JP2007127127A - ダンパー封止システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】（１つまたは複数の）内側シュラウドを支えるためタービン段およびシュラウド本体（１０）を通る高温ガス経路の円周上に配置されている内側シュラウド（１２）を含むタービンの段に対するダンパーおよび封止システムを提供すること。
【解決手段】ダンパーブロック（１６）は、内側シュラウド（１２）の背面（２２）と係合し、減衰メカニズム（３０）は、シュラウド本体（１０）に備わり、ダンパーブロック（１６）に接続され、内側シュラウド（１２）の背面（２２）とブロックとの係合を通じて荷重をダンパーブロックおよび内側シュラウドに加え、それにより内側シュラウドの振動移動を減衰する。封止システムは、段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れを制限するための少なくとも１つの主の一体型シール（１８、７２、７６）および少なくとも１つの従の非一体型シール（７４）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンの高温ガス経路内の回転するコンポーネントを囲むシュラウドの振動を減衰させるための減衰システムに関するものであり、特に、セラミックシュラウドとの界面となり、シュラウドをチューニングしてそれぞれのタービン動翼が個々のシュラウドを通過するときに高温ガス経路内の圧力パルスからの振動応答を最小限に抑えるためのバネ質量減衰システム用のシーリング方式に関する。

シュラウドは、それぞれの動翼またはバケットがシュラウドを通るときに高温ガスの圧力パルスによる振動に曝されることは理解されるであろう。さらに、このようにバケットの高速回転に近いため、振動は、共振周波数か、またはその近くの周波数となる場合があり、したがって、タービンの長期の商業運転時の予想耐用年数を保持するために減衰を必要とする。

セラミックマトリックス複合材料は、高温ガス経路との界面となるタービン内のシュラウド用のえり抜きの材料として有利である。セラミック複合材料は、高い材料温度能力を備える。しかし、セラミック複合材料は、取り付けが難しく、金属コンポーネントに取り付けるように複合材料を構成する場合に磨耗、金属によるイオン移行による酸化、応力集中、およびセラミック複合材料の損傷などの故障のメカニズムを有する。

米国出願第１０／７００，２５１および第１０／７９３，０５１号は、シュラウドをチューニングしてバケットがシュラウドを通過するときの高温ガスの圧力パルスからの不利な振動応答を最小限に抑えるためシュラウド上の荷重と結合される、セラミック複合材料シュラウドとシュラウドに加えられる圧力分布を利用する金属支持構造物との間の取り付けメカニズムを提示している。
米国特許出願第１０／７００，２５１号公報 米国特許出願第１０／７９３，０５１号公報 米国特許出願第１０／４５５，７８５号公報 米国特許出願第１０／７５８，５５３号公報 米国特許出願第２００５／００９２５６６号公報 米国特許出願第２００５／００９３２１４号公報 米国特許出願第２００５／０１５８１６８号公報 米国特許出願第６，７５８，６５３号公報 米国特許出願第６，８９３，２１４号公報

高い地球温度に重ね合わされるホットストリークに曝されるセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）シュラウドなどの高温コンポーネントのシーリング方式は、意図された長期耐久性目標を達成するために損傷に耐え、漏れに対する堅牢性を有しなければならない。１つの封止の概念では、セラミック繊維の単一ロープを使用して、ＣＭＣシュラウドに対する封止を行う。しかし、単一ループでは、過剰な化学的または機械的劣化が発生した場合にシーリングの冗長性が得られない。そこで、本発明の目的のひとつは、過剰な化学的および機械的劣化が発生した場合のために複数のシールを組み込みシーリング冗長性をもたらす金属ダンパー用の封止システムを提示することである。

したがって、例示的な一実施形態では、本発明は、タービンの１つの段に対するダンパーシステムにおいて実現されることができ、一部はタービンを通る高温ガス経路を定める第１の表面を有する、タービン段を通る高温ガス経路の円周上に配置された少なくとも１つの内側シュラウドと、前記内側シュラウドを支えるためのシュラウド本体と、それぞれが前記第１の表面と反対側にあるそれぞれの前記内側シュラウドの背面と係合する少なくとも１つのダンパーブロックと、前記シュラウド本体に備わり、前記ダンパーブロックに接続された減衰メカニズムであって、内側シュラウドの背面とブロックとの係合を通じて前記ダンパーブロックおよび前記内側シュラウドに荷重を加えそれにより前記内側シュラウドの振動移動を減衰させる、減衰メカニズムと、段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れを制限するための少なくとも１つの主要な一体型シールおよび少なくとも１つの従位的な非一体型シールを含む封止システムを備える。

本発明は、さらに、タービンの１つの段に対するダンパーシステムにおいて実現されることができ、円周上に並べて配置された、それぞれ一部はタービンを通る高温ガス経路を定める第１の表面を有する、さらにセラミック材料で形成された第１、第２、および第３のシュラウドと、前記シュラウドを支えるためのシュラウド本体と、前記シュラウド本体に備わり、それぞれがそれぞれの前記シュラウドと係合する、金属材料で形成された、３つのダンパーブロックと、前記シュラウド本体に備わり、前記ダンパーブロックに接続された減衰メカニズムであって、前記ダンパーブロックおよび前記シュラウドに荷重を加えて前記シュラウドの振動移動を減衰させ、前記それぞれのダンパーブロックに荷重を加えるためのバネを備える、減衰メカニズムと、それぞれの円周上で隣接する前記ダンパーブロック内で定められた封止スロット間に延びるように配置された第１のシールと、ダンパー／シュラウド界面の後部に配置された円周ロープシールを含む第２のシールとを備える。

さらに、本発明は、シュラウド本体により支えられた内側シュラウドおよびタービン段を通る高温ガス経路の円周上に配置された部分の振動移動を減衰させる方法において実現されることができ、前記内側シュラウドはタービンを通る高温ガス経路を一部定め、その一方で段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れを制限する第１の表面を有し、この方法は、前記第１の表面と反対側にあるそれぞれの前記内側シュラウドの背面と係合する少なくとも１つのダンパーブロックを備えることと、前記シュラウド本体に備わり、前記ダンパーブロックに接続された減衰メカニズムを備え、内側シュラウドの背面とブロックとの係合を通じて前記ダンパーブロックおよび前記内側シュラウドに荷重を加え、それにより前記内側シュラウドの振動移動を減衰させることと、少なくとも１つの主の一体型シールを与えるように前記減衰ブロックのうちの少なくとも１つを構成することと、少なくとも１つの従の非一体型シールを与え、それにより段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れが制限されるようにすることとを含む。

本発明のこれらおよび他の目的および利点は、付属の図面と共に取った本発明の現在好ましい例示的な実施形態の以下の詳細な説明を入念に調べることにより、さらに完全に理解され、評価されるであろう。

図１および２を参照すると、複数のシュラウド１２を載せた外側シュラウドブロックまたは本体１０が例示されている。図１は、円周方向の図であり、図２は、タービンを通る高温ガス流の方向で軸方向後部方向の図である。図２を調べるとわかるが、シュラウドブロック１０は、好ましくは３つの個別のシュラウド１２を備える。複数のシュラウドブロック１０は、タービン軸を中心とする円周アレイに配置され、それぞれ、タービンを貫流する高温ガス経路の一部を囲み、形成する複数のシュラウド１２を装着することが理解されるであろう。シュラウド１２は、セラミック複合材料で形成され、図に示されていないボルトにより、（１つまたは複数の）シュラウドブロック１０に固定され、第１の内面１１（図２）は高温ガス経路の高温ガスと接触する。

本発明のダンパーシステムは、ダンパーブロック／シュラウド界面、ダンパー荷重伝達メカニズム、および減衰メカニズムを備える。ダンパーブロック／シュラウド界面は、最大１２０４．４℃（２２００°Ｆ）までの高温で使用できる超合金材料である、金属材料、例えば、ＰＭ２０００で形成されたダンパーブロック１６を備える。図１に例示されているように、例示的な一実施形態では、ダンパーブロック１６の半径方向内側に向いている表面１８とシュラウド１２の背面２２との間にダンパーブロック１６の一体の接触面が備えられる。

ダンパーは、シュラウドの特定の振動モードを減衰させるように設計されている。この点に関して効果的であるためには、ダンパーは、例示されている実施形態において、金属バネにより与えられる正の予荷重を持たなければならない。より具体的には、全体が３０として示されているダンパー荷重伝達メカニズムは、ピストン３２を有するピストンアセンブリを備え、その半径方向の内側端または遠位端は、ダンパーブロック１６内に形成された補完的ソケット３８内に受け入れられる。中央の冷却通路４２は、冷媒、例えば、圧縮機放出空気をブロック内に送り込むためピストンにそって軸方向に形成される。冷媒、例えば、圧縮機放出空気は、ダンパーブロック１０の半径方向外へ向く発生源から後述の減衰メカニズムを通じて供給される。

ダンパー荷重伝達メカニズムは、さらに、例えば、重ね合わされた（１つまたは複数の）金属および断熱ワッシャ５０および５２も備える。（１つまたは複数の）ワッシャは、ピストン３２が備えるカップ５４内に配置される。ワッシャ５０は、好ましくはモノリシックのセラミックシリコーン窒化物で形成されている断熱ワッシャ５２を支える。断熱ワッシャ５２は、ダンパーブロック１２との接触を介してピストンの伝導熱経路を遮る。カップ５４により保持される金属ワッシャ５０は、絶縁ワッシャ５２が破砕した場合にバネ保持および予荷重を保証することが理解されるであろう。

減衰メカニズムは、さらに、金属バネ６０を含む。バネは、構造整合性の一致を保証する手段として組み立て前の温度および荷重で予め調整される。バネは、一方の端部で絶縁ワッシャ５２と係合しピストン３２およびブロック１６に半径方向内向きにバイアスをかけるように予め荷重を加えられる。バネ６０の対向端は、例えば、ネジで筐体に固定されたキャップ６４と係合する。例示されている実施形態では、バネは、ネジ付きバネ保持スリーブ６８内のネジ付き上側バネ座６６を回すことにより予め荷重がかけられる。このアセンブリは、次に、シュラウドブロック１０にねじ込まれる。バネは、上側バネ座と下側バネ座に対し予荷重を通じて反動する。次いで、下側バネ座は、ダンパーブロック１６に荷重をかける。金属バネは、永続的クリープ変形を防止するため都合よく冷却される。そのため、キャップは、圧縮機放出空気からの冷却流をバネに届け、温度を所定の温度以下に維持できるようにする開口部または通路（図に示されていない）を有するのが望ましい。上述のように、冷媒は、さらに、ピストン３２およびブロック１６を冷却するために冷却通路４２にも供給される。通路（図に示されていない）は、使用された冷媒を排出するために用意されている。

円周上の翼弦方向にダンパーブロックを封止するには、翼弦シール７６を使用する。翼弦シールは、傾斜した、または丸い表面のいずれかの形態に機械加工され、これにより、シュラウドがシュラウドブロック１６内にくさびのように入る可能性を低くし、実効的減衰を防ぐ。例示されている実施形態では、バネおよびダンパーアセンブリ全体が前方に傾斜しており、これにより後部翼弦シール７６に正の後方圧力を加え、動作中にダンパーブロック位置を保持する。

ダンパーの一体型の特徴、つまり、ダンパー底部１８と（コーティングされた）内側シュラウド表面２２との間の接触、およびそれぞれの一体型の（機械加工された、または鋳造された）封止スロット７２内に受け入れられるダンパーブロック間ドッグボーン断面スタイルのシュート流シール７０と共に後部翼弦シール７６が、主要なシーリング機能をもたらす。ロープシール７４、例えば、セラミック繊維の単一ロープは、損傷に耐える冗長性を実現するための二次的な封止となる。

したがって、例示されている実施形態では、金属ダンパーと共に一体型特徴および非一体型特徴の両方を組み込んだ封止システムが使用される。ダンパーアセンブリの封止面は、環境障壁コーティング（ＥＢＣ）と金属との界面の等角的性質を利用するダンパーブロックと内側シュラウドの（コーティングされた）表面との間の一体型接触面、冗長性のある軸方向封止を行うダンパー／シュラウド界面の後部にある非一体型円周上ロープシール７４、ダンパーブロック１６内に機械加工または鋳造されシュート流シール７０の正の保持を行う一体型封止スロット７２、ダンパーの上面の上の軸方向漏れを抑制する一体となるように機械加工された後部翼弦シール７６、および翼弦シール７６（図１）の正のシーティングに対する傾斜したバネおよびダンパー構成を含む。

動作中、減衰メカニズムのバネ６０は、ピストン３２上、したがってダンパーブロック１６上の半径方向内向で後部に向かう力を維持することは理解されるであろう。次に、ダンパーブロック１６は、シュラウド１２の背面２２を押さえ、振動を減衰させ、特に、共振周波数または共振周波数付近の振動応答を回避する。

本発明は、最も実用的で、好ましい実施形態であると現在考えられているものに関して説明されているが、本発明は、開示されている実施形態に限定されず、却って、付属の請求項の精神および範囲内に含まれるさまざまな修正形態および同等の配列を対象とすることを意図されていることが理解されるであろう。

タービンの軸を中心として円周方向に見られるような、本発明を実現する例示的なダンパーおよび封止システムを示す、外側シュラウドブロックを通る断面図である。 タービンの高温ガス経路に関する軸後部方向で一般的に見られるような断面図である。

符号の説明

１０ 外側シュラウドブロックまたは本体
１１ 内面
１２ 内側シュラウド
１６ ダンパーブロック
１８ 内側に向いている表面
２２ 背面
３０ ダンパー荷重伝達メカニズム
３２ ピストン
３８ ソケット
４２ 中央の冷却通路
５０ 金属ワッシャ
５２ 断熱ワッシャ
５４ カップ
６０ 金属バネ
６４ キャップ
６６ 上側バネ座
６８ ネジ付きバネ保持スリーブ
７０ シュート流シール
７２ 封止スロット
７４ ロープシール
７６ 翼弦シール

Claims (10)

1. タービンの１つの段に対するダンパーシステムであって、
   一部が前記タービンを通る高温ガス経路を定める第１の表面（１１）を有する、前記タービン段を通る高温ガス経路の円周上に配置された少なくとも１つの内側シュラウド（１２）と、
   前記内側シュラウドを支えるためのシュラウド本体（１０）と、
   それぞれが前記第１の表面（１１）と反対側にあるそれぞれの前記内側シュラウドの背面（２２）と係合する少なくとも１つのダンパーブロック（１６）と、
   前記シュラウド本体に備わり、前記ダンパーブロックに接続された減衰メカニズム（３０）であって、前記内側シュラウドの前記背面と前記ブロックとの係合を通じて前記ダンパーブロックおよび前記内側シュラウドに荷重を加えそれにより前記内側シュラウドの振動移動を減衰させる、減衰メカニズム（３０）と、
   前記段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れを制限するための少なくとも１つの主の一体型シール（１８、２２）、（７０、７２）、（７６）および少なくとも１つの従の非一体型シール（７４）を含む封止システムと
   を備える、ダンパーシステム。
2. 前記従の非一体型シールは、前記ダンパー／シュラウド界面の後部に配置された円周上ロープシール（７４）を含む請求項１記載のシステム。
3. 前記少なくとも１つの主の一体型シールは、前記ダンパーブロック（１６）と前記内側シュラウド（１２）の内面（２２）との間の一体型接触面（１８）を含む請求項１記載のシステム。
4. 前記減衰メカニズムは、荷重を前記ダンパーブロック（１６）に加えるためのバネ（６０）、および前記バネにより付勢されたピストン（３２）を備え、前記少なくとも１つの主の一体型シールは、前記ダンパーブロック（１６）と前記シュラウド本体（１０）との間に一体になるように機械加工された後部翼弦シール（７６）を備え、それにより、ダンパーブロックの上面の上の軸方向漏れが阻止される請求項１記載のシステム。
5. 前記減衰メカニズムは、前方に傾斜し、前記翼弦シールに対し正の後方圧力を与える請求項４記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの主の一体型シールは、シュート流シール（７０）を受け入れるように前記ダンパーブロック内に定められた少なくとも１つの一体型封止スロット（７２）を備える請求項１記載のシステム。
7. 前記封止システムは、
   それぞれの円周上で隣接する前記ダンパーブロック（１６）内で定められた封止スロット（７２）間に延びるように配置された第１のシール（７０）と、
   前記ダンパー／シュラウド界面の後部に配置された円周ロープシール（７４）を含む第２のシールとを備える請求項１記載のシステム。
8. 前記ダンパーブロック（１６）は、内側シュラウド（１２）の第２の表面（２２）に一体となるように接触し、それによりそれらの間に封止を定める請求項７記載のシステム。
9. 前記減衰メカニズムは、荷重を前記ダンパーブロック（１６）に加えるためのバネ（６０）、および前記バネにより付勢されたピストン（３２）を備え、さらに、それぞれの前記ダンパーブロック（１６）と前記シュラウド本体（１０）との間に一体になるように機械加工された後部翼弦シール（７６）を備え、それにより、ダンパーブロックの上面の上の軸方向漏れが阻止される請求項７記載のシステム。
10. シュラウド本体（１０）により支えられた内側シュラウド（１２）およびタービンの段を通る高温ガス経路の円周上に配置された部分の振動移動を減衰させる方法であって、前記内側シュラウドは前記タービンを通る高温ガス経路を一部定め、その一方で前記段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れを制限する第１の表面（１１）を有し、
    前記第１の表面（１１）と反対側にあるそれぞれの前記内側シュラウド（１２）の背面（２２）と係合する少なくとも１つのダンパーブロック（１６）を備えることと、
    前記シュラウド本体（１０）に備わり、前記ダンパーブロック（１６）に接続された減衰メカニズム（３０）を備え、前記内側シュラウド（１２）の前記背面（２２）と前記ブロックとの係合を通じて前記ダンパーブロックおよび前記内側シュラウドに荷重を加え、それにより前記内側シュラウドの振動移動を減衰させることと、
    少なくとも１つの主の一体型シール（１８、７２、７６）を与えるように前記減衰ブロック（１６）のうちの少なくとも１つを構成することと、
    少なくとも１つの従の非一体型シール（７６）を備え、それにより前記段を通る軸方向および半径方向の高温ガス漏れが制限されるようにすることと
    を含む方法。

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