JP2015522745A - タービンの静止した部品間のシール - Google Patents

Abstract

本発明は、タービンの静止した構成要素（２，３）間のシール（１）であって、少なくとも１つの中間部（６）を備え、中間部（６）の互いに反対側の端部に末端部（７，８）が設けられており、末端部（７，８）は、静止した構成要素（２，３）のそれぞれの溝（４，５）内に配置されて、溝（４，５）の内表面に隣接するようになっており、中間部（６）は、少なくとも２つの部分（６′，６″）からなり、中間部の部分（６′，６″）は、ピボット（９）を介して互いに回動自在に連結されているシールに関する。ピボット（９）は、同軸的に嵌合され、互いに相対的に摺動可能な少なくとも２つの柱体状の要素により形成される断面環状のリングであり、かつピボット（９）の内表面は、金属製の布帛材料（１０）により被覆されている。本発明の利点は、タービンの構成要素の比較的大きな相対運動に適応する、旋回に起因する比較的高い柔軟性と、劣化を伴う摩耗の減少と、良好なシール性能の維持とにある。

Description

本発明は、タービンの静止した構成要素間のシールに係り、特に、中間部を備え、中間部の互いに反対側の２つの側部にそれぞれ膨らみ部が設けられており、膨らみ部は、静止した構成要素に設けられた溝内に密着するように配置されている、いわゆる「ドッグボーン型シール」に関するものである。

従来技術
このようなシールは、例えばガスタービンの分野においてよく知られている。シールは、タービンのそれぞれの静止した構成要素の接合面においてこれらの構成要素間をシールするために使用され、例えば、案内羽根内の冷却空気流路をシールするために使用されたり、案内羽根列の個々のセグメント間をシールするために使用されたり、タービンのケーシング部分と案内羽根列との間の周方向のシールとして使用されたり、燃焼器とタービンとの間の構成要素の接合面をシールするために使用されたりする。

この型式のシールは、例えば米国特許第５７４３７０８号明細書に記載されており、当該明細書の特に図１７及び図１８に示されている。この公知のシールは、単一部分のみからなっており、互いに反対側の２つの側部にそれぞれ中実の膨らみ部を有するフラットな金属製の部材である。シールは、断面で見て細長い中央部分を有している。この中央部分は、各端部に円形の膨らみ部を有している。その断面形状に由来して、この形式のシールは、「ドッグボーン型シール」と称呼される。シールは、上述の明細書では第１の案内羽根列において隣り合う案内羽根プラットフォーム間にそれぞれ配置されており、案内羽根プラットフォームにおいて、案内羽根の内外のプラットフォームを冷却するようになった冷却空気流路をシールするために用いられる。

中実の円形の膨らみ部は、それぞれ、隣り合う案内羽根プラットフォームの溝内に配置されており、溝の延在方向に沿って溝の内表面に密着している。シールは、それぞれプラットフォームの側面の長さにわたって延在している。シール作用は、主として圧力差によりもたらされ、円形の膨らみ部が溝の平たんな内面に接触することとなる溝の側面上の線に沿って得られる。この場合、シールは、両溝内に膨らみ部により確保されねばならない。

この典型的な従来慣用のドッグボーン型シールは、頑強な設計となってはいるものの、残念ながらタービンの構成要素の軸方向／半径方向の相対運動に対して低い柔軟性あるいは順応性を有するにすぎない。さらに従来慣用のドッグボーン型シールは、付加的な欠点として、ときとして発生する場合のある過度の摩耗と、劣化を伴うシール性能の低下（漏れの増加はシール自体の劣化に至る。）とを有している。

このドッグボーン型シールの型式の一態様は、米国特許第５８６８３９８号明細書に開示されている。この明細書に記載のドッグボーン型シールも、隣り合う案内羽根セグメント間をシールするために用いられる。しかし、このシールの側部の膨らみ部は、中実に設計されているのではなく、むしろフラットな金属製の部材の湾曲により実現されている。この湾曲した部分が溝内に設置される。

このシールも、圧力差が不十分である場合には、膨らみ部が十分に密着せず、結果的に漏れが生じるという欠点を有している。さらにこのシールは、タービンの一方又は両方の静止した部品が軸方向又は半径方向で移動し、溝が互いに相対的に移動してしまうと、十分に確保されているとは言い難い。このことは、シールが十分に柔軟でないことを意味する。

タービンの２つの静止した部品間の改良されたシールは、米国特許第６４３１８２５号明細書において公知である。このシールは、圧力差のレベルに影響されない。このシールは、担体部分を備え、担体部分は、１つの中間部と、それぞれがタービンの静止した部品に設けられた溝内に配置される末端部とを有するフラットな金属製の部材を有している。やはりフラットな金属製の部材を有し、中間部と、やはり溝内に配置される末端部とを有する第２の部分は、担体部分の中間部に取り付けられている。末端部は、弾性的に構成されており、溝が相対的に移動したとしても、溝の内表面と末端部との間のシール接触を保証する。

加えて、タービンの静止した構成要素間をシールする異なる型式のフレキシブルシール、例えばダイヤフラムシール又はクロスシールも公知であるが、このようなシールは、頑強とは言い難い。

欧州特許出願公開第２５３０２５１号明細書は、容器の異なる熱成長を吸収するヒンジシールを記載している。ヒンジシールは、中間ピアノヒンジ部を有している。中間ピアノヒンジ部は、容器間に相対的な並進運動があるとき、折れたり、曲がったり、平らになったりの少なくともいずれかを実施する。

米国特許出願公開第２００５／０１７９２１５号明細書は、「ドッグボーン」の形態のシール装置を記載している。このシール装置は、シート材料から製造され、少なくとも１つの連結ロッド又は連結バーを介して連結される複数のシールストリップからなっている。連結ロッドは、シールストリップに設けられた貫通孔に挿入され、ロッドの両端がシールストリップに溶接される。この連結ロッドは、シールストリップの層を両端において結合して、これにより結合部を形成することができる。

発明の概要
本発明の課題は、特にタービン用の静止した構成要素間をシールするドッグボーン型式の頑強なシールであって、タービンの構成要素の相対運動に関して、かつエンジン構造により良好に適合するために、従来技術において公知のドッグボーン型シールと比較してより高い柔軟性あるいは順応性を示すシールを開示することである。さらに、劣化を伴う摩耗が、低減されるとともに、運転中、良好なシール性能が維持されることが望ましい。

この課題及びその他の課題は、本発明の請求項１に係るシールにより解決される。

タービンの静止した部品／構成要素間の上記シールは、ドッグボーン型式のシールである。このシールは、少なくとも１つの中間部を備え、中間部の互いに反対側の端部に末端部が設けられており、末端部は、静止した部品／構成要素のそれぞれの溝内に配置されて、溝の内表面に隣接するようになっている。シールの中間部は、少なくとも２つの部分からなり、中間部の部分は、ピボットを介して互いに回動自在に連結されている。これに対して従来慣用のドッグボーン型シールは、断面で見て細長くてフラットな金属部材である１つの中間部を有している。本発明は、ピボットが、同軸的に嵌合され、互いに相対的に摺動可能な少なくとも２つの柱体状の要素により形成される断面環状のリングであり、かつピボットの内部が、金属製の布帛材料により被覆されていることを特徴とする。

このような適応型のドッグボーン設計を有する開示したシールの利点は、中間部の個々の回動可能な２つの部分のため、エンジン運転中の構成要素間の大きな相対運動に適応するように、タービンの構成要素の接合面により高い柔軟性を提供することができる点にある。加えて劣化を伴う摩耗は、低減され、良好なシール性能は、維持される。金属製の布帛材料は、シール自体とタービンの構成要素との間のあらゆる漏れを防止する。

第１の態様において、末端部は、中実の円形の膨らみ部である。これは、極めて頑強な設計である。

シールの第２の態様において、末端部の少なくとも一方は、円形の弾性的なフック形状を有する。末端部の弾性的な特性は、末端部に溝の表面に対する圧力ばめを引き起こし、結果的に末端部と溝との間の接触線に沿ったシールに至らしめる。強制接触及びシールは、実質的に圧力差に影響されない。

他の態様において、シールの末端部の両方は、円形の弾性的なフック形状を有し、両フックは、互いに反対方向に曲げられている。

択一的な態様として、シールは、真っ直ぐな固定端部を有する第２の末端部を有する。付加的な態様において、第２の末端部は、真っ直ぐな摺動端部を有する。真っ直ぐな摺動端部は、一方の構成要素の運動が大きいときでさえ、良好なシール性能を維持することができる。

以下に、本発明について好ましい実施の形態に基づいてかつ添付図面を参照しながら詳述する。

従来技術において公知の典型的なドッグボーン設計の概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態の断面図である。 本発明の第２の実施の形態の断面図である。 本発明の第３の実施の形態の断面図である。 本発明の第４の実施の形態の断面図である。 本発明の第５の実施の形態の断面図である。

全図において、同一の技術的特徴には、同一の参照符号を付した。

発明の様々な実施の形態の詳細な説明
本発明は、タービンの静止した構成要素間のシールに係り、特に、従来技術において公知であり、そのための適応設計が提案されるいわゆる「ドッグボーン型シール」に関するものである。

図１は、タービンの技術分野において公知の典型的なドッグボーン型シールの設計の概略断面図である。このドッグボーン型シール１は、１つのフラットな金属製の中間部６を有している。中間部６は、中間部６の互いに反対側の２つの端部に、末端部７，８としてそれぞれ中実の円形の膨らみ部を有している。ドッグボーン型シール１は、タービンの隣り合う静止した構成要素２，３間、例えば隣り合う案内羽根プラットフォーム間に配置されており、案内羽根プラットフォーム間において、案内羽根の内外のプラットフォームを冷却するようになった冷却空気流路をシールするために用いられる。

中実の円形の膨らみ部７，８の各々は、隣り合う案内羽根プラットフォームの溝４，５内に配置されている。膨らみ部７，８は、溝４，５の延在方向に沿って溝４，５の内表面に密着している。

この典型的な従来慣用のドッグボーン型シール１は、頑強な設計となってはいるものの、残念ながらタービンの構成要素２，３の軸方向／半径方向の相対運動（図１の矢印ａ，ｒにより図示）に対して低い柔軟性を示すにすぎない。さらに従来慣用のドッグボーン型シール１は、付加的な欠点として、ときとして発生する場合のある過度の摩耗と、劣化を伴うシール性能の低下（漏れの増加はシール自体の劣化に至る。）とを有している。

図２は、本発明の第１の実施の形態の断面図である。図２に示したシール１は、図１に示したシール（従来技術）とは異なる中間部６を有している。本発明によりシール１の中間部６は、少なくとも２つの部分６′，６″からなっている。部分６′，６″は、ピボット９を介して互いに接続されている。ピボット９は、図示のように環状のリングである。ピボット９は、リングの形状をなした２つの円柱体の類である。ピボット９の内側の部分は、金属製の布帛材料により被覆されている。

本発明の第１の実施の形態における中間部６′，６″も、中間部６′，６″の互いに反対側の端部にそれぞれ１つの中実の膨らみ部７，８を有しており、膨らみ部７，８は、静止した構成要素２，３に設けられた互いに対向する溝４，５内に密着するように配置されている。これも頑強な設計である。

旋回によってエンジン運転中のタービン構成要素の大きな相対運動に適応あるいは順応することができるので、本開示のシールは、タービン構成要素の接合面に比較的高い柔軟性を提供する。例えば燃焼器とガスタービン、例えば高圧タービン又は低圧タービンとの間の構成要素接合面は、本発明に係るシールを適用するのに好適な箇所といえる。さらに、劣化を伴う摩耗は低減され、良好なシール性能は維持される。適応型のシールは、高温ガス流路に対する漏れを低減する一方、タービン構成要素の相対運動を許容し、このことは、結果的にタービン効率の改善に至る。

図３は、本発明の第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態は、第１の実施の形態（図２参照）とは、構成要素２，３の溝４，５内にそれぞれ配置されている両中間部６′，６″の末端部７，８が、円形の弾性的なフック形状（円形にされた端部）を有する点と、ピボット９の形状が異なる点とにおいて相違している。両フック（＝末端部７，８）は、互いに反対方向に曲げられている。ピボット９は、２つの円柱体として摺動可能及び回動可能なアッセンブリを形成している。円柱体は、隣接する構成要素の溝に連結される柔軟性のある薄い腕により支持されている。末端部７，８の弾性的な特性は、末端部７，８に溝４，５の表面に対する圧力ばめを引き起こし、結果的に末端部７，８と溝４，５との間の接触線に沿ったシールに至らしめる。強制接触及びシールは、実質的に圧力差に影響されない。

図４は、本発明の第３の実施の形態を示している。第３の実施の形態は、図３に示した第２の実施の形態とは、本実施の形態のシール１が、中間部の部分６″の、真っ直ぐな摺動端部を有する第２の末端部８を有している点において相違する。この技術的解決手段は、シール性能が容易に維持可能であるので、構成要素２，３のうちの一方の極めて大きな半径方向運動が存在する場合に特に有益である。

付加的な実施の形態（図６参照）では、中間部の部分６″の第２の末端部８が、真っ直ぐな固定端部を有している。

図５及び図６は、シール１自体とタービン構成要素の溝４，５との間の漏れを回避するように、金属製の布帛材料１０がドッグボーン型シールの端部に被覆されている（ピボット９の内側部分が金属製の布帛材料１０により被覆されている）実施の形態を示している。

本発明に係るシールは、例えばガスタービンにおいて、稼働中のガスタービンのアップグレードのために、かつ将来的なガスタービンの開発のために使用可能であり、さらに、柔軟性のあるシールが所望されている蒸気タービンその他のエンジンでも使用可能である。

本発明について、本発明の例示的な実施の形態を参照しながら詳述したが、当業者にとって、発明の範囲を逸脱することなく様々な変更が実施可能であり、かつ均等物が採用可能であることは自明である。

１ シール
２，３ タービンの静止した構成要素
４，５ 溝
６ 中間部
６′，６″ 中間部の部分
７，８ 中間部又は中間部の部分の互いに反対側の端部に設けられた末端部
９ ピボット
１０ 金属製の布帛
ａ 軸方向
ｒ 半径方向

Claims (6)

1. タービンの静止した構成要素（２，３）間のシール（１）であって、
   少なくとも１つの中間部（６）を備え、
   該中間部（６）の互いに反対側の端部に末端部（７，８）が設けられており、該末端部（７，８）は、前記静止した構成要素（２，３）に設けられたそれぞれの溝（４，５）内に配置されて、該溝（４，５）の内表面に隣接するようになっており、
   前記中間部（６）は、少なくとも２つの部分（６′，６″）からなり、該中間部の部分（６′，６″）は、ピボット（９）を介して互いに回動自在に連結されている、
   シールにおいて、
   前記ピボット（９）は、同軸的に嵌合され、互いに相対的に摺動可能な少なくとも２つの柱体状の要素により形成される断面環状のリングであり、かつ
   前記ピボット（９）の内表面は、金属製の布帛材料（１０）により被覆されている、
   ことを特徴とする、タービンの静止した構成要素間のシール。
2. 前記末端部（７，８）は、中実の円形の膨らみ部である、請求項１記載のシール。
3. 前記末端部（７，８）の少なくとも一方は、円形の弾性的なフック形状を有する、請求項１記載のシール。
4. 前記末端部（７，８）の両方は、円形の弾性的なフック形状を有し、両フックは、互いに反対方向に曲げられている、請求項３記載のシール。
5. 前記末端部（７，８）の第２の末端部は、真っ直ぐな固定端部を有する、請求項３記載のシール。
6. 前記末端部（７，８）の第２の末端部は、真っ直ぐな摺動端部を有する、請求項３記載のシール。

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