JP2012117670A - ターボ機械用のクロスシール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、タービン部品（９０、９１）で使用するクロスシール（１００）を提供する。
【解決手段】本クロスシール（１００）は、幾つかのクロス層（１１０）と、クロス層（１１０）間に配置されたシム（１４０）と、クロス層（１１０）の端部（１９０）に配置されて、該クロス層（１１０）の少なくとも１つを通る漏洩流路（２１０）を封鎖する端部シール（１８０）とを含むことができる。
【選択図】 図４

Description

本出願は、総括的にはガスタービンエンジンのようなターボ機械に関し、より具体的には、複数のタービン部品間で使用する、そこを通り抜ける端部ギャップ漏洩を減少させるクロスシールに関する。

一般的に説明すると、ガスタービンエンジン及び同様のもののようなターボ機械は、それを通る主ガス流路を含む。主ガス流路は一般的に、ガス吸入口、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口を含む。ガス流路外への又はガス流路内への両方向へのガス漏洩は、全体エンジン性能にとって不利益なものとなる可能性がありまた一般的にその他の点でも望ましくない。ガス通路漏洩は、ガスタービンエンジンの効率を低下させ、燃料コストを増大させかつエミッションレベルを増加させるおそれがある。

ガスタービンエンジン内で二次ガス流れを使用して、様々な加熱部品を冷却することができる。具体的には、ガスタービンエンジンにおける圧縮機の後段から抽出した冷却空気は、該ガスタービンエンジン内の部品を冷却するために、また隣接する部品間のギャップ及び空洞をパージするために使用することができる。隣接する部品間のスロット内にクロスシール（cloth seal）を取付けて、抽出した二次流れの量を該二次流れの高温ガス通路内への漏洩を調量することによって制御することができる。それ故に、クロスシールは、高温ガスの吸込み並びにシュラウド、ノズル及び同様のもののようなタービン部品の過熱を防止するのに必要な冷却及びパージ空気の量を制御するために広く使用される。従って、クロスシールは、タービンエンジン運転時における典型的な熱的及び機械的過渡状態に適応するために必要である隣接するタービン部品（シュラウド／シュラウド、シュラウド／ノズルなど）間のギャップをシールすることができる。クロスシールは、これらのギャップを効果的にシールすると同時に、犠牲クロスシールの存在により良好な耐摩耗性を示すという二重の利点をもたらす。

従って、クロスシール自体を通り抜ける漏洩を減少させることにより、圧縮機段から抽出する二次流れの量を減少させることができる。同様に、クロスシールを通り抜ける漏洩の減少は、タービンの全体熱効率及び出力の向上をもたらすことができる。クロスシールにわたる漏洩は一般的に、２つの領域において、つまり
（１）クロスシールの長さにわたって延在する金属シムの下方からの漏洩、並びに
（２）クロスシールの端部及び嵌合スロットの端部間のギャップを通しての漏洩、
として認めることができる。

後者の部分が、典型的なクロスシールにおいて大半を占め、またそこを通り抜ける全漏洩の７５％ほどにもなる可能性がある。端部ギャップを減少させることは、組立上の配慮事項、公差の積重ね、及び隣接する部品間で発生可能性がある相対運動に適応する必要性により、実現可能とすることができない。端部ギャップ漏洩の一部分は、２つのタービン部品間の間隙ギャップを通って移動するが、漏洩の大部分は、シール長さに沿って多孔性底面クロス層を通り抜けて広がりかつ最終的に間隙ギャップを通って漏洩する可能性がある。この多孔性底面クロス層を通り抜ける漏洩は、そこを通り抜ける全漏洩の約半分にもなる可能性がある。

米国特許第７，３６７，５６７号明細書

従って、クロスシール設計の改良に対する要望が存在する。それらの改良型の設計では、特に多孔性底面クロスを通り抜ける端部ギャップ漏洩を制限することができる。そこを通り抜ける漏洩を減少させることにより、概してガスタービンエンジンの全体効率及び出力を向上させることができる。

従って、本発明は、タービン部品で使用するクロスシールを提供する。本クロスシールは、幾つかのクロス層と、クロス層間に配置されたシムと、クロス層の端部に配置されて、該クロス層の少なくとも１つを通る漏洩流路を封鎖する端部シールとを含むことができる。

本発明はさらに、タービン部品で使用するクロスシールを提供する。本クロスシールは、幾つかのクロス層と、クロス層間に配置されたシムと、クロス層の端部に配置されて、該クロス層の少なくとも１つを通る漏洩流路を封鎖する端部シーリング手段とを含むことができる。

本発明はさらに、タービン部品で使用するクロスシールを提供する。本クロスシールは、上部クロス層と、下部クロス層と、上部クロス層及び下部クロス層間に配置されたシムと、上部クロス層及び下部クロス層の端部に配置されて、それらを通る漏洩流路を封鎖する１つ又はそれ以上の端部フランジシールと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。 公知のクロスシールの部分斜視図。 タービン部品間に配置された公知のクロスシールの部分斜視図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールの部分斜視図。 図４のクロスシールの拡大部分斜視図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールの別の実施形態の部分斜視図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールのさらに別の実施形態の側面断面図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールのさらに別の実施形態の側面断面図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールのさらに別の実施形態の側面断面図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールのさらに別の実施形態の側面断面図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールのさらに別の実施形態の側面断面図。 本明細書で説明することができるようなクロスシールのさらに別の実施形態の側面断面図。

次に、同じ参照符号が幾つかの図全体を通して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のような回転機械の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入空気２０の流れを加圧する。圧縮機１５は、加圧空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、加圧空気２０の流れを加圧燃料３０の流れと混合しかつその混合気を点火燃焼させて、燃焼ガス３５の流れを形成する。単一の燃焼器２５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２５を含むことができる。燃焼ガス３５の流れは次に、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０内で生成された機械的仕事は、圧縮機１５並びに発電機及び同様のもののような外部負荷４５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／又は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１０は、ニューヨーク州スケネクタディ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって売り出されている幾つかの異なるガスタービンエンジン及び同様のものの１つ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部品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もまた使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン１０、その他のタイプのタービン及びその他のタイプの発電装置を共に使用することができる。本明細書では、その他のタイプの回転機械もまた使用することができる。

図２は、公知のクロスシール５０の実施例を示している。クロスシール５０は、幾つかのクロス層５５を含むことができる。クロス層５５は、織物金属クロス製とすることができる。クロス層５５はまた、複合材、セラミックス及びそれらの組合せを含むことができる。この実施例では、上部クロス層６０は、シム７０により下部クロス層６５から分離することができる。シム７０は、ステンレス鋼又はその他のタイプの材料で製造することができる。シム７０は、ほぼクロスシール５０の長さ及び幅に沿って延在することができる。シム７０はまた、クロス層５５の側部から延在する幾つかの側部フランジ７５を含むことができる。側部フランジ７５は、直線脚部８０及び弓形脚部８５を含むことができる。本明細書では、その他の形状も使用することができる。クロス層５５は、シム７０に対してスポット溶接するか又はその他の方法で取付けることができる。本明細書では、複数のシム層もまた使用することができる。クロスシール５０は、あらゆる所望の寸法又は形状を有することができる。その他のタイプ及びその他の構成のクロスシール５０も公知であると言える。

図３は、幾つかのタービン部品、つまり第１の部品９０及び第２の部品９１内における公知のクロスシール５０の使用を示している。各部品９０、９１は、その中にクロスシール５０を備えたスロット９２と、それらの間のスロットギャップ９３とを有する。部品９０、９１は、シュラウド、ノズル、又はあらゆるタイプの隣接する部品とすることができる。上記したように、側部漏洩通路９４が、クロスシール５０の側部フランジ７５及び部品９０、９１のスロット９２の壁間に延在する可能性があり、端部漏洩通路９５が、端部ギャップ（シール及び嵌合スロット間の）におけるスロットギャップ９３の周りに延在する可能性があり、また第２の端部漏洩通路９６が、クロスシール５０の下部クロス層６５を通って延在する可能性がある。下部クロス層６５を通る第２の端部漏洩通路９６は、そこを通り抜ける全漏洩の約半分となる可能性がある。

図４及び図5は、本明細書で説明することができるようなクロスシール１００を示している。上記したものと同様に、クロスシール１００は、幾つかのクロス層１１０を含むことができる。この実施例では、上部クロス層１２０及び下部クロス層１３０を使用することができる。本明細書では、あらゆる数のクロス層１１０を使用することができる。シム１４０が、上部クロス層１２０及び下部クロス層１３０を分離することができる。シム１４０は、ほぼクロスシール１００の長さ及び幅に沿って延在することができる。シム１４０は、ステンレス鋼又はその他のタイプの材料で製造することができる。シム１４０はまた、幾つかの側部フランジ１５０を含むことができる。この実施例では、側部フランジ１５０は、直線脚部１６０及び弓形脚部１７０を含むことができる。本明細書では、その他の形状も使用することができる。クロス層１１０は、シム１４０に対してスポット溶接するか又はその他の方法で取付けることができる。本明細書では、複数のシム層もまた使用することができる。クロスシール１００は概して、あらゆる所望の寸法又は形状を有することができる。その他のタイプ及びその他の構成のクロスシール１００も公知であると言える。

この実施例では、クロスシール１００はまた、その一方又は両方の端部１９０に端部シール１８０を含むことができる。具体的には、端部シール１８０は、端部フランジシール２００の形態を取ることができる。シム１４０は、クロスシール１００のクロス層１１０及び端部フランジシール２００の端部を越えて延在することができる。端部フランジシール２００は、幾分不完全な上向き「Ｕ字」形状を備えた実質的湾曲形状部２０５を有することができる。ここでは、湾曲形状部２０５は、スタンプ加工又は型加工することができる。端部フランジシール２００は主として、下部クロス層１３０を覆う。端部フランジシール２００はまた、嵌合スロットの端部壁に接触することができる。従って、端部フランジシール２００は、端部１９０において下部クロス層１３０を封鎖して、該下部クロス層１３０を通る漏洩流路２１０を制限する。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

漏洩流路２１０には、少なくとも上記の端部漏洩通路９６並びに側部漏洩通路９４及び端部漏洩通路９５が含まれる。端部フランジシール２００は、スロット９２内の可変寸法（公差変動及び同様のものによる）の端部ギャップ２１５を同様に少なくとも部分的にシールしてスロット９２及び端部ギャップ２１５の変動と無関係に一定のシール作用を達成することができるように、幾分コンプライアント（柔軟性を有する状態）にすることができる。

図６は、端部シール１８０を備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール２２０の別の実施形態を示している。この実施例では、端部シール１８０は、端部フランジシール２３０の形態を取ることができる。シム１４０は、クロスシール２２０のクロス層１１０及び端部フランジシール２３０の端部を越えて延在することができる。端部フランジシール２３０は、実質的平坦下向き屈曲形状部２３５を有することができる。平坦下向き屈曲形状部２３５は、約９０°又はその程度の屈曲を含むことができる。本明細書では、その他の形状及び角度を使用することができる。従って、端部フランジシール２３０の平坦下向き屈曲形状部２３５は、下部クロス層１３０及びそれを通る漏洩流路２１０を覆いかつシールする。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図７は、端部シール１８０を備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール２４０の別の実施形態を示している。この実施例では、端部シール１８０は、クロスシール２４０の端部１９０の１つ又はそれ以上にわたり配置された１つ又はそれ以上の端部シムシール２５０を含むことができる。端部シムシール２５０は、クロスシール２４０に対して溶接するか又はクロスシール２４０の端部１９０に対してその他の方法で締結することができる。端部シムシール２５０は、クロスシール２４０のそれらと同様のおよその高さ及び幅を有することができる。端部シムシール２５０は、金属、セラミックス及び同様のもので製造してそれを通る漏洩流路２１０を妨げることができる。

図８は、端部シールを備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール２６０のさらに別の実施形態を示している。この実施例では、クロスシール２６０は、２つ又はそれ以上のシム２７０を含むことができる。シム２７０の一方又は両方は、その上に端部フランジシール２８０の形態の端部シール１８０を含むことができる。端部フランジシール２８０は、上向き及び下向き屈曲形状部２９０を含むことができる。第１のシム３００は、上向き屈曲形状部３０５を備えた端部フランジシール２８０を有することができ、一方、第２のシム３１０は、下向き屈曲形状部３１５を備えた端部フランジシール２８０を有することができる。屈曲形状部２９０は、実質的に湾曲した又は平坦なものとすることができる。従って、端部フランジシール２８０は、上部クロス層１２０及び下部クロス層１３０の両方を覆ってそれらを通る漏洩流路２１０を封鎖するようにすることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図９は、端部シール１８０を備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール３２０のさらに別の実施形態を示している。この実施例では、端部シール１８０は、クロスシール３２０の端部１９０に配置された１つ又はそれ以上のクリップシール３３０の形態を取ることができる。クリップシール３３０は、端部シムシール２５０及び上記したのと同様な状態で機能して、それらを通る漏洩流路２１０を封鎖するようにすることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図１０は、端部シール１８０を備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール３４０のさらに別の実施形態を示している。この実施例では、１つ又はそれ以上のコンプライアントシール３５０は、クロスシール３４０の端部１９０に配置しかつ支持構造体の端部壁３４５と接触させることができる。この実施例では、コンプライアント「Ｃ字」シール３６０も使用することができる。本明細書では、ロープシール、「Ｗ字」シール及び同様のものを含むその他のタイプのコンプライアントシール３５０を使用してそれらを通る漏洩流路２１０を封鎖するようにすることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図１１は、端部シール１８０を備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール３７０のさらに別の実施形態を示している。この実施例では、端部シール１８０は、クロスシール３７０の端部１９０に取付けられて、それを通る漏洩流路２１０を封鎖する耐熱シーラント３８０を含むことができる。本明細書では、あらゆるタイプの耐熱シーリング材料を使用してクロス層１１０の多孔性を封鎖するか又は少なくとも減少させることができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

図１２は、端部シール１８０を備えた、本明細書で説明することができるようなクロスシール３９０のさらに別の実施形態を示している。この実施例では、端部シール１８０は、クロスシール３９０の端部１９０に延長シム４００を含むことができる。延長シム４００は、端部ギャップ２１５内に延在してそれを通る漏洩流路２１０を封鎖するようにすることができる。延長シム４００は、組立てのために上向きに屈曲させることができる。延長シムは、スプリングバックして端部壁に接触することができる。端部壁に対する高い圧力は、接触を保証しかつそれを通り抜ける漏洩を防止する。本明細書では、その他の構成も使用することができる。

従って、本明細書に説明した端部シール１８０の使用により少なくとも下部クロス層３１０を通り抜ける漏洩を減少させて、全体システム性能及び効率を向上させるようにすることができる。従って、本明細書に説明した端部シール１８０の様々な実施形態は、クロスシール１００を通る漏洩流路２１０を封鎖してより低い二次流れの抽出を可能にする。クロスシール１００を通り抜ける全体漏洩は、５０％又はそれ以上ほど減少させることができる。スロット９２間の端部ギャップ２１５を通り抜ける漏洩もまた減少させることができる。本明細書では、複数タイプの端部シール１８０を共に使用することができる。本明細書では、その他の構成も使用することができる。クロスシール１００は、ガス通路の周りに配置されたあらゆるタイプの隣接する部品で使用することができる。

上記の様々な端部シーリング手段に加えて、本明細書に含まれるその他の手段もクロスシール１００の多孔性を減少させることに関連する。例えば、端部１９０は、切断しかつ次に所望の寸法に研削することができる。好適な研削プロセスによりクロス層１１０のシャープなワイヤを「キノコ状にする」か又は端部１９０における大きな寸法を生じるように変形させ、それによってワイヤ間のギャップを減少させることができる。端部１９０における多孔性を減少させるその他の方法もまた使用することができる。例えば、充填材料を毛管現象によりワイヤ間に注入しかつロウ付けすることができる。さらに、端部１９０は、耐熱シーラントを含浸させかつ次に焼結することができる。上記のように、シーラントには、市販耐熱セラミック−金属パテ及び耐熱接着剤を含むことができる。様々なタイプの溶接法もまた使用することができる。特定のケースにおけるそのような方法は、機械的シールの付加よりも良好な底面クロス層１３０を通り抜ける端部ギャップ漏洩の防止を可能にすることができる。この多孔性の減少は、シールの端部から２つのクロス層厚さの１つの厚さの深さまで延在するようにすることができる。その深さをより深くする必要はなく、またその深さをより深くすることは、クロス層のコンプライアント性を大幅に低下させるおそれがある。

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
１５ 圧縮機
２０ 空気の流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料の流れ
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ 負荷
５０ クロスシール
５５ クロス層
６０ 上部クロス層
６５ 下部クロス層
７０ シム
７５ 側部フランジ
８０ 直線脚部
８５ 弓形脚部
８７ スポット溶接部
９０ 第１の部品
９１ 第２の部品
９２ スロット
９３ スロットギャップ
９４ 側部漏洩通路
９５ 端部漏洩通路
９６ 第２の端部漏洩通路
１００ クロスシール
１１０ クロス層
１２０ 上部クロス層
１３０ 下部クロス層
１４０ シム
１５０ 側部フランジ
１６０ 直線脚部
１７０ 弓形脚部
１８０ 端部シール
１９０ 端部
２００ 端部フランジシール
２０５ 湾曲形状部
２１０ 漏洩流路
２１５ 端部ギャップ
２２０ クロスシール
２３０ 端部フランジシール
２３５ 平坦形状部
２４０ クロスシール
２５０ 端部シムシール
２６０ クロスシール
２７０ シム
２８０ 端部フランジシール
２９０ 屈曲形状部
３００ 第１のシム
３０５ 上向き屈曲形状部
３１０ 第２のシム
３１５ 下向き屈曲形状部
３２０ クロスシール
３３０ クリップシール
３４０ クロスシール
３４５ 端部壁
３５０ コンプライアントシール
３６０ Ｃ字形シール
３７０ クロスシール
３８０ 耐熱シーラント
３９０ クロスシール
４００ 延長シム

Claims (15)

1. タービン部品（９０、９１）で使用するクロスシール（１００）であって、
   複数のクロス層（１１０）と、
   前記複数のクロス層（１１０）間に配置されたシム（１４０）と、
   前記複数のクロス層（１１０）の端部に配置されて、該複数のクロス層（１１０）の少なくとも１つを通る漏洩流路（２１０）を封鎖する端部シール（１８０）と
   を備えるクロスシール（１００）。
2. 前記複数のクロス層（１１０）が上部クロス層（１２０）及び下部クロス層（１３０）を含み、前記端部シール（１８０）が、前記下部クロス層（１３０）を通る前記漏洩流路（２１０）を封鎖する、請求項１記載のクロスシール（１００）。
3. 複数の端部シール（１８０）をさらに含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
4. 前記複数の端部シール（１８０）が複数の異なる端部シール（１８０）を含む、請求項３記載のクロスシール（１００）。
5. 前記端部シール（１８０）が端部フランジシール（２００）を含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
6. 前記端部フランジシール（２００）が前記シム（１４０）から延在する、請求項５記載のクロスシール（１００）。
7. 前記端部フランジシール（２００）が端部ギャップ（２１５）内に延在する、請求項５記載のクロスシール（１００）。
8. 前記端部フランジシール（２００）が実質的湾曲形状部（２０５）を含む、請求項５記載のクロスシール（１００）。
9. 前記端部フランジシール（２００）が実質的平坦形状部（２３５）を含む、請求項５記載のクロスシール（１００）。
10. 複数のシム（１４０）をさらに含み、前記複数のシム（１４０）の各々がその上に前記端部フランジシール（２００）を含む、請求項５記載のクロスシール（１００）。
11. 前記端部シール（１８０）が端部シムシール（３１０）を含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
12. 前記端部シール（１８０）がクリップシール（３３０）を含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
13. 前記端部シール（１８０）が、実質的コンプライアントシール（３５０）を含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
14. 前記端部シール（１８０）が、前記複数のクロス層（１１０）の少なくとも１つに適用された耐熱シーラントを含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
15. タービン部品（９０、９１）で使用するクロスシール（１００）であって、
    複数のクロス層（１１０）と、
    前記複数のクロス層（１１０）間に配置されたシム（１４０）と、
    前記複数のクロス層（１１０）の端部（１９０）に配置されて、該複数のクロス層（１１０）の少なくとも１つを通る漏洩流路（２１０）を封鎖する端部シーリング手段（１８０）と
    を備えるクロスシール（１００）。