(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022097420
(43)【公開日】2022-06-30
(54)【発明の名称】磁気応答性粒子を使用したターボ機械のクリアランス制御
(51)【国際特許分類】
F01D 11/00 20060101AFI20220623BHJP
F16J 15/14 20060101ALI20220623BHJP
【ＦＩ】
F01D11/00
F16J15/14 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021202315
(22)【出願日】2021-12-14
(31)【優先権主張番号】17/126,276
(32)【優先日】2020-12-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(72)【発明者】
【氏名】ジョナサン・ドワイト・ベリー
【テーマコード（参考）】
3G202
【Ｆターム（参考）】
3G202KK03
3G202KK25
(57)【要約】
【課題】ガスタービンで使用するための流れ制限装置、およびガスタービン用のロータアセンブリを提供する。
【解決手段】流れ制限装置（２００）およびロータアセンブリが提供される。流れ制限装置（２００）は、静止構成要素（２０２）と、回転構成要素（２０４）とを含む。回転構成要素（２０４）は、クリアランス（２０６）が静止構成要素（２０２）と回転構成要素（２０４）との間に画定されるように、静止構成要素（２０２）から半径方向に離間している。第１の磁石（２０８）が、静止構成要素（２０２）内に埋め込まれる。第２の磁石（２１２）が、回転構成要素（２０４）内に埋め込まれる。複数の磁気応答性粒子（２１６）が、第１の磁石（２０８）および第２の磁石（２１２）によって発生された磁場によってクリアランス（２０６）内に収容される。複数の磁気応答性粒子（２１６）は、クリアランス（２０６）に少なくとも部分的に及ぶ。
【選択図】図５
【解決手段】流れ制限装置（２００）およびロータアセンブリが提供される。流れ制限装置（２００）は、静止構成要素（２０２）と、回転構成要素（２０４）とを含む。回転構成要素（２０４）は、クリアランス（２０６）が静止構成要素（２０２）と回転構成要素（２０４）との間に画定されるように、静止構成要素（２０２）から半径方向に離間している。第１の磁石（２０８）が、静止構成要素（２０２）内に埋め込まれる。第２の磁石（２１２）が、回転構成要素（２０４）内に埋め込まれる。複数の磁気応答性粒子（２１６）が、第１の磁石（２０８）および第２の磁石（２１２）によって発生された磁場によってクリアランス（２０６）内に収容される。複数の磁気応答性粒子（２１６）は、クリアランス（２０６）に少なくとも部分的に及ぶ。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ターボ機械で使用するための流れ制限装置（２００）であって、
静止構成要素（２０２）と、
回転構成要素（２０４）であって、クリアランス（２０６）が前記静止構成要素（２０２）と前記回転構成要素（２０４）との間に画定されるように、前記静止構成要素（２０２）から離間した回転構成要素（２０４）と、
前記静止構成要素（２０２）内に埋め込まれた第１の磁石（２０８）と、
前記回転構成要素（２０４）内に埋め込まれた第２の磁石（２１２）と、
前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）によって発生された磁場によって前記クリアランス（２０６）内に収容される複数の磁気応答性粒子（２１６）であって、前記複数の磁気応答性粒子（２１６）は、前記クリアランス（２０６）に少なくとも部分的に及ぶ複数の磁気応答性粒子（２１６）と
を備える、流れ制限装置（２００）。
静止構成要素（２０２）と、
回転構成要素（２０４）であって、クリアランス（２０６）が前記静止構成要素（２０２）と前記回転構成要素（２０４）との間に画定されるように、前記静止構成要素（２０２）から離間した回転構成要素（２０４）と、
前記静止構成要素（２０２）内に埋め込まれた第１の磁石（２０８）と、
前記回転構成要素（２０４）内に埋め込まれた第２の磁石（２１２）と、
前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）によって発生された磁場によって前記クリアランス（２０６）内に収容される複数の磁気応答性粒子（２１６）であって、前記複数の磁気応答性粒子（２１６）は、前記クリアランス（２０６）に少なくとも部分的に及ぶ複数の磁気応答性粒子（２１６）と
を備える、流れ制限装置（２００）。
【請求項2】
前記複数の磁気応答性粒子（２１６）における各磁気応答性粒子（２１６）は、隣り合う磁気応答性粒子（２１６）、前記第１の磁石（２０８）、または前記第２の磁石（２１２）の少なくとも１つと接触し、前記複数の磁気応答性粒子（２１６）は、互いに対して、かつ前記クリアランス（２０６）内で前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）に対して移動可能である、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項3】
前記クリアランス（２０６）は、前記ターボ機械の動作条件に基づいて可変であり、前記磁気応答性粒子（２１６）は、前記クリアランス（２０６）の変動に応じて再整列する、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項4】
前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）は、永久磁石である、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項5】
前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）は、アルニコ磁石である、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項6】
前記複数の磁気応答性粒子（２１６）における各磁気応答性粒子（２１６）は、耐酸化性コーティングでコーティングされる、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項7】
前記複数の磁気応答性粒子（２１６）における各磁気応答性粒子（２１６）は、約０．５ｉｎ３～約５×１０－１０ｉｎ３の体積を画定する、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項8】
前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）の一方は、電磁石（２２６）であり、前記電磁石（２２６）は、アクティブ化および非アクティブ化されるように構成され、前記電磁石（２２６）がアクティブ化されると、前記電磁石（２２６）は、前記複数の磁気応答性粒子（２１６）を引き付ける電磁場を放出する、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項9】
前記第１の磁石（２０８）は、前記ターボ機械の軸方向中心線（２３）の周りに円周方向に配置された複数の第１の磁石（２０８）である、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項10】
前記第２の磁石（２１２）は、前記ターボ機械の軸方向中心線（２３）の周りに円周方向に配置された複数の第２の磁石（２１２）である、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項11】
前記回転構成要素（２０４）は、ロータブレード（２９）であり、前記静止構成要素（２０２）は、内側タービンケーシング（３３）である、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項12】
冷却チャネル（２２２）は、前記静止構成要素（２０２）または前記回転構成要素（２０４）の一方に画定され、前記冷却チャネル（２２２）は、前記第１の磁石（２０８）または前記第２の磁石（２１２）の周りに冷却空気の流れを提供する、請求項１に記載の流れ制限装置（２００）。
【請求項13】
ターボ機械用のロータアセンブリ（１９）であって、
ロータディスク（２８）から半径方向外側に延びる複数のロータブレード（２９）であって、前記複数のロータブレード（２９）における各ロータブレード（２９）は、プラットフォーム（５８）、先端シュラウド（１０６）、および前記プラットフォーム（５８）と前記先端シュラウド（１０６）との間に延びる翼形部（１１２）を含み、前記複数のロータブレード（２９）における各ロータブレード（２９）の前記先端シュラウド（１０６）は、前記ターボ機械の中心線（２３）の周りに円周方向に延びるシュラウドリング（１１４）を集合的に形成する複数のロータブレード（２９）と、
ケーシング（３３）であって、クリアランス（２０６）が前記シュラウドリング（１１４）と前記ケーシング（３３）との間に画定されるように、前記シュラウドリング（１１４）から半径方向に離間したケーシング（３３）と、
前記ケーシング（３３）内に埋め込まれた複数の第１の磁石（２０８）と、
前記シュラウドリング（１１４）内に埋め込まれた複数の第２の磁石（２１２）と、
前記複数の第１の磁石（２０８）および前記複数の第２の磁石（２１２）によって発生された磁場によって前記クリアランス（２０６）内に収容される複数の磁気応答性粒子（２１６）であって、前記複数の磁気応答性粒子（２１６）は、前記クリアランス（２０６）に少なくとも部分的に及ぶ複数の磁気応答性粒子（２１６）と
を備える、ロータアセンブリ（１９）。
ロータディスク（２８）から半径方向外側に延びる複数のロータブレード（２９）であって、前記複数のロータブレード（２９）における各ロータブレード（２９）は、プラットフォーム（５８）、先端シュラウド（１０６）、および前記プラットフォーム（５８）と前記先端シュラウド（１０６）との間に延びる翼形部（１１２）を含み、前記複数のロータブレード（２９）における各ロータブレード（２９）の前記先端シュラウド（１０６）は、前記ターボ機械の中心線（２３）の周りに円周方向に延びるシュラウドリング（１１４）を集合的に形成する複数のロータブレード（２９）と、
ケーシング（３３）であって、クリアランス（２０６）が前記シュラウドリング（１１４）と前記ケーシング（３３）との間に画定されるように、前記シュラウドリング（１１４）から半径方向に離間したケーシング（３３）と、
前記ケーシング（３３）内に埋め込まれた複数の第１の磁石（２０８）と、
前記シュラウドリング（１１４）内に埋め込まれた複数の第２の磁石（２１２）と、
前記複数の第１の磁石（２０８）および前記複数の第２の磁石（２１２）によって発生された磁場によって前記クリアランス（２０６）内に収容される複数の磁気応答性粒子（２１６）であって、前記複数の磁気応答性粒子（２１６）は、前記クリアランス（２０６）に少なくとも部分的に及ぶ複数の磁気応答性粒子（２１６）と
を備える、ロータアセンブリ（１９）。
【請求項14】
前記複数の磁気応答性粒子（２１６）は、互いに対して、かつ前記クリアランス（２０６）内で前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）に対して移動可能である、請求項１３に記載のロータアセンブリ（１９）。
【請求項15】
前記第１の磁石（２０８）および前記第２の磁石（２１２）は、永久磁石である、請求項１３に記載のロータアセンブリ（１９）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、ターボ機械のクリアランスに関する。特に、本開示は、ターボ機械における静止構成要素と回転構成要素との間のクリアランスを制御することに関する。
【背景技術】
【0002】
ターボ機械は、エネルギー伝達の目的で様々な産業および用途で利用されている。例えば、ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションと、排気セクションとを含む。圧縮機セクションは、ガスタービンエンジンに入る作動流体の圧力を徐々に上昇させ、この圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体および燃料（例えば、天然ガス）は、燃焼セクション内で混合され、燃焼チャンバ内で燃焼して高圧および高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクションに流れ、そこで膨張して仕事を発生する。例えば、タービンセクションにおける燃焼ガスの膨張は、例えば、発電機に接続されたロータシャフトを回転させ、電気を発生することができる。次いで、燃焼ガスは、排気セクションを介してガスタービンから出る。
【0003】
特定の用途では、ターボ機械内で互いに対して移動する構成要素間にクリアランスが存在する場合がある。例えば、圧縮機、タービンなどの回転機械における回転構成要素と静止構成要素との間にクリアランスが存在し得る。クリアランスは、温度変化または他の要因に起因して、回転機械の動作中に増減する可能性がある。理解され得るように、クリアランスが小さいほど、ブレードと周囲のシュラウドとの間の流体漏れが少なくなるため、圧縮機またはタービンの性能および効率を改善することができる。しかし、より小さいクリアランスはまた、擦れ条件（ｒｕｂ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）の可能性を増加させる。動作条件もまた、擦れ条件の可能性に影響を与える。例えば、擦れ条件の可能性は、過渡条件の間に増加し、定常状態条件の間に減少し得る。
【0004】
封止アセンブリがクリアランス内に位置決めされる場合があり、構成要素を互いに近接させる必要なく回転構成要素と静止構成要素との間の空間を小さく保つことによって、クリアランスを通過する流れの量を制限する。
【0005】
既知の封止アセンブリは、ガスタービンが定常状態動作条件に達すると最も効果的である。例えば、ロータアセンブリとステータアセンブリの両方が定常状態動作温度に達すると、アセンブリは熱膨張し、封止アセンブリに完全に係合する。したがって、ロータアセンブリとステータアセンブリとの間を封止するための改善された封止アセンブリが当技術分野において望まれている。特に、ガスタービンのすべての動作条件の流れを制限するのに効果的な封止アセンブリが望ましい。
【発明の概要】
【0006】
本開示による流れ制限装置およびロータアセンブリの態様および利点は、以下の説明に部分的に記載されており、または説明から明らかとなり、または本技術の実践を通して学ぶことができる。
【0007】
一実施形態によれば、ガスタービンで使用するための流れ制限装置が提供される。流れ制限装置は、静止構成要素と、回転構成要素とを含む。回転構成要素は、クリアランスが静止構成要素と回転構成要素との間に画定されるように、静止構成要素から離間している。第１の磁石が、静止構成要素内に埋め込まれる。第２の磁石が、回転構成要素内に埋め込まれる。複数の磁気応答性粒子が、第１の磁石および第２の磁石によって発生された磁場によってクリアランス内に収容される。複数の磁気応答性粒子は、クリアランスに少なくとも部分的に及ぶ。
【0008】
別の実施形態によれば、ガスタービン用のロータアセンブリが提供される。複数のロータブレードが、ロータディスクから半径方向外側に延びる。複数のロータブレードにおける各ロータブレードは、プラットフォーム、先端シュラウド、およびプラットフォームと先端シュラウドとの間に延びる翼形部を含む。複数のロータブレードにおける各ロータブレードの先端シュラウドは、ガスタービンの中心線の周りに円周方向に延びるシュラウドリングを集合的に形成する。ケーシングが、クリアランスがシュラウドリングとケーシングとの間に画定されるように、シュラウドリングから離間している。複数の第１の磁石が、ケーシング内に埋め込まれる。複数の第２の磁石が、シュラウドリング内に埋め込まれる。複数の磁気応答性粒子が、複数の第１の磁石および複数の第２の磁石によって発生された磁場によってクリアランス内に収容される。複数の磁気応答性粒子は、クリアランスに少なくとも部分的に及ぶ。
【0009】
本流れ制限装置およびロータアセンブリのこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本技術の実施形態を例示し、明細書における説明と併せて本技術の原理を説明するのに役立つ。
【0010】
当業者へと向けられた本システムおよび方法の作製および使用の最良の態様を含む、本流れ制限装置およびロータアセンブリの完全かつ実施可能な開示が、添付の図を参照する本明細書に記載される。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の実施形態による、ターボ機械の概略図である。
【図2】本開示の実施形態による、圧縮機セクションの断面図である。
【図3】本開示の実施形態による、タービンセクションの断面図である。
【図4】本開示の実施形態による、タービンセクションのロータアセンブリの断面図である。
【図5】本開示の実施形態による、例示的な流れ制限装置を示す図である。
【図6】本開示の実施形態による、例示的な流れ制限装置を示す図である。
【図7】本開示の実施形態による、例示的な流れ制限装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
ここで、本流れ制限装置およびロータアセンブリの実施形態を詳細に参照するが、その１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本技術の説明のために提供するものであって、本技術を限定するものではない。実際、特許請求される技術の範囲または趣旨を逸脱せずに、修正および変更が本技術において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として図示または記載された特徴は、またさらなる実施形態をもたらすために、別の実施形態において使用することができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することを意図している。
【0013】
詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明における類似または同様の符号は、本発明の類似または同様の部分を指して使用されている。本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の場所または重要性を示すことを意図するものではない。
【0014】
本明細書で使用する場合、「上流」（または「前方」）、および「下流」（または「後方」）という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対的な方向を指し、「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行および／または同軸に整列する相対的な方向を指し、「円周方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線の周りに延びる相対的な方向を指す。「概して」、または「約」などの近似の用語は、記載された値のプラスマイナス１０％の範囲内の値を含む。角度または方向の文脈で使用されるとき、そのような用語は、記載された角度または方向のプラスマイナス１０度の範囲を含む。例えば、「概して垂直」は、任意の方向、例えば、時計回りまたは反時計回りの垂直から１０度の範囲内の方向を含む。
【0015】
本明細書で使用する場合、「クリアランス」などの用語は、動作中に互いに対して移動するシステムの２つ以上の構成要素間に存在し得る間隔またはギャップを指すと理解されるべきである。クリアランスは、当業者によって理解されるように、システム、移動のタイプ、および他の様々な要因に応じて、環状ギャップ、線形ギャップ、矩形ギャップ、または任意の他の幾何学的形状に対応し得る。一用途では、クリアランスは、圧縮機、タービンなどの１つまたは複数の回転ブレードを囲むハウジング構成要素間の半径方向ギャップまたは空間を指すことができる。本開示の技法を使用してクリアランスを制御することによって、回転ブレードとハウジングとの間の漏れ量を能動的に低減して動作効率を高めると同時に、擦れ（例えば、ハウジング構成要素と回転ブレードとの間の接触）の可能性を最小限に抑えることができる。理解されるように、漏れは、空気、蒸気、燃焼ガスなどのあらゆる流体に対応し得る、
【0016】
上述したように、タービンブレードとシュラウドとの間の半径方向ギャップは、温度変化または他の要因に起因して動作中に増減する可能性がある。例えば、タービンが動作中に加熱すると、タービンハウジング構成要素の熱膨張により、シュラウドが回転軸から半径方向に離れるように移動し、したがってブレードとシュラウドとの間のクリアランスを増加させる可能性がある。これは、半径方向ギャップを介してブレードを迂回する燃焼ガスがブレードによって捕捉されず、したがって回転エネルギーに変換されないため、一般に望ましくない。これにより、タービンエンジンの効率および出力が低下する。
【0017】
ここで図面を参照すると、図１は、ターボ機械の一実施形態の概略図を示しており、これは、図示の実施形態ではガスタービン１０である。産業用または陸上用のガスタービンが本明細書に示されて説明されているが、本開示は、特許請求の範囲に特に明記されない限り、陸上用および／または産業用ガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載の本発明は、限定はしないが、蒸気タービン、航空機用ガスタービン、または船舶用ガスタービンを含む任意のタイプのターボ機械に使用することが可能である。
【0018】
示すように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２と、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４の下流に配置された燃焼器セクション１６内の複数の燃焼器（図示せず）と、燃焼器セクション１６の下流に配置されたタービンセクション１８と、タービンセクション１８の下流に配置された排気セクション２０とを含む。加えて、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１４とタービンセクション１８との間に結合された１つまたは複数のシャフト２２を含むことができる。
【0019】
圧縮機セクション１４は、一般に、複数のロータディスク２４（そのうちの１つが示されている）と、各ロータディスク２４から半径方向外側に延び、各ロータディスク２４に接続された複数のロータブレード２６とを含むことができる。次に、各ロータディスク２４は、圧縮機セクション１４を通って延びるシャフト２２の一部に結合されるか、またはその一部を形成してもよい。圧縮機１４は、シャフト２２の周りに円周方向に配置された１つまたは複数のステータベーン２７をさらに含む。ステータベーン２７は、ロータブレード２６の周りに円周方向に延びる外側ケーシング４７および内側ケーシング４６の少なくとも一方に固定されてもよい。
【0020】
タービンセクション１８は、一般に、複数のロータディスク２８（そのうちの１つが示されている）と、各ロータディスク２８から半径方向外側に延び、各ロータディスク２８に接続されている複数のロータブレード３０とを含むことができる。次に、各ロータディスク２８は、タービンセクション１８を通って延びるシャフト２２の一部に結合されるか、またはその一部を形成してもよい。タービンセクション１８は、シャフト２２の一部およびロータブレード３０を円周方向に囲む外側タービンケーシング３１および内側タービンケーシング３３をさらに含み、それによってタービンセクション１８を通る高温ガス経路３２を少なくとも部分的に画定する。内側タービンケーシング３３は、内側タービンケーシング３３の内周から半径方向内側に延びる複数段の静止ノズル２９を支持するように構成することができる。内側タービンケーシング３３はまた、内側タービンケーシング３３の内周の周りに設置されると、シャフト２２を囲む実質的に円筒形の形状を画定するように互いに当接する複数のシュラウドセクションまたはブロック３５を支持するように構成することができる。
【0021】
動作中、空気などの作動流体が入口セクション１２を通って圧縮機セクション１４に流入し、ここで空気が徐々に圧縮され、それにより加圧空気を燃焼器セクション１６の燃焼器に提供する。加圧空気は燃料と混合され、各燃焼器内で燃焼されて燃焼ガス３４を発生する。燃焼ガス３４は、高温ガス経路３２を通って燃焼器セクション１６からタービンセクション１８に流入し、ここでエネルギー（運動エネルギーおよび／または熱エネルギー）が燃焼ガス３４からロータブレード３０に伝達されることにより、シャフト２２が回転する。機械的回転エネルギーは、その後、圧縮機セクション１４への動力供給および／または発電に使用することができる。次いで、タービンセクション１８を出た燃焼ガス３４は、排気セクション２０を介してガスタービン１０から排気することができる。
【0022】
示すように、ガスタービン１０は、ガスタービン１０の軸方向中心線２３に実質的に平行および／またはそれに沿った軸方向Ａ、軸方向中心線２３に垂直な半径方向Ｒ、ならびに軸方向中心線２３の周りに延びる円周方向Ｃを画定することができる。
【0023】
図２は、ロータアセンブリおよびステータアセンブリを含む、例示的なガスタービン圧縮機セクションの主要な構成要素の断面図である。圧縮機セクション１４は、圧縮空気３８の流路を画定するように内側ケーシング４６内に位置決めされたロータアセンブリを含む。ロータアセンブリはまた、流路３８の内側流路境界６２を画定し、ステータアセンブリは、圧縮空気３８の流路の外側流路境界６４を画定する。圧縮機セクション１４は、複数の段を含み、各段は、円周方向に離間したロータブレード２６の列と、ステータベーン２７の列とを含む。この実施形態では、ロータブレード２６は、ロータディスク５４に結合され、各ロータブレードは、ロータディスク５４から半径方向外側に延びる。各ロータブレード２６は、内側ブレードプラットフォーム５８からロータブレード先端６０に半径方向に延びる翼形部を含む。クリアランス７２が、ロータブレード２６の翼形部の先端６０と内側ケーシング４６との間に半径方向に画定され得る。同様に、ステータアセンブリは、複数列のステータベーン２７を含み、ベーン２７の各列は、ロータブレード２６の隣接する列の間に位置決めされる。圧縮機段は、周囲空気などの圧縮空気３８の作動流体と協働するように構成され、作動流体は、後続の段で圧縮される。ステータベーン２７の各列は、内側ケーシング４６から半径方向内側に延び、外側ベーンプラットフォーム６６からベーン先端６８に延びる翼形部を含む。クリアランス７０が、ステータベーン２７の翼形部の先端６８とロータディスク５４の両方の間に半径方向に画定され得る。各翼形部は、示すように前縁および後縁を含む。
【0024】
図３は、直列流れ順序で配置された複数のタービン段を含むガスタービン１０の例示的なタービンセクション１８を示している。タービンの各段は、タービンロータブレード（例えば、ブレード３０）の対応する回転列に軸方向に隣接して配置された静止タービンノズルまたはベーン（例えば、静止ノズル２９）の列を含む。４つのタービン段が、図３に示されている。タービンセクション１８の正確な段数は、図３に示される４段よりも多い場合も少ない場合もある。４つの段は、１つのタービン設計の単なる例示であり、現在主張されているタービンロータブレードを決して限定することを意図するものではない。
【0025】
各段は、複数の静止ノズル２９と、複数のタービンロータブレード３０とを備える。静止ノズル２９は、内側タービンケーシング３３に装着され、タービンロータ３６の軸の周りに環状に配置される。各静止ノズル２９は、内側ケーシング３３から静止ノズル２９の先端に結合されたステータシュラウド１０２に半径方向内側に延びることができる。静止ノズル２９が内側タービンケーシング３３の内周の周りに設置されると、ステータシュラウド１０２は、シャフトタービンロータ３６を囲む実質的に円筒形の形状を画定するように互いに当接する。クリアランス１０４が、ステータシュラウド１０２とタービンロータ３６との間に半径方向に画定され得る。クリアランス１０４は、タービンロータ３６の周りで円周方向Ｃに連続的に延びる場合がある。
【0026】
示すように、タービンロータブレード３０は、タービンロータ３６の周りに環状に配置され、タービンロータ３６に結合される。各タービンロータブレード３０は、前縁、後縁、正圧側面、および負圧側面を有する翼形部を含むことができる。いくつかの実施形態では、示すように、タービンロータブレード３０は、先端シュラウド１０６を含み得る。タービンロータブレード３０が内側タービンケーシング３３の内周の周りに設置されると、先端シュラウド１０６は、翼形部ならびにタービンロータブレード３０およびタービンロータ３６を囲む実質的に円筒形の形状を画定するように互いに当接することができる。多くの実施形態では、クリアランス１０８が、ステータシュラウド１０２とタービンロータ３６との間に半径方向に画定され得る。クリアランス１０８は、タービンロータ３６の周りで円周方向Ｃに連続的に延びる場合がある。
【0027】
静止ノズル２９およびタービンロータブレード３０は、タービンセクション１８の高温ガス経路３２内に配置されるか、または少なくとも部分的に配置されることが理解されよう。タービン１０の様々な段は、燃焼ガス３４がガスタービン１０の動作中に通って流れる高温ガス経路３２を少なくとも部分的に画定する。
【0028】
図４は、本開示の実施形態による、ガスタービン１０の軸方向中心線に沿ったタービンセクション１８のロータアセンブリ１９の断面図を示している。図４に示すように、複数のロータブレード２９は、ロータディスク２８から半径方向外側に延びる。多くの実施形態では、複数のロータブレード２９における各ロータブレード２９は、プラットフォーム１１０、先端シュラウド１０６、およびプラットフォーム１１０と先端シュラウド１０６との間に半径方向に延びる翼形部１１２を含む。示すように、複数のロータブレード２９における各ロータブレード２９の先端シュラウド１０６は、互いに当接し、ガスタービン１０の中心線の周りに連続的に円周方向に延びるシュラウドリング１１４を集合的に形成する。例えば、シュラウドリング１１４は、タービンロータ３６の周りに延びる。多くの実施形態では、内側タービンケーシング３３は、クリアランス１０８がシュラウドリング１１４と内側タービンケーシング３３との間に画定されるように、シュラウドリング１１４から半径方向に離間してもよい。いくつかの実施形態では、内側タービンケーシング３３は、内側タービンケーシング３３の内周の周りに設置されると、ガスタービン１０のタービンロータ３６の一部を囲む実質的に円筒形の形状を画定するように互いに当接する複数のシュラウドセクションまたはブロック３５を支持することができる。例えば、シュラウドブロック３５は、ロータブレード２９のタービンセクション１８の複数の段のうちの１つを包囲または囲むように、内側タービンケーシング３３によって支持され得る。そのような実施形態では、クリアランス１０８は、ロータブレード２９の先端シュラウド１０６と内側タービンケーシング３３のシュラウドブロック３５との間に画定され得る。
【0029】
図５は、本開示の実施形態による、本明細書に記載のガスタービン１０などのターボ機械で使用するための流れ制限装置２００を示している。流れ制限装置２００は、圧縮機セクション１４の内側ケーシング４６、圧縮機セクション１４の１つまたは複数のステータベーン２７、内側タービンケーシング３３、タービンセクション１８の１つまたは複数の静止ノズル２９、１つまたは複数のシュラウドブロック３５、または他の静止ガスタービン１０の構成要素などのガスタービン１０の静止構成要素２０２を含むことができる。
【0030】
流れ制限装置２００は、回転構成要素２０４、すなわち、ガスタービン１０の円周方向Ｃに回転する構成要素をさらに含むことができる。多くの実施形態では、回転構成要素２０４は、シャフト２２に直接または間接的に取り付けられ、それによって他のガスタービン１０の構成要素と共に円周方向Ｃに回転することができる。回転構成要素２０４は、限定はしないが、圧縮機セクション１４のロータブレード２６、圧縮機セクション１４のロータディスク２４、タービンセクション１８のロータブレード３０、またはタービンセクション１８のロータディスク２８であってもよい。
【0031】
図５に示すように、静止構成要素２０２と回転構成要素２０４との間の摩擦摩耗を防止するために、クリアランス２０６が静止構成要素２０２と回転構成要素２０４との間に画定され得る。理解され得るように、ガスタービン１０の高い動作温度に起因して、静止構成要素２０２および回転構成要素２０４のいずれかまたは両方は、熱膨張および熱収縮を経験し得、それによって構成要素２０２、２０４とクリアランス２０６との間の距離を変化させる。静止構成要素２０２と回転構成要素２０４との間のクリアランス２０６は、本明細書で説明する他のクリアランス、例えば、クリアランス７０、クリアランス７２、クリアランス１０４、および／またはクリアランス１０８のいずれかを表すことができる。例示的な実施形態では、クリアランス２０６は、タービンロータブレード２９の先端シュラウド１０６と複数のシュラウドブロック３５（図４）との間に画定され得る。当業者は、本主題がいかなる特定の構成にも限定されず、本明細書に記載の流れ制限装置２００がガスタービン１０の任意の静止構成要素および回転構成要素に有利であり得ることを理解すべきである。
【0032】
図５に示すように、流れ制限装置２００は、静止構成要素２０２内に埋め込まれた第１の磁石２０８をさらに含むことができる。例えば、第１の磁石２０８は、静止構成要素２０２の半径方向内面２０３が第１の磁石２０８の半径方向内面２０９と同一平面上にあり、かつ整列するように、静止構成要素２０２内に埋め込まれてもよい。多くの実施形態では、静止構成要素２０２は、第１の磁石２０２が位置決めされる半径方向および円周方向に溝またはスロット２１０を画定することができる。特定の実施形態では、第１の磁石２０８は、スロット２１０内の静止構成要素２０２に（ろう付けまたは溶接継手を介して）固定的に結合されてもよい。他の実施形態では、第１の磁石２０８は、締まりばめを介して静止構成要素２０２のスロット２１０に結合されてもよい。
【0033】
例示的な実施形態では、第２の磁石２１２が、回転構成要素２０４内に埋め込まれ得る。例えば、第２の磁石２１２は、回転構成要素２０４の半径方向外面２０５が第２の磁石２１２の半径方向外面２１３と同一平面上にあり、かつ整列するように、回転構成要素２０４内に埋め込まれてもよい。このようにして、半径方向外面２０５、２１３は、軸方向Ａに単一の滑らかで連続的な表面を形成することができる。多くの実施形態では、回転構成要素２０４は、半径方向および円周方向に溝またはスロット２１４を画定することができ、その中に第２の磁石２１２が位置決めされる。特定の実施形態では、第２の磁石２１２は、スロット２１４内の回転構成要素２０４に（ろう付けまたは溶接継手を介して）固定的に結合されてもよい。他の実施形態では、第２の磁石２１２は、締まりばめを介して回転構成要素２０４のスロット２１４に結合されてもよい。様々な実施形態において、第１の磁石２０８および第２の磁石２１２は、それらが半径方向Ｒに共通の軸を共有するように、互いに同軸に整列されてもよい。
【0034】
多くの実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６が、第１の磁石２０８および第２の磁石２１２によって発生された磁場によってクリアランス２０６内に収容されてもよい。理解されるように、複数の磁性粒子２１６のサイズは、説明および例示の目的のために誇張されている場合がある。例示的な実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、漏れ流２１８がクリアランス２０６を通って制限されるように、クリアランス２０６に及ぶ（例えば、磁石２０８、２１２によって静止構成要素と回転構成要素との間にグループ化される）ように互いに接触し得る。多くの実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、第１の磁石２０８と第２の磁石２１２の両方に磁気的に結合されてもよく、それによりクリアランス２０６を部分的に覆い、漏れ流２１８に対する制限または閉塞を提供する。例えば、複数の磁気応答性粒子２１６における各磁気応答性粒子２１６は、隣り合う磁気応答性粒子２１６、第１の磁石２０８、または第２の磁石２１２の少なくとも１つと接触してもよく、それにより複数の磁気応答性粒子２１６は、クリアランス２０６に及ぶ磁石２０８、２１２の間の鎖または連結を形成する。
【0035】
漏れ流２１８は、過剰空気（流れ制限装置２００が圧縮機セクション１４内にある場合）または過剰燃焼ガス（流れ制限装置２００がタービンセクション１８内にある場合）であり得る。理解され得るように、クリアランス２０６を通過する漏れ流２１８の量を最小限に抑えることは、廃棄物を最小限に抑えることによってガスタービン１０の全体的な効率を有利に増加させることができる。多くの実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、例えば、第２の磁石２１２の外面２１３から第１の磁石２０８の内面２０９まで、クリアランス２０６全体にわたって半径方向に延びてもよく、それにより制限またはシール２２０が複数の磁気応答性粒子２１６によって静止構成要素２０２と回転構成要素２０４との間に形成される。複数の磁気応答性粒子２１６は、シール２２０から離れて軸方向下流に進行しないように、グループで磁石２０８、２１２の間に収容され得る。
【0036】
例示的な実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、互いに対して、かつクリアランス２０６内で第１の磁石２０８および第２の磁石２１２に対して移動可能である。例えば、複数の磁気応答性粒子２１６は、互いに対して、かつ磁石２０８、２１２に対して摺動可能であってもよく、それによってシール２２０の有効性を損なうか影響を与えることなく回転構成要素２０４を円周方向Ｃに移動させることを可能にする。加えて、静止構成要素２０２および回転構成要素２０４は、複数の磁気応答性粒子２１６が磁石２０８、２１２によって発生された磁場のために移動および再整列することができるため、シール２２０に影響を与えることなく熱膨張または熱収縮することができる。例えば、クリアランス２０６は、ターボ機械の熱過渡および／または動作条件に基づいて変化してもよい（すなわち、サイズが増減してもよい）。クリアランス２０６の変動に応じて、磁気応答性粒子２１６は、クリアランス２０６に及ぶように再整列および／または再位置決めすることができ、それによって流れ制限アセンブリ２００を横切る流れを制限する。このようにして、複数の磁気応答性粒子２１６および磁石２０８、２１２は、任意のガスタービン１０の動作条件で効果的なアクティブクリアランス制御を形成することができる。
【0037】
多くの実施形態では、第１の磁石２０８および第２の磁石２１２は、永久磁石であり得、したがって磁石２０８、２１２は、外部磁場によって磁化され、外部磁場が除去された後も磁化されたままである材料で作製される。このようにして、第１の磁石２０８と第２の磁石２１２の両方は、複数の磁気応答性粒子２１６が収容されるそれら自体の磁場を連続的に生成する。多くの実施形態では、磁石２０８、２１２は各々、材料が他の鉄含有物体を引き付ける、または外部磁場内でそれ自体を整列させるなどの磁気特性を示すように配列されたその構成原子を有する金属材料片の形態であり得る。磁石２０８、２１２は、特定の端部にラベル付けされた極（Ｎ極「Ｎ」およびＳ極「Ｓ」）を有するものとして図５に示されているが、各極を切り替えることができ、それによって同じ構成をもたらすが反対の磁極配向を有することが本開示の範囲内であると想定される。
【0038】
例示的な実施形態では、磁石２０８、２１２は、アルニコ磁石であってもよく、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびコバルト（Ｃｏ）の組み合わせで主に構成される永久磁石であるが、銅、鉄、およびチタンも含むことができる。アルニコ磁石は、１０００°Ｆ以上などの極めて高い温度で動作することが可能であり得る。
【0039】
様々な実施形態において、静止構成要素２０２および／または回転構成要素２０４の一方は、磁石２０８、２１２を機能させる冷却チャネル２２２を画定することができる。冷却チャネル２２２は静止構成要素２０２に画定されるように図５に示されているが、冷却チャネル２２２は、代替的にまたは追加的に、回転構成要素２０４に画定されてもよい。示すように、冷却チャネル２２２は、冷却空気２２４の流れが冷却チャネル２２２を通って進行して磁石２０８を冷却することができるように、第１の磁石２０８の周りで静止構成要素２０２に沿って延びてもよい。冷却チャネル２２２は、磁石２０８の周りに冷却空気２２４の流れを提供することができる。冷却空気２２４の流れは、磁石２０８が動作可能な温度を維持し、過熱しないことを確実にする。
【0040】
多くの実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、鉄、ニッケル、コバルトなどの鉄系材料（または鉄系材料の組み合わせ）から形成されてもよい。そのような実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、磁石２０８、２１２に引き付けられ得る。他の実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６は、それ自体が永久磁石粒子であってもよい。
【0041】
多くの実施形態では、複数の磁気応答性粒子２１６における各磁気応答性粒子２１６は、複数の磁気応答性粒子２１６が酸素に曝されて錆びるのを防止するために、耐酸化性コーティングでコーティングすることができ、それによって磁気応答性粒子２１６の寿命を有利に増加させる。様々な実施形態において、複数の磁気応答性粒子２１６は、ガスタービン１０の高温に対する複数の磁気応答性粒子２１６の耐性を高めるために、遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）でコーティングされてもよい。
【0042】
多くの実施形態において、複数の磁気応答性粒子における各磁気応答性粒子は、約０．５ｉｎ３～約５×１０－１０ｉｎ３の体積を画定する。様々な実施形態において、複数の磁気応答性粒子における各磁気応答性粒子は、約０．２５ｉｎ３～約１×１０－８ｉｎ３の体積を画定する。他の実施形態では、複数の磁気応答性粒子における各磁気応答性粒子は、約０．１ｉｎ３～約５×１０－６ｉｎ３の体積を画定する。複数の磁性粒子２１６の小さな体積サイズは、有利には、シール２２０を維持しながらそれらが互いに対して移動することを可能にし、それによってシール２２０の有効性に影響を与えることなくガスタービン１０の構成要素が熱膨張および熱収縮することを可能にする。
【0043】
図６は、本開示の実施形態による、非アクティブ化される電磁石２２６を有する流れ制限装置３００を示し、図７は、本開示の実施形態による、電磁石２２６がアクティブ化される流れ制限装置３００を示している。いくつかの実施形態（図示のように）では、第１の磁石２０８は、電磁石２２６が静止構成要素２０２内に位置決めされるように、電磁石２２６であってもよい。他の実施形態（図示せず）では、第２の磁石２１２は、電磁石２２６が回転構成要素２０４内に位置決めされるように、電磁石２２６であってもよい。示すように、電磁石２２６は、アクティブ化および非アクティブ化されるように構成される。電磁石２２６がアクティブ化されると、電磁石２２６は、複数の磁気応答性粒子２１６を引き付ける電磁場を放出する。例えば、電磁石２２６は、電源２２８に電気的に結合されてもよい。スイッチ２３２が、開位置（図６）で電源２２８を切断することによって電磁石２２６を非アクティブ化することができる。閉位置（図７）にあるとき、スイッチは、電磁石２２６を電源２２８に接続することができ、それによって電磁場を可能にし、クリアランス２０６を横切って複数の磁気応答性粒子２１６を延伸する。スイッチ２３２は、スイッチを開閉し、それによって電磁石２２６をアクティブ化または非アクティブ化することができるコントローラ２３０と動作可能に通信することができる。このようにして、電磁石２２６は、有利には、ガスタービン１０の組み立てプロセス中または修理中など、必要に応じてシール２２０を非アクティブ化することが可能であり得る。
【0044】
例示的な実施形態では、図４に最もよく示すように、第１の磁石２０８は、ガスタービン１０の軸方向中心線２３の周り、例えば、タービンロータ３６の周りに円周方向に配置された複数の第１の磁石２０８であってもよい。同様に、第２の磁石２１２は、ガスタービン１０の軸方向中心線２３の周りに円周方向に配置された複数の第２の磁石２１２であってもよい。この配置は、有利には、複数の磁性粒子２１６が円周方向Ｃ全体の磁場内に収容されることを可能にし、それによって円周方向の場所ごとに漏れ流２１８を制限する。
本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な相違がない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な相違がない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
【符号の説明】
【0045】
１０ ガスタービン、静止ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
１９ ロータアセンブリ
２０ 排気セクション
２２ シャフト
２３ 軸方向中心線
２４ ロータディスク
２６ ロータブレード
２７ ステータベーン
２８ ロータディスク
２９ 静止ノズル、タービンロータブレード
３０ タービンロータブレード
３１ 外側タービンケーシング
３２ 高温ガス経路
３３ 内側タービンケーシング
３４ 燃焼ガス
３５ シュラウドセクション、シュラウドブロック
３６ シャフトタービンロータ
３８ 圧縮空気、流路
４６ 内側ケーシング
４７ 外側ケーシング
５４ ロータディスク
５８ 内側ブレードプラットフォーム
６０ ロータブレード先端
６２ 内側流路境界
６４ 外側流路境界
６６ 外側ベーンプラットフォーム
６８ ベーン先端
７０ クリアランス
７２ クリアランス
１０２ ステータシュラウド
１０４ クリアランス
１０６ 先端シュラウド
１０８ クリアランス
１１０ プラットフォーム
１１２ 翼形部
１１４ シュラウドリング
２００ 流れ制限装置、流れ制限アセンブリ
２０２ 静止構成要素、第１の磁石
２０３ 半径方向内面
２０４ 回転構成要素
２０５ 半径方向外面
２０６ クリアランス
２０８ 第１の磁石
２０９ 半径方向内面
２１０ 溝またはスロット
２１２ 第２の磁石
２１３ 半径方向外面
２１４ 溝またはスロット
２１６ 磁気応答性粒子、磁性粒子
２１８ 漏れ流
２２０ シール
２２２ 冷却チャネル
２２４ 冷却空気
２２６ 電磁石
２２８ 電源
２３０ コントローラ
２３２ スイッチ
３００ 流れ制限装置
Ａ 軸方向
Ｃ 円周方向
Ｒ 半径方向
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼器セクション
１８ タービンセクション
１９ ロータアセンブリ
２０ 排気セクション
２２ シャフト
２３ 軸方向中心線
２４ ロータディスク
２６ ロータブレード
２７ ステータベーン
２８ ロータディスク
２９ 静止ノズル、タービンロータブレード
３０ タービンロータブレード
３１ 外側タービンケーシング
３２ 高温ガス経路
３３ 内側タービンケーシング
３４ 燃焼ガス
３５ シュラウドセクション、シュラウドブロック
３６ シャフトタービンロータ
３８ 圧縮空気、流路
４６ 内側ケーシング
４７ 外側ケーシング
５４ ロータディスク
５８ 内側ブレードプラットフォーム
６０ ロータブレード先端
６２ 内側流路境界
６４ 外側流路境界
６６ 外側ベーンプラットフォーム
６８ ベーン先端
７０ クリアランス
７２ クリアランス
１０２ ステータシュラウド
１０４ クリアランス
１０６ 先端シュラウド
１０８ クリアランス
１１０ プラットフォーム
１１２ 翼形部
１１４ シュラウドリング
２００ 流れ制限装置、流れ制限アセンブリ
２０２ 静止構成要素、第１の磁石
２０３ 半径方向内面
２０４ 回転構成要素
２０５ 半径方向外面
２０６ クリアランス
２０８ 第１の磁石
２０９ 半径方向内面
２１０ 溝またはスロット
２１２ 第２の磁石
２１３ 半径方向外面
２１４ 溝またはスロット
２１６ 磁気応答性粒子、磁性粒子
２１８ 漏れ流
２２０ シール
２２２ 冷却チャネル
２２４ 冷却空気
２２６ 電磁石
２２８ 電源
２３０ コントローラ
２３２ スイッチ
３００ 流れ制限装置
Ａ 軸方向
Ｃ 円周方向
Ｒ 半径方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【外国語明細書】