JP6224892B2

JP6224892B2 - 強化クロスシール

Info

Publication number: JP6224892B2
Application number: JP2012276310A
Authority: JP
Inventors: ニーレッシュ・ナンドクマール・サラワテ; デイヴィッド・ウェイン・ウェバー; オムプラカッシュ・サムドララ; ヴィクター・ジョン・モーガン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103174468A; US20130161914A1; CN103174468B; JP2013133940A; RU2012155752A; EP2607754A1; US10161523B2; EP2607754B1; RU2604265C2

Description

本開示の主題は、総括的にはガスタービンエンジンのようなターボ機械と共に使用するクロスシールに関し、より具体的には、そこを通り抜ける表面漏洩が低減されたクロスシールに関する。

一般的に説明すると、ガスタービンエンジン及び同様のもののようなターボ機械は、それを通る主ガス流路を含む。主ガス流路は一般に、ガス吸入口、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口を含む。ガス流路から外部への又はガス流路の内部への両方向へのガス漏洩は、全体エンジン性能にとって好ましくない影響を及ぼす可能性があり、一般的に他の点でも望ましくない。ガス通路漏洩は、ガスタービンエンジンの効率を低下させ、燃料コストを増大させ、場合によってはエミッションレベルを増加させる可能性がある。

ガスタービンエンジン内で二次ガス流れを使用して、様々な加熱部品を冷却することができる。具体的には、ガスタービンエンジンにおける圧縮機の後段から抽出された冷却空気は、該ガスタービンエンジン内の部品を冷却するため、また隣接する部品間のギャップ及びキャビティをパージするために使用することができる。隣接する部品間のスロット内にクロスシールを取り付けて、抽出した二次流れの量を該二次流れの高温ガス通路内への漏洩を調量することによって制御することができる。そのため、クロスシールは、高温ガスの吸込み並びにシュラウド、ノズル及び同様のもののようなタービン部品の過熱を防止するのに必要な冷却及びパージ空気の量を制御するために広く使用される。従って、クロスシールは、タービンエンジン運転時における典型的な熱的及び機械的過渡状態に適応するために必要である隣接するタービン部品（シュラウド／シュラウド、シュラウド／ノズルなど）間のギャップをシールすることができる。クロスシールは、これらのギャップを効果的にシールすると同時に、犠牲クロス層の存在により良好な耐摩耗性をも提供するという二重の利点をもたらす。

従って、クロスシール自体を通り抜ける漏洩を減少させることにより、圧縮機段から抽出する二次流れの量を減少させることができる。同様に、クロスシールを通り抜ける漏洩の減少は、タービンの全体の熱効率及び出力の向上をもたらすことができる。最近のクロスシール構造は、シールを実施するためのクロス材料に依存し、或いは、シールのクロス部分だけに圧力低下が存在するときは常に、漏洩速度を十分に低減又は削減できない突出シムの何らかの形態を利用している。

米国特許第７３８９９９１号明細書

従って、クロスシール構造の改良に対する必要性が存在する。このような改良型の構造では、隣接シールスロット間のセグメントギャップを通る漏洩流れを制限すべきである。そこを通り抜ける漏洩を減少させることにより、全体としてのガスタービンエンジンの全体効率及び出力を向上させることができる。

一実施形態では、クロスシールは、第１のクロス層と、第２のクロス層と、それらの間に配置され、該クロス層の少なくとも１つを通る漏洩流路を遮断する１以上の中央シムと、１以上の中央シムから第１のクロス層の反対側に配置された第２のシムとを含み、第２のシムが第１のクロス層の反対側をシールしてクロス層の少なくとも１つを通る別の漏洩流路を遮断する。

別の実施形態では、クロスシールは、隣接するタービン部品の間に配置された第１のクロス層と、隣接するタービン部品の間に配置された第２のクロス層と、第１及び第２のクロス層の間に配置され、クロス層の少なくとも１つを通って隣接するタービン部品に共通のスロットから出る漏洩流路を遮断する１以上の中央シムと、１以上の中央シムから第１のクロス層の反対側に配置された第２のシムとを備え、第２のシムが第１のクロス層の反対側をシールして、クロス層の少なくとも１つを通って共通のスロットから出る別の漏洩流路を遮断する。

本開示のこれら及び他の特徴は、本発明の種々の態様を表した添付図面を参照しながら本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

本発明に関する上記及び他の特徴、態様、及び利点は、複数の図面にわたって同じ参照符号が同じ要素を示す添付図面参照しながら、以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンエンジンの概略図。公知のクロスシールの部分斜視図。タービン部品間に配置された公知のクロスシールの部分斜視図。図３に示すクロスシールの側面図。図３に示すクロスシールの斜視図。本発明の一実施形態に係るクロスシールの側面図。図６に示すクロスシールの斜視図。別の公知のクロスシールの側面図。図８に示す公知のクロスシールの斜視図。本発明の別の実施形態に係るクロスシールの側面図。図１０に示すクロスシールの斜視図。

上記で認識された図面は特定の実施形態を記載しているが、以下の議論において理解されるように、本発明の別の実施形態もまた企図される。全ての場合において、本開示は、限定ではなく代表的なものとして本発明の例示的な実施形態を示している。当業者であれば、多くの他の修正及び実施形態を考案することができるが、これらもまた本発明の原理の範囲及び技術的思想に含まれる。

次に、同じ参照符号が幾つかの図全体を通して同様の要素を表している図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０のような回転機械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を含むことができる。圧縮機１５は、流入空気２０の流れを加圧する。圧縮機１５は、加圧空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、加圧空気２０の流れを加圧燃料３０の流れと混合し、その混合気を点火させて、燃焼ガス３５の流れを形成する。単一の燃焼器２５のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス３５の流れは次に、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０内で生成された機械的仕事は、圧縮機１５並びに発電機及び同様のもののような外部負荷４５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプのシンガス、及び／又は他のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、幾つかの異なるガスタービンエンジンの１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、他の構成を有することができ、他のタイプの部品を使用することができる。本明細書では、他のタイプのガスタービンエンジンもまた使用することができる。本明細書では、複数のガスタービンエンジン１０、他のタイプのタービン及び他のタイプの発電装置を共に使用することができる。本明細書では、他のタイプの回転機械もまた使用することができる。

図２は、公知のクロスシール５０の実施例を示している。クロスシール５０は、幾つかのクロス層５５を含むことができる。クロス層５５は、織物金属クロスを含むことができる。クロス層５５はまた、複合材、セラミックス及びこれらの組み合わせを含むことができる。この実施例では、上部クロス層６０は、シム７０により下部クロス層６５から分離することができる。シム７０は、ステンレス鋼又は他のタイプの材料で製造することができる。シム７０は、クロスシール５０の長さ及び幅に実質的に沿って延在することができる。シム７０はまた、クロス層５５の側部から延在する幾つかの側部フランジ７５を含むことができる。側部フランジ７５は、直線脚部８０及び弓形脚部８５を含むことができる。本明細書では、他の形状も使用することができる。クロス層５５は、シム７０に対してスポット溶接するか又は他の方法で取り付けることができる。本明細書では、複数のシム層もまた使用することができる。クロスシール５０は、あらゆる所望の寸法又は形状を有することができる。他のタイプ及び他の構成のクロスシール５０も公知とすることができる。

図３は、第１の部品９０及び第２の部品９１を含む、幾つかのタービン部品内での公知のクロスシール５０の使用を示している。部品９０、９１は、間にスロットギャップ９３を有する。部品９０、９１は、シュラウド、ノズル、又はあらゆるタイプの隣接する部品とすることができる。図４及び５は、公知のクロスシール５０の簡易側面図及び斜視図をそれぞれ示す。

図６及び７は、本発明の一実施形態に係るクロスシール１００の簡易側面図及び斜視図をそれぞれ示す。クロスシール１００は、幾つかのクロス層６０、６５を含むことができる。この実施形態では、上部クロス層６０及び下部クロス層６５を使用することができる。本明細書では、あらゆる数のクロス層を使用することができる。第１／中央シム７０が、上部クロス層６０及び下部クロス層６５を分離することができる。シム７０は、実質的にクロスシール１００の長さ及び幅に沿って延在することができる。シム７０は、ステンレス鋼又は他のタイプの材料で製造することができる。シム７０はまた、幾つかの側部フランジ７５を含むことができる。この実施例では、側部フランジ７５は、直線脚部８０及び弓形脚部８５を含むことができる。本明細書では、他の形状も使用することができる。クロス層６０、６５は、シム７０に対してスポット溶接するか又は他の方法で取り付けることができる。本明細書では、複数のシム層もまた使用することができる。クロスシール１００は全体として、あらゆる所望の寸法又は形状を有することができる。他のタイプ及び他の構成のクロスシール１００も公知とすることができる。

この実施形態では、クロスシール１００はまた、上部クロス層６０の長さ及び幅に実質的に沿って延在することができる第２／頂部シム／シール１０２を含むことができる。第２のシム１０２は、側部フランジ７５まで延在して、クロス層６０と側部フランジ７５との間にシールを形成することができる。クロスシール１００はまた、下部クロス層６５の長さ及び幅に実質的に沿って延在することができる第３／底部シム／シール１０４を含むことができる。第３のシム１０４は、側部フランジ７５まで延在して、クロス層６５と側部フランジ７５との間にシールを形成することができる。第２／頂部シム／シール１０２は、大部分は上部クロス層６０を覆う。第３／底部シム／シール１０４は、大部分は下部クロス層６５を覆う。漏洩流れは、図３に描かれたセグメントギャップ９３を通って流出することができ、出口区域付近のセグメントギャップ９３の上部のあらゆる物理障壁がこの漏洩を阻止する。第２／頂部及び第３／底部シム１０２、１０４は、クロス層６０、６５の側部からの漏洩流れに対する出口区域全てを覆う。従って、第２／頂部及び第３／底部シム１０２、１０４は、貫通漏洩の一部を阻止すると共に、半径方向及び斜め表面オフセットの間の良好なシール表面を提供する。

中央クロスシールシム７０はまた、シム１０２、１０４が摩滅又は劣化した場合のシール表面として機能する。シム１０２、１０４の追加は、クロス層６０、６５の更なる加圧及び強化を必要とする場合があるが、クロスサイド漏洩を阻止することによって得られる改善は、より堅固なシールに起因して生じる可能性があるあらゆる性能低下よりも大幅に大きいものと予測される。

図８は、別の公知のクロスシール１２０の側面図である。クロスシール１２０は、二重湾曲端部フランジ１２４のペアを有する中央シールシム１２２を含む。シム１２２は、クロス層クロスシール１２０のクロス層６０、６５を超えて延在し、端部フランジシール１２４にて終端することができる。図９は、クロスシール１２０の斜視図である。

図１０は、本発明の別の実施形態に係る二重湾曲端部フランジ１２４を備えたクロスシール１４０を示す。クロスシール１４０は、幾つかのクロス層６０、６５を含むことができる。この実施形態では、上部クロス層６０及び下部クロス層６５を使用することができる。本明細書では、あらゆる数のクロス層を使用することができる。シム１２２は、上部クロス層６０及び下部クロス層６５から分離することができる。シム１２２は、クロスシール１４０の長さ及び幅に実質的に沿って実質的に延在することができる。シム１２２は、ステンレス鋼又は他のタイプの材料で製造することができる。シム１２２はまた、幾つかの側部フランジ１２４を含むことができる。本明細書では、他の形状も使用することができる。クロス層６０、６５は、シム１２２に対してスポット溶接するか又は他の方法で取り付けることができる。本明細書では、複数のシム層もまた使用することができる。クロスシール１４０は、全体として、あらゆる所望の寸法又は形状を有することができる。他のタイプ及び他の構成のクロスシール１４０も公知とすることができる。

この実施形態では、クロスシール１４０はまた、上部クロス層６０の長さ及び幅に実質的に沿って延在することができる第２／頂部シム／シール１０２を含む。クロスシール１４０はまた、下部クロス層６５の長さ及び幅に実質的に沿って延在することができる第３／底部シム／シール１０４を含むことができる。頂部シム／シール１０２は、大部分は上部クロス層６０を覆う。底部シム／シール１０４は、大部分は下部クロス層６５を覆う。シム１０２、１０４の少なくとも１つは、限定ではないが１以上の湾曲フランジ又は二重湾曲フランジを含むことができる側部フランジ１２４まで延在する。なお、側部フランジ１２４として、シム１２２の１つの端部で図１０に示すように上下両方向に分岐して湾曲した２つの側部フランジを有するものを二重湾曲フランジといい、上下いずれか一方向のみに湾曲した１つの側部フランジを有するものを単に湾曲フランジという。シム１２２は、二重湾曲フランジシール又は湾曲フランジシールのペアを含んでいてもよい。上部及び底部シム１０２、１０４は、クロス層６０、６５の側部からの漏洩流れに対する出口区域全てを覆う。従って、頂部及び底部シム１０２、１０４は、貫通漏洩の一部を阻止すると共に、半径方向及び斜め表面オフセットの間の良好なシール表面を提供する。

要約すると、タービン部品と共に使用するクロスシールは、クロス層の少なくとも１つを通る漏洩流路を阻止するため、幾つかのクロス層、クロス層間に配置される中央シム、及びクロス層の端部に配置された端部シールを含むことができる。クロスシールはさらに、クロス層の少なくとも１つを通る別の漏洩流路を阻止するため、頂部側面シム、底部側面シム、又は両方を含むことができる。頂面及び底面シムは、タービンシュラウド、ノズル、又はあらゆるタイプの隣接部品のセグメントギャップ部を通って流出する漏洩流を実質的に阻止するための物理障壁を提供し、また、半径方向及び斜めオフセット中の表面シールの改善を提供する。

上記の説明は、本出願の特定の実施形態のみに関するものであること、並びに本明細書において当業者は特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本発明の一般的技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに多くの変更及び修正を加えることができる点を理解されたい。

６０上部クロス層
６５下部クロス層
７０シム
７５側部フランジ
８０直線脚部
８５弓形脚部
１００クロスシール
１０２第２／頂部シム／シール
１０４第３／底部シム／シール

Claims

第１のクロス層（６０）と、
第２のクロス層（６５）と、
第１のクロス層（６０）と第２のクロス層（６５）との間に配置され、前記クロス層の少なくとも１つを通る漏洩流路を遮断する１以上の中央シム（７０）と、
前記１以上の中央シム（７０）から第１のクロス層（６０）の反対側に配置された第２のシム（１０２）と
を備えるクロスシール（１００）であって、第２のシム（１０２）が第１のクロス層（６０）の反対側をシールして、前記クロス層の少なくとも１つを通る別の漏洩流路を遮断する、クロスシール（１００）。
前記１以上の中央シム（７０）が、二重湾曲フランジシール又は湾曲フランジシールのペアを含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
第２のシム（１０２）が、少なくとも１つの湾曲フランジシールまで延在する、請求項２記載のクロスシール（１００）。
前記１以上の中央シム（７０）から第２のクロス層（６５）の反対側に配置された第３のシム（１０４）をさらに備え、該第３のシム（１０４）が、第２のクロス層（６５）の反対側をシールして、前記クロス層の少なくとも１つを通る別の漏洩流路を遮断する、請求項２記載のクロスシール（１００）。
第３のシム（１０４）が、少なくとも１つの湾曲フランジシールまで延在する、請求項４記載のクロスシール（１００）。
前記１以上の中央シム（７０）が、少なくとも１つの曲線状のフックフランジシール（７５）を含む、請求項１記載のクロスシール（１００）。
第２のシム（１０２）が、少なくとも１つの曲線状のフックフランジシール（７５）まで延在する、請求項６記載のクロスシール（１００）。
前記１以上の中央シム（７０）から第２のクロス層（６５）の反対側に配置された第３のシム（１０４）をさらに備え、該第３のシム（１０４）が、第２のクロス層（６５）の反対側をシールして、前記クロス層の少なくとも１つを通る別の漏洩流路を遮断する、請求項６記載のクロスシール（１００）。
第３のシム（１０４）が、少なくとも１つの曲線状のフックフランジシール（７５）まで延在して、前記クロス層の少なくとも１つを通る別の漏洩流路を遮断する、請求項８記載のクロスシール（１００）。
第１及び第２のクロス層（６０，６５）を内部に受けるように構成された隣接するタービン部品（９０，９１）をさらに備え、前記隣接するタービン部品及び前記クロス層が共に、該隣接するタービン部品に共通の出口スロットを生成し、少なくとも１つのクロス層漏洩流路の少なくとも一部を形成する、請求項１記載のクロスシール（１００）。