JP2012062887A - 摩耗性バケットシュラウド - Google Patents

Abstract

【課題】通過する漏れ流を制限すると共に熱負荷を低減するようにバケット先端で使用される摩耗性バケットシュラウドを提供する。
【解決手段】通過する漏れ流２４０を制限すると共に熱負荷を低減するようにバケット先端７５で使用される摩耗性バケットシュラウド１００を提供する。摩耗性バケットシュラウド１００は、ベース１２０と、その上に位置する複数のリッジ１１０とを含む。リッジ１１０は、摩耗性材料１３０から製造される。リッジ１１０は、パターンを形成する。リッジ１１０は、少なくとも第１曲面及び第２曲面を有し、第２曲面は逆反り形状を有している、複数の曲面を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン等に用いられるバケットシュラウド上の摩耗性パターンの最適形状に関する。

一般的に、ガスタービンエンジンの効率は、燃焼温度の上昇によって向上する傾向がある。しかしながら、高温の燃焼温度は、高温燃焼ガス経路などの内部の構成部品の完全性、製錬性、及び平均寿命に関する様々な問題を引き起こすことがある。これらの問題は、特にタービンの初期段階に位置する回転バケット及び固定タービンシュラウド等の構成部品に関する問題である。

高いタービン効率にはまた、バケットの先端上の高温燃焼ガスの不必要な「漏れ」を防止するために、バケットが最小の干渉でタービンケーシング又はシュラウド内で回転することが要求される。効率の大きな損失を伴わずに適切な間隔を維持する必要性は、タービンが回転する時に遠心力によってバケットがシュラウドに向かって外側方向に膨張するようになるという事実によってより困難になる。しかしながら、バケット先端は、シュラウドとこすれると腐食することがある。そのような腐食は、それらの間の間隔の増大だけでなく、構成部品の寿命の減少を引き起こすことがある。漏れのその他の原因としては、熱膨張と、更に、例えば軍事用途等におけるエンジンの攻撃的操縦が挙げられる。

摩耗性皮膜はタービンシュラウドの表面に適用され、シュラウドとバケットの間の最小又は最適間隔、即ちバケット先端隙間を形成しやすくしている。そのような材料は、バケットに対するダメージはほとんどないが、バケットの先端によって容易に摩耗してしまうことがある。そのため、バケット先端隙間間隔は、摩耗性皮膜がバケット先端材料の代わりに犠牲になることによって減少させることができる。

先端とシュラウドの接触を考慮に入れることに加えて、その上のリッジ等のパターンとしての摩耗性表面の使用は、通過する漏れ流を更に削減するという更なる空力的利点をもたらすことがわかっている。具体的に、リッジは、先端隙間間隔から離れたメインストリーム流に方向性を与えることができる。従って、既知の摩耗性パターンは、最小の先端間隔高さやその他の削減という空力的利点をもたらすことがわかっている。

米国特許第７６１４８４７Ｂ２号

従って、バケット先端隙間などによる漏れ流を削減するように改良された摩耗性バケットシュラウドパターンに対する要求が存在する。そのような摩耗性バケットシュラウドパターンは、通過する漏れ流及びそれにかかる熱負荷に関して特定のバケット設計用に最適化される。具体的に、そのようなバケットシュラウド設計は、性能向上のための流れ減少パターンに関連して適切な摩耗性シュラウド表面を提供するであろう。

従って、本発明は、通過する漏れ流を制限すると共にそれにかかる熱負荷を低減するようにバケット先端で使用される摩耗性バケットシュラウドを提供する。摩耗性バケットシュラウドは、ベースと、その上に位置する複数のリッジとを含む。リッジは、摩耗性材料から製造される。リッジは、パターンを形成する。リッジは、少なくとも第１曲面及び第２曲面を有し、第２曲面は逆反り形状を有している、複数の曲面を有する。

本発明は、更に、バケット先端とシュラウドの間のバケット先端隙間を通る漏れ流を最小限に抑える方法を提供する。この方法は、バケット先端に沿った複数の基準点におけるバケット先端隙間を超える漏れ流の方向を決定するステップと、シュラウド上に複数の摩耗性材料リッジを配置するステップと、摩耗性材料リッジを少なくとも第１曲面及び第２曲面に形成するステップとを含む。第１曲面は、基準点において漏れ流に垂直な遮断位置を有する。

本発明は、更に、通過する漏れ流を制限すると共にそれにかかる熱負荷を低減するようにバケット先端で使用される摩耗性バケットシュラウドを提供する。摩耗性バケットシュラウドは、ベースと、その中に位置する複数の平行リッジとを含む。リッジは、摩耗性材料からなる。リッジは、少なくとも第１曲面及び第２曲面を有する正弦波形状を備えたパターンを含む。第１曲面は、通過する漏れ流に対する垂直位置を有する。

本発明の上記及びその他の特徴及び改良点は、幾つかの図面及び添付の特許請求の範囲に関連してなされる以下の詳細な説明を検討することで当業者には明らかになるであろう。

ガスタービンエンジンの概略図である。 タービン段の一部の既知のバケット及びシュラウドの側面平面図である。 バケット先端に隣接して位置する、本明細書に記載される摩耗性シュラウドの側面平面図である。 パターンリッジ上に仮想線で示されるタービンバケット先端の外面の輪郭を備えた、本明細書に記載されるシュラウド上の摩耗性パターンの平面図である。 漏れ流が上に示されたバケット先端の概略図である。

次に、幾つかの図面を通して同様の参照番号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書に記載されるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含む。圧縮機１５は、流入空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気流２０を燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮空気流２０を圧縮燃料流３０と混合し、混合物に点火して燃焼ガス流３５を発生させる。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含む。次いで、燃焼ガス流３５は、タービン４０に供給される。燃焼ガス流３５は、機械的作用を生成するようにタービン４０を駆動する。タービン４０内で生成された機械的作用は、圧縮機１５と、例えば発電機等の外部負荷４５とを駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、及び／又はその他の種類の燃料を使用する。ガスタービンエンジン１０は、例えば重荷重７ＦＡガスタービンエンジン等の、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック・カンパニイによって提供されるあらゆる数の様々なガスタービンエンジンの１つである。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有しても良く、その他の種類の構成部品を使用しても良い。本明細書では、その他のガスタービンエンジンを使用しても良い。本明細書では、複数のガスタービンエンジン１０、その他の種類のタービン、及びその他の種類の発電装置を併せて使用しても良い。

図２は、タービン段５０の一部の一例を示す。各々のタービン段５０は、回転タービンブレード又はバケット５５を含む。周知のように、各々のタービンバケット５５は、シャンク６０、プラットホーム６５、延長された翼形７０、及びバケット先端７５を含む。バケット先端７５は、１つ又は複数の切削歯８０を有する。本明細書では、その他の構成及びその他の種類のバケット５５を使用しても良い。

各々の回転バケット５５は、固定シュラウド８５に隣接して配置される。シュラウド８５は、複数のシール９０を有し、これらは各々のバケット５５のバケット先端８５と協動する。或いは、摩耗性シュラウド等の場合、後述するように、シュラウド８５は複数の摩耗性リッジを含む。本明細書では、その他の構成及びその他の種類のシュラウド８５及びシール９０を使用しても良い。

周知のように、翼形７０は、燃焼ガス３５の膨張流のエネルギーを機械的エネルギーに転換する。バケット先端７５は、翼形７０の表面に略垂直に広がる表面を形成する。従って、バケット先端７５はまた、より大きな割合の燃焼ガス流３５が機械的エネルギーに変換されるように、翼形７０上に燃焼ガス流３５を保持するのを助けることが。同様に、固定シュラウド８５は、バケット先端７５とシュラウド８５の間のバケット先端隙間９５を通すのとは対照的に、翼形７０の上に燃焼ガス流３５を向けることによって全体効率を向上させる。従って、バケット先端隙間９５を最小化することによって、上述したように通過する漏れ流を最小限に抑えるのを助ける。本明細書では、その他の構成を使用しても良い。

図３は、本明細書に記載される摩耗性シュラウド１００を示す。摩耗性シュラウド１００は、ベース表面１２０上に位置する複数のリッジ１１０を含む。リッジ１１０は、摩耗性材料１３０から製造される。摩耗性材料は、一般的に、金属及び／又はセラミック合金から製造される。本明細書では、あらゆる種類の摩耗性材料を使用できる。摩耗性材料１３０はまた、ベース表面１２０などの上に配置しても良い。

図４に示すように、摩耗性シュラウド１００のリッジ１１０は、摩耗性パターン１４０を形成する。バケット先端７５の輪郭を有する接地面１５０が、仮想線で示される。矢印１６０は、摩耗性パターン１４０に対するタービンバケット５５の回転方向を示す。矢印１７０は、摩耗性パターン１４０に対する燃焼ガス流３５の方向を表す。

図示のように、リッジ１１０は、互いに対して略平行であっても良く、更に略等距離であっても良い。しかしながら、リッジ１１０の間隔及び形状は、位置によって変動し得る。リッジ１１０は、あらゆる所望の深さ及び／又は断面形状を有する。本明細書では、その他の構成も使用できる。この例では、リッジ１１０は、少なくとも凹面又は第１曲面１９０と、前方部分２２０から後方部分２３０まで延在する凸面又は第２曲面２００とを備えた、略正弦波形状１８０を有する。従って、摩耗性パターン１４０は、第１曲面１９０と比べて逆反り形状２１０を有する第２曲面を備えた二重弧形状を有する。本明細書では、その他の種類のパターンを使用しても良い。本明細書では、その他の種類及び数の曲面を使用しても良い。

摩耗性パターン１４０は、関連するバケット先端７５の形状に対して最適化される。摩耗性シュラウド１００とバケット５５の相対的な位置決めが、それらの間に位置するバケット先端隙間９５と共に図３に示されている。摩耗性シュラウド１００は静止しているのに対して、バケット５５は回転している。バケット先端７５と摩耗性シュラウド１００の間の相対運動は、リッジ１１０のパターン１４０の通過によって、そこを通って伸長する漏れ流２４０に作用する時限周期的圧力脈動１４５を生じさせる。この非定常圧力は、通過する同一又は同様の隙間９５を備えた軸対称シュラウドと比べて、先端隙間９５を通る漏れ流２４０の純減をもたらす。具体的に、摩耗性シュラウド１１０のリッジ１１０は組み合わさって、通過する漏れ流２４０を制限する。

リッジ１１０の特定の正弦波形状１８０又はその他の形状は、漏れ流方向に対して最大化される。例えば、図５は、バケット先端隙間９５を通る漏れ流２４０を図示する。漏れ速度ベクトルは、バケット先端７５に対する座標系で示される。中間コード（ｍｉｄ−ｃｏｒｄ）基準点２４５における漏れ流２４０の方向は、回転軸から約２０度（２０°）の矢印２５０によって図示される。静止座標系に変換すると、漏れ流２４０は約５５度（５５°）の角度の矢印２６０で示される。従って、マイナス３５度（−３５°）方向の固定リッジ１１０は、漏れ流路９５に対して垂直即ち遮断位置２６５にあることになる。従って、そのような遮断位置２６５は、リッジ１１０が先端隙間９５に対して移動する時に、最大遮断角を形成する。その後、このプロセスは、パターン１４０の少なくとも第１曲面１９０の形状を形成するために、バケット先端７５の長さに沿って複数の基準点２４５で繰り返す。従って、バケットの種類、タービンの種類、特定の動作条件、及びその他の変数をもとに、このプロセスに基づいて多くの様々なパターン１４０が形成される。

例えば、漏れ流２４０の角度は、先端隙間９５内の軸方向位置によって変動する。そのため、最適遮断角もまた、バケット先端７５の長さに沿って変動する。従って、図４の正弦波形状１８０は、その長さに沿って特定のバケット先端７５の形状を与えられた最適遮断角を最大化する。従って、摩耗性パターン１４０は、その前方部分２２０上に凹面又は第１曲面１９０を、後方部分２３０上に逆反り２１０の凸面又は第２曲面２００を有する。また、様々なパターン１４０をこのようにして本明細書で形成しても良い。

一般にパターン１４０の全体形状と、特に二重弧形状又は後方部分２３０の周囲の逆反り２１０はまた、全シュラウド１００にかかる熱負荷を低減するように作用する。具体的に、全てのリッジ１１０は、浸水面積が大きいので、熱伝達を向上させる。パターン１４０は、前方部分２２０の周囲の第１曲面１９０が遮断を高める一方、後方部分２３０の周囲の第２曲面２００又は逆反り２１０は過熱を防ぐように最適化される。通過する漏れ流２４０の遮断に加えて、リッジ１１０はまた、隣接するリッジ１１０の間に最適再循環流２７０を形成する。このリッジ間再循環流２７０は、隣接するバケット５５の間に保持される冷気から構成されることになる。パターン１４０はこのようにして、漏れの低減と熱伝達の低下とのバランスをとる。

従って、摩耗性パターン１４０を備えた摩耗性シュラウド１００は、通過する漏れ流２４０と、空力性能の劣化及びシュラウドの熱負荷の増加等のそれに付随する問題を制限する。具体的に、摩耗性パターン１４０は、バケット先端７５を通過する漏れ流２４０及び全体の熱伝達に関して最適化される。その他の種類及び形状のバケット先端を備えたその他の種類の摩耗性パターン１４０を使用しても良い。パターンのないシュラウドと比べて、本明細書に記載の摩耗性シュラウド１００は、著しく冷たく、その前方部分２２０の周囲の通過する漏れ流２４０を少なくする。後方部分２３０は幾分温かいが、さもなければ通過する同様の漏れ流がある場合よりも温かくはないことになる。

従って、漏れ流２４０の削減によって、バケット５５及びシュラウド１００の周囲の空気力学的損失を低減して、より高い効率を提供する。同様に、シュラウド１００にかかる熱負荷を低減して、全体の耐久性と構成部品の寿命を向上させることができる。

上述の内容は本発明の特定の実施形態のみに関連していること、また特許請求の範囲及びその等価物によって規定される本発明の一般的な技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく、当業者が本明細書において多くの変更及び修正を行なうことができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ 負荷
５０ タービン段
５５ バケット
６０ シャンク
６５ プラットホーム
７０ 翼形
７５ バケット先端
８０ 歯
８５ シュラウド
９０ シール
９５ バケット先端隙間
１００ 摩耗性シュラウド
１１０ リッジ
１２０ ベース表面
１３０ 摩耗性材料
１４０ 摩耗性パターン
１４５ 圧力脈動
１５０ 接地面
１６０ 矢印
１７０ 矢印
１８０ 正弦波形状
１９０ 第１曲面
２００ 第２曲面
２１０ 逆反り形状
２２０ 前方部分
２３０ 後方部分
２４０ 漏れ流
２４５ 基準点
２５０ 矢印
２６０ 矢印
２６５ 垂直即ち遮断位置
２７０ 再循環流

Claims (13)

1. 通過する漏れ流（２４０）を制限すると共に熱負荷を低減するようにバケット先端（７５）で使用される摩耗性バケットシュラウド（１００）であって、
   ベース（１２０）と、
   その上に位置する複数のリッジ（１１０）とを備えており、
   前記複数のリッジ（１１０）は、摩耗性材料（１３０）からなり、
   前記複数のリッジ（１１０）は、パターン（１４０）を備え、
   前記複数のリッジ（１１０）の各々は、複数の曲面（１９０、２００）を有し、
   前記複数の曲面（１９０、２００）は、少なくとも第１曲面（１９０）及び第２曲面（２００）からなり、
   前記第２曲面（２００）は、逆反り形状（２１０）を有する、摩耗性バケットシュラウド（１００）。
2. 前記第１曲面（１９０）及び前記第２曲面（２００）は正弦波形状（１８０）を有する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
3. 前記第１曲面（１９０）は凹面形状を有する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
4. 前記第２曲面（２００）は凸面形状を有する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
5. 前記バケット先端（７５）は、前方部分（２２０）及び後方部分（２３０）からなり、前記第１曲面（１９０）は前記前方部分（２２０）の周囲に位置し、前記第２曲面（２００）は前記後方部分（２３０）の周囲に位置する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
6. 前記複数のリッジ（１１０）は略平行である、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
7. 前記複数のリッジ（１１０）は略等距離である、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
8. 前記第１曲面（１９０）は、通過する漏れ流（２４０）に対する遮断位置（２６５）を有する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
9. 前記第１曲面（１９０）は複数の基準点（２４５）を有し、前記第１曲面（１９０）は、前記複数の基準点（２４５）の各々における最大遮断位置（２６５）を有する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
10. 前記複数のリッジ（１１０）は、それらの間に再循環流（２７０）を有する、請求項１に記載の摩耗性バケットシュラウド（１００）。
11. バケット先端（７５）とシュラウド（１００）の間のバケット先端隙間（９５）を通る漏れ流（２４０）を最小限に抑える方法であって、
    前記バケット先端（７５）に沿った複数の基準点（２４５）における前記バケット先端隙間（９５）を超える前記漏れ流（２４０）の方向を決定するステップと、
    前記シュラウド（１００）上に複数の摩耗性材料リッジ（１１０）を配置するステップと、
    前記複数の摩耗性材料リッジ（１１０）を少なくとも第１曲面（１９０）及び第２曲面（２００）に形成するステップとを含み、
    前記第１曲面（１９０）は、前記複数の基準点（２４５）において漏れ流に垂直な遮断位置（２６５）を有する、方法。
12. 前記バケット先端（７５）を回転させるステップと、前記複数の摩耗性材料リッジ（１１０）の周囲に圧力脈動（１４５）を形成するステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記バケット先端（７５）を回転させるステップと、前記複数の摩耗性材料リッジ（１１０）の各々の間に再循環流（２７０）を形成するステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。

Images