JP5570823B2 - タービン動翼エンゼル・ウイング圧縮シール - Google Patents

Description

本発明は、一般的に云えば、ガスタービン・エンジンに関し、より具体的には、正弦波形状を持つエンゼル・ウイング(angel wing)圧縮シールを備えたタービン動翼に関するものである。

ホイール空間を通しての二次冷却空気漏れを最小にすることは、タービン全体の性能及び効率を増大させる。そのシール機構は、動翼、羽根、円板及びスペーサのような回転部品と、ノズル、静翼及びダイヤフラムのような静止部品との間を効果的に封止すべきである。詳しく述べると、タービンに流れる高温ガスが、ロータに取り付けられた回転部品とタービン・ケーシングに取り付けられた静止部品との間のホイール空間へ「吸い込まれ（ｉｎｇｅｓｔｉｎｇ）」又は漏れることを防止すべきである。

ホイール空間の空洞を加圧することにより確実にホイール空間からガス流路への流出を生じさせることができる。エンゼル・ウイング型シールはまた、漏れが生じ得る間隙を制限することによって、この流出を最小にするために使用することができる。これらのシールはまた、圧力損失「ラビリンス／シール歯」機構を生成して、ホイール空間の空気の流出を更に低減する。

エンゼル・ウイング型の設計の欠点は、ガス流路圧力分布が円周方向に、特に動翼の下流で変化することがあることである。吸い込み(ingestion)を防止するために、 ホイール空間の圧力はピーク圧力位置で見られる圧力よりも高くすべきである。しかしながら、現在のエンゼル・ウイングの構成は一般に、全体にほぼ一様な環状圧力を供給するに過ぎない。回転する翼形部の負圧面側又は凹面側の下流のような低いガス流路圧力の位置では、より大きい圧力勾配が存在することがあり、これはホイール空間の空気の流出量を大きくすることがある。このような大きい流出は、より高い圧力の領域の下流での吸い込みを防止する利用可能な冷却空気の能力を阻害するか又は少なくする。

米国特許第６５０６０１６号 米国特許第６１８９８９１号 米国特許出願公開第２００７０２２４０３５号 米国特許出願公開第２００８００５６８８９号 米国特許出願公開第２００８００１４０９４号

従って、ホイール空間を通る二次冷却空気の損失を最小にするような改善されたシール機構が要望されている。冷却空気流の損失の低減は、ガスタービン全体の性能及び効率を改善すると考えられる。

従って、本出願では、タービン動翼用のエンジェル・ウイング・シールを提供する。エンジェル・ウイング・シールは、正弦波形状の外縁を持つ第１の翼、及びその上に配置された複数の翼歯を含むことができる。

本出願では更に、タービン動翼冷却空気の損失を低減する方法を提供する。本方法は、動翼の周りにエンジェル・ウイング・シールを配置する段階と、エンジェル・ウイング・シール上に正弦波形状の外縁を設けて、正弦波形状の外縁が動翼によって生成された圧力分布と実質的に同相である圧力分布を生成するように動翼を回転させる段階と、を含むことができる。

本出願では更に、タービン動翼用のエンジェル・ウイング・シールを提供する。エンジェル・ウイング・シールは、正弦波形状の外縁を持つ上側翼と、上側翼の上に配置された複数の翼歯と、翼歯によって画成された間隙と、を含むことができる。

本出願のこれらの及び他の特徴及び改善は、以下の詳しい説明を幾つかの図面及び特許請求の範囲に記載と共に検討すれば当業者には明らかになろう。

図１は、タービンの一部分の断面を示している部分図である。 図２は、既知のタービン動翼の斜視図である。 図３は、本書で説明するようなエンジェル・ウイング・シールを持つタービン動翼の斜視図である。 図４は、図３のエンジェル・ウイング・シールを持つタービン動翼の上面図である。 図５は、本書で説明するようなエンジェル・ウイング・シールを持つ別の実施形態のタービン動翼の斜視図である。 図６は、図５のエンジェル・ウイング・シールを持つタービン動翼の上面図である。

次に図面について説明するが、幾つかの図面全体を通じて同様な参照数字は同様な要素を表す。図１は、ガスタービン１０の一部分を示している。ガスタービン１０はロータ１１を含み、ロータ１１は、複数の円周方向に間隔をおいて設けられ且つ軸方向に延在するボルト１６によって互いに接合された軸方向に間隔おいて設けられたロータ・ホイール１２及びスペーサ１４を持つ。タービン１０はまた、複数の円周方向に間隔をおいて設けられた静翼を備えた、第１段ノズル１８及び第２段ノズル２０のようなノズルを持つ様々な段を含む。ノズル１８，２０の間には、ロータ１１と共に回転する複数の動翼、例えば、第１段動翼２２及び第２段動翼２４がある。

図２を参照して説明すると、各々の動翼２２，２４は、シャンク３０のプラットフォーム２８上に取り付けられた翼形部２６を含むことができる。シャンク３０は、ロータ・ホイール１２と接続するために一体のカバー・プレート３４及びダブテール３６と共にシャンク・ポケット３２を持つことができる。動翼２２，２４は一体に鋳造することができる。ここでは他の構成部品及びタービン構成を用いることができる。

動翼２２，２４は、複数の軸方向に突出するエンジェル・ウイング・シール３８を含むことができる。エンジェル・ウイング・シール３８は隣接するノズル１８，２０上に形成されたランド(land)４０と協働して、ノズルを通って流れている高温ガスを吸い込むのを制限するようにすることができる。高温ガス流路は矢印４２で示すことができる。エンジェル・ウイング・シール３８はホイール空間４４内への流れを制限する。

エンジェル・ウイング・シール３８は、エンゼル・ウイング本体４５と、遠位端にある上向き部又は先端部４６と、上側及び下側ウイング付け根表面４８，５０と、上側及び下側シール本体表面５２，５４とを含むことができる。上側及び下側シール本体表面５２，５４は一般に、付け根表面４８，５０から先端部４６まで延在する直線的な表面とすることができる。上側本体表面５２は、ロータ１１の回転軸線と同心である円弧状表面とすることができる。図示されているように、動翼２２，２４の各々の側面は上側エンゼル・ウイング５６及び下側エンゼル・ウイング５８を持つことができる。エンジェル・ウイング・シール３８及び同様な構造について他の構成を用いることができる。

図３及び図４は、ここで述べるようなエンジェル・ウイング・シール１０５を持つ動翼１００の一実施形態を示している。本例では、エンジェル・ウイング・シール１０５は、正弦波形状の外縁１２０及び複数の翼歯１３０を持つ上側翼１１０を含む。図示されているように、正弦波形状の外縁１２０は１つの動翼１００から次の動翼へと連続的に繋がっている。正弦波形状の外縁１２０の振幅及び周波数は変えることができる。翼歯１３０は先端部１４０から動翼１００の上側付け根表面１５０まで延在することができる。翼歯１３０は更に、先端部１４０に沿って延在することができる。翼歯１３０も同様に１つの動翼１００から次の動翼へと連続的に繋がるようにすることができる。図示されているように、翼歯１３０は湾曲した形状を持つことができ、また間隔をあけて設けられて、それらの間に歯間隙１６０を形成する。翼歯１３０及び歯間隙１６０の形状は変えることができる。翼歯１３０の深さも同様に変えることができる。

正弦波形状の外縁１２０及び翼歯１３０の組合せは、動翼１００の周りのガス流路圧力分布に合致し且つ対抗する反復的な環状圧力パターンを生成する。詳しく述べると、エンジェル・ウイング・シール１０５によって生成されるこの正弦波圧力分布は、回転する動翼１００によって生成される圧力分布の周波数と同相とするすることができる。従って、これらの圧力分布は、より一様な全体の圧力勾配を形成するように同期させることができる。このような一様な圧力勾配は潜在的にホイール空間冷却空気の漏洩をかなり少なくする。その上、漏洩冷却空気の流出を駆動する圧力勾配を少なくするように、平均ホイール空間圧力を低下させることができる。

その上に翼歯１３０を持つ特有形状の上側翼１１０は、動翼１００の回転方向に関連した傾斜角を持つエンジェル・ウイング・シール１０５を構成する。詳しく述べると、エンジェル・ウイング・シール１０５は、エンジェル・ウイング・シール１０５によって空気に作用する働きにより空気の静圧を増大させながら冷却空気の相対速度を減少させることができるように前方に面する外縁１２０を備える。従って、エンジェル・ウイング・シール１０５は円周方向圧力勾配に対処し、そのとき、二次冷却損失を最小にすることができる。このようにして、全体のサイクル効率の改善を得ることができる。エンジェル・ウイング・シール１０５は任意の種類のタービンに使用することができる。エンジェル・ウイング・シール１０５は局在化した高いガス流路圧力の領域に対抗するように離散的な位置に使用することができ、或いは、エンジェル・ウイング・シール１０５はより広範囲に使用することができる。

図５及び図６は、ここで述べるような動翼２００の更に別の実施形態を示す。この実施形態では、動翼２００は、上述のエンジェル・ウイング・シール１０５と同様なエンジェル・ウイング・シール２０５を含むことができる。この例では、動翼２００は、正弦波形状の外縁２２０を持つ上側翼２１０を含むことができる。上側翼２１０はまた複数の翼歯２３０を含む。翼歯２３０は、同様に先端部２４０から上側付け根表面２５０まで且つ先端部２４０に沿って延在する。翼歯２３０はそれらの間に歯間隙２６０を形成することができる。しかしながら、この例では、歯間隙２６０はその中に間隙歯２７０を含む。間隙歯２７０は１つの翼歯２３０から次の翼歯まで延在する。間隙歯２７０は更に、それを通る冷却流を制限する。ここでは類似の設計を用いることができる。

以上、上記の説明が本発明の特定の実施形態にのみ関するものであること、また、当業者によって、特許請求の範囲及びその等価なものによって規定されるような本発明の一般的な精神及び範囲内から逸脱することなく多数の変更及び修正を当業者によって為し得ることは明らかであろう。

１０ ガスタービン
１１ ロータ
１２ ロータ・ホイール
１４ スペーサ
１６ ボルト
１８ 第１段ノズル
２０ 第２段ノズル
２２ 第１段動翼
２４ 第２段動翼
２６ 翼形部
２８ プラットフォーム
３０ シャンク
３２ シャンク・ポケット
３４ カバー・プレート
３６ ダブテール
３８ エンジェル・ウイング・シール
４０ ランド
４２ 高温ガス流路
４４ ホイール空間
４５ エンゼル・ウイング本体
４６ 先端部
４８ 上側翼付け根表面
５０ 下側翼付け根表面
５２ 上側シール本体表面
５４ 下側シール本体表面
５６ 上側エンゼル・ウイング
５８ 下側エンゼル・ウイング
１００ 動翼
１０５ エンジェル・ウイング・シール
１１０ 上側翼
１２０ 正弦波形状の外縁
１３０ 翼歯
１４０ 先端部
１５０ 上側付け根表面
１６０ 歯間隙
２００ 動翼
２０５ エンジェル・ウイング・シール
２１０ 上側翼
２２０ 正弦波形状の外縁
２３０ 翼歯
２４０ 先端部
２５０ 上側付け根表面
２６０ 間隙
２７０ 間隙歯

Claims (10)

1. タービン動翼（１００）用のエンジェル・ウイング・シール（１０５）であって、
   正弦波形状の外縁（１２０）を持つ第１の翼（１１０）と、
   前記第１の翼（１１０）の上に配置された複数の翼歯（１３０）と、
   を有するエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
2. 前記第１の翼（１１０）は上側翼（１１０）を構成している、請求項１記載のエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
3. 前記第１の翼（１１０）は先端部（１４０）及び付け根表面（１５０）を有している、請求項１記載のエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
4. 前記複数の翼歯（１３０）は前記先端部（１４０）から前記付け根表面（１５０）まで延在している、請求項３記載のエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
5. 前記複数の翼歯（１３０）は更に、前記先端部（１４０）に沿って延在している、請求項４記載のエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
6. 更に、前記複数の翼歯（１３０）によって画成された間隙（１６０）を有している、請求項１記載のエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
7. 前記間隙（１６０）の中に間隙歯（２７０）が配置されている、請求項６記載のエンジェル・ウイング・シール（１０５）。
8. 前記正弦波形状の外縁（１２０）が複数の動翼（１００）の第１の動翼（１００）から第２の動翼（１００）へ連続的に繋がっている、請求項１記載の前記エンジェル・ウイング・シール（１０５）。
9. 前記複数の翼歯（１３０）が複数の動翼（１００）の第１の動翼（１００）から第２の動翼（１００）へ連続的に繋がっている、請求項１記載の前記エンジェル・ウイング・シール（１０５）。
10. タービン動翼（１００）冷却空気の損失を低減する方法であって、
    前記動翼（１００）の周りにエンジェル・ウイング・シール（１０５）を配置する段階と、
    前記エンジェル・ウイング・シール（１０５）上に正弦波形状の外縁（１２０）を設ける段階と、
    前記正弦波形状の外縁（１２０）が前記動翼（１００）によって生成される圧力分布と実質的に同相である圧力分布を生成するように前記動翼（１００）を回転させる段階と、
    を有している方法。