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

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Ｄ_TSR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Ｄ_TSR（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Ｆ_ACを方向Ｄ_Fの流れに配向し、該方向Ｄ_Fは、少なくとも部分的には実質的に横方向で且つ方向Ｄ_TSR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Ｆ_AC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Ｆ_AC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Ｌ_TEよりも短い軸方向長さＬ_Eを有することができ、ここでＬ_E及びＬ_TE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Ｆ_SC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Ｆ_ACを方向Ｄ_Fの流れに配向する段階を含む。方向Ｄ_Fは、少なくとも最初は、タービン段回転方向Ｄ_TSRに実質的に横方向である。上述のように、第１の流体Ｆ_SC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。

Ｆ_C，Ｆ_SC，Ｆ_AC 流体、通路流、高エネルギー流体
Ｄ_TSR タービン段回転方向
Ｄ_F Ｄ_TSRに対する横方向
Ｌ_E，Ｌ_TE 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Ｄ_TSRに対して少なくとも部分的に実質的に横方向の方向Ｄ_F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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