JP4597749B2 - ガスタービン構成部品間の可撓性シール組立体及びその取付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン内の当接する面間をシールするための可撓性シール組立体に関し、具体的には、圧縮機吐出空気の高温ガス路内への漏洩流を最小にするか又は排除するための、ガスタービンノズル保持リングとシュラウドとの間に配置された可撓性シール組立体に関する。本発明はまた、可撓性シール組立体を組付ける方法に関する。

タービンにおいては、一部の構成部品間をシールすることが必要である。例えば、ガスタービンでは、ノズル保持リング及びシュラウドは、その一側の圧縮機吐出空気と反対側の高温ガス路との間に配置された当接する対向面を有する。一般的に、シールプレートが、ノズル保持リングとシュラウドとの間でその界接面に配置される。しかしながら、ノズル保持リングは、２００〜３００°Ｆのオーダの温度勾配及び非常に大きな機械的負荷を受ける。さらに、ノズル保持リング、シールプレート及びシュラウドは、異なる熱膨張率を有する様々な材料で製作される。タービンの始動及び停止サイクルの間に、界接した部品は熱的に不整合になる。また、シールプレートは保持リング壁にボルト止めされているので、シールプレート及び保持リングは同時に歪む。サイクル作動における熱的及び機械的負荷の組合せによって生じるこれらの歪みは、ノズル保持リングを変形させ、その結果、シールプレートは、ノズル保持リングとシュラウドとの間に形成された漏洩ギャップをシールするのに不適切なものになる。
米国特許第５１６１９４５号明細書 米国特許第５７９７７２３号明細書 米国特許第６５４７５２２号明細書

従って、サイクル作動の間にノズル保持リングの熱的及び機械的歪みを吸収してリング及びシュラウドの界接面におけるギャップを通しての漏洩流を最小にするか又は排除することができるようなノズル保持リングとシュラウドとの間の有効なシールに対する必要性が存在する。

本発明の好ましい態様によると、例えばノズル保持リングとタービンシュラウドとのような、タービンの第１及び第２の全体的に当接する構成部品には、それらの界接面にシールが設けられる。シールは、これらの構成部品間の相対運動に順応するように付勢される。具体的には、界接面において構成部品の１つにスロットが形成され、スロットは、スプリングと、一側面においてスプリングの一端部に固定されたプレートと、プレートの該スプリングから遠い反対側の側面上に配置されたアブレイダブル被覆シール又はハニカムシールのいずれかとを含む、予荷重を掛けられたスプリング組立体を受ける。この予荷重は、シールの取付け時に保持されて、例えば温度のようなタービン作動パラメータに応答して解放される。解放されると、シール面すなわちアブレイダブル皮膜又はハニカムは対向する構成部品と接触状態にばね付勢されてシールを維持する。

本発明による好ましい実施形態では、タービン用のシール組立体を提供し、本シール組立体は、第１及び第２の全体的に当接するタービン構成部品と、シールプレートと、シールプレートの一側面上に配置されたスプリングと、プレートの反対側の側面上に配置されたアブレイダブル皮膜及びハニカムシールの１つとを含み、スプリングが、第２の構成部品に対して押付けられかつ皮膜及びハニカムシールの１つを第１の構成部品とシール接触状態に付勢する。

本発明による別の好ましい実施形態では、ガスタービンの構成部品間をシールするための装置を提供し、本装置は、タービンバケットの半径方向上方に位置し、全体的に互いに当接するそれぞれの第１及び第２の面を有し、かつ第２の面が陥凹部を有するノズル保持リング及びタービンシュラウドと、陥凹部内に配置され、シールプレートと、シールプレートの一側面上に配置されかつ陥凹部の底面に対して押付けられたスプリングと、プレートの該スプリングと反対側の側面上に配置されかつ第１の面に対してシール接触状態で押付けられたアブレイダブル皮膜及びハニカムシールの１つとを含むシール組立体とを含む。

本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、圧縮機吐出空気の高温ガス路内への漏洩を最小にするか又は排除するためにガスタービン用のノズル保持リング及びシュラウド間をシールする方法を提供し、本方法は、プレートと、プレートの一側面上に配置されたスプリングと、プレートの該スプリングと反対側の側面上に配置されたアブレイダブル皮膜及びハニカムシールの１つとを含む可撓性シール組立体を、ノズル保持リング及びシュラウド間に設ける段階と、スプリングを、予荷重を掛けた状態でノズル保持リング及びシュラウド間に拘束する段階と、拘束を解放して、スプリングがアブレイダブル皮膜及びハニカムシールの１つをノズル保持リングに対して付勢するのを可能にする段階とを含む。

図１を参照すると、全体を符号１０で示したタービンの一部を示しており、タービン１０は、タービンケーシング１２と、ノズル組立体１４と、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット１８を含むロータ１６と、ケーシング１２上に取付けられかつタービンバケット１８を囲むタービンシュラウド２０とを含む。ノズル組立体１４は、それらの間に複数の円周方向に間隔を置いて配置された翼形部２６を取付けたそれぞれ内側及び外側バンド２２及び２４を含み、翼形部２６及びバケット１８がタービンの段を形成していることが分かるであろう。保持リング２８は、一般的に外側バンド２４の半径方向外面上に取付けられたフック３０を含むダブテール継手によってノズル組立体１４を支持する。シュラウド２０は、ケーシング１２の全周辺部の周りに互いに円周方向に隣接した弓形のセグメントとして設けられかつノズル保持リング２８は、一般的にシュラウドと軸方向に整合した状態で配置された上部及び下部半体を含むことが分かるであろう。図１では、ノズル保持リング２８の後面３１は、シュラウド２０の前面３２に対して押付けられる。ノズル保持リングの後面は、シールプレート３４と該シールプレート３４の前方にそれを通して冷却空気を供給する複数の通路３６とを含む。

図２に示すように、また本発明の好ましい態様によると、ノズル保持リング２８とシュラウド２０との界接面には、全体を符号４０で示すシール組立体が設けられる。シール組立体４０は、各シュラウド２０に対して設けられ、かつノズル保持リング２８と軸方向に対向した状態で各シュラウドの面に形成した陥凹部４４内に配置されたスプリング４２を含む。スプリングは、一端部にプレート４６を取付けたベローズの形態である。プレート４６の該スプリング４２と反対側の側面上にシール材料が設けられる。例えばアブレイダブル皮膜４８（図３）を設けることができる。この皮膜は、ニッケルと黒鉛との複合物か又はその均当物を含むことができる。別の実施形態では、プレート４６のベローズスプリング４２から遠い側の面上にハニカムシール５０（図４）を設けることができる。このハニカムシール５０は、ニッケル基合金又はその均等物で形成することができる。

スプリング組立体をシュラウド２０上に設けた各陥凹部４４内に組付けた場合、各スプリング４２の付勢力により、シール面、すなわちアブレイダブル皮膜４８又はハニカム面５０のいずれかがノズル保持リング２８によって支持されたシールプレート３４に対して押付けられることが分かるであろう。シール材料を対向するシール面に対して荷重を掛けた状態に保持することによって、皮膜又はハニカムシールは、シールに対して可撓性をもたらし、シールが、サイクル作動における熱的及び機械的負荷による保持リング／シュラウド界接面の変形の範囲全体にわたってノズル保持リングの面３１に順応する幾何学形状にそれ自体を形状変化させることが可能になる。この特有の配置においては、シールにより、ノズル組立体の周りから高温ガス路内への冷却空気の吐出が防止されるか又は最小になることが分かるであろう。

シール組立体を取付けるために、また図５を参照すると、シール組立体のスプリング４２は、予荷重を掛けられ、取付け時には予荷重を掛けられた状態で保持され、かつタービンの作動パラメータ、例えばタービン作動温度に応答して解放されてシール材料をノズル保持リング、例えばプレート３４の面とシール接触状態で係合させる。このことを行うために、各スプリング組立体は、タービン作動条件に応答して切断、解離又は分解することになる材料によってラップされる。例えばシール組立体は、スプリング４２に予荷重を掛けた状態でその全長又はその一部の周りでラップすることができる。ラップ４３は、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９を含むことができる。別の実施形態では、例えばＬｅｘａｎ（商標）又はＵｌｔｅｍ（商標）クリップのような高強度プラスチックで、スプリング組立体を圧縮状態で保持することができる。ラップ材料４３は、タービンが作動温度に達すると、分解、弱体化又は自己破壊する。予荷重を掛けたスプリング組立体が解放されると、スプリング４２は、拡張してシール組立体のシール面４８又は５０をノズル保持リング２８の軸方向後面とシール接触状態になるように押圧する。その結果、保持リング及びシュラウドの界接面間のギャップを通しての高温ガス路内への圧縮機吐出空気の漏洩が最小にされるか又は防止される。このシール組立体は、シール接触状態になっているとき、保持リング壁とシュラウドとの間の歪みに順応して空気漏洩をシールする。

本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、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。

タービンの高温ガス路の一部を示しかつ本発明による可撓性シール組立体の設置場所を示す概略部分断面図。 シールを示す拡大部分断面図。 シール組立体の異なる形態の斜視図。 シール組立体の異なる形態の斜視図。 タービン作動時にシール組立体を解放するようなラップを備えたシール組立体の拡大側面図。

符号の説明

１０ タービン
１２ タービンケーシング
１４ ノズル組立体
１６ ロータ
１８ タービンバケット
２０ タービンシュラウド
２２ 内側バンド
２４ 外側バンド
２６ 翼形部
２８ ノズル保持リング
３４ シールプレート
４０ シール組立体
４２ スプリング
４４ シュラウドの陥凹部
４６ プレート
４８ アブレイダブル皮膜
５０ ハニカムシール

Claims (8)

1. タービン用のシール組立体であって、当該シール組立体が、
   互いに当接する第１及び第２のタービン構成部品（２８、２０）と、
   シールプレート（４６）と、
   前記シールプレートの一側面上に配置されたスプリング（４２）と、その反対側の側面上に配置されたアブレイダブル皮膜（４８）又はハニカムシール（５０）と、
   を含み、
   前記スプリング（４２）が、前記第２（２０）の構成部品に対して押付けられかつ前記皮膜又はハニカムシールを前記第１の構成部品とシール接触状態に付勢し、前記アブレイダブル皮膜又はハニカムシールがアブレイダブル皮膜（４８）を含む、シール組立体。
2. 前記スプリング（４２）が、前記第１及び第２の構成部品間に配置するために予荷重を掛けられている、請求項１記載のシール組立体。
3. 前記スプリングが、前記アブレイダブル皮膜（４８）を前記第１の構成部品とシール接触状態に付勢するためのベローズを該スプリングの両側面間に含む、請求項１記載のシール組立体。
4. ガスタービンの構成部品間をシールするための装置であって、
   タービンバケット（１８）の半径方向上方に位置し、互いに当接する第１及び第２の面（３１、３２）をそれぞれ有するノズル保持リング（２８）及びタービンシュラウド（２０）であって、前記第２の面が陥凹部（４４）を有する、ノズル保持リング（２８）及びタービンシュラウド（２０）と、
   前記陥凹部内に配置され、シールプレート（４６）と、前記シールプレートの一側面上に配置されかつ前記陥凹部の底面に対して押付けられたスプリング（４２）と、前記プレートの前記スプリングと反対側の側面上に配置されかつ前記第１（３１）の面に対してシール接触状態で押付けられたアブレイダブル皮膜（４８）又はハニカムシール（５０）とを含むシール組立体（４０）と、
   を含む装置。
5. 前記アブレイダブル皮膜又はハニカムシールがアブレイダブル皮膜（４８）を含む、請求項４記載の装置。
6. 前記アブレイダブル皮膜又はハニカムシールがハニカムシール（５０）を含む、請求項１記載の装置。
7. 前記スプリングが、前記アブレイダブル皮膜又はハニカムシールを前記ノズル保持リングとシール接触状態に付勢するためのベローズを該スプリングの両側面間に含む、請求項４記載の装置。
8. 圧縮機吐出空気の高温ガス路内への漏洩を最小にするか又は排除するためにガスタービン用のノズル保持リング（２８）及びシュラウド（２０）間をシールする方法であって、
   プレート（４６）と、前記プレートの一側面上に配置されたスプリング（４２）と、前記プレートの前記スプリングと反対側の側面上に配置されたアブレイダブル皮膜（４８）又はハニカムシール（５０）とを含む可撓性シール組立体（４０）を、前記ノズル保持リング（２８）及びシュラウド（２０）間に設ける段階と、
   前記スプリングを、予荷重を掛けた状態で前記ノズル保持リング及びシュラウド間に拘束する（４３）段階と、
   前記拘束を解放して、前記スプリングが前記アブレイダブル皮膜又はハニカムシールを前記ノズル保持リングに対して付勢するのを可能にする段階と、
   を含む方法。

Images