JP2013238225A - タービンのガス流路をシールするためのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】改良型のタービンのガス流路をシールするためのシステムを提供する。
【解決手段】タービン１４のガス流路１２をシールするためのシステム１０は、ブラシホルダと、ブラシホルダに接続されブラシホルダから離れる方向に延在するサポートを有する。サポートは、上流側と下流側とを有する。サポートの上流側に沿って、複数の上流ブリストルがブラシホルダに接続され、サポートの下流側に沿って、複数の下流ブリストルがブラシホルダに接続される。上流及び下流ブリストルは、ブラシホルダから離れる方向に延在する端部を有する。
【選択図】図１

Description

本開示は概して、タービンのガス流路をシールするためのシステムに関する。

仕事を行うための様々な航空、工業、発電用途でタービンが幅広く用いられている。一般に、各タービンは、周縁部に取り付けられた静翼及び軸方向に取り付けられた動翼の、交互に設けられた段を有する。静翼は、タービンを囲繞するケーシング等の静止部品に取り付けられ、動翼は、タービンの軸方向中心線に沿って配置されたロータに取り付けられる。蒸気、燃焼ガス、又は空気等の加圧された作動流体がタービン全体のガス流路を流れる。静翼は、加圧された作動流体を加速させて動翼の次の段へ送ることで、動翼に運動を与え、ロータを回転させて仕事を行う。

加圧された作動流体が静翼又は動翼周辺で漏出するか、或いは静翼又は動翼をバイパスすると、タービン効率が低下する。そこで、静翼又は動翼周辺における加圧された作動流体の漏出を減少させるか又は防止するための、様々なシステム及び方法が開発されている。例えば、様々な静止部品と回転部品の間にブリストル又はブラシを設置してブラシシールを形成し、加圧された作動流体がガス流路から漏出すること及び／又はタービン部品をバイパスすることを減少させるか、又は防止することができる。しかし、加圧された作動流体は依然として、特にブリストルを通る流路が生成され易い拡張操作の後に、個々のブリストルどうしの間又は個々のブリストルの端部周辺の空間を通過する。

米国特許第７７９８７６９号

そこで、改良型のタービンのガス流路をシールするためのシステムが有用であろう。

本発明の態様及び利点は、以下の記述において説明されているか、又は以下の記述から明らか、又は本発明の実施によって得られるであろう。

本発明の一実施形態は、タービンのガス流路をシールするためのシステムである。本システムは、ブラシホルダと、ブラシホルダに接続されブラシホルダから離れる方向に延在するサポートとを有する。サポートは、上流側と下流側とを有する。複数の上流ブリストルが、サポートの上流側に沿ってブラシホルダに接続され、複数の下流ブリストルが、サポートの下流側に沿ってブラシホルダに接続されている。上流及び下流ブリストルは、ブラシホルダから離れる方向に延在する端部を有する。

本発明の別の実施形態は、第１のガス流路部品と第１のガス流路部品に少なくとも部分的に嵌入しているブラシホルダとを有する、タービンのガス流路をシールするためのシステムである。サポートがブラシホルダに接続され、ブラシホルダから離れる方向に延在している。サポートは、上流側と下流側とを有する。複数の上流ブリストルがサポートの上流側に沿ってブラシホルダに接続され、複数の下流ブリストルがサポートの下流側に沿ってブラシホルダに接続されている。上流及び下流ブリストルは、ブラシホルダから離れる方向に延在する端部を有する。

本発明は、ブラシホルダとブラシホルダに接続された複数のブリストルを有するタービンのガス流路をシールするためのシステムを有する。複数のブリストルは上流部及び下流部と、ブラシホルダから離れる方向に延在する端部とを有する。第１のガス流路部品は、複数のブリストルの下流部及び端部と同時に係合する段差面を有する。

本明細書を検討すれば、こうした実施形態の特徴及び態様等が当業者により深く理解できるであろう。

本発明の一実施形態に係る、典型的なタービンのガス流路シールシステムの概略側断面図である。 タービンのクールダウン時の、図１に示すシステムの側断面図である。 図１に示すシステムの平面図である。 タービンのウォームアップ時の、図１に示すシステムの拡大側断面図である。 図１に示すシステムの第２実施形態の拡大側断面図である。 図１に示すシステムの第３実施形態の拡大側断面図である。

本発明の最良の形態を含む、当業者に十分且つ実施可能な本発明の開示は、添付図面の参照も含め、本明細書の以降の部分においてより詳細に記載されている。

これより、添付図面においてその１つ以上の例を示した本発明の実施形態を詳細に参照する。発明を実施するための形態では、数字及び文字表記を用いて図面中の機構について言及している。複数の図面で同様又は類似の表記は、本発明の同様又は類似の部分に言及している。ここでは、或る部品と別の部品を区別するために「第１」「第２」「第３」という用語を交換可能に用いているが、個々の要素の位置又は重要性を表すものではない。また、「上流」「下流」という用語は、流路内の部品の相対的な位置を示している。例えば、流体が部品Ａから部品Ｂへと流れる場合は、部品Ａが部品Ｂの上流となる。即ち、流体が部品Ｂから部品Ａから流体流を受け取る場合は、部品Ｂが部品Ａの下流となる。

各例は、本発明を説明する目的で提示されており、本発明を限定することはない。実際は、当業者には明らかなように、本発明の範囲及び概念から逸脱することなく、本発明に修正及び改変を加えることができる。例えば、一実施形態の一部として図示又は記述される特徴を別の実施形態で用い、また別の実施形態を生じることができる。したがって、本発明はこうした修正及び改変も、添付の特許請求の範囲及びその等価物に含まれるものとして包含することを意図している。

本発明の様々な実施形態には、タービンのガス流路をシールするためのシステムを含む。当該技術分野で周知の通り、タービンは一般に、静翼及び動翼の、交互に設けられた段を有する。システムは一般に、ブラシホルダによって適所に保持された複数のブリストルを有する。ブラシホルダからは、ブリストルを支持し且つ／又はブリストルを通過する作動流体を減少させるためのサポート、シム、又は障壁が延在している。特定の実施形態において、システムは１つ以上のガス流路部品を含み、ガス流路部品は、ブラシホルダを適所に保持し且つ／又はブリストルの複数の側面を係合させることで、ブリストル周辺の作動流体流を減少させる。本発明の実施例をガスタービンのガス流路のコンテクストにおいて概説しているが、当業者には明らかなように、本発明の実施形態はあらゆるタービンに適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る、典型的なタービン１４のガス流路１２をシールするためのシステム１０の概略側断面図である。図１に示すように、タービン１４は、ケーシング１６によって囲繞された静止部品及び回転部品を有する。静止部品には、例えば、ケーシング１６に取り付けられた静止ノズル又は静翼１８を含む。回転部品には、例えば、ロータ２２に取り付けられた動翼２０を含む。蒸気、燃焼ガス、又は空気等の作動流体２４は、高温ガス流路１２に沿ってタービン１４を、図１の右側から左側に流れる。静翼１８の第１段が作動流体２４を加速させて動翼２０の第１段へ導くことによって、動翼２０の第１段とロータ２２を回転させる。作動流体２４はそして、作動流体２４を加速させてその方向を動翼２０の次の段へと変える静翼１８の第２段を通り、続く各段においてもプロセスが繰り返される。

ケーシング１６とロータ２２は一般に、タービン１４を通るガス流路１２の外周を画成する。システム１０をガス流路１２内の様々な部品間に設置することで、静翼１８又は動翼２０をバイパスする作動流体２４の量を減少させることができる。例えば、図１の拡大部分に示すように、システム１０は、静翼１８及びケーシング１６等の静止部品の間に設置される。その代わりに、又はそれに加えて、システム１０を、静翼１８等の静止部品とロータ２２等の回転部品との間に設置することもできる。

図２〜図４は、タービン１４の様々な動作条件における、図１に示すシステム１０の第１の実施形態の様々な側断面図及び平面図である。システム１０は一般にブラシシール３０を含み、ブラシシール３０は、ガス流路１２内の２つ部品間で流体の部分的な又は完全な障壁となる。ブラシシール３０は一般に、ブラシホルダ３２、複数のブリストル３４、及びブリストル３４間の障壁３６を含む。ブラシホルダ３２、ブリストル３４、及びサポート（又は障壁）３６は、継続的にガス流路１２に曝露可能なあらゆる材料から製造可能である。例えば、ブラシホルダ３２、ブリストル３４、及び／又はサポート（又は障壁）３６は、炭素鋼、低合金鋼、セラミック複合材料、又はその他の適切な材料から製造可能である。特定の実施形態において、次の特性、即ち、低い熱放射率又は高い熱反射率、滑らかな仕上げ、下地表面への良好な接着性のうち、１つ以上を有する遮熱コーティングをブリストル３４及び／又はサポート３６に塗布する。例えば、当該分野で周知の遮熱コーティングには、ジルコニア（ＺｒＯ２）、部分安定化又は完全安定化イットリア（Ｙ２Ｏ３）、マグネシア（ＭｇＯ）、又はその他貴金属酸化物のような、金属酸化物を含む。選択された遮熱コーティングは、歪み耐性柱状粒子構造をもたらす電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）のような、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、又は物理蒸着（ＰＶＤ）法を用いる従来の方法によって蒸着可能である。例えば、本発明と同じ譲受人に譲渡される米国特許第６１６５６００号に記載のように、上記方法のいずれかを組み合わせて用いてテープを形成し、その後これを下地基板に転写して塗布することによっても、選択された遮熱コーティングを塗布することができる。ブリストル３４の直径は、個々の用途に応じて２〜２０ミルの範囲であり、サポート又は障壁３６は同様の厚さを有する連続的な又は分割された障壁である。但し、当業者には明らかなように、本発明のブラシシール３０の様々な部品の材料及び寸法は、クレームに特記しない限り、限定されるものではない。

ブリストル３４は、毛又はクイルの集合体であり、サポート又は障壁３６は、ブラシシール３０を通る流体流の阻止又は遮蔽に適した可塑性のプレート、ディスク、又はその他の略平面の装置である。例えば、図２及び図４から最もよくわかるように、ブリストル３４とサポート（又は障壁）３６は、ブラシホルダ３２に溶接されるか又は接続され、ブラシホルダ３２から離れる方向に延在している。図３から最もよくわかるように、サポート３６は、ガス流路１２を流れる流体に対する上流側３８と下流側４０を有し、ブリストル３４は、ブラシホルダ３２から離れる方向に延在する上流部４２、下流部４４、及び端部４６を有する。このようにして、ブラシホルダ３２の上流部４８は、サポート３６の上流側３８に対してブリストル３４の上流部４２を押圧し、ブラシホルダ３２の下流部５０は、サポート３６の下流側４０に対してブリストル３４の下流部４４を押圧している。

図２及び図４に示すように、ブラシホルダ３２は、第１のガス流路部品６０に接続され、且つ／又は少なくとも部分的に第１のガス流路部品６０に嵌入されており、第１のガス流路部品６０に対向する第２のガス流路部品６２は、段差面６４を有している。段差面６４は、略垂直部６６及び略水平部６８を有し、これらは第２のガス流路部品６２の深さ７０を少なくとも部分的に画成する。図２及び図４に示すように、ブリストル３４の端部４６は、ブラシシール３０を通る流体流を減少させるために、略水平部６８と係合する。特定の実施例において、段差面６４の深さ７０は、個々の用途に応じて、ブリストル３４の長さとサポート３６の長さの差以上になる。例えば、第１及び第２のガス流路部品６０、６２間の距離、段差面６４の深さ７０、及び／又はガス流路１２の作動流体２４に見込まれる圧力は全て、個々の用途における変数であり、これらはサポート３６及び／又はブリストル３４の長さの決定に用いられる。タービン１４が加熱され、熱膨張によって各ガス流路部品６０、６２が互いに対して移動すると、図４に最も明瞭に示すように、段差面６４の略垂直部６６がブリストル３４の下流部４２をサポート３６に対して挟持する。このようにして、段差面６４は、ブリストル３４の端部４６及びブリストル３４の下流部４２と同時に係合し、ブリストル３４とサポート３６が結合して、ブラシシール３０を通過する流体流がさらに減少する。

図５及び図６は、図１に示すシステム１０の代替実施形態である。各図において、ここでもシステム１０は、図２〜図４に関して上記したように、第１及び第２のガス流路部品６０、６２の間にブラシシール３０を有する。図５に示す特定の実施形態では、段差面６４は、第２のガス流路部品６２内で鈍角７２を形成する。或いは、図６に示すように、段差面６４は、第１のガス流路部品６２内で鋭角７４を形成する。図５に示す鈍角７２と図６に示す鋭角７４によって、段差面６４に傾斜面が形成され、これによって段差面６４とブリストル３４の間のシールが強化され、ブラシシール３０を通過する流体流をさらに減少させることができる。

本明細書では、当業者が、あらゆるシステムの作製及び使用、並びにこれに含まれるあらゆる方法の実施を含め、本発明を実施できるように、最良の形態を含めた例を用いて本発明を開示している。本発明の特許請求の範囲は、請求項によって定義されるが、当業者に想到されるその他の例も包含する。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、又は請求項の文言と実質的に変わらない構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。

Claims (20)

1. タービンのガス流路をシールするためのシステム（１０）であって、
   （ａ）ブラシホルダ（３２）と、
   （ｂ）ブラシホルダに接続されブラシホルダから離れる方向に延在するサポート（３６）であって、上流側（３８）と下流側（４０）とを有するサポート（３６）と、
   （ｃ）サポートの上流側に沿ってブラシホルダに接続された複数の上流ブリストル（４２）と、
   （ｄ）サポートの下流側に沿ってブラシホルダに接続された複数の下流ブリストル（４４）と
   を備えており、上流及び下流ブリストル（４２，４４）がブラシホルダから離れる方向に延在する端部（４６）を有する、システム。
2. 前記ブラシホルダ（３２）が、サポートの上流側（３８）に対して上流ブリストル（４２）を押圧する上流部と、サポートの下流側（４０）に対して下流ブリストル（４４）を押圧する下流部とを含む、請求項１記載のシステム。
3. 段差面（６４）を有する第２のガス流路部品（６２）をさらに備えており、前記段差面（６４）が、上流及び下流ブリストル（４２，４４）の端部（４６）と下流ブリストルの下流側と同時に係合する、請求項１記載のシステム。
4. 前記段差面（６４）が、下流ブリストルとサポートとの長さの差と等しいかそれ以上である第２のガス流路部品の深さを少なくとも部分的に画成する、請求項３記載のシステム。
5. 前記段差面（６４）が略垂直部（６６）及び略水平部（６８）を有する、請求項３記載のシステム。
6. 前記段差面（６４）が第２のガス流路部品（６２）において鋭角をなしている、請求項３記載のシステム。
7. 第２のガス流路部品（６２）に対向する第１のガス流路部品（６０）をさらに備えていて、ブラシホルダ（３２）の少なくとも一部が、第１のガス流路部品（６０）の内側に嵌入している、請求項３記載のシステム。
8. タービンのガス流路をシールするためのシステム（１０）であって、
   （ａ）第１のガス流路部品（６０）と、
   （ｂ）少なくとも部分的に第１のガス流路部品（６０）に嵌入しているブラシホルダ（３２）と、
   （ｃ）ブラシホルダに接続され、ブラシホルダから離れる方向に延在しているサポート（３６）であって、上流側（３８）と下流側（４０）とを有するサポート（３６）と、
   （ｄ）サポートの上流側に沿ってブラシホルダに接続された複数の上流ブリストル（４２）と、
   （ｅ）サポートの下流側に沿ってブラシホルダに接続された複数の下流ブリストル（４４）と
   を備えており、上流及び下流ブリストル（４２，４４）がブラシホルダから離れる方向に延在する端部（４６）を有する、システム。
9. 前記ブラシホルダ（３２）が、サポートの上流側（３８）に対して上流ブリストル（４２）を押圧する上流部と、サポートの下流側（４０）に対して下流ブリストル（４４）を押圧する下流部とを含む、請求項８記載のシステム。
10. 段差面（６４）を有する第２のガス流路部品（６２）をさらに備えており、前記段差面（６４）が、下流ブリストルとサポートとの長さの差と等しいかそれ以上である第２のガス流路部品の深さを少なくとも部分的に画成する、請求項８記載のシステム。
11. 前記段差面（６４）が、上流及び下流ブリストル（４２，４４）の端部（４６）と下流ブリストルの下流側と同時に係合する、請求項１０記載のシステム。
12. 前記段差面（６４）が略垂直部（６６）及び略水平部（６８）を有する、請求項１０記載のシステム。
13. 前記段差面（６４）が第２のガス流路部品（６２）において鋭角をなしている、請求項１０記載のシステム。
14. タービンのガス流路をシールするためのシステム（１０）であって、
    （ａ）ブラシホルダ（３２）と、
    （ｂ）ブラシホルダ（３２）に接続された複数のブリストル（３４）であって、上流部（４２）と、下流部（４４）と、ブラシホルダから離れる方向に延在する端部（４６）とを有する複数のブリストルと、
    （ｃ）段差面（６４）を有する第２のガス流路部品（６２）であって、段差面が複数のブリストルの下流部及び端部と同時に係合する、第２のガス流路部品（６２）と
    を備えるシステム。
15. 前記段差面（６４）が略垂直部（６６）及び略水平部（６８）を有する、請求項１４記載のシステム。
16. 前記段差面（６４）が第２のガス流路部品（６２）において鋭角をなしている、請求項１４記載のシステム。
17. 第２のガス流路部品（６２）に対向する第１のガス流路部品（６０）をさらに備えていて、ブラシホルダ（３２）の少なくとも一部が、第１のガス流路部品（６０）の内側に嵌入している、請求項１４記載のシステム。
18. ブラシホルダ（３２）に接続されたサポート（３６）を複数のブリストルの間にさらに含んでいて、該サポートが上流側（３８）と下流側（４０）とを有する、請求項１４記載のシステム。
19. ブラシホルダが、ブリストルの上流部をサポートの上流側に対して押圧する上流部と、ブリストルの下流部をサポートの下流側に対して押圧する下流部とを有している、請求項１８記載のシステム。
20. 前記段差面（６４）が、下流ブリストルとサポートとの長さの差と等しいかそれ以上である第２のガス流路部品の深さを少なくとも部分的に画成する、請求項１８記載のシステム。