(57)【要約】【課題】漏出流を低減し、先端渦サイズ並びにタービン効率を改善する主流への貫通を最小限にするための先端クリアランス制御機構を提供すること。【解決手段】先端クリアランス制御機構は、回転シュラウドの配置及びシュラウド形状、歯の種々の形状及び回転シュラウド上の位置、並びに１以上の歯の種々の形状及び固定シュラウド上の位置、或いは同程度の先端クリアランス制御を提供するケーシング壁構成を含む。漏出流の低減は、これらの構成部品がどのように共に組み付けられるかによって決まり、回転シュラウドと固定シュラウドとの間のクリアランスを定義する。【選択図】      図３
2011069361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧蒸気タービンの段のための回転機械先端クリアランス制御機構であって、
外側半径方向先端上に配置されたロータブレードシュラウドを有する翼形部を含むロータブレードと、
前記ロータブレードシュラウド上に半径方向外向きに突出し、前記翼形部の翼弦に対してほぼ中心に配置されたロータ歯と、
前記ロータブレードシュラウドから半径方向外向きに配置されたシュラウドを含む回転機械のケーシングと、
半径方向内向きに突出するケーシングシュラウド上に配置された少なくとも１つのステータ歯と、
ロータブレードとケーシングシュラウドとの間に形成され、漏出流を制限して段効率を高めるよう適合されたクリアランス区域と
を含む回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項２】
前記ロータ歯が、翼形部翼弦長の約４０％〜約５０％の範囲に配置される、請求項１記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項３】
前記ロータ歯高さが、約０．１９インチ〜約０．３５インチを含む、請求項２記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項４】
前記少なくとも１つのステータ歯が、約０．６インチ〜約０．８２５インチの範囲でロータ歯軸線に対して前方に配置された前方ステータ歯と、約０．５インチ〜約１．０インチの範囲でロータ歯軸線に対して後方に配置された後方ステータ歯とを含む、請求項３記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項５】
前記ロータブレードシュラウドが、前記ロータ歯の正圧側面上に外向きの傾斜上側表面と、前記ロータ歯の負圧側面上に実質的に平面の上側表面とを含む、請求項１記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項６】
前記ロータブレードが、低圧タービン用の最終段ロータブレードを含み、前記ロータ歯が翼形部翼弦長の約５０％にて配置され、前記ロータ歯高さが約０．３５インチであり、前記少なくとも１つのステータ歯が、約０．８インチだけロータ歯軸線から前方に配置された前方ステータ歯と、約０．８インチだけロータ歯軸線から後方に配置された後方ステータ歯とを含み、前記前方ステータ歯高さが約０．６インチであり、前記後方ステータ歯が約０．２インチであり、前記ロータブレードシュラウドが、前記ロータ歯の正圧側面上に傾斜上側表面と、前記ロータ歯の負圧側面上に実質的に平面の上側表面と、を含む、請求項１記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項７】
前記ロータ歯が、翼形部翼弦長の約５０％に配置される、請求項３記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項８】
前記少なくとも１つのステータ歯が、前記ロータ歯に対して約０．５インチ〜約０．７インチだけ前方に配置された前方ステータ歯と、約１．１インチ〜約１．５インチの範囲で前記ロータ歯軸線から後方に配置された後方ステータ歯のうちの少なくとも１つを含む、請求項７記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項９】
前記後方ステータ歯高さが約０．２インチである、請求項７記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項１０】
前記ロータブレードシュラウドが、前記ロータ歯の正圧側面上に外向きの傾斜上側表面と、前記ロータ歯の負圧側面上に外向きの傾斜上側表面とを含む、請求項１２記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項１１】
前記ロータブレードが、低圧タービン用の最後から２番目の段ロータブレードを含み、前記ロータ歯が翼形部翼弦長の約５０％にて配置され、前記ロータ歯高さが約０．３５インチであり、前記後方ステータ歯が前記ロータ歯軸線の約０．９５インチ後方に配置され、前記後方ステータ歯高さが０．２インチであり、前記ロータブレードシュラウドが、前記ロータ歯の正圧側面上に傾斜上側表面と、前記ロータ歯の負圧側面上に傾斜上側表面とを含む、請求項３記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのステータ歯が、回転機械のケーシングの一体化部分として形成される、請求項１記載の回転機械先端クリアランス制御機構。
【請求項１３】
先端漏出を低減して段効率を改善するよう適合された回転機械を先端クリアランス制御する方法であって、
先端シュラウドの形状を選択する段階と、
ロータ歯形状を選択する段階と、
ロータ歯の数を選択する段階と、
ステータ歯形状を選択する段階と、
ステータ歯の数を選択する段階と
を含む方法。
【請求項１４】
先端シュラウドの形状を選択する前記段階が、傾斜上流側上面及び高度下流側上面、間に段部を備えた傾斜上流側上面及び高度下流側上面、傾斜上流側上面及び傾斜下流側上面のうちの１つから形状を選択する段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
ロータ歯形状を選択する前記段階が、ロータシュラウドの上面に対して角度付きロータ歯及び垂直なロータ歯のうちの１つからロータ歯形状を選択する段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
ロータ歯形状を選択する前記段階が、１又は２つのロータ歯を備えた構成を選択する段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
ステータ歯形状を選択する前記段階が、角度付きステータ歯、垂直ステータ歯、上流向き及び下流向きの一方に延びる先細外側端部の１つを有する複合ステータ歯、並びに縁部の１つ及び上面の１つに先細になった外側端部を有する垂直ステータ歯の１つからステータ歯形状を選択する段階を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記ステータ歯の高さの大きさを決定する段階をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
前記ステータシュラウド上のステータ歯を位置付ける段階をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
前記先端シュラウド上のロータ歯を位置付ける段階をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
前記ロータ歯高さを設定する段階をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
少なくとも１つのステータ歯回転機械のケーシングの一体化部分として形成する段階をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンのタービンブレードにおける先端クリアランス制御機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン段は、アニュラスにおいて固定ベーンの１つの列とこれに続く回転ブレードの１つの列とからなる。流れは、ベーンにおいて部分的に膨張され、回転ブレードに配向され、ここでさらに膨張されて必要な出力を発生する。機械的作動上の安全性を確保するために、回転ブレードの先端とタービンエンジンのケーシングの外側アニュラス壁との間には、最小限の物理的クリアランス要件がある。このクリアランスは、ロータ動特性並びにロータ及びケーシングの熱挙動に基づいて変わる。物理的クリアランスの減少は、信頼性上の問題を引き起こすことになる。
【０００３】
タービンブレードは、ガス又は蒸気などの作動流体からの熱エネルギーをロータが回転する機械的仕事に変換するよう設計された一連の段における回転する翼形部型構成部品である。クリアランス区域から出る高エネルギー流は、段性能において２０％の損失、すなわち出力低下を占めることになる。タービンの性能は、ブレード先端の外側縁部をシールして、作動流体がブレード先端とタービンの外側ケーシングとの間のギャップに漏出するのを阻止することによって向上させることができる。タービンブレード先端とタービンケーシング間のギャップをシールするための一般的な方法は、ブレード先端シュラウドによるものである。シュラウドがよりタービン性能を向上させるだけでなく、特に半径方向長さが大きなタービンブレードにおいて振動ダンパーとしても機能する。シュラウドは、固有周波数を高める機構として働き、その結果、固有周波数でのブレードの共鳴時間が長くなることに起因する故障が最小限に抑えられる。
【０００４】
図１には、典型的なタービンブレードの一部が、シュラウド（タービンバケットカバー又は先端カバーとも呼ばれる）と共に図示されている。タービンブレード１０は、翼形部セクション１１及びシュラウド１２を含む。シュラウド１２は、翼形部１１に一体的に製造することができる。翼形部はさらに、シュラウド１２とほぼ垂直に延びる前縁１５及び後縁１６を含む。シュラウド１２は、ある厚みを有し、隣接するタービンブレードが存在するときに連結構成を生成するよう切断できる側壁１７を有する。連結機構は、２つの軸受面に沿って存在し、ここで隣接するタービンブレード（図示せず）がシュラウド１２に接触する。この連結機構は、軸受面１３でのタービンブレードシュラウド１２の連結機構であり、振動減衰手段並びにタービンガス通路内の作動流体をシールする手段を提供する。典型的なタービンブレードシュラウドの追加機能は、ナイフエッジ先端シール（ロータ歯又は歯シールとも呼ばれる）１４とすることができる。ブレードシュラウドのサイズに応じて、１以上の先端シールを利用することができる。これらのシールは、互いに平行で、通常はエンジン軸線１８に垂直にわたり、シュラウド１２から外向きに延びている。これらのシールの目的は、タービンケーシング（図示せず）のシュラウドブロックを係合し、ブレード先端周りの漏出をさらに最小限にし、バケット先端がケーシングを摩擦する場合の機械的衝撃を低減することである。先端漏出は、他の場合には主流路に流れてタービンブレード上で仕事をするはずの作動流体を分流する。先端漏出はさらに、渦サイズ及び強度の増大をもたらす可能性があり、ブレードから下流側の主蒸気流路を突き抜けて、背圧を上昇させ、これにより段効率を低下させる場合がある。しかしながら、先端シールとケーシングシュラウド間のクリアランスは、熱膨張及び回転非対称に対処するために設ける必要がある。完全に覆われたタービンブレード先端は、先端渦サイズ、強度、及び先端漏出が低減されることに起因して、未被覆バケット先端よりも優れた空力性能を有する。
【０００５】
シュラウドの目的は、流路内の作動流体をシールすること、並びに振動抑制手段を提供することであるが、シュラウドには欠点もある。シュラウド概念の欠点は、タービンブレードにシュラウド重量が付加されることである。作動中、タービンブレードはエンジン軸線周りにディスク上で回転する。典型的な産業上の応用は、最大３６００回転／分のディスク速度を含む。ブレードは、ブレード根元とディスクとの間の連結遮断によってディスク内に保持される。タービンブレードが回転すると、遠心力によりブレードがこの取り付け点においてタービンディスクに外向きに荷重を加えるようになる。ディスク及びひいてはブレード根元への荷重の量は、ブレードの重さの関数である。すなわち、ブレードが重くなるほど、所与の毎分回転数においてより大きな荷重及び応力がブレード及びディスク間の境界面に見られる。ブレード根元及びディスクへの過剰な荷重は、各構成部品の寿命全体を短縮する可能性がある。シュラウドに対する別の欠点は、ブレードシュラウドのクリープ巻き上げである。シュラウドの厚みに応じて、シュラウド縁部が端部において巻き上がり、シュラウド及びブレード先端間のフィレットに過酷な撓み応力を生じる可能性がある。シュラウド巻き上げは、ガス圧力荷重並びに遠心荷重によるシュラウドの縁部に加わる曲げ荷重に起因する。シュラウドの巻き上げは、ビームの自由端部での荷重にキンした片持ちビームの撓みと似ている。この巻き上げ現象に対する産業上の公知の調整は、シュラウドの断面厚みを均一に増大させて、より剛性のあるシュラウド及びより強い巻き上げ耐性をもたらすことである。単にシュラウド厚みを均一に増大させることの不利点は、この追加材料によりシュラウドに付加される重量の追加である。
【０００６】
上述のように、先端カバーがタービンケーシング壁を摩擦するのを阻止し、先端漏出をさらに低減するために、１つ又は複数のタービン歯を先端カバーの上部に配置することができる。幾つかの応用では、根元歯は、ケーシングシュラウドから懸下され且つロータ歯と一体化されるステータ歯を伴うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，２５５，５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、タービンブレードの先端漏出を制限しながら、同時に段子効率を高めることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、低圧蒸気タービンの段のための回転機械先端クリアランス制御機構が提供される。クリアランス制御機構は、外側半径方向先端上に配置されたロータブレードシュラウドを有する翼形部を含むロータブレードを提供する。ロータ歯は、ロータブレードシュラウド上に半径方向外向きに突出し、該ロータ歯は翼形部の翼弦に対してほぼ中心に配置される。ケーシングシュラウドは、ロータブレードシュラウドから半径方向外向きに配置することができる。少なくとも１つのステータ歯は、ケーシングシュラウド上に設けられる。ステータ歯は、半径方向内向きに突出し、ロータ歯に対して軸方向に配置することができる。クリアランス区域は、ロータブレードとケーシングシュラウドとの間に形成することができ、漏出流を制限して段効率を高めるよう適合される。
【００１０】
本発明の別の態様は、ロータブレードのロータブレードシュラウドとケーシングシュラウドとの間で低圧蒸気タービンの段のロータブレード用の先端クリアランス制御機構を可能にする方法を提供する。本方法は、先端シュラウドの形状を選択する段階と、ロータ歯形状を選択する段階と、ロータ歯の数を選択する段階と、ステータ歯形状を選択する段階と、ステータ歯の数を選択する段階と、を含む。
【００１１】
本発明のこれら及び他の目的並びに利点は、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより深く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】タービンブレードの従来技術のシュラウドを示す図。
【図２Ａ】ステータ歯の数及び配置並びにロータ歯の数及び配置を変化させた、ロータ先端シュラウド構成の複数の配置の図。
【図２Ｂ】複数のステータ歯構造体の図。
【図２Ｃ】複数のステータ歯構造体の図。
【図２Ｄ】ステータ歯をケーシングの一体化部分として形成することができる、種々の例示的な先端クリアランス制御構成を示す図。
【図３】ロータブレードシュラウド上に本発明のクリアランス機構を組み込んだタービンブレードを示す図。
【図４Ａ】本発明の先端クリアランス制御機構におけるロータシュラウド及びケーシングシュラウドの構成部品の幾何学的パラメータを示す図。
【図４Ｂ】低圧蒸気タービンの大型ブレード用のロータブレードシュラウドの上面の平面図。
【図５Ａ】ロータブレードシュラウドの後端上の典型的な位置に配置された単一の従来ロータ歯を越える漏出流を示す図。
【図５Ｂ】低圧タービンの最終段ブレード上のクリアランス機構の好ましい実施形態に対する漏出流制御を示す図。
【図６Ａ】低圧タービンの最後から２番目のロータブレードシュラウドの後端上の典型的な位置に配置された単一の従来ロータ歯を越える漏出流を示す図。
【図６Ｂ】低圧タービンの最後から２番目のクリアランス機構の好ましい実施形態に対する漏出流を示す図。
【図７】低圧蒸気タービンのロータブレード用のクリアランス機構を形成するための方法５００のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の以下の実施形態は、バケット先端漏出流の低減、ロータトルク仕事の増大、先端渦により引き起こされる混合損失の最小化、タービン性能の改善、及び先端カバー重量の低減を含む、多くの利点を有する。
【００１４】
本発明は、漏出流を低減し、先端渦サイズ並びにタービン効率を改善する主流への貫通を最小限にするための先端クリアランス制御機構を備えた回転機械に関する。先端クリアランス機構は、回転シュラウドの配置及びシュラウド形状、歯の種々の形状及び回転シュラウド上の位置、並びに１以上の歯の種々の形状及び固定シュラウド上の位置又は同程度の先端クリアランス制御を提供するケーシング壁構成を含む。漏出流の低減は、これらの構成部品がどのように共に組み付けられるかによって決まり、回転シュラウドと固定シュラウドとの間のクリアランスを定義する。
【００１５】
図２、２Ｂ、２Ｃ、及び２Ｄは、回転機械用の本発明の先端クリアランス制御機構を設定するよう考慮することができる種々の例示的な本発明の構成を示している。
【００１６】
図２Ａは、ステータ歯の数及び配置並びにロータ歯の数及び配置を変化させた、ロータ先端シュラウド構成の複数の例示的な本発明の配置を示す。ロータ先端シュラウド構成は、高度がほぼ下流側の側部と組み合わされる上流側の側部上のスロープを備えた上面を含むことができる。ロータ先端シュラウドは、１つの段部で隔てられた高度がほぼ下流側の側部と上流側の側部上にあるスロープを備えた上面を含むことができる。
【００１７】
図２Ｂは、複数の例示的な本発明のステータ歯構造を示す。ステータ歯５０は、漏出流に対してほぼ下流方向のクリアランス通路への延長部を含む。
ステータ歯５０の上流面５１は、固定シュラウド４５の上流面５２に円滑に一体化されるよう曲線輪郭にすることができる。下流面５３は平坦とすることができる。ステータ歯５５は、固定シュラウド４５に垂直なクリアランス通路に延びるほぼ一定の厚みの第１の断面５６と、漏出流に対して下流方向のクリアランス通路にさらに延びるほぼ先細の断面５７とを含むことができる。ステータ歯６０は、固定シュラウド４５に垂直なクリアランス通路に延びるほぼ一定の厚みの第１の断面６１と、漏出流に対して上流方向のクリアランス通路にさらに延びるほぼ先細の断面６２とを含むことができる。ステータ歯６５は、固定シュラウド４５に垂直なクリアランス通路に延びるほぼ一定の厚みの第１の断面６６と、クリアランス通路にさらに延びるほぼ先細の断面６２とを含むことができ、該先細は漏出流に対して上流側に設けられる。上面６８は、ステータ歯６７上に設けることができる。ステータ歯７０は、クリアランス通路内に延びる一定厚みの第１の断面７１を含み、第１の断面から延びて縁部７３上の両側に先細になった第２の断面７２を備える。
【００１８】
図２Ｃは、本発明の複数の例示的なロータ歯構造を示している。ロータ歯８０は、ほぼ湾曲した上流面８１と、漏出流に対してほぼ平坦な下流面８２とを含むことができる。ロータ歯８０は、漏出流に対してほぼ上流側方向でクリアランス通路内に延びることができる。ロータ歯８０は、ロータシュラウド８３の上流側部上の第１の面８４から、及びロータシュラウド８３上の異なる高度の下流面８６から延びることができる。ロータ歯８５は、ロータシュラウド８３に対して垂直にクリアランス通路内に延びることができる。ロータ歯８５は、一定厚みの第１の断面８７と、先細厚みを有する外側断面８８とを含むことができ、該先細は、漏出流に対し下流側側部８９上に設けられ、上面８９で終端する。
【００１９】
図２Ｄは、ケーシング選択肢９０の種々の例示的な先端クリアランス制御構成を示し、ここでステータ歯は、回転機械のケーシングの一体化部分として形成することができる。ロータ先端シュラウド８５を有するロータブレード１０は、回転機械用のケーシング９２の溝付き区域９１内に１以上のロータ歯８０を含むことができる。ケーシング９２の内側壁７５は、ロータ先端を通過する漏出流９４の外側境界を定めることができる。ケーシングの物理的構成に応じて、ステータ歯を物理的に形成することができ、或いは、個別のステータ歯の代わりに漏出流に対する障害物を設けることもできる。例証として、ケーシング９２の溝９１の段部の相対高さは、ロータ歯（複数の歯）８０と共にクリアランス制御を可能にすることができる。図２Ｄでは、溝９１の第１の段部９３は、漏出流９４に対する第１の抵抗を提供し、ケーシング壁レイアウト９６内のロータ歯８０に対して前方にある第１のステータ歯９５を機能的に再現することができる。溝９１の第２の段部９７は、ロータ歯８０に対して後方の第２のステータ歯９８を再現する抵抗として機能することができ、個別の第２のステータ歯は、凹状のケーシング壁９９と共に形成することができる。
【００２０】
本発明において、回転ブレードは、歯と共にシュラウドを含むことができ、該シュラウドは、タービンのケーシング壁に取り付けられたシュラウド上に位置する固定歯のセットの間に配置される。流れがクリアランス通路を通過すると、有効クリアランスを縮小し、クリアランス流の低減を生じさせる渦が形成される。
【００２１】
図３は、低圧タービンの段における本発明の先端クリアランス制御機構のロータブレード構成部品の１つの実施形態を示している。ロータブレード１１０は、ブレードシュラウドのスロープ付き正圧側上面１２０と、比較的平面の負圧側上面１２１とを提供するスロープ付きロータブレードシュラウド１１２を含む。ブレードシュラウド１１２は、タービンエンジンにおいてブレード１１０の翼形部１１１に取り付けることができる。翼形部１１０は、根元１３０と、先端１３１と、前縁１９０と、後縁１９１と、正圧側面１３３と、負圧側面１３４とを含むことができる。根元セクション１３０のダブテール構成１３５は、タービンエンジン（図示せず）のロータホイールに翼形部１１１を係合する。ブレードシュラウド１１２は、先端端部１３１にて翼形部１１１と一体化して形成することができる。ロータブレードシュラウド１１２は、ブレード（図４Ａ、４Ｂ）の軸方向翼弦に対して位置付けられた根元歯１４５を含む。
【００２２】
図４Ａは、本発明の先端クリアランス制御機構におけるロータシュラウド及びケーシングシュラウドの構成部品の幾何学的パラメータを示す。入口キャビティ１１５は、ロータブレード１１０の先端端部にて蒸気入口経路１１３を提供する。先端クリアランス制御機構１００は、ロータ歯１４５、前方ステータ歯１４０、及び後方ステータ歯１５０を含む。ロータ歯１４５は、図４Ｂに示すようにブレード翼形部の軸方向翼弦ラインに対して厚み１４６及び高さ１４７並びに位置１４８を有することができる。前方ステータ歯１４０は、ロータ歯１４５に対して厚み１４１及び高さ１４２並びに軸方向位置１４３を有することができる。後方ステータ歯１５０は、ロータ歯１４５に対して厚み１５１及び高さ１５２並びに軸方向位置１５３を有することができる。ロータシュラウド１１２及びケーシングシュラウド１１６上の歯は、半径方向に対して角度の付いた前方／後方向きα１４９を含むことができる。この配置は、ロータシュラウド側壁の正圧側から距離１５６にて配置された段部１５５をさらに含み、段高さ１５７は、ロータシュラウドの残りの上面の下方にある。
【００２３】
図４Ｂは、低圧蒸気タービンの大型ロータブレード１１０におけるロータシュラウド１１２の上面１８０の平面図を示す。ロータブレードの翼形部１１及び翼形部の軸方向翼弦１８５の平面図が仮想線で示される。軸方向翼弦１８５は、ロータブレードの前縁１９０と後縁１９１との間を横断する。ロータ歯１４５の位置は、前縁と後縁との間の百分率距離で指定することができる（例えば、５０％翼弦長１９５、４０％翼弦長１９６）。
【００２４】
本発明の１つの実施形態によれば、回転機械先端クリアランス制御機構２００は、低圧タービンの段に設けられる。段は、低圧タービンの最終段とすることができる。さらに、段は、複流低圧蒸気タービンの何れかの端部にある段とすることができる。回転機械先端クリアランス制御機構は、翼形部の外側半径方向先端上に配置されたロータブレードシュラウドを翼形部を含むロータブレードに備えることができる。ロータ歯は、ロータブレードシュラウド上で半径方向外向きに突出することができる。ロータ歯は、翼形部の軸方向翼弦に対してほぼ中心に配置することができる。さらに、ケーシングシュラウドは、ロータブレードシュラウドから半径方向外向きに配置することができる。ケーシングシュラウド上の前方ステータ歯は、半径方向内向きに突出し、ロータ歯に対して半径方向前方に配置される。後方ステータ歯は、ケーシングシュラウド上に設けることができ、後方ステータ歯は、半径方向内向きに突出し、ロータ歯に対して後方に配置される。クリアランス区域は、ロータブレードシュラウドとケーシングシュラウドとの間に形成される。クリアランス区域は、漏出流の制限及び段効率の向上に適応する。
【００２５】
ロータ歯は、ブレードの翼形部における軸方向翼弦長さの約４０％〜５０％に配置することができる。好ましくは、ロータ歯は、軸方向翼弦長さの約５０％に設定することができる。ロータ歯高さは、約０．１９インチ〜約０．３５インチの範囲に及ぶことができる。好ましくは、ロータ歯高さは、約０．３５インチに設定することができる。ロータ歯厚みは約０．１３インチとすることができる。前方ステータ歯は、約０．６インチ〜約０．８２５インチだけロータ歯軸線から前方に配置することができる。好ましくは、前方ステータ歯は、ロータ歯軸線から前方に約０．８インチに位置付けることができる。前方ステータ歯高さは、約０．３インチ〜約０．８インチの大きさにすることができる。前方ステータ歯高さは、好ましくは約０．６インチの大きさにすることができる。後方ステータ歯は、ロータ歯軸線の後方に約０．３インチ〜約１．２インチに配置することができる。後方ステータ歯は、好ましくはロータ歯の後方に約０．８インチに位置付けることができる。後方ステータ歯は約０．２インチの高さを含むことができる。
【００２６】
シュラウドの上面１８０は、ロータブレードの側壁の正圧側面とロータ歯との間で半径方向外向きに傾斜することができる。負圧側面上の上面１８０は、本質的に平面とすることができる。第１の実施例において、約１．０２インチだけシュラウド側壁の正圧側面の後方にあるシュラウドの上面において０．１６インチ上昇した段部を設けることができる。好ましい構成において、ロータブレードシュラウド上面には段部は設けられない。
【００２７】
さらに、前方ステータ歯の歯、ロータ歯、及び後方ステータ歯は、鋸歯外側縁部を含むことができ、ここで歯の正圧側面の高さは、歯の負圧側面の高さよりもクリアランス区域内にさらに延びる。別の実施形態において、ロータ歯は、ロータホイールから外向き半径に対して前向き又は後向きの角度を含むことができるが、好ましい実施形態は、ロータブレードシュラウドから半径方向外向きに突出するロータ歯を提供する。
【００２８】
図５Ａは、ロータブレードシュラウドの後端上の通常位置に配置された単一の従来のロータ歯を越える漏出流を示している。入口キャビティ１１５からの先端漏出流１７０は、ベースラインロータブレードシュラウド１７４の上面１７３とケーシングシュラウド１７５との間の広いクリアランススペース１７２に入る。漏出流１７０は、ロータ歯１７８の先端１７７とケーシングシュラウド１７５との間の１つのクリアランススペース１７６によってのみ制限される。
【００２９】
図５Ｂは、先端クリアランス制御機構２００の好ましい実施形態における漏出流を示す。クリアランス機構２００は、ロータブレードシュラウド２４０の前方端部２４１に近接したケーシングシュラウド１７５上に位置付けられる前方ステータ歯２１０と、ロータブレードシュラウド上の軸方向翼弦１８５（図４Ｂ）に対してほぼ中心に配置されたロータ歯２２０と、ロータブレードシュラウドの後端２４２にほぼ近接して配置された後方ステータ歯２３０とを含む。好ましい実施形態における特定の位置決めは、図４Ａ及び４Ｂのパラメータに関して上記で説明してきた。
【００３０】
流れが回転ブレード領域に入ってくると、流れの一部はキャビティ１１５に流入し、ロータブレードシュラウド２４０とケーシングシュラウド１７５との間のクリアランス領域を通過しようとする。前方ステータ歯２１０が存在する場合、漏出流２７０の一部を分流する、入口キャビティ１１５内の第１の渦２６１形成が存在する。前方ステータ歯２１０の前方位置はまた、ロータブレードシュラウド２４０の上面２４３上への下向きの漏出流２７０をもたらす。次に、この漏出流２７０は、ロータ歯２２０の前面２２１に通り、ここで上向きに移動し、ロータブレードシュラウド２４０とケーシングシュラウド１７５との間に第２の渦２６２を形成する。この第２の渦２６２により、漏出流がロータ歯２２０の前面２２１上に「押し付ける」ようにして、高速流にロータ歯縁部２２３を越えて急旋回させるようにする。流れが制御ギャップを越えて急旋回するので、有効流れ面積の減少が、ロータ歯２２０を越える漏出の減少をもたらす結果となる。同様に、ロータ歯縁部を通過する漏出流１７０は、後方ステータ歯２３０の前方縁部２３１に押し付けられ、これにより半径方向内向きに押し込まれて第３の渦２６３を生成する。第３の渦２６３は後方ステータ歯の前面に先端漏出流を押し付け、後方ステータ歯の鋭い縁部２３２を越える通過をより困難にし、更なる漏出流を制限する。
【００３１】
図６Ａは、最後から２番目の低圧タービンブレードにおけるロータブレードシュラウドの後端上の典型的位置に配置された単一の従来のロータ歯を通過する漏出流を示している。ベースラインクリアランス機構は、歯を備えない傾斜ロータブレード３７４を提供する。複数のナイフエッジ３７６は、ケーシングシュラウド３７５から突出している。入口キャビティ１１５からの漏出流３７０は、ベースラインロータブレードシュラウド３７４の上面３７３とケーシングシュラウド３７５との間の広いクリアランススペース３７２に流入する。漏出流３７０は、ロータブレードシュラウド３７４の上面３７３とナイフエッジ３７６との間のクリアランススペース３７２によってのみ制限される。
【００３２】
図６Ｂは、低圧タービンの最後から２番目の段におけるクリアランス機構の好ましい実施形態に対する漏出流を示している。クリアランス機構４００は、ロータブレードシュラウド４４０上の軸方向翼弦（図４Ａ及び４Ｂ）に対してほぼ中心に配置されるロータ歯４２０と、ロータブレードシュラウドの後端４４２にほぼ近接して配置された後方ステータ歯４４０とを含む。好ましい実施形態の特定の位置決めは、図４Ａ及び４Ｂに関して上記で説明した。
【００３３】
流れが回転ブレード領域に入ってくると、流れの一部はキャビティに流入し、ロータブレードシュラウド４４０の上面４７３とケーシングシュラウド４７５との間の領域４７２を通過しようとする。その結果、漏出流４７０は、ロータ歯４２０の前面４２１を過ぎて、ロータ歯の先端４２２とケーシングシュラウド４７５との間の制限クリアランス４８０を通過する。ロータ歯縁部４２２を越えて通過した漏出流４７０は、後方ステータ歯４３０の前面に押し付けられ、これにより半径方向内向きに押し込まれて渦４６０を生成する。渦４６０はさらに、後方ステータ歯４３０の前面４３１に漏出流４７０を押し付け、後方ステータ歯４３０の鋭い縁部４３２を越える通過をより困難にし、更なる先端漏出流を制限する。
【００３４】
先端漏出流は、低圧タービンにおける主要な損失源の１つである。先端漏出流の低減は、タービン性能向上に正比例することができる。本発明のクリアランス機構は、従来技術ベースの事例よりも先端クリアランス流を５０％低減する。本発明の先端クリアランス機構は、最終段効率を約０．５％、最後から２番目の段効率を約０．６％改善させ、結果として低圧タービンの全体効率を約０．２５％改善させることになる。
【００３５】
本発明の別の態様において、ロータブレードの先端シュラウドとケーシングシュラウドとの間の低圧蒸気タービンのロータブレード用の先端クリアランス制御機構のための方法が提供される。図７は、低圧蒸気タービンのロータブレード用のクリアランス機構を形成する方法５００のフローチャートを示す。本方法は、ステップ５０５における先端シュラウドの形状を選択する段階と、ステップ５１０におけるロータ歯形状を選択する段階と、ステップ５１５におけるロータ歯の数を選択する段階と、ステップ５３０におけるステータ歯形状を選択する段階と、ステップ５４０においけるステータ歯の数を選択する段階とを含む。
【００３６】
本方法はさらに、ロータ歯高さを設定するステップ５２０と、ロータ先端シュラウド上にロータ歯を位置付けるステップ５２５とを含む。本方法はまた、ステータ歯の高さをサイズ決定するステップ５４５と、ステータシュラウド上にステータ歯を位置付けるステップ５５０とを含むことができる。本方法はさらに、ステップ５６０において、少なくとも１つのステータを回転機械のケーシングの内壁の一体化部分として形成する段階を含むことができる。
【００３７】
先端シュラウドの形状を選択するための方法はさらに、傾斜上流側上面及び高度下流側上面、間に段部を備えた傾斜上流側上面及び高度下流側上面、並びに傾斜上流側上面及び傾斜下流側上面のうちの１つから形状を選択する段階を含む。
【００３８】
ロータ歯形状を選択するステップは、ロータシュラウドの上面に対して角度付きロータ歯及び垂直なロータ歯のうちの１つからロータ歯形状を選択する段階を含む。ロータ歯形状を選択するステップは、１又は２つのロータ歯を備えた構成を選択する段階を含むことができる。
【００３９】
ステータ歯形状を選択するステップは、角度付きステータ歯、垂直ステータ歯、上流向き及び下流向きの一方に延びる先細外側端部の１つを有する複合ステータ歯、並びに縁部の１つ及び上面の１つの一方に先細になった外側端部を有する垂直ステータ歯の１つからステータ歯形状を選択する段階を含むことができる。
【００４０】
本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、さらにこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。
【符号の説明】
【００４１】
１１０  ロータブレード
１１１  翼形部
１１２  ロータブレードシュラウド
１２０  正圧側上面
１２１  負圧側上面
１３０  根元
１３１  先端
１３３  正圧側面
１３４  負圧側面
１３５  ダブテール構成
１９０  前縁
１９１  後縁
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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