JP6259189B2 - 先端シュラウド付きブレード - Google Patents

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、より詳細には先端シュラウドに関する。

ガスタービンバケット又はブレードは、流動ガスの熱及び運動エネルギーをロータの機械的回転に変換するよう設計された翼形部形構成要素である。タービン性能は、翼形部を迂回してロータ上でどのような仕事も行うことのない該翼形部先端を越える空気流を遮断するために、翼形部の先端にシールを設けることによって強化することができる。従って、このような先端シールは、バケットと周囲の固定ケーシングとの間のギャップを低減する。

通常、先端シュラウドは翼形部の先端に設けられ、隣接するタービンバケットは、低温の組み立て状態においては整列されている。しかしながら、高温の作動状態の間、先端シュラウドはある程度の位置ずれが生じやすい。２つの隣接するシュラウド間の半径方向の位置ずれは、主流路の妨げとなり、非効率であり、場合によっては係合解除につながる。接線方向の位置ずれは、空気の漏洩区域をもたらし、従って、ロータに対する仕事を行わない。

米国特許出願公開第２００４００１２１５１号明細書

本発明の１つの態様によれば、先端シュラウド付きブレードは、軸方向中心線の周りに回転可能な翼形部を含む。また、翼形部の半径方向外側先端に接続された先端シュラウドも含まれ、該先端シュラウドは、翼形部の半径方向外側先端によって画成される接線方向軸線の周りに角度が付けられた少なくとも１つの部分を含む。

本発明の別の態様によれば、先端シュラウド付きブレードは、軸方向中心線から離れて延びて且つその周りに回転可能な翼形部を含む。また、翼形部の先端に設けられた先端シュラウドが含まれ、該先端シュラウドは、接線方向軸線の周りで傾斜され、半径方向軸線の周りにツイストされる。

本発明の更に別の態様によれば、円周方向に傾斜した先端シュラウド付きブレードの少なくとも１つの列を有するタービンシステムは、第１の翼形部を有する第１のタービンバケットを含む。また、第１の翼形部の外側先端に設けられた第１の先端シュラウドが含まれ、該第１の先端シュラウドは、翼形部の外側先端によって画成される接線方向軸線の周りに角度が付けられる。更に、第１の翼形部に隣接して配置された第２の翼形部を有する第２のタービンバケットが含まれる。更にまた、第２の翼形部の外側先端に設けられた第２の先端シュラウドが含まれ、該第２の先端シュラウドは、タービンシステムの定常状態作動中に第１の先端シュラウドに一致するよう角度が付けられる。

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。

タービンバケットの斜視図。 第１の先端シュラウド及び隣接する第２の先端シュラウドの平面図。 第１の先端シュラウドの後方部分と第２の先端シュラウドの前方部分の側面図。 第１の先端シュラウドの後方部分と第２の先端シュラウドの前方部分の後方立面図。

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及び２を参照すると、ガスタービンバケット１０が例示され、翼形部１２を含む。翼形部１２は、圧縮機及び燃焼器（各々図示せず）などのタービンシステム内の上流側構成要素によって生成され且つ送給されるガス流を遮る。翼形部１２は、ガス流のエネルギーを接線方向の運動に変換する風車状ベーンとして機能し、該接線方向の運動により、ガスタービンバケット１０が取り付けられたロータを回転させるようになる。翼形部１２の外側先端１４に近接して先端シュラウド１６が配置される。先端シュラウド１６は、翼形部１２の外側先端１４に沿って、従って、先端シュラウド１６に沿って全体的に延びたシールレール１８を含む。

タービンシステムは、円周方向に整列したタービンバケット１０の複数の列を含む。シールレール１８は、複数の列の少なくとも１つの周りで、隣接する翼形部１２の外側先端１４に設けられたシールレール１８と相対的に一致する程十分に翼形部１２を超えて円周方向に延びており、これにより流れが列を迂回するのを遮断して翼形部１２の長さに対して空気流を配向せざるを得ないようにし、ロータのより効率的な回転を確保する。

翼形部１２は、タービンシステムの軸方向中心線２２を中心として方向２０で回転する。翼形部１２の外側先端１４における接線方向軸線２４及び軸方向軸線２６は、外側先端１４の回転方向２０に対して形成される。軸方向軸線２６は、タービンシステムの軸方向に延びて軸方向中心線２２に平行である。加えて、半径方向軸線２７、具体的には、軸方向中心線２２から先端シュラウド１６に向けて半径方向外向きに延びる軸線は、翼形部１２の長手方向に延びる。

定常状態作動のような、タービンシステムの作動中、タービンバケット１０及び先端シュラウド１６は、大きな力及び熱応力を受けやすく、先端シュラウド１６の非対称的な偏向を生じることになる。先端シュラウド１６のこのような非対称偏向は、隣接する先端シュラウド１６間の位置ずれを引き起こし、結果として非効率性、及び／又は材料クリープにつながる可能性がある
ここで図３を参照すると、先端シュラウド１６が低温の非作動状態で組み立てられ、軸方向軸線２６の周りで傾いた状態に構成されるようになる。先端シュラウド１６は、翼形部１２の回転方向２０に対して、前方領域２８及び後方領域３０を含む。先端シュラウド１６の傾斜の方向及び大きさは、適用分野によって決定され、種々の作動条件下で生じる偏向の大きさ及び方向を示す実験及び分析に基づいて設定される。例示的な実施例において、先端シュラウド１６は、低温非作動状態で前方に傾斜され、前方領域２８が、後方領域３０よりもタービンシステムのロータ又は軸方向中心線２２により近接するようになるが、この前方傾斜は、単に例証に過ぎず、後方傾斜も企図される点は理解されたい。例えば、定常状態運転のようなタービンバケット１０の作動中、先端シュラウド１６は、上述の力及び熱付加がその上に加わることに起因して回転する。このような先端シュラウド１６の事前傾斜及び回転により、運転中の隣接する先端シュラウドの位置ずれの度合いが低減される。事前傾斜は、隣接する先端シュラウド１６の有利な位置合わせをもたらす。

図４を参照すると、軸方向軸線２６の周りの傾斜に加えて、先端シュラウド１６は、低温非作動状態で組み付けられ、接線方向軸線２４の周りで傾いた状態に構成されるようになる。先端シュラウド１６は、上流側領域３２及び下流側領域３４を含む。軸方向軸線２６の回りでのあらゆる傾斜と同様に、接線方向軸線２４の周りでの先端シュラウド１６の傾斜の方向及び大きさは、適用分野によって決定される。例示的な実施例において、先端シュラウド１６は、上流側方向で傾斜され、上流側領域３２が下流側領域３４よりもタービンシステムのロータ又は軸方向中心線２２により近接するようになるが、この上流側傾斜は、単に例証に過ぎず、下流側傾斜が企図されることは理解されたい。軸方向軸線２６の周りでの傾斜の作用と同様に、接線方向軸線２４の周りの傾斜により、構成要素間の位置ずれの度合いが低減される。加えて、先端シュラウド１６は、半径方向軸線２７の周りでプレツイストされ、タービンバスケット１０の作動中に先端シュラウド１６の望ましい向きが生じるようになる。角度付け（例えば、傾斜、ツイスト、その他）の度合いは、用途に応じて変えることができるが、このような角度は、それぞれの軸線の周りの何れかの回転方向で±１０度、より典型的には何れかの回転方向で±５度の範囲にわたることは企図される。

先端シュラウド１６は、隣接先端シュラウド１６の前方領域からの突出部４２を任意選択的に配置できるように構成された先端シュラウド１６の後方領域３０に近接した凹部４０を含む、種々の構成及び特徴要素の形態をとることができる。このような配置により、タービンバケット１０の作動中に先端シュラウド１６の相対的な回転運動が可能になる。

上述のように、特に軸方向軸線２６、半径方向軸線２７、及び接線方向軸線２４などの複数の軸線の周りでタービンバケット１０の作動中に生じる変形に対処するために先端シュラウド１６をプレチルト（傾斜）又はプレツイストすることが有利である。代替として、１つだけのプレチルト又はプレツイストを加えてもよく、これは適用分野によって決まり、加えて、２つよりも多い軸線の周りで回転させることも企図される。先端シュラウド１６は、単に、任意の方向で軸方向中心線２２からオフセットした一部の軸線の周りで回転する必要がある。これは、軸方向中心線２２から半径方向、接線方向、又は軸方向にシフトした回転軸を指す。先端シュラウド１６は、定常状態運転中に比較的平坦な部材に偏向できるように構成され、翼形部１２の外側先端１４に対して接線方向の平面内に向けられる。

厳密な先端シュラウド１６構成に関係なく、このような組立体によって複数の利点が得られる点を理解されたい。翼形部の所定の速度での回転時に先端シュラウド１６が動作位置にあるときに、シールレール１８の定常状態での位置合わせが起こる。シールレール１８の位置合わせは、シールレール１８の半径方向外向きに位置するハニカム形ケーシング表面を通るような、全体の流路漏洩の軽減をもたらすようになる。加えて、翼形部１２の先端セクションにおける応力状態が平衡化され、係合解除の可能性が低減される。これら及び他の利点は、本明細書で開示される先端シュラウド１６によって達成される。

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みなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンバケット
１２ 翼形部
１４ 外側先端
１６ 先端シュラウド
１８ シールレール
２０ 方向
２２ 軸方向中心線
２４ 接線方向軸線
２６ 軸方向軸線
２７ 半径方向軸線
２８ 前方領域
３０ 後方領域
３２ 上流側領域
３４ 下流側領域
４０ 凹部
４２ 突出部

Claims (5)

1. 円周方向に整列した先端シュラウド付きブレードの少なくとも１つの列を有するタービンシステムであって、
   第１の翼形部を有する第１のタービンバケットと、
   前記第１の翼形部の外側先端に設けられ、該外側先端から延びる第１のシールレールを有する第１の先端シュラウドであって、前記第１の翼形部の外側先端によって画成される接線方向軸線の周り及び前記第１の翼形部の長手方向によって画成される半径方向軸線の周りに角度が付けられている第１の先端シュラウドと、
   前記第１の翼形部に隣接して配置された第２の翼形部を有する第２のタービンバケットと、
   前記第２の翼形部の外側先端に設けられ、該外側先端から延びる第２のシールレールを有する第２の先端シュラウドであって、前記タービンシステムの定常状態運転中に前記第１の先端シュラウドに一致するような角度が付けられていて、定常状態運転中に第１のシールレールと第２のシールレールとが同一平面内に整列する第２の先端シュラウドと
   を備えており、
   前記第１の先端シュラウド及び前記第２の先端シュラウドが各々、前方領域及び後方領域を含んでおり、
   前記第１の先端シュラウドがさらに軸方向軸線の周りに角度が付けられていて、前記前方領域が前記後方領域よりもタービンシステムの軸方向中心線に近接している、タービンシステム。
2. 前記先端シュラウドが、約２度から約１０度の間で接線方向軸線の周りに角度が付けられる、請求項１記載のタービンシステム。
3. 前記第１の先端シュラウド及び前記第２の先端シュラウドが各々、接線方向軸線の周りに角度が付けられ、前記第１の先端シュラウド及び前記第２の先端シュラウドが各々、上流側領域及び下流側領域を含み、前記上流側領域が前記下流側領域よりも前記軸方向中心線に近接している、請求項２記載のタービンシステム。
4. 前記先端シュラウドが、約２度から約１０度の間で前記半径方向軸線の周りに角度が付けられる、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ステム。
5. 前記第２の先端シュラウドの前方領域から延びる突出部が、定常状態運転中に、前記第１の先端シュラウドの後方領域の凹部内に配置される、請求項１記載のタービンシステム。