JP2013221498A - ガスタービンシュラウド保持クリップ用の雲母ベースのシール - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービン、ガスタービンシュラウド、および非金属シールでガスタービンシュラウドを密封する方法を提供すること。
【解決手段】ガスタービンシュラウドは、内側シュラウドおよび外側シュラウドを含む。非金属シールは、内側シュラウドと外側シュラウドの間に配置され、一方、シュラウド保持クリップが内側シュラウドと外側シュラウドに圧縮力を加える。圧縮力によって、内側シュラウドと外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める非金属シールが圧縮され、流路と非流路の間の流体流れが制御される。
【選択図】図1

Description

本発明は、ガスタービン構成要素に関し、具体的には、ガスタービンシュラウドおよび関連するハードウェアに関する。
ガスから効率的にエネルギを生成し抽出するには、ガスタービンエンジンを高温で動作させることが望まれる。ガスタービンエンジンの特定の構成要素、例えば固定シュラウドセグメントおよびそれらの支持構造は、燃焼ガスの加熱流に曝される。シュラウドは、流路内の燃焼ガスの温度に耐えるような構成にされるが、その支持構造はそのような構成になっていないので加熱流からの保護が必要である。非流路から流路への高圧圧縮機のブリード空気の流れを制限するために、シュラウドセグメントおよびそれらの支持構造の対応する表面の製作公差を比較的小さく維持する。さらに、非流路と流路の間に正圧差が維持される。
製作公差を比較的小さく取ることによって、流路から非流路に移動する加熱された燃焼ガスに対して、シュラウドセグメントとそれらの支持構造の間にわずかな間隙スペースしか残らなくなる、または間隙スペースが無くなる。これは有効な設計であるが、製作公差を比較的小さくすると、製造が難しくなるだけでなく費用が高くつく可能性がある。さらに、シュラウドセグメントとその支持構造の間の間隙スペースの幅は、これらの構成要素の温度変動に応じて伸長および収縮する恐れがある。
米国特許第7252902号公報
したがって、非流路から流路への圧縮機ブリード空気の流れを最小限に抑えるまたは無くすと同時に、シュラウド構成要素の製造の難点および費用を減少させることができるシュラウドシールが必要とされている。
以下の要約は、本明細書で論じるシステムおよび/または方法のいくつかの態様の基本的な理解を可能にするために、簡単な要約を提供する。この要約は、本明細書で論じるシステムおよび/または方法の詳細な概要ではない。これは、主要/重要な要素を識別すること、またはそうしたシステムおよび/もしくは方法の範囲を正確に概説することを意図したものではない。唯一の目的は、以下に示すより詳細な説明の前置きとしていくつかの概念を簡略化して提供することである。
本発明の一態様は、ガスタービンシュラウドを提供する。ガスタービンシュラウドは、内側シュラウドおよび外側シュラウドを含む。ガスタービンシュラウドは、内側シュラウドと外側シュラウドの間に非金属シールをさらに含む。ガスタービンシュラウドは、圧縮力を内側シュラウドと外側シュラウドに加えるように構成されるシュラウド保持クリップをさらに含む。圧縮力によって、内側シュラウドと外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める非金属シールが圧縮され、それによって流路と非流路の間の流体流れが制御される。
本発明の他の態様は、ガスタービンを提供する。ガスタービンは、少なくとも1つのタービン段を含む。少なくとも1つのタービン段は、複数のタービンブレードを含む。ガスタービンは、内側シュラウド、外側シュラウドおよび内側シュラウドと外側シュラウドの間にある非金属シールをさらに含む。ガスタービンは、圧縮力を内側シュラウドと外側シュラウドに加えるように構成されるシュラウド保持クリップをさらに含む。圧縮力によって、内側シュラウドと外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める非金属シールが圧縮され、それによって流路と非流路の間の流体流れが制御される。
本発明の他の態様は、ガスタービンのシュラウド要素を密封する方法を提供する。ガスタービンは、少なくとも1つのタービン段を含む。少なくとも1つのタービン段は、複数のタービンブレードを含む。ガスタービンは、内側シュラウドおよび外側シュラウドをさらに含む。方法は、内側シュラウドと外側シュラウドの間に非金属シールを設置することをさらに含む。方法は、内側シュラウドと外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める非金属シールを圧縮し、それによって非流路と流路の間の流体流れを制御するように、内側シュラウドと外側シュラウドに作用する圧縮力を加えることをさらに含む。
本発明の上記その他の態様は、添付の図面を参照して以下の説明を読めば本発明に関係する当業者には明らかとなろう。
本発明のシュラウドシールを組み込んだ例示的なガスタービンセクションの断面図である。 図1の例示的なガスタービンセクションからシュラウドアセンブリの一部を拡大した図である。 図2の線3−3に沿った概略部分断面図である。 ガスタービンのシュラウド要素を密封する例示的な方法の最上位の流れ図である。
本発明の1つまたは複数の態様を組み込んだ例示的な実施形態を説明し、図面に示す。図示のこれらの例は、本発明に対する限定を意図するものではない。例えば、本発明の1つまたは複数の態様は、他の実施形態および他のタイプの装置にも使用することができる。さらに、本明細書では、便宜上、特定の用語を使用するに過ぎず、それらを本発明に対する制限とみなすべきではない。さらに、図面において、同様の参照番号は、同様の要素を示すのに用いる。
図1は、例示的なガスタービン10全体を概略的に示している。図1は、可能な構造/構成/その他の一例を示しており、他の例は本発明の範囲内で企図されると理解すべきである。特定の一例では、ガスタービン10は、航空機の推進に使用するガスタービンジェットエンジンであってよい。他の特定の例では、ガスタービン10は、発電用の産業用ガスタービンであってよい。ガスタービン10は、多数の圧縮機段を有する圧縮機(図示せず)、燃焼室(図示せず)、エンジンケーシング16内に配置されるタービンセクション14を含むことができる。図1に示すように、ガスタービン10は、1つのタービン段のタービンセクション14を含むが、様々な数のタービン段が可能である。図1に示すタービン段を、第1段と呼ぶことができる。第1段は、エンジンの中心線軸「C」まわりに回転する第1段ディスク22から径方向外方に延在する複数の円周方向に間隔を置いて配置される第1段ブレード20を有する第1段ロータ18、および第1段ブレード20に燃焼ガスを流し込む固定した第1段タービンノズル24を含むことができる。タービンセクション14内の後の段も同様の構造を含むことができる。これは簡略化した説明であり、従来型のガスタービンおよび例示的なガスタービン10は、上述のものよりもさらに多くの動作構成要素を有することができると理解すべきである。
燃焼ガスは、上流の燃焼室(図示せず)から矢印26で示される方向にタービンセクション14に入る。燃焼ガスは、温度が比較的高い可能性があるので、少なくともいくつかの理由のため、特定の流路内に維持することが望ましい。燃料ガスを特定の流路内に維持する1つの理由は、流れてくる燃焼ガスが確実に第1段ブレード20上に衝突してタービンシャフトを回転させることにより効率が向上するようにするためである。燃焼ガスを特定の流路内に維持する他の理由は、ガスタービン10の外側の支持構造が、ガスタービン10を通過するときの燃焼ガスの比較的高い温度に耐えるように設計されていないためである。
燃焼ガスを所望の流路内に維持するために、複数の円筒形に曲がった、すなわち弓形の第1段内側シュラウド30が円周方向に環状アレイに配置され、第1段ブレード20に接近してそれを囲繞する。内側シュラウド30は、第1段ロータ18を通って流れる高温燃焼ガスについての外側流路境界を画成する。したがって、流路は、全体的に、内側シュラウド30と、第1段ブレード20および(ロータホイール空間を除く)第1段タービンノズル24の内壁との間の体積であると説明することができる。非流路は、全体的に、内側シュラウド30の外側の体積であると説明することができる。第1段内側シュラウド30およびそれらを支持するハードウェアは、「シュラウドアセンブリ」34と呼ぶことができる。第1段内側シュラウド30およびシュラウドアセンブリ34の説明は、ガスタービン10のどの段にも同様に適用可能であると理解すべきである。
図2は、例示的なシュラウドアセンブリ34の一部の拡大図である。外側シュラウド36と呼ばれる支持構造は、(図1で最も良く見られる)エンジンケーシング16に取り付けられ、エンジンケーシング16に対して第1段内側シュラウド30を保持する。外側シュラウド36は、全体的に弓形であり、径方向に延在するアーム40を有する。外側シュラウド36は、単一の連続する360°構成要素であってよく、または複数の弓形セグメントに分割されてもよい。弓形フック44は、アーム40から軸方向に延在する。各内側シュラウド30は、軸方向に延在するレール50を有する弓形基部46を含む。取り付けフランジ54は、各内側シュラウド30のレール50から後方に延在する。弓形フック44の内方に面する面56およびレール50の外方に面する面58は、環状対合面とみなすことができるが、弓形フック44とレール50との間には間隙があってもよい。各内側シュラウド30のレール50は、外側シュラウド36の弓形フック44に隣接して配置され、シュラウド保持クリップ60と呼ばれる複数の保持部材によって所定位置に保持される。
シュラウド保持クリップ60は、弓形部材であり、取り付けフランジ54および弓形フック44をオーバーラップする内側アーム62および外側アーム64と相まってC字形になる断面を有することができる。シュラウド保持クリップ60は、内側シュラウド30および外側シュラウド36に圧縮力を加え、外側シュラウド36に対して内側シュラウド30の後端を所定位置に締め付ける。内側アーム62および外側アーム64は、径方向に延在する弓形フランジ66によって接合される。それらは単一の連続したリングとして形成可能であるが、シュラウド保持クリップ60は、典型的には、複数のシュラウド保持クリップ60を形成するように分割される。シュラウド保持クリップ60を分割することによって、燃焼ガスが内側シュラウド30、シュラウド保持クリップ60および外側シュラウド36を加熱したときの熱膨張に対応することができるようになる。典型的には、各シュラウド保持クリップ60は、少なくとも1つの内側シュラウド30を締め付ける。シュラウド保持クリップ60を所定位置に圧入することによって、圧縮嵌合を確実にすることができる。
上述のように、しばしば、流路内の燃焼ガス流を、内側シュラウド30によって画成される実質的に円筒形の体積内に維持することが有利である。燃焼ガスの漏れを制限する1つの方法は、内側シュラウド30および外側シュラウド36の対合する面の間で比較的小さい製作公差を維持することである。例えば、レール後面72と対合するようにアーム前面70を比較的小さい公差で製作することができる。レール後面72を比較的小さい公差で製作してもよい。アーム前面70とレール後面72の間の界面は界面Dと呼ぶことができる。他の例では、アーム後面76と対合するように取り付けフランジ前面74を比較的小さい公差で製作することができる。アーム後面76を比較的小さい公差で製作してもよい。取り付けフランジ前面74とアーム後面76の間の界面は、界面Eと呼ぶことができる。ガスタービン10の動作中、いくらかの圧縮機ブリード流(高圧)が、界面Dを通って流路に入り、アーム40と取り付けフランジ54の間を流れ、界面Eを通過することが起こり得る。界面Dおよび界面Eを比較的小さい公差で製作することは、流路に漏れる圧縮機ブリードの量を制限する助けとなる。いくつかのガスタービン10の用途では、流路への圧縮機ブリードの損失を制限するために、界面D、界面Eまたは両方を比較的小さい公差で製作することができる。
圧縮機ブリードのガスタービン10流路への漏れは、ガスタービン10の性能にいくつかの望ましくない影響をもたらす恐れがある。流路からの燃焼ガスの損失は、タービン10の効率を低下させる恐れがある。さらに、流路を囲繞するキャビティが加圧された状態にないと、燃焼ガスが流路から漏れ、比較的高い加熱に耐えるように設計されていない恐れがある外側シュラウド36、エンジンケーシング16および他の構成要素に望ましくない加熱をもたらす恐れがある。界面DおよびEを比較的小さい製作公差で製作した結果狭くなったアセンブリ間隙は、漏れを最小限に抑え、キャビティを加圧状態で維持する助けとなる。しかし、製作公差を比較的小さくするのは、実現が難しいだけでなく費用が高くつく可能性がある。さらに、低温(すなわち室温)アセンブリ状態でこれらの面の間の間隙を比較的狭くすると、タービン構成要素の膨張および収縮によって悪い影響を受ける恐れがある。通常動作中、ガスタービン10の動作温度に達すると膨張および収縮が起こる可能性がある。この膨張および収縮があるので、高温(すなわちタービン動作温度)状態での間隙からの漏れを許容できる程度に維持するのがより難しくなる。
非金属シール80は、内側シュラウド30と外側シュラウド36の間に配置される。より具体的な一例では、非金属シール80は、内側シュラウド30の取り付けフランジ54の環状対合面と外側シュラウド36の弓形フック44の環状対合面との間に配置され得る。シュラウド保持クリップ60は、内側シュラウド30および外側シュラウド36に圧縮力を加え、非金属シール80を圧縮し、それによって非流路から流路に漏れる流体流れを制御するように構成される。非金属シール80は、外側シュラウド36のアーム40と内側シュラウド30の取り付けフランジ54の間の間隙を埋める。一例では、非金属シール80は、内側シュラウド30と外側シュラウド36の間に気密シールを形成し、非流路から流路への漏れを制限または無くす。
一例では、非金属シール80は、少なくとも部分的に雲母からなる。雲母は、その物理的性質が非常に柔軟性があり圧縮可能であることから、この用途には理想的な材料である。少なくとも部分的に雲母からなる材料は、耐熱性だけでなく耐化学薬品性も示すことができる。さらに、少なくとも部分的に雲母からなる材料は、温度の上昇に伴って膨張することができる。内側シュラウド30および外側シュラウド36の構成要素が温度変化に伴って膨張および収縮するとき、間隙スペースが膨張および収縮しても内側シュラウド30と外側シュラウド36の間の間隙スペースを埋めようと非金属シール80も膨張および収縮することができる。少なくとも部分的に雲母からなる材料の一例には、The Flexitallic Group,Inc.製造のThermiculite(登録商標)がある。
他の例では、非金属シール80は、シート材料を含むことができる。シート材料は、比較的平らであり、寸法は、厚さが比較的薄いのに比べると幅および長さが比較的長くてよい。シートは、非金属材料の連続したループであってよく、または複数の弓形セグメントに分割されてもよい。ガスタービン10のアセンブリの間または低温アセンブリ状態での再構築プロセスの間に、非金属シール80のシートを接着剤によって外側シュラウド36に張り付けることができる。非金属シール80を外側シュラウド36に張り付けた後、内側シュラウド30をガスタービン10に後装することができる。次いで、シュラウド保持クリップ60を使用して圧縮力を生じさせ、外側シュラウド36と内側シュラウド30の間に非金属シールを効果的に挟むことができる。他の例では、非金属シール80を円筒形に曲げ、ガスタービン10の中心線軸Cと同軸に中心を位置決めすることができる。図3は、シュラウド保持クリップ60、外側シュラウド36、非金属シール80および内側シュラウド30の円周方向の関係を示す拡大図である。
図3は、シュラウド保持クリップ60、外側シュラウド36、非金属シール80および内側シュラウド30の円周方向の関係を概略的に示す拡大断面図である。シュラウド保持クリップ60は、内側アーム62および外側アーム64を含む。シュラウド保持クリップ60が外側シュラウド36および内側シュラウド30に加える所定の締め付け力を生成するように、非金属シール80の厚さを選択することができる。
図2に戻ると、必ずしもそうとは限らないが、内側シュラウド30と外側シュラウド36の間に配置される非金属シール80によって、内側シュラウド30の表面の少なくとも1つの製作公差の限度を大きく取ることができるようになる。例えば、非金属シール80が非流路から流路への漏れを制限することができるので、外側シュラウド36および内側シュラウド30の設計が、非流路から流路への漏れを制限するために界面DおよびEを比較的小さい製作公差で製作することにあまり頼らなくても済むようになる。製作公差の限度を大きく取れることによって、外側シュラウド36および内側シュラウド30の製造の難点だけでなく費用も減少させることができるようになる。製作公差を大きく取って製造の難点および費用を減少させることは、比較的小さい製作公差から生じる外側シュラウド36に対する内側シュラウド30の制限された運動の利得との釣り合いをとる必要があると理解されたい。
図4は、ガスタービンのシュラウド要素を密封する例示的な方法を全体的に示している。方法は、図1の例示的なガスタービン構成要素に関連して実施することができる。方法は、ガスタービンを準備するステップ110を含む。ガスタービンは、少なくとも1つのタービン段を含む。各タービン段は、複数のタービンブレード、内側シュラウドおよび外側シュラウドを含む。ガスタービンは、いくつもの市販のガスタービンのうちの1つであってよい。
方法は、さらに、非金属シールを内側シュラウドと外側シュラウドの間に設置するステップ120を含む。方法の一例では、非金属シールを内側シュラウドの環状対合面と外側シュラウドの環状対合面との間に設置する。方法の他の例では、非金属シールは、少なくとも部分的に雲母からなる。非金属シールは、シート材料から形成してもよい。さらに、非金属シールを円筒形に曲げ、ガスタービンの中心線軸と同軸に中心を位置決めしてもよい。
方法は、さらに、内側シュラウドおよび外側シュラウドに作用する圧縮力を加えて非金属シールを圧縮し、それによって非流路と流路の間の流体流れを制御するステップ130を含む。方法の一例では、圧縮力は、C字形クリップとして知られることもあるシュラウド保持クリップによって生成され得る。方法の一例では、非金属シールがあることによって、内側シュラウドの表面の少なくとも1つの製作公差の限度を大きく取ることができるようになる。
上述したガスタービンシュラウドの非金属シールおよびそれらの関連する使用方法にはいくつかの利点がある。雲母ベースのシールは、シュラウド要素の対応する表面にしばしばなされる比較的小さい製作公差の機械加工と比較して、外側シュラウドと内側シュラウドの間の圧縮機ブリード空気の漏れを防ぐ代わりに比較的低い費用を実現する。さらに、非金属シールは、ガスタービン構成要素の加熱および冷却期間中に膨張および収縮することができ、外側シュラウドと内側シュラウドの間の間隙を密封する傾向がある。それに対してシュラウド要素に比較的小さい製作公差を取り入れた既知の方法では、変動する温度状態において間隙スペースの幅の変化が生じる。外側シュラウドの水平面と内側シュラウドの水平面との間に非金属シールを使用することによって、保護を受けるべき(chargeable)流れを減少させることができるようになる。保護を受けるべき流れは、ガスタービンの適切な動作に必要な冷却媒体(例えば圧縮機ブリード空気)である。さらに、内側シュラウドと、外側シュラウドと、非金属シールとの間が圧縮嵌合されるので、非金属シールは、作用しなくなっても所定の位置にとどまり、シュラウド構成要素から離れることがなくなる。
本発明を上述の例示的な実施形態を参照して説明してきた。本明細書を読み理解すれば他の人も修正形態および代替形態を思いつくであろう。本発明の1つまたは複数の態様を組み込んだ例示的な実施形態は、全てのそうした修正形態および代替形態を、添付の特許請求の範囲内に入る限りにおいて含むものとする。
10 ガスタービン
14 タービンセクション
16 エンジンケーシング
18 第1段ロータ
20 第1段ブレード
22 第1段ディスク
24 第1段タービンノズル
26 燃焼ガス
30 内側シュラウド
34 シュラウドアセンブリ
36 外側シュラウド
40 アーム
44 フック
46 基部
50 レール
54 取り付けフランジ
56 面
58 面
60 シュラウド保持クリップ
62 内側アーム
64 外側アーム
66 フランジ
70 アーム前面
72 レール後面
74 取り付けフランジ前面
76 アーム後面
80 非金属シール
110 内側シュラウドおよび外側シュラウドを含むガスタービンエンジンを準備する
120 内側シュラウドと外側シュラウドの間に非金属シールを設置する
130 内側シュラウドと外側シュラウドに圧縮力を加える
C 中心線軸
D 界面
E 界面

Claims (20)

  1. ガスタービンシュラウドであって、
    内側シュラウドと、
    外側シュラウドと、
    前記内側シュラウドと前記外側シュラウドの間にある非金属シールと、
    シュラウド保持クリップであり、前記内側シュラウドおよび前記外側シュラウドに圧縮力を加え、前記内側シュラウドと前記外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める前記非金属シールを圧縮し、それによって非流路と流路の間の流体流れを制御するように構成される、シュラウド保持クリップと
    を備える、ガスタービンシュラウド。
  2. 前記非金属シールが、前記内側シュラウドの環状対合面と前記外側シュラウドの環状対合面との間に配置される、請求項1記載のガスタービンシュラウド。
  3. 前記非金属シールが、さらに、前記内側シュラウドの径方向対合面と前記外側シュラウドの径方向対合面との間に配置される、請求項2記載のガスタービンシュラウド。
  4. 前記非金属シールが、少なくとも部分的に雲母からなる、請求項1記載のガスタービンシュラウド。
  5. 前記非金属シールが、シート材料を含む、請求項4記載のガスタービンシュラウド。
  6. 前記非金属シールが、円筒形に曲げられ、前記ガスタービンの中心線軸と同軸に中心が位置決めされる、請求項1記載のガスタービンシュラウド。
  7. 前記非金属シールがあることによって、前記内側シュラウドの表面の少なくとも1つの製作公差の限度を大きく取ることができるようになる、請求項1記載のガスタービンシュラウド。
  8. ガスタービンであって、
    複数のタービンブレードを含む少なくとも1つのタービン段と、
    内側シュラウドと、
    外側シュラウドと、
    前記内側シュラウドと前記外側シュラウドの間にある非金属シールと、
    シュラウド保持クリップであり、前記内側シュラウドおよび前記外側シュラウドに圧縮力を加え、前記内側シュラウドと前記外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める前記非金属シールを圧縮し、それによって流路と非流路の間の流体流れを制御するように構成される、シュラウド保持クリップと
    を備える、ガスタービン。
  9. 前記非金属シールが、前記内側シュラウドの環状対合面と前記外側シュラウドの環状対合面との間に配置される、請求項8記載のガスタービン。
  10. 前記非金属シールが、さらに、前記内側シュラウドの径方向対合面と前記外側シュラウドの径方向対合面との間に配置される、請求項9記載のガスタービン。
  11. 前記非金属シールが、少なくとも部分的に雲母からなる、請求項8記載のガスタービン。
  12. 前記非金属シールが、シート材料を含む、請求項11記載のガスタービン。
  13. 前記非金属シールが、円筒形に曲げられ、前記ガスタービンの中心線軸と同軸に中心が位置決めされる、請求項8記載のガスタービン。
  14. 前記非金属シールがあることによって、前記内側シュラウドの表面の少なくとも1つの製作公差の限度を大きく取ることができるようになる、請求項8記載のガスタービン。
  15. ガスタービンのシュラウド要素を密封する方法であって、
    複数のタービンブレードを含む少なくとも1つのタービン段、内側シュラウドおよび外側シュラウドを含む、ガスタービンを準備するステップと、
    非金属シールを前記内側シュラウドと前記外側シュラウドの間に設置するステップと、
    前記内側シュラウドと前記外側シュラウドの間の間隙スペースを埋める前記非金属シールを圧縮し、それによって非流路と流路の間の流体流れを制御するように、前記内側シュラウドおよび前記外側シュラウドに作用する圧縮力を加えるステップと
    を含む、方法。
  16. 前記非金属シールが、前記内側シュラウドの環状対合面と前記外側シュラウドの環状対合面との間に設けられる、請求項15記載の方法。
  17. 前記非金属シールが、少なくとも部分的に雲母からなる、請求項15記載の方法。
  18. 前記非金属シールが、シート材料を含む、請求項17記載の方法。
  19. 前記非金属シールが、円筒形に曲げられ、前記ガスタービンの中心線軸と同軸に中心が位置決めされる、請求項15記載の方法。
  20. 前記非金属シールがあることによって、前記内側シュラウドの表面の少なくとも1つの製作公差の限度を大きく取ることができるようになる、請求項15記載の方法。
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