JP5512076B2 - 高温シール及び高温封止系 - Google Patents

Description

本発明は広義には高温工業用途に用いられるシールに関する。具体的には、本発明は、特に限定されないが、タービン用途における高温シールに関する。

高温シールは多くの工業用途で必要とされる。例えば、タービン環境の高い作動温度に曝露されるガス又は蒸気タービンのシュラウドダンパー系には、漏れに強くかつ長期耐久性という目標を満足できる耐損傷シール系が必要とされる。具体的には、金属ダンパーはシュラウドアセンブリの特定の振動モードの減衰に用いられるが、タービンの主要流路からのガスの漏れとそれに伴う装置の効率低下を防ぐために高温シールを必要とする。

従来のシールはかかる用途には不十分であることが判明している。例えば、従来のロープシールの概念では、部品のシールを達成するために複数のセラミック繊維からなる１本の「ロープ」を利用する。しかし、ロープは多孔質構造であるので有効なシールは得られない。さらに、使用時にロープシールで起こる化学的及び機械的劣化のためシールの完全性がさらに損なわれ、ロープシールは長期耐久性の目標を満足できなくなる。さらに、ガスタービン内の高温ガス経路温度は高温化の一途にある。そのため、従来の金属シールの用途は極めて限定的なものとなっている。
米国特許第７２３８００２号明細書

そこで、ガスタービンの流路内の環境のような腐食性の高温環境に耐えることができ、しかも漏れに有効で頑強なシールを与える改良高温封止系に対するニーズが存在する。具体的には、ガスタービンのシュラウドダンパー系で有効な高温封止系に対するニーズが存在する。

本明細書では、高温環境に曝露されるとスウェリングを起こす材料とスロット内に挿入できる１以上の突出部とを有する内部領域、及び内部領域の被覆部のスウェリングを実質的に防止するコーティングを備える高温シールについて開示する。コーティングは、内部領域の外面に、１以上の突出部の遠位端が少なくとも部分的に被覆されずに残り、残りの内部領域がコーティングで実質的に被覆されるように配置すればよい。

ある実施形態では、内部領域はセラミックマトリックス複合材料である。セラミックマトリックス複合材料としては連続繊維セラミックマトリックス複合材料がある。突出部の遠位端の非被覆部が高温環境に曝露されると、突出部のスウェリングが起こる。高温環境としてはガスタービンエンジンの流路がある。ある実施形態では、コーティングは耐環境コーティングである。

内部領域は対向する長側面と対向する短側面とで画成される略長方形の断面を有しており、各短側面が突出部の遠位端をなす。ある実施形態では、対向する長側面は短側面の少なくとも二倍の長さである。ある実施形態では、各短側面は被覆されない。

ある実施形態では、長側面の少なくとも一方は、短側面の近傍で内側に傾斜している。内側に傾く前の長側面と内側に傾いた後の長側面との角度は約１５０〜約１７０度とし得る。

短側面の少なくとも一方を部分的に被覆して、残った非被覆部が短側面の略中央で窓をなすようにしてもよい。窓の非被覆部が高温環境に曝露されると、突出部のスウェリングが起こる。窓は、突出部に望まれるスウェリング量に基づく所定の寸法を有していればよい。部分的に被覆された短側面はさらに、丸みをつけた縁部を含んでいてもよい。ある実施形態では、高温シールは一方の長側面の中央部にコーティングの厚肉部をさらに有していてもよい。

本明細書ではさらに、高温封止系であって、（１）第１のシールスロットを有する第１の構造物と、第２のシールスロットを有する第２の構造物であって、第１のシールスロットと第２のシールスロットがシール領域を挟んで互いに対向しているもの、（２）組立て時にシール領域を埋めるように第１のシールスロット内に嵌合する第１の突出部と第２のシールスロット内に嵌合する第２の突出部とを有する高温シールであって、その内部領域が、高温環境に曝露されるとスウェリングを起こすセラミックマトリックス複合材料から作られている高温シール、及び（３）内部領域の被覆部のスウェリングを実質的に防止するコーティングを備える高温封止系について開示する。コーティングは、内部領域の外面に、第１の突出部の遠位端と第２の突出部の遠位端が少なくとも部分的に被覆されずに残り、残りの内部領域がコーティングで実質的に被覆されるように配置すればよい。

本明細書ではさらに、タービン内のシュラウドダンパー系のための高温封止系であって、（１）第１のシールスロットを有する第１のダンパーブロックと、第２のシールスロットを有する第２のダンパーブロックであって、第１のシールスロットと第２のシールスロットがシール領域を挟んで互いに対向しているもの、（２）組立て時にシール領域を埋めるように第１のシールスロット内に嵌合する第１の突出部と第２のシールスロット内に嵌合する第２の突出部とを有する高温シールであって、その内部領域が、ガスタービンの流路に曝露されるとスウェリングを起こすセラミックマトリックス複合材料から作られている高温シール、及び（３）内部領域の被覆部のスウェリングを実質的に防止するコーティングを備える高温封止系について開示する。コーティングは、内部領域の外面に、第１の突出部の遠位端と第２の突出部の遠位端とが少なくとも部分的に被覆されずに残り、残りの内部領域がコーティングで実質的に被覆されるように配置すればよい。ある実施形態では、第１のシールスロットは一面が第１のシュラウドで囲まれていてもよく、第２のシールスロットは一面が第２のシュラウドで囲まれていてもよい。

各遠位端は、非被覆部が短側面の略中央で窓を形成するように、部分的に被覆されていてもよい。窓の非被覆部がガスタービンの流路に曝露されると、各突出部のスウェリングが起こる。窓は、各突出部に望まれるスウェリングの量に基づいて所定の寸法を有していればよい。

本発明の上記その他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲を参酌して以下の好ましい実施形態に関する詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

以下、図面を参照するが、幾つかの図を通して同様の部材に様々な符号を付した。図１は、本発明の例示的な実施形態に係る高温シール（以下、ＣＭＣシール１０という）の断面図を示す。ＣＭＣシール１０は内部領域１４を備える。内部領域１４はセラミックマトリックス複合材料からなるものでよい。内部領域１４用のセラミックマトリックス複合材料（「ＣＭＣ」という）は連続繊維からなるものでも非連続繊維からなるものでもよいが、高応力環境では連続繊維の方が好ましいであろう。例えば、ある実施形態では、セラミックマトリックス複合材料は繊維強化炭化ケイ素／炭化ケイ素セラミックマトリックス複合材料とし得る。その他のセラミックマトリックス複合材料を使用してもよいことは当業者には自明であろう。

内部領域１４の断面は本質的に長方形とし得るが、用途によっては他の形状も使用できる。図示した通り、内部領域１４の断面は実質的に長方形である。長方形は長側面１６と短側面又は端部１８とで画成される。長側面１６は端部１８よりも格段に長くてもよく、本明細書では長側面１６は端部１８の少なくとも２倍の長さのものと定義し得る。

ＣＭＣシール１０の内部領域１４は、１以上の突出部をもつように構成すればよい。本明細書で用いる突出部とは、ある物の主要部又は中心から突き出た又は延び出た部分又はアームをいう。本発明の場合、内部領域１４の中央部が物の主要部又は中心をなす。当業者には自明であろうが、内部領域１４は、本明細書を通して略長方形として例示したもの以外の多種多様な形態を取り得る。その簡易さと効率のため長方形の形状が使用されることが多いであろう。内部領域１４が長方形である実施形態の場合、内部領域１４の各端部１８とその近傍の部分が突出部を構成し得る。以下でさら詳しく説明するが、シール用途を完遂するには、突出部の遠位端をスロット又はシールスロット内に挿入すればよい。

内部領域１４の表面はコーティング２２で被覆される。コーティング２２は耐環境コーティング（ＥＢＣ）とし得る。コーティング２２は多層からなるものであってもよく、例えばボンドコート、中間コート及びトップコートを含んでいてもよい。例えば、ある実施形態では、ボンドコートはケイ素ボンドコートであり、中間コートはムライト−アルミノケイ酸バリウムストロンチウム（「ＢＳＡＳ」）遷移層であり、トップコートはＢＳＡＳトップコートである。当業者には自明であろうが、他のコーティングも使用でき、コーティングは単層でも多層でもよい。コーティング２２は、タービンの流路その他の高温用途にみられる条件及び高温から内部領域１４を保護することができる。具体的には、コーティング２２はタービン流路内の加熱空気がＣＭＣ材料に達するのを防ぐことができる。図１に示すように、端部１８は被覆せずに残しておいてもよい。以下でさらに詳しく説明するが、端部１８は部分的に被覆されていなくてもよい。なお、実施形態によっては、一方の端部１８のみが非被覆又は部分非被覆であってもよい。

ガスタービンの作動条件その他の高温用途に曝露されると、内部領域１４のセラミックマトリックス複合材料はスウェリングを起こす。具体的には、内部領域１４の材料は酸化プロセスを受け、そのため材料はスウェリングを起こす。この酸化プロセスは一般に多くの高温工業用途でおこり、温度が約５００℃を超えると起こる。典型的な工業用ガス又は蒸気タービンの流路内の温度は一般に８００〜１２００℃に達し、上記のレベルを超える。コーティング２２は加熱空気が内部領域１４に達するのを防ぐことによって内部領域１４の大半で酸化が起こらないようにする。しかし、非被覆又は部分非被覆端部１８は、ガスタービン作動条件その他の高温用途に曝露されるとスウェリングを起こす。

図２は、ガスタービン内の作動条件その他の高温用途に曝露したときに非被覆端部１８で通例起こるスウェリングを示す。内部領域１４の酸化によって端部１８はスウェリングを起こす。酸化は非被覆端部１８の近傍ほど速い速度で起こるので、端部１８は図示したように外側に広がる。具体的には、内部領域１４の幅が長側面１６の一部分に沿って端部１８の幅広い点まで徐々に増大する。以下でさらに詳しく説明する通り、高温シールのシール特性と耐久性を高めるのに、この公知の損傷機構を利用できることが判明した。

図３に、ガスタービンその他の高温用途での第１のブロック２８と第２のブロック３０とを含む例示的なシール用途２７の概略断面図を示す。第１のブロック２８と第２のブロック３０との間の領域は、ガスが第１のブロック２８と第２のブロック３０との間を通過できないようにするのが望ましい。そこで、各ブロック２８，３０にスロット又はシールスロット３２を切り込めばよい。ＣＭＣシール１０の内部領域１４は、各シールスロット３２内に挿入できる２つの突出部（この事例では、ＣＭＣシール１０の各端部１８とその近傍の部分）をもつ構成とすればよい。ＣＭＣシール１０の残りの部分は２つのブロック２８、３０間の間隔に相当する長さとすればよい。

作動中、ＣＭＣシール１０は高温のタービン排ガスその他の高温条件に曝露されるようになる。ＣＭＣシール１０の非被覆端部１８及びその近傍の部分（つまり突出部）は徐々に酸化してスウェリングし始め得る。スウェリングによって各端部１８が外に広がり、シールスロット３２の内壁と一段と緊密に接触して、シールスロット３２とＣＭＣシール１０の端部１８及びその近傍の部分との間での耐久性の有効なシールの形成を促進する。この状態で、シールスロット３２内のシール１０の端部１８周辺をガスが移動するのが実質的に防止される。こうして、第１のブロック２８と第２のブロック３０との間の領域は、ガスが実質的に通過できないようにシールされる。

本発明の別の実施形態は、ある種の用途でのシールの封止特性を向上させることができる。例えば、図４に示すように、ＣＭＣシール４０は端部１８の一方又は両方でテーパーを付けてもよい。具体的には、短側面の近傍で長側面を内側に傾斜させて、長側面１６の内側傾斜部４２を設けてもよい。ＣＭＣシール４０は、内側傾斜部４２の構成によってスウェリングが起きたときの長側面１６とシールスロット３２との接触部の長さが長くなる点以外は、ＣＭＣシール１０と同様に作動し得る。図５に示すように、非被覆端部１８でスウェリングが起こると、ＣＭＣシール１０のラッパ状の形状とは対照的に、内側傾斜部１６は長側面１６の中央部分から盛り上がって長側面１６の中央部分と実質的に平行になるように広がる。こうして、内側傾斜部４２の内側傾斜角度はスウェリングをある程度相殺し、スウェリングが起こるとシールスロット内で一段と大きくて一様な接触面積を生じる。こうして、長側面１６とシールスロット３２との接触部４３は内側傾斜部４２と略同じ長さになり、その結果（内側に傾斜していない長側面１６に比べて）接触部の長さが増大する。長側面１６とシールスロット３２との接触部の長さが増すとさらに有効なシールが得られる。

内側傾斜部４２の構成は幾つかの有益な効果をもつ。上述の通り、内側傾斜部４２はスウェリングを相殺して、ＣＭＣシール４０とシールスロット３２との一段と緊密な接触と増大した接触長さが達成される。さらに、シール接触面が改良される。スウェリングがある程度相殺されるので、シール接触圧を一段と妥当なレベルまで下げることができ、摩耗速度が低下し、シール寿命を延ばすことができる。通例、内側に傾く前の長側面１６と内側傾斜部４２との角度は１５０〜１７０度であればよいが、用途に応じてこの角度は上記範囲から変更してもよい。さらに、内側傾斜部４２の前の長側面１６と内側傾斜部４２との角度は実験によって決定でき、コーティング厚、内部領域の厚さ及び環境条件の関数となろう。なお、図４の内側傾斜部４２の記載は正確な縮尺によるものではない。

図６に、別の例示的な実施形態に係るＣＭＣシール５０を示す。完全にむき出しの端部１８に代えて、ＣＭＣシール５０の端部１８はコーティング２２で部分的に被覆されている。用途によっては、部分被覆端部１８の使用によって、２以上の設計上の利点が得られる。第１に、酸化を内部領域１４の中央部に限定できる。内部領域１４の縁部で酸化が起こると、内部領域１４からコーティング２２が剥離してしまう可能性があり、シールの劣化速度の増大及び寿命の低下を招きかねない。次に、酸化に曝露される端部１８の表面積が減少するので、広がり／スウェリングの量を予想して制御することができる。これはある種の用途では有用である。具体的には、用途毎のニーズに応じてスウェリングを増減させるため、被覆せずに残す面積を加減することができる。従って、図６に示すように、端部１８の外縁部をコーティング２２で被覆し、中央の窓５２を被覆せずに残せばよい。図６には、丸みをつけた縁部５６も示してある。図６のコーティング２２のように、コーティング２２が長側面１６から端部１８を部分的に被覆する実施形態では、丸みをつけた縁部５６はこの部分の被覆性能を向上させることができる。丸みをつけた縁部はコーティングの接着性と均一性を向上させることができる。

図７に別の例示的な実施形態を示し、ＣＭＣシール６０は、ガスタービン内に第１のブロック２８と第２のブロック３０を含む例示的なシール用途２７の内部に描かれている。図示した通り、ＣＭＣシール６０はコーティングの厚肉部６４を含む。コーティングの厚肉部６４は、封止性を向上させる追加の閉塞効果を与えることができる。さらに、コーティングの厚肉部６４は第１のブロック２８と第２のブロック３０との間の空きスペースの量を減らすことができ、幾つかの用途では有益であろう。コーティングの厚肉部６４は、例えば多層コーティング２２によって形成できる。

上述の通り、ＣＭＣシール１０，４０，５０，６０は高温用途に使用できる。ＣＭＣシール１０，４０，５０，６０の特に適した用途の一つは、ガス又は蒸気タービンのシュラウドダンパー系である。ここで図８及び図９を参照すると、ＣＭＣシール１０，４０，５０，６０を使用し得る例示的なシュラウドダンパー系８０が示してある。このシュラウドダンパー系８０については、米国特許第６９４２２０３号にさらに詳細に記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。当業者には自明であろうが、このシュラウドダンパー系８０は例示にすぎず、ＣＭＣシール１０，４０，５０，６０は他の同様のシュラウドダンパー系にも使用できる。

図８は円周方向の図であり、図９は図８の線９−９に沿った断面図である。シュラウドダンパー系８０は、複数のシュラウド８４が装着された外側シュラウドブロック又はボディ８２を備える。自明であろうが、タービン軸の周囲に複数のシュラウドブロック８２が円周配列で配置され、ガスタービンを流れる高温ガス経路の一部を囲繞してその一部をなす複数のシュラウド８４が装着される。セラミック複合材から作ることのできるシュラウド８４はボルト（図示せず）でシュラウドブロック８２に固定でき、タービン内の高温ガス経路の高温ガスと接する内面を有する。

シュラウドダンパー系８０は、ダンパーブロック／シュラウド接触面、ダンパー荷重伝達機構及びダンピング機構をさらに備えていてもよい。ダンパーブロック／シュラウド接触面は、金属材料（例えば２２００°Ｆまでの高温使用限界を有する超合金材料であるＰＭ２０００）からなるダンパーブロック８６を備えていてもよい。図示したように、ダンパーブロック８６の半径方向内側に面した表面はシュラウド８４の背面と係合させてもよい。ダンパー荷重伝達機構は、ピストン８８を有するピストンアセンブリを含んでいてもよい。ピストン８８の半径方向内側端部はダンパーブロック８６内に収まる。ダンピング機構はスプリング９０を含んでいてもよい。スプリング９０は、構造コンプライアンスの一貫性を確保するための手段として組み立て前に温度及び荷重で慣らしておいてもよい。スプリング９０は、シュラウドブロック８２の背面に沿って形成されたカップ状のハウジング内に据え付けることができる。ピストン８８を半径方向内側に偏らせるため、スプリング９０に予め荷重を加えてピストン８８の一端と係合させてもよい。スプリング９０の反対側端部は、例えばネジで固定したキャップ９２と係合させればよい。

当業者には明らかであろうが、作動時、ダンピング機構のスプリング９０は、ピストン８８及びダンパーブロック８６に対して半径方向内側に向かう力を維持する。一方、ダンパーブロック８６はシュラウド８４の背面に接して、振動を減衰し、特に共鳴周波数又はその付近での振動応答を回避する。

タービンの効率を最大にするには、隣接ダンパーブロック８６間をシールする必要がある。具体的には、隣接ダンパーブロック８６間に有効なシールが存在しないと、排ガスが主流路から逃散して、タービンブレードを迂回して移動する。当業者には自明であろうが、タービンブレードに当たって移動しない排ガスからはエネルギーを抽出できないので、この結果は望ましくない。主流路から逃散した排ガスはタービンの効率を低下させる。図９に示すように、隣接ダンパーブロック８６間の円周方向空間９４が維持される。円周方向空間９４を遮蔽するためダンパーブロック８６間にシールを配置できるように、隣接ダンパーブロック８６間に対向シールスロット９５を形成すればよい。ダンパーブロック８６間の対向シールスロット９５内に配置されるシールはＣＭＣシール１０，４０，５０，６０のいずれでもよいが、以下では便宜上ＣＭＣシール９６という。当業者には自明であろうが、ＣＭＣシール９６は上述の様々な代替的な実施形態のいずれであってもよい。

図１０及び図１１に、シュラウドダンパー系における代替的シール構成のＣＭＣシール９６の概略設計の断面図を示す。図１０は、ＣＭＣシール９６を挿入できる対向シールスロット９５を有する隣接ダンパーブロック８６を示す。図１１は、ＣＭＣシール９６の端部１８をシールスロット９５内に挿入できる別の構成を示す。このシールスロット９５の半径方向内側面の境界は当接シュラウド８４によって画成される。具体的には、シールスロット９５は、ダンパーブロック８６の半径方向内側四分円に切り込まれたノッチ９７によって形成できる。次いで、シールスロット９５の半径方向内側面が閉じられるように当接シュラウド８４を配置すればよい。

いずれの構成においても、作動時に、ＣＭＣシール９６は高温タービン排ガスに曝露される。（用いる実施形態に応じて）非被覆又は部分非被覆の端部１８は酸化されてスウェリングを起こし始め得る。スウェリングによって各端部１８は外に広がり、シールスロット３２の内壁と接触し、シールスロット３２とＣＭＣシール９６の端部１８との間での耐久性の有効なシールの形成を促進する。こうして、隣接ダンパーブロック間の円周方向空間９４は効果的に封止され、ガスは実質的に通過できなくなる。当業者には自明であろうが、上述したＣＭＣシール９６に関する代替的な実施形態、つまりＣＭＣシール１０、ＣＭＣシール４０、ＣＭＣシール５０又はＣＭＣシール６０のいずれを使用してもよい。

本発明の好ましい実施形態に関する以上の説明から、当業者は様々な改良、変更及び修正を想到し得るであろう。このような当業者には自明の改良、変更及び修正は特許請求の範囲に包含される。さらに、以上の説明は本明細書に記載した実施形態のみに関するものであり、特許請求の範囲によって規定される本発明の技術的思想及び技術的範囲並びにその均等の範囲内において数多くの変更や修正をなすことができる。

本発明の例示的な実施形態に係るシールの断面図を示す概略線図。 作動的にスウェリングを起こした後の本発明の例示的な実施形態に係るシールの断面図を示す概略線図。 本発明の例示的な実施形態に係るシールを利用した例示的なシール用途の断面図を示す概略線図。 本発明の例示的な実施形態に係るシールの代替的な端部の断面図を示す概略線図。 作動的にスウェリングを起こした後の図４のシールの代替的な端部の断面図を示す概略線図。 本発明の例示的な実施形態に係るシールの代替的な端部の断面図を示す概略線図。 本発明の別の実施形態に係るシールを利用した例示的なシール用途の断面図を示す概略線図。 本発明の例示的な実施形態に係るシールを利用したガスタービンのシュラウドダンパー系の断面図を示す概略線図。 図８の線９−９に沿った断面図である。 本発明の例示的な実施形態に係るシールを利用したガスタービンのシュラウドダンパー系の断面図を示す概略線図。 本発明の例示的な実施形態に係るシールを利用したガスタービンの別のシュラウドダンパー系の断面図を示す概略線図。

符号の説明

１０ ＣＭＣシール
１４ 内部領域
１６ 長側面
１８ 短側面又は端部
２２ コーティング
２７ 例示的なシール用途
２８ 第１のブロック
３０ 第２のブロック
３２ シールスロット
４０ ＣＭＣシール
４２ 傾斜部
４３ 接触部
５０ ＣＭＣシール
５２ 中央窓
５６ 丸みをつけた縁部
６０ ＣＭＣシール
６４ コーティングの厚肉部
８０ シュラウドダンパー系
８２ 外側シュラウドブロック
８４ シュラウド
８６ ダンパーブロック
８８ ピストン
９０ スプリング
９２ キャップ
９４ 円周方向空間
９５ シールスロット
９６ ＣＭＣシール
９７ ノッチ

Claims (9)

1. ５００℃超の高温環境に曝露されると酸化のためスウェリングを起こす炭化ケイ素セラミックマトリックス複合材料とスロット（３２）内に挿入できる１以上の突出部とを含んでなる内部領域（１４）、及び
   内部領域（１４）の被覆部の酸化スウェリングを実質的に防止する耐環境コーティング（２２）
   を備える高温シールであって、
   耐環境コーティング（２２）が内部領域（１４）の外面に、１以上の突出部の遠位端が部分的に被覆されずに残り、残りの内部領域がコーティングで実質的に被覆されるように配置されている、高温シール。
2. 前記セラミックマトリックス複合材料が連続繊維セラミックマトリックス複合材料を含む、請求項１記載の高温シール。
3. 前記突出部の遠位端の非被覆部が高温環境に曝露されると突出部の酸化スウェリングが起こる、請求項１又は請求項２記載の高温シール。
4. 前記高温環境がガスタービン内の高温ガス経路である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の高温シール。
5. 内部領域（１４）が対向する長側面（１６）と対向する短側面（１８）で画成される略長方形の断面を有しており、短側面（１８）の各々が前記突出部の遠位端をなす、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の高温シール。
6. 短側面（１８）の各々が被覆されていない、請求項５記載の高温シール。
7. 少なくとも１つの長側面（１６）が、短側面（１８）の近傍で内側に傾斜している、請求項５記載の高温シール。
8. 少なくとも１つの短側面（１８）が部分的に被覆されていて、非被覆部が短側面（１８）の略中央で窓（５２）をなす、請求項５記載の高温シール。
9. 窓（５２）の非被覆部が高温環境に曝露されると突出部の酸化スウェリングが起こり、窓（５２）が突出部に望まれるスウェリング量に基づく所定の寸法を有する、請求項８記載の高温シール。
   

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