JP5836213B2 - タービンベーン - Google Patents

Description

本発明は、タービン、特にガスタービンのためのステータに関する。本発明は、さらに、このようなステータ及びこのようなステータのベーンを有するタービンに関する。

ステータは、タービンの必須の構成要素であり、ステータは、タービンの駆動流体をタービンのロータのブレードへ案内し、これによってブレード及びロータの回転を生ぜしめるベーンを有する。ロータの回転軸線は軸線方向を規定している。半径方向及び周方向はそれぞれ軸線方向に関して規定される。ステータのベーンは複数の列を成して配置されており、各列は通常、周方向で互いに隣接するベーンを有する。前記ベーンは通常、翼を有しており、この翼は、翼の内側端部においてベーンの内径プラットフォームに配置されている。「内側」という用語は、半径方向に関して規定されている。

ガスタービンの場合、駆動流体は膨張するガスであり、膨張は前記ガスの燃焼によって達成される。したがって、ステータのベーンは高温に曝され、これは、ベーンの高い熱力学的応力を生じる。前記応力を減じるために、ベーンは通常、ベーンを冷却ガスで冷却し、これにより、内径プラットフォームをも冷却するために前記冷却ガスを用いるための、チャネルシステムを有しており、すなわち、チャネルシステムは内径プラットフォームのキャビティに接続されており、前記内径プラットフォームキャビティは、特に、対応する内径プラットフォームの側壁によって区切られている。この場合、「側壁」という用語は、周方向に関して規定されており、内径プラットフォームの側壁はそれぞれ、周方向で隣接するベーンの内径プラットフォームの側壁に面している。ステータのベーンの配列を考えると、このことは、対面する側壁の間のギャップにつながる。

本発明の課題は、特に改良されたシールを特徴とする、上記種類のステータのための改良された又は少なくとも択一的な実施形態を提供することである。

本発明によれば、前記課題は独立請求項によって解決される。本発明によるステータの好適な実施形態は従属請求項に見ることができる。

本発明は、前記側壁の間のギャップを利用することによってステータの周方向で互いに隣接するベーンの内径プラットフォームの側壁の間に中間キャビティを形成するという基本的概念に基づき、この場合、ベーンの内径プラットフォームは、対応するベーンの翼の内側端部に配置されており、内径プラットフォームの側壁は、周方向で隣接するベーンの内径プラットフォームの側壁に面しており、側壁は、対応する内径プラットフォームの内径プラットフォームキャビティを区切っている。ベーンはさらにそれぞれ、各ベーンを冷却ガスで冷却するためのチャネルシステムを有しており、この場合、内径プラットフォームキャビティは、チャネルシステムに接続されており、これにより、前記冷却ガスで冷却され、中間キャビティは、特に側壁によって、それぞれの内径プラットフォームキャビティから流体的に分離されている。周方向で互いに隣接する内径プラットフォームの間の中間キャビティは、この場合、特に、側壁の間のギャップ内へのタービンの駆動流体の漏れを妨げるか又は少なくとも低減する。周方向とは、ステータが組み込まれる対応するタービンのロータの回転軸線に関する。半径方向は、それぞれ、回転軸線に関して規定することができる。

発明の基本的概念によれば、１つの実施形態は、２つの周方向で隣接するベーンの対面する側壁の間のギャップを有する。このギャップは今や、中間キャビティを形成するように少なくとも１つのシールプレートによって包囲されている。つまり、前記中間キャビティは、周方向では側壁によって区切られており、１つ又は複数のシールプレートによって包囲されている。したがって、中間キャビティは、対応する内径プラットフォームの内径プラットフォームキャビティから分離されている、つまり流体的に隔離されている。シールプレートのこの配置は、特に、中間キャビティの改良されたシールにつながる。

好適な実施形態によれば、中間キャビティを形成する側壁を有する内径プラットフォームのうちの少なくとも１つは、中間キャビティの領域において少なくとも１つの溝を有する。溝は、この場合、中間キャビティの周囲に構成されている、すなわち、溝は、中間キャビティを包囲している。複数の溝が設けられている場合は、これらの溝は、好適には、中間キャビティの周囲に配置されている、特に、均等又は連続的な形式で分配されている。つまり、溝は、中間キャビティの周囲に延びた溝セクションとして構成されている。１つ又は複数の前記溝は、さらに、中間キャビティを包囲する少なくとも１つのシールプレートを収容するように適応されている。これにより、シールプレートは前記溝内に配置されており、この場合、溝及びシールプレートは中間キャビティの周囲に延びている。したがって、１つ又は複数の溝は、それぞれの内径プラットフォームの側壁に形成することができる。好適な実施形態において、２つのプラットフォームはそれぞれ、中間キャビティを形成する１つの側壁を有しており、前記側壁はそれぞれ、少なくとも１つのシールプレートを収容するための溝を有している。この場合、前記内径プラットフォームの溝は、互いに対応する配置及び／又は形状を有している。すなわち、特に、それぞれの内径プラットフォームの溝を、同じに成形及び構成し、互いに正対して配置することができる。溝は、異なって構成することもでき、包囲されたシールを、シールプレートの配置によって保証することができる。複数の溝がそれぞれの内径プラットフォームに設けられている場合、すなわち、溝セクションが設けられている場合、互いに隣接するプラットフォームにおけるセクションは、互いに対面するように配置することができる、すなわち、内径プラットフォームの溝セクションは、特に、同じ形式で配置される。溝セクションは、互いにずれていることもでき、すなわち、溝は、種々異なる形式で配置されてよい。後者の場合、好適な実施形態は、中間キャビティ領域のあらゆる部分の周囲に少なくとも１つの溝セクションを提供するものである。シールプレートが重なり合うようにシールプレートを配置することも可能である。この重なり合いは、対面するシールプレートによって及び／又は内径プラットフォームのうちの一方の内径プラットフォームの１つ又は複数の溝に配置された、隣接するシールプレートによって実現することができる。

シールプレートは、それぞれの溝に対する相補的な形状及び配置を有する。つまり、シールプレートは、特に、対応する１つ又は複数の溝に嵌合しこれを塞ぐように構成されている。この場合、タービン内のそれぞれの条件は、シールプレートのそれぞれの特性、例えば耐熱性を要求する。したがって、金属及び合金がシールプレートの好適な材料である。

別の好適な実施形態によれば、１つ又は複数のシールプレートは中間キャビティの周縁シールを形成している。すなわち、特に、１つ又は複数のシールプレートは、中間キャビティを包囲しており、この場合、それぞれの方向に沿って中間キャビティを完全に又は少なくとも実質的にシールしている。つまり、中間キャビティの完全な又は少なくとも実質的な封止は、側壁及び１つ又は複数のシールプレートによって提供されており、１つ又は複数のシールプレートは、特に１つ又は複数の溝の領域において、対応する内径プラットフォームに接触している。

特に好適な実施形態によれば、２つの対面する側壁はそれぞれ、溝を有しており、前記溝は同じに成形されており、それぞれの側壁に対称に配置されている。この実施形態において、２つのシールプレートはこれらの溝内に配置されている。シールプレートのうちの１つは、それぞれの内径プラットフォームの下側に配置されており、この下側は翼とは反対の側である。前記シールプレートは、それぞれのシールプレートの端部において互いに接触している。後者のシールプレートは、残りの溝領域内に配置されている、すなわち、特に、前記シールプレートは、中間キャビティの後側から、翼に隣接した上側へ延びており、それぞれのシールプレートの端部によって第１のシールプレートに接触するように中間キャビティの前側まで続いている。この場合、前側及び後側は、タービンの駆動流体の流れ方向に関して規定されている。この意味において、前側は上流側であり、後側は下流側である。

中間キャビティの周縁シールは、別の実施形態によれば少なくとも１つの開口を有する。この場合、前記開口は、それぞれのシールプレートにおける切欠及び／又はそれぞれのシールプレートにおける中断部によって実現することができる。この場合、開口は、好適には、中間キャビティの下側に配置されている、すなわち、開口は翼とは反対のシールの側に形成されている。さらに、前記開口は、好適には、中間キャビティの前側、つまり中間キャビティの上流側に配置されている。開口はこの場合、特に、加圧されたガスのための入口として働く。つまり、中間キャビティは、前記開口を介して中間キャビティ内に圧送される加圧されたガスによって加圧される。中間キャビティの加圧は、特に、タービンの駆動流体が中間キャビティに進入することを防止することによって中間キャビティのシールを改善することを目的とする。

好適な実施形態によれば、前記開口は、それぞれのベーンのチャネルシステムから流体的に分離されている。言い換えれば、中間キャビティの開口は、内径プラットフォームキャビティによってベーン、特に内径プラットフォームを冷却するために使用されるチャネルシステムから流体的に隔離されている。つまり、中間キャビティの開口は、内径プラットフォームキャビティから流体的に切断されており、前記両キャビティの間の分離を保つ。つまり、チャージガス及び冷却ガスは、タービンの異なるガス供給装置を通過することができ、さらに、異なることができる。

別の実施形態において、ベーンは外径プラットフォームを有しており、この場合、外径プラットフォームは、ベーンの翼の外側端部に配置されており、外側端部は半径方向に関していう。つまり、外径プラットフォームは、内径プラットフォームに接続された端部と反対の翼の端部に配置されている。外径プラットフォームは、さらに、チャネルシステムに接続された外径プラットフォームキャビティを有する。外径プラットフォームは、さらに、好適には、冷却ガスを外径プラットフォームキャビティに導入するための冷却ガス入口を有する。これにより、前記冷却ガスは、外径プラットフォーム及び内径プラットフォームを冷却するために使用される。したがって、チャネルシステムは、特に少なくとも１つのチャネルによって翼を貫通しており、この場合、前記チャネルは、好適には、外径プラットフォームから内径プラットフォームへ及び／又はその逆に延びている。つまり、前記冷却ガスは翼も冷却する。したがって、構成は、一方では、中間キャビティを加圧するために加圧されたガスを提供するために、他方では、外径プラットフォーム、翼及び内径プラットフォームを冷却するための冷却ガスを提供するために、単純化されている。

中間キャビティの開口は任意のサイズ及び形状を有することができる。しかしながら、円形のような対称の形状が好適であり、前記円形の開口は、好適には、中間キャビティの前側、つまりベーンの上流側に配置されており、翼とは反対側にある、つまり、開口は、中間キャビティの下側に配置されている。この場合、開口のサイズは、中間キャビティと、隣接する内径プラットフォームキャビティとの間の流体分離を維持するためにそれぞれの領域における中間キャビティの幅を超えない。

別の実施形態によれば、内径プラットフォームの溝は、少なくとも１つの中断部を有しており、この中断部は、中間キャビティの開口に配置されている。つまり、前記中断部は、前記開口と整合させられている若しくは前記開口に整合して対面しており、好適には、対応する内径プラットフォームの下側に配置されている。複数の溝の場合、これらの溝は、好適には、前記開口に面するように及び／又は前記開口を包囲するように対称の形式で配置されている。中間キャビティを形成する両内径プラットフォームにおける溝の場合、前記溝は、開口と整合した又は開口に面した、対称に配置された中断部も有する。

ベーンとベーンキャリヤとの間の合理的なシールを保証するために、ベーンは、内径プラットフォームの底板にシールを有する。つまり、前記シールは、翼と反対の内径プラットフォームの側に配置されており、半径方向内方へ突出している。このようなシールの例は、リング状のシール、特に、例えば、引用により本明細書における記載とする米国特許第４０５０７０２号明細書に開示されているようなデル・マットシール（Del Matto seal）である。

別の実施形態によれば、内径プラットフォームは少なくとも１つのガス出口を有しており、前記ガス出口は、特に、内径プラットフォームの上板に配置されている。つまり、ガス出口は、特に、翼に面した内径プラットフォームの側に配置されている。この場合、前記ガス出口は、内径プラットフォームキャビティからの冷却ガスの出口を提供するために、内径プラットフォームのそれぞれの壁部を貫通している。したがって、ガス出口は、好適には内径プラットフォームの下流側に配置されており、内径プラットフォームの前側に配置することもできる。

ベーン及び内径プラットフォームは発明の重要な部分であるので、本発明によるステータにおいて使用される１つのベーンも発明の範囲に含まれる。

中間キャビティの概念は、内径プラットフォーム及び内径プラットフォームキャビティを有するベーンと、内径プラットフォームキャビティを備えないベーンとの間、及び、内径プラットフォーム及び内径プラットフォームキャビティを有するベーンと、内径プラットフォームを備えないベーンとの間において実現することができる。中間キャビティの実施のためにはこれらの組合せも適している。つまり、これらの変化態様も発明の範囲に属する。

発明の別の態様によれば、タービン、特にガスタービンは、本発明によるステータを有する。前記タービンは、特に、特にステータの改良されたシールによる改良された効率を特徴とする。

前記特徴及び以下に言及する特徴は、提示された組み合わせのみならず、発明の範囲から逸脱することなくその他の組み合わせで及び個別に適用可能であることが理解される。

発明の上記課題、特徴及び利点並びにその他の課題、特徴及び利点は、添付の図面に関連して見た場合に、発明の好適な実施形態の以下の説明からより明らかになるであろう。

発明は、図面に概略的に示された実施形態に関して説明されているが、図面を参照して以下により詳細に説明される。

ベーン内側プラットフォームの斜視図である。 タービンの縦断面図である。 ベーン内側プラットフォームの横断面図である。

図１から図３までを参照すると、ベーン１は、翼２及びプラットフォーム３を有しており、プラットフォーム３は、翼２を、上板４に、翼２の内側端部において支持している。「上」との用語はこの場合、矢印５によって示された半径方向に関するものであり、半径方向自体は、矢印８によって示されたタービン７のロータ６の回転の軸線方向に関するものであり、この場合、タービン７は、図示のベーン１を有するステータ９を含む。

図１に示したように、上板４は、平坦な部分を有しており、次いで内径プラットフォーム３の底板１０に向かって曲がり、内径プラットフォーム３の上流側において鋭角で底板１０と接触しており、この場合、上流側若しくは前側は、矢印１１によって示された、タービン７を流過する駆動流体の流れ方向に関して規定される。翼２は、翼２に沿って半径方向に延びた列に配置された穴１２を有する。これらの穴は、チャネルシステムのチャネルによって翼２を流過する冷却ガスのための出口として働く。チャネルシステムは、内径プラットフォーム３の内径プラットフォームキャビティ１３に接続されており、前記内径プラットフォームキャビティ１３は、内径プラットフォーム３の上板４と、底板１０と、後壁１４と、側壁１５とによって形成されている。この場合、後壁１４は、内径プラットフォーム３の下流側における壁部である。側壁１５は、軸方向及び半径方向に延びており、内径プラットフォームキャビティ１３を、矢印８によって示されたタービン７の回転軸線に関して規定された矢印１６によって示された周方向で区切っている。内径プラットフォーム３の上板４は、上板４上で複数の列に沿って分配されかつ内径プラットフォームキャビティ１３に接続されたガス出口１７を有する。さらに、内径プラットフォームキャビティ１３に接続されかつ冷却ガスのための出口としても働く、内径プラットフォーム３の前側領域における穴１２も設けられている。内径プラットフォーム３の前側領域における別の穴は、軸方向若しくは流れ方向に面している。

ベーン１の側壁１５は、溝１８を有する。前記溝１８は、内径プラットフォーム３の前側において出発し、上板４に沿って延び、特に上板４の輪郭に合致している。溝１８は、後壁１４に沿って延び続け、内径プラットフォーム３の上板４と後壁１４との間の湾曲した移行部の輪郭に合致している。溝１８は、直角の移行部を超えて内径プラットフォーム３の底板１０に沿って続き、内径プラットフォーム３の前側から間隔を置いた位置において終わっている。つまり、溝１８は、底板１０の領域内で、内径プラットフォーム３の前側、つまり上流側において中断部１９を有している。第１のシールプレート２０は、上板４及び後壁１４に沿った領域に延びた溝１８内に配置されている。つまり、前記シールプレート２０は、溝１８のこの領域に対して対応する形状を有する。したがって、シールプレート２０は、上板４と後壁１４との間の移行領域において、湾曲した移行部が成形されている。第２のシールプレート２１は、底板１０に沿って延びた溝１８の領域内に配置されており、前記シールプレート２１は、溝１８の直角移行領域において、つまり内径プラットフォーム３の下流側において、第１のシールプレート２０と接触している。第２のシールプレート２１は、平坦な形状を有し、残りの溝１８の領域全体を塞いでいる、すなわち、特に、中断部１９のエッジまで延びている。この場合、両シールプレート２０，２１は、側壁１８から離れる方向に、つまり、周方向で隣接するベーン１の内径プラットフォーム３の側壁１８に向かって突出している。したがって、これらのプレート２０，２１は、互いに隣接する内径プラットフォーム３の対面する側壁の溝に配置されるように適応されている。対面する内径プラットフォーム３の溝１８は、向き合った溝１８に対応する形状、すなわち、特に対応する中断部を有しており、これは、互いに対面する側壁１５の間における中間キャビティ２２の形成につながる。この場合、前記中間キャビティ２２は、図３に示したように、周方向で隣接するベーン１の互いに対面する側壁１５と、シールプレート２０，２１とによって区切られている。つまり、シールプレート２０，２１は、中間キャビティ２２の周縁シールを形成している。対応する溝１８のそれぞれの中断部１９は、さらに、周縁シールに開口２３を提供し、前記開口は、キャビティの底側、つまり翼３と反対の側で、しかもベーン１の上流側に配置されている。この場合、中断部１９の整合及び対称配置は、開口２３の対称の、特に矩形又は円形の形状につながる。

図示されたベーン１は、さらに、底板の中央領域において内径プラットフォーム３の底板１０に結合されかつ半径方向内方へ、つまり矢印５とは反対方向に突出した、デル・マットシール２４を有する。ベーンは、さらに、底板１０に結合されかつ半径方向内方へ突出しているが、内径プラットフォーム３の下流側に配置されたシール部分２５を有する。前記シール部分２５は、図２に示したように、段状であり、タービン７のロータ６の下流の隣接するブレード２８のフィン２７とともにラビリンスシール２６を形成するように適応されている。図２は、矢印５によって示された半径方向に関して翼２の外側端部に配置されたベーン１の外径プラットフォーム２９をも示している。つまり、内径プラットフォーム３は翼２の内側端部に配置されているのに対し、外径プラットフォーム２９は翼２の外側端部に配置されている。外径プラットフォーム２９は、さらに、外径プラットフォーム２９のガス入口３２によって冷却ガス供給装置３１に接続された外径プラットフォームキャビティ３０を有する。

図３は、タービン７のステータ９の断面図を示しており、図２における線Ｅに沿って切断した断面を示している。ベーン１の内径プラットフォームキャビティ１３は、下側の中央領域に見られる。前記内径プラットフォームキャビティ１３の側壁１５は、周方向で隣接する内径プラットフォームキャビティ１３の側壁１５に面している。中間キャビティ２２は、中央の内径プラットフォームキャビティ１３の両側に配置されており、前記中間キャビティ２２は、それぞれの隣接する内径プラットフォーム３の側壁１５と、それぞれの隣接する内径プラットフォーム３の対称に形成された溝１８内に配置されたシールプレート２０，２１とによって区切られている。

１ ベーン
２ 翼
３ 内径プラットフォーム
４ 上板
５ 半径方向を示す矢印
６ ロータ
７ タービン
８ 軸方向を示す矢印
９ ステータ
１０ 底板
１１ 駆動流体方向を示す矢印
１２ 穴
１３ 内径プラットフォームキャビティ
１４ 後壁
１５ 側壁
１６ 周方向を示す矢印
１７ ガス出口
１８ 溝
１９ 中断部
２０ シールプレート
２１ シールプレート
２２ 中間キャビティ
２３ 開口
２４ デル・マットシール
２５ シール部
２６ ラビリンスシール
２７ フィン
２８ ブレード
２９ 外径プラットフォーム
３０ 外径キャビティ
３１ 冷却ガス供給装置
３２ ガス入口

Claims (11)

1. タービン（７）、特にガスタービンのためのステータ（９）において、該ステータ（９）が、ベーン（１）の配列を有しており、少なくとも２つの周方向で隣接するベーン（１）がそれぞれ、翼（２）と、該翼（２）の内側端部における内径プラットフォーム（３）と、それぞれのベーン（１）を冷却ガスで冷却するためのチャネルシステムとを有しており、
   内径プラットフォーム（３）が、内径プラットフォームキャビティ（１３）を有しており、
   内径プラットフォーム（３）が、内径プラットフォームキャビティ（１３）を区切る、少なくとも１つの円周状に配置された側壁（１５）を有しており、
   内径プラットフォームキャビティ（１３）が、内径プラットフォーム（３）に冷却ガスを供給するためのチャネルシステムと接続されており、
   少なくとも１つのシールプレート（２０，２１）が、中間キャビティ（２２）を形成するように、２つの周方向で隣接するベーン（１）の対面する側壁（１５）の間に配置されており、
   対応する内径プラットフォームキャビティ（１３）と、中間キャビティ（２２）とが、流体的に分離されており、
   １つ又は複数のシールプレート（２０，２１）が、中間キャビティ（２２）を完全に又は少なくとも実質的に包囲する周縁シールを形成しており、
   少なくとも１つのシールプレート（２０，２１）が、中間キャビティ（２２）の下側に配置されており、
   少なくとも１つのシールプレート（２０，２１）が、中間キャビティ（２２）の上側に配置されており、かつ中間キャビティ（２２）の下側に配置されたシールプレート（２０，２１）と接触しており、
   少なくとも１つのシールプレート（２０，２１）が、中間キャビティ（２２）の後側に配置されており、かつ中間キャビティ（２２）の上側に配置されたシールプレート（２０，２１）と、中間キャビティ（２２）の下側に配置されたシールプレート（２０，２１）とに接触しており、
   中間キャビティ（２２）の下側が、翼（２）から半径方向に最も離れた側であり、
   中間キャビティ（２２）の上側が、翼（２）に隣接しており、
   中間キャビティ（２２）の後側が、対応するベーン（１）の下流側に位置する
   ことを特徴とする、タービン（７）、特にガスタービンのためのステータ（９）。
2. 中間キャビティ（２２）を形成するベーン（１）のうちの少なくとも１つのベーンの内径プラットフォーム（３）が、中間キャビティ（２２）の領域の周囲に配置された少なくとも１つの溝（１８）を有しており、シールプレート（２０，２１）のうちの少なくとも１つが、前記溝（１８）内に配置されている、請求項１記載のステータ。
3. 周縁シールが、少なくとも１つの開口（２３）を有しており、該開口（２３）が、特に、中間キャビティ（２２）の下側に配置されており、ガス入口として働く、請求項１又は２記載のステータ。
4. 開口（２３）が、対応するベーン（１）のチャネルシステムから流体的に分離されている、請求項３記載のステータ。
5. 開口（２３）が、対称な形状、特に円形である、請求項３又は４記載のステータ。
6. 内径プラットフォーム（３）の溝（１８）が、少なくとも１つの中断部（１９）を有し、該中断部（１９）が、周縁シールの開口（２３）の境界の一部と整合させられているか、又は周縁シールの開口（２３）の境界の一部を形成している、請求項３から５までのいずれか１項記載のステータ。
7. リング状のシール、特にデル・マットシール（２４）が、内径プラットフォーム（３）の底板（１０）の下側に配置されており、前記底板（１０）が、翼（２）から最も離れた、内径プラットフォームキャビティ（１３）の側に位置している、請求項１から６までのいずれか１項記載のステータ。
8. チャネルシステムが、翼（２）内に延びた少なくとも１つのチャネルを有しており、かつベーン（１）の外径プラットフォーム（２９）の外径プラットフォームキャビティ（３０）に接続されており、前記外径プラットフォーム（２９）が、翼（２）の半径方向外側の端部に配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のステータ。
9. 内径プラットフォーム（３）が、特に翼（２）に面した内径プラットフォーム（３）の側に配置された、少なくとも１つのガス出口（１７）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載のステータ。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の少なくとも１つのステータ（９）と、ロータとを有することを特徴とする、タービン（７）、特にガスタービン。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載のステータ（９）及び／又はタービン（７）のためのベーン（１）。

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