JP4516473B2 - ガスタービン用の静止リングアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービン用の静止リングアセンブリの分野に関する。本発明は、さらに詳しくは、静止リングアセンブリが、間に介在されたシーリングストリップとともに端部同士を突き合わせて接合された複数のセグメントによって構成される型であるときの、ターボ機械の高圧タービン用の静止リングアセンブリに関する。

ガスタービン、例えばターボ機械の高圧タービンにおいて、ロータを形成する動翼は、シュラウドを形成する静止リングアセンブリによって取り囲まれる。このように、静止リングアセンブリは、ターボ機械の燃焼室からもたらされかつタービンを通過する高温ガスの流路の壁の１つを画定している。

静止リングアセンブリは、スペーサによってタービンのケーシングに固定されたタービンリングから作られている。一般に、このような静止リングアセンブリのリングおよびスペーサは、扇形の形態にあり、すなわち、それらが、それぞれ端部同士を突き合わせて接合された複数のセグメントから作られる。

このようにして画定された静止リングアセンブリは、燃焼室からもたらされる高温ガスと直接接触するため、このアセンブリを構成している様々なセグメントを冷却する必要がある。この目的を達するために、燃焼室の端部から取り込まれた空気は、静止リングアセンブリのそれぞれのセグメントに形成された冷却回路に流れ込み、タービンの動翼よりも上流側にあるガス流路へ排出される。

静止リングアセンブリの隣接セグメントの間に、隣接セグメントの良好な冷却にとって特に有害である空気漏れを回避するように、シーリングをもたらすことも必要である。この目的を達するために、隣接セグメント間にシーリングストリップを介在させることが知られている。このようなストリップは、一般に、隣接セグメントの隣接側面に形成された軸方向に対向するスロット、および径方向に対向するスロットに収容される。このように、これらストリップは、隣接する２つのセグメントが受ける熱膨張の大きさにかかわらず空気漏れを抑制するように、２つの隣接セグメント間に存在する隙間を塞ぐのに役立つ。

シーリングストリップが収容される径方向および軸方向スロットは、一般に、それらスロットが連続するように、すなわちそれらスロットが互いに連通するように、機械加工される。この構成は、シーリングストリップが、良好なシーリングをもたらすように、２つの隣接セグメントの側面を覆う区域を最大限にしなければならないということによって必要とされる。

しかしながら、実際には、スロットのこのような構成によって、軸方向スロットと径方向スロットとの接合部で、かなりの空気漏れが生じるということが認められる。このような漏れは図５に示されている。この図５には、静止リングアセンブリの２つのセグメント１００、１００’が、一部示されており、それぞれのセグメントには、軸方向スロット１０２、１０２’と径方向スロット１０４、１０４’とが設けられる。ストリップとスロットとの間に存在する隙間１１０は、２つのセグメントが燃焼室からもたらされる高温ガスにさらされるため、それら２つのセグメントが、隣接する２つのセグメント間に存在する隙間１１２に影響する熱膨張および熱収縮を受けるという事実に基づいている。

セグメント１００、１００’の冷却回路における圧力分布によって、空気漏れは、軸方向スロット１０２、１０２’と径方向スロット１０４、１０４’との接合部で起きる（漏れは、図において影で示されている）。このような漏れは、セグメントの冷却とタービンの効率とに特に有害である。

従って、本発明は、隣接する２つのセグメント間における漏れを減少させることのできる特定形状を呈する、スロットとシーリングストリップとを有しているセグメントから作られた、ガスタービン用の静止リングアセンブリを提案することによって、以上のような欠点を軽減することを目的とする。

この目的を達するために、ガスタービン用のロータシュラウドを形成する静止リングアセンブリが提供され、静止リングアセンブリは、隣接する側面を有する複数のセグメントを備え、該セグメントが、間に介在されたシーリング手段とともに端部同士を突き合わせて配置され、シーリング手段は、軸方向スロットに収容された少なくとも１つの軸方向シーリングストリップと、径方向スロットに収納された少なくとも１つの径方向シーリングストリップとを備え、軸方向スロットおよび径方向スロットは、セグメントの隣接する側面に互いに面して形成され、各径方向スロットの少なくとも１つの端部が、対応する軸方向スロットに開口し、セグメントの側面における各軸方向スロットが、対応する径方向スロットの深さよりも深い深さを呈し、軸方向シーリングストリップが、径方向ストリップの幅よりも広い幅を呈していることを特徴とする。

より深いスロットに収納された軸方向シーリングストリップによって、従来技術において認められた漏れセクションを被覆することが可能になる。このようにして、隣接する２つのセグメント間における空気漏れを減少させることが可能になり、それによって、前記セグメントの冷却能力を改善することができる。同一の冷却に対して、冷却のために必要な空気流を減少させ、それによって、タービンの効率を増大させることもできる。

本発明の別の利点は、これらの空気漏れが、アセンブリの重量に有害である（山形材型の）補助的部品を追加することなく、スロットおよびシーリングストリップを大幅に変更する必要がなく、かつ維持管理問題を引き起こすことなく、解消されるという事実にある。

静止リングアセンブリは、ターボ機械用の高圧タービンリングを構成してもよい。このような状況では、各リングセクションは、各側面に、２つの軸方向スロットおよび２つの径方向スロットを含んでもよく、２つの軸方向スロットは、その内側壁およびその外側壁へ向かって配置され、かつ軸方向ストリップが収納され、２つの径方向スロットは、その上流側壁および下流側壁へ向かって配置され、かつ径方向ストリップが収納される。

静止リングアセンブリは、また、ターボ機械の高圧タービンリングが固定されるスペーサを構成してもよい。このような状況では、それぞれのスペーサセグメントは、それぞれの側面に、軸方向ストリップが収納される１つの軸方向スロットと、少なくとも３つの径方向スロットとを含んでもよく、径方向スロットの２つが、その上流側壁およびその下流側壁へ向かって配置され、かつ径方向ストリップが収納される。

本発明によればまた、先に規定されたようなガスタービンの静止リングアセンブリのためのセグメントが提供される。

本発明における他の特徴および利点は、非限定的な実施形態を示す添付図面を参照して述べられた以下の説明から明らかになる。

図１によれば、長手軸Ｘ−Ｘのターボ機械の高圧タービン２が、特にロータを形成する複数の動翼４から構成されると共に、燃焼室（図示せず）からもたらされる高温ガスの流れの環状流路６に配置される。ガスの流れ方向１０に対して動翼４よりも上流側の流路６に、高圧ノズルを形成する複数の静翼８も配置される。

動翼４は、シュラウドを形成する静止リングアセンブリ１２によって包囲される。静止リングアセンブリは、複数のスペーサセグメント１８によって、タービンのケーシング１４に固定されたタービンリングから構成される。より具体的には、タービンリングは、端部同士が突き合わせ連結された複数のリングセグメント１６から構成される。例えば、１つのスペーサセグメント１８に取り付けられた２つのリングセグメント１６があってもよい。

このように画定された静止リングアセンブリ１２は、燃焼室からもたらされる高温ガスにさらされるリングセグメント１６およびスペーサセグメント１８を冷却することのできる空気流回路を含む。

このために、静止リングアセンブリ１２には冷却回路が設けられている。穴２０が、それぞれのスペーサセグメント１８の上流側径方向壁２２ａに開けられると共に、ケーシング１４とスペーサセグメント１８との間に形成された空洞２４に開口している。空洞２４の中へ送り出された空気は、燃焼室の端部から取り込まれ、次いでスペーサセグメント１８とそのスペーサセグメント１８に取り付けられたリングセグメント１６との冷却回路へ供給される。空気は、最終的に、タービンの動翼４よりも上流側にある高温ガス流路６へ排出される。

加えて、静止リングアセンブリ１２のリングおよびスペーサは、扇形の形態にあるため、隣接する２つのセグメント１６、１８の間における空気漏れは、抑制されなければならない。

この目的を達するために、隣接する２つのリングセグメント１６とスペーサセグメント１８との間に、シーリング隔壁が介在される。隔壁は、シーリングストリップによって構成され、シーリングストリップは、セグメント１６、１８の隣接側面に形成された軸方向に対向するスロットおよび径方向に対向するスロットとに収容される。

用語「軸方向のスロット」は、実質的に軸方向へ、すなわち高圧タービン２の長手軸Ｘ−Ｘに対して平行に延びるスロットを意味する。さらに、用語「径方向のスロット」は、実質的に径方向へ、すなわち長手軸Ｘ−Ｘに対して垂直な方向に沿って延びるスロットを意味する。

それぞれのリングセグメント１６に、このように、その各側面３０に少なくとも１つの軸方向スロット２６および少なくとも１つの径方向スロット２８が設けられる。

図１において、リングセグメントの各側面３０は、２つの軸方向スロット２６および２つの径方向スロット２８を含む。例えば、軸方向スロット２６は、リングセグメント１６の内側壁３２ａおよび外側壁３２ｂに向かって配置される。径方向スロット２８は、例えば、セグメント１６の上流側軸方向壁３４ａおよび下流側軸方向壁３４ｂに向かって配置される。

このような軸方向スロット２６および径方向スロット２８の配分によって、シーリングストリップは、隣接する２つのリングセグメントの間に良好なシーリングをもたらすように、リングセクション１６の側面３０の広い範囲を覆うことができる。

さらに、このような良好な配分の結果として、２つの径方向スロット２８の両端は、軸方向スロット２６に開口している。各径方向スロット２８の一端だけが、軸方向スロットに開口していることもまた想定することができる。

さらに、それぞれのスペーサセグメント１８には、その各側面４０に形成された少なくとも１つの軸方向スロット３６および少なくとも１つの径方向スロット３８とが設けられる。

例えば図１および図２において、スペーサセグメント１８の各側面４０は、１つの軸方向スロット３６および３つの径方向スロット３８が含まれ、径方向スロット３８の２つは、その上流側軸方向壁２２ａとその下流側軸方向壁２２ｂとに向かって配置される。

スペーサセグメント１８の各側面４０の全区域にわたって、軸方向スロット３６および径方向スロット３８の良好な配分をもたらす必要性の結果として、２つの径方向スロット３８は、端部のうち１つにおいて各軸方向スロット３６に開口する。

シーリングストリップは、リングセグメント１６およびスペーサセグメント１８の軸方向スロット２６、３６および径方向スロット２８、３８に収容され、シーリングストリップは、空気漏れを抑制するように、２つの隣接セグメント間に存在する隙間をある程度塞ぐのに役立つ。

都合の悪いことに、空気漏れは、いくつかの軸方向スロットと径方向スロットとの接合部で起きる。具体的には、漏れは、リングセグメント１６において、外側壁３２ｂに向いて形成された２つの径方向スロット２８と軸方向スロット２６との接合部ＡおよびＡ’（図１）で起きる。さらに、漏れは、スペーサセグメント１８において、２つの径方向スロット３８と軸方向スロット３６との接合部ＢおよびＢ’（図１）で起きる。

本発明では、そのような漏れを抑制するために、各リングセグメント１６の側面３０の各軸方向スロット２６、およびスペーサセグメント１８の側面４０の各軸方向スロット３６は、径方向スロット２８、３８の深さよりも深い深さを呈し、また、軸方向スロットに収容されたシーリングストリップは、径方向スロットに収容されたシーリングストリップの幅よりも広い幅を呈する。

用語「スロットの深さ」とは、スロットが、考慮中のセグメントの材料の中へ機械加工される深さをいう。用語「ストリップの幅」とは、ストリップがどちらかの縁を介してスロットに配置される、隔壁における２つの側縁間の距離をいう。

この特徴は、スペーサ部分１８を表わす図２に特に示されている。この図によれば、接合部Ｂで、軸方向スロット３６は、軸方向スロット３６に開口する径方向スロット３８の深さＰ２よりも深い深さＰ１を呈することを、はっきりと認めることができる。この特徴は、スペーサセグメント１８の接合部Ｂ’、およびリングセグメント１６の接合部ＡおよびＡ’（図１）にも適用されることは、言うまでもない。

図３には、端部同士が突き合わせ接合された隣接する２つのスペーサセグメント１８、１８’が示されていると共に、軸方向スロット３６と径方向スロット３８との間の接合部Ｂも示されている。軸方向スロット３６には、軸方向シーリングストリップ４２が収容されており、径方向スロット３８には、径方向シーリングストリップ４４が収容されている。

図３および図４によれば、軸方向シーリングストリップ４２は、径方向シーリングストリップ４４の幅Ｌ２よりも広い幅Ｌ１を呈することを、はっきりと認めることができる。図示されてはいないが、シーリングストリップの幅に関するこの特徴は、スペーサセグメント１８の接合部Ｂ’、およびリングセグメント１６の接合部ＡおよびＡ’（図１）にも適用されることは、言うまでもない。

リングセグメント１６およびスペーサセグメント１８の軸方向スロット２６、３６と径方向スロット２８、３８との間の接合部での空気漏れは、以上のように回避することができる。特に、スペーサセグメント１８については、それらの冷却回路へ供給される空気の圧力が、空洞２４（図１）の近くで流路６の近くよりも大きいことが認められよう。隣接する２つのセグメント１８、１８’（図３）の間における空気の流れは、このように、軸方向シーリングストリップ４２をそれが載る軸方向スロット３６の担持面に押し付ける傾向があり、それによって、軸方向スロットとのそれらの接合部で、径方向スロット３８から空気が漏れることが防止される。このようにして、漏れのおそれが回避される。

この特徴は、それらの冷却回路へ供給される空気の圧力が、それらの外側壁３２ｂの近くではそれらの内側壁３２ａよりも大きい、リングセグメント１６にも適用されることは言うまでもない（図１）。

図４によれば、ストリップ４２、４４と、それらが収容される軸方向スロット３６および径方向スロット３８との間に隙間Ｊが存在することも認められよう。この隙間Ｊは、隣接するスペーサセグメント１８、１８’（および、類推からリングセグメント）が受ける熱膨張および熱収縮を吸収するために必要である。

上述の静止リングアセンブリは、ターボ機械の高圧タービンの部品を構成している。本発明は、例えばターボ機械における高圧ノズルのような、隣接セグメント間のシーリングをもたらすことが必要である、他の任意の型のセグメントにされたリングに適用されることは言うまでもない。

ターボ機械の高圧タービンに関する本発明の静止リングアセンブリの縦断面図である。 図１の静止リングアセンブリのスペーサセグメントを示している斜視図である。 端部同士が突き合わせ連結された図２のスペーサセグメントを２つ示している一部切欠斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線の断面図である。 従来技術の静止リングアセンブリに生じた漏れの問題を示す図である。

符号の説明

２ 高圧タービン
４ 動翼
６ 環状流路
８ 静翼
１０ ガスの流れ方向
１２ 静止リングアセンブリ
１４ ケーシング
１６ リングセグメント
１８ スペーサセグメント
２０ 穴
２２ａ 上流側径方向壁
２４ 空洞
２６、３６ 軸方向スロット
２８、３８ 径方向スロット
３０、４０ 側面
３２ａ 内側壁
３２ｂ 外側壁
４２ 軸方向シーリングストリップ
４４ 径方向シーリングストリップ

Claims (6)

1. ガスタービン用のロータシュラウドを形成する静止リングアセンブリであって、静止リングアセンブリが、隣接する側面（３０、４０）を有する複数のセグメント（１６、１８）を備え、該セグメントが、間に介在されたシーリング手段とともに端部同士を突き合わせて配置され、シーリング手段が、軸方向スロット（２６、３６）に収納された少なくとも１つの軸方向シーリングストリップ（４２）と、径方向スロット（２８、３８）に収納された少なくとも１つの径方向シーリングストリップ（４４）とを備え、軸方向スロット（２３、３６）および径方向スロット（２８、３８）は、セグメントの隣接する側面に互いに面して形成され、各径方向スロット（２８、３８）の少なくとも１つの端部が、対応する軸方向スロット（２６、３６）に開口し、セグメント（１６、１８）の各軸方向スロット（２６、３６）が、対応する径方向スロット（２８、３８）の深さ（Ｐ２）よりも深い深さ（Ｐ１）を呈し、軸方向シーリングストリップ（４２）が、径方向シーリングストリップ（４４）の幅（Ｌ２）よりも広い幅（Ｌ１）を呈していることを特徴とする、静止リングアセンブリ。
2. ターボ機械用の高圧タービンリングを構成することを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 各リングセグメント（１６）が、各側面（３０）に、２つの軸方向スロット（２６）および２つの径方向スロット（２８）を含み、２つの軸方向スロット（２６）は、リングセグメントの内側壁（３２ａ）およびリングセグメントの外側壁（３２ｂ）に向かって配置され、かつ軸方向ストリップが収容され、２つの径方向スロットは、リングセグメントの上流壁（３４ａ）およびリングセグメントの下流壁（３４ｂ）に向かって配置され、かつ径方向ストリップが収容されることを特徴とする、請求項２に記載のアセンブリ。
4. ターボ機械用の高圧タービンスペーサを構成することを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
5. 各スペーサセグメント（１８）が、各側面（４０）に、軸方向ストリップ（４２）が収納される１つの軸方向スロット（３６）と、少なくとも３つの径方向スロット（３８）とを含み、径方向スロットの２つが、スペーサセグメントの上流壁（２２ａ）およびスペーサセグメントの下流壁（２２ｂ）に向かって配置され、かつ径方向ストリップ（４４）が収納されることを特徴とする、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の、ガスタービン用の静止リングアセンブリ（１２）のためのセグメント（１６、１８）。

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