JP2009062979A - ラビリンス圧縮シール及びそれを組込んだタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ラビリンス圧縮シール及びそれを組込んだタービンを提供する。
【解決手段】独特の構成の回転シール歯１２４は、一般に使用されるラビリンス式シール１２２と組合せて使用して、回転部品１１８と固定部品１４との間のシールを形成する。独特の構成の回転シール歯は、シール歯のラビリンスを通り抜ける漏洩流に対抗する圧縮メカニズムを生じさせ、それによって、漏洩を引き起こす圧力勾配を減少させかつ漏洩流の一部の方向を逆向きにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービンのホイールスペース内における二次空気流の軸方向シール作用を向上させるための独特のシール構造体に関する。

ガスタービンにおいて高性能レベルを得るには、ホイールスペース全体にわたる二次空気の漏洩を最少にすることが必要である。これは、シールメカニズムを工夫して回転部品（バケット／ブレード／ディスク／スペーサ）と固定部品（ノズル／ベーン／ダイアフラム）との間を有効にシールする手段を形成するようにしなければならないので、大きな課題となる。漏洩が発生し、また一連の圧力損失メカニズムを引き起こすおそれがあるような領域を制限して空気漏洩流をさらに減少させるラビリンス式シールを使用することは、通常の実施手段である。ラビリンス式シール歯の様々な構成、すなわちその幾つかは円周方向に整列しまたその幾つかは円周方向に千鳥状になった構成が、使用されている。さらに、一般的に様々な数のシール歯を直列形態で使用して、必要に応じて付加的な圧力損失もたらしまた漏洩をさらに減少さている。

ラビリンスシール歯は、運転時に、通常はハニカム又は別のアブレイダブル材料である対向壁と接触しかつ該対向壁内に割り込んで最小のギャップ及び漏洩面積を形成するように設計することができる。しかしながら、殆どの大型ガスタービンでは、高温始動過渡時に付加的な閉鎖状態が生じ、その結果、過渡始動の間にシール歯がアブレイダブル壁内により深く切込み、次に定常状態運転時に開いて拡大ギャップが露出するようになる。

回転及び固定部品間をシールするためにラビリンスシールと共に使用する別の方法は、直列形態でブラシシールを据付けることである。ブラシシールは、漏洩をさらに減少させることができるが、それらブラシシールは、高価でありまたガスタービンの複雑さを増加させる。また、ブラシシールブリストルは、それらを収容するハウジングを越えて延びることになる一定限度の長さがあり、また過渡閉鎖状態が激しすぎる場合には、ブラシシールは、ブラシシールハウジングと回転部品との間の過度の摩擦の危険性がない状態で使用することができない。
米国特許第６５８８７６４号明細書 米国特許第７００４４７５号明細書

本発明は、ガスタービンのホイールスペース内における二次空気流の軸方向シール作用を向上させるための独特の手段を提供する。ここで提案するように、本発明の独特の手段は、回転部品と固定部品との間のシールを構成する一般に使用するラビリンス式シールと組合せて使用する。より具体的には、本発明は、シール歯のラビリンスを通り抜ける漏洩流に対抗する圧縮メカニズムを生じさせる独特の構成の回転シール歯を導入し、それによって、漏洩を引き起こす圧力勾配を減少させかつ漏洩流の一部の方向を逆向きにする。

従って、本発明は、内部に回転要素が延在する固定ハウジングを有しかつ差圧媒体流動領域を有するタービン用のラビリンスシールとして具現化することができ、本ラビリンスシールは、１）固定ハウジングの一部分と２）回転要素の一部分の一方から略半径方向に延びる第１の複数の隣接するシール部品を備えた第１のシールアセンブリを含み、第１の複数のシール部品は、１以上の第１のシールフィン構造体及び第２のシールフィン構造体を含み、第１のシールフィン構造体は、１以上の円周方向に延びるフィンを含み、第２のシールフィン構造体は、複数の円周方向に隣接するシールフィンを含み、該シールフィンの各々は、１以上の円周方向に延びるフィンに対して所定の角度で傾斜しかつ該フィンから間隔を置いて配置されて、それらの間に円周方向に延びるダムギャップを形成する。

本発明はまた、内部に回転要素が延在する固定ハウジングを有するタービンとして具現化することができ、本タービンは、差圧媒体流動領域とラビリンスシールとを含み、ラビリンスシールは、１）固定ハウジングの一部分と２）回転要素の一部分の一方から略半径方向に延びる第１の複数の隣接するシール部品を備えた第１のシールアセンブリを含み、第１の複数のシール部品は、１以上の第１のシールフィン構造体及び第２のシールフィン構造体を含み、第１のシールフィン構造体は、１以上の円周方向に延びるフィンを含み、第２のシールフィン構造体は、複数の円周方向に隣接するシールフィンを含み、該シールフィンの各々は、１以上の円周方向に延びるフィンに対して所定の角度で傾斜しかつ該フィンから間隔を置いて配置されて、それらの間に円周方向に延びるダムギャップを形成する。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と共に行う本発明の現時点での好ましい例示的な実施形態に関する以下のより詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解されかつ納得されるであろう。

本発明の実施形態では、ガスタービンのホイールスペース内における二次空気流の軸方向シール作用を向上させるための独特の構造を提供する。ここで提案するように、本発明の独特の構造は、回転部品と固定部品との間のシールを構成する一般に使用するラビリンス式シールと組合せて使用する。より具体的には、本発明は、シール歯のラビリンスを通り抜ける漏洩流に対抗する圧縮メカニズムを生じさせる独特の構成の回転シール歯を導入し、それによって、漏洩を引き起こす圧力勾配を減少させかつ漏洩流の一部の方向を逆向きにする。

例示的な実施形態では、本発明は、ラビリンス歯の形状及び構成を再構成して漏洩流の圧縮又は逆ポンプ作用を生じさせることによってブラシシールに関連する費用、複雑さ及び危険性を回避する。従って、同様のブラシシールとは異なり、本発明の態様では、付加的な部品を追加しない。代わりに、本発明を構成する機構は、従来型のラビリンスシール歯と共に回転部品内に機械加工される。付加的な機械加工を必要とするが、この場合には、ブラシシールの製造及び据付けに含まれることになる労力が大幅に少ないものになる。さらに、ブラシシールは、磨滅しまた取扱損傷を受けやすいので、本発明は、特にラビリンスシールを強化するために設けた従来型のブラシシールよりも大幅に耐久性がありかつ信頼性がある。

例示的な実施形態では、本発明は、回転部品の機械加工プロセスを変更して、回転部品の円周方向経路に対して浅い傾斜角度を有する一連の反復円周方向シール歯を形成することを提案する。これらの反復傾斜したシール歯を正確に機械加工することにより、圧縮機ブレード又はインペラブレードと同様に機能する浅い高さのブレードが基本的に形成される。しかしながら、流れを最大にすることを意図する一般的ブレード又はインペラ段とは異なり、ブレード付きシール歯は、１以上の従来型のシール歯と組合せて使用される。これは、下記でさらに十分に説明するように、漏洩流の方向に対向する少量の流れを生じさせ、従来型のシール歯で注入された局所的高圧力環状領域を発生させる流れをせき止めて、漏洩流に対抗するように行われる。

明らかなように、本明細書に記載した本発明の実施形態は、ブラシシールの有無に拘らず、現在のラビリンスシール構成に優る幾つかの利点をもたらす。第１に、本発明の実施形態は、ホイールスペース内部における二次流漏洩を大幅に減少させる可能性を有する。一般に、ラビリンスシールは、ガスタービンのタービンセクション内における全ての段間で使用される。従って、本発明は、ガスタービンの全ての段に対して強化可能性をもたらすことができる。さらに、本発明の概念は、地上設置式産業用タービンに、船舶及び航空機エンジンに、また蒸気タービンにも適用することができる。さらに、本発明は、現在ブラシシールを使用しているシステムについての大幅なコスト節減及びハードウェアの簡素化をもたらす可能性がある。

例示的な実施形態では、本発明は、コストを低下させかつ第３段ノズルと該ノズルの半径方向内部に位置するホイールスペースにおける２−３スペーサとの間のシール作用を向上させるように据付けた状態で、ＧＥ９Ｈ型複合サイクルガスタービンに関連して説明する。固定ノズル部品は、その内径に取付けられたハニカムを有し、回転２−３スペーサは、その外径上に機械加工されたシール歯を有する。しかしながら、本発明は、この図示した例示的な実施形態に限定されるものではない。

図１の概略図をより具体的に参照すると、従来の９Ｈ型設計は、第２段バケット１２、第３段ノズル１４及び第３段バケット１６を示した状態でその一部を図示している。第３段ノズルと２−３スペーサ１８との接触面において、ハニカム材料２０が、固定第３段ノズル部品１４の内径に取付けられており、この図示した従来型の構造では、回転２−３スペーサ１８は、その外径上に機械加工された従来型の円周方向ラビリンスシール歯２２を有する。このラビリンスシール歯は、矢印２６、２８で概略的に示すように、第３段ノズルを通して供給された第３段バケット冷却空気の漏洩を最少にするために設けられる。

図２は、２−３スペーサ１８の一部分の斜視図であり、この斜視図には、冷却空気流通路の上流及び下流側面の各々上に機械加工された第１及び第２の円周方向に延びるシール歯２２を示している。図２には、それぞれ第２段バケット後方ホイールスペースに向かう漏洩方向及び第３段バケット前方ホイールスペースに向かう漏洩方向を示す矢印３０、３２を含んでいる。

図３は、図２と同様の図であるが、本発明の例示的な実施形態により２−３スペーサ１１８の外表面内に機械加工されたブレード付き歯１２４を示している。この図に示すように、回転部品の円周方向経路に対して所定の角度で、従って従来型のシール歯１２２に対して所定の角度で配置された一連の反復部分円周方向シール歯が設けられる。この図示した実施形態から分かるように、ブレード付きシール歯１２４は、従来型の円周方向シール歯１２２と完全に置き換わるのではなく、むしろ、１以上の従来型シール歯１２２と組合せて使用される。図３、図４及び図５に示すように、このことは、漏洩流１３０、１３２と対向する方向に流れる少量１３４、１３６の流れを傾斜したシール歯１２４間に生じさせ、それによって、冷却媒体通路に対して関連の円周方向シール歯１２２の軸方向外側面上における圧力を上昇させて流れをせき止めて、それぞれの従来型のシール歯１２２と直列に局所的高圧力環状領域Ｐ_X2fwd及びＰ_X2aftを発生させて、それぞれ漏洩流１３０、１３２に対抗させるために、行われる。従って、図５に示す従来型のシール歯１２２に隣接するそれぞれ圧力Ｐ_X2fwd及びＰ_X2aftは、図４に示すような従来型のシール歯２２の隣接する対間のそれぞれ圧力Ｐ_X1fwd及びＰ_X1aftよりも大きい。図５に示すように、ブレード付きシール歯１２４は、シールされる領域の上流及び下流側面上で反対方向に傾斜して、それから軸方向上流及び下流方向の漏洩流をそれぞれ妨げる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものはなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

従来型のラビリンス式シールを示す、ガスタービンの部分破断概略断面図。 従来型のスペーサシール歯構成の一部分の斜視図。 本発明を具現化したスペーサシールブレード付き歯構成の斜視図。 従来型のスペーサシール歯構成の部分断面円周方向図。 本発明を具現化したスペーサシールブレード付き歯構成の部分断面円周方向図。

符号の説明

１２ 第２段バケット
１４ 第３段ノズル
１６ 第３段バケット
１８ ２−３スペーサ
２０ ハニカム材料
２２ ラビリンスシール歯
２６、２８ 冷却空気矢印
３０、３２ 漏洩方向矢印
Ｐ_X1fwd及びＰ_X1aft 圧力
１１８ ２−３スペーサ
１２２ 従来型のシール歯
１２４ 部分円周方向ブレード付き歯
１３０、１３２ 漏洩流
１３４、１３６ 流量
Ｐ_X2fwd及びＰ_X2aft 圧力

Claims (10)

1. 内部に回転要素（１１８）が延在する固定ハウジングを有しかつ差圧媒体流動領域を有するタービン用のラビリンスシールであって、
   １）前記固定ハウジングの一部分と２）前記回転要素の一部分の一方から略半径方向に延びる第１の複数の隣接するシール部品を備えた第１のシールアセンブリを含み、
   前記第１の複数のシール部品が、１以上の第１のシールフィン構造体及び第２のシールフィン構造体を含み、
   前記第１のシールフィン構造体が、１以上の円周方向に延びるフィン（１２２）を含み、
   前記第２のシールフィン構造体が、複数の円周方向に隣接するシールフィン（１２４）を含み、
   前記シールフィン（１２４）の各々が、前記１以上の円周方向に延びるフィン（１２２）に対して所定の角度で傾斜しかつ該フィン（１２２）から間隔を置いて配置されて、それらの間に円周方向に延びるダムギャップＰ_X2fwd又はＰ_X2aftを形成する、ラビリンスシール。
2. 前記第２のシールフィン構造体の複数の円周方向に隣接するシールフィンが、前記回転可能部分の回転時に前記ダムギャップに向かって流れ（１３４、１３６）を導くように所定の角度で傾斜している、請求項１記載のラビリンスシール。
3. 前記ハウジング部分に固定された複数のノズル（１４）と、前記回転要素に固定された複数のバケット（１２、１６）とを含み、前記第１のシールアセンブリが、隣接するバケット（１２、１６）間にかつ該バケット間に配置されたノズル（１４）の半径方向内側に配置されたシールリング（１１８）上に形成され、冷却通路（２６）が、前記ノズル内に形成され、かつ前記シールリング内に形成された冷却媒体通路（２８）と連通している、請求項１記載のラビリンスシール。
4. １）前記固定ハウジングの一部分と２）前記回転要素の一部分の一方から略半径方向に延びる第２の複数の隣接するシール部品を備えた第２のシールアセンブリをさらに含み、前記第２の複数のシール部品が１以上の第１のシールフィン構造体及び第２のシールフィン構造体を含み、前記第１のシールフィン構造体が１以上の円周方向に延びるフィン（１２２）を含み、前記第２のシールフィン構造体が複数の円周方向に隣接するシールフィン（１２４）を含み、前記シールフィン（１２４）の各々が前記１以上の円周方向に延びるフィンに対して所定の角度で傾斜しかつ該フィンから間隔を置いて配置されて、それらの間に円周方向に延びるダムギャップを形成する、請求項１記載のラビリンスシール。
5. 冷却媒体通路（２６、２８）が前記第１及び第２のシールアセンブリ間に形成され、各前記シールアセンブリの１以上の円周方向シールフィン（１２２）が、各該シールアセンブリの１以上の第２のシールフィン構造体（１２４）と前記冷却通路（２６、２８）との間に配置される、請求項４記載のラビリンスシール。
6. 各前記第２のシールフィン構造体の複数の円周方向に隣接するシールフィンが、前記回転可能分部の回転時に前記それぞれのダムギャップに向かって流れ（１３４、１３６）を導くように所定の角度で傾斜している、請求項５記載のラビリンスシール。
7. 前記ハウジング部分に固定された複数のノズル（１４）と、前記回転要素に固定された複数のバケット（１２、１６）と
   を含み、前記第１のシールアセンブリが、隣接するバケット間にかつ該バケット間に配置されたノズル（１４）の半径方向内側に配置されたシールリング（１１８）上に形成され、冷却通路（２６）が、前記ノズル内に形成され、かつ前記シールリング内に形成された冷却媒体通路（２８）と連通している、請求項４記載のラビリンスシール。
8. 前記シールリング内の冷却媒体通路が前記第１及び第２のシールアセンブリ間に形成され、各前記シールアセンブリの１以上の円周方向シールフィン（１２２）が、各該シールアセンブリの１以上の第２のシールフィン構造体（１２４）と前記冷却通路（２６、２８）との間に配置される、請求項７記載のラビリンスシール。
9. 各前記第２のシールフィン構造体の複数の円周方向に隣接するシールフィン（１２４）が、前記回転可能部分の回転時に前記ダムギャップに向かって流れ（１３４、１３６）を導くように所定の角度で傾斜している、請求項８記載のラビリンスシール。
10. 内部に回転要素が延在する固定ハウジングを有するタービンであって、
    差圧媒体流動領域と、
    請求項１記載のラビリンスシールと
    を含むタービン。

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