JP2016223444A - インピンジメント冷却スプラインシール - Google Patents

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Abstract

【課題】インピンジメント冷却スプラインシールを提供すること。【解決手段】冷却流と共に隣接するタービン構成要素110,120間で使用するシール100は、インピンジメントバッフルトッププレート220と、ベースプレート240と、インピンジメントバッフルトッププレート220及びベースプレート240間にある1又はそれ以上のスペーサ要素260と、を含む。冷却流は、インピンジメントバッフルトッププレート220を通じて冷却を提供する。【選択図】図4

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、スプラインシールなどを通過する漏洩流と共に用いて、衝突による熱伝達の向上をもたらすようにするガスタービンエンジンに関する。
一般的には、ガスタービンエンジンなどのターボ機械は、貫通して延びる主ガス流路を含む。ガス流路内外へのガス漏洩は、全体効率を低下させ、燃料コストが上昇し、場合によってはエミッションレベルが増大する可能性がある。ガス流路を介して加熱される様々な構成要素を冷却するために、ガスタービンエンジン内で二次流を用いることができる。具体的には、圧縮機の後段から冷却空気を取り出して、加熱されたガス流路構成要素の冷却に使用し、また、隣接する構成要素間のキャビティ内のギャップをパージすることができる。例えば、従来設計では、シュラウドセグメント間のスロット内に配置された金属シムを含み、何らかの漏洩流を最小限にすることができる。しかしながら、これらのガス流路の箇所は、極めて高い熱流束及び/又は高度の酸化、クリープ及び結果として生じる損傷又は故障につながる可能性がある他の動作パラメータに直面する可能性がある。
燃焼温度が上昇するにつれて、ガス流路の温度が従来のシールの材料の限界を超え、過剰な漏洩、効率の損失、及び全体としての構成要素寿命の短縮を引き起こすようになる可能性がある。従って、タービンシール及び関連のシール冷却技術の改善に対する要求がある。すなわち、かかる改善されたタービンシール及び技術は、効率又は寿命を損失することなく、より高い燃焼温度に対処することができる。
米国特許第8,684,680号明細書
本出願は、冷却流と共に隣接するタービン構成要素間で使用するシールを提供する。シールは、インピンジメントバッフルトッププレートと、ベースプレートと、インピンジメントバッフルトッププレート及びベースプレート間にある1又はそれ以上のスペーサ要素と、を含むことができる。冷却流は、インピンジメントバッフルトッププレートを通じて冷却を提供する。
本出願は、冷却流と共に隣接するタービン構成要素間で使用するシールを提供する。シールは、インピンジメントバッフルトッププレートと、ベースプレートと、インピンジメントバッフルトッププレート及びベースプレート間にある1又はそれ以上のスペーサ要素と、を含むことができる。冷却流は、インピンジメントバッフルトッププレートを通じて冷却を提供する。
本出願及び結果として得られる特許は更に、隣接する構成要素間にスプラインシールを含むタービンを提供する。スプラインシールは、1又はそれ以上のインピンジメントアパーチャを有するインピンジメントバッフルトッププレートと、ベースプレートと、スプラインシールの第1の側部上にある第1のスペーサ要素と、スプラインシールの第2の側部上にある第2のスペーサ要素と、を含むことができる。冷却流は、インピンジメントバッフルトッププレートのインピンジメントアパーチャを通じて冷却を提供する。
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、タービン及び負荷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側面図。 隣接する構成要素間に位置付けられたスプラインシールの側断面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの側断面図。 図4のインピンジメント冷却スプラインシールのベースプレートの平面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの別の実施形態の側断面図。 図6のインピンジメント冷却スプラインシールと共に使用するベースプレートの平面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの別の実施形態の側断面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの別の実施形態の側断面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの別の実施形態の側断面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの別の実施形態の側断面図。 本明細書で記載されるインピンジメント冷却スプラインシールの別の実施形態の側断面図。
次に、幾つかの図全体を通して同様の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の加圧流とを混合し、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45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。他のタイプの用途には、航空機製造及び同様のものなどが挙げられる。
ガスタービンエンジン10は、天然ガス、液体燃料、種々のタイプのシンガス、及び/又は他のタイプの燃料及びその配合物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、米国ニューヨーク州スケネクタディ所在のGeneral Electric Companyにより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、また、他のタイプの構成要素を用いることもできる。本明細書において他のタイプのガスタービンエンジンを使用してもよい。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設備もまた、本明細書で共に用いることができる。
図2は、タービン40の一部を示す。一般的には、タービン40は、第1タービン段65の第1段ノズル55、第1段バケット60、及び第1段シュラウド62を含むことができる。また、第2タービン段75の第2段ノズル70も図示される。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を軸線85の周りに円周方向に位置付けることができる。スプラインシール90は、隣接するシュラウド62、隣接するダイアフラム80、及び/又は他のタービン構成要素の各ペアの間に位置付けられ、冷却空気流20が圧縮機15又は他の場所からここを通って漏洩するのを防ぐようにすることができる。上述のように、スプラインシール90は、多くの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及び技法を用いることができる。図3は、隣接するタービン構成要素、第1の構成要素91、及び第2の構成要素92の間に位置付けられるスプラインシール90の1つの実施例を示している。タービン構成要素91,92は、ステータ構成要素及び同様のものなどの隣接するタービン構成要素とすることができる。タービン構成要素91,92は、これらの間にシールスロット94を定めることができる。スプラインシール90は、固体材料のシールとすることができるが、層状シールなどの他のタイプのシールを用いることもできる。本明細書では、あらゆる数のスプラインシール90を用いることができる。シール90は、高圧冷却空気97の流れが低圧高温ガス経路98内に漏洩するのを阻止する。本明細書で示されるシール90は、単に例証の目的のものにすぎない。他の多くのシール構成を用いることができる。
図4及び5は、本明細書で記載されるスプラインシール100の1つの実施例を示す。上述のように、スプラインシール100は、第1のガスタービン構成要素110及び第2のガスタービン構成要素120のような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、スプラインシール100は、第1及び第2のガスタービン構成要素110,120の2つの隣接するスラッシュ面の間に位置付けられて、高温ガス経路98への冷却流97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110,120は、シュラウド構成要素、ダイアフラム、又は他のタイプの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110は、第1のスラッシュ面140に沿って位置付けられた第1のシールスロット130を含むことができる。第2のガスタービン構成要素120は、第2のスラッシュ面160に沿って位置付けられた第2のシールスロット150を含むことができる。スプラインシール100は、第1のシールスロット130及び第2のシールスロット150に位置付けられて、第1のスラッシュ面140と第2のスラッシュ面160との間にシールを形成することができる。このようにして、スプラインシール100は、全体として又は部分的にスラッシュ面ギャップ170を塞ぐことができる。スプラインシール100は、上部180、底部190、第1の端部200、及び対向する第2の端部210を有することができる。(用語「底部」、「ベース」、「上部」、「側部」、「端部」、「第1」、「第2」、及び同様のものは、絶対的位置ではなく、相対的配向を示す目的で使用される。)スプラインシール100は、あらゆる好適な耐熱材料で作ることができる。
スプラインシール100は、インピンジメントバッフルトッププレート220を含むことができる。インピンジメントバッフルトッププレート220は、あらゆる数のインピンジメントアパーチャ230を含むことができる。2つのインピンジメントアパーチャ230インピンジメントアパーチャ230が図示されているが、本明細書では、あらゆる数のインピンジメントアパーチャ230をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。インピンジメントアパーチャ230及びその位置決めは、冷却流97の流量に対して熱伝達を最適にするように設計することができる。更に、シール100はまた、勾配、温度、寿命及び他のタイプのパラメータについて最適になるようにすることができる。
スプラインシール100は、ベースプレート240を含むことができる。ベースプレート240は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。ベースプレート240は、あらゆる数のベースプレートアパーチャ250を有することができる。1つのベースプレートアパーチャ250が図示されているが、本明細書では、あらゆる数のベースプレートアパーチャ250をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。ベースプレートアパーチャ250は、スプラインシール100を通過する冷却流97の容積を増大させ、全体の冷却を向上させるようにすることができる。或いは、以下に示されるように、ベースプレート240はまた、アパーチャ150無しの中実構造とすることができる。
インピンジメントバッフルトッププレート220とベースプレート240との間には、1又はそれ以上のスペーサ要素260を位置付けることができる。この実施例においては、本明細書で第1のスペーサ要素270及び第2のスペーサ要素280を用いることができる。本明細書では、あらゆる数のスペーサ要素260をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。スペーサ要素260は、第1の端部200及び第2の端部210の周りに位置付けられ、インピンジメントバッフルトッププレート220及びベースプレート240と組み合わせてボックス型形状をスプラインシール100に提供することができる。他の位置及び配向も本明細書で用いることができる。スペーサ要素270,280は、スプラインシール100の端部200,210から外に出る冷却流97の損失を阻止又は制限することができる。
スペーサ要素260は、バネ要素290及び同様のものとすることができる。より具体的には、バネ要素290は、板バネ及び同様のものとすることができる。本明細書では、様々なタイプのバネ材料を用いることができる。スペーサ要素260は、実質的に「C」様形状、「U」様形状、及び他のタイプの好適な形状を有することができる。バネ要素290は、タービン構成要素110,120とスプラインシール100との間の接触力を増大させることができる。この接触の増大は、インピンジメントアパーチャ230を通過する冷却流97の体積を増大させることができ、また、全体の漏洩流を低減することができる。或いは、スペーサ要素260は、全体の熱膨張係数の差違によりプレート220,240を離れて隔てさせるように、インピンジメントバッフルトッププレート220及びベースプレート240とは違う異なる材料で作ることができる。本明細書で他の構成要素及び他の構成を用いることができる。
使用時には、冷却流97は、インピンジメントバッフルトッププレート220のインピンジメントアパーチャ230を通じて送り込むことができる。インピンジメントアパーチャ230は、冷却流97をベースプレート240に衝突する複数の離散的ジェットにして、冷却の強化をもたらすようにすることができる。スプラインシール100は、他のタイプのシール冷却技術及び技法と組み合わせて、超高温作動を可能にすることができる。従って、スプラインシール100は、作動温度が金属シュラウド、セラミックマトリックス複合材、及び同様のものなどの従来のシュラウドに対する材料限界を超えた場合に、保守コストの低減及び全体効率の改善を提供することができる。従って、スプラインシール100は、通過する漏洩流全体を用いて、最小の流体損失で構成要素寿命を改善する。
図6及び7は、本明細書で記載されるスプラインシール300の代替の実施形態を示している。スプラインシール300は、大部分は、上述のスプラインシール100と同様とすることができ、インピンジメントバッフルトッププレート220、ベースプレート240、及びスペーサ要素260のペアを含むことができる。ベースプレートアパーチャ250を含むベースプレート240の代わりに、ここでのベースプレート240は、複数のベースプレート排気スロット310を含むことができる。ベースプレート排気スロット310は、実質的に凹状のキャビティ330内に比較的狭い出口アパーチャ320を含むことができる。ベースプレート排気スロット310は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。本明細書では、あらゆる数のベースプレート排気スロット310を用いることができる。ベースプレートアパーチャ250及びベースプレート排気スロット310の組み合わせもまた、本明細書で用いることができる。本明細書で他の構成要素及び他の構成を用いることもできる。
図8は、本明細書で記載されるスプラインシール340の別の実施形態を示す。スプラインシール340は、大部分は、上述のスプラインシール100と同様とすることができ、インピンジメントバッフルトッププレート220、スペーサ要素260、及びベースプレート240を含むことができる。この実施例において、ベースプレート240は、ベースプレートアパーチャ250を含まなくてもよい。代わりに、ベースプレート240は中実とすることができ、スペーサ要素260の1又はそれ以上は、1又はそれ以上のスペーサ要素アパーチャ350を位置付けることができる。本明細書では、あらゆる数のスペーサ要素アパーチャ350をあらゆる好適なサイズ、形状、又は構成で用いることができる。従って、冷却流97は、スペーサ要素アパーチャ350を介して流出することができる。具体的には、冷却流97は、スペーサ要素アパーチャ350を介してシールスロット130,150内に通過することができ、次いで、スラッシュ面ギャップに漏洩する可能性がある。スプラインシール340は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成とすることができる。本明細書で他の構成要素及び他の構成を用いることができる。
図9は、本明細書で記載されるスプラインシール360の更に別の実施形態を示す。スプラインシール360は、大部分は、上述のスプラインシール100と同様とすることができ、インピンジメントバッフルトッププレート220、ベースプレート240、及びスペーサ要素260を含むことができる。この実施例において、ベースプレート240は、ベースプレートアパーチャ250を含まなくてもよい。むしろ、ベースプレート240は中実とすることができる。同様に、スペーサ要素260は、スペーサ要素アパーチャ350を含まなくてもよい。むしろ、スペーサ要素260は中実とすることができる。このような場合、スプラインシール360は、どのような出口アパーチャも含まない。むしろ、冷却流97の全ては、漏洩流を介して流出することができる。スプラインシール360は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成とすることができる。本明細書で他の構成要素及び他の構成を用いることができる。
図10は、本明細書で記載されるスプラインシール370の別の実施形態を示す。スプラインシール370は、上述のスプラインシール100と同様とすることができ、インピンジメントバッフルトッププレート220、ベースプレート240、及びスペーサ要素260を含むことができる。インピンジメントバッフルトッププレート220は、インピンジメントアパーチャ230を含むことができ、ベースプレート240は、1又はそれ以上のベースプレートアパーチャ250を含むことができる。しかしながら、スペーサ要素260は、バネ要素290から作らなくてもよい。むしろ、スペーサ要素260は各々、固体要素380とすることができる。上述のように、固体要素380は、異なる熱膨張係数及び同様のものによりプレート220,240を離隔することができる。本明細書では、異なる熱膨張率のために異なるタイプの材料を用いることができる。スプラインシール370は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成とすることができる。本明細書で他の構成要素及び他の構成を用いることができる。
図11は、本明細書で記載されるスプラインシール390の別の実施形態を示す。スプラインシール390は、上述のスプラインシール100と実質的に同様とすることができ、インピンジメントバッフルトッププレート220、ベースプレート240、及びスペーサ要素260を含むことができる。インピンジメントバッフルトッププレート220は、1又はそれ以上のインピンジメントアパーチャ230を含むことができ、ベースプレート240は、1又はそれ以上のベースプレートアパーチャ250を含むことができる。この実施例においては、スペーサ要素260並びにインピンジメントバッフルトッププレート220及びベースプレート240は、バネクリップ400及び同様のものとすることができる。このような場合、スプラインシール390の全て又は一部は、バネ様材料から作ることができる。本明細書では異なるタイプのバネ材料を用いることができる。スプラインシール390は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成とすることができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることができる。
図12は、本明細書で記載されるスプラインシール410の別の実施形態を示す。スプラインシール410は、上述のスプラインシール100と実質的に同様とすることができ、インピンジメントバッフルトッププレート220、ベースプレート240、及びスペーサ要素260を含むことができる。インピンジメントバッフルトッププレート220は、1又はそれ以上のインピンジメントアパーチャ230を含むことができ、ベースプレート240は、1又はそれ以上のベースプレートアパーチャ250を含むことができる。この実施例において、スペーサ要素260は、実質的に剛体の壁420とすることができる。実質的に剛体の壁420は、例えば、バネ要素290及び同様のものよりも可撓性が低いものとすることができる。実質的に剛体の壁420は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。スプラインシール410は、代わりに、インピンジメントバッフルトッププレート220の上部に位置付けられた1又はそれ以上のバネ要素290を有することができる。従って、実質的に剛体の壁420は、バネ要素290がインピンジメントバッフルトッププレート220に高圧を与えながら、インピンジメントバッフルトッププレート220とベースプレート240との間に実質的に一定の距離を提供する。このより高い圧力により、インピンジメントアパーチャ230の幅広の間隔を可能にして、ベースプレート240に対して実質的に均一な冷却を提供することができるようになる。スプラインシール410は、あらゆる好適なサイズ、形状、又は構成を有することができる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることができる。
以上のことから、本明細書で記載されるスプラインシールは、実質的に一定の冷却流量を与えて、冷却の改善及び全体のシール寿命の延長を可能にする。その上、本明細書で記載されるスプラインシールは、少ない二次流で冷却を改善し、より高い全体効率、及び低い発熱量を提供することができる。本明細書では、異なる構成のスプラインシールを共に用いることができる。他のタイプのシール技術及び技法も本明細書で用いることができる。スプラインシールは、初期の装備であっても、又は後付けの部品であってもよい。
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
62 第1段シュラウド
65 第1タービン段
70 第2段ノズル
75 第2タービン段
80 ダイアフラム
85 軸線
90 スプラインシール
91 第1の構成要素
92 第2の構成要素
94 シールスロット
97 冷却流
98 高温ガス経路
100 スプラインシール
110 第1のガスタービン構成要素
120 第2のガスタービン構成要素
130 第1のシールスロット
140 第1のスラッシュ面
150 第2のシールスロット
160 第2のスラッシュ面
170 スラッシュ面ギャップ
180 上部
190 底部
200 第1の端部
210 第2の端部
220 インピンジメントバッフルトッププレート
230 インピンジメントアパーチャ
240 ベースプレート
250 ベースプレートアパーチャ
260 スペーサ要素
270 第1のスペーサ要素
280 第2のスペーサ要素
290 バネ要素
300 スプラインシール
310 ベースプレート排気スロット
320 排気アパーチャ
330 凹状のキャビティ
340 スプラインシール
350 スペーサ要素アパーチャ
360 スプラインシール
370 スプラインシール
380 固体要素
390 スプラインシール
400 バネクリップ
410 スプラインシール
420 剛体壁

Claims (15)

  1. 冷却流(97)と共に隣接するタービン構成要素(110,120)間で使用するシール(100)であって、
    インピンジメントバッフルトッププレート(220)と、
    ベースプレート(240)と、
    前記インピンジメントバッフルトッププレート(220)及び前記ベースプレート(240)間にある1又はそれ以上のスペーサ要素(260)と、
    を備え、前記冷却流(97)が、前記インピンジメントバッフルトッププレート(220)を通じて冷却を提供する、シール(100)。
  2. 前記インピンジメントバッフルトッププレート(220)は、1又はそれ以上のインピンジメントアパーチャ(230)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  3. 前記ベースプレート(240)は、1又はそれ以上のベースプレートアパーチャ(250)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  4. 前記ベースプレート(240)は、1又はそれ以上のベースプレート排気スロット(310)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  5. 前記1又はそれ以上のベースプレート排気スロット(310)は、キャビティ(330)内に出口アパーチャ(320)を含む、請求項4に記載のシール(100)。
  6. 前記ベースプレート(240)は、中実構造を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  7. 前記1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、前記シール(100)の第1の端部(200)の周りに位置付けられた第1のスペーサ要素(270)と、前記シール(100)の第2の端部(210)の周りに位置付けられた第2のスペーサ要素(280)とを含む、請求項1に記載のシール(100)。
  8. 前記1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、バネ要素(290)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  9. 前記1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、「C」様形状を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  10. 前記1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、前記インピンジメントバッフルトッププレート(220)及び/又は前記ベースプレート(240)とは異なる熱膨張係数を有する材料を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  11. 前記1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、1又はそれ以上のスペーサ要素アパーチャ(350)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  12. 前記1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、固体要素(380)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  13. 前記ベースプレート(240)及び1又はそれ以上のスペーサ要素(260)が、固体要素を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  14. 前記インピンジメントバッフルトッププレート(220)、前記ベースプレート(240)、及び/又は1又はそれ以上のスペーサ要素(260)は、全体的又は部分的にバネ材料(400)を含む、請求項1に記載のシール(100)。
  15. タービン構成要素(110,120)間に位置付けられたシール(100)を冷却する方法であって、
    冷却空気(97)の流れを前記シール(100)に提供するステップと、
    前記シール(100)において1又はそれ以上のインピンジメントアパーチャ(230)を通じて前記冷却空気(97)の流れを送り込むステップと、
    前記シール(100)をインピンジメント冷却するステップと、
    前記冷却空気(97)の流れを前記シール(100)の外に排出するステップと、
    を含む、方法。
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