(57)【要約】【課題】燃焼ガス、パージエアー、冷却エアー等の流れがホイールスペースとタービンの高温ガス流路とに流入することを低減したタービン装置、システムおよび方法を提供する。【解決手段】本タービン装置は、径方向に延伸する少なくとも一つの動翼を有する回転子を備えてもよい。タービン装置は、少なくとも一つの動翼に隣接配置された静翼構体をさらに含んでもよい。さらに、タービン装置はシール構造を含んでもよい。シール構造は、少なくとも一つの動翼から略軸方向に延伸する第一のフランジを有してもよい。シール構造は、静翼構体から第一のフランジと反対の略軸方向に延伸する第二のフランジをさらに有してもよい。第二のフランジは第一のフランジに突出する少なくとも一つの突出部を備えてもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子（５２）と、
前記回転子（５２）から径方向に延伸する少なくとも一つの動翼（５４）と、
前記少なくとも一つの動翼（５４）に隣接配置された静翼構体（６２）と、
シール構造（６８）とを備えるタービン装置であって、
前記シール構造（６８）が、
前記少なくとも一つの動翼（５４）から略軸方向に延伸する第一のフランジ（７０）と、前記静翼構体（６２）から前記第一のフランジ（７０）と反対の略軸方向に延伸する第二のフランジ（７４）と、を備え、前記第二のフランジ（７４）が、前記第一のフランジ（７０）に突出する少なくとも一つの突出部（１０８）を備える、タービン装置。
【請求項２】
前記少なくとも一つの突出部（１０８）が、前記第二のフランジ（７４）の先端に配置されている、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの突出部（１２０）が、前記第二のフランジ（７４）の先端と前記静翼構体（６２）との間に配置されている、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項４】
前記第二のフランジ（７４）の先端から、前記第一のフランジ（７０）と反対の略軸方向に突出する第二の少なくとも一つの突出部（１３２）をさらに備える、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項５】
前記第二のフランジ（７４）が抑止シールを備える、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項６】
前記第一のフランジ（７０）がエンゼル・ウィング・シールを備える、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項７】
前記第一のフランジ（７０）と前記第二のフランジ（７４）とが、その間に隙間を有する、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つの突出部（１０８）が、一つまたは複数の歯、ウィング、ナブ、またはフィンを備える、請求項１に記載のタービン装置。
【請求項９】
コンプレッサ（１５）と、
前記コンプレッサ（１５）と接続される燃焼システム（２５）と、
前記燃焼システム（２５）と接続されるタービン（４０）とを備えるタービンシステムであって、
前記タービン（４０）が、
回転子（５２）と、
前記回転子（５２）から径方向に延伸する少なくとも一つの動翼（５４）と、
前記少なくとも一つの動翼（５４）に隣接配置された静翼構体（６２）と、
シール構造（６８）とを備え、
前記シール構造（６８）が、
前記少なくとも一つの動翼（５４）から略軸方向に延伸する第一のフランジ（７０）と、
前記静翼構体（６２）から前記第一のフランジ（７０）と反対の略軸方向に延伸する第二のフランジ（７４）とを備え、
前記第二のフランジ（７４）が前記第一のフランジ（７０）に突出する少なくとも一つの突出部（１０８）を備える、タービンシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの突出部（１０８）が、前記第二のフランジ（７４）の先端に配置されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの突出部（１２０）が前記第二のフランジ（７４）の先端と前記静翼構体（６２）との間に配置されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第二のフランジ（７４）の先端から前記第一のフランジ（７０）と反対の略軸方向に突出する第二の少なくとも一つの突出部（１３２）をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第二のフランジ（７４）が抑止シールを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第一のフランジ（７０）がエンゼル・ウィング・シールを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第一のフランジ（７０）と前記第二のフランジ（７４）とがその間に隙間を画定する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの突出部（１０８）が、一つまたは複数の歯、ウィング、ナブ、またはフィンを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
ホイールスペース（６６）とタービン（４０）の高温ガス流路への流れを低減または抑制する方法であって、
第一のフランジ（７０）を、回転子（５２）から径方向に延伸する少なくとも一つの動翼（５４）に配置することと、
第二のフランジ（７４）を、前記少なくとも一つの動翼（５４）に隣接配置された静翼構体（６２）に配置することであって、前記第一のフランジ（７０）と前記第二のフランジ（７４）とは径方向に離間し、少なくとも一部がシール構造（６８）を形成する、配置することと、
前記第二のフランジ（７４）から前記第一のフランジ（７０）に突出する少なくとも一つの突出部（１０８）により、前記ホイールスペース（６６）と前記タービン（４０）の高温ガス流路への流れを低減することと、
を備える、方法。
【請求項１８】
前記第二のフランジ（７４）の先端に前記少なくとも一つの突出部（１０８）を配置することをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第二のフランジ（７４）の先端と前記静翼構体（６２）との間に前記少なくとも一つの突出部（１２０）を配置することをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第二のフランジ（７４）の先端から前記第一のフランジ（７０）と反対の略軸方向に突出する第二の少なくとも一つの突出部（１３２）により、前記ホイールスペース（６６）と前記タービン（４０）の前記高温ガス流路への前記流れを低減することをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス・タービン・エンジンに関し、特に高温ガス流路とタービンのホイールスペース間の一つまたは複数の流れを低減または抑制するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガス・タービン・エンジンは、コンプレッサと、燃焼器と、タービンとを一般的に有する。タービンの効率は、コンプレッサからの冷却エアーの流量に部分的に依存する。この冷却エアーは、タービン部における高温ガス流路内の構成を冷却する。冷却エアーの流れは、タービンのホイールスペースに導かれ、ホイールスペース内に流入する高温ガスを抑制する。しかしながら、従来技術には以下の課題がある。ホイールスペースに流入する高温ガスの過剰な吸込み（ｉｎｇｅｓｔｉｏｎ）の流れは、部材の機能以上にホイールスペースの温度を上昇させ、部材の温度限界を超える可能性がある。これにより、回転子がクリープおよび／または破裂する可能性がある。一方、高温ガスの吸込みを防ぐために、ホイールスペースに導入される過剰な冷却エアーおよび／またはパージ流は、タービン効率を低下させる。これは、冷却エアーの流れが全てのタービンの生産に対し利用されるわけではないためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８１７２５１４号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本開示のいくつかの実施形態により、上記のいくつか、あるいは全ての課題が解決される。一実施形態では、タービン装置を開示する。タービン装置は、径方向に延伸する少なくとも一つの動翼を有する回転子を備えてもよい。タービン装置はまた、少なくとも一つの動翼に隣接配置された、少なくとも一つの静止ノズルベーンを有する静翼構体を備えてもよい。さらに、タービン装置はシール構造を含んでもよい。シール構造は、少なくとも一つの動翼から略軸方向に延伸する第一のフランジを含んでもよい。シール構造はさらに静翼構体から第一のフランジと反対方向の略軸方向に延伸する第二のフランジを含んでもよい。第二のフランジは、第一のフランジに突出する少なくとも一つの突出部を含んでもよい。
【０００５】
他の実施形態では、タービンシステムを開示する。このシステムは、コンプレッサを含んでもよい。システムはさらに、コンプレッサと接続される燃焼システムを含んでもよい。さらに、システムは、燃焼システムと接続されるタービンを含んでもよい。タービンは、回転子から径方向に延伸する少なくとも一つの動翼を有する回転子を備えてもよい。タービンはさらに、少なくとも一つの動翼に隣接配置された少なくとも一つの静止ノズルベーンを有する静翼構体を備えてもよい。さらに、タービンはシール構造を含んでもよい。シール構造は、少なくとも一つの動翼から略軸方向に延伸する第一のフランジを備えてもよい。シール構造は、静翼構体から第一のフランジと反対の略軸方向に延伸する第二のフランジを備えてもよい。第二のフランジは、第一のフランジに突出する少なくとも一つの突出部を備えてもよい。
【０００６】
さらに、他の実施形態では、ホイールスペースとタービンの高温ガス流路への流れを低減し、抑制する方法を開示する。この方法は、回転子から径方向に延伸する少なくとも一つの動翼に対し第一のフランジの位置を決める工程を含んでよい。さらに、この方法は、少なくとも一つの動翼に隣接配置された静翼構体に対し第二のフランジの位置を決める工程を含んでよい。第一のフランジと第二のフランジとは径方向に離間し、少なくとも一部がシール構造を形成してもよい。さらに、この方法は、第二のフランジから第一のフランジに対し突出する少なくとも一つの突出部を備えてもよい。これにより、ホイールスペースとタービンの高温ガス流路とへの流れを低減する。
【０００７】
本発明の他の実施形態、態様、および特徴は、明細書、添付図面、および添付の特許請求の範囲から当業者に明らかになるであろう。
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。これら図面は必ずしも一定の比率の縮尺で描かれてはいない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一実施形態に係るガス・タービン・エンジン装置の一例を概略的に示す図である。
【図２】本開示の一実施形態に係るタービン装置の一部の一例を概略的に示す図である。
【図３】本開示の一実施形態に係るタービン装置内のシール構造の一例を概略的に示す図である。
【図４】本開示の一実施形態に係るタービン装置内のシール構造の一例を概略的に示す図である。
【図５】本開示の一実施形態に係るタービン装置内のシール構造の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
なお、図面には全てではなくいくつかの実施形態を示す。本開示は、種々の形態で例示でき、ここに記載した実施形態に限定されない。これらの図面では、同じ番号は同じものを指している。
【００１１】
図１は、本明細書で用いるガス・タービン・エンジン１０を概略的に示す。ガス・タービン・エンジン１０はコンプレッサ１５を含んでもよい。コンプレッサ１５は、エアー２０の流入を圧縮する。コンプレッサは、エアー２０の圧縮された流れを燃焼器２５に運ぶ。燃焼器２５は、エアー２０の圧縮された流れと燃料３０の圧縮された流れとを混ぜ、その混合物を燃焼して燃焼ガス３５の流れを生成する。なお、単一の燃焼器２５のみを示したが、ガス・タービン・エンジン１０は、複数の燃焼器２５を含んでもよい。  燃焼ガス３５の流れは、順に下流のタービン４０に運ばれる。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を運転し、機械仕事を生成する。タービン４０で生成された機械仕事は、シャフト４５と外部負荷５０（例えば発電機など）とを介して、コンプレッサ１５を運転する。
【００１２】
ガス・タービン・エンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガスおよび／または他の種類の燃料を用いてもよい。ガス・タービン・エンジン１０は、複数の異なるガス・タービン・エンジン（例えばニューヨーク州スネケクタディのＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社等により供給される）の任意の一つであってよい。ガス・タービン・エンジン１０は、様々な構造を有してもよく、他の種類の構成要素を用いてもよい。他の種類のガス・タービン・エンジンをさらに本明細書で用いてもよい。複数のガス・タービン・エンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電装置をさらに用いてもよい。
【００１３】
図２は、タービン４０の一部の一実施形態の例を概略的に示す。タービン４０は、長手軸に対して配置された回転子５２を含んでもよい。複数の動翼５４は、回転子５２に取り付けられてもよい。例えば、複数の動翼５４は、互いに周方向に離間し、回転子５２から径方向外側へ延伸してもよい。複数の動翼５４は、タービン４０内で一つまたは複数の段を形成してもよい。複数の動翼５４は、シャンク部分５６とエアフォイル部分５８とを有してもよい。
【００１４】
静止外部ケーシング６０は、動翼５４に対し配置されてもよい。これにより、燃焼ガス３５の流れがタービン４０内を通る高温ガス流路を画定する。加えて、複数の静翼構体６２は、動翼５４に隣接配置されてもよい。例えば、静翼構体６２は、各動翼５４の上流および／または下流に配置されてもよい。各静翼構体６２は、静止ノズルベーン６４を含んでもよい。ホイールスペース６６は、各静翼構体６２と動翼５４との間に配置されてもよい。
【００１５】
シール構造６８は、各静翼構体６２と動翼５４との間に配置されてもよい。このシール構造６８は、燃焼ガス３５の流れがホイールスペース６６に流入することを防止、低減し、および／または抑制する。さらに、シール構造６８は、ホイールスペース６６に流入する高温ガスを抑制するために必要なパージエアーおよび／または冷却エアーの量を低減する。
【００１６】
シール構造６８は、動翼５４から略軸方向に延伸する第一のフランジ７０を含んでもよい。場合によっては、第一のフランジ７０は、エンゼル・ウィング・シールであってもよい。第一のフランジ７０は、動翼５４のシャンク部分５６上流および／または下流表面から軸方向に延伸してもよい。場合によっては、第一のフランジ７０は、径方向外方に延伸する先端７２で終端してもよく、これは複数の歯または複数のフィンを含んでもよい。また別の場合によっては、径方向外方に延伸する先端７２は省略可能である。
【００１７】
シール構造はまた、静翼構体６２から第一のフランジ７０と反対の略軸方向に延伸する第二のフランジ７４を含んでもよい。場合によっては、第二のフランジ７４は、抑止シールでもよい。本明細書で複数の抑止シールが用いられてもよい。第二のフランジ７４は、静翼構体６２の上流および／または下流表面から軸方向に延伸してもよい。場合によっては、第二のフランジ７４は、第一のフランジ７０の径方向外側に配置されてもよい。例えば第二のフランジ７４は、第一のフランジ７０から隙間を形成するよう径方向に離間されてもよい。本明細書において、他の構成と他の配置とを用いてもよい。
【００１８】
図３は、本明細書で用いてもよいシール構造１００の一実施形態の例を示す。シール構造１００は、動翼５４のシャンク部分５６から延伸する第一のフランジ１０２を含む。場合によっては、第一のフランジ１０２はエンゼル・ウィング・シールでもよい。例えば、第一のフランジ１０２は、径方向外方へ延伸する先端１０４で終端する。他の場合においては、径方向外方へ延伸する先端１０４は省略可能である。シール構造１００は、さらに静翼構体６２から延伸する第二のフランジ１０６を含んでもよい。場合によっては、第二のフランジ１０６は抑止シールでもよい。第二のフランジ１０６は、少なくとも一つの第一のフランジ１０２に突出する突出部１０８を含んでもよい。場合によっては、少なくとも一つの突出部１０８は第二のフランジ１０６の先端１１０に配置されてもよい。少なくとも一つの突出部１０８は、第一のフランジ１０２に突出する複数の突出部を備えてもよい。少なくとも一つの突出部１０８は、歯、ウィング、ナブ、フィン、またはそれらの組み合わせでもよい。本明細書において、他の構成要素や他の構成を用いてもよい。少なくとも一つの突出部１０８と第一のフランジ１０２とはともに、冷却流が通るさらに屈曲した経路を画定し、高温ガスのホイールスペースへの吸込みを抑制する。場合によっては、第二のフランジ１０６は、静翼構体６２に挿入されてもよい。他の場合では、第二のフランジ１０６は、ふさがれるか、溶接される、あるいは静翼構体６２の必須部分を構成してもよい。
【００１９】
図４は、本明細書で用いてもよいシール構造１１２の一実施形態の例を示す。シール構造１１２は、動翼５４のシャンク部分５６から延伸する第一のフランジ１１４を有してもよい。場合によっては、第一のフランジ１１４は、エンゼル・ウィング・シールであってもよい。例えば、第一のフランジ１１４は径方向外方へ延伸する先端１１６で終端してもよい。他の場合では、径方向外方へ延伸する先端１１６は省略可能である。シール構造１１２は静翼構体６２から延伸する第二のフランジ１１８をさらに含んでもよい。場合によっては、第二のフランジ１１８は、抑止シールであってもよい。第二のフランジ１１８は、第一のフランジ１１４に突出する少なくとも一つの突出部１２０を含んでもよい。少なくとも一つの突出部１２０は、第一のフランジ１１４に突出する複数の突出部を含んでもよい。場合によっては、少なくとも一つの突出部１２０は、第二のフランジ１１８の先端１２２と静翼構体６２との間に配置されてもよい。少なくとも一つの突出部１２０は、歯、ウィング、ナブ、フィン、またはこれらの組み合わせでもよい。他の構成要素や他の構成がここで用いられてもよい。少なくとも一つの突出部１２０と第一のフランジ１１４はともに、冷却流が通るさらに屈曲した経路を画定し、高温ガスのホイールスペースへの吸込みを抑制する。場合によっては、第二のフランジ１１８は静翼構体６２に挿入されてもよい。他の場合では、第二のフランジ１１８は、ふさがれるか、溶接される、あるいは静翼構体６２の必須部分を構成してもよい。
【００２０】
図５は、本明細書で用いてもよいシール構造１２４の一実施形態の例を示す。シール構造１２４は、動翼５４のシャンク部分５６から延伸する第一のフランジ１２６を含んでもよい。場合によっては、第一のフランジ１２６はエンゼル・ウィング・シールであってもよい。例えば、第一のフランジ１２６は、径方向外方へ延伸する先端１２８で終端してもよい。他の場合では、径方向外方へ延伸する先端１２８は省略可能である。シール構造１２４は静翼構体６２から延伸する第二のフランジ１３０をさらに含んでもよい。場合によっては、第二のフランジ１３０は、抑止シールであってもよい。第二のフランジ１３０は、第二のフランジ１３０の先端１３４から突出する少なくとも一つの突出部１３２を含んでもよい。場合によっては、少なくとも一つの突出部１３２は、反対方向に延伸する二つの突出部を含んでもよい。例えば、一実施形態では、第二のフランジ１３０と少なくとも一つの突出部１３２は、ともにＴ字部材を形成してもよい。他の場合では、少なくとも一つの突出部１３２は、第一のフランジ１２６と反対の軸方向に延伸してもよい。少なくとも一つの突出部１３２は、複数の突出部を含んでもよい。少なくとも一つの突出部１３２は、歯、ウィング、ナブ、フィンまたはそれらの組み合わせでもよい。本明細書において、他の構成要素や他の構成を用いてもよい。少なくとも一つの突出部１３２と第一のフランジ１２６とはともに、冷却流が通るさらに屈曲した経路を画定し、高温ガスのホイールスペースへの吸込みを抑制する。場合によっては、第二のフランジ１３０は静翼構体６２に挿入されてもよい。他の場合では、第二のフランジ１３０は、ふさがれるか、溶接される、あるいは静翼構体６２の必須部分を構成してもよい。
【００２１】
第二のフランジから延伸する突出部は、燃焼ガス３５の流れがホイールスペース６６に流入することを防止、低減および／または抑制する。さらに、第二のフランジから延伸する突出部は、パージエアーおよび／または冷却エアーが高温ガス流路に流入することを防止、低減および／または抑制する。第二のフランジは、様々な方向に突出する複数の突出部を含んでもよい。例えば、第二のフランジは、第二のフランジの先端に配置された一つまたは複数の突出部を含んでもよい。あるいは、第二のフランジは、第二のフランジの先端と静翼構体との間に配置された一つまたは複数の突出部を含んでもよい。あるいは、第二のフランジは、第一のフランジと反対の軸方向に第二のフランジの先端から突出する一つまたは複数の突出部を含んでもよい。またさらに、第二のフランジは、これらの組み合わせでもよい。
【００２２】
実施形態には構造的特徴および／または方法を具体的に言葉で記載したが、本開示は記載した具体的な特徴や工程に限定されないことは理解されよう。むしろ具体的な特徴と工程は、実施形態の例示として開示される。例えば、図１から図５に示した様々な実施形態を組み合わせてもよい。すなわち、第二のフランジが様々な方向に突出する複数の突出部を備えてもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガス・タービン・エンジン
１５  コンプレッサ
２０  エアー
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  外部負荷
５２  回転子
５４  動翼
５６  シャンク部分
５８  エアフォイル部分
６０  静止外部ケーシング
６２  静翼構体
６４  静止ノズルベーン
６６  ホイールスペース
６８  シール構造
７０  第一のフランジ
７２  先端
７４  第二のフランジ
１００  シール構造
１０２  第一のフランジ
１０４  先端
１０６  第二のフランジ
１０８  突出部
１１０  第二のフランジ１０６の先端
１１２  シール構造
１１４  第一のフランジ
１１６  先端
１１８  第二のフランジ
１２０  突出部
１２２  第二のフランジ１１８の先端
１２４  シール構造
１２６  第一のフランジ
１２８  先端
１３０  第二のフランジ
１３２  突出部
１３４  第二のフランジ１３０の先端
【図１】
2015034547.tif 000003
【図２】
2015034547.tif 000004
【図３】
2015034547.tif 000005
【図４】
2015034547.tif 000006
【図５】
2015034547.tif 000007