JP6063250B2 - ガスタービンステータアセンブリ - Google Patents

Description

本明細書に開示する主題は、ガスタービンに関する。より具体的には、主題は、ガスタービンステータ構成要素のアセンブリに関する。

ガスタービンエンジンでは、燃焼器は、燃料または混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、圧縮機からの空気である場合が多い流体によってタービンへと伝達され、そこで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。いくつかの要因が、熱エネルギーから機械エネルギーへの変換効率に影響を及ぼす。要因としては、翼通過周波数、燃料供給変動、燃料のタイプおよび反応性、燃焼器上の空き容積（combustor head-on volume）、燃料ノズル設計、空気・燃料プロファイル、火炎形状、空気・燃料混合、保炎、燃焼温度、タービン構成要素設計、熱ガス流路温度希釈、ならびに排気温度を挙げることができる。例えば、燃焼器およびタービン内の熱ガス流路に沿った領域など、選択された場所における高燃焼温度によって、効率および性能を改善できることがある。場合によっては、特定のタービン領域の高温によって、寿命が短くなり、特定のタービン構成要素の熱応力が増加することがある。

米国特許第７，２１７，０８１号公報

例えば、タービンを中心にして円周方向で当接または接合されたステータ構成要素は、熱ガスがステータに沿って流れるにつれて高温に晒される。したがって、構成要素の寿命を増加させるため、ステータ構成要素の温度を制御することが望ましい。

本発明の１つの態様によれば、タービンアセンブリは、第１の構成要素と、第１の構成要素に円周方向で隣接した第２の構成要素とを備え、第１および第２の構成要素はそれぞれ熱ガス流路に近接した表面を有し、第１の構成要素の第１の側面は第２の構成要素の第２の側面に当接する。アセンブリはまた、第１の構成要素に長手方向に形成された、第１のスロット内壁から第１の側面まで延在する第１のスロットと、第２の構成要素に長手方向に形成された、第２のスロット内壁から第２の側面まで延在する第２のスロットとを含み、第１および第２のスロットは封止部材を受け入れるように構成される。アセンブリはまた、第１のスロットの高温側面（hot side surface）に形成された、第１のスロット内壁に近接して第１の側面まで延在する第１の溝を含み、第１の溝は先細状の断面形状を備える。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンステータアセンブリは、第１の構成要素およびそれに円周方向で隣接して当接する第２の構成要素を含み、第１および第２の構成要素はそれぞれ、熱ガス流路と流体連通している半径方向内表面と、冷却流体と流体連通している半径方向外表面とを有する。第１の構成要素は、第２の構成要素の第２の側面に当接する第１の側面と、第１の構成要素の前縁部から後縁部まで延在するとともに、第１のスロット内壁から第１の側面まで延在し、封止部材の一部分を受け入れるように構成された第１のスロットと、第１のスロットの高温側面に形成され、冷却流体を受け入れ封止部材の高温側面に沿って第１の側面へと冷却流体を導くように構成された、先細状の断面形状を備える第１の溝とを含む。

これらおよび他の利点ならびに特徴は、以下の説明を図面と併せ読むことによってより明白になるであろう。

本発明と見なされる主題は、請求項および本明細書の結びにおいて特に指摘され明確に請求される。本発明の上述および他の特徴ならびに利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことによって明白である。

タービンステータアセンブリの一実施形態の斜視図である。 第１および第２の構成要素を含む、図１のタービンステータアセンブリの部分を詳細に示す斜視図である。 図２の第１の構成要素および第２の構成要素の一部分を示す平面図である。 図２の第１の構成要素および第２の構成要素を示す端面図である。 図２の第１の構成要素の一部分を詳細に示す側面図である。 第１の構成要素および第２の構成要素の一部分を示す別の実施形態の平面図である。

詳細な説明は、図面を参照して、例証として利点および特徴と併せて本発明の実施形態について説明する。

図１は、タービンステータアセンブリ１００の一実施形態の斜視図である。タービンステータアセンブリ１００は、第１の構成要素１０２およびそれに円周方向で隣接した第２の構成要素１０４を含む。第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４はシュラウドセグメントであり、ガスタービンエンジンのタービン内のシュラウドセグメントの円周方向に延在する段の一部分を形成する。一実施形態では、構成要素１０２および１０４はノズルセグメントである。本考察の目的のため、第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４のアセンブリについて詳細に考察するが、タービン内の他のステータ構成要素（例えば、ノズル）が、機能的および構造的に同一であり、考察する実施形態に当てはまることがある。さらに、実施形態は、シムシールによって封止された隣接するステータ部に当てはまることがある。

第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４は、境界面１０６で互いに当接する。第１の構成要素１０２は、エアフォイル１１０（「羽根」または「ブレード」とも呼ばれる）を備えたバンド１０８を含み、このエアフォイルは、熱ガス流路１２６内またはアセンブリを通る熱ガスのフロー中でバンド１０８の下方で回転する。第２の構成要素１０４も、熱ガス流路１２６内でバンド１１２の下方で回転するエアフォイル１１４を備えたバンド１１２を含む。ノズルの一実施形態では、エアフォイル１１０、１１４は、アセンブリの上側または半径方向外側の部分にあるバンド１０８、１１２（「半径方向外側部材」もしくは「外／内側壁」とも呼ばれる）から、下側または半径方向内側のバンド（図示なし）まで延在し、熱ガスは、エアフォイル１１０、１１４を通ってバンド１０８、１１２の間を流れる。第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４は、互いに当接するか、あるいは、封止部材（図示なし）を受け入れるように長手方向に形成された長手方向スロット（図示なし）をそれぞれ含む、第１の側面１１６および第２の側面１１８で接合される。第１の構成要素１０２の側面１２０は、側面１２０に形成されたスロット１２８の詳細を示している。例示的なスロット１２８は、側面１１６、１１８に形成されたものに類似していてもよい。スロット１２８は、バンド１０８の前縁部１２２から後縁部１２４部分まで延在する。スロット１２８は、第１の構成要素１０２の上側部分１３０に近接した空気などの冷却流体を、熱ガス流路１２６に近接した下側部分１３４から分離する封止部材を受け入れる。図示されるスロット１２８は、熱ガス流路１２６に近接した構成要素の下側部分１３４および表面を冷却するための、スロット１２８に形成された複数の溝１３２を含む。一実施形態では、第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４は隣接しており、互いに接触または近接している。具体的には、一実施形態では、第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４は互いに当接するか、または互いに隣接している。各構成要素は、それらを互いに対して定位置で保持するより大型の静止部材に取り付けられてもよい。

本明細書で使用するとき、「下流側」および「上流側」というのは、タービンを流れる動作流体のフローに対する方向を示す用語である。そのため、「下流側」という用語は、動作流体のフロー方向にほぼ対応する方向を指し、「上流側」という用語は、一般に、動作流体のフロー方向とは反対の方向を指す。「半径方向」という用語は、軸線もしくは中心線に垂直な移動または位置を指す。これは、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品について説明するのに有用なことがある。この例では、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に近い場合、本明細書では第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内側」であると記述してもよい。一方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くにある場合、本明細書では第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外側」または「外側寄り」であると記述してもよい。「軸線方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線を中心にした移動または位置を指す。以下の説明はガスタービンに主に焦点を当てているが、考察する概念はガスタービンに限定されない。

図２は、第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４の部分を詳細に示す斜視図である。図示されるように、境界面１０６は、特定の詳細を例証するため、構成要素１０２、１０４の間の実質的なギャップまたは空間を示しているが、場合によっては、互いにほぼ近接または接触していている側面１１６および１１８を有してもよい。第１の構成要素１０２のバンド１０８は、側面１１６に長手方向に形成されたスロット２００を有する。同様に、第２の構成要素１０４のバンド１１２は、側面１１８に長手方向に形成されたスロット２０２を有する。一実施形態では、スロット２００および２０２は、熱ガス流路１２６およびタービン軸線にほぼ平行に通っている。スロット２００および２０２は、封止部材（図示なし）を受け入れるキャビティを形成するようにほぼ位置合わせされる。図示されるように、スロット２００および２０２はそれぞれ、内壁２０４および２０６に近接して側面１１６および１１８まで通っている。複数の溝２０８がスロット２００の高温側面２１０に形成される。同様に、複数の溝２１４がスロット２０２の高温側面２１６に形成される。高温側面２１０および２１６はそれぞれ、スロット２００および２０２の低圧側にあると説明することもできる。それに加えて、高温側面２１０および２１６は、熱ガス流路１２６に晒されるバンド１０８および１１２の半径方向内表面である、表面２１２および２１８に近接している。詳細に後述するように、溝２０８および２１４はそれぞれ、バンド１０８および１１２の部分を冷却するため、高温側面２１０および２１６に形成される。それに加えて、溝２０８および２１４は、構成要素の冷却に悪影響を及ぼし得る、高温側面２１０および２１６に位置付けられた封止部材が摩耗して溝に入り込むのを防ぐように構成される。

図３は、第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４の部分を示す平面図である。スロット２００および２０２は、高温側面２１０および２１６に置かれる封止部材３００を受け入れるように構成される。溝２０８および２１４は、封止部材３００の下にある第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４を冷却するため、空気などの冷却流体を受け入れる。さらに、１つの態様では、溝２０８および２１４は同じ構成要素内で互いに平行でなくてもよい。図示されるように、溝２０８および２１４はほぼ平行であり、互いに位置合わせされる。他の実施形態では、溝２０８および２１４は、側面１１６および１１８に対して角度を付けて形成されてもよく、軸線方向にずらして配置されてもよく、その場合、溝２０８は溝２１４と位置合わせされない。図示されるように、溝２０８および２１４は先細状であるか、または先細状の断面形状を有する。溝２０８および２１４が先細状の断面形状（例えば、Ｕ字形の断面）を有さない実施形態では、封止部材３００が熱および他の力によって摩耗し、その結果、徐々に変形して溝２０８および２１４に入り込むことがある。封止部材３００が摩耗して溝２０８および２１４に入り込んだ場合、冷却流体のフローを制限または阻害し、結果として構成要素に対して熱応力を生じることがある。したがって、溝２０８および２１４の図示される配置は、冷却を改善し、タービン構成要素の寿命を向上させる。

図４は、封止部材３００が長手方向スロット２００および２０２内に位置付けられた、第１の構成要素１０２および第２の構成要素１０４の部分を示す端面図である。側面１１６および１１８の間の境界面１０６は、バンド１０８および１１２の上側または半径方向外側部分から冷却流体フロー４００を受け入れる。冷却流体フロー４００は、スロット２００および２０２内へと、かつ封止部材３００の周りで溝２０８および２１４に沿って導かれる。次に、冷却流体フロー４０２は、溝２０８および２１４から側面１１６および１１８へと導かれ、そこで熱ガス流路１２６に向かって半径方向内側に流れる。

図５は、バンド１０８の一部分を詳細に示す側面図である。バンド１０８は、先細状の断面形状を有する溝２０８を含む。先細状の断面形状は、第１の軸線方向寸法５０２を有する狭い通路５０６と、第２の軸線方向寸法５００を有する大きなキャビティ５０４とを有する。一実施形態では、第２の軸方向寸法５００と第１の軸線方向寸法５０２の比は１よりも大きい。狭い通路５０６は、封止部材３００が摩耗して溝２０８に入り込むのを実質的に防止または低減する。それに加えて、溝２０８の先細状の断面形状は、先細状でない断面形状よりも向上した、またはより大きい表面５０８の表面積を有する。表面５０８のより大きな表面積は、伝熱を向上するとともに、向上した表面積を通る流体フローによるバンド１０８の冷却を向上する。したがって、溝２０８は、バンド１０８をより有効に冷却し、それによって摩耗を低減するとともに構成要素の寿命を延ばす。実施形態では、溝２０８、２１４は、溝内の波状またはバンプ状の特徴など、溝の伝熱面積を向上させる表面特徴を含んでもよい。

図６は、第１の構成要素６０２および第２の構成要素６０４を含む、タービンステータアセンブリ６００の別の実施形態の部分を示す平面図である。第１の構成要素６０２は、高温側面６１０に形成された複数の溝６０６を含む。同様に、第２の構成要素６０４は、高温側面６１２に形成された複数の溝６０８を含む。一実施形態では、溝６０６および６０８は、上述の溝に類似した先細状の断面形状を含んでもよい。それに加えて、溝６０６および６０８はまた、軸線方向にずらして配置されてもよく、その場合、溝は位置合わせされない表面６２０および６２２に出口を有する。図示されるように、溝６０６は、構成要素６０２の内表面６１５から側面６２０まで延在し、側面６２０に対してある角度６１６で位置付けられる。溝６０８は、構成要素６０４の内表面６１７から側面６２２まで延在し、側面６２２に対してある角度６１８で位置付けられる。一実施形態では、角度６１６および６１８は約９０度未満である。一実施形態では、角度６１６および６１８は、約２０度から約８０度の範囲である。別の実施形態では、角度６１６および６１８は、約３０度から約６０度の範囲である。

限定された数の実施形態のみに関して本発明を詳細に記載してきたが、本発明が、かかる開示した実施形態に限定されないことは容易に理解されるものである。より正確には、本発明は、上述されていないあらゆる変形、変更、置換、または等価の構成であって、ただし本発明の趣旨および範囲と同一基準のものを組み込むように修正することができる。それに加えて、本発明の様々な実施形態を記載してきたが、本発明の態様は記載した実施形態の一部のみを含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は上述の説明によって限定されるものではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものと見なすべきである。

１００ タービンステータアセンブリ
１０２ 第１の構成要素
１０４ 第２の構成要素
１０６ 境界面
１０８ バンド
１１０ エアフォイル
１１２ バンド
１１４ エアフォイル
１１６ 第１の側面
１１８ 第２の側面
１２０ 側面
１２２ 前縁部
１２４ 後縁部
１２６ 熱ガス流路
１２８ スロット
１３０ 上側部分
１３２ 複数の溝
１３４ 下側部分

Claims (18)

1. 熱ガス流路に近接した表面を有する第１の構成要素と、
   前記第１の構成要素に円周方向で隣接した、前記熱ガス流路に近接した表面を有する第２の構成要素と、
   前記第１の構成要素の第１の側面およびそれに当接する前記第２の構成要素の第２の側面と、
   前記第１の構成要素に長手方向に形成され、第１のスロット内壁から前記第１の側面まで延在し、かつ封止部材を受け入れるように構成された第１のスロットと、
   前記第２の構成要素に長手方向に形成され、第２のスロット内壁から前記第２の側面まで延在し、かつ前記封止部材を受け入れるように構成された第２のスロットと、
   前記第１のスロットの高温側面に形成された、先細状の断面形状を備える第１の溝と
   を備えるタービンアセンブリであって、前記先細状の断面形状が、前記高温側面にあり、半径方向内側にある大きなキャビティにつながる狭い通路を含む、タービンアセンブリ。
2. 前記第２のスロットの高温表面に形成され、前記第２の側面まで延在し、かつ先細状の断面形状を備える第２の溝を備える、請求項１記載のタービンアセンブリ。
3. 前記第１のスロットの前記高温側面に形成された複数の第１の溝であって、前記第１のスロット内壁に近接して前記第１の側面まで延在し、先細状の断面形状をそれぞれ備える複数の第１の溝を備える、請求項１記載のタービンアセンブリ。
4. 前記第１の溝が前記第１の側面に対して約９０度未満の角度である、請求項１記載のタービンアセンブリ。
5. 前記先細状の断面形状が、第１の軸線方向寸法を有する前記高温表面にある通路と、第２の軸線方向寸法を有する前記通路の半径方向内側にあるキャビティとを含み、前記第２の軸線方向寸法と前記第１の軸線方向寸法の比が１よりも大きく、それによって前記第１の溝の伝熱表面積を向上させる、請求項１記載のタービンアセンブリ。
6. 前記第１の溝が前記第１の側面まで延在する、請求項１記載のタービンアセンブリ。
7. 前記第１のスロットの前記高温側面に形成された複数の第１の溝であって、前記第１のスロット内壁に近接して前記第１の側面まで延在し、先細状の断面形状をそれぞれ備える複数の第１の溝と、
   前記第２のスロットの前記高温側面に形成された複数の第２の溝であって、前記第２のスロット内壁に近接して前記第２の側面まで延在し、先細状の断面形状をそれぞれ備える複数の第２の溝とを備える、請求項１記載のタービンアセンブリ。
8. 第１の構成要素およびそれに円周方向で隣接して当接する第２の構成要素を含み、前記第１および第２の構成要素がそれぞれ、熱ガス流路と流体連通している半径方向内表面と、冷却流体と流体連通している半径方向外表面とを有する、ガスタービンステータアセンブリであって、前記第１の構成要素が、
   前記第２の構成要素の第２の側面に接合される第１の側面と、
   前記第１の構成要素の前縁部から後縁部まで延在するとともに、第１のスロット内壁から前記第１の側面まで延在し、封止部材の一部分を受け入れるように構成された第１のスロットと、
   前記第１のスロットの高温側面に形成され、前記冷却流体を受け入れ前記封止部材の高温側面に沿って前記第１の側面へと前記冷却流体を導くように構成された、先細状の断面形状を備える第１の溝と
   を備えるガスタービンステータアセンブリであって、前記先細状の断面形状が、前記高温側面にあり、半径方向内側にある大きなキャビティにつながる狭い通路を含む、ガスタービンステータアセンブリ。
9. 前記第１の溝が前記第１のスロット内壁に横断方向で近接して前記第１の側面まで延在する、請求項８記載のガスタービンステータアセンブリ。
10. 前記第１のスロットの前記高温側面に形成された複数の第１の溝であって、前記冷却流体を受け入れ前記封止部材の前記高温側面に沿って前記第１の側面へと前記冷却流体を導くように構成され、先細状の断面形状をそれぞれ備える複数の第１の溝を備える、請求項８記載のガスタービンステータアセンブリ。
11. 前記第１のスロットとほぼ整列して前記封止部材の一部分を受け入れるように構成された、前記第２の構成要素に形成された第２のスロットを備える、請求項８記載のガスタービンステータアセンブリ。
12. 前記第２のスロットの高温側面に形成された第２の溝であって、前記冷却流体を受け入れ前記封止部材の前記高温側面に沿って前記第２の側面へと前記冷却流体を導くように構成され、先細状の断面形状を備える第２の溝を備える、請求項１１記載のガスタービンステータアセンブリ。
13. 前記第１の溝が前記第１の側面に対して約９０度未満の角度である、請求項８記載のガスタービンステータアセンブリ。
14. 前記先細状の断面形状が、第１の軸線方向寸法を有する前記高温表面にある通路と、第２の軸線方向寸法を有する前記通路の半径方向内側にあるキャビティとを含み、前記第２の軸線方向寸法と前記第１の軸線方向寸法の比が１よりも大きく、それによって前記第１の溝の伝熱表面積を向上させる、請求項８記載のガスタービンステータアセンブリ。
15. 熱ガス流路に近接した表面を有する第１の構成要素と、
    前記第１の構成要素に円周方向で隣接した、熱ガス流路に近接した表面を有する第２の構成要素と、
    前記第１の構成要素の第１の側面およびそれと接合される前記第２の構成要素の第２の側面と、
    前記第１の構成要素に長手方向に形成され、第１のスロット内壁から前記第１の側面まで延在し、かつ封止部材を受け入れるように構成された第１のスロットと、
    前記第２の構成要素に長手方向に形成された、第２のスロット内壁から前記第２の側面まで延在し、かつ前記封止部材を受け入れるように構成された第２のスロットと、
    前記第１のスロットの高温側面に形成された複数の第１の溝であって、前記第１のスロット内壁に近接して前記第１の側面まで延在し、それぞれが、前記第１のスロットの前記高温側面にあり、半径方向内側にある大きなキャビティにつながる狭い通路を備える複数の第１の溝とを備える、タービンアセンブリ。
16. 前記複数の第１の溝がそれぞれ前記第１の側面に対して約９０度未満の角度である、請求項１５記載のタービンアセンブリ。
17. 前記狭い通路が第１の軸線方向寸法を有し、前記大きなキャビティが第２の軸線方向寸法を有し、前記第２の軸線方向寸法と前記第１の軸線方向寸法の比が１よりも大きく、それによって前記第１の溝の伝熱表面積を向上させる、請求項１５記載のタービンアセンブリ。
18. 前記第２のスロットの高温側面に形成された複数の第２の溝であって、前記第２のスロット内壁に近接して前記第２の側面まで延在し、それぞれが、前記第２のスロットの前記高温側面にあり、半径方向内側にある大きなキャビティにつながる狭い通路を備える複数の第２の溝を備える、請求項１５記載のタービンアセンブリ。