JP5634826B2 - 流れ平衡スロット - Google Patents

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Description

本発明は、流れ平衡スロットに関する。
タービンバケットにおけるクリアランス損失は通常、ブレード列の全損失の20〜25%を占める。これらの損失は一般に、高エネルギー流がどのような有用な仕事も行うことなくクリアランス領域から放出されること、先端漏出流とバケットの下流側の通路流との混合、並びに翼形部の正圧面からの流れが負圧面を越えることに起因して生じる。従って、翼形部により生成される揚力並びにブレード列に加わるトルクが低減される。
交差流が生じる場合には、バケット上にカバーを設置することで対処されていた。カバーは、流れを交差領域から迂回させ、交差流に伴う損失を低減する。
カバーの形状及びサイズは、迂回される流出量に影響を及ぼし、これにより損失の減少レベルに影響を与えることができる。残念ながら、機械的拘束によりカバーを波形にする必要があることが多く、この波形部により損失の形態で更なる損失が導入される。侵入損失が波形部を通る出入流により発生し、下流側の混合損失が更に増大する。すなわち、従来のバケットカバーでは、バケットカバーの波形後方領域から出る流れは、主流に再流入し、馬蹄渦伝播と相互作用し、従って、流れ混合損失領域のサイズ及び強度を増大させる。
米国特許第6893216号明細書
本発明の1つの態様によれば、流体が前縁翼形部の正圧側面から後縁翼形部の負圧側面に交差して流れるのを阻止するための、回転タービン段の対向する正圧側面及び負圧側面を有する翼形部のカバーが提供される。カバーは、正圧及び負圧側面縁部を含み、該正圧及び負圧側面縁部の1つが、後縁及び前縁翼形部それぞれの対応するものの後方カバーの負圧及び正圧側面縁部の相補的縁部に対して不連続な形状を有する。
本発明の別の態様によれば、タービンエンジンの回転タービン段が提供され、対向する正圧及び負圧側面を有する第1の翼形部の第1の後方カバーと、タービン段回転方向で第1の翼形部の直ぐ前にある、対向する正圧及び負圧側面を有する第2の翼形部の第2の後方カバーとを含む。第1及び第2の後方カバーはそれぞれ、相補的な正圧及び負圧側面縁部を含み、第1及び第2の後方カバーの一方は、流体が第2の翼形部50の正圧側面から第1の翼形部の負圧側面に交差して流れるのを阻止するために、他方に対して少なくとも部分的に不連続な形状を有する。
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
タービンエンジンのタービン段の斜視図。 図1のタービン段の半径方向拡大図。 本発明の実施形態による図1のタービン段の半径方向拡大図。 本発明の実施形態による図1のタービン段の半径方向拡大図。 本発明の実施形態による図1のタービン段の半径方向拡大図。 本発明の実施形態による図1のタービン段の半径方向拡大図。 本発明の実施形態による図1のタービン段の半径方向拡大図。 別の実施形態による図1のタービン段の半径方向拡大図。 非軸対称後方カバーを有する、図1のタービン段の斜視図。
この詳細な説明は、例証として図面を参照し、利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。
図1及び2を参照すると、タービン又はガスタービンエンジンの回転タービン段10が提供される。タービン段10は、第1の翼形部30の第1の後方カバー20と、第2の翼形部50の第2の後方カバー40とを含むことができる。第1の翼形部30は、正圧側面31及び負圧側面32を含み、第2の翼形部50は、正圧側面51及び負圧側面52を含む。第1の翼形部30は、タービン段回転方向DTSRに対し第2の翼形部50の直ぐ後に続き、第1及び第2の翼形部30、50の第1及び第2の後方カバー20、40の少なくとも1つは、通路流などの流体Fscが第2の翼形部50の正圧側面51から第1の翼形部30の負圧側面32に交差して流れるのを阻止するために形成される。
第1の後方カバー20は、タービン段回転方向DTSR(図2を参照)に対して配列された正圧側面縁部21と負圧側面縁部22とを含む。同様に、第2の後方カバー40は、正圧側面縁部41と負圧側面縁部42とを含む。正圧側面縁部21、41及び負圧側面縁部22、42の1つは、その相補的形状に対して少なくとも部分的に不連続な形状を有する。例えば、図2に示すように、第1の後方カバー20の負圧側面縁部22は、第2の後方カバー40の正圧側面縁部41の形状に対して不連続な形状を有する。この不連続部により流れ平衡スロット45が形成され、流体Fscが、第2の翼形部50の正圧側面51から第1の翼形部30の負圧側面32に交差して流れるのを阻止する。不連続部は更に、第1及び第2の後方カバー20及び40から離れる比較的高エネルギーの流体のような流体FACを方向DFの流れに配向し、該方向DFは、少なくとも部分的には実質的に横方向で且つ方向DTSRに対し半径方向外向きにある。
流れ平衡スロット45により配向される流体FACは、タービン段10を外周方向で囲むタービンのタービンケーシングに流れることができる。流れ平衡スロット45はまた、流体FACを流体Fcと整列させ、損失領域のサイズを縮小し、及び/又は流体Fcに高い背圧を提供して、クリアランス領域を通る流れを低減することができる。
タービンエンジンのシミュレーションでは、流れ平衡スロットが存在することにより、全体の流れ混合損失領域及び先端漏出流の低減に起因する効率の向上をもたらすことを示した。流れ平衡スロット45はまた、バケットカバーの全体重量を低減し、その寿命を延長させる。流れ平衡スロット45の利用は、全ての新規のタービンに適用され、アップグレードパッケージの一部として適用することができる。
図2〜7を参照すると、流れ平衡スロット45を形成する不連続部は、負圧側面縁部22に位置付けることができる。図2の実施例に示すように、負圧側面縁部22は、正圧側面縁部41の軸方向長さLTEよりも短い軸方向長さLEを有することができ、ここでLE及びLTEは、タービン段10の軸方向中心線Cと交差する同じ線に沿って測定される。軸方向の不連続部は、実質的に直線状の縁部を含む角付き肩部60(図3を参照)、又は連続する丸み付き縁部を含む凹状の丸み付き肩部70(図4を参照)で形成される負圧側面縁部22によって生じることができる。
図5及び6の実施例に示されるような、不連続部が負圧側面縁部22において見られる代替の実施形態では、負圧側面縁部22は、実質的に直線縁部を含む角付き凹部80(図5を参照)、或いは、連続する丸み付き縁部を含む凹状の丸み付き凹部90(図6を参照)で形成することができる。
図7を参照すると、負圧側面縁部22及び正圧側面縁部41は共に、不連続部の場所に存在することができる。すなわち、図7の実施例において、負圧側面縁部22及び正圧側面縁部41は、対向する凹部100、101でそれぞれ形成される。これらの凹部はまた、角付き凹部として示されているが、凹状の丸み付き凹部であってもよいことは理解される。更に、図2〜7に示す種々の実施形態は、本発明の種々の態様の範囲から逸脱することなく、共に或いは別個に、互いに対して交換可能とすることができる点は理解される。
本発明の別の態様によれば、タービンエンジンのタービン段10を作動させる方法が提供され、本方法は、第1の流体FSCが、例えば前縁翼形部50の正圧側面51から後縁翼形部30の負圧側面32に交差して流れるのを阻止する段階を含む。本方法は更に、後方カバー20を離れる第2の流体FACを方向DFの流れに配向する段階を含む。方向DFは、少なくとも最初は、タービン段回転方向DTSRに実質的に横方向である。上述のように、第1の流体FSCが、例えば前縁翼形部50の正圧側面51から後縁翼形部30の負圧側面32に交差して流れるのを阻止することは、後方カバー20、40の負圧側面縁部22、42と正圧側面21、41の少なくとも1つに近接して流れ平衡スロット45を形成することによって達成される。
図8を参照すると、上述の後方カバー20、40の構成は、前方カバー110の様々な構成と関連付けることができることは理解される。例えば、前方カバー110は、図1〜7に示すように構成され、或いは図8に示すように波形にすることができる。
図9を参照すると、流れ平衡スロット45は、非軸対称のシュラウド形状を有する後方カバー120及び140間に形成することができる。
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるであろう。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むこともできる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
C,FSC,FAC 流体、通路流、高エネルギー流体
TSR タービン段回転方向
FTSRに対する横方向
E,LTE 軸方向長さ
10 回転タービン段
20 First後方カバー
21 正圧側面縁部
22 負圧側面縁部
30 First翼形部
31 正圧側面
32 負圧側面
40 第2の後方カバー
41 正圧側面縁部
42 負圧側面縁部
45 流れ平衡スロット
50 第2の翼形部
51 正圧側面
52 負圧側面
60 角付き肩部
70 凹状丸み付き肩部
80 角付き凹部
90 凹状丸み付き凹部
100,101 対向する凹部
110 前方カバー
120,140 非軸対称シュラウド形状を有する後方カバー

Claims (6)

  1. 流体Fscが前縁翼形部(50)の正圧側面(51)から後縁翼形部(30)の負圧側面(32)に交差して流れるのを阻止するための、回転タービン段(10)の対向する正圧側面(31、51)及び負圧側面(32、52)を有する翼形部(30、50)のカバー(20、40)であって、該カバー(20、40)が、正圧及び負圧側面縁部(21、22、41、42)を含み、該正圧及び負圧側面縁部の1つが、後縁及び前縁翼形部(30、50)それぞれの対応するものの後方カバー(20、40)の負圧及び正圧側面縁部(21、22、41、42)の相補的縁部に対して不連続な形状を有
    前記負圧側面縁部が不連続形状であり、
    前記負圧側面縁部が前記相補的な正圧側面縁部よりも軸方向で短く、
    前記負圧側面縁部が凹状肩部(70)で形成される
    ことを特徴とする、カバー(20、40)。
  2. 流体Fscが前縁翼形部(50)の正圧側面(51)から後縁翼形部(30)の負圧側面(32)に交差して流れるのを阻止するための、回転タービン段(10)の対向する正圧側面(31、51)及び負圧側面(32、52)を有する翼形部(30、50)のカバー(20、40)であって、該カバー(20、40)が、正圧及び負圧側面縁部(21、22、41、42)を含み、該正圧及び負圧側面縁部の1つが、後縁及び前縁翼形部(30、50)それぞれの対応するものの後方カバー(20、40)の負圧及び正圧側面縁部(21、22、41、42)の相補的縁部に対して不連続な形状を有し、
    前記負圧側面縁部が不連続形状であり、
    前記負圧側面縁部が前記相補的な正圧側面縁部よりも軸方向で短く、
    前記負圧側面縁部が角付き凹部(80)で形成される
    ことを特徴とする、カバー(20、40)。
  3. 流体Fscが前縁翼形部(50)の正圧側面(51)から後縁翼形部(30)の負圧側面(32)に交差して流れるのを阻止するための、回転タービン段(10)の対向する正圧側面(31、51)及び負圧側面(32、52)を有する翼形部(30、50)のカバー(20、40)であって、該カバー(20、40)が、正圧及び負圧側面縁部(21、22、41、42)を含み、該正圧及び負圧側面縁部の1つが、後縁及び前縁翼形部(30、50)それぞれの対応するものの後方カバー(20、40)の負圧及び正圧側面縁部(21、22、41、42)の相補的縁部に対して不連続な形状を有し、
    前記負圧側面縁部が不連続形状であり、
    前記負圧側面縁部が前記相補的な正圧側面縁部よりも軸方向で短く、
    前記負圧側面縁部が凹状の凹部(90)で形成される
    ことを特徴とする、カバー(20、40)。
  4. 流体Fscが前縁翼形部(50)の正圧側面(51)から後縁翼形部(30)の負圧側面(32)に交差して流れるのを阻止するための、回転タービン段(10)の対向する正圧側面(31、51)及び負圧側面(32、52)を有する翼形部(30、50)のカバー(20、40)であって、該カバー(20、40)が、正圧及び負圧側面縁部(21、22、41、42)を含み、該正圧及び負圧側面縁部の1つが、後縁及び前縁翼形部(30、50)それぞれの対応するものの後方カバー(20、40)の負圧及び正圧側面縁部(21、22、41、42)の相補的縁部に対して不連続な形状を有し、
    前記負圧側面縁部が不連続形状であり、
    前記負圧側面縁部が前記相補的な正圧側面縁部よりも軸方向で短く、
    前記負圧及び正圧側面縁部が各々対向する凹部(100、101)で形成される
    ことを特徴とする、カバー(20、40)。
  5. 前記正圧及び負圧側面縁部の不連続部が、タービン段回転方向DTSRに対して少なくとも部分的に実質的に横方向の方向DFに流体を配向する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のカバー(20、40)。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のカバー(20、40)を有する、タービンエンジンの回転タービン段(10)
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