JP5795077B2 - 流体流動装置、特に高温ガス流によって軸方向に貫通されるガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、流体流動装置、特に、高温ガス流によって軸方向に貫通されるガスタービンに関する。

従来技術
そのような装置は、ロータ側にロータブレード列を、ハウジング側にガイドベーン列をそれぞれ有する。各列のブレードは、それぞれロータシャフトの周方向で互いに隣接して配置される。ここで、ロータシャフトは、ガイドベーンの領域においては遮熱セグメントにより囲まれ、ロータブレードの領域においてはロータブレードのベースセグメントにより囲まれる。これらのセグメントは、ロータシャフトの長手方向チャネルにおいて通常は形状接続的（形状によるはめ合いにより）に保持されるアンカを有する。一般的に、アンカは、ロータシャフトの軸方向視でモミの木に似た形状を有し、相補的なモミの木状の形状を有するロータシャフトの長手方向チャネルに軸方向に挿入することができる。

ロータシャフトを熱的過負荷から保護するため、第１の冷却空気チャンバが、ロータシャフトの第１の仮想周平面の領域において、遮熱セグメントおよびベースセグメント内に配置される。第１の冷却空気チャンバは、互いにおよび冷却空気源と連通する。ロータシャフトの半径方向外側の第２の仮想周平面の領域においては、別の冷却空気チャンバが、ベース側のロータブレードのベースプレート内に規則的に配置される。別の冷却空気チャンバは、高温ガス流に通気することができる。

現代のガスタービンにおいては、経済的に最適な動作を可能にするために最大限の効率が目指されている。

発明の説明
この文脈において、高温ガス流への冷却空気の非制御の流入は望ましくない。というのも、それにより効率が規則的に減少するからである。

本発明はこの点に端を発する。

本発明の目的は、冷却空気の流路を最適化し、かつ冷却空気が高温ガス流に入ることによる効率の損失を回避することである。

この問題は、別の冷却空気チャンバが、高温ガス流の方向に関してロータブレードの上流側に位置するそれらの端部においてのみ、高温ガス流に通気することができるという、請求項１の導入部において挙げられる種類の流体流動装置において、本発明によって解消される。高温ガスの流れ方向でロータブレードの前後において別の冷却空気チャンバを通気することができるというこれまでのタービンとは対照的に、本発明では、通気はロータブレードの上流側、すなわち、好適には隣接するロータブレードそれぞれの間でのみ可能である。この手法によって、流体流動装置の最適な効率を実現することができる。

上記した冷却空気の高温ガス流への流入とは別に、本発明によれば、冷却空気の別の流入が防がれる。

このため、本発明の好適な実施の形態によれば、第１の冷却空気チャンバを閉鎖するシールが、ロータシャフトの周方向または軸方向において、隣接する遮熱セグメントおよび／またはベースセグメント間の間隙に配置される。

加えて、好適には、ロータシャフトの軸方向に延びるロータブレード列の隣接するベースプレート間の間隙に追加のシールが設けられる。追加のシールは、各間隙の軸方向の端部間と、下流側に配置されるこの間隙の端部とにおいて冷却空気が流出するのを防ぐ。

妥当な場合、これら追加のシールの領域内において、第１のシールを省略することができる。

好適には、シールはすべてシールバンドとして形成される。シールバンドは、その長手方向縁部が、各間隙の側壁の互いに対向して配置される溝に存在する状態で配置される。第１のシールにおいて、周方向に隣接するベースセグメントまたは遮熱セグメント間において、ロータシャフトの軸方向に延びる間隙のシールバンドは、ロータシャフトの周方向に延び、かつ軸方向に隣接するベースセグメントと遮熱セグメントの間に保たれる間隙のシールバンドと、それぞれＴ字状に接続することができる。

加えて、好適な手法では、ロータブレードの隣接するベースプレート間の間隙において半径方向に延びるスリット開口部が、間隙の側壁の対応する溝に、ロータシャフトの半径方向平面に対して傾斜した方向で配置されるシールバンドにより閉鎖される。ロータ軸により近いシールバンドの端部は、下流側に設けられるベースプレートの端面においてアクセス可能である。

ここで、ロータ軸により近い上記シールバンドの端部は曲げることができ、かつその凹面側で、間隙を画定するベースプレート上の対応する凸状ストッパと協働する。このようにして、上記のシールバンドが、流体流動装置の作動中に遠心力によって半径方向外方にずれること、およびロータシャフトの軸方向に延びる、ベースプレート間のシールバンドを破壊するようにぶつかることを防ぐことができる。

さらに、本発明の好適な特徴に関して、請求項および以下の図面の説明が参照され、それによって本発明の特に有利な実施の形態がより詳細に説明される。

保護を請求するのは、指示または図示される特徴の組み合わせだけでなく、原則として、指示または図示される個別の特徴の任意の望ましい組み合わせである。

軸方向に貫流されるガスタービンの軸方向部分断面図である。 部分的に図示されたロータシャフト上の隣接するロータブレードのベースセグメントの斜視図である。 上記ベースセグメントの別の斜視図である。 複数のシールバンドのうちの１つのシールバンドの拡大図である。

発明を実施するための方法
図１によれば、各ロータ段は、ロータシャフト１に配置されたロータブレード２およびロータシャフト１の軸方向においてロータブレード２の前後に固定して配置された、ハウジング側のガイドベーン３を有する。図１では、ロータブレード２が１つだけ、軸方向で、高温ガス流４の方向に関して上流側に配置されたガイドベーンと、高温ガス流４に関して下流側に配置された別のガイドベーン３との間に示されている。しかしながら、ガイドベーン３およびロータブレード２のどちらも、互いに隣接して、ロータシャフトの周方向にそれぞれ複数個配置されていることが明らかである。そのため、ロータブレード２およびガイドベーン３のどちらも、ロータシャフト１の周方向において、対応するブレード列／ベーン列を形成している。

ロータブレード２はそれぞれ、ロータブレード２の半径方向内側の端部に隣接して、ベースプレート５を有し、ブレード側におけるその外面は、ロータシャフト１の周方向および軸方向に延びている。ベースプレート５は、ベースセグメント６へ半径方向内方に続いている。このベースセグメント６は、ロータシャフト１の軸方向視で、モミの木状のアンカ６’を有する。アンカ６’は、ロータシャフト１上の（セグメント化された）長手方向リブ７間の、相補的に対応するように形成されたチャネルに軸方向に挿入することができる。これによって、アンカ６’およびそれに関与するベースセグメント６ならびに関連するベースプレート５は、各ロータブレード２とともに、半径方向において形状接続的にロータシャフト１上で固定されている。

ロータシャフト側におけるガイドベーン３の端部の領域には、遮熱セグメント８がロータシャフト１に配置されている。遮熱セグメント８は、ベースセグメント６とほぼ同じであり、アンカ６’に類似のアンカ７’によって形状接続的にロータシャフト上に固定されている。

ロータブレード２と同様に、ベースプレート５を有するベースセグメント６および遮熱セグメント８は、ロータシャフト１上で、互いに隣接し合う周方向の列にそれぞれ配置されている。

図１〜図３から明らかになるように、冷却空気チャンバ９を貫通する冷却空気流によって熱的過負荷からロータシャフトを保護できるようにするため、互いにおよび図示されていない冷却空気源と連通した冷却空気チャンバ９が、ベースセグメント６および遮熱セグメント８に形成されている。これらの冷却空気チャンバ９は、ロータシャフトの半径方向内側周平面の領域に設けられている。ベースプレート５の内部、すなわちロータシャフト１の半径方向外側周平面の内部には、別の冷却空気チャンバ１０が配置されている。別の冷却空気チャンバ１０は、ベースセグメント６内の冷却空気チャンバ９と連通している。特に図２および図３からわかるように、冷却空気チャンバ９および１０はそれぞれ、ロータシャフト１の軸方向視で見て隣接するロータブレード２間に延びている。従って、冷却空気チャンバ９および１０には間隙１１が貫通する。間隙１１は、隣接するロータブレード２のベースプレート５間およびベースセグメント６間でロータシャフト１の長手方向に延びている。さらに、ベースセグメント６の冷却空気チャンバ９は、隣接する遮熱セグメント８の冷却空気チャンバ９と、開口部１２を介して接続されている（図２を参照）。開口部１２は、ロータシャフト１の軸方向で隣接する遮熱セグメント８およびベースセグメント６の向かう合う端面に配置されている。これらの開口部を通る冷却空気流路を、それぞれ間隙１３が貫通している。間隙１３は、軸方向で隣接するベースセグメント６および遮熱セグメント８の上記端面の間に存在する。

ここで、本発明により、冷却空気チャンバ９もしくは１０からの冷却空気は、高温ガス流４の上流側を指向するベースプレート５の端面においてのみ、高温ガス流４を通過することができる。この冷却空気の通過は、隣接するロータブレード２間の間隙１１の端部において、高温ガス流４に対して反対方向に行われる。さらに、間隙１１および１３における冷却空気の流出は、シールバンド１４〜１６によって防がれる。シールバンド１４〜１６は、それぞれ平らな帯状に形成されており、溝にシールバンドのその長手方向縁部が位置した状態で配置されている。これらの溝は、間隙１１および１３を画定する遮熱セグメント８およびベースセグメント６もしくはベースプレート５の側面または端面において互いに向き合って位置している。

図２および図３に示されるように、冷却空気チャンバ９間および冷却空気チャンバ１０間の間隙１１において、シールバンド１４が、間隙１１を画定する隣接するベースセグメント６の壁部の溝１７に配置されている。これらのシールバンド１４は、それぞれシールバンド１５とＴ字状に接続されている。シールバンド１５の長手方向縁部は、軸方向に隣接するベースセグメント６および遮熱セグメント８の向かい合う端面の溝１８に配置されている。隣接するベースセグメント６を関連するロータブレード２とともにロータシャフト１に取り付けた後、それによって図３に記載されるＴ字状に組み合わせたシールバンド１４および１５を、各所望の位置に矢印方向Ｐにそれぞれ挿入することができる。各所望の位置においては、各シールバンド１４は、隣接するベースセグメント６間において溝１７に配置され、かつシールバンド１５は、高温ガス流４の流れ方向を指向する隣接するベースセグメント６の端面の溝１８に配置される。次いで、遮熱セグメント８を、すでに取り付けられているベースセグメント６に高温ガス流４の流れ方向で隣接して、ロータシャフトに取り付けると、シールバンド１５の長手方向自由縁部が、遮熱セグメント８上の対応する溝１８に自動的に係合する。そのため、間隙１１および１３を介して冷却空気チャンバ９から冷却空気が高温ガス流４へ通過することは、シールバンド１４および１５によって防がれる。追加のシールバンド１６および１６’は、隣接するベースプレート５もしくは隣接するロータブレード２間の高温ガス流４と反対方向の側の間隙１１の端部を介してのみ、冷却空気が冷却空気チャンバ１０から出てくることができるように配置されている。シールバンド１６は、シールバンド１４の溝１７に平行して延びる溝１９にそれぞれ挿入されている。高温ガス流４の流れ方向で下流側に位置するシールバンド１６の端部は、図２および図３から分かるように、曲げられているまたは傾斜させられており、かつその凹面側でベースプレート５上の対応する凸状ストッパと協働し、これにより、シールバンド１６の所望の位置は終端位置として形成されており、かつ傾斜した端部を、ベースセグメント６および軸方向で隣接する遮熱セグメント８の互いに向かい合う端面の間で押さえ付けることができる。

加えて、追加のシールバンド１６’が、高温ガス流４の流れ方向を指向した側の間隙１１の端部に設けられている。追加のシールバンド１６’は、図３に示したように、ロータシャフト１の半径方向平面に対して傾斜して、各間隙１１を画定する隣接するベースプレート５の側面の対応する傾斜した溝１９’に配置されている。別のシールバンド１６’の半径方向内側の端部は、図４に記載されるように下方向に曲げられており、かつ隣接するベースプレート５の隣接する側面に対応して相補的に形成された縁部と凹面側において協働する。これによって、別のシールバンド１６’の所望の位置も終端位置として形成される。すなわち、別のシールバンド１６’の、図２および図３における上端部と、隣接するシールバンド１６との間に最小間隙が残り、これによって、シールバンド１６および１６’間の破壊的な接触が防がれ、これら２つのシールバンド１６および１６’間から、冷却空気が実質的にまったく漏れない。その所望の位置では、シールバンド１６’は、シールバンド１６と接触せず、かつシールバンド１６を破壊しない。そのシールバンド１６’は、所望の位置において、それぞれシールバンド１５によって押さえ付けられる。つまり、図３に記載のシールバンド１６’は、そのシールバンド１６’に関与るシールバンド１５が、このシールバンド１５とＴ字状に接続されたシールバンド１４とともに取り付けられる前に、その所望の位置に押し込まれる。

参照符号リスト
１ ロータシャフト
２ ロータブレード
３ ガイドベーン
４ 高温ガス流
５ ベースプレート
６ ベースセグメント
７ リブ
８ 遮熱セグメント
９ 第１の冷却空気チャンバ
１０ 別の冷却空気チャンバ
１１ 間隙
１２ 開口部
１３ 間隙
１４ シール
１５ シール
１６ シール
１７ 溝
１８ 溝
１９ 溝

Claims (5)

1. 高温ガス流によって軸方向に貫通される流体流動装置であって、ロータ側にロータブレード（２）の列、およびハウジング側に軸方向で該ロータブレード（２）の連続する列の間にそれぞれ配置されたガイドベーン（３）の列を有し、遮熱セグメント（８）および前記ロータブレード（２）のベースセグメント（６）によって囲まれるロータシャフト（１）を有し、該ロータシャフト（１）の第１の周平面の領域において、前記遮熱セグメントおよび前記ベースセグメント（８，６）内には、互いにおよび冷却空気源と連通する第１の冷却空気チャンバ（９）が配置されており、前記ロータシャフト（１）の半径方向外側の第２の周平面の領域において、ロータブレード（２）と該ロータブレード（２）に関与するベースセグメント（６）との間のベースプレート（５）内には、高温ガス流（４）に通気することができる別の冷却空気チャンバ（１０）が配置されている、高温ガス流によって軸方向に貫通される流体流動装置において、
   前記別の冷却空気チャンバ（１０）は、前記高温ガス流（４）の方向に関して上流側に位置する前記別の冷却空気チャンバ（１０）の端部においてのみ、前記高温ガス流に通気することができ、
   前記第１の冷却空気チャンバ（９）を半径方向外側において閉鎖する第１のシール（１４，１５）が、前記ロータシャフト（１）の周方向または軸方向で隣接する前記遮熱セグメントおよび／または前記ベースセグメント（８，６）間の、前記冷却空気チャンバ（９，１０’）と連通する間隙（１１，１３）に配置され、
   前記ロータブレード（２）の隣接するベースプレート（５）の間の、前記ロータシャフト（１）の半径方向に延びる前記間隙（１１）の開口部スリットが、前記ロータシャフト（１）の半径方向平面に対して傾斜した方向で前記間隙（１１）の前記側壁の対応する溝（１９’）に配置されたシールバンド（１６’）によって閉鎖されており、前記ロータシャフト（１）の軸により近い前記シールバンド（１６’）の端部は、下流側に配置された前記ベースプレート（５）の端部においてアクセス可能であることを特徴とする流体流動装置。
2. ロータブレード（２）の列の隣接するベースプレート（５）の間の、前記ロータシャフト（１）の軸方向に延びる前記間隙（１１）に、別個のまたは追加のシール（１６，１６’）が設けられており、該別個のまたは追加のシール（１６，１６’）は、前記各間隙（１１）の軸方向の端部間と、下流側に位置する前記間隙（１１）の端部とにおける冷却空気の流出を防ぐ、請求項１記載の流体流動装置。
3. 前記シール（１４〜１６’）はすべてシールバンドとして形成されており、該シールバンドは、該シールバンドの長手方向縁部が、前記各間隙（１１，１３）の向かい合った側壁に設けられた向かい合った溝（１７〜１９’）に位置するように配置されている、請求項１または２記載の流体流動装置。
4. 周方向で隣接するベースセグメントもしくは遮熱セグメント（６，８）間に設けられた、前記ロータシャフト（１）の軸方向に延びた間隙（１１）のシールバンド（１４）と、前記ロータシャフト（１）の前記周方向に延びた間隙（１３）の、下流側に位置した上記間隙（１１）の前記端部に設けられたシールバンド（１５）とが、Ｔ字状に互いに接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の流体流動装置。
5. 前記ロータシャフト（１）の軸により近い前記シールバンド（１６’）の前記端部は曲げられており、かつその凹面側で前記ベースプレート（５）の対応する凸状ストッパと協働する、請求項１から４までのいずれか１項記載の流体流動装置。

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