JP2013139770A - タービンシュラウドのための前方ステップハニカムシール - Google Patents

Abstract

【課題】
ガスタービンエンジンでの使用に適する改善されたシールを提供すること。
【解決手段】
本発明は、
ガスタービンエンジンの段落を提供する。この段落は、バケット、バケットに対向するシュラウド、及びシュラウド上の前方ステップハニカムシールを含むことができる。前方ステップハニカムシールは、前方ステップ部及び１以上の直線部を含むことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的にはガスタービンエンジンに関し、詳細には、漏れ及び全体修理費が低減されたタービンシュラウドのための前方ステップハニカムシールに関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、高温燃焼ガス流を生成する燃焼器を含む。高温燃焼ガスは、タービンに案内される。高温燃焼ガスはタービン翼に回転力を与えて機械エネルギを生成する。タービン翼は、タービンケーシング等に密接に近接して回転する端部を含む。タービン翼の先端部がタービンケーシングに近づくに従って、そこでのエネルギ損失が低減する。特に、バケット先端レールとタービンケーシングとの間の間隙が比較的大きい場合、高エネルギの燃焼ガスが有効仕事をすることなく逃げる可能性がある。この間隙を低減すると、燃焼ガスの大部分の熱エネルギが機械エネルギに確実に変換されて、大きな出力及び高い全体効率がもたらされる。

米国特許出願公開第２０１１／００８５８９３号明細書

従って、ガスタービンエンジンでの使用に適する改善されたシールに対する要望がある。好ましくは、この改善されたシールにより、全体的に高い効率を可能にしながら少ない修理及び安い修理費でもって高い効率及び少ない漏れが可能になる。

本発明は、ガスタービンエンジンの段落を提供する。この段落は、バケット、バケットに対向するシュラウド、及びシュラウド上の前方ステップハニカムシールを含むことができる。前方ステップハニカムシールは、前方ステップ部及び１以上の直線部を含むことができる。

本発明は、タービン段落を改良する方法を提供する、本方法は、複数の突出部を備えるシュラウドをタービン段落から取り外す段階と、置換シュラウド上に前方ステップハニカムシールを配置する段階と、置換シュラウドをタービン段落に配置する段階と、シュラウドとバケットとの間の空隙を前方ステップハニカムシールで遮る段階とを含むことができる。

本発明は、ガスタービンエンジンの段落を提供する。この段落は、バケット、バケットに対向するシュラウド、及びシュラウド上の前方ステップハニカムシールを含むことができる。前方ステップハニカムシールは、前方ステップ部、第１の直線部、及び第２の直線部を備え、前方ステップ部はオフセット位置を有する。

本発明のこれら及び他の特徴は、当業者には図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。 公知のハニカムシールを備えるタービン段落の一部の側面図。 本明細書に記載の例示的な前方ステップハニカムシールを備えるタービン段落の側面図。 本明細書に記載の別の例示的な前方ステップハニカムシールを備えるタービン段落の側面図。 本明細書に記載の更に別の例示的な前方ステップハニカムシールを備えるタービン段落の側面図。 本明細書に記載の更に別の例示的な前方ステップハニカムシールを備えるタービン段落の側面図。 本明細書に記載の更に別の例示的な前方ステップハニカムシールを備えるタービン段落の側面図。

複数の図面を通して同じ参照番号が同じ部品を言及する図面を参照すると、図１は、本明細書で使用するようなガスタービンエンジン１０の概略図を示す。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は吸入空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気流２０を燃焼器２５へ供給する。燃焼器２５は、圧縮空気流２０を加圧燃料流３０と混合して、混合気に点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス流３５は、次にタービン４０に供給される。燃焼ガス流３５は、機械仕事をもたらすようにタービン４０を駆動する。タービン４０がもたらす機械仕事は、軸４５によって圧縮機１５及び発電機等の外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々の種類のシンガス、及び／又は他の種類の燃料を含むことができる。ガスタービンエンジン１０は、米国ニューヨーク州スケネクタディ所在のゼネラルエレクトリック社から提供される、限定されるものではないが７又は９列高出力ガスタービンエンジン等を含む、多数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成とすることができ、他の形式の構成要素を使用できる。本明細書では他の形式のガスタービンエンジンを使用することもことができる。また、本明細書では、多様なガスタービンエンジン、他の形式のタービン、他の形式の発電装置を一緒に使用できる。

図２は、タービン段落５５の一部を示す。タービン段落５５は、前述のタービン４０等の一部とすることができる。本実施例では、タービン段落５５は、タービン４０の第２段６０とすることができる。本明細書では、他の段落５５を使用できる。タービン段落５５は、複数のバケット６５を含むことができる。各バケット６５は、翼形部７０を含むことができる。翼形部７０は、先端シュラウド７５で終端する。一対の先端レール又は突出部は、先端部７５から延びることができる。本実施例では、第１の突出部８０及び第２の突出部８５を使用できる。本明細書では、任意数の突出部を使用できる。バケット６５は、概して従来デザインとすることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

バケット６５は、シュラウド９０内に収容できる。シュラウド９０は、複数のセグメントの形態とすることができる。また、シュラウド９０の各セグメントは、バケット６５に向かって延びる複数の突出部を含むことができる。本実施例において、３つの突出部又はラビリンス歯が示されており、第１の突出部９１、第２の突出部９２、及び第３の突出部９３である。任意数の突出部９１、９２、９３を使用することができる。シュラウド９０の突出部９１、９２、９３、及びバケット６５の突出部８０、８５は、バケット６５とシュラウド９０との間の通路又は間隙９４を通る高温燃焼ガスの漏れをシールするように機能する。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

また、ハニカムシール９５は、シュラウド９０上に配置することができる。本実施例において、ハニカムシール９５は、第１のハニカムシール部材９６及び第２のハニカムシール部材９７を含むことができる。本明細書では、任意数のハニカムシール部材９５を使用することができる。第１のハニカムシール部材９６は、第１の突出部９１と第２の突出部９２との間に配置することができるが、第２のハニカムシール部材９７は、第２の突出部９２と第３の突出部９３との間に配置することができる。ハニカムシール部材９６、９７は、全体的には直線状で均一な形状とすることができる。ハニカムシール部材９６、９７は、変形可能な材料から作ることができる。ハニカムシール部材９６、９７は、バケット６５の突出部８０、８５と対向して突出部８０、８５上の間隙９４を低減し、バケット先端シュラウド７５を通る高温燃焼ガスの漏れを低減する。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

従って、シュラウド９０のハニカムシール９５は、突出部９１、９２、９３、及びハニカムシール部材９６、９７を利用してバケット先端７５上の漏れを低減する。しかしながら、所定時間及び長期運転の後で、突出部９１、９２、９３は酸化する傾向にあるので、破損又は機能しなくなる場合がある。従って、ここを通る漏れ流が増えるので、ハニカムシール９５及び全段落５５の全体的な性能が低下する場合がある。

図３は、本明細書で記載するようなタービン段落１００の一部を示す。図示のように、タービン段落１００は、ガスタービンエンジン１０のタービン４０等と共に使用できる。タービン段落１００は、第２段１１０とすることができる。本明細書では、他の段落１００を使用できる。タービン段落１１０は、複数のバケット１２０を収容することができる。バケット１２０の各々は、翼形部１３０を含むことができる。翼形部１３０の一端には先端部１４０を設けることができる。先端部１４０は、そこから延びる一対のラビリンス歯又は突出部を有することができる。本実施例において、第１の突出部１５０及び第２の突出部１６０を使用することができる。本明細書では、任意数の突出部を使用することができる。バケット１２０は概して従来デザインとすることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

シュラウド１７０は、バケット１２０を取り囲むことができる。シュラウド１７０は、複数のセグメントの形態とすることができる。また、シュラウド１７０は、前方ステップハニカムシール２００を含むことができる。前方ステップハニカムシール２００は、第１の直線部２１０、前方ステップ部２２０、及び第２の直線部２３０を有することができる。前方ステップ部２２０は、オフセット位置２４０にあるので、第１の直線部２１０の第１の長さ２５０は、第２の直線部２３０の第２の長さ２６０よりも短くなっている。同様に、前方ステップ部２２０は、バケット１２０の第２の突出部１６０に比べて、第１の突出部１５０に接近して配置できる。（換言すると、前方ステップハニカムシール２００は、前端の周りに配置され、空隙１９５にステップダウンされる前方ステップ部２２０を有する）。前方ステップ部２２０は、第２の突出部１６０の前の任意の場所に配置できる。前方ステップハニカムシール２００は、従来方法でシュラウド１７０に取り付けることができる。

第１の直線部２１０、前方ステップ部２２０、及び第２の直線部２３０は、単一部品を成すこと、又はセグメント化した複数の要素とすることができる。前方ステップ部２２０は、シュラウド１７０からバケット１２０の先端部１４０に向かって空隙１９５内まで下方に延びることができる。部分２１０、２２０、２３０の相対的な寸法、形状、及び構造は様々とすることができる。前方ステップハニカムシール２００は、変形可能な材料２０５以外で作ることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

作動時、燃焼ガス流３５は、バケット１２０の先端部１４０と、シュラウド１７０の前方ステップハニカムシール２００との間で空隙１９５に流れる。前方ステップハニカムシール２００、及びバケット１２０の先端部１４０の突出部１５０、１６０の寸法、形状、及び構造により、空隙１９５を有効にシールすることで全体的なシステム及び段落効率が改善される。更に、前述のシュラウド９０の突出部９１、９２、９３を排除することで、修理時間及び修理費を著しく節約することができる。特に、前方ステップハニカムシール２００を使用することで、突出部９１、９２、９３を排除でき、関連の修理時間及び修理費を無くすことができる。

本明細書では、タービン段落１００は、第２段１１０に関して記載されるが、前方ステップハニカムシール２００は、他の段落及び他の箇所にも同様に適用することができる。前方ステップハニカムシール２００は、新規な修理又は改造装備又は部品とすることができる。特に、突出部９１、９２、９３を備えるシュラウド９０を取り外して、本明細書で記載の前方ステップハニカムシール２００を備えるシュラウド１７０と交換することができる。

図４は、前方ステップハニカムシール２７０の別の実施形態を示す。前方ステップハニカムシール２７０は、前述のものと同じとすることができるが、本実施例において、前方ステップ部２８０は、一対の角度付き側面２９０を有することができる。角度付き側面２９０は、突出部１５０、１６０から離れる方向に角度を付けることができる。角度付き側面２９０は任意の角度又は形状とすることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

図５は、前方ステップハニカムシール３００の別の実施形態を示す。本実施例において、第１の直線部３１０及び第２の直線部３２０の両者は前方ステップ部３４０の両側に配置される溝部３３０を有する。溝部３３０の形状及び寸法は、様々とすることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

図６は、前方ステップハニカムシール３５０の別の実施形態を示す。前方ステップハニカムシール３５０は、前述のものと同じとすることができるが、シュラウド１７０の後端３６０は、第２の直線部３７０を切り詰めることができるように内側に延びることができる。後端３６０及び第２の直線部３７０は相互に位置合わせすること、又は第２の直線部３７０は若干突出することができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

図７は、本明細書で記載する前方ステップハニカムシール３８０の別の実施形態を示す。前方ステップハニカムシール３８０は、前述のものと同じとすることができるが、前方ステップ部３９０は、シュラウド１７０の後部長にわたって延びることができる。本実施例において、第１の突出部４００は、延長された前方ステップ部３９０の下部を延びる第２の突出部 ４１０よりも高くすることができる。突出部４００、４１０の寸法及び形状は様々とすることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構造を使用できる。

上記のことは、本発明の特定の実施形態にのみに関連していることに留意されたい。本明細書では、当業者によって請求項で定義される本発明の全体的な精神及び範疇から逸脱することなく種々の変形及び変更を行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ 軸
５０ 負荷
５５ タービン段落
６０ 第２段
６５ バケット
７０ 翼形部
７５ 先端部
８０ 第１の突出部
８５ 第２の突出部
９０ シュラウド
９１ 第１の突出部
９２ 第２の突出部
９３ 第３の突出部
９４ 空隙
９５ ハニカムシール
９６ 第１の部材
９７ 第２の無事
１００ タービン段落
１１０ 第２段
１２０ バケット
１３０ 翼形部
１４０ 先端部
１５０ 第１の突出部
１６０ 第２の突出部
１７０ シュラウド
１９５ 空隙
２００ 前方ステップハニカムシール
２１０ 第１の直線部
２２０ 前方ステップ部
２３０ 第２の直線部
２４０ オフセット位置
２５０ 第１の長さ
２６０ 第２の長さ
２７０ 前方ステップハニカムシール
２８０ 前方ステップ部
２９０ 角度付き側面
３００ 前方ステップハニカムシール
３１０ 第１の直線部
３２０ 第２の直線部
３３０ 溝部
３４０ 前方ステップ部
３５０ 前方ステップハニカムシール
３６０ 後端
３７０ 切り詰められた第２の直線部
３８０ 前方ステップハニカムシール
３９０ 延長された前方ステップ部
４００ 第１の 突出部
４１０ 第２の 突出部

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの段落であって、
   バケットと、
   前記バケットに対向するシュラウドと、
   前記シュラウド上の前方ステップハニカムシールと
   を備え、前記前方ステップハニカムシールは、前方ステップ部及び１以上の直線部を備える、段落。
2. 前記段落は、タービンの第２の段を備える、請求項１記載の段落。
3. 前記バケットは、翼形部、先端部、及び前記シュラウドに向かって延びる１以上の突出部を備える、請求項１記載の段落。
4. 前記前方ステップ部は、一対の前記突出部の間に配置される、請求項３記載の段落。
5. 前記前方ステップ部は、一対の突出部の下流側突出部よりも上流側突出部に接近して配置される、請求項４記載の段落。
6. 前記前方ステップ部は、オフセット位置を有する、請求項１記載の段落。
7. 前記前方ステップ部は、延長された前方ステップ部を備える、請求項１記載の段落。
8. 前記前方ステップ部は、１以上の角度付き側面を備える、請求項１記載の段落。
9. 前記前方ステップ部は、前記バケットと前記シュラウドとの間の空隙に延びる、請求項１記載の段落。
10. 前記１以上の直線部は、前記前方ステップ部の上流の第１の直線部と、前記前方ステップ部の下流の第２の直線部とを備える、請求項１記載の段落。
11. 前記第１の直線部は第１の長さを有し、前記第２の直線部は第２の長さを有し、前記第１の長さは、前記第２の長さよりも短い、請求項１０記載の段落。
12. 前記第１の直線部及び前記第２の直線部は、前記前方ステップ部の周りに溝部を備える、請求項１０記載の段落。
13. 前記第２の直線部は、切り詰められた第２の直線部を備える、請求項１０記載の段落。
14. 前記１以上の直線部及び前方ステップ部は一体部品を成す、請求項１記載の段落。
15. タービン段落を改良する方法であって、
    複数の突出部を備えるシュラウドを前記タービン段落から取り外す段階と、
    置換シュラウド上に前方ステップハニカムシールを配置する段階と、
    前記置換シュラウドを前記タービン段落に配置する段階と、
    前記シュラウドと前記バケットとの間の空隙を前記前方ステップハニカムシールで遮る段階と
    を含む方法。
16. ガスタービンエンジンの段落であって、
    バケットと、
    前記バケットに対向するシュラウドと、
    前記シュラウド上の前方ステップハニカムシールと
    を備え、前記前方ステップハニカムシールは、前方ステップ部、第１の直線部、及び第２の直線部を備え、前記前方ステップ部はオフセット位置を有する、段落。
17. 前記段落は、タービンの第２段を備える、請求項１６記載の段落。
18. 前記バケットは、翼形部、先端部、及び前記シュラウドに向かって延びる１以上の突出部を備える、請求項１６記載の段落。
19. 前記前方ステップ部は、一対の前記突出部の間に配置される、請求項１８記載の段落。
20. 前記前方ステップハニカムシールは、変形可能な材料から成る、請求項１６記載の段落。