(57)【要約】【課題】感圧塗料を用いたホイールスペースの流れの視覚化方法を提供すること。【解決手段】タービン高温ガス経路における高温燃焼ガスとタービンロータホイールスペースにおけるパージ空気との界接面における局所的温度変動を測定する方法であって、高温燃焼ガスがパージ空気と界接する場所にある回転可能タービン構成要素に感圧又は感温塗料を塗布する段階と、感圧塗料に近接した位置にある固定構成要素上に少なくとも１つの照射装置と少なくとも１つの画像検出装置とを配置する段階と、タービンの作動中に、温度と共に変化する酸素の分圧の局所的変動によって引き起こされる感圧塗料の色の変化を撮像する段階と、を含む。【選択図】      図１
2014051977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン高温ガス経路における高温燃焼ガスとタービンロータホイールスペースにおけるパージ空気との界接面における局所的温度変動を測定する方法であって、
前記高温燃焼ガスが前記パージ空気と界接する場所にある回転可能タービン構成要素に感圧又は感温塗料を塗布する段階と、
前記感圧塗料に近接した位置にある固定構成要素上に少なくとも１つの照射装置と少なくとも１つの画像検出装置とを配置する段階と、
前記タービンの作動中に、酸素の分圧の局所的変動によって引き起こされる前記感圧又は感温塗料の色の変化を撮像する段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記回転可能タービン構成要素が、複数のバケットを装着したタービンロータを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記感圧又は感温塗料が、前記複数のバケットのうちの少なくとも１つのバケットの上流側面から軸方向に延びるシールのペアの上部、間、及び下部に塗布される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記照射装置がＬＥＤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記画像検出装置が、高速度カメラを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記感圧又は感温塗料が、前記ロータの周りに円周方向に離間した前記複数のバケットのうちの少なくとも１つのバケットを半径方向に離間したパッチ形態で塗布される、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記感圧又は感温塗料が、前記ロータ及び前記複数のバケットに実質的に連続したリング形態で塗布される、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記固定構成要素から軸方向にシールランドが延びて前記シールのペアと少なくとも部分的に相互嵌合し、前記界接部が前記高温ガス経路と前記ホイールスペースとの間に蛇行流路を含むようになる、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
半径方向に離間したエンジェルウィングシールのペアが前記複数のバケットの各々から軸方向に突出し、前記感圧又は感温塗料が、前記エンジェルウィングシールのうちの半径方向外側のエンジェルウィングシールの半径方向外向きで、及び前記半径方向に離間したエンジェルウィングシールのペア間で半径方向に、並びに前記エンジェルウィングシールのうちの半径方向内側のエンジェルウィングシールの半径方向内向きで前記ロータ及び前記複数のバケットのうちの少なくとも１つに塗布される、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
燃焼ガスの高温ガス流路とタービンロータホイールスペース内のパージ空気流路との間の蛇行した半径方向に配向された経路内の温度変動を測定する方法であって、前記半径方向に配向された経路が、前記高温ガス経路に沿った燃焼ガスの流れに対して上流側面及び下流側面を有し、
前記方法が、
前記半径方向に配向された経路の下流側面上で回転構成要素に感圧又は感温塗料を塗布する段階と、
前記半径方向に配向された経路の上流側面上の固定構成要素上に少なくとも１つの照射装置と少なくとも１つの画像検出装置とを配置する段階と、
ガスタービンの作動中に、前記感圧又は感温塗料の色の変化を撮像する段階と、
半径方向に配向されたギャップ内の前記塗料に基づいて流れ表現を作成する段階と、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記回転タービン構成要素が、複数のバケットを装着したタービンロータを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記感圧又は感温塗料が、前記バケットのうちの少なくとも１つのバケットの上流側面から軸方向に延びるシールのペアの上部、間、及び下部に塗布される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの照射装置がＬＥＤを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの画像検出装置が、高速度カメラを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記感圧又は感温塗料が、前記ロータの周りに離間した前記複数のバケットのうちの少なくとも２つのバケットを半径方向及び円周方向に離間したパッチ形態で塗布される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記感圧又は感温塗料が、前記ロータ及び前記複数のバケット上に実質的に連続したリング形態で塗布される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記固定構成要素から軸方向にシールランドが延びて前記シールのペアと少なくとも部分的に相互嵌合する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
半径方向に離間したエンジェルウィングシールのペアが前記複数のバケットの各々から軸方向に突出し、前記感圧又は感温塗料が、前記エンジェルウィングシールのうちの半径方向外側のエンジェルウィングシールの半径方向外向きで、及び前記半径方向に離間したエンジェルウィングシールのペア間で半径方向に、並びに前記エンジェルウィングシールのうちの半径方向内側のエンジェルウィングシールの半径方向内向きで前記複数のバケットのうちの少なくとも１つに塗布される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
シードガスが前記パージ空気に添加されて前記色変化の撮像を強化する、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
前記シードガスがＣＯ2である、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にガスタービンエンジン技術に関し、また、ガスタービンエンジンのホイールスペース及びロータキャビティ内部の流体ダイナミックスの調査に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、流体ダイナミックスの多次元的把握を得ようとする試みがなされてきたが、１つには、ＰＩＶのようなレーザ診断方法、並びに油流のような表面流れの視覚化に関する従来の光学的アクセスの問題に起因して成功していない。
【０００３】
３次元翼形部モデルの熱伝達特性を決定する（米国特許第８，１０４，９５３号を参照）ためなど、風洞試験における診断ツールとして感圧塗料（ＰＳＰ）が使用されている（米国特許第７，２９０，４４４号及び第５，１８６，０４６号を参照）。照明及び検出装置を含む感圧塗料システム制御装置が、米国特許第６，４７４，１７３号及び米国特許第５，６１２，４９２号に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，１０４，９５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ロータホイールスペースキャビティ、並びにロータキャビティが高温燃焼ガス流路と接合する狭い領域など、タービンエンジンのアクセスの難しい限定的領域における３次元流れ分析を可能にする構成に対する必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
限定ではなく例示的な実施形態によれば、タービン高温ガス経路における高温燃焼ガスとタービンロータホイールスペースにおけるパージ空気との界接面における局所的温度変動を測定する方法であって、高温燃焼ガスがパージ空気と界接する場所にある回転可能タービン構成要素に感圧又は感温塗料を塗布する段階と、感圧塗料に近接した位置にある固定構成要素上に少なくとも１つの照射装置と少なくとも１つの画像検出装置とを配置する段階と、タービンの作動中に、温度と共に変化する酸素の分圧の局所的変動によって引き起こされる感圧塗料の色の変化を撮像する段階と、を含む。
【０００７】
別の態様において、燃焼ガスの高温ガス流路とタービンロータホイールスペース内のパージ空気流路との間の蛇行した半径方向に配向された経路内の温度変動を測定する方法であって、半径方向に配向された経路が高温ガス経路に沿った燃焼ガスの流れに対して上流側面及び下流側面を有し、本方法が、半径方向に配向された経路の下流側面上で回転構成要素に感圧又は感温塗料を塗布する段階と、半径方向に配向された経路の上流側面上の固定構成要素上に少なくとも１つの照射装置と少なくとも１つの画像検出装置とを配置する段階と、ガスタービンの作動中に感圧又は感温塗料の色の変化を撮像する段階と、半径方向に配向されたギャップ内に温度ベースの流れ表現を作成する段階と、を含む。
【０００８】
ここで、以下に示された図面に関して本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガスタービンにおけるタービンロータホイールスペース及び高温ガス経路の簡易部分側断面図。
【図２】タービンロータエンジェルウィングシールにおけるホイールスペースパージ空気と高温燃焼ガスの収束を示す、タービンロータ及びタービンノズルの概略側面図。
【図３】図２に示す構成の概略部分正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、全体的に符号１０で示されたガスタービンの１つの段における典型的な固定ノズル及び回転バケットの断面を示している。ロータ１１は、軸方向に離間したロータホイール１２、１３と、スペーサ１４とを備え、これらは、円周方向に離間して軸方向に延びる複数のボルト１６によって互いに界接される。図示の実施例において、第１段ノズル１８及び第２段ノズル２０は各々、ロータに対して周囲を囲む関係で円周方向に離間した固定ステータブレードを含む。ノズルの間には、ロータ及びロータホイール１２、１３と共に回転する第１及び第２段ロータブレード又はバケット２２、２４があり、それぞれが従来の方式でホイール上に装着されている。
【００１１】
各バケット（例えば、図１のバケット２２）は、前縁２８と後縁３０とを有する翼形部２６を含み、該翼形部は、プラットフォーム３４と一体形カバープレートを備えたシャンクポケット３６とを有するシャンク３２の半径方向外向きに支持されている。バケットのダブテール部分３８（シャンクの半径方向内向き、但し、詳細には図示していない）は、ロータホイール１２内に形成された全体的に対応するダブテールスロットと接続するよう適合されている。バケット２２は、典型的には一体鋳造され、軸方向に突出する内側及び外側エンジェルウィングシール４４、４６を含み、該エンジェルウィングシールは、隣接するノズルダイアフラム４０上に形成されたシールラン４８、５０とそれぞれ協働して、高温ガス経路を通り（全体的に矢印５２で示される）、バケットとロータとの間に半径方向に配置されるホイールスペースキャビティ（符号５４で示される）に流入する高温燃焼ガスの吸込みを制限する。エンジェルウィングシール４４、４６とノズルランド４８、５０とを少なくとも部分的に相互に嵌合することにより、曲がった又は蛇行した半径方向ギャップ５１が確立され、ホイールスペース内への高温燃焼ガスの吸込みが抑制される。従って、ギャップ５５は、ホイール又はバケットの上流側表面とノズルダイアフラムの隣接する下流側表面とによって形成される。高温燃焼ガスの吸込みはまた、ホイールスペースを通って流れるパージ空気を低温にすることによっても抑制され、その一部が経路５５を介して流出させようとしている点を理解されたい。この界接部における流れダイナミックスを把握することは重要であり、本開示に関する関心領域である。
【００１２】
図１及び２を参照すると、バケットプラットフォーム３４の縁部と外側エンジェルウィングシール４４との間の区域は、いわゆる「トレンチキャビティ」５８を形成し、ここでは、ホイールスペースから流出する低温のパージ空気が高温燃焼ガスと直接界接する。外側及び内側エンジェルウィングシール４４、４６間の区域は、いわゆる「バッファ」区域、すなわち、異なる温度領域間のゾーン６０を形成する。一般に、トレンチキャビティ５８内を低温に維持することにより、エンジェルウィングシール４４、４６及びひいてはバケット自体の耐用期間を延長することができる。
【００１３】
図２及び図３は、半径方向ギャップ５５全体内の局所的温度変動に関する情報を効果的に収集するためのＰＳＰの１つの塗布方式を例示した非限定的な例示的構成を示している。具体的には、ＰＳＰは、バケットプラットフォーム３４と外側エンジェルウィングシール４４との間、内側及び外側エンジェルウィングシール４４、４６の間、並びに内側エンジェルウィングシール４６の半径方向内向きに半径方向に整列した区域においてロータホイール及び／又はバケットシャンク部分に塗布される。ＰＳＰは、６４、６６、６８で示す、弓形又は矩形のパッチ又はパターン形態で塗布することができる。ＰＳＰパターン６２、６４は、エンジェルウィングシール及び対向するランド４８、５０によって形成される蛇行経路内に直接位置する点に留意されたい。
【００１４】
それぞれのＰＳＰパターン６４、６６、６８の反対側には、放射線源又は照射装置７０、７２、７４（低電力白色光出力、フィルタ処理なし）が配置される。各照射装置に隣接するのは、良好な分解能を有する自動連続高速度カメラ７６、７８、８０などの検出装置である。照射装置と検出装置の両方は、ＰＳＰと共に使用するのに有利である現在入手可能なものから選択することができる。ガスタービン用途及び特にこの場合の到達し難い関心領域に伴う限定的なスペース及びアクセス上の問題は、使用される特定の照射及び検出装置によって決まることになる。
【００１５】
ＰＳＰは、温度と共に変化する酸素の分圧の局所的変動に基づいて色が変化する。従って、画像を記録してこれをシステムコントローラ／データ分析ユニットに送信して、ここで位相固定などの公知のデジタル強調技術によって操作することにより、この事例では、ホイールスペースパージ空気及び高温燃焼ガスの界接部にて表面流れ表現を生成する。この点に関して、第１のタービン段での高温燃焼ガスは、約４００°Ｆ程度とすることができ、他方、パージ空気は、最大で２００°Ｆとすることができる。従って、データは、温度プロファイル及び／又は温度ベースの流れ表現に変換することができ、これにより、高温燃焼ガスがホイールスペースキャビティ内に吸い込まれているかどうか、及びどの程度まで吸い込まれているか、並びにこの２つの混合が当該界接部にてどこで起きているかを識別することができる。換言すると、当業者は、得られた画像を調べて、ホイールスペース内部の対流パターン、並びにエンジェルウィングシールのアクセス性能及び／又はシールの硬質の回転表面及び／又はホイールの隣接表面上での熱伝達を推測することができる。
【００１６】
視覚化結果を更に強化するために、ホイールスペースパージ空気に酸素のないＣＯ２のようなガスを供給（シード）し、その結果、ＰＳＰの色区別を強化することができる。換言すると、酸素の分圧は、温度によってだけでなく、シードガス濃度に伴って変化することになる。他の比較的不活性のガスもまた、パージ空気のシードガスとして用いることができる。何れの場合においても、パージ流にシードガスが混入される場合には、パージ流と吸い込んだコア（高温燃焼ガス）流との間の温度差を小さくすることにより、あらゆる測定誤差を削減することができる。
【００１７】
ＰＳＰが好適な測定媒介として識別されているが、感温塗料（ＴＳＰ）を用いても同じ目標を達成できることは理解されるであろう。「液晶」として呼ばれ見なされることが多いが、ＴＳＰの時間定数が長いほど、得られる測定値はむしろ「中間」のものが多い。
【００１８】
この塗料（ＰＳＰ又はＴＳＰの何れか）は、１つ又はそれ以上のバケット上でロータの周りに円周方向に離間したホイール表面に隣接した弓形又は矩形のセグメント（図３）で示すように塗布することができ、或いは、連続した環状リングで塗布することもできる。更に、照射及び検出装置の少なくとも１つのセットが例示されたが、円周方向に離間した位置で２つ又はそれ以上のセットを利用して、半径方向及びホイールの周囲の周りの温度分布内での円周方向の異常を検出することができる。
【００１９】
また、上述の診断プロセスは、タービンバケットの上流側と関連して説明している点に留意されたい。同様の構成をバケットの下流側の半径方向ギャップに、並びに温度差違及び流れダイナミックが懸念される到達し難い区域に適用してもよい。
【００２０】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ガスタービン
１１  ロータ
１２，１３  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
２２，２４  第１及び第２段ロータブレード又はバケット
２６  翼形部
２８  前縁
３０  後縁
３２  シャンク
３４  プラットフォーム
３６  シャンクポケット
３８  ダブテール部分
４０  ノズルダイアフラム
４４，４６  外側エンジェルウィングシール
４８，５０  シールランド
５２  矢印
５４  ホイールスペースキャビティ
５５  半径方向ギャップ
５８  トレンチキャビティ
６０  バッファ区域又はゾーン
６４，６６，６８  ＰＳＤパターン
７０，７２，７４  放射線源又は照射装置
７６，７８，８０  高速度カメラ
【図１】
2014051977.tif 000003
【図２】
2014051977.tif 000004
【図３】
2014051977.tif 000005
【外国語明細書】
2014051977000001.pdf