(57)【要約】【課題】ステータ−ロータアセンブリについて記述する。【解決手段】本ステータ−ロータアセンブリ（２１）は、ステータ（１８）とロータ（２２）との間に少なくとも１つの境界領域（９２）を含む。境界領域内の少なくとも１つのステータ又はロータ表面は、逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）のパターンを含む。逆タービュレータは、ステータ及びロータ間のギャップを通るガス流れを制限する。また、そのようなステータ−ロータアセンブリ（２１）を含むことができる様々なターボ機械についても記述する。本開示はまた、逆タービュレータを利用して、ステータ−ロータアセンブリ内のギャップを通るガス流れを制限する方法についても論じている。【選択図】      図９
2008298074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ−ロータアセンブリ（２１）であって、
前記ステータ（１８）の表面と前記ロータ（２２）の表面との間に少なくとも１つの境界領域（９２）を含み、
前記両表面が、少なくとも１つのギャップ（７６）によって分離され、
前記境界領域（９２）内の前記ステータ及びロータ表面の少なくとも１つが、逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）のパターンを含む、
アセンブリ。
【請求項２】
前記ステータ（１８）が、前記ギャップ（７６）内に延在するセグメントを有する少なくとも１つの阻止部シール（６４）を含むノズルであり、
前記逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）のパターンが、前記セグメントの少なくとも１つの表面上に配置される、
請求項１記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記ロータ（２２）が、タービンブレード又はバケットである、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記タービンブレード又はバケット（２２）が、前記ギャップ内に延在する少なくとも１つのエンゼル翼（５０、９０）を含み、
前記逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）のパターンが、前記エンゼル翼（５０、９０）の少なくとも１つの表面上に配置される、
請求項３記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記パターンが、均等に間隔を置いて配置された逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）の列を含む、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記パターンが、交差パターンを含む、請求項５記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記ステータ及びロータ表面間の境界領域（９２）が、タービンエンジンの高温流路から前記ギャップ（７６）を通って該ステータ−ロータアセンブリ（２１）のホイールスペース領域（８２）までのガスの流れを制限する流れ制限領域である、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項８】
ステータ（１８）及びロータ（２２）の対向する表面を含み、
逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）の交差パターンが、前記対向する表面の少なくとも１つ上に配置される、
アセンブリ（２１）。
【請求項９】
少なくとも１つのステータ−ロータアセンブリ（２１）を含み、
前記ステータ−ロータアセンブリが、前記ステータ（１８）の表面と前記ロータ（２２）の表面との間に少なくとも１つの境界領域（９２）を含み、
前記両表面が、少なくとも１つのギャップ（７６）によって分離され、
前記境界領域（９２）内の前記ステータ及びロータ表面の少なくとも１つが、逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）のパターンを含む、
ターボ機械。
【請求項１０】
ターボ機械のステータ−ロータアセンブリ内のステータ（１８）及びロータ（２２）間のギャップ（７６）を通るガスの流れを制限する方法であって、
前記ギャップに隣接した前記ステータ又はロータの少なくとも１つの表面上に、前記ガス流れを妨げる寸法及び形状を有する逆タービュレータ（９９、１０１、１０８）のパターンを形成するステップを含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンエンジンのようなターボ機械に関する。より具体的には、本発明は、ターボ機械におけるステータ−ロータアセンブリの選択領域を通るガス（例えば、高温ガス）の流れを妨げるための方法及び部品を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
当技術分野においは、多くの一般的なタービンエンジン設計がよく知られている。それらは、燃料と混合する空気を加圧するための圧縮機を含む。燃料−空気混合気は、付属した燃焼器内で点火されて、燃焼ガスを発生する。最新のエンジンでは、高温加圧ガスは、約１０００〜２０００℃の範囲内とすることができ、タービンノズルを通して膨張することが可能であり、タービンノズルは、付属した高圧タービンに流れを導く。タービンは通常、ロータシャフトと結合されて、圧縮機を駆動する。次に、コアガスは、高圧タービンから流出して、エネルギーを下流方向にもたらす。このエネルギーは、付属した低圧タービン段によって抽出される付加的な回転エネルギーの形態及び／又は排気ノズルを通しての推力の形態のものである。
【０００３】
より具体的には、燃焼器内で生成された熱エネルギーは、タービン内で、高温燃焼ガスを１以上のブレード付きロータアセンブリに衝突させることによって機械的エネルギーに変換される。（当業者には解るように、「ブレード」という用語は一般的に、航空機用タービンのための用語であり、他方、「バケット」という用語は一般的に、地上設置型タービンのための同一タイプの構成要素を記述する場合に使用する。）ロータアセンブリは通常、少なくとも１つの円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの列を含む。各ロータブレードは、正圧側面及び負圧側面を備えた翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延在する。各ロータブレードはまた、ダブテールを含み、ダブテールは、該ダブテールとプラットフォームとの間で延在するシャンクから半径方向内向きに延在する。ダブテールは、ロータアセンブリ内でロータブレードをロータディスクつまりスプールに取付けるために使用される。
【０００４】
当技術分野において知られているように、ロータアセンブリは、実際にはステータ−ロータアセンブリの一部分と見なすことができる。ロータアセンブリ上のロータブレードの列及びステータアセンブリ上のステータベーンの列は、燃焼ガスを「有効に機能させる」ために、軸方向に配向された流路を横切って交互に延在する。ステータ要素のベーンから出た高温燃焼ガスのジェットは、タービンブレードに作用し、エンジンのタイプに応じて約３０００〜１５０００ｒｐｍの速度範囲でタービンホイールを回転させる。（ここでもまた、類似の用語に関して、ステータ要素、つまりタービンが高速度で回転している間に静止した状態を維持する要素はまた、当技術分野では「ノズルアセンブリ」と呼ぶことができる。）
以下に説明した図に示すように、ステータ要素とブレード又はバケットとの間の境界における開口は、高温コアガスが高温ガス通路から流出しかつタービンエンジンのホイールスペースに流入するのを許す可能性がある。高温ガスのこの漏洩を制限するために、ブレード構造は一般的に、軸方向に突出したエンゼル翼シールを含む。一般的な設計によると、エンゼル翼は、隣接するステータ要素つまりノズルから延在する突出セグメントつまり「阻止部」と協働する。エンゼル翼と阻止部とは、オーバラップする（又は、ほぼオーバラップする）が互いに接触せず、従ってガス流れを制限する。これらの協働する特徴形状部によって形成されたラビリンスシールの効果は、望ましくないエンジンセクション内への高温ガスの吸込みを制限するために重要である。エンゼル翼は、様々な形状のものとすることができ、半径方向歯のようなその他の特徴形状部を含むことができる。さらに、幾つかのエンジン設計では、複数のオーバラップエンゼル翼−阻止部シールが使用される。
【０００５】
そのようなシールを使用する場合、ノズル及びタービンブレードの隣接する領域間、例えば隣接するエンゼル翼と阻止突出部との間の境界に、依然としてギャップが残る。ギャップが存在することは、当然である、すなわち固定及び回転構成要素の接合部には間隙が必要である。しかしながら、ギャップはやはり、高温コアガスが高温ガス通路からタービンエンジンのホイールスペース内に流出するのを許す可能性がある経路を形成することになる。
【０００６】
上に言及したように、この経路による高温ガスの漏洩は、数多くの理由で不利である。まず第１に、作動ガスストリームからの高温ガスの損失は、結果的にガスタービンエンジンから得られるエネルギーの損失を引き起こす。第２に、タービンホイールスペース及びその他の空洞内への高温ガスの吸込みは、そのような温度に長時間曝されるようには設計されていないノズル構造支持体及びロータホイールのような構成要素を損傷させるおそれがある。
【０００７】
作動ガスストリームからの高温ガスの漏洩をさらに最少にするための１つのよく知られた方法は、冷却空気つまり「パージ空気」を使用することを含む。一般的な設計では、空気は、圧縮機から分流つまり「抽気」し、タービン冷却回路のための高圧冷却空気として使用することができる。従って、冷却空気は、一般にホイールスペース空洞及びその他のエンジン内部寄り領域を通して導くことができる二次流れ回路の一部である。１つの特定の実施例では、冷却空気は、ロータ／ステータ境界に排出することができる。
【０００８】
従って、冷却空気は、特定のエンジン構成要素の温度を許容限界値以下に維持するように機能することができる。しかしながら、冷却空気は、該空気がホイールスペース領域から前述したギャップの１つ内に導かれた時に、付加的な特殊な機能を果たすことができる。ギャップ内へのこの冷却空気の逆流は、ギャップから出てホイールスペース領域内への望ましくない高温ガスの流れに対する付加的なバリアを形成する。
【０００９】
二次流れ回路からの冷却空気は、上述した理由で非常に有益であるが、その使用に関連する欠点もまた存在する。例えば、高圧冷却及び空洞パージ空気のために圧縮機から空気を抽出することは、タービンから仕事を消費し、またエンジン性能の観点から極めて高価なものになる可能性がある。さらに、幾つかのエンジン構成では、圧縮機システムは、少なくとも幾つかのエンジン設定時には十分な圧力でパージ空気を提供し得ない可能性がある。従って、高温ガスが、依然としてホイールスペース空洞内に吸込まれるおそれがある。
【特許文献１】米国特許第５，２２４，８２２号公報
【特許文献２】米国特許第６，０２７，３０６号公報
【特許文献３】米国特許第６，３５０，１０２号公報
【特許文献４】米国特許第６，４１９，４４６号公報
【特許文献５】米国特許第６，５０４，２７４号公報
【特許文献６】米国特許第６，５０６，０１６号公報
【特許文献７】米国特許第６，６４４，９２１号公報
【特許文献８】米国特許第６，９１０，８５２号公報
【特許文献９】米国特許第７，１０４，０６７号公報
【非特許文献１】R.S.Bunker et al, "METHOD OF FORMING CONCAVITIES IN THE SURFACE OF A METAL COMPONENT, AND RELATED PROCESSES AND ARTICLES,"Serial No. 10/841,366, filed May 6, 2004, GE Docket No. 124836-1.
【非特許文献２】R.S.Bunker, "STATOR-ROTOR ASSEMBLIES HAVING SURFACE FEATURES FOR ENHANCED CONTAINMENT OF GAS FLOW, AND RELATED PROCESSES, GE Docket No. 155542-1.
【非特許文献３】R.S.Bunker, "STATIONARY-ROTATING  ASSEMBLIES HAVING SURFACE FEATURES FOR ENHANCED CONTAINMENT OF FLUID  FLOW, AND RELATED PROCESSES, GE Docket No. 155542-2.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上の説明から、高温ガス流路からタービンエンジン又はその他のタイプのターボ機械内の望ましくない領域内への高温ガスの漏洩を減少させる新規な方法が、当技術分野において歓迎されることになることを理解されたい。さらに、一般的に高温ガス漏洩を減少させるために必要になる冷却及び空洞パージ空気流量を減少させることは、それ自体がその他の重要な利点を有することになる。例えば、より高いコアガス流量が可能となり、従って高温ガス流路内の利用可能なエネルギーが増大することになる。
【００１１】
これらの目標を達成するための新規な方法は、それでもなおガスタービンエンジン又はその他のタイプのターボ機械のための主要設計要件に従ったものでなくてはならない。一般的に、エンジン全体効率及び健全性が維持されなくてはならない。エンジン又は該エンジン内の特定の特徴形状部に対して加えたあらゆる変更が、高温ガス及び冷却空気の流れ場全体を乱してはならず、つまりその流れ場全体に悪影響を及ぼしてはならない。さらに、意図した改良は、時間がかかりかつ経済的でない製造工程又はそれらの工程における変更を含むべきではない。さらに、これらの改良は、例えば異なるタイプのステータ−ロータアセンブリなどのエンジン構造における様々な設計に適応可能でなければならない。また、これらの改良がより低温ガス（例えば、室温）及び高温ガスの閉込めに対して適応可能である場合には、非常に有利なものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの実施形態は、ステータ−ロータアセンブリを対象としており、本ステータ−ロータアセンブリは、ステータの表面とロータの表面との間に少なくとも１つの境界領域を含む。両表面は、少なくとも１つのギャップによって分離される。境界領域内の少なくとも１つステータ又はロータ表面は、逆タービュレータのパターンを含む。そのようなステータ−ロータアセンブリを含むことができる様々なターボ機械もまた、本発明概念の一部に相当している。
【００１３】
タービンエンジンステータ−ロータアセンブリ内のステータ及びロータ間のギャップを通るガスの流れを制限する方法は、本発明の別の実施形態に相当している。本方法は、ギャップに隣接したステータ又はロータの少なくとも１つの表面上に、ガス流れを妨げるのに十分な寸法及び形状を有する逆タービュレータのパターンを形成するステップを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、その全体を参照符号１０で表したガスタービンエンジンの概略断面図である。エンジン１０は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された軸方向に延在するボルト１６によって互いに接合された、軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１２とスペーサ１４とを含む。タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータブレードで構成された例えば第１段ノズル１８及び第２段ノズル２０などのノズルを有する様々な段を含む。ノズルの間にはまたロータと共に回転するように、複数のロータブレード又はバケットが設けられ、この図には、それぞれ第１及び第２段ロータブレード２２及び２４を示している。
【００１５】
例えばブレード２２などの各ロータブレードは、プラットフォーム２６を含むシャンク２５上に取付けられた翼形部２３を含む。ロータブレードのその他の詳細な特徴形状部の幾つかは、ここでは具体的に示していない。シャンク２５は、ロータホイール１２上に形成された対応するダブテールスロットに連結するためのダブテール２７を含む。
【００１６】
ブレード又はバケット２２は、図１に示すように、軸方向に突出したエンゼル翼３３、３４、５０及び９０（「エンゼル翼シール」と呼ぶこともある）を含む。エンゼル翼は一般的に、ブレードと一体形に鋳造される。前述したように、エンゼル翼は一般に、それぞれ隣接するノズル２０及び１８から突出した「ランド」つまり阻止部３６及び６４と対向する位置にある。１つの実施例として、阻止部６４は、エンゼル翼９０と対向しかつオーバラップした位置にあるものとして示している。このタイプのタービン内の高温ガス通路は、その全体を矢印３８で表している。上に言及したように、幾つかの場合には、エンゼル翼と阻止部とは、互いに完全にはオーバラップしないが、例えば先端と先端とで互いに対向しかつほぼ整列した状態にすることができる。通常は、この場合における両先端は、直接整列することになるが、それらの相対的垂直方向位置は、十分な流れ制限が維持される限り、図に見られるように幾分異なったものとすることができる。
【００１７】
図２は、図１に示すエンジンの一部分の拡大図であって、第１段ノズル（ステータ）１８及び第１段ロータブレード２２を特徴付けている全体領域を強調している。（この領域は、「ステータ−ロータアセンブリ」と呼ぶことができ、図２において要素２１として表している。）ノズル１８は、阻止部５８、つまりノズル構造体の突出部分（端部壁）を含み、この突出部分は、上述したように、ガス流れ制限スキームの一部として機能するような形状になっている。この阻止部は一般的に、本開示にとって特に関心のある様々な表面の特徴形状を有する。それら表面は、阻止部下面６２と共に半径方向面６０を含む。ノズル１８はまた、この設計においてはステータ半径方向面６６の下端部付近に位置する阻止部６４を含む。阻止部６４は、上表面６７及び下表面６９を含む。
【００１８】
引き続き図２を参照すると、エンゼル翼５０は、ロータブレード２２のシャンク２５から延在する。エンゼル翼は、上方シーリング面７０及び下方シーリング面７２を含む。この場合におけるエンゼル翼は、「上向き部」つまり先端７４で終端しているが、そのような特徴形状部が、常に採用されるわけではない。事実、エンゼル翼（又は、ブレード２２に取り付けられたあらゆるその他のタイプの阻止部分）の形状及び寸法は、大きく変化させることができる。全てのそのような変化は、本発明の要素の技術的範囲内にある。上述したように、図２はまた、シャンク２５から延在する下方エンゼル翼９０も示している。
【００１９】
ノズル１８及びブレード２２の部分の幾つかは、境界領域９２において互いに対面していることが図２から明らかである。対面している表面は、少なくとも１つのギャップ（以下に説明するように、ここには２つのギャップを示している）によって分離される。従って、上方ギャップ７６は一般的に、阻止部下面６２とエンゼル翼先端７４との間に位置する。下方ギャップ７７は一般的に、阻止部６４の下表面６９とエンゼル翼９０の先端９１との間に位置する。この場合には、ギャップ７６及び７７は一般的に、バッファ空洞８０を形成し、また軸方向ギャップ７８と例えばホイールスペース領域８２などのタービンエンジンの「エンジン内部寄り」領域との間の経路を形成する。
【００２０】
本明細書では、「境界領域」という用語は、ギャップ７６及び７７並びにこれらを囲むノズル１８及びブレード２２の部分を含む限られた寸法の全体区域を記述するために使用している。一般的説明の目的で、図２における境界領域９２は、点線の境界線９４及び９６によって境界付けられたものとして示している。境界領域の正確な境界は、一部にはステータ−ロータアセンブリの特定の設計に応じて変化することになる。一般的な境界領域を定めるための１つの例示的な方法は、ロータブレード２２の長さ（図２では「高さ」として見られる）に依存することになる。従って、高温ガス通路３８内のブレード２２の高さを「Ｈ」で表した場合には、境界領域（上方境界線９４）は、プラットフォーム２６から最大で高さＨの約１０％まで延在すると推定することができる。ステータ−ロータアセンブリの「エンジン内部寄り」領域（つまり、下方境界線９６）に関して、境界領域は、最もエンジン内部寄りの阻止部つまり下方エンゼル翼９０の最下方部分の下方に同一長さ（Ｈの約１０％）だけ延在すると推定することができる。（従って、境界線９６もまた常に、ステータ上の最下方阻止部つまり図２における阻止部６４を含むようにホイールスペース領域８２を横切って延在することになる。）境界領域は、多くの場合に、「流れ制限」領域と呼ぶことができる。
【００２１】
正常エンジン運転によると、高温ガス通路３８に沿ってエンジン内に導かれた燃焼ガスは、エンジン内のステータ−ロータアセンブリ２１を通って後方に流れ、続いて他のステータ−ロータアセンブリを通って流れる。（技術的には、燃焼ガスは、この段階において「燃焼後ガス」と呼ぶべきである。さらに、「高温ガス」は、多くの場合に、ガスの混合物であると理解すべきである。この混合物は通常、主として燃焼後ガスで占められるが、該混合物はまた、後述するように、例えばノズル１８及び／又は冷却空気ストリーム９８からの様々な冷却媒体噴射流及び冷却媒体流を含む可能性がある。）高温ガスストリームが軸方向ギャップ７８に流入すると、ガスストリームの一部分（点線矢印３７）は、上方ギャップ７６を通して逸流し、バッファ空洞８０内に流入する可能性がある。（非常に通常とは異なることになる幾つかの極端な状況では、高温ガスは、下方ギャップ７７を通して移動し続け、ホイールスペース領域８２に流入する可能性がある。）上述したように、矢印９８で表す冷却空気は通常、圧縮機（図示せず）から抽気されかつエンジンの内部寄り領域（例えば、ホイールスペース８２）からバッファ空洞８０内に導かれて、高温ガスの漏洩を妨げる。そのようなガス流路システムにおいて存在することがある短所については既に述べた。
【００２２】
１つの実施形態によると、境界領域９２内のステータ又はロータ表面の少なくとも１つには、逆タービュレータのパターンが設けられる。高温ガス（例えば、燃焼後ガス）が逆タービュレータ上を流れる時、ガス流れが妨げられる。本発明者は、この現象に対する如何なる特定の理論にも縛られることを欲しないが、各逆タービュレータは、流体ストリームがその上を流れる時に局所的流れ渦を発生させるものと思われる。さらに、交差逆タービュレータの場合には、個々の逆タービュレータの流れの相互作用により、付加的な流れ渦が形成される。渦が流体ストリーム内に放出されると、それら渦は、ガス流れを制限する。このようにして、阻止部−エンゼル翼構造体によって既にある程度妨げられている主要流路からホイールスペース領域内への高温ガスの漏洩は、さらに制限される。
【００２３】
本明細書で使用する場合、「逆タービュレータ（inverted turbulator）」という用語は、非常に多様な短い又は長い連続した特徴形状部を包括することを意味している。例えば、「逆タービュレータ」は、溝、凹部、窪み、ディンプル、ピット及び同様なもののような直線的又は非直線的な（又は、弓形の）連続形成特徴形状部とすることができる。非直線的逆タービュレータの１つの実施例では、逆タービュレータは、ジグザグ形状を有する連続形成半球形状溝とすることができる。
【００２４】
図３及び図４は、それぞれ逆タービュレータ９９、１０１のために可能な様々な半球形状の非限定的な断面図である。図３には、完全な半球形、つまり完全な半径Ｒに等しい深さを有するものを示している。図４は、遙かに浅い逆タービュレータを示している。さらに、逆タービュレータの表面端縁部も、同様に変化させることができる。図３では、表面端縁部１００及び１０２は、幾分か丸みを付けたものとして示しており、他方、図４では、表面端縁部１０４及び１０６は、比較的鋭利なものとして示している。（さらに、所定の逆タービュレータにおける表面端縁部の異なる部分もまた、例えば特定のガス流れストリームに対してそれらをどのように配置するかに応じて、その形状を変化させることができる。）
例示的な図３及び図４から明らかなように、逆タービュレータの深さは、大幅に変化させることができる。最適深さの選択に関連した因子には、逆タービュレータ上のガス流れ（１以上のストリームにおける）のタイプ及び速度、ガス流れを制限すべき程度、逆タービュレータを設置するステータ及び／又はロータ表面の形状及び寸法、逆タービュレータを形成しようとする方法、並びに局所的ステータ−ロータギャップ領域の寸法が含まれる。一般的に、民間ターボ機械における一般的なステータ−ロータアセンブリのための逆タービュレータの深さは、約０．５ｍｍ〜約６ｍｍの範囲で変化することになる。半球状又は部分半球状逆タービュレータの場合には、深さは一般的に、約０．５ｍｍ〜約６ｍｍ、またより多くの場合には約０．５ｍｍ〜約２．５ｍｍの範囲となる。当業者は、上述した因子並びに流体流れの研究、流量係数試験、計算流体力学予測及び同様なものに基づいて、所定の状況に最適な逆タービュレータ深さを選択することができるであろう。
【００２５】
上述したように、その他の形状を有する逆タービュレータもまた可能である。１つの非限定的な實例として、逆タービュレータ１０８（図５）は、比較的平坦な底面１１０及び傾斜した側壁１１２を有して、該逆タービュレータの開口がその底面１１０よりも大きな面積を有するようにすることができる。側壁の傾斜度は、本明細書に記載したその他の因子の多くに応じて、大幅に変化させることができる。
【００２６】
逆タービュレータは、多様な多くの異なるパターンとして配置することができる。選択した特定のパターンは、ある程度は逆タービュレータの形状及び寸法に関して上に列記した因子の多くに応じて決まることになる。常にではないが、通常は、それらパターンは、互いに均等に間隔を置いて配置される。
【００２７】
図６及び図７に示す１つの実施例では、逆タービュレータ１１４は、表面の長さに沿って１つの方向に角度が付され、他方、同様な逆タービュレータ１１６は、反対の方向に角度が付され、従って交差パターン又は間隔を置いて配置された逆タービュレータの列を形成して、エンジン内部寄り領域１３２内への高温ガス１３４の漏洩を制限する（図８）。交差型逆タービュレータ１１４、１１６は、一様な断面のものとすることができ（図示するように）、或いは一様でない断面のものとすることができる。この図示した実施形態では、交差パターンは、９０°よりも小さい相対角度及び実質的に等しい列間の間隔を有する逆タービュレータの複数の平行列によって形成される。しかしながら、逆タービュレータの列間の間隔は、等距離である必要はない。加えて、角度１１８は、隣接する列間で変化させることができ、また約０°（つまり、複数の実質的に交差しない平行な水平方向列）〜約９０°（つまり、複数の実質的に交差する垂直方向列）の範囲内とすることができる。
【００２８】
逆タービュレータ１１４、１１６間の距離もはた、ある程度まで変化させることができる。（本明細書における距離は、中心−中心間隔を逆タービュレータの表面幅によって除算した比として表現している。）一般的なタービンエンジンステータ−ロータアセンブリのケースでは、隣接する列間の中心−中心間隔は、逆タービュレータの表面幅の約１〜約６倍、より好ましくは逆タービュレータの表面幅の約２乃〜４倍とすることができる。上述したのと同様な流体流れの研究を用いて、所定の状況における逆タービュレータの最適なパターンを容易に決定することができる。パターン自体は、ステータ及び／又はロータの異なる表面セクションに沿って変化させることができることにも注目されたい。
【００２９】
逆タービュレータは、多様な方法で形成することができる。非限定的な実施例として、様々なフライス加工法のような機械加工法が含まれる。その他の可能な機械加工法には、放電加工法（ＥＤＭ）及び電解加工法（ＥＣＭ）が含まれる。幾つかのケースでは、逆タービュレータは、例えばタービンロータ又はノズルの焼流し精密鋳造などの特定の構成要素の鋳造時に形成することができる。１つの実施例としては、焼流し精密鋳造型表面には、例えば丸み付きストリップ、面取り端縁ストリップ、又はその他のあらゆるタイプの突起又は乱流発生部などのポジティブ特徴形状部の選択パターンを設けることができる。ポジティブ特徴形状部の形状は、そのポジティブ特徴形状部に対して逆になる所望の逆タービュレータ形状によって決まることになる。従って、鋳型を取外した後に、その部分は、選択パターンの逆タービュレータを含むことになる。当業者は、所定の表面上に逆タービュレータを形成するのに最適な方法（又は、方法の組合せ）を容易に決定することができるであろう。
【００３０】
図８及び図９は、ターボ機械のステータ−ロータアセンブリ内に逆タービュレータを設ける利点を示す、幾つかの実施形態による簡略図である。アセンブリ１２０及び１２２において、ステータ及びロータのセクションは、それぞれ１枚プレート１２４及び１２６で表している。高温ガス流れ領域１２８内の高温ガス流れは、矢印１３０で表している。流れ領域１２８からエンジン内部寄り領域１３２（例えば、ホイールスペース領域）内への高温ガスの流れは、流れ矢印１３４で表している。高温ガス流れを妨げる冷却媒体の流れは、流れ矢印１３６で表している。図８に示すアセンブリ１２０のケースでは、ステータ又はロータ表面の何れの上にも逆タービュレータが存在しない。高温ガス流れ１３４は、実質的にターボ機械のエンジン内部寄り領域１３２内に延び、そこで高温ガス流れは、時としてホイール、ディスク、及びその他の温度に鋭敏な構成要素を損傷させる可能性がある。
【００３１】
図９を参照すると、ステータ−ロータアセンブリ１２２は、ステータ１２４の下表面１３８及びロータ１２６の上表面１４０上に逆タービュレータ１３７を含む。逆タービュレータの実際の形状及び寸法は、この図には示していない。その代わり、それらは、「渦」形状で表している。（上述したように、１つの理論は、ガスが逆タービュレータ上を流れる時に、渦が各逆タービュレータ内で形成されるという提案を含んでいる。）アセンブリ１２２において図示するように、逆タービュレータが有ることにより、エンジン内部寄り領域１３２内への高温ガス１３４の漏洩を大いに制限することができる。従って、高温ガスは、タービンエンジンの鋭敏な領域内への吸込みなしに、高温ガス領域１２８内に効果的に「戻す」ことができる。その更なる結果として、冷却媒体流れ１３６は、アセンブリ１２０のケースにおけるほど重要である必要はなく、本明細書に記載したその他の利点をもたらす。
【００３２】
逆タービュレータは、ステータ、ロータ、又はステータとロータとの両方の様々な表面上に形成することができる。（幾つかのケースでは、逆タービュレータは、それらの表面の一部分上に形成することが必要なだけである。）実施例として、それら逆タービュレータは、境界領域のギャップの１つ内に延在する１以上のステータ阻止部シールの様々な表面上に配置することができる。前述したように、それら逆タービュレータはまた、ギャップの１つ内に延在する１以上のエンゼル翼（ロータ上の）の様々な表面上に形成することができる。
【００３３】
幾つかのタイプのステータ−ロータアセンブリでは、逆タービュレータを阻止部の表面内に組み込むことによって大きな利点が得られるが、逆タービュレータをロータブレードの表面内に組み込むことによっては実質的な利点が得られない。しかしながら、逆タービュレータの有効性のレベルは、特徴形状部の寸法、形状及び正確な位置と共にステータ−ロータアセンブリの特定の設計を含む本明細書に記述した多くの因子に応じて決まることになる。従って、幾つかのタイプのステータ−ロータアセンブリでは、ロータの様々なセクション上に逆タービュレータが有ることもまた、本明細書に記述した実質的な利点をもたらすことになると予想される。
【００３４】
ここに添付した図は、本開示の説明を単純化するために、二次元透視によりその全体を描いている。しかしながら、本明細書に記載した境界領域は一般的に、回転構成装置の一部であることを理解されたい。従って、通常は、特定の構成要素つまりステータ又はロータのほぼ全周を取り囲むパターンとして逆タービュレータを適用することが重要である。
【００３５】
図１０は、非常に大きな程度に拡大した、図１及び図２のタービンエンジンの一部分の別の図である。図１０では、ステータ（ノズル）１８及び／又はロータブレード（バケット）２２の様々なセクション上への逆タービュレータの具体的な配置の非限定的な実施例を示している。逆タービュレータの可能な位置は、様々な矢印で表している。図１０から、逆タービュレータは、例えば半径方向面６０（トレンチ空洞５４に面した）、阻止部下面６２（上方ギャップ７６に面した）及びステータ面６６などを含む様々なステータの半径方向内部寄り部分内に組み込むことができることが、明らかである。逆タービュレータはまた、阻止部６４の様々な表面のような下方ギャップ７７に関連する様々なステータ領域内に組み込むことができる。図１０はまた、エンゼル翼５０及び９０上への逆タービュレータの配置も示している。各エンゼル翼５０、９０の多くの異なる領域、例えばエンゼル翼５０の上方シーリング面７０並びにその先端７４は、逆タービュレータを含むことができる。これらの領域内に逆タービュレータを使用することにより、実際には依然として有効な流れ抵抗を保持しながら、上方及び下方ギャップ７６、７７並びにバッファ空洞８０を或る程度まで増大させることが可能になる。物理的ギャップ寸法を増大させることは、機械加工公差及び組立嵌合におけるその他の制約条件を緩和することができ、それによって付加的な製造上の利点が得られる。（これは、上方ギャップ領域のケースにおける利点でもある。）
例えば、図１１には、ステータ−ロータアセンブリの境界領域９２内における逆タービュレータの１つの可能な位置を示している。図１１では、ステータ（ノズル）１８及び／又はロータブレード（バケット）２２の様々なセクション上への逆タービュレータの具体的な配置の非限定的な実施例を示している。逆タービュレータの可能な位置は、様々な矢印で表している。図１０における配置と同様に、逆タービュレータは、例えば半径方向面６０（トレンチ空洞５４に面した）、阻止部下面６２（上方ギャップ７６に面した）及びステータ面６６などを含むステータの半径方向内部寄り部分上に配置される。逆タービュレータはまた、阻止部６４の上表面６７及び下表面６９のような下方ギャップ７７に関連する様々なステータ領域内に組み込むことができる。図１０に示す配置とは異なり、図１１における逆タービュレータは、エンゼル翼５０、９０上には使用されない。図１１では、逆タービュレータは、それぞれエンゼル翼５０、９０及び阻止部５８、６４によって形成された上方及び下方ギャップ７６、７７の各側面上に設置される。具体的には、逆タービュレータは、阻止部５８、６４自体の表面長さにほぼ等しいギャップ７６、７７の各側面上で特定の長さにわたって延在する表面上に設置される。言い換えると、逆タービュレータは、阻止部５８、６４の表面長さの範囲だけギャップ７６、７７の各側面上で延在する。これらの領域内にのみ逆タービュレータを使用することにより、実際には依然として有効な流れ抵抗を保持しながら、上方及び下方ギャップ７６、７７並びにバッファ空洞８０を或る程度まで増大させることが可能になる。
【００３６】
本開示は、ターボ機械のタービンセクション内に例示的なステータ−ロータアセンブリを有する。しかしながら、そのような機械のその他のセクション内のステータ−ロータアセンブリもまた本発明により利益を受けることができることも強調しておきたい。非限定的な実施例として、多くのターボ機械内の圧縮機セクションもまた、エンゼル翼−阻止部構成装置を組み込むことができるステータ−ロータアセンブリを含む。タービンのケースにおけるのと同様に、この構造は、一般的にガスがより低温であるが、シーリング機構（例えば、異なる圧縮機段間を通しての）である。従って、圧縮機内のステータ−ロータアセンブリにおける逆タービュレータの使用もまた、ガス流れを制限するのに非常に有利なものとすることができる。（一般的に、本発明は、例えば室温又はそれ以上のあらゆる温度のガスを閉じ込めるのに適していることを理解されたい。）
本発明の別の実施形態は、上述したターボ機械のような、少なくとも１つのステータ−ロータアセンブリを含むターボ機械を対象としている。ガスタービンエンジン（例えば、ターボジェット、ターボプロップ、地上設置型発電タービン及び船舶推進用タービンエンジン）は、ターボ機械の実施例を代表している。当技術分野においては、他のタイプのものも知られている。非限定的な実施例には、これまた流体（気体又は液体）がそれを通って流れるステータ−ロータアセンブリを偶然に組み込んだ多様なポンプ及び圧縮機類が含まれる。これらその他のターボ機械設計の多くでは、機械の流路からその他の領域内への流体漏洩を現象させる新規な方法が、極めて興味深いものとなっている。従って、これらのターボ機械の何れかにおけるステータ−ロータアセンブリは、本開示に記載したような逆タービュレータのパターンを含むことができる。
【００３７】
本発明のさらに別の実施形態は、ターボ機械におけるステータ及びロータ間のギャップを通るガス（例えば、高温ガス）の流れを制限する方法を対象としている。前述したように、本方法は、ギャップに隣接したステータ又はロータの少なくとも１つの表面上に逆タービュレータのパターンを形成するステップを含む。逆タービュレータは、これもまた上述したように、ガス流れを妨げるのに十分な寸法及び形状を有する。本開示には、逆タービュレータを形成する例示的な方法もまた提示している。
【００３８】
特定の実施形態及び実施例によって本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載した本発明概念の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、当業者は様々な修正、改造及び変更を考えつくことができることを理解されたい。上述した特許、記事及び論文の全ては、参考文献として本明細書に組み入れている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ガスタービンエンジンの一部分の概略断面図。
【図２】図１のタービンの一部分の拡大断面図。
【図３】逆タービュレータを含む部品表面の部分側面図。
【図４】逆タービュレータを含む別の部品表面の部分側面図。
【図５】或るタイプの逆タービュレータを含むさらに別の部品表面の部分側面図。
【図６】或るタイプの逆タービュレータを含む部品表面の部分前面図。
【図７】図６の部品表面の拡大図。
【図８】逆タービュレータ無しの状態の例示的なステータ−ロータギャップを通る流体流れの比較簡略図。
【図９】逆タービュレータ有りの状態の例示的なステータ−ロータギャップを通る流体流れの比較簡略図。
【図１０】逆タービュレータの配置を示す、図１のタービンの一部分の別の拡大断面図。
【図１１】逆タービュレータの別の配置を示す、図１のタービンの一部分のさらに別の拡大断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ガスタービンエンジン
１２  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
２１  ステータ−ロータアセンブリ
２２  第１段ロータブレード
２３  翼形部
２４  第２段ロータブレード
２５  シャンク
２６  プラットフォーム
２７  ダブテール
３３  エンゼル翼
３４  エンゼル翼
３６  阻止部
３７  ガスストリームの一部分
３８  高温ガス通路
５０  エンゼル翼
５４  トレンチ空洞
５８  阻止部
６０  阻止部の半径方向面
６２  阻止部下面
６４  阻止部
６６  ステータ半径方向面
６７  阻止部の上表面
６９  阻止部の下表面
７０  エンゼル翼の上方シーリング面
７２  エンゼル翼の下方シーリング面
７４  エンゼル翼先端
７６  上方ギャップ
７７  下方ギャップ
７８  軸方向ギャップ
８０  バッファ空洞
８２  ホイールスペース領域
９０  エンゼル翼
９１  エンゼル翼の先端
９２  境界領域
９４  上方境界線
９６  下方境界線
９８  冷却空気ストリーム
９９  逆タービュレータ
１００  表面端縁部
１０１  逆タービュレータ
１０２  表面端縁部
１０４  表面端縁部
１０６  表面端縁部
１０８  逆タービュレータ
１１０  底面
１１２  側壁
１１４  逆タービュレータ
１１６  逆タービュレータ
１１８  角度
１２０  ステータ−ロータアセンブリ
１２２  ステータ−ロータアセンブリ
１２４  一枚プレート
１２６  一枚プレート
１２８  高温ガス流れ領域
１３０  高温ガス流れ
１３２  エンジン内部寄り領域
１３４  高温ガス流れ領域からエンジン内部寄り領域内への高温ガス流れ
１３６  冷却媒体の流れ
１３７  逆タービュレータ
１３８  ステータの下表面
１４０  ロータの上表面
Ｈ  高温ガス通路内のブレードの高さ
Ｒ  逆タービュレータの深さの半径
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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