ガスタービンは一般に、回転する複数の列状のローターブレードを伴ってローターシャフトに固定されたローターと、前記列状のローターブレード間でガスタービンのケーシングに固定された複数の列状の固定型ベーンとを含んでいる。高温の加圧された作動媒体が前記複数の列状のベーン及びブレードに流れると、前記ローターブレードに動き動作が与えられ、拡張及び冷却の間にローターに回転運動が付与される。前記複数のベーンは、前記ローターブレードへの運き動作の付与が最適化されるような作動媒体の流れ制御のために使用されている。
典型的なガスタービンのローターブレードは、ローターシャフトに固定するための根元部分と、空気力学的に形成された翼形部分とを含んでいる。この翼形部分の設計により、当該翼形区間に沿って高温の加圧された作動媒体が流れたときに運動量の移動が可能となる。さらに前記根元部分と翼形部分との間に配置されたプラットフォームが含まれている。このプラットフォームの、前記翼形部分に向いた表面は、高温の加圧された作動媒体のための流路壁部を形成している。
前記作動媒体は高温であるので、前記複数の列状のブレードのタービンブレードは次のようにローターシャフトに取り付けられている。すなわち、隣接するプラットフォームの間に間隙が残され、それによって作動媒体の熱によるガスタービンローターブレードの拡張が妨げられないように取り付けられている。さらにまた前記タービンブレードの積極的な冷却のために、典型的には圧縮機からの加圧された空気がプラットフォームの根元側に沿って導かれ、時折翼形部分の内部を通るように導かれている。古い設計では開放循環型の冷却が用いられ、そこでは加圧された冷却空気がタービンブレードを通過した後に作動媒体の流路内へ放出される。しかしながら高効率のガスタービンエンジンでは、閉鎖循環型の冷却が求められる。そこでは冷却空気は作動媒体の流路には放出されず、再冷却の後で圧縮機に戻される。そのような閉鎖循環型の冷却システムは、隣接するローターブレード間の間隙の封止を頼みにしている側面も持っている。
隣接するローターブレード間にシールピン又はシールストリップを備えたローターブレードは、独国特許出願公開第10346384号明細書、米国特許出願公開第2009/169369号明細書、米国特許出願公開第2010/0284800号明細書、米国特許第6273683号、米国特許第6561764号、米国特許出願公開第2010/0129226号明細書及び欧州特許第2201271号に開示されている。典型的にはそのようなシールストリップ又はシールピンは、プラットフォームの側面内に位置する溝によって所定の場所に保持されている。シールストリップは高温の作動媒体にさらされたときにも拡大するので、前記溝の寸法は、典型的には、シールストリップ又はシールピンの長さ及び厚さよりも若干大きくなっている。
前述したような従来技術に対して本発明の課題は、隣接するローターブレードのプラットフォーム間の間隙の良好なシーリングを可能にする、ガスタービンローターブレードを提供することにある。さらに本発明の課題は、有利なガスタービンローターの提供にある。
本発明の第1の課題は、請求項1に記載された本発明によるガスタービンローターブレードによって解決され、第2の課題は、請求項9に記載された本発明によるローターによって解決される。従属請求項には、本発明のさらなる改善例が含まれている。
本発明によるガスタービンローターブレードは、ローターブレードのスパン方向に沿って根元部分、プラットフォーム及び該プラットフォームに配置された翼形部分を含み、前記プラットフォームは、前記根元部分と翼形部分との間に位置する。プラットフォームは、上流側と下流側と、上流側から下流側に向かって延びる側面とを有している。軸方向溝は、プラットフォームの各側面内に存在している。この軸方向溝は、スパン方向に小規模な拡張成分を伴ってスパン方向に対して実質的に垂直に延在している。この溝の軸方向の拡張成分に対する小規模な拡張成分の比率は典型的には0.03乃至0.1の間にある。さらに径方向溝がプラットフォームの各側面内に存在し、この径方向溝は、軸方向溝に向かってスパン方向の拡張成分とスパン方向に垂直な方向の拡張成分とを伴って延在している。スパン方向の拡張成分に対するスパン方向に垂直な拡張成分の比率は0.3乃至0.5の範囲にあってもよい。径方向溝は、軸方向溝から離れる側の第1の端部と軸方向溝に向かう側の第2の端部とを有している。この第2の端部は、軸方向溝から距離をおいて配置されており、それによって径方向溝の第2の端部と軸方向溝との間に溝無し区間が形成される。
本発明によるローターブレードにおいて軸方向溝は、厳密には軸方向ではなく、わずかに傾斜している。その理由は、作動媒体のための流路の壁を形成しているプラットフォームの表面が、典型的にはローターブレードのスパン方向に対して垂直ではないことにある。つまり溝にわずかな傾斜を与えることによって、この溝は、前記プラットフォームの表面と平行になることができる。従って、流路の壁を形成している表面からプラットフォームの冷却領域までの距離は、プラットフォーム全体に亘って同じになる。しかしながら軸方向溝に傾斜を設けることは、ローターブレードが構成要素の一部である回転するローターの遠心力のために、溝に挿入されているシールストリップの摺動を誘起しかねない。特に、小径のローターを備えている場合にはそのようなシールストリップの摺動が発生しやすい。径方向溝が軸方向溝に向かって開口している場合には、軸方向溝内に位置するシールストリップの、遠心力に起因する摺動は、径方向シールが遠心力に起因して径方向外側に移動し得るような状況に結びつく可能性があり、これは径方向シール周りの漏れ流路の原因になる。
径方向溝の第2の端部と軸方向溝との間に溝無し区間を備えることによって、径方向シールのそのような動きを防止することができる。小さな漏れ流路が溝無し区間に形成されていてもこの溝無し区間を介した漏れは十分に規制できる。なぜなら漏れ流路の寸法が決まっているからであり、これによって、そのような溝無し区間の存在がなくローターが回転しているときに径方向シールが径方向外側に移動し得るような状況に比べて全体としての漏れが減少する。従って、十分に規制された漏れ流路を導入すれば、全体としての漏れ量を低減させることにつながる。さらに十分に規制された漏れ流路は、各シール及びロータブレードアセンブリ全体を通して、全体としての漏れ量が既知となりそれの繰り返しが保証される。
本発明によるガスタービンローターブレードの実施例によれば、軸方向溝のスパン方向における小規模な拡張成分は、プラットフォームの下流側から上流側に向かって見たときに、軸方向溝が翼形部分に向かって勾配を有している。
本発明によるガスタービンローターブレードのさらなる改善例によれば、さらなる溝が、プラットフォームの側面内に存在している。このさらなる溝は、軸方向溝及びプラットフォーム上流側に向かって開口している。さらにこのさらなる溝は、プラットフォームの下流側から上流側に向かって見たときに、当該さらなる溝が翼形部分から離れるにつれて傾斜している。シールストリップが可撓性の材料から作られている場合には、このさらなる溝は、ローターブレードの上流側からのシールストリップの挿入に用いることが可能である。軸方向溝が、プラットフォームの下流側から上流側に向かって見たときに、翼形部分に向かって傾斜している場合には、シールストリップをさらなる溝を通して挿入した後で、ローターが回転したときにシールストリップに作用する遠心力によって、シールストリップがそのシール位置に移動することが達成される。さらにシールストリップが軸方向溝内に挿入された後で、さらなるシールストリップをさらなる溝に配置することも可能である。
本発明によるガスタービンローターブレードのさらなる改善例によれば、スパン方向に垂直な径方向溝の拡張成分が、径方向溝の第1の端部から第2の端部に向かって見て、径方向溝がプラットフォームの上流側端部に向かって傾斜するようになっている。
前記径方向溝の第1の端部が開口している場合、シールストリップは、プラットフォームの下流側から当該溝内に挿入することができる。
さらに前記溝の開放端は、ブレードがシールストリップの挿入前に最初にディスクに取り付けられるようにするために重要である。このことは、ローターアセンブリ全体を分解することなくシールストリップが取り外し及び/又は交換できるだけでなく、対向する側面との間のより小さな間隙を可能にする。
その他に好適には、前記溝及び/又はシールストリップは、溝無し区間が前記複数の溝及び/又はシールストリップ間で径方向の寸法を有するように軸方向で重なっている。プラットフォームのブレードによって画定される空隙内及び軸線方向に明確な照準線が提供されるように、前記溝無し区間は、前記複数の溝及び/又はシールストリップ間で径方向の寸法又は拡張を有する。
前記さらなる溝は、ストリップシールの挿入を可能にするために、その遠位端が開口している。
前記軸方向溝と前記径方向溝は、軸方向で重なるように配置される。この軸方向の重畳部分の長さは、少なくとも軸方向溝の上流端からさらなる溝と軸方向溝の接合部までによって定められる長さである。
前記溝無し区間は、軸方向溝と径方向溝との間で所定の径方向寸法を有している。換言すれば、前記径方向溝の少なくとも一部は、軸方向溝の少なくとも一部と径方向で位置合わせされる。好ましくは前記径方向溝は、径方向内側プラットフォーム又はタービンブレード対向面に適用される、軸方向溝の径方向で内側に位置する。また好適には、前記径方向溝は、径方向外側プラットフォーム又はタービンブレード対向面に適用される、軸方向溝の径方向外側に位置していてもよい。
前記径方向寸法は、軸方向でローターブレードによって画定される空隙内に明確な照準線が提供できるように配設される。
本発明によるガスタービンローターブレードにおいて、径方向溝の第2の端部と軸方向溝との間の溝無し区間のスパン方向の拡張は、好適には、軸方向溝幅の50%乃至150%の範囲にあり、とりわけ軸方向溝幅の75%乃至100%の範囲にある。溝無し区間に前述したような範囲の寸法を持たせることによって、当該区間によって生成される漏れ流路を十分小さく抑えることが可能になる。それにより、このような溝無し区間無しの場合よりも漏れが少なくなり、径方向シールストリップが遠心力によって径方向外側に移動するようなこともなくなる。
本発明のさらなる態様によれば、ガスタービンローターが提供される。本発明によるガスタービンローターは、軸方向に沿って延在し、さらに本発明による複数のガスタービンローターブレードを含んでいる。これらのローターブレードは、隣接する各ローターブレード間に間隙が残されるように、ローターの円周方向に並んで配置される。軸方向シールは、隣接する各ローターブレード間を延在し、隣接する各ローターブレードのプラットフォーム側面内において軸方向溝によって所定の位置に保持される。さらに径方向シールも隣接する各ローターブレード間を延在し、隣接する各ローターブレードのプラットフォーム側面内において径方向溝によって所定の位置に保持される。
本発明によるローターに、本発明によるガスタービンローターブレードを使用することにより、ローターブレード間の間隙からの漏れは、本発明のガスタービンローターブレードに基づく上述したような漏れの画定によって低減することができる。
すなわちこの画定された漏れは、本発明によるガスタービンローターの使用によって導入され、本発明のローターブレードの溝無し区間は、軸方向シールと径方向シールとが相互に独立して作用することを保証する。これらのことが実現されないならば、漏れはさらに拡大することになる。従って、画定された漏れの導入によれば、ローターの漏れは、軸方向溝は有するが軸方向溝と径方向溝との間の溝無し区間は有さないローターブレードを使用する場合に比べて低減することができる。
前記軸方向シールは、シールストリップ又はシールピンとして実現されてもよい。同様に、前記径方向シールも、シールストリップ又はシールピンとして実現することが可能である。また1つの具体例として、一方のシールはシールストリップとして実現し、他方のシールはシールピンとして実現してもよい。
本発明のさらに別の態様によれば、以下のステップを含むローターアセンブリの組み立て方法が提供される。すなわち、第1のステップにおいて本発明による少なくとも2つのローターブレードをローターディスクに取り付け、第2のステップにおいて、軸方向シールストリップをさらなる溝の開放端を通して軸方向溝内に完全に若しくは実質的に挿入するか、又は径方向シールストリップを開放端を介して径方向溝内に挿入し、代替的に続ける。またこの方法は任意選択的に、シールストリップの外れを防止するために、開放端に亘ってロックプレートを配置することを含む。このことは、各ブレードがローターアセンブリに組み付けられた後の、本発明によるローターブレードにおいてどちらか一方若しくは両方のシールストリップをそれらの溝に挿入若しくは組み付ける際に有利となる。従って、円周方向に隣接するブレード間で若しくはそれらのブレードを介して同等の若しくは設計仕様された漏れの量が可能となる。
本発明のさらなる特徴、特性及び利点は、添付図面と関連した以下の特定の実施形態の説明からも明らかになる。
本発明によるガスタービンローターブレードを示した図
本発明によるローターの概略的断面図
以下では本発明によるガスタービンローターブレードの実施例を、図1及び図2に関連して説明する。これらの図面では、ローターブレード25は回転軸100の周りでローターディスク27に取り付けられている。軸方向、径方向及び円周方向の各用語は、回転軸に対応した表記であり、この回転軸100は通常は対応するガスタービンエンジンの回転軸である。
図1には、ローターブレードの側面が、図中においてスパン方向が垂直方向若しくは径方向となるような配向で示されている。この図では、ローターブレードの翼形部分1、根元部分7及びプラットフォーム9が示されている。プラットフォーム9は、翼形部分1と根元部分との間に位置している。上述のスパン方向とは、前記翼形部分1の前縁3と後縁5とを結ぶ概念的な直線状のラインに対して垂直な方向に相当する。
本実施形態によるローターブレードのプラットフォーム9は、三種類の溝、詳細には第1の溝11(以下では軸方向溝と称する)と、それに続く第2の溝13(以下では径方向溝と称する)と、さらなる溝15とを備えている。これらの溝11,13,15は、プラットフォーム9の上流側17と下流側19とを結ぶプラットフォーム9側面10に配置されている。プラットフォーム9の表面21は、高温の加圧された作動媒体のための流路の壁面を形成する。前記作動媒体は、前記翼形部分1に沿って案内され、ローターブレードが固定されたローターシャフトと共にローターブレードがその一部をなすローターに対して動きの動作を付与する。ローターブレードは、以下で図2に基づいて説明するように、その根元部分7によってローターシャフトに固定されている。
プラットフォーム9の根元側には空隙13が形成されており、この空隙13には、ローターブレードが動作しているときにプラットフォームを冷却するための圧縮空気が供給される。この冷却空気は、前記翼形部分の冷却のために前記翼形部分の内部を通って案内されてもよい。
図2には、本発明によるローターブレードを装備したローターの断面が示されている。この図は、ローターの円周方向にあるローター部分を断面図で示している。換言すれば、図2は軸方向で見たローター断面図であり、上流側17から下流側19への延在方向に沿って見たローターブレードの断面図に対応している。図2の断面図ではローターブレードの上流側17がカットされていることに留意されたい。
複数のローターブレード25は、それらの根元部分7によってローターシャフト27に固定されている。これらの根元部分7は、ローターシャフト27のノッチ29に対応する形状を有している。このローターシャフト27は、ローターの軸方向に沿って複数のローターディスクが重なるようにして構成され、複数のローターブレードの各列は個々のディスクによって支持されていることに留意されたい。1つのローターブレードの列のノッチ29は、1つのディスクの部分であり、さらなるローターブレードの列のノッチはさらなるディスクの部分である。
図2に示す図からは複数のローターブレード25のプラットフォーム9、翼形部分1、根元部分7が見て取れる。これらのローターブレード25は、隣接するローターブレード25側面10間で間隙26が残されるようにローターシャフト27に固定されている。プラットフォーム9の側面10には軸方向溝11が見て取れ、プラットフォーム9の下方には空隙23が見て取れる。図2では径方向溝13とさらなる溝15は見ることができないが、図2からは軸方向溝と径方向溝13の関係が明らかになる。軸方向溝11は、多かれ少なかれローターの径方向に小規模な拡張成分を伴ってローターの軸方向に対して平行に延在しているのに対して、径方向溝13の拡張は、径方向に大規模な拡張成分を伴っている。前記径方向とは、多かれ少なかれ図1に示されているスパン方向Sに相応している。
以下ではさらに前記軸方向溝11の拡張と前記径方向溝13の拡張について、複数の拡張成分が描写されている図1に基づいて説明する。軸方向溝11は、ローターの軸方向(この方向は多かれ少なかれスパン方向Sに対して垂直である)に大規模な拡張成分11Aを伴い、スパン方向に小規模な拡張成分11Bを伴った拡張の方向を有している。前記小規模な拡張成分11Bの前記大規模な拡張成分11Aに対する比率は、0.03乃至0.1の範囲にある。換言すれば、前記小規模な拡張成分11Bの大きさは、前記大規模な拡張成分の大きさの3%から10%の間にある。径方向に小規模な拡張成分を伴わせたこの軸方向溝の拡張の提供によって、軸方向溝には勾配が導入される。この勾配は、プラットフォーム9の下流側19から上流側17を見た場合に当該軸方向溝11が翼形部分に向かって勾配を有するように形成される。
径方向溝13の軸方向の拡張部分13Aの、径方向溝13の径方向の拡張部分13Bに対する比率は、0.3乃至0.5の範囲にある。換言すれば、軸方向の拡張成分は、径方向の拡張成分の30%乃至50%に相当している。この処置により、径方向溝13の拡張方向における勾配は、径方向溝13がプラットフォームの上流側17に向かって傾斜するように、すなわち径方向溝13の第1の下端部31から第2の上端部33に向けて傾斜するように導入される。
図1から分かるように、当該実施例では径方向溝13は、開放端である第1の端部31から軸方向溝11に向かって延びている。しかしながらそれは、第2の端部33が閉塞端となり、かつ当該径方向溝13の第2の端部33と軸方向溝11との間に溝無し区間12が形成されるように第2の溝11には到達していない。この溝無し区間12のスパン方向若しくは径方向の寸法乃至拡張12Bは、軸方向溝11の幅の50%乃至150%の範囲にある。具体的には前記拡張12Bは、軸方向溝11の幅の75%乃至100%の範囲であってもよい。この溝無し区間12の意味は後で説明する。
さらなる溝15は、軸方向溝11及び上流側17に向かって開口しているが、但し軸方向溝11及び径方向溝13とは異なる方向に傾斜している。換言すれば、さらなる溝15の勾配は、プラットフォーム9の下流側19から上流17側に向かって見て、翼形部分から離れるように(又は根元部分に向けて)傾斜している。このさらなる溝の意味も後で説明する。
プラットフォーム9の側面10内における軸方向溝11及び径方向溝13は、複数のローターブレード25をローターシャフト27に取り付けた場合にそれぞれ軸方向シール35と径方向シール37を保持している。これらのシール35,37は、隣接するローターブレードのプラットフォーム9の間の間隙26を埋めて、空隙23を通って誘導された冷却空気が作動媒体の流路に流入することから防止するために空隙23をシールしている。しかしながら、流路内への冷却空気の明確に定められる漏れは、径方向溝13の第2の端部33と軸方向溝11との間の溝無し区間12によって可能となる。なぜならこの溝無し区間12はシールフリー区間だからである。しかしながらこの溝無し区間は、ローターが回転しているときに、図1の径方向シール37を上方への移動から守る。仮に径方向溝13が軸方向溝11に向かって開口していたならば、そのような上方への移動が可能になる。なぜなら軸方向シール35の長さは、軸方向溝11の長さよりも短いからである。それ故にシール上に作用する遠心力は、軸方向シールをプラットフォーム9の上流側17に向けて駆動する。この動きは、径方向シール13の上方移動のためのスペースを供給する。そのような上方移動は、径方向シール周りの漏れ流路を引き起こし、それは溝無し区間を通る所定の漏れ流路よりも大である。それ故シール無し区間12は、径方向溝13の第2の端部33と軸方向溝11との間に設けられる。
軸方向シール35の長さは、さらなる溝15を通って軸方向溝11内に弾性シールストリップを実装できるように、軸方向溝11の長さよりも短くしてある。弾性シールストリップを実装するときは、このストリップは、さらなる溝15を通って軸方向溝11の下流側端部に達するまで当該軸方向溝11内を移動する。その後で弾性シールストリップの上流側端部が上方にスナップし、それによってシールストリップは完全に軸方向溝11内に位置する。次いでローターが所定量の回転速度(毎分回転数)で回転した場合に、軸方向シールストリップは、遠心力によって駆動され軸方向溝11の上流側端部に向かって移動する。この遠心力は、溝無し区間12が存在しなければ径方向シールストリップの上方への移動を可能にさせる。それ故に、径方向溝13の第2の端部33と軸方向溝11との間に溝無し区間12を形成することによって、漏れ流路が形成される間2つのシールは別々に作用することが保証される。このことは最終的には、溝無し区間12が存在しないときに比べて小さな漏れ領域しか生じないことにつながる。
さらなる溝15は開放端102を有し、この開放端102を通ってシールストリップが最初に挿入される。軸方向溝は、下流側端部104と上流側端部106とを有している。軸方向シール35の長さは、少なくとも前記上流側端部106から軸方向溝11とさらなる溝15との接合部108までによって定められる長さLであり、軸方向溝11の長さよりも短い。
軸方向溝11と径方向の溝13は、軸方向で重畳部分110が生じるように配置される。この重畳部分110は、各溝の少なくとも一部が径方向で位置合わせできる程度に非常に小さくてもよい。図示の実施例では、軸方向の重畳部分110は、少なくとも長さLであってもよいし、長さLの2倍の長さであってもよい。
本実施例では、径方向シール37の実装は、径方向溝13の下方の開放端31を通って行われる。シールストリップは、径方向溝13からの抜け落ちに対して図には示されていないロッキングプレート112を用いて固定される。同様にさらなる溝15内のシールストリップもこのロッキングプレートによって固定されていてもよい。
ローターブレード25は、ローターディスク27を含んだローターアセンブリの一部である。ローターアセンブリの組み立て方法には、少なくとも2つのローターブレードをローターディスク取り付けることが含まれる。軸方向シールストリップ35は、軸方向溝11の下流端104まで(若しくはその近傍まで)到達させるために、さらなる溝15の開放端102を通って挿入される。シールストリップ35は、弾性的でかつ径方向で見ても完全に若しくは実質的に軸方向溝11内にあるような弾性体であってもよい。径方向シールストリップ37は開放端31を介して径方向溝内へ挿入され、シールストリップ37の抜け落ちを防止するためにロッキングプレートが開放端31を横切るように配置される。円周方向で隣接する2つのブレード25が存在するところでは、溝や開口部の範囲は、対向する側面10の対応する溝及び開口部によっても画定されることに留意されたい。従って開放端31,102は、シールストリップの挿入前にブレードがディスクに最初に取り付けられるようにするためにも重要である。これは対向側面10との間で比較的小さな間隙を可能にするだけでなく、ローターアセンブリ全体を分解することなくシールストリップの交換及び/又は除去を可能にする。
本発明は、特定の実施例の説明によって示されてきたが、しかしながらこれは本発明がこれらの具体的な実施例に限定されることを意味するものではない。例えば前記実施例においてはシールストリップが記載されているが、ここではシールピンも同様に使用することが可能である。さらに図2に示している根元部分の形状は、図に示したものと異なる形状も可能である。従って本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められるべきであろう。