの対向する端面の間に形成された半径方向の間隙を有する。対向するシール溝の各対の間には、シールが位置して間隙をシールし、前記弓形セグメントのそれぞれには、冷却空気が供給されるようになっているチャネルが設けられ、チャネルが、チャネルと、シール溝のそれぞれの溝または半径方向間隙との間に延びる、シールの低圧側にある通路に接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、概してタービンエンジン部品の冷却に関し、より具体的には、ステータシュラウドまたは同様の形状を有する他のステータ部品と、ガスタービンのタービン燃焼器（複数も可）の下流の高温ガス路内の関連するシールとの冷却に関する。

一般的に、ガスタービンは、圧縮空気と燃料の混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、例えば発電機および／または圧縮機等を駆動するための出力を発生させるために、１つ以上のタービンセクションを通って流れてもよい。ガスタービンセクション内では、燃焼ガスは、典型的に、ノズルおよびブレード（またはバケット）の１つ以上の段を通って流れる。タービンノズルは、タービンロータに取り付けられた回転ブレードまたはバケットに燃焼ガスを案内する固定ベーンの周方向リングを含んでもよい。燃焼ガスは、バケットを通過して流れるときにバケットを駆動してロータを回転させ、ロータは、発電機または他の装置を駆動する。高温燃焼ガスは、ノズルベーンおよび／またはバケットを囲む固定シュラウドの周方向に隣接する弓形セグメントの間のシール、ロータホイール上で周方向に隣接する回転バケットまたはバケットセグメントの基台の間のシール、ならびに、同一または連続するタービン段の軸方向に隣接するノズルおよびバケットシュラウドの間のシールを用いて封じ込められる。

シールは、より高圧の圧縮機放出流または抽出流の、より低圧の高温ガス路内への吸込みを防止または最小化するように設計される。それにもかかわらず、シール周りの漏出は避けられず、タービン効率の全体的な低下の一因となる圧縮機の性能低下を引き起こす。

同時に、シュラウドセグメントおよびシールを含む高温ガス路の部品は、非常に高い燃焼ガス温度に耐えるために冷却されなければならない。従来の冷却スキームは、通常、内部冷却形状構成と、部品の表面の追加冷却を可能にする膜冷却孔を通って冷却空気が最終的に排出される関連する冷却技術（例えば、衝突、蛇状管、ピンフィン状バンク、壁面近傍の冷却）との幾つかの組合せを含む。しかし、幾つかの事例では、内部冷却流の全てまたは一部をこのように排出することが望ましくない。

シュラウドと、隣接するシュラウドと他の同様のステータ部品セグメントとの間のシールとを冷却するために様々な技術が利用されてきたが、シュラウドおよびシールの冷却を向上させること、ならびに、少なくとも１つの他の目的のために、加熱された冷却空気または使用済み冷却空気を使用して、例えばセグメントお間隙をパージすること、すなわちシールの下方（すなわち半径方向内側）の高温燃焼ガスを希薄化し、したがってシールを冷却し、他方では高温ガス路内への圧縮機抽出流の漏出を防止または最小化することが依然として望ましい。

例示的ではあるが非限定的である一実施形態では、周方向に開いたシール溝が形成された端面を有するセグメント本体であって、シール溝が、セグメント本体と、隣接するセグメント本体の対応するシール溝との間に延びるシールを受容するようになっている、セグメント本体と、シール溝に近接してセグメント本体に設けられ、冷却空気が供給されるチャネルと、チャネルからシール溝内に延びる通路と、を備える、リング状の回転機械ステータ部品用のセグメントが提供される。

他の例示的な態様では、完全な環状リングを形成するように配置された複数の弓形セグメントであって、各セグメントが、シール溝が設けられた端面を有し、シールが、隣接するセグメントのシール溝の間に延び、セグメント間の半径方向に向いた間隙をシールする、複数の弓形セグメントと、前記シール溝のうちの少なくとも１つに近接して各セグメントに設けられ、冷却空気が供給されるようになっているチャネルと、前記チャネルから延び、前記シールの半径方向外側の高圧側にある前記少なくとも１つのシール溝に開口する通路と、を備える、環状のタービン部品が提供される。

さらに他の態様では、それぞれのシール溝が設けられた対向する端面を有する軸方向に隣接した第１および第２の環状シュラウドであって、対向する端面の間の周方向に軸方向に延びる間隙が形成される、第１および第２の環状シュラウドと、それぞれのシール溝に嵌められる周方向シールであって、軸方向に延びる間隙をシールし、シールが、使用中に、シールの半径方向外側と半径方向内側で相対的に高圧の領域と低圧の領域を分離し、半径方向内側が高温ガス路に露出される、周方向シールと、軸方向に隣接する第１および第２の環状シュラウドのそれぞれ内に設けられた１つ以上の冷却チャネルであって、環状シュラウドが冷却空気を供給されるようになっており、１つ以上の冷却チャネルが、シール溝のそれぞれの溝内、または、シールの半径方向内側の相対的に低圧の領域で軸方向に延びる間隙内に冷却空気を導入するように配置される、１つ以上の冷却チャネルと、を備えるガスタービンステータが提供される。

以下に特定される図面と関連して、本発明についてより詳細に説明する。

ガスタービンエンジンのエンジン回転軸線に沿う部分断面図である。 図１の参照符号３６で示す囲み領域の拡大詳細図である。 例示的ではあるが非限定的な実施形態によるガスタービンシュラウドセグメントの部分正面図である。 図３に示す部分の部分断面図である。 例示的ではあるが非限定的な第２の実施形態によるガスタービンシュラウドセグメントの部分正面図である。 図５に示す部分の部分断面図である。

図１は、従来のガスタービンエンジン１０の長手方向軸線１２、すなわちタービンロータの回転軸線に沿って取られた側断面図である。図２の拡大詳細図も参照すると、当然のことながら、空気は、圧縮機１６の吸気セクション１４を通ってガスタービンエンジン１０に入る。圧縮機１６を出る圧縮空気は、燃焼器１８（１つが図示される）に案内されて、燃焼して高温燃焼ガスを発生させる燃料と混ざり合う。タービンの燃焼器セクション２０内には複数の燃焼器１８が環状に配置されてもよく、各燃焼器１８は、燃焼器１８からガスタービンセクション２４まで高温燃焼ガスを案内する尾筒２２を含んでもよい。つまり、各尾筒２２は、それぞれの燃焼器１８からタービンセクション２４までの高温ガス路を画定する。

図示する例示的なガスタービンセクション２４は、個別の３つの段２６を含む。各段２６は、それぞれのロータホイール３０に結合されたバケット２８の組または列を含み、それぞれのロータホイールは、回転軸線１２で表されるタービンロータまたはシャフトに回転可能に取り付けられる。各ホイール３０の間には、固定ベーンまたはブレード４２の周方向列を組み込むノズル４０の組がある。ノズルベーン４２は、セグメント化された内側および外側ステータシュラウドまたは側壁４４、４６の間に支持され、各セグメントが１つ以上のベーンを組み込み、他方ではバケット２８が固定のステータシュラウドセグメント４８によって囲まれる。ノズルおよびバケットシュラウドは、高温燃焼ガスを封じ込めるのに役立ち、原動力がバケット２８に効率的に加えられることを可能にする。高温燃焼ガスは、排出セクション３４を通ってガスタービンセクション２４から出る。

本発明の適用は、周方向に隣接するノズルベーンおよび／またはバケットシュラウドセグメントの間、周方向に隣接するバケットの間、および同一または隣接段の周方向に隣接するシュラウド（ノズルおよびバケット）の間で半径方向に向いた間隙を横切って延びるシールに関する。

もちろん当然のことながら、タービンセクション２４が３段タービンとして図示されているが、ここで述べる冷却シール構成は、例えば、単一段タービン、低圧タービンセクションおよび高圧タービンセクションを含む二元タービン、または３つ以上の段を有する複数段タービンセクション等、任意数の段およびシャフトを有するタービンで利用されてもよい。さらに、ここで述べる冷却シール構成は、ガスタービン、蒸気タービン、水力タービン等で利用されてもよい。

典型的に、冷却流体として機能してもよい、圧縮機１６からの放出空気（圧縮機抽出流としても知られる）（図１）は、固定ベーン４２、内側および外側バンドセグメント４４および４６、ならびに／またはシュラウドセグメント４８を通って案内されて、これらの部品に必要とされる冷却をもたらしてもよい。

ここで述べる例示的ではあるが非限定的な実施形態では、圧縮機１６からの放出空気は、冷却流体としても使用されて、バケット２８に面するシュラウドセグメント４８の高温側での熱エネルギーの増加を軽減または制御する。

幾つかの実施形態では、圧縮機放出空気に加えてまたは代えて、蒸気、再循環排出ガスまたは燃料等の他の冷却流体が使用されてもよい。

図３および図４は、例示的ではあるが非限定的な第１の実施形態によるステータシュラウドセグメント５０（すなわち環状シュラウド４８の１つの弓形セグメント）の部分端面図である。当然のことながら、図３に示すようなシュラウドセグメント５０は、図２と関連して述べたようなタービンホイール上のバケット２８の列に面するまたは半径方向に隣接して横たわる、半径方向内側面５２を含む。周方向の接合面５４（または端面）は、隣接するシュラウドセグメント５６（仮想線で示す）に対向し、セグメント間で半径方向に延びる間隙５８を伴って横たわる。接合面または端面５４に形成されたシール溝６０は、隣接する接合面６４の同様の溝６２と並んでおり、溝の対は、高温ガス路６７（図４）に沿って流れる高温燃焼ガスに、より高圧の圧縮機抽出流が半径方向内側に漏出するのを抑制するためにシール６６を受容するようになっている。当然のことながら、反対の接合面に同様のシール／シール溝構成が設けられ、したがって、シールは、環状シュラウド全体の周りで、隣接するセグメントの隣接する溝の間に延びる。

図示する実施形態では、面５２（または高温ガスに面する側）は、高温燃焼ガスに直接露出される面５４に保護をもたらすために既知の遮熱コーティング（ＴＢＣ）６８で被覆されてもよい。

面５２には、例示的な実施形態では軸線方向に（高温ガス路と平行に）延びる、チャネル７０が形成される。チャネル７０は、周方向に延びることもでき、波状、ジグザグ状または他の適当な形状を有することもできる。所望の長さであってもよいチャネル７０には、シュラウドセグメント５０の半径方向外側面７４から傾斜して延び一端でチャネル７０内に開口する通路７２によって、例えば圧縮機抽出空気等の冷却空気が供給される。したがって、通路７２は、入口通路とみなされてもよい。図３に示す例示的な実施形態では、チャネル７０の反対端からシール溝６０内へ半径方向外側に延びる出口通路７６がシュラウドセグメントに形成される。このようにして、チャネル７０を通過する冷却空気は、熱を吸収し、したがって面５２（およびＴＢＣ６８）を冷却し、加熱された冷却空気は、シール溝６０に排出され、そこでシールの下側または低圧側を冷却し、シール６６の半径方向内側に横たわる間隙５８の一部に入ってパージし、すなわち、使用済み冷却空気は、さもなければシールおよびセグメント端面を余りにも熱くする、セグメント間隙の高温ガスと混ざり合って高温ガスを希薄化する。シール６６の半径方向内側の間隙のその部分への空気の流れは、より高圧の圧縮機空気が高温ガス路内へ漏出することも抑制する。当然のことながら、異なるシール構成が、シール溝６０に達する際の加熱された冷却空気の正確な流れを決定づけるであろう。また当然のことながら、隣接するシュラウドセグメント５６に同様の冷却構成が設けられる。

図５および図６に示す他の例示では、シュラウドセグメント１５０は、半径方向内側面１５２と、隣接するシュラウドセグメント（シュラウドセグメント５６と同様）に面しセグメントとの間で半径方向に延びる間隙１５８を伴う周方向接合面１５４とを含む。シール溝１６０は、シール溝６０と同様であり、隣接するシール溝（溝６２と同様）と協働する。半径方向内側面１５２も、ＴＢＣ１６８で被覆されてもよい。前述した実施形態のように、入口通路１７２は、シュラウドセグメントの半径方向外側面１７４から延び、チャネル１７０内に開口する。しかし、この実施形態では、チャネル１７０からの出口通路１７６は、シール溝１６０の半径方向内側で端面または面１５４に開口し、したがってシールの半径方向内側の間隙１５８のその部分をパージする。通路１７６からの出口を高温ガス路から十分に離す（半径方向外側の方向に）ことによって、パージ空気は、間隙の高温ガスを希薄化するのに一層有効となるであろう。通路１７６からの出口が高温ガス路に近過ぎる場合、パージ空気が高温ガス路内に直ちに吸い込まれ、間隙をパージするために追加の流れが必要であろう。

両方の実施形態では、さもなければシュラウドセグメント間の間隙をパージするために必要とされる空気は、使用済み冷却空気がシールの半径方向内側の間隙内に排出される、ここで開示する構成によって低減される。

また当然のことながら、チャネル７０、１７０の半径方向内側を被覆する板または他の基板の上にＴＢＣコーティング６８または１６８が適用されてもよく、コーティング自体が微細チャネルの開口側を閉鎖してもよい。

チャネル７０、１７０に関して、様々な寸法関係および形状が可能である。例えば、特定の実施形態によれば、チャネル７０および１７０は、任意の適当な組合せで約５０ミクロンと４ｍｍの間の幅および深さを有する微細チャネルとして設けられてもよい。断面では正方形または長方形として図示しているが、微細チャネルは、溝切り、エッチング、または同様の成形技術によって形成されうる任意の適当な形状であってもよい。例えば、微細チャネルは、図示する正方形または長方形の断面に加えてまたは代えて、円形状、半円形状、湾曲状の、三角形状または菱形状の断面を有してもよい。加えて、チャネル（複数も可）の幅および深さは、その長さを通じて一定に変化してもよく、異なるように変化してもよい。したがって、開示する微細チャネルは、そのような断面と調和する直線または湾曲形状を有してもよい。

当然のことながら、バケットシュラウド４８と関連して上述したような冷却／シール構成は、内側および外側のノズルシュラウド４４、４６のセグメントにも適用可能である。加えて、冷却／シール構成は、軸方向でノズルシュラウドとバケットシュラウドの間、例えばノズルシュラウド４６とバケットシュラウド４８の間に位置するシールにも適用可能である。軸方向に隣接するシュラウドの場合、対向する縁面５４、６４が図３に示すようではないことを認識して、シール６６（周方向シールとして構成される）は、ノズルシュラウド５０と、軸方向に隣接するバケットシュラウド５４との間の軸方向間隙５８をシールするとみなすことができる。

また当然のことながら、記述した構成によれば第１および第２の段が恩恵を受けるであろうと思われるが、本発明は、任意のタービン段に適用可能である。

ここでは様々な実施形態を記述するが、当然のことながら、本明細書に基づいて要素の様々な組合せ、変形または改良が当業者によってなされてもよく、それらは、本発明の範囲内である。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 長手方向軸線
１４ 吸気セクション
１６ 圧縮機
１８ 燃焼器
２０ タービン燃焼器セクション
２２ 尾筒
２４ タービンセクション
２６ 段
２８ バケット
３０ ロータホイール
３４ 排出セクション
４０ ノズル
４２ ベーンまたはブレード
４４、４６ 側壁またはバンドセグメント
４８ ステータシュラウドセグメント
５０、１５０ シュラウドセグメント
５２、１５２ 半径方向内側面
５４、６４、１５４ 接合面（または端面）
５６ 隣接するシュラウドセグメント
５８、１５８ 半径方向に延びる間隙
６０、６２、１６０ シール溝
６６ シール
６７ 高温ガス路
６８、１６８ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）
７０、１７０ チャネル
７２、１７２ 入口通路
７４、１７４ 半径方向外側面
７６、１７６ 出口通路

Claims (20)

1. 周方向に開いたシール溝（５８）が形成された端面（５４）を有するセグメント本体（５０）であって、前記シール溝（５８）が、前記セグメント本体（５０）と、隣接するセグメント本体（５６）の対応するシール溝（６２）との間に延びるシール（６６）を受容するようになっている、セグメント本体（５０）と、
   前記シール溝（６０）に近接して前記セグメント本体（５０）に設けられ、冷却空気が供給されるチャネル（７２）と、
   前記チャネル（７２）から前記シール溝（６０）内に延びる通路（７６）と、
   を備える、リング状の回転機械ステータ部品用のセグメント。
2. 前記チャネル（７２）が、冷却空気源からの冷却空気を供給するようになっている冷却空気入口ダクトと連通している、請求項１に記載のセグメント。
3. 前記通路（７６）が前記シール溝（６０）の半径方向内側面に開口している、請求項１に記載のセグメント。
4. 前記チャネル（７２）が、約５０ミクロンと約４ｍｍの間の幅およびまたは深さ寸法を有する微細チャネルを備える、請求項１に記載のセグメント。
5. 前記微細チャネルが、円形、半円形、正方形、長方形、三角形または菱形から選択される断面形状を有する、請求項４に記載のセグメント。
6. 前記通路（７６）が前記シール溝（６０）の半径方向内側面に開口している、請求項５に記載のセグメント。
7. 前記セグメント本体（５０）が弓形である、請求項１に記載のセグメント。
8. 前記微細チャネルの高温ガスに面する側がコーティングで閉鎖される、請求項４に記載のセグメント。
9. 前記コーティングが遮熱コーティング（６８）を備える、請求項８に記載のセグメント。
10. 完全な環状リングを形成するように配置された複数の弓形セグメント（５０；１５０）であって、各セグメント（５０；１５０）が、シール溝（６０；１６０）が設けられた端面（５４；１５４）を有し、シール（６６）が、隣接するセグメント（５６）のシール溝（６２）の間に延び、前記セグメント（５０、５６；１５０）間の半径方向に向いた間隙（５８；１５８）をシールする、複数の弓形セグメント（５０；１５０）と、
    前記シール溝（６０、６２；１６０）のうちの少なくとも１つに近接して各セグメント（５０、５６；１５０）に設けられ、冷却空気が供給されるようになっているチャネル（７２；１７２）と、
    前記チャネル（７２；１７２）から延び、前記少なくとも１つのシール溝（６０、６２；１６０）内、または、前記シールの半径方向内側の低圧側にある半径方向に向いたそれぞれの間隙（１５８）内に開口する通路（７６；１７６）と、
    を備える、環状のタービン部品。
11. 前記複数の弓形セグメント（５０；１５０）が、環状のタービンステータノズルシュラウドを形成するように組み合わさる、請求項１０に記載の環状のタービン部品。
12. 前記複数の弓形セグメント（５０；１５０）が、環状のタービンステータバケットシュラウドを形成するように組み合わさる、請求項１０に記載の環状のタービン部品。
13. 前記チャネル（７２；１７２）が、約５０ミクロンと約４ｍｍの間の幅およびまたは深さ寸法を有する微細チャネルを備える、請求項１０に記載の環状のタービン部品。
14. 前記微細チャネルが、円形、半円形、正方形、長方形、三角形または菱形から選択される断面形状を有する、請求項１３に記載の環状のタービン部品。
15. 前記微細チャネルの半径方向内側がコーティングで閉鎖される、請求項１０に記載の環状のタービン部品。
16. それぞれのシール溝が設けられた対向する端面を有する軸方向に隣接した第１および第２の環状シュラウドであって、前記対向する端面の間に周方向に軸方向に延びる間隙が形成される、第１および第２の環状シュラウドと、
    前記それぞれのシール溝に嵌められる周方向シールであって、前記軸方向に延びる間隙をシールし、前記シールが、使用中に、前記シールの半径方向外側面と半径方向内側面で相対的に高圧の領域と低圧の領域を分離し、前記半径方向内側が高温ガス路に露出される、周方向シールと、
    軸方向に隣接する前記第１および第２の環状シュラウドのそれぞれ内に設けられた１つ以上の冷却チャネルであって、前記環状シュラウドが冷却空気を供給されるようになっており、前記１つ以上の冷却チャネルが、前記シール溝のそれぞれの溝内、または、前記シールの前記半径方向内側の前記相対的に低圧の領域で軸方向に延びる間隙内に冷却空気を導入するように配置される、１つ以上の冷却チャネルと、
    を備えるガスタービンステータ。
17. 前記通路が、前記高温ガス路よりも前記シールの近くの位置で前記端面のうちの１つに開口する、請求項１６に記載のガスタービンステータ。
18. 前記チャネルの高温ガスに面する側がコーティングで閉鎖される、請求項１６に記載のガスタービンステータ。
19. 前記第１の環状シュラウドがステータノズルシュラウドを備える、請求項１６に記載のガスタービンステータ。
20. 前記第２の環状シュラウドがステータバケットシュラウドを備える、請求項１６に記載のガスタービンステータ。