JP5738650B2 - タービンシュラウド用の軸方向に配向されたセル状シール構造体及び関連方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、タービン及びタービン翼に関し、より詳細には、先端シュラウド付きタービン翼及び関連するセル状シール構造体に関する。

軸流ガスタービン段は、タービンケーシング又はステータによって規定される環状部内の固定翼列と、回転翼又はバケット列とからなる。流れは、流れを回転翼に向ける羽根において部分的に膨張して、回転翼において更に膨張して必要な出力を生成する。安全な機械的操作のために、回転翼の先端とケーシング又はステータ壁との間に最小限の物理的隙間が必要である。ケーシング壁上のハニカムストリップは、一般的に、全ての運転条件において回転バケットの先端隙間が広がるのを最小限に抑えるために使用される。より小さな隙間を得るために、先端シュラウド上のレールは、過渡運転中にハニカムストリップ内の溝をこすって切削することが許されている。この溝の形状及び深さは、ロータダイナミクス及び温度特性、即ち、ロータ及びケーシングの半径方向及び軸方向の熱膨張差に左右される。

米国特許第４２１４８５１号

バケット先端を超えて漏れる高エネルギー流と、下流の主流とのその後の相互作用が、タービン段における損失の主な原因の１つである。一般的に、タービンにおけるこれらの先端隙間損失は、所定の段の内部の全損失の２０〜２５パーセントを構成する。ハニカムシール構造体に切削された溝の固有の形状によって、先端上漏れ流れは、下方（即ち、半径方向内方）に向きを変え、主流路に深く浸透して、過度の混合損失の原因となる。従って、この混合損失を最小化するあらゆる設計は、タービン段効率を向上させる。加えて、溝形状及びハニカムシール構造による高温の先端上漏れ流れの内方への転向によって、先端漏れ流れがバケット先端シュラウドの後方側に接触するようになり、バケット先端シュラウドが溝のないシール構造と比べて比較的高温の動作環境にさらされる。バケットシュラウドはタービン機械の致死的な構成部品の１つであるため、シュラウド温度を下げるあらゆる設計は、バケット寿命を高める。

例示的だが非限定的な実施形態によると、本発明は、機械ロータ上に支持されたバケット列と、周囲の固定ケーシングとの間のシールシステムであって、各々のバケットの半径方向外側先端に固定され、半径方向突出レールが形成された先端シュラウドと、先端シュラウド及びレールと半径方向反対に固定ケーシング内に支持されたセル状シール構造体であって、その実質的に全軸方向長さ寸法に沿っていかなる半径方向障害もない連続的な略水平方向流路を提供するように形成された個別セルの環状配列を有するセル状シール構造体とからなる、シールシステムを提供する。

別の例示的だが非限定的な態様によると、本発明は、機械ロータ上に支持されたバケット列と、周囲の固定ケーシングとの間のシールシステムであって、各々のバケットの半径方向外側先端に固定され、半径方向突出レールが形成された先端シュラウドと、先端シュラウド及びレールと半径方向反対に固定ケーシング内に支持されたセル状シール構造体であって、その前方及び後方端の間に連続的に延在する略水平方向の密閉周辺流路を提供するように形成された、ロータの回転軸に対して略平行、プラスマイナス４５度に配向された個別セルの環状配列を有するセル状シール構造体とからなるシールシステムを提供する。

また別の例示的だが非限定的な態様において、本発明は、バケット先端／シュラウド・ステータのシール界面における先端漏れ流れとタービンエンジン内の燃焼ガスの主流との混合によって生じる混合損失を削減する方法であって、環状バケット先端シュラウドを取り囲むステータ表面にセル状シール構造体を設けるステップと、バケット先端シュラウドの半径方向外面上に、ロータ及びステータの熱膨張差特性によってタービンエンジンの過渡運転状態中にセル状シール構造体を貫通するように構成されるレールを設けるステップと、シール構造体の前方及び後方端の間に連続的に遮られずに延在する略水平方向密閉周辺流路を提供するように配列された個別セルの環状配列を含むことによって、レールのシール構造体への貫通により、先端シュラウドの周囲の先端漏れ流れが略水平方向の密閉周辺流路に閉じ込められ、それによってシール構造体の全軸方向長さ寸法に沿って主流へと半径方向内方に向きを変えるのが妨げられることになるようにセル状シール構造体を形成するステップとからなる、方法を提供する。

次に、以下で特定する図面に関連して本発明を詳細に説明する。

先端シュラウド付きバケット及び周囲の固定シュラウド上の既知のハニカムシール構造体を示す概略側面図である。 図１と同様だが、本発明の例示的だが非限定的な第１実施形態に従った、セル状シール構造体を組み込んだ概略側面図である。 図２の矢印Ａ方向に見た図２のセル状シール構造体の概略平面投影図である。 図２と同様だが、下流ディフューザ構成部品と整合する出口端を有する代替的なセル状シール構造体を示す概略側面図である。 図２と同様だが、本発明の別の例示的実施形態に従った、シール構造体に冷却剤が供給される変形例を示す概略側面図である。 本発明の範囲内のセル状構造体の図２Ａと同じ観点からの概略平面投影図を示す。 本発明の範囲内のセル状構造体の図２Ａと同じ観点からの概略平面投影図を示す。 本発明の範囲内のセル状構造体の図２Ａと同じ観点からの概略平面投影図を示す。 本発明の範囲内のセル状構造体の図２Ａと同じ観点からの概略平面投影図を示す。 本発明の範囲内のセル状構造体の図２Ａと同じ観点からの概略平面投影図を示す。 ロータ軸に対して異なる軸配向のセル状構造体の概略図を示す。 ロータ軸に対して異なる軸配向のセル状構造体の概略図を示す。 ロータ軸に対して異なる軸配向のセル状構造体の概略図を示す。

次に、図１を参照すると、一般的な先端シュラウド付きタービンバケット１０は、ガス流を遮断し、ガスのエネルギーを接線運動に変換する能動部品である翼形１２を含む。この運動により、続いて、バケット１０が取り付けられているロータが回転する。

シュラウド１４（本明細書では「先端シュラウド」とも呼ばれる）は、各翼形１２の先端に配置され、翼形１２によってその中心に向かって支持されるプレートを含む。先端シュラウドは、当業者には理解されるように様々な形状を有して良く、ここに示すような例示的な先端シュラウド１４を限定とみなすべきではない。先端シュラウド１４の上部に沿って、先端シュラウドと周囲の構成部品の内面との間の隙間を通るガスの流路の通過を最小限に抑えるシールレール１６が配置される。レール１６は、一般的に、後述する目的のために切刃（図示せず）を備える。

図１に示すように、周囲の固定ステータシュラウド１８は、壁面２２，２４及び２６によって規定されるような固定シュラウドの陥凹部内に制限されたハニカムシール構造体２０を備える。

過渡条件での運転中（例えば、運転開始中、重要な負荷変動中、及び運転停止中）、且つタービンの高温ガス経路部品の中で熱平衡状態に達する前、ステータに対するバケット又は翼１０の軸方向及び半径方向の熱膨張差特性によって、レール１６及びその切刃がハニカムシール構造体２０を切削して、略Ｃ字状溝３０を形成することになる。ハニカムシール構造体はロータ軸に対して半径方向且つ略直角に延在する半径方向延在壁面２８によって少なくとも部分的に形成されるので、レール１６上を横切る燃焼ガス漏れ流れは、ハニカムシール構造体に切削された溝３０に出入りするときに主流路（流れ矢印Ｆで示す）へ半径方向内方に向きを変える。この内方への転向によって、漏れ流れと主流が３２で表される領域において相互に作用し、それによって比較的大きな混合損失が生じる。

この現象をより十分に理解するために、ハニカムシール構造体２０の構造は、環状（又は一部環状）の、半径方向に延在する、軸方向に離間配置された壁２８に加えて、壁２８と組み合わさって個別セルを形成する複数の、軸方向に延在する、円周方向に離間配置された壁を含む。壁２８及び３４の形状及び構成は変えても良いが、全ての場合において、ロータ軸に対して略直角であり、軸方向に離間配置された、半径方向に延在する、環状又は一部環状の壁部分２８が個別セルに存在し、それらはレール１６の周囲の先端漏れ流れを半径方向内方に向きを変えさせて、前述したように主流と相互に作用させる。

次に、図２を参照すると、本発明の例示的だが非限定的な実施形態が示されている。便宜のために、図１で用いられている参照番号は、図２において前に「１」を付けて、対応する構成部品を表すために用いられる。セル状構造体１２０の構造に違いがある。まず、上記の従来の構成においては、シール構造体は「ハニカム」構造として正確に描写されていることに注意されたい。しかしながら、以下で明らかになるように、シール構造体はハニカム構造である必要はなく、実際には、後述するように一定の基準を満たす限り、いかなる数のセル状構造をとっても良い。

より詳細には、図１のハニカム構造体２０は、図２に示すようなセル状シール構造体１２０を選んだために不要になっている。修正設計にとって重要なのは、ロータ軸に対して略直角であり、さもなければ先端漏れ流れを遮って半径方向内方に向きを変えさせることになる、軸方向に離間配置された、半径方向内方に延在する、環状又は一部環状の壁がないことである。図２Ａは、図２の矢印Ａ方向に見た新しいセル状（又はセル）構造体１２０の概略参照図である。構造体は平面投影図で示されているが、実際には、その弓形長さがシールを支持するステータセグメントの弓形長さによって決まる弓形断面を有することが分かるであろう。セル状構造体１２０は、円周方向に離間配置された、軸方向に延在する、半径方向隔壁１３４と、複数の、ほぼ同心状の、半径方向に離間配置された、軸方向に延在する環状壁１３６とからなる。壁１３４及び１３６を組み合わせることによって、障害もなく、壁１２２のシール構造体の一端から壁１２６に示すシール構造体の他端までセル状シール構造体１２０に沿って連続的に略水平方向（又は軸方向）に延在する個別セル又は通路１３８が形成される。このことは、溝１３０がレール１１６（及び、特に、図示しないレールの切刃）によってセル状構造体１２０に切削された場合、先端漏れ流れは、バケット先端レール１１６を超えると、障害もなく、同心状の、半径方向に離間配置された壁１３６によって、軸方向に流れることになり、先端漏れ流れが主流へと半径方向に向きを変えるのが妨げられるため、前述の混合損失が回避又は少なくとも最小化されることを意味する。

上記のセル状構造体の更なる利点を、図３及び４に示す。図３では、同様の参照番号が、前に「２」を付けて、該当する場合に対応する構成部品を表すのに用いられる。最終段のバケット列では、先端漏れ流れを排気ディフューザの角度と整合させ、それによって流れをディフューザにつなぐように、セル状構造体２２０の下流端（及びバケットの後縁の下流）でセル壁２４２の出口角を変更することによって、高エネルギーの先端漏れ流れを排気ディフューザ２４０と整合させることができる。これにより、混合損失を削減する段性能の向上とは別に、ディフューザの性能を向上させることができる。

図４は、固定シュラウド又はステータの高温ガス経路からの比較的良好な断熱を提供するという、軸方向に配向されたセル構造体のまた別の利点を示す。これは、固定シュラウド用の改良型冷却回路として利用することもできる。ここでもまた、図２及び３で適用されたのと同様の参照番号が、前に「３」を付けて、やはり該当する場合には、対応する構成部品を表すために用いられている。より詳細には、冷却剤流れ導管３４４及び適切な供給手段を使用して、ステータ壁３４８に最も近いセル状構造体３２０の通路３４６に冷却剤を供給することで、対流によってステータ又はシュラウド壁３４８を冷却する。冷却空気はそれから、ほとんど悪影響を及ぼす混合もなく、円滑な移行で主流と合流する。

図５〜９は、本発明の範囲内の例示的だが非限定的の代替的なセル構造を示す。これらの代替的なセル構造は、図２Ａと同じ観点から見ている。いずれの場合も、遮られていない、軸方向に配向されたセルの配列が内部構造体によって形成されて、主流へと半径方向内方に向きを変えるのが妨げられるように、先端漏れ流れを略軸方向又は水平方向の配向に留まらせる。従って、図５では、「波状」壁４１０と、半径方向に離間配置された環状の同心状壁４１２とを交互に組み合わせることにより、固定シュラウド１１８（図２）の半径方向壁１２２及び１２６の間の軸方向又は水平方向に障害もなく連続的に延在する複数の三角形セル４１４が形成される。

図６に示すセル状構造体では、交互の波状壁５１０，５１２が互いに対して逆であるため、半径方向に離間配置された環状の同心状壁５１４と組み合わせると、三角形セル５１６が図５の構造において形成されたものと実質的に同一となるが、セルは隣接する列のセルと異なって整列するようになる。

図７は、別の例示的実施形態を示し、個別セル６１０が、相対的に配向された傾斜（又は十字）壁６１２，６１４の配列によって形成され、軸方向又は水平方向に延在するダイヤモンド状（だが、図示のように縁辺に沿って少し異なる）セル６１６を形成する。

図８では、セル７１０が、軸方向又は水平方向に延在する管７１２の配列によって形成され、各々の管が多角形状を有し、それらが円周方向及び半径方向において同様の管と係合する。

図９は、概して図８に示すものと同様の構造を示し、セル８１０は、やはり円周方向及び半径方向に係合する円形管８１２の配列によって規定されるので形状が円形である。図８及び９に示す実施形態では、管７１２，８１２の間の間隔に、更なる軸方向セル７１４，８１４がそれぞれ形成される。

その他のセル構造も本発明で考えられ、重要な設計特徴は、半径方向内方への転向と、先端漏れ流れと主燃焼ガス流とのその後の混合を防止するように、先端漏れ流れを略軸方向に留まらせるための、軸方向に延在する、遮られていないセルを形成することである。この点に関して、所定のどのセル状構造体においても、前述の設計特徴が満たされる限りは、個別セルは均一の寸法及び形状である必要はない。

この点に関して、ロータの回転軸に対して略平行に延在する様々なセル構造が示されている。しかしながら、図１０，１１及び１２に示すように、セル配列（一例としてセル１３８を用いる）は、ロータ軸の片側に対して最大約４５°の角度をなして軸方向に傾斜しても（図１０）、ロータ軸に対して平行であっても（図１１）、反対側に対してやはり最大約４５°傾斜しても（図１２）良い。配向は、主燃焼ガス流の方向に左右される。先端漏れ流れを主ガス流と並べることによって、空気混合損失がより一層削減することが期待される。

現時点で最も実用的且つ好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されるのではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成を含むことが意図されると理解されたい。

１１２ シュラウド
１１４ シュラウド
１１６ 突出レール
１１８ ケーシング
１２０ シール構造体
１２２，１２６ 後方半径方向肩部
１２４ 軸方向面
１３６，３４８ 壁
１３８，４１４，６１６ セル
２２６ 半径方向肩部
２４０ ディフューザ構成部品
２４２ 壁部分
３２４ 軸方向面
３４４ 手段
４１０，４１２ 環状シート
６１２，６１４ 複数の壁
３４６，７１０，７１４ 流路
７１２ 軸方向に延在する管

Claims (14)

1. 機械ロータ上に支持されたバケット列（１１２）と、周囲の固定ケーシング（１１８）との間のシールシステムであって、
   各々のバケットの半径方向外側先端に固定された先端シュラウド（１１４）であって、半径方向突出レール（１１６）が設けられている先端シュラウド（１１４）と、
   前記先端シュラウド及び前記半径方向突出レールと半径方向に対向して前記固定ケーシング内に支持されたセル状シール構造体（１２０）であって、前記半径方向突出レールが供用時に前記セル状シール構造体に溝を刻み込むように構成されており、前記セル状シール構造体が、その全軸方向長さ寸法に沿っていかなる半径方向障害もない連続的な水平方向流路を提供するように各々形成された複数のセル（１３８）の環状配列を有するセル状シール構造体（１２０）と
   を備えていて、前記半径方向突出レール（１１６）を超えて漏れたガスが前記水平方向流路に沿って流れる、シールシステム。
2. 前記セル（１３８）の各々が前記ロータの回転軸に対して平行に延在する、請求項１に記載のシールシステム。
3. 前記セル（１３８）の各々が、前記ロータの回転軸に対して±４５度以内の角度で軸方向に延在する、請求項１に記載のシールシステム。
4. 前記複数のセル（１３８）の環状配列が、複数の同心状の半径方向に離間しかつ軸方向に延在する環状壁（１３６）に、複数の円周方向に離間しかつ半径方向に延在する隔壁（１３４）を交差させることによって形成される、請求項１に記載のシールシステム。
5. 前記複数のセル（４１４）の環状配列が、複数の波形の環状シート（４１０，４１２）と平滑な環状シート（４１０，４１２）とを交互に半径方向に積み重ねることによって形成される、請求項１に記載のシールシステム。
6. 前記複数のセル（６１６）の環状配列が、前記セルの横断面がダイヤモンド形状をなすように４５度の角度で交差する複数の壁（６１２，６１４）によって形成される、請求項１に記載のシールシステム。
7. 前記複数のセルの環状配列が、複数の軸方向に延在する管（７１２）を隣接する管と組み合わせて半径方向に積み重ねた環状の配列によって形成され、前記管の内側に前記流路の第１の群（７１０）を形成するとともに、隣接する管同士の隙間に前記流路の第２の群（７１４）を形成している、請求項１に記載のシールシステム。
8. 前記流路のうち少なくとも前記固定ケーシング（３１８）の壁（３４８）に隣接する半径方向外側の流路（３４６）に冷却剤を供給して対流冷却によって前記壁（３４８）を冷却する手段（３４４）をさらに備える、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のシールシステム。
9. 前記バケットの下流の少なくとも一部のセル壁部（２４２）が、下流方向に延在する機械構成部品（２４０）の表面と整合するように、半径方向外方に傾斜している、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のシールシステム。
10. 前記機械構成部品（２４０）がタービンディフューザである、請求項９に記載のシールシステム。
11. 機械ロータ上に支持されたバケット列（１１２）と、周囲の固定ケーシング（１１８）との間のシールシステムであって、
    各々のバケットの半径方向外側先端に固定された先端シュラウド（１１４）であって、半径方向突出レール（１１６）が設けられている先端シュラウド（１１４）と、
    前記先端シュラウド及び前記半径方向突出レールと半径方向反対に前記固定ケーシング内に支持されたセル状シール構造体（１２０）であって、前記半径方向突出レールが供用時に前記セル状シール構造体に溝を刻み込むように構成されており、前記セル状シール構造体が、その前方端と後方端の間に連続的に延在する水平方向の周辺密閉流路を提供するように各々形成された複数のセル（１３８）の環状配列を有するセル状シール構造体（１２０）と
    を備えていて、前記セル（１３８）が、前記ロータの回転軸に対して平行又はその±４５度以内に配向していて、前記半径方向突出レール（１１６）を超えて漏れたガスが前記水平方向の周辺密閉流路に沿って流れる、シールシステム。
12. 前記シール構造体（１２０）が、前記固定ケーシング（１１８）に形成された環状凹部（１２４）内に配置されており、前記環状凹部（１２４）が、オフセット軸方向面（１２４）で接続された前方半径方向肩部（１２２）及び後方半径方向肩部（１２６）によって形成されている、請求項１１に記載のシールシステム。
13. 前記流路のうち少なくとも前記オフセット軸方向面（３２４）に隣接する半径方向外側の流路（３４６）に冷却剤を供給して対流冷却によって前記オフセット軸方向面を冷却する手段（３４４）が設けられている、請求項１２に記載のシールシステム。
14. 前記後方半径方向肩部（２２６）の下流の少なくとも一部のセル壁部（２４２）が、下流方向に延在するディフューザ構成部品（２４０）の表面と整合するように、半径方向外方に傾斜している、請求項１１又は請求項１２に記載のシールシステム。