JP2010019256A - タービンダブテール用のラビリンスシール - Google Patents

Abstract

【課題】タービンダブテール用のラビリンスシールを提供する。
【解決手段】本ラビリンスシール（１００）は、ダブテールタブ（７０）の高圧側（１４０）の周りに配置された第１の脚部（１２０）と、ダブテールタブ（７０）の低圧側（１５０）の周りに配置された第２の脚部（１３０）と、第１の脚部（１２０）と第２の脚部（１３０）の間に配置されたラビリンスチャンバ（１１０）とを含むことができる。第１の脚部（１２０）の周りでギャップ（９０）を通って流れる高圧流体は、ラビリンスチャンバ（１１０）内で膨張して第２の脚部（１３０）を越えて流れる該高圧流体の量を制限する。
【選択図】 図３

Description

本出願は、総括的にはあらゆるタイプのタービンに関し、より具体的には、タービンバケットダブテールとタービンロータの間のギャップをラビリンスシールによってシールするためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンは一般に、幾つかの円周方向に間隔を置いて配置されたバケット（ブレード）を備えたタービンロータ（ホイール）を含む。バケットは一般に、翼形部、プラットフォーム、シャンク、ダブテール及びその他の要素を含むことができる。各バケットのダブテールは、タービンロータ内に配置されかつそこに固定される。翼形部は、ガスの運動エネルギーを回転機械エネルギーに変換するために高温ガス通路内に突出している。幾つかの冷却媒体通路が、半径方向にバケットを貫通して延びて、それら通路を通して冷却媒体の内向き及び／又は外向き流れを導くことができる。

熱負荷及び／又は遠心荷重の増大によるダブテールのタブとロータの表面の間のギャップに基づいて、冷却媒体供給回路内に漏洩が生じる可能性がある。バケット供給回路からホイールスペース内への空気損失により、ブレード冷却媒体流要求量が大きくなる可能性がある。さらに、後方圧縮機段から抽出される場合があり、そのような場合には、エンジン運転時におけるエネルギー出力及び全体効率に対する悪影響が、著しく大きくなるおそれがある。

このような漏洩を制限するための努力が従前なされてきた。例えば、１つの方法は、ダブテールタブ上にアルミニウムを堆積させて少なくとも部分的にギャップを充填することを含む。具体的には、前方側のダブテール面に対して、３６０度リングを圧入することができる。この設計は、良好にシールしかつ耐久性があるが、現場において容易に分解しかつ交換することができない。それどころか、これらのリングは、ロータ全体を分解する時にしか分解できない。

米国特許第４４２２８２７号明細書 米国特許第４７４３１６４号明細書 米国特許第４４８０９５７号明細書 米国特許第４４９４９０９号明細書 米国特許第４７２５２００号明細書 米国特許第４７４３１６６号明細書 米国特許第５０５２８９０号明細書 米国特許第５８２３７４３号明細書 米国特許第５１３９３８９号明細書 米国特許第５５９９１７０号明細書 米国特許第６２９６１７２号明細書 米国特許第６３７５４２９号明細書 米国特許第６５６５３２２号明細書 米国特許第６５７５７０４号明細書 米国特許第６６８２３０７号明細書 米国特許第６２７３６８３号明細書 米国特許第５２５７９０９号明細書 米国特許第３７０９６３１号明細書 米国特許第５０５２８９３号明細書 欧州特許出願公開第０７７４０４８号明細書 国際公開第９４／１２７７２号パンフレット

従って、ダブテールタブシールシステム及び方法の改良に対する要望が存在する。そのようなシステム及び方法は、それを通しての漏洩を適切に防止して全体システム効率を高めると同時に、現場での据付け及び／又は補修ができるようにすべきである。

従って、本出願は、ダブテールタブとロータの間のギャップのためのラビリンスシールを提供する。本ラビリンスシールは、ダブテールタブの高圧側の周りに配置された第１の脚部と、ダブテールタブの低圧側の周りに配置された第２の脚部と、第１の脚部と第２の脚部の間に配置されたラビリンスチャンバとを含むことができる。第１の脚部の周りでギャップを通って流れる高圧流体は、ラビリンスチャンバ内で膨張して第２の脚部を越えて流れる該高圧流体の量を制限する。

本出願はさらに、バケットのダブテールタブとタービンのロータの間のギャップをシールする方法を提供する。本方法は、ダブテールタブを機械加工してラビリンスチャンバを形成するステップと、タービンを作動させるステップと、ギャップ内に高圧流体を強制的に送るステップと、高圧流体をラビリンスチャンバ内で膨張させて該ラビリンスチャンバを越えて流れる高圧流体の量を制限するステップとを含む。

本出願はさらに、ダブテールタブとロータの間のギャップのためのラビリンスシールを提供する。本ラビリンスシールは、ダブテールタブの高圧側の周りに配置された第１の脚部と、ダブテールタブの低圧側の周りに配置された第２の脚部と、第１の脚部と第２の脚部の間でダブテールタブの周辺の周りに配置されたラビリンスチャンバとを含むことができる。ダブテールタブの第１の脚部の周りでギャップを通って流れる高圧空気は、ラビリンスチャンバ内で膨張して、第２の脚部を越えて流れる該高圧流体の量を制限して該第２の脚部の周りのギャップの有効間隙を限定する。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

本明細書に記載したようなシールシステムで使用することができるシュラウド付きバケットの斜視図。 本明細書に記載したようなシールシステムで使用することができるシュラウドなしバケットの斜視図。 ロータの斜視図。 本明細書に記載したようなラビリンスシールのラビリンスチャンバの斜視図。 図３のラビリンスシールのラビリンスチャンバの側面図。 ロータ及びギャップを示した状態での、作動中における図３のラビリンスシールの側面図。

次に、幾つかの図を通して同じ番号が同様な要素を指している図面を参照すると、図１Ａは、本明細書で使用することができるようなバケット１０を示している。バケット１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙが販売している７ＦＡ＋ｅ型ガスタービンで使用されているような第１又は第２段バケットとすることができる。本明細書では、あらゆるその他のタイプのバケット又は段もまた、使用することができる。バケット１０は、図２に示すようなロータ２０で使用することができる。

よく知られているように、バケット１０は、翼形部３０、プラットフォーム４０、シャンク５０、ダブテール６０及びその他の要素を含むことができる。バケット１０は、タービンのロータ２０の周りでかつ該ロータ２０に対して固定された幾つかの円周方向に間隔を置いて配置されたバケット１０の１つであることが分かるであろう。図１Ａのバケット１０は、翼形部３０の１つの端部上にシュラウド６５を有する。図１Ｂのバケット１１には、シュラウドがない。本明細書では、あらゆるその他のタイプのバケット設計を使用することができる。

上記したように、ロータ２０は、バケット１０のダブテール６０を受ける幾つかのスロット２５を有することができる。同様に、バケット１０の翼形部３０は、ロータ２０の回転によりガスストリームの運動エネルギーを機械エネルギーに変換できるように高温ガスストリーム内に突出している。ダブテール６０は、該ダブテールから延びる第１のタング又はタブ７０及び第２のタブ８０を含むことができる。本明細書では、同様の設計を使用することができる。ダブテール６０のタブ７０、８０の端部とロータ２０の間には、ギャップ９０が形成されることになる。あるタイプのシールシステムを使用しない限り、高圧冷却流が、このギャップ９０を介して逸出するおそれがある。

図３〜図５は、本明細書に記載したようなラビリンスシール１００を示している。ラビリンスシール１００は、バケット１０のダブテール６０の第１のタブ７０（最内側タブ）内にかつ該第１のタブの周りに配置することができる。第２のタブ８０も同様に、同じラビリンスシール１００を有することができる。ラビリンスシール１００は、ラビリンスチャンバ１１０を含むことができる。ラビリンスチャンバ１１０は、第１のタブ７０の周辺の周りに延びることができる。ラビリンスチャンバ１１０の寸法及び形状は変化させることができる。ラビリンスチャンバ１１０は、それに限定されないが、ボルト止め又は同様な方法による機械的取付け、溶接組付け、従来型及び非従来型の減法的機械加工法、ラビリンス表面の溶接又はレーザ焼結成形、或いはそれらのいずれかの組合せを含むあらゆる加法的又は減法的手段によってタービンブレードダブテールに対して一体形に形成することができる。本明細書では、その他のタイプの製作方法もまた、使用することができる。ラビリンスチャンバ１１０は、矩形又は湾曲断面形状を有することができる。本明細書では、あらゆる所望の断面形状を使用することができる。

ラビリンスチャンバ１１０には、第１の脚部１２０とあらゆる数の後続の第２の脚部１３０とを形成することができる。脚部１２０、１３０は、バケット１０とロータ２０の間のギャップ９０に向かって延びる。第１の脚部１２０は、ダブテール６０の高圧側１４０に隣接して配置することができる。高圧側１４０には、バケット冷却供給空気が供給される。第２の脚部１３０は、低圧側１５０すなわちホイールスペースの周りに配置することができる。脚部１２０、１３０は、鋭いコーナ部すなわちエッジ部を有するが、僅かに丸味のあるエッジ部を使用することができる。

使用中に、ダブテール６０の第１の脚部１２０の周りの高圧側１４０からの高圧空気又はその他の流体は、ギャップ９０内に侵入する。高速の流れは、ラビリンスチャンバ１１０内で膨張して、そこを通る流れを妨げる渦流を形成する。従って、第２の脚部１３０の周りでギャップ９０を通しての冷却媒体損失が、著しく減少する。従って、ラビリンスチャンバ１１０及び脚部１２０、１３０は、ラビリンスを形成して、そこを通り抜ける空気流量を減少させる。本明細書ではまた、その他の構成を使用して、空気流を反らしかつ／又は減少させることができる。

ラビリンスチャンバ１１０はまた、所望の場合には、第２のタブ８０又はその他の場所で使用することができる。さらに、ラビリンスシール１００を付加することにより、ギャップ９０の有効間隙は、例えば約１０ｍｍ以上から約８．６ｍｍに減少する。この間隙レベルは、公知のアルミニウムストリップの間隙レベルに近いものとなるが、そのような更なる材料を付加することはない。従って、有効間隙の減少、つまり冷却流量損失の低下により、全体システム効率が改善される。ラビリンスシール１００はまた、その他のシステム及び方法で使用することができる。

従って、本発明は、タービンダブテール６０の周りに一体形に形成された、ダブテール６０とロータ２０の間のギャップ９０のための非接触ラビリンスシール１００を提供する。脚部１２０、１３０及びギャップ９０によって形成された本ラビリンスシール１００は、高圧側１４０からラビリンスチャンバ１１０内に漏洩流れを強制的に送ることによって、脚部及びラビリンスチャンバを備えていない同様のギャップに比較して流体漏洩を減少させる渦流又は渦流様の流体運動を該漏洩流れが生成する非接触流れシール又は制御システムを提供する。

以上の説明は本出願の一部の実施形態のみに関するものであること、並びに本明細書において当業者は、特許請求の範囲及びその均等物によって定まる本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、多くの変更及び修正を行うことができることを理解されたい。

１０ バケット
１２ ロータ
２５ スロット
３０ 翼形部
４０ プラットフォーム
５０ シャンク
６０ ダブテール
７０ 第１のタブ
８０ 第２のタブ
９０ ギャップ
１００ ラビリンスシール
１１０ ラビリンスチャンバ
１２０ 第１の脚部
１３０ 第２の脚部
１４０ 高圧側
１５０ 低圧側

Claims (10)

1. ダブテールタブ（７０）とロータ（２０）の間のギャップ（９０）のためのラビリンスシール（１００）であって、
   前記ダブテールタブ（７０）の高圧側（１４０）の周りに配置された第１の脚部（１２０）と、
   前記ダブテールタブ（７０）の低圧側（１５０）の周りに配置された第２の脚部（１３０）と、
   第１の脚部（１２０）と第２の脚部（１３０）の間に配置されたラビリンスチャンバ（１１０）と
   を含み、前記ダブテールタブ（７０）の第１の脚部（１２０）の周りで前記ギャップ（９０）を通って流れる高圧流体が、前記ラビリンスチャンバ（１１０）内で膨張して第２の脚部（１３０）を越えて流れる前記高圧流体の量を制限する、ラビリンスシール（１００）。
2. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）が前記ダブテールタブ（７０）の周辺の周りでその全体又は一部に延在する、請求項１記載のラビリンスシール（１００）。
3. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）が矩形断面形状を含む、請求項１記載のラビリンスシール（１００）。
4. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）が湾曲断面形状を含む、請求項１記載のラビリンスシール（１００）。
5. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）が三角形断面形状を含む、請求項１記載のラビリンスシール（１００）。
6. 複数のダブテールタブ（７０、８０）をさらに含む、請求項１記載のラビリンスシール（１００）。
7. バケット（１０）のダブテールタブ（７０）とロータ（２０）の間のギャップ（９０）をシールする方法であって、
   前記バケットダブテールタブ（７０）を機械加工して該ダブテールタブ（７０）の周りにラビリンスチャンバ（１１０）を形成するステップと、
   前記バケット（１０）を回転させるステップと、
   前記ギャップ（９０）内に高圧流体を強制的に送るステップと、
   前記高圧流体を前記ラビリンスチャンバ（１１０）内で膨張させて該ラビリンスチャンバ（１１０）を越えて流れる前記高圧流体の量を制限するステップと
   を含む方法。
8. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）を機械加工するステップが、矩形断面を有するラビリンスチャンバ（１１０）を機械加工するステップを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）を機械加工するステップが、湾曲断面を有するラビリンスチャンバ（１１０）を機械加工するステップを含む、請求項７記載の方法。
10. 前記ラビリンスチャンバ（１１０）を機械加工するステップが、三角形断面を有するラビリンスチャンバ（１１０）を機械加工するステップを含む、請求項７記載の方法。

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