JP4139212B2

JP4139212B2 - ガスタービンノズルとシュラウドとの境界面のための複合管状ウーブンシール

Info

Publication number: JP4139212B2
Application number: JP2002379700A
Authority: JP
Inventors: マフマト・ファルク・アクシット; アフマド・サフィ; アブドゥル−アジーズ・モハメッド−ファキーア; スリカント・ベーダーンタム; ニン・ファング; ゲイル・ホッブス・ゲッツェ; ブライアン・ピーター・アーネス; ジョン・エリントン・グリーン; ウェイ−ミン・チー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: EP1323957B1; US6609886B2; KR20030057409A; JP2003227356A; DE60215109T2; DE60215109D1; EP1323957A2; KR100818821B1; EP1323957A3; US20030123978A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンにおけるシールに関し、具体的には、ガスタービンノズルとシュラウドとの境界面に適用するためのコンプライアントシールに関する。
【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】
タービンの各段はまた、高温ガス通路の一部を構成する環状の内表面を形成する環状配列に配置された複数のシュラウドセグメントを含む。シュラウドの内表面は、タービンロータのバケットの先端から間隔をおいて配置される。ノズルは、シュラウド及びバケットと共にタービン段を形成することが分かるであろう。
【０００４】
ノズル及びシュラウドの作動中及び修理中での歪みは、それらのタービン構成部品間にギャップを残す場合がある。その結果、高温ガス通路を通って流れる高温ガスが、そのギャップを介して漏出又は散逸する可能性がある。その結果として、タービンの効率が低下する。作動中又は修理中にタービンに生じるそのようなギャップをシールするために、ノズル保持リングとシュラウドとの間にＷ形シールが設けられてきた。しかしながら、このＷ形シールは有効でないことが実証された。例えば、Ｗ形シールはタービン組立中に、すなわち取り付け時におけるノズルリング及びシュラウド間の半径方向の相対運動により、挟み込まれるおそれがある。又、Ｗ形シールは、低サイクル疲労の結果として、作動中に割れを生じることが観察された。
【特許文献１】
米国特許第６０３９３２５号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ノズルリングとシュラウドの歪みを許容し、漏れを排除し、かつそのシール位置におけるシールの堅牢さを改善するように、タービン段のノズルリングとシュラウドとの間を効率的にシールする必要性がある。
【０００６】
【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おいては、取り付け中におけるノズルリングとシュラウドとの相対運動及び作動中における歪みにも拘らず、タービン段のノズル保持リングとシュラウドの環状配列との間に配置され、シール機能を有効に果たすための複合管状ウーブンシールが提供される。環状の空洞が、ノズル保持リング及びシュラウドの軸方向に整合した面の１つ、好ましくはシュラウドに形成され、この空洞がシールの着座部を形成する。複合管状ウーブンシールは、空洞内に配置されて、ノズル保持リングの環状シール面に対して押し付けられる。従って、ノズル保持リング及びシュラウドが取り付けられた時、複合管状ウーブンシールは、それぞれのノズル保持リング及びシュラウドの軸方向に対向するシール面の間で弾性的かつ順応的に（コンプライアントに）平坦化されて、これら両面間をシールする。すなわち、管状ウーブンシールの直径は空洞の深さより大きく、それによってコンプライアントシールは空洞内において空洞底面と、対向するシール面との間で平坦化される。従って、歪みが生じた場合又はノズル保持リングとシュラウドとの間のギャップが開いた場合には、コンプライアントシールが拡張して有効なシールをもたらすことになる。
【０００７】
複合管状ウーブン補助シールは、該シールを形成する複数の層により順応性（コンプライアンス性）を有する。これらの層は、内部ウーブンメタルコアとファイバ材料と金属箔と金属外被とを含む。内部メタルコアは、シリカファイバで取り巻かれたウーブンステンレス鋼で形成されるのが好ましい。次にファイバは、ステンレス鋼の金属箔で取り巻かれ、外被はブレーデッドメタル、例えばＨａｙｎｅｓ１８８で形成される。複合管状ウーブン補助シールの性質の故に、特にメタルコア及びこれを取り巻くシリカファイバの弾性の結果として、このシールはコンプライアンス性を有する。更に、ファイバを取り巻く金属箔層は、補助シールとノズル支持リングのシール面との間の漏れを防止し、一方、ブレーデッド外被は、耐磨耗保護面として働く。内部メタルコア及びシリカファイバは、補助シールの断面をほぼ円形の形状に保持するから、該シールは、圧縮された時に予荷重が加わり又は付勢力が生じ、その円形の断面形状へ戻ろうとする。
【０００８】
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の面を有し、かつタービン段の一部を形成するタービンノズル保持リングと、第１の面と軸方向に対向する第２の面を有し、かつタービン段の一部を形成するタービンシュラウドセグメントと、保持リング及びシュラウドセグメントの１つに形成され、ほぼ軸方向にかつ保持リング及びシュラウドセグメントの別の１つに向かって開口した空洞と、該空洞内に設けられたコンプライアントシールとを含み、該コンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層で形成され、第１及び第２の面のうちの空洞に対向する面に対して順応的に係合して該面をシールするシール本体を含むことを特徴とするタービンが、提供される。
【０００９】
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の環状面を有し、かつタービン段の一部を形成するタービンノズル保持リングと、その環状配列と、第１の面と軸方向に対向する第２の環状面とを形成する複数のタービンシュラウドセグメントと、第１及び第２の面の１つに形成され、ほぼ軸方向にかつ第１及び第２の面の別の１つに向かって開口した環状の空洞と、該空洞内に設けられたコンプライアントシールとを含み、該コンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層で形成され、第１及び第２の面のうちの空洞に対向する別の１つの面に対して順応的に係合して該面をシールするシール本体を含むことを特徴とするガスタービンが、提供される。
【００１０】
【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。それぞれバケット１６、２２、２８の半径方向外側にはシュラウドセグメント３５、３７、３９の環状配列が設けられ、バケットの周りに環状のシュラウドを形成し、タービンを通る流路の一部を形成する。
【００１１】
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、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。
【００１２】
前述したように、ノズルリング及びシュラウドセグメントは、不適正な取り付け及び／又は修理の結果、漏れギャップ又は漏れ通路を形成することがある。漏れ流を抑制又は防止するために、ノズルリングとシュラウドセグメントとの間、例えばノズル保持リング４２とシュラウドセグメント３５との間をシールするためにコンプライアント管状ウーブンシールが設けられる。図２を参照すると、全体を符号７０で表したシールは、それぞれノズルリング及びシュラウドセグメントの軸方向に対向する面７６、７８の１つに形成された空洞７４内に配置されたコンプライアントシール本体７２を含む。図示するように、空洞７４はシュラウドセグメントに形成されるのが好ましい。空洞は弓形であって、ノズルリングとシュラウドセグメントとの間をシールするために、全３６０°にわたって延びていることが分かるであろう。
【００１３】
シール本体７２は、圧縮されていない状態では、図３に示すように円形断面を有する中実のリングを構成するのが好ましい。シール本体は、複数の材料層で形成される。最内側の層７９は、ステンレス鋼材料で形成されたウーブンメタルコア７９を含むのが好ましい。このメタルコア７９を、ファイバ、好ましくはシリカファイバ８０の環状層が取り巻く。このシリカファイバ８０を、好ましくはステンレス鋼で形成された金属箔８２が取り巻く。最後に、シール本体７２のための外被８４は、ブレーデッドメタル材料、好ましくはＨａｙｎｅｓ１８８のようなブレーデッド鋼材料を含む。この複合管状ウーブンシール７０は、横方向のコンプライアンス性を有する。すなわち、リングの軸線に対応する方向に圧縮された時、その円形の断面形状に戻ろうとする、付勢力が生じ又は予荷重が加えられた状態になる。
【００１４】
図２に示すように、空洞７４は、シール本体７２の直径よりも僅かに大きい半径方向の幅を有する。しかしながら、空洞の深さは、シール本体の直径よりも浅いか又は小さい。その結果、シール本体７２を空洞７４内に取り付けてノズル保持リング４２とシュラウドセグメント３５とを合わせた時、複合管状ウーブンシールは、空洞７４の底面とノズル保持リング４２の面７６との間で順応的に（コンプライアントに）押しつぶされる。その結果、ノズル保持リング４２とシュラウドセグメント３５との間の相対運動によりギャップが開いた場合には、複合管状ウーブンシール７０は拡張して、そのコンプライアンス性により、軸方向に対向する面７６、７８の間でシールを形成する。耐熱シリカ層と組合せたウーブンメタルコア７９は、シール本体がその円形断面形状へ戻ろうとするのを可能にする。金属箔層８２は、シール７０を通り抜ける漏れを防止する。耐磨耗性の外部ブレーディング層は、保護外被及び耐磨耗面としての役割を果たす。
【００１５】
シール本体７２は、９０°又は１８０°の長さに形成されるのが好ましい。その結果、シール７０は、隣り合うシュラウドセグメント間を跨ぐ。シール７０のコンプライアンス性により、ノズル保持リング４２とシュラウドセグメント３５との間の如何なるギャップも効果的にシールされる。
【００１６】
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の概略破断側面図。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるコンプライアント管状ウーブンシールを備える、ノズル保持リングとシュラウドと間の境界面を示す拡大断面図。
【図３】シールの構成部材を示す拡大断面図。
【符号の説明】
３５シュラウドセグメント
４２ノズル保持リング
７０複合管状ウーブンシール
７２シール本体
７４空洞
７６ノズル保持リングの第１の面
７８シュラウドセグメントの第２の面

Claims

ほぼ軸方向に向いた第１の面（７６）を有し、かつタービン段の一部を形成するタービンノズル保持リング（４２）と、
前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（７８）を有し、かつタービン段の一部を形成するタービンシュラウドセグメント（３５）と、
前記保持リング及び前記シュラウドセグメントの１つに形成され、ほぼ軸方向にかつ前記保持リング及び前記シュラウドセグメントの別の１つに向かって開口した空洞（７４）と、
該空洞内に設けられたコンプライアントシール（７０）と、
を含み、
該コンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層（７９、８０、８２、８４）で形成され、前記第１及び第２の面のうちの該空洞に対向する面に対して順応的に係合して該面をシールするシール本体を含む、
ことを特徴とするタービン。
前記空洞及び前記シール本体が、該タービンの軸線の周りで円周方向に弓形であることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
ほぼ軸方向に向いた第１の環状面（７６）を有し、かつタービン段の一部を形成するタービンノズル保持リング（４２）と、
その環状配列と、前記第１の面と軸方向に対向する第２の環状面（７８）とを形成する複数のタービンシュラウドセグメント（３５）と、
前記第１及び第２の面（７８、８０）の１つに形成され、ほぼ軸方向にかつ前記第１及び第２の面の別の１つに向かって開口した環状の空洞（７４）と、
該空洞内に設けられたコンプライアントシール（７０）と、
を含み、
該コンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層で形成され、前記第１及び第２の面のうちの前記空洞に対向する前記別の１つの面に対して順応的に係合して該面をシールするシール本体（７２）を含む、
ことを特徴とするガスタービン。
前記シール本体の前記材料が、ウーブンメタルコア（７９）と、ファイバ（８０）と、金属箔（８２）と、金属保護層（８４）とを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のガスタービン。
前記シール本体の前記材料が、内部ウーブンメタルコア（７９）と、シリカファイバ（８０）と、金属箔（８２）と、ブレーデッドメタル外部保護層（８４）とを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のガスタービン。
前記空洞が前記第２の面（７６）に形成され、前記シール本体が前記第１の面に順応的に係合することを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のガスタービン。
前記空洞が、前記第２の面（７８）に形成され、前記シール本体が、前記第１の面に順応的に係合し、前記シール本体の前記材料が、中心の内部ウーブンメタルコア（７９）と、該コア（７９）を取り巻くシリカファイバ（８０）と、該ファイバを取り巻く金属箔（８２）と、ブレーデッドメタル外部保護層とを含むことを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。