(57)【要約】【課題】タービンにおけるパッシブパージ流量制御のためのシステム、方法、及び装置を提供すること。【解決手段】本発明の種々の実施形態は、複数のスタックホイールを有するロータ（２２０）のボア（２１６）に空気を流すための通路（２２０）を設ける段階を含む。空気流通路（２２０）は、ロータ構造上に１以上の入口孔（２２２）と、スタックホイールの少なくとも一部に複数の孔（２２６）とを含む。方法は更に、ガスタービンの運転中にロータ（２０２）と関連するステータ（２０４）との間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて、１以上の入口孔（２２２）への空気流を制御する段階を含む。加えて、入口孔（２２２）に流入する空気の一部は、スタックホイールの少なくとも一部内の複数の孔（２２２６）を通って配向されて、ロータ（２０２）をパージする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンのロータ内の半径方向の温度勾配を制御する方法であって、
複数のスタックホイールを有するロータのボアに空気を流すため、ロータ構造上に１以上の入口孔と前記スタックホイールの少なくとも一部に複数の孔とを備えた通路を設ける段階（６０５）と、
前記ガスタービンの運転中に前記ロータと関連するステータとの間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて、前記１以上の入口孔への空気流を制御する段階（６１０）と
を含んでおり、前記空気流の少なくとも一部が前記スタックホイール内の複数の孔を通って配向される方法。
【請求項２】
前記スタックホイールが、中実ホイール及び環状ホイールを備え、前記空気流が、環状ホイールの回りの通路を通り、且つ中実ホイールを通って配向される、請求項１記載の方法（６００）。
【請求項３】
前記１以上の入口孔への空気流がシール装置によって制御される、請求項１記載の方法（６００）。
【請求項４】
ガスタービンのロータ（２０２）内の半径方向の温度勾配を制御するシステム（２００）であって、
前記ロータ（２０２）が複数のスタックホイールを有し、ロータ構造上に１以上の入口孔（２２２）と前記スタックホイール内の複数の孔（２２６）とを含む、前記ロータ（２０２）のボア（２１６）への空気流通路（２２０）と、
前記ガスタービンの運転中に前記ロータ（２０２）と関連するステータ（２０４）との間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて前記１以上の入口孔（２２２）への空気流を制御するためのシール装置（２２４）と
を備えており、前記空気流の少なくとも一部が、前記スタックホイール内の複数の孔（２２６）を通じて１以上のホイールをパージするように配向されるシステム。
【請求項５】
前記スタックホイールが、中実ホイール（２０６）と環状ホイール（２０８）とを含み、前記空気流が、前記環状ホイール（２０８）の周囲の通路（２２０）を通り、更に前記中実ホイール（２１０）を通って配向される、請求項４記載のシステム（２００）。
【請求項６】
前記ロータ構造上の１以上の入口孔（２２２）が、前記ロータ（２０２）内部に定められたキャビティと連通し、該キャビティが、前記スタックホイール内の複数の孔（２２６）と連通している、請求項４記載のシステム（２００）。
【請求項７】
前記ステータ（２０４）により保持される前記シール装置（２２４）が、前記ロータ（２０２）に対して相対的に移動し、前記１以上の入口孔（２２２）の少なくとも一部を覆うことが可能である、請求項４記載のシステム（２００）。
【請求項８】
ガスタービンのロータ（２０２）内の半径方向の温度勾配を制御する装置（２００）であって、
前記ロータ（２０２）が複数のスタックホイール（２０６、２０８）を有し、ロータ構造上に１以上の入口孔（２２２）と前記スタックホイール内の複数の孔（２２６）とを含む、前記ロータ（２０２）のボア（２１６）への空気流通路（２２０）と、
前記ガスタービンの運転中に前記ロータ（２０２）と関連するステータ（２０４）との間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて前記１以上の入口孔（２２２）への空気流を制御するためのシール装置（２２４）と
を備えており、前記空気流の少なくとも一部が、前記スタックホイール内の複数の孔（２２６）を通じて１以上のホイールをパージするように配向される装置（２００）。
【請求項９】
前記ロータ構造上の１以上の入口孔（２２２）が、前記ロータ（２０２）内部に定められたキャビティと連通し、該キャビティが、前記スタックホイール内の複数の孔（２２６）と連通している、請求項８記載の装置（２００）。
【請求項１０】
前記ステータ（２０４）により保持される前記シール装置（２２４）が、前記ロータ（２０２）に対して相対的に移動し、前記１以上の入口孔（２２２）の少なくとも一部を覆うことが可能である、請求項８記載の装置（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、全体的にタービンに関し、より具体的には、タービンにおけるパッシブパージ流量制御のためのシステム、方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンは通常、ロータなどの回転部品と、ステータなどの固定部品とを備える。タービンのロータは、複数のスタックホイールを含むことができる。スタックホイールの外側半径方向領域はリム部分として知られ、スタックホイールの中央半径方向領域はボア部分として知られる。通常、タービンの作動には高温を伴い、タービンの種々の構成部品を過酷な熱負荷の影響下に置く可能性がある。ガスタービンのロータのリム部分は、通常、高温のガス流に曝され、従って、始動中のロータのボア部分と比べて比較的高温にまで加熱され、よって、ロータのリムとボアとの間に相当な半径方向の温度勾配を生じる。このリム−ボア温度勾配によりガスタービンの始動及び運転停止中に応力が引き起こされ、これによりタービンの機械的構成部品の寿命に悪影響を与える。
【０００３】
更に、典型的にはタービンロータ構成では、複数の中実及び環状ホイールが隣接する位置で配置され、複数の軸方向に延びるボルトと隣接ホイール間に設けられたラベット接合ジョイントとによって互いに固定される。従って、ホイールの示差加熱により、ラベット接合ジョイントを開放する傾向があるかなりのロータボア応力及び偏位を引き起こす可能性がある。更に、ロータ及び関連ホイールの温度状態は、始動時、定常状態運転、及びタービン運転停止において異なっている。始動中、タービンホイールのリム部分は通常、高温のタービン流路と直接接触しており、従って、リム部分は、ボア部分よりも速く温度が上昇する傾向があり、その結果、比較的高い温度勾配を生じる。定常状態運転中、リム部分からの熱がボア部分に伝導し、温度勾配が小さくなり、リムとボアとの間の温度差がほぼ平衡化する。しかしながら、リムは依然として高温ガスと直接接触しているので、リムの温度は、定常状態であってもボアの温度に比べて僅かに高くなる傾向がある。運転停止中は、タービンの圧縮セクションの流路温度が低下することでリム部分を冷却し、他方、ボアは熱慣性により依然として加熱を維持するので、温度勾配が反転する傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１５８０４０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
すなわち、流路又は加熱／冷却空気を始動中又は運転停止中にそれぞれタービンボアに配向することができ、定常状態運転中に遮断又は大幅に低減することができる必要性がある。従って、タービンにおけるパッシブパージ流量制御のための方法、システム、及び装置に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、上記の必要性の一部又は全てに対処することができる。本発明の特定の実施形態は、タービンにおけるパッシブパージ流量制御のためのシステム、方法、及び装置を提供することができる。本発明の１つの実施形態によれば、ガスタービンのロータにおける半径方向の温度勾配の制御方法が開示される。本方法は、複数のスタックホイールを有するロータのボアに空気を流すための通路を設ける段階を含むことができる。この空気流通路は、ロータ構造上に１以上の入口孔と、スタックホイールの少なくとも一部に複数の孔とを含むことができる。本方法は更に、ガスタービンの運転中に前記ロータと関連するステータとの間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて、１以上の入口孔への空気流を制御する段階を含む。加えて、入口孔に流入する空気流の一部は、スタックホイールの少なくとも一部の複数の孔を通して配向することができる。
【０００７】
本発明の別の実施形態によれば、ガスタービンのロータ内の半径方向の温度勾配を制御するためのシステムが開示される。本システムは、複数のスタックホイールを含むロータのボアに設けられる空気流通路を含むことができる。空気流通路は、ロータ構造上の１以上の入口孔と、スタックホイール内の複数の孔とを含むことができる。本システムは更に、ガスタービンの運転中にロータと関連するステータとの間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて１以上の入口孔への空気流を制御するよう動作可能なシール装置を更に含むことができる。加えて、１以上の入口孔に流入する空気流の少なくとも一部が、スタックホイール内の複数の孔を通じて１以上のホイールをパージするように配向することができる。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、ガスタービンのロータ内の半径方向の温度勾配を制御する装置が開示される。本装置は、複数のスタックホイールを有するロータのボアに設けられる空気流通路を含むことができる。ロータのボアへの空気流通路は、ロータ構造上に１以上の入口孔と、ロータのスタックホイール内の複数の孔とを含むことができる。本装置は更に、ガスタービンの運転中にロータと関連するステータとの間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて１以上の入口孔への空気流を制御するためのシール装置を更に含むことができる。加えて、空気流の少なくとも一部は、スタックホイール内の複数の孔を通じて１以上のホイールをパージするように配向することができる。
【０００９】
本発明の１つの実施形態、態様、及び特徴は、当業者であれば、以下の詳細な説明、添付図面、及び添付の請求項から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態に係るガスタービンのロータに関連するリム−ボア温度勾配の変化の１つの実施例を示す図。
【図２】本発明の種々の実施形態に従って利用することができるガスタービンの１つの例示的な圧縮機セクションの部分側断面図。
【図３】本発明の実施形態に係るパージ流が行われるタービンセクションの一部の拡大側断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る１つの例示的なシール装置の概略正面図。
【図５】本発明の例示的な実施形態に係るロータ及び関連するステータの軸方向偏位、並びにこれらの相対的軸方向偏位の１つの例示的な変化を示す図。
【図６】本発明の例示的な実施形態に係るガスタービンのロータにおける半径方向の温度勾配を制御するための１つの例示的な方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以上において本発明を概略的に説明してきたが、ここで、必ずしも縮尺通りではない添付図面を参照する。
【００１２】
次に、本発明の全てではなく一部の実施形態を示している添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を以下でより詳細に説明する。本発明は、多くの様々な形態で具現化することができ、本明細書で記載される実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満足するように提供される。同じ参照符号は図面全体を通じて同じ要素を示す。
【００１３】
ガスタービンのロータの半径方向の温度勾配を制御することを含む、タービンにおけるパッシブパージ流量制御のためのシステム、方法、及び装置が開示される。本発明の種々の実施形態は、空気をパージさせてロータの半径方向温度勾配を低減するよう動作することができる、ロータ上の１以上の入口孔への空気流を制御するためのシール装置を含むことができる。パージ空気は、ガスタービンの始動中にタービンホイールのボアを加熱し、続いて、タービンの運転停止中にタービンホイールのボアを冷却することができる。シール装置を通る流量制御は、ガスタービンの作動中にロータと関連するステータとの間の軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて行うことができる。特定の実施形態において前述のことを達成するために、圧縮機吐出空気はまた、ロータボアに、及び空気流通路を通ってロータのタービンホイール間のキャビティ内に提供することができ、ここで空気流通路は、ロータ上の入口孔と、ロータのタービンホイール内の複数の孔を含むことができる。
【００１４】
本明細書で説明される本発明の特定の実施形態の１以上の技術的作用は、ロータ内の半径方向の温度勾配を制御するためにタービンロータのボアに空気流通路を設けることができることである。この構成は、定常状態運転中にロータボアを冷却及び加熱するためパージ空気を使用することに伴う損失を排除又は最小限にすることによって、タービンの性能を向上させることができる。加えて、パージ空気の流れを制御するのに使用されるシール装置は、ロータ及びステータ部品間の軸方向の相対移動を利用することができ、このような移動はタービンの作動中に生じる。更に、シール装置の設計は、空気流がシール装置の存在に起因して外乱を受けず、或いは影響を比較的受けないことを保証し、すなわち、流れ損失の最小化及びタービンセクションを通る流れの比較的円滑な流れを保証することができる。従って、パージ流量を制御するのにシール装置を使用することは、タービン性能を向上させる技術的作用を有することができる。
【００１５】
図１は、本発明の例示的な実施形態に係るガスタービンのロータに関連するリム−ボア温度勾配の１つの実施例を示す図である。図１は、ガスタービンの過渡状態及びこれに続く定常状態運転中のタービンホイールのリム−ボア温度勾配の例示的な変動を表すプロット１００を示す。プロット１００において、横軸はガスタービンの運転の持続時間（秒単位）を表すことができる。ガスタービンの運転持続時間は、始動持続時間などの過渡運転の時間、及びガスタービンのその後の全負荷運転の時間を含むことができる。更に、縦軸は、ロータのタービンホイールの半径方向リム−ボア温度勾配（°Ｆ単位）を表すことができる。プロット１００は、ガスタービンの始動期間などの過渡運転中のリム−ボア温度勾配の漸次的な上昇を示している。その後、曲線は始動期間の間にほぼ１５００秒付近でピークに達し、次いで、ガスタービンが定常状態運転中又はその近傍に達すると漸次的に低下する。本発明の種々の実施形態において、始動期間における曲線の特性はまた、ガスタービンエンジンの運転停止中のシステム挙動を表すことができる。図１に示すプロット１００は、定常状態運転中又はその近傍で比較的平坦に維持され、ガスタービンが定常状態運転又はその近傍に近付いたときに全負荷点を越えてリム−ボア温度の変化が実質的にない又はほとんどないことを示している。
【００１６】
通常、タービンホイールの高いリム−ボア温度勾配は、ガスタービンの運転サイクルの一部又は全ての間にロータのボアに向けられるパージ流量を用いて制御される。しかしながら、タービンの効率は、タービン運転の種々の段の間のパージ流量を好適に制御することによって高めることができる。図１に示すように、リム−ボア温度勾配は、全負荷時点後に許容可能な値に落ち着くので、ガスタービンの定常状態運転中又はその近傍でパージ空気をほとんど又は全く必要としない。定常状態運転中又はその近傍でロータのボア内にパージされる空気は、タービンセクションでの循環を維持し、従って、タービンの効率に影響を及ぼす。しかしながら、ボア部分に比べてリム部分の冷却が比較的急速であることによりリム及びボア領域間に温度勾配が生じると、タービンの運転停止中にパージ流を必要とする場合がある。図２に示す記載の構成は、タービンの異なる作動段の間にロータのボアに配向されるパージ流量を制御するよう動作することができ、従って、パージ空気の比較的効率的な使用を確保することができる。
【００１７】
図２は、本発明の種々の実施形態に従って利用することができるガスタービンの１つの例示的な圧縮機セクション２００の拡大側断面図である。図２は、ガスタービンの１つの例示的な圧縮機セクション２００の例示的な環境を示す。加えて、或いは代替的に、本発明の他の実施形態は、例示的な環境としてガスタービンのタービンセクションを含むことができる。
【００１８】
図２に示す例示的な圧縮機セクション２００は、２つの主要構造、すなわちロータなどの回転構造部２０２と、ステータ２０４などの固定構造部とを含むことができる。ロータ２０２上に装着され且つその一部として形成される複数のスタックホイール（以下、タービンホイールと呼ぶ）は、複数の環状ホイール２０８間に交互に配列された複数の中実ホイール２０６を含むことができる。各タービンホイールは更に、ロータ２０２から半径方向外向きに突出する複数のバケット２１０（ロータブレード）を含み、ステータ２０４上に装着され、ロータ２０２に向かって半径方向内向きに延びる複数のノズル２１２（ステータブレード）は、バケット２１０間に交互に位置決めすることができる。従って、複数のロータブレード２１０及びステータブレード２１２は、圧縮機セクション２００内の空気が流れる通路を形成する。この結果、ロータ２０２のリム２１４は高温ガス通路に曝されるが、ボア２１６は、高温ガス通路からシールドされたままであり、中心軸線２１８に接するロータ２０２の根元を形成する。従って、リム２１４とロータ２０２のボア２１６との間に半径方向温度勾配が存在する可能性が有り、このことは、比較的過酷な熱応力をもたらす場合がある。ロータ２０２上の熱応力を低減するために、ガスタービンの始動中にロータ２０２のボア２１６を加熱することができ、エンジンの運転停止中には、ボア２１６を冷却し、リム２１４とボア２１６間の半径方向の温度勾配を低減することができる。
【００１９】
従って、空気流通路２２０は、圧縮機セクション２００の高温ガス流路からロータ２０２の後方端部を通ってボア２１６にまで設けることができる。空気流通路２２０は、ロータ構造上に１以上の入口孔を含むことができ、ここを通る空気流をシール装置２２４が制御することができる。空気流通路２２０は更に、入口孔２２をタービンホイールの少なくとも一部における複数の孔２２６に接続することができる。従って、高温ガス通路からの空気は、環状ホイール２０８の周囲の通路を通り、中実ホイール２０６内の複数の孔２２６を通ってボア２１６内に配向することができる。例示的な実施形態によれば、空気流通路２２０に進むパージ空気の一部は、圧縮機の主空気流通路２３０から得ることができる。主空気の残りの部分は、燃焼器及びタービンセクションに向かう（２３２）か、又はタービンセクションを冷却／パージする（２３４）ことができる。
【００２０】
更に、本発明の特定の実施形態では、空気流が中実ボアホイール２０６を通って流れることを可能にする複数の孔２２６は、エンジン中心軸線２１８に沿って、又はある角度で存在することができる。加えて、１以上の実施形態では、中実ホイール２０６内の複数の孔２２６は、各ホイールの中心軸線２１８から約０．２＊Ｒと約０．６５＊Ｒとの間に配置することができ、ここでＲは中実ホイール２０６のリム半径である。
【００２１】
本発明の種々の実施形態において、空気流通路２２０の一部を形成する１以上の入口孔２２２は、ロータ２０２内に定められるキャビティと流体連通することができ、キャビティは、中実タービンホイール２０６内の複数の孔２２６と流れ連通することができる。従って、空気流通路２２０は、高温ガス通路から入口孔２２２を通ってボア２１６に流れを配向する。その後、空気流通路２２０は、中実ホイール２０６内の孔２２６を通り、中実ホイール間に交互に位置付けられた環状ホイール２０８の周囲を通り、従って、蛇行流路として知られる湾曲流路を形成する。ロータ２０２のボア領域内に形成される蛇行流路は、タービンホイールの長さに沿って比較的大きな表面積を露出することができる。空気流に対する表面の露出が増えたことにより、圧縮機のホイールボア表面の加熱又は冷却が比較的より有効になる。従って、蛇行路は、ガスタービンの過渡運転中にロータ２０２のリム２１４及びボア２１６間の半径方向の温度勾配をより効果的に低減する役割を果たすことができる。
【００２２】
図３は、本発明の１つの実施形態に係るパージ流量の制御を行うことができるタービンセクション３００の一部の拡大側断面図である。図３は、本発明の１つの実施形態に係るパージ流量を制御するよう動作可能な例示的なシール装置２２４を示す。図３は、シール装置２２４が入口孔２２２を通ってパージ流量を制御するよう動作可能であるタービンセクション３００の一部を示す。例示的なシール装置２２４は、ステータ２０４上の複数の円周方向位置から片持ちにすることができる。パージ流量を制御するよう動作可能であるシール装置２２４は、ステータ２０４から片持ちにされた複数のスポーク３０２と、端部において、ロータ２０２に接して擦り合わせるブリストル３０４とを含むことができる。ブリストル３０４は、シールハブ３０８の内周上に装着することができ、別の円周方向位置にて複数のスポーク３０２により支持される。本発明の例示的な実施形態では、シール装置２２４は、約０．０６インチの軸方向幅Ｘ１を有する軸方向成形リングとすることができる。更に、シール装置２２４は、あらゆる形状のものとすることができ、軸方向成形リングに限定されなくてもよい。例示的な実施形態において、ブリストル３０４は、ブリストルパック３０６内の１つの端部に装着することができ、該ブリストルパックは、シールハブ３０８に装着することができる。ブリストルパック３０６は、高密度にパックされた金属ワイヤのリング、すなわちブリストル３０４を固定することができる。ブリストル３０４は、ブリストルパック３０６内においてロータの回転方向のある角度で配列することができる。ブリストル長さは、約１インチ、すなわち２．５ｃｍとすることができる。
【００２３】
通常、ガスタービンの始動及び運転停止時に、温度差、関連する熱膨張、及び負荷応力の組み合わせに起因して、ロータ部品は、ステータ部品に対する軸方向偏位を受ける可能性がある。ロータ及びステータ部品間の相対的軸方向偏位は、タービンの始動及び運転停止中に観測される。しかしながら、過渡的に変化する相対偏位は、全負荷時中に最大値に達し、タービンの定常状態運転又はその近傍の持続時間全体で一定に維持される。従って、始動前及び始動中、ステータ２０４により保持されるシール装置２２４は、１以上の入口孔２２２を閉鎖せず、加熱空気がボア部分に流れることができるように位置付けることができる。ステータがロータに対して軸方向に膨張すると、ステータ２０４により保持されるシール装置２２４は、ロータ２０２に対して相対的に移動し、１以上の入口孔２２２の少なくとも一部を覆い閉鎖し始めて、これによりボア領域への加熱空気の流入を制約することができる。始動持続時間後にタービンが定常状態運転又はその近傍に達すると、シール装置２２４は、ロータ２０２に対する移動を停止することができ、継続して入口孔２２２の全て又は一部を覆うことができる。運転停止中、ステータ及びロータ部品間の反対の軸方向偏位により、シール装置２２４が１つの入口孔２２の少なくとも一部の覆いを取り除くことができる。１つの例示的な実施形態において、ロータ及びステータ部品間の軸方向の差分偏位は、始動後及び定常状態運転中に約０．１から約０．２インチの間とすることができる。この例示的な実施形態において、シール装置２２４の幅Ｘ１は、約０．０４から約０．１インチとすることができ、シール装置２２４の第１の端部は、ガスタービンが始動する前に、入口孔２２２から約０．１から約０．２インチの距離Ｘ２に配置することができる。別の例示的な実施形態において、シール装置２２４とブリストル３０４の幅Ｘ１は、約０．０６インチとすることができ、シール装置２２４の第１の端部は、入口孔２２２の第１の縁部から約０．１８インチの距離Ｘ２に配置することができる。
【００２４】
図４は、本発明の１つの実施形態に係る例示的なシール装置２２４の拡大正面図である。図４は、図２及び３に示すシール装置２２４の正面図４００を示している。図４に示す例示的なシール装置２２４は、ブリストルパック３０６内に装着された１以上のブリストル３０４を含むことができ、ブリストルパックは、ロータ２０２を囲むシールハブ３０８の内周に装着することができる。シールハブ３０８の外周は、１以上のスポーク３０２に更に装着することができ、ここで１以上のスポーク３０２は、ステータ２０４の内周上に装着することができる。従って、シール装置２２４は、特定の円周地点でステータ２０４から垂下し、ロータと相対的に移動するよう動作可能であり、１以上の入口孔（図には示していない）の少なくとも一部を覆う。１つの入口孔の少なくとも一部は、１以上のブリストル３０４が入口孔を閉鎖し、従って、空気が入口孔に流入するのを阻止するときに、シール装置２２４により覆われる。更に、１以上のスポーク間の開口４０２は、ロータ２０２とステータ２０４間の軸方向空気流を可能にすることができる。従って、シール装置２２４が入口孔（図示せず）の少なくとも一部を覆うと、タービンセクション内の空気流は、ステータとロータとの間に軸方向に配向することができる。しかしながら、タービンの過渡運転中に、空気の一部は開口４０２を通って軸方向に流れ、残りは、入口孔を通りロータ２０２のボア内に流入する。従って、シール装置２２４の設計は、タービンセクション内の空気の比較的円滑な流れを促進し、空気の軸方向の流れを妨げず、よって損失を最小限にすることができる。
【００２５】
図５は、本発明の例示的な実施形態に係るロータ及び関連ステータの軸方向偏位、並びにこれらの相対的な軸方向偏位の例示的な変化を示す図である。図５は、ガスタービンの過渡状態及びその後の定常状態運転中のガスタービンのロータ及び関連するステータの例示的な軸方向偏位を表すプロット５００を示す。プロット５００では、横軸は、始動持続時間などの過渡運転の時間的継続（秒単位）、及びガスタービンのその後の全負荷運転の時間を表すことができる。更に、プロット５００の縦軸は、タービンのステータ及びロータ部品間の軸方向偏位（インチ単位）を表すことができる。プロット５００は、３つの曲線５０２、５０４及び５０６を示している。曲線５０２は、タービンが始動状態から定常状態又はその近傍に進んだときの時間に対するステータの軸方向偏位を表す。同様に、曲線５０４は、ガスタービンの過渡状態及び定常状態又はその近傍の間のロータの軸方向偏位を表す。しかしながら、曲線５０６は、ロータとステータとの間の相対軸方向偏位を表す。曲線５０６は、始動期間中にロータ及びステータ間の相対的軸方向偏位の漸次的増大を表し、次いでその後は、タービンの定常状態又はその近傍の開始点では軸方向偏位にあまり変化がないことを示している。本発明の１つの例示的な実施形態において、シール装置は、タービンの始動前にタービンセクション内に位置決めすることができ、入口孔は、始動時には最初は覆われておらず、次いで、タービンの始動から約５０００秒の時間後に少なくとも部分的に覆うようにする。
【００２６】
図６は、本発明の例示的な実施形態に係るガスタービンのロータの半径方向温度勾配についての１つの例示的な方法６００を示すフローチャートである。
【００２７】
方法６００は、ブロック６０２から始まることができる。ブロック６０２では、空気流通路がロータのボアに設けられ、該ロータボアは、１以上の入口孔と、スタックホイールにおける複数の孔とを含む。タービンのロータは、複数のスタックホイールから形成することができ、該スタックホイールは、環状ホイール間に交互に配置された中実ホイールを含む。空気流通路は、タービンの高温のガス通路からロータのボアへの通気道を設けることができる。空気流通路の一部を形成する１以上の入口孔は、ロータ内に定められるキャビティと連通することができる。キャビティは、中実ホイール内の複数の孔と更に連通することができる。従って、高温ガス通路からの空気は、環状ホイールの回りの蛇行流路を通り、中実ホイールを通ってロータのボアに配向することができる。蛇行流路は、空気流に対してタービンホイールの長さに沿って比較的大きな表面積の露出をもたらすことができる。このパージ流に対するロータ表面の露出が増えたことにより、ロータの比較的より効果的な加熱又は冷却をもたらし、従って、ガスタービンの過渡運転中のロータのリム及びボア間の半径方向の温度勾配をより有効に低減することができる。本発明の種々の実施形態では、中実ホイール内の複数の孔は、各ホイールの中心軸線から約０．２＊Ｒと約０．６５＊Ｒとの間に配置することができ、ここでＲは中実ホイール２０６のリム半径に等しい。ロータのボアに対する空気流通路の設計に続いて、工程はブロック６０４に進むことができる。
【００２８】
ブロック６０４において、１以上の孔を通るパージ空気の流れは、エンジンの運転中のロータ及び関連するステータの軸方向偏位に少なくとも部分的に基づいて制御することができる。タービンの始動及び運転停止中、ステータ部品に対するロータ部品の軸方向偏位をもたらすことができる。ロータ及びステータ部品間のこの相対的軸方向偏位は、タービンの始動中に時間と共に増大することができ、全負荷地点で最大に達する。全負荷地点を越えると、ロータ及びステータ部品間の偏位は、タービンの定常状態運転の全期間の間ほぼ一定に維持することができる。更に運転停止中、ロータ及びステータ部品間の相対的軸方向偏位は、同様に、時間と共に変化し減少することができる。従って、運転の過渡状態中、ステータの内周により保持されるシール装置は、ロータに対して相対的に移動し、入口孔の少なくとも一部を覆うことができる。更に、タービンが定常状態運転及びその近傍に達すると、シール装置は、ロータに対して移動せず、従って、引き続きタービンの定常状態運転中に入口孔の少なくとも一部を覆う。よって、シール装置は、ガスタービンの全運転状態にて入口孔への空気流を制御するよう動作することができる。本発明の１つの例示的な実施形態において、ステータ及びロータ部品間の軸方向偏位は、約０．０１インチから約０．５インチである。更に、本発明の種々の実施形態において、シール装置は、シールハブの内周に装着された１以上のブリストルを含むことができる。このシールハブの外周は更に、１以上のスポークに装着することができ、ここで１以上のスポークは、ステータの内周に装着することができる。ロータ及びステータ間の相対移動は、最大軸方向偏位の地点で入口孔を少なくとも部分的に覆うロータ表面上のブリストルの動きを促進することができる。更に、スポ−クは、ステータ及びロータ間の軸方向空気流を許容することができるように円周方向に配列され、従って、流れの最小損失をもたらす。
【００２９】
方法６００は、ブロック６０４に続いて終了することができる。
【００３０】
図６の方法６００で説明された工程は、必ずしも図６に記載された順序で実行する必要はなく、本発明の実施形態に係る好適なあらゆる順序で実施することができる。加えて、本発明の特定の実施形態では、図６に記載の要素又は工程の全てよりも多いか又は少ない要素又は工程を実施することができる。
【００３１】
本発明の実施形態は、蒸気タービン、ガスタービン、及び同様のものなど、異なるタイプのタービンに適用することができる。更に、本発明の実施形態はまた、ガスタービンのタービンセクション又は圧縮機セクションなど、タービンの異なるセクション内で使用することができる。上述の明細書において取り上げられ／提供されたあらゆる実施例は、単に説明の目的で提供され、どのようにも本発明の範囲を限定するものではないことは明らかであろう。
【００３２】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを実施及び使用し、更にあらゆる組込み方法を実行することを含む、本発明の実施を行うことも可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３３】
１００  時間に対するリム−ボア温度勾配のプロット
２００  タービンセクション
２０２  ロータ
２０４  ステータ
２０６  中実ホイール
２０８  環状ホイール
２１０  バケット
２１２  ノズル
２１４  リム
２１６  ボア
２１８  中心軸線
２２０  空気流通路
２２２  入口孔
２２４  シール装置
２２６  中実ホイールの複数の孔
２３０  圧縮機主要空気流通路
２３２  圧縮機及びタービンセクションに向かう残りの空気
２３４  タービンセクションを冷却／パージするために向かう残りの空気
３００  タービンセクション部
３０２  金属スポーク
３０４  ブリストル
３０６  ブリストルパック
３０８  シールハブ
４００  シール装置の正面図
４０２  開口
５００  時間に対するロータ及びステータの軸方向偏位のプロット
５０２  時間に対するステータの軸方向偏位を示す曲線
５０４  時間に対するロータの軸方向偏位を示す曲線
５０６  時間に対するロータ及びステータ間の相対軸方向偏位を示す曲線
６００  ロータの半径方向の温度勾配を制御するための方法
６０５  ブロック
６１０  ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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