(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンのシール方法及び装置を提供する。【解決手段】タービンバケット（１５０）で使用するためのタービンバケット冷却システム（２００）。タービンバケット冷却システムは、ロータホイール（１２０）の一部に画成された冷却空気通路（２０２）を含む。タービンバケット冷却システムはまた、タービンバケットの一部に画成される冷却空気マニホルド（２０４）を含む。冷却空気マニホルドは、冷却空気通路と流体連通して結合している。タービンバケット冷却システムは、さらに、ロータホイールの少なくとも一部を通って延在するとともに、タービンバケットの少なくとも一部に延在するシール管アセンブリ（２３０）を含む。【選択図】      図３
2010261457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンバケット（１５０）で使用するためのタービンバケット冷却システム（２００）であって、
ロータホイール（１２０）の一部に画成された冷却空気通路（２０２）と、
タービンバケットの一部に画成され、冷却空気通路と流体連通して結合した冷却空気マニホルド（２０４）と、
ロータホイールの少なくとも一部を通って延在するとともに、タービンバケットの少なくとも一部に延在するシール管アセンブリ（２３０）と
を備えるタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項２】
前記シール管アセンブリ（２３０）の少なくとも一部が、リムセクション（１３４）に画成された冷却空気通路（２０２）の少なくとも一部に挿入される、請求項１記載のタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項３】
前記冷却空気マニホルド（２０４）がダブテールセクション（１４０）に画成され、冷却空気マニホルドがシール管アセンブリ（２３０）と流体連通して結合している、請求項２記載のタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項４】
前記シール管アセンブリ（２３０）が冷却空気通路（２０２）と冷却空気マニホルド（２０４）の間に延在する、請求項３記載のタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項５】
前記シール管アセンブリ（２３０）が、シール管（２３１）に結合しているとともにダブテールセクション（１４０）及びリムセクション（１３４）の少なくとも１つに結合した１以上のシールデバイス（２３６／２４２）を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項６】
ダブテールセクション（１４０）の少なくとも一部に結合したプレート（２６０）をさらに備える、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項７】
１以上のバケット冷却通路（２５０）に挿入される１以上の流量制御デバイス（２５４）をさらに備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービンバケット冷却システム（２００）。
【請求項８】
ロータホイール（１２０）の一部に結合した１以上のタービンバケット（１５０）を有するタービンセクション（１０８）と、
冷却空気流路（１１４）を介してタービンセクションと流体連通して結合した圧縮機セクション（１０２）と
を備えるガスタービンエンジン（１００）であって、上記冷却空気流路（１１４）が、該冷却空気流路と流体連通して結合したタービンバケット冷却システム（２００）の少なくとも一部を含んでおり、上記タービンバケット冷却システム（２００）が、
ロータホイールの一部に画成される冷却空気通路（２０２）と、
タービンバケットの一部に画成され且つ冷却空気通路と流体連通して結合した冷却空気マニホルド（２０４）と、
ロータホイールの一部を通って延在するとともに、タービンバケットの一部に延在するシール管アセンブリ（２３０）と
を含んでいる、ガスタービンエンジン（１００）。
【請求項９】
１以上のタービンバケット（１５０）の少なくとも１つがダブテールセクション（１４０）を有し、冷却空気マニホルド（２０４）がダブテールセクション（１４０）に画成される、請求項８記載のガスタービンエンジン（１００）。
【請求項１０】
前記ロータホイール（１２０）の少なくとも一部がリムセクション（１３４）を含んでおり、該リムセクション（１３４）に冷却空気通路（２０２）が画成される、請求項８又は請求項９記載のガスタービンエンジン（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、ガスタービンエンジンに関し、具体的には、ガスタービンエンジンでのシール方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
幾つかの公知のガスタービンエンジンは、高温燃焼ガス流をガスタービンエンジンを通して送る複数のタービン動翼又はバケットを含む。公知のバケットは通常、ガスタービンエンジン内のロータに結合される。燃焼ガスの熱エネルギーは、バケットによって回転運動エネルギーに変換され、バケットからの回転エネルギーはロータに伝達される。これらの公知のバケットの少なくとも幾つかは、高温環境に曝される場合があり、かかるバケットを冷却することによってその有効寿命を延ばすことができる。具体的には、バケットの動作温度を制御するために、幾つかの公知のガスタービンエンジンは、空気冷却システムを介して冷却空気をバケットに当てる。具体的には、幾つかの公知のガスタービンエンジンでは、圧縮機抽出空気を、ロータ内部に画成された１以上の空気流路に送り、次いでロータ空気流路から延在する複数の流路を介してバケットに送られる。冷却空気がバケットを流れる際にバケットが冷却され、使用済み冷却空気はバケットから燃焼ガス流中に吐出される。
【０００３】
少なくとも幾つかの公知のバケット空気冷却システムはバケットとロータの間に画成されたキャビティに画成される。具体的には、かかるキャビティは、ロータのダブテールスロットとバケットの周方向列の底面部分とで少なくとも部分的に画成される。かかるキャビティは、バケットダブテール表面とロータダブテール表面との表面接触によって少なくとも部分的にシールされる。かかるキャビティの少なくとも一部は、バケット及び／又はロータダブテール表面に、例えばアルミニウムのような物質を含む材料をスプレーすることによってもシールされる。空気供給キャビティをシールするための他の設計としては、独特な形状のＣ型シール、エンドプレート、及び／又は複数のバケットにまたがるカバープレートが上げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７２０７７７５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
幾つかの公知のキャビティでは、冷却空気がバケットに送られる前に、その空気の一部が、バケット及び／又はロータダブテール表面の非シール部分を介してキャビティから、燃焼ガス流と連通したロータステータパージキャビティに漏出する。冷却空気は、圧縮機から供給されるので、かかる漏出は、ガスタービンエンジンの効率を低下させ、圧縮機のサイズ増大を招きかねない。かかるサイズの増大は通常、投資及び稼働コストを増大させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この欄に記載された発明の概要は、以下の発明を実施するための形態で詳細に説明する技術的思想を簡潔に紹介するためのものである。この概要は、特許請求の範囲に記載された発明の主要な特徴又は基本的特徴を同定するためのものでも、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を確定する役割をもつものでもない。
【０００７】
１つの態様では、ガスタービンエンジンのシール方法を提供する。本方法は、ロータホイールにタービンバケットを結合して、それらの間に境界領域を形成する段階を含む。冷却空気通路がロータホイールの一部に画成され、冷却空気マニホルドがタービンバケットの一部に画成される。本方法は、冷却空気通路の少なくとも一部にシール管を挿入する段階も含む。本方法は、さらに、冷却空気通路とシール管と冷却空気マニホルドとを流体連通して結合して、タービンバケット冷却システムを少なくとも部分的に画成する段階も含む。本方法は、ガスタービンエンジンを作動させてロータホイール及びタービンバケットを回転させてシール管に対する圧力を惹起して、タービンバケット冷却システムから境界領域を通して吐出される空気流を実質的に低減せしめる段階も含む。
【０００８】
別の態様では、タービンバケットで使用するためのタービンバケット冷却システムを提供する。本システムは、ロータホイールの一部に画成される冷却空気通路を含む。本システムは、タービンバケットの一部に画成される冷却空気マニホルドも含む。冷却空気マニホルドは、冷却空気通路と流体連通して結合している。本システムは、さらに、ロータホイールの少なくとも一部を通って延在するとともに、タービンバケットの少なくとも一部に延在するシール管アセンブリを含む。
【０００９】
別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、ロータホイールの一部に結合した１以上のタービンバケットを有するタービンセクションを含む。エンジンはまた、冷却空気流路を介してタービンセクションと流体連通して結合した圧縮機セクションを含む。冷却空気流路は、該流路と流体連通して結合したタービンバケット冷却システム（２００）の少なくとも一部を含む。タービンバケット冷却システムは、ロータホイールの一部に画成される冷却空気通路を含む。本システムはまた、タービンバケットの一部に画成された冷却空気マニホルドを含む。冷却空気マニホルドは、冷却空気通路と流体連通して結合している。本システムは、さらに、ロータホイールの一部を通って延在するとともに、タービンバケットの一部に延在するシール管アセンブリを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】区域２に沿った、図１に示すガスタービンエンジンの拡大断面図。
【図３】図２に示すガスタービンエンジンと共に用いることができるタービンバケット冷却システムの一部の概略図。
【図４】区域４に沿った、図３に示すタービンバケット冷却システムの拡大断面図。
【図５】図１に示すガスタービンエンジンを組み立てる例示的な方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書で記載される実施形態は、添付図面と共に以下の説明を参照することによってより理解することができる。
【００１２】
図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。エンジン１００は、圧縮機１０２及び複数の燃焼器１０４を含む。各燃焼器１０４は、燃料ノズルアセンブリ１０６を含む。例示的な実施形態では、エンジン１００はまた、タービン１０８及び共通圧縮機／タービンロータ１１０（ロータ１１０と呼ぶ場合もある）を含む。１つの実施形態では、エンジン１００は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国サウスカロライナ州グリーンビル）から市販されている９Ｅエンジンとも呼ばれるＭＳ９００１Ｅエンジンである。
【００１３】
図２は、区域２（図１に示す）に沿った、ガスタービンエンジン１００の一部の拡大断面図である。圧縮機１０２は、該圧縮機１０２とタービン１０８の間に延在する冷却空気流路１１４の第１の部分１１２を画成する。ロータ１１０は、冷却空気流路１１４の第２の部分１１６を画成する。第２の部分１１６は、第１の部分１１２から流体連通して延在する。例示的な実施形態では、冷却空気流１１８は、加圧空気流１１９から離れてタービン１０８に向けて送られる。さらに、例示的な実施形態では、複数のロータホイール１２０がタービン１０８内でロータ１１０に結合される。各ロータホイール１２０は、隣接ロータホイール１２０から、スペーサボア１２２によって軸方向に分離される。各スペーサボア１２２及び１つのロータホイール１２０は、組み合わせて、第２の部分１１６から流体連通して延在する冷却空気流路１１４の第３の部分１２４を画成する。冷却空気流部分１２６は、第３の部分１２４を介して冷却空気流路１１４の第２の部分１１６から離れて送られる。冷却空気流路１１４はまた、タービンバケット冷却システム２００を含み、冷却空気流路１１４の第３の部分１２４と流体連通して結合している。
【００１４】
作動中、圧縮機１０２は、ロータ１１０を介してタービン１０８によって回転される。圧縮機１０２は、加圧空気流１１９を燃焼器１０４に向けて送る。冷却空気流１１８は、冷却空気流路１１４の冷却空気流路第１の部分１１２及び第２の部分１１６それぞれを介して、加圧空気流１１９からタービン１０８に向けて送られる。冷却空気流部分１２６は、冷却空気流路第３の部分１２４を介して冷却空気流１１８から送られ、タービンバケット冷却システム２００に送られる。
【００１５】
図３は、区域３に沿った、ガスタービンエンジン１００（共に図２に示す）で使用することができるバケット冷却システム２００の一部の概略図である。例示的な実施形態では、ロータホイール１２０は、鍛造法を用いて製作されるロータ１１０の一体化部分である。或いは、ロータホイール１２０及びロータ１１０は、別個に製作され、本明細書に記載した通りバケット冷却システム２００を機能させることができるあらゆる方法を用いて共に結合される。ロータホイール１２０は、ハブセクション１３０と、ロータホイール１２０と一体的に形成され且つハブセクション１３０の半径方向外寄りにあるディスクセクション１３２とを含む。ロータホイール１２０はまた、タービンバケットアタッチメント又はリムセクション１３４を含み、ロータホイール１２０と一体的に形成され且つディスクセクション１３２の半径方向外寄りにある。
【００１６】
上述のように、ロータ１１０は、冷却空気流路１１４の第２の部分１１６を画成する。冷却空気流路１１４の第３の部分１２４は、第２の部分１１６から流体連通して延在する。冷却空気流部分１２６は、冷却空気流路１１４の第３の部分１２４を介して第２の部分１１６から離れて送られる。冷却空気流路１１４はまた、タービンバケット冷却システム２００を含む。バケット冷却システム２００は、冷却空気流路１１４の第３の部分１２４と流体連通している。
【００１７】
例示的な実施形態では、タービンバケット冷却システム２００は、ロータホイール１２０のリムセクション１３４及びタービンバケット１５０のダブテールセクション１４０に画成される。或いは、タービンバケット冷却システム２００は、本明細書で説明するようにタービンバケット冷却システム２００を機能させることができるタービンエンジン１００の何れかの部分に画成される。また、例示的な実施形態では、タービンバケット冷却システム２００は、鍛造リムセクション１３４に機械加工通路２０２を含む方法によって、リムセクション１３４に画成される冷却空気通路２０２を含む。冷却空気通路２０２は、バケット冷却空気流２０３を冷却空気流部分１２６からタービンバケット冷却システム２００に送ることができるようにする。
【００１８】
さらに、例示的な実施形態では、タービンバケット冷却システム２００は、タービンバケット１５０の一部において、具体的にはダブテールセクション１４０で画成される冷却空気マニホルド２０４を含む。さらに、例示的な実施形態では、冷却空気マニホルド２０４は、タービンエンジン１００の軸方向中心線（図示せず）に実質的に平行に延在する第１の又は軸方向部分２０６を含む。或いは、冷却空気マニホルド２０４の軸方向部分２０６は、タービンバケット冷却システム２００を本明細書で説明されるように機能させることができるあらゆる向きを有する。また、例示的な実施形態では、冷却空気マニホルド２０４は、第２の又は肘部２０８を含み、冷却空気マニホルド２０４を冷却空気通路２０２に連通して結合できるようにする。
【００１９】
幾つかの実施形態では、タービンバケット冷却システム２００は、新規に構成されたタービンエンジン１００に形成される。或いは、幾つかの実施形態では、タービンバケット冷却システム２００は、既存のタービンエンジン１００に後付けされる。具体的には、幾つかの実施形態では、ダブテールセクション１４０及びリムセクション１３４は、キャビティ２１２を画成する境界領域２１０を形成する。
【００２０】
図４は、区域４（図３に示す）に沿ったバケット冷却システム２００の拡大断面図である。例示的な実施形態では、冷却空気通路２０２は、半径方向内壁２２２で画成される半径方向内側通路２２０を含む。また、例示的な実施形態では、半径方向内側通路２２０は、実質的に円筒形で、第１の直径Ｄ１を有する。或いは、半径方向内側通路２２０は、バケット冷却システム２００を本明細書で説明するように機能させることができるあらゆる形状を有することができる。さらに、例示的な実施形態では、冷却空気通路２０２はまた、半径方向外壁２２６で画成される半径方向外側通路２２４を含む。例示的な実施形態では、半径方向外側通路２２４は、実質的に円筒の形状であり、第２の直径Ｄ２を有する。或いは、半径方向外側通路２２４は、バケット冷却システム２００を本明細書で説明するように機能させることができるあらゆる形状を有することができる。第２の直径Ｄ２は、第１の直径Ｄ１よりも大きく、半径方向内壁２２２及び半径方向外壁２２６が協働して支持レッジ２２８を形成する。
【００２１】
例示的な実施形態では、タービンバケット冷却システム２００はまた、境界領域２１０にて冷却空気通路２０２の少なくとも一部に挿入されるシール管２３１を有するシール管アセンブリ２３０を含む。シール管２３１は、第１の直径Ｄ１に実質的に類似したサイズ並びに半径方向内側通路２２０の形状に実質的に類似した形状を有する半径方向内側セクション２３２を含む。従って、シール管２３１は、半径方向内側通路２２０と緊密嵌合を形成する。半径方向内側セクション２３２は、支持レッジ２２８から半径方向内向きに半径方向内側通路２２０に延在する。シール管２３１はまた、半径方向中間部分２３４を含み、第２の直径Ｄ２と実質的に類似したサイズ及び半径方向外側通路２２４の形状に実質的に類似した形状を有する。従って、シール管２３１は、半径方向外側通路２２４と緊密嵌合を形成する。
【００２２】
また、例示的な実施形態では、半径方向中間部分２３４は、支持レッジ２２８の少なくとも一部に接して位置付けられ、シール管アセンブリ２３０は、支持レッジ２２８に接して位置付けられる第１のシールデバイス２３６を含む。第１のシールデバイス２３６は、半径方向中間部分２３４及び半径方向外壁２２６と協働し、冷却空気通路２０２からキャビティ２１２に流れ込む可能性のある空気漏洩に対して実質的にシールする。例示的な実施形態では、第１のシールデバイス２３６はリングシールである。或いは、第１のシールデバイス２３６は、タービンバケット冷却システム２００を本明細書で説明するように機能させることができる管シールなどのあらゆるタイプのシールとすることができる。
【００２３】
さらに、例示的な実施形態では、シール管２３１はまた、半径方向中間部分２３４からダブテールセクション１４０の半径方向内側表面２４０まで延在する半径方向外側部分２３８を含む。さらに具体的には、半径方向外側部分２３８は、半径方向内側表面２４０と摩擦嵌めを形成する。また、例示的な実施形態では、シール管アセンブリ２３０は、ダブテールセクション１４０の半径方向外側表面２４４に接して位置付けられる第２のシールデバイス２４２を含む。具体的には、デバイス２４２は、シール管２３１がダブテールセクション１４０の半径方向内側表面２４０に接する場所に隣接している。第２のシールデバイス２４２は、半径方向外側部分２３８及び半径方向外側表面２４４と協働し、キャビティ２１２への流れ漏出を実質的にシールし阻止する。例示的な実施形態では、第２のシールデバイス２４２は、シール管アセンブリ２３０及びタービンバケット冷却システム２００を本明細書で説明するように機能させることができるリングシールなどのあらゆるタイプのシールとすることができる。例示的な実施形態では、ロータ１１０（図１、２及び３に示す）の回転に伴ってシール管２３１に作用する遠心力は、第２のシールデバイス２４２のシール作用を促進する圧力による力を誘起する。
【００２４】
シール管２３１は、キャビティ２１２にわたって延在して、冷却空気通路２０２を冷却空気マニホルド２０４と結合できるようにする。シール管２３１は、半径方向内側表面２２２及び半径方向外側表面２２６と緊密嵌合で所定位置に少なくとも部分的に支持される。さらに、例示的な実施形態では、シール管２３１は、実質的に円筒形状を有し、シール管２３１を通る空気流を増大しながら、管２３１を通過する漏出を低減できるようにする。
【００２５】
また、例示的な実施形態では、タービンバケット冷却システム２００は、複数の空気供給毛状管２５０を含み、冷却空気通路２０２の軸方向部分２０６と流体連通して結合している。毛状管２５０は、タービンバケット１５０の部分を貫通して延在する。１以上の流量調整デバイスが各毛状管２５０に位置付けられ、所定の冷却空気流れを各タービンバケット１５０に送ることができるようにする。既存のタービンエンジン１００を改造する際に、ダブテールセクション１４０の半径方向内側表面２４０にプレート２６０を結合し、すなわち、ろう付けし、所定位置に置かれた毛状管２５０の半径方向内側部分２６２を介して、冷却空気マニホルド２０４の軸方向部分２０６とキャビティ２１２の間の流体連通を阻止できるようにする。
【００２６】
図５は、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）をシールする例示的な方法３００のフローチャートである。例示的な実施形態では、冷却空気通路２０２（図４に示す）がロータホイールリムセクション１３４（図４に示す）などのロータホイール１２０（図３に示す）の一部に形成（すなわち、機械加工）される（３０２）。次に、冷却空気マニホルド２０４（図４に示す）がタービンバケット１５０（図４に示す）の一部に形成（すなわち、鋳造及び／又は機械加工）される（３０４）。シール管２３１が、タービンバケットアタッチメント又はロータホイールリムセクション１３４の少なくとも一部及びダブテールセクション１４０の少なくとも一部と接触する向きになるように、シール管２３１（図４に示す）が冷却空気通路２０２の少なくとも一部に挿入される（３０６）。タービンバケット１５０をロータホイールリムセクション１３４に結合する結果として、冷却空気通路２０２、シール管２３１及び冷却空気マニホルド２０４が共に流体連通して結合し（３０８）、これにより、境界領域２１０（図３及び４に示す）の形成を含む、タービンバケット冷却システム２００（図２、３及び４に示す）が少なくとも部分的に形成される。冷却空気通路２０２が、冷却空気流部分１２６及び／又は圧縮機１０２などの冷却空気源と流体連通して結合している（３１０）。１以上のシールデバイス２３６及び／又は２４４２（共に図４に示す）が、シール管２３１、リムセクション１３４及び／又はダブテールセクション１４０の少なくとも１つに結合される（３１２）。互いに結合されるリムセクション１３４及びダブテールセクション１４０を含む、ロータ１１０（図１及び２に示す）は、シール管２３１に作用する遠心力を誘起するよう回転され（３１４）、かかる遠心力に続いて、第２のシールデバイス２４２のシール作用を可能にする圧力の力を誘起し、これによりタービンバケット冷却システム２００から境界領域２１０を通って吐出される空気流が実質的に低減されるようになる。
【００２７】
本明細書では、ガスタービンエンジンのシールを可能にする方法及び装置の例示的な実施形態を説明した。具体的には、タービンバケット冷却システムに組み込まれたシール管アセンブリ（共に本明細書で説明されるような）は、かかるタービンバケットへの関連する冷却空気流からの冷却空気漏出を低減しながら、タービンバケットに十分に冷却空気を送ることができるようにする。具体的には、本明細書で説明されるようにシール管アセンブリのシール構成部品に円筒及び円形形状を選択することによって、潜在的に空気漏出を生じる可能性のあるシール表面の長さを低減すると同時に、ほとんどの他の幾何形状よりも比例して大きな空気流表面が可能になる。また、具体的には、ガスタービンエンジンの回転に伴ってシール管に作用する遠心力を用いることによって、シール管アセンブリのシール作用を可能にする圧力の力が誘起される。
【００２８】
本明細書で説明される方法及びシステムは、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されない。例えば、各システムの構成要素及び／又は各方法のステップは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又はステップとは独立して別個に使用及び／又は実施することができる。加えて、各構成要素及び／又はステップは、他のアセンブリパッケージ及び方法と共に使用及び／又は実施することができる。
【００２９】
種々の特定の実施形態について本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に修正を加えて本発明を実施することができることは、当業者には自明であろう。
【図１】
2010261457.tif 000003
【図２】
2010261457.tif 000004
【図３】
2010261457.tif 000005
【図４】
2010261457.tif 000006
【図５】
2010261457.tif 000007