JP2005539171A - 多方向タービンシムシール - Google Patents

Abstract

タービンコンポーネント（１２）の開口または１またはそれ以上のタービンコンポーネント（１２）間の開口を漏れ止めするタービンシール封鎖機構。タービンシール（１０）は、縦方向軸（２６）がタービンの軸方向を横切る主体部分（１４）を有するが、この主体部分はその部分をタービンコンポーネント（１２）の表面（１６）に漏れ止めするための少なくとも１つのアーム（２２、２４、３６、４２、４４、４６）を備え、このアームはタービンコンポーネント（１２）の凹部（２０）に嵌合する形状である。タービンシール（１０）はまた、該タービンシールを別のタービン表面（１６）に漏れ止めするために、アーム（４２、４４、４６）が固着された第１の側部とは反対の主体部分（１４）の側部に結合された１またはそれ以上のアーム（４２、４４、４６）を有する。

Description

本発明は、一般的に、漏れ止めシステムに係り、さらに詳細には、単一のタービンコンポーネント内のギャップまたは２またはそれ以上のタービンコンポーネント間のギャップを漏れ止めする漏れ止めシステムに係る。

タービン設計の分野では、流体を分離しタービン効率を維持するために、タービン翼のような隣接するタービンコンポーネント間の接続部を漏れ止めする必要がしばしば存在する。例えば、タービン装置内の特定の場所において圧縮空気を高温ガスから分離することが望ましい。これらのガスを分離するありふれた場所としては、タービン翼が接続されたタービンハウジングに近い、隣接するタービン翼間の交差部がある。

通常、ロータ組立体内部の冷却された空気をタービン装置のタービン翼の周りの高温ガスから分離するために、図１に示すようなバッフルまたはキーシールが提供される。これらのバッフルは、タービン装置内の突出部にある凹部または溝内に配置されるのが最も一般的である。これらのバッフルは通常、タービン翼間の開口のかなりの部分をブロックする硬質材料で作られている。大部分のバッフルは柔軟性に欠けるため、結合、ゴーリング(gauling)または他の種類の締結を阻止するために小さなクリアランスが設けられている。従って、図１の空気流を示す矢印からわかるように、バッフルの周りを空気が漏洩できる。かかる漏洩によりタービン効率が低下し、有害な結果に至ることがある。

モリ他の米国特許第５，８６５，６００号に示されるような別のバッフルが開発されている。モリ特許に開示されたバッフルシステムは、金属製の帯状部材より形成されたバッフルより成り、横断面にある２つの端部はそれぞれ互いに離れる方向に付勢され、タービンロータ組立体の縦方向軸の周りを円周方向に覆う２つの漏れ止め部材を備えている。この構成のバッフルには、漏れ止め部材が共に圧縮されるとバネのような効果が与えられる。この帯状部材の横断面は軸方向にほぼ垂直に向いている。従って、モリ特許は、帯状部材から形成され優れた漏れ止め特性を有するバッフルを開示している。しかしながら、この特許は半径方向だけの開口の漏れ止めを開示している。

発電所で使用される典型的なタービンエンジンは、直径が約８分の１インチと約１０分の１インチの間の多数の開口を有する。航空機用として使用可能なタービンに存在する似たような開口はそれより小さい。かかる小さい開口を、モリ特許に開示されたシールのような柔軟性が比較的低いシールで漏れ止めしようとするのは容易なことではない。さらに、このような小さな開口に対応する寸法の複雑なシールの製造は、少なくとも、かかるシールの複雑な特徴部分の形成が困難なことを考えると容易でない。例えば、モリ特許の図２及び３（ａ）において、要素１３として示されるスポット溶接部及び図３（ｂ）において要素１６として示されるような小さなスリットを、かかる小さな寸法のシールに形成するのは困難であり、またコストが高くつく。

従って、半径方向、軸方向、及び軸方向に垂直な円周方向においてタービンコンポーネント間の開口をしっかりと漏れ止めできる比較的簡単なタービンシールが求められている。

発明の概要

以下において、上記問題を解決し、本願に示す目的に従って種々の利点を提供する本発明の要約について述べる。本発明は、半径方向、軸方向、及び軸方向に垂直な円周方向においてタービンコンポーネント内の開口またはタービンコンポーネント間の開口を漏れ止めするタービンシールに係る。本発明のタービンシールの一実施例は、タービンシールをタービンコンポーネントの凹部に封着するためにその凹部に嵌合する形状の主体部分を有する。この主体部分は、軸方向にほぼ平行に位置する縦方向軸を有する。タービンシールはまた、タービンコンポーネントの表面に係合する２つのアームを有し、それらのアームはそれぞれ主体部分からほぼ同じ方向に、互いにほぼ平行に延びる。タービンシールはさらに、第３のアームとも呼ばれる中央の漏れ止め部材を有するが、この部材は上述したように２つのアーム間にあって流体の軸方向の移動を阻止するように開口を漏れ止めする。

タービンシールはさらに、アームの端部上にあってタービンコンポーネントの表面と接触する形状の漏れ止め機構を有する。この漏れ止め機構は、１またはそれ以上の突出部のような（これらに限定されない）多数の設計部分より成る。さらに、この漏れ止め機構は、アームを形成するのと同じ材料で形成するか、他の適当な材料で形成することが可能である。

主体部分がタービンコンポーネントの凹部と嵌合する形状ではないタービンシールの他の実施例もある。この例では、第１及び第２のアーム並びに中央の漏れ止め部材が結合される側とは反対の主体部分の側に、第４及び第５のアームと呼ぶ２つの漏れ止めアームがあるが、これは、主体部分に固着され、第４のアームと第５のアームとの間に中央の漏れ止め部材を含む場合とそうでない場合とがある。このタービンシールは、開口の一方の側の第１及び第２のアームと、開口のもう一方の側の第４及び第５のアームとにより開口を漏れ止めするように働く。

本発明の目的は、軸方向、半径方向、及び軸方向に垂直かまたはほぼ直角な円周方向におけるタービンコンポーネントの開口の漏れ止めを含むが、それに限定されない。

本発明の利点は、タービンシールの縦方向軸がタービン翼組立体の軸方向をほぼ横切るようにタービンシールをタービン装置内に配置できることである。

本発明のさらに別の利点は、本発明がタービン運転時に通常遭遇する振動を吸収できるタービンシールを提供することである。

本発明のタービンシール１０は、タービン装置を通して種々の場所でタービンコンポーネント１２の漏れ止めに使用できる。図２に示すように、タービンシール１０には主体部分１４があるが、この主体部分はその部分から延びてタービンの表面１６と係合する多数のアームを備えている。タービンシール１０は、タービン内の流体の漏れ止めに好適な任意の材料で形成可能である。これらの材料は、当業者に明らかなように、タービンの用途に応じて異なることがある。図２に示す実施例において、タービンコンポーネントは隣接するタービン翼に結合された突出部１８である。これらの突出部は溝とも呼べる凹部２０を有する。

本発明のシールをある特定の形状を有するタービンコンポーネントと接触する位置で示すが、本発明はかかるタービン装置との併用に限定されず、タービン装置内の任意の点における流体の通過を阻止するかまたは流体の有意な通過を制限するためにシールを必要とする任意の状況に使用できる。例えば、本発明を利用して、単一のタービンコンポーネント内の開口または２またはそれ以上のタービンコンポーネント間の開口を閉じることができる。

図２に示すタービンシールの特定の実施例は、主体部分１４に結合された第１のアーム２２と第２のアーム２４とを有する。第１のアーム２２は、主体部分１４からほぼ横方向に、タービンシールの縦方向軸２６にほぼ平行に延びる。主体部分１４の縦方向軸２６はまた、タービンの回転軸をほぼ横切る方向である。第２のアーム２４は、第１のアーム２２にほぼ平行で、タービンシールの縦方向軸のほぼ平行に延びる。第１のアーム２２と第２のアーム２４とが主体部分１４から、タービンシールの縦方向軸２６を基準として０以外の角度で延びる他の実施例もある。

ある特定の実施例において、第１のアーム２２または第２のアーム２４もしくはその両方は、タービンシールをタービンコンポーネントの表面１６と結合するための少なくとも１つの漏れ止め要素２８を有する。この漏れ止め要素２８は多数の形状に形成可能である。例えば、１つの実施例において、この漏れ止め要素は少なくとも１つの突出部を有するように構成されるが、詳述すると、図２−５に示すように第１の突出部３０と第２の突出部３２とを形成することができる。これら２つの突出部は、用途に応じて、互いに離隔関係にあるかまたは互いに近接している。

図２−５に示す漏れ止め要素２８の形状により、第１の突出部３０と第２の突出部３２の間にステップ状のシール３４が形成される。ステップ状のシール３４は、第１の突出部３０とタービンコンポーネントの表面１６との間を通過する流体を受ける。ステップ状のシール３４は、このシール３４を介する流体の速度及び流体の全流量を減少させて、流体が第２の突出部３２とタービンコンポーネントの表面１６の間を通過する可能性を減少させる。漏れ止め要素２８は、それが固着されるアームと同じ材料で形成するかまたは異種材料で形成することができる。例えば、漏れ止め要素２８を別種の材料で形成して第１のアーム２２内にインサートとして装着することができる。

図２に示す実施例の主体部分１４は、タービンコンポーネントの凹部２０に嵌合する形状を有する。詳述すると、主体部分１４は、タービンコンポーネントの表面１６に主体部分１４を封着するように構成されている。１つの実施例において、主体部分１４の寸法は主体部分１４を凹部２０内に封着するために凹部２０と固く嵌合する大きさである。主体部分１４は、接着剤、樹脂、溶接、打ち抜き機構または他の従来型または非従来型結合方法により凹部２０に固定することができる。主体部分１４は溶接またはろう付けによりタービンコンポーネントに固着することが好ましい。１つの実施例において、主体部分１４はタービンコンポーネントの凹部２０と締り嵌めを形成するように凹部２０よりもわずかに大きい寸法にすればよい。

同様に、第１のアーム２２及び第２のアーム２４はタービンコンポーネントの表面１６に結合できるような特性を備えることができる。例えば、第１のアーム２２または第２のアーム２４もしくはその両方をタービンシールの主体部分１４の縦方向軸２６にほぼ垂直な方向に付勢することが可能である。このようにして、何れかのアームまたは両方のアームを縦方向軸２６の方へ撓ませると、これらのアームは休止位置に戻ろうとする。かかる構成により、アームは、タービンの運転中にしばしば遭遇する激しい振動にもかかわらずタービンコンポーネントの表面１６との接触関係を維持することができる。

タービンシール１０はまた、第３のアームとも呼ぶ中央の漏れ止め部材３６を有する。１つの実施例において、この中央漏れ止め部材３６は、図２に示すように、第１のアーム２２と第２のアーム２４の間に位置する。中央漏れ止め部材は、流体が第１のアーム２２と第２のアーム２４の間を図２の平面にほぼ垂直な方向に流れるのを阻止する。中央漏れ止め部材３６は、図２に示すように、ほぼ一定の厚さを有するか、またはその長さ方向に厚さを変化させてもよい。例えば、図３に示すように、中央漏れ止め部材３６の厚さは中央漏れ止め部材の第１の端部３８から第２の端部４０の方へ徐々にテイパーしている。図３に示すテイパーは徐々に変化するテイパーであるが、急峻な移行のような他のテイパーまたは異なるテイパーを用いてもよい。

図５に示すようなタービンシールの他の実施例において、このタービンシール１０は、主体部分１４がタービンコンポーネントの表面１６と接触する漏れ止め機構として設計されていない点を除き、上述したものとほぼ同じ構成である。これは、主体部分１６がタービンコンポーネントの表面と接触できないということではない。その代わりに、タービンシール１０は、第４のアーム４２及び第５のアーム４４と、第６のアームとも呼ばれる第２の中央漏れ止め部材４６とを有し、この第２の中央漏れ止め部材４６は第１のアーム２２及び第２のアーム２４並びに中央漏れ止め部材３６が固着される第１の側部とはほぼ反対の主体部分１４の側部４８に固着されている。第４のアーム４２及び第５のアーム４４並びに第２の漏れ止め部材４６は、図２に示し既に詳述した第１、第２及び第３のアームと鏡像関係を成すものでよく、そうでないものでもよい。この実施例において、第１及び第２の中央漏れ止め部材３６及び４６はそれぞれ、第１と第２のアーム２２、２４の間及び第４と第５のアーム４２、４４の間で主体部分１４に結合されている。図５に示すように２つの中央漏れ止め部材を有するのではなくて、タービンシールがただ１つの中央漏れ止め部材を有する別の実施例もある。前述したように、１またはそれ以上の中央漏れ止め部材にテイパーを設けるか厚さが変化するようにしてもよい。

第１及び第２のアーム２２、２４と同様に、第４または第５のアーム４２、４４もしくはその両方に、それぞれのアームをタービンコンポーネントの表面１６と結合させるための１またはそれ以上の漏れ止め要素２８を設けることが可能であるが、この表面１６は図５に示すようにタービンロータ組立体の凹部２０の内側表面でよい。上述したように、漏れ止め機構は、全てが第４のアーム４２及び第５のアーム４４に結合される漏れ止め要素２８に適用可能な多数の態様で構成可能である。

図５に示す実施例において、タービンシールは凹部内に位置する当接部５０を用いて位置決め可能である。詳述すると、これらの当接部５０は、アーム２２、２４、４２及び４４がタービン表面との接触関係から離脱しないように位置決めされている。さらに、これらの当接部５０は、タービンシール１０の過大な移動を阻止することによりタービンシール１０の摩耗を減少させる。最後に、これらの当接部５０は多数の形状を持つことができる。

上記説明は本発明の実施例を例示する目的で提供したものである。これらの実施例の変形例及び設計変更が当業者にとって明らかになるであろう。そして、本発明の範囲または思想もしくは頭書の特許請求の範囲から逸脱することなく変形例及び設計変更が可能である。

従来技術のガスタービンロータコンポーネントの漏れ止めシステムを示す横断面図である。 本発明の一実施例の軸方向横断面図であり、ほぼ直線状の中央漏れ止め部材を備えたタービンシールを示す。 図２の実施例に似た本発明の別の実施例の軸方向横断面図であるが、中央の漏れ止め部材がテイパーしているものを示す。 図２に示すタービンシールの軸方向展開図である。 本発明の別の実施例の軸方向横断面図であり、タービンシールの主体部分の両端部上に多数の漏れ止めアームを備えたタービンシールを示す。

Claims (12)

1. 互いに反対の第１及び第２の側部を有する主体部分（１４）と、
   主体部分（１４）から横方向に延び、タービンコンポーネント（１２）の表面（１６）と係合するように構成された第１のアーム（２２）と、
   主体部分（１４）から横方向に延び、第１のアーム（２２）とほぼ平行に位置して、タービンコンポーネント（１２）の表面（１６）と係合するように構成された第２のアーム（２４）と、
   主体部分（１４）から横方向に延び、第１のアーム（２２）と第２のアーム（２４）との間に位置する第３のアームとより成ることを特徴とするタービンシール。
2. 第１のアーム（２２）は主体部分（１４）の縦方向軸（２６）から離れる方向に付勢されている請求項１のタービンシール。
3. 第２のアーム（２４）は主体部分（１４）の縦方向軸（２６）と、第１のアーム（２２）とから離れる方向に付勢されている請求項２のタービンシール。
4. 第３のアーム（３６）は主体部分（１４）と結合された第１の端部（３８）と、第１の端部（３８）とは反対側に位置する第２の端部（４０）とを有し、第２の端部（４０）の厚さは第１の端部（３８）より小さいことを特徴とする請求項１のタービンシール。
5. 第３のアーム（３６）の厚さは第１の端部（３８）と第２の端部（４０）との間で徐々にテイパーしていることを特徴とする請求項４のタービンシール。
6. 第１のアーム（２２）はさらに、漏れ止め表面（１６）と接触するための少なくとも１つの漏れ止め要素（２８）を有することを特徴とする請求項１のタービンシール。
7. 少なくとも１つの漏れ止め要素（２８）は、漏れ止め表面（１６）と接触してステップ状のシール（３４）を形成する少なくとも２つの突出部（３０、３２）を有することを特徴とする請求項６のタービンシール。
8. 第２のアーム（２４）はさらに漏れ止め表面（１６）と接触する少なくとも１つの漏れ止め要素（２８）を有することを特徴とする請求項６のタービンシール。
9. 少なくとも１つの漏れ止め要素（２８）は、漏れ止め表面（１６）を接触してステップ状のシール（３４）を形成する少なくとも２つの突出部（３０、３２）を有することを特徴とする請求項８のタービンシール。
10. 主体部分（１４）は、少なくとも一部がタービンコンポーネント（１２）の凹部（２０）に嵌合し、凹部（２０）と係合して主体部分（１４）をタービンコンポーネント（１２）に封着するように構成されていることを特徴とする請求項１のタービンシール。
11. 主体部分（１４）の第２の側部から横方向に延びてタービンコンポーネント（１２）の表面（１６）と係合するように構成された第４のアーム（４２）と、主体部分（１４）の第２の側部から横方向に延び、第４のアーム（４２）とほぼ平行に位置し、タービンコンポーネント（１２）の表面（１６）と係合するように構成された第５のアーム（４４）とを有することを特徴とする請求項１のタービンシール。
12. 主体部分（１４）の第２の側部から横方向に延びて第４のアーム（４２）と第５のアーム（４４）との間に位置する第６のアーム（４６）を有することを特徴とする請求項１０のタービンシール。

Images