JP6110665B2 - タービン集成体及び集成体の温度を制御するための方法 - Google Patents

Description

本書に開示の内容は、ガスタービンに関するものである。より詳しく述べると、開示内容は、ガスタービン・ステータ（固定子）構成部品の集成体に関するものである。

ガスタービン・エンジンにおいては、燃焼器が燃料又は空気・燃料混合物の化学的エネルギを熱エネルギへ変換する。その熱エネルギは流体（多くの場合、圧縮器からの空気）によってタービンへ運ばれ、該タービンで熱エネルギは機械的エネルギへ変換される。熱エネルギから機械的エネルギへの変換効率に影響を及ぼす幾つかの因子がある。それらの因子には、羽根通過頻度、燃料供給の変動、燃料の種類及び反応性、燃焼器正面体積、燃料ノズル設計、空気・燃料分布、火炎形状、空気・燃料混合、火炎保持、燃焼温度、タービン構成部品の設計、高温ガス流路温度希釈、並びに排気温度を挙げることができる。例えば、（燃焼器、及びタービン内の高温ガス流路に沿った領域のような）選択された場所における高い燃焼温度は、効率及び性能を改善できることがある。場合によっては、特定のタービン領域における高い温度は、ぞの寿命を短くし且つ特定のタービン構成部品について熱応力を増大させる虞がある。

例えば、タービン・ケーシングに沿って円周方向に突合せ接触し又は接合された複数のステータ構成部品は、高温ガスがステータに沿って流れているときに高い温度に曝される。従って、ステータ構成部品の摩耗を低減し且つ寿命を延ばすために、ステータ構成部品内の温度を制御することが望ましい。

米国特許第７２１７０８１号

本発明の一面によれば、タービン集成体は、第１の構成部品と、前記第１の構成部品に円周方向に隣接した第２の構成部品とを含む。前記第１及び第２の構成部品の各々は高温ガス流路に近接した表面を持ち、また前記第１の構成部品の第１の側面が前記第２の構成部品の第２の側面に突合せ接触する。本集成体はまた、前記第１の側面に縦方向に形成された第１のスロット、及び前記第２の側面に縦方向に形成された第２のスロットを含み、この場合、前記第１及び第２のスロットは封止部材を受け入れるように構成される。また本集成体は、前記第１のスロットの高温側の面に形成された第１の溝を含み、前記第１の溝は前記第１の構成部品の前縁から後縁まで軸方向に延在する。

本発明の別の面によれば、円周方向に隣接する第１及び第２のステータ構成部品の集成体の温度を制御するための方法が提供され、本方法は、前記第１及び第２のステータ構成部品の内側に高温ガスを流す段階と、冷却流体を前記第１及び第２のステータ構成部品の外側部分に沿って流して、前記第１及び第２のステータ構成部品にそれぞれ設けられた第１及び第２のスロットによって形成された空洞内に導く段階とを含む。本方法はまた、前記空洞内に配置された封止部材の周りに冷却流体を受け取る段階と、前記第１及び第２のステータ構成部品の温度を制御するために、前記第１及び第２のスロットの各々の高温側の面に沿った溝の中へ前記冷却流体を軸方向に導く段階とを含む。

これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明から一層明らかになろう。

発明と見なされる内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳しい説明から明らかであろう。

図１は、タービン・ステータ集成体の一実施形態の斜視図である。 図２は、図１のタービン・ステータ集成体の内の、第１及び第２の構成部品を含む複数の部分の詳細な斜視図である。 図３は、図２の第１及び第２の構成部品の一部分の上面図である。 図４は、タービン・ステータ集成体の第１の構成部品及び第２の構成部品の別の実施形態の端面図である。

以下の記載では、本発明の様々な実施形態について、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に詳しく説明する。

図１は、タービン・ステータ集成体１００の一実施形態の斜視図である。タービン・ステータ集成体１００は、第１の構成部品１０２と、該第１の構成部品に円周方向に隣接した第２の構成部品１０４とを含む。 第１及び第２の構成部品１０２及び１０４は、 スタービン・エンジンのタービン内の円周方向に延在する一段のシュラウド・セグメントの一部分を形成するシュラウド・セグメントである。一実施形態では、構成部品１０２及び１０４はノズル・セグメントである。本発明の説明のために、第１及び第２の構成部品１０２及び１０４の集成体について詳しく説明するが、タービン内の他のステータ構成部品は機能的に且つ構造的に同じであって、説明する実施形態に適用することができる。更に、実施形態はシム・シールによって封止される隣り合うステータ部品に適用することができる。

第１の構成部品１０２及び第２の構成部品１０４は、界面１０６で互いに突合せ接触する。第１の構成部品１０２はバンド(band) １０８を含み、バンド１０８の下では複数のエーロフォイル１１０（これはまた「翼」又は「羽根」とも呼ばれる）が高温ガス流路１２６又は集成体を通る高温ガスの流れの中で回転する。第２の構成部品１０４はまたバンド１１２を含み、バンド１１２の下ではエーロフォイル１１４が高温ガス流路１２６の中で回転する。ノズルの実施形態では、エーロフォイル１１０，１１４は、集成体の上側又は半径方向外側部分上のバンド１０８，１１２（これはまた「半径方向外側部材」又は「外側／内側側壁」とも呼ばれる）から下側又は半径方向内側バンド（図示せず）まで延在する。この場合、高温ガスが、エーロフォイル１１０，１１４を横切って且つバンド１０８，１１２の間を流れる。第１の構成部品１０２及び第２の構成部品１０４は、第１の側面１１６及び第２の側面１１８において互いに接合され又は突合せ接触する。この場合、各々の面は、封止部材（図示せず）を受けるように縦方向に形成された縦方向のスロット（図示せず）を含む。第１の構成部品１０２の側面１２０は、側面１２０に形成されたスロット１２８の詳細を示している。典型例のスロット１２８は側面１１６及び１１８に形成されるものと同様であってよい。スロット１２８はバンド１０８の前縁１２２から後縁１２４の部分まで延在する。スロット１２８は、第１の構成部品１０２の上側部分１３０に近接した冷却流体（例えば、空気）を、高温ガス流路１２６に近接した下側部分１３４から分離するために、封止部材を受け入れる。図示のスロット１２０には、下側部分１３４と高温ガス流路１２６に近接した構成部品の表面とを冷却するための溝１３２が形成されている。実施形態によっては、スロット１２０は複数の溝１３２を含む。実施形態によっては、複数の溝１３２は、これらの溝の熱伝達面積を高めるための表面成形部（例えば、溝の中の波状又は突起状成形部）を含むことができる。一実施形態では、第１の構成部品１０２及び第２の構成部品１０４は隣り合っていて、互いと接触するか互いに近接している。具体的に述べると、一実施形態では、第１の構成部品１０２及び第２の構成部品１０４は互いに突合せ接触しているか又は互いに近接している。各構成部品は、それらを互いに対して所定位置に保持するより大きい静止部材に取り付けることができる。

本書で用いる用語「下流」及び「上流」は、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。このような場合、用語「下流」は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を表し、また用語「上流」は、一般的に作動流体の流れの方向とは逆の方向を表す。用語「半径方向」は、軸又は中心線に対して垂直な動き又は位置を表す。これは、軸に対して様々な半径方向位置にある部品を記述するのに役立つ。例えば、第１の構成部品が第２の構成部品よりも軸の近くにある場合、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向内側」にあると記述することができる。他方、第１の構成部品が第２の構成部品よりも軸から遠くにある場合、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向外側」又は「外側」にあると記述することができる。用語「軸方向」は、軸に平行な動き又は位置を表す。最後に、用語「円周方向」は、軸の周りの動き又は位置を表す。以下の説明では主にガスタービンについて記述するが、記述した概念はガスタービンに限定されない。

図２は、第１の構成部品１０２及び第２の構成部品１０４の一部分の詳細な斜視図である。図示のように、界面１０６は、特定の細部を例示するために構成部品１０２及び１０４の間にかなり隙間又は空間があるように示されているが、場合によっては、実質的に互いと接触するか又は互いに近接する側面１１６及び１１８を持つことができる。第１の構成部品１０２のバンド１０８は、側面１１６に縦方向に形成されたスロット２００を持つ。同様に、第２の構成部品１０４のバンド１１２は、側面１１８に縦方向に形成されたスロット２０２を持つ。一実施形態では、スロット２００及び２０２は、高温ガス流路１２６及びタービン軸に実質的に平行に延在する。スロット２００及び２０２は、封止部材（図示せず）を受け入れる空洞を形成するように実質的に整列させる。図示のように、スロット２００及び２０２は、内壁２０４及び２０６から側面１１６及び１１８へそれぞれ延在する。溝２０８がスロット２００の高温側の面２１０に形成される。同様に、溝２１４がスロット２０２の高温側の面２１６に形成される。高温側の面２１０及び２１６は、スロットの他の面と比べて、相対的に高温ガス流路１２６に近接していることに起因して、このように記述される。高温側の面２１０及び２１６はまた、それぞれスロット２００及び２０２の低圧側と呼ぶこともできる。更に、高温側の面２１０及び２１６は面２１２及び２１８に近接しており、これらの面２１２及び２１８は、高温ガス流路１２６に露出するバンド１０８及び１１２の半径方向内側の面である。以下に詳しく述べるように、溝２０８及び２１４は、高温側の面２１０及び２１６内のバンド１０８及び１１２の部分をそれぞれ冷却するように構成される。

図３は、第１の構成部品１０２及び第２の構成部品１０４の一部分の上面図である。スロット２００及び２０２は、封止部材３００を受け入れるように構成される。溝２０８及び２１４は、封止部材３００より下の第１及び第２の構成部品１０２及び１０４を冷却するために冷却流体（例えば、空気）を受け取る。一実施形態では、封止部材３００は高温側の面２１０及び２１６上に位置決めされ、部材３００の半径方向内側の圧力に対して半径方向外側の圧力が相対的に高いことに起因してその場所に留まる。高温側の面２１０及び２１６上に配置されたとき、封止部材３００は溝２０８及び２１４内の冷却流体の流れのための実質的に閉じた通路を形成する。図示のように、溝２０８及び２１４は互いに且つ側面１１６に対して実質的に平行である。更に、溝２０８は、スロット２００及び２０２（「縦方向のスロット」とも呼ぶ）内に実質的に軸方向に延在するものとして記述することができる。他の実施形態では、溝２０８及び２１４は側面１１６及び１１８に対して様々な角度で形成することができる。図示のように、溝２０８及び２１４は、斜めのＵ字形断面形状を有する。他の実施形態では、溝２０８及び２１４は、Ｕ字形、Ｖ字形、テーパーを付けた（この場合、溝の半径方向内側部分が外側部分よりも大きい）形状、又は他の適当な断面形状を含むことができる。溝２０８及び２１４の図示の配置構成は、冷却を改善し、これによって構成部品の寿命を長くする。

図４は、タービン・ステータ集成体の別の実施形態の一部分の端面図であり、該集成体は、第１の構成部品４０４及び第２の構成部品４０６のそれぞれの縦方向のスロット４００及び４０２内に位置決めされた封止部材４０８を含む。側面４１２及び４１４の間の界面４０９は、構成部品４０４及び４０６の半径方向外側部分から冷却流体の流れ４１０を受け取る。冷却流体の流れ４１０はスロット４００及び４０２の中に導かれて、封止部材４０８の周りを通り、次いで第１の構成部品４０４に設けられた１つ以上の通路又は横方向溝４１８の中に入る。横方向溝４１８は冷却流体の流れ４１０を供給するために用いられ、冷却流体の流れ４１０は溝４２０に沿って軸方向に流れて、第１の構成部品４０４を冷却する。一実施形態では、冷却流体の流れ４１０は１つ以上の横方向溝４１８から流れて、スロット４００の前縁側の近くから溝４２０に入って、溝４２０に沿って軸方向に流れ、次いで１つ以上のチャンネル４２１を介してスロット４００の後縁側の近くから溝４２０を出る。チャンネル４２１は流体を界面４０９へ導く。一実施形態では、冷却流体の流れ４１０はスロット４００の後縁側の近くから溝４２０に入って、溝４２０に沿って軸方向に流れ、次いでスロット４００の前縁側の近くから溝４２０を出る。図示のように、第２の構成部品４０６においては、冷却流体の流れ４２２が、該構成部品に形成された通路４２４を介して溝４２６へ供給される。冷却流体の流れ４２２は適当な源によって、例えば、構成部品の外側からの専用の流体又は冷却空気によって供給することができる。通路４２４は、鋳造、穿孔（ＥＤＭ）又は任意の他の技術によって形成することができる。一実施形態では、冷却流体の流れ４２２はスロット４０２の前縁側の近くから溝４２６に入って、溝４２６に沿って軸方向に流れ、そしてチャンネル４２７を介してスロット４０２の後縁側から溝４２６を出る。チャンネル４２７は流体を界面４０９の中へ導く。更に、一実施形態では、追加の溝４２８がスロット４０２の高温側の面４３０に形成され、この溝４２８は更に第２の構成部品４０６の冷却を向上させる。溝４２８は、実質的に溝４２６と同じであり、溝４２６と流体連通し、且つ溝４２６と平行であるようにすることができる。一実施形態では、冷却流体の流れ４２２は溝４２６に沿って軸方向に流れて、通路４３２を介して溝４２６を出る。通路４３２は流体を界面４０９へ導く。また、軸方向溝４２６は、スロット４００の前縁から後縁までにわたって一連の軸方向溝を有することができる。例えば、溝４２６はスロット４００の前縁の近くで流体の流れ４２２を受け取って、高温側の面４３０内で選択された距離にわたって流体を軸方向に流れさせることができ、この場合、流体は通路４３２を通って出て行く。溝４２６に対して相対的に後縁の近くにある別の溝が、スロット４０２から流体を受け取って、軸方向に流れさせることができ、該流れはチャンネル４２７を通って放出される。第１及び第２の構成部品４０４及び４０６の様々な特徴は、図１〜図３について述べた集成体及び構成部品の実施形態に含めることができる。一実施形態では、集成体は、構成部品の冷却を改善し、摩耗を低減し、構成部品の寿命を延長するために、縦方向のスロットに沿って延在する溝を含む。

以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲によって制限される。

１００ タービン・ステータ集成体
１０２ 第１の構成部品
１０４ 第２の構成部品
１０６ 界面
１０８ バンド
１１０ エーロフォイル
１１２ バンド
１１４ エーロフォイル
１１６ 第１の側面
１１８ 第２の側面
１２０ スロット
１２２ 前縁
１２４ 後縁
１２６ 高温ガス流路
１２８ スロット
１３０ 上側部分
１３２ 溝
１３４ 下側部分
２００ スロット
２０２ スロット
２０４ 内壁
２０６ 内壁
２０８ 溝
２１０ 高温側の面
２１２ 面
２１４ 溝
２１６ 高温側の面
２１８ 面
３００ 封止部材
４００ 縦方向のスロット
４０２ 縦方向のスロット
４０４ 第１の構成部品
４０６ 第２の構成部品
４０８ 封止部材
４０９ 界面
４１０ 冷却流体の流れ
４１２ 側面
４１４ 側面
４１８ 横方向溝
４２０ 溝
４２１ チャンネル
４２２ 冷却流体の流れ
４２４ 通路
４２６ 溝
４２７ チャンネル
４２８ 追加の溝
４３０ 高温側の面
４３２ 通路

Claims (5)

1. 第１の構成部品と、
   前記第１の構成部品に円周方向に隣接した第２の構成部品であって、前記第１及び第２の構成部品の各々が高温ガス流路に近接した表面を持っている、第２の構成部品と、
   前記第２の構成部品の第２の側面に突合せ接触する前記第１の構成部品の第１の側面と、
   前記第１の側面に縦方向に形成された第１のスロットと、
   前記第２の側面に縦方向に形成された第２のスロットであって、前記第１及び第２のスロットが封止部材を受け入れるように構成されている、第２のスロットと、
   前記第１のスロットの高温側の面に形成された第１の溝であって、前記第１の構成部品に沿って軸方向に延在する第１の溝と、
   前記第２のスロットの高温側の面に形成された第２の溝であって、前記第２の構成部品に沿って軸方向に延在する第２の溝と、
   前記第１のスロットの前記高温側の面に形成された横方向溝と、
   前記第２の構成部品内を円周方向に延びて、冷却流体を前記第２の溝に送る流入通路と、
   を有し、
   前記横方向溝は前記第１のスロットの内壁近くから延在し、そこで、前記横方向溝は、前記第１の溝の中に流す冷却流体を送り、
   前記冷却流体は、前記第１の溝の後縁側の近くで前記第１の溝に入って、前記第１の溝の前縁側の近くで前記第１の溝を出る、
   タービン集成体。
2. 前記第１の溝はＵ字形断面形状を有している、請求項１に記載のタービン集成体。
3. 前記第１の溝はテーパーを付けた断面形状を有している、請求項１または２に記載のタービン集成体。
4. 前記テーパーを付けた断面形状は前記高温側の面に狭い通路を有し、該狭い通路は該狭い通路の半径方向内側の相対的に大きい空洞へ繋がっている、請求項３に記載のタービン集成体。
5. 前記タービン集成体は、前記第１のスロットの前記高温側の面に形成された複数の第１の溝を有しており、
   該複数の第１の溝の各々は前記第１の構成部品の前縁から後縁へ軸方向に延在している、
   請求項１から４のいずれかに記載のタービン集成体。