JP4234419B2 - シールを形成する方法と取り付ける方法 - 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弾性シールに関し、具体的には、シールを圧縮しかつ圧縮されたシールを拘束された状態で保持する方法と、シールを取り付けかつシールをその場で解放して隣接するタービン部品をシールするための方法とに関する。
【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、燃焼器から様々なタービン段のノズル及びバケットを通って流れる。一般的に圧縮機の吐出空気は、一部のタービン要素を冷却するために使用される。タービン内の様々な場所においてシールに対する必要性があり、かつ異なるタイプのシールに対する必要性があることが理解されるであろう。現在係属中の２００１年１２月２８日出願の米国特許出願第１０／０２８，９２８号（日本特許庁へ本件と同日出願）及び２００１年１２月２８日出願の米国特許出願第１０／０２９，００３号（日本特許庁へ本件と同日出願）には、タービン内の２つの異なる位置において使用するための類似したシールが開示されている。例えば開示されたシールの１つは、ノズルセグメントとノズル支持リングとの間をシールするために使用され、高圧の圧縮機吐出領域からこれより低圧の高温ガス通路内への漏れ流をシールする弦ヒンジシールに対する補助シールを形成することができる。別の同様のシールは、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ために使用することができる。タービンの作動中に、これらのシール装置の間に漏れ通路又はギャップが現れることがある。従って、タービンのこれらの及び他のシール部位において、これらのシール面間にシールを配置することが望ましい。これらの密接適合したシール面間にシールを取り付けることは難しく、またシール及び／又は付属構造体への損傷を回避するために、取り付けに先立って又取り付け中にシールを圧縮することが望ましいことが解った。
【特許文献１】
米国特許第６１６４６５６号
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、取り付けに先立って又取り付け中に圧縮された状態に拘束され、かつタービンの作動状態の下において有効なシールを形成することができるシールに対する必要性があり、また使用に際して、拘束されたシールを取り付けかつ該拘束されたシールを解放する方法に対する必要性がある。
【０００４】
【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ると、横方向に互いに間隔をおいて配置されかつシールのタービン内への取り付けに先立って又取り付け中に横方向の寸法を減少させた状態に拘束されるシール部分を有する弾性シールが提供される。タービン部品のシール面内にシールを閉じ込めた後に、タービンの作動状態により、拘束された（圧縮された）シールは解除又は解放されて、シール面をタービン部品の隣接するシール面に弾性的に係合させてシールを形成することが可能になる。特に好ましい実施形態においては、シールは、断面がほぼＵ字形の本体部分と、このＵ字形本体部分の対向する側部に沿ってかつその末端端部におい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細長いシール本体を含む。好ましい形態においては、このシールは、金属薄板で、好ましくは互いに背中合わせに固定されかつ上述したような形状に形成された、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。取り付けに先立って、シールは弾性的に圧縮又は拘束された状態に置かれ、かつ取り付け中はこの圧縮された状態に維持される。すなわち、シール本体の横方向のシール面は、シールのタービン内への取り付けに先立って、互いに向かって変位され、その状態に弾性的に拘束されて、該シールの横方向への広がりを減少させられる。このようにして、シールの如何なる部分もシール空洞から突出させることなく、タービン部品の１つに形成されたシール空洞内にシールを取り付けることができ、シールとタービン部品との間での干渉のないタービン部品の組立てを可能にする。
【０００５】
本発明の好ましい実施形態に従ってシールを圧縮しかつ該シールを圧縮された状態に維持するために、シール本体は横方向に間隔をおいて並べて配置された一対のローラの間を長手方向に通される。ローラは、例えばＵ字形の周縁部分のようなシール部分を互いに向かって変位させて、シールの横方向の広がりを減少させる。次いで、圧縮されたシールは、細長いシールの周りで回転するようにその周辺部上にボビンを装着した回転ボビン保持リングを通過させられる。圧縮されたシールが回転ボビン保持リングを通過する時、ボビンからのファイバが圧縮されたシールの周りに巻かれ、シールをその圧縮された状態に維持する。ボビン保持リングは、シールの周りで交互に両方向に回転させることができ、シールの周りにファイバを交互に時計方向及び反時計方向に巻き付ける。ファイバを両方向に巻くことにより、圧縮された巻き付けによるシール上の捩り作用はゼロになる。
【０００６】
ファイバは、タービン作動状態において崩壊する材料で形成されるのが好ましい。具体的には、ファイバは、炭素又はＫｅｖｌａｒ（登録商標）２９として知られているＫｅｖｌａｒ（登録商標）材料で形成することができる。これらの炭素又はＫｅｖｌａｒ（登録商標）ファイバは、タービンが加熱されると崩壊して、シールをその圧縮された状態から、周縁シール面が拡張しタービン部品のシール面に係合する作動状態へと解放して、有効なシールを形成させる。巻かれたシールは、該シールが完全に空洞内に位置して、取り付け中に空洞から抜け落ちることのないよう保証するために、シール空洞内に接着固定されるのが好ましい。タービン作動温度又はそれより低い温度において、エポキシ又は拘束ファイバは燃え尽きて、ほとんど燃えかすを残すことなくシールを解放する。
【０００７】
本発明による好ましい実施形態においては、一対の隣り合う面を含む部品と、隣り合う面にシール係合する可撓性シールとを有し、シールが、該シールがタービン内に取り付けられた時に一対の隣り合う面にシール係合するように予荷重が加えられた一対のシール部分を有するタービンにおいて、該タービン内に可撓性シールを取り付ける方法が提供され、該方法は、隣り合う面の間にシールを配置する段階と、該シールのシール部分が、隣り合う面にシール係合する運動ができるように付勢されかつ態勢が整えられた第１の姿勢にある状態で、該シールを隣り合う面の間に維持する段階と、タービンの作動状態に応答して、シールのシール部分をその場で解放して、第１の姿勢からそれぞれの隣り合う面にシール係合する第２の姿勢へと運動させる段階とを含む。
【０００８】
本発明による別の好ましい実施形態においては、一対の隣り合う面含む部品と、隣り合う面の間をシールするための可撓性シールとを有し、シールが、ほぼＵ字形の本体部分と、該Ｕ字形の本体部分の対向する側部に沿って互いに横方向に間隔をおいて配置された一対のシール面とを有するタービンに対して、可撓性シールを形成し、該シールをタービン内に取り付ける方法が提供され、該方法は、シールのシール面をタービンへの取り付け状態になるように互いに向けてほぼ横方向へ弾性的に変位させ、シール面間の互いに対する横方向の間隔を減少させかつ該シール面が互いから離れる方向へ運動してシール状態になることができるように該シール面に予荷重を加える段階と、シールを一対の隣り合うタービン面の間に取り付ける間、該シール面を取り付け状態に保持する段階と、シールの周りのシール面を閉じ込めた後に、該シール面が、タービンの隣り合う面にシール係合し該隣り合う面をシールするシール状態になるように互いに相手から離れる方向へ弾性的に運動するのを可能にする段階とを含む。
【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（図１）は、内バンド３８、特に該内バンドの内側レールに係合する。
【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、そして現在係属中の２００１年１２月２８日出願の米国特許出願第１０／０２８，９２８号（日本特許庁へ本件と同日出願）に記載及び図示されているように、ノズル保持リング４２とシュラウドセグメント４３との間をシールするためのシールが設けられる。例えば２００１年１２月２８日出願の米国特許出願第１０／０２９，００３号（日本特許庁へ本件と同日出願）に記載されているように、タービンのその他の様々な部品間、例えば内側レール５２とノズル支持リング４４との間をシールするために、同様のシールを使用できることが理解されるであろう。全体を符号７０で表したそのようなシールの代表的な一例（図２）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た逆方向に延びる、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。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背中合わせに固定されて、シール本体７１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がほぼ軸方向に面４６を貫いてかつノズル保持リング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。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ことが分かるであろう。その結果、シール７０は、軸方向に対向する面４６、４８を通過するあらゆる漏れ流を実質的に排除するように配置される。
【００１３】
図３に示すようなシール本体の自然状態において、また図２に示すようなシール本体のシール状態において、Ｕ字形の周縁部分７４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ている。また、図３に示したシール本体の自然状態において、周縁シール部分７４は、空洞８０の深さを超えて横方向に延びている。この横方向の寸法は、面４６、４８と突出したシール本体７１とが干渉し合う可能性があるため、例えば面４６、４８のようなシールされる面を有するタービン通路の組立てを阻止又は不可能にする。例えば、突出した周縁部分７４は、 例えば面４６、４８などの合わされる部品を取り付ける時に、保持リング４２上に引っ掛かったり、あるいは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】
周縁シール部分７４は、使用時にはそれぞれ空洞８０の底面８２とシール面４８とに対してシール係合するように付勢され又は予荷重が加えられているので、またシールの組立て中におけるシールとシール部品との間の干渉を回避するために、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。
【００１５】
シール本体７１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、図４に示すように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。つまり、周縁シール部分７４間の横方向寸法は、シール本体７１の自然状態（図３）における周縁部分７４間の横方向寸法に等しいか又は該横方向寸法より小さい寸法へと減少される（図４）。取り付け作業中にシール本体をそのような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、例えば各シールセグメントの全長又は長さの一部分の周りに設けられるラップ９２を含むことがでる。このラップは、シールの周縁シール部分７４の横方向への広がりを減少させた状態で、シールの周縁シール部分７４を圧縮された状態に拘束する。そのようなラップは、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９を含むことができ、また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。
【００１６】
次に図５乃至図８を参照すると、シール７０は、組立て時に完全に空洞８０内に置くことができるように、上述した通りラップ９２で圧縮された状態に包まれる。シールを圧縮するために、細長いシール７０は、一対の圧縮ローラ１００の間に通され、これらの圧縮ローラ１００の間の間隔はシールの横方向の圧縮度合いを調節するために、調節されることができる。従って、シール７０がローラ１００を通過する時、シール７０の横方向の周縁部分７４は、互いに向かって横方向に変位されて、シールの横方向の全体寸法を減少させる。従って、ローラ１００は、その圧縮された状態においてシールに付勢力又は予荷重を生じさせる。図６に示すように、ローラ１００は、細長いシール７０をラッピング機構内へ送り込み、該ラッピング機構によってシール７０の周りにラップ９２が巻かれ、シールを圧縮された状態、つまり横方向寸法が減少された状態に維持する。
【００１７】
図７を参照すると、ラッピング機構は、回転可能なリング１０４上に装着されたボビン１０２を含む。このボビンは、ラップ９２を支え、リングは両方向へ回転可能であって、図７にはそれらの回転方向の１つが矢印１０６で示してある。リング１０４は、図示しないが、方向反転機構を備えた駆動歯車又は摩擦ローラによって回転される。その結果、シール７０がリング１０４を通過しかつこのリングが回転する時、ファイバ９２が圧縮されたシール７０の周りで一方向に巻かれる。リング１０４の回転方向を逆転させることにより、ラップをシール本体７１の周りに逆方向に巻くことができる。例えば、ラップを交互に時計方向及び反時計方向に巻くことができる。ラップをリングの周りに逆方向に巻くことによって、押し付けられたラッピングによる捩り作用は完全に排除される。従って、シール７０は、図８に示すように拘束されかつ圧縮された状態でラッピング機構から出てくる。
【００１８】
シール７０が図８に示すように巻かれかつ横方向寸法が減少した状態で、シール全体を例えばシュラウドセグメントの溝８０のようなシール溝内に配置することができる。取り付け中にシールの周縁部分にエポキシ８３（図４）を塗布して、シールを空洞内に維持することができる。
【００１９】
タービンが作動状態、例えば高い作動温度に達すると、例えば１つ又は複数のラップ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、シールがそれ自身の付勢力又は予荷重の下で横方向（軸方向）に拡張することを可能にする。圧縮されたシールを空洞内に保持するためにエポキシが使用された場合には、例えば高い作動温度のような作動状態は、同様にエポキシを溶融させてシールを解放する。そのようなシール本体７１の拡張は、各周縁部分７４の表面部分９１（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シール７０によって得られて、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。
【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】 本発明の好ましい実施形態に従って構成されたシールを使用した場合のガスタービンの一部の概略破断側面図。
【図２】 ノズル保持リングとシュラウドセグメントとの間に配置された、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代表的な例を示す図。
【図３】 自然状態においてシール空洞の深さよりも大きな横方向寸法を有し、シール取り付け時に隣り合うシール部品間で干渉を生じる、図２のシールの概略図。
【図４】本発明に従って取り付けるために圧縮されたシールの概略図。
【図５】 取り付けに先立って、一対のローラの間でシールを圧縮する方法を示すシールの拡大端面図。
【図６】 ファイバによって巻かれつつある圧縮されたシールの平面図。
【図７】 ファイバでシールを巻くためのボビンを装着したボビンリングの概略図。
【図８】 ファイバがシールの周りに時計方向及び反時計方向の両方向に延びているシールの平面図。
【符号の説明】
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面
４８ ノズル保持リングの面
７０ シール
７１ シール本体
７２ シール本体の第１の部分
７４ シール本体の周縁部分
７６、７８ 金属薄板プレート
８０ 空洞
８２ 空洞の底面
８４、８６ 空洞の半径方向に対向する面
９１ シール本体のシール面

Claims (10)

1. 一対の隣り合う面（４６、４８）を含む部品と、前記隣り合う面にシール係合する可撓性シール（７０）とを有し、該シールが、該シールがタービン内に取り付けられた時に前記一対の隣り合う面にシール係合するように予荷重が加えられた一対のシール部分（７４）を有するタービンにおいて、該タービン内に前記可撓性シールを取り付ける方法であって、
   前記隣り合う面（４６、４８）の間に前記シール（７０）を配置する段階と、
   該シールの前記シール部分（７４）が、前記隣り合う面にシール係合する運動ができるように付勢されかつ態勢が整えられた第１の姿勢にある状態で、該シール（７０）を前記隣り合う面の間に維持する段階と、
   タービンの作動状態に応答して、前記シールの前記シール部分をその場で解放して、前記第１の姿勢から前記それぞれの隣り合う面にシール係合する第２の姿勢へと運動させる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記シールの前記シール部分が、タービン作動温度又はそれより低い温度に応答して、解放されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記シールの予荷重の作用により、該シールの前記シール部分をその場で変位させる段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記シール部分を該シール部分の前記第１の姿勢に維持するために、前記シールを隣り合う面の間に配置するのに先立って、該シールを拘束手段（９２）で包む段階と、タービン作動温度又はそれより低い温度において、前記拘束手段をその場で崩壊させて、前記シール部分を解放し、前記隣り合う面にシール係合する運動を生じさせる段階とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記面（４６、４８）の１つに空洞（８０）を形成する段階と、前記シール及び該シールの前記シール部分を完全に前記空洞内に配置する段階とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記シールが細長い形状であり、該シールをその全長に沿ってファイバ（９２）で巻く段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記シールが細長い形状であり、該シールをその全長に沿った別個の長手方向位置において交互に時計方向及び反時計方向にファイバで巻く段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記シールが、ほぼＵ字形の第１の部分（７６）を含み、該第１の部分が、前記Ｕ字形部分の両端縁に沿った逆方向に延びる断面がほぼＵ字形の一対の周縁シール部分（７４）を含む前記一対のシール部分を備えており、
   前記周縁シール部分間の横方向寸法を減少させかつ該シールに予荷重を加えるために、該シールを拘束手段（９２）で包む段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 一対の隣り合う面（４６、４８）含む部品と、前記隣り合う面の間をシールするための可撓性シール（７０）とを有し、該シールが、ほぼＵ字形の本体部分と、該Ｕ字形の本体部分の対向する側部に沿って互いに横方向に間隔をおいて配置された一対のシール面（７４）とを有するタービンに対して、前記可撓性シールを形成し、該シールを該タービン内に取り付ける方法であって、
   前記シールの前記シール面（７４）を該タービンへの取り付け状態になるように互いに向けてほぼ横方向へ弾性的に変位させ、前記シール面間の互いに対する横方向の間隔を減少させかつ該シール面が互いから離れる方向へ運動してシール状態になることができるように前記シール面に予荷重を加える段階と、
   前記シールを前記一対の隣り合うタービン面の間に取り付ける間、前記シール面を前記取り付け状態に保持する（９２）段階と、
   前記シールの周りの前記シール面を閉じ込めた後に、該シール面が、前記タービンの前記隣り合う面にシール係合し該隣り合う面をシールするシール状態になるように互いに相手から離れる方向へ弾性的に運動するのを可能にする段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
10. タービン内の温度状態に応答して、前記シール面を前記取り付け状態から解放してシール状態へと運動させる段階を含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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