JP4315320B2 - 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段ノズルセグメントとノズル支持リングとの間の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、補助シールは、複数の弓形シールセグメントを含み、各セグメントは、金属織布内に包まれかつブラケットによりノズル支持リングに取り付けられた少なくとも１つの金属薄板シム、好ましくは２つの背中合わせにされた金属薄板シムを有する。この補助シールは、支持リングからほぼ半径方向外向きに延びて、弦ヒンジシールから遠い側のノズルセグメントの面に対して係合する。タービン高圧領域内の高圧圧縮機吐出空気は、遠い側のシール面、例えばノズルセグメントの内側レールに対してクロスシールを付勢する。
【０００８】
具体的には、クロスシール及びシムは、弓形の内側端縁に沿って弓形の支持ブラケットに固定され、ブラケットの弓形内側端縁は、ノズル支持リングに固定される。各シールセグメントは、タービン軸線に対して円周方向に弓状に延び、少なくとも各内側レールの円周方向長さに対応する長さ、好ましくは９０°又は１８０°の弓形長さに形成される。従って、補助シールセグメントは、セグメント間のギャップに重なる。
【０００９】
各シールの金属織布及びシムは、ノズル支持リングに対してほぼ半径方向外向きに突出した形状にされる。各シールセグメントの弓形末端脚部におけるシム部分には、それらの末端端縁からスリットが入れられ、複数のフィンガが形成される。１つのシム脚部のフィンガは、他のシム脚部のフィンガ間のスリットに覆い重なる。つまり、シムのスリットは、各シム脚部のスリットが対向するシム脚部のフィンガにより効果的にシールされるように、円周方向に互いに千鳥状に配置される。これらのスリットは、補助シール脚部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つのステータ羽根と、第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する半径方向内向きに延びる内側レールとを有するタービンノズルセグメントと、タービンノズル支持リングから延び、内側レールの第２の面と反対側の側面に沿ってシール係合して、支持リングとノズルセグメントとの間をシールするシールとを含み、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、該金属織布で覆われかつ反対側の側面に係合する末端縁部とを有するシールセグメントを含む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つのステータ羽根と、第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する半径方向内向きに延び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、ノズル支持リングから延びて、内側レールの第２の面と反対側の側面に沿ってシール係合す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、各シールセグメントが、第１のプレートと、金属織布の被覆層と、該金属織布で覆われかつ反対側の側面に係合する末端縁部とを含む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１及び図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（図３及び図４）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段ノズルセグメント、特に内側レール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、円周方向に延びるシールセグメント７３として形成される。各シールセグメント７３は、弓状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かつ第１段ノズルに固定された弓状に延びる背中合わせの金属薄板シムによって形成される。具体的には、円周方向に延びる補助シール７０は、金属織布７６によって両側面を覆われた１つの、好ましくは一対の金属薄板プレート又はシム７２、７４（図８）を含む。シール７０はまた、円周方向に延びる構造支持ブラケット８０を含み、この支持ブラケットは、ノズル支持リング４４から半径方向外向きに延びて、シールに対する剛性支持体を提供する。ブラケット８０は、円周方向セグメント８１として、好ましくはシールセグメント７３の長さに対応する長さを有するセグメントとして形成することができる。金属織布及びシムは、ブラケット８０の半径方向外縁部に沿って、該ブラケット８０に対して例えば熔接により一体的に固定される。図６に示すように、各ブラケットセグメント８１の半径方向内端縁は、軸方向に延びるフランジ８４を含む。支持リング４４の外表面は、各ブラケットセグメント８１を受入れるための相補的形状の溝８６を含む。
【００１５】
補助シール７０は、ブラケット８０により支持されて、内側レール５２の弦ヒンジシール４６から遠い側の面８８をシールする。クロスシール７１は、円周方向に延びる形状を持ち、かつ遠い側の面８８をシールするために軸方向に弓形になっている。
【００１６】
具体的には、シール７０の末端縁部は、軸方向に湾曲し、反対側の側面８８をシールする脚部９０を形成する。つまり、クロスシール脚部９０は、反対側の側面８８に向かって軸方向に弓形に曲げられ、かつ面８８に沿ってほぼ円周方向に延びるシール９２（図７）を形成するように付勢されるか又は予荷重が加えられる。シール脚部９０は、金属織布を面８８に接触させた状態で反対側の側面８８に対して押し付けられ、本発明の補助シールを実現する。シム７２、７４（図８）もまた、面８８に対するシール脚部９０のシール係合を維持するために、予荷重が加えられることが理解されるであろう。
【００１７】
図８に最も良く示されているように、脚部９０に沿ったシム７２、７４には、シール７０に沿って横方向に間隔をおいた位置においてスリットが入れられ、それぞれフィンガ１０２、１０６が形成される。例えば、シム７２には、該シムに沿って円周方向に間隔をおいた位置に符号１０４で示すスリットが入れられ、個別のフィンガ１０２が形成される。同様に、シム７４には、該シムに沿って円周方向に間隔をおいた位置に符号１０８で示すスリットが入れられ、個別のフィンガ１０６が形成される。これらのスリット１０４、１０８は、シム７２のスリット１０４によって形成されたフィンガ１０２がシム７４のフィンガ１０８間のスリット１０６に重なるように、互いに円周方向において千鳥状に配置される。従って、シム７４のフィンガ１０６は、シム７２のスリット１０４の下方に位置する。かくしてフィンガ１０２、１０６は、補助シール７０の脚部９０に可撓性を与え、それによって遠い側の面８８との間で効果的なシールを提供する。また、スリットにフィンガを重ねることにより、スリット間の流れを阻止するシール作用を可能にする。
【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メタルクロス７６の一部分が示されている。このクロス被覆層は、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】
補助シールセグメントは、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持つように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は、ノズルセグメント４１間の接合部に覆い重なり、かつ互いに端部と端部とを当接させるか重ね合わせ、それによって弦ヒンジシールを通り抜ける漏れと同時にノズルのセグメント間の漏れを減少させることができる。補助シール７０は、領域３７の高い圧力を受けることが理解されるであろう。従って、シール７０は、該シールの両側における圧力差によって内側レール５２の面８８にシール係合するように付勢される。
【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斜視図。
【図６】 本発明のブラケットとシールとの斜視図。
【図７】 弦ヒンジシールと関係付けて取り付けられた、図５の補助シールの側面図。
【図８】 シール縁部の内部構造を示すシールの破断斜視図。
【図９】 本発明の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 (5)

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）と、前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する半径方向内向きに延びる内側レール（５２）とを有するタービンノズルセグメント（４１）であって、前記内側レール（５２）が、該内側レールから軸方向に延びて前記第１の面に対してシール係合して該第１の面との間で第１のシール（４６）を形成する突出部（４８）を有する、タービンノズルセグメント（４１）と、
   前記タービンノズル支持リングから延びて、前記内側レールの前記第２の面と反対側の側面（８８）に沿ってシール係合して、前記支持リングと前記ノズルセグメントとの間をシールする第２のシール（７０）と、
   を含むタービン（１０）であって、
   前記第２のシール（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反対側の側面に係合する末端縁部とを有するシールセグメント（７３）を含み、前記シールセグメントが第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
   ことを特徴とするタービン（１０）。
2. 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、
   各々が少なくとも１つのステータ羽根（２０）と、前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する半径方向内向きに延びる内側レール（５２）とを有する複数のタービンノズルセグメント（４１）であって、前記内側レール（５２）が、該内側レールから軸方向に延びて前記第１の面に対してシール係合して該第１の面との間で第１のシール（４６）を形成する突出部（４８）を有する、タービンノズルセグメント（４１）と、
   前記ノズル支持リングから延びて、前記内側レールの前記第２の面と反対側の側面（８８）に沿ってシール係合する複数のシールセグメント（７３）で構成された第２のシール（７０）と、
   を含むタービンであって、
   前記第２のシール（７０）の各シールセグメントが、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反対側の側面に係合する末端縁部とを含み、前記シールセグメントが第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タービン。
3. 前記シールセグメントの各々が、該タービンの軸線の周りで弓状の方向に、かつ前記ノズルセグメントの間のセグメント間ギャップを横切って延びていることを特徴とする、請求項２に記載のタービン。
4. 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縁部に沿って延び、該シールに可撓性を与えるスリット（１０４、１０８）を有することを特徴とする、請求項２に記載のタービン。
5. 前記支持リングからほぼ半径方向外向きに延びて、該支持リング上に前記シールセグメントを支持する複数の支持ブラケット（８０）を含み、前記シールセグメントの前記縁部が、可撓性を有し、かつ前記反対側の側面をシール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２に記載のタービン。

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