JP5586407B2 - ターボ機械用の成形ハニカムシール - Google Patents

Description

本明細書に開示した主題は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械用の成形ハニカムシールに関する。

ターボ機械は一般的に、タービンに作動連結された圧縮機を含む。ターボ機械はまた、燃焼器を含み、燃焼器は、燃料及び空気を受け、それら燃料及び空気を混合しかつ点火燃焼させて高温ガスを形成する。高温ガスは次に、タービンブレードに向けてタービン内に導かれる。高温ガスからの熱エネルギーは、タービンブレードに回転力を与えて、機械エネルギーを生成する。タービンブレードは、ステータに近接近して回転する端部部分を含む。タービンブレードの先端部分がステータに近ければ近いほど、エネルギー損失がより低くなる。つまり、タービンブレードの先端部分とステータとの間を流れる高温ガスの量を減少させることは、熱エネルギーの大部分が機械エネルギーに変換されることを保証する。

先端部分とタービンケーシングの内表面との間の間隙が比較的大きい場合には、高エネルギー流体流が、タービン作動時にいかなる有用な動力も発生することなく逸出する。逸出した流体流は、先端間隙損失を構成し、またこれは、タービン内の主要な損失源となる。例えば、場合によっては、先端間隙損失は、タービン段の総損失の２０〜２５％ほどもの大きなものとなる。

米国特許出願公開第２００９／００１４９６４号公報

本発明の１つの態様によると、ターボ機械は、内表面を有するハウジングと、ハウジング内に配置された圧縮機と、ハウジング内に配置されかつ圧縮機に作動結合されたタービンと、圧縮機及びタービンの１つの一部として構成された複数のブレード部材を備えた回転部材とを含む。複数のブレード部材の各々は、基部部分及び先端部分を備える。本ターボ機械はまた、回転部材に隣接してハウジングの内表面に取付けられたハニカムシール部材を含む。ハニカムシール部材は、複数のブレード部材の各々の先端部分によって形成された変形ゾーンを有する成形表面を含む。変形ゾーンは、入口ゾーン及び出口ゾーンを含む。入口ゾーンは、圧縮機及びタービンの１つの上流端部から空気流を受け、また出口ゾーンは、圧縮機及びタービンの１つの下流端部に向けて該空気流を流すように構成されかつ配置される。入口ゾーンは、複数のブレード部材の各々の先端部分から第１の距離だけ間隔を置いて配置され、また出口ゾーンは、複数のブレード部材の各々の先端部分から第２の距離だけ間隔を置いて配置される。第２の距離は、第１の距離にほぼ等しいか又は該第１の距離よりも小さくて、変形ゾーンから流れる空気流がほぼ流線形になるようになる。

本発明の別の態様によると、ブレード部材の先端部分とターボ機械ハウジングの内表面との間のギャップをシールする方法は、成形表面を有するハニカムシール部材をターボ機械ハウジングの内表面に取付けるステップと、ハウジング内に配置されかつその各々が基部部分及び先端部分を備えた複数のブレード部材を回転させるステップとを含む。本方法はまた、ハニカムシール部材の成形表面内に複数のブレード部材の先端部分により変形ゾーンを形成して、該変形ゾーンが入口ゾーン及び出口ゾーンを備えた状態にするステップと、複数のブレード部材の各々の先端部分から第１の距離だけ間隔を置いて配置された該変形ゾーンの入口ゾーン内に沿って空気流を流すステップとを含む。本方法はさらに、複数のブレード部材の各々の先端部分から第２の距離だけ間隔を置いて配置された該変形ゾーンの出口ゾーンから空気流を案内するステップを含む。第２の距離は、第１の距離にほぼ等しいか又は該第１の距離よりも小さくて、変形ゾーンから流れる空気流がほぼ流線形になるようになる。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。

例示的な実施形態による、成形表面を有するハニカムシールを備えたターボ機械の部分概略図。 図１のターボ機械のタービン部分の部分概略図。 例示的な実施形態の態様による、ターボ機械のタービン部分に配置されたハニカムシールの断面図。 成形表面内の変形ゾーンの形成前におけるハニカムシールの断面側面図。 成形表面内の変形ゾーンの形成前における例示的な実施形態の別の態様によるハニカムシールの断面側面図。 成形表面内の変形ゾーンの形成前における例示的な実施形態のまた別の態様によるハニカムシールの断面側面図。 成形表面内の変形ゾーンの形成前における例示的な実施形態のさらに別の態様によるハニカムシールの断面側面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１及び図２を参照すると、例示的な実施形態により構成したターボ機械を、その全体を参照符号２で示している。ターボ機械２は、その中に圧縮機４が配置されたハウジング３を含む。圧縮機４は、共通の圧縮機／タービンシャフトつまりロータ１２によりタービン１０に結合される。圧縮機４はまた、その１つを参照符号１７で示す複数の周方向に間隔を置いて配置された燃焼器を通してタービン１０に結合される。この図示した例示的な実施形態では、タービン１０は、関連する複数のブレード部材つまりバケット２８〜３０を有する第１段、第２段及び第３段回転部材つまりホイール２０〜２２を含む。対応するステータベーン３３〜３５と共同してホイール２０〜２２及びバケット２８〜３０は、タービン１０の様々な段を形成する。この構成では、バケット２８〜３０は、ハウジング３の内表面３８に近接近して回転する。

この図示した例示的な実施形態では、その１つを参照符号４０で示す複数のシュラウド部材が、内表面３８に取付けられる。以下でより十分に説明するように、シュラウド部材４０は、バケット２８〜３０上を流れる高圧ガスのための流路を形成する。ここで、各バケット２８〜３０は同様に形成されており、残りのバケット２９及び３０は類似する構造を備えているとの合意の下で詳細な説明はバケット２８に関して以下に行なうことにすることを理解されたい。図示するように、バケット２８は、第１のつまり基部部分４４を含み、この基部部分４４は、突出部４７を有する第２のつまり先端部分４５まで延びる。燃焼器１７から流れる高温ガスは、内表面３８に沿ってバケット２８〜３０の先端部分４５を横切って流れる。適切な流れを保証するために、ハニカムシール部材５０が、バケット２８の先端部分４５に隣接してシュラウド部材４０に取付けられる。言うまでもなく、残りのバケット２９及び３０に隣接して、付加的なハニカムシール部材（別個に符号付けしていない）が取付けられることを理解されたい。

図３に最もよく示すように、ハニカムシール部材５０は、中間部分６４を通って第２の成形表面６３まで延びる第１の表面６２を有する本体６０を含む。ハニカムシール部材５０は、容易に変形可能な材料で形成される。この構成では、タービン１０の作動により、バケット２８の各々上の突出部４７が、図４に示すようなハニカムシール部材５０にわたって変形ゾーンつまりグルーブ７０を形成することになる。この図示した例示的な実施形態では、変形ゾーン７０は、入口ゾーン７２及び出口ゾーン７３を含む。入口ゾーン７２は、タービン１０の上流端部から先端漏洩空気流７４を受け、一方、出口ゾーンは、例えば第２段及び第３段に向けてなどタービン１０の下流端部に向けて空気流を流すように構成される。入口ゾーン７２は、バケット２８の先端部分４５から第１の距離Ｈだけ間隔を置いて配置され、一方、出口ゾーン７３は、バケット２８の先端部分４５から第２の距離Ｚだけ間隔を置いて配置される。この例示的な実施形態によると、第２の距離Ｚは、第１の距離Ｈにほぼ等しいか又は該第１の距離Ｈよりも小さくて、先端部分４５を横切って流れかつ出口ゾーン７３から流出する先端漏洩空気流７４がほぼ流線形になるようになる。つまり、本体６０上に成形表面６３を設けることによって、空気流は、先端部分４５において乱流を発生することになるようなハニカムシール上の表面と作用しなくなる。先端漏洩空気流７４を流線形にすることによって、主空気流７５と先端漏洩空気流７４との間の相互作用が減少し、かつターボ機械２の運転が強化される。

図５は、例示的な実施形態の別の態様により構成したハニカムシール部材８４を示している。シール部材８４は、中間部分９０を通って第２の成形表面８９まで延びる第１の表面８８を有する本体８６を含む。第２の成形表面８９は、ほぼ線形であり、かつ段差部分９４を通って第２の部分９３に延びる第１の部分９２を含む。ほぼ線形というのは、成形表面８９が曲線でない複数の部分を含むことを意味すると理解されたい。しかしながら、曲線でない複数の部分は、互いに対してある角度で延びることができる。図示するように、段差部分９４は、第１及び第２の部分９２及び９３に対してほぼ垂直に延びる。ほぼ垂直にというのは、第１及び第２の部分が±約１０度で互いに対してほぼ９０度で配置されることを意味すると理解されたい。この構成では、タービン１０の作動により、段差部分９４に変形ゾーン９６を形成する。つまり、バケット２８が回転すると、突出部４７が、段差部分９４に衝突して、変形ゾーン９６を形成する。上記したのと同様に、変形ゾーン９６は、出口ゾーン９９に延びる入口ゾーン９８を含む。入口ゾーン９８は、先端部分４５から第１の距離Ｈだけ間隔を置いて配置され、一方、出口ゾーン９９は、先端部分４５から第２の距離Ｚだけ間隔を置いて配置される。図示するように、第２の距離Ｚは、第１の距離Ｈよりも小さいか又は該第１の距離Ｈにほぼ等しくて、出口ゾーン９９から流出する空気流が上記したのと同様にほぼ流線形状態を維持するようになる。

図６は、例示的な実施形態のまた別の態様により構成したシール部材１０３を示している。シール部材１０３は、中間部分１０９を通って第２の成形表面１０８まで延びる第１の表面１０７を有する本体１０５を含む。第１の表面１０７は、段差セクション１１３を通って第２のセクション１１２に延びる第１のセクション１１１を含む。段差セクション１１３は、第１及び第２のセクション１１１及び１１２に対してほぼ垂直に配置されて、タービン１０の内表面３８との接合を強化する。上記したのと同様に、第２の成形表面１０８は、段差部分１１７を通って第２の部分１１６に延びる第１の部分１１５を含む。段差部分１１７は、第１及び第２の部分１１５及び１１６に対してほぼ垂直に配置される。この構成では、タービン１０の作動により、バケット２８の突出部４７が段差部分１１７に衝突しかつ該段差部分１１７に変形ゾーン１１８を形成することになる。変形ゾーン１１８は、入口ゾーン１２１及び出口ゾーン１２２を含む。入口ゾーン１２１は、先端部分４５から第１の距離Ｈだけ間隔を置いて配置され、一方、出口ゾーン１２２は、先端部分４５から第２の距離Ｚだけ間隔を置いて配置される。第２の距離Ｚは、第１の距離Ｈにほぼ等しいか又は該第１の距離Ｈよりも小さくて、先端部分４５を横切りかつ出口ゾーン１２２から流出する空気流がほぼ流線形状態を維持するようになる。

図７は、例示的な実施形態のさらに別の態様により構成したシール部材１２８を示している。シール部材１２８は、中間部分１３４を通って第２の成形表面１３３まで延びる第１の表面１３２を有する本体１３０を含む。第２の成形表面１３３は、先端部分４５によって定まる平面にほぼ平行である平面に沿って延びるように傾斜させて配置される。上記したのと同様に、ターボ機械２の運転により、突出部４７がハニカムシール部材１２８に衝突しかつ該ハニカムシール部材１２８を変形させて、入口ゾーン１４０及び出口ゾーン１４１を有する変形ゾーン１３７を形成することになる。入口ゾーン１４０は、先端部分４５から第１の距離Ｈだけ間隔を置いて配置され、一方、出口ゾーン１４１は、先端部分４５から第２の距離Ｚだけ間隔を置いて配置される。図示するように、第２の距離Ｚは、第１の距離Ｈにほぼ等しいか又は該第１の距離Ｈよりも小さくて、入口ゾーン１４０を通って変形ゾーン１３７に流入する空気流が出口ゾーン１４１から流出しかつほぼ流線形状態を維持するようになる。つまり、第２の表面１３３上に設けた特定の外形又は角度により、出口ゾーン１４１において乱流を発生させることになる障害物が全く存在しないことが保証される。

ここで、この例示的な実施形態により構成したハニカムシール部材は、回転バケット部材の先端部分とターボ機械の内表面との間に容易に変形するシールを構成することを理解されたい。ハニカムシール部材上に設けられた成形表面は、ブレード部材の先端部分上に形成された突出部を横切って流れる空気流がほぼ流線形状態に維持されることを保証する。つまり、成形外形は、空気流と相互作用して乱流を発生させることになる障害物を全く含まない。空気流が流線形状態に維持されることを保証することによって、ターボ機械２の運転が強化される。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
３ ハウジング
４ 圧縮機
６ 回転部材
８、１４ 複数のブレード部材
１０ タービン
１２ 回転部材
１７ 燃焼器組立体
２０ 第１段ロータホイール
２１ 第２段ロータホイール
２２ 第３段ロータホイール
２８、２９、３０ バケット
３３、３４、３５ ステータベーン
３８ 内表面
４０ シュラウド部材
４４ 第１の／基部部分
４５ 第２の／先端部分
４７ 突出部
５０、８４、１０３、１２８ ハニカムシール部材
６０ 本体
６２ 第１の表面
６３、８９、１０８、１３３ 第２の成形表面
６４ 中間部分
７０、９６、１１９、１３７ 変形ゾーン／グルーブ
７２、９８、１２１、１４０ 入口ゾーン
７３、９９、１２２、１４１ 出口ゾーン
７４ 先端漏洩空気流
７５ 主空気流
８６、１０５、１３０ 本体
８８ 第１の表面
９０、１０９、１３４ 中間部分
９２ 第１の部分（第２の成形表面８９の）
９３ 第２の部分（第２の成形表面８９の）
９４ 段差部分（第２の成形表面８９の）
１０７ 第１の表面
１１１ 第１のセクション（第１の表面１０７の）
１１２ 第２のセクション（第１の表面１０７の）
１１３ 段差セクション（第１の表面１０７の）
１１５ 第１の部分（第２の成形表面１０８の）
１１６ 第２の部分（第２の成形表面１０８の）
１１７ 段差部分（第２の成形表面１０８の）
１３２ 第１の表面

Claims (10)

1. ターボ機械（２）であって、
   内表面（３８）を有するハウジング（３）と、
   前記ハウジング（３）内に配置された圧縮機（４）と、
   前記ハウジング（３）内に配置されかつ前記圧縮機（４）に作動結合されたタービン（１０）と、
   前記圧縮機（４）及びタービン（１０）の１つの一部として構成されかつその各々が基部部分（４４）及び少なくとも１つの突出部（４７）を備える先端部分（４５）を有する複数のブレード部材（８、１４）を備えた回転部材（１２）と、
   前記回転部材（１２）に隣接して前記ハウジング（３）の内表面（３８）に取付けられたハニカムシール部材（５０）と、を含み、
   前記ハニカムシール部材（５０）が、前記複数のブレード部材（８、１４）の各々の突出部（４７）の前記ハウジング（３）の内表面（３８）に沿って延びる頂部とハニカムシール部材（５０）との接触によって形成された変形ゾーン（７０、９６、１１９、１３７）を含む成形表面（６３、８９、１０８、１３３）を有し、
   前記変形ゾーン（７０、９６、１１９、１３７）が、入口ゾーン（７２、９８、１２１、１４０）及び出口ゾーン（７３、９９、１２２、１４１）を含み、
   前記入口ゾーン（７２、９８、１２１、１４０）が、前記圧縮機及びタービン（１０）の１つの上流端部から空気流を受け、また前記出口ゾーン（７３、９９、１２２、１４１）が、前記圧縮機及びタービン（１０）の１つの下流端部に向けて該空気流を流すように構成されかつ配置され、
   前記入口ゾーン（７２、９８、１２１、１４０）が、前記複数のブレード部材（８、１４）の各々の先端部分（４５）から第１の距離だけ間隔を置いて配置され、また前記出口ゾーン（７３、９９、１２２、１４１）が、前記複数のブレード部材（８、１４）の各々の先端部分（４５）から第２の距離だけ間隔を置いて配置され、
   前記第２の距離が、前記第１の距離よりも小さくて、前記変形ゾーン（７０、９６、１１９、１３７）から流れる前記空気流が先端部分（４５）を横切って流れる主空気流（７５）との間の相互作用を減少させるように、ほぼ流線形になる、
   ターボ機械（２）。
2. 各ブレード部材（８、１４）に対して単一の突出部（４７）が、配置される、
   前記ハニカムシール部材（５０）が、前記突出部（４７）の上流で、該突出部（４７）の前記頂部よりも半径方向内側に位置づけられる成形表面（６３、８９、１０８、１３３）を備え、
   前記成形表面（６３、８９、１０８、１３３）が、曲線形表面である、請求項１記載のターボ機械（２）。
3. 前記成形表面（６３、８９、１０８、１３３）が、ほぼ線形表面（８９、１０８、１３３）である、請求項１記載のターボ機械（２）。
4. 前記ほぼ線形表面（１３３）が、前記複数のブレード部材（８、１４）の各々の先端部分（４５）の頂部とほぼ平行に延びる、請求項３記載のターボ機械（２）。
5. 前記ほぼ線形表面（８９、１０８）が、第１の部分（９２、１１５）、第２の部分（９３、１１６）及び段差部分（９４、１１７）を含み、
   前記段差部分（９４、１１７）が、前記第１及び第２の部分（９２、９３、１１５、１１６）間に配置される、
   請求項３または４に記載のターボ機械（２）。
6. 前記段差部分（９４、１１７）が、前記第１及び第２の部分（９２、９３、１１５、１１６）に対してほぼ垂直に延びる、請求項５記載のターボ機械（２）。
7. 前記回転部材（１２）に隣接して前記ハウジング（３）の内表面（３８）に取付けられたシュラウド部材（４０）をさらに含み、
   前記ハニカムシール部材（５０）が、前記シュラウド部材（４０）に取付けられる、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のターボ機械（２）。
8. 前記回転部材（１２）が、前記圧縮機（４）の一部として構成される、請求項１乃至７のいずれかに記載のターボ機械（２）。
9. 前記回転部材（１２）が、前記タービン（１０）の一部として構成される、請求項１乃至７のいずれかに記載のターボ機械（２）。
10. 各ブレード部材（８、１４）に対して単一の突出部（４７）が、配置される、
    請求項３乃至９のいずれかに記載のターボ機械（２）。
    

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