JP2013532258A - ギャップをシールするためのシーリング要素 - Google Patents

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Abstract

本発明は、本質的に、二つのコンポーネント(2a,2b)間のギャップ(5)をシールするためのシーリング要素(1)、特に、ガスタービンシステムのシール機構(2c)に関し、シーリング要素は主線(21)に沿った長尺なものであり、かつ、波状にされた中央領域(10)に輪郭取りされた断面を有する。断面において、シーリング要素(1)は主線(21)に沿って方向付けられ、かつ、主線(21)に関して実質的に直交する方向に変形できる。特に効果的なブロッキング作用を備えた耐摩耗性の、長寿命シーリング要素(1)を提供するために提案されるのは、波形のシール歯(20)が事実上矩形の断面輪郭を有し、かつ、このシール歯の歯高(H)が、歯高(H)と平行に測定可能なシーリング要素厚み(D)の10%ないし40%であることである。

Description

本発明は、熱的作用の結果として互いに移動する可能性がありかつそれぞれ相互に対向するコンポーネント溝を有する二つのコンポーネント間に形成されるギャップをシールするためのシーリング要素に関する。本発明はまた、相互に対向するコンポーネント溝内に収容されたシーリング要素を有する、そうしたシーリング機構に関する。
ガスタービンにおいては、たとえば、その燃焼チャンバー内で生じた高温ガスの環状流動経路を固定タービンブレードのプラットフォームが形成していることも事実である。隣接するタービンブレードのプラットフォームは、ここでは、その間に形成されるギャップを伴って、一方が他方の隣に配置される。このギャップを経て高温ガスが失われるのを抑止するために、そして同時に、後部に配置されたキャリアコンポーネントへのダメージを回避するために、二つの相互に対向するコンポーネント溝内に収容されるシーリング要素によって、このギャップをシールすることが知られている。そうしたシーリング機構は、特許文献1から公知である。当該文献から公知のプレート状シーリングシートは、一方側に歯付き(リブ付き)面を有する。
このようにして形成されたシーリングシートは、たとえば、熱作用の結果として互いに関して際立った程度まで移動することができるコンポーネントの場合には、際立った磨耗を受ける可能性があることが判明している。したがって、必要なシーリング機能は損なわれ、そしてシステムの動作性能がかなりの程度制限されることがある。さらに、公知のシーリングシートの設置に問題が生じる可能性もあり、こうした問題は望ましくないフォローアップ作業を発生させる可能性がある。
欧州特許第0 852 659号明細書
本発明の目的は、したがって、ギャップをシールすることを意図された、そして比較的大きな熱誘起コンポーネント移動の場合でさえ有効なシーリングを保証する長寿命シーリング要素を提供することである。
この目的は、本発明に基づいて、二つのコンポーネント間のギャップをシールするためのプレート状シーリング要素によって達成されるが、二つのコンポーネントは、機械的あるいは熱的作用の結果として互いに移動し得るものであり、かつ、それぞれシーリング要素を収容するための相互に対向するコンポーネント溝を有しており、シーリング要素は主線に沿って方向付けられ、かつ、主線と本質的に直交する断面で見たときに、第1の端部と第2の端部との間に配置された中央領域を有すると共に歯が付けられた第1の表面を有しており、シーリング歯、好ましくはシーリング歯の全ては、略矩形断面輪郭を有し、かつ、その歯高は、歯高と平行に、すなわち歯高を含んで検出できるシーリング要素の厚みの10%ないし40%である。
本発明は、公知のシーリングシートは、このシーリングシートの全体厚みに関してその歯高が過度に高いものである歯形成組成物を有する、という知見に基づくものである。シーリングシートの歯キャリア部分(その上にはシーリング歯が配置される)は、したがって不十分な素材厚みしか持たず、したがって磨耗が、許容し難い顕著な程度まで、シーリングシートの従前の相対的に薄い歯キャリア部分を弱めることがあった。この程度まで、相互に対向するコンポーネントの比較的大きな変位による増大する機械的ストレスのもと、磨耗素材の相対的に小さな量のみがシーリングシートの歯キャリア部分に留まる。比較的薄い歯キャリア部分によって、コンポーネントの対応する熱移動に伴って、後者が早期の局所的磨耗にさらされることがあった。これは公知のシーリングシートの部分的な破損につながる可能性があった。本発明によれば、歯高は、この場合、全シーリング要素厚みに関連して制限され、そして、シーリング要素厚みの10%ないし40%である。これは、本発明に基づくシーリング要素の歯キャリア部分が従来のシーリングシートの場合よりも著しく厚みが大きいことを意味し、これはシーリング要素の長期的強度および耐用年数の向上につながる。
従来技術から公知のシーリング要素の断面的にテーパー状のシーリング歯とは対照的に、本発明に基づくシーリング歯は歯キャリア部分への移行領域を除いて、多少の矩形断面輪郭を有する。したがって、本発明に基づくシーリング要素は、その歯フランクが直近の従来技術の場合よりも、より急勾配であるシーリング歯を有する。シーリング歯はこれまでよりも著しく幅狭であることも事実である。この急勾配の歯フランクおよびより幅狭な設計によって、シーリング要素は、リブ付き領域において改良された変形性(コンプライアンス)を有し、これは、コンポーネント溝内へのプレート状シーリング要素の簡単な設置を可能とする。だが、もし磨耗が生じる場合、これは、第1の例では、新規な歯において、そして歯キャリア部分においてのみ生じる。これは、シーリング要素の部分的な破損を遅らせる。
したがって、本発明に係るシーリング要素は、本発明によるシーリング要素のキャリア部分が公知のシーリングシートの場合よりも硬質であり、かつ、本発明によるシーリング要素のリブ付き領域が公知のシーリング要素の場合よりも軟質であるという点において、公知のシーリングシートとは異なっている。これに関して、硬質および軟質領域は結果的に交替させられている。
本発明の有利な形態は従属請求項に開示されている。
さらに、シーリング要素は、シーリング歯は矩形断面輪郭を有しかつその間隔が概ねシーリング歯の歯高の1.6倍まで低減される場合に、その相対的な歯高に関係なく、改良されたシーリング作用を発揮する。したがって、最適な間隔が隣接する歯同士の間で設定されかつ最適なギャップ制限が達成され、したがって、改良されたシーリング作用が公知の形態に関して保証される。
シーリング要素厚みは、望ましくは、1.0mmないし4.0mmであり、かつ、シーリング要素の歯高(H)は、望ましくは、0.1mmないし1.6mm、特に、0.3mmないし0.7mmである。
シーリング要素のシーリング歯は、好ましくは、改良された変形性の形態の特殊な適応性を有し、したがって、たとえシーリング要素がオーバーサイズであっても、シーリング要素の簡単な設置を依然として保証できる。この適合性は、従来技術のそれと比べて、より急な歯フランクおよびより狭いシーリング歯に基づく。
さらに、シーリング要素は、隣接するコンポーネントの増大したオフセットおよび変形に関して特定のレベルのコンプライアンスを有し、したがって、シーリング要素はまた、運転中にかなりのオフセットおよび変形を呈するシーリングコンポーネントにとって特に好適である。
本発明について、図面を参照して、さらに詳しく説明する。
ガスタービン設備を通る長手方向断面の一部を示す図である。 シーリング要素を有するガスタービン設備のシーリング機構を通る断面図である。
図1は、主軸線14に沿って向けられたガスタービン設備22を示している。このガスタービン設備は、ハウジング17内で軸方向に交互に並ぶ固定ブレード12および可動ブレード15を有する。可動ブレード12は、主軸線14に対して直交する軸線18に沿って方向付けられており、かつ、円を形成するようにガスタービン設備22の周方向に沿って配置されている。固定ブレード12は、個々の固定ブレードプレート16を介して、ガスタービン設備22のハウジング17に対して結合されている。周方向に沿って、隣接する固定プレート12は、それぞれのギャップ5によって互いに離間されており(図2参照)、この結果、それらは、熱的作用の結果として、概ね自由に広がることができる。
固定ブレードプレート16は、高温ガス領域11(これはガスタービン設備22の主軸線14の周りに形成される)を低温ガス領域8(これは固定ブレードプレート16とタービンハウジング17との間に形成される)から分離させる。可動ブレード15は、それぞれの主軸線19に沿って延在するが、これは、同様に、ガスタービン設備の主軸線14に対して本質的に直交している。可動ブレード15は高温ガス領域11内に完全に配置されている。この高温ガス領域11は、複数の壁コンポーネント13によって、ガスタービン設備22の周方向に沿って、冷却空気領域8から分離させられている。壁コンポーネント13はここでは可動ブレード15に隣接している。壁コンポーネント13は、タービンハウジング17に接続されている。分かりやすくするために、各場合に、ただ一つの固定ブレード12、一つの可動ブレード15および一つの壁コンポーネント13しか図示していない。軸方向に見たとき、それぞれの壁コンポーネント13は、それぞれの固定ブレード12から、特に固定ブレードプレート16からギャップ5によって離間されている。このギャップ5はシーリング要素1によってシールされ、この結果、概して、冷却ガス領域8から高温ガス領域11内への冷却ガスの流れが阻止される。固定ブレード12は、ここでは、第1のコンポーネント2aを構成し、かつ、壁部13は第2のコンポーネント2bを構成する。軸方向に見たとき、冷却空気領域8は、固定ブレードプレート16および壁コンポーネント13によって高温ガス領域11からシールされ、かつ、周方向に見たとき、シーリングは、各場合に、隣接する固定ブレード12間ならびに対応するように隣接する壁コンポーネント13間において生じる。
図2は、二つの隣接コンポーネント2a,2bを通る、ガスタービン設備22の周囲に沿って取った断面を示している。二つのコンポーネント2a,2bは、シーリング機構2cの一部であり、かつ、ギャップ5によって互いに離間されている。コンポーネント2a,2bは、それぞれ、二つの隣接する固定ブレード12、特に固定ブレードプレート16および二つの隣接する壁コンポーネント13であってもよい。各場合に周方向に見たとき、コンポーネント溝3a,3bがコンポーネント2a,2bにそれぞれ設けられている。シーリング要素1は、ギャップ5をシールするために、コンポーネント溝3a,3b内に係合する。シーリング要素1は、主線21に沿って方向付けられ、かつ、図示する断面において、主線21と直交する方向に、第1の端部6a、第2の端部6b、そしてその間に配置された中央領域10を有する。中央領域10は、冷却ガス領域8に向かって方向付けられた複数のリブ形成溝7を有し、ここで、個々のシーリング歯20が隣接するリブ形成溝7間に形成されており、この結果、中央領域10は一方側においてリブが付与される。シーリング歯20はシーリング要素1の歯キャリア部分上に配置される。各リブ形成溝および各シーリング歯20は、主線21と平行に、かつ、生じ得る漏れ流に対して直交するように延在する。
コンポーネント溝3a,3bのそれぞれは、それぞれ互いに対向するようにかつ互いに平行に配置された溝側壁9a,9bを有する。冷却ガスの圧力は、通常、高温ガス流動領域11内の高温ガスの圧力よりも高いので、シーリング要素1は、コンポーネント溝3a,3bの側壁9aに載った、その平滑な面を有し、したがって、シーリング歯20は、かなり機械的な負荷が軽減されている。
コンポーネント溝3a,3bの二つの溝側壁9a,9bは、ここでは、溝幅Bとしても示す間隔によって互いに対向して配置されている。溝幅Bは、多くても、シーリング要素1の全体厚みよりも1.1倍大きなものである。第1の形態によれば、溝幅は2.5mmであり、かつ、シーリング要素厚みは2.4mmである。
シーリング歯20は、シーリング要素厚みの10%ないし40%、たとえば0.5mmの高さHを有する。これは、概ね、上記シーリング要素厚みの20.8%に対応する。同時に、その多少の矩形断面輪郭によって、シーリング歯20は、その高さにわたってほとんど不変の歯幅Zを有する。この歯幅Zは、約0.1ないし0.2mmの大きさのオーダーである。シーリング要素1の全体厚みDおよび溝幅Bは、二つの直に隣接するシーリング歯20間の平均間隔Tが少なくともギャップSの5倍であるように互いに調整される(溝側壁9aに対するシーリング要素1の平滑な面の平面当接によってギャップSがシーリング歯チップとコンポーネント溝3a,3bの別な側壁9bとの間に生じる)。可能ならば、平均間隔Tはまた、本質的に、歯高Hの1.6倍であるべきである。シーリング機構2cの第1の形態によれば、ギャップSは0.1mmの寸法を有し、かつ、間隔Tは0.8mmの寸法を有する。
もちろん、シーリング歯20は歯キャリア部分18から垂直に突出する必要はない。図2において22で示す右側において、それらを歯キャリア部分18に対する垂線23に関して僅かに傾斜させることも可能である。
全体的に見て、本発明は、二つのコンポーネント2a,2b間のギャップ5をシールすることを意図された、そして主線21に沿って延在すると共にリブ付き中央領域10において輪郭取りされた断面を有するシーリング要素1、特にガスタービン設備のシーリング機構に関する。断面で見たとき、シーリング要素1は主線21に沿って向けられ、かつ、この主線21と本質的に直交する方向に変形できる。耐摩耗性の長寿命シーリング要素1に特に有効なブロッキング作用を付与するために、リブ形成組成物のシーリング歯20が矩形断面輪郭を有し、かつ、その歯高Hが、この歯高Hと平行に検出可能なシーリング要素厚みDの10%ないし40%であることが提案される。効率的なシーリングは、これに代えて、シーリング歯20が、矩形断面輪郭に沿って、関連するシーリング歯20の平均歯高Hの約1.6倍である間隔Tによって互いに離間されるならば達成可能である。平均歯高Hは、問題の歯高の算術平均に対応する。
2a 第1のコンポーネント
2b 第2のコンポーネント
2c シーリング機構
3a,3b コンポーネント溝
5 ギャップ
6a 第1の端部
6b 第2の端部
8 低温ガス領域
9a,9b 溝側壁
10 中央領域
11 高温ガス領域
12 固定ブレード
13 壁コンポーネント
14 主軸線
15 可動ブレード
16 固定ブレードプレート
17 ハウジング
18 歯キャリア部分
19 主軸線
20 シーリング歯
22 ガスタービン設備

Claims (3)

  1. 二つのコンポーネント(2a,2b)間のギャップ(5)をシールするためのプレート状シーリング要素(1)であって、前記二つのコンポーネント(2a,2b)は、機械的あるいは熱的作用の結果として互いに移動し得るものであり、かつ、それぞれ前記シーリング要素(1)を収容するための相互に対向するコンポーネント溝(3a,3b)を有しており、前記シーリング要素(1)は主線(21)に沿って方向付けられ、かつ、前記主線(21)と本質的に直交する断面で見たときに、第1の端部(6a)と第2の端部(6b)との間に配置されると共に歯が付けられた第1の表面を有する中央領域(10)を有しており、
    好ましくは前記シーリング歯(20)の全ては、略矩形断面輪郭を有し、かつ、その歯高(H)は、前記シーリング要素(1)の厚み(D)の10%ないし40%であることを特徴とするシーリング要素(1)。
  2. 二つの直に隣接するシーリング歯(20)間の間隔(T)は、前記二つのシーリング歯(20)の平均歯高(H)の1.6倍であることを特徴とする請求項1に記載のシーリング要素(1)。
  3. その前記シーリング要素厚みは、1.0mmないし4.0mmであり、かつ、
    その前記歯高(H)は、0.1mmないし1.6mm、特に、0.3mmないし0.7mmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシーリング要素(1)。
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