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

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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。
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