JP2007077987A

JP2007077987A - タービン内側シュラウドのトレーリングエッジ上の弾性シールおよびシュラウドポストインピンジメントキャビティ封止方法

Info

Publication number: JP2007077987A
Application number: JP2006246706A
Authority: JP
Inventors: Tagir Nigmatulin; タジール・ニグマツゥリン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2007-03-29
Also published as: US20070237624A1; DE102006044147A1; US7338253B2; CH699621B1

Abstract

【課題】空気漏れを低減する弾性シールを含み、ステータシュラウドセグメントのポストインピンジメントキャビティのための封止配置を提供する。
【解決手段】ステータシュラウドセグメントには、リーディングエッジ溝およびトレーリングエッジ溝を有する外側シュラウドと、リーディングエッジフックおよびトレーリングエッジフックをそれぞれが有する複数の内側シュラウドとが含まれる。内側シュラウドを外側シュラウドに連結するために、各内側シュラウドのリーディングフックおよびトレーリングフックは、それぞれ、外側シュラウドのリーディングエッジ溝およびトレーリングエッジ溝に係合する。弾性の成形シールは、それぞれ係合した内側シュラウドおよび外側シュラウドのトレーリングエッジのところで、内側シュラウドと外側シュラウドとの境界面に配置される。一実施形態例では、後部弾性シールを受け取る封止溝が、外側シュラウド内に画定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンに関し、詳細には、空気漏れを低減し、かつタービンエンジン効率を改善する弾性シールに関する。

工業用ガスタービンでは、シュラウドセグメントは、タービンロータ軸の周りに環状配列でタービンシェルフックに固定されて、タービンロータの一部を形成するバケットの先端の径方向外側に、かつ前記先端に隣接して、環状シュラウドを形成している。シュラウドの内壁は、ガス経路の一部を画定する。従来、シュラウドセグメントは、内側シュラウドおよび外側シュラウドから構成されており、該内側シュラウドおよび外側シュラウドには、それらシュラウドのリーディング（前部）エッジおよびトレーリング（後部）エッジに隣接した、内側シュラウドと外側シュラウドとを互いに接合する相補的なフックおよび溝が設けられている。外側シュラウドは、タービンシェルまたはケーシングに固定される。通常、各シュラウドセグメントは、１つの外側シュラウドと、２つもしくは３つの内側シュラウドとを有する。

内側シュラウドの構成には、いくつかの設計が使用されてきた。従来の一構成は、図１に示されており、両側フック（ｏｐｐｏｓｉｔｅｈｏｏｋ）設計と呼ばれる。図からわかるように、旧来の両側フック設計では、内側シュラウド１０には、反対方向に突き出るリーディングエッジフック１２およびトレーリングエッジフック１４が含まれる。外側シュラウド１６は、互いに向き合うリーディングフック１８およびトレーリングフック２０によって内側シュラウドを保持する。

この従来のシュラウドフック配置は、インピンジメント冷却に利用可能な表面２２を制限することがあり、また、効率の低い、内側シュラウドの追加的な対流冷却を必要とする。さらに、内側シュラウドと外側シュラウドとの間の軸方向負荷表面は、常に片側であり、該軸方向負荷表面は、前側または後側のいずれかにある。負荷表面は、シュラウドアセンブリのポストインピンジメントキャビティ２４のための封止機能をもたらすが、シュラウドアセンブリの他端は、封止されない。

例えば米国特許第６，４０２，４４６号（その開示を参照により本願に援用する）のように、また図２に概略を示したように、内側シュラウド１１０を、フックが互いに向き合うＣ字形にすることによって、インピンジメント冷却を内側シュラウドの内側の側部１２２全体に及ぼすことができる。しかし、ポストインピンジメントキャビティ１２４の漏れが、望ましくないことに、冷却効率を低下させ、冷却用空気の使用量を増加させ、性能を悪化させる。
米国特許第６，４０２，４４６号公報米国特許第６，４０２，４６６号公報米国特許第６，１２６，３８９号公報米国特許第６，３９０，７６９号公報米国特許第６，４３５，８２３号公報米国特許第６，５５４，５６６号公報米国特許第６，７２６，４４８号公報米国特許第６，８１４，５３８号公報米国特許第６，８８４，０２６号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

本発明の一実施形態例では、内側シュラウドが、フックが互いに向き合わされたＣ字形であり、その結果、インピンジメント冷却がほぼ内側シュラウド範囲全体に及ぶ。さらに、前部フックのところにある負荷表面によって、後側の内側シュラウドと外側シュラウドとの間に、ポストインピンジメントキャビティを両側から封止するための弾性シールが設けられる。提案するシュラウドフック構成が内側シュラウドの冷却をもたらし、また同時に負荷／封止配置が冷却空気の使用を削減し、性能を改善する。

ゆえに、本発明は、多段ガスタービンのステータシュラウドのための封止配置であって、該タービン内を通る高温ガス経路に対してリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する少なくとも１つのシュラウドセグメントを含んでおり、該シュラウドセグメントそれぞれが、外側シュラウドと、該外側シュラウドに連結された少なくとも１つの内側シュラウドとを含んでおり、前記外側シュラウドが、前記リーディングエッジおよびトレーリングエッジに隣接し、かつ該リーディングエッジおよびトレーリングエッジに沿って画定された、第１および第２の溝を有しており、前記少なくとも１つの内側シュラウドが、前記外側シュラウドの前記第１および第２の溝にそれぞれ係合する、軸方向に突き出たリーディングエッジフック部分と、軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分とを有しており、前記係合が前記内側シュラウドを前記外側シュラウドに連結しており、前記封止配置がさらに、前記少なくとも１つの内側シュラウドの前記軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分と前記外側シュラウドとの間に配置された弾性シールを含む封止配置において、具体的に実施することができる。

本発明は、また、ステータシュラウドセグメントのための封止配置であって、リーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する外側シュラウドを含んでおり、前記外側シュラウドがリーディングエッジフックおよびトレーリングエッジフックを含んでおり、前記外側シュラウドの前記フック両方が、背向した軸方向に突き出ており、前記封止配置がさらに、リーディングエッジおよびトレーリングエッジをそれぞれ有する複数の内側シュラウドを含んでおり、前記内側シュラウドそれぞれが、リーディングエッジフックおよびトレーリングエッジフックを含んでおり、前記内側シュラウドの前記フック両方が、互いに向かって突き出ており、前記内側シュラウドそれぞれの前記リーディングフックおよびトレーリングフックが、それぞれ前記外側シュラウドの前記リーディングフックおよびトレーリングフックに係合しており、前記係合が前記内側シュラウドを前記外側シュラウドに連結しており、前記封止配置がさらに、前記内側シュラウドそれぞれの各トレーリングエッジフックと前記外側シュラウドとの間に配置された弾性シールを含む封止配置において、具体的に実施することができる。

本発明は、さらに、多段ガスタービンのステータシュラウド内のポストインピンジメントキャビティを封止する方法であって、前記ガスタービンが、該ガスタービン内を通る高温ガス流に対してリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する少なくとも１つのステータシュラウドセグメントを含んでおり、該シュラウドセグメントに、外側シュラウドと、該外側シュラウドに連結された少なくとも１つの内側シュラウドとが含まれており、前記外側シュラウドが、前記リーディングエッジおよびトレーリングエッジに隣接し、かつ該リーディングエッジおよびトレーリングエッジに沿って画定された、第１および第２の溝を有しており、前記少なくとも１つの内側シュラウドが、前記外側シュラウドの前記第１および第２の溝にそれぞれ係合する、軸方向に突き出たリーディングエッジフック部分と、軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分とを有しており、前記係合が前記内側シュラウドを前記外側シュラウドに連結しており、前記方法が、前記少なくとも１つの内側シュラウドの前記軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分と前記外側シュラウドとの間に弾性シールを設け、それによって、前記内側シュラウドの径方向外側表面によって一部が画定されたポストインピンジメントキャビティのトレーリングエッジを封止するステップを含む方法において、具体的に実施することができる。

本発明の前述および他の目的ならびに利点は、以下の、現時点で好ましい本発明の例示的な諸実施形態についてのより詳細な説明を、添付図面と併せて入念に検討することによって、より完全に理解かつ評価される。

前述したように、タービンステータは、タービンシェルが高温ガス経路に曝されるのを防ぐシュラウドを有する。シュラウドは、特に第１および第２ステージでは、高温ガス経路内の高温ガスの非常に高い温度に曝され、また、タービンブレードの回転に起因した、やはり非常に高い伝熱係数を有する。ガスタービンの初期のステージでは、シュラウドを２つの主要コンポーネント、すなわち、内側シュラウドおよび外側シュラウドから構成することができる。内側シュラウドは、耐温度性の高い材料から作製され、高温ガス経路に曝される。また、内側シュラウドには、熱境界コーティングも設けることができる。外側シュラウドは、内側シュラウドに比べ、耐温度性の低い低コストの材料から作製される。内側および外側シュラウドを冷却するために、圧縮機からの冷たい空気が使用される。

内側シュラウドを冷却するために、様々な冷却／封止方法が使用される。最も一般的な方法は、内側シュラウドの径方向外側の側部を冷却するためのインピンジメント冷却である。インピンジメント冷却される表面積の被冷却範囲を増大させ、インピンジメントプレートとインピンジメント冷却される表面との間の距離を縮小し、さらにインピンジメントキャビティを封止することが課題である。目標は、より少ない空気で内側シュラウドを冷却し、漏れを低減しながらポストインピンジメント空気を分配して、タービンの効率を増大させることである。

前述したように、図１は、内側シュラウドのための従来型の両側フック設計の概略を示す。図１に示し、また図１に関して説明したように、内側シュラウド１０には、外側シュラウド１６の対応するリーディングエッジフック１８およびトレーリングエッジフック２０と係合するための、内側シュラウドリーディングエッジフック１２および内側シュラウドトレーリングエッジフック１４が含まれる。

図２を参照すると、やはり簡単には前述したが、外側シュラウド１１６と複数の内側シュラウド１１０とから構成される、全体的に１００で指定されたシュラウドセグメントが示されている。図示したシュラウドセグメントには、通常は２つもしくは３つの内側シュラウドが含まれるが、図２では、明確にする目的で１つの内側シュラウドしか示されていない。内側シュラウドは、最終的に組み立てたときに、外側シュラウドのフック１１８および１２０によって画定される溝１３０および１３２と周囲方向および軸方向に摺動可能に係合するための、該内側シュラウドのリーディングエッジおよびトレーリングエッジにそれぞれ隣接したフック１１２および１１４を有する。内側シュラウド１１０セグメントの内壁表面１２２のインピンジメント冷却をもたらすために、シュラウド１１０と１１６との間にインピンジメント冷却プレート１２６が据え付けられる。

外側シュラウド１１６は、シュラウドセグメント１００を固定タービンシェルもしくはケーシング１４２に固定するための、該ケーシング１４２の一部を形成する外側ダブテール１４０に係合する、リーディングフック１３６およびトレーリングフック１３８によって画定されたダブテール溝１３４を有する。ガスタービンのロータの周りおよびロータ上のバケットの先端の周りにシュラウドセグメントの環状配列が形成されており、それによってタービンの高温ガス経路内を流れる高温ガスのための外壁または境界を画定していることが理解されよう。図２では、内側シュラウドシールスロット１４４、ステージ２ノズル構造１４６、ステージ２バケット１４８、およびステージ３ノズル構造１５０が、完全性および参考のために示されている。

内側シュラウド１１０のフック１１２、１１４には、リーディングエッジフック１１８およびトレーリングエッジフック１２０、特に、外側シュラウドの溝１３０、１３２が係合する。図示していないが、内側シュラウドのリーディングエッジフックには、外側シュラウドリーディングエッジ部分に画定される対応するボアに挿通された内側シュラウド回転ピンを受け取る、レセプタクルまたは穴が画定される。

例えば米国特許第６，４０２，４６６号に開示されているような、全体的に１５２で指定されたリーフシールアセンブリが、（１つもしくは複数の）内側シュラウド１１０のトレーリングエッジに沿って形成された着座部１５４、例えば溝の中に固定される。リーフアセンブリ１５２には、フラットプレート１５６と、１対のばねクリップ１５８（そのうちの１つだけが示されている）とが含まれる。ばねクリップおよびプレートは、シールアセンブリ１５２を内側シュラウド溝１６６内で固定するための、溝の両端に隣接したピン１６０を受け取る、位置合わせされた開口部を有する。

ここで、本発明の諸実施形態例について、図３〜５に即して説明する。図３〜５では、図２に関して図示／説明した部品と類似または同一の部品を識別するために、図２で使用した番号に類似の、ただし１００を加えた参照番号を使用する。各実施形態例の構造的／機能的特徴を説明するために必要または望ましい場合を除き、かかる部品の説明は、繰り返さない。

一実施形態例では、シュラウドアセンブリは、インピンジメント冷却を内側シュラウドの側部２２２全体に及ぼすことができるように、またインピンジメントプレート２２６から冷却される側部２２２までの距離を制御できるように、フックが互いに向き合わされたＣ字形の内側シュラウド２１０から構成される。また、シュラウドアセンブリの負荷表面を前部フック２１２とし、かつ後側の内側シュラウド２１０と外側シュラウド２１６との間に弾性シール２２８を設けることによって、ポストインピンジメントキャビティ２２４が両端から封止される。

より具体的には、本発明の一実施形態例では、外側シュラウド２１６と内側シュラウド２１０との間の翼弦ギャップ（ｃｈｏｒｄａｌｇａｐ）を通って漏れ出る空気は、外側シュラウド２１６と内側シュラウドのトレーリングエッジフック２１４との間に位置決めされた弾性シール２２８を追加することによって、大幅に低減される。

図示した実施形態では、ばね状の弾性シール２２８は、内側シュラウド２１０のトレーリングフックもしくは後部フック２１４に対して対向する関係で径方向内側の方向に開口するように外側シュラウド２１６内に画定された、シール溝２６２内に配置される。弾性シール２２８は、ばねクリップ１５８などの収容を容易にするように外側シュラウド２１６内に画定される。ただし、シール溝２６２を後部の内側シュラウドフック２１４内に適切に画定できることを理解すべきである。

弾性シール２２８が、ギリシャ文字Ωに類似した（図３および図４に２２８、２２８’で示したように）、もしくは「Ｗ」字状（図５に２２８’’で示したように）、「Ｅ」字状、「Ｖ」字状、またはアコーディオンの屈曲部状の波形シールとして成形され、あるいは該シールをばね状にし、または該シールを弾性的に圧縮可能にし、かつ必要な封止機能をもたらす、他のいずれかの形状として成形されることが好ましい。このタイプのシールは、PerkinElmer,Inc.のFluid Sciences事業単位、およびAdvanced Products Companyを含め、いくつかの会社によって作製されている。以上で開示した弾性シールを使用すると、シュラウドのトレーリングエッジフック２１４とトレーリングエッジ溝２３２との間からそれぞれタービンの高温ガス経路へと漏れる虞のある空気流の量が大幅に低減される。したがって、弾性シールを使用すると、シールを抜けて空気漏れとなるものの大部分が、インピンジメントプレート２２６の下方のポストインピンジメントキャビティ２２４から適切な経路に導かれ、該キャビティからの漏れが低減される。したがって、本発明の弾性シール２２８は、空気漏れの量を低減することによって漏れ流れの経路を効果的に制限しており、その結果、より多くの空気がタービン内を通り、単に無駄なエネルギーになるのではなく仕事および冷却に使用できるようになる。これは、タービンの運転効率を高めることになる。

シール２２８を、単一の材料片から作製でき、またはすべての内側シュラウドがタービンロータ軸周りにシュラウドセグメントの環状配列で位置決めされた状態で、複数の材料片から作製できることに留意すべきである。一実施形態例では、シールが、シュラウドセグメントの配列の周りをそれぞれ半分まで延びる２つの材料片から作製される。

シールが作製される材料が、シール付近で見られる温度に耐えることのできる合金であることが好ましい。かかる温度が649〜704℃（１２００〜１３００°Ｆ）にわたるときには、この合金は、例えば、ニッケル基合金であるＷａｓｐａｌｏｙと名付けられた製品である。より低い温度では、シールが他のニッケル基合金であるＩｎｃｏｎｅｌ７１８から作製されることが好ましい。シールは、金属ベースの材料から作製されるが、ばね状または圧縮可能形状に作製され、かつ比較的薄い材料を使用して作製されるので、弾性である。

図示した実施形態例では、外側シュラウド２１６は、図２のアセンブリのように、シュラウドセグメント２００をシェルに固定する固定タービンシェル２４２の一部として形成されたフック２４０を受け取る、径方向の外側ダブテール溝２３４を有する。ただし、本発明が外側シュラウド取付けの詳細だけに制限されないことを理解すべきである。

本発明を、現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられるものに関して記載したが、本発明がここに開示した実施形態だけに制限されるものではなく、むしろ、冒頭の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正形態および等価の配置に及ぶことが意図されていることを理解すべきである。

従来型ステージ２シュラウドの概略断面図である。他の従来型ステージ２シュラウドを示す図である。本発明を具体的に実施するステージ２シュラウドの概略断面図である。本発明の一実施形態例における後部シールの略図である。本発明の代替的な一実施形態例における代替的なシールを示す、図４に類似の図である。

符号の説明

１０内側シュラウド
１２リーディングエッジフック
１４トレーリングエッジフック
１６外側シュラウド
１８リーディングフック
２０トレーリングフック
２２表面
２４ポストインピンジメントキャビティ
１００シュラウドセグメント
１１０内側シュラウド
１１２リーディングエッジフック
１１４トレーリングエッジフック
１１６外側シュラウド
１１８、１２０外側シュラウドフック
１２２内側の側部／壁表面
１２４ポストインピンジメントキャビティ
１２６インピンジメント冷却プレート
１３０、１３２溝
１３４ダブテール溝
１３６リーディングフック
１３８トレーリングフック
１４０ダブテール
１４２固定タービンシェルまたはケーシング
１４４内側シュラウドシールスロット
１４６ステージ２ノズル構造
１４８ステージ２バケット
１５０ステージ３ノズル構造
１５２リーフシールアセンブリ
１５４着座部／溝
１５６フラットプレート
１５８ばねクリップ
１６０ピン
１６６内側シュラウド溝
２００シュラウドセグメント
２１０Ｃ字形内側シュラウド
２１２前部フック
２１４トレーリングエッジフック
２１６外側シュラウド
２２２冷却される側部
２２４ポストインピンジメントキャビティ
２２６インピンジメントプレート
２２８、２２８’、２２８’’ 弾性シール
２３２トレーリングエッジ溝
２３４ダブテール溝
２４０フック
２４２固定タービンシェル
２６２シール溝

Claims

多段ガスタービンのステータシュラウドのための封止配置であって、
前記タービン内を通る高温ガス経路に対してリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する少なくとも１つのシュラウドセグメント２００を含んでおり、
前記シュラウドセグメントそれぞれが、外側シュラウド２１６と、前記外側シュラウドに連結された少なくとも１つの内側シュラウド２１０とを含んでおり、
前記外側シュラウドが、前記リーディングエッジおよびトレーリングエッジに隣接し、かつ前記リーディングエッジおよびトレーリングエッジに沿って画定された、第１および第２の溝２３０、２３２を有しており、
前記少なくとも１つの内側シュラウドが、
前記外側シュラウドの前記第１および第２の溝にそれぞれ係合する、軸方向に突き出たリーディングエッジフック部分２１２と、軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分２１４とを有しており、
前記係合が前記内側シュラウドを前記外側シュラウドに連結しており、
前記封止配置がさらに、前記少なくとも１つの内側シュラウド２１４の前記軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分と前記外側シュラウド２１６との間に配置された弾性シール２２８、２２８’、２２８’’を含む、封止配置。
前記弾性シールが略Ｗ字形シール２２８’’である、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
前記弾性シールが、略ギリシャ文字Ωに形成された波形シールである、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
前記外側シュラウドに連結された複数の前記内側シュラウドを含んでおり、前記内側シュラウドそれぞれに、前記軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分それぞれと前記外側シュラウドとの境界面に配置された前記弾性シールが含まれる、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
前記弾性シールが、649〜704℃の範囲の温度に耐えるように設計されたニッケル基合金から作製される、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
前記弾性シールが単一の材料片から形成される、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
シール溝２６２が、前記内側シュラウドおよび外側シュラウドのうちの一方に画定され、前記トレーリングエッジに隣接して前記内側シュラウドおよび外側シュラウドのうちの他方に面するように開口している、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
前記シール溝が、前記内側シュラウドの前記トレーリングフック部分の径方向外側の面に対して開口するように前記外側シュラウド内に画定されており、前記弾性シールが前記溝内に着座される、請求項７記載のステータシュラウドのための封止配置。
前記外側シュラウドが、前記第１および第２の溝をそれぞれ画定するリーディングエッジフック２１８およびトレーリングエッジ２２０を含んでおり、前記外側シュラウドの前記フックが背向した軸方向に突き出ており、前記内側シュラウドの前記フック両方が互いに向かって突き出ている、請求項１記載のステータシュラウドのための封止配置。
多段ガスタービンのステータシュラウド内のポストインピンジメントキャビティ２２４を封止する方法であって、前記ガスタービンが、前記ガスタービン内を通る高温ガス流に対してリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する少なくとも１つのステータシュラウドセグメント２００を含んでおり、前記シュラウドセグメントそれぞれに、外側シュラウド２１６と、前記外側シュラウドに連結された少なくとも１つの内側シュラウド２１０とが含まれており、前記外側シュラウドが、前記リーディングエッジおよびトレーリングエッジに隣接し、かつ前記リーディングエッジおよびトレーリングエッジに沿って画定された、第１および第２の溝２３０、２３２を有しており、前記少なくとも１つの内側シュラウドが、前記外側シュラウドの前記第１および第２の溝にそれぞれ係合する、軸方向に突き出たリーディングエッジフック部分２１２と、軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分２１４とを有しており、前記係合が前記内側シュラウドを前記外側シュラウドに連結しており、前記方法が、前記少なくとも１つの内側シュラウド２１０の前記軸方向に突き出たトレーリングエッジフック部分２１４と前記外側シュラウド２１６との間に弾性シール２２８、２２８’、２２８’’を設け、それによって、前記内側シュラウドの径方向外側表面２２２によって一部が画定されたポストインピンジメントキャビティ２２４のトレーリングエッジを封止するステップを含む方法。