JP4130579B2 - ガスタービンにおける弦ヒンジシールのための補助シール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンノズルセグメントとタービンノズル支持リングとの間の弦ヒンジシールを補助するための、ガスタービンにおけるシールに関し、具体的には、弦ヒンジシールを通過する漏れ損失を実質的に最少化又は排除するための補助シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおいては、高温の燃焼ガスが、燃焼器から第１段ノズル及びバケットを通り、そして後続のタービン段のノズル及びバケットを通って流れる。第１段ノズルは、一般的にその各々がセグメント毎に１つ又はそれ以上のノズルステータ羽根を含む鋳造ノズルセグメントの環状配列又は組立体を含む。各第１段ノズルセグメントはまた、互いに半径方向に間隔をおいて配置された内バンド部分及び外バンド部分を含む。ノズルセグメントの組立に際して、ステータ羽根は、互いに円周方向に間隔をおいて配置されて、環状の内バンドと外バンドとの間でステータ羽根の環状配列を形成する。第１段ノズルの外バンドに結合されたノズル保持リングは、タービンのガス流路内で第１段ノズルを支持する。好ましくは水平中心線において分割された環状のノズル支持リングには、内バンドが係合し、該ノズル支持リングは軸方向運動に抗して第１段ノズルを支持する。
【０００３】
例示的な構成においては、セグメント毎に２つのステータ羽根を備える１８個の鋳造セグメントが設けられている。セグメントの環状配列は、隣り合う円周方向端縁に沿って、側面シールにより互いにシールされる。側面シールは、内バンドの半径方向内側の高圧領域、すなわち高圧圧縮機の吐出空気と、これよりも低圧のガス流路内の高温燃焼ガスとの間をシールする。
【０００４】
弦ヒンジシールは、第１段ノズルの内バンドとノズル支持リングの軸方向に向いた面との間をシールするために使用される。各弦ヒンジシールは、各ノズルセグメントの内バンド部分の弦方向線に沿って直線的に延びる軸方向突出部を含む。具体的には、弦ヒンジシールは各セグメントの内側レールに沿って延び、この内側レールは内バンド部分から半径方向内向きに延びる。弦ヒンジシールの突出部は、ノズル支持リングの軸方向に対向して面するシール面とシール係合している。
【０００５】
第１段ノズルの作動及び／又は修理時に、歪みにより弦ヒンジシールとノズル支持リングのシール面との間にギャップが生じる場合があることが判明した。これらのギャップは、環状の内バンドの半径方向内側の高圧領域から高温ガス流路内へ、弦ヒンジシールを通過する漏れ流を発生させる。言い換えると、弦ヒンジシールの突出部がノズル支持リングのシール面との接触を失うので、弦ヒンジシールは漏れ流を防ぐのに不十分である。
【特許文献１】
米国特許第６１６２０１４号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、弦ヒンジシールを通過する漏れ流を最少化又は排除するために、第１段ノズルとノズル支持リングとの境界面における補助シールに対する必要性が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によれば、弦ヒンジシールを通過する漏れを排除又は最少化し、かつそのまま容易に取り付けられる、第１段ノズルとノズル支持リングとの間の補助シールが提供される。好ましい実施形態においては、補助シールは、ウーブンメタルクロス内に包まれかつ各ノズルセグメントの内側レールに取り付けられた少なくとも１枚の金属薄板プレート又はシム、好ましくは２枚の背中合わせにされた金属薄板プレート又はシムを含む。この補助シールは、内側レールの半径方向内側に向いた面内に形成された溝から、弦ヒンジシールの半径方向内側の位置においてノズル支持リングの第１の面に対して係合する末端縁部まで延びる。この末端縁部には予荷重が加えられ、この末端縁部は、タービンの高圧領域内の高圧圧縮機吐出空気と共に、ノズル支持リングの環状面に対してクロスシールを押し付ける。
【０００８】
具体的には、クロスシール及びシムの近位端縁部は支持ブラケットと共に、内側レールの半径方向内側に向いた面に沿って形成された溝内に固定される。各シールセグメントは、タービン軸線に対して弦方向に直線的に延び、かつ各内側レールの円周方向長さに対応する長さを持つように形成される。
【０００９】
各シールの中央本体部分は、内側レールの半径方向内側に向いた面沿いにノズル支持リングに向かってほぼ軸方向に突出する。末端縁部は、ほぼ半径方向内向き方向に湾曲され、ノズル支持リングのシール面にシール係合する可撓性の末端脚部又は末端縁部を形成する。各シールの末端縁部の脚部内のシムは、該シムの末端縁からスリットを入れられて複数のフィンガを形成する。１つのシム脚部のフィンガは、他のシム脚部のフィンガ間のスリットに覆い重なる。つまり、シムのスリットは、各シム脚部のスリットが対向するシム脚部のフィンガにより効果的にシールされるように、互いに弦方向に千鳥状に配置される。これらのスリットは、補助シール脚部のシール面に可撓性を与える。
【００１０】
本発明による好ましい実施形態においては、ほぼ軸方向に向いた第１の面を有するタービンノズル支持リングと、少なくとも１つのステータ羽根と、第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する半径方向内向きに延びる内側レールとを有するタービンノズルセグメントと、内側レールの半径方向内側に向いた面から延び、第１の面に対してシール係合して該第１の面との間でシールを形成するシールとを含み、該シールが、少なくとも第１のプレートと、ウーブンメタルクロスの被覆層と、該クロスによって覆われかつ第１の面にシール係合する末端縁部とを有するシールセグメントを含み、内側レールとシールセグメントの１側の少なくとも一部分とに沿って延びて、内側レールによりシールセグメントを支持するブラケットが設けられ、シールセグメントの縁部が、可撓性を有しかつ第１の面をシールするように予荷重が加えられていることを特徴とするタービンが、提供される。
【００１１】
本発明による別の好ましい実施形態においては、ほぼ軸方向に向いた第１の面を有するタービンノズル支持リングと、各々が少なくとも１つのステータ羽根と、第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する半径方向内向きに延びる内側レールとを有する複数のタービンノズルセグメントと、各々が内側レールの半径方向内側に向いた面から延び、第１の面に対してシール係合して該第１の面との間でシールを形成する複数のシールセグメントで構成されたシールとを含み、各シールセグメントが、第１のプレートと、ウーブンメタルクロスの被覆層と、該クロスによって覆われかつ第１の面に係合する末端縁部とを含み、内側レールとシールセグメントの１側とに沿って延びて、内側レールによりシールセグメントを支持する複数のブラケットが設けられ、シールセグメントの縁部が、可撓性を有しかつ第１の面をシールするように予荷重が加えられていることを特徴とするタービンが、提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に図１を参照すると、ここには全体を符号１０で表したガスタービンのタービンセクションの代表的な例が示されている。タービン１０は、図示しないが環状配列の燃焼器からの高温燃焼ガスを、該高温ガスを環状の高温ガス通路１４に沿って流すための移行部材１２を通して受ける。タービン段は高温ガス通路１４に沿って配置されている。各段は、タービンロータ上に取り付けられ該タービンロータの一部を形成する複数の円周方向に間隔をおいて配置されたバケットと、ノズルの環状配列を形成する複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根とを含む。例えば、第１段は、第１段ロータホイール１８上に取り付けられた複数の円周方向に間隔をおいて配置されたバケット１６と、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根２０とを含む。同様に、第２段は、ロータホイール２４上に取り付けられた複数のバケット２２と、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根２６とを含む。更に追加の段を設けることが可能であって、例えば、第３段ロータホイール３０上に取り付けられた複数の円周方向に間隔をおいて配置されたバケット２８と、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根３２とを含む第３段を設けることができる。ステータ羽根２０、２６、３２は、タービンケーシング上に取り付けられかつそれに固定され、他方、バケット１６、２２、２８とホイール１８、２４、３０とは、タービンロータの一部を形成することが分かるであろう。ロータホイール間にはスペーサ３４、３６が設けられ、これらもまたタービンロータの一部を形成する。圧縮機吐出空気は、第１段の半径方向内側に位置する領域３７内に在って、領域３７内に在るこの空気は、高温ガス通路１４に沿って流れる高温ガスの圧力よりも高圧であることが分かるであろう。
【００１３】
タービンの第１段を参照すると、第１段ノズルを形成するステータ羽根２０は、それぞれタービンケーシングにより支持された内バンド３８と外バンド４０との間に配置される。上に述べたように、第１段ノズルは、複数のノズルセグメント４１で形成され（図３）、各ノズルセグメントには、内バンド部分と外バンド部分との間を延び、かつセグメントの環状配列内に配置された１つ、好ましくは２つのステータ羽根が取り付けられる。タービンケーシングに接合されるノズル保持リング４２は、外バンドに結合されて、第１段ノズルを固定する。第１段ノズルの内バンド３８の半径方向内側に在るノズル支持リング４４は、内バンド３８と係合する。具体的には、内バンド３８とノズル支持リング４４との境界面は、内側レール５２（図２）を含む。内側レール５２は、弦状になった直線的に延びる軸方向突出部４８を含み、これらは以下の記述においては全体的かつ集合的に弦ヒンジシール４６と呼ぶ。突出部４８は、各ノズルセグメント、特に内バンド３８の一体部分を形成する内側レール５２の軸方向に向いた面５０に沿って延びる。突出部４８は、ノズル支持リング４４の第１の環状面５４と係合する。高圧圧縮機の吐出空気は、領域３７内に在り、高温ガス通路１４内を流れるより低圧の高温ガスは、シール４８の反対側に在ることが分かるであろう。従って弦ヒンジシール４６は、高圧領域３７から高温ガス通路１４の低圧領域内への漏れをシールすることを目的とする。
【００１４】
しかしながら前述したように、タービンの作動時に、ノズル構成部材とノズル支持リングとは、突出部４８とノズル支持リング４４の環状面５４との間に漏れギャップを形成し、それによって高圧領域から低圧領域へ漏れ流が生じがちになる。高温ガス通路１４内への漏れ流を最少化又は防止するために、本発明の好ましい実施形態においては、第１段ノズルとノズル支持リング４４との間をシールするための補助シールが設けられる。全体を符号７０で表した補助シール(図５)は、シールセグメント７３として形成される。各シールセグメント７３は、好ましくはウーブンメタルクロスで包まれかつ第１段ノズルセグメントに固定された背中合わせの金属薄板シムによって形成された弦状に直線的に延びるクロスシールを含む。具体的には、補助シール７０は、ウーブンメタルクロス７６によって両側面を覆われた１枚の、好ましくは一対の金属薄板プレート又はシム７２、７４を含む。シール７０はまた、ブラケット８０を含み、該ブラケット８０は、シールの近位端縁部７７の１側に沿って弦状にかつ直線的に延びて、シールに対する剛性支持体を提供する。縁部７７のメタルクロス及びシムは、ブラケット８０とメタルクロス７６との接合面に沿って、例えば熔接によりブラケット８０に対して一体的に固定される。
【００１５】
ノズルセグメント、特に内側レール５２により補助シール７０を支持するために、各シールセグメント７３は、図６に示されるように、近位端縁部７７と中央本体部分８２と末端縁部８４とを備えるような形状にされる。更に図8に示されるように、溝８６が、内側レール５２内に形成され、該内側レールの半径方向内側面８８を貫通して開口して、弦方向に直線的に延びている。溝８６はまた、ブラケット８０上に形成されたフランジ９２を受ける片寄り凹部９０を有する。各クロスシール７０の近位端縁部７７をブラケット８０に熔接した状態で、ブラケット及びシールは、弦方向へ直線的に移動させて溝８６内に受けることができる。シールを内側レール５２に固定するために適当な熔接を施すことができる。
【００１６】
図５に示すように、各シールセグメント７３の中央本体部分８２は、近位端縁部７７から曲げられ又は折り返されて、ノズル支持リング４４に向かってほぼ軸方向に延び、内側レール５２の半径方向内側面８８の直ぐ下に位置するようにされる。次いで、シールセグメント７３は、ほぼ半径方向内向きに湾曲して末端縁部８４を形成される。縁部８４は、ノズル支持リング４４のシール面５４に対して係合し押し付けられて該シール面５４をシールする。末端縁部８４のウーブンメタルクロスは、シール面５４に対して押し付けられる。シム又はプレート７２、７４は、縁部８４が面５４に対してシール係合状態を維持するように予荷重が加えられていることが理解されるであろう。また、使用中は、タービンの高圧領域３７が可撓性縁部８４を面５４に係合するように付勢する。
【００１７】
図７に最も良く示されているように、末端縁部８４を形成するシム７２、７４の部分は、シール７０に沿って横方向に間隔をおいた位置においてスリットが入れられて、それぞれフィンガ９３、９４を形成する。例えば、シム７２には、該シムに沿って弦方向に間隔をおいた位置に符号９６で示すスリットが入れられて、個別のフィンガ９８が形成される。同様に、シム７４には、該シムに沿って弦方向に間隔をおいた位置に符号１００で示すスリットが入れられて、別個のフィンガ１０４が形成される。これらのスリット９６、１００は、スリット１００によって形成されたフィンガ１０４がシム７２のフィンガ９８間のスリット９６に覆い重なるように、互いに弦方向に千鳥状に配置される。従ってフィンガ９８及び１０４は、シールセグメント７３の末端縁部８４の全長に沿って交互に配列される。これらのフィンガは、末端縁部に可撓性を与え、それによってシール面５４との間の効果的なシールを可能にする。また、スリットにフィンガを重ねることは、スリット間の流れを阻止するシール作用をもたらす。
【００１８】
図１０には、例えばシム７２のようなシムを覆っている好ましいメタルクロスの一部分が示されている。好ましくはＬ６０５又はＨａｙｎｅｓ１８８材料で比較的密に織られたオランダ綾織の形態のクロス被覆層は、効果的なシールと耐磨耗面とを形成する。
【００１９】
補助シールセグメントは、ノズルセグメントの数と等しい数で形成されるのが好ましい。その結果、補助シールセグメントは、ノズルのセグメント間の接合部に覆い重なり、かつ互いに端部と端部とを当接させ、それによって弦ヒンジシールを通り抜ける漏れと同時にノズルのセグメント間の漏れを減少させる。図９に示すように、シールセグメント７３の端部を、互いに重ね合わせ、ノズルセグメント間のギャップ付近のシール機能を高めることができる。
【００２０】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンの一部分の概略破断側面図。
【図２】 従来の弦シールヒンジを示す拡大破断断面図。
【図３】 ノズルセグメントの内側レールに沿った従来の弦ヒンジシールの一部分を示す破断斜視図。
【図４】 ガスタービンのノズル支持リングとシール係合した従来の弦ヒンジシールを一部断面で示す破断斜視図。
【図５】 弦ヒンジシールと関係付けて取り付けられた補助シールの破断側面図。
【図６】 本発明の好ましい実施形態による補助シールを示す拡大斜視図。
【図７】 シムのフィンガを示すために一部を切り欠いたシールの破断斜視図。
【図８】 補助シールを受けるための内側レール内の溝を示す、図３と同様な図。
【図９】 隣接する補助シールの端部に重ね合わせた補助シールの斜視図。
【図１０】 本発明の補助シールのためのメタルクロス織りの斜視図。
【符号の説明】
３７ 高圧領域
３８ 内バンド
４４ ノズル支持リング
４６ 弦ヒンジシール
４８ 軸方向突出部
５０ 内側レールの第２のシール面
５２ 内側レール
５４ ノズル支持リングの第１のシール面

Claims (8)

1. ほぼ軸方向に向いた第１の面（５４）を有するタービンノズル支持リング（４４）と、
   少なくとも１つのステータ羽根（２０）と、前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する半径方向内向きに延びる内側レール（５２）とを有するタービンノズルセグメント（４１）と、
   前記内側レールの半径方向内側に向いた面（８８）から延び、前記第１の面に対してシール係合して該第１の面との間でシールを形成するシール（７０）と、を含み、
   該シールが、少なくとも第１のプレート（７２）と、ウーブンメタルクロス（７６）の被覆層と、該クロスによって覆われかつ前記第１の面にシール係合する末端縁部（８４）とを有するシールセグメント（７３）を含み、
   前記内側レールと前記シールセグメントの１側の少なくとも一部分とに沿って延びて、前記内側レールにより前記シールセグメントを支持するブラケット（８０）が設けられ、前記シールセグメントの前記縁部（８４）が、可撓性を有しかつ前記第１の面をシールするように予荷重が加えられている、
   ことを特徴とするタービン（１０）。
2. ほぼ軸方向に向いた第１の面（５４）を有するタービンノズル支持リング（４４）と、
   各々が少なくとも１つのステータ羽根（２０）と、前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する半径方向内向きに延びる内側レール（５２）とを有する複数のタービンノズルセグメント（４１）と、
   各々が前記内側レール（５２）の半径方向内側に向いた面（８８）から延び、前記第１の面に対してシール係合して該第１の面との間でシールを形成する複数のシールセグメント（７３）で構成されたシール（７０）と、
   を含み、
   前記各シールセグメントが、第１のプレート（７２）と、ウーブンメタルクロス（７６）の被覆層と、該クロスによって覆われかつ前記第１の面に係合する末端縁部（８４）とを含み、
   前記内側レールと前記シールセグメントの１側とに沿って延びて、前記内側レールにより前記シールセグメントを支持する複数のブラケット（８０）が設けられ、前記シールセグメントの前記縁部が、可撓性を有しかつ前記第１の面をシールするように予荷重が加えられている、
   ことを特徴とするタービン（１０）。
3. 前記シールセグメントが第２のプレート（７４）を含み、前記第１及び第２のプレートが互いに背中合わせに置かれ、前記クロスが前記第１及び第２のプレートの反対側側面に沿った被覆層として延びていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のタービン。
4. 前記シールが、前記内側レールに沿って弦方向に直線的に延び、前記各プレートが、該プレートの端縁から前記縁部に沿って延びて、前記シールに可撓性を与えるスリット（９６、１００）を有することを特徴とする、請求項３に記載のタービン。
5. 前記内側レール（５２）が、該内側レールから軸方向に延び、前記第１の面に対してシール係合して該第１の面との間で第２のシールを形成する突出部（４８）を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のタービン。
6. 前記内側レール（５２）が、弦方向に延びかつ該内側レールの内側に向いた面を貫通して開口する溝（８６）を有し、前記ブラケット及び前記１側のシール部分が前記溝内に位置することを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
7. 前記各シールセグメントの各々が、弦方向に延びかつ各内側レールの弦方向長さに対応する弦方向長さを有することを特徴とする、請求項２に記載のタービン。
8. 前記各シールセグメントが、第２のプレート（７４）を含み、前記各シールセグメントのシール本体の前記第１及び第２のプレートが、互いに背中合わせに置かれ、前記クロスが、前記第１及び第２のプレートの反対側側面に沿った被覆層として延びており、前記各プレートが、該プレートの端縁から前記縁部に沿って延びて、前記シールに可撓性を与えるスリット（９６、１００）を有することを特徴とする、請求項２に記載のタービン。

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