JP6087182B2 - 熱分離装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、熱分離装置に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、作動流体がタービンに配向され、ここで作動流体のエネルギーは、発電で使用される機械エネルギーに変換される。これは、
各段でのタービンバケットが発電機に結合されたロータの周りで回転するように、タービンの種々の段の回転可能タービンバケットと空気力学的に作動流体を相互作用させることによって達成される。通常、回転バケットは、回転タービンバケット先端の周りにクリアランスを設けたシュラウドを有するタービンケーシング内に入れられる。作動流体は通常、高温であり、ケーシング及びシュラウドは作動流体に曝されるので、タービン作動中にケーシング及びシュラウドは熱膨張を生じることが多い。この膨張は、損傷及び効率損失を招く可能性がある。従って、多くの場合、ケーシング及びシュラウド間の熱流を制御することが重要となる。

このような制御は、従来、シュラウドを機械加工することが必要とされており、均一な熱境界条件を保証せず、一般的には加熱及び冷却に対するシュラウドの感受性を改善しない、時間のかかるプロセスとなる場合が多い。

米国特許第７，９４６，８０７号明細書

本発明の１つの態様によれば、熱分離装置が提供され、タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、ケーシング内に配置されて、タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、を備え、シュラウドが、環状主部材と、主部材の外向きに面する表面から延びて凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジとを含み、熱分離装置が更に、多孔性材料から形成され、凹部内でケーシング及びフランジの対向する表面間に配置された熱障壁を備える。

本発明の別の態様によれば、熱分離装置が提供され、タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、ケーシング内に配置されて、タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、を備え、シュラウドが、環状主部材と、主部材の外向きに面する表面から延びて凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジとを含み、熱分離装置が更に、多孔性材料から形成され、フランジに各々結合されてこれにより凹部内でケーシング及びフランジの対向する表面間に配置された離散的熱障壁のアレイを備える。

本発明の更に別の態様によれば、熱分離装置が提供され、タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、ケーシング内に配置されて、タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、を備え、シュラウドが、環状主部材と、主部材の外向きに面する表面から延びて凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジとを含み、熱分離装置が更に、多孔性材料から形成され、ケーシングに各々結合されてこれにより凹部内でケーシング及びフランジの対向する表面間に配置された第１及び第２の熱障壁リングを備える。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

実施形態による熱分離装置の斜視図。 図１の熱分離装置のシュラウドの斜視図。 代替の実施形態による熱分離装置の斜視図。 図３の熱分離装置のケーシングの斜視図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１〜４を参照すると、熱分離装置１０が提供され、環状ケーシング２０、環状シュラウド３０、及び熱障壁４０を含む。ケーシング２０は、例えば、ガスタービンエンジンのタービン段のタービンバケット段を囲むように配置され、内側に面する表面２２により環状凹部２１を定めるように形成される。シュラウド３０は、ケーシング２０内に配置されて、タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供することができ、外向きに面する表面３２を有する環状主部材３１と、環状フランジ３３とを含む。フランジ３３は、主部材３１の外向きに面する表面３２から半径方向外向きに延びて、凹部２１内に収まるようなサイズにされる。熱障壁４０は、多孔性材料から形成され、凹部２１内でケーシング２０及びフランジ３３の対向する表面間に配置することができる。

図１及び３に示すような実施形態によれば、凹部２１は、第１の軸方向長さを有する内側半径方向セクション２１０と、第１の半径方向長さよりも長い第２の半径方向長さを有する外側半径方向セクション２１１とを有するように定めることができる。同様に、図２及び４に示すように、フランジ３３は、凹部２１内に収まるようなサイズ及び形状にされたＴ字形断面を有することができる。この構成では、熱障壁４０を位置付けることができる対向する表面は、半径方向寸法に沿って向けられた法線角度を有するケーシング２０及びシュラウド３０の対向する表面と、軸方向寸法に沿って向けられた法線角度を有するケーシング２０及びシュラウド３０の対向する表面と、を含む。

凹部２１及びフランジ３３は、単に例証に過ぎない本明細書で記載されるもの以外に他の形状及びサイズを有することができる点は理解されたい。例えば、フランジ３３は、直線状部材又はＬ字形部材とすることができ、凹部２１は、それぞれに対応する形状を有する。一部の実施形態において、凹部２１は、フランジ３３とは異なる形状を有することができる。例えば、凹部２１の形状は、フランジ３３よりも幾何学的に複雑な形状であってもよい。

以下で説明するように、熱障壁４０は、シュラウド３０及びケーシング２０の一方に結合され、又はより詳細にはろう付け結合することができる。何れの場合では、熱障壁４０の材料は、シュラウド３０及びケーシング２０の一方の材料と実質的に同様の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。実施形態によれば、熱障壁４０の材料は、ニッケル基超合金、及びセラミック及び／又は他の同様の材料のうちの１つ又はそれ以上を含むことができる。

図１及び２を参照すると、熱障壁４０は、離散的熱障壁６０のアレイ５０を含むことができる。各離散的熱障壁６０は、多孔性材料から形成され、フランジ３３に結合（すなわち、ろう付け結合）されて、各離散的熱障壁６０が凹部２１内でケーシング２０及びフランジ３３の対向する表面間に配置されるようになる。上述のように、凹部２１は、内側半径方向セクション２１０及び外側半径方向セクション２１１を有することができ、フランジ３３は、Ｔ字形断面を有することができる。図１及び２に示す実施形態では、離散的熱障壁６０のアレイ５０は、離散的熱障壁６０の第１のセット６１、第２のセット６２、第３のセット６３、及び第４のセット６４を含む。第１のセット６１の離散的熱障壁６０は、フランジ３３の半径方向外向きに面する前方ウィング表面３３１に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列される。第２のセット６２の離散的熱障壁６０は、フランジ３３の半径方向内向きに面する前方ウィング表面３３２に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列される。第３のセット６３の離散的熱障壁６０は、フランジ３３の半径方向外向きに面する後方ウィング表面３３３に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列される。第４のセット６４の離散的熱障壁６０は、フランジ３３の半径方向内向きに面する後方ウィング表面３３４に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列される。第１及び第３のセット６１、６３の離散的熱障壁６０は、第２及び第４のセット６２、６４の離散的熱障壁６０に対して円周方向に交互配置され、接合面にて機械的接触を促進することができる。上述の構成は、離散的熱障壁６０間にギャップを形成する。これらのギャップは、流れ面積を増大させ、これにより熱分離装置１０の全体の熱伝達係数が小さくなる。

ケーシング２０は更に、内側半径方向セクション２１０にてケーシング２０の半径方向に向けられた壁に沿ってポケット７０を定めるように形成することができる。次いで、リング７１は、内側半径方向セクション２１０にてろう付けポケット７０に沿ってケーシング２０に結合することができる。リング７１は、内側半径方向セクション２１０にてろう付けポケット７０に沿ってケーシング２０にろう付け結合することができる多孔性材料から形成することができる。代替として、リング７１は、あらゆるシール材料から形成することができ、ケーシング２０にろう付け結合される必要はない。この構成では、離散的熱障壁６０は、半径方向でシュラウド３０からケーシング２０、又はその逆の熱流を妨げるが、リング７１は、軸方向でシュラウド３０からケーシング２０、又はその逆の熱流を妨げ、これにより実質的に均一な熱境界条件が達成される。

図３及び４を参照すると、以下で詳細に説明する代替の実施形態において、熱分離装置１０を設けることができる。これらの代替の実施形態は、上記で詳細に説明された図１及び２のものと同様の複数の特徴要素を含む。これらの特徴要素を再度説明する必要はない。

図３及び４に示すように、熱障壁４０は、第１の熱障壁リング９０及び第２の熱障壁リング９１を含む環状リング８０のペアとして設けられる。第１の熱障壁リング９０は、ケーシング２０を通って環状に延びて、第１の熱障壁リング９０がフランジ３３の前方ウィング３３５を含むように凹部２１の環状前方セクション内に配置される。同様に、第２の熱障壁リング９１は、ケーシング２０を通って環状に延びて、第２の熱障壁リング９１がフランジ３３の後方ウィング３３６を含むように凹部２１の環状後方セクション内に配置される。第１の熱障壁リング９０及び第２の熱障壁リング９１の両方は、多孔性材料から形成され、各々がケーシング２０に結合（すなわち、ろう付け結合）することができる。これにより環状リング８０のペアは、凹部２１内でケーシング２０及びフランジ３３の対向する表面間に配置される。この構成では、環状リング８０のペアは、半径方向及び軸方向の両方でシュラウド３０からケーシング２０、又はその逆の熱流を妨げ、これにより実質的に均一な熱境界条件を達成するよう構成することができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ 熱分離装置
２０ 環状ケーシング
２１ 環状凹部
２１０ 内側半径方向セクション
２１１ 外側半径方向セクション
２２ 内側に面する表面
３０ 環状シュラウド
３１ 環状主部材
３２ 外向きに面する表面
３３ 環状フランジ
３３１ 半径方向外向きに面する前方ウィング面
３３２ 半径方向内向きに面する前方ウィング面
３３３ 半径方向外向きに面する後方ウィング面
３３４ 半径方向内向きに面する後方ウィング面
３３５ 前方ウィング
３３６ 後方ウィング
４０ 熱障壁
５０ アレイ
６０ 離散的熱障壁
６１ 第１のセット
６２ 第２のセット
６３ 第３のセット
６４ 第４のセット
７０ ポケット
７１ リング
８０ 環状リングのペア
９０ 第１の熱障壁リング
９１ 第２の熱障壁リング

Claims (20)

1. 熱分離装置であって、
   タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、
   前記ケーシング内に配置されて、前記タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、
   を備え、前記シュラウドが、環状主部材と、前記主部材の外向きに面する表面から延びて、前記凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジと、
   多孔性材料から形成され、前記凹部内で前記ケーシングの対向する表面ならびに前記フランジの前方および後方ウィングの半径方向内向きおよび外向きに面する表面間のそれぞれに配置された複数の熱障壁と、
   を備える、熱分離装置。
2. 前記凹部が、第１の軸方向長さを有する内側半径方向セクションと、第１の半径方向長さよりも長い第２の半径方向長さを有する外側半径方向セクションとを有する、請求項１に記載の熱分離装置。
3. 前記フランジがＴ字形断面を有する、請求項２に記載の熱分離装置。
4. 前記対向する表面が、半径方向寸法に沿って向けられた法線角度を有する前記ケーシング及び前記シュラウドの対向する表面と、軸方向寸法に沿って向けられた法線角度を有する前記ケーシング及び前記シュラウドの対向する表面と、を含む、請求項１に記載の熱分離装置。
5. 前記熱障壁が、前記シュラウド及び前記ケーシングの一方に結合される、請求項１に記載の熱分離装置。
6. 前記熱障壁の材料が、前記シュラウド及び前記ケーシングの一方の材料と実質的に同様の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する、請求項５に記載の熱分離装置。
7. 前記熱障壁の材料が、前記シュラウド及び前記ケーシングの一方にろう付け結合される、請求項５に記載の熱分離装置。
8. 前記熱障壁の材料が、ニッケル基超合金及びセラミックのうちの１つを含む、請求項１に記載の熱分離装置。
9. タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、
   前記ケーシング内に配置されて、前記タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、
   を備え、前記シュラウドが、環状主部材と、前記主部材の外向きに面する表面から延びて、前記凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジと、
   多孔性材料から形成され、前記フランジに各々結合されてこれにより前記凹部内で前記ケーシングの対向する表面ならびに前記フランジの前方および後方ウィングの半径方向内向きおよび外向きに面する表面間のそれぞれに配置された離散的熱障壁の複数のアレイと、
   を備える、熱分離装置。
10. 前記凹部が、第１の軸方向長さを有する内側半径方向セクションと、第１の半径方向長さよりも長い第２の半径方向長さを有する外側半径方向セクションとを有する、請求項９に記載の熱分離装置。
11. 前記フランジがＴ字形断面を有する、請求項１０に記載の熱分離装置。
12. タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、
    前記ケーシング内に配置されて、前記タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、
    を備え、前記シュラウドが、環状主部材と、前記主部材の外向きに面する表面から延びて、前記凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジと、
    多孔性材料から形成され、前記フランジに各々結合されてこれにより前記凹部内で前記ケーシング及び前記フランジの対向する表面間に配置された離散的熱障壁のアレイと、
    を備え、
    前記凹部が、第１の軸方向長さを有する内側半径方向セクションと、第１の半径方向長さよりも長い第２の半径方向長さを有する外側半径方向セクションとを有し、
    前記離散的熱障壁のアレイが、
    前記フランジの半径方向外向きに面する前方ウィング表面に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列された離散的熱障壁の第１のセットと、
    前記フランジの半径方向内向きに面する前方ウィング表面に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列された離散的熱障壁の第２のセットと、
    前記フランジの半径方向外向きに面する後方ウィング表面に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列された離散的熱障壁の第３のセットと、
    前記フランジの半径方向内向きに面する後方ウィング表面に沿って実質的に均一な離隔距離を有して配列された離散的熱障壁の第４のセットと、
    を含む、熱分離装置。
13. 前記離散的熱障壁の第１及び第３のセットが、前記離散的熱障壁の第２及び第４のセットに対して円周方向に交互配置される、請求項１２に記載の熱分離装置。
14. 前記内側半径方向セクションにて前記ケーシングに結合されたリングを更に備える、請求項１２に記載の熱分離装置。
15. 離散的熱障壁の材料が、ニッケル基超合金及びセラミックのうちの１つを含む、請求項９に記載の熱分離装置。
16. 熱分離装置であって、
    タービンバケット段を囲み且つ内側に面する表面により環状凹部を定める環状ケーシングと、
    前記ケーシング内に配置されて、前記タービンバケット段の回転バケット先端付近の予め定められたクリアランスを提供する環状シュラウドと、
    を備え、前記シュラウドが、環状主部材と、前記主部材の外向きに面する表面から延びて、前記凹部内に収まるようなサイズにされる環状フランジとを含み、
    前記熱分離装置が更に、
    多孔性材料から形成され、前記ケーシングに各々結合されてこれにより前記凹部内で前記ケーシング及び前記フランジの対向する表面間に配置された第１及び第２の熱障壁リングを備える、熱分離装置。
17. 前記凹部が、第１の軸方向長さを有する内側半径方向セクションと、第１の半径方向長さよりも長い第２の半径方向長さを有する外側半径方向セクションとを有する、請求項１６に記載の熱分離装置。
18. 前記フランジがＴ字形断面を有する、請求項１７に記載の熱分離装置。
19. 前記第１の熱障壁リングが、前記フランジの前方ウィングの周りに配置されたリング部材を含み、前記第２の熱障壁リングが、前記フランジの後方ウィングの周りに配置されたリング部材を含む、請求項１７に記載の熱分離装置。
20. 前記第１及び第２の熱障壁リングの材料が、ニッケル基超合金及びセラミックのうちの１つを含む、請求項１６に記載の熱分離装置。