JP6196442B2 - タービンシュラウド向けの成形ハニカムシール - Google Patents

Description

本出願およびそれによって得られる特許は、全体として、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンの最終段のシュラウド向けの成形ハニカムシール（contoured honeycomb seal）に関する。

一般的に説明すると、ガスタービンエンジンは、高温燃焼ガスのフローを生じさせる燃焼器を含む。高温燃焼ガスはタービンに向かって導かれる。高温燃焼ガスは、機械エネルギーを作り出すように、内部のタービン羽根に回転力を付与する。タービン羽根は、タービンケーシングなどに近接して回転する末端部分を含む。タービン羽根の先端部分がタービンケーシングに近いほど、内部のエネルギー損失は少なくなる。具体的には、先端部分とタービンケーシングとの間の隙間が比較的大きいと、有用な仕事を生じさせることなく高エネルギー燃焼ガスが漏洩することがある。内部の隙間を低減することにより、燃焼ガスの熱エネルギーのより大きな部分が機械エネルギーに変換されて、出力が増加するとともに全体効率が向上することが担保される。

したがって、ガスタービンエンジンに使用される改善された封止システムが望まれている。好ましくは、かかる改善された封止システムは、タービンおよび下流側のディフューザ両方の効率を向上するとともに、全体の動力出力を増加させてもよい。

米国特許出願公開第２０１１／００８５８９３号公報

タービンシュラウド向けの成形ハニカムシールを提供する。

したがって、本出願およびそれによって得られる特許は、タービンエンジンの段を提供する。段は、バケットと、バケットに面するシュラウドと、シュラウド上の成形ハニカムシールとを含んでもよい。成形ハニカムシールは、第１の形状を備えた第１の段差と、成形された形状を備えた第２の段差とを含んでもよい。

本出願およびそれによって得られる特許は、さらに、ガスタービンエンジン用のタービンを提供してもよい。タービンは、複数の段と、複数のバケットと、バケットを取り囲むシュラウドと、シュラウド上に位置付けられ、タービン最終段のバケットに面する成形ハニカムシールと、タービン最終段の下流側にあるディフューザとを含んでもよい。

本出願およびそれによって得られる特許は、さらに、ガスタービンエンジンの段を提供してもよい。段は、バケットと、バケットに面するシュラウドと、第１の段差および成形された第２の段差を備えたシュラウド上の成形ハニカムシールと、成形ハニカムシールの下流側にある成形シュラウド後端（contoured shroud aft end）とを含んでもよい。

本出願およびそれによって得られる特許のこれらならびに他の特徴と改善点は、複数の図面と併せた以下の詳細な説明および添付の請求項を精査することによって当業者には明白となるであろう。

圧縮機、燃焼器、およびタービンを示すガスタービンエンジンの概略図である。 既知のハニカムシールを内部に備えたタービン段の側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールを備えたタービン段の側面図である。 図３の成形ハニカムシールの側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールの代替実施形態を示す側面図である。 本明細書に記載されてもよい成形ハニカムシールを備えたタービン段の代替実施形態を示す側面図である。

ここで、複数の図面を通して同様の番号が同様の要素を指している図面を参照すると、図１は、本明細書で使用されてもよいガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含んでもよい。圧縮機１５は入ってくる空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮された空気流２０を加圧燃料流３０と混合し、その混合物に点火して燃焼ガス流３５を作り出す。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。燃焼ガス流３５は次いでタービン４０に供給される。燃焼ガス流３５はタービン４０を駆動して、機械仕事を生じさせる。タービン４０内で生じた機械仕事は、シャフト４５、および発電機などの外部負荷５０を介して、圧縮機１５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、および／または他のタイプの燃料を使用してもよい。ガスタービンエンジン１０は、７または９シリーズの重荷重ガスタービンエンジンなどを含むがそれらに限定されない、ニューヨーク州スケネクタディ（Schenectady, New York）のゼネラル・エレクトリック社（General Electric Company）によって提供される多数の異なるガスタービンエンジンのいずれか１つであってもよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有してもよく、他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンも本明細書で使用されてもよい。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電機器も、本明細書でともに使用されてもよい。

図２は、タービン段５５の一部分を示す。タービン段５５は、上述のタービン４０などの一部であってもよい。この例では、タービン段５５は、タービン４０の第４段または最終段６０であってもよい。そのため、タービン段５５はディフューザ６５に隣接して位置付けられてもよい。タービン段５５はバケット７０を含んでもよい。バケット７０はエアフォイル７５を含んでもよい。エアフォイル７５は先端部分８０で終わる。シールレールまたは突出部８５が先端部分８０から延在してもよい。他の構成要素および他の構成が本明細書で使用されてもよい。

バケット７０はシュラウド９０に囲まれてもよい。ハニカムシール部材９２は、バケット７０の先端部分８０に隣接してシュラウド９０上に取り付けられてもよい。ハニカムシール９２は変形可能な材料から形成されてもよい。ハニカムシール９２は、第１の段差９４および第２の段差９６を備えたほぼ階段状の形状を有してもよい。シールレール８５は、２つの段差９４、９６の間のどこに位置付けられてもよい。段差９４、９６はほぼ直線または線状の形状９８を有してもよい。他の構成要素および他の構成が本明細書で使用されてもよい。

図３は、本明細書に記載されてもよいタービン段１００の一部分を示す。上述したように、タービン段１００は、ガスタービンエンジン１０のタービン４０とともに使用されてもよい。タービン段１００は第４段または最終段１１０であってもよい。最終段１１０はディフューザ１２０に隣接して位置付けられてもよい。タービン段１００はバケット１３０を中に含んでもよい。バケット１３０はエアフォイル１４０を含んでもよい。エアフォイル１４０はその一端に先端部分１５０を有してもよい。先端部分１５０は、そこから延在するシールレールまたは突出部１６０を有してもよい。他の構成要素および他の構成が本明細書で使用されてもよい。

固定シュラウド１７０はバケット１３０を取り囲んでもよい。図３および４に示されるように、成形ハニカムシール部材１８０は、バケット１３０の先端部分１５０の周りでシュラウド１７０上に取り付けられてもよい。成形ハニカムシール１８０は変形可能な材料１８５から形成されてもよい。成形ハニカムシール１８０は、第１の段差１９０および第２の段差２００を含んでもよい。先端部分１５０の突出部１６０は、第１の段差１９０または第２の段差２００の下方でどこに位置付けられてもよい。第１の段差１９０は第１の形状２０５を有してもよい。この例では、第１の形状２０５はほぼ平坦な線形形状２１０であってもよい。

成形ハニカムシール１８０の第２の段差２００は第２の形状２１５を有してもよい。この例では、第２の形状２１５は部分的に成形された形状２２０であってもよい。部分的に成形された形状２２０は、成形ハニカムシール１８０の一端において交点２３０辺りからディフューザ１２０へと下流に向かって深さが減少してもよい。部分的に成形された形状２２０は、下流に向かって第２の段差の成形部分２５０につながる交点２３０の周りで第２の段差の線状部分２４０を含んでもよい。部分的に成形された形状２２０の角度、深さ、および曲率は様々であってもよい。第２の段差２００は第１の段差１９０よりも長いか、または短くてもよい。他の構成要素および他の構成が本明細書で使用されてもよい。

使用の際、燃焼ガス流３５は、バケット１３０の先端部分１５０とシュラウド１７０の成形ハニカムシール１８０との間に延在する。本明細書に記載される成形ハニカムシール１８０において、線状形状９８を備えた第２の段差９６を削除することによって、タービン段１００の性能が向上する。さらに、付加的な性能上の利益がディフューザ１２０にもたらされる。具体的には、成形ハニカムシール１８０に部分的に成形された形状２２０を単独で、またはディフューザ１２０の形状と組み合わせて使用することによって、ディフューザのフロー条件が改善される。ディフューザ１２０のフロー条件が改善されるということは、半径流および渦流の角度が改善され、全ての圧がディフューザ性能にとって有益になることを意味する。より高い入口圧力（ＰＴＡ）および半径流の角度（φ）が、部分負荷状態および他の状態の間のディフューザ１２０におけるフロー分離を低減してもよい。

本明細書ではタービン段１００を最終段１１０に関して記載してきたが、部分的に成形された形状２２０を備えた成形ハニカムシール１８０は、他の段および他の場所にも同様に適用可能であってもよい。したがって、部分的に成形された形状２２０を使用することによって、段の効率、ディフューザ性能、およびガスタービンの全体性能が改善される。成形ハニカムシール１８０は、修理部品または改造部品の一部の元の機器であってもよい。

図５〜１１は、成形ハニカムシール１８０の様々な代替実施形態を示す。図５は、線状形状２１０を有する第１の段差１９０と、全体的に成形された形状２７０を有する第２の段差２００とを備えた成形ハニカムシール２６０を示す。図６は、線状形状２１０を有する第１の段差１９０と、可変的に成形された形状２９０を有する第２の段差２００とを備えた成形ハニカムシール２８０を示す。図７は、第２の段差２００よりも長い第１の段差１９０を備えた成形ハニカムシール３００を示す。図８は、部分的に成形された形状２２０を有する第１の段差１９０と、やはり部分的に成形された形状２２０を有する第２の段差２００とを備えた成形ハニカムシール３１０を示す。図９は、全体的に成形された形状２７０を有する第１の段差１９０と、やはり全体的に成形された形状２７０を有する第２の段差２００とを備えた成形ハニカムシール３２０を示す。図１０は、可変的に成形された形状２９０を有する第１の段差１９０と、やはり可変的に成形された形状２９０を有する第２の段差２００とを備えた成形ハニカムシール３３０を示す。図１１は、均一に成形された形状３５０が形成されるようにして、全体的に成形された形状２７０を両方が有する第１の段差および第２の段差２００を備えた成形ハニカムシール３４０を示す。したがって、成形ハニカムは、線状形状を備えた第１の段差および成形された形状を備えた第２の段差、または成形された形状を備えた第１の段差および線状形状を備えた第２の段差、あるいは成形された形状としての両方の段差を含んでもよい。他のサイズ、形状、および構成が本明細書で使用されてもよい。

成形ハニカムシール１８０の外形に加えて、図１２は、最終段１１０に隣接したシュラウド後端３６０を示す。この実施形態では、シュラウド後端３６０も、成形ハニカムシール１８０と協働するシュラウド外形３７０を含む。他の構成および他の構成要素も本明細書で使用されてもよい。

上記の記述は、本出願のいくつかの実施形態およびそれによって得られる特許のみに関することは明白であろう。以下の請求項およびそれらの等価物によって定義されるような本発明の全体的な趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者によって本明細書に多数の変更および修正がなされてもよい。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気流
２５ 燃焼器
３０ 燃料流
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ 段
６０ 最終段
６５ ディフューザ
７０ バケット
７５ エアフォイル
８０ 先端部分
８５ 突出部
９０ シュラウド
９２ ハニカムシール
９４ 第１段
９６ 第２段
９８ 線状形状
１００ 段
１１０ 最終段
１２０ ディフューザ
１３０ バケット
１４０ エアフォイル
１５０ 先端部分
１６０ 突出部
１７０ シュラウド
１８０ 成形ハニカムシール
１８５ 変形可能な材料
１９０ 第１段
２００ 第２段
２０５ 第１の形状
２１０ 線状形状
２１５ 第２の形状
２２０ 部分的に成形された形状
２３０ 交点
２４０ 第２の段差の線状部分
２５０ 第２の段差の成形部分
２６０ 成形ハニカムシール
２７０ 全体的に成形された形状
２８０ 成形ハニカムシール
２９０ 可変的に成形された形状
３００ 成形ハニカムシール
３１０ 成形ハニカムシール
３２０ 成形ハニカムシール
３３０ 成形ハニカムシール
３４０ 成形ハニカムシール
３５０ 均一に成形された形状
３６０ シュラウド後端
３７０ シュラウド外形

Claims (13)

1. タービンエンジンの段であって、
   前記タービンエンジンの長軸の周りで半径方向に延在するバケットと、
   前記バケットに面するシュラウドと、
   前記シュラウド上に配置され、前記バケットに面する成形ハニカムシールと、
   を備え、
   前記成形ハニカムシールが、
   前記成形ハニカムシールの上流端から延在する線状形状部を備え、該線状形状部が、前記上流端から延在し、前記長軸に実質的に平行な半径方向内側面を有している、第１の段差と、
   前記第１の段差と半径方向の位置が異なる第２の段差と、
   を備え、
   前記第２の段差が、前記成形ハニカムシールの下流端から延在する成形部であって、前記下流端から延在し、下流方向で前記長軸から離れる方向に連続する半径方向内側面を有する成形部を備え、
   前記第２の段差の前記成形部の半径方向内側面が、前記成形ハニカムシールと前記バケットの間のフローギャップに沿って露出し、
   前記第２の段差がさらに、前記第２の段差の成形部の上流に配置された線状形状部を備え、
   前記第２の段差の前記線状形状部が、前記長軸に実質的に平行に延在する半径方向内側面を有している、
   タービンエンジン段。
2. 前記第２の段差の成形された形状が部分的、全体的又は可変的に成形された形状を含む、請求項１に記載の段。
3. 前記第１の段差の形状が成形された形状を含む、請求項１または２に記載の段。
4. 前記段がタービンの最終段を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の段。
5. 前記成形ハニカムシールの下流側に成形シュラウド後端をさらに備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の段。
6. 前記成形ハニカムシールの下流側にディフューザをさらに備える、請求項１乃至５のいずれかに記載の段。
7. 前記バケットが、エアフォイルと、先端部分と、前記成形ハニカムシールに向かって延在するシールレールとを備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の段。
8. 前記成形ハニカムシールが変形可能な材料を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の段。
9. ガスタービンエンジンのタービンであって、
   前記タービンの長軸に沿って配置され、各々が前記長軸の周りで半径方向に延在する複数のバケットを有する複数の段と、
   前記複数のバケットを取り囲むシュラウドと、
   前記シュラウド上に位置付けられ、最終段のバケットに面する成形ハニカムシールと、
   前記最終段の下流側にあるディフューザと、
   を備え、
   前記成形ハニカムシールが、
   前記成形ハニカムシールの上流端から延在する線状形状部を備え、該線状形状部が、前記上流端から延在し、前記長軸に実質的に平行な半径方向内側面を有する、第１の段差と、
   前記成形ハニカムシールの下流端から延在する成形部を有し、前記第１の段差と半径方向の位置が異なる第２の段差と、
   を備え、
   前記第２段差の前記成形部が、前記下流端から延在し、下流方向で前記長軸から離れる方向に連続する半径方向内側面を有し、
   前記第２の段差の前記成形部の半径方向内側面が、前記成形ハニカムシールと前記バケットの間のフローギャップに沿って露出し、
   前記第２の段差がさらに、前記第２の段差の成形部の上流に配置された線状形状部を備え、
   前記第２の段差の前記線状形状部が、前記長軸に実質的に平行に延在する半径方向内側面を有している、
   ガスタービンエンジンのタービン。
10. ガスタービンエンジンのタービンであって、
    前記タービンの長軸の周りで半径方向に延在する複数のバケットと、
    前記複数のバケットに面するシュラウドと、
    前記シュラウド上に位置付けられ、最終段のバケットに面する成形ハニカムシールと、
    を備え、
    前記成形ハニカムシールが、
    前記成形ハニカムシールの上流端から延在する線状形状部を備え、該線状形状部が、前記上流端から延在し、前記長軸に実質的に平行な半径方向内側面を有する、第１の段差と、
    前記成形ハニカムシールの下流端から延在する成形部を有し、前記第１の段差と半径方向の位置が異なる第２の段差と、
    を備え、
    前記第２段差の前記成形部が、前記下流端から延在し、下流方向で前記長軸から離れる方向に連続する半径方向内側面を有し、
    前記第２の段差の前記成形部の半径方向内側面が、前記成形ハニカムシールと前記バケットの間のフローギャップに沿って露出し、
    前記第２の段差がさらに、前記第２の段差の成形部の上流に配置された線状形状部を備え、
    前記第２の段差の前記線状形状部が、前記長軸に実質的に平行に延在する半径方向内側面を有し、
    前記シュラウドが、前記成形ハニカムシールの下流側の成形シュラウド後端を備え、
    前記成形シュラウド後端が、前記長軸から下流方向へ遠ざかる方向に延在し、前記第２の段差の前記成形部の前記半径方向内側面と整列する半径方向内側面を有している、
    ガスタービンエンジンのタービン。
11. 前記バケットが、エアフォイルと、先端部分と、前記成形ハニカムシールに向かって延在するシールレールとを備える、請求項９または１０に記載のタービン。
12. 前記成形ハニカムシールが変形可能な材料を含む、請求項９乃至１１のいずれかに記載のタービン。
13. 前記成形された形状が、前記成形ハニカムシールの端部に向かって下流方向で深さが減少する、請求項９乃至１２のいずれかに記載のタービン。