JP4139213B2 - ガスタービンノズルとシュラウドとの接合面のためのシール - Google Patents

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、タービンノズル保持リングとシュラウドセグメントとの間の漏れ損失を実質的に最少化又は排除するためのシールに関する。
【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】
第１段ノズルの作動及び／又は修理の間に、歪みによりノズル保持リングとシュラウドセグメントとのシール面間にギャップが残る場合があることが見出された。これらのギャップは、軸方向に向かい合っているそれらの面の間の漏れを生じさせる。典型的には、ノズル保持リングとシュラウドセグメントとの向かい合っている面には、漏れを防止するためにＷ形シールが設けられる。しかしながら、このＷ形シールは、組立中に挟み込まれる可能性があり、また低サイクル疲労により作動中に割れを生じる懼れがある。
【特許文献１】
米国特許第６４０２４６６号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ノズル保持リングとシュラウドセグメントとの間に漏れ通路を生じるタービン第１段の様々な部品の歪みを許容し、そのような漏れを排除し、かつその位置におけるシールの堅牢さを改善する新規なシールに対する必要性がある。
【０００５】
【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ると、好ましくはタービン第１段のノズル保持リングとシュラウドセグメントとの間に、ノズル保持リングとシュラウドセグメントとの向かい合っている面を通過する漏れを排除又は最少化するシールが設けられる。このシールは、高温ガス通路の半径方向外側でノズル保持リングとシュラウドセグメントとの軸方向に対向する面の１つに形成された弓形の空洞内において延びるシール本体を含む。シール本体は、好ましくは断面がほぼＵ字形の第１の部分と、このＵ字形部分の対向する側部に沿って逆方向に延びる一対の断面がほぼＵ字形の周縁部分とを有する。シール本体が空洞内に配置されかつタービンが作動状態にある時、シール本体の各周縁部分は、空洞の内面、例えば空洞の底面と、反対側の軸方向に向いた対向するシール面とに対してシール係合する状態に位置し、それによって、そうでなければ向かい合っている軸方向に向いた面を通過する漏れ流を許すあらゆるギャップが、実質的に排除される。
【０００６】
本発明の特に好ましい形態においては、シールは、金属薄板、例えば溶接により互いに固定されかつ上述したような断面形状へと曲げられた、好ましくは一対の相補形状の金属薄板プレートで形成される。シールを取り付けるために、シールは先ず始めに圧縮された状態にされ、かつ取り付け作業中はこの圧縮された状態に維持される。これを達成するために、タービンの作動又はそれに近い例えば温度などの状態において、崩壊し、シールを解放して空洞内で拡張させ、予荷重の下でシール本体の各周縁部分をシール面に対して付勢させるような材料によって、シールを包むことができる。このようなラップ（包む材料）は、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９で作ることができ、或いはＬｅｘａｎ（商標）又はＵｌｔｅｍ（商標）のような高強度プラスチック材料クリップで形成して取り付け作業中にシールを圧縮された状態に保持することもできる。更に別の構成では、圧縮されたシールにエポキシを塗布してシールを空洞内で圧縮された状態に維持することができ、エポキシは、タービンの作動又はそれに近い状態において、シール本体を解放して、対向するシール面にシール係合させる。
【０００７】
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の面を有するシュラウドセグメントとを含み、第１及び第２の面の１つが、該第１及び第２の面の別の１つに向かってほぼ軸方向に開口する空洞を形成し、可撓性シールが空洞内に設けられ、該可撓性シールが、断面がほぼＵ字形の第１の部分と、該Ｕ字形部分の対向する側部に沿って逆方向に延びる一対の断面がほぼＵ字形の周縁部分とを有するシール本体を含み、該周縁部分が、１つの面に形成された空洞の内面と第１及び第２の面のうちの別の１つの面とにそれぞれシール係合することを特徴とするガスタービンが、提供される。
【０００８】
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保持リングと、第１の面と軸方向に対向する環状の第２の面を有する複数のタービンシュラウドセグメントとを含み、第１及び第２の面の１つが、第１のシールの半径方向外側位置において、該第１及び第２の面の別の１つに向かってほぼ軸方向に開口する空洞を有し、可撓性シールが空洞内に設けられ、該可撓性シールが、断面がほぼＵ字形の第１の部分と、該Ｕ字形部分の対向する側部に沿って逆方向に延びる一対の断面がほぼＵ字形の周縁部分とを有するシール本体を含み、該周縁部分が、１つの面に形成された空洞の内面と第１及び第２の面のうちの別の１つの面とにそれぞれシール係合することを特徴とするタービンが、提供される。
【０００９】
【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。圧縮機の吐出空気は、第１段の半径方向内側に位置する領域３７内にあることが分かるであろう。
【００１０】
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。環状配列に配置されたシュラウドセグメント４３は、回転可能なバケット、例えば第１段のバケット１６を取り囲む。シュラウドセグメントは、ノズル保持リング４２の向かい合っている軸方向に向いた面４８にシール係合するように置かれた軸方向に向いた面４６（図２）を含む。第１段ノズルの内バンド３８の半径方向内側に位置するノズル支持リング４４は、内バンド３８に係合する。
【００１１】
しかしながら、前述したように、ノズル保持リング４２とシュラウドセグメント４３とは、タービン作動中に、軸方向に向かい合っているシール面４６と４８との間に漏れギャップを形成しがちであり、それによってそのようなギャップを通り抜ける高圧領域から低圧領域への漏れ流を生じる可能性がある。高温ガス通路１４内へのそのような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よると、ノズル保持リングとシュラウドセグメント４３との間をシールするためのシールが設けられる。全体を符号７０（図２）で表したシールは、断面がほぼＵ字形の第１の部分７２と、このＵ字形部分７２の対向する側部に沿って逆方向に延びる、一対の断面がほぼＵ字形の周縁部分７４とを有するシール本体７１を含む。図３及び図４に示すようなシール本体の自然状態において、これらのＵ字形周縁部分の横方向外端は、主要Ｕ字形部分７２の横方向への広がりを超えて外向きに延びる。シール本体７１は金属薄板で形成されるのが好ましい。本発明の特定の実施形態においては、一対の金属薄板プレート７６、７８が、例えば溶接により互いに固定されて、シール本体を形成する。
【００１２】
更に図２を参照すると、シュラウドセグメント４３及びノズル保持リング４２のシール面４６、４８の１つには、シール７０を収容するための空洞８０が設けられる。この空洞８０は、該空洞８０がノズル保持リング４２の軸方向に対向するシール面４８に向かってほぼ軸方向に開口するように、シュラウドセグメント４３に形成されるのが好ましい。空洞８０は、それぞれ底面８２と半径方向に対向する面８４、８６とを含む。空洞８０は、タービンロータの軸線の周りの弓形通路として延び、かつ高温ガス通路１４の半径方向外側に位置する。従って、シール７０は、軸方向に対向する面４６、４８を通過したあらゆる漏れ流が高温ガス通路１４の低圧領域内に流入するのを実質的に排除するように配置される。
【００１３】
周縁シール部分７４は、使用時にはそれぞれ底面８２とシール面４８とに対してシール係合するように予荷重が加えられ又は付勢されているから、シール７０は、取り付け時に先ず圧縮されなくてはならない。さもなければ、図３及び図４に示したように、シール本体７１が最初に空洞内に配置される時、周縁部分７４が空洞８０から突出することになる。突出した周縁部分７４は、保持リング上に引っ掛かったり、あるいは図４に示すように、面４６、４８を合わせる時に全体が抜け落ちたりする懼れがあることが分かるであろう。勿論このことは、このシールを無効なものにする。
【００１４】
シール７０を取り付けて該シールを有効なものとするために、先ず弓形の空洞８０がシュラウドセグメント４３の面４６に形成される。シール７０は、個々のシュラウドセグメントの弓形長さを超える弓形長さ、好ましくは９０°又は１８０°の長さに形成されるのが好ましく、従ってシュラウドセグメント間の接合部を跨ぐ。シール本体を取り付けるために、シール本体は先ず始めに、空洞８０内に挿入された時、該シール本体を完全に空洞８０の範囲内に位置させることができるような形状に圧縮される。取り付け作業中にシール本体を圧縮された状態に維持するための手段が設けられる。そのような手段としては、例えば各シール部の全長又は長さの一部分の周りに設けられるラップ９２を含むことができ、このラップは、シールの両周縁部分７４を互いの方向に向けて撓ませて、シール周縁部分の横幅とシールのほぼＵ字形の部分７２の横幅の両方を減少させる。そのようなラップは、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９で構成することができ、又シール部分の周りの連続したラップであっても部分に分けられたラップであってもよい。別の構成では、Ｌｅｘａｎ（商標）又はＵｌｔｅｍ（商標）のような高強度プラスチックのクリップで、組立中にシールを圧縮された状態に保持することができる。更に別の構成では、空洞内に配置された時にシールの周縁部にエポキシを塗布して、シールを圧縮された状態に維持することができる。
【００１５】
タービンが作動状態、すなわち高温度に達すると、例えば１つ又は複数のラップ、又はエポキシのような保持手段は、シールをその圧縮された状態から解放して、シールが横方向（軸方向）に拡張することを可能にする。そのような拡張は、各周縁部分７４の表面部分９０（図２）を空洞８０の底面８２とノズル保持リング４２のシール面４８とに対して係合するように位置させる。その結果、シールの周縁部分７４は、各面４６、４８の相対運動又は該面間の１つ又はそれ以上のギャップの開きに拘りなく、対向するシール面にシール係合するように付勢され又は予荷重が加えられた状態を維持する。このようにして良好なシール性能を有する金属対金属の線接触が得られて、向かい合っている面４６、４８を通過するあらゆる漏れ流が防止されることが分かるであろう。
【００１６】
前述したように、シール７０は、シュラウドセグメントの円周方向長さよりも大きい円周方向長さを有する９０°又は１８０°セグメントとして形成されるのが好ましい。そうすることで、シールは、隣り合うシュラウドセグメント間の接合部の間を跨ぐ。従ってシール７０は、シュラウドセグメント間の接合部におけるあらゆる漏れ通路をシールする。
【００１７】
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】 本発明の好ましい実施形態に従って構成されたシールの配置を示すガスタービンの一部の概略破断側面図。
【図２】 ガスタービン第１段のノズル保持リングとシュラウドセグメントとの間をシールする位置にあるシールを示す拡大断面図。
【図３】 圧縮されていない状態におけるシールの取り付けを阻止又は不可能にすることになる、本発明の圧縮されていない状態におけるシールの概略図。
【図４】 圧縮されていない状態におけるシールの取り付けを阻止又は不可能にすることになる、圧縮されていない状態における本発明のシールの概略図。
【図５】 シールのタービン内への取り付け前又は取り付け時に圧縮された状態にある、本発明のシールの破断斜視図。
【符号の説明】
１４ 環状高温ガス通路
１６ 第１段バケット
２０ 第１段ステータ羽根
４０ 外バンド
４２ ノズル保持リング
４３ シュラウドセグメント
４６ シュラウドセグメントの第２の面
４８ ノズル保持リングの第１の面
７０ シール
７１ シール本体
７２ Ｕ字形部分
７４ 周縁部分
７６、７８ 金属薄板プレート
８０ 空洞
８２ 空洞８０の底面

Claims (10)

1. ほぼ軸方向に向いた第１の面（４８）を有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（４６）を有するシュラウドセグメント（４３）と、
   を含み、
   前記第１及び第２の面の１つが、該第１及び第２の面の別の１つに向かってほぼ軸方向に開口する空洞（８０）を形成し、
   可撓性シール（７０）が前記空洞内に設けられ、該可撓性シールが、断面がほぼＵ字形の第１の部分（７２）と、該Ｕ字形部分の対向する側部に沿って逆方向に延びる一対の断面がほぼＵ字形の周縁部分（７４）とを有するシール本体（７１）を含み、前記周縁部分が、前記１つの面に形成された前記空洞の内面（８２）と前記第１及び第２の面のうちの前記別の１つの面とにそれぞれシール係合する、
   ことを特徴とするガスタービン。
2. 前記空洞（８０）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に記載のガスタービン。
3. 前記シール本体（７１）が金属薄板を含むことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
4. 前記シール本体が、互いに固定された一対の金属薄板プレート（７６、７８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
5. 前記シール本体（７１）が、前記周縁部分（７４）が前記空洞の内面と前記第１及び第２の面のうちの前記別の１つの面とそれぞれシール係合を維持するように付勢されていることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
6. 前記シール本体が、互いに固定された一対の金属薄板プレート（７６、７８）を含み、また前記シール本体が、前記周縁部分が前記空洞の内面と前記第１及び第２の面のうちの前記別の１つの面とシール係合を維持するように付勢されていることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
7. 前記シール本体が完全に前記空洞内に位置するように、前記シール本体を圧縮された状態で前記空洞内に解放可能に保持するための手段（４２）を含み、該保持手段が、該タービンの作動状態に応答して、前記シール本体の前記圧縮された状態からの解放を可能にすることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
8. 前記保持手段が、前記シール本体の周りのラップを含むことを特徴とする、請求項７に記載のガスタービン。
9. 前記保持手段が、前記シール本体を前記空洞内で前記圧縮された状態に一時的に維持するエポキシを含むことを特徴とする、請求項７に記載のガスタービン。
10. ほぼ軸方向に向いた第１の面（４８）を有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環状の第２の面（４６）を有する複数のタービンシュラウドセグメント（４３）と、
    を含み、
    前記第１及び第２の面の１つが、第１のシールの半径方向外側位置において、前記第１及び第２の面の別の１つに向かってほぼ軸方向に開口する空洞（８０）を有し、
    可撓性シール（７０）が前記空洞内に設けられ、該可撓性シールが、断面がほぼＵ字形の第１の部分と、該Ｕ字形部分の対向する側部に沿って逆方向に延びる一対の断面がほぼＵ字形の周縁部分（７４）とを有するシール本体（７１）を含み、前記周縁部分が、前記１つの面に形成された前記空洞の内面と前記第１及び第２の面のうちの前記別の１つの面とにそれぞれシール係合する、
    ことを特徴とするタービン。

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