(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジン用のリムキャビティシールシステムを提供する。【解決手段】ガスタービンにおけるタービンのトレンチキャビティは、ステータブレード及びロータブレードの対向する内寄り面間に定められる軸方向ギャップを含む。シールは、ステータブレードからロータブレードに向かって延びて、外寄り縁部と、内寄り縁部と、これらの間に定められる突出面とを含むようにするステータ突出部と、プラットフォーム縁部から半径方向内寄りに延びて、トレンチキャビティの軸方向ギャップにわたって突出面の少なくとも一部に対向するロータ外寄り面と、ロータ外寄り面からステータブレードに向かって延びる第１の軸方向突起部と、を含むことができる。ステータ突出部及びロータブレードの第１の軸方向突起部は、軸方向に重なるように構成することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）であって、
ステータブレード（１７）とロータブレード（１６）とを含み、これらの間に形成されたトレンチキャビティ（５０）内に形成されるシール（４５）を有するタービン（１２）を備え、
前記トレンチキャビティが、前記ステータブレード及び前記ロータブレードの対向する面の間に定められる軸方向ギャップを含み、
前記シールが、
前記ステータブレードから前記ロータブレードに向かって延びて、外寄り縁部（５６）と、内寄り縁部（５７）と、これらの間に定められる突出面（５８）とを含むようにするステータ突出部（５３）と、
プラットフォーム縁部（６６）から半径方向内寄りに延びて、前記トレンチキャビティの軸方向ギャップにわたって前記突出面の少なくとも一部に対向するロータ外寄り面（６５）と、
前記ロータ外寄り面から前記ステータブレードに向かって延びる第１の軸方向突起部（５１）と、
を備え、前記ステータ突出部及び前記ロータブレードの第１の軸方向突起部が、軸方向に重なるように構成される、ガスタービン。
【請求項２】
前記第１の軸方向突起部が、前記ステータ突出部に対して内寄りの位置を含み、前記ステータ突出部が前記第１の軸方向突起部の少なくとも先端（６７）を突出するようになる、請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記第１の軸方向突起部が、前記先端にて上向きのリップを有するエンジェルウィング突起部（５２）を含む、請求項１に記載のガスタービン。
【請求項４】
前記外寄り縁部が、前記タービンを通る流路の内側境界にある位置を含み、前記プラットフォーム縁部が、前記タービンを通る流路の内側境界にある位置を含む、請求項２に記載のガスタービン。
【請求項５】
前記ステータ突出部が、前記流路の内側境界の一部を定める突出部上面（５９）を含み、前記ロータブレードが、前記プラットフォーム縁部から軸方向に延びて、前記流路の内側境界の一部を定めるようにするプラットフォームを含む、請求項４に記載のガスタービン。
【請求項６】
前記ロータ外寄り面が、前記プラットフォームの突出するノーズ部と前記第１の軸方向突起部との間に定められるポケット（６８）を含む、請求項２に記載のガスタービン。
【請求項７】
前記ステータ突出部の内寄り縁部が軸方向張出縁部を含み、前記ステータ突出部の張出内寄り縁部が、前記ロータ外寄り面のポケットと半径方向に重なる、請求項６に記載のガスタービン。
【請求項８】
前記ステータ突出部の内寄り縁部が、前記ロータ外寄り面のポケットの半径方向中間点領域と半径方向で一致する、請求項７に記載のガスタービン。
【請求項９】
前記ステータ突出部の外寄り縁部が軸方向張出縁部を含み、前記ステータ突出部の内寄り縁部が軸方向張出縁部を含み、前記張出内寄り縁部と前記張出外寄り縁部が、前記ステータ突出部の突出面の凹型部分（７２）を定める、請求項６に記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記ロータ外寄り面のポケットの外寄り縁部が、前記突出面の凹型部分と半径方向に重なる、請求項９に記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記ロータ外寄り面のポケットの外寄り縁部が、前記突出面の凹型部分の半径方向中間点領域と半径方向に一致する、請求項９に記載のガスタービン。
【請求項１２】
前記ロータ内寄り面が、前記ステータブレードに向かって延びる第２の軸方向突起部（５１）を含み、前記ステータ突出部及び前記ロータブレードの第２の軸方向突起部が軸方向に重なるように構成される、請求項９に記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記第２の軸方向突起部がエンジェルウィング突起部（５２）を含み、前記第２の軸方向突起部が、前記第１の軸方向突起部よりも長い軸方向長さを有し、前記ステータ突出部が、前記突出部上面に対向して、前記ステータ突出部の内寄り縁部から半径方向に延びるステータ内寄り面まで軸方向に延びる突出部下面（６０）を含み、ロータ内寄り面（６９）が前記ロータ外寄り面から半径方向内向きに延び、前記ロータ内寄り面が、前記トレンチキャビティの軸方向ギャップにわたって前記ステータ内寄り面の少なくとも一部に対向する、請求項１２に記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記ステータ内寄り面が、前記ロータブレードに向かって延びる軸方向突起部を含み、前記ステータブレードの軸方向突起部及び前記ロータブレードの第２の軸方向突起部が、軸方向に重なるように構成される、請求項１３に記載のガスタービン。
【請求項１５】
前記ロータブレードの第２の軸方向突起部が、前記ステータブレードの軸方向突起部に対して内寄りの位置を含み、前記ステータブレードの軸方向突起部が、前記ロータブレードの第２の軸方向突起部の少なくとも先端を突出するようになる、請求項１４に記載のガスタービン。
【請求項１６】
前記トレンチキャビティにわたる前記ステータブレードと前記ロータブレードとの間の軸方向の重なりが、前記ロータブレードのうちの既に設置してある対応するロータブレードに対して、前記ステータブレードのうちのステータブレードの内寄りの差し込み設置を可能にするよう構成される、請求項１５に記載のガスタービン。
【請求項１７】
前記シールが、対応する内寄り構造と軸方向に重なる外寄り構造を含む、請求項１５に記載のガスタービン。
【請求項１８】
前記トレンチキャビティが、前記タービンの回転部品と固定部品との間に円周方向に延びる軸方向ギャップを含み、前記ロータブレードが、前記タービンを通る流路内にあり且つそこを流れる作動流体と相互作用する翼形部（３０）を含み、前記タービンのステータブレードが、前記タービンを通る流路内にあり且つそこを流れる作動流体と相互作用する翼形部（４０）を含む、請求項１５に記載のガスタービン。
【請求項１９】
前記トレンチキャビティが、前記ロータブレードの上流側と前記ステータブレードの下流側との間に形成されるトレンチキャビティを含み、前記シールが、前記ロータブレードと同様に構成されるロータブレードの列と、前記ステータブレードと同様に構成されるステータブレードの列との間に軸方向プロファイルを含む、請求項１５に記載のガスタービン。
【請求項２０】
前記トレンチキャビティが、前記ロータブレードの下流側と前記ステータブレードの上流側との間に形成されるトレンチキャビティを含み、前記シールが、前記ロータブレードと同様に構成されるロータブレードの列と、前記ステータブレードと同様に構成されるステータブレードの列との間に軸方向プロファイルを含む、請求項１５に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、燃焼ガスタービンエンジン（「ガスタービン」）に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用のリムキャビティシールシステム及びプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
作動時には、高温ガス経路の過酷な温度に起因して、動作又は性能を損なう又は劣化させることになる温度に構成部品が達するのを防ぐために、十分に注意を払う必要がある。過酷な温度に特に敏感な１つの領域は、高温ガス経路の内寄りのスペースである。この領域は、多くの場合タービンの内側ホールスペース又はリムキャビティと呼ばれ、回転ロータブレードが取り付けられる複数のタービンホイール又はロータを含む。ロータブレードは、高温ガス経路の高い温度に耐えるように設計されているが、ロータはそうではなく、従って、高温ガス経路の作動流体がトレンチキャビティ内に流入しないようにする必要がある。しかしながら、理解されるように、軸方向ギャップが回転ブレードと周囲の固定部品との間に存在する必要があり、これらのギャップを通過して作動流体の高温ガスが内部領域への経路を辿る。加えて、エンジンが暖機される方式及び異なる熱膨張係数に起因して、これらのギャップは、エンジンが作動している方式に応じて拡大及び縮小する場合がある。このサイズの変動により、これらのギャップの適切なシールが困難な設計課題となる。
【０００３】
より具体的には、ガスタービンは、ステータブレード及びロータブレードの複数の列を備えたタービンセクションを含み、ここでは複数の段のロータブレードが、ステータブレードの固定ガイドベーンの周りを共に回転する。ステータブレード及びこれに関連する組立体は、ロータブレードの２つの段の間に形成されたリムキャビティ内に延びる。シールは、ロータブレードの内側シュラウドとステータブレードとの間、並びにステータブレードダイアフラムの内寄り面と２つのロータディスクリム延長部との間に形成される。理解されるように、高温ガス流圧力は、ステータブレードの後方側よりも前方側の方が高く、従って、リムキャビティ内に圧力差が存在する。従来技術において、ステータダイアフラムの内寄り面上のシールは、ステータブレードの列をわたる漏洩流の制御に用いることができる。加えて、ナイフエッジシールをステータブレードのカバープレート上に用いて、リムキャビティ内への高温ガスの吸い込みに抗するシールを生成することができる。ロータディスクは、翼形部よりも比較的低温の材料で作られるので、リムキャビティ内への高温ガスの吸い込みはできる限り阻止される。高温への暴露と共にロータディスクに作用する高い応力は、ロータディスクを熱的に脆弱にし、その寿命を短縮することになる。ステータダイアフラムからのパージ冷却吐出空気は、高温ガスの吸い込み流をリムキャビティからパージするのに使用されている。
【０００４】
しかしながら、パージ空気の使用量を低減するようなリムキャビティ漏洩流の制御は、極めて僅かしか進歩していない。パージ分布に関する問題は非効率的な使用をもたらし、勿論これは高コストとなる。理解されるように、パージシステムは、エンジンの製造及び保守整備コストを増大させ、リムキャビティからの圧力又は流出流を所望のレベルに維持するのが不正確になることが多い。更に、パージ流は、タービンエンジンの性能及び効率に悪影響を及ぼす。すなわち、パージ空気レベルが増大すると、エンジンの出力及び効率が低下する。よって、パージ空気の使用量を最小限にすることが望ましい。そのため、ギャップ、トレンチ、キャビティ及び／又はリムキャビティを流路の高温ガスから良好にシールする改善された方法、システム及び／又は装置に対する継続的な必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，６１６，８３２号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、本出願は、ステータブレード及びロータブレードを含み、トレンチキャビティ内に形成されたシールを有するタービンを備えたガスタービンを記載する。トレンチキャビティは、ステータブレード及びロータブレードの対向する内寄り面間に定められる軸方向ギャップを含むことができる。シールは、ステータブレードからロータブレードに向かって延びて、外寄り縁部と、内寄り縁部と、これらの間に定められる突出面とを含むようにするステータ突出部と、プラットフォーム縁部から半径方向内寄りに延びて、トレンチキャビティの軸方向ギャップにわたって突出面の少なくとも一部に対向するロータ外寄り面と、ロータ外寄り面からステータブレードに向かって延びる第１の軸方向突起部と、を含むことができる。ステータ突出部及びロータブレードの第１の軸方向突起部は、軸方向に重なるように構成することができる。
【０００７】
本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。
【０００８】
本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の実施形態を示した添付図面を参照しながら、本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本出願の実施形態によるブレード組立体を用いることができる例示的なタービンエンジンの概略図。
【図２】図１の燃焼タービンエンジンの圧縮機セクションの断面図。
【図３】図１の燃焼タービンエンジンのタービンセクションの断面図。
【図４】本発明の特定の態様によるロータブレード及びステータブレードの複数の列の内側半径方向部分の概略断面図。
【図５】本発明の例示的な実施形態によるトレンチキャビティシール機構組立体の断面図。
【図６】本発明の代替の実施形態によるトレンチキャビティシール機構組立体の断面図。
【図７】本発明の例示的な実施形態によるエアカーテン組立体を備えたシール機構を含むトレンチキャビティの断面図。
【図８】本発明の代替の実施形態によるエアカーテン組立体を備えたシール機構を含むトレンチキャビティの断面図。
【図９】本発明の代替の実施形態によるエアカーテン組立体を備えたシール機構を含むトレンチキャビティの断面図。
【図１０】本発明の代替の実施形態によるエアカーテン組立体を備えたシール機構を含むトレンチキャビティの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の詳細な説明は、図面における特徴要素を指すために参照符号の表示を用いている。図面及び本明細書における同じ又は同様の参照符号は、本発明の実施形態の同じ又は同様の部品を指すのに用いることができる。理解されるように、各実施例は、本発明の限定ではなく説明の目的で提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。本明細書で言及される範囲及び限度は、別途指示のない限り、当該限度自体を含めて規定の限度内にある全ての部分範囲を含むことを理解されたい。加えて、本発明並びに構成サブシステム及び要素を記述するために特定の用語が選択されている。可能な範囲内で、これらの用語は、技術分野において一般的な専門用語に基づいて選ばれている。更に、このような用語は様々な解釈を生じることが多いことは理解されるであろう。例えば、単一の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では複数の構成要素からなるものとして参照される場合があり、又は、複数の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では単一の構成要素として本明細書で参照され場合がある。本発明の範囲を把握する際に、使用される特定の専門用語にのみ留意するのではなく、本明細書及び関連状況に加えて、用語が複数の図に関係する様態並びに当然ながら添付の請求項における専門用語の厳密な使用を含む、参照及び記載されている構成要素の構造、構成、機能、及び／又は使用に対しても留意すべきである。更に、以下の実施例は、特定のタイプのタービンエンジンに関連して提示されているが、本発明の技術はまた、関連の技術分野における当業者が理解されるタービンエンジンの他のタイプにも適用することができる。
【００１１】
タービンエンジン運転の性質を考慮すると、エンジン及び／又はその内部に含まれる複数のサブシステム又は構成部品の機能を説明するために本出願全体にわたって幾つかの記述用語を用いることができ、これらの用語をこのセクションの始めに定義することが有用であることは理解することができる。従って、これらの用語及びその定義は、別途規定のない限り、以下の通りとする。用語「前方」及び「後方」は、特に別途指定のない限り、ガスタービンの向きを基準とした方向を指す。すなわち、「前方」とは、エンジンの前方又は圧縮機側を指し、「後方」とは、エンジンの後方又はタービン側を指す。これらの用語の各々は、エンジン内の移動又は相対位置を指すのに用いることができることは理解されるであろう。「下流側」及び「上流側」という用語は、通過する流れの全体の方向を基準とした特定の導管内の位置を指すのに用いられる。（これらの用語は、当業者には明らかなはずの通常の作動中に予想される流れに対する方向を基準としていることは理解されるであろう。）「下流側」という用語は、流体が特定の導管内を流れる方向を指すのに対し、「上流側」は、反対の方向を指す。従って、例えば、圧縮機を通って移動する空気として始まり、その後に燃焼器内及びこれを越えて燃焼ガスとなる、タービンエンジンを通過する作動流体の１次流れは、圧縮機の上流側端部又は前方端部に向かう上流位置から始まって、タービンの下流側又は後方端部に向かう下流側位置で終端するものとして記述することができる。以下でより詳細に説明される一般的なタイプの燃焼器内の流れ方向の記述に関し、圧縮機吐出空気は通常、燃焼器の後方端部（燃焼器の長手軸線及び前方／後方の違いを定義する前述の圧縮機／タービンの位置を基準として）に向かって集中したインピンジメントポートを通って燃焼器に流入することは理解されるであろう。燃焼器に入ると、圧縮空気は、燃焼器の前方端部に向かって内部チャンバの周りに形成される流れアニュラス（環状空間）を介して案内され、この燃焼器の前方端部で空気流が内部チャンバに流入し、次いで流れ方向を反転させて、燃焼器の後方端部に向かって移動する。冷却通路を通る冷却材の流れは、同様にして処理することができる。
【００１２】
加えて、共通の中心軸線の周りにある圧縮機及びタービンの構成並びに多くの燃焼器タイプに共通した円筒形構成を考慮すると、軸線を基準とした位置を記述する用語を本明細書で用いることができる。この点に関して、用語「半径方向」は、軸線に垂直な移動又は位置を指すことは理解されるであろう。これに関連して、中心軸線からの相対距離を記載することが必要となる場合がある。この場合、例えば、第１の構成部品が第２の構成部品よりも中心軸線に近接して位置する場合、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向内向き」又は「内寄り」にあると記述されることになる。他方、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第１の構成要素は第２の構成要素の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述されることになる。加えて、理解されるように、用語「軸方向に」は、軸線に平行な移動又は位置を指す。最後に、用語「円周方向」は、軸線の周りの移動又は位置を示す。上述のように、これらの用語は、エンジンの圧縮機セクション及びタービンセクションを通って延びる共通の中心軸線に関連して用いることができるが、これらの用語はまた、エンジンの他の構成部品又はサブシステムに関連して用いることもできる。例えば、多くのガスタービン機械に一般的な円筒形状の燃焼器の場合、これらの用語に相対的な意味を与える軸線は、断面形状の中心を通って延びる長手中心軸線であり、この断面形状は、最初は円筒形であるが、タービンに近付くにつれてより環状の輪郭に移行する。
【００１３】
図１は、ガスタービン１０の概略図である。一般に、ガスタービンは、圧縮空気のストリーム中での燃料の燃焼によって生成される高温ガスの加圧流からエネルギーを抽出することによって作動する。図１に例示するように、ガスタービン１０は、共通シャフト又はロータにより下流側のタービンセクション又はタービン１２に機械的に結合された軸流圧縮機１１と、圧縮機１１とタービン１２の間に位置付けられる燃焼器１３とにより構成することができる。
【００１４】
図２は、図１のガスタービンにおいて用いることができる例示的な多段軸流圧縮機１１の図を例示している。図示のように、圧縮機１１は、複数の段を含むことができる。各段は、圧縮機ロータブレード１４の列と、その後に続く圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。従って、第１段は、中心シャフトの周りに回転する圧縮機ロータブレード１４の列と、作動中静止している圧縮機ステータブレード１５の列とを含むことができる。
【００１５】
図３は、図１のガスタービンにおいて用いることができる例示的なタービンセクション又はタービン１２の部分図を示している。タービン１２は、複数の段を含むことができる。３つの例示的な段が示されているが、より多くの段又はより少ない段がタービン１２に存在することができる。第１の段は、作動中シャフトの周りを回転する複数のタービンバケット又はロータブレード１６（「ロータブレード」）と、作動中静止している複数のノズル又はステータブレード（「ステータブレード」）１７とを含む。ステータブレード１７は、一般に、互いに円周方向に離間して配置され、回転軸線の周りに固定される。ロータブレード１６は、シャフトの周りで回転するためタービンディスク又はホイール（図示せず）上に装着することができる。タービン１２の第２の段もまた例示されている。第２の段は、同様に、複数の円周方向に離間したステータブレード１７と、回転のためタービンホイール上にまた装着される、その後に続く複数の円周方向に離間したロータブレード１６とを含む。第３の段もまた例示されており、同様に、複数のステータブレード１７及びロータブレード１６を含む。ステータブレード１７及びロータブレード１６は、タービン１２の高温ガス経路内にあることは理解されるであろう。高温ガス経路を通る高温ガスの流れ方向が矢印で示されている。当業者であれば理解されるように、タービン１２は、図３に示したよりも多くの段又は場合によっては少ない段を有することができる。各追加の段は、ステータブレード１７の列と、その後に続くロータブレード１６の列とを含むことができる。
【００１６】
動作の１つの実施例において、軸流圧縮機１１内の圧縮機ロータブレード１４の回転は、空気流を圧縮することができる。燃焼器１３において、圧縮空気が燃料と混合されて点火されると、エネルギーを放出することができる。燃焼器１３から結果として得られる高温ガス（作動流体と呼ぶことができる）の流れは、ロータブレード１６にわたって配向され、該作動流体の流れは、シャフトの周りのロータブレード１６の回転を誘起する。これにより、作動流体の流れのエネルギーは、回転ブレード並びに回転シャフト（ロータブレードとシャフトとの間が接続されている理由から）の機械的エネルギーに変換される。次いで、シャフトの機械的エネルギーを用いて、圧縮機ロータブレード１４の回転を駆動し、その結果、必要な供給圧縮空気が生成され、更に、例えば、発電機が電力を生成することができる。
【００１７】
図４は、本出願の特定の態様に従ってタービンにおいて構成することができるブレードの複数の列の断面図を概略的に示す。当業者であれば理解されるように、本図は、ロータブレード１６とステータブレード１７の２つの列の内寄り構造体を含む。各ロータブレード１６は一般に、高温ガス経路内にあり且つタービンの作動流体（その流れ方向が矢印３１で示される）と相互作用する翼形部３０と、ロータブレード１６をロータホイール３４に取り付けるダブテール３２と、翼形部３０及びダブテール３２間で通常はシャンク３６と呼ばれる構成部品とを含む。本明細書で使用される場合、シャンク３６は、この事例ではダブテール３２である取付手段と翼形部３０との間にあるロータブレード１６のセクションを指すものとする。ロータブレード１６は更に、シャンク３６と翼形部３０の接続部にてプラットフォーム３８を含むことができる。各ステータブレード１７は一般に、高温ガス経路内にあり且つ作動流体と相互作用する翼形部４０と、翼形部４０の半径方向内向きに内側側壁４２と、ダイアフラム４４とを含む。通常、内側側壁４２は、翼形部４０と一体化されて、高温ガス経路の内側境界を形成する。ダイアフラム４４は通常、内壁４２に取り付けられ（一体的に形成してもよい）、半径方向内向きに延びて、直ぐ内寄りに位置付けられた回転構成部品とシール４５を形成する。
【００１８】
高温ガス経路の半径方向内向き縁部又は内寄り境界に沿って、回転構成部品と固定構成部品との間に軸方向ギャップが存在することは、理解されるであろう。これらのギャップは、本明細書で「トレンチキャビティ５０」と呼ばれ、回転部品（すなわち、ロータブレード１６）と固定部品（すなわち、ステータブレード１７）との間で維持されなければならないスペースであることから存在する。エンジンが暖機され異なる負荷レベルで作動する方式、並びに構成部品の一部の熱膨張係数が異なることに起因して、トレンチキャビティ５０の幅（すなわち、ギャップにわたる軸方向距離）は一般に変化する。すなわち、トレンチキャビティ５０は、エンジンが作動している方式に応じて拡大及び縮小する場合がある。回転部品が固定部品に接して摩擦することは極めて望ましくないので、エンジンは、全ての動作条件の間、トレンチキャビティ５０の位置にて少なくとも幾らかのスペースが維持されるように設計されなければならない。このことは、一般に、トレンチキャビティ５０が、何らかの動作条件の間に狭い開口を有し、他の作動条件の間に比較的広い開口を有する結果をもたらす。勿論、比較的広い開口を有するトレンチキャビティ５０は、タービンホイールスペース内により多くの作動流体が吸い込まれることを生じる理由から、望ましいことではない。
【００１９】
トレンチキャビティ５０は一般に、回転部品が固定部品と隣接する高温ガス経路の半径方向内向き境界に沿った各箇所に存在することは理解されるであろう。従って、例示のように、トレンチキャビティ５０は、ロータブレード１６の後縁とステータブレード１７の前縁の間、及びステータブレード１７の後縁とロータブレード１６の前縁の間に形成される。通常、ロータブレード１６に関しては、シャンク３６は、トレンチキャビティ５０の１つの縁部を定め、また、ステータブレード１７に関しては、内側側壁４２又は他の同様の構成部品がトレンチキャビティ５０の他の縁部を定める。以下でより詳細に説明される軸方向突起部５１は、作動流体の吸い込みを制限する蛇行経路又はシールを提供するようにトレンチキャビティ５０内に構成することができる。軸方向突起部５１は、トレンチキャビティ５０にわたって対向するロータブレード１６及びステータブレード１７の内寄り構造又は面から突出する半径方向の薄い延長部として定義することができる。軸方向突起部５１は、理解されるように、これらがタービンの周りで実質的に円周方向に延びるように、ブレード１６，１７の各々上に含めることができる。図示のように、軸方向突起部５１は、ロータブレード１６の内寄り構造体から延びる、いわゆる「エンジェルウィング」突起部５２を含むことができる。例示するように、エンジェルウィング突起部５２の外寄りでは、ステータブレード１７の内側側壁４２がロータブレード１６に向かって突出し、これによりトレンチキャビティ５０の一部を覆って突き出た又は片持ちにされたステータ突出部５３を形成することができる。一般に、エンジェルウィング５２の内寄りでは、トレンチキャビティ５０は、ホイールスペースキャビティ５４内に移行すると考えられる。
【００２０】
上述のように、過酷な温度によりトレンチキャビティ５０及びホイールスペースキャビティ５４が損傷を受ける可能性があるので、高温ガス経路の作動流体がこの領域に進入するのを防ぐことが望ましい。軸方向に重なるエンジェルウィング５２及びステータ突出部５３は、何らかの吸い込みを制限するように構成することができる。しかしながら、トレンチキャビティ５０の開口の変化する幅及びこのようなシールの限界に起因して、キャビティが圧縮機から注記される比較的高レベルの圧縮空気でパージされない場合には、作動流体は、ホイールスペースキャビティ５４内に恒常的に吸い込まれる可能性がある。上述のように、パージ空気は、エンジンの性能及び効率に悪影響を及ぼすので、その使用量は最小限にすべきである。
【００２１】
図５及び６は、本発明の実施形態による、トレンチキャビティシール５５の断面図を示す。理解されるように、記載の実施形態は、コスト効果があり且つ効率的なシールの解決策を実現した複数のシール構成要素タイプの特定の幾何形状機構を含む。出願人が発見し、記載の様態で構成され、添付の請求項において特許請求されるように、これらの構成要素は、全体として、パージ空気に過度に頼ることなく、上述のように全体のエンジン効率を向上させる有意なシールの恩恵をもたらす有利な流れパターンを生成するよう機能する。更に、本明細書で記載される機構は、保守整備コスト及び機械運転停止時間を増大させる制限的な相互連結及び複雑な形状なしで対象物のシールを達成した。より具体的には、トレンチキャビティにわたるステータブレード組立体とロータブレード組立体との間の軸方向の重なりは、既に設置してある隣接のロータブレードの１つ又は複数の列に対して、ステータブレード組立体の内寄りの差し込み設置を可能にするよう構成される。好ましい実施形態によれば、シール５５は、ロータブレード組立体上に位置付けられる内寄りのシール構造と軸方向で重なる、ステータブレード組立体上に位置付けられる外寄りのシール構造を含むことができるが、図５及び６を調べると理解されるように、ステータブレードの差し込み設置を妨害又は阻止するような相互連結はされていない。加えて、図７から図１０に関連した説明の一部として、本出願は、好ましい実施形態によるステータブレード内の内部冷却通路と連係して機能する気流の使用によってトレンチキャビティシールを強化する実施形態、並びに本明細書で説明されるシール構成の他の態様を検討する。
【００２２】
図５に示すように、ステータブレード１７は、ステータブレード１７からロータブレード１６に向けて延びるステータ突出部５３を含むことができる。ステータ突出部５３は、外寄り縁部５６と、内寄り縁部５７と、該外寄り縁部５６と内寄り縁部５７との間に定められる突出面５８とを含むことができる。外寄り縁部５６は、タービンを通る流路の内側境界に位置付けることができる。上述のように、ステータ突出部５３は、側壁４２の一部を含み、流路の内側境界の一部を定めることができる。ステータ突出部５３のこの外面は、突出部上面５９と呼ばれる。突出部上面５９の反対側には、ステータ突出部５３は、突出部下面６０を含み、ステータ突出部５３の内寄り縁部５７から、トレンチキャビティ５０の一部を定める半径方向に延びる内壁であるステータ内寄り面６２まで軸方向に延びる。上述のように、ロータブレード１６は、プラットフォーム３８のプラットフォーム縁部６６から半径方向内寄りに延びるロータ外寄り面６５を含むことができる。プラットフォーム縁部６６は、タービンを通る流路の内側境界に位置付けることができる。図示のように、ロータ外寄り面６５は、トレンチキャビティ５０の軸方向ギャップにわたって突出面５８と対向することができる。外側半径方向又は第１の軸方向突起部５１は、ロータ外寄り面６５からステータブレード１７に向けて延びることができる。図示のように、第１の軸方向突起部５１は、ステータ突出部５３に対して内寄りに位置付けることができる。ステータ突出部５３及び第１の軸方向突起部５１は、ステータ突出部５３が第１の軸方向突起部５１に軸方向に重なるように構成することができる。このようにして、ステータ突出部５３は、第１の軸方向突起部５１の少なくとも先端６７を突出することができる。図示のように、第１の軸方向突起部５１は、エンジェルウィング突起部５２として構成することができる。エンジェルウィング突起部５２は、先端６７にて上向きの凹型リップを含むように構成することができる。ロータ外寄り面６５は、図示のようなプラットフォームの突出するノーズ部と第１の軸方向突起部５１との間に定められるポケット６８を含むことができる。好ましい実施形態によれば、ステータ突出部５３の内寄り縁部５７は、軸方向張出縁部を含むように構成することができる。図示のように、内寄り縁部５７の軸方向張出縁部は、ロータ外寄り面６５のポケット６８の半径方向高さと半径方向で重なるように構成することができる。より好ましくは、内寄り縁部５７の張出縁部は、図示のように、ロータ外寄り面６５のポケット６８の半径方向中間点領域と半径方向で一致するように構成することができる。このようにして、構造体は、複数のスイッチバック流れパターンを誘起するよう協働することができ、これによりガス吸い込みを制限し、効果的なトレンチキャビティシールを生成するようにする。加えて、ステータ突出部５３の外寄り縁部５６はまた、軸方向張出縁部を含むように構成することができ、内寄り張出縁部５７と共に突出面５８の凹型部分７２が形成されるようになる。好ましくは、ロータ外寄り面６５のポケット６８の外寄り縁部は、突出面５８の凹型部分７２と半径方向に重なるように位置付けられる。図示のように、ロータ外寄り面６５のポケット６８の外寄り縁部５６は、突出面５８の凹型部分の半径方向中間点領域と半径方向に一致するように位置付けることができる。
【００２３】
図６に示すように、ロータブレード１６は、ロータ外寄り面６５から内寄りに延びるロータ内寄り面６９を含むことができる。理解されるように、ロータ内寄り面６９は、トレンチキャビティ５０の軸方向ギャップにわたってステータ内寄り面６２に対向するよう構成することができる。図示のように、ロータ内寄り面６９は、ステータブレード１７に向かって延びる内側半径方向又は第２の軸方向突起部５１を含むことができる。ステータ突出部５３及びロータブレードの第２の軸方向突起部５１は、軸方向に重なるように構成することができる。第１の軸方向突起部５１と同様に、第２の軸方向突起部５１は、先端６７にて上向きのリップを含むエンジェルウィング突起部５２として構成することができる。図示のように、第２の軸方向突起部５１は、第１の軸方向突起部５１よりも長い軸方向長さを有することができる。
【００２４】
好ましい実施形態によれば、ステータ内寄り面６２は、ロータブレード１６に向かって延びる軸方向突起部５１を含むことができる。ステータブレード１７の軸方向突起部５１及びロータブレード１６の第２の軸方向突起部５１は、軸方向に重なるように構成することができる。より具体的には、ロータブレード１６の第２の軸方向突起部５１は、ステータブレード１７の軸方向突起部５１の直ぐ内寄りに構成され、該ステータブレード１７の軸方向突起部５１がロータブレード１６の第２の軸方向突起部５１の少なくとも先端６７に突き出るようにすることができる。理解されるように、図５及び６のトレンチキャビティ５０は、流路を通る流れの表示の方向３１を仮定すると、トレンチキャビティ５０がロータブレード１６の上流側とステータブレード１７の下流側との間に形成される実施例を示す。当然のことながら、本発明の代替の実施形態は、トレンチキャビティ５０がロータブレード１６の下流側上流側とステータブレード１７の上流側との間に形成される事例を含む。
【００２５】
図７〜１０は、本発明の例示的な実施形態によるエアカーテン組立体を含むシール機構５５を有するトレンチキャビティ構成の断面図である。図示のように、これらの構成の例示的なトレンチキャビティシール５５は、既述した同じシール構成要素の多くを含むことができる。すなわち、好ましい実施形態において、上述のようにステータ突出部５３は、ロータブレード１６に向けて延び、ロータブレード１６から突出する軸方向突起部５１を突き出るようになる。上記で説明したように、軸方向突起部５１は、ロータ外寄り面６５からステータブレード１７に向けて延びるエンジェルウィング突起部５２として構成することができる。図７〜１０のシール５５の一部として、１又はそれ以上のポート７３は、ステータ突出部５３の突出部下面６０上に配置することができる。ポート７３は、冷却剤を軸方向突起部５１に向けるよう構成することができる。より具体的には、図示のように、ポート７３は、該ポート７３から放出される流体をエンジェルウィング５２の外寄り面７４上に流出させるように構成することができる。図９及び１０の実施形態に関連より十分に説明されるように、エンジェルウィング５２の外寄り面７４は、ポート７３から放出される流体を受け取り、これをトレンチキャビティ５０の入口７６に向けるなど所望の方式で配向して、高温ガスの吸い込みを抑制するようにすることができる。
【００２６】
ポート７３により放出される流体は、冷却剤とすることができ、通常は、圧縮機から抽気された圧縮空気である。図示のように、ポート７３は、ステータブレード１７内に形成された１又はそれ以上の内部冷却チャンネル７７を介して冷却剤プレナム７５などの冷却剤供給源と流体連通するよう構成することができる。内部冷却チャンネル７７は、ステータ突出部５３を通って形成することができる。理解されるように、冷却剤プレナム７５は、数多くの構成をとることができる。冷却剤プレナム７５は、冷却剤供給源からステータブレード１７を通って冷却剤を循環させるよう構成することができ、翼形部４０を貫通して形成される内部通路とすることができる。図７〜９に示す好ましい実施形態によれば、冷却チャンネル７７は、ポート７３に到達するまでに、突出部上面５９及び／又は突出面５８の面の直ぐ下に延びるよう構成することができる。理解されるように、突出部上面５９及び／又は突出面５８として設計される表面区域は、高レベルな能動的内部冷却を必要とする領域である。最終的にはポート７３を通って排出される冷却剤をこれらの領域内の表面に極めて近付けることによって、冷却チャンネル７７を通過することによるこれら表面の対流冷却とポート７３を通じた冷却排出による高温ガス吸い込みの抑制のために冷却剤が効率的に利用される。例示的な実施形態によれば、冷却チャンネル７７は、タービンの周りに円周方向に一定の間隔で近接して配置された複数の平行内部チャンネルとして構成することができる。
【００２７】
図８に示すように、ポート７３は、軸方向（図７の半径方向ではなく）に傾斜させ、性能の特定の態様を強化することができる。角度方向は、吸い込みに対してより直接的なエアカーテンを形成するよう、トレンチキャビティ５０の入口７６の方に向けることができる。より具体的には、内寄りに向けられた基準線７９（すなわち、ポート７３から始まって、内寄り方向でタービンの軸線に向かって延びる線を表す）を基準として、ポート７３は、該ポート７３からの排出の方向（「排出方向」）が内寄りに向けられた基準線７９に対して排出角８１を形成するように軸方向に傾斜される。正の角度は、ステータ内寄り面から離れる方向に定められるものである。特定の実施形態によれば、排出角８１は、２０〜６０度の間とすることができる。上述のように、ポート７３は、軸方向の傾斜はなく、これにより内寄りに向けられた基準線７９と実質的に同じ排出方向８０を有する。好ましい実施形態によれば、排出はまた、チャンネル７７の出口ポート７３を円周方向に配向することにより、回転方向のスワール（旋回）成分を有することができる。
【００２８】
他の実施形態によれば、図９及び１０に例示されるように、エンジェルウィング突起部５２は、ポート７３からの冷却剤を所望の方法で偏向するように構成された偏向構造８２を有するように構成することができる。図９及び１０に示すように、偏向構造８２は、軸方向突起部５１の外寄り面７４に沿って位置付けることができ、その面から突出することができる。好ましい実施形態によれば、偏向構造８２は、トレンチキャビティ５０の入口７６に向けて冷却剤を配向するための斜面を含む。例えば、図９に示すように、偏向構造８２は、ポート７３からの半径方向に整列した冷却剤の排出を外寄り面７４に沿った軸方向流路上に偏向するよう軸方向突起部５１の外寄り面７４に対して傾斜して配向された偏向面を含むことができる。反射方向は、トレンチキャビティの入口７６の方向とすることができる。図１０に例示するように、代替の実施形態において、偏向構造は、入口７６に向けてより直接的に（すなわち、より垂直又は半径方向で）排出を反射させる構造を含むことができる。
【００２９】
当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するよう更に選択的に適用することができる。簡潔にするため、及び当業者の能力を考慮して、各々の可能な繰り返しは本明細書で詳細には述べていないが、添付の複数の請求項によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなすものとする。加えて、本発明の複数の例示的な実施形態の上記の説明から、当業者であれば改善、変更、及び修正が理解されるであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更、及び修正はまた、添付の請求項によって保護されるものとする。更に、上記のことは、本出願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ガスタービン
１２  タービン
１３  燃焼器
１６  ロータブレード
１７  ステータブレード
３０  翼形部
３２  ダブテール
５０  トレンチキャビティ
５１  軸方向突起部
５３  ステータ突出部
６５  ロータ外寄り面
７３  ポート
【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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【外国語明細書】
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