JP4020661B2 - シール組立体及び、該シール組立体を有するガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器のための可撓性金属クロスシールに関し、より具体的には、耐磨耗性の金属クロスと、シール面まで延びて漏洩流を妨げ或いは最少にするシムを形成する高強度の堅いシート材料との層によって形成される複合構造を有するシールに関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来のガスタービンにおいては、高温の燃焼ガスを燃焼器から遷移片を通して第１段ノズル内に供給するため、ガスタービンの軸線のまわりに、複数の燃焼器が環状列に配置される。この型式の燃焼システムは、シール接合部を形成する構成要素間、例えば遷移片と第１段ノズルとの間の相対運動を許容することができるシールを必要とする。従来のシールは、隣接する部分に機械加工されたスロット内を摺動するように設計される。例えば、遷移片は、外向きに開口するスロット（遷移片を通るガス流の方向に対してほぼ直交した）を有し、第１段ノズルは、ほぼ軸線方向に開口するスロットを有する。一般的には、比較的堅いシールが、２つのほぼ直交して配置されるスロット間に延びるが、該部分間の相対運動を許容するのに十分な可撓性を有する。しかしながら、これらの比較的堅いシールは、シールされる部分の間に心ずれが生ずると、傾き或いは「点接触の状態になり」、これは、シールを通る過剰な漏洩流を許すものとなる。
【０００３】
遷移片と第１段ノズルとの接合部のような接合部からの漏洩を減少させるため、可撓性のブラシ・アンド・クロス・シールが開発されてきた。例えば、本発明と共通の譲受人による米国特許第５，４７４，３０６号、同第５，６５７，９９８号、同第５，９１５，６９７号、及び、１９９８年９月２２日に出願された米国特許出願第０９／１５８，７３８号（特開2000-136731）を参照されたい。これらの可撓性のブラシ・アンド・クロス・シールは、大きな可撓性をシールに導入し、シールをスロット面に適合させて、隣接する面の心ずれ時における漏洩流量を減少させるのを可能にする。クロスシールの１つの形態には、金属クロスが内部の堅いシム上に折り返されて、シールに或る程度の剛性を与えるが、シールされる部分の間に相対運動を生じた時には十分な可撓性を与えてクロスシールを対向シール面に対して維持するようになったものが含まれる。しかしながら、金属クロスの多孔性のため、シールの縁部のまわりでシムとスロット面との間のクロス層を通してある程度の漏洩流を生じることがある。
【０００４】
シールはまた、隣接する遷移片の間においても必要となる。細長いシムの両側において折り返された金属クロスを有するものが、遷移片の隣接する壁に沿って形成され位置合わせされたスロット内に挿入するために設けられてきた。しかしながら、これらの細長いシールは、遷移片と第１段ノズルとの間における上述のシールと同様に、シムとスロットのシール面との間のクロス層を通して、或る程度の漏洩流を生じるものである。したがって、この漏洩流を実質的に減少させることができるシール組立体についての要請がある。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の好ましい実施の形態によれば、タービン部分の間、例えば、燃焼器の遷移片と第１段ノズルとの間、又は、隣接する遷移片の間において、それぞれのシールの両側における高圧領域と低圧領域との間の漏洩を妨げ或いは最少にするために、シール組立体が設けられる。各遷移片と第１段ノズルとの間をシールするために、遷移片のスロットのシール面に係合する織布状又はニット状複合金属クロスが設けられる。シール面とは反対側の金属クロスの高圧側では、クロスの上に重なる堅いシムが、クロスに対する構造支持体となり、クロスは、シールに剛性を付加することなく、シール面に接して犠牲磨耗を生じる。このように、シムは金属クロスの高圧側に配置され、シムの縁部は、クロスの縁部上でシール面に向かう方向に曲げられて、クロスの縁部の上に重なる。シールのクロスの縁部のまわりでシムの縁部をシール面の方へ延ばすことによって、高圧領域と低圧領域との間の漏洩流が妨げられ、これにより、漏洩流を最少にし或いは排除する。さらに、高圧側に金属シムを設けることにより、高い圧力がシムに直接作用し、クロスをスロットのシール面にシール係合状態に維持し、増大した流れ抵抗を、フィルタ作用を有するクロス材料によって与えられる流れ抵抗に付加する。
【０００６】
本発明の別の好ましい実施の形態によれば、隣接する遷移片の間における漏洩流を最少にし或いは阻止するため、スプラインシールもまた形成される。遷移片の横方領域には、位置合わせされて対向するスロットが設けられる。各スプラインシールは、位置合わせされるスロット内に配置される細長いスプラインを有する。特に、スプラインは、織布状又はニット状の金属クロス材料を含み、該クロス材料は、それ自身の上に折り返され、堅い金属シムがスプラインの高圧側に沿って延びる。シムの横縁部は、金属クロスのそれぞれの横縁部の上に重なるように形成される。したがって、上述のシールと同様に、シムの上に重なる横縁部は、シムの両側の横縁部および金属クロスシール材料を通る漏洩流を妨げる。もちろん、スプラインシールはまた、遷移片と第１段ノズルとの間に延びる隣接するシール間をシールする。
【０００７】
本発明の別の好ましい実施の形態では、ガスタービンは、ガスタービンの第１部分と第２部分との間をシールするためのシール組立体を有する。シール組立体は、第１タービン部分のスロット内に受けられ、スロットの一部を形成する第１タービン部分の壁に係合して該壁との間にシールを形成する表面を有する耐高温度可撓性材料と、壁に係合する材料の表面とは反対側の材料の表面の上に重なり、スロットの底部に隣接するスロット内の材料の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを有するシムとを備え、該シムが、シール組立体のシムの側における高圧領域からシール組立体を経て低圧領域に至る流体の流れを排除し或いは最少にする。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施の形態では、ガスタービンは、遷移片と、燃焼器からの高温の燃焼ガスを受けるための第１段ノズルと、遷移片と第１段ノズルとの間に延びるシール組立体とを含む。シール組立体は、遷移片のスロット内に受けられ、スロットを形成する遷移片の壁に係合して該壁との間にシールを形成する表面を有する耐高温度可撓性材料と、該壁に係合する材料の表面とは反対側の材料の表面の上に重なり、スロットの底部に隣接するスロット内の材料の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを有するシムとを備え、該シムが、シール組立体のシムの側における高圧領域からシール組立体を経て低圧領域に至る流体の流れを排除し或いは最少にする。
【０００９】
本発明の更に別の好ましい実施の形態では、ガスタービンは、位置合わせされるスロットを備える対向する側壁を有し、燃焼器から高温の燃焼ガスを受け、高温の燃焼ガスを第１段タービンノズルに流入させるための一対の隣接する遷移片と、隣接する遷移片の間をシールするためのシール組立体とを含む。シール組立体は、隣接する遷移片のスロット内に受けられ、スロットを形成するの壁に係合して該壁との間にそれぞれのシールを形成する耐高温度可撓性材料と、該壁に係合する材料の側面とは反対側の材料の側面の上に重なり、スロットの底部に隣接するスロット内の材料の両側の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを有するシムとを備え、該シムが、シール組立体のシムの側における高圧領域から材料とスロットの壁との間のシールを経て低圧領域に至る流体の流れを排除し或いは最少にする。
【００１０】
本発明の更に別の好ましい実施の形態では、ガスタービンは、外向きに開口する第１スロットと対向するように位置合わせされた第２スロットとを有する少なくとも一対の隣接する遷移片と、燃焼器からの高温の燃焼ガスを受け入れるための第１段ノズルと、遷移片と第１段ノズルとの間に延びる第１シール組立体とを含む。第１シール組立体は、遷移片の第１スロット内に受けられ、第１スロットの壁に係合して該壁との間にシールを形成する表面を有する耐高温度可撓性の第１材料と、第１スロットの壁に係合する第１材料の表面とは反対側の第１材料の表面の上に重なり、第１スロットの底部に隣接する第１スロット内の第１材料の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを含むシムとを備え、該シムが、第１シール組立体のシムの側における高圧領域から第１シール組立体を経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にする。ガスタービンはまた、隣接する遷移片の間をシールするための第２シール組立体を含み、該第２シール組立体は、隣接する遷移片の第２スロット内に受けられ、第２スロットを形成する壁に係合して該壁との間にそれぞれのシールを形成する耐高温度可撓性の第２材料と、第２スロットの壁に係合する第２材料の表面とは反対側の第２材料の表面の上に重なり、第２スロットの底部に隣接する第２スロット内の第２材料の両側の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを有するシムとを備え、該シムが、第２シール組立体のシムの側における高圧領域から第２材料と第２スロットの壁との間の第２シール組立体を経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、一対の隣接する遷移片１０、１２と、第１段ノズル１４の一部を形成する環状界面とを示す。複数の遷移片が、ガスタービンの燃焼器と連通するように環状列に配置され、これにより高温の燃焼ガスが、燃焼器から遷移片を通って第１段ノズルに流入することが分かる。遷移片の出口端は、高温の燃焼ガスを第１段ノズルに流入させるための、ほぼ直線の通路となる。
【００１２】
遷移片は、一般的に、まわりを取り巻く一対のフランジ１６、１８を有し、これらのフランジの間には、スロット２０が形成される。図１に示すように、各遷移片、例えば遷移片１０、１２のスロット２０は、高温の燃焼ガスの流れとほぼ直交して遷移片の側壁のまわりに外向きに延びる。隣接する遷移片の対向するスロットは、互いに横方向に位置合わせされる。さらに、第１段ノズル１４の環状界面は、燃焼器の方へ、即ち高温ガス流に向かってほぼ軸方向に開口するほぼ環状のスロット２２を有する。シール組立体が、一般的に、遷移片と第１段ノズルとの間に設けられ、該シール組立体の相対向する両側の縁部は、それぞれのスロット２０、２２内に位置する。
【００１３】
図２は、本発明の好ましい実施の形態に従って構成され、遷移片１０と第１段ノズル１４のそれぞれのスロット２０、２２間に延びるシール組立体３０を示す。シール組立体３０は、第１段ノズル１４のスロット２２内に受けられるための縁部３３を形成するように一端が曲げられた、ほぼ弧状に延びるブラケット３２を有する。ブラケット３２の反対側の縁部３４は、遷移片を通るガス流に対してほぼ直交する方向に延び、金属クロス３６の外縁部の上に重なり、該外縁部に固定される。クロス３６は、好ましくは、織布状又はニット状の金属布である。保持ストリップ３８が、ブラケットの縁部３４とは反対側で金属クロス３６に沿って設けられ、クロス３６の外縁部は、ブラケットの縁部３４と保持ストリップ３８との間に挟まれ、例えば溶接等によって、ブラケットの縁部３４及び保持ストリップ３８に固定される。金属クロス３６は、ブラケット３２から遷移片１０のスロット２０内に垂下する。金属クロス３６は単一の層から構成することができるが、一対の層を、一方が他方の上に折り重ねた構成とすることが好ましく、折り畳み線がスロット２０内のクロスの縁部に沿うようになっている。クロスは、金属、セラミック又はポリマー繊維のような耐高温度材料から構成することができ、この材料は、織成、編成、又は加圧成形により布の層に形成される。２層のクロスが設けられる場合には、多数のクロス層は、特定のシール用途に応じて、異なる材料、異なる層構造を含むことができ、異なる厚さを有することができる。好ましくは、Ｌ−６０５又はＨａｎｅｓ−２５のような、高温コバルト基超合金で形成されたオランダ綾織り編み込みクロス集成体を利用することができる。
【００１４】
クロスシールの高圧領域すなわち高圧側４０には、シート材料の形態の堅い耐高温度シム４２が設けられる。シムは、高圧側における金属クロス３６の表面に沿って、遷移片のスロット２０内に延びる。図２及び図３に示すように、シム４２の下縁部４４は、金属シール３６の下縁部４５上に延ばされ或いは曲げられ、クロス３６が係合するスロット２０のシール面、即ちフランジ１８の面まで延ばされ、クロスによって与えられる流れ抵抗に加えて、大きな流れ抵抗を与える。スロット内において金属クロス３６の下縁部の上に重なるようにシムを形成することによって、クロス３６の下縁部のまわりの高圧領域４０からシール組立体の反対側の低圧領域への流れが妨げられ、即ち排除され、或いは最少にされる。さらに、この形態のシムを用いることによって、フィルタ作用を持つクロス材料によって与えられる抵抗の上に、付加された流れ抵抗が与えられる。
【００１５】
シム４２は、好ましくは、少なくとも１つの層から構成されるが、同一のシムを２層に重ね、可撓性を加えるため接合シームを互い違いに配置した構成にすることもできる。例えば、シムの層は、インコネル−７５０又はＨＳ−１８８のような高温コバルト基超合金を含むことができる。シムの層は、特定のシール用途に応じて、異なる材料を含むことができ、及び／又は、異なる厚さを有することができる。
【００１６】
遷移片と第１段ノズルとの間の相対運動を許容するため、環状列の遷移片のまわりに複数のシール組立体３０が設けられる。隣接するシール組立体は、互いに並設関係に当接させることができる。遷移片の両側の横縁部の間をシールすると共に、シール組立体３０の当接面の上に重なるようにするために、スプラインシールが使用される。
【００１７】
図４に示すスプラインシール５０は、一般的に、折り返された金属クロス５６により形成される、図５に示すような細長い部材５２と、図６に示すような細長いシム５８とを含む。細長いスプラインシールの金属クロスとシムは、遷移片と第１段ノズルとの間をシールするシール組立体３０の対応する部分と同じ材料で形成される。図５及び図６に示すように、各シム５８の横縁部６０は、金属クロス５６の横縁部の上に重なり、クロス５６の露出面が係合するスロットのシール面まで延びる。スプラインシールが、隣接する遷移片１０、１２の対向する位置合わせされたスロット２０内に配置され、クロス５６の露出面が、シムと反対側の側面のスロットのシール面に係合することにより、各々のシム５８の上に重なる横縁部６０は、高圧領域から各シムの長縁部を経てフィルタ作用を持つクロス材料内に至り、それを通過する漏洩流を妨げることが分かるであろう。
【００１８】
図７に最終的な組立状態で示すように、各スプラインシール５０は、隣接するシール組立体３０間の接合部に沿って延びる。隣接する各シール組立体３０のストリップ３８は、最終的な組立状態においてスプラインシール５０を受け入れることができるようにするために、シール組立体３０の横縁部より手前までとされる。スプラインシール５０の曲がりタブ６４は、第１段ノズルの界面に固定される。
【００１９】
本発明に関する或る好ましい特徴のみを図示し説明してきたが、当業者であれば、多くの修正及び変更を想起するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の技術思想内にある、全てのこのような修正及び変更を含むことを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一対の隣接する遷移片および第１段ノズルの部分断面斜視図。
【図２】 本発明の好ましい実施形態による遷移片と第１ノズルとの間に設けられるシール組立体の部分側面図。
【図３】 図２に示すシール組立体の縁部の部分拡大図。
【図４】 遷移片と第１段ノズルとの間、並びに、隣接する遷移片間のシール組立体を示す、構成部品を互いに最終的な位置から移動させた部分斜視図。
【図５】 本発明によって構成されたスプラインシールの斜視図。
【図６】 隣接する遷移片の溝に配置された、図４のスプラインシールの拡大断面図。
【図７】 シールの最終組立体を示す、図４と同様な部分斜視図。
【符号の説明】
１０ 遷移片
１４ 第１段ノズル
２０ 遷移片のスロット
２２ 第１段ノズルのスロット
３０ シール組立体
３２ ブラケット
３６ 耐高温度可撓性材料
３８ 補強用ストリップ
４０ 高圧領域
４２ 耐高温度シム
４４ 下縁部

Claims (10)

1. 第１タービン部分（１０）と第２タービン部分（１２）とを有し、前記第１タービン部分がスロット（２０）を含んでいるガスタービンにおいて、前記第１タービン部分と前記第２タービン部分との間をシールするためのシール組立体（３０）であって、
   前記第１タービン部分の前記スロット内に受けられ、該スロットの一部を形成する前記第１タービン部分の壁に係合して該壁との間にシールを形成する表面を有する耐高温度可撓性材料（３６、５６）と、
   前記壁に係合する前記材料の前記表面とは反対側の前記材料の表面の上に重なり、前記スロットの底部に隣接する前記スロット内の前記材料の縁部（４５）の上に重なる非孔質の堅いシートを含むシム（４２、５８）と、を備え、
   該シムが、前記シール組立体の前記シムの側における高圧領域から前記シールを経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にする、
   ことを特徴とするシール組立体。
2. 前記第１タービン部分が前記スロットを有する遷移片を含み、前記第２タービン部分がスロット（２２）を有する第１段ノズルを含み、前記シール組立体が、一方の縁部（３４）において前記材料に固定され、反対側の縁部（３３）が前記第１段ノズルの前記スロット（２２）内に受けられたブラケット（３２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシール組立体。
3. 前記シムのシートと、前記材料と、前記スロットの壁とが、互いにほぼ平行な平面内に位置することを特徴とする、請求項１に記載のシール組立体。
4. 遷移片（１０）と、燃焼器からの高温の燃焼ガスを受けるための第１段ノズル（１４）とを有し、前記遷移片がスロット（２０）を含んでいるガスタービンにおいて、前記遷移片と前記第１段ノズルとの間に延びるシール組立体（３０）であって、
   前記遷移片の前記スロット内に受けられ、該スロットを形成する前記遷移片の壁に係合して該壁との間にシールを形成する表面を有する耐高温度可撓性材料（３６）と、
   前記壁に係合する前記材料の前記表面とは反対側の前記材料の表面の上に重なり、前記スロットの底部に隣接する前記スロット内の前記材料の縁部（４５）の上に重なる非孔質の堅いシートを含むシム（４２）と、を備え、
   該シムが、前記シール組立体の前記シムの側における高圧領域から前記シールを経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にする、
   ことを特徴とするシール組立体。
5. 前記材料が金属クロスを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項４に記載のシール組立体。
6. 前記第１段ノズルがスロット（２２）を含み、前記シール組立体が、一方の縁部（３４）に沿って前記材料に固定され、反対側の縁部（３３）が前記第１段ノズルの前記スロット（２２）内に受けられたブラケット（３２）を含むことを特徴とする、請求項４に記載のシール組立体。
7. 燃焼器からの高温の燃焼ガスを受け、該高温の燃焼ガスを第１段ノズル（１４）内に流入させるための一対の隣接する遷移片（１０、１２）を有し、該隣接する遷移片が位置合わせされるスロット（２０）と前記隣接する遷移片の間をシールするためのスプラインシール（５０）とを備える対向する側壁を含んでいるガスタービンにおいて、
   前記隣接する遷移片の前記スロット内に受けられ、前記スロットを形成する壁に係合して該壁との間にそれぞれのシールを形成する耐高温度可撓性材料（５６）と、
   前記材料の前記壁に係合する側面とは反対側の前記材料の側面の上に重なり、前記スロットの底部に隣接する前記スロット内の前記材料の両側の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを有するシム（５８）と、を備え、
   該シムが、前記スプラインシールの前記シムの側における高圧領域から前記材料と前記スロットの壁との間の前記シールを経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にする、
   ことを特徴とするガスタービン。
8. 外向きに開口する第１スロット（２０）と位置合わせされた対向する第２スロット（２０）とを有する少なくとも一対の隣接する遷移片（１０、１２）と、燃焼器からの高温の燃焼ガスを受けるための第１段ノズル（１４）とを含むガスタービンにおいて、
   前記遷移片と前記第１段ノズルとの間に延びる第１シール組立体（３０）が、
   前記遷移片の前記第１スロット内に受けられ、該第１スロットの壁に係合して該壁との間にシールを形成する表面を有する耐高温度可撓性の第１材料と、
   前記第１スロットの前記壁に係合する前記第１材料の表面とは反対側の前記第１材料の表面の上に重なり、前記第１スロットの底部に隣接する前記第１スロット内の前記第１材料の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを含むシムと、を備え、
   前記第１シール組立体のシムの側における高圧領域から第１シール組立体を経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にし、
   前記隣接する遷移片の間をシールするための第２シール組立体（５０）が、
   前記隣接する遷移片の前記第２スロット内に受けられ、該第２スロットを形成する壁に係合して該壁との間にそれぞれシールを形成する耐高温度可撓性の第２材料と、
   前記第２スロットの前記壁に係合する前記第２材料の表面とは反対側の前記第２材料の表面の上に重なり、前記第２スロットの底部に隣接する前記第２スロット内の前記第２材料の両側の縁部の上に重なる非孔質の堅いシートを含むシムと、を備え、
   前記第２シール組立体のシムの側における高圧領域から前記第２材料と前記第２スロットの壁との間の第２シール組立体を経て低圧領域内に至る流体の流れを排除し或いは最少にする、
   ことを特徴とするガスタービン。
9. 前記第１及び第２材料の各々が金属クロスを含むことを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載のガスタービン。
10. 前記第１シール組立体の各々が、一方の縁部（３４）に沿って前記第１材料に固定され、反対側の縁部（３３）が前記第１段ノズルの前記スロット内に受けられるブラケットを含むことを特徴とする、請求項８に記載のガスタービン。

Images