JP2006342812A - ガスタービンエンジンの部材 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンの回転部材と非回転部材との間に設けられたシールの効果を回復する。
【解決手段】ガスタービン（１０）において、共に環状である部材（２２，３０）の間でラビリンスシール（４０）の効果を改善するための方法は、交換可能なブラシシール（６０）を収容かつ保持するとともに、シールブリストルが部材間の隙間（４１）を通る空気の漏れを防止するようにブラシシールを設置するための手段を提供するように一方の部材を再加工することを含む。好適実施例では、再加工のステップは、中空でかつ円筒形のバレルに適用され、バレルの軸方向の長さ及びその壁厚を削減するために機械加工を施すことを含み、また、リテイナ（５２）を取り付けることも含む。リテイナは、バレルと共同して溝（５６）を画成し、この溝の内部にブラシシールが径方向及び軸方向で閉じ込められる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジン部材の改修に関し、これにより、この部材と隣接する部材との間のエアシール効果が改善される。

ガスタービンエンジンは、エンジンの主要流路から作動ガスが漏れることを防止するために種々のシールを含む。漏れによってエンジン効率が低下し、それにより、エンジンの消費燃料や運転コストが増加してしまうので、漏れを最小限に押さえることは重要である。更に、流路から流れ出る圧縮空気は、高温となっており、このような温度に対して限られた許容度しかもたないエンジン部材と接触してしまうおそれもある。

ナイフエッジシールは、一般に、タービンエンジンにおいて、共に環状の部材である回転部材及び非回転部材間の環状の間隙をシールするために使用される。ナイフエッジシールは、共に環状である非回転部材から隣接する回転部材上のシールランド部に向かって（または回転部材から非回転部材に向かって）径方向に延びるリング状の材料である。環状の間隙を通じて空気が漏れないように、ナイフエッジリングの端部はシールランド部に近接している。このナイフエッジリングは、回転部材が不均衡な状態、部材の異なる熱反応、または部材の同軸度や寸法が不完全なことによって、エンジンの運転中に回転するシールランド部と接触するおそれがある。このような接触は、ナイフエッジリング及びシールランド部を侵食するとともに、シールの効果を減少してしまう。更に、経験則から、シール劣化のほとんどは、エンジンの耐用年数のかなり早い時期に起こると考えられている。従って、エンジンは、その耐用年数のほとんどを通して、シールが劣化した状態で運転される。

エンジンを取り外し、ナイフエッジリングを交換または修理するとともに、シールランド部も修理することによってシール効果を回復することができる。しかしながら、この方法は時間がかかり、かつ高価であり、また、エンジンを修繕している間収益を上げることができない。更に、修理したシールの耐久性は、元のものと同程度なので、シールを交換または修理する必要がエンジンの耐用年数の間定期的に繰り返し生じてしまう。

従って、タービンエンジンにおいて、部材間シールの効果を回復するための効果的でかつ安価で簡単な方法が求められている。回復したシールは、理想的には、元のシールよりも耐性が高く、少なくとも元のシールと同程度の効果があることが望ましい。

従って、本発明の目的は、タービンエンジンの回転部材と非回転部材との間に設けられたシールの効果を回復することである。

更に、本発明の目的は、シールの修復に関連する時間や費用を最小とし、修復したシールの耐用年数を最長とするとともに、修復したシールが、摩耗して効果がなくなった場合に、安価で適切に交換できるようにすることである。

本発明によると、摩耗したナイフエッジシールを備えたタービンエンジンは、交換可能なブラシシールを摩耗したナイフエッジリングと一列に、いわゆるタンデム形式に設置することで改修される。

本発明は、種々の点で有効である。ブラシシールは、既存の摩耗したナイフエッジシールに付加されるので、高価で時間がかかるナイフエッジリングやシールランド部の交換または修理を行わずに済む。また、ブラシシールの優れたシール特性により、改修したシールは、すくなくとも摩耗していないナイフエッジシールと同程度の効果を有する。更に、ブラシシールの設置は、ブラシシールが設置される部材の再加工を最小限にして行うことができる。また、更に、ブラシシールは、ナイフエッジシールよりも本質的に耐摩耗性に優れている。しかし、ブラシシールの交換を後に行うことが必要となれば、エンジンの最小限の分解によって容易かつ適切に行うことができる。

上記の利点及び特徴は、以下の発明の最良の実施形態及び添付図面を参照することによってより明らかとなる。

図１は、発電に使用されるタイプのタービンエンジン１０の一部を示している。エンジンは、ベーン１４などの非回転ステータベーンとブレード１６などの回転ブレードとを備えたコンプレッサを有し、これらのベーン及びブレードは、主要流路を径方向に延びている。コンプレッサロータアッセンブリ２２は、ベアリングコンパートメント２４内に設けられたベアリングによって支持され、回転エネルギをタービン２８からコンプレッサブレードへと伝達するために中央軸２６を中心に回転する。非回転の実質的に円筒形の中空ドラム即ちバレル３０は、ベアリングコンパートメント２４に外接するとともに、コンプレッサの後部端で内部流路の境界を画成するように前向きに延びる。バレル３０は、上側及び下側のハーフバレル即ちセグメント３０ａ,３０ｂを有し、これらのセグメントは、図示省略されている複数のボルトによって分離可能に互いに固定されている。これらのボルトは、上側セグメント（ハーフバレル）を通って垂直に延び、下側セグメント（ハーフバレル）内にネジ山によって止めつけられる。

図２に、ロータ２２やバレル３０の他の特徴をより詳細に示す。バレル３０は、その前部端３１が軸方向でロータ２２の一部に重なるように前方に延びている。バレル３０は、中空で、かつ実質的に円筒形であり、前方端３１に近接する領域で厚さｔの円筒壁を備えている。バレル３０の長さを延長するようにインサートリング３４をバレルの前方端に取り付けることもできる。また、バレルの前方端は、図３で示すように単体であってもよい。いずれの場合にも、面３６がバレルの最も前方の端部となる。

ロータ２２とバレル３０の前方端３１とは、共同してバレルとロータとの間の環状の間隙４１におけるシール４０を形成する。シール４０は、ナイフエッジシールのアレイを含む（このようなアレイは、一般にラビリンスシールと呼ばれる）。各ナイフエッジシールは、リング４２ａ，４２ｂなどに代表されるナイフエッジリングをそれぞれ含み、これらのリングは、ロータのランド部４４ａ，４４ｂなどに代表されるシールランド部に近接した位置までバレル３０から径方向内向きに延びる。シールは、空気４２が流路からベアリングコンパートメント２４（図１参照）付近へと漏れることを防止する。

エンジンの運転時（そして特にエンジンの使用初期における短期の試運転時）には、適切に機能するエンジンであっても、その不均衡、不完全性、及び熱応答特性の差のためにナイフエッジリングが回転するシールランド部と接触するおそれがある。

このような接触によって、ナイフエッジリング及びシールランド部は侵食され、シールの効果が急速に低下してしまう。この結果、エンジン効率が低下し、これに伴って、消費燃料及び運転コストが増加してしまう。また、高温で作動するベアリングコンパートメント２４（図１参照）は、更に、有害となり得る量の高温空気にさらされ、これにより、温度差が広範となることに関連して損傷が生じるおそれが増加する。摩耗したシールは、修理したり、同じ種類の新しいシールと交換したりすることができる。しかし、ほとんどの摩耗は、修理や交換に続いて行われる短期の試運転時に生じるので、長期的な効果はほとんど得られない。更に、いずれの方法も、高価でかつ時間がかかり、また、エンジンが使用できない間に回収することのできない収益は、かなりの額になり得る。

本発明によると、バレルの前方端に交換可能なブラシシールを設置して摩耗したラビリンスシールを補うことで、ナイフエッジシールを修理または交換することに関連して生じる費用や収益の喪失を最小とすることができる。ブラシシールは、回転による過大な力を受けないように、ロータよりも非回転のバレルに取り付けられることが望ましい。ブラシシールは、ナイフエッジシールよりもシールの性能特性が本質的に優れているので、改修されたシールは、摩耗していないナイフエッジシールと少なくとも同程度の効果がある。更に、ブラシシールは、摩耗に対して特有の耐性を有するので、次のシール交換までの間の時間的なインターバルは最長となる。

本発明に係る方法の実行を容易にするために、上側及び下側のバレルセグメント３０ａ，３０ｂ（図１参照）を互いに固定するボルトを取り外して、これらのセグメントをエンジンから個々に取り除くことができる。

図４を参照すると、ロータ２２とバレル３０の間のエアシール効果を改善する方法は、各バレルセグメントを再構成、即ち再加工してブラシシールを受容かつ保持するための手段を提供するステップを含む。この再加工のステップは、各バレルセグメントの面３６（図２または図３参照）にそれぞれ機械加工を施して、バレルの軸方向の長さを所定の長さａだけ短縮するとともに、面３６に近接した位置における壁の厚さｔを予め定義した厚さｄだけ減少させることを含む。この機械加工によって、新たな面３６ａが露出し、バレル壁上にシールシート部４８が形成される。新たに露出した面３６ａには、周方向に延びる収容スロット４８が機械加工され、ネジ付きのファスナ５４または溶接などの他の適切な手段によってリテーナ５２が面３６ａに取り付けられる。リテーナ５２は、面３６ａ及びシールシート部４８と共同して周方向に延びる溝５６を画成する。バッキングプレート６２，６４、シールブリストル６６、及びバッキングブリストル６８を含むブラシシール６０は、間隙４１を通る空気の流れを防止するためにブリストルがロータに向かって延びるように設置される。ブラシシールは、シールシート部４８と、バッキングプレート６４の足部７０と収容スロット５０との間の係合と、によって径方向で保持される。このシールは、面３６ａとリテーナ５２との間で軸方向に保持されている。

バレルが短縮される所定の長さａは、少なくともリテーナ５２の厚さに等しく、好適実施例では、リテーナ５２の厚みと等しい。従って、バレルの再加工によってロータ２２とリテーナ５２との間の軸方向の間隙ｃは、減少することがなく、よって、ロータとバレルとの間で接触（例えば、ロータの軸方向の移動またはエンジンの運転時におけるロータとバレルとの間の熱膨張の差などによって起こる）が起こる危険性が高まるおそれはない。

バレル３０から予め定義された厚さｄを減少させることによって、ブラシシールを収容する十分な径方向の空間が得られる。径方向の長さが比較的短いブラシシールを使用した場合には、壁の厚みを減少する必要性は、減少またはなくなる可能性がある。しかし、短いブラシシールでは、ブリストル弾性が不十分なので、信頼できる効果的なシールを形成するためには、比較的長いシールを使用する方が好ましい。

バレルを再加工するためのステップには、ナイフエッジリングを（例えば、機械加工によって）取り除くことは含まれない。ナイフエッジリングをその位置のままにしておくことは、それを取り除くことに関連する労力及び費用をかけずに済むので有益である。更に、バレルを再加工することは、バレルを間違って損傷する危険性をいくらか含む。バレルは高価な部材なので、損傷の危険性を伴う作業をできる限り避けることが望ましい。最後に、ナイフエッジシールは、摩耗していても、いくらかのシール効果が残されている可能性がある。

バレルは、それぞれ約１８０度の弧にわたって延びる上側及び下側のバレルセグメントを含むので、リテーナ５２も、１８０度のセグメントを二つ含む。ブラシシールも、以下で説明するように設置及び除去を容易にするためにセグメント化されており、一つの１８０度の上側セグメントと一つ以上の下側セグメントとを含む。下側セグメントは、合わせて１８０度の弧にわたって延びる。このようなシールは、一般に、一部が図５で示されているように完全なリング状に製造され、続いてセグメントに切断される。この切断は、ブリストルに平行に、例えば、切断線７２に沿って行われる。他の位置での切断、例えば、放射状線７４に沿って切断した場合には、三角形の空隙７６で示されるようにブリストルの一部が遊離し、ブラシシールの効果が損なわれてしまう。

ブラシシールセグメント６０は、リテーナ５２を面３６ａに取り付ける前に、収容スロット５０へ軸方向に（即ち軸２６に平行に）挿入することができる。好適実施例では、最初にリテーナを取り付けてからセグメントを周方向に滑動させて溝５６内に挿入している。この溝は、ブラシシールセグメントよりも若干大きいので、シールセグメントを溝内へと容易に滑動させることができる。また、ブラシシール６０と溝５６とがゆるく係合されているので、熱特性が異なることで生じ得る過剰な応力から保護されている。好適実施例では、二つの下側ブラシシールセグメントを使用することによって更に設置が容易となっている。これらの二つのセグメントは、一つの１８０度のセグメントに代わって、それぞれ約９０度にわたって延びている。上側バレルでは、１８０度のブラシシールセグメントを一つ使用している。これは、セグメントが小さいと、上側バレルセグメントと下側バレルセグメントとを再結合するための準備として上側バレルセグメントの溝の端部を下向きにした場合に、これらのセグメントが溝から簡単に滑動により外れてしまうからである。

エンジン内の作動ガス圧力の程度によって、ブラシシールを、少なくとも二つのブリストル層（シールブリストルとバッキングブリストル）を含む多層式ブラシシールまたは単層（シールブリストルを含み、バッキングブリストルを含まない）のブラシシールとすることができる。好適実施例のブラシシールは、多層式ブラシシールである。このようなシールは、米国特許第５，２０１，５３０号においてより詳細に説明されている。本発明においては、多層式ブラシシールが、二つのバッキングプレート６２，６４の間にサンドイッチ状に挟まれたシールブリストル６６の層と比較的短くかつ厚みのあるバッキングブリストル６８の層とを有することが分かれば十分である。シールにわたって生じる圧力差のために、シールブリストル６６はシールの低圧側に向かって（図４の間隙４１に向かって）偏向されやすい。比較的短くかつ厚みのあるバッキングブリストル６８は、シールブリストルよりも弾性が低いので、シールブリストルの偏向を阻止してシールの完全さを保つ。バッキングブリストル６８が偏向するおそれは、同様にハッキングプレート６４によって阻止される。単層のブラシシールを使用した場合には、シールブリストルを十分に支持するために、バッキングプレートのシールブリストルに対する長さを、多層シールの場合よりも長くする必要がある。しかし、バッキングプレートがこのように長いと、不均衡または熱膨張によって起こる径方向の移動（一般にロータのエクスカーションと呼ばれる）によって、バッキングプレートとロータとの間で接触が起こるおそれが生じる。このような接触が起こった場合には、バッキングプレートとロータとの両方が結果的に損傷されてしまう。一方、バッキングブリストルがロータと接触した場合には、バッキングブリストルの弾力性によって損傷が防止されるので、多層式ブラシシールによって損傷の危険性が低くなる。従って、エンジンは、ブラシシールの摩耗に対する特有の耐性だけでなく、多層式ブラシシールの損傷に対する耐性によっても利点が得られる。

ブラシシールを受容かつ維持するための手段を提供するためにバレルを再加工する際には、上側及び下側のバレルセグメントがエンジンから取り除かれる。ブラシシールセグメントが摩耗しすぎて効果が失われた場合に、その交換を後に行う際には、上側バレルのみを下側バレルから分離してエンジンから取り除けばよい。上側バレルが下側バレルから分離されると、上側または下側のバレルに設けられた摩耗したブラシシールセグメントは、このセグメントを溝から周方向に滑動させて取り除き、新しいブラシシールセグメントを定位置に滑動させて挿入する。

バレルセグメントを再加工するステップは、上記したようにバレルに機械加工を施してその長さを縮小することを含み、これにより、エンジンの運転中にバレルとロータとの間で接触が起こることが防止される。バレルとロータとの間の間隙ｃの減小の程度が許容範囲であれば、機械加工は、その量を減少するかまたは行わないこともできる。既存の隙間４１がブラシシールを収容するのに十分な大きさであるか、またはブラシシール技術の進歩によって十分な弾力性及びシール効果を有する短いシールが開発されれば、ブラシシールの長さを収容できるようにバレル壁の厚みを減少することも不要となり得る。

図１は、発電に使用されるタイプのタービンエンジンの部分的な横断面図である。 図２は、回転コンプレッサロータと、それに隣接する前方端に挿入リングを有する非回転バレルと、の間に設けられたナイフエッジシールのアレイを示した図１のエンジンのコンプレッサ吐出領域のより詳細な横断面図である。 図３は、バレルがその前方端で単体構造となっている図２と同様の図である。 図４は、本発明の好適実施例に係るブラシシールがバレルに設置されているのを示した図２と同様の図である。 図５は、シールブリストルに平行にシールのセグメント化を示したブラシシールの部分的な正面図である。

符号の説明

２２…ロータ
３０…バレル
３６ａ…面
４１…間隙
４８…シールシート部
５０…収容スロット
５２…リテーナ
５４…ネジ付きのファスナ
５６…溝
６０…ブラシシール
６２，６４…バッキングプレート
６６…シールブリストル
６８…バッキングブリストル
７０…バッキングプレートの足部

Claims (11)

1. タービンエンジンにおける回転部材と非回転部材との間のシール効果を改善する方法であって、前記回転部材及び前記非回転部材は、間隙によって分離されており、この間隙を通って空気が漏れることを防止するために該間隙にわたってナイフエッジシールが延びており、前記方法は、
   ブラシシールを提供し、
   前記非回転部材を再加工して前記ブラシシールを前記ナイフエッジシールとタンデム式に受容かつ保持するための手段を提供し、
   シールブリストルが、前記回転部材に向かって伸びて前記間隙を通って空気が流れることを防止するとともに、前記ブラシシールが、前記受容かつ保持するための手段によって保持されるように前記ブラシシールを設置することを特徴とする方法。
2. 前記非回転部材は、中空でかつ実質的に円筒形であるとともに、壁厚と面とを備えており、前記非回転部材を再加工するステップは、
   前記非回転部材の前記面に前記ブラシシールを径方向に保持するための収容スロットを形成し、
   前記面と共同して前記ブラシシールを軸方向に閉じ込めるように前記非回転部材にリテイナを取り付けることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記再加工のステップは、前記面に近接した位置で前記壁圧を所定の値だけ減少させてシールシート部を形成し、ブラシシールの径方向寸法を収容することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記再加工のステップによって、前記非回転部材の軸方向長さが調整されることを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記ブラシシールは、多層式ブラシシールであることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記非回転部材は、上側部材セグメントと下側部材セグメントとを含み、前記各部材セグメントは、それぞれ約１８０度の弧にわたって延びており、
   前記リテイナは、上側リテイナセグメントと下側リテイナセグメントとを含み、前記各リテイナセグメントは、それぞれ約１８０度の弧にわたって延びており、
   前記ブラシシールは、約１８０度の弧にわたって延びる上側ブラシシールセグメントと一つ以上の下側ブラシシールセグメントとを含み、前記各下側ブラシシールセグメントは、合わせて約１８０度の弧にわたって延びることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. タービンエンジンにおける回転部材と非回転部材との間のエアシール効果を改善するための方法であって、前記非回転部材は、中空でかつ実質的に円筒形であるとともに、壁圧と面とを備えており、前記回転部材及び前記非回転部材は、間隙によって分離されており、この間隙を通って空気が漏れることを防止するために該間隙にわたってナイフエッジシールが延びており、前記方法は、
   前記非回転部材の軸方向長さを所定の値だけ縮小するとともに、その前記面に隣接する位置において壁圧を所定の値だけ減少させることによって再加工し、それにより、シールシート部を形成し、
   前記非回転部材の前記面に軸方向及び周方向に延びる収容スロットを形成し、
   前記面にリテイナを取り付けて、このリテイナが前記面と前記シールシートと共同して周方向に延びる溝を画成するようにし、
   前記溝にブラシシールを設置して、空気が前記間隙を通って流れるのを防止するようにこのシールのブリストルが前記回転部材に向かって延びるようにし、
   前記ブラシシールは、前記収容スロットと前記シールシート部とによって径方向に保持され、前記リテイナと面とによって軸方向に保持されることを特徴とする方法。
8. 改修されたガスタービン部材であって、前記部材と第二の部材との間の部材間の間隙を通って空気が漏れるのを防止するために少なくとも一つのナイフエッジシールを備え、前記改修された部材は、
   前記各ナイフエッジシールとタンデム式に前記改修された部材に取り付けられたブラシシールを有し、前記ブラシシールのブリストルは、部材間の前記間隙を通って空気が漏れることを防止するように前記第二の部材に向かって延びていることを特徴とする部材。
9. 前記部材は、二つの部材セグメントを含み、前記ブラシシールも同様にセグメント化されているとともに、周方向に延びる溝に取り付けられており、これにより、前記部材セグメントを分離して前記ブラシシールセグメントを前記溝内で周方向に滑動させることによって前記シールの設置及び除去が可能となっていることを特徴とする請求項８記載の部材。
10. ガスタービンエンジンの部材であって、
    それぞれシールシート部と面とを有し、かつ分離可能に互いに固定された上側バレルセグメントと下側バレルセグメントとを含む中空でかつ実質的に円筒形のバレルと、
    前記各バレルセグメントに取り付けられて、前記シールシート部と前記面と共同して周方向に延びる溝を画成するリテイナと、
    少なくとも二つのブラシシールセグメントを含み、これらのブラシシールセグメントが前記溝に径方向に保持されているとともに、軸方向に閉じ込められているブラシシールと、を有し、
    前記溝は、前記ブラシシールに対して寸法が大きく設けられており、これにより、前記上側バレルセグメントを前記下側バレルセグメントから分離した場合に、前記ブラシシールセグメントを滑動させることによって前記溝に設置したり、前記溝から除去したりすることができることを特徴とする部材。
11. ブラシシールは、多層式のブラシシールであることを特徴とする請求項１０記載の部材。

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