JP4205421B2 - 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。本発明の好ましい実施形態においては、補助シールは、各ノズルセグメントの内側レールの半径方向内縁部に取り付けられた金属織布内に包まれた少なくとも１枚の、好ましくは２枚の金属薄板シムを含む。この補助シールは、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ように、内側レールから延びる。タービン高圧領域内にある高圧圧縮機からの吐出空気は、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は、支持ブラケットの背面に沿って固定される。支持ブラケットとクロスシール及びシムとの半径方向外端縁は、内側レールの内縁部に沿って形成された溝内に固定される。シールは、円周方向に弓状に延び、それぞれ９０°又は１８０°の２つ又は４つの円周方向セグメントとして形成される。ノズルセグメントの数は円周方向の補助シールの数よりも多いから、補助シールセグメントは複数のノズルセグメントに、特にノズルセグメント間の接合部において重なり、それによってセグメント間の漏れを低減する。別の構成においては、セグメント間にあるセグメント間ギャップは、補助シールがオーバラップした接合部とに軸方向に重ね合わされることができる。
【０００９】
クロス及びシムは、半径方向内向きに突出し、ノズル支持リングに向かって軸方向に曲がり、再び半径方向内向き方向に曲がって、シールの内端部上に末端脚部を形成するような形状にされる。各シムの脚部にはそれらの末端縁からスリットが入れられて、複数のフィンガを形成する。１つのシムの各フィンガは、他方のシムの各フィンガのスリット上に重なる。すなわち、各シムのスリットが対向するシムのフィンガによって効果的にシールされるように、各シムのスリットは、互いに円周方向に千鳥状に配置される。これらのスリットはまた、補助シール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つのステータ羽根を有し、かつ第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する内バンドを含むタービンノズルセグメントと、その両側の高圧及び低圧領域間をシールするために第１の面に対してシール係合するように、内バンドから垂下して該内バンドから半径方向内向きに延びるシールとを含み、該シールが、少なくとも第１のプレートと、金属織布の被覆層と、該金属織布によって覆われかつ第１の面に係合する末端縁部とを有するシール本体を含み、支持ブラケットが、内バンドに固定されかつシールの１つの側面に沿って延びて、シール本体を該シール本体の低圧側で支持し、該シール本体の縁部が、可撓性でありかつ第１の面に対してシール係合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つのステータ羽根を有し、かつ第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する内バンドを含む複数のタービンノズルセグメントと、その両側の高圧及び低圧領域間をシールするために第１の面に対してシール係合するように、各内バンドから垂下して該各内バンドから半径方向内向きに延びる、複数のシールセグメントで構成されたシールとを含み、該各シールセグメントが、少なくとも第１のプレートと、金属織布の被覆層と、該金属織布によって覆われかつ第１の面に係合する末端縁部とを有するシール本体を含み、複数の支持ブラケットが、内バンドに固定されかつ各シールセグメントの１つの側面に沿って延びて、各シール本体を該シール本体の低圧側で支持し、該各シール本体の縁部が、可撓性でありかつ第１の面に対してシール係合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、円周方向に延びるクロスシール７１を含み、該クロスシール７１は、好ましくは金属織布で包まれ、第１段ノズルに固定された、弓状に延びる金属薄板シムによって形成される。具体的には、補助シール７０は、金属織布７６によって両面を覆われた１つの、好ましくは一対の金属薄板又はシム７２、７４を含む。シール７０はまた、該シールの一つの面に沿って延び、シールに対して剛体支持を与える構造支持ブラケット８０を含む。金属織布及びシムは、その境界面に沿って、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】
図８に示すように、ノズルセグメントにより補助シール７０を支持するために、ほぼＬ字形の溝８２が、各内側レール５２の内縁部に沿って形成される。ブラケット８０の半径方向外端部は、軸方向に延びるフランジ８４を含む。図５に示すように、クロスシール７１及びブラケット８０の外端部は、溝８２内に延びて、例えば熔接によって該溝８２内に固定される。従って、シール７０は、ノズル支持リング４４の第１のシール面５４から軸方向に間隔をおいた位置において、内側レール５２から半径方向内向きに突出する。
【００１６】
図５及び図７に示すように、ブラケット８０はまた、その半径方向内端部においてシール面５４に向かって突出し、該シール面５４の直前で終端するフランジ８６を含む。クロスシール７１がフランジ８６の表面の周りを包んでシール面５４に向けて延び、次いで半径方向内向き方向に曲げられ又は折り返されてシール脚部又は末端縁部８８を形成する。シール脚部８８は、シール面５４に接する金属織布によってシール面５４と係合して補助シールの働きをする。シール面５４に対する脚部８８のシール係合を維持するために、シム７２、７４には予荷重が加えられることも理解されるであろう。
【００１７】
図７に最も良く示されているように、シム７２、７４の脚部８８には、シール７０に沿って円周方向に間隔をおいた位置においてスリットが入れられる。例えば、シム７２の脚部８８には、該脚部８８に沿って円周方向に間隔をおいた位置にスリット９０が形成される。同様に、シム７４の脚部には、これに沿って円周方向に間隔をおいた位置にスリット９２が形成される。シム７２のスリット９０によって形成されたフィンガ９４がシム７４のスリット９２に重なるように、スリット９０及び９２は、円周方向において互いに千鳥状に配置される。シム７４のフィンガ９６は、シム７２のスリット９０の下に位置する。従って、フィンガ９４、９６は、スリット間の良好なシールを行いながら、補助シールの脚部に可撓性を与える。
【００１８】
図９を参照すると、ここには例えばシム７２のようなシムを覆っている好ましい金属織布７６の一部分が示されている。この金属織布被覆層は、オランダ綾織の形態になっている。Ｌ６０５又はＨａｙｎｅｓ１８８材料で形成され比較的密に織られたクロスを使用することにより、効果的なシールと耐磨耗面とが得られる。
【００１９】
補助シール７０は、それぞれ円周方向に９０°又は１８０°の広がりを有する２つ又は４つのセグメント７２（図６）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７２は、ノズルセグメント４１間の接合部に重なり、弦ヒンジシールを通過する漏れを減少させると同時にノズルセグメント間の漏れを減少させる。別の構成では、補助シール７０は、各ノズルセグメントの円周方向長さに対応した円周方向長さを持つセグメントで形成することができる。その場合には、次に、補助シールセグメントと隣接するシールセグメントの隣り合う端部同士とが、重ね合わされ、効果的なセグメント間シールを形成することができる。
【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】 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破断断面図。
【図６】 図５の補助シールの斜視図。
【図７】 補助シールの脚部又はフィンガ内のスリットを示す、シールの拡大破断斜視図。
【図８】 補助シールを受けるための、内側レールに沿ったスロットを示す破断斜視図。
【図９】 本発明による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 (10)

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）を有し、かつ前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する内バンド（３８）を含むタービンノズルセグメント（４１）であって、前記内バンド（３８）に沿って形成された溝（８２）を有しているタービンノズルセグメント（４１）と、
   前記内バンド（３８）から垂下して該内バンドから半径方向内向きに延びて前記第１の面（５４）と接触するシール（７０）であって、該シールの両側の高圧領域（３７）と低圧領域（１４）の間をシールするシール（７０）と、
   を含むタービンであって、
   前記シール（７０）が、少なくとも第１のプレート（７２）と、金属織布（７６）の被覆層と、該金属織布で覆われて前記第１の面に係合する末端縁部（８８）とを有するシール本体（７１）を含んでおり、
   支持ブラケット（８０）が前記溝（８２）に固定され、かつ前記シールの片面に沿って延びて前記シール本体（７１）を該シール本体の低圧側で支持しているとともに、半径方向内端において前記第１の面（８４）に向かって突出したフランジ（８６）を有しており、
   該シール本体（７１）の前記末端縁部が前記フランジ（８６）の半径方向内側に延びているとともに、可撓性であって前記第１の面に対してシール係合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。
2. 前記シール本体が第２のプレート（７４）を含んでいて、前記金属織布が前記第１のプレート（７２）及び第２のプレート（７４）の片面に沿って被覆層として延びており、前記金属織布が設けられていない第１のプレート（７２）及び第２のプレート（７４）の背面同士が接していることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
3. 前記シール（７０）が該タービンの軸線の周りで弓状に延び、前記各プレートが、該各プレートの端縁から前記末端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（９０、９２）を有することを特徴とする、請求項２に記載のタービン。
4. 前記内バンドが内側レール（５２）を含み、該内側レールが前記第１の面（５４）に対してシール係合し該第１の面との間で第２のシールを形成するように、該内側レールから軸方向に延びる突出部（４８）を有することを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
5. 前記突出部（４８）が、前記内側レールに沿って直線的に延びていることを特徴とする、請求項４に記載のタービン。
6. 前記タービンノズルセグメント（４１）が、各々少なくとも１つのステータ羽根（２０）を有し、かつ前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する内バンド（３８）を含む複数のタービンノズルセグメント（４１）のうちの一つであって、各タービンノズルセグメントがその内バンド（３８）に沿って形成された溝（８２）を有しており、
   前記シールが、前記内バンド（３８）から垂下して該内バンドから半径方向内向きに延びて前記第１の面（５４）と接触する複数のシールセグメント（４１）のうちの一つであり、該シールセグメントがその両側の高圧領域（３７）と低圧領域（１４）の間をシールしており、
   各シールセグメント（４１）が、少なくとも第１のプレート（７２）と、金属織布（７６）の被覆層と、該金属織布で覆われて前記第１の面に係合する末端縁部（８８）とを有するシール本体（７１）を含んでおり、
   前記支持ブラケット（８０）が、前記溝の一つに固定され、かつ対応するシールセグメントの片面に沿って延びて該シール本体を該シール本体の低圧側で支持しているとともに、半径方向内端において前記第１の面（８４）に向かって突出したフランジ（８６）を有する複数の支持ブラケットのうちの一つであり、該各シール本体の前記末端縁部が、可撓性でありかつ前記第１の面に対してシール係合するように予荷重が加えられていることを特徴とする、請求項１記載のタービン。
7. 前記各シール本体が第２のプレート（７４）を含んでいて、各シール本体において、前記金属織布が前記第１のプレート（７２）及び第２のプレート（７４）の片面に沿って被覆層として延びており、前記金属織布が設けられていない第１のプレート（７２）及び第２のプレート（７４）の背面同士が接していることを特徴とする、請求項６に記載のタービン。
8. 前記シールセグメントの各々が弓形であり、かつ各ノズルセグメントの円周方向長さを超える円周方向長さを有し、前記各シールセグメントが、隣り合うノズルセグメント間の接合部を跨いでいることを特徴とする、請求項６に記載のタービン。
9. 前記各シール本体が第２のプレート（７４）を含んでいて、各シール本体において、前記金属織布が前記第１のプレート（７２）及び第２のプレート（７４）の片面に沿って被覆層として延びており、前記金属織布が設けられていない第１のプレート（７２）及び第２のプレート（７４）の背面同士が接しており、前記各シールが該タービンの軸線の周りで弓状に延び、前記各プレートが、該プレートの端縁から前記末端縁部に沿って延び、前記シールに可撓性を与えるスリット（９０、９２）を有することを特徴とする、請求項６に記載のタービン。
10. 各ノズルセグメントのための前記内バンドが内側レール（５２）を含み、該内側レールが前記第１の面に対してシール係合し該第１の面との間で第２のシールを形成するように、該内側レールから軸方向に延びる突出部（４８）を有することを特徴とする、請求項６に記載のタービン。

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