JP2011513632A - タービン・エンジン用高温シール - Google Patents

Abstract

【課題】タービン・エンジン用高温シールを提供する。
【解決手段】タービンが、静止部材、静止部材に流体的に接続された可動部材、および柔軟シールを備えている。柔軟シールはバネ構成部品を備えている。バネ構成部品は、タービンの静止部材および可動部材の一方に取り付けられたベース部分と、複数の付勢部材とを有している。複数の付勢部材はそれぞれ、ベース部分から延びる第１の部分と片持ち部分とを備えている。柔軟シールはさらに、複数の付勢部材のそれぞれが有する片持ち部分上に設けられたシール構成部品を備えている。シール構成部品は、静止部材および可動部材の他方と接触するように付勢されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、タービン・エンジンの技術に関し、より詳細には、タービン・エンジンの静止部材用のシールに関する。

典型的な環状筒形のガス・タービン・エンジンでは、複数の燃焼器がエンジンの周りに環状配列で配置されている。燃焼器は、エンジンの圧縮機部分から加圧空気の供給を受けるとともに、燃料の供給を受ける。加圧空気および燃料は混合されて、可燃性の空気／燃料混合気を形成する。空気／燃料混合気は次に点火および燃焼されて、高温ガスを形成する。高温ガスはエンジンのタービン部分内に送られる。高温ガスからの熱エネルギーは、タービン・エンジン内で機械的な回転エネルギーに変換される。

高温ガスは燃焼器からタービン内に移行ダクトまたは部片を通って送られる。典型的なガス・タービンでは、圧縮機からの冷却用空気を送出する空気ダクトが移行部片を囲んでいる。燃焼プロセスの結果、タービン内に進む高温ガスと圧縮機が供給する冷却用空気との間に圧力差が生じる。

米国特許出願公開第２００６／０３８３５８号明細書

移行部片とタービンとの間の結合部が適切に封止されていない場合は、圧縮機空気がタービン内に進む結果、エンジンに対する性能および効率の損失が生じる場合がある。シールは、エンジンの高温に耐えられなければならないが、同時に、熱膨張に起因する移行部片の歪みおよび／または移動を吸収するように柔軟のままでなければならない。

従来のシールは、エンジンとともに「動く」ことがないため、間隙が生じて、圧縮機空気からの空気がタービンの高温ガス経路部分内に進むことが可能になる。

本発明の一態様によれば、タービンは、静止部材、静止部材に流体的に接続された可動部材、および柔軟シールを備える。

柔軟シールは、タービンの静止部材および可動部材の一方に取り付けられたベース部分と複数の付勢部材とを有するバネ構成部品を備える。

複数の付勢部材はそれぞれ、ベース部分から延びる第１の部分と片持ち部分とを備える。柔軟シールはさらに、複数の付勢部材のそれぞれが有する片持ち部分上に設けられたシール要素を備える。シール要素は、静止部材および可動部材の他方と接触するように付勢されている。

本発明の別の態様によれば、タービン用の柔軟シールは、タービンの静止部材および可動部材の一方に取り付けられたベース部分を有するバネ構成部品を備えている。

柔軟シールは複数の付勢部材も備えている。複数の付勢部材はそれぞれ、ベース部分から延びる第１の部分と片持ち部分とを備える。柔軟シールはさらに、複数の付勢部材の片持ち部分上に設けられたシール要素を備える。シール要素は、静止部材および可動部材の他方と接触するように付勢されている。

前述した本発明の典型的な実施形態によって、熱膨張および収縮の結果生じるタービン・エンジンの可動部材の物理的変化に適合するように構成された柔軟シールが提供される。

ともかく、本発明の典型的な実施形態の種々の態様のさらなる目的、特徴、および優位性が、図面とともに以下の詳細な説明からより容易に明らかになる。図面では、同様の参照数字は複数の図において対応する部品を指す。

本発明の典型的な実施形態により構成される柔軟シール部材を備えるタービン・エンジンの一部の部分概略側面図である。 本発明の典型的な実施形態により構成される柔軟シール部材を備える図１のタービン・エンジンのケーシング部材の斜視図である。 本発明の典型的な実施形態により構成される柔軟シールの部分斜視図である。 ケーシング部材に取り付けられる本発明の典型的な実施形態により構成される柔軟シールの部分断面側面図である。 移行ダクトとケーシング部材との間に配置される典型的な実施形態により構成される柔軟シールの部分断面図である。 移行ダクトに取り付けられる本発明の典型的な実施形態により構成される柔軟シールの部分斜視図である。 図６の柔軟シール部材の部分断面側面図である。

最初に図１および２を参照して、ガス・タービン（大まかに１０で示す）のタービン部分の代表的な例が例示されている。タービン１０は、図示しない環状配列の燃焼器から高温の燃焼ガスを受け取り、高温ガスを、燃焼受け取りゾーン１３に通じる移行ダクトまたは部片１２を通して送る。燃焼ガスは、移行部片１２を通って燃焼受け取りゾーン１３内に入り、環状の高温ガス経路１４に沿って流れる。多くのタービン段（別個に標示せず）が高温ガス経路１４に沿って配置されている。各タービン段は、複数の周方向に離間に配置されたバケットであって、タービン・ローラ上に取り付けられてその一部を構成するバケットと、複数の周方向に離間に配置された静翼であって、環状配列のノズルを構成する静翼とを備える。図示する実施形態においては、タービン１０が備える第１段は、複数の周方向に離間に配置されたバケット１６であって、第１段のローラ・ホイール１８上に取り付けられたバケット１６と、複数の周方向に離間に配置された静翼２０とを有している。同様に、タービン１０が備える第２段は、ローラ・ホイール２４上に取り付けられた複数のバケット２２と、複数の周方向に離間に配置された静翼２６とを有している。また図１に示すように、タービン１０が備える第３段は、第３段のローラ・ホイール３０上に取り付けられた複数の周方向に離間に配置されたバケット２８と、複数の周方向に離間に配置された静翼３２とを有している。当然のことながら、タービン１０内に存在する段の数は変えられることが分かる。また当然のことながら、前述の翼２０、２６、および３２はタービン・ケーシング上に取り付けられて固定されており、一方で、バケット１６、２２、および２８、ならびにホイール１８、２４、および３０はタービン・ウェルダの一部を構成している。ともかく、タービン１０は、ウェルダ・ホイール１８、２４、および３０間に配置された複数のスペース３４および３６を備えている。最後に、当然のことながら、圧縮機吐出空気は、第１のタービン段の半径方向内側に配置される領域３７内に位置し、領域３７内の空気の圧力が、高温ガス経路１４に沿って続く高温ガスの圧力よりも高くなるようになっている。

タービン１０の第１段を参照して、第１段ノズルを構成する静翼２０が、内部および外部帯３８および４０間に、それぞれ配置されている。第１段のノズルは、複数のノズル・セグメント４１から構成されている。各ノズル・セグメントは１つ（好ましくは２つ）の静翼を搭載している。静翼は、環状配列のセグメント内で内部および外部帯部分３８および４０間を延びている。ともかく、当然のことながら、前述した構造は本発明の一部を構成してはおらず、明瞭にするために与えられている。本発明の典型的な実施形態は、静止部材５２と移行部片１２との間に設けられる界面を対象にしている。より詳細には、本発明の典型的な実施形態は、静止部材５２と移行部片１２との間に配置される柔軟シール５４を対象にしている。

図２に最良に示すように、移行部片１２は第１の端部６２および第２の端部６３を備え、これらは外面６４および内面６５を規定している。第１の端部６２はタービン１０の燃焼室部分（図示せず）に接続され、第２の端部６３は静止部材５２に流体的に接続されている。静止部材５２は主ボディ部分７０を備え、主ボディ部分７０はフランジ部材７２を有している。フランジ部材７２は、第１の表面７４および第２の表面７５を備え、これらは、燃焼ガス受け取りゾーン１３内に入る開口部７６を規定している。この配置において、柔軟シール５４は開口部７６の周りに延び、第２の端部６３と接触させられると、圧縮機吐出空気と燃焼ガスとの間の境界を設定する。

図３および４に最良に示すように、柔軟シール５４は、板バネ構成部品９１とシール構成部品９３とを備える。より具体的には、板バネ構成部品９１は、第１の板バネ構成部品層９５と、第１の板バネ構成部品層９５が結合される第２の板バネ構成部品層９６とを備える。図示する典型的な実施形態においては、第１および第２の板バネ構成部品層９５および９６は、一方から他方に溶接されているが、種々の結合技術（たとえば、化学的および機械的ボンディング技術の両方）を通して結合させることもできる。いずれの場合でも、第１および第２の板バネ構成部品層９５および９６は積層されて、板バネ構成部品９１を構成している。

第１の板バネ構成部品層９５は、静的な構造５２と移行部片１２との間のわずかな間隙も封止するために第２の表面７５に整合するように（断面が）形作られた１つまたは複数の積層された層を備える。

そうするために、第１の板バネ構成部品層９５は、ベース部分９９と複数の付勢または板バネ部材（そのうちの１つを１００で示す）とを備えていた。より具体的には、板バネ部材１００は、一連の狭くて浅い切り込み（別個に標示せず）を第１の板バネ構成部品層９５内に形成することによって設定される。一連の狭くて浅い切り込みによって、板バネ部材１００が、第１の板バネ構成部品層９５の第１の表面（別個に標示せず）上と、第１の板バネ構成部品層９５の対向する表面（別個に標示せず）上の単一の固体表面上とに、形成される。切り込みによって柔軟性が実現されるだけでなく、切り込みによって設定される間隙によって、空気が第１の板バネ構成部品層９５の部分上に流れて冷却効果を得ることができる。切り込みに加えて、孔を第１の板バネ構成部品層９５の断面内に設けて、さらなる冷却を得ることができる。第１の板バネ構成部品層９５が複数の層から構成されている場合、切り込みを場所をずらしたパターンで配置して、外部のバネ部材によって内部のバネ部材（図示せず）が覆われるようにする。ともかく、各板バネ部材１００は、ベース部分９９から片持ち部分１０５に延びる第１の部分１０３を備えている。同様に、第２の板バネ構成部品層９６は、ベース部分１１０と複数の付勢または板バネ部材（そのうちの１つを１１１で示す）とを備えている。前述と同様の仕方で、複数の板バネ部材１１１はそれぞれ、ベース部分１１０から片持ち部分１１６に延びる第１の部分１１４を備えている。この構成において、板バネ部材１００および１１１によって、シール構成部品９３は、移行部片１２と静止部材５２との間に画定される間隙（別個に標示せず）内へと付勢される。板バネ部材１００および１１１がもたらす付勢力に加えて、シール構成部品９３にはさらに、タービン内に進む高温ガス１０と圧縮機によって供給される冷却用空気（図示せず）との間に存在する圧力差によって負荷がかかる。したがって、用語「付勢」には、板バネ部材１００および／または１１１がもたらす力、圧力差がもたらす力、またはそれらの組み合わせが含まれるものと理解しなければならない。

図３に示すように、典型的な実施形態において示すシール構成部品９３は、複数の板バネ部材１００のそれぞれが有する片持ち部分１１６に固定された布地または組み紐１３０から構成されている。この配置において、ベース部分９９は移行部片１２の第２の端部６３に固定されて、板バネ部材１００および１１１によって、組み紐１３０がフランジ部材７２の第２の表面７５と接触するように付勢されるようになっている。ベース部分９９は、移行ダクト１２の第２の端部６３に固く固定される。より具体的には、ベース部分９９は第２の端部６３に、冶金的な結合（たとえば複数の溶接）によって固定される。当然のことながら、他の種々のボンディング技術を利用できることを理解されたい。たとえば蝋付けである。また、化学的結合技術（たとえば、強力なエポキシを用いること）も利用できる。いずれの場合でも、複数の板バネ部材１００および１１１をそれぞれ別個に、フランジ部材７２の第２の表面７５に向けて付勢して、組み紐１３０が静止部材５２と完全な接触状態になることを確実にする。すなわち、収容される第２の表面７５内に存在していても良い複数の目立たない板バネ部材の不一致を用いることによる。いずれの場合でも、シール９５を静止部材５２および移行部片１２の一方に硬く取り付けて、静止部材５２および移行部片１２の他方に対して付勢されることを理解されたい。

図５に例示する本発明の別の態様によれば、ベース部分１１０が静止部材５２の第２の表面７５に取り付けられている。加えて、図５には、移行部片１２の外面６４上に配置された拡張部材または要素１４０が例示されている。図示する典型的な実施形態においては、拡張要素１４０は、第２の端部６３に隣接して位置して外面６４の周りに周方向に延びるフックの形を取る。この配置において、複数の板バネ部材１１１によって強制的に、組み紐部材１３０が拡張要素１４０と接触させられて、高温ガスおよび／または燃焼吐出空気がタービン１０内に留まることが確実になる。

次に図６および７を参照して、本発明のさらなる態様について説明する。図示したように、柔軟シール１５２が移行ダクト１２の外面６４に取り付けられている。柔軟シール１５２は、単層の板バネ構成部品であり、複数の板バネ部材２００を有するベース部分１９９を備えている。複数の板バネ部材２００はそれぞれ、第１の端部部分２０３と、第１の端部部分２０３がベース部分１９９から延びている先の第２の片持ちの端部部分２０５とを備えている。端部部分２０５には、シール要素２１０が設けられている。シール要素２１０は、図示する典型的な実施形態においては、組み紐またはシール部材２３０であり、片持ちの端部２０５に隣接する複数の板バネ部材２００上に位置している。図示する典型的な実施形態によれば、組み紐２３０は、複数の板バネ部材２００に渡ってジグザグ構成で配置されている。ジグザグ構成によって、組み紐２３０は、タービン１０の動作から発生する熱に起因すると考えられる拡張および収縮によってもたらされる移行部片１２の物理的変化に応答して、膨張および収縮することができる。

この時点で、本発明の典型的な実施形態により構成される柔軟シールによって、タービン・エンジンの静的部分と可動部分との間を封止するための堅固な封止配置が提供されることを理解されたい。すなわち、柔軟シールは、タービン１０の動作中に発生する熱に関係付けられる伸縮によってもたらされるタービン・エンジンの可動構成部品と静的構成部品との間で生じる種々の不一致および変化を吸収するようにデザインされている。

一般的に、この書面の説明では、例を用いて、ベスト・モードを含む本発明を開示するとともに、どんな当業者も本発明を実行できるように、たとえば任意の装置またはシステムを作りおよび用いること、ならびに取り入れられた任意の方法を行なうことができるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって規定され、また当業者に想起される他の例を含んでいても良い。このような他の例は、請求項の文字通りの言葉使いと違わない構造要素を有する場合、または請求項の文字通りの言葉使いとの差が非実質的である均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内であることが意図されている。

Claims (18)

1. タービンであって、
   静止部材と、
   静止部材に流体的に接続された可動部材と、
   バネ構成部品とシール構成部品とを備える柔軟シールであって、バネ構成部品はベース部分と複数の付勢部材とを有し、バネ構成部品はタービンの静止部材および可動部材の一方に取り付けられ、複数の付勢部材はそれぞれ、ベース部分から延びる第１の部分と片持ち部分とを有し、シール構成部品は、複数の付勢部材の片持ち部分上に設けられて、静止部材および可動部材の他方と接触するように付勢される、柔軟シールと、を備えるタービン。
2. 静止部材はタービンのタービン部分であり、可動部材は移行ダクトであり、タービン部分は燃焼ガス受け取りゾーンを備え、移行ダクトは、第１の端部部分と、タービン部分の燃焼ガス受け取りゾーンに接続される第２の端部部分とを備え、移行ダクトは外面および内面を備える請求項１に記載のタービン。
3. 柔軟シールは、移行ダクトの外面に、第２の端部部分において取り付けられている請求項２に記載のタービン。
4. ベース部分は、移行ダクトの外面に、第２の端部部分において、冶金的な結合を通して取り付けられている請求項３に記載のタービン。
5. 静止部材は主ボディ部分とフランジ部材とを備え、フランジ部材は、タービン部分の燃焼ガス受け取りゾーン内に入る開口部を画定する請求項２に記載のタービン。
6. 柔軟シールはフランジ部材に取り付けられている請求項５に記載のタービン。
7. 柔軟シールのベース部分がフランジ部材に取り付けられている請求項６に記載のタービン。
8. 移行ダクトは、第２の端部に隣接する外面の周りに周方向に延びる拡張要素を備え、柔軟シールは拡張要素に隣接してシールをもたらしている請求項６に記載のタービン。
9. 拡張要素はフックである請求項８に記載のタービン。
10. バネ構成部品は二重層の板バネ構成部品である請求項１に記載のタービン。
11. シール構成部品は組み紐を備えている請求項１に記載のタービン。
12. 組み紐はジグザグ構成で配置され、ジグザグ構成によって、組み紐は、移行ダクトの熱膨張および収縮に起因して膨張および収縮することができる請求項１１に記載のタービン。
13. シール構成部品は、付勢部材とタービンを通って流れるガス間の圧力差とによって与えられる力によって、静止部材および可動部材の他方と接触するように付勢されている請求項１に記載のタービン。
14. タービン用の柔軟シールであって、
    タービンの静止部材および可動部材の一方に取り付けられているベース部分と複数の付勢部材とを有するバネ構成部品であって、複数の付勢部材はそれぞれ、ベース部分から延びる第１の部分と片持ち部分とを有するバネ構成部品と、
    複数の付勢部材の片持ち部分上に設けられたシール構成部品と、を備える柔軟シール。
15. バネ構成部品は、第１の板バネ層と第２の板バネ層とを備える多層板バネであって、第１および第２の板バネ層はそれぞれ、対応するベース部分および対応する複数の付勢部材を備える請求項１４に記載の柔軟シール。
16. 第１の板バネ層のベース部分は第２の板バネ層のベース部分に結合されて、積層された柔軟なバネ部材を形成する請求項１５に記載の柔軟シール。
17. シール構成部品は組み紐を備えている請求項１４に記載の柔軟シール。
18. 組み紐はジグザグ構成で配置され、ジグザグ構成によって、組み紐は、移行ダクトの熱膨張および収縮に起因して膨張および収縮することができる請求項１７に記載の柔軟シール。

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