JP2011080465A - 半径方向シールピン - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は、タービンバケット（１００）を提供する。
【解決手段】本タービンバケット（１００）は、シャンク部（１３０）と、シャンク部（１３０）に配置された半径方向シールピンスロット（１５０）と、半径方向シールピンスロット（１５０）内に配置されたシールピン（１６０）とを含むことができる。シールピン（１６０）は、一対の肩付き端部（１７０、１８０）を含むことができる。
【選択図】 図６

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンバケット間の漏洩を防止する半径方向シールピン設計に関する。

ガスタービンは一般に、幾つかの円周方向に間隔をおいて配置されたブレードつまりバケットを備えたロータを含む。公知のように、バケットは一般に、翼形部、プラットフォーム、シャンク部、ダブテールその他の要素を含む。ダブテールは、ロータの周りに位置してロータ内に固定できる。翼形部は、燃焼器で生成した高温燃焼ガス通路内に突出して、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。

半径方向シールピンは、長尺シャンク部バケット設計を用いたガスタービンでのシャンク間漏洩をシールするため、隣接バケットのシャンク間で使用することができる。概説すると、ピンは、回転による遠心荷重を受けてシールスロット面角度に接触しかつ側面シールレールに向けて摺動する。スロット面角度は、隣接するバケットに向けてピンを強制的に押圧して、２つのバケットシャンク部空洞間のクロスシャンク部漏洩を防止する。

そのような半径方向シールについての目下の問題には、耐クリープ性の低い材料の使用による端部のきのこ形化又は平坦化、不適切なヘッド空間による座屈、ピン拘束、ピン固定及びピン摩耗が含まれる。さらに、適切に機能するピンの場合であっても、漏洩が、依然として問題である。漏洩区域には、シャンク部内径及び外径領域が含まれる。クロスシャンク部漏洩は、バケットシャンク部空洞内におけるパージ圧力を低下させる可能性がある。そのようなより低いパージ圧力により、高温ガスの吸込み及びそれによるハードウェア損傷の発生可能性が生じるおそれがある。

米国特許第７５３４０９０号明細書

従って、ガスタービンのための改良半径方向シールピン設計が求められている。改良半径方向シールピン設計は、耐久性と信頼性をもって適切にクロスシャンク部漏洩を防止又は制限するものでなければならない。そのようなシール作用の改善は、冷却の向上、バケット寿命の延長、並びに全体システム性能及び効率の増大をもたらすべきである。

従って、本出願は、タービンバケットを提供する。本タービンバケットは、シャンク部と、シャンク部に配置された半径方向シールピンスロットと、半径方向シールピンスロット内に配置されたシールピンとを含むことができる。シールピンは、一対の肩付き端部を含むことができる。

本出願はさらに、タービンバケットを提供する。本タービンバケットは、シャンク部と、シャンク部に配置された一対の半径方向シールピンスロットと、半径方向シールピンスロットの各々内に配置されたシールピンとを含むことができる。シールピンは、円周部と平坦部を有する一対の肩付き端部を含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させてなした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。

ガスタービンエンジンの概略図。 公知のロータバケットの側面図。 ロータバケットの半径方向シールピンスロット内に配置されたシールピンの斜視図。 公知のシールピンを使用したシャンク部漏洩区域の側面図。 公知のシールピンを使用したシャンク部漏洩区域の側面図。 ロータバケットの半径方向シールピンスロットの斜視図。 本願に係るシールピンを配設した半径方向シールピンスロットの拡大図。 図６のシールピンの側面図。 図６のシールピンの端部の拡大図。 図６の半径方向シールピンスロットの斜視図。 図６の半径方向シールピンスロットの別の斜視図。 図６のシールピンで充填されたシャンク部漏洩区域の側面図。 図６のシールピンで充填されたシャンク部漏洩区域の側面図。

次に、幾つかの図全体を通して同じ符号が同様な要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。公知のように、ガスタービンエンジン１０は、流入空気の流れを加圧する圧縮機１２を含むことができる。圧縮機１２は、加圧空気の流れを燃焼器１４に送給する。燃焼器１４は、加圧空気の流れを加圧燃料の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させる。（単一の燃焼器１４のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器１４を含むことができる。）。次に、高温燃焼ガスは、タービン１６に送給される。高温燃焼ガスは、タービン１６を駆動して、機械的仕事を産生する。タービン１６内で産生された機械的仕事は、圧縮機１２を駆動しかつ発電機などのような外部負荷を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス及びその他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジンは、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）によって提供されている９ＦＢＡ型高出力ガスタービンエンジンとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有することができ、またその他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、その他のタイプのガスタービンエンジンを使用することができる。本明細書では、複数ガスタービンエンジン１０、その他のタイプのタービンその他の発電装置を共に使用することができる。

図２は、公知のロータバケット１８の実施例を示す。公知のように、ロータバケット１８は、プラットフォーム２２から延びる翼形部２０、シャンク部２４及びダブテール２６を含むことができる。上述の通り、ダブテール２６は、ロータ（図示せず）の周りに配置しかつ該ロータ内に固定して回転することができる。シャンク部２４は、前縁半径方向シールピンスロット２８及び後縁半径方向シールピンスロット３０を含むことができる。本明細書では、その他のロータバケット設計を使用することができる。

図３は、その中に公知のシールピン３２が配置された状態の後縁半径方向シールピンスロット３０を示す。図示するように、シールピン３２は一般に、丸い端部３３を有する。この図解では、αは、バケット角度、つまりバケットカバープレート３４の角度であり、βは、シールピン角度、つまりシールポケット上面３５の角度であり、Ｆ_cは、バケット回転による遠心力であり、Ｆ_pは、シールポケット上面に対して垂直な力であり、Ｆ_sは、シールポケット頂部に沿った力であり、またＦ_rは、生じた摩擦力である。有効なシール作用のためには、Ｆ_sは、Ｆ_rよりも大きくなくてはならない。この図には示していないが、γは、シールポケットコーナ部３６の角度である。概説すると、バケット角度α及びシールポケット面角度βにより、ピン３２の横向き荷重が得られる。具体的には、遠心力が、シールポケット面３５に対してピン３２を強制的に押圧する。シールポケットコーナ部３６の角度γが次に、隣接するバケット３７に向けて接線方向にピン３２を強制的に押圧して、それらの間のギャップ３９を満たす。

図４Ａ及び図４Ｂは、ロータバケット１８と隣接するバケット３７との間に配置されたシールピン３２を示す。図４Ａは、外径漏洩ギャップ３８を示す。外径漏洩ギャップ３８は、シールスロット２８、３０の頂部のリガメント（すき間）厚さにほぼ等しくすることができる。図４Ｂは、内径漏洩ギャップ４０を示す。内径漏洩ギャップ４０は、シールピン３２上の拘束許容差の量にほぼ等しくすることができる。拘束許容差は一般に、シール材料とバケット材料との間の異なる熱膨張係数並びに過渡運転状態によるものとなっている。

図５及び図６は、本明細書で説明するロータバケット１００を示す。上述の通りロータバケット１００は、翼形部１１０、プラットフォーム１２０、シャンク部１３０及びダブテール１４０を含むことができる。シャンク部１３０は、一対の半径方向シールピンスロット１５０を含む。１つの半径方向シールピンスロット１５０のみを示しているが、シャンク部１３０は、前縁及び後縁半径方向シールピンスロットを含むことになる。

図６〜図８は、本明細書で説明するシールピン１６０を示す。シールピン１６０は、第１のショルダ付き端部１７０及び第２のショルダ付き端部１８０を有することができる。図示するように、ショルダ付き端部１７０は、円周部１９０及び平坦部２００を有する。端部１７０及び１８０は、大部分を同一とすることができる。ピン１６０は、シールピンスロット１５０よりも僅かに短くて、熱膨張を可能にしかつピン拘束を回避することができる。

シールピン１６０は、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７３８材料（ニッケル・クロム超合金）又は十分な体積クリープ強度を有する同様なタイプの材料で製造することができる。ピン１６０は、あらゆる配向でスロット１５０内に配置することができる。ピン１６０は、タービン１６のあらゆる段又はその他の場所で使用することができる。

図９及び図１０に示すようにシャンク部１３０は、バケット角度αを含む。シールピンスロット１５０は、角度βを有するシールポケット上面２１０を含む。角度α及びβの組合せは、遠心力を受けてシールピン１６０を前方に移動させる。同様に、半径方向シールピンスロット１５０は、角度γを有する傾斜コーナ部２５０を含む。角度γは、ピン１６０が横向きに移動した時に隣のバケットのシャンク部１３０に向けてシールピン１６０を移動させる。同様に、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、ショルダ１７０、１８０の使用により、上述の外径ギャップ３８及び内径ギャップ４０を満たして性能を向上させる。

概説すると、確定したシール作用では、以下の通りである。

同様に、角度γは、バケット材料とピン材料との間の摩擦角度よりも大きくて、過渡状態の間における熱膨張によるピンロックアップを回避する必要がある。

従って、本出願は、タービン段バケット間のより良好なシール作用を提供する。具体的には、半径方向シールピンの周りの漏洩面積は、大幅に減少させることができる。シール作用の改善により、少ない漏洩に起因して効率の改善が得られ、さらに高温ガスの吸込みを減少させかつ構成要素の信頼性を向上させることができる。

上記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加えることができることを理解されたい。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ ロータバケット
２０ 翼形部
２２ プラットフォーム
２４ シャンク部
２６ ダブテール
２８ 前縁半径方向シールピンスロット
３０ 後縁半径方向シールピンスロット
３２ 半径方向端縁部シールピン
３３ 丸い端部
３４ バケットカバープレート
３５ シールポケット面
３６ シールコーナ部
３７ 隣接するバケット
３８ 外径漏洩ギャップ
３９ ギャップ
４０ 内径漏洩ギャップ
１００ ロータバケット
１１０ 翼形部
１２０ プラットフォーム
１３０ シャンク部
１４０ ダブテール
１５０ 半径方向シールピンスロット
１６０ シールピン
１７０ 第１の肩付き端部
１８０ 第２の肩付き端部
１９０ 円周部
２００ 平坦部
２１０ シールポケット面
２２０ 傾斜コーナ部

Claims (11)

1. シャンク部（１３０）と、
   前記シャンク部（１３０）に配置された半径方向シールピンスロット（１５０）と、
   前記半径方向シールピンスロット（１５０）内に配置されたシールピン（１６０）と
   を備えるタービンバケット（１００）であって、
   前記シールピン（１６０）が一対の肩付き端部（１７０、１８０）を含む、タービンバケット（１００）。
2. 前記シャンク部（１３０）が一対の半径方向シールピンスロット（１５０）を含む、請求項１記載のタービンバケット（１００）。
3. 前記一対の肩付き端部（１７０、１８０）が円周部（１９０）と平坦部（２００）を含む、請求項１記載のタービンバケット（１００）。
4. 前記シールピン（１６０）が第１の長さを有しており、前記半径方向シールピンスロット（１５０）が第２の長さを有しており、第１の長さが第２の長さよりも短い、請求項１記載のタービンバケット（１００）。
5. それらの間にギャップ（３９）を有する一対のバケット（１００）をさらに含み、前記シールピン（１６０）が前記ギャップ（３８、４０）内に配置される、請求項１記載のタービンバケット（１００）。
6. 前記シャンク部（１３０）が、バケット角度αを有するカバープレート（３４）を含む、請求項５記載のタービンバケット（１００）。
7. 前記半径方向シールピンスロット（１５０）が、シールピンバケット角度βを有するシールポケット面（２１０）を含む、請求項６記載のタービンバケット（１００）。
8. 前記半径方向シールピンスロット（１５０）が、角度γを有する傾斜コーナ部（２２０）を含む、請求項７記載のタービンバケット（１００）。
9. 前記角度α、β及びγ並びに遠心力の組合せが、前記シールピン（１６０）を前記ギャップ（３９）内に位置決めする、請求項８記載のタービンバケット（１００）。
10. 前記シャンク部（１３０）が外径ギャップ（３８）及び内径ギャップ（４０）を有しており、前記一対の肩付き端部（１７０、１８０）が、前記外径ギャップ（３８）及び内径ギャップ（４０）を満たす、請求項１記載のタービンバケット（１００）。
11. 前記シールピン（１６０）がニッケル・クロム合金を含む、請求項１記載のタービンバケット（１００）。