JP4357834B2 - 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５３７０４０５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。本発明の補助シールは、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の好ましくは管状の複合製織シールを含む。より具体的には、各ノズルセグメントの内側レールには、弦ヒンジシールの半径方向外側に弓形の空洞が設けられる。複合管状製織シールが、空洞内に配置され、ノズル支持リングの環状シール面に対して押し付けられる。すなわち、弦ヒンジシールがノズル支持リングのシール面に係合している時には、複合管状製織シールは、それぞれノズル支持リング及び内側レールの第１及び第２のシール面の間で弾性的に扁平化されて、これらの面の間をシールする。従って、弦ヒンジシールが軸方向に歪み及び／又は変形を生じた場合には、複合管状製織シールが拡張してギャップを埋める。
【０００８】
複合管状製織補助シールは、該シールを複数の層で形成している結果として、順応性（コンプライアンス性）を有する。これらの層は、内部製織金属コアと、ファイバ材料と、金属箔と、金属外被とを含む。好ましくは、内部製織金属コアは、シリカファイバによって取り巻かれた製織ステンレス鋼で形成される。次に、ファイバは、ステンレス鋼の金属箔によって取り巻かれ、外被は例えばＨａｙｎｅｓ１８８などの編組金属で形成される。複合管状製織シールの性質により、特に金属コアとこれを取り巻くシリカファイバの弾性の故に、このシールはコンプライアンス性を有する。更に、ファイバを取り巻く金属箔層は、補助シールとノズル支持リングのシール面との間の漏れを防止し、他方編組外被は、耐磨耗面としての働きをする。内部金属コア及びシリカファイバは、補助シールのほぼ円形の断面形状を保持する働きをし、シールが圧縮された時、該シールには予荷重が加わり又付勢力が生じてその円形の断面形状へ戻ろうとする。このようにして、弦ヒンジシールを通過する如何なる漏れも、補助シールによってシールされる。
【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の面を有する内バンドを含むタービンノズルセグメントと、支持リング及びセグメントの内側レール部分の１つに設けられ、ほぼ軸方向にかつ支持リング及び内側レール部分の別の１つに向かって開口する空洞と、該空洞内に設けられたコンプライアントシールとを含み、該コンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層で形成され、第１及び第２の面のうちの空洞に対向する１つに対して順応的に係合してこれをシールするシール本体を含む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、ステータ羽根の環状配列と、第１の面と軸方向に対向する第２の環状面とを形成する複数のタービンノズルセグメントとを含み、該各セグメントが、第２の面の部分に沿って軸方向に延びる突出部を含み、該突出部が、支持リングの第１の面と係合し、該第１の面との間で第１のシールを形成して該第１のシールの両側の高圧及び低圧領域間をシールし、環状の空洞が第１のシールの半径方向外側において第１及び第２の面の１つに設けられ、ほぼ軸方向にかつ第１及び第２の面の別の１つに向かって開口し、空洞内に設けられたコンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層で形成され、第１及び第２の面のうちの該空洞に対向する別の１つに順応的に係合してこれをシールするシール本体を含む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、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３７から低圧領域１４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。図５を参照すると、全体を符号７０で表した補助シールは、好ましくはノズルセグメントの内側レール内に形成された空洞７４内に配置されたコンプライアントシール本体７２を含む。弦ヒンジシール４６の突出部４８は弦方向に延びており、一方、空洞７４は内側レール５２の面５０に沿ってタービンロータの軸線の周りに弓形形状に形成される。
【００１４】
シール本体７２は、圧縮されていない状態では、図６に示すように円形断面を有する中実のリングを構成するのが好ましい。最内側の層７８は、ステンレス鋼材料で形成された製織金属コア７８を含むのが好ましい。この金属コア７８を、好ましくはシリカファイバで形成された環状のファイバ層８０が取り巻く。このシリカファイバ８０を、好ましくはステンレス鋼で形成された金属箔８２が取り巻く。最後に、シール本体７２のための外被は、編組金属材料、好ましくはＨａｙｎｅｓ１８８のような編組鋼材料を含む。この複合管状製織シール７０は、横方向のコンプライアンス性を有する。すなわち、圧縮された時、その円形の断面形状に戻ろうとする、付勢力が生じ、又は予荷重が加えられた状態になる。
【００１５】
図５と図７の両方に示すように、空洞７４は、ほぼシール本体７２の直径に対応する幅を有する。しかしながら、空洞の深さは、シール本体の直径よりも浅いか又は小さい。その結果、シール本体７２が空洞７４内に取り付けられると、複合管状製織シールは、空洞７４の底面とノズル支持リング４４の第１の面５４との間で順応的に（コンプライアントに）押しつぶされる。その結果、弦ヒンジシールが歪み又変形を生じた場合には、複合管状製織シール７０は拡張して、そのコンプライアンス性により、軸方向に対向する面の間でシールを形成する。耐熱シリカ層と組合せた製織金属コア７８は、シール本体７２がその円形断面形状へ戻ろうとするのを可能にする。金属箔層８２は、補助シール７０の中を通り抜ける漏れを防止する。耐磨耗性の外部編組層は、保護外被及び耐磨耗面としての役割を果たす。
【００１６】
補助シール７０は、各ノズルセグメント４１の円周方向長さを超える円周方向長さ、従って隣り合うセグメント間の接合部を跨ぐ長さに形成することができることが分かるであろう。シール本体７２は、９０°又は１８０°の長さに形成されるのが好ましい。補助シール７０は、弦ヒンジシールの低圧領域側に在るという点に注目されたい。その結果、高圧側３７から弦ヒンジシールを通過する如何なる漏れも、高温ガス通路の低圧領域へと流れるのを阻止されることになる。
【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】 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】 本発明の弦ヒンジシールと補助シールとを示す、ノズルセグメントの内バンド及び内側レールの破断斜視図。
【図６】 補助シールの断面図。
【図７】 ノズルセグメントとノズル支持リングとの間のタービンシール部に取り付けられた補助シールを示す拡大破断断面図。
【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 (7)

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）と、
   前記支持リング及び前記セグメントの内側レール部分の一方に設けられ、ほぼ軸方向にかつ前記支持リング及び内側レール部分の他方に向かって開口する空洞（７４）と、
   該空洞内に設けられたコンプライアントシール（７０）と
   を含むタービンであって、
   該コンプライアントシールが、異なる材料からなる複数の層（７８、８０、８２、８４）で形成され、前記第１及び第２の面のうちの該空洞に対向する面に対して順応的に係合してこれをシールするシール本体（７２）を含んでおり、該シール本体の前記材料が製織金属コア（７８）とそれを取り巻くファイバ（８０）とそれを取り巻く金属箔（８２）とその外側の金属保護層（８４）とを含むことを特徴とするタービン。
2. 前記空洞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に記載のタービン。
3. 前記セグメントが、該セグメントの第２の面に沿って軸方向に延びる突出部（４８）を含み、該突出部（４８）が、前記支持リングの前記第１の面と係合し、該第１の面との間で第２のシール（４６）を形成して該第２のシールの両側の高圧及び低圧領域間をシールし、また前記コンプライアントシールが、前記第２のシールの低圧側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
4. 前記タービンノズルセグメント（４１）が、ステータ羽根（２０）の環状配列と前記第１の面と軸方向に対向する第２の環状面（５０）とを形成する複数のタービンノズルセグメントの１つであり、
   前記タービンノズルセグメントの各々が、前記第２の面の部分に沿って軸方向に延びる突出部（４８）を含み、該突出部（４８）が、前記支持リングの前記第１の面と係合し、該第１の面との間で第２のシール（４６）を形成して該第１のシールの両側の高圧及び低圧領域（３７、１４）間をシールし、
   前記空洞が、前記第２のシールの半径方向外側において前記第１及び第２の面のうちの一方の面に設けられ、前記第１及び第２の面のうちの他方の面に向かって開口した環状の空洞（７４）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。
5. 前記ファイバ（８０）がシリカからなることを特徴とする、請求項１又は４に記載のガスタービン。
6. 前記金属保護層（８４）が編組金属保護層（８４）からなることを特徴とする、請求項５に記載のガスタービン。
7. 前記空洞が前記第２の面内に形成され、前記シール本体が前記第１の面に順応的に係合することを特徴とする、請求項１又は４に記載のガスタービン。

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