JP2017537255A

JP2017537255A - モジュール式のタービンベーン

Info

Publication number: JP2017537255A
Application number: JP2017523525A
Authority: JP
Inventors: ジョンメスマンスティーヴン; ジェイ．ヴィッサーブラッドリー
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2017-12-14
Also published as: US20170298751A1; CN107075952A; WO2016068859A1; EP3212891A1

Abstract

ガスタービンエンジン（１４）のモジュール式のタービンベーン（１２）に用いられる翼取付けシステム（１０）は、モジュール式のベーン（１２）の構造上の完全性を向上させるためにベーンキャリア（２４）に直接に連結されるように構成された、前方の半径方向に延在する軸方向フック（２０）と、後方の半径方向に延在する軸方向フック（２２）と、を有する外側取付けシステム（１０）を備える。翼取付けシステム（１０）は、ベーン（１２）の吸込面（２８）と圧力面（３０）との間の翼ベーンの前後への周方向の揺動運動を低減するための、前方の半径方向に延在する軸方向フック（２０）と後方の半径方向に延在する軸方向フック（２２）との間に配置された１つまたは複数の中間シュラウド外側支持部（２６）を有していてよい。モジュール式のタービン翼ベーン（１２）は、第１の接合部（８８）と第２の接合部（１０２）とを形成する隣接する複数のシュラウド（３２，３４）の間に配置されてよい。第１のシーリングシステム（１０４）が、第１の接合部（８８）に配置され、第２のシーリングシステム（１１０）が、第２の接合部（１０２）に配置されてもよく、これにより、高温ガスの吸い込みが制限される。

Description

連邦政府資金による研究開発の記載
本発明の開発は、米国エネルギー省の、改良型タービン開発プログラム、契約番号DE-FC26-05NT42644により一部支援された。したがって、アメリカ合衆国政府は、本発明に一定の権利を有することができる。

発明の分野
本発明は、一般にタービン翼に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンに使用可能であり、外径支持構造を有する中空翼の支持システムに関する。

典型的に、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮空気と燃料とを混合して混合気を点火する燃焼器と、動力を生成するタービンブレードアセンブリとを備えている。燃焼器は、たいてい、華氏２５００度を超える可能性のある高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構造は、タービンベーンとブレードアセンブリとをこのような高温にさらしている。その結果、タービンベーンおよびブレードは、そのような高温に耐え得る材料から製造されなければならない。さらに、タービンベーンおよびブレードは、多くの場合、ベーンおよびブレードの寿命を延ばし、極端な温度の結果としての故障の可能性を減らすための冷却システムを有する。タービンエンジンは、通常は、シェルから半径方向内向きへ延在する複列の固定タービンベーンを有し、ロータを回転させるロータアセンブリに取り付けられた複列の回転タービンブレードを有する。

タービンベーンは、通常は、ベーンキャリアを介して支持されている。翼がシュラウドとは別個の構成要素であるモジュール式のタービンベーンは、通常は、シュラウドにより支持されている。特に、モジュール式のベーンの翼は、通常は、隣接するシュラウドに連結されている。隣接するシュラウドは、ベーンキャリアに連結されている。モジュール式の翼と隣接するシュラウドとの間の接続は、その領域で敏感で厄介な接合部に提供される。したがって、モジュール式のタービンベーンのためのより頑丈な接続システムが必要である。

モジュール式のベーンの構造上の完全性を向上させるためにベーンキャリアに直接に連結されるように構成された前方の半径方向に延在する軸方向フックと後方の半径方向に延在する軸方向フックとを有する外側取付けシステムを備える、ガスタービンエンジンのモジュール式のタービンベーンに用いられる翼取付けシステムが開示されている。翼取付けシステムは、ベーンの吸込面と圧力面との間の翼ベーンの前後への周方向の揺動運動を低減するための、前方の半径方向に延在する軸方向フックと後方の半径方向に延在する軸方向フックとの間に配置された１つまたは複数の中間シュラウド外側支持部を有していてよい。モジュール式のタービン翼ベーンは、第１の接合部と第２の接合部とを形成する隣接する複数のシュラウドの間に配置されてよい。第１のシーリングシステムが、第１の接合部に配置され、第２のシーリングシステムが、第２の接合部に配置されてもよく、これにより、高温ガスの吸い込みが制限される。

少なくとも１つの実施形態では、翼取付けシステムは、ガスタービンエンジンのモジュール式のタービンベーンに用いられるように構成されてよく、外側壁から形成された、前縁と後縁と圧力面と吸込面と翼取付けシステムとを有する、略細長い中空の翼ベーンを備えてよい。翼取付けシステムは、翼ベーンの第１の端部に１つまたは複数の外側取付けシステムを有していてよい。外側取付けシステムは、前方の半径方向に延在する軸方向フックと、後方の半径方向に延在する軸方向フックと、を有していてよく、前方の半径方向に延在する軸方向フックは、ベーンキャリアに直接に連結されるように構成されてよく、後方の半径方向に延在する軸方向フックは、ベーンキャリアに直接に連結されるように構成されてよい。ベーンキャリアに対する直接的なモジュール式のタービンベーンの連結は、ベーンキャリアに対するモジュール式のタービンベーンの接続の構造上の完全性を向上させる。

翼取付けシステムは、翼ベーンの周方向の揺動運動を低減するための、前方で半径方向に延在する軸方向フックと後方で半径方向に延在する軸方向フックとの間に配置された１つまたは複数の中間シュラウド外側支持部を有していてよい。中間シュラウド外側支持部は、１つまたは複数の中間翼ベーン係合表面を有する、吸込面で翼ベーンから半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間翼吸込フックと、高温ガス通路の半径方向外側表面を形成する内側表面と第１の接合部で翼ベーンの吸込面と係合するように構成された第１の側方表面とを有する第１のシュラウドから半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間シュラウド吸込フックとを備えてよく、少なくとも１つの中間シュラウド吸込フックは、１つまたは複数の中間翼シュラウド係合表面を有していてよい。中間翼ベーン係合表面と中間翼シュラウド係合表面とが係合されてよく、翼ベーンの周方向の揺動運動が制限される。少なくとも１つの実施形態では、中間翼ベーン係合表面と中間翼シュラウド係合表面とは、翼ベーンの軸方向に延在する長手方向軸に対してほぼ直交する方向に配置されてよい。中間翼吸込フックおよび中間シュラウド吸込フックは、前方で半径方向に延在する軸方向フックから後方で半径方向に延在する軸方向フックへ延在してよい。

少なくとも１つの実施形態では、中間シュラウド外側支持部は、１つまたは複数の中間翼ベーン係合表面を有する、圧力面で翼ベーンから半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間翼圧力フックと、高温ガス通路の半径方向外側表面を形成する内側表面と第２の接合部で翼ベーンの圧力面と係合するように構成された第２の側方表面とを有する第２のシュラウドから半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間シュラウド圧力フックと、を備えてよく、中間シュラウド圧力フックは、１つまたは複数の中間翼シュラウド係合表面を有していてよい。中間翼ベーン係合表面と中間翼シュラウド係合表面とが係合されてよく、これにより、翼ベーンの圧力側で翼ベーンの周方向の揺動運動が制限される。

翼取付けシステムは、高温ガス通路の半径方向外側表面を形成する内側表面と第１の接合部で翼ベーンの吸込面と係合するように構成された第１の側方表面とを有する第１のシュラウドと、高温ガス通路の半径方向外側表面を形成する内側表面と第２の接合部で翼ベーンの圧力面と係合するように構成された第２の側方表面とを有する第２のシュラウドとを備えてよい。翼取付けシステムは、第１の接合部で第１のシーリングシステムを有していてよい。第１の接合部における第１のシーリングシステムは、少なくとも１つの雄雌接続部または他の適切な接続部から形成されてよい。翼取付けシステムは、第２の接合部で第２のシーリングシステムを有していてよい。第２の接合部における第２のシーリングシステムは、少なくとも１つの雄雌接続部から形成されてよい。

タービンエンジン動作中、翼取付けシステムは、翼ベーンをベーンキャリアに対して配置して、運動を制限することができる。特に、中間シュラウド外側支持部は、モジュール式のタービンベーンの前後への揺動を制限する一方、モジュール式のタービンベーンを隣接する第１のシュラウドおよび第２のシュラウドに対して所定の位置に固定することによってベーンキャリアに取り付けられている。

以下、これらの実施形態および他の実施形態をより詳細に説明する。

添付の図面は、明細書に組み込まれて明細書の一部を成し、本明細書に開示される発明の実施の実施形態を示しており、明細書とともに本発明の原理を開示している。

ガスタービンエンジンの断面図である。翼取付けシステムを介してベーンキャリアに取り付けられたモジュール式の翼ベーンの側面図である。翼取付けシステムを介してベーンキャリアに取り付けられたモジュール式の翼ベーンの斜視図である。ベーンの吸込面と圧力面との間の、翼ベーンの前後への周方向の揺動運動を低減するための、前方の半径方向に延在する軸方向フックと後方の半径方向に延在する軸方向フックとの間に配置された中間シュラウド外側支持部の詳細斜視図である。翼から延在する中間シュラウド外側支持部の中間翼吸込フックの詳細斜視図である。中間シュラウド外側支持部の中間翼吸込フックに係合される中間翼吸込フックの詳細斜視図である。前方の半径方向に延在する軸方向フックで中間シュラウド外側支持部の中間シュラウドに係合される中間翼吸込フックの代替的な実施形態の斜視図である。翼と隣接する第１のシュラウドとの間の接合部の詳細横断面図である。翼と隣接する第１のシュラウドとの間の接合部の別の実施形態の詳細横断面図である。翼と隣接する第２のシュラウドとの間の接合部の詳細横断面図である。翼と隣接する第２のシュラウドとの間の接合部の別の実施形態の詳細横断面図である。

図１〜図１１に示されるように、モジュール式のベーン１２の構造上の完全性を向上させるためにベーンキャリア２４に直接に連結されるように構成された、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０と、後方の半径方向に延在する軸方向フック２２と、を有する外側取付けシステム１８を備える、ガスタービンエンジン１４のモジュール式のタービンベーン１２に用いられる翼取付けシステム１０が開示されている。支持システム１０は、ベーン１２の吸込面（負圧面）２８と圧力面３０との間の翼ベーン１２の前後への周方向の揺動運動を低減するための、前方の半径方向に延在するフック２０と後方の半径方向に延在するフック２２との間に配置された１つまたは複数の中間シュラウド外側支持部２６を有していてよい。モジュール式のタービン翼ベーン１２は、第１の接合部３６と第２の接合部３８とを形成する隣接する複数のシュラウド３２，３４の間に配置されてよい。第１のシーリングシステム４０が、第１の接合部３６に配置され、第２のシーリングシステム４２が、第２の接合部３８に配置されてもよく、これにより、高温ガスの吸い込みが制限される。

少なくとも１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１４のモジュール式のタービンベーン１２は、外側壁４６から形成された、前縁４８と後縁５０と圧力面３０と吸込面２８とを有する、略細長い中空の翼ベーン４４と、翼取付けシステム１０とを備えてよい。翼取付けシステム１０は、図３に示されているように、翼ベーン４４の第１の端部５２に１つまたは複数の外側取付けシステム１８を有していてよい。外側取付けシステム１８は、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０と、後方の半径方向に延在するフック２２と、を有していてよく、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０は、ベーンキャリア２４に直接に連結されるように構成されてよい。後方の半径方向に延在する軸方向フック２２は、同様にベーンキャリア２４に直接に連結されるように構成されてよい。

少なくとも１つの実施形態では、図３に示されているように、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０は、上流側で延在するアーム５８に連結された１つまたは複数の半径方向外方へ延在する第１の脚部５６を有していてよい。上流側で延在するアーム５８の外側表面６４は、翼ベーン１２の圧力面３０および吸込面２８における第１のシュラウド３２および第２のシュラウド３４から外方へ延在する隣接する前方のフック６８の外側表面６６とほぼ面一であってよい。前方の半径方向に延在する軸方向フック２０は、ベーンキャリア２４に直接に連結されるように構成されてよく、後方の半径方向に延在する軸方向フック２２は、ベーンキャリア２４に直接に連結されるように構成されてよい。後方の半径方向に延在する軸方向フック２２は、上流側で延在するアーム５８が下流側へ延在することを除いて、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０と同様に構成されてよい。

翼取付けシステム１０は、翼ベーン１２の周方向の揺動運動を低減するための、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０と後方の半径方向に延在する軸方向フック２２との間に配置された１つまたは複数の中間シュラウド外側支持部２６を有していてよい。中間の外側支持部２６は、１つまたは複数の中間翼ベーン係合表面７６を有する、吸込面２８で翼ベーン１２から半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間翼吸込フック７４を有していてよい。中間シュラウド外側支持部２６は、高温ガス通路８４の半径方向外側表面を形成する内側表面８２と、第１の接合部３６で翼ベーン１２の吸込面２８と係合するように構成された第１の側方表面８６とを有する第１のシュラウド３２から半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間シュラウド吸込フック７８をも有していてよい。中間シュラウド吸込フック７８は、１つまたは複数の中間翼シュラウド係合表面９０を有していてよい。中間翼ベーン係合表面７８と中間翼シュラウド係合表面９０とが係合されてよく、これにより、翼ベーン１２の周方向の揺動運動が制限される。少なくとも１つの実施形態では、中間翼ベーン係合表面７６と中間翼シュラウド係合表面９０とは、翼ベーン１２の軸方向に延在する長手方向軸９２に対してほぼ直交する方向に配置されてよい。少なくとも１つの実施形態では、図３に示されているように、中間翼吸込フック７４および中間シュラウド吸込フック７８は、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０と後方の半径方向に延在する軸方向フック２２との間の中間点に配置されてよい。他の実施形態では、中間翼吸込フック７４および中間シュラウド吸込フック７８は、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０から後方の半径方向に延在する軸方向フック２２へ延在してよい。さらに他の実施形態では、図７に示されているように、中間翼吸込フック７４および中間シュラウド吸込フック７８は、前方の半径方向に延在する軸方向フック２０もしくは後方の半径方向に延在する軸方向フック２２に、またはこれら両方に配置されてよい。

中間シュラウド外側支持部２６は、１つまたは複数の中間翼ベーン係合表面７６を有する、圧力面３０で翼ベーン１２から半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間翼圧力フック９４と、高温ガス通路８４の半径方向外側表面を形成する内側表面８２と第２の接合部３８で翼ベーン１２の圧力面３０と係合するように構成された第２の側方表面１００とを有する第２のシュラウド３４から半径方向外方へ延在する１つまたは複数の中間シュラウド圧力フック９６と、を備えてよく、中間シュラウド圧力フック９６は、１つまたは複数の中間翼シュラウド係合表面９０を有する。中間翼ベーン係合表面７６と中間シュラウド圧力フック９４の中間翼シュラウド係合表面９０とが係合されてよく、これにより、翼ベーン１２の周方向の揺動運動が制限される。

翼取付けシステム１０は、高温ガス通路８４の半径方向外側表面を形成する内側表面８２と第１の接合部３６で翼ベーン１２の吸込面２８と係合するように構成された第１の側方表面８６とを有する第１のシュラウド３２と、高温ガス通路８４の半径方向外側表面を形成する内側表面８２と第２の接合部３８で翼ベーン１２の圧力面３０と係合するように構成された第２の側方表面１００とを有する第２のシュラウド３４とを備えてよい。翼取付けシステム１０は、図８および図９に示されているように、第１の接合部３６に第１のシーリングシステム１０４を有してもよい。少なくとも１つの実施形態では、第１の接合部３６における第１のシーリングシステム１０４は、１つまたは複数の雄雌接続部から形成されてよい。少なくとも１つの実施形態では、図９に示されているように、突出部１０６が、第１のシュラウド３２から延在し、翼ベーン１２の吸込面２８におけるキャビディ１０８内に収容されてもよい。別の実施形態では、図８に示されているように、突出部１０６は、翼ベーン１２の吸込面２８から延在し、第１のシュラウド３２におけるキャビディ１０８内に収容されてもよい。第１のシーリングシステム１０４は、第１の接合部３６の長さ全体にまたは第１の接合部３６の単に一部にわたって延在してもよい。

翼取付けシステム１０は、第２の接合部３８で第２のシーリングシステム１１０を有していてもよい。少なくとも１つの実施形態では、第２の接合部３８における第２のシーリングシステム１１０は、１つまたは複数の雄雌接続部から形成されてよい。少なくとも１つの実施形態では、図１１に示されているように、突出部１０６が、第２のシュラウド３４から延在し、翼ベーン１２の圧力面３０におけるキャビディ１０８内に収容されてよい。別の実施形態では、図１０に示されているように、突出部１０６は、翼ベーン１２の圧力面３０から延在し、第２のシュラウド３４におけるキャビディ１０８内に収容されてよい。第２のシーリングシステム１１０は、第２の接合部３８の長さ全体にまたは第２の接合部３８の単に一部にわたって延在してよい。

タービンエンジン動作中、翼取付けシステム１０は、翼ベーン１２をベーンキャリア２４に対して配置して、運動を制限することができる。特に、中間シュラウド外側支持部は、モジュール式のタービンベーン１２の前後への揺動を制限する一方、モジュール式のタービンベーン１２を隣接する第１のシュラウド３２および第２のシュラウド３４に対して所定の位置に固定することによってベーンキャリア２４に取り付けられている。

前述の内容は、本発明の実施形態の図示、説明および記述を目的として提供されている。これらの実施形態に対する変更および適合は、当業者には明らかであり、本発明の範囲または思想から逸脱することなく成され得るものである。

Claims

ガスタービンエンジン（１４）のモジュール式のタービンベーン（１２）であって、
外側壁（４６）から形成された、前縁（４８）と後縁（５０）と圧力面（３０）と吸込面（２８）とを有する略細長い中空の翼ベーン（４４）と、翼取付けシステム（１０）とを備え、
前記翼取付けシステム（１０）は、前記翼ベーン（４４）の第１の端部に少なくとも１つの外側取付けシステム（１０）を有し、
前記外側取付けシステム（１０）は、前方の半径方向に延在する軸方向フック（２０）と、後方の半径方向に延在する軸方向フック（２２）とを有し、前記前方の半径方向に延在する軸方向フック（２０）は、ベーンキャリア（２４）に直接に連結されるように構成されており、前記後方の半径方向に延在する軸方向フック（２２）は、前記ベーンキャリア（２４）に直接に連結されるように構成されている、
ことを特徴とする、モジュール式のタービンベーン（１２）。
前記翼ベーン（４４）の周方向の揺動運動を低減するための、前記前方の半径方向に延在する軸方向フック（２０）と前記後方の半径方向に延在する軸方向フック（２２）との間に配置された少なくとも１つの中間シュラウド外側支持部（２６）をさらに備える、請求項１記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
前記中間シュラウド外側支持部（２６）は、少なくとも１つの中間翼ベーン係合表面（７６）を有する、前記吸込面（２８）で前記翼ベーン（４４）から半径方向外方へ延在する少なくとも１つの中間翼吸込フック（７４）と、高温ガス通路（８４）の半径方向外側表面を形成する内側表面（８２）と第１の接合部（８８）で前記翼ベーン（４４）の前記吸込面（２８）と係合するように構成された第１の側方表面（８６）とを有する第１のシュラウド（８０）から半径方向外方へ延在する少なくとも１つの中間シュラウド吸込フック（７８）と、を備え、少なくとも１つの前記中間シュラウド吸込フック（７８）は、少なくとも１つの前記中間翼シュラウド係合表面（９０）を有し、少なくとも１つの前記中間翼ベーン係合表面（７６）と少なくとも１つの前記中間翼シュラウド係合表面（９０）とが係合されて、前記翼ベーン（４４）の周方向の揺動運動が制限される、請求項２記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
少なくとも１つの前記中間翼ベーン係合表面（７６）および少なくとも１つの前記中間翼シュラウド係合表面（９０）は、前記翼ベーン（４４）の軸方向に延在する長手方向軸（９２）に対してほぼ直交する方向に配置されている、請求項３記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
少なくとも１つの前記中間翼吸込フック（７４）および少なくとも１つの前記中間シュラウド吸込フック（７８）は、前記前方の半径方向に延在する軸方向フック（２０）から前記後方の半径方向に延在する軸方向フック（２２）へ延在する、請求項３記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
前記中間シュラウド外側支持部（２６）は、少なくとも１つの中間翼ベーン係合表面（７６）を有する、前記圧力面（３０）で前記翼ベーン（４４）から半径方向外方へ延在する少なくとも１つの中間翼圧力フック（９４）と、高温ガス通路（８４）の半径方向外側表面を形成する内側表面（８２）と第２の接合部（１０２）で前記翼ベーン（４４）の前記圧力面（３０）と係合するように構成された第２の側方表面（１００）とを有する第２のシュラウド（９８）から半径方向外方へ延在する少なくとも１つの中間シュラウド圧力フック（９４）と、を備え、少なくとも１つの前記中間シュラウド圧力フック（９４）は、少なくとも１つの中間翼シュラウド係合表面（９０）を有し、少なくとも１つの前記中間翼ベーン係合表面（７６）と少なくとも１つの前記中間翼シュラウド係合表面（９０）とが係合されて、前記翼ベーン（４４）の周方向の揺動運動が制限される、請求項３記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
高温ガス通路（８４）の半径方向外側表面を形成する内側表面（８２）と第１の接合部（８８）で前記翼ベーン（４４）の前記吸込面（２８）と係合するように構成された第１の側方表面（８６）とを有する第１のシュラウド（８０）と、前記高温ガス通路（８４）の半径方向外側表面を形成する内側表面（８２）と第２の接合部（１０２）で前記翼ベーン（４４）の前記圧力面（３０）と係合するように構成された第２の側方表面（１００）とを有する第２のシュラウド（９８）と、をさらに備える、請求項１記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
前記第１の接合部（８８）に第１のシーリングシステム（１０４）をさらに備える、請求項７記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
前記第１の接合部（８８）における前記第１のシーリングシステム（１０４）は、少なくとも１つの雄雌接続部から形成されている、請求項８記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
前記第２の接合部（１０２）に第２のシーリングシステム（１１０）をさらに備える、請求項７記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。
前記第２の接合部（１０２）における前記第２のシーリングシステム（１１０）は、少なくとも１つの雄雌接続部から形成されている、請求項１０記載のモジュール式のタービンベーン（１２）。