JP2016211543A - 調量冷却のための冷却通路を備えたシール - Google Patents

Abstract

【課題】一貫した又はほぼ一貫した冷却流量を提供して、冷却の改善及びシール寿命の延長をもたらす冷却シールを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンにおいて高圧冷却空気流及び高温ガス経路に面する構成要素間で使用するシールを提供する。シールは、第１のシム１３０と、空気出口孔を備えた第２のシム１４０と、第１のシム１３０と第２のシム１４０との間に位置付けられる第１及び第２の１又はそれ以上の中間層と、高圧冷却空気流が通過して空気出口孔を介して高温ガス経路１８０内に流出するための中間層を通って延びる１又はそれ以上の冷却通路１４４と、を含むことができる。【選択図】図３

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、調量冷却のため貫通して延びる冷却通路を有する冷却シール及び同様のものに関する。

一般に、ガスタービンエンジン又は同様のものなどのターボ機械は、貫通して延びる主ガス流路を含む。ガス流路に入出するガス漏洩は、全体のタービン効率を低下させ、燃料コストを上昇させ、場合によってはエミッションレベルを増大させる可能性がある。二次流はまた、種々の加熱された構成要素を冷却するためにガスタービンエンジン内で用いることができる。具体的には、冷却空気は、加熱された構成要素の冷却用として、及び隣接する構成要素間のギャップ及びキャビティをパージするために圧縮機の後段から抽出することができる。例えば、ステータ及び同様のものなどのタービン構成要素間にシールを配置して、空気漏洩を制限することができる。しかしながら、これらの箇所は、過大な酸化及び更にはシール故障につながる恐れのある超高温及び高速に晒される可能性がある。燃焼温度が上昇すると、これに応じてガスタービンエンジに含まれるようなシールに対する熱負荷が増大し、結果としてシール寿命の短縮、構成要素寿命の短縮、及び／又はシール及び構成要素摩損の増大をもたらす。

米国特許出願公開第２０１４００９１５３１号明細書

従って、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンにおいて高圧冷却空気流及び高温ガス経路に面する構成要素間で使用するシールを提供する。シールは、第１のシムと、第１の冷却通路を備えた第２のシムと、第３のシムとを含むことができ、ここで第２のシムは、第１のシムと第３のシムとの間に位置付けられる。第３のシムは、内側面及び外側面と、外側面内に部分的に延びる凹状スロットと、該凹状スロットから内側面まで延びる調量開口と、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンにおいて構成要素間に位置付けられるシールを冷却する方法を提供する。本方法は、シールの第１の側部の周りに高圧冷却空気を流すステップと、シールの第２の側部上で第１の冷却通路を通じて高圧冷却空気を吸い込むステップと、を含むことができる。本方法は、第２の側部と反対側のシールの第３の側部上で第２の冷却通路を通じて高圧冷却空気を吸い込むステップと、第１の側部と反対側のシールの第４の側部の周りにある調量孔及び凹状スロットを通じて高圧冷却空気を吸い込むステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ガスタービンエンジンにおいて高圧冷却空気流及び高温ガス経路に面する構成要素間で使用する冷却積層シールを提供する。冷却積層シールは、該冷却積層シールの第１の縁面にて第１の冷却切欠部を有する冷却側積層体を含むことができる。冷却積層シールは、高温側積層体を含むことができ、該高温側積層体が、外側面と、内側面と、高温側積層体内に延び外側面から測定した深さを有する凹状スロットと、内側面から凹状スロットまで延びる調量開口と、を有する。冷却積層シールは、冷却側積層体と高温側積層体との間に位置付けられる第１の中間積層体を含むことができる。第１の中間積層体は、冷却積層シールの第１の縁面にて第２の冷却切欠部を含み、該第２の冷却切欠部が、第１の冷却切欠部と整列されて第１の中間積層体の厚さを貫通して延び、第２の冷却切欠部が、冷却積層シールの第１の縁面から高温側積層体の調量開口と整列した第１の冷却通路の端部まで延びる第１の冷却通路を形成し、その結果、冷却積層シールを通って第２の冷却切欠部から高温側積層体の凹状スロットまで冷却空気が流れることが可能となる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善は、当業者には、幾つかの図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

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。 高温ガス経路に沿って位置付けられた複数の構成要素を示すタービンの部分側面図。 １又はそれ以上の実施形態による、隣接するタービン構成要素間に位置付けられた冷却シールの断面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールを通る空気の概略断面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの隣接する層間に流れる空気の概略断面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの１又はそれ以上の層の概略部分平面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの１又はそれ以上の層の概略部分平面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの１又はそれ以上の層の概略部分平面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの１又はそれ以上の層の概略部分平面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの１又はそれ以上の層の概略断面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの１又はそれ以上の層の概略斜視図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの部分斜視図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの端面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの例示的な層の平面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの例示的な層の平面図。 １又はそれ以上の実施形態による、冷却シールの例示的な層の平面図。

本開示の特定の実施形態は、シールスロットに収容され及び／又は隣接する固定又は回転ガスタービン構成要素間に位置付けられるシールを含む。例えば、シールは、ガスタービンの隣接する弓状ノズル及び／又はシュラウド構成要素間、又は互いに対して回転するよう構成された構成要素間に位置付けることができる。隣接する弓状構成要素は、ガスタービンの外側シュラウド、内側シュラウド、ノズルブロック、及びダイアフラムを含むことができる。弓状構成要素の各隣接するペア間には、ガスタービンの作動により弓状構成要素が強制的に膨張するときに該弓状構成要素の膨張を許容するスラッシュ面ギャップのようなスペースが存在する。シールスロットは、スペースの中間に位置付けられてシール形成することができる。シールスロットは、シールを保持するよう構成することができ、固着を阻止し構成要素の熱膨張を可能にするようシールよりも大きな寸法にすることができる。シールスロットは、各弓状構成要素の側部上に定められ、隣接する弓状構成要素の隣接スロットと協働してシールを受け入れるようにすることができる。シールは、シールの何れかの側部上でタービンの区域間の漏洩を阻止するようスロット内に配置することができる。これらの区域は、主ガス流路及び二次冷却流を含むことができる。

本開示の一部の実施形態において、シールは、位置ずれしたシールスロットに合うように構成された冷却積層シールとすることができる。冷却シールは、本明細書で記載されるように、高温でのシール寿命を維持又は増大させることができる。冷却シールは更に、シールスロット内のシールの位置に関係なく、シールの冷却チャンネル又は通路を通る一定又は略一定の流れを生成することができる。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用できるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れと燃料３０の加圧流を混合し、該混合気を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に供給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して機械的仕事を生成するようにする。タービン４０で生成された機械的仕事は、シャフトを介して圧縮機１５と、発電機及び同様のものなどの外部負荷５０とを駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される、幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を用いることができる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器もまた、本明細書で共に使用することができる。

図２は、タービン４０の一部を示す。一般的に説明すると、タービン４０は、第１段６５の第１段ノズル５５及び第１段バケット６０を含むことができる。また、第２段７５の第２段ノズル７０が図示されている。本明細書ではあらゆる数の段を用いることができる。ノズル５５、７０は、ダイアフラム８０上に位置付けることができる。あらゆる数のノズル７０及びダイアフラム８０は、軸線８５の周りに円周方向に位置付けることができる。シール９０は、隣接するダイアフラム８０の各ペア間に位置付けることができる。シール９０は、隣接するダイアフラム８０間又は他のタービン構成要素間で用いて、圧縮機１５又は他の通過する場所からの冷却空気流２０の漏洩を阻止するようにすることができる。上述のように、シール９０は、異なる構成を有することができる。また、他のタイプのシール機構を用いることもできる。本明細書で他の構成要素及び他の構成を使用することができる。

図３は、本明細書で記載される１又はそれ以上の実施形態による、冷却シール１００の１つの実施例を示している。冷却シール１００は、第１のガスタービン構成要素１０２及び第２のガスタービン構成要素１０４などの２つの隣接するガスタービン構成要素の間に位置付けることができる。具体的には、冷却シール１００は、第１及び第２のガスタービン構成要素１０２，１０４の２つの隣接するスラッシュ面間に位置付けることができ、高温ガス経路内への冷却流の漏洩を阻止することができる。第１及び第２のガスタービン構成要素１０２，１０４は、弓形ノズル及び／又はシュラウド構成要素とすることができ、他の実施形態では、他の固定又は回転ガスタービン構成要素とすることができる。第１のガスタービン構成要素１０２は、第１のスラッシュ面１０８に沿って第１のシールスロット１０６を含むことができる。第２のガスタービン構成要素１０４は、第１のスラッシュ面１０８に隣接した第２のスラッシュ面１１０と、第１のシールスロット１０６に対応する第２のシールスロット１１２を含むことができる。冷却シール１００は、第１のシールスロット１０６及び第２のシールスロット１１２内に位置付けられ、第１のスラッシュ面１０８と第２のスラッシュ面１１０との間にシールを形成することができる。一部の実施形態において、冷却シール１００は、第１のスラッシュ面１０８と第２のスラッシュ面１１０との間のスラッシュ面ギャップ１１４を閉鎖又は他の方法で閉塞することができる。

接合シールスロットは、シールを収容又は保持するよう構成されたシールスロットとすることができ、隣接するタービン構成要素によって形成することができる。例えば、第１のシールスロット１０６及び第２のシールスロット１１２は、冷却シール１００が位置付けられる接合シールスロット１１６を形成することができる。接合シールスロット１１６は、作動中にタービン構成要素又は冷却シール１００の熱膨張に対応するよう、１又はそれ以上の寸法において冷却シール１００よりも大きいとすることができる。従って、冷却シール１００は、接合シールスロット１１６内で１又はそれ以上の方向において自在に移動することができる。例えば、図３に示すように、冷却シール１００は、該冷却シール１００の第１の縁面１１８が第２のシールスロット１１２の第１の壁部１２０と接触するように、接合シールスロット１１６内に位置付けることができる。従って、冷却シール１００の第２の縁面１２２は、第１のシールスロット１０６の第１の壁部１２４から離隔することができる。同様に、図３に示すように、冷却シール１００は、第２のシールスロット１１２の下側面とすることができる第２の壁部１２６並びに第１のシールスロット１０６の下側面とすることができる第２の壁部１２８と接触することができる。従って、冷却シール１００は、第１及び第２のシールスロット１０６，１１２のそれぞれ上側面から離隔することができる。冷却シールと接合シールスロット１１６の種々の壁又は部分との間の離隔量及び／又は距離は、少なくとも部分的に、接合シールスロット１１６と冷却シール１００との間の寸法の差違に基づくことができる。この実施例においては上側面及び下側面として記載されるが、これらの用語は、絶対位置ではなく単に相対的な向きの説明のために使用されており、「上側」及び「下側」面は、一部の実施形態においては反対にすることもできる。

冷却シール１００は、１又はそれ以上の層を含むことができる。一部の実施形態において、冷却シール１００は、少なくとも３つの層を含むことができる。１又はそれ以上の層は、金属シム、布シム、織成シム、又はこれらの組み合わせのようなシムから形成することができる。１又はそれ以上の層は、実質的に平面とすることができる。例示の実施形態において、冷却シール１００は、第１の層１３０、第２の層１４０、第３の層１５０、及び第４の層１６０を含む。冷却シール１００の層１３０，１４０，１５０，１６０は、挟装状構成を形成することができ、各層は、同じ又は実質的に同じ幅を有するようになり、層１３０，１４０，１５０，１６０のそれぞれの縁面は、冷却シール１００の第１の縁面１１８及び第２の縁面１２２を形成するようになる。更に、第１の層１３０は、冷却シール１００の「頂面」又は「上側面」を形成することができ、第４の層１６０は、冷却シール１００の「底面」又は「下側面」を形成することができ、或いはこの逆でもよい。第１の層１３０及び第４の層１６０は、冷却シール１００の外側層を形成することができる。

冷却シール１００の１又はそれ以上の層は、均一又は等しい厚さを有することができる。例えば、第１の層１３０は第１の厚さ１３２を有することができ、第２の層１４０は第２の厚さ１４２を有することができ、第３の層１５０は第３の厚さ１５２を有することができ、第４の層１６０は第４の厚さ１６２を有することができる。図３に示す実施形態において、冷却シール１００の各層１３０，１４０，１５０，１６０は、同じ厚さを有することができる。

冷却シール１００は、冷却シール１００の層１３０，１４０，１５０，１６０のうちの１又はそれ以上を通って延びて、冷却シール１００を冷却するようにする１又はそれ以上の冷却チャンネル又は冷却通路を含むことができる。冷却シール１００を冷却することにより、シール寿命が増大し、及び／又は冷却シール１００及び隣接構成要素の疲労を低減することができる。冷却シール１００の冷却通路は、冷却シール１００の第１の縁面１１８又は第２の縁面１２２に沿った開始点又は第１の端部を有することができ、本明細書で記載されるように、空気又は他の流体を冷却シール１００を通じて、冷却シール１００の第４の層１６０に存在することができる出口に配向することができる。

例えば、図３において、冷却流１７０は、第１及び第２のスラッシュ面１０８，１１０間を通過して接合シールスロット１１６に流入し、第１及び第２のガスタービン構成要素１０２，１０４及び／又は冷却シール１００を冷却することができる。

冷却流１３０は、高圧冷却流とすることができる。接合シールスロット１１６に流入すると、冷却流１７０は、冷却シール１００の第１の層１３０の外側面（頂面１３４など）に衝突する可能性がある。冷却流１７０は、冷却シール１００の周りに再配向することができる。例示の実施形態において、冷却流１７０は、第１の冷却流路１７２及び第２の冷却流路１７４に再配向することができる。

本明細書で記載されるように、第１の冷却流路１７２は、冷却流１７０を第１の層１３０において第１の冷却切欠部１３６を通して、第２の層１４０において第１の冷却通路１４４内に配向することができる。第１の冷却通路１４４は、第２の層１４０において第２の冷却切欠部１４６から及び／又は第２の冷却切欠部１４６に隣接して形成することができる。例えば、第２の冷却切欠部１４６は、第１の冷却通路１４４の第１の端部を形成することができ、第１の冷却通路１４４は、本明細書で記載されるように、第１の端部から第２の端部まで延びることができる。冷却流１７０は、第１の冷却経路１７２に沿って、第１の冷却通路１４４及び第３の層１５０を通って、第４の層１６０の調量開口１６４内に進むことができる。調量開口１６４は、第４の層１６０の内側面１６６の周りに位置付けることができる。一部の実施形態において、調量開口１６４は、直径及び深さを有する（例えば、円筒孔の）及び／又は長さ、幅及び深さを有する（例えば、矩形孔又は他の幾何形状の）調量孔とすることができる。調量開口１６４は、第４の層１６０を通過する冷却流１７０の所望の流量に応じたサイズにすることができる。調量開口１６４は、凹状スロット１６８と連通することができる。凹状スロット１６８は、外側表面１７６から第４の層１６０内に延びることができ、第４の層１６０の厚さ１６２以下の深さを有することができる。例えば、凹状スロット１６８は、第４の層１６０の外側表面１７６から測定した深さ１８２を有することができる。凹状スロット１６８は、調量開口１６４の近くに存在することができ、冷却シールの長さに延びていない。深さ１８２は、第４の層１６０の厚さ１６２以下とすることができる。深さ１８２は、調量開口１６４を通る冷却流１７０の特定の流量又は流速を得るように構成することができる。深さ１８２は、第４の層１６０の内側面１６６から測定した調量開口１６４の深さ１８４の関数又は関連することができ、その逆もまた可能である。例えば、深さ１８２は、第４の層１６０の厚さ１６２から調量開口１６４の深さ１８４を差し引いたものに等しいとすることができる。一部の実施形態において、調量開口１６４の長さ又は深さ１８４は、第４の層１６０の厚さ１６４以下とすることができる。

第２の冷却経路１７４は、冷却流１７０を第３の層１５０の第３の冷却切欠部１５６を通じて、第３の層１５０の冷却チャンネル又は第２の冷却通路１５４に配向することができる。第２の冷却通路１５４は、第３の層１５０の第３の冷却切欠部１５６から及び／又は第３の冷却切欠部１５６に隣接して形成することができる。例えば、第３の冷却切欠部１５６は、第２の冷却通路１５４の第１の端部又は始動点を形成することができ、第２の冷却通路１５４は、本明細書で記載されるように、第１の端部から、第１の冷却通路１４４及び／又は調量開口１６４の第２の端部と整列した第２の端部まで延びることができる。冷却流１７０は、第２の冷却経路１７４に沿って、第２の冷却通路１５４を通って進むことができ、第１の冷却経路１７２と統合することができる。統合した冷却流１７０は、第４の層１６０の調量開口１６４を通過することができる。

冷却シール１００は、接合シールスロット１１６の周りを移動することができ、その結果、凹状スロット１６８の一部が接合シールスロット１１６の表面により閉鎖される。従って、凹状スロット１６８は、該凹状スロット１６８の一部が閉鎖されず及び／又はスラッシュ面ギャップ１１４と連通して、冷却シール１００を通って高温ガス経路１８０に冷却流１７０を流れることができるような寸法にすることができる。１つの例示的な実施形態において、凹状スロット１６８は、第４の層１６０の幅の半分に等しいか又はそれよりも大きな長さ又は幅を有することができる。高温ガス経路１８０は、冷却流１７０に対して比較的低圧とすることができる。結果として、圧力差によって冷却流１７０を第１及び第２の冷却経路１７２，１７４に沿って冷却シール１００内に引き込み、これにより冷却シール１００を冷却することができる。冷却流１７０は、調量開口１６４を介して流出することができ、該調量開口１６４は、冷却シール１００を通り、また凹状スロット１６８を通って低圧ガス経路１８０に入る流量を制御する。従って、冷却流１７０が冷却切欠部から調量開口１６４に移動するときに、該冷却流１７０により冷却シール１００が冷却される。他の実施形態は、追加の又はより少ない冷却切欠部、冷却通路、調量開口、及び／又は凹状スロットを含むことができる。

図４を参照すると、冷却シール１００を通過する例示的な幾つかの冷却経路を有する図３の冷却シール１００が分離断面図で例示される。冷却シール１００の実施形態は、図４に示される冷却経路の一部又は全てを含むことができる。図３において、冷却流２００は、冷却シールの第１の層１３０に衝突することができる。冷却流２００は、本明細書で記載されるように、幾つかの流入点又は冷却切欠部において冷却シール１００に流入することができる。冷却流２００は、冷却シール１００に流入すると、１又はそれ以上の冷却通路を通って流れ、調量孔などの調量開口及び／又は凹状スロットを通じて冷却シール１００から流出することができる。図４において、第１の冷却経路２０２は、第１の層１３０の第１の冷却切欠部２０４にて冷却シール１００に流入する冷却流２００を含み、該冷却シール１００の第１の縁面１２２に位置付けることができる。冷却流２００は、冷却シール１００の頂面１３４から、又は冷却シール１００の第１の縁面１２２のような冷却シール１００の側部から第１の冷却切欠部２０４に流入することができる。第１の冷却経路２０２は、第２の層１４０から材料が取り除かれることにより形成された第２の冷却切欠部２０６を通って進むことができる。第２の冷却切欠部２０６は、第１の冷却切欠部２０４と整列することができる。第２の冷却切欠部２０６に入ると、第１の冷却経路２０２は、第２の冷却経路２０８と統合することができる。第２の冷却経路２０８は、冷却シール１００の第１の縁面１２２のような側面から冷却シール１００に流入する冷却流２００を含むことができる。

統合した第１及び第２の冷却経路２０２，２０８は、引き続き第２の冷却切欠部２０６を通って、第３の層１５０から材料が取り除かれることにより形成される第３の冷却切欠部２１０内に流れることができる。第３の冷却切欠部２１０は、第１の冷却切欠部２０４及び第２の冷却切欠部２０６の何れか又は両方と整列することができる。第３の冷却切欠部２１０に入ると、第１及び第２の冷却経路２０２，２０８は、第３の冷却経路２１２と統合することができる。第３の冷却経路２１２は、冷却シール１００の第１の縁面１２２のような側面から冷却シール１００に流入する冷却流２００を含むことができる。

統合した第１、第２及び第３の冷却経路２０２，２０８，２１２は、第１の冷却チャンネル又は第１の冷却通路２１４を通って流れることができる。第１の冷却通路２１４は、第３の層１５０に形成することができ、冷却シール１００の第１の縁面１２２から冷却シール１００の内部に延びることができる。第１の冷却通路２１４は、第４の層１６０の調量開口１６４と整列された第２の端部まで延びることができる。第１の冷却通路２１４を通って流れると、統合した第１、第２及び第３の冷却経路２０２，２０８，２１２は、調量開口１６４を通り、凹状スロット１６８を通って流れて冷却シール１００から出ることができる。

冷却流２００はまた、第４の冷却経路２２０にて冷却シール１００を通って流れることができる。第４の冷却経路２２０は、第１の層１３０の第４の冷却切欠部２２２にて冷却シール１００に入る冷却流２００を含むことができる。第４の冷却切欠部２２２は、第１の層１３０の第１の冷却切欠部２０４と反対側に位置付けられ、及び／又は該第１の冷却切欠部２０４と整列することができる。例えば、第４の冷却切欠部２２２は、第１の縁面１２２と反対側の第２の縁面１１８に位置付けることができる。冷却流２００は、冷却シール１００の頂面１３４から、又は冷却シール１００の第２の縁面１１８から第４の冷却切欠部２２２に流入することができる。第４の冷却経路２２０は、第２の層１４０から材料が取り除かれることにより形成された第５の冷却切欠部２２４を通って進むことができる。第５の冷却切欠部２２４は、第４の冷却切欠部２２２と整列することができ、第２の層１４０の第２の冷却切欠部２０６と反対側に位置付けられ、及び／又は該第２の冷却切欠部２０６と整列することができる。第５の冷却切欠部２２４に入ると、第４の冷却経路２２０は、第５の冷却経路２２６と統合することができる。第５の冷却経路２２６は、冷却シール１００の第２の縁面１１８から冷却シール１００に流入する冷却流２００を含むことができる。

統合した第４及び第５の冷却経路２２０，２２６は、引き続き第５の冷却切欠部２２４を通って、第２の冷却チャンネル又は第２の冷却通路２３０内に流れることができる。第２の冷却通路２３０は、第２の層１４０に形成することができ、冷却シール１００の第２の縁面１１８から冷却シール１００の内部に延びることができる。第２の冷却通路２３０は、第４の層１６０の調量開口１６４と整列された第２の端部及び／又は第１の冷却通路２１４の第２の端部まで延びることができる。第２の冷却通路２３０を通って流れると、統合した第４及び第５の冷却経路２２０，２２６は、第１の冷却通路２１４の第２の端部を通り、調量開口１６４を通り、及び凹状スロット１６８を通って流れて、冷却シール１００から出ることができる。

シールスロットにおける冷却シール１００の位置によっては、一部の冷却経路は閉鎖されている場合があるが、他の冷却経路は開放状態のままである。従って、冷却流２００は、どの冷却龍が開放されているか又は閉鎖されていないか、及び／又はシールスロットにおける冷却シール１００の位置に応じて、それぞれの異なる時間に異なる冷却経路を通過することができる。従って、高圧冷却流を伴う実施形態においては、高圧冷却空気と低圧のガス経路との間の圧力差により、冷却シール１００内に高圧冷却空気が引き込まれる。このようにして、高圧冷却空気が冷却シール１００を通って移動するときに、該高圧冷却空気により冷却シール１００が冷却される。本明細書で他の構成要素及び他の構成を使用することができる。

図５を参照すると、本明細書で記載されるような冷却シール２５０の実施形態が例示される。冷却シール２５０は、２つの外側層及び１又はそれ以上の中間層など、少なくとも３つの層から形成することができる。冷却シールは、本明細書で記載されるように、積層（例えば、積層シール層）、鋳造（例えば、一体部品シールとして鋳造）、溶接、コアプリンティング、及び他の製造法などの方法を用いて形成することができる。例えば、冷却シール２５０は、最上層２５２、第１の中間層２５４、第２の中間層２５６、及び最下層２５８を有することができる。用語「最下」、「最上」、「側」、「端部」、「第１」、「第２」、及び同様のものは、絶対位置ではなく単に相対的な向きの説明のために使用されている。最上層２５２は、冷却側の層とすることができ、冷却流と接触することができる。最下層２５８は、高温側の層とすることができ、高温ガス経路と接触することができる。冷却シール２５０は、積層シールとすることができ、スタックシールを形成する１又はそれ以上の積層体を含むことができる。例えば、各層は、隣接する層に積層することができる。積層の結果として、冷却流は、隣接する層においてギャップを通過することができる。例えば、冷却流は、最上層２５２と第１の中間層２５４との間の方向２６０で通過することができる。冷却流は、第１の中間層２５４と第２の中間層２５６との間の方向２６２で通過することができる。冷却流は、第２の中間層２５６と最下層２５８との間の方向２６４で通過することができる。方向２６２と２６４は、整列されて描かれているが、冷却流は、冷却シール２５０の層間のあらゆる方向で流れることができる。冷却流の方向の一部又は全ては、整列されるか又は異なることができる。

図６〜１１を参照すると、本明細書で示される冷却シールの個々の層が描かれている。図６を参照すると、冷却シール３００の第１の層３１０が描かれている。第１の層３１０は、冷却シール３００の外側層又は中間層とすることができる。第１の層３１０は、シムとすることができ、第１の幅３１２を有することができる。第１の層３１０は、該第１の層３１０から材料が取り除かれることにより形成される第１の冷却切欠部３１４を有することができる。第１の層３１０は、第１の冷却切欠部３１４の反対側にあって且つこれと整列された対応する第２の冷却切欠部３１６を有することができる。第１及び第２の冷却切欠部３１４，３１６は、例示のような半円形の幾何形状を有することができ、或いは、別の幾何形状を有することもできる。一部の実施形態において、第１及び第２の冷却切欠部３１４，３１６は、異なる幾何形状を有することができる。

図７は、冷却シール３００の第２の層３２０を描いている。第２の層３２０は、冷却シール３００の外側層又は中間層とすることができ、第１の層３１０に隣接して位置付けることができる。第２の層３２０は、シムとすることができ、第２の幅３２２を有することができる。第２の幅３２２は、第１の幅３１２と同じとすることができる。第２の層３２０は、該第２の層３２０から材料が取り除かれることにより形成される第３の冷却切欠部３２４を有することができる。第３の冷却切欠部３２４は、第２の層３２０に形成された第１の冷却通路３２６の第１の端部又は開始端部を形成することができる。第３の冷却切欠部３２４は、第１の冷却通路３２６と同じ又は異なる寸法を有することができる。一部の実施形態において、第３の冷却切欠部３２４は、第１の冷却通路３２６よりも大きくすることができ、第１の冷却通路３２６に一体化することができる。第１の冷却通路３２６は、該第１の冷却通路３２６の長さにわたって一貫した又は可変の幅３２８を有することができる。第１の冷却通路３２６は、第２の端部３３０まで延びることができる。第２の端部３３０は、幅３２８に等しい寸法にすることができ、或いは、図７に示すようにより大きくすることができる。一部の実施形態において、第２の端部３３０は、冷却シール３００の調量開口に等しい寸法にすることができる。第２の端部３３０は、冷却シール３００の調量開口と整列することができ、限定ではないが、円形又は矩形などの好適な幾何形状を有することができる。例示するように、第１の冷却通路３２６は、第２の層３２０の１又はそれ以上の縁部に対して角度を付けることができる。一部の実施形態において、第１の冷却通路３２６は、第２の層３２０の１又はそれ以上の縁部と整列することができる。第１の冷却通路３２６の角度は、冷却シール３００を通る冷却流の流量及び方向に影響を及ぼすことができる。第２の層３２０は、第３の冷却切欠部３２４と反対側にあり且つこれと整列した対応する第４の冷却切欠部３３２を有することができる。第４の冷却切欠部３３２は、第１の層３１０の第２の冷却切欠部３１６と整列することができる。

図８は、冷却シール３００の第３の層３４０を描いている。第３の層３４０は、冷却シール３００の外側層又は中間層とすることができ、第２の層３２０に隣接して位置付けることができる。第３の層３４０は、シムとすることができ、第３の幅３４２を有することができる。第３の幅３４２は、第１の幅３１２及び／又は第２の幅３２２と同じとすることができる。第３の層３４０は、該第３の層３４０から材料が取り除かれることにより形成される第５の冷却切欠部３４４を有することができる。第５の冷却切欠部３４４は、第１及び第２の層３１０，３２０それぞれの第１の及び／又は第３の冷却切欠部３１４，３２４と整列することができ、同じ寸法及び／又は幾何形状を有することができる。第３の層３４０は、第５の冷却切欠部３４４と反対側にあり且つこれと整列した対応する第６の冷却切欠部３４６を有することができる。第６の冷却切欠部３４６は、第１の層３１０の第２の冷却切欠部３１６及び／又は第２の層３２０の第４の冷却切欠部３３２と整列することができる。第６の冷却切欠部３４６は、第３の層３４０に形成された第２の冷却通路３４８の第１の端部又は開始端部を形成することができる。第６の冷却切欠部３４６は、第２の冷却通路３４８と同じ又は異なる寸法を有することができる。一部の実施形態において、第６の冷却切欠部３４６は、第２の冷却通路３４８よりも大きくすることができ、第２の冷却通路３４８に一体化することができる。第２の冷却通路３４８は、該第２の冷却通路３４８の長さにわたって一貫した又は可変の幅３５０を有することができる。第２の冷却通路３４８は、第２の層３２０の第１の冷却通路３２６と同じ寸法にすることができ、一部の実施形態において、第１の冷却通路３２６の鏡像関係を形成することができる。

第２の冷却通路３４８は、第１の冷却通路３２６の第２の端部３３０と整列した第２の端部３５２まで延びることができる。第２の端部３５２は、第２の冷却通路３４８の幅３５０と等しい寸法にすることができ、或いは、図８に示すようにより大きくすることができる。一部の実施形態において、第２の端部３５２は、冷却シール３００の調量開口に等しい寸法にすることができる。第２の端部３５２は、冷却シール３００の調量開口と整列することができ、円形又は矩形などの好適な幾何形状を有することができる。例示するように、第２の冷却通路３４８は、第３の層３４０の１又はそれ以上の縁部及び／又は第１の冷却通路３２６に対して角度を付けることができる。例えば、第２の冷却通路３４８は、１又はそれ以上の縁部及び／又は第１の冷却通路３２６に対して鋭角に位置付けることができる。一部の実施形態において、第２の冷却通路３４８は、第３の層３４０の１又はそれ以上の縁部及び／又は第１の冷却通路３２６と整列することができる。

図９は、冷却シール３００の第４の層３６０を描いている。第４の層３６０は、冷却シール３００の外側層又は中間層とすることができる。第４の層３６０は、シムとすることができ、第４の幅３６２を有することができる。第４の層３６０は、第３の層３４０に隣接して位置付けることができ、第４の幅３６２は、第３の幅３４２と同じとすることができる。第４の層３６０は、該第４の層３６０から材料が取り除かれることにより形成される調量開口３６２を有することができる。調量開口３６２は、第４の層３６０内に部分的に延びることができ、第４の層３６０の反対側に形成される凹状スロット３６４と連通することができる。調量開口３６２は、該調量開口３６２が凹状スロット３６４よりも小さいような寸法にすることができる。凹状スロット３６４は、矩形、楕円、長円、又は別の幾何形状などあらゆる好適な幾何形状を有することができる。凹状スロット３６４は、第４の層３６０の幅３６２の半分に等しいか又はそれよりも大きい幅３６６を有することができる。凹状スロット３６４は、調量開口３６２の直径又は長さに等しいか又はそれよりも大きい長さ３６８を有することができる。

図１０及び１１は、第４の層３６０の断面図と斜視図を示している。第４の層３６０は、厚さ３７２を有することができる。凹状スロット３６４は、厚さ３７２に等しいか又はそれよりも小さい深さ３７４を有することができる。調量開口３６２は、厚さ３７２よりも小さいか又はこれに等しい深さ３７６を有することができる。一部の実施形態において、凹状スロット３６４の深さ３７４及び調量開口３６２の深さ３７６は、第４の層３６０の厚さ３７２と等しいとすることができる。調量開口３６２は、凹状スロット３６４の幅３６６よりも小さい幅３７０を有することができる。調量開口３６２の寸法は、冷却シール３００を通過する冷却流の流量を決定付けることができ、凹状スロット３６４と組み合わされて、冷却シール３００を通る一貫した又はほぼ一貫した冷却流の流量を提供することができる。

図１２及び１３を参照すると、冷却シール４００の別の実施形態が図１２の斜視図において例示されている。冷却シール４００は、該冷却シール４００を形成するよう挟装される複数の層を含むことができる。冷却シール４００は、バー状シールとすることができ、ここで各層は等しい幅を有する。冷却シール４００は、距離４３０で離間して配置された１又はそれ以上のスポット溶接部４１０を含むことができる。スポット溶接部４１０は、均一に離間して配置されるか、又は異なる間隔で配置することができる。例えば、スポット溶接部４１０は、冷却シール４００の縁部４２０，４４０から等間隔に配置することができる。

図１３は、冷却シール４００の別の実施形態４５０を示す。冷却シール４５０は、屈曲した外側層を含むことができる。例えば、冷却シール４５０は、部分的に囲まれる縁部を形成するように両方の側縁上に等しい屈曲部を有する第１の屈曲した外側層４６０を含むことができる。同様に、冷却シール４５０は、第１の屈曲した外側層４６０と共に部分的に囲まれる縁部を形成するように両方の側縁上に等しい屈曲部を有する第２の屈曲した外側層４７０を含むことができる。冷却シール４５０の層は、ステンレス鋼、ニッケル基合金及び同様のものなどの高耐熱性材料から作ることができる。本明細書では、他のタイプの材料もまた用いることができる。他の実施形態は、高温接着剤、高強度締結具、及び他のタイプの締結手段を含むことができる。

図１４〜１６を参照すると、冷却シールの１又はそれ以上の層の追加の実施形態が示される。冷却通路又は冷却チャンネルは、本明細書で記載されるように、種々の構成を有することができる。図１４を参照すると、冷却シール５００は、第１の層にて直角を形成する第１の冷却経路５０２を有することができ、冷却孔５０６を介して第１の冷却経路５０２に対して角度が付けられた第２の冷却経路５０４と流体連通することができる。冷却シール５００は、第２の冷却経路５０４と同様又は同じ角度が付けられた第１の冷却経路５０２と同じ層上に第３の冷却経路５０８を含むことができる。冷却シール５００は、第１の冷却経路５０２と同様又は同じ第２の層上に直角を形成する第４の冷却経路５１０を含むことができる。一部の実施形態において、冷却シール５００の１又はそれ以上の層は、互いに鏡像関係とすることができる。

図１５は、第１の層上の第１の蛇行冷却経路５２２が冷却孔５２６を介して第２の層上の第２の蛇行冷却経路５２４と流体連通した、冷却シール５２０を示している。第１の蛇行冷却経路５２２は、第２の蛇行冷却経路５２４の鏡像とすることができる。冷却シール５２０は、冷却孔５３２を介して第１の層上の第１の蛇行冷却経路５２２と流体連通した、第１の蛇行冷却経路５２２と同様とすることができる第２の層上の第３の蛇行冷却経路５２８を含むことができる。蛇行冷却経路は、冷却シール５２０のそれぞれの層上で互いに鏡像とすることができる。

図１６は、冷却シール５４０の別の実施形態を示す。冷却シール５４０は、第１の層上の第１の蛇行経路５４２と、冷却孔を介して流体連通し反対側に排出する、第２の層上の対応する第２の蛇行冷却経路５４４とを含むことができる。冷却シール５４０はまた、該冷却シール５４０の各層を通って延びる第１及び第２の蛇行経路５４２，５４４から離間した冷却孔を含むことができる。

以上のように、本明細書で記載される冷却シールは、冷却シールを通る一貫した又はほぼ一貫した冷却流量を提供し、その結果、冷却の改善及びシール寿命の延長をもたらす。その上、本明細書で記載される冷却シールは、二次流が低減され、エンジン全体効率が高く、また発熱率が低減された冷却の改善を提供する。本明細書では、冷却シールの異なる構成を共に用いることもできる。本開示の実施形態は、シールスロット内のシール配置に関係なく、シールスロット内のスラッシュ面ギャップサイズ又はシール配置と独立して一貫した冷却流を提供することができる。他のタイプのシール配置を用いることもできる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

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段ノズル
６０ 第１段バケット
６５ 第１段
７０ 第２段ノズル
７５ 第２段
８０ ダイアフラム
８５ 軸線
９０ シール
１００ 冷却シール
１０２ 第１のガスタービン構成要素
１０４ 第２のガスタービン構成要素
１０６ 第１のシールスロット
１０８ 第１のスラッシュ面
１１０ 第２のスラッシュ面
１１２ 第２のシールスロット
１１４ スラッシュ面ギャップ
１１６ 接合シールスロット
１１８ 第１縁面
１２０ 第１の壁部
１２２ 第２の縁面
１２４ 第１の壁部
１２６ 第２の壁部
１２８ 第２の壁部
１３０ 第１の層
１３２ 第１の厚さ
１３４ 頂面
１３６ 第１の冷却切欠部
１４０ 第２の層
１４２ 第２の厚さ
１４４ 第１の冷却通路
１４６ 第２の冷却切欠部
１５０ 第３の層
１５２ 第３の厚さ
１５４ 第２の冷却通路
１５６ 第３の冷却切欠部
１６０ 第４の層
１６２ 第４の厚さ
１６４ 調量開口
１６６ 内側面
１６８ 凹状スロット
１７０ 冷却流
１７２ 第１の冷却流路
１７４ 第２の冷却流路
１７６ 外側面
１８０ 高温ガス経路
１８２ 深さ
１８４ 深さ
２００ 冷却流
２０２ 第１の冷却流路
２０４ 第１の冷却切欠部
２０６ 第２の冷却切欠部
２０８ s第２の冷却経路
２１０ 第３の冷却切欠部
２１２ 第３の冷却経路
２１４ 第１の冷却通路
２２０ 第４の冷却経路
２２２ 第４の冷却切欠部
２２４ 第５の冷却切欠部
２２６ 第５の冷却経路
２３０ 第２の冷却通路
２５０ 冷却シール
２５２ 最上層
２５４ 第１の中間層
２５６ 第２の中間層
２５８ 最下層
２６０ 方向
２６２ 方向
２６４ 方向
３００ 冷却シール
３１０ 第１の層
３１２ 第１の幅
３１４ 第１の冷却切欠部
３１６ 第２の冷却切欠部
３２０ 第２の層
３２２ 第２の幅
３２４ 第３の冷却切欠部
３２６ 第１の冷却通路
３２８ 幅
３３０ 第２の端部
３３２ 第４の冷却切欠部
３４０ 第３の層
３４２ 第３の幅
３４４ 第５の冷却切欠部
３４６ 第６の冷却切欠部
３４８ 第２の冷却通路
３５０ 幅
３５２ 第２の端部
３６０ 第４の層
３６２ 第４の幅
３６４ 凹状スロット
３６６ 幅
３６８ 長さ
３７０ 幅
３７２ 厚さ
３７４ 深さ
３７６ 深さ
４００ 冷却シール
４１０ スポット溶接
４２０ 縁部
４３０ 距離
４４０ 縁部
４５０ 冷却シール
４６０ 第１の屈曲外側層
４７０ 第２の屈曲外側層
５００ 冷却シール
５０２ 第１の冷却経路
５０４ 第２の冷却経路
５０６ 冷却孔
５０８ 第３の冷却経路
５１０ 第４の冷却経路
５２０ 冷却シール
５２２ 第１の蛇行冷却経路
５２４ 第２の蛇行冷却経路
５２６ 冷却孔
５２８ 第３の蛇行冷却経路
５３０ 第４の蛇行冷却経路
５３２ 冷却孔
５４０ 冷却シール
５４２ 第１の蛇行冷却経路
５４４ 第２の蛇行冷却経路

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン（１０）において高圧冷却空気流及び高温ガス経路に面する構成要素間で使用するシール（９０）であって、
   第１のシム（１３０）と、
   第１の冷却通路（１４４）を含む第２のシム（１４０）と、
   前記第１のシムとの間に前記第２のシムが位置付けられる第３のシム（１５０）と、
   を備え、
   前記第３のシムが、
   内側面（１６６）及び外側面（１７６）と、
   前記外側面内に部分的に延びる凹状スロット（１６８）と、
   前記凹状スロットから前記内側面まで延びる調量開口（１６４）と、
   を含む、シール（９０）。
2. 前記凹状スロットが、前記第３のシムの厚さの一部に延びる、請求項１に記載のシール（９０）。
3. 前記調量開口が、前記凹状スロットよりも小さい、請求項２に記載のシール（９０）。
4. 前記第１の冷却通路が、前記シールの第１の縁面（１２２）にある第１の端部から、前記第３のシムの調量開口と整列した第２の端部まで延びて、前記第１の冷却通路の第１の端部から前記調量開口まで冷却空気が流れることが可能となる、請求項１に記載のシール（９０）。
5. 前記第１のシムが、前記第１の縁面において、前記第２のシムの第１の冷却通路の第１の端部と連通した第１の冷却切欠部（１３６）を含む、請求項４に記載のシール（９０）。
6. 前記第１のシムが、前記第１の縁面と反対側の前記シールの第２の縁面（１１８）にて第２の冷却切欠部（１４６）を含み、前記第２のシムが、前記シールの第２の縁面にて第３の冷却切欠部（１５６）を含む、請求項５に記載のシール（９０）。
7. 前記第１のシムと前記第２のシムとの間に位置付けられる第４のシム（１６０）を更に備え、該第４のシムが、前記シールの第２の縁面にある第３の端部から、前記第３のシムの調量開口と整列した第４の端部まで延びる第２の冷却通路（１５４）を含み、これにより前記第２の冷却通路の第３の端部から前記調量開口まで冷却空気が流れることが可能となる、請求項６に記載のシール（９０）。
8. 前記第１の冷却通路が、前記第２の冷却通路に対して鋭角に位置付けられる、請求項７に記載のシール（９０）。
9. 前記凹状スロットが、前記第３のシムの幅の半分よりも多くにわたって延びる、請求項１に記載のシール（９０）。
10. 前記シールが、前記ガスタービンエンジンの２つの隣接する固定構成要素間に位置付けられる、請求項１に記載のシール（９０）。
11. 前記凹状スロットと連通した複数の調量開口を更に備える、請求項１に記載のシール（９０）。
12. 前記第１のシムと前記第３のシムが均一な厚みを有する、請求項１に記載のシール（９０）。
13. 前記シールが積層シールである、請求項１に記載のシール（９０）。
14. 前記第２のシムの周りに位置付けられた複数のシムを更に備え、前記複数のシム及び前記第２のシムが、前記第１のシムと前記第３のシムとの間に位置付けられる中間層を形成する、請求項１に記載のシール（９０）。
15. ガスタービンエンジン（１０）において構成要素間に位置付けられるシール（９０）を冷却する方法であって、
    前記シールの第１の側部の周りに高圧冷却空気を流すステップと、
    前記シールの第２の側部上で第１の冷却通路（１４４）を通じて前記高圧冷却空気を吸い込むステップと、
    前記第２の側部と反対側の前記シールの第３の側部上で第２の冷却通路（１５４）を通じて前記高圧冷却空気を吸い込むステップと、
    前記第１の側部と反対側の前記シールの第４の側部の周りにある調量孔及び凹状スロットを通じて前記高圧冷却空気を吸い込むステップと、
    を含む、方法。
16. ガスタービンエンジンにおいて高圧冷却空気流及び高温ガス経路に面する構成要素間で使用する冷却積層シールであって、
    前記冷却積層シールの第１の縁面にて第１の冷却切欠部を含む冷却側積層体と、
    高温側積層体と、
    を備え、
    前記高温側積層体が、
    外側面と、
    内側面と、
    前記高温側積層体内に延び、前記外側面から測定した深さを有する凹状スロットと、
    前記内側面から前記凹状スロットまで延びる調量開口と、
    を含み、
    前記冷却積層シールが更に、
    前記冷却側積層体と前記高温側積層体との間に位置付けられる第１の中間積層体と、
    を備え、前記第１の中間積層体が、前記冷却積層シールの第１の縁面にて第２の冷却切欠部を含み、該第２の冷却切欠部が、前記第１の冷却切欠部と整列されて、前記第１の中間積層体の厚さを貫通して延び、前記第２の冷却切欠部が、前記冷却積層シールの第１の縁面から、前記高温側積層体の調量開口と整列した第１の冷却通路の端部まで延びる第１の冷却通路を形成し、その結果、前記冷却積層シールを通って前記第２の冷却切欠部から前記高温側積層体の凹状スロットまで冷却空気が流れることが可能となる、冷却積層シール。
17. 前記冷却側積層体と前記第１の中間積層体との間に位置付けられ、前記第１の縁面と反対側の前記冷却積層シールの第２の縁面にて第３の冷却切欠部を含む第２の中間積層体を更に備え、
    前記第３の冷却切欠部が、前記冷却積層シールの第２の縁面から、前記第１の冷却通路の端部及び前記高温側積層体の調量開口と整列した第２の冷却通路の端部まで延び、その結果、前記冷却積層シールを通って前記第３の冷却切欠部から前記高温側積層体の凹状スロットまで冷却空気が流れることが可能となる、請求項１６に記載の冷却積層シール。
18. 前記第１の冷却通路が、前記第２の冷却通路に対して鋭角に位置付けられる、請求項１７に記載の冷却積層シール。
19. 前記冷却側積層体が、前記第２の中間積層体の第３の冷却切欠部と整列した前記冷却積層シールの第２の縁面にて第４の冷却切欠部を含む、請求項１７に記載の冷却積層シール。
20. 前記第１の中間積層体が、前記冷却積層シールの第２の縁面にて前記第３の冷却切欠部及び前記第４の冷却切欠部と整列された第５の冷却切欠部を含み、前記第２の中間積層体が、前記冷却積層シールの第１の縁面にて前記第１の冷却切欠部及び前記第２の冷却切欠部と整列された第６の冷却切欠部を含む、請求項１９に記載の冷却積層シール。