JP6038084B2 - 漏れ間隙を通る漏れ流を制限するための流体シール配列および方法 - Google Patents

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Description

本発明は、液体または気体の流体流を、ノズル開口を通じて漏れ間隙内へ噴射するために、それぞれ漏れ間隙の反対側の回転または静止構成部材に向かって面した、回転および/または静止構成部材における少なくとも1つのノズル開口を有する回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通じて方向付けられる漏れ流を制限するための流体シール配列に関する。このような漏れ流は、通常、ガスタービン配列のような回転流れ機械、特にその圧縮機およびタービンユニットにおいて生じる。この回転流れ機械においては、回転部分が、ユニットの静止構成部材とともに間隙を取り囲んでおり、いかなる予防措置も設けられていないと、この間隙を通って、ユニットの圧縮空気または高温ガスの軸方向流れの僅かな一部が通過することができる。さらに、漏れ流の流れの方向に対して横方向である流れの方向で、液体または気体の流体流を漏れ間隙内へ噴射することによって、回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通る漏れ流を制限する方法が開示される。
発明の背景
米国特許第7238001号明細書は、回転流れ機械、好適にはガスタービンエンジンにおいて使用されるシール配列を開示している。回転流れ機械において、タービン段を軸方向に通過する高温ガスの流れは、ロータの回転の運動量を加速するための膨張仕事を行う。タービン段の回転および静止構成部材の間に半径方向で形成された間隙を通る漏れ流であって、特に前記漏れ流はエネルギ発生に寄与しない、漏れ流を回避するために、例えば回転および静止構成部材の間にラビリンスシーリング構造を適用することによって間隙のクリアランスを減じるために、公知技術が利用される。ラビリンスシーリングは、半径方向に組み合わさった構造を提供し、これは、間隙の間の半径方向延在によって機械的流れ妨害を提供することによって、間隙を通る軸方向の自由流路を妨害する。
前述のラビリンスシーリングに代えてまたは前述のラビリンスシーリングと組み合わせて、米国特許第7238001号明細書は、漏れ流が、噴射された流体流れ流体によって純粋に動的に制限されるように、漏れ流の方向に対して横方向に向きづけられた流れの方向で、漏れ間隙に流体流れを噴射することを提案している。このために、それぞれが漏れ間隙を画成する回転または静止構成部材にスロットが設けられており、このスロットを通って、流体流れが噴射されかつ漏れ間隙を横切って方向付けられ、これにより、利用できる漏れ間隙をさらに制限するため流体流を、この漏れ間隙を横切る有効スタンディング流体シートとして提供する。
米国特許第7238001号明細書
本発明の課題は、回転機械の効率が著しく高められるように、前に開示された原理、すなわち漏れ間隙内の動的に生ぜしめられた流れ妨害の使用に基づいて、回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通って方向付けられる漏れ流を制限するための高められた流体シール配列を提供することである。
前記課題は、請求項1または請求項2の特徴の全体によって達成される。請求項9および10のそれぞれの主体は、回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通る漏れ流を制限する方法である。本発明は、有利には、従属請求項、及び特に好適な実施の形態に言及した以下の説明に開示された特徴によって変更することができる。
回転流れ機械の高められた作動を達成するために、回転流れ機械を通る流路に関連するあらゆる損失メカニズムを排除し、特に、漏れ間隙を画成する回転および静止構成部材の間のあらゆる漏れ流をも回避することが重要である。漏れ流の抑制を実現するために、利用できる漏れ間隙を制限するための流体流を、漏れ間隙を横切る有効スタンディング流体シートとして確立するためのエネルギ支出を減じることを助ける相乗作用を利用することが本発明において提案される。
本発明によれば、液体または気体の流体流を、ノズル開口を通じて漏れ間隙内へ噴射するために、それぞれ漏れ間隙の反対側の回転または静止構成部材に向かって面した、回転および/または静止構成部材における少なくとも1つのノズル開口を有する回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通じて方向付けられる漏れ流を制限するための流体シール配列は、本発明によれば、ノズル開口において出てくる流体流が回転および/または静止構成部材の冷却流体のみから成るように、少なくとも1つノズル開口を回転および/または静止構成部材内の冷却チャネルに流体接続することによって改良される。
本発明の流体シール配列は、回転流れ機械の回転および/または静止構成部材、例えばガスタービン配列の圧縮機またはタービンユニットに組み込まれた既存の冷却システムの冷却媒体を使用する。タービン段ユニットの高温ガス流路におけるベーンおよびブレードの過熱を回避するために、冷却チャネルの複雑な系統は、各ベーンおよびブレード内に組み込まれており、この冷却チャネルの複雑な系統を通じて、冷却媒体が、好適には圧縮機ユニットの一部分から取り出された圧縮空気の形式で通過する。前記冷却空気は、冷却チャネルの構造的設計に応じて、対流冷却および/またはインピンジメント冷却の方式で構成部材を冷却してもよい。
冷却仕事を行った後、冷却媒体は、冷却チャネルの出口開口を通って、回転流れ機械の主チャネル内へ流入する。冷却チャネルの出口開口のすぐ上流におけるある量の冷却媒体を、漏れ間隙内へ噴射するためのノズル開口に通じたいわゆる供給チャネル内へバイパスすることによって、冷却媒体の少なくとも一部を使用することが本発明において提案される。本発明の技術的利点は、シーリング目的のための所要のシーリング流体流が、前の用途から、すなわち回転および/または静止構成部材内の冷却系統から既に利用可能であり、したがって、漏れ間隙内へ噴射する追加の流体流供給源を提供する必要がないということである。流体流を少なくとも1つのノズル開口へ供給するための、例えば圧縮機ユニットの一部分からの直接的な供給ラインはもはや一切必要ではなく、むしろ冷却媒体は回転流れ機械内の熱に曝される全ての構成部材において利用可能であり、これにより、冷却媒体が回転流れ機械の主チャネルへ流出する出口開口の近くで、回転または静止構成部材の冷却チャネルを分岐させることが容易に可能である。
漏れ流のための体積妨害の形式で漏れ間隙を充填するためにノズル開口を通じて漏れ間隙内へ噴射するための流体流として冷却媒体を再利用するという前述の原理と組み合わせることができかつ独立した発明の概念として見なすことができる本発明の第2の態様は、漏れ間隙の、ノズル開口とは反対側の回転または静止構成部材に作用する、ノズル開口を通じて漏れ間隙内へ噴射される液体または気体流体流のエネルギ流の使用にも関する。本発明の第2の概念は、ノズル開口を通じて漏れ間隙内へ噴射された後に流体流が衝突する回転または静止構成部材に作用する流れパルスを利用する。流れパルスは、回転構成部材の回転の運動量を高めるまたは減じるために利用することができる。
液体または気体の流体流を、ノズル開口を通じて漏れ間隙内へ噴射するために、それぞれ漏れ間隙の反対側の回転または静止構成部材に向かって面した、回転および/または静止構成部材における少なくとも1つのノズル開口を有する回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通じて方向付けられる漏れ流を制御するための流体シール配列は、本発明によれば、ノズル軸線を備える少なくとも1つのノズル開口であって、このノズル軸線に沿って流体流が方向付けられるノズル開口を、少なくとも1つのノズル開口から出てかつ漏れ間隙の、ノズル開口とは反対側における回転または静止構成部材に衝突する流体流によって回転構成部材の回転の運動量が高められるまたは減じられるように、ノズル軸線が回転構成部材の回転軸線の半径方向に対して傾斜させられるように、配置することによって改良される。
米国特許第7238001号明細書による公知の配列においては、流体流れ方向は、回転構成部材の回転軸線に対して直交する平面において半径方向に方向付けられているが、この公知の配列とは対照的に、少なくとも1つのノズル開口を通じて噴射される流体流の方向は、前記の規定された平面に関して、すなわち回転構成部材の回転軸線に対して平行な投影図または回転軸線に直交する平面において、半径方向に対して角度α≠0°を成している。
回転構成部材の回転方向または回転方向とは反対の方向へのノズル軸線の傾斜を適切に選択することにより、回転または静止構成部材への流体流の衝突は、回転の運動量を高めるまたは減じることができる。
好適な実施の形態において、少なくとも1つのノズル開口は、ノズル軸線が角度αを有するように静止構成部材に配置されている。角度αは、ノズル軸線が回転構成部材の回転方向または回転方向とは反対方向に傾斜させられるように、ノズル開口を横切る半径方向に対して基本的に0°<α<±90°、好適には±5°≦α≦±50°に当てはまる。回転構成部材の回転方向に傾斜している場合、回転構成部材への流体流の衝突は回転の運動量を高める。回転構成部材の回転方向とは反対方向にノズル軸線が傾斜している場合、回転の運動量は低下する。主な態様は回転の運動量を高めることであるが、発明の範囲は回転の運動量を減じる可能性をも含んでいることが重要である。
別の好適な実施の形態において、少なくとも1つのノズル開口は、ノズル軸線が回転構成部材の回転方向にまたは回転方向とは反対方向に傾斜させられるように、ノズル軸線が、ノズル開口を横切る半径方向に対してβ≠0°を有するように回転構成部材に配置されている。回転構成部材における少なくとも1つのノズル開口の配置は、静止構成部材に少なくとも1つのノズルを配置する前述の配置と組み合わせることもできる。両方の場合において、ノズル軸線の傾斜の大きさの選択は、回転の運動量に対する影響の大きさを決定し、傾斜の向きは、影響の種類、すなわち、回転の運動量が高められるかまたは減じられるかを決定する。
回転および静止構成部材におけるノズル開口の組み合わされた実現において、ノズル軸線の向きは、互いに別々に選択することができ、これは、α≠βを意味するが、αおよびβは等しく、同じ向きであることが好ましい。
回転の運動量が高められるようなノズル軸線を有する少なくとも1つのノズル開口を回転構成部材に提供する1つの別の実施の形態が考えられる。さらに、静止構成部材は、回転の運動量を減じるために、反対向きにノズル軸線を有する少なくとも1つのノズル開口も提供する。第1の作動モードにおいては、回転構成部材におけるノズル開口に、回転の運動量を高めるための流体流が供給されつつ、静止構成部材における少なくとも1つのノズル開口のための流体流供給が抑制されるように、各ノズルを通る流体流の供給を独立して制御することができる。第2の作動モードにおいては、回転の運動量を減じるように静止構成部材におけるノズル開口によって流体流が噴射されつつ、回転構成部材におけるノズル開口における流体流の供給が抑制される。
本発明の概念は、基本的に、全ての回転流れ機械に適用可能であるが、好適には、ガスタービン配列の圧縮機およびタービン段に適用可能である。典型的には、このような回転流れ機械の回転構成部材は、ロータのブレードまたは表面部分に関する。静止構成部材は、ハウジングまたはこのハウジングに直接的または間接的に結合された構成部材、好適にはベーン、熱シールドエレメント、または軸方向でタービンハウジングを画成する燃焼器ライナに関する。全てのこれらの場合に、典型的には、熱に曝される構成部材に冷却チャネルが組み込まれているので、漏れ間隙を通る漏れ流を制限するために冷却空気を使用するための付加的な努力がなされることはない。
概して、冷却空気の提案された再利用は、回転および静止構成部材の間に間隙が生じるあらゆる位置において、その少なくとも1つの構成部材が前述の形式で冷却される回転流れ機械において適用することができる。好適な実施の形態は以下の図面に関連してより詳しく説明される。
さらに、漏れ流の流れの方向に対して横方向である流れの方向で、液体または気体の流体流を漏れ間隙内へ噴射することによって、回転および静止構成部材によって画成された漏れ間隙を通る漏れ流を制限する方法であって、本発明によれば、液体または気体の流体流は、漏れ間隙を通過する前にまず回転および/または静止構成部材を冷却するための冷却媒体として機能することを特徴とする、漏れ流を制限する方法が記載される。
本発明の方法は、既存のリソースを利用する。すなわち、本発明の方法は、回転流れ機械内の、熱に曝される回転および/または静止構成部材内の冷却チャネルを通ってまず供給される冷却空気を、漏れ間隙に進入する前に、漏れ間隙を通る漏れ流の制限目的のために再利用する。
別の本発明の態様は、回転構成部材の回転の運動力が、回転および/または静止構成部材との液体または気体の流体流の衝突によって高められるまたは減じられるように、液体または気体の流体流が方向付けられるというものである。
本発明の方法のさらなる詳細は、図面に示された好適な実施の形態を説明する以下の開示から得ることができる。
引き続き図面に関連した典型的な実施の形態に基づいて発明をさらに詳細に説明する。
ベーンの外径プラットフォームとともに縁部キャビティを包囲した、ブレードの内径プラットフォームの縦断面図と、断面A−Aに沿った横断面図とを概略的に示している。 ベーンのプラットフォームのインピンジメント冷却を行う、漏れ間隙を画成するブレードのプラットフォームとベーンのプラットフォームとの縦断面図を概略的に示している。 漏れ間隙を画成する、ブレードを対流冷却するための冷却チャネルを備えたブレードと、隣接するベーンとの縦断面図を概略的に示している。 漏れ間隙を画成するブレードの先端部と、熱シールドエレメントとの縦断面図を概略的に示している。
典型的な実施の形態の詳細な説明
図1aは、回転軸線R周りの回転ブレード1の縦断面図を示している。ブレード1は、刃形縁部3を備えた内径プラットフォーム2を有する。さらに、ベーン4は、軸方向でブレード1に隣接して配置されており、ベーン4は、静止構成部材であり、その外径において、刃形縁部6を有するプラットフォーム5をも提供しており、刃形縁部6はブレード1の刃形縁部3とともに縁部キャビティ7を画成している。縁部キャビティ7を通過する漏れ流8を減じるために、プラットフォーム5と、ブレードの刃形縁部3の先端部との間の間隙を狭めるために、ベーン4のプラットフォーム5にはハニカム構造体9が取り付けられている。
作動中に生じるハニカム構造体9の摩擦効果により、縁部キャビティ7を通過する漏れ流8は不可避である。漏れ流8を部分的にまたは好適には完全に減じるまたは制限するために、ベーン4内部の冷却チャネル11を通じて供給される冷却空気10の一部を供給ライン12に分岐させることが本発明において提案される。この供給ライン12は、ノズル開口13において開口しており、冷却空気10の一部を、縁部キャビティ7を通過する漏れ流8に対して横方向の流れ方向を有する流体流14として噴射する。
縁部キャビティ7内へ噴射された流体流14は、漏れ流8を著しく制限し、縁部キャビティ7内の流体動的体積閉塞のように作用する。
図1aは、冷却空気10の使用を開示している。冷却空気10は、冷却チャネル11を通じて供給され、冷却チャネル11から、開口15において、主に流れ回転機械の流路内へ出ていく。冷却空気10の少なくとも一部は、縁部キャビティ7内に流体閉塞を確立するために使用される。
図1bは、図1aにおける切断線A−Aに沿った断面図を示す。ブレード1およびそのプラットフォーム2に対応する回転構成部材16は、反時計回りの回転方向で回転軸線Rを中心に回転する。ベーン4に対応する静止構成部材17は、回転構成部材16を包囲しており、この回転構成部材16は、縁部キャビティ7に対応する漏れ間隙18を画成している。漏れ間隙18を通る漏れ流を減じるために、静止構成部材17に複数のノズル開口13が配置されている。各ノズル開口13は、ノズル軸線19を提供しており、このノズル軸線19に沿って流体流14は各ノズル開口13を通って放出される。ノズル軸線19は、回転軸線Rに関する半径方向20に対して角度+αを形成している。ノズル開口13の場合、ノズル軸線19は、回転構成部材16に衝突する流体流14が回転構成部材16の回転の運動量を高めるように方向付けられている。この場合、ノズル軸線は、回転構成部材の回転方向に傾けられている。回転の運動量の増大を最適化するために、角度αは5°≦α≦50°の角度範囲である。
さらに、図1bは、別の可能性としてノズル開口13’の配列を示している。ノズル開口13’は、回転構成部材16の回転方向と反対方向に傾けられたノズル軸線19’を有する。ノズル開口13’を通じて流体流を噴射することにより、流体流は、回転の運動量が減じられるように回転構成部材に作用する。すなわち、角度αは負の値であり、回転構成部材16の回転の運動量に対する減速効果の大きさに応じて−5°≦α≦−50°の角度範囲であってよい。
両方の例示された場合、すなわち、回転側または静止側におけるノズルの配列は、回転流れ機械の個々の作動状況に応じて、組み合わせてまたは択一的に適用することもできる。
図2aは、別の実施の形態を縦断面図で示している。この場合、回転ブレード1は、内径プラットフォーム2を提供しており、この内径プラットフォーム2は、ベーン4のプラットフォーム5とともに漏れ間隙18を画成している。漏れ間隙18を通る漏れ流8を制限するために、冷却空気10が供給される供給ライン12のノズル開口13を通じて流体流14が噴射される。冷却空気10は、インピンジメント冷却によってベーン4のプラットフォーム5を冷却する。このために、冷却系において、ベーン4のプラットフォーム5内にインピンジメントシート21が配置されている。
図2bは、ブレード1の翼を冷却するための冷却チャネル11を提供するブレード1の縦断面図を示している。このために、冷却空気10は、ブレードの基部領域において冷却チャネル11に進入する。ブレード1の後縁22において流れ機械の主流路へ出る直前に、冷却空気10の一部は供給ライン12に進入し、流体流14としてノズル開口13を通じて、ブレード1およびベーン4のプラットフォーム2および5によって画成された漏れ間隙18内へ噴射される。流体流14は、漏れ流8を著しく制限する。
図2cは、冷却チャネル11を有するブレード1の翼の一部の縦断面図を示している。ブレード1の先端部23には、ノズル開口13が設けられており、このノズル開口13を通じて、冷却空気10の一部が流体流14として、ブレード1の先端部23と、静止構成部材17、例えば熱シールドエレメントとによって画成された漏れ間隙18内へ噴射される。
1 ブレード
2 ブレードのプラットフォーム
3 刃形縁部
4 ベーン
5 ベーンのプラットフォーム
6 刃形縁部
7 縁部キャビティ
8 漏れ流
9 ハニカム構造体
10 冷却媒体、冷却空気
11 冷却チャネル
12 供給ライン
13,13’ ノズル開口
14 流体流
15 冷却チャネルの開口
16 回転構成部材
17 静止構成部材
18 漏れ間隙
19 ノズル軸線
20 半径方向
21 インピンジメントシート
22 ブレードの後縁
23 ブレードの先端部

Claims (11)

  1. 液体または気体の流体流(14)を、ノズル開口(13)を通じて漏れ間隙(18)内へ噴射するために、それぞれ前記漏れ間隙(18)の反対側の回転構成部材または静止構成部材に向かって面した、回転構成部材(16)および/または静止構成部材(17)における少なくとも1つのノズル開口(13)を有する回転構成部材(16)および静止構成部材(17)によって画成された漏れ間隙(18)を通じて方向付けられる漏れ流(8)を制限するための流体シール配列において、
    前記ノズル開口(13)において出てくる前記流体流(14)が前記回転構成部材(16)および/または前記静止構成部材(17)の冷却流体のみから成るように、前記少なくとも1つノズル開口(13)は、前記回転構成部材(16)および/または前記静止構成部材(17)内の冷却チャネル(11)に、当該冷却チャネル(11)から分岐した供給ライン(12)を介して流体接続されており、
    前記漏れ間隙(18)は回転軸方向に延在する部分を含み、当該部分を回転軸方向に流れる前記漏れ流(8)が、当該漏れ流(8)の流れの方向に対して横方向である流れの方向で前記流体流(14)が当該漏れ流(8)に対して噴射されることによって制限される、
    ことを特徴とする、流体シール配列。
  2. 前記少なくとも1つのノズル開口(13)はノズル軸線(19)を提供しており、該ノズル軸線(19)に沿って前記流体流(14)が方向付けられ、前記ノズル軸線(19)は、前記回転構成部材(16)の回転の運動量が、前記少なくとも1つのノズル開口(13)から出てかつ前記漏れ間隙(18)の、前記ノズル開口(13)とは反対側における前記回転構成部材(16)または前記静止構成部材(17)に衝突する前記流体流(14)によって高められるまたは減じられるように、前記回転構成部材(16)の回転軸線(R)の半径方向(20)に対して傾けられている、請求項1記載の流体シール配列。
  3. 前記ノズル軸線(19)が前記回転構成部材(16)の回転方向にまたは前記回転構成部材(16)の回転方向とは反対方向に傾けられるように、前記ノズル開口(13)を横切る半径方向(20)に対して角度α≠0°を有するノズル軸線(19)を備えて前記少なくとも1つのノズル開口(13)が前記静止構成部材(17)に配置されているおよび/または前記ノズル軸線(19)が前記回転構成部材(16)の回転方向にまたは前記回転構成部材(16)の回転方向とは反対方向に傾けられるように前記ノズル開口(13)を横切る半径方向(20)に対して角度β≠0°を有するノズル軸線(19)を備えて少なくとも1つのノズル開口(13)が前記回転構成部材(16)に配置されている、請求項2記載の流体シール配列。
  4. αおよびβに関し、αがβと等しいまたはαがβと等しくないおよび0°<α,β<±90°ある、請求項3記載の流体シール配列。
  5. 前記回転流れ機械は、ガスタービン配列における圧縮機またはタービン段であり、少なくとも1つの回転構成部材(16)は、ロータのブレード(1)または表面の一部分であり、少なくとも1つの静止構成部材(17)は、ハウジングまたは該ハウジングに直接的または間接的に結合された構成部材ある、請求項1から4までのいずれか1項記載の流体シール配列を備えた回転流れ機械。
  6. 前記漏れ間隙(18)は、前記少なくとも1つのノズル開口(13)を提供するブレード(1)の先端部(23)と、回転流れ機械のハウジングまたは該ハウジングに結合された構成部材とによって画成されており、前記少なくとも1つのノズル開口(13)は前記ブレード(1)を冷却するために該ブレード(1)内の冷却チャネル(11)に接続されているおよび/または前記漏れ間隙(18)は前記ブレード(1)の前記先端部(23)と前記回転流れ機械の前記ハウジングまたは該ハウジングに結合された構成部材とによって画成されており、前記ハウジングまたは前記構成部材は前記少なくとも1つのノズル開口(13)を提供しており、該少なくとも1つのノズル開口(13)は、前記ハウジングまたは前記構成部材を冷却するために前記ハウジングまたは該ハウジングに結合された前記構成部材内の冷却チャネル(11)に接続されている、請求項5記載の回転流れ機械。
  7. 前記漏れ間隙(18)は、前記ブレード(1)の半径方向内側プラットフォーム(2)の一部分と、ーン(4)の半径方向外側プラットフォーム(5)の一部分とによって画成されており、前記少なくとも1つノズル開口(13)は、前記ブレード(1)および/または前記ベーン(4)の部分の側に配置されており、かつそれぞれ前記ブレード(1)または前記ベーン(4)を冷却するための冷却チャネル(11)に接続されている、請求項5記載の回転流れ機械。
  8. 前記冷却チャネル(11)は、対流冷却チャネルであるまたはインピンジメント冷却配列を含む、請求項6または7記載の回転流れ機械。
  9. 体または気体の流体流(14)を漏れ間隙(18)内へ噴射することによって、少なくとも1つの回転構成部材(16)と少なくとも1つの静止構成部材(17)とによって画成された漏れ間隙(18)を通る漏れ流を制限する方法において、
    前記液体または気体の流体流(14)を前記漏れ間隙(18)に進入させるために、前記回転構成部材(16)および/または前記静止構成部材(17)を冷却するための冷却流体の一部を分岐させ
    前記漏れ間隙(18)は回転軸方向に延在する部分を含み、当該部分を回転軸方向に流れる前記漏れ流(8)が、当該漏れ流(8)の流れの方向に対して横方向である流れの方向で前記流体流(14)が当該漏れ流(8)に対して噴射されることによって制限される、
    ことを特徴とする、漏れ流を制限する方法。
  10. 前記液体または気体の流体流(14)は、前記回転構成部材(16)の回転の運動量を、該回転構成部材(16)および/または静止構成部材(17)との前記液体または気体の流体流(14)の衝突によって高められるまたは減じられるように、前記漏れ間隙(18)に方向付ける、請求項9記載の方法。
  11. 前記回転構成部材(16)および前記静止構成部材(17)は、ガスタービン配列の圧縮機またはタービン段のような回転流れ機械の一部である、請求項9または10記載の方法。
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