JP5491874B2 - ガスタービン中の２次空気流を低減する装置およびシステム - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題は、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービン中の段間シールに関する。

タービン構成要素は、典型的には、高温ガスに直接曝露されており、したがって、耐用年数を満たすために冷却する必要がある。例えば、コンプレッサの排気の一部は、タービンのロータ構成要素を冷却するために燃焼プロセスからそらされる。

タービンバケット、ブレードおよびベーンは、典型的には、それらの中に内部冷却チャネルを含み、それら内部冷却チャネルは、動作中にそれらを冷却するためのコンプレッサの排気または他の冷却ガスを受ける。さらに、バケットを支持するタービンロータディスクは、かなりの熱負荷を受け、したがって、やはり耐用年数を延ばすために冷却する必要がある。

タービンの主流通路は、燃焼ガスがタービンを通って流れるときにその燃焼ガスを制限するように設計される。タービンロータの構造上の構成要素は、動作中にその中に高温燃焼ガスを吸い込むのを防止するために主ガス流から独立した冷却空気を含まなければならず、高温の流路ガスへの直接の曝露から保護されなければならない。

こうした制限は、タービンロータの構造の内部に高温空気またはガスを吸い込むかまたは戻すのを防止するために、回転タービンバケット間に配置されたロータリーシールによって実現される。こうしたロータリーシールは、ロータ構造、ロータおよびロータディスクなどの内部構成要素を完全に保護するには不十分であり、ロータの空隙中への、またロータの空隙を通る、冷却空気のパージ流をさらに利用することが必要になる。内部構成要素を保護するためのこうした追加の手段は、コストを上昇させ複雑にし、ガスタービンの性能を妨げる。

米国特許第６４６４４５３号公報 米国特許出願第２００８０１１２７９３号公報

したがって、ロータ冷却空気パージ流のレベルを低減し、複雑さを軽減し、タービンの性能を維持または改善する、タービンエンジンを冷却する改善型のシステムおよび方法が必要である。

本発明の例示的な実施形態に従って構築されたガスタービン中の２次空気流を低減する装置は、第１ロータディスクに取り付けられた複数の第１タービンバケットと、第２ロータディスクに取り付けられた複数の第２タービンバケットとの間に配置された段間シーリング部材を含み、第１ロータディスクおよび第２ロータディスクは、中心軸の周りを回転可能である。段間シーリング部材は、第１ロータディスクおよび第２ロータディスクに対して定位置に取り付けられ複数の第１バケットおよび複数の第２バケットにシーリング係合して接触するように構成される。

本発明の他の例示的な実施形態は、ガスタービンシステムを含み、そのガスタービンシステムは、第１の回転可能なロータディスクに取り付けられた複数の第１タービンバケットと、第２の回転可能なロータディスクに取り付けられた複数の第２タービンバケットと、第１ロータディスクと第２ロータディスクとの間に軸方向に配置された、径方向に延びる複数の固定式タービンノズルと、第１および第２の回転ディスクに取り付けられた回転可能な段間シーリング部材とを含み、回転可能なシーリング部材は、複数の第１および第２バケット、ならびに複数の固定式ノズルおよびシーリング部材のうち少なくとも１つによって画定されたシールされた流路を形成するために、複数の第１タービンバケットおよび複数の第２タービンバケットに接触するように構成される。

さらなる特徴および利点は、本発明の例示的な実施形態の技術によって認識される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書で詳細に説明し、特許請求する本発明の一部と考えられる。本発明をその利点および特徴と共により良く理解するために、説明および図面を参照されたい。

本発明の例示的な実施形態によるシーリングアセンブリを含むガスタービンの部分側面図である。 図１のシーリングアセンブリの他の例示的な実施形態の側面図である。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従って構築されたガスタービンのタービン部分の一部が、１０で全体的に示されている。タービン１０は、交互に段間ノズル段１２およびタービン段１４、１６を含む。タービン段１４と１６との間に段間シーリングアセンブリ１８が配置される。図１に、第１のタービン段１４、第２のタービン段１６、ならびにそれらの間のノズル段１２およびシーリングアセンブリ１８の側面断面図を示す。本明細書で説明する実施形態はガスタービンのタービン部分に関して説明するが、それらの実施形態をガスタービンの様々な圧縮部分と共に用いることもできる。

タービン段１４、１６はそれぞれ、ロータシャフト（図示せず）に取り付けられたロータディスク２０を含み、そのロータシャフトにより、ロータディスク２０が中心軸の周りを回転する。複数のブレードまたはバケット２２が、各ロータディスク２０の外周に着脱可能に取り付けられている。バケット２２は、軸方向に延びるダブテール連結具など、任意の適切な機構で取り付けられる。一実施形態では、バケット２２はそれぞれ、バケットプラットフォーム２３を含み、そのバケットプラットフォーム２３は、対応するロータディスク２０に付着するように構成される。本明細書で用いるように、「軸」方向は、中心軸に平行な方向であり、「径」方向は、中心軸から延びかつ中心軸に垂直な方向である。「外側」位置は、「内側」位置より中心軸から遠くに離れた径方向のある位置を指す。

ノズル段１２は複数のノズルベーン２４を含み、それらのノズルベーン２４は、タービンシェルまたはそれに取り付けられた外側支持リングなどの外側ケーシングアセンブリに連結され、中心軸に向かって径方向に延びる。一実施形態では、ノズルベーン２４はそれぞれ、内側支持リングまたはそのリングを形成するセグメント２６に取り付けられる。その内側支持リングまたはそのリングを形成するセグメント２６の直径は、外側支持リングまたはそのリングを形成するセグメントの直径より小さい。

加熱したガスまたは空気がタービン１０の内部に漏出しバケット２２およびノズル段１２によって画定される流路から離れるのを低減または防止するために、段間シーリングアセンブリ１８が含まれる。そのシーリングアセンブリはシーリング部材２８を含み、そのシーリング部材２８は、回転ロータディスク２０に対して定位置に取り付けられ、したがってロータディスク２０と共に回転する。シーリング部材２８はまた、シーリング部材２８とバケット２２との間でシーリング連結するように、バケットプラットフォーム２３などのバケット２２の表面に接して配置される。したがって、対応するガス流路が、バケット２２および内側支持リング２６によって画定され、その流路からのガス流の漏出がシーリング部材２８によって防止されている。

シーリング部材２８は、注型品あるいは１５００°Ｆなどの上昇した温度に耐えることができる高温材料から作られる。こうした材料の例には、流路の構成要素に用いられる合金など、ニッケルベースの超合金が含まれる。

一実施形態では、シーリング部材２８は段間ディスク３０に取り付けられ、その段間ディスク３０は、ロータディスク２０に対して定位置に取り付けられる。一実施形態では、段間ディスク３０は、ボルト連結具３１によってロータディスクに、または他の適切な取付け具によって例えばフランジ３３に取り付けられる。本明細書で説明する取付け具の設計は限定されない。任意の適切な付属の機構を用いて、シーリング部材２８をロータディスク２０に対して定位置に取り付けることができる。

一実施形態では、シーリング部材２８は、切れ目のない円周リングであり、その外径はノズル内側支持リング２６および／またはノズルベーン２４の内径より小さい。他の実施形態では、シーリング部材２８は、セグメントに分けられ、円周ダブテール連結具３２など、着脱可能な連結具によって段間ディスク３０に取り付けられる。一実施形態では、シーリング部材２８は、シーリング部材２８の軸方向の各端部に少なくとも１つの延長部分３４を含み、その延長部分３４は、バケットプラットフォーム２３などの各バケット２２上で、軸方向に延びる少なくとも１つの突出部分３６と接触する。延長部分３４と突出部分３６との間の接触により、バケット２２とシーリング部材２８との間をシールする。この接触は、金属同士で行うこともでき、延長部分３４と突出部分３６との間に別個のシーリング機構を含むこともできる。

一実施形態では、シーリング部材２８は、流路の高い温度に耐え得る耐熱性材料から作られる。シーリング部材２８をセグメントに分けて、円周セグメント間にスプラインシールなどのシーリング機構を有することができる。シーリング部材２８は、鋳造、鍛造、複合材料およびセラミック材料など、様々な材料のいずれかから作られる。他の実施形態では、流路の高温を打ち消すために、冷却空気または他の冷却手段がシーリング部材２８に施される。したがって、流路による局部的な吸込みが高温に耐え得る材料上でしか起きないので、シーリング部材２８は、ロータおよびロータディスク２０などの低温の回転構造を流路の高温ガスから保護し、そのためロータの空隙パージ流のレベルを大幅に低減するかまたは無くすことが可能になる。一実施形態では、シーリング部材２８と内側支持リング２６との間にバッファ空隙４０が形成される。この空隙４０は、シーリング部材２８、リング２６およびバケットプラットフォーム２３の高温材料によって囲まれる。

図２を参照すると、タービン部分１０の他の実施形態が示されており、この実施形態では、内側支持リング２６がなく、シーリング部材２８がバケット２２と共に流路を形成する。この実施形態では、ノズルベーン２４は、片持ち式の配置でタービンシェルに個別に取り付けられる。一実施形態では、シーリング部材２８とノズル２４との間に制御可能なギャップ４２が画定される。

一実施形態では、ガスタービン中の２次空気流を低減する例示的な方法が提供される。この方法は、圧縮部分およびタービン部分のうち少なくとも１つにロータディスク２０を配置するステップを含む。タービンノズルベーン２４は、ロータディスク２０間に軸方向に配置される。シーリング部材２８は、ロータディスク２０に対して定位置に取り付けられ、バケット２２に接触するように配置される。燃焼部分が作動して、ロータ２０を回転させ、バケット２２、ならびにノズル段１２およびシーリング部材２８のうち少なくとも１つによって形成されたコンジット中を通るように空気流を向ける。シーリング部材２８は、タービン１０の動作中にコンジットから空気流が漏出するのを防止するかまたは低減する。

本明細書で説明したシステムおよび方法はガスタービンに関して提供されているが、他の任意の適切なタイプのタービンを用いることができる。例えば、本明細書で説明したシステムおよび方法を、蒸気タービンまたはガスおよび蒸気両方の生成を含むタービンで用いることができる。

本明細書で説明した装置、システムおよび方法は、従来技術のシステムに多くの利点を与える。例えば、これらの装置、システムおよび方法は、構成要素の数を低減することによって、また冷却ガス流の必要性を低減するかまたは無くすことによって、タービンの効率および性能を向上させる技術的な効果をもたらす。例えば、ロータディスクとバケットとの間の連結部をシールするディスクリムカバープレートの必要性を無くすことができる。さらに、タービンの内部空隙に空気流が漏出するのを防止することにより、必要な冷却流のレベルが低減され、したがって、タービン効率が向上し、コストが削減される。

概して、この書面による説明により、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、装置またはシステムを作製し使用し、組み込まれた方法を実行することを含む、本発明の実施が当業者には可能になる。特許性のある本発明の範囲は請求項によって定義され、当業者に思いつく他の例を含むことができる。このような他の例は、請求項の文字通りの言葉と相違ない構造上の要素を有する場合に、または請求項の文字通りの言葉とあまり相違ない等価の構造上の要素を含む場合に、本発明の例示的な実施形態の範囲内に包含されるものである。

１０ ガスタービン
１２ 段間ノズル段
１４ タービン段
１６ タービン段
１８ 段間シーリングアセンブリ
２０ ロータディスク
２２ 複数のブレードまたはバケット
２３ バケットプラットフォーム
２４ 複数のノズルベーン
２６ 支持リング
２８ シーリング部材
３０ 段間ディスク
３１ ボルト連結具、取付け具の設計
３２ ダブテール連結具
３３ フランジ
３４ 延長部分
３６ 軸方向に延びる突出部分
４０ 内側支持リングバッファ空隙
４２ 制御可能なギャップ

Claims (8)

1. ガスタービン（１０）中の２次空気流を低減する装置であって、
   第１ロータディスク（２０）に取り付けられた複数の第１タービンバケット（２２）と、第２ロータディスク（２０）に取り付けられた複数の第２タービンバケット（２２）との間に配置された段間シーリング部材（２８）と、
   前記第１ロータディスクおよび前記第２ロータディスクに対して定位置で前記段間シーリング部材（２８）に連結され、前記段間シーリング部材（２８）を支持する段間ロータディスク（３０）と、
   を備え、
   前記第１ロータディスク（２０）および前記第２ロータディスク（２０）が、中心軸の周りを回転可能であり、
   前記段間シーリング部材（２８）が、円周にセグメント化された構造であり、複数のセグメントおよび前記複数のセグメントのそれぞれの間に配置されたシーリング機構を含み、
   前記段間シーリング部材（２８）が、前記複数の第１タービンバケット（２２）および前記複数の第２タービンバケット（２２）にシーリング係合して接触するように構成され、
   前記段間ロータディスク（３０）が、円周ダブテール連結具（３２）によって前記段間シーリング部材（２８）に連結可能である、
   装置。
2. 前記段間シーリング部材（２８）が、ガス流路の高い温度に耐えることができる高温材料から作られる、請求項１に記載の装置。
3. 前記段間シーリング部材（２８）に冷却手段が施される、請求項１または２に記載の装置。
4. 内側支持リングと、径方向に延びる複数の固定式タービンノズル（２４）を含む段間ノズルアセンブリ（１２）をさらに備え、前記複数の固定式タービンノズル（２４）が、前記第１ロータディスク（２０）と前記第２ロータディスク（２０）との間に軸方向に配置され、内側支持リング（２６）に連結され、前記内側支持リング（２６）ならびに前記複数の第１および第２タービンバケット（２２）が空気流路を形成する、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記段間シーリング部材（２８）が、前記段間シーリング部材（２８）の各端部から軸方向に延びる少なくとも１つの延長部材（３４）を含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの延長部材（３４）が、前記シーリング係合を形成するように、前記複数の第１タービンバケット（２２）および前記複数の第２タービンバケット（２２）それぞれの上で、軸方向に延びる少なくとも１つの突出部分（３６）と係合可能である、請求項５に記載の装置。
7. 第１の回転可能なロータディスク（２０）に取り付けられた複数の第１タービンバケット（２２）と、
   第２の回転可能なロータディスク（２０）に取り付けられた複数の第２タービンバケット（２２）と、
   前記第１のロータディスク（２０）と前記第２のロータディスク（２０）との間に軸方向に配置された、径方向に延びる複数の固定式タービンノズル（２４）と、
   前記第１および第２のロータディスクに対して定位置に取り付けられた回転可能な段間シーリング部材（２８）と、
   前記第１のロータディスクおよび前記第２のロータディスクに対して定位置で前記段間シーリング部材（２８）に連結され、前記段間シーリング部材（２８）を支持する段間ロータディスク（３０）と、
   を備え、
   前記段間シーリング部材（２８）が、円周にセグメント化された構造であり、複数のセグメントおよび前記複数のセグメントのそれぞれの間に配置されたシーリング機構を含み、
   前記回転可能な段間シーリング部材（２８）が、前記複数の第１および第２タービンバケット（２２）、ならびに前記複数の固定式タービンノズルおよび前記段間シーリング部材（２８）のうち少なくとも１つによって画定されたシールされた流路を形成するために、前記複数の第１タービンバケット（２２）および前記複数の第２タービンバケット（２２）にシーリング係合するように構成され、
   前記段間ロータディスク（３０）が、円周ダブテール連結具（３２）によって前記段間シーリング部材（２８）に連結可能である、
   ガスタービン（１０）システム。
8. 前記段間シーリング部材（２８）が、ガス流路の高い温度に耐えることができる高温材料から作られるか、前記段間シーリング部材（２８）に冷却手段が施されるかのいずれかである、請求項７に記載のシステム。
   

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