JP2013217375A - セグメント化された段間シールシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービン内の段間シールを提供する。
【解決手段】システムは、段間シールシステムを含む。段間シールシステムは、多段タービンの第1のタービン段の第1のロータホイールと多段タービンの第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に延在する。段間シールシステムは、段間シールと少なくとも1つのカバープレートとを有する。段間シールは、少なくとも1つのカバープレートと第1または第2のロータホイールとの間に軸方向に押し込まれるように構成される。
【選択図】図1

Description

本明細書に開示される主題は、ガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービン内の段間シールに関する。
一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気と燃料を燃焼させて、高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、1つまたは複数のタービン段を通って流れて、負荷および/または圧縮機用の電力を生成することができる。圧力低下が段間で生じる可能性があり、意図されない経路を通る、燃焼ガスなどの流体の漏洩流を可能にする場合がある。シールが、段間に配設されて、段間の流体漏洩を低減することができる。
米国特許第7,220,099号公報
残念なことには、シールは、現場で保守可能でない場合がある、または、現場でシールを交換するためにかなりの作業量が必要とされる場合がある。さらに、シールの形状は、タービンの内部構成要素に対するアクセスをより難しくする場合がある。さらに、シールは、シールの軸方向および半径方向の適切なアライメントを保証するために、スペーサなどのさらなる構成要素を必要とする場合がある。
最初に特許請求される発明と範囲が一致するいくつかの実施形態が以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求される発明の範囲を限定することを意図するのではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の考えられる形態の簡潔な要約を提供することを意図するだけである。実際には、本発明は、以下で挙げる実施形態と同様であるまたは異なるとすることができる種々の形態を包含することができる。
第1の実施形態によれば、システムは、多段タービンを含む。多段タービンは、多段タービンの第1のタービン段と多段タービンの第2のタービン段との間に軸方向に延在する段間シールシステムを有する。段間シールシステムは、段間シールと、前方カバープレートと、後方カバープレートとを有する。前方カバープレートは、第1のタービン段の第1のロータホイールと段間シールとの間に軸方向に配設される。後方カバープレートは、段間シールと第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に配設される。段間シールは、前方カバープレートと後方カバープレートとの間に軸方向に押し込まれる(wedge)ように構成される。
第2の実施形態によれば、システムは、段間シールシステムを含む。段間シールシステムは、多段タービンの第1のタービン段の第1のロータホイールと多段タービンの第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に延在する。段間シールシステムは、段間シールと、少なくとも1つのカバープレートとを有する。段間シールは、少なくとも1つのカバープレートと第1または第2のロータホイールとの間に軸方向に押し込まれるように構成される。
第3の実施形態によれば、システムは、多段タービンを含む。多段タービンは、多段タービンの第1のタービン段と多段タービンの第2のタービン段との間に軸方向に延在する段間シールシステムを有する。段間シールシステムは、段間シールと前方カバープレートと後方カバープレートとを有する。段間シールは、多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分を有するT状上側本体を有する。前方カバープレートは、第1のタービン段の第1のロータホイールと段間シールとの間に軸方向に配設される。前方カバープレートは、多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分を有するT状上側本体を有する。後方カバープレートは、段間シールと第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に配設される。後方カバープレートはまた、多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分を有するT状上側本体を有する。段間シールは、前方カバープレートと後方カバープレートとの間に軸方向に押し込まれるように構成される。
本発明のこれらのまた他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照して読まれると、よりよく理解されるであろう。図面では、同じ記号は、図面全体を通して同じ部品を示す。
本技法の態様によるタービンシールを使用することができるガスタービンエンジンのある実施形態の略フロー図である。 本技法の態様による、縦軸に沿って切り取った図1のガスタービンエンジンのある実施形態の側断面図である。 本技法の態様による、タービン段間の段間シールシステムのある実施形態を示す図2のガスタービンエンジンの部分側断面図である。 本技法の態様による、上側シール領域のある実施形態を示す縦軸に沿う図3の段間シールシステムの図である。 本技法の態様による、タービン段間の段間シールシステムのある実施形態を示す図2のガスタービンエンジンの部分断面図である。 本技法の態様による、円周方向に隣接する段間シールシステムのある実施形態の側面図である。
本発明の1つまたは複数の特定の実施形態が以下で述べられる。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、実際の実装態様の全ての特徴が、本仕様書に記載されない可能性がある。任意のこうした実際の実装態様の開発において、任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトの場合と同様に、実装態様ごとに変動する場合がある、システム関連制約およびビジネス関連制約の遵守などの開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装態様特有の決定が行われなければならないことが認識されるべきである。さらに、こうした開発努力は、複雑でかつ時間がかかるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとって設計、作製、および製造の日常の仕事であることが認識されるべきである。
本発明の種々の実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ある(a)」、「ある(an)」、「その(the)」、および「前記(said)」は、要素の1つまたは複数が存在することを意味することが意図される。用語「備える(comprising)」、「含む(including)」、および「有する(having)」は、包含的であり、挙げられる要素以外のさらなる要素が存在する場合があることを意味することが意図される。
本開示は、タービンの段間の流体漏洩を低減するために使用されることができる段間タービンシールシステムを対象とする。段間シールシステムは、スペーサホイールなどのさらなる構成要素を使用することなく、段間ギャップをシールする機構を含む。いくつかの実施形態では、段間シールシステムは、中央ロータ支持体なしで、タービンのロータによって完全に支持されることができる。段間シールシステムは、隣接するタービン段間で互いに当たって押し込まれるように設計される複数の軸方向構成要素を含む。複数の軸方向構成要素間に形成されるウェッジ表面は、段間シールシステムの軸方向または半径方向変位の可能性または大きさを低減する。さらに、段間シールシステムの軸方向構成要素は、現場で保守可能でありかつ現場で交換可能であるとすることができる。
図1は、以下で詳細に述べる段間シールを使用することができるガスタービンエンジン12を含む例示的なシステム10のブロック図である。いくつかの実施形態では、システム10は、航空機、船舶、機関車、発電システム、またはその組合せを含むことができる。示すガスタービンエンジン12は、空気取入れセクション16、圧縮機18、燃焼器セクション20、タービン22、および排気セクション24を含む。タービン22は、シャフト26によって圧縮機18に結合される。
矢印で示すように、空気は、取込みセクション16を通してガスタービンエンジン12に入り、燃焼器セクション20に入る前に空気を圧縮する圧縮機18に流入することができる。示す燃焼器セクション20は、圧縮機18とタービン22との間のシャフト26の周りに同心にまたは環状に配設された燃焼器ハウジング28を含む。圧縮機18からの圧縮空気は、燃焼器30に入り、圧縮空気が、燃焼器30内で燃料と混合し燃焼して、タービン22を駆動することができる。
燃焼器セクション20から高温燃焼ガスが、タービン22を通って流れ、シャフト26を介して圧縮機18を駆動する。たとえば、燃焼ガスは、タービン22内のタービンロータブレードに推進力を加えて、シャフト26を回転させることができる。タービン22を通って流れた後、高温燃焼ガスは、排気セクション24を通ってガスタービンエンジン12を出ることができる。以下で論じるように、タービン22は、タービン22の段間の高温燃焼ガスの漏洩を低減することができる複数の段間シールシステムを含み、ロータホイールなどのタービン22の回転構成要素間の隙間を低減することができる。本明細書で提示される論議全体を通して、軸のセットが参照されることになる。これらの軸は、円柱座標系に基づき、軸(たとえば、縦)方向11、半径方向13、および円周方向15を指す。さらに、用語「第1の(first)」および「第2の(second)」は、要素の繰返されるインスタンスを区別するために、システム10の要素に適用されることができる。これらの用語は、対応する要素に対して連続性のまたは時間の制限を課すことを意図されない。
図2は、縦軸32に沿って切り取った図1のガスタービンエンジン12のある実施形態の側断面図である。示すように、ガスタービン22は、3つの別個の段34を含む。しかし、ガスタービン22は、任意の数の段34を含むことができる。各段34は、シャフト26(図1)に回転可能に取付けられることができるロータホイール38に結合されたブレード36のセットを含む。ブレード36は、ロータホイール38から半径方向に外側に延在し、タービン22を通して、高温燃焼ガスの経路内に部分的に配設される。以下でより詳細に述べるように、段間シールシステム42は、段34間に延在し、隣接するロータホイール38によって支持される。段間シールシステム42は、互いに当たって押し込まれる複数の軸方向構成要素を含むことができる。したがって、段間シールシステム42は、現場で保守可能でかつ現場で交換可能であるように設計されることができる。さらに、段間シールシステム42は、段34の冷却の改善を実現することができる。ガスタービン22は、3段タービンとして図2に示されるが、本明細書で述べる段間シールシステム42は、任意の数の段とシャフトを有する任意の適したタイプのタービンにおいて使用されることができる。たとえば、段間シールシステム42は、単一タービンシステムに、低圧タービンと高圧タービンを含むデュアルタービンシステムに、またはスチームタービンに含まれることができる。さらに、本明細書で述べる段間シール42はまた、図1に示す圧縮機18などのロータリ圧縮機において使用されることができる。段間シール42は、限定はしないがニッケルベース合金などの種々の高温合金から作られることができる。
図1に関して上述したように、空気は、空気取込みセクション16を通って入り、圧縮機18によって圧縮される。圧縮機18からの圧縮空気は、その後、燃焼器セクション20内に送られ、そこで、圧縮空気が燃料と混合される。圧縮空気と燃料の混合物は、一般に燃焼器セクション20内で燃焼されて、タービン22内でトルクを生成するために使用される高温高圧の燃焼ガスを生成する。具体的には、燃焼ガスは、ロータホイール38を回転させるためにブレード36に推進力を加える。いくつかの実施形態では、圧力低下は、タービン22の各段34で起こる場合があり、意図しない経路を通したガス漏洩流を可能にする場合がある。たとえば、高温燃焼ガスは、ロータホイール38間の段間体積内に漏洩する場合があり、タービン構成要素に熱応力をかける場合がある。いくつかの実施形態では、段間体積は、圧縮機18から流出するかまたは別の供給源によって提供される排気によって冷却されることができる。しかし、段間体積内への高温燃焼ガスの流れは、冷却効果を減じる場合がある。したがって、段間シールシステム42が、隣接するロータホイール38間に配設されて、高温燃焼ガスから段間体積をシールし閉囲する。さらに、段間シールシステム42は、冷却用流体を、段間体積へ、または、段間体積からブレード36に向かって送るように構成されることができる。
図3は、2つのタービン段間の段間シールシステム42のある実施形態を示すガスタービンエンジン12の部分側断面図である。段間シールシステム42は、上流ロータホイール48から下流ロータホイール50まで縦に延在する。段間シールシステム42は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間のロータキャビティ51内に配設される。段間シールシステム42は、意図しない経路を通した高温ガスの漏洩を低減する要素を含む。これらの要素は、後で図6において論じるように、外側シール43、内側シール44、および中央シール45を含むことができる。示すように、ロータキャビティ51は、スペーサ構成要素(たとえば、中央ロータ支持体)によって遮られない。そのため、ロータの内部構成要素は、スペーサなどの中央ロータ支持体を含むロータと比較してより容易にアクセスされることができる。さらに、段間シールシステム42の軸方向構成要素は、現場で保守可能でありかつ現場で交換可能であるとすることができる。
ガスタービンエンジン12が動作中であるとき、高温ガスは、タービン22を通って流れ、一般に、矢印52で示す経路をとる場合がある。より具体的には、高温ガスは、上流ロータホイール48に取付けられた第1の上流タービンブレードまたはバケット53、および、下流ロータホイール50に取付けられた第2の下流タービンブレードまたはバケット54にわたって流れることができる。しかし、高温ガスの一部分は、ロータキャビティ51に流入しようとする場合がある。ロータキャビティ51内への高温ガスの漏洩は、タービン22の効率を減少させる場合がある。そのため、段間シールシステム42は、ロータキャビティ51内への高温ガスの漏洩を低減し、矢印52に沿う主要な高温ガス流を最大にするように設計されることができる。タービン22のいくつかの実施形態は、空気などの冷却用流体をロータキャビティ51内にルーティングすることができる。冷却用流体は、ロータキャビティ51の種々の内部構成要素の温度を低減することができる。こうした実施形態では、段間シールシステム42はまた、高温ガス流路内への冷却用流体の漏洩を低減することができる。
図示するように、段間シールシステム42は、軸方向11に共に結合される3つの構成部品から形成される。構成部品は、上流および下流のロータホイール48、50に対する段間シールシステム42の半径方向および/または軸方向移動の大きさまたは可能性を低減するように設計される。3つの構成部品は、前方カバープレート58、段間シール60、および後方カバープレート62を含む。前方カバープレート58は、上流ロータホイール48および段間シール60に軸方向に結合する。段間シール60は、前方カバープレート58および後方カバープレート62に軸方向に結合する。最後に、後方カバープレート62は、段間シール60および下流ロータホイール50に軸方向に結合する。
いくつかの実施形態では、段間シールシステム42の構成部品の数は変動する場合がある。たとえば、段間シールシステム42のある実施形態は、軸方向11に共に結合される2つの構成部品を含むことができる。例として、こうした実施形態は、前方カバープレート58および段間シール60だけを含むことができる。段間シールシステム42の別の実施形態は、軸方向に共に結合される4つの構成部品、すなわち、前方カバープレート58、段間シール60、後方カバープレート62、およびさらなる段間シール(図示せず)を含むことができる。一般に、段間シールシステム42は、軸方向11に共に結合される、2、3、4、5、6、またはそれより多い構成部品を含むことができる。段間シールシステム42の構成部品は、現場で交換可能とすることができ、より容易でかつより迅速な現場での保守を可能にする場合がある。
示すように、前方カバープレート58は、上流ロータホイール48と段間シール60との間に押し込まれることができる。上流ロータホイール48および段間シール60は、前方カバープレート58の軸方向移動の可能性を低減することができる。いくつかの実施形態では、以下でより詳細に述べるように、前方カバープレート58は、前方カバープレート58を軸方向に拘束するためにフック組立体などの要素を含むことができる。認識されるように、他の実施形態は、前方カバープレート58を軸方向に拘束するためにフック組立体および/または他の要素の組合せを含むことができる。図示するように、上流ロータホイール48のウェッジ表面64は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間に段間シールシステム42が設置されると、前方カバープレート58の面82(たとえば、嵌合面)に当接する。特に、前方カバープレート58の面82(たとえば、インタフェース長)のかなりの部分(たとえば、面82の約50〜95、約60〜90、あるいは約60、75、または90%)が上流ロータホイール48に当接する。いくつかの実施形態では、インタフェース長は、段間シールシステム42の材料、ガスタービンエンジン12の熱的または機械的環境、あるいはその組合せに少なくとも部分的に基づいて変動する場合がある。ウェッジ表面64は、円周方向15に延在する。さらに、いくつかの実施形態では、ウェッジ表面64は、示すように約45°の角度で上流ロータホイール48の半径方向中心線から延在することができる。しかし、他の実施形態では、ウェッジ表面64の角度は、約35°〜約55°の範囲内にあるとすることができる。認識されるように、ウェッジ表面64の角度は、段間シールシステム42の応力仕様または他の設計目標を満たすように最適化されることができる。
段間シール60の第1のウェッジ表面66は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間に段間シールシステム42が設置されると、前方カバープレート58の面86(たとえば、嵌合面)に当接する。ウェッジ表面66はまた、円周方向15に延在する。示すように、ウェッジ表面64、66は、全体的に互いに平行とすることができる。ウェッジ表面64、66は、前方カバープレート58の対向する軸方向端部に配設される。結果として、ウェッジ表面64、66は、前方カバープレート58を軸方向におよび/または半径方向に拘束し、軸方向11および/または半径方向13への移動の可能性を低減する。
段間シール60は、前方カバープレート58と後方カバープレート62との間に押し込まれることができる。そのため、前方および後方のカバープレート58、62は、段間シール60を軸方向に拘束することができる。いくつかの実施形態では、段間シール60は、前方および後方のカバープレート58、62に対してプレスフィットされることができる。段間シール60は、先に述べたように、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間に段間シールシステム42が設置されると、前方カバープレート58のウェッジ表面66に当接する。さらに、段間シール60の第2のウェッジ表面68は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間に段間シールシステム42が設置されると、後方カバープレート62の面138(たとえば、嵌合面)に当接する。ウェッジ表面68は、円周方向15に延在する。さらに、ウェッジ表面68は、軸方向11および半径方向13に交差する。いくつかの実施形態では、ウェッジ表面66、68は、同様の形状を有することができる。さらに、ウェッジ表面66、68は、段間シール60の半径方向中心線に対して段間シール60の周りに対称とすることができる。示すように、ウェッジ表面66、68は、段間シール60の対向する軸方向端部に配設される。そのため、ウェッジ表面66、68は、段間シール60の軸方向および/または半径方向移動の大きさまたは可能性を低減する。
後方カバープレート62は、段間シール60と下流ロータホイール50との間に押し込まれる。そのため、段間シール60および下流ロータホイール50は、後方カバープレート62を軸方向にかつ半径方向に拘束する。いくつかの実施形態では、以下でより詳細に述べるように、後方カバープレート62は、後方カバープレート62を軸方向に拘束するためにフック組立体などの要素を含むことができる。認識されるように、他の実施形態は、後方カバープレート62を軸方向に拘束するためにフック組立体および/または他の要素の組合せを含むことができる。先に述べたように、後方カバープレート62は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間に段間シールシステム42が設置されると、段間シール60のウェッジ表面68に当接する。さらに、下流ロータホイール50のウェッジ表面70は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間に段間シールシステム42が設置されると、後方カバープレート62の面142(たとえば、嵌合面)に当接する。特に、後方カバープレート62の面142のかなりの部分(たとえば、面142の約50〜95、約60〜90、あるいは約60、75、または90%)が下流ロータホイール50に当接する。ウェッジ表面70は、円周方向15に延在する。さらに、いくつかの実施形態では、ウェッジ表面70は、示すように約45°の角度で下流ロータホイール50の半径方向中心線から延在することができる。しかし、他の実施形態では、ウェッジ表面70の角度は、約35°〜約55°の範囲内にあるとすることができる。示すように、ウェッジ表面68、70は、全体的に互いに平行とすることができる。ウェッジ表面68、70は、後方カバープレート62の対向する軸方向端部に配設される。結果として、ウェッジ表面68、70は、後方カバープレート62を軸方向におよび/または半径方向に拘束し、軸方向11および/または半径方向13への移動の可能性を低減する。
前方カバープレート58、段間シール60、および後方カバープレート62の形状は、ウェッジ表面64、66、68、70が段間シールシステム42を軸方向にかつ半径方向に拘束するように設計される。図示するように、前方カバープレート58は、上側本体72および下側本体74を含む比較的複雑な形状を有する。上側本体72は実質的にT状であり、下側本体74は、実質的に長方形であり、縁部(edge)が丸い。他の実施形態では、上側本体72および下側本体74の形状は、変動する場合がある。たとえば、いくつかの実施形態では、下側本体74は円形とすることができる。認識されるように、前方カバープレート58の形状は、実装態様特有であり、実施形態の間で変動する場合がある。
前方カバープレート58の上側本体72は、シール部分76および首部分78を含む。示すように、シール部分76は、形状が実質的に長方形であり、軸方向11に全体的に平行に延在する。首部分78はまた、形状が実質的に長方形である。示すように、首部分78は、シール部分76から下側本体74まで半径方向13に延在する。一般に、首部分78は、下側本体74の全体が長方形の形状の角で終端する。いくつかの実施形態では、首部分78は、段間シール60に嵌合するように設計される小さな支持体80を含むことができる。他の実施形態では、前方カバープレート58は、首部分78を含まない場合がある。こうした実施形態では、下側本体74は、シール部分76のすぐ隣に配設されることができる。
前方カバープレート58の下側本体74は、4つの面82、84、86、88を含む。示す実施形態では、面82、84、86、88はそれぞれ、実質的に真っすぐである。しかし、他の実施形態では、面82、84、86、88の形状は、変動する場合がある。たとえば、面82、84、86、88は、弓状である、または、弓状部分を含むことができる。さらに、下側本体74の面の数は変動する場合がある。たとえば、下側本体74は、0、1、2、3、4、またはそれより多い実質的に真っすぐな面および0、1、2、3、4、またはそれより多い弓状面を含むことができる。上述したように、面82の一部分は、上流ロータホイール48のウェッジ表面64の一部分に当接する。上流ロータホイール48のウェッジ表面64の形状は、前方カバープレート58の面82の形状に全体的に対応する。同様に、上述したように、面86の一部分は、段間シール60のウェッジ表面66に当接する。段間シール60のウェッジ表面66の形状は、前方カバープレート58の面86の形状に全体的に対応する。図示するように、いくつかの実施形態では、前方カバープレート58はまた、内部通路90を含む。内部通路90は、前方カバープレート58の面84から前方カバープレート58の面82まで延在する。いくつかの実施形態では、内部通路90は、冷却用流体を、ロータキャビティ51、ディスクリム、およびバケット53、54にルーティングすることができる。
段間シール60はまた、比較的複雑な形状を有する。段間シール60は、上側本体100および下側本体102を含む。図示するように、上側本体100は、実質的にT状であり、下側本体102は、実質的に三角形である。他の実施形態では、上側本体100および下側本体102の全体的な形状は、変動する場合がある。たとえば、いくつかの実施形態では、下側本体102は円形とすることができる。認識されるように、段間シール60の形状は、実装態様特有であり、実施形態の間で変動する場合がある。
段間シール60の上側本体100は、シール部分104および首部分105を含む。示すように、シール部分104は、形状が実質的に長方形であり、軸方向11に全体的に平行に延在する。さらに、シール部分104は、前方アーム106および後方アーム108を含む。いくつかの実施形態では、前方アーム106は、前方カバープレート58のシール部分76に嵌合するように設計されることができる。さらに、後方アーム108は、後方カバープレート62のシール部分110に嵌合するように設計されることができる。シール部分76、104、110は、高温ガス流52からロータキャビティ51を隔離し、また、図4に関してさらに論じられるであろう。さらに、シール部分110は、シール部分104のシール能力に寄与することができるシール用歯112を含む。シール用歯112は、シール部分104から半径方向に外側に延在する。
段間シール60の下側本体102は、全体が三角形の形状で配置された3つの面(たとえば、嵌合面)114、116、および118を含む。認識されるように、面114、116、および118の一般的な配置構成は、下側本体102の形状によって変動する場合がある。たとえば、ある実施形態は、全体が長方形の形状で4つの面が配置された下側本体102を含むことができる。図示するように、面114の一部分は、段間シール60のウェッジ表面66の一部分を形成する。特に、前方カバープレート58の面86のかなりの部分(たとえば、面86の約50〜99、約75〜95、あるいは約80、85、90、または95%)が段間シール60の面114に当接する。同様に、面118の一部分は、段間シール60の他のウェッジ表面68の一部分を形成する。特に、後方カバープレート62の面138のかなりの部分(たとえば、面138の約50〜99、約75〜95、あるいは約80、85、90、または95%)が段間シール60の面118に当接する。面116は、2つの脚部分120、122を含む比較的複雑な形状を有する。示すように、脚部分120、122は、実質的に真っすぐである。面116はまた、脚部分120と122との間に延在する弓状部分124を含む。他の実施形態では、面114、116、および118の形状は変動する場合がある。
後方カバープレート62はまた、前方カバープレート58の比較的複雑な形状と同様とすることができる比較的複雑な形状を有する。特に、いくつかの実施形態では、後方カバープレート62は、前方カバープレート58に関して段間シール60の半径方向中心線の周りに対称とすることができる。しかし、いくつかの実施形態では、後方カバープレート62は、前方カバープレート58と比較して異なる形状を有する場合がある。示すように、後方カバープレート62は、上側本体130および下側本体132を含む。上側本体130は実質的にT状であり、下側本体132は、実質的に長方形であり、縁部が丸い。他の実施形態では、上側本体130および下側本体132の形状は、変動する場合がある。たとえば、いくつかの実施形態では、下側本体132は円形とすることができる。認識されるように、後方カバープレート62の形状は、実装態様特有であり、実施形態の間で変動する場合がある。
後方カバープレート62の上側本体130は、シール部分110および首部分134を含む。示すように、シール部分110は、形状が実質的に長方形であり、軸方向11に全体的に平行に延在する。首部分134はまた、形状が実質的に長方形である。示すように、首部分134は、シール部分110から下側本体132まで半径方向13に延在する。一般に、首部分134は、下側本体132の全体が長方形の形状の角で終端する。いくつかの実施形態では、首部分134は、段間シール60に嵌合するように設計される小さな支持体135を含むことができる。いくつかの実施形態では、後方カバープレート62は、首部分134を含まない場合がある。こうした実施形態では、下側本体132は、シール部分110のすぐ隣に配設されることができる。
後方カバープレート62の下側本体132は、4つの面136、138、140、142を含む。示す実施形態では、面136、138、140、142はそれぞれ、実質的に真っすぐである。しかし、他の実施形態では、面136、138、140、142の形状は、変動する場合がある。たとえば、面136、138、140、142は、弓状である、または、弓状部分を含むことができる。さらに、下側本体132の面の数は変動する場合がある。たとえば、下側本体132は、0、1、2、3、4、またはそれより多い実質的に真っすぐな面および0、1、2、3、4、またはそれより多い弓状面を含むことができる。上述したように、面138の一部分は、段間シール60のウェッジ表面68の一部分に当接する。段間シール60のウェッジ表面68の形状は、面138の形状に全体的に対応する。同様に、上述したように、面142の一部分は、下流ロータホイール50のウェッジ表面70に当接する。下流ロータホイール50のウェッジ表面70の形状は、面142の形状に全体的に対応する。図示するように、いくつかの実施形態では、後方カバープレート62はまた、内部通路144を含む。内部通路144は、後方カバープレート62の面140から後方カバープレート62の面142まで延在する。いくつかの実施形態では、内部通路144は、冷却用流体を、ロータキャビティ51の種々の領域にルーティングする。
図4は、シール部分76、104、および110を示す、図3の段間シールシステム42のある実施形態の部分側断面図である。前方カバープレート58のシール部分76は、上流アーム150および下流アーム152を含む。図示するように、上流アーム150は、上流ロータホイール48またはバケット53の支持体154内に載るように設計される。いくつかの実施形態では、支持体154は、上流ロータホイール48またはバケット53から前方カバープレート58に向かって軸方向に延在する2つの突出部分153を含む。前方カバープレート58の上流アーム150は、上流ロータホイール48またはバケット53の支持体154の(たとえば、2つの突出部分153間の)溝155に嵌合するように構成される。したがって、支持体154は、前方カバープレート58の半径方向移動の可能性または大きさを低減することができる。同様に、前方カバープレート58の下流アーム152は、段間シール60から前方カバープレート58に向かって軸方向に延在する、段間シール60の前方アーム106の支持体156上に載るように設計される。特に、段間シール60の支持体156の形状は、前方カバープレート58の下流アーム152が支持体156によって半径方向に支持されるように設計されることができる。さらに、前方カバープレート58の支持体80の形状は、段間シール60の支持体156を収容するように設計される。さらに、支持体156は、設置中に、前方カバープレート58を半径方向に保持することができる。
後方カバープレート62のシール部分110はまた、上流アーム157および下流アーム158を含む。図示するように、下流アーム158は、下流ロータホイール50またはバケット54の支持体160内に載るように設計される。いくつかの実施形態では、支持体160は、下流ロータホイール50またはバケット54から後方カバープレート62に向かって軸方向に延在する1つまたは複数の突出部分159を含む。後方カバープレート62の下流アーム158は、下流ロータホイール50またはバケット54の支持体160の溝161に嵌合するように構成される。したがって、支持体160は、後方カバープレート62の半径方向移動の可能性または大きさを低減することができる。同様に、後方カバープレート62の上流アーム157は、段間シール60の後方アーム108の2つの支持体162、164上に載るように設計される。支持体162、164は段間シール60から後方カバープレート62に向かって軸方向に延在する。特に、段間シール60の支持体162、164の形状は、後方カバープレート62の上流アーム157が支持体162、164によって半径方向に支持されるように設計されることができる。さらに、後方カバープレート62の支持体135の形状は、段間シール60の支持体164を収容するように設計される。
いくつかの実施形態では、後方カバープレート62は、バケット54によって半径方向に支持または捕捉されることができる。たとえば、前方カバープレート58、段間シール60、および後方カバープレート62は、所定場所に保持されることができ、バケット54は、段間シールシステム42を所定場所にロックするために軸方向11に調整されることができる。より具体的には、前方カバープレート58は、上流ロータホイール48またはバケット53の突出部分153によって、所定場所に保持され捕捉されることができる。段間シール60および後方カバープレート62は、キャビティ51内に下げられ、後方カバープレート62は、シャフト26(たとえば、タービン22の中心線)に向かって移動され、段間シール60の後方アーム108内に留められる(hook)ことができる。後方カバープレート62および段間シール60は、所定位置に上げられ、バケット54が、軸方向11に移動されて。段間シールシステム42を所定場所に捕捉することができる。
タービン22の通常動作中、高温ガスは、矢印52で示す一般的な流路をとることができる。シール部分76、104、110は、高温ガス流路をロータキャビティ51から隔離する。特に、シール部分76、104、110は、段間シールシステム42の上側シール166を形成する。上側シール166は、ロータキャビティ51内への高温ガス流の可能性または大きさを低減する。さらに、ロータキャビティ51内に冷却用流体を含むある実施形態では、上側シール166は、高温ガス流路内への冷却用流体流の可能性または大きさを低減する。上側シール166は、後で図6において述べるように、外側シール43によって補完されることができる。
図5は、2つのタービン段間に段間シールシステム42の別の実施形態を示すガスタービンエンジン12の部分側断面図である。段間シールシステム42は、前方カバープレート58、段間シール60、および後方カバープレート62を含む。先に述べたように、段間シールシステム42は、前方カバープレート58、段間シール60、および後方カバープレート62が、現場で保守可能でかつ現場で交換可能であるように設計される。示すように、段間シール60は、図3に示す実施形態と同様に、前方カバープレート58と後方カベープレート62との間に押し込まれることができる。やはり、段間シール60のウェッジ表面66は、前方カバープレート58に当接し、段間シール60のウェッジ表面68は、後方カバープレート62に当接する。さらに、段間シールシステム42の複数の部分が、図4に関して先に述べたように、シール部分76、106、および110によって半径方向に支持されることができる。
図5に示す実施形態では、段間シールシステム42は、上流フック組立体170および下流フック組立体172を含む。上流および下流のフック組立体170、172は、段間シールシステム42を軸方向にかつ半径方向に拘束する。上流フック組立体170は、上流ロータホイール48またはバケット53に配設された上流フック支持体174を含む。さらに、上流フック組立体170は、前方カバープレート58のフック端部176を含む。フック端部176は、上流ロータホイール48またはバケット53の半径方向溝178に嵌合するように設計される。半径方向溝178は、フック支持体174に対して上流位置にある。同様に、下流フック組立体172は、下流ロータホイール50またはバケット54に配設された下流フック支持体180を含む。さらに、下流フック組立体172は、後方カバープレート62のフック端部182を含む。フック端部182は、下流ロータホイール50またはバケット54の半径方向溝184に嵌合するように設計される。示すように、半径方向溝184は、フック支持体180に対して下流位置にある。
前方および後方のカバープレート58、62は、フック端部176、182を収容するために比較的複雑な形状を有する。一般に、前方カバープレート58はベース186を含むことができる。フック端部176の突出部188は、ベース186に交差して半径方向に延在する。突出部188は、上流ロータホイール48の半径方向溝178に嵌合するように設計される。さらに、突出部188は、フック支持体174に当接することができる。同様に、後方カバープレート62はベース190を含むことができる。フック端部182の突出部192は、ベース190に交差して半径方向に延在する。突出部192は、下流ロータホイール50の半径方向溝184に嵌合するように設計される。さらに、突出部192は、フック支持体180に当接することができる。
前方カバープレート58は、首部分78とベース186との間に半径方向に配設された凹状部分194を含む。凹状部分194は、上流ロータホイール48と凹状部分194との間に中空領域196を形成する。同様に、後方カバープレート62は、凹状部分200を含む。凹状部分200は、下流ロータホイール50と凹状部分200との間に中空領域202を形成する。
示すように、前方および後方のカバープレート58、62はまた、上流および下流のロータホイール48、50にそれぞれ当接する突出部分206、208を含むことができる。前方カバープレート58の突出部分206は、前方カバープレート58の凹状部分194および首部分78のすぐ隣にあり、後方カバープレート62の突出部分208は、後方カバープレート62の凹状部分200および首部分134のすぐ隣にある。前方および後方のカバープレート58、62の突出部分206、208は、上流ロータホイール48と下流ロータホイール50との間で段間シールシステム42をさらに安定化させる。
段間シールシステム42はまた、外側シール43および内側シール44を含む。図示するように、内側シール44は、前方カバープレート58、段間シール60、および後方カバープレート62を通って上流ロータホイール48から下流ロータホイール50まで延在する。外側シール43は、上流ロータホイール48またはバケット53の支持体154から下流ロータホイール50またはバケット54の支持体160まで延在する。外側および内側のシール43、44の機能は、図6でさらに説明される。示すように、外側シール43は長方形シールとすることができ、内側シール44はロープシールとすることができる。認識されるように、ロープシールは、長方形シールより低い応力を有する場合がある。いくつかの実施形態では、外側および内側のシール43、44のシールメカニズムは変動する場合がある。たとえば、外側シール43と内側シール44は共に、長方形シールとすることができる。
図6は、3つの実質的に同一の、円周方向に隣接する段間シールシステム42の側面図である。図6は、ガスタービンエンジン12の隣接する段間のシールを形成するために、段間シールシステム42の隣接するセクションがどのように共に取付けられるかを示す。3つの段間シールシステム42は、シール組立体212の一部分を形成する場合がある。シール組立体212は、ガスタービンエンジン12のシャフト26の周りに360°リングを形成するために、互いに隣接して配設された複数の段間シールシステム42を含むことができる。シール組立体212を形成する段間シールシステム42の数は、いくつかの実施形態では、約2〜100か、10〜80か、または42〜50の範囲にある場合がある。図示するように、段間シールシステム42はそれぞれ、円周方向15に弓状である。そのため、いくつかの実施形態では、隣接する段間シールシステム42間にギャップ214が存在する場合がある。シール組立体212は、段間シールシステム42間のギャップ214内に配設された外側シール43および内側シール44を含むことができる。示すように、外側シール43は、段間シールシステム42の上側本体間に円周方向に配設され、内側シール44は、段間シールシステム42の下側本体間に配設されることができる。外側シール43および内側シール44は、ギャップ214を通した半径方向ガス漏洩の可能性または大きさを低減する。いくつかの実施形態では、軸方向スロット218が、段間シールシステム42内に形成されて、外側シール43および内側シール44を収容することができる。いくつかの実施形態では、外側シール43または内側シール44は、段間シールシステム42の異なる領域に沿って配設されることができる。さらに、シール組立体212は、異なる数のまたは異なる配置構成の外側シール43および/または内側シール44を含むことができる。たとえば、シール組立体212は、段間シールシステム42のそれぞれの隣接する対間に配設された、1、2、3、または4、あるいはそれより多い外側シール43を含むことができる。さらに、シール組立体212は、内側シール44を含まない場合がある。
開示される実施形態の技術的効果は、タービンの段間の半径方向漏洩を低減するための段間シールシステムを含む。段間シールシステムは、スペーサホイールなどのさらなる構成要素を使用することなく、段間ギャップをシールする機構を含む。段間シールシステムは、互いに当たって押し込まれるように設計される複数の軸方向構成要素を含む。複数の軸方向構成要素間に形成されるウェッジ表面は、段間シールシステムの軸方向または半径方向変位の可能性または大きさを低減する。さらに、段間シールシステムの軸方向構成要素は、現場で保守可能でありかつ現場で交換可能であるとすることができる。
この書面による説明は、本発明を、その最良のモードを含めて開示するために、また、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作り使用すること、および任意の組み込まれた方法を実施することを含めて本発明を実施することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって規定され、かつ、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の字義通りの言葉に相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義通りの言葉とごくわずかな差違を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
10 システム
11 軸方向
12 タービンエンジン
13 半径方向
15 円周方向
16 空気取入れセクション
18 圧縮機
20 燃焼器セクション
22 タービン
24 排気セクション
26 シャフト
28 燃焼器ハウジング
30 燃焼器
32 縦軸
34 段
36 ブレード
38 ロータホイール
42 段間シールシステム
43 外側シール
44 内側シール
45 中央シール
48 上流ロータホイール
50 下流ロータホイール
51 ロータキャビティ
52 矢印
53 上流ブレード(バケット)
54 下流ブレード(バケット)
58 前方カバープレート
60 段間シール
62 後方カバープレート
64 ウェッジ表面
66 ウェッジ表面
68 ウェッジ表面
70 ウェッジ表面
72 上側本体
74 下側本体
76 シール部分
78 首部分
80 小さな支持体
82 面
84 面
86 面
88 面
90 内部通路
100 上側本体
102 下側本体
104 シール部分
105 首部分
106 前方アーム
108 後方アーム
110 シール部分
112 シール用歯
114 面
116 面
118 面
120 脚部分
122 脚部分
124 弓状部分
130 上側本体
132 下側本体
134 首部分
135 小さな支持体
136 面
138 面
140 面
142 面
144 内部通路
150 上流アーム
152 下流アーム
153 支持体
154 支持体
156 突出部分
157 上流アーム
158 下流アーム
159 突出部分
160 支持体
162 支持体
164 支持体
166 上側シール
170 上流フック組立体
172 下流フック組立体
174 上流フック支持体
176 フック端部
178 半径方向溝
180 下流フック支持体
182 フック端部
184 半径方向溝
186 ベース
188 突出部
190 ベース
192 突出部
194 凹状部分
200 凹状部分
202 中空領域
206 突出部分
208 突出部分
212 シール組立体
214 ギャップ
218 軸方向スロット

Claims (20)

  1. 多段タービンを備え、前記多段タービンは、
    前記多段タービンの第1のタービン段と前記多段タービンの第2のタービン段との間に軸方向に延在する段間シールシステムを備え、前記段間シールシステムは、
    段間シールと、
    前記第1のタービン段の第1のロータホイールと前記段間シールとの間に軸方向に配設された前方カバープレートと、
    前記段間シールと前記第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に配設された後方カバープレートとを備え、前記段間シールは、前記前方カバープレートと前記後方カバープレートとの間に軸方向に押し込まれるように構成されるシステム。
  2. 前記段間シールは、前記多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分および前記シール部分から前記多段タービンの前記シャフトに向かって半径方向に延在する首部分を備えるT状上側本体と、全体が三角形状の下側本体とを備え、前記上側本体の前記首部分は、前記全体が三角形状の下側本体の角で終端する請求項1記載のシステム。
  3. 前記前方カバープレートおよび前記後方カバープレートはそれぞれ、前記多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分および前記シール部分から前記多段タービンの前記シャフトに向かって半径方向に延在する首部分を備えるT状上側本体と、全体が長方形状の下側本体とを備え、前記上側本体の前記首部分は、前記全体が長方形状の下側本体の角で終端する請求項2記載のシステム。
  4. 前記前方カバープレートおよび前記後方カバープレートの前記全体が長方形状の下側本体の面のかなりの部分は、前記段間シールの前記全体が三角形状の下側本体の嵌合面に当接する請求項3記載のシステム。
  5. 前記前方カバープレートの前記全体が長方形状の下側本体の面のかなりの部分は、前記第1のタービン段の前記第1のロータホイールに当接し、前記後方カバープレートの前記全体が長方形状の下側本体の面のかなりの部分は、前記第2のタービン段の前記第2のロータホイールに当接する請求項3記載のシステム。
  6. 前記前方カバープレートの前記上側本体の前記シール部分の第1の端部は、前記第1のタービン段の前記第1のロータホイール内の溝内に配設され、前記後方カバープレートの前記上側本体の前記シール部分の第1の端部は、前記第2のタービン段の前記第2のロータホイール内の溝内に配設される請求項3記載のシステム。
  7. 前記後方カバープレートの前記上側本体の前記シール部分の第2の端部は、前記段間シールの前記シール部分の第1の端部の溝内に配設され、前記前方カバープレートの前記上側本体の前記シール部分の第2の端部は、前記段間シールの前記シール部分の第2の端部の支持体上に載る請求項6記載のシステム。
  8. 前記前方カバープレートおよび前記後方カバープレートはそれぞれ、前記多段タービンの前記シャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分および前記シール部分から前記多段タービンの前記シャフトに向かって半径方向に延在する首部分を備えるT状上側本体と、全体がC状の下側本体とを備える請求項2記載のシステム。
  9. 前記前方カバープレートの前記全体がC状の下側本体は、前記第1のタービン段の前記第1のロータホイールの全体が長方形状の溝内に配設された全体が長方形状のフック端突出部を備え、前記後方カバープレートの前記全体がC状の下側本体は、前記第2のタービン段の前記第2のロータホイールの全体が長方形状の溝内に配設された全体が長方形状のフック端突出部を備える請求項8記載のシステム。
  10. 前記段間シールの前記シール部分は、前記シール部分の半径方向外側面上に複数のシール用歯を備える請求項2記載のシステム。
  11. 多段タービンの第1のタービン段の第1のロータホイールと前記多段タービンの第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に延在する段間シールシステムを備え、前記段間シールシステムは、
    段間シールと、
    少なくとも1つのカバープレートとを備え、前記段間シールは、前記少なくとも1つのカバープレートと前記第1または第2のロータホイールとの間に軸方向に押し込まれるように構成されるシステム。
  12. 前記少なくとも1つのカバープレートは、フック端部によって、前記第1または第2のロータホイールに軸方向にかつ半径方向に拘束される請求項11記載のシステム。
  13. 前記少なくとも1つのカバープレートは、前記第1のタービン段の前記第1のロータホイールと前記段間シールとの間に軸方向に配設された前方カバープレートを備える請求項11記載のシステム。
  14. 前記少なくとも1つのカバープレートは、前記段間シールと前記第2のタービン段の前記第2のロータホイールとの間に軸方向に配設された後方カバープレートを備える請求項11記載のシステム。
  15. 前記少なくとも1つのカバープレートは、前記第1のロータホイールと前記第2のロータホイールとの間で冷却用流体をルーティングするように構成された内部通路を含む請求項11記載のシステム。
  16. 前記段間シールは、前記多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分および前記段間シールの前記シール部分から前記多段タービンの前記シャフトに向かって半径方向に延在する首部分を備えるT状上側本体と、全体が三角形状の下側本体とを備え、前記段間シールの前記上側本体の前記首部分は、前記段間シールの前記全体が三角形状の下側本体の角で終端する請求項11記載のシステム。
  17. 前記少なくとも1つのカバープレートは、前記多段タービンの前記シャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分および前記少なくとも1つのカバープレートの前記シール部分から前記多段タービンの前記シャフトに向かって半径方向に延在する首部分を備えるT状上側本体と、全体が長方形状の下側本体とを備え、前記少なくとも1つのカバープレートの前記上側本体の前記首部分は、前記少なくとも1つのカバープレートの前記全体が長方形状の下側本体の角で終端する請求項16記載のシステム。
  18. 前記少なくとも1つのカバープレートの前記全体が長方形状の下側本体の面のかなりの部分は、前記段間シールの前記全体が三角形状の下側本体の嵌合面に当接する請求項17記載のシステム。
  19. 前記少なくとも1つのカバープレートの前記全体が長方形状の下側本体の面のかなりの部分は、前記第1または第2のロータホイールに当接する請求項17記載のシステム。
  20. 多段タービンを備え、前記多段タービンは、
    前記多段タービンの第1のタービン段と前記多段タービンの第2のタービン段との間に軸方向に延在する段間シールシステムを備え、前記段間シールシステムは、
    前記多段タービンのシャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分を備えるT状上側本体を有する段間シールと、
    前記第1のタービン段の第1のロータホイールと前記段間シールとの間に軸方向に配設され、前記多段タービンの前記シャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分を備えるT状上側本体を有する前方カバープレートと、
    前記段間シールと前記第2のタービン段の第2のロータホイールとの間に軸方向に配設され、前記多段タービンの前記シャフトに全体的に平行に延在する全体が長方形のシール部分を備えるT状上側本体を有する後方カバープレートとを備え、
    前記段間シールは、前記前方カバープレートと前記後方カバープレートとの間で捕捉されるように、または、その間に軸方向に押し込まれるように構成されるシステム。
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