JP6739934B2

JP6739934B2 - ガスタービンのシール

Info

Publication number: JP6739934B2
Application number: JP2015250818A
Authority: JP
Inventors: ケヴィン・リチャード・カートリー; デイヴィッド・リチャード・ジョンズ; アンドリュー・パウル・ジアメッタ; リチャード・ウィリアム・ジョンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: US20160186664A1; US9765699B2; EP3040510A1; JP2016125496A; CN205744004U

Description

本発明は一般に、燃焼ガスタービンエンジン（「ガスタービン」）に関し、より詳細には、ガスタービンエンジン用のリムキャビティのシールシステムおよびプロセスに関する。

運転中、高温ガス通路は過度な温度になるため、構成部品が、その動作または性能を損なう、または下げる温度に到達しないように多大な注意が払われる。過度な温度に特に敏感な領域の１つは、高温ガス通路の内側の空間である。しばしばタービンの内側ホイールスペースまたはリムキャビティと呼ばれるこの領域は、回転動翼が取り付けられたいくつかのタービンホイールまたはロータを含む。動翼は、高温ガス通路の高温に耐えるように設計されているが、ロータはそのようには設計されておらず、したがって、高温ガス通路の作動流体がリムキャビティ内に流れ込まないようにする必要がある。しかしながら、理解されるように、回転翼と周囲の静止部品との間には軸方向隙間が必ず存在し、この隙間を通って作動流体の高温ガスが内部領域に到達する。さらに、エンジンの暖機の仕方や熱膨張係数の違いのため、これらの隙間は、エンジンを運転する方法に応じて拡がったり縮んだりする。このように寸法が変化することによって、隙間を適正にシールすることが設計上の困難な課題となっている。

より詳細には、ガスタービンは、静翼と動翼の複数の列を有するタービンセクションを含み、そこでは、動翼段は静翼の静止案内翼の周りを一緒になって回転する。静翼およびそれに関係する組立体は、動翼の２つの段の間に形成されたリムキャビティ内へ延在する。動翼の内側シュラウドと静翼との間、および静翼ダイアフラムの内側面と２つのロータディスクリム延長部との間にシールが形成される。理解されるように、高温ガス流の圧力は、静翼の後方側より前方側の方が高く、したがって、リムキャビティ内に差圧が存在する。従来技術では、静翼ダイアフラムの内側面のシールを用いて、静翼列を通り抜ける漏れ流れを制御することができる。さらに、ナイフエッジシールは、静翼のカバープレートに用いられて、高温ガスがリムキャビティ内に入るのを防ぐシールにすることができる。ロータディスクはエーロフォイルよりも比較的低温材料で作られているので、高温ガスのリムキャビティ内への流入は可能な限り防止される。ロータディスクは、高温に曝されるとともに高応力が作用しており、それによってロータディスクは熱的に弱くなり、その寿命は短くなる。パージ冷却空気は、静翼ダイアフラムから吐出して、リムキャビティに高温ガス流が入らないように用いられてきた。

しかしながら、リムキャビティの漏れ流れを制御してパージ空気の使用量を低減することに関してはほとんど進展がなかった。パージを分配することに関しては困難さがあり、その結果、その使用は非効率になり、当然ながら、損失を生じる。理解されるように、パージシステムは、エンジンの製造コストおよび保守コストを増大させ、かつ所望の圧力レベルまたはリムキャビティからの流出量を保つことに関しては不正確になることが多い。さらに、パージ流はタービンエンジンの性能および効率に悪影響を与える。すなわち、パージ空気のレベルが増大すると、エンジンの出力および効率が低下する。したがって、パージ空気の使用量を最小限にすることが望ましい。その結果として、隙間、トレンチキャビティ、および／またはリムキャビティを流路の高温ガスからよりよくシールする、改善された方法、システム、および／または装置が引き続き求められている。

米国特許第８６１６８３２号公報

したがって、本出願は、静翼と動翼との間に形成されたトレンチキャビティに形成されたシールを有する静翼および動翼を含むタービンを有するガスタービンについて記述する。トレンチキャビティは、静翼と動翼の対向する内側面の間に画定された軸方向隙間である。シールは、流路の内側境界の一部を画定する張出部上側、および張出部上側の反対側に張出部下側を含むように静翼から動翼の方へ延在する静翼張出部と、プラットフォーム縁から半径方向内側に延在する動翼外側面であって、トレンチキャビティの軸方向隙間を挟んで、張出面の少なくとも一部と対向する動翼外側面と、静翼張出部と軸方向に重なるように動翼外側面から静翼の方へ延在する軸方向突起と、張出部下側を貫通して形成されるポートへ静翼張出部を通って延在する内部冷却流路とを含むことができる。ポートは、ポートから排出される冷却剤を軸方向突起の方へ向けるように構成することができ、また、冷却剤を回転方向へ向けるように構成することができる。

本出願のこれらの、および他の特徴は、図面および添付の特許請求の範囲と併せて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を検討すると明らかになるであろう。

本発明のこれらの、および他の特徴は、添付の図面と併せて、本発明の例示的な実施形態についての以下のより詳細な説明を慎重に検討することによって、より完全に理解され認識されるであろう。

本出願の実施形態による翼組立体を用いることができる例示的なタービンエンジンの概略図である。図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機セクションの断面図である。図１の燃焼タービンエンジンのタービンセクションの断面図である。本発明の一態様による動翼および静翼のいくつかの列の半径方向内側部の概略断面図である。本発明の例示的な実施形態によるトレンチキャビティのシール装置組立体の断面図である。本発明の代替の実施形態によるトレンチキャビティのシール装置組立体の断面図である。本発明の例示的な実施形態によるエアカーテン組立体を有するシール装置を含むトレンチキャビティの断面図である。本発明の代替の実施形態によるエアカーテン組立体を有するシール装置を含むトレンチキャビティの断面図である。本発明の代替の実施形態によるエアカーテン組立体を有するシール装置を含むトレンチキャビティの断面図である。本発明の代替の実施形態によるエアカーテン組立体を有するシール装置を含むトレンチキャビティの断面図である。

本発明の態様および利点は、次の説明において以下で明らかにされ、あるいはその説明から自明なものとすることができ、あるいは本発明の実施を通じて学ぶことができる。次に、本発明の実施形態を詳細に参照するが、それらのうちの１つまたは複数の例を添付の図面に示す。詳細な説明では、図の機能部を指すために数字表示が使用される。図面および記述における同様または類似の表示は、本発明の実施形態の同様または類似の部品を指すために使用することができる。理解されるように、各例は、本発明を限定するためではなく、説明するために提供される。実際、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明に修正および変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として図示または記述した特徴は、別の実施形態で使用してさらなる実施形態を生み出すことができる。したがって、本発明は、このような修正および変更を、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるものとして包含することが意図される。本明細書で言及する範囲および限界は、特に明記しない限り、限界自体を含む、規定の限界内にあるすべての部分範囲を含むことを理解されたい。さらに、本発明ならびにその構成部品のサブシステムおよび部品を説明するために特定の用語を選択した。これらの用語は、可能な範囲で、本技術分野に共通する専門用語に基づいて選ばれた。さらに、このような用語は異なる解釈をされることが多いことは理解されるであろう。例えば、本明細書で単一の構成部品として言及される場合があるものが、他では、複数の構成部品よりなるものとして言及される場合があり、あるいは、本明細書で複数の構成部品を含むものとして言及される場合があるものが、他では、単一の構成部品であるものとして言及される場合がある。本発明の範囲を理解する際、使用される特定の専門用語のみに注意を払うのではなく、その用語がいくつかの図面に関係する態様とともに、当然のことながら、添付の特許請求の範囲での専門用語の正確な使用を含めて、添付の説明および文脈、ならびに、言及され説明される構成部品の構造、構成、機能および／または使用にも注意を払うべきである。さらに、以下の例は、特定のタイプのタービンエンジンに関して提示されているが、当業者であれば理解するように、本発明の技術は他のタイプのエンジンにも適用することができる。

タービンエンジン動作の性質上、本出願を通していくつかの説明的用語を用いてエンジンならびに／あるいはエンジンに含まれるいくつかのサブシステムまたは構成部品の機能を説明する場合があるので、この項の始めに、これらの用語を定義することは有益な場合がある。したがって、これらの用語とそれらの定義は、特に明記しない限り、以下の通りである。用語「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」および「後方（ａｆｔ）」は、さらに特定しなければ、ガスタービンの向きに対する方向を指す。すなわち、「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」は、エンジンの前方、すなわち圧縮機端を指し、「後方（ａｆｔ）」はエンジンの後方、すなわちタービン端を指す。これらの用語のそれぞれは、エンジン内の動きまたは相対位置を示すために用いることができることが理解されよう。用語「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」および「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」は、特定の流路を通って動く流れの一般的な方向に対するその流路内の位置を示すために用いられる。（これらの用語は、当業者であれば明確である、通常の動作中に予想される流れに対する方向を指すことが理解されよう。）用語「下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、流体が特定の流路を通って流れる先の方向を指し、用語「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」はその反対方向を指す。したがって、例えば、タービンエンジンを通る作動流体の主流は、圧縮機を通って流れる空気であり、これは、次いで燃焼器内以降で燃焼ガスとなるが、圧縮機の上流端、すなわち前方端の上流位置で始まり、タービンの下流端、すなわち後方端の下流位置で終わるとして記述することができる。普通のタイプの燃焼器内の流れの方向の記述に関しては、下記でより詳細に考察するように、圧縮機の吐出空気は典型的には、燃焼器の（燃焼器の長手方向軸、および前述の前方／後方の違いを定義する圧縮機／タービンの配置に対する）後方端に向かって集中しているインピンジメントポートを通って燃焼器に入ることが理解されよう。圧縮空気は、燃焼器に入ると、内部チャンバの周りに形成された流れ環状部によって、燃焼器の前方端の方へ案内され、ここで、空気流は内部チャンバに入り、流れの方向が逆になって、燃焼器の後方端の方へ流れる。さらに別の文脈では、冷却通路を通る冷却剤の流れを同じように取り扱うことができる。

さらに、共通の中心軸の周りの圧縮機およびタービンの構成、ならびに多くのタイプの燃焼器に共通の円筒構成を前提とすると、軸に対する位置を記述する用語を本明細書で使用する場合がある。これに関しては、用語「半径方向（ｒａｄｉａｌ）」は、軸に垂直な動きまたは位置を指すことが理解されよう。これに関係して、中心軸からの相対距離を記述することが必要な場合がある。この場合、例えば、第１の構成部品が第２の構成部品よりも中心軸の近くにあれば、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向内側（ｒａｄｉａｌｌｙｉｎｗａｒｄ）」または「内側（ｉｎｂｏａｒｄ）」にあると記述することができる。一方、第１の構成部品が第２の構成部品よりも中心軸から遠くにあれば、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向外側（ｒａｄｉａｌｌｙｏｕｔｗａｒｄ）」または「外側（ｏｕｔｂｏａｒｄ）」にあると記述することができる。さらに、理解されるように、用語「軸方向（ａｘｉａｌ）」は、軸に平行な動きまたは位置を指す。最後に、用語「周方向（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ）」は、軸の周りの動きまたは位置を指す。前述したように、これらの用語は、エンジンの圧縮機およびタービンセクションを通って延在する共通の中心軸に関連して適用することができるが、これらの用語はまた、エンジンの他の構成部品またはサブシステムに関連して用いることもできる。例えば、多くのガスタービン機械に共通する円筒状の燃焼器の場合、これらの用語に相対的な意味を与える軸は、始めは円筒状でタービンに近づくにつれてより環状に変化する断面形状の中心を通って延在する長手方向の中心軸である。

図１はガスタービン１０の概略図である。一般に、ガスタービンは、圧縮空気流の中で燃料を燃焼させることによって生じる高温ガスの加圧流からエネルギーを取り出すことによって作動する。図１に示すように、ガスタービン１０は、共通のシャフトまたはロータで下流のタービンセクションまたはタービン１２と機械的に結合した軸流圧縮機１１、および圧縮機１１とタービン１２の間に配置された燃焼器１３を有して構成することができる。

図２は、図１のガスタービンに使用することができる例示的な多段軸流圧縮機１１を示す図である。図示のように、圧縮機１１は複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機動翼１４の列とこれに続く圧縮機静翼１５の列を含むことができる。例えば、第１段は、中心シャフトの周りを回転する圧縮機動翼１４の列と、これに続く、作動時に静止したままの圧縮機静翼１５の列とを含むことができる。

図３は、図１のガスタービンに使用することができる例示的なタービンセクションまたはタービン１２の部分図である。タービン１２は複数の段を含むことができる。例示的に３つの段を示しているが、タービン１２には、これより多い、または少ない段が存在し得る。第１段は、作動時にシャフトの周りを回転する複数のタービンバケットまたは動翼１６（「動翼」）、および作動時に静止したままの複数のノズルまたは静翼１７（「静翼」）を含む。静翼１７は一般に、周方向に互いに間隔を置いて配置され、回転軸の周りに固定される。動翼１６は、シャフトの周りを回転するようにタービンディスクまたはホイール（図示せず）に取り付けることができる。タービン１２の第２段もまた示されている。第２段も同様に、周方向に間隔を置いて配置された複数の静翼１７、および、これに続く、周方向に間隔を置いて配置され、これもまた、回転するようにタービンホイールに取り付けられた複数の動翼１６を含む。第３段も、また示され、同様に、複数の静翼１７および動翼１６を含む。静翼１７および動翼１６は、タービン１２の高温ガス通路内にあることが理解されよう。高温ガス通路を通る高温ガスの流れる方向を矢印で示す。当業者には明らかなように、タービン１２は、図３に示す段より多い、またはいくつかの場合では、それより少ない段を有することができる。さらなる段はそれぞれ、静翼１７の列と、それに続く動翼１６の列を含むことができる。

動作の１つの例では、軸流圧縮機１１内で圧縮機動翼１４が回転することによって、空気流を圧縮することができる。燃焼器１３においては、圧縮空気を燃料と混合して点火すると、エネルギーを放出することができる。その結果生じた燃焼器１３からの高温ガスの流れは、作動流体と呼ぶことがあり、それは、続いて動翼１６へと導かれ、その作動流体の流れが動翼１６をシャフトの回りに回転させる。これによって、作動流体の流れのエネルギーは、回転動翼の機械的エネルギーへ、さらに、動翼とシャフトは連結されているので、回転シャフトの機械的エネルギーへ変換される。次いで、シャフトの機械的エネルギーは、圧縮機動翼１４の回転の駆動のために使用して、必要な圧縮空気の供給量を生成し、また、例えば、発電機を駆動して電力を発生させることもできる。

図４は、本出願の特定の態様によってタービンに構成することができるいくつかの翼列の概略断面図である。当業者であれば理解するように、この図は、動翼１６および静翼１７の２つの列の内側構造体を含む。一般に、各動翼１６は、高温ガス通路内にあってタービンの作動流体（その流れ方向を矢印３１で示す）と相互作用するエーロフォイル３０と、動翼１６をロータホイール３４に取り付けるダブテール３２と、エーロフォイル３０とダブテール３２との間のシャンク３６と通常呼ばれる構成部品とを含む。本明細書で使用するとき、シャンク３６とは、この場合はダブテール３２である取付け手段とエーロフォイル３０との間にある動翼１６の部分を指すことを意味する。動翼１６は、シャンク３６とエーロフォイル３０の接続部において、プラットフォーム３８をさらに含むことができる。一般に、各静翼１７は、高温ガス通路内にあって作動流体と相互作用するエーロフォイル４０と、エーロフォイル４０の半径方向内側の内側側壁４２と、ダイアフラム４４とを含む。典型的には、内側側壁４２はエーロフォイル４０と一体になっており、高温ガス通路の内側境界を形成する。ダイアフラム４４は典型的には内側側壁４２に取り付けられ（内側側壁４２と一体に形成することもできるが）、半径方向内側に延在して、ダイアフラムのすぐ内側に配置された回転構成部品とシール４５を形成する。

軸方向隙間が、高温ガス通路の半径方向内側縁または内側境界に沿って、回転構成部品と静止構成部品との間に存在することは理解されよう。これらの隙間は、本明細書では「トレンチキャビティ５０」と呼び、回転部品（すなわち、動翼１６）と静止部品（すなわち、静翼１７）との間に空間を維持しなければならないという理由で存在する。エンジンの暖機や様々な負荷レベルでの運転の仕方、さらに、いくつかの部品間の熱膨張係数の違いのため、トレンチキャビティ５０の幅（すなわち、隙間の軸方向距離）は一般的には変化する。すなわち、トレンチキャビティ５０は、エンジンの運転の仕方に応じて拡がったり縮んだりする。回転部品が静止部品と擦れるのは極めて望ましくないので、あらゆる運転条件で、トレンチキャビティ５０の位置に少なくともいくらかの空間が維持されるようにエンジンを設計しなければならない。その結果、一般的には、トレンチキャビティ５０の開口は、いくつかの運転条件では狭く、他の運転条件では比較的広くなる。もちろん、トレンチキャビティ５０の開口が比較的広いと、タービンホイールスペース内に流入する作動流体の量が増すので望ましくない。

トレンチキャビティ５０は、一般に、回転部品が静止部品と隣接する、高温ガス通路の半径方向内側境界に沿った各箇所に存在することは理解されよう。したがって、図に示すように、トレンチキャビティ５０は、動翼１６の後縁と静翼１７の前縁との間、ならびに静翼１７の後縁と動翼１６の前縁との間に形成される。典型的には、動翼１６に関しては、シャンク３６がトレンチキャビティ５０の一方の縁を画定し、静翼１７に関しては、内側側壁４２または他の同様な構成部品がトレンチキャビティ５０の他方の縁を画定する。下記でより詳細に考察するが、作動流体の流入を制限する蛇行通路またはシールを提供するように、トレンチキャビティ５０内に軸方向突起５１を構成することができる。軸方向突起５１は、トレンチキャビティ５０を挟んで対向する動翼１６および静翼１７の内側構造体または内側面から突出する薄い半径方向延長部として画定することができる。理解されるように、軸方向突起５１は、タービン周りを実質的に周方向に延在するように、翼１６、１７のそれぞれに含めることができる。図示のように、軸方向突起５１は、動翼１６の内側構造体から延在する、いわゆる「エンジェルウィング」突起５２を含むことができる。図示のように、エンジェルウィング突起５２の外側で、静翼１７の内側側壁４２が動翼１６の方へ突出して、トレンチキャビティ５０の一部に張り出す、または突き出る静翼張出部５３を形成することができる。一般に、エンジェルウィング５２の内側で、トレンチキャビティ５０はホイールスペースキャビティ５４へ移行すると言われる。

上述のように、高温ガス通路の作動流体がトレンチキャビティ５０およびホイールスペースキャビティ５４に入ると、過度な温度のためこの領域の部品を損傷しかねないので、その流入を防ぐのが望ましい。エンジェルウィング５２と静翼張出部５３とは軸方向に重ねられて構成されて、ある程度、流入を制限することができる。しかしながら、トレンチキャビティ５０の開口幅が変化すること、およびこのようなシールの限界のため、圧縮機から抽気した比較的高レベルの圧縮空気でキャビティをパージしないと、作動流体はホイールスペースキャビティ５４内に定常的に流入し得る。上述のように、パージ空気はエンジンの性能および効率に悪影響を与えるので、その使用量を最小限にすべきである。

図５から６は、本発明の実施形態によるトレンチキャビティシール５５の断面図である。理解されるように、説明する実施形態は、費用効果があり効率的なシールの解決策となる、いくつかのタイプのシール構成部品の特定の幾何学的配置を含む。出願者が発見したように、添付の特許請求の範囲に記載され請求される仕方で配置すると、これらの構成部品は共働して、かなりのシール効果を生む有益なフローパターンを生成するが、これは、パージ空気には過度に依存せず、前述のように、エンジンの全体効率を向上させる。さらに、シール構成が拘束的な噛合いをもっていたり、複雑であったりすれば、保守費用や機械の停止時間を増大させるが、本明細書で説明する装置は、これらのことなしに、シール目的を達成した。より詳細には、トレンチキャビティを横切る、静翼組立体と動翼組立体との間の軸方向の重なりは、すでに組み付けられた隣接の動翼の列に対して、静翼組立体を内側に落とし込んで組み付けることができるように構成される。好ましい実施形態によるシール５５は、静翼組立体に配置された外側シール構造体を含むことができ、これは動翼組立体に配置された内側シール構造体と軸方向に重なるが、図５および６を見れば理解するように、内側シール構造体と噛み合って静翼を落とし込んで組み付けることを邪魔する、または妨げることはない。さらに、図７から１０に関する考察の一部として、本出願は、空気流を使用してトレンチキャビティのシールを強化する実施形態を論じる。この空気流は、好ましい実施形態によれば、本明細書で考察するシール構成の他の態様と同様に、静翼内の内部冷却通路と協力して働く。

図５に示すように、静翼１７は、静翼１７から動翼１６の方へ延在する静翼張出部５３を含むことができる。静翼張出部５３は、外側縁５６および内側縁５７、ならびに、外側縁５６と内側縁５７との間に画定された張出面５８を含むことができる。外側縁５６はタービンを通る流路の内側境界に配置することができる。前述したように、静翼張出部５３は側壁４２の一部を含むことができ、流路の内側境界の一部を画定することができる。静翼張出部５３のこの外面は、張出部上側５９と呼ばれる。静翼張出部５３は、張出部上側５９の反対側に張出部下側６０を含み、張出部下側６０は、静翼張出部５３の内側縁５７から静翼内側面６２へ軸方向に延在するが、この静翼内側面６２は、トレンチキャビティ５０の一部を画定する、半径方向に延在する内部壁である。すでに説明したように、動翼１６は、プラットフォーム３８のプラットフォーム縁６６から半径方向内側に延在する動翼外側面６５を含むことができる。プラットフォーム縁６６は、タービンを通る流路の内側境界に配置することができる。動翼外側面６５は、図示のように、トレンチキャビティ５０の軸方向隙間を挟んで、張出面５８と対向することができる。半径方向外側または第１の軸方向突起５１は、動翼外側面６５から静翼１７の方へ延在することができる。図示のように、第１の軸方向突起５１は、静翼張出部５３に対して内側に配置することができる。静翼張出部５３と第１の軸方向突起５１は、静翼張出部５３が第１の軸方向突起５１と軸方向に重なるように構成することができる。このようにして、静翼張出部５３は、第１の軸方向突起５１の少なくとも先端６７に張り出すことができる。図示のように、第１の軸方向突起５１はエンジェルウィング突起５２として構成することができる。エンジェルウィング突起５２は、先端６７で上向きの凹形のリップを含むように構成することができる。動翼外側面６５は、図示のように、プラットフォームの張出ノーズ部と第１の軸方向突起５１との間に画定されたポケット６８を含むことができる。好ましい実施形態によれば、静翼張出部５３の内側縁５７は、軸方向に突き出た縁を含むように構成することができる。図示のように、内側縁５７の軸方向に突き出た縁は、動翼外側面６５のポケット６８の半径方向高さと半径方向に重なるように構成することができる。より好ましくは、内側縁５７の軸方向に突き出た縁は、図示のように、動翼外側面６５のポケット６８の半径方向中間領域と半径方向に一致するように構成することができる。このようにして、これらの構造体は協働して、高温ガスの流入を制限し、効果的なトレンチキャビティシールを生成する複数のスイッチバックフローパターンを引き起こすことができる。さらに、静翼張出部５３の外側縁５６もまた、軸方向に突き出た縁を含むように構成することができ、その結果、内側の突き出た縁５７とともに張出面５８の凹部７２を形成する。動翼外側面６５のポケット６８の外側縁は、張出面５８の凹部７２と半径方向に重なるように配置するのが好ましい。図示のように、動翼外側面６５のポケット６８の外側縁は、張出面５８の凹部の半径方向中間領域と半径方向に一致するように配置することができる。

図６示すように、動翼１６は、動翼外側面６５から内側に延在する動翼内側面６９を含むことができる。理解されるように、動翼内側面６９は、トレンチキャビティ５０の軸方向隙間を挟んで静翼内側面６２に対向するように構成することができる。図示のように、動翼内側面６９は、動翼内側面６９から静翼１７の方へ延在する半径方向内側または第２の軸方向突起５１を含むことができる。静翼張出部５３と動翼の第２の軸方向突起５１は、軸方向に重なるように構成することができる。第１の軸方向突起５１と同様に、第２の軸方向突起５１は、先端６７で上向きのリップを含むエンジェルウィング突起５２として構成することができる。図示のように、第２の軸方向突起５１の長さは、第１の軸方向突起５１よりも軸方向に長くすることができる。

好ましい実施形態によれば、静翼内側面６２は、静翼内側面６２から動翼１６の方へ延在する軸方向突起５１を含むことができる。静翼１７の軸方向突起５１と動翼１６の第２の軸方向突起５１は、軸方向に重なるように構成することができる。より詳細には、動翼１６の第２の軸方向突起５１は、静翼１７の軸方向突起５１のすぐ内側に構成することができ、その結果、静翼１７の軸方向突起５１は、動翼１６の第２の軸方向突起５１の少なくとも先端６７に張り出す。理解されるように、図５および６のトレンチキャビティ５０は１つの例であり、流路を通る流れの方向３１を考えると、ここでは、トレンチキャビティ５０は動翼１６の上流側と静翼１７の下流側との間に形成されている。トレンチキャビティ５０が動翼１６の下流側と静翼１７の上流側との間に形成される場合を本発明の代替の実施形態が含むことは理解すべきである。

図７から１０は、本発明の例示的な実施形態によるエアカーテン組立体を含むシール装置５５を有するトレンチキャビティ構成の断面図である。図示のように、例示的なこれらの構成のトレンチキャビティシール５５は、すでに説明したシール構成部品と同じものの多くを含む。すなわち、好ましい実施形態では、上記のように、静翼張出部５３は、動翼１６から突出する軸方向突起５１に張り出すように動翼１６の方へ延在する。前述のように、軸方向突起５１は、動翼外側面６５から静翼１７の方へ延在するエンジェルウィング突起５２として構成することができる。図７から１０のシール５５の一部として、１つまたは複数のポート７３を、静翼張出部５３の張出部下側６０に配置することができる。ポート７３は、冷却剤を軸方向突起５１の方へ向けるように構成することができる。より詳細には、図示のように、ポート７３は、ポート７３から排出される流体をエンジェルウィング５２の外側面７４に向けるように構成することができる。図９および１０の実施形態に関してより詳細に考察するように、エンジェルウィング５２の外側面７４は、ポート７３から排出される流体を受け止め、例えばトレンチキャビティ５０の入口７６の方など、望むように偏向して、高温ガスの流入を阻止するように構成することができる。

ポート７３から排出される流体は冷却剤であり、これは、典型的には、圧縮機から抽気された圧縮空気である。図示のように、ポート７３は、静翼１７内に形成された１つまたは複数の内部冷却流路７７を介して冷却剤プレナム７５などの冷却剤源と流体連通するように構成することができる。内部冷却流路７７は静翼張出部５３を通って形成することができる。理解されるように、冷却剤プレナム７５は多くの構成を採ることができる。冷却剤プレナム７５は、冷却剤を冷却剤源から静翼１７を通って循環させるように構成することができ、エーロフォイル４０を通って形成された内部通路とすることができる。図７から９に示すような好ましい実施形態によれば、冷却流路７７は、ポート７３に達する前に、張出部上側５９の表面および／または張出面５８のすぐ下を延在するように構成することができる。理解されるように、張出部上側５９および張出面５８として示された表面領域は、高いレベルの積極的な内部冷却を必要とする領域である。ポート７３を通って最終的に吐出される冷却剤をこれらの領域内の表面のごく近くに持ってくることによって、冷却剤は、冷却流路７７を通って移動することでこれらの表面領域を対流冷却し、ポート７３を通って冷却剤を吐出することで高温ガスの流入を阻止するために効率的に利用される。例示的な実施形態によれば、冷却流路７７は、タービン周りを一定の周方向間隔を置いて密に配置された並行する複数の内部流路として構成することができる。

図８に示すように、ポート７３は、特定の性能面を強化するように、（図７の半径方向ではなく）軸方向に傾けることができる。その角度は、流入をより直接的に遮るようなエアカーテンを形成するような、トレンチキャビティ５０の入口７６への方向である。より詳細には、内側を向く基準線７９（すなわち、これは、ポート７３を始点として、タービンの軸の方へ内側方向に延在する線を示す）を基準にして、ポート７３から吐出する方向（「吐出方向」）８０が、内側を向く基準線７９に対して吐出角８１をなすようにポート７３を軸方向に傾ける。正の角度とは、静翼内側面から離れる方向の角度である。特定の実施形態では、吐出角度８１は２０°から６０°の間とすることができる。上述のように、ポート７３を軸方向に傾けないことは可能であり、それによって、吐出方向８０は内側を向く基準線７９と実質的に同じになる。好ましい実施形態によれば、流路７７の出口ポート７３を周方向に向けて、回転方向に旋回成分をもった吐出とすることもできる。

他の実施形態によれば、図９および１０に示すように、エンジェルウィング突起５２は、冷却剤をポート７３から望むように偏向させるように構成された偏向構造体８２を含むように構成することができる。図９および１０に示すように、偏向構造体８２は、軸方向突起５１の外側面７４に沿って配置して、そこから突出することができる。好ましい実施形態によれば、偏向構造体８２は、冷却剤をトレンチキャビティ５０の入口７６の方へ向けるために斜面を含む。例えば、図９に示すように、偏向構造体８２は、ポート７３からの冷却剤の半径方向に揃った吐出を、外側面７４に沿って、より軸方向の流路に偏向するように、軸方向突起５１の外側面７４に対して斜めになった偏向面を含むことができる。偏向方向をトレンチキャビティの入口７６の方向にすることができる。図１０に示すように、代替の実施形態では、偏向構造体は、吐出をより直接入口７６の方へ、すなわち、より垂直方向へ、すなわちより半径方向へ偏向する構造体を含むことができる。

当業者は理解するように、いくつかの例示的な実施形態に関する上記の多くの異なる特徴および構成をさらに選択的に適用して、本発明の他の可能な実施形態を形成することができる。簡潔にするため、かつ当業者の能力を考慮して、本明細書では、起こり得る繰り返しの部分はそれぞれ詳しく考察していないが、下記のいくつかの請求項に包含されるすべての組合せおよび考えられる実施形態は本出願の一部をなすものとする。さらに、本発明のいくつかの例示的な実施形態についての以上の説明から、当業者は、改良、変更、および修正を認識するであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改良、変更、および修正はまた、添付の特許請求の範囲によって包含される。さらに、以上の説明は、本出願の説明した実施形態に関するものにすぎず、以下の特許請求の範囲およびその等価物によって規定される本出願の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書では多くの変更および修正をなし得ることは明らかである。

１０ガスタービン
１１軸流圧縮機
１２タービン
１３燃焼器
１４圧縮機動翼
１５圧縮機静翼
１６タービン動翼
１７タービン静翼
３０エーロフォイル
３１作動流体の流れ方向
３２ダブテール
３４ロータホイール
３６シャンク
３８プラットフォーム
４０エーロフォイル
４２内側側壁
４４ダイアフラム
４５シール
５０トレンチキャビティ
５１軸方向突起
５２エンジェルウィング突起
５３静翼張出部
５４ホイールスペースキャビティ
５５トレンチキャビティシール
５６外側縁
５７内側縁
５８張出面
５９張出部上側
６０張出部下側
６２静翼内側面
６５動翼外側面
６６プラットフォーム縁
６７先端
６８ポケット
６９動翼内側面
７２凹部
７３ポート
７４外側面
７５冷却剤プレナム
７６トレンチキャビティの入口
７７内部冷却流路
７９内側を向く基準線
８０吐出方向
８１吐出角
８２偏向構造体

Claims

静翼（１７）と動翼（１６）との間に画定されたトレンチキャビティ（５０）に形成されたシール（５５）を有する前記静翼（１７）および前記動翼（１６）を含むタービン（１２）を備えるガスタービン（１０）であって、前記トレンチキャビティ（５０）が前記静翼（１７）と前記動翼（１６）の対向する内側面（６２、６９）の間に画定された軸方向隙間を備え、前記シールが、
流路の内側境界の一部を画定する張出部上側（５９）、および前記張出部上側（５９）の反対側に張出部下側（６０）を含むように前記静翼（１７）から前記動翼（１６）の方へ延在する静翼張出部（５３）と、
プラットフォーム縁（６６）から半径方向内側に延在する動翼外側面（６５）であって、前記トレンチキャビティ（５０）の前記軸方向隙間を挟んで、前記静翼張出部（５３）の少なくとも一部と対向する動翼外側面（６５）と、
前記静翼張出部（５３）と軸方向に重なるように前記動翼外側面（６５）から前記静翼（１７）の方へ延在する軸方向突起（５１）と、
前記張出部下側（６０）を貫通して形成されるポート（７３）へ前記静翼張出部（５３）を通って延在する内部冷却流路（７７）とを備え、
前記ポート（７３）が、前記ポート（７３）から排出される冷却剤を前記軸方向突起（５１）の方へ向けるように構成され、
前記軸方向突起（５１）が、前記静翼張出部（５３）に対して内側位置にあり、
前記ポート（７３）が、前記ポート（７３）から排出される前記冷却剤を前記軸方向突起（５１）の外側面（７４）の方へ向けるように構成され、
前記軸方向突起（５１）が、前記動翼外側面（６５）との接続部から軸方向に延在する、半径方向に狭くて剛性のある構造体を備え、
前記静翼張出部（５３）が、外側縁（５６）および内側縁（５７）、ならびにそれらに間に画定された張出面（５８）を含み、
前記張出部下側（６０）が、前記静翼張出部（５３）の前記内側縁（５７）から、半径方向に延在する静翼内側面（６２）まで軸方向に延在し、
内側を向く基準線（７９）が、前記ポート（７３）を始点として、前記ガスタービン（１０）の軸の方へ内側方向にまっすぐ延在する線を含み、
吐出方向（８０）が、前記ポート（７３）が向く方向を含み、
吐出角（８１）が、前記内側を向く基準線（７９）と前記吐出方向（８０）との間に形成される角度を含み、
前記軸方向突起（５１）の前記外側面（７４）に配置された偏向構造体（８２）をさらに備え、前記偏向構造体（８２）が、前記軸方向突起（５１）の前記外側面（７４）から半径方向に突き出る隆起部を含み、前記偏向構造体（８２）が偏向面を含み、
前記ポート（７３）からの前記吐出方向（８０）が、前記冷却剤を前記偏向構造体（８２）から既定の方向に偏向するための前記偏向構造体（８２）へ向かう方向を含む、ガスタービン。
静翼（１７）と動翼（１６）との間に画定されたトレンチキャビティ（５０）に形成されたシール（５５）を有する前記静翼（１７）および前記動翼（１６）を含むタービン（１２）を備えるガスタービン（１０）であって、前記トレンチキャビティ（５０）が前記静翼（１７）と前記動翼（１６）の対向する内側面（６２、６９）の間に画定された軸方向隙間を備え、前記シールが、
流路の内側境界の一部を画定する張出部上側（５９）、および前記張出部上側（５９）の反対側に張出部下側（６０）を含むように前記静翼（１７）から前記動翼（１６）の方へ延在する静翼張出部（５３）と、
プラットフォーム縁（６６）から半径方向内側に延在する動翼外側面（６５）であって、前記トレンチキャビティ（５０）の前記軸方向隙間を挟んで、前記静翼張出部（５３）の少なくとも一部と対向する動翼外側面（６５）と、
前記静翼張出部（５３）と軸方向に重なるように前記動翼外側面（６５）から前記静翼（１７）の方へ延在する軸方向突起（５１）と、
前記張出部下側（６０）を貫通して形成されるポート（７３）へ前記静翼張出部（５３）を通って延在する内部冷却流路（７７）とを備え、
前記ポート（７３）が、前記ポート（７３）から排出される冷却剤を前記軸方向突起（５１）の方へ向けるように構成され、
前記軸方向突起（５１）が、前記静翼張出部（５３）に対して内側位置にあり、
前記ポート（７３）が、前記ポート（７３）から排出される前記冷却剤を前記軸方向突起（５１）の外側面（７４）の方へ向けるように構成され、
前記軸方向突起（５１）が、前記動翼外側面（６５）との接続部から軸方向に延在する、半径方向に狭くて剛性のある構造体を備え、
前記静翼張出部（５３）が、外側縁（５６）および内側縁（５７）、ならびにそれらに間に画定された張出面（５８）を含み、
前記張出部下側（６０）が、前記静翼張出部（５３）の前記内側縁（５７）から、半径方向に延在する静翼内側面（６２）まで軸方向に延在し、
内側を向く基準線（７９）が、前記ポート（７３）を始点として、前記ガスタービン（１０）の軸の方へ内側方向にまっすぐ延在する線を含み、
吐出方向（８０）が、前記ポート（７３）が向く方向を含み、
吐出角（８１）が、前記内側を向く基準線（７９）と前記吐出方向（８０）との間に形成される角度を含み、
前記トレンチキャビティ（５０）の入口（７６）からホイールスペースキャビティ（５４）へ流れる流入作動流体の流れ方向と反対方向へ傾けた吐出方向を前記ポート（７３）が有し、
前記内部冷却流路（７７）が前記静翼（１７）のエーロフォイルを通って延在する冷却剤源に接続し、
前記冷却流路（７７）が、冷却剤プレナム（７５）に接続し、前記張出部上側（５９）に並行し、ごく近接して延在するように構成される、ガスタービン。
静翼（１７）と動翼（１６）との間に画定されたトレンチキャビティ（５０）に形成されたシール（５５）を有する前記静翼（１７）および前記動翼（１６）を含むタービン（１２）を備えるガスタービン（１０）であって、前記トレンチキャビティ（５０）が前記静翼（１７）と前記動翼（１６）の対向する内側面（６２、６９）の間に画定された軸方向隙間を備え、前記シールが、
流路の内側境界の一部を画定する張出部上側（５９）、および前記張出部上側（５９）の反対側に張出部下側（６０）を含むように前記静翼（１７）から前記動翼（１６）の方へ延在する静翼張出部（５３）と、
プラットフォーム縁（６６）から半径方向内側に延在する動翼外側面（６５）であって、前記トレンチキャビティ（５０）の前記軸方向隙間を挟んで、前記静翼張出部（５３）の少なくとも一部と対向する動翼外側面（６５）と、
前記静翼張出部（５３）と軸方向に重なるように前記動翼外側面（６５）から前記静翼（１７）の方へ延在する軸方向突起（５１）と、
前記張出部下側（６０）を貫通して形成されるポート（７３）へ前記静翼張出部（５３）を通って延在する内部冷却流路（７７）とを備え、
前記ポート（７３）が、前記ポート（７３）から排出される冷却剤を前記軸方向突起（５１）の方へ向けるように構成され、
前記軸方向突起（５１）が、前記静翼張出部（５３）に対して内側位置にあり、
前記ポート（７３）が、前記ポート（７３）から排出される前記冷却剤を前記軸方向突起（５１）の外側面（７４）の方へ向けるように構成され、
前記軸方向突起（５１）が、前記動翼外側面（６５）との接続部から軸方向に延在する、半径方向に狭くて剛性のある構造体を備え、
前記静翼張出部（５３）が、外側縁（５６）および内側縁（５７）、ならびにそれらに間に画定された張出面（５８）を含み、
前記張出部下側（６０）が、前記静翼張出部（５３）の前記内側縁（５７）から、半径方向に延在する静翼内側面（６２）まで軸方向に延在し、
内側を向く基準線（７９）が、前記ポート（７３）を始点として、前記ガスタービン（１０）の軸の方へ内側方向にまっすぐ延在する線を含み、
吐出方向（８０）が、前記ポート（７３）が向く方向を含み、
吐出角（８１）が、前記内側を向く基準線（７９）と前記吐出方向（８０）との間に形成される角度を含み、
前記トレンチキャビティ（５０）の入口（７６）からホイールスペースキャビティ（５４）へ流れる流入作動流体の流れ方向と反対方向へ傾けた吐出方向を前記ポート（７３）が有し、
前記内部冷却流路（７７）が前記静翼（１７）のエーロフォイルを通って延在する冷却剤源に接続し、
前記冷却流路（７７）が、前記張出面（５８）に並行し、ごく近接して延在するように構成される、ガスタービン。
前記静翼張出部（５３）が、前記軸方向突起（５１）の少なくとも先端（６７）に張り出すように、前記軸方向突起（５１）が、前記静翼張出部（５３）に対して内側位置にあり、
前記軸方向突起（５１）が、前記先端（６７）に上向きリップを含むエンジェルウィング突起（５２）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のガスタービン。
前記外側縁（５６）が前記タービン（１２）を通る流路の内側境界の位置にあり、
プラットフォーム縁（６６）が、前記タービン（１２）を通る前記流路の前記内側境界の位置にあり、
前記流路の前記内側境界の一部を画定するように、前記プラットフォーム縁（６６）から軸方向に延在するプラットフォーム（３８）を前記動翼（１６）が備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のガスタービン。
前記ポート（７３）から排出される流体を受け止めて、前記トレンチキャビティ（５０）の入口（７６）の方へ偏向するように前記偏向構造体（８２）が構成される、請求項１に記載のガスタービン。
前記ポート（７３）が、前記静翼（１７）から離れる方向に２０°から６０°の間の吐出角を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のガスタービン。
前記軸方向突起（５１）が、エンジェルウィング突起（５２）を備え、
前記エンジェルウィング突起（５２）が前記動翼（１６）の上流側に配置され、前記ポート（７３）が前記静翼（１７）の下流側に配置される、請求項１乃至７のいずれかに記載のガスタービン。
前記軸方向突起（５１）が、エンジェルウィング突起（５２）を備え、
前記エンジェルウィング突起（５２）が前記動翼（１６）の下流側に配置され、前記ポート（７３）が前記静翼（１７）の上流側に配置される、請求項１乃至７のいずれかに記載のガスタービン。
前記トレンチキャビティ（５０）の入口（７６）からホイールスペースキャビティ（５４）へ流れる流入作動流体の流れ方向と反対方向へ傾けた吐出方向を前記ポート（７３）が有し、
前記ポート（７３）が、前記静翼張出部（５３）の内部を通って形成された前記内部冷却流路（７７）と流体連通するように構成され、前記内部冷却流路（７７）が前記静翼（１７）のエーロフォイルを通って延在する冷却剤源に接続する、請求項１に記載のガスタービン。
前記内部冷却流路（７７）が、冷却剤プレナム（７５）に接続し、前記張出部上側（５９）に並行し、ごく近接して延在するように構成され、
前記内部冷却流路（７７）が、前記静翼張出部（５３）の前記外側縁（５６）の近くに前記張出部下側（６０）の方への曲がり部を含み、
前記内部冷却流路（７７）が、前記張出面（５８）に並行し、ごく近接して、前記曲がり部から前記ポート（７３）まで延在するように構成される、請求項３に記載のガスタービン。
前記軸方向突起（５１）が、エンジェルウィング突起（５２）を備え、
前記エンジェルウィング突起（５２）が、前記動翼（１６）の周方向幅に沿って延在し、
前記静翼張出部（５３）が、前記動翼（１６）の周方向幅に沿って延在し、
前記ポート（７３）が、前記静翼張出部（５３）の周方向幅に沿って、周方向に間隔を置いて配置された複数の別々のポートを含む、請求項１１に記載のガスタービン。