JP6143523B2

JP6143523B2 - タービンシュラウド組立体及びその形成方法

Info

Publication number: JP6143523B2
Application number: JP2013078155A
Authority: JP
Inventors: グレゴリー・トーマス・フォスター; アンドレス・ホセ・ガルシア−クレスポ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-04-04
Also published as: US20130266435A1; JP2013217374A; EP2650487A2; US9316109B2; RU2013115843A; EP2650487A3; CN103362563B; CN103362563A; EP2650487B1

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より詳細には、タービンシュラウド組立体に関する。

タービンエンジン、及び詳細にはガスタービンエンジンは、シュラウドとして知られる、高温材料構成要素のセットに半径方向に接してシールする回転ブレードを有する高温タービンセクションを含む。シュラウドは、回転ブレードが機能するアニュラスキャビティを形成する。シュラウドは、該シュラウドにより生じる高温環境に基づいて冷却を必要とし、これによりガスタービンシステム全体の効率が低下する。従って、シュラウドの内側シュラウド部分への冷却流を低減して、タービンセクション性能を向上させるようにするのが望ましい。その結果、内側シュラウド部分は、タービンセクション温度に影響されないような高温材料から製作されることが多い。上記の取り組みにもかかわらず、タービンセクションから外側シュラウド部分への高温ガスの流れは、依然として問題となっている。

米国特許第５０８０５５７号明細書

本発明の１つの態様によれば、タービンシュラウド組立体は、第１の円周方向縁部を有する本体部分と、本体部分の第１の円周方向縁部を円周方向に過ぎて延びる阻止装置とを有する内側シュラウド部分を含み、阻止装置は、内側シュラウド部分と一体的に形成される。

本発明の別の態様によれば、タービン組立体は、阻止装置を有する第１の内側シュラウド部分を含む。また、第２の内側シュラウド円周方向縁部を有する第２の内側シュラウド部分を更に含み、阻止装置が、第２の内側シュラウド円周方向縁部を過ぎて延びる。

本発明の更に別の態様によれば、タービンシュラウド組立体を形成する方法は、第１の外周を有する固定具の周りにセラミックマトリックス複合材から形成された阻止装置を包むステップを含む。また、阻止装置の周りにセラミックマトリックス複合材から形成された本体部分の本体部分円周方向縁部を包み、阻止装置の一部が本体部分の本体部分円周方向縁部を過ぎて円周方向に延びるようにすることによって内側シュラウド部分を形成するステップを更に含む。

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。

回転組立体を含むタービンシステムの部分概略断面図。複数の回転組立体を含む回転システムの部分斜視図。タービンシュラウド組立体の斜視図。タービンシュラウド組立体の内側シュラウド部分の阻止装置部分の斜視図。内側シュラウド部分のスペーサ及び阻止装置部分の斜視図。本体部分、スペーサ、及び阻止装置部分と共に組み立てられた内側シュラウド部分の斜視図。内側シュラウド部分及び隣接する内側タービンシュラウド部分を有するタービンシュラウド組立体の底部斜視図。内側シュラウド部分を形成する方法の概略図。タービンシュラウド組立体を形成する方法を全体的に示すフロー図。

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を参照すると、ガスタービンエンジンの形態で図示され、本発明の例示的な実施形態に従って構成されたタービンシステムが、参照符号１０で全体的に示されている。タービンシステム１０は、圧縮機１２と、缶アニュラ型アレイで配列された複数の燃焼器組立体とを含む。図示のように、燃焼器組立体１４は、燃焼室１８をシールし且つ少なくとも部分的に燃焼室を定める端部カバー組立体１６を含む。複数のノズル２０〜２２が端部カバー組立体１６によって支持され、燃焼室１８に延びている。ノズル２０〜２２は、共通の燃料入口（図示せず）を通って燃料と、圧縮機１２から加圧空気とを受け取る。燃料及び加圧空気は、燃焼器１８に流入して点火され、高温高圧の燃焼生成物又は空気ストリームを形成し、これがタービン２４の駆動に使用される。タービン２４は、複数の回転組立体又は段２６〜２８を含み、これらは、圧縮機／タービンロータ３０を通じて圧縮機１２に動作可能に接続されている。

作動時には、空気は、圧縮機１２に流入して、加圧されて高圧ガスにされる。高圧ガスは、燃焼器組立体１４に供給され、燃焼室１８において燃料（例えば、プロセスガス及び／又は合成ガス（シンガス））と混合される。燃料／空気又は可燃性混合気が点火され、２，５００°Ｆ（１，３７１℃）を超える高圧高温の燃焼ガスストリームを形成する。或いは、燃焼器組立体１４は、限定ではないが、天然ガス及び／又は燃料油を含む燃料を燃焼することができる。燃焼燃料に関係なく、燃焼器組立体１４は、燃焼ガスストリームをタービン２４に送り、該タービンが熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。

この時点では、各回転組立体又は段２６〜２８は同様に形成されており、従って、本発明の例示的な実施形態に従って構成された段２６の説明に図２及び３を参照するが、残りの段、すなわち段２７及び２８は対応する構造を有するものとする点は理解されたい。また、本発明は、圧縮機１２又は高耐熱性表面を必要とする他の回転組立体における段で利用できる点は理解されたい。何れにしても、段２６は、各々が軸方向中心線３５を有する中央ハブ３４から半径方向外向きに延びた翼形部３２などの複数の回転部材を含むように図示されている。翼形部３２は、中央ハブ３４の軸方向中心線３５の周りに回転可能であり、ベース部分３６及び半径方向外側部分３８を含む。

参照符号５０で全体的に示したタービンシュラウド組立体は、翼形部３２のバケット又はスロート部分（別途符号を付与していない）を覆っている。タービンシュラウド組立体５０は、段２６の周りに円周方向に延びて、半径方向外側部分３８に近接している。タービンシュラウド組立体５０は、段２６の上側部分（別途符号を付与していない）を越えるガス経路空気漏洩を低減し、段効率及びタービン全体の性能を向上させるようにする外側流路境界部を生成する。

タービンシュラウド組立体５０をより詳細に例示する。タービンシュラウド組立体５０は、互いに動作可能に結合された外側シュラウド部分５２及び内側シュラウド部分５４を含み、内側シュラウド部分５４の方が、上記で説明した翼形部３２及びロータ３０により近接している。外側シュラウド部分５２は通常、金属材料から形成され、これにより、タービン２４の外側ケーシングに近接し且つ外側シュラウド部分５２にて一般的に存在する２次流漏洩の効果的なシールを提供する。内側シュラウド部分５４は、例えば、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）又は耐火性合金などの高耐熱性材料から形成される。上述の材料は単に例証に過ぎず、高耐熱性を有する様々な代替材料が好適とすることができる点は理解されたい。内側シュラウド部分５４は、タービン２４に存在する高温ガスが外側シュラウド部分５２に流れるのを阻止又は低減し、これは、外側シュラウド部分５２が形成される金属の耐熱性が相対的に低いことに基づいている。

外側シュラウド部分５２は、図示の実施形態において示すように、半径方向内側表面５６を含み、内側シュラウド部分５４は、半径方向内側表面５６に沿って配置される。内側シュラウド部分５４は、本体部分７０、より具体的には本体部分７０の第１の本体部分円周方向縁部７４を越えて円周方向に延びる阻止装置６２を含む。阻止装置６２は、第１の本体部分円周方向縁部７４を越えて延びるように図示されているが、代替として第２の本体部分円周方向縁部６０を越えて、場合によっては、第１の本体部分円周方向縁部７４と第２の本体部分円周方向縁部６０の両方を越えて延びることができる点は理解されたい。

図４〜６を参照して、内側シュラウド部分５４を詳細に例示する。阻止装置６２は、比較的楕円の幾何形状を有するように図示されているが、これは阻止装置６２の実施可能な幾何学的構成の一例に過ぎない。阻止装置６２は、第１の縁部６４及び第２の縁部６８を含み、該第１の縁部６４に近接した本体部分７０によって取り囲んで内包される。スペーサ７２は、本体部分７０と阻止装置６２との間に配置することができる。スペーサ７２は、以下で説明するように、阻止装置６２と、１つ又はそれ以上の隣接する物体との間にギャップを形成する。阻止装置６２の第２の縁部６８は、本体部分７０の第１の本体部分円周方向縁部７４を越えて延びる。外側シュラウド部分５２がＣＭＣ材料から構成されている実施形態において、阻止装置６２、本体部分７０、及びスペーサ７２の各々は複数のＣＭＣパイルから形成される。

図７を参照すると、タービンシュラウド組立体５０は、隣接するタービンシュラウド組立体、より具体的には隣接する内側シュラウド部分８２と組み合わせて例示されている。隣接する内側タービンシュラウド部分８２は、本体部分７０と構造及び性質が同様である隣接する本体部分８６に対して、阻止装置６２と構造が同様である隣接する阻止装置８４を含む。図示のタービンシュラウド組立体５０は、内側シュラウド部分５４及び隣接する内側シュラウド部分８２のような複数の内側タブ−インシュラウド部分と動作可能に結合された１つ又はそれ以上の外側タービン部分５２から形成される。内側シュラウド部分５４及び隣接する内側シュラウド部分８２は、それぞれの阻止装置６２又は８４を他方の内側シュラウド部分５４又は８２と僅かに重なり合わせるように協働する。スペーサ７２は、阻止装置６２と、隣接する内側タービンシュラウド部分８２との間にギャップを提供する。例示の実施形態に示すように、阻止装置８４は、本体部分７０の第２の本体部分円周方向縁部６０を越えて延びる。このようにすることで、阻止装置８４は、タービン２４に存在する高温ガスが内側シュラウド部分５４と隣接する内側シュラウド部分８２との間を通過して、高温ガスの影響を受けやすい外側シュラウド部分５２に向かうのを低減する。

図８を参照すると、内側シュラウド部分５４を形成する方法が全体的に例示されている。内側シュラウド部分は、上述のように、説明の目的で比較的平坦な構成要素を備えて概略的に例示されているが、内側シュラウド部分５４の構成要素は、例えば楕円形を含む、様々な幾何形状構成のものとすることができる。マンドレル９０又は他の機械加工固定具が、当該用途に好適な寸法及び幾何学的構成で予形成される。固有の幾何学的構成の１つの実施例は、マンドレルに存在する凹部９２である。阻止装置６２は、凹部９２内に取り付けられて配置される。阻止装置６２の一部は、内側シュラウド部分５４の本体部分７０により取り囲んで内包され、上述のようにこれらの間にスペーサ７２を配置することができる。ＣＭＣ材料から構成される内側シュラウド５４の場合、例示の構成要素は、マンドレル９０の例示の部分上に各構成要素に対して複数のパイルを並べ、マンドレル９０の周囲にパイルを包むことによって形成される。図示のように、阻止装置６２のパイルの包みは、マンドレル９０上に合い欠きを形成し、スペーサパイルが阻止装置セクションの上部に並置されてギャップをもたらし、最終組み立て時点での公差及び部品不整合を考慮する。最終的には、内側シュラウド５４の本体部分７０を形成するパイルが付加される。

図９を参照すると、タービンシュラウド組立体の形成方法が、例示的なフロー図の形態の全体的に参照符号１００で示されている。本方法１００は、内側シュラウド部分を形成するステップ１０２を含み、該ステップ１０２は、複数の阻止装置パイルを包んで合い欠き領域を形成するステップ１０４と、阻止装置パイルの周りに複数のスペーサパイルを包むステップ１０６と、スペーサパイルの周りに複数の本体部分パイルを包み、これによりＣＭＣ内側シュラウドを形成するステップ１０８と、を含む。本方法１００はまた、内側シュラウド部分を形成するステップ１０２と同様の方式で、隣接する内側シュラウド部分を形成するステップ１１０を含む。内側シュラウド部分及び隣接する内側シュラウド部分の形成に続いて、本方法１００は、内側シュラウド部分及び隣接する内側シュラウド部分を近接して配置するステップと、内側シュラウド部分及び隣接する内側シュラウド部分を外側シュラウド部分と動作可能に結合するステップ１１２と、を含む。内側シュラウド部分及び隣接する内側シュラウド部分は、タービン内に存在する高温ガスが、高温ガスの影響を受けやすい外側シュラウド部分に伝播するのを阻止又は低減するようにして、１つの内側シュラウド部分の阻止装置が他の内側シュラウド部分の少なくとも一部に重なり合うように位置付けられる。

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タービンシステム
１２圧縮機
１４燃焼器組立体
１６端部カバー組立体
１８燃焼室
２０ノズル
２１ノズル
２２ノズル
２４タービン
２６組立体／段
２７組立体／段
２８組立体／段
３０圧縮機／タービンロータ
３２翼形部
３４中央ハブ
３５軸方向中心線
３６ベース部分
３８外側部分
５０タービンシュラウド組立体
５２外側シュラウド部分
５４内側シュラウド部分
５６半径方向内側表面
６０第２の本体部分円周方向縁部
６２阻止装置
６４第１の縁部
６８第２の縁部
７０本体部分
７２スペーサ
７４第１の本体部分円周方向縁部
８２隣接する内側タービンシュラウド部分
８４阻止装置
８６隣接する本体部分
９０マンドレル
９２凹部
１００タービンシュラウド組立体を形成する方法
１０２内側シュラウド部分
１０４阻止装置プライ
１０６スペーサプライ
１０８本体部分プライ
１１０隣接する内側シュラウド部分
１１２結合

Claims

タービンシュラウド組立体（５０）であって、
（ａ）第１の内側シュラウド部分（５４）であって、
第１の縁部（７４）及び第２の縁部（６０）を有する第１の本体部分（７０）と、
第１の縁部（６４）及び第２の縁部（６８）を有する第１の阻止装置（６２）であって、第１の阻止装置（６２）の第２の縁部（６８）が第１の本体部分（７０）の第１の縁部（７４）を円周方向に越えて延び、第１の本体部分（７０）の第２の縁部（６０）が第１の阻止装置（６２）の第１の縁部（６４）を円周方向に越えて延びる、第１の阻止装置（６２）と、
第１の阻止装置（６２）と第１の本体部分（７０）との間に配置される第１のスペーサ（７２）であって、第１の本体部分（７０）の第１の縁部（７４）と円周方向に整列する第１の縁部、及び第１の阻止装置（６２）の第１の縁部（６４）と円周方向に整列する第２の縁部を有する第１のスペーサ（７２）と
を備える第１の内側シュラウド部分（５４）と、
（ｂ）第１の内側シュラウド部分（５４）に隣接する第２の内側シュラウド部分（８２）であって、
第１の縁部及び第２の縁部を有する第２の本体部分（８６）と、
第１の縁部及び第２の縁部を有する第２の阻止装置（８４）であって、第２の阻止装置（８４）の第２の縁部が第２の本体部分の第１の縁部を円周方向に越えて延び、第２の本体部分（８６）の第２の縁部が第２の阻止装置（８４）の第１の縁部を円周方向に越えて延びる、第２の阻止装置（８４）と、
第２の阻止装置（８４）と第２の本体部分（８６）との間に配置される第２のスペーサであって、第２の本体部分（８６）の第１の縁部と円周方向に整列する第１の縁部、及び第２の阻止装置（８４）の第１の縁部と円周方向に整列する第２の縁部とを有する第２のスペーサと
を備える第２の内側シュラウド部分（８２）と
を備えており、第１の阻止装置（６２）の第２の縁部（６８）が第２の本体部分（８６）の第２の縁部を円周方向に越えて延び、第１の阻止装置（６２）の一部と第２の本体部分（８６）の一部との間にギャップを形成する、タービンシュラウド組立体（５０）。
第１の内側シュラウド部分（５４）及び第２の内側シュラウド部分（８２）が、セラミックマトリックス複合材を含む材料から形成される、請求項１記載のタービンシュラウド組立体（５０）。
第１の内側シュラウド部分（５４）及び第２の内側シュラウド部分（８２）が、耐火性合金を含む材料から形成される、請求項１記載のタービンシュラウド組立体（５０）。
外側シュラウド部分を更に備え、該外側シュラウド部分の一部が金属から形成される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のタービンシュラウド組立体（５０）。
タービンシステム（１０）であって、
圧縮機（１２）と、
燃焼器組立体（１４）と、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンシュラウド組立体（５０）を備えるタービン（２４）と
を備える、タービンシステム（１０）。
タービンシュラウド組立体（５０）を形成する方法であって、
（ａ）第１の内側シュラウド部分（５４）を形成するステップであって、
固定具（９０）の周りを、第１の縁部（６４）及び第２の縁部（６８）を有する第１の阻止装置（６２）で包むステップと、
第１の阻止装置（６２）の第２の縁部（６８）が第１のスペーサ（７２）の第１の縁部を円周方向に越えて延び、第１のスペーサ（７２）の第２の縁部が第１の阻止装置（６２）の第１の縁部（６４）と円周方向に整列するように、第１の阻止装置（６２）の周りを、第１のスペーサ（７２）で包むステップと、
第１のスペーサ（７２）の第１の縁部が第１の本体部分（７０）の第１の縁部（７４）と円周方向に整列し、第１の本体部分（７０）の第２の縁部（６０）が第１の阻止装置（６２）の第１の縁部（６４）を円周方向に越えて延びるように、第１のスペーサ（７２）の周りを、第１の本体部分（７０）で包むステップと
を含む、ステップと、
（ｂ）第２の内側シュラウド部分（８２）を形成するステップであって、
固定具（９０）の周りを、第１の縁部及び第２の縁部を有する第２の阻止装置（８４）で包むステップと、
第２の阻止装置（８４）の第２の縁部が第２のスペーサの第１の縁部を円周方向に越えて延び、第２のスペーサの第２の縁部が第２の阻止装置（８４）の第１の縁部と円周方向に整列するように、第２の阻止装置（８４）の周りを、第２のスペーサで包むステップと、
第２のスペーサの第１の縁部が第２の本体部分（８６）の第１の縁部と円周方向に整列し、第２の本体部分（８６）の第２の縁部が第２の阻止装置（８４）の第１の縁部を円周方向に越えて延びるように、第２のスペーサの周りを、第２の本体部分（８６）で包むステップと
を含む、ステップと、
（ｃ）第１の内側シュラウド部分（５４）と第２の内側シュラウド部分（８２）とが、第１の阻止装置（６２）の一部と第２の本体部分（８６）の一部との間にギャップを形成するように、第１の内側シュラウド部分（５４）と第２の内側シュラウド部分（８２）とを作動可能に結合するステップと
を含む方法。
第１の内側シュラウド部分（５４）を第１の外側シュラウド部分に一体的に結合し、第２の内側シュラウド部分（８２）を第２の外側シュラウド部分に一体的に結合するステップを更に含む、請求項６記載の方法。
第１の内側シュラウド部分（５４）及び第２の内側シュラウド部分（８２）を、セラミックマトリックス複合材を含む材料から形成する、請求項６又は請求項７記載の方法。
第１の内側シュラウド部分（５４）及び第２の内側シュラウド部分（８２）を、耐火性合金を含む材料から形成する、請求項６又は請求項７記載の方法。