JP6152266B2 - 先端シュラウドを一列に並べる装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に回転機内で先端シュラウドを一列に並べる装置及び方法に関する。

タービンを含む回転機は、航空機製造、産業、及び発電の様々な用途で広く用いられ、稼働している。回転機械はそれぞれ、一般に周辺部に取り付けられた固定静翼と回転羽根との交流ステージを含む。固定静翼は、回転機械を囲むケーシング等の固定部品に取り付けることができ、回転羽根は、回転機械の中央軸に沿って配置される回転子に取り付けることができる。それだけには限定されないが、蒸気、燃焼ガス、又は空気等の圧縮作動流体が、回転機械の中をガス経路に沿って流れて作動される。固定静翼により、圧縮作動流体が加速され、次のステージの回転羽根上に誘導され、回転羽根が動き始め、そのため回転子が回転し稼働し始める。

圧縮作動流体が、固定静翼や回転羽根の周囲に漏れるため又は迂回するため、回転機械の効率が低下する。結果として、タービンを囲むケーシングは大抵、固定シュラウド又は固定シュラウドのセグメントを含み、これらにより、ガス経路の外周を囲み画定して、固定静翼や回転羽根を迂回してしまう圧縮作動流体の量を抑える。さらに、各回転羽根は、回転羽根の外周放射先端（ｏｕｔｅｒ ｒａｄｉａｌ ｔｉｐ）に設置された先端シュラウドを含むことができる。タービンが、種々の工程の段階を経て周期回転をする際、先端シュラウドが、タービン羽根の放射先端にシールを形成し、羽根の放射先端と、ケーシングとの間の圧縮作動流体の漏れさらに抑えることができる。

米国特第７，９４６，８１６号報

先端シュラウドの空力的特性及び機械的性能は、効率及び性能を一方とし、羽根の耐用期間を他方とする、バランスを図る設計における重要な考慮事項である。例えば、先端シュラウドは、作動流体の漏れを抑えることが可能であるが、この先端シュラウドにより、羽根の先端の質量が増し、これにより、先端シュラウドのクリープ又は降伏が増加し得る。そして、このクリープ又は降伏により、タービンの羽根の耐用期間が短縮し得、保守の費用が増え、且つ／又は、電力の供給停止期間が延びる。さらに、先端シュラウドが破壊された場合、その破片がガス経路に詰まり、これにより、ケーシング、下流の固定子、及び／又は、羽根に著しい損害をもたらされ得る。結果として、回転機内の先端シュラウドを一列に並べる装置及び方法に関する継続的な改良が、有用であろう。

本発明の態様及び長所は以下の説明の中に記載され、又は、この説明から明らかになり、或いは、本発明の実践を通して学ぶことができる。

本発明の一実施形態は、先端シュラウドを一列に並べる装置である。この装置は、羽根に接続するように構成されたプラットフォームと、少なくともプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第１の突起部と、第１の突起部上の第１の補助整列機構（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅ）と、を含む。

本発明の第２の実施形態は、先端シュラウドを一列に並べる装置である。この装置は、羽根に接続するように構成された第１のプラットフォームと、少なくとも第１のプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第１の突起部と、第１の突起部上の第１の補助整列機構と、を含む。この装置は、第１の回転羽根に隣接する、第２の羽根に接続するように構成された第２のプラットフォームと、少なくとも前記第２のプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第２の突起部と、この第２の突起部上の第２の整列機構と、をさらに含み、第１の整列機構が、第２の整列機構内に少なくとも部分的に入れ子される。

本発明は、先端シュラウドを一列に並べる方法も含むことができる。この方法は、複数の先端シュラウドを回転させるステップを含み、各先端シュラウドは、羽根に結合されており、第１の先端シュラウドの第１の整列機構を、第２の先端シュラウドの第２の整列機構に入れ子させることにより、隣接する先端シュラウドと一列に並べる。

本明細書をよく読むことで、このような実施形態及びその他の実施形態の特徴及び態様を当業者は、よりよく理解されよう。

当業者に向けられたその最良の形態も含め、完全及び実施可能な程度の本発明の開示を、本明細書の残りの部分において、以下の添付の図を参照することも含め、より詳細に説明する。

本発明の一実施形態による、回転機のステージの部分斜視図である。 図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。 本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。 図１示す隣接する先端シュラウドの半径方向の内側図である。 本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。 本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。 本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。 本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。 本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図である。

次に本発明の本実施形態を詳細に説明する。これらの実施形態の１つ又は複数の例を、添付の図面にて説明する。この詳細な説明では、番号及び符号の呼称によって、図面中の特徴を参照する。図面及び明細書内の同様な又は類似の呼称は、本発明の類似の要素を指すために用いられる。本明細で使用される、用語「第１の」、「第２の」、及び「第３の」は、ある構成要素を、別の構成要素から区別するために、同じ意味で用いられ得、個々の構成要素の位置、その質、又は重要度を示すことを意図しない。

各例は、本発明を説明することを目的として提供されており、本発明を制限することを意図しない。事実、その範囲及び趣旨を逸脱することなく、本発明の中で修正及び変更が可能であることは、当業者にとっては明らかであることは言うまでもない。例えば、一実施形態の一部として説明され、又は記載された特徴を別の実施形態で用いて、さらに別の実施形態を生み出すことが可能である。したがって、そのような修正及び変更も、添付の請求項及びその同等物の範囲に入るものとして、本発明に包含されることを意図する。

本発明の種々の実施形態には、圧縮機、ガスタービン、蒸気タービン、ジェットエンジン又はその他の回転機等の加圧ガス流路及び回転要素を有するあらゆるシステム内の、先端シュラウドを一列に並べる装置及び方法が含まれる。これらの装置及び方法は、一般に補助整列機構を有する先端シュラウドを含む。特定の実施形態では、整列機構により、隣接する先端シュラウドを半径方向、軸方向、及び／又は円周方向に一列に並べることが可能である。この様に、この先端シュラウドにより、ガス経路のシールを強化し、この強化されたシールにより、羽根の放射先端の周囲に加圧ガスが漏れることを抑え、ゆえに、加圧ガスをより多く利用して、回転機全体の効率を向上させることができる。さらに、先端シュラウドの整列を改善することで、隣接する先端シュラウドどうしが重なり合うことが低減又は防止され、且つ／又は、個々の先端シュラウドの耐用期間が延び、保守の費用がさらに低減され、回転機械全体の効率がさらに向上する。

図１には、本発明の一実施形態による、回転機の羽根ステージ１０の部分斜視図が示される。用語「羽根」には、回転機内で用いられるあらゆる回転羽根が含まれ得ることは言うまでもない。例えば、「羽根」には、それだけには限定されないが、圧縮機の及び／又はタービンの羽根が含まれ得る。図示する通り、各ステージ１０は、一般に回転子１４に円周方向に接続する、複数の隣接する羽根１２を含む。各羽根１２は、一般に回転子１４から側に向かって放射先端１８まで外半径方向に延在する翼１６を含む。ケーシング２０は、羽根ステージ１０を円周方向に囲んで、このケーシング２０と、回転子１４との間にガス経路２２を画定する。この様に、加圧作動流体は、羽根１２を軸方向に横切って流れて、羽根１２、及びそれに伴って回転子１４、回転させることができる。

図１に示す通り、羽根ステージ１０は、先端シュラウド４２を一列に並べる装置４０を含むことができ、この装置４０は、隣接する先端シュラウド４２どうしが重なり合うことを防止する。装置４０は、一般に羽根１２の放射先端１８に接続するように構成された、１つ又は複数の先端シュラウド４２を含むことができる。この先端シュラウド４２は、例えば、溶接により羽根１２に機械的に取り付けられ得る。或いは、先端シュラウド４２は、羽根１２の一体部として、鋳造又はマシニング加工され得る。この様に、回転機が種々の動作状態を経て周期回転するとき、隣接する先端シュラウドは、羽根１２の放射先端１８において障壁を形成することができる。

図２には、図１に示される先端シュラウド４２の拡大斜視図が示される。図３には、本発明の別の実施形態による、図１に示される先端シュラウドの拡大斜視図が示され、図４には、図１に示される隣接する先端シュラウド４２の半径方向の内側平面図が示される。図２に示す通り、各先端シュラウド４２は、一般にプラットフォーム４４及び１つ又は複数の突起部４６を含む。プラットフォーム４４は、一般に一対の反対向きの軸方向に延在する面４８、及び一対の反対向きの円周方向に延在する面５０を含む。軸方向に延在する面４８は、隣接する先端シュラウド４２のプラットフォーム４４の対する補助的な面を提供するために、直線面、斜線面又は曲線面でよい。

図１に示す通り、各プラットフォーム４４は、一般に円周方向に、少なくともプラットフォーム４４の一部分を横切って延在する１つ又は複数の突起部４６を含むことができ、一定又は可変の厚さ及び一定又は可変の半径方向の高さ（ｒａｄｉａｌ ｈｅｉｇｈｔ）を有することができる。図２に示す通り、１つ又は複数の突起部４６は、プラットフォーム４４から、外側に向かって半径方向を延在することができる。別の実施形態では、図３に示す通り、１つ又は複数の突起部４６は、プラットフォーム４４から、内側に向かって半径方向に延在することができる。さらに、各突起部４６は、補助整列機構５２を含むことができ、この補助整列機構５２は、突起部４６の第１の端５４、又は第２の端５４に配置され、これにより隣接する先端シュラウド４２どうしの間の半径方向及び／又は軸方向における整列を向上させる。補助整列機構５２は、例えば、突起部４６内で凸面及び凹面を含むことができる。例えば、図２及び図３に示す通り、補助整列機構は、突起部４６の両端上の球状突起部５６及び球状窪部５８の組合せでよい。羽根１２が回転すると、先端シュラウド４２の遠心力及び／又は熱膨張により、先端シュラウド４２は隣接する先端シュラウドと接触し得る。結果として、第１の先端シュラウド４２上の球状突起部５６が、第２の隣接する先端シュラウド４２上の球状窪部５８内に入れ子されて、隣接する先端シュラウド４２を半径方向の面及び／又は軸方向の面で一直線に並べる。結果として、先端シュラウドのプラットフォーム４４の機械的ストレス、及び／又は熱ストレスは、隣接する先端シュラウド４２の間で著しく低減する。さらに、補助整列機構５２により、隣接するプラットフォーム４４が座曲したり、又は重なり合ったりすることを防止することができる。結果として、羽根１２の放射先端１８に、より大きな先端シュラウド４２を用いて、羽根の耐用期間を犠牲にすることなく、ガス経路２２のシーリングを向上させることができる。

図５〜図９には、本発明の範囲内の補助整列機構５２の別の実施形態が示される。図５及び図６に示す通り、補助整列機構５２は、円筒形突起部６０又は角度付突起部６４、及び円筒形窪部６２又は角度付窪部６６でよい。これらの形状により、半径方向での整列と、隣接する先端シュラウド４２間での半径方向の負荷の転移と、が可能となり、且つ／又はタービンが種々の工程を経て周期回転する際の隣接する羽根の間の防振が可能となる。さらに、図１に示す通り、これらの形状により、低温時でタービン回転子の組み立て中、又は低温時のタービン動作中に隣接する先端シュラウド４２間で、軸方向に大きくずらす、又は動かすことが可能となる。

図７及び図８では、補助整列機構５２が示され、この補助整列機構５２は、図７及び図８に示す通り、一般に多角形状、楕円形状、放物線状又は球形状の穴の半径方向に開いた窪部６８、７２及び、突起部７０、７４でよい。半径方向に開いた穴の窪部６８、７２は、１つ又は複数の合わせ面、及び開口を含むことができ、突起部７０、７４は、１つ又は複数の補助合わせ面を含むことができる。これらの別の実施形態はそれぞれ、補助整列機構５２どうしの間で、より大きな合わせ面の面積を提供することができる。結果として、回転機の動作中の隣接する先端シュラウド４２どうしの間での半径方向の整列と、半径方向の負荷の転移と、が可能となり、それにより、隣接する先端シュラウド４２どうしの間の重なり合いを防ぐことができ、より大きな先端シュラウド４２が可能となり、羽根１２の放射先端１８でガス経路のシールを向上させることが可能となる。

図９には、補助整列機構５２が示され、この補助整列機構５２は、ビスケット形状、及び／又は円筒形状の突起部７６、及び窪部７８でよい。図９に示す通り、ビスケット形状の補助整列機構５２は、平面８０及びアーチ形状面８２を含むことができる。さらに隣接する先端シュラウド４２どうし間の半径方向整列、及び／又は半径方向負荷の転移を可能にすることに加えて、種々の動作状態を経てタービンが周期回転するとき、このビスケット形状の補助整列機構５２により、隣接する先端シュラウド４２どうしの間の軸方向の動きを抑え、隣接する先端シュラウド４２のシール性能を向上させることが可能となる。

図１〜図９に関して示され説明された種々の実施形態は、隣接する先端シュラウド４２を一列に並べる方法も提供することができ、この方法は、回転羽根１２に結合され得る複数の先端シュラウドを４２回転させるステップと、第１の先端シュラウド４２の第１の整列機構５２を第２の先端シュラウド４２の第２の整列機構５２内に入れ子させることにより、隣接する先端シュラウド４２を一列に並べるステップと、を含む。この方法は、第１の先端シュラウド４２の第３の整列機構５２を、第２の先端シュラウド４２の第４の整列機構５２内に入れ子させるステップをさらに含むことができる。この方法により、隣接する羽根１２の放射先端１８でガス経路にシールを形成し、羽根１２の放射先端１８の上で加圧作動流体が漏れることを止め、隣接する先端シュラウド４２が重なり合うことを防ぐことができる。結果として、より大きな先端シュラウド４２を設計することができ、羽根１２の耐用期間を延ばすことが可能となり、回転機全体の効率を向上させ、回転機保守の費用を抑えることができる。

本明細書では、最良の形態も含むいくつかの例を用いて、本発明を開示し、装置又はシステムの作成及び使用、並びに、それらに組み込まれるあらゆる方法の実行も含めた本発明を、当業者が実践することを可能にする。本発明の特許可能範囲は、請求項より規定されるものであり、当業者が思いつくその他の例も含むことができる。そうした、その他の例は、特許請求の範囲の表現と相違のない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の表現と多少の相違はあっても等価である構造要素を含む場合には、特許請求の範囲の範囲に含まれることを意図する。

１０ 羽根ステージ
１２ 羽根
１４ 回転子
１６ 翼
１８ 放射先端
２０ ケーシング
２２ ガス経路
４０ 先端シュラウドを一列に並べる装置
４２ 先端シュアウド
４４ プラットフォーム
４６ 突起部
４８ 軸方向に延在する面
５０ 半径方向に延在する面
５２ 整列機構
５４ 突起部の端
５６ 球状突起部
５８ 球状窪部
６０ 円筒形突起部
６２ 円筒形窪壬部
６４ 角度付突起部
６６ 角度付窪部
６８ 多角形状の穴の窪部
７０ 多角形状の穴の突起部
７２ 楕円形状の穴の窪部
７４ 楕円形状の穴の突起部
７６ ビスケット形状の突起部
７８ ビスケット形状の窪部
８０ ビスケット形状の平面
８２ ビスケット形状のアーチ形状面

Claims (10)

1. 先端シュラウドを整列させる装置であって、
   ａ．翼の放射先端に接続するように構成されたプラットフォームと、
   ｂ．少なくとも前記プラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第１の突起部であって、前記第１の突起部が、前記プラットフォームの上面から半径方向外側に延び、前記第１の突起部が、前記上面に垂直な端部を備える、前記第１の突起部と、
   ｃ．前記第１の突起部の前記端部上に画成された第１の整列機構と、
   ｄ．少なくとも前記プラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する、前記第１の突起部と平行な第２の突起部であって、前記第２の突起部が、前記プラットフォームの上面から半径方向外側に延び、前記第２の突起部が、前記上面に垂直な端部を備える、前記第２の突起部と、
   ｅ．前記第２の突起部の前記端部上に画成された第２の整列機構と、
   を含み、
   前記第１及び第２の整列機構の一方が、前記第１又は第２の突起部の前記端部と一体形成された突起により画成され、前記第１及び第２の整列機構の他方が、前記突起の半径方向及び円周方向の移動を制限する凹部により画成される、
   装置。
2. 先端シュラウドを整列させる装置であって、
   ａ．第１の羽根の放射先端に接続するように構成された第１のプラットフォームと、
   ｂ．少なくとも前記第１のプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在し、前記第１のプラットフォームの上面から半径方向外側に延びる第１の突起部と、
   ｃ．前記第１の突起部の端部に沿って配置され、前記端部と一体形成された第１の整列機構と、
   ｄ．前記第１の羽根に隣接する第２の羽根の放射先端に接続するように構成された第２のプラットフォームと、
   ｅ．少なくとも前記第２のプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在し、前記第２のプラットフォームの上面から半径方向外側に延びる第２の突起部と、
   ｆ．前記第２の突起部の端部に沿って配置された第２の整列機構と、を含み、
   ｇ．前記第１の突起部の前記端部と前記第２の突起部の前記端部が、円周方向で近接し、前記第１の整列機構の突起が、少なくとも前記第２の整列機構の凹部内に部分的に入れ子されて、半径方向及び円周方向の移動が制限される、装置。
3. 前記第１の整列機構は、アーチ形状である、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第１及び／又は第２の突起部は、前記プラットフォームを横切る複数の位置で異なる厚さを有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記第１の突起部は、半径方向に前記プラットフォームから内側に延在する、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の整列機構により、前記プラットフォームが、１つの平面または２つの平面で一列に並ぶ、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 少なくとも前記第１のプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第３の突起部と、前記第３の突起部上の第３の整列機構と、少なくとも前記第２のプラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第４の突起部と、をさらに含む請求項２に記載の装置。
8. 前記第３の突起部が、第３の整列機構を含み、
   前記第４の突起部が、第４の整列機構含む、請求項７記載の装置。
9. 前記第１の突起部、第２の突起部、第３の突起部及び第４の突起部のうちの少なくとも１つが半径方向に前記シュラウドのプラットフォームから内側に延在する、請求項８記載の装置。
10. 先端シュラウドであって、
    ａ．翼の放射先端に接続するように構成されたプラットフォームと、
    ｂ．少なくとも前記プラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する第１の突起部であって、前記第１の突起部が、前記プラットフォームの底面から半径方向内側に延びる、前記第１の突起部と、
    ｃ．前記第１の突起部の端部に沿って配置された第１の整列機構と、
    ｄ．少なくとも前記プラットフォームの一部分を横切って円周方向に延在する、前記第１の突起部と平行な第２の突起部であって、前記第２の突起部が、前記プラットフォームの前記底面から半径方向内側に延びる、前記第２の突起部と、
    ｅ．前記第２の突起部の前記端部に沿って画成された第２の整列機構と、
    を含み、
    前記第１及び第２の整列機構の一方が、前記第１又は第２の突起部の前記端部と一体形成された突起により画成され、前記第１及び第２の整列機構の他方が、前記突起の半径方向及び円周方向の移動を制限する凹部により画成される、
    先端シュラウド。