JP5670789B2 - シュラウド付きガスタービンブレードの能動的チップクリアランス制御及び関連方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンの封止技術に関し、より詳細には、シュラウド付きガスタービンブレード又は動翼の能動的チップクリアランス制御に関する。

ガスタービンエンジンの後段においては、環状に並べられたブレード又は動翼の先端を接続する径方向外側チップシュラウドを設けることが一般的であり、このようなブレード又は動翼は、軸方向に間隔を空けて配置されたタービンホイールに固定され、タービンホイールはタービンロータに固定される。シュラウドの上部、すなわち径方向外側端部には、径方向に突出する一つ以上の歯を設けることができ、この歯は、シュラウドを補強すると共に、シュラウド付き動翼からの作業流体の漏れを低減するラビリンスシールとしての役割を担う。

過渡状態（始動時、停止時、又は他の顕著な負荷変動時）における擦れを防ぐために、シュラウドの歯（単数又は複数の歯）と周囲のステータ構造の間にはクリアランスが必要であるが、このクリアランスは、漏れを最小限にするために、通常動作状態においては低減されるべきである。

一部のステータ構造には、繰り返し擦られることに耐性があるため、より厳密なクリアランスを維持できるハニカム式、又は他のアブレイダブル面を有するものもある。また、複数の歯を使用し、そのうちのいくつかをチップシュラウドに取り付け、残りを対向するステータ面に取り付けることも知られている。また、始動中及び停止中の大きい安全なクリアランスを維持する一方で、タービン構成要素が熱平衡に達した後にステータ面を径方向内側に移動して、クリアランスを小さくすることも知られている。

ステータに対してロータを軸方向に相対移動して、シュラウドが存在しない動翼の各傾斜面と、ステータの同様の傾斜面との間の隙間を調整するようにしたクリアランス制御システムも存在する。

米国特許７６２５１６９号

シュラウド付きガスタービンブレード又は動翼の能動的チップクリアランス制御を行う。

例示的であるが非限定的な本発明の一態様によれば、タービン動翼チップクリアランスの制御システムが提供される。本制御システムは、ロータを含むロータアセンブリを含み、ロータは、軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールを有し、軸方向に間隔を空けて配置される各ホイールには、動翼の環状の列が設けられ、軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールの少なくとも一つにおいて、環状の列の動翼は、少なくとも一つの封止歯が設けられた径方向外側チップシュラウドを有する。制御システムは、更に、径方向内側に面して軸方向に段差を有する表面を含むステータアセンブリを含み、軸方向に段差を有する表面には、肩部によって連結される径方向内側封止面及び径方向外側封止面が形成される。本制御システムにおいて、ステータアセンブリ及びロータアセンブリは、互いに対して軸方向に相対移動可能であり、径方向内側封止面と径方向外側封止面のうちの一方と径方向において対向する位置に、少なくとも一つの封止歯を選択的に移動することで、少なくとも一つの封止歯と、径方向内側に面して軸方向に段差を有する表面との間のクリアランス間隙を選択的に変更することができる。

例示的であるが非限定的な他の態様によれば、本発明は、タービン動翼チップクリアランスの制御システムを提供する。本制御システムは、ロータを含むロータアセンブリを含み、ロータは、軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールを有し、軸方向に間隔を空けて配置される各ホイールには、動翼の環状の列が設けられ、軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールの少なくとも一つにおいて、環状の列の動翼は、少なくとも一つの封止歯が設けられた径方向外側チップシュラウドを有する。制御システムは、更に、チップシュラウドを取り囲むステータアセンブリを含み、ステータアセンブリには、径方向内側に面する封止面が形成され、封止面は、ロータ軸に略平行で軸方向に沿って配置される少なくとも一つの表面と、連続して鋭角で傾斜する少なくとも一つの表面とを含み、軸方向に沿って配置される少なくとも一つの表面は、最大クリアランス間隙を画定し、連続して鋭角で傾斜する少なくとも一つの表面は、最大クリアランス間隙より小さい、一連のクリアランス間隙を画定する。

例示的であるが非限定的な更に他の態様によれば、本発明は、タービンロータに設けられるタービン動翼の環状の列上のチップシュラウドと、実質的に同心に配置されるタービンステータとの間のチップクリアランスを制御する方法を提供する。チップシュラウドには、径方向外側に突出する少なくとも一つの封止歯が設けられ、ステータは、第１及び第２の封止面を含む、径方向内側に面する表面を含み、第１及び第２の封止面は、径方向外側に突出する少なくとも一つの封止歯と共に、少なくとも第１及び第２の封止クリアランスをそれぞれ画定する。本方法は、タービンの過渡的な始動動作中、及び停止動作中に、タービンロータとタービンステータのうちの一方を軸方向に移動して、径方向外側に突出する少なくとも一つの封止歯と、第１封止面とを径方向において整列させ、タービンが、実質的に熱平衡状態で動作しているときに、タービンロータとタービンステータのうちの一方を軸方向に移動して、径方向外側に突出する封止歯と、第２封止部とを径方向において整列させることを含む。

次に、本発明について、図面と関連付けて詳細に説明する。図面は次の通りである。

一部を断面にして、本発明の第１の例示的実施形態に係る動翼チップクリアランス構造を示した側面図である。 代替の例示的実施形態を示す、図１と同様の側面図である。 本発明の他の例示的実施形態を示す、簡略化した部分断面側面図である。 本発明の他の例示的実施形態を示す、簡略化した部分断面側面図である。

図１を参照すると、ガスタービンロータ１０は、周りを囲むステータ１２によって部分的に画定されるタービンハウジング部内に同軸に配置されている。このロータ１０には、一般に、軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールが形成されており、その各ホイールに、ステータ１２に向かって径方向外側に延び、ロータの回転の軸（簡単に、「ロータ軸」と記す）と実質的に垂直なブレード、又は動翼（その一つが１４に示されている）の環状の列が設けられている。ホイールの少なくとも一つに位置する、一列の同一の動翼において、動翼１４には、２つ以上の弓形区画の形状であるチップシュラウド１６が設けられ、この各区画は、２つ以上のブレード又は動翼１４に跨って周方向に延びる。各チップシュラウド区画１６には、径方向外側に延びる一つ以上の封止歯１８を形成することができ、この封止歯１８は、対向するステータ表面と相互作用して、チップシュラウド区画とステータの間の間隙からの燃焼ガスの漏れを最小限に抑える。本明細書では、便宜上、単に「チップシュラウド」と記載するが、このチップシュラウドは、前述したように２つ以上の区画で構成できることは認識されよう。

例示的であるが非限定的な一実施形態において、ステータ１２の、径方向内側に面する表面１９は、第１の軸方向表面２０と、径方向肩部２２と、第２の軸方向表面２４とを含む。本実施形態において、径方向肩部２２は、第１及び第２の軸方向表面２０，２４に対して実質的に９０度の向きで配置される。軸方向表面２０及び２４は、チップシュラウドとステータの間、より具体的には、封止歯（単一又は複数の封止歯）の先端とステータの間に半径差による間隙を設定することは理解されるであろう。この例示的実施形態において、ロータ１０、及び動翼又はブレード１４の列は、図１に仮想線で示したように、軸方向（左方向）に変位させることができる。段付きの表面２０及び２４をステータに組み込むことによって、封止歯（単一又は複数の封止歯）１８は、始動及び停止などの移行状態の間、又は、大幅な負荷変動時に位置している大きいクリアランス間隙部位Ｃ１内の軸方向位置から移動することができ、タービン構成要素が、実質的な熱平衡に到達（又は復帰）したときに、低減された狭いクリアランス間隙部位Ｃ２まで移動する。

固定ステータの全体又は一部に対するロータの軸方向移動は、各種の適切な機械的（又は電気機械的）手段、油圧手段、もしくは空圧手段３０，１３０によって、又は、選択したロータ材料とステータ材料の熱膨張特性の差を工学的に調整することによって実現できることは、当業者であれば理解されるとおりである。

図２に、本発明の代替の例示的実施形態を示す。図２では、対応する構成要素を識別するために、接頭語の「１」を追加した同様の参照番号を使用する。この例において、ロータ１１０は定常状態に留まるが、ステータ１１２は、動翼のチップシュラウド１１６と、その単数又は複数の封止歯１１８とに対して軸方向に相対移動することができ、これにより、図１との関連で上述したものと同じ結果を実現できる。封止歯の外側封止端部は、実質的に平滑でロータ軸に略平行であっても（図３の端部２２６を参照されたい）、又は、図１及び図２において、例えば２６及び１２６にそれぞれ示すように、シュラウドの先端（及びロータ軸）に対して鋭角に延びるように形成されても良いことは理解されよう。

図３に、例示的であるが非限定的な、本発明の他の実施形態を示す。図３では、図１及び図２に用いたものと同様であるが、接頭語「２」を追加した参照番号を用いて、対応する構成要素を示す。この例示的実施形態において、軸方向の表面２２０及び２２４を連結する肩部２２２は、表面２２０，２２４に対して、及びロータ軸に対して鋭角の角度（例えば、４５度）で傾斜している。この構成は、ロータがステータに対して（又はその逆で）軸方向に相対移動するときの、封止歯２１８の平坦な端部２２６とステータの間のクリアランスについて、最大クリアランスから最小クリアランスまでの間により広い隙間調整可能範囲を提供する。図示した例において、第１の大きいクリアランス間隙であるＣ１と第２の小さいクリアランス間隙Ｃ２の間を移動するためには、０．５０インチの相対軸方向移動（図３に示すような左側への移動）が必要である。正確なクリアランス間隙、必要な軸方向移動距離などは、具体的な用途に応じて変化する。

図４に図３の変形例を示し、同様であるが、接頭語「３」が追加された参照番号を用いて、対応する構成要素を表す。この例において、封止歯３１８の封止端部３２６は、ステータ３１２の傾斜した肩部３２２と実質的に平行になるように、チップシュラウド（及びロータ軸）に対して４５度の角度で形成されている。これ以外の同様の寸法関係についても、傾斜した封止端部３２６は、図３との関連において前述した例と同じ０．５０インチの軸方向移動で同じクリアランス間隙を生じることに留意されたい。

図３及び図４の両方における封止構造では、表面２２０，２３０の右側に向かうステータ表面２２８及び３２８は、それぞれ、反対方向におけるロータ又はステータの相対軸方向移動が可能である場合に、中間クリアランス間隙（傾斜した肩部２２２，３２２に沿っても実現可能な中間間隙）Ｃ３を提供できる。

本発明について、現在のところ最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連付けて説明したが、本発明は、記載した実施形態に限定されるものではなく、むしろ付属の請求項の精神及び範囲に含まれる各種の変形例及び等価構成を含むことを意図したものであることは理解されよう。

１０，１１０ タービンロータ
１２，１１２，３１２ ステータ
１４，１１４ ブレード又は動翼の列
１６，１１６ チップシュラウド
１８，１１８，２１８，３１８ 封止歯
１９ 内側に面する表面
２０，１２０，２２０，３２０，４２０ 軸方向表面
２２，１２２ 径方向肩部
２２２，３２２ 傾斜した肩部
２４，１２４，２２４ 軸方向表面
２６，１２６，２２６，３２６ 封止歯の外側封止端部
Ｃ１ クリアランス間隙部位
Ｃ２ 狭いクリアランス間隙部位
３０，１３０ 油圧又は空圧手段
２２８，３２８ ステータ表面

Claims (10)

1. 軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールを有するロータ（１０）において、前記軸方向に間隔を空けて配置される各ホイールに、動翼（１４）の環状の列が設けられ、前記軸方向に間隔を空けて配置される複数のホイールの少なくとも一つにおいて、前記環状の列の動翼は、少なくとも一つの封止歯（１８）が設けられた径方向外側チップシュラウド（１６）を有する、ロータ（１０）を含むロータアセンブリと、
   径方向内側に面して軸方向に段差を有する表面を含み、前記軸方向に段差を有する表面に、肩部２２によって連結される径方向内側封止面、及び径方向外側封止面（２０，２４）が形成される、ステータアセンブリ（１２）とを含む、タービン動翼チップクリアランスの制御システムであって、
   前記ステータアセンブリ及び前記ロータアセンブリは、互いに軸方向に相対移動可能であり、前記径方向内側封止面と径方向外側封止面（２０，２４）のうちの一方と径方向において対向する位置に、前記少なくとも一つの封止歯（１８）を選択的に移動することで、前記少なくとも一つの封止歯（１８）と、前記径方向内側に面して軸方向に段差を有する表面（１９）との間のクリアランス間隙（Ｃ１又はＣ２）を選択的に変更できる、タービン動翼チップクリアランスの制御システム。
2. 前記ステータアセンブリに対して、前記ロータアセンブリを軸方向に相対移動する手段（３０）を含む、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
3. 前記ロータアセンブリに対して、前記ステータアセンブリを軸方向に相対移動する手段（１３０）を含む、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
4. 前記径方向外側チップシュラウド（１６）には、少なくとも２つの封止歯が設けられる、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
5. 前記少なくとも一つの封止歯（１８）には、軸方向に沿った向きで配置される封止端部（２２６）が形成される、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
6. 前記少なくとも一つの封止歯には、鋭角で傾斜する封止端部（２６）が形成される、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
7. 前記肩部（２２）は、前記径方向内側封止面、及び前記径方向外側封止面（２０，２４）に対して実質的に９０度の向きで配置される、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
8. 前記肩部（２２２）は、前記径方向内側封止面、及び前記径方向外側封止面（２２０，２２４）に対して実質的に４５度の向きで配置される、請求項１に記載のタービン動翼チップクリアランスの制御システム。
9. タービンロータ（１０）に設けられるタービン動翼（１４）の環状の列上のチップシュラウド（１６）と、実質的に同軸に配置されるタービンステータ（１２）との間のチップクリアランスを制御する方法において、前記チップシュラウド（１６）には、径方向外側に突出する、少なくとも一つの封止歯（１８）が設けられ、前記ステータ（１２）は、少なくとも第１及び第２の封止面（２０，２４）を含む、径方向内側に面する表面を含み、前記第１及び第２の封止面（２０，２４）は、前記径方向外側に突出する少なくとも一つの封止歯の封止端部（２６）と共に、少なくとも第１及び第２の封止クリアランス（Ｃ１，Ｃ２）をそれぞれ画定し、
   前記方法は、
   前記タービンの過渡的動作中に、前記タービンロータ（１０）と前記タービンステータ（１２）のうちの一方を軸方向に移動して、前記径方向外側に突出する少なくとも一つの封止歯（１８）と、前記第１の封止面（２０）とを径方向において整列させ、
   前記タービンが実質的に熱平衡状態で動作しているときに、前記タービンロータと前記タービンステータのうちの一方を軸方向に移動して、前記径方向外側に突出する少なくとも一つの封止歯と、前記第２の封止面（２４）とを径方向において整列させることを含む、方法。
10. 前記第１及び第２の封止面（２２２）のうちの少なくとも一方は、前記タービンロータの回転の軸に対して鋭角に配置され、前記少なくとも一つの封止歯（３１８）の封止端部（３２６）は、実質的に同一の鋭角で配置される、請求項９に記載の方法。