JP2012154329A - 流体流を阻止する組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン部品間で流体流を阻止する組立体を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様では、タービン部品間で流体流を阻止する組立体が、シムと、第１の製織ワイヤメッシュ層であり、シムの第１の側に結合した第１の面及び第１の面の反対側の製織ワイヤメッシュ層の第２の面を有する第１の製織ワイヤメッシュ層とを含む。組立体はまた、製織ワイヤメッシュ層の第２の面に結合した第１の外層を含み、第１の外層は高温非金属材料を含む。
【選択図】 図３

Description

本明細書に開示されている主題は、ガスタービンに関する。より詳細には、本主題は、ガスタービンの部品間のシールに関する。

ガスタービンでは、燃焼器が、燃料又は混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、多くの場合圧縮機からの圧縮空気である流体によりタービンに伝達され、タービンで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。タービン部品間又はタービン部品間で圧縮空気が漏出すると、タービンの出力低下及び効率低下が生じる。漏出は、ガスタービンの動作中に、ある種の部品の熱膨張、及び部品間の相対運動により引き起こされる可能性がある。従って、タービン部品間でのガスの漏出を低減することにより、タービンの効率及び性能を向上させることができる。

米国特許第７２５２９０２号明細書

本発明の一態様では、タービン部品間で流体流を阻止する組立体が、シムと、シムの第１の側に結合した第１の面と第１の面の反対側の第２の面を有する第１の製織ワイヤメッシュ層とを含む。組立体はまた、第１の面の反対側の製織ワイヤメッシュ層の第２の面に結合した第１の外層を含み、第１の外層は高温非金属材料を含む。

本発明の別の態様では、ガスタービンは、第１のタービン部品と、第１のタービン部品に隣接する第２のタービン部品と、第１のタービン部品と第２のタービン部品との間に形成された空洞とを含む。ガスタービンはまた、空洞の内部に配置されたシム組立体を含み、第１のタービン部品と第２のタービン部品との間で流体流を阻止し、シム組立体は、金属シム部材上に配設された高温非金属層を含む。

これらの且つ他の利点及び特徴が、図面と共に以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の最後に、特許請求の範囲において具体的に示され、明確に特許請求されている。本発明の上記の且つ他の特徴及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかである。

燃焼器と、燃料ノズルと、圧縮機と、タービンとを含む、ガスタービンエンジンの実施形態の概略図である。 高温ガス経路に沿って部品を含む、ガスタービンの一部分の実施形態の側面図である。 シール組立体の実施形態の断面側面図である。 シール組立体の別の実施形態の断面側面図である。

詳細な記載により、図面に関する例示として、本発明の実施形態が、利点及び特徴と共に説明される。

図１は、ガスタービンシステム１００の実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２と、燃焼器１０４と、タービン１０６と、シャフト１０８と、燃料ノズル１１０とを含む。ある実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２と、複数の燃焼器１０４と、複数のタービン１０６と、複数のシャフト１０８と、複数の燃料ノズル１１０とを含むことができる。圧縮機１０２とタービン１０６とは、シャフト１０８で連結される。シャフト１０８は、単一シャフトでもよいし、複数のシャフトセグメントを互いに連結してシャフト１０８としたものであってもよい。

ある態様では、燃焼器１０４は、天然ガス若しくは水素リッチ合成ガスなどの液体燃料及び／又は気体燃料を使用して、エンジンを作動させる。例えば、燃料ノズル１１０は、空気源及び燃料源１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、混合気を作り出し、その混合気を燃焼器１０４内に放出し、それにより、加圧ガスを熱する燃焼を生じさせる。燃焼器１０４は、トランジションピースを通して高温排出ガスをタービンノズル（又は「段１のノズル」）内に方向付け、次に、タービンバケットが、タービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転によりシャフト１０８が回転し、それにより、空気が圧縮機１０２内に流入するとそれを圧縮する。タービン部品又はタービン部品は、ガスの漏出を防止すると同時に部品の熱膨張及び相対運動を可能にするように構成されたシール又はシール組立体により接合される。具体的には、タービン部品間での圧縮ガス流の漏出を低減することにより、所望の経路に沿って流動する高温ガスが増大し、高温ガスのより多くから仕事が抽出されることが可能になり、結果としてタービン効率の向上につながる。タービン部品間に配置するためのシール又はシール組立体は、図２〜図４を参照して、以下で詳細に検討される。

図２は、高温ガス２０２の経路又は流動に沿った部品を示す、ガスタービン２００の一部分の実施形態の側面図である。ガスタービン２００は、ノズル２０４と、バケット２０６（「ブレード」又は「ベーン」とも呼ばれる）と、ノズル２０８と、シュラウド２１０とを含み、高温ガス２０２は、ベーン又は翼形ノズル及びバケット２０６を通過して流動し、軸２１２を中心にロータを回転させる。図示の通り、バケット２０６及びシュラウド２１０は、２つのステータ間のロータ組立体の一部であり、ステータ組立体は、ノズル２０４及び２０８を含む。ノズル２０４及びバケット２０６は、段１の部品として記載されており、一方、ノズル２０８は、タービン２００の段２の部品である。ノズル２０８は、ステータ組立体のダイヤフラム２１４上に配置される。シール組立体２１６は、少なくとも部分的にダイヤフラム２１４内に配置されており、バケット２０６とノズル２０４及び２０８とを含む経路からの高温ガス２０２の漏出を防止する。シール組立体２１６は、軸２１２を中心に円周方向に配置される、隣接するダイヤフラム部品間に配置される。ガスタービン２００は、所望の流路からの高温ガス２０２の漏出を防止するために、隣接する部品間に配置された複数のシール組立体２１６を含むことができる。例示的タービン部品には、ステータ部品と、ロータ部品と、トランジションピース部品とが含まれる。

図３は、隣接するタービン部品又はタービン部品２１４、３００間に配置されたシール組立体２１６の側面断面図である。シール組立体２１６は、タービン部品２１４、３００間に形成された空洞３０２内に配置される。シール組立体２１６は、シム３０４と、第１の層３０６と、第２の層３０８と、外層３１０とを含む。ある実施形態では、シム３０４は、金属合金、ステンレス鋼又はニッケル基合金などの高温材料から形成された部材である。シム３０４部材は、二面を有する中間部分と持ち上がった長手方向縁部とを含み、層３０６及び３０８を配置するために、持ち上がった長手方向縁部により凹部が形成される。第１の層３０６及び第２の層３０８はそれぞれ、金属製製織ワイヤメッシュ又は布金属材料（cloth metallic material）を含む。図示の通り、第１の層３０６及び第２の層３０８は、シム３０４の各面又は各側に配置される。第１の層３０６と第２の層３０８とは、溶接、ろう付け又は高温接着剤などの高温結合により、互いに且つシム３０４と結合される。外層３１０は、シール組立体２１６の封止を向上させるように構成される高温非金属材料を含む。一実施形態では、外層３１０は、雲母系材料又は黒鉛系材料を含む。

態様では、シール組立体２１６は、シム３０４の一面上に配置された第１の層３０６と、第２の層３０８と、外層３１０とを含む。更に、シール組立体の別の実施形態が、シム３０４の一面又は両面上に配置された第１の層３０６と外層３１０とを含み、第２の層３０８は含まれていない。更に別の実施形態では、第１の層３０６又は第２の層３０８なしで、外層３１０はシム３０４上に配置される。外層３１０は、高温接着剤又は高強度耐久性ファスナ（high strength durable fastener）などの任意の適切な高温耐性機構（high temperature-resistant mechanism）により、シール組立体２１６の部品と結合される。或いは、シム３０４の１つ以上の部分を、外層３１０を実質的に取り囲む又は拘束するように巻き付けることができる。ある実施形態では、高温ガスがガスタービン２００（図２）を通過して流動すると、ガス流はシール組立体２１６に圧力をかけて、方向３１２に移動させ、タービン部品２１４及び３００と接触させる。更に、部品２１４及び３００に接触すると、外層３１０の高温非金属材料は、シール組立体２１６と部品２１４及び３００との間の実効間隙を減少させることにより、シール組立体２１６を通過するガス流を減少させる。

図４は、隣接するタービン部品又はタービン部品４０８、４１０間に配置された例示的シール組立体４００の側面断面図である。シール組立体４００は、タービン部品４０８、４１０間に形成された空洞４０２内に配置される。シール組立体４００は、基層４０６上に配設された外層４０４を含む。外層４０４は、シール組立体４００の封止を向上させるように構成される高温非金属材料を含む。一実施形態では、外層４０４は、雲母系材料又は黒鉛系材料を含む。基層４０６は、金属合金、ステンレス鋼又はニッケル基合金などの高温材料を含む。外層４０４は、高温接着剤又は高強度ファスナなどの任意の適切な高温耐性機構により、基層４０６に結合される。ある実施形態では、高温ガスがガスタービン２００（図２）を通過して流動すると、ガス流はシール組立体４００に圧力をかけて、方向４１２に移動させ、タービン部品４０８及び４１０と接触させる。部品４０８及び４１０に接触すると、外層４０４の高温非金属材料は、部品間の実効間隙を減少させ、シール組立体４００を通過するガス流を減少させる。例示的外層４０４は、華氏約７００度（摂氏約３７１．１度）より高いなどの高温で部品間にシールをもたらすように構成される非金属材料である。

図３及び図４に示されている通り、外層３１０及び４０４の高温非金属材料は、シール組立体２１６及び４００を通過する流体流を減少させる。高温非金属材料層は、シム３０４及び網層３０６、３０８並びに基層４０６を含むものなどの任意のタイプの静止部品−静止部品シール（static-static seal）の１つ以上の側に配設される。タービン部品（２１４、３００、４０８、４１０）に接触すると外層３１０及び４０４によりもたらされる向上した接触及び封止によって、タービン２００（図２）を通過して流動する高温ガスを含む流体流が減少する。更に、シム３０４及び基層４０６の例示的実施形態が、外層３１０及び４０４がシム３０４及び基層４０６上にそれぞれ配設された実質的に剛性の金属体と見なされてもよい。図３に示されている通り、外層３１０は、第１の層３０６及び第２の層３０８などの１つ以上の層上に配設される。図３及び図４に示されている通り、シール組立体２１６及び４００は、１つ以上のタービン部品（２１４、３００、４０８、４１０）に封止係合して、空洞３０２及び４０２を通過する流体流を阻止するように構成される。例えば、シール組立体２１６は、タービン部品２１４及び３００の内壁３１４に接触して、流体流を阻止するか又は減少させてもよい。実施形態では、高温非金属材料は、高温でも実質的に不透過性であり、それにより、タービン部品との接触面積が改善され、結果的にシールが向上する。シール組立体２１６の封止の有効性が高まるのは、実効漏出領域が非金属材料により減少することによる。実効漏出領域の減少は、高温非金属材料層の接触面積がより大きく、変形が少ないことによる。

本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことが、容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、上述されていないが本発明の精神及び範囲に相応する、任意の数の変形形態、修正形態、置換形態又は等価の装置を組み込むように修正されることが可能である。更に、本発明の種々の実施形態を記載したが、本発明の態様は、記載された実施形態のいくつか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、上記記載により限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１００ ガスタービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ シャフト
１１０ 燃料ノズル
１１２ 燃料源
２００ ガスタービン
２０２ 高温ガス
２０４、２０８ ノズル
２０６ バケット
２１０ シュラウド
２１２ 軸
２１４ ダイヤフラム、タービン部品／タービン部品
２１６、４００ シール組立体
３００、４０８、４１０ タービン部品／タービン部品
３０２、４０２ 空洞
３０４ シム
３０６ 第１の層、網層
３０８ 第２の層、網層
３１０、４０４ 外層
３１２、４１２ 方向
３１４ （タービン部品の）内壁
４０６ 基層

Claims (10)

1. タービン部品（２１４、３００、４０８、４１０）間で流体流を阻止する組立体であって、
   シム（３０４）と、
   前記シム（３０４）の第１の側に結合した第１の面、及び前記第１の面の反対側の第２の面を含む第１の製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）と、
   前記製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）の前記第２の面に結合され、高温非金属材料を含む第１の外層（３１０）と
   を含む、組立体。
2. 前記第１の製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）が、１つ以上の製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）を含む、請求項１記載の組立体。
3. 前記シム（３０４）が、持ち上がった長手方向縁部を有する部材を含み、前記持ち上がった長手方向縁部が、前記シム（３０４）の前記第１の側に１つ以上の凹部を形成する、請求項１記載の組立体。
4. 前記組立体が、前記タービン部品（２１４、３００、４０８、４１０）に封止係合し、それにより前記流体流を阻止するように構成されている、請求項１記載の組立体。
5. 前記第１の側の反対側の前記シム（３０４）の第２の側に結合した第１の面を含む第２の製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）を含む、請求項１記載の組立体。
6. 前記第２の製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）の第２の面に結合した第２の外層を含み、前記第２の面が、前記第２の製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）の前記第１の面の反対側にあり、前記第２の外層が、前記高温非金属材料を含む、請求項５記載の組立体。
7. 前記高温非金属材料が雲母系材料を含む、請求項１記載の組立体。
8. 前記高温非金属材料が黒鉛系材料を含む、請求項１記載の組立体。
9. 前記第１の製織ワイヤメッシュ層（３０６）が、前記シム（３０４）の各側に配設された複数の金属製製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）を含み、前記金属製製織ワイヤメッシュ層（３０６、３０８）が、前記第１の外層と前記シム（３０４）との間に配設される、請求項１記載の組立体。
10. 前記シムが実質的に剛性の金属体を含む、請求項１記載の組立体。