JP4248871B2 - 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６５７２３３１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する、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。この補助シールは、弦ヒンジシールの高圧側において各ノズルセグメントの内側レールとノズル支持リングのシール面との間に固定された可撓性の、好ましくは金属薄板のシールを含む。具体的には、補助シールは、内側レールの弦状の内表面に沿って形成された溝内にシール係合した第１の縁部と、ノズル支持リングのシール面に向かって該シール面に対してシール係合するように軸方向に突出した弓形の形状を有する第２の縁部とを有する。溝に受けられた補助シールの第１の縁部は、溝においてシールを通過する漏れを排除するために溝の表面、好ましくは溝の底面に対してシール係合して押し付けられるように曲げられるか又は折り畳まれる。金属薄板補助シールの縁部を溝内に保持するために、細長い帯片が可撓性シールの縁部に沿って直線的に該可撓性シールに固定される。溝はフランジを含み、また帯片は溝のフランジと対向して重なり合うフランジを含み、この帯片のフランジが、可撓性シールを溝から半径方向に外れないように保持する。帯片の端縁を内側レールの溝の中央に位置させるために、第１の縁部の第１の帯片とは反対側の側面に沿って、第２の細長い帯片が設けられるのが好ましい。
【０００８】
補助シールの第２のすなわち反対側の縁部は、ノズル支持リングのシール面に対して押し付けられる端縁を含む。第２の縁部は、ロータの軸線の周りで弓形になっている。従って、補助シールは、高圧領域と、弦ヒンジシールを含む補助シールの半径方向外側の領域との間を直接シールする。従って、弦ヒンジシールを通過する漏れ流は、内側レールとノズル支持リングとに対して補助シールの縁部がシール係合する結果、最少化又は排除される。補助シールは、第１の縁部を内側レールの内表面に沿った溝内の弦方向線に沿って配置することができるように、直線的な第１の縁部を有するのが好ましい。補助シールの対向する端縁は、互いに重ね合わされ、セグメント間シールを形成することができる。
【０００９】
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の面を有する内側レールを担持する内バンドを含むタービンノズルセグメントとを含み、第１及び第２の面の１つが、該１つの面に沿った軸方向に延びる突出部を含み、該突出部が、第１及び第２の面の別の１つに係合し、該別の１つの面との間で第１のシールを形成して該シールの両側の高圧及び低圧領域間をシールし、第１のシールの半径方向内側位置において内側レールと第１の面との間を、かつセグメントの少なくとも対向する端部端縁の間を延びる可撓性補助シールが設けられ、該可撓性シールの第１の縁部が内側レールに固定され、該可撓性シールの第２の縁部が第１の面にシール係合可能であることを特徴とするタービンが、提供される。
【００１０】
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ほぼ環状の第２の面を形成す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を含み、セグメントの各々が、該セグメントの第２の面に沿った軸方向に延びる突出部を含み、該突出部が、第１の面に係合し、該第１の面との間で第１のシールを形成して該シールの両側の高圧及び低圧領域間をシールし、第１のシールの半径方向内側位置において内側レールと第１の面との間を延びる複数の可撓性補助シールセグメントが設けられ、該各可撓性シールセグメントが、少なくとも２つの隣り合うセグメントの内側レールに固定されかつ隣り合うセグメント間の少なくとも接合部を跨ぐ第１の縁部を有し、該各可撓性シールセグメントの第２の縁部が、第１のシールを通過した漏れ流に応答して第１の面にシール係合可能であることを特徴とするガスタービンが、提供される。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
しかしながら前述したように、作動中に、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は、好ましくは金属薄板で形成されたシール本体７２を含み、該シール本体７２は、各セグメントの内側レール５２の半径方向内表面に沿って形成された溝７６（図７）内に係合するための第１の縁部７４を有する。シール７０はまた、ノズル支持リング４４のシール面５４に係合するための、該シールの反対側に沿った第２の縁部７８を含む。図５に示すように、補助シール７０は、突出部４８を含む弦ヒンジシール４６の半径方向内側に位置し、従って高圧領域３７と弦ヒンジシールを含む該シールの反対側の低圧領域との間をシールする。
【００１４】
補助シール７０は、ノズルセグメントの数に対応するセグメントとして形成される。補助シールの第１の縁部は、内側レール５２の直線的な溝７６内に挿入するために、弦方向に延びる。より具体的には、補助シール７０の溝に入る縁部７４は端縁８０（図７）を含み、該端縁８０は、溝７６の表面、好ましくは溝の底面に対して押し付けられて、シールの一方の側から溝に沿って反対の側へ例えば空気などの流体が通り抜けるのをシールするように、曲げられるか又は折り畳まれる。
【００１５】
可撓性シール７０を溝７４内に保持するために、少なくとも１つの細長い金属帯片８２が、金属薄板シール７０の縁部７８の１側面に沿って、例えば熔接により固定される。この細長い帯片は、フランジ８４を含み、このフランジ８４が溝７６内に形成されたフランジ７５と協働して補助シールの第１の縁部７４を溝７６内に保持する。細長い金属帯片８６が、縁部の第１の帯８２とは反対側の側面に沿って同様に固定され、それによって可撓性の金属薄板シールの縁部７４を本質的に直線状溝７６内に位置させるのが好ましい。
【００１６】
補助シールの反対側のすなわち第２の弓形の縁部７８は、図６に示すように、ノズル支持リング４４の環状シール面５４に対して押し付けられる。第２の縁部７８は、ロータの軸線の周りで弓状に延びる。更に、補助シール７０は、第２の縁部７８がノズル支持リング４４のシール面５４に対して押し付けられるように、予荷重が加えられるか又は付勢される。その上、シール７０は高圧領域３７に曝されるから、金属薄板シール７０はまた、該シールの両側における圧力差によってノズル支持リングに係合するように付勢される。
【００１７】
使用時には、可撓性補助シール７０は、弦ヒンジシール４６の半径方向内側に位置し、弦のように延びる内側レール５２の半径方向最内側の表面とノズル支持リング４４の環状のシール面５４との間を延びることが理解されるであろう。従って補助シール７０を通過したあらゆる漏れ流は、低い圧力で弦ヒンジシール４６に出会う。従って、弦ヒンジシールの両側における圧力差は最少化されて、漏れ流を減少させる。補助シール７０は、各ノズルセグメントに対して設けるのが好ましい。しかしながら、隣り合うノズル上に形成されたシール７０の隣り合う端部は互いに重なり合って、隣り合うセグメント間の接合部において、効果的なセグメント間補助シールを形成することができる。
【００１８】
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弦ヒンジシールと補助シールとを示す拡大断面図。
【図６】 セグメントの内側レールとノズル支持リングのシール面との間の可撓性シールを示す斜視図。
【図７】 内側レールに沿った溝内に在る、補助シールの第１の縁部を示す拡大破断斜視図。
【図８】 補助シールがそれから垂下している内側レールを示す斜視図。
【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 (9)

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）を有する内側レール（５２）を担持する内バンド（３８）を含むタービンノズルセグメントと
   を含むタービンであって、
   前記第１及び第２の面の一方の面が、該一方の面に沿った軸方向に延びる突出部（４８）を含み、該突出部が、前記第１及び第２の面の他方の面に係合し、該他方の面との間で第１のシール（４６）を形成して該シールの両側の高圧及び低圧領域（３７、１４）間をシールし、
   前記第１のシールの半径方向内側位置において前記内側レール（５２）と前記第１の面との間を、かつ前記セグメントの少なくとも対向する端部端縁の間を延びる可撓性補助シール（７０）が設けられ、該可撓性シールの第１の縁部（７４）が前記内側レールに固定され、該可撓性シールの第２の縁部（７８）が前記第１の面にシール係合可能である
   ことを特徴とするタービン。
2. 前記可撓性シールの前記第２の縁部（７８）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。
3. 前記可撓性シールが金属薄板を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のタービン。
4. 前記内側レールに形成された溝（７６）を含み、前記可撓性シールが金属薄板で形成され、前記可撓性シールの前記第１の縁部が、前記溝の表面にシール係合するように曲げられた、前記金属薄板の端縁（８０）を含むことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタービン。
5. 前記内側レールに形成された溝（７６）を含み、前記可撓性シール（７０）が金属薄板で形成され、前記可撓性シールの前記第１の縁部に沿って該可撓性シールに固定されかつ前記溝内に係合して、該可撓性シールを前記溝内に保持する細長い第１の帯片（８２）が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタービン。
6. 当該タービンがガスタービンであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービン。
7. 前記ノズルセグメントの各々に沿った前記軸方向に延びる突出部（４８）が、前記各ノズルセグメントの弦方向線に沿って延びていることを特徴とする、請求項６に記載のタービン。
8. 前記可撓性シールが、前記第１の面に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又は請求項６に記載のタービン。
9. 前記ノズルセグメントの各々に沿った前記軸方向に延びる突出部（４８）が、前記各セグメントの弦方向線に沿って延び、前記可撓性シールセグメントの前記第１の縁部（７４）が、該タービンの軸線の周りに環状体を形成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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