JP6054542B2 - ベリーバンドシール回転防止装置を含むガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、一般に、マルチステージのターボ機械のシールに関係し、より具体的には、マルチステージターボ機械における隣接するディスクの間に設けられるシールのための回転防止構造に関する。

エネルギー転換に用いられる様々なマルチステージターボ機械、例えばタービンにおいて、流体は回転運動を生成するために用いられる。ガスタービンにおいて、例えば、ガスは、圧縮器の連続したステージにより圧縮されて、燃焼室内で燃料と混合される。その後、ガス及び燃料の混合物は、回転運動を生成するためにタービンステージに導かれる燃焼ガスを生成するために点火される。タービンステージ及び圧縮器ステージは、典型的には、静止構成要素又は非回転構成要素、例えば羽根構造を有する。そして、静止構成要素又は非回転構成要素は、操作上のガスを操作上のガスを圧縮および膨張するために回転可能な構成要素、例えばロータブレードと協働する。

ロータブレードは、典型的に、ロータシャフト上に回転のために支持されるディスクに取り付けられる。環状アームは、隣接するディスクの対向する部分から延在して、対になっている環状アームを画定する。冷却空気キャビティは、互いに隣接するステージのディスクの間の対となっている環状アームの内側上に形成される。そして、ラビリンスシール（labyrinth seal）は、環状アームと協働する静羽根構造体の内周面に設けられ、高温燃焼ガスのための経路と冷却空気キャビティとの間のガスシールを果たすことができる。隣接するディスクの対立する部分から延在して、対となっている環状アームは、互いに所要間隔を空けて位置する対向端面を画定する。典型的に、その対向端面は、「ベリーバンドシール」として知られているシールストリップを受容するためのスロットが設けられていることができる。シールストリップは、その端面間の隙間を埋めて冷却空気キャビティを通って流れる冷却空気が高温燃焼ガスの通路に漏れることを防ぐ。シールストリップは、円周方向において複数のセグメントからなり、複数のセグメントは、巻かれた端部（lapped）又は段階状の端部で相互接続される。

シールストリップが円周方向に互いに隣接して位置する複数のセグメントからなる場合には、シールストリップは互いに円周方向に位置を変えることができる。位置を変えることによって、シールストリップセグメントの一端部の隣接セグメントとの重なりが増加する場合がある。その一方で、シールストリップセグメントの対向端部は隣接セグメントとの係合が解かれる。そして、シールストリップを通過したガスの通路のための隙間が開く。それ故、典型的にはシールストリップセグメントの円周方向における相対的なシフトを防止するための機構を提供することが望ましい。

米国特許第７，５８１，９３１号

本発明の目的は、マルチステージターボ機械における隣接するディスクの間に設けられるシールのための回転防止構造を提供することである。

本発明の一態様によれば、タービンは、複数のステージを備え、それぞれのステージは回転可能なディスクと、それによって保持されるブレードから成る。少なくとも一対の隣接する回転可能なディスクは、該少なくとも一対の隣接する回転可能なディスク間の環状隙間を画定して、該環状隙間と整列した対向するシールバンド受容スロットを有する。シールバンドは、対向するシールバンド受容スロット内に位置して環状隙間をシールすると共に、対向するシールバンド端部を含む。少なくとも一つの貫通開口部は、対向するシールバンド端間のシールバンド内に形成されている。基底部を含む回転防止体は環状隙間内のシールバンド端部の間に位置する。そして、ピン部は、少なくとも１つのディスクの切欠部と係合のため、基底部から軸方向に延在する。突起は、基底部から延在しており、環状隙間内のある位置においてシールバンド中の少なくとも一つの貫通開口部を通って延在する。突起は、回転防止体をシールバンドに取り付ける取付け構造を画定する。

突起は、基底部と一体的に形成されることができる。取付け構造は、突起とシールバンドとの間に溶接ジョイント(welded joint)を含むことができる。

一般に、貫通開口部は、シールバンド端部間の中間位置に位置できる。

回転防止体はシールバンドの半径方向内側面上に位置することができ、基底部は、シールバンドの内側向き面に対して係合する半径方向外側向き面(radially outwardly facing side)を含むことができる。

基底部はシールバンドの長さに沿って位置する細長い寸法を有することができる。そして、少なくとも２つの突起が細長い寸法に沿って間隔を置かれることができて、シールバンドの対応する貫通開口部を通って半径方向に延在することができる。そして、突起の各々が溶接ジョイントによって、シールバンドに取り付けられる。ピン部は、一般に突起間の中間位置で基底部から延在することができる。

ネジ孔は突起の間の基底部において、形成されることができる。ネジ孔は、突起をシールバンドに取り付ける取付け動作の間、シールバンドに係合する回転防止体を保持するためのシールバンドを通って延在するねじ軸を受けることができる。

本発明の別の態様によれば、複数のステージからなるタービンが提供される。それぞれのステージは、回転可能なディスクと該回転可能なディスクにより保持されるブレードから成る。少なくとも一対の隣接する回転可能なディスクは、その少なくとも一対の隣接する回転可能なディスク間の環状隙間を画定して、環状隙間に整列された対向するシールバンド受容スロットをそれぞれ有する。シールバンドは環状隙間をシールするその対向するシールバンド受容スロット中に位置し、対向するシールバンド端部を含む。基底部を含む回転防止体は、環状隙間内のシールバンド端部間に位置して、シールバンドの内側向き面に対して係合する半径方向外側向き面を含む。そして、ピン部は少なくとも一つのディスクの切欠部との係合のための基底部から軸方向に延在する。一対の離間した突起は、基底部から環状隙間内のある位置でシールバンド中の貫通開口部内へ延在する。突起は、回転防止体をシールバンドに取り付ける取付け構造を画定する。

突起は、基底部と一体的に形成されることができる。取付け構造は、突起とシールバンドとの間に溶接ジョイントを含むことができる。溶接ジョイントは、シールバンドの半径方向外側向き面で形成されることができて、ディスク間の環状隙間内に形成される。

一般に、貫通開口部はシールバンド端部の中間位置に位置できる。

基底部はシールバンドの長さに沿って位置する細長い寸法を有することができる。そして、２つの突起はその細長い寸法に沿って離間して位置する。ピン部は、一般にＴ字状の構成要素を形成するために、一般に突起と突起との中間位置で基底部から延在することができる。

アパーチャーは突起を受けているその開口部の間のシールバンドにおいて、形成されることができる。そして、孔は基底部に形成されると共に、シールバンドの孔に整列されることが可能である。シールバンドの孔は、回転防止体をシールバンドに取り付ける取付け動作の間、シールバンドに係合する回転防止体を保持するための保持構造部を受ける。基底部において形成される孔はネジ孔であることができる。保持構造部は、ねじ軸（threaded shaft）を備えることができる。ねじ軸は、シールバンドに係合して回転防止体を保持するためのホールに係合するためにシールバンドを通って延在する。

特許請求の範囲と共に明細書において、本発明を示して明確に説明しているが、同様の参照番号で同様の要素が識別される添付の図面を参照することで本発明はより理解される。

本発明に係る回転防止構造を含む一部のガスタービンエンジンの断面図である。 本発明の一態様に係るシールバンドに関連する回転防止構造を例示する分解斜視図である。 シールバンドに組み付けられており、一対の隣接する回転可能なディスクに関して示される回転防止構造の斜視図である。 溶接取付け動作によって、シールバンドに組み立てられる回転防止体を含む回転防止アセンブリの断面図である。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明において、この部分を形成する添付の図面の参照がなされる。添付の図面において、制限されることなく、実施されることができる特定の好ましい実施形態として本発明が示される。他の実施形態が利用できること、及び本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更がなされ得ることを理解すべきである。

図１には、タービン・エンジン１０の一部が図示されている。タービン・エンジン１０は、概略的に隣接するステージ１２、１４を含む。ステージ１２、１４のそれぞれは、静止羽根アセンブリ１６のアレイ及び回転羽根１８のアレイを備える。そこにおいて、羽根アセンブリ１６及びブレード１８は、タービン・エンジン１０の軸方向にある羽根アセンブリ１６とブレード１８との交互アレイを有するタービン・エンジン１０内で円周方向に配置される。ブレード１８は、スピンドル・ボルト２２で隣接するディスクに固着されたロータディスク２０上に支持される。羽根アセンブリ１６及びブレード１８は、環状ガス通路２４内に延在する。そして、ガス通路２４を通過して導かれる高温ガスは羽根アセンブリ１６及びブレード１８を通り越して残りの回転構成要素へ流れる。

ディスクキャビティ２６、２８は、ガス通路２４から半径方向内側へ位置する。好ましくは、パージ空気は、羽根アセンブリ１６の内側通路を通ってディスクキャビティ２６、２８に通過する冷却ガスから供給され、ブレード１８を冷やすと共に、ガス通路２４の高温ガスの圧力と釣り合せる圧力を供給する。加えて、ラビリンスシール３２を備えるステージ間のシール（interstage seal）は、羽根アセンブリ１６の半径方向内側(inner side)で支持されて、隣接するディスク２０の対向する部分から軸方向に延在する対となっている環状ディスクアーム３４、３６上に画定される表面に係合する。環状冷却キャビティ３８は、対となっている環状ディスクアーム３４、３６の半径方向内側上に隣接するディスク２０の対向する部分間に形成される。環状冷却空気キャビティ３８は、ディスク２０を冷却するためにディスク通路を通過する冷却空気を受ける。

図４には、本発明のシールストリップアセンブリ４６を描写するため、隣接する２つのディスク２０のディスクアームが図示されている。ディスク２０及び関連ディスクアーム３４、３６がローター中央線周りの完全な円周を延在する環状構造を画定することが理解される。ディスクアーム３４、３６は、互いに近接して離間して位置する対向するディスク端面４８、５０をそれぞれ画定する。円周方向に延在するシールバンド受容スロット５２、５４（図３も参照）は、ディスク端面４８、５０にそれぞれ形成されている。そこにおいて、スロット５２、５４は、ディスク端面４８、５０間に画定される環状隙間６９と半径方向（radially）に整列される。加えて、ディスクアーム３４、３６は、概して、少なくとも一つの切欠部又は半径方向開口部（radial opening）５６、５８を含む。半径方向開口部５６、５８は、それぞれのディスクアーム３４、３６の半径方向外側面６４、６６の方へ半径方向内側面６０、６２から延在していて、端面４８、５０から内側向きに軸方向に延在していて、スロット５２、５４と交差する。半径方向開口部５６、５８は、開口部５６によって例示されているように外側面６４、６６の方へ部分的な距離を延長でき、又は内側面６２から外側面６６までディスクアーム３６を通って延在する半径方向開口部５８によって図示されているように、ディスクアーム３４、３６を通り抜けて全ての距離を延長できる。

図２によれば、シールストリップアセンブリ４６は、円周方向に延在するベリーバンドシールを形成するシールバンド６８を含む。シールバンド６８は、対向するシールバンド端部６５、６７を含む。対向するシールバンド端部６５、６７は、対向する対向端面４８、５０において画定されたスロット５２、５４（図３及び図４）中にそれぞれ配置される。シールバンド６８は、端面４８、５０の間に環状隙間６９にわたっており、冷却空気キャビティ３８とディスクキャビティ２６、２８との間のガスの流れを防止するか又は実質的に制限するためのシールを画定する。

ディスクアーム３４、３６の半径方向開口部５６、５８が、ベリーバンドシールに関連する従来の技術回転防止構造（図示せず）との係合のために典型的に提供される点に注意されることができる。例えば、周知の回転防止構造は、ベリーバンドシールに取り付けられて、軸方向に開口部５６、５８内へ延在するブロック構造物であることができる。そこにおいて、回転防止構造と開口部５６、５８の側面との間の係合は、ベリーバンドシール又はシールの部分の円周移動を防止するか又は制限する。この種の回転防止構造は米国特許第７，５８１，９３１号において例示されており、その特許は本願明細書に参照により組み込まれる。後述するように、本発明は既存のディスクアーム構造を利用できる反回転装置を提供し、シールバンド６８の回転を防止するために、一つ以上の半径方向開口部５６、５８を利用することを含む。

更に、シールバンド６８がそのシール機能を維持するためにタービン動作の特定の期間の後に置き換えられることを必要とする一つの「摩耗（wear）」部品である点に留意する必要がある。シールバンドを交換するための手順は、概してインショップ動作（in-shop operation）としてローターデスタック（rotor de-stack）の間に、実行された。本発明の一態様によれば、シールバンド６８の置換及び本願明細書において記載されている回転防止構造の設置は、インフィールド動作（in-field operation）として実行されることができる。

図２を参照すると、本発明の一態様によれば、シールストリップアセンブリ４６は、円周方向に第１及び第２の端部７２、７４の間に延在する細長い寸法を有する基底部７０を含む回転防止体７５を更に含む。回転防止体７５の本体部分７０は、ディスクアーム３４、３６の対向端面４８、５０の間に間隔より小さい対向する第１及び第２の軸方向端部７６、７８の間に定められる軸方向寸法を有して、環状隙間６９の中に完全に嵌合するために必要な大きさにされる。

ピン部８０は、通常、第１及び第２の端部７２、７４の中間位置において、基底部７０の第１軸方向端部７６から軸方向に延在しており、ディスクアーム３４（図４）において半径方向開口部５６にまで軸方向に延在するように必要な大きさにされる。基底部７０及びピン部８０は、好ましくは互いに一体的に形成され、回転防止体７５のためのＴ字状の構成を画定する。本実施形態のＴ字状の構成がシールバンド６８の回転に抵抗するために半径方向開口部５６、５８のうちの１つだけとの係合を提供し、この構成は開口部５６、５８の両方とも係合するように構成される構造によって提供され得るものより、より軽量の回転防止装置（lower mass anti-rotation device）を提供する点に注意されることができる。

第１及び第２の突起８２、８４を備える一対の半径方向に延在する部材は、回転防止回転本体７５の基底部７０の半径方向外側向き面８６から延在する。突起８２、８４は、好ましくは本体部分７０と一体的に形成されて、一般にシールバンド６８の端部６５、６７間の中間位置に位置する、シールバンド６８に形成された貫通開口部８８、９０にまで延在するのに適合する。好ましくは、突起８２、８４は、半径方向に延在する寸法を有する。すなわち、突起８２、８４は、半径方向外側向き面８６と直交する方向において延在しており、その寸法は、シールバンドの厚さより大きい。

図３を参照すると、回転防止体７５の組み立て動作及び取付け動作において、シールバンド６８をディスクアーム・スロット５２、５４の中に位置させた後に、回転防止体７５をシールバンド６８の方へ移動させてシールバンド６８の半径方向内側面９２と接触する係合位置に外側向き面８６を配置させる。係合位置において、突起８２、８４（図３に示される１つの突起だけが図示されている）の外端部は、シールバンド６８の半径方向外側面９４を超えて外側に延在する。突起８２、８４は、半径方向開口部５６内に係合するピン部８０と共にシールバンド６８上に回転防止体７５を保持するために、シールバンド６８と協同するための取付け構造を画定する。本発明の一実施形態によれば、シールバンド６８上の適所に溶接されている突起８２を通る断面図であると共に、突起８２をシールバンドに取り付ける一つ以上の溶接継手（weld joint）９６を示す図４に図示するように、突起８２、８４は、溶接接続によって、シールバンド６８に固定されることができる。

図３を参照すると、本発明の一態様によれば、一時的な保持構造部９８は、溶接動作の間、シールバンド６８の位置に回転防止体７５を保持するために提供されることができる。シールバンドは、開口部８８、９０間に位置するアパーチャー１００（図２）を伴って形成されることができ、基底部７０はシールバンド６８のアパーチャー１００に整列された対応するネジ孔１０２を伴って形成される。保持構造部９８は、その上に支持される円筒状ねじナット１０６を有するねじ軸１０４を備える工具９９を追加的に含む。ねじナット１０６は、ねじ軸１０４を回転させるためにユーザがナット１０６を握ることを容易にするために、ぎざぎざの外側面を有することができる。ねじ軸１０４はアパーチャー１００を通過して孔１０２に係合するとうに大きさが決められる。ワッシャ１０６はシールバンド６８の外側面９４に対して配置されて、溶接動作の間、シールバンド６８の内側面９２に係合する回転防止体７５を保持する。溶接動作の間、シールバンド６８と係合する位置に回転防止体７５を動かないようにきちんと確実に固定する（positively clamping）ことによって、一時的な保持構造部９８が突起８２、８４で大幅に改善された溶接品質を提供すると思われている。シールバンドに突起８２、８４を溶接させることに続いて、ねじ軸１０４は孔１０２から抜き出してシールストリップ組立て４６から保持構造部ツール９９を取り外すことができる。

溶接が回転防止体７５をシールバンド６８に固定する１つの方法であるが、他の手段によって、例えば一つ以上のボルト又はリベットを用いて、回転防止体７５がシールバンド６８に固着され得る点に留意する必要がある。

回転防止体７５はシールバンド６８に取り付けられており、ピン部８０は、半径方向開口部５６内に位置する。半径方向開口部５６では、ピン部８０の対向する円周方向向き面８０ａ、８０ｂが半径方向開口部５６のそれぞれの対向する側面（例示される横の５６ｂだけ）に対して係合してシールバンド６８の円周方向における移動を防止するか又は制限する。上記の如く、回転防止体７５は、ディスクアーム３４、３６上に形成される既存の構造と連動して用いられるのに適している。すなわち、アーム３４、３６に機械加工又は他の改造を必要としない。それ故、本発明の一態様によれば、本回転防止体７５は現場交換可能な装置である。本回転防止体７５は、例えば、それはタービン・エンジン１０のためのルーチン又は予定の保守行事（maintenance event）の間に取り付けられることができて、既存のベリーバンドシールの置換によって、取り付けられることが可能である。

更に、現在の回転防止装置の１つの利点は、回転防止本体７５の取付けである。取付けにおいて、露出される領域に、すなわちシールバンド６８の外側面９４において、緩くなる場合があり、または、他の構成要素、例えば、ステージ間のシールからのゆるい物体、から解放されることができる物体におそらく影響を受けることがある別個のファスナー（fastener）又は他の構成要素を必要とせずに、溶接接続部(weld connection)はシールバンド６８と突起８２、８４の間に設けられている。特に、好ましくは、突起８２、８４の半径方向外側の側面は通常、シールバンド６８の外側面９４と同一平面上である。それ故に、溶接領域９６が外側面９４から突出しないことを確実にする。そして、好ましくは、物体、すなわち、外側面９４を横切っているゆるい物体からの衝撃を受けるかもしれない特徴を回避する。しかしながら、特定の本発明の一態様の範囲内で、開口部８８、９０を通過していると共に、シールバンド６８と基底部７０との間に係合する突起によって、シールバンド６８の位置において、回転防止体７５が保持されることができる。また、回転防止体７５が、例えば、リベット又はネジを含んでいるファスナーを備えることができることを理解すべきである。

本発明の具体的な実施形態を説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく様々な他の変更と修正が行われることができることは当業者にとって明らかである。従って、この発明の範囲内にあるこのような変更及び修正はすべて、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。

１０ タービン・エンジン
１２、１４ ステージ
１６ 静止羽根アセンブリ
１８ ブレード
２０ ロータディスク
２２ スピンドル・ボルト
２４ 環状ガス通路

Claims (18)

1. 複数のステージであって、それぞれのステージが回転可能なディスクと該回転可能なディスクによって保持されたブレードを備え、少なくとも一対の隣接する回転可能なディスクが該一対の隣接する回転可能なディスク間の環状隙間を画定すると共に前記環状隙間と整列された対向するシールバンド受容スロットをそれぞれ有する複数のステージと、
   前記対向するシールバンド受容スロット内に位置して前記環状隙間をシールすると共に対向するシールバンド端部を備えるシールバンドと、
   前記対向するシールバンド端部間の前記シールバンド内に形成された少なくとも一つの貫通開口部と、
   前記環状隙間内の前記シールバンド端部間に位置する基底部と、少なくとも一つの前記ディスクの切欠部との係合のために前記基底部から軸方向に延在するピン部とを備える回転防止体であって、前記基底部が前記環状隙間の中に完全に嵌合するような大きさになっている、回転防止体と、
   前記基底部から、そして、前記環状隙間内の位置で前記シールバンドの前記少なくとも一つの貫通開口部を通って延在する突起であって、前記回転防止体を前記シールバンドに取り付ける取付け構造物を画定する突起と、
   を備えるタービン。
2. 前記突起が、前記基底部と一体的に形成される、請求項１に記載のタービン。
3. 前記取付け構造物は、前記突起と前記シールバンドとの間に溶接接合点を含む、請求項２に記載のタービン。
4. 前記貫通開口部は、前記シールバンド端部間の中間位置に位置する、請求項１に記載のタービン。
5. 前記回転防止体は、前記シールバンドの半径方向内壁上に位置する、請求項１に記載のタービン。
6. 前記基底部は、前記シールバンドの内側向き面に対して係合する半径方向外側向き面を含む、請求項５に記載のタービン。
7. 前記基底部は、前記シールバンドの長さに沿って位置する細長い寸法と、前記細長い寸法に沿って間隔していると共に前記シールバンドの対応する貫通開口部を通って半径方向に延在する少なくとも２つの突起であって、それぞれの突起が溶接接合点によって前記シールバンドに取り付けられている少なくとも２つの突起とを有する、請求項１に記載のタービン。
8. 前記ピン部は、前記突起間の中間位置で前記基底部から延在する、請求項７に記載のタービン。
9. 前記突起間において前記基底部に形成されたネジ孔を含み、前記ネジ孔は、前記突起を前記シールバンドに取り付ける取付け動作の間、前記シールバンドに係合する前記回転防止体を保持するために、前記シールバンドを通って延在するねじ軸を受ける、請求項７に記載のタービン。
10. 複数のステージであって、それぞれのステージが回転可能なディスクと該回転可能なディスクによって保持されたブレードを備え、少なくとも一対の隣接する回転可能なディスクが該一対の隣接する回転可能なディスク間の環状隙間を画定すると共に前記環状隙間と整列された対向するシールバンド受容スロットをそれぞれ有する複数のステージと、
    前記対向するシールバンド受容スロット内に位置して前記環状隙間をシールすると共に対向するシールバンド端部を備えるシールバンドと、
    前記環状隙間内の前記シールバンド端部間に位置すると共に前記シールバンドの内側向きの面に対して係合する半径方向外側向き面を含む基底部と、少なくとも一つの前記ディスクの切欠部との係合のために前記基底部から軸方向に延在するピン部と、を備える回転防止体であって、前記基底部が前記環状隙間の中に完全に嵌合するような大きさになっている、回転防止体と、
    前記基底部から、そして、前記環状隙間内の位置で前記シールバンドの貫通開口部にまで延在する一対の突起であって、前記回転防止体を前記シールバンドに取り付ける取付け構造物を画定する一対の突起と、
    を備えるタービン。
11. 前記突起は、前記基底部と一体的に形成される、請求項１０に記載のタービン。
12. 前記取付け構造物は、前記突起と前記シールバンドとの間に溶接接合点を含む、請求項１１に記載のタービン。
13. 前記溶接接合点は、前記シールバンドの半径方向外側向きの面で形成されていると共に、前記ディスク間の前記環状隙間内に形成される、請求項１２に記載のタービン。
14. 前記貫通開口部は、前記シールバンド端部間の中間位置に位置する、請求項１０に記載のタービン。
15. 前記基底部は前記シールバンドの長さに沿って位置する細長い寸法を有し、
    前記一対の突起は、前記細長い寸法に沿って離間して位置する、請求項１０に記載のタービン。
16. 前記ピン部は、前記突起間の中間位置で前記基底部から延在してＴ字状の構成要素を形成する、請求項１０に記載のタービン。
17. 前記突起を受容する前記貫通開口部間の前記シールバンドに形成されたアパーチャーと、
    前記基底部に形成される孔であって前記突起を前記シールバンドに取り付ける取付け動作の間に前記シールバンドに係合する前記回転防止体を保持するための保持構造部を受けるために前記シールバンドの前記孔と整列される際に合わせられる孔とを含む、請求項１０に記載のタービン。
18. 前記基底部に形成される前記孔はネジ孔であり、
    前記保持構造部は、前記シールバンドに係合する前記回転防止体を保持するために前記ネジ孔に係合するため前記シールバンドを通って延在するねじ軸を備える、請求項１７に記載のタービン。

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