JP2012087928A - ターボ機械シール組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械シール組立体を提供する。
【解決手段】本ターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）は、第１の部材及び第２の部材によって画成されるチャネル（３８，４０）を通って流れる流体の流れを阻止するように構成されかつ配置された複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）を含む。複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）の少なくとも１つは、チャネル（３８，４０）に流体再循環ゾーンを形成するように構成されかつ配置されたパドル要素（１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４）を含む。流体再循環ゾーンは、チャネル（３８，４０）を通る流体の流れをさらに阻止する。
【選択図】 図２

Description

本明細書に開示した主題は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、ターボ機械において流体流れを阻止するシール組立体に関する。

一般的なガスターボ機械では、燃焼器は、圧縮機セクションからの加圧空気の供給及び燃料の供給を受ける。加圧空気及び燃料は、混合されて可燃空気／燃料混合気を形成する。空気／燃料混合気は次に、点火されかつ燃焼されて高温ガスを形成し、この高温ガスは、タービンセクションに導かれる。高温ガスによる熱エネルギーは、タービンセクション内で機械的回転エネルギーに変換される。

高温ガスは、燃焼器から遷移ダクトつまりトランジションピースを通ってタービンセクション内に流れる。一般的に、圧縮機から冷却空気を送給する空気ダクトが、トランジションピースを囲んでいる。内側表面が適切にシールされていない場合には、高温ガスが、タービンセクションを迂回しかつ空気ダクト内に流入する可能性がある。この迂回又は漏洩流れは、如何なる仕事も産生せず、従ってターボ機械における内部損失を意味する。漏洩流れは一般的に、可変速度で移動又は回転する隣接する表面間を流れる。時間の経過と共に、可変速度表面間の間隙は、内部摩擦、固体粒子侵食、異物損傷（ＦＯＤ）及び同様のものにより増大する可能性がある。現在では、多くのターボ機械が、可変速度表面間にラビリンスシールを採用して、漏洩流れを制限している。ラビリンスシールは、高温ガスが空気ダクトの冷却空気流れ内に流入するのを大幅に制限する複数バリヤを形成する。

米国特許第３５１９２７７号明細書

本発明の１つの態様によると、ターボ機械シール組立体は、第１の部材及び第２の部材によって画成されるチャネルを通って流れる流体の流れを阻止するように構成されかつ配置された複数のシールストリップを含む。複数のシールストリップの少なくとも１つは、チャネルに流体再循環ゾーンを形成するように構成されかつ配置されたパドル要素を含む。流体再循環ゾーンは、チャネルを通る流体の流れをさらに阻止する。

本発明の別の態様によると、ターボ機械は、第１の部材と、第１の部材に近接して配置された第２の部材と、第１の部材と第２の部材の間に延在しかつ該第１の部材及び第２の部材によって画成されるチャネルと、チャネル内で第１の部材及び第２の部材の１つに取付けられたシール組立体とを含む。シール組立体は、第１の部材及び第２の部材の他方に向けて延在する複数のシールストリップを含む。複数のシールストリップは、チャネルを通って流れる流体の流れを阻止する。複数のシールストリップの少なくとも１つは、チャネルに流体再循環ゾーンを形成するように構成されかつ配置されたパドル要素を含む。流体再循環ゾーンは、チャネルを通る流体の流れをさらに阻止する。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

例示的な実施形態による、パドル要素を有するシール組立体を備えたターボ機械の部分断面側面図。 図１のシール組立体の部分下部左側斜視図。 図２のシール組立体の正面図。 図２のシール組立体のパドル要素の斜視図。 例示的な実施形態の別の態様による、パドル要素の斜視図。 例示的な実施形態のさらに別の態様による、パドル要素の斜視図。 例示的な実施形態のさらに別の態様による、パドル要素の斜視図。 例示的な実施形態の別の態様による、シール組立体の正面図。 例示的な実施形態による、未加工シールストリップの平面図。 減肉ゾーンを形成した後における、図９のシールストリップの平面図。 テール部分に屈曲させた減肉ゾーンを示す、図１０のシールストリップの平面図。 曲線形状に形成した、図１１のシールストリップの側面図。 減少した厚さを有する先端部分を形成した後における、図１２のシールストリップの側面図。 上流表面内に形成した複数のパドル要素を示す、図１３のシールストリップの側面図。

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本開示の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

本出願で使用する用語「軸方向の」及び「軸方向に」というのは、ターボ機械の中心長手方向軸線にほぼ平行に延在する方向及び配向を意味する。本出願で使用する用語「半径方向の」及び「半径方向に」というのは、ターボ機械の中心長手方向軸線に対してほぼ直交するように延在する方向及び配向を意味する。本出願で使用する用語「上流方向」及び「下流方向」というのは、ターボ機械の中心長手方向軸線に関する軸流方向に対しての方向及び配向を意味する。

図１を参照すると、例示的な実施形態によるターボ機械をその全体を符号２で示している。ターボ機械２は、燃焼器の環状アレイ（図示せず）から高温燃焼ガスを受けるタービンセクション１０を含む。高温燃焼ガスは、トランジションピース１２を通って流れかつ高温ガス通路１４に沿って幾つかのタービン段（別個には符号付けせず）に向けて流れる。各タービン段は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたブレードとノズルの環状アレイを形成した複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンとを含む。この図示した例示的な実施形態では、タービンセクション１０の第一段は、第一段タービンロータ１８上に取付けられた、その１つを符号１６で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたブレードと、その１つを符号２０で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンとを含む。同様に、タービンセクション１０の第二段は、第二段タービンロータ２４上に取付けられた、その１つを符号２２で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたブレードと、その１つを符号２６で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンとを含む。タービンセクション１０はまた、第三段タービンロータ３０上に取付けられた、その１つを符号２８で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたブレードと、その１つを符号３２で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンとを有する第三段を含むものとして図示している。

ここで、タービンセクション１０内に存在する段の数は変更することができることを理解されたい。タービンセクション１０はまた、第一、第二及び第三段タービンロータ１８、２４及び３０間に回転可能に取付けられた、その２つを符号３４及び３６で示す複数のスペーサを含む。スペーサ３４及び３６は、タービンケーシング部材２７及び３３に対して間隔を置いた関係で配置されて、それぞれチャネル３８及び４０を形成する。最後に、圧縮機吐出空気は、第一タービン段の半径方向内側に配置された領域４４内に位置して、領域４４内の空気が高温ガス通路に沿って流れている高温ガスの圧力よりも高い圧力になっていることを理解されたい。ここで、上記の構造は、明瞭にするために示したものであることを理解されたい。この例示的な実施形態は、それぞれチャネル３８及び４０内に配置されたシール組立体６０及び６２に関するものである。シール組立体６０及び６２は、高温ガス通路１４（より高圧）から領域４４（より低圧）に流れる流体流れを阻止するラビリンスシールを構成する。タービン段を迂回しかつ高温ガス通路１４から流れる流体流れは、ターボ機械２の全体効率に悪影響を与える。

各シール組立体６０、６２は、同様に形成されるので、シール組立体６２は相当する（類似する）構造を備えているとの理解の下で、シール組立体６０を説明するのに図２及び図３を参照する。例示的な実施形態によると、シール組立体６０は、スペーサ３４の表面７４に取付けられる。シール組立体６０は、スペーサ３４内に形成された相当する複数のグルーブ８６〜８９内に取付けられた複数のシールストリップ８０〜８３を含む。シールストリップ８０〜８３は、相当する長さのコーキングワイヤ９４〜９７によってグルーブ８６〜８９内に保持される。シールストリップ８１は、中間部分１０８により第２の又は片持ち端部１０７まで延在する第１の又はテール端部１０６を有する本体１０４を含む。この構成では、第２の端部１０７は、タービンケーシング部材２７内に形成された表面１１０を有する陥凹領域１０９内に延在する。中間部分１０８により第１の端部１０６から延在する第１の厚さと第２の端部１０７に先端部分１１４を形成した第２の又は減肉ゾーン１１３とを有する本体１０４が形成される。本体１０４はまた、チャネル３８内の流体流れに直接露出した上流表面１１５と下流表面１１７とを含むものとして図示している。以下でより十分に詳述するように、上流表面１１５にはパドル要素１２４が設けられる。ここで、残りのシールストリップ８０及び８２〜８３は、同様の構造を備えていることを理解されたい。しかしながら、第１の長さより小さい第２の長さを有するストリップ８０及び８２のような選択シールストリップが形成される。第２の長さの場合には、シールストリップ８２がタービンケーシング２７の表面１２８に向けて延在する。この構成では、シール組立体６０は、ラビリンスシール、又はチャネル３８を通るコンボリュート流れ通路を構成したシールを形成する。ここで、パドル要素１２４は、上流表面１１５上に示しているが、下流表面１１７上に或いは上流表面１１５及び下流表面１１７の両方上に配置することができる。

図４に最もよく示しているように、第１の表面１４０及び対向する第２の表面１４１を備えた矩形断面を有するパドル要素１２４が形成される。第１及び第２の表面１４０及び１４１は、チャネル３８内にほぼ垂直な空気流を形成する。より具体的には、第１及び第２の表面１４０及び１４１は、流体流れをチャネル３８に対してほぼ垂直である方向にシールストリップ８０〜８３の上流表面上に衝突するように導く。つまり、パドル要素１２４は、流体流れを先端部分１１４並びに表面１１０及び１２８間に形成されたギャップ（別個には符号付けせず）に向けて案内して流体再循環ゾーンを形成する。流体再循環ゾーンの方向及び位置により、チャネル３８内に流れる流体流れに対してバリヤが形成されてシール組立体６０の流れ阻止特性が強化される。ここで、シール組立体６０は、多様な断面を有するパドル要素を含むことができることを理解されたい。例えば、シール組立体６０は、ほぼ三角形断面を有する、図５に符号１４４で示すようなパドル要素を含むことができる。パドル要素１４４は、ほぼ垂直な空気流をより広い角度で案内するように外向きにテーパした第１及び第２の表面１４６及び１４７を含む。シール組立体６０はまた、図６に符号１５４で示すようなパドル要素を含むことができる。パドル要素１５４は、連続した外側曲線表面１５６を有する曲線断面を含む。シール組立体６０はまた、図７に符号１６０で示すようなパドル要素を含むことができる。パドル要素１６０は、翼形部を形成した第１及び第２の表面１６４及び１６５を有する曲線輪郭１６２を含む。パドル要素の数、タイプ、形状及び位置は、様々な設計要件／パラメータに応じて様々なシール組立体間のみならず特定のシール組立体内のシールストリップ間でも変更することができることを理解されたい。

次に、別の例示的な実施形態によるシール組立体１８１を説明するのに図８を参照する。シール組立体１８１は、その各々がほぼ同様の長さを有する複数のシールストリップ１８３〜１８５を含む。各シールストリップ１８３〜１８５は、相当するパドル要素１８７〜１８９を含む。この図示した例示的な実施形態では、タービンケーシング部材２７は、相当する複数の陥凹領域１９７〜１９９を形成した複数の突出部１９４〜１９６を含む。加えて、タービンケーシング部材２７の表面１２８には、アブレイダブル皮膜（別個には符号付けせず）が設けられる。この構成では、各シールストリップ１８３〜１８５の先端部分（別個には符号付けせず）は、アブレイダブル皮膜内にグルーブ（図示せず）を摩擦切込みしてチャネル３８内のあらゆるギャップをさらに減少させる。パドル要素１８７〜１８９と組合せてアブレイダブル皮膜を使用することにより、チャネル３８を通る流体流れの通過がさらに阻止される。

次に、この例示的な実施形態による、シールストリップ２００を形成する方法を説明するのに図９〜図１４を参照する。第２の端部２０８まで延在する第１の端部２０６を備えた本体２０４を有する未加工シールストリップが、図９に示すような加工のために準備される。本体２０４は、シールストリップの上流表面２１０及び下流表面２１２を配向させるように配置される。ここで、第１の端部２０６に近接した本体２０４の一部分２１８が、図１０に示すような減肉ゾーン２２０を形成するように除去される。図１１は、テール領域２２２内に形成された減肉ゾーン２２０を示している。ここで、材料のタイプにより、テール領域２２２を形成するのに先立って減肉ゾーン２２０を形成する必要性が決定されることを理解されたい。テール領域２２２を形成した後に本体２０４は、例えば図１２に示すようなスペーサ３４の輪郭に相当する曲線形状に形成される。形成されると、本体２０４から付加的な材料が除去されて図１３に示すような先端部分２２５が第２の端部２０８に形成される。最後に、上流表面２１０内の、その１つを符号２２８で示す複数の領域から更なる材料が除去されて、その１つを符号２３４で示す複数のパドル要素が形成される。

ここで、この例示的な実施形態により、可動表面間でターボ機械内の流体流れを阻止するように構成されたシール組立体が得られることを理解されたい。シール組立体は、１つ又はそれ以上のシールストリップに直交流又は再循環ゾーンを形成することによって流体流れを阻止する。再循環ゾーンは、シールストリップの先端部分にバリヤを形成して、流体流れをさらに阻止する。また、この例示的な実施形態によるシール組立体は、スペーサ（固定部材）及びベーン（移動部材）間に配置された状態で示しているが、可変速度表面間の位置に据付けることができることを理解されたい。さらに、この例示的な実施形態によるシール組立体はまた、例えば互いに対して可変速度で移動する表面間でパッキンシールとして動作するものとして示しているが、平行移動するように移動可能である表面、固定部材に対して移動可能である表面又はほぼ同様の速度で回転する表面を含む様々なその他の移動可能表面間の流れを阻止するために使用することができる。つまり、シール組立体は、ブレードシール及び段間シールとして使用することを含む多様な位置に据付けることができる。さらに、シール組立体は、ガスターボ機械及び蒸気ターボ機械を含む広範囲のターボ機械モデル内に据付けることができることを理解されたい。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
１０ タービンセクション
１２ トランジションピース
１６ 第一段ブレード
１８ 第一段ローラホイール
２０ 第一段ベーン
２１、２７、３３ タービンケーシング部材
２２ 第二段ブレード
２４ ローラホイール
２６ 第二段ベーン
２８ 第三段ブレード
３０ 第三段ローラホイール
３２ 第三段ベーン
３４，３６ スペーサ
３８，４０ チャネル
４３，２２８ 圧縮機吐出領域
６０，６２，１８１ シール組立体
７４ 表面（スペーサの）
８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００ シールストリップ
８６，８７，８８，８９ グルーブ
９４，９５，９６，９７ コーキングワイヤ
１０４，２０４ 本体
１０６ 第１の／テール端部
１０７ 第２の／片持ち端部
１０８ 中間部分
１０９，１９７，１９８，１９９ 陥凹領域
１１０，１２８ 表面（陥凹領域の）
１１１ 第１の厚さ
１１３，２２０ 減肉ゾーン
１１４，２２５ 先端部分
１１５，２１０ 上流表面
１１７，２１２ 下流表面
１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４ パドル要素
１４０，１４６，１６４ 第１の表面（パドル要素の）
１４１，１４７，１６５ 第２の表面（パドル要素の）
１５６、１６２ 曲線表面
１６６ 翼形部
１９４，１９５，１９６ 突出部
２０６ 第１の端部
２０８ 第２の端部
２１８ 部分（本体の）
２２２，２２６ テール領域

Claims (9)

1. ターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）であって、当該シール組立体が、第１の部材及び第２の部材によって画成されるチャネル（３８，４０）を通って流れる流体の流れを阻止するように構成されかつ配置された複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）を含んでいて、前記複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）の少なくとも１つが、前記チャネル（３８，４０）に流体再循環ゾーンを形成するように構成されかつ配置されたパドル要素（１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４）を含んでおり、前記流体再循環ゾーンが、前記チャネル（３８，４０）を通る前記流体の流れを阻止する、ターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
2. 前記複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）の少なくとも１つが、第１の厚さ（１１１）を有する本体（１０４，２０４）により第２の端部（２０８）まで延在する第１の端部（２０６）を有し、前記本体（１０４，２０４）が、上流表面（１１５，２１０）及び下流表面（１１７，２１２）を含み、前記パドル要素（１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４）が、前記上流表面（１１５，２１０）及び下流表面（１１７，２１２）の少なくとも１つ上に配置される、請求項１記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
3. 前記複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）の１つの第２の端部（２０８）部分（２１８）が、前記第１の厚さ（１１１）よりも薄い第２の厚さをなす減肉ゾーン（１１３，２２０）を含む、請求項２記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
4. 前記パドル要素（１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４）が、前記複数のシールストリップ（８０，８１，８２，８３，１８３，１８４，１８５，２００）の１つの第２の端部（２０８）部分（２１８）から間隔を置いて配置される、請求項２記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
5. 前記パドル要素（１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４）が、矩形断面を含む、請求項１記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
6. 前記パドル要素（１２４，１４４，１５４，１６０，１８７，１８８，１８９，２３４）が曲線（１５６、１６２）断面を含む、請求項１記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
7. 前記曲線（１５６、１６２）断面が翼形部（１６６）を形成する、請求項６記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
8. 前記第１の部材が、固定部材であり、また前記第２の部材が、可動部材である、請求項１記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。
9. 前記可動部材が回転部材である、請求項８記載のターボ機械（２）シール組立体（６０，６２，１８１）。