JP2014074408A - 冷却通路を有するスプラインシール - Google Patents

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Abstract

【課題】ガスタービンエンジン内の高圧の冷却用空気に面するコンポーネントと高温ガス通路との間で使用するシールを提供する。
【解決手段】シール９０は、第１のシム９３と、排気孔を備える第２のシム９４と、第１のシム９３と第２のシム９４との間に位置する１つ又は複数の中間層９５，９６と、高圧の冷却用空気流が貫流し、排気孔を経て高温ガス通路内に排出する、１つ又は複数の中間層９５，９６を貫通して延在する１つ又は複数の冷却通路とを含んでもよい。
【選択図】図３

Description

本願及びその結果の特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に貫通して延在する受動的冷却通路を有するスプラインシールなどに関する。
一般にガスタービンエンジンなどのターボ機械は、これを貫通して延在する主ガス流路を含んでいる。ガス流路からの、又はガス流路内へのガス漏れにより、ガスタービンの全体的な効率が低下し、燃料コストが上昇し、場合によっては排出レベルが高まることがある。加熱された様々なコンポーネントを冷却するために、ガスタービンエンジン内で更に二次流れを使用してもよい。具体的には、圧縮機の後段から冷却用空気を抽出して、加熱したコンポーネントの冷却、及び隣接するコンポーネント間の空隙と空洞とをパージするために使用してもよい。例えば、ステータなどのタービンコンポーネントの間にスプラインシールを配置して、空気漏れを制限してもよい。しかし、これらの部位は極めて高い温度と速度に面し、激しい酸化及びシールの損傷を引き起こすことがある。起こり得るこのような損傷は、スプラインシールとの空隙にパージ空気を送ることによってある程度は軽減できる。しかし、このパージ空気は冷却用空気を極めて非効率に使用することになるであろう。
米国特許第８０７５２５５号明細書
したがって、重荷重ガスタービンエンジン内のステータコンポーネントとその他のコンポーネントとの間で使用する改良型スプラインシールが必要とされている。
したがって、本願及びその結果の特許は、ガスタービンエンジン内の高圧の冷却用空気に面するコンポーネントと高温ガス通路との間で使用するシールを提供する。シールは、第１のシムと、排気孔を有する第２のシムと、第１のシムと第２のシムとの間に位置する１つ又は複数の中間層と、高圧の冷却用空気流が貫流し、排気孔を経て高温ガス通路内に排出し得る、中間層を貫通して延在する１つ又は複数の冷却通路とを含んでもよい。
本願及びその結果の特許は更に、ガスタービンエンジン内のコンポーネント間に位置するシールを冷却する方法を提供する。方法は、シールの第１の側面の周囲に高圧の冷却用空気を流し、シールの１つ又は複数の中間層内の１つ又は複数の冷却通路を通して高圧の冷却用空気を引き込み、シールの第２の側面の周囲の１つ又は複数の排気孔を通して高圧の冷却用空気を高温ガス通路内に引き込むステップを含んでもよい。
本願及びその結果の特許は更に、ガスタービンエンジン内の高圧の冷却用空気に面するコンポーネントと高温ガス通路との間で使用するスプラインシールを提供する。スプラインシールは、第１のシムと、１つ又は複数の排気孔を有する第２のシムと、第１のシムと第２のシムとの間に位置する幾つかの多孔質材料層と、高圧の冷却用空気流が貫流し、排気孔を経て高温ガス通路内に排出する、多孔質材料層を貫通して延在する１つ又は複数の冷却通路とを含んでもよい。
本願及びその結果の特許のこれらの、及びその他の特徴と改良は、幾つかの図面及び添付の特許請求の範囲を参照して以下の詳細な説明を検討すれば当業者には明らかになる。
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である。 高温ガス通路に沿って位置する幾つかのコンポーネントを示すタービンの部分側面図である。 隣接するタービンコンポーネント間に位置するスプラインシールの側断面図である。 本明細書に記載のスプラインシールの部分透視図である。 本明細書に記載のスプラインシールの代替実施形態の端平面図である。 本明細書に記載のスプラインシールの代替実施形態の端平面図である。 本明細書に記載のスプラインシールの代替実施形態の部分透視図である。 本明細書に記載のスプラインシールの代替実施形態の部分透視図である。 本明細書に記載のスプラインシールの代替実施部分透視図である。
次に、幾つかの図を通して同一の番号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用され得る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を含んでもよい。圧縮機１５は流入する空気２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０を燃焼器２５に送る。燃焼器２５は圧縮された空気２０を加圧された燃料の流れ３０と混合し、混合気を点火して燃焼ガスの流れ３５を生成する。単一の燃焼器２５だけが示されているが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。燃焼ガスの流れ３５は次いでタービン４０に送られる。燃焼ガスの流れ３５はタービン４０を駆動して機械仕事を生成する。タービン４０内で生成された機械仕事はシャフト４５を介して圧縮機１５、及び発電機などの外部負荷５０を駆動する。
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、及び／又は別の種類の燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのジェネラルエレクトリック社が販売している、７又は９シリーズ重荷重ガスタービンエンジンなどの幾つかの異なるガスタービンエンジンのいずれかでよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成のものでよく、別の種類のコンポーネントを有してもよい。本明細書では別の種類のガスタービンエンジンを使用してもよい。本明細書では多重ガスタービンエンジン、別の種類のタービン、及び別の種類の発電装置を共に使用してもよい。
図２は、タービン４０の一部を示している。一般に、タービン４０は第１電６５の第１段ノズル５５と第１段バケット６０とを含んでもよい。第２段７５の第２段ノズル７０も示されている。本明細書では任意の数の段を使用してもよい。ノズル５５、７０はダイアフラム８０上に配置されてもよい。軸８５の周囲に任意の数のノズル７０及びダイアフラム８０が配置されてもよい。各対の隣接するダイアフラム８０の間にスプラインシール９０が配置されてもよい。スプラインシール９０は、冷却用空気流２０が圧縮機１５、又はこれを通るいずれかの部位から漏れるのを防止するために、隣接するダイアフラム８０又はその他のタービンコンポーネントの間で使用されてもよい。前述のように、スプラインシール９０は多くの異なる構成のものでよい。別の種類のシール機構を使用してもよい。本明細書では別のコンポーネント及び別の構成を使用してもよい。
図３は、隣接するタービンコンポーネント間のシール９０、第１のコンポーネント９１、及び第２のコンポーネント９２の使用を示している。シール９０は第１の金属シム９３と第２の金属シム９４とを有してもよい。間に何層かの多孔質材料層が配置されてもよい。第１の内部層９５と第２の内部層９６とが示されているが、任意の数の層を使用してもよい。本明細書では任意の数のシール９０を使用してもよい。シール９０は高圧の冷却用空気の流れ９７がより低圧の高温ガス通路９８内に漏れることを防止する。
図４は、本明細書に記載のようなスプラインシール１００の実施例を示している。スプラインシール１００は、上面１１０、底面１２０、第１の側面１３０、反対側の第２の側面１４０、第１の端面１５０、及び反対側の第２の端面１６０を有してもよい（「底面」、「上面」、「側面」、「端面」、「第１の」、「第２の」などの用語は相対的な方向付けのためにのみ用いられるもので、絶対的な位置ではない）。上面１１０は第１の金属シム１７０を含んでもよく、底面１２０は第２の金属シム１８０を含んでもよい。金属シム１７０、１８０は、ステンレス鋼、ニッケル基合金などの高温耐性がある材料製のものでよい。本明細書では別の種類の材料を使用してもよい。金属シム１７０、１８０は任意のサイズ、形状又は構成のものでもよい。追加の金属シム層をも使用してもよい。本明細書では別の種類のシールを使用してもよい。
スプラインシール１００は、金属シム１７０、１８０の間に配置される１つ又は複数の多孔質材料層１９０をも有してもよい。多孔質材料層１９０は可撓性布材２００などでよい。例えば、可撓性布材２００は製織ワイヤメッシュ又は任意の種類の可撓性、高温耐性の材料でよい。多孔質材料層１９０は任意のサイズ、形状、又は構成のものでもよく、様々な多孔質レベルを有してもよい。これらの層１９０の多孔性の性質は層を貫く任意の数の冷却通路２１０を提供する。金属シム１７０及び多孔質材料層１９０は幾つかの溶接部２１５を介して連結されてもよい。本明細書では高温接着剤、高強度ファスナ、及びその他の種類の従来の固締手段を使用してもよい。
スプラインシール１００の第１の端面１５０及び／又は第２の端面１６０は開放端面２２０でよい。同様に、第１の側面１３０及び／又は第２の側面１４０は開放側面２３０でよい。したがって、開放端面２２０及び開放側面２３０は冷却用空気９７の高圧の流れと連通している。第２の金属シム１８０は、貫通する１つ又は複数の排気孔２４０を有してもよい。本明細書では任意の数の排気孔２４０を使用してもよい。排気孔２４０は任意の
サイズ、形状又は構成のものでよい。このように、排気孔２４０は低圧の高温ガス通路９８に面している。本明細書では多のコンポーネント及び多の構成を使用してもよい。
したがって、高圧の冷却用空気９７と低圧の高温ガス通路９８との間の圧力差は高圧の冷却用空気９７をスプラインシール１００の開放端面２２０及び開放側面２３０内に引き込む。高圧の冷却用空気９７は多孔質材料層１９０内の冷却通路２１０を通って進行し、それによってスプラインシール１００を冷却する。次いで高圧の冷却用空気９７は排気孔２４０を経て低圧のガス通路９８へと流出する。したがって、高圧の冷却用空気９７は、これが開放端面２２０及び開放側面２３０から冷却通路２１０を通って排気孔２４０へと進行する際にシール１００を冷却する。
図５は、本明細書に記載のスプラインシール２５０の更なる実施例を示している。スプラインシール１００は、上記のスプラインシール１００とほぼ同様であるが、吸気孔２６０を含む第１の金属シム１７０、及び偏位した排気孔２７０を含む第２の金属シム１８０を有している。吸気孔２６０及び排気孔２７０は任意のサイズ、形状又は構成を有してもよい。排気孔２７０は、シム１７０の長さに沿って吸気孔２６０から偏位した位置２８０を含んでもよい。あるいは、孔２６０、２７０は整列されてもよい。したがって、高圧の冷却用空気９７は第１の金属シム１７０に沿って吸気孔２６０に流入し、偏位した位置２８０の長さに沿って冷却通路２１０を通って進行し、次いで排気孔２７０から出て低圧のガス通路９８内に流入してもよい。本明細書では多のコンポーネント及び多の構成を使用してもよい。
スプラインシール２００は、開放端面２２０及び／又は開放側面２３０を含んでもよい。
あるいは、図６に示すように、端面１５０、１６０は一部閉鎖された端面２９０でもよい。一部閉鎖された端面２９０は、金属シム１７０、１８０の１つ又は複数の曲折端面３００を含んでもよい。端面１５０、１６０は、図７に示すように閉鎖された端面３１０でもよい。閉鎖された端面３１０は、金属シム１７０、１８０の１つ又は複数の曲折端面３２０を含み、溶接部３３０で閉鎖されてもよい。本明細書では別の種類の固締手段を使用してもよい。本明細書では他のコンポーネント及び構成を用いてもよい。
図８は、本明細書に記載のスプラインシール３５０の代替実施例を示している。上記のスプラインシールと同様に、スプラインシール３５０は第１の金属シム３６０、第２の金属シム３７０、及び何層かの中間層３８０を含んでもよい。中間層３８０は、前述の多孔質層１９０及び可撓性布材２００と同様のものでよい。あるいは、本明細書では任意の種類の高温耐性のある材料を使用してもよい。中間層３８０は金属でもよく、及び／又は非金属でもよい。中間層３８０は画成された１つ又は複数の冷却通路３９０を含んでもよい。中間層３８０の性質に応じて、冷却通路３９０は更に、貫通して延在する空洞３９５の形態でもよい。冷却通路３９０は任意のサイズ、形状又は構成を有してもよい。冷却通路３９０は、１つ又は複数の吸気孔４００から１つ又は複数の排気孔４１０に延びてもよい。吸気孔４００と排気孔４１０とは、シール３５０の長さに沿って偏位した位置４２０を含んでもよい。したがって、高圧の冷却用空気９７は吸気孔４００に流入し、中間層３８０内の冷却通路３９０に沿って進行し、排気孔４１０を経て低圧の高温ガス通路９８内へと流出してもよい。本明細書では他のコンポーネント及び他の構成を用いてもよい。
図９は、本明細書で使用されるスプラインシール４５０の更なる実施形態を示している。スプラインシール４５０はスプラインシール３５０と同様でよいが、図示のように第１の吸気孔４６０と第２の吸気孔４７０とを有している。したがって、高圧の冷却用空気９７は吸気孔４６０に流入し、冷却用空気３８０を通って進行し、再び中央の排気孔４８０を経て流出してもよい。本明細書では、任意のサイズ、形状又は位置の任意の数の吸気孔及び排気孔を使用してもよい。本明細書では他のコンポーネント及び他の構成を用いてもよい。
したがって、本明細書に記載のスプラインシールは、内部の冷却通路を経てシールの冷却を促進するため、高圧の冷却用空気９７と低圧の高温ガス通路９８との間の圧力差を利用する。したがって、本明細書に記載のスプラインシールは、通常はパージ空気を冷却するために必要な流量よりも少ない流量で適切に冷却される。更に、本明細書に記載のスプラインシールは、シールの耐用年数の延長、二次流の例がん、エンジンの全体的効率の向上、及び熱消費率の低下をもたらす。スプラインシールはオリジナルの装置でもよく、改造部品でもよい。本明細書では異なる構成のスプラインシールを共に使用してもよい。別の種類のシール位置も使用してもよい。
前述の記述は本願及びその結果の特許のある特定の実施形態のみに関するものであることは明らかであろう。以下の特許請求の範囲及びその等価物に期待される本発明の基本的趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者により多くの変更及び修正が加えられてもよい。
１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ 第１段のノズル
６０ 第１段のバケット
６５ 第１段
７０ 第２段のノズル
７５ 第２段
８０ ダイアフラム
８５ 軸
９０ スプラインシール
９１ 第１のコンポーネント
９２ 第２のコンポーネント
９３ 第１の金属シム
９４ 第２の金属シム
９５ 第１の内部層
９６ 第２の内部層
９７ 高圧冷却用空気
９８ 高温ガス通路
１００ スプラインシール
１１０ 上面
１２０ 底面
１３０ 第１の側面
１４０ 第２の側面
１５０ 第１の端面
１６０ 第２の端面
１７０ 第１の金属シム
１８０ 第２の金属シム
１９０ 多孔質材料層
２００ 可撓性布層
２１０ 冷却通路
２１５ 溶接部
２２０ 開放端面
２３０ 開放側面
２４０ 排気孔
２５０ スプラインシール
２６０ 吸気孔
２７０ 排気孔
２８０ 偏位位置
２９０ 部分閉鎖端面
３００ 曲折端面
３１０ 閉鎖端面
３２０ 曲折端面
３３０ 溶接部
３５０ スプラインシール
３６０ 第１のシム
３７０ 第２のシム
３８０ 中間層
３９０ 冷却通路
４００ 吸気孔
４１０ 排気孔
４５０ スプラインシール
４６０ 第１の吸気孔
４７０ 第２の吸気孔
４８０ 排気孔

Claims (20)

  1. ガスタービンエンジン内の高圧の冷却用空気に面するコンポーネントと高温ガス通路との間で使用するシールであって、
    第１のシムと、
    排気孔を備える第２のシムと、
    前記第１のシムと第２のシムとの間に位置する１つ又は複数の中間層と、
    前記高圧の冷却用空気流が貫流し、前記排気孔を経て前記高温ガス通路内に排出する、前記１つ又は複数の中間層を貫通して延在する１つ又は複数の冷却通路と、を備えるシール。
  2. 前記第１のシム及び前記第２のシムが金属シムである請求項１に記載のシール。
  3. 前記１つ又は複数の中間層が、貫通する１つ又は複数の冷却通路を有する１つ又は複数の多孔質材料からなる請求項１に記載のシール。
  4. 前記１つ又は複数の多孔質材料が可撓性布材からなる請求項３に記載のシール。
  5. 前記１つ又は複数の中間層が、貫通する１つ又は複数の冷却通路を有する１つ又は複数の開放側面を備える請求項１に記載のシール。
  6. 前記１つ又は複数の中間層が、貫通する１つ又は複数の冷却通路を有する１つ又は複数の開放端面を備える請求項１に記載のシール。
  7. 前記１つ又は複数の中間層が、貫通する１つ又は複数の冷却通路を有する１つ又は複数の部分開放端面を備える請求項１に記載のシール。
  8. 前記１つ又は複数の中間層が、１つ又は複数の閉鎖端面を備える請求項１に記載のシール。
  9. 前記第１のシムが吸気孔を備える請求項１に記載のシール。
  10. 前記吸気孔と前記排気孔とが偏位位置を有する請求項９に記載のシール。
  11. 前記第１のシムが複数の吸気孔を備える請求項１に記載のシール。
  12. 前記第２のシムが複数の排気孔を備える請求項１に記載のシール。
  13. 前記排気孔が中央排気孔である請求項１に記載のシール。
  14. 前記コンポーネントが第１のステータと第２のステータとを備える請求項１に記載のシール。
  15. ガスタービンエンジン内のコンポーネント間に位置するシールを冷却する方法であって、
    前記シールの第１の側面の周囲に高圧の冷却用空気を流し、
    前記シールの１つ又は複数の中間層内の１つ又は複数の冷却通路を通して前記高圧の冷却用空気を引き込み、
    前記シールの第２の側面の周囲の１つ又は複数の排気孔を通して前記高圧の冷却用空気を高温ガス通路内に引き込む、ステップを含む方法。
  16. ガスタービンエンジン内の高圧の冷却用空気に面するコンポーネントと高温ガス通路との間で使用するスプラインシールであって、
    第１の金属シムと、
    １つ又は複数の排気孔を有する第２のシムと、
    前記第１のシムと前記第２のシムとの間に位置する複数の多孔質材料層と、
    前記高圧の冷却用空気流が貫流し、前記排気孔を経て前記高温ガス通路内に排出する、前記複数の多孔質材料層を貫通して延在する１つ又は複数の冷却通路と、を備えるスプラインシール。
  17. 前記複数の多孔質材料層が可可撓性布材からなる請求項１６に記載のスプラインシール。
  18. 前記複数の多孔質材料層が、貫通する１つ又は複数の冷却通路を有する１つ又は複数の開放側面及び／又は１つ又は複数の開放端面を備える請求項１６に記載のスプラインシール。
  19. 前記第１のシムが１つ又は複数の吸気孔を備える請求項１６に記載のスプラインシール。
  20. 前記１つ又は複数の吸気孔と前記１つ又は複数の排気孔とが偏位位置を有する請求項１９に記載のスプラインシール。
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