JP6259192B2 - 回転装置用のシール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、回転機械に関し、より詳細にはエンジェルウィングシールに関する。

タービンエンジンと共に使用されるロータ組立体は、円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードの列を含む。各ロータブレードは、「バケット」と呼ばれることもあり、前縁及び後縁に沿って共に接続される正圧側面及び負圧側面を有する翼形部を含む。各バケットは、バケットプラットフォームから半径方向外向きに延在する。各バケットは通常、ダブテールを含み、該ダブテールは、プラットフォームとダブテールとの間に延在するシャンクから半径方向内向きに延在している。ダブテールは、ロータブレードをロータディスク又はスプールに結合するのに使用される。

バケットなどの回転部材とガスタービンの静止部材との間に定められるホイールスペースキャビティは、冷却空気でパージされ、ホイールスペース及びロータの温度を所望の温度範囲内に維持するようにし、また、キャビティへの高温ガス路の吸込みを防ぐようにすることができる。ホイールスペースキャビティをシールするためにシールが設けられる。少なくとも一部の公知のロータブレードは、「エンジェルウィング」を含み、該エンジェルウィングは、ブレードからほぼ軸方向に離れて延在して、ガスタービンの固定部品から延在するノズルシールランドと重ね合わせることによりシールを形成する。通常、エンジェルウィングは、ブレードと一体的に鋳造され、全体的に断面でほぼ平坦であり、或いは、エンジェルウィングの一部がタービンエンジン中心線に対して実質的に垂直に延在することができるよう、先端において予備成形された９０度の曲げ部を含む。従って、例えば、隣接するエンジン部品に対するギャップサイズを変えるために、エンジェルウィングシールを調整する必要がある場合には、ギャップサイズは、エンジェルウィングシールを削ることにより一方向（すなわち、軸方向又は半径方向）に対してのみ変えることができる。

一態様では、タービンエンジン用のシールは、タービンエンジンブレードのベースに配置されたシール本体と、シール本体から軸方向に延在するウィング部）とを含む。ウィング部は、エンジンの中心線と実質的に平行な第１の部分と、角度付き上向き部分とを有する。第１の部分は、シール本体と上向き部分との間に配置される。角度付き上向き部分とエンジンの中心線との間の角度は、約０°〜９０°の間にある。

別の態様では、タービンエンジン用のシールを製造する方法は、シールを鋳造するための鋳型を形成するステップを含む。鋳型は、タービンエンジンブレードのベースを形成するシール本体部と、シール本体部から軸方向に延在するエンジェルウィングを形成するウィング部とを含む。エンジェルウィングは、エンジンの中心線に実質的に平行な第１の部分と、角度付き上向き部分とを含み、該第１の部分は、シール本体と角度付き上向き部分との間に配置される。角度付き上向き部分とエンジンの中心線との間の角度は、０°〜９０°の間にある。本方法はまた、該鋳型を用いてシールを鋳造するステップを含む。

さらに別の態様では、タービンエンジン構成は、静止部品と、複数のタービンブレードを有する回転部品とを含む。タービンブレードの各々は、タービンエンジンブレードのベースに配置されたシール本体と、シール本体から軸方向に延在するウィング部とを含む。ウィング部は、エンジンの中心線に実質的に平行な第１の部分と、角度付き上向き部分とを有する。第１の部分は、シール本体と角度付き上向き部分との間に配置される。角度付き上向き部分とエンジンの中心線との間の角度は０°〜９０°の間にある。

例示的なガスタービンの断面図。 図１に示すガスタービンと共に用いることができる例示的なタービンブレードの拡大斜視図。 図２に示す線３−３に沿ったタービンブレードの断面図。 エンジェルウィングシールの一実施形態の斜視図。

図１は、例示的なガスタービン１０の一部を示し、該ガスタービンは、円周方向に間隔を置いて配置され且つ軸方向に延在する複数のファスナー１６により接合された軸方向に離間するロータホイール１２、１３及びスペーサ１４を有するロータ１１を含む。一実施形態では、タービン１０は、第１段ノズル１８及び第２段ノズル２０を有する複数の段１７、１９を含む。一実施形態では、複数のロータブレード２２、２４、例えば、第１段ロータブレード２２及び第２段ロータブレード２４は、第１段ノズル１８及び第２段ノズル２０間でロータホイール１２、１３の周りに円周方向に間隔を置いて配置されている。第１段ロータブレード２２及び第２段ロータブレード２４は、ロータホイール１２、１３に対して回転可能である。

図２は、タービン１０と共に使用される例示的な第１段ロータブレード２２を示す。例示的な実施形態では、ロータブレード２２は、シャンク２８から延在する翼形部を含む。シャンク２８は、プラットフォーム３０と、カバープレート３４を有するシャンクポケット３２とを含む。ダブテール３６は、翼形部２６がロータホイール１２（図１に示す）と結合できるようにシャンク２８から部分的に延在する。例示的な実施形態では、エンジェルウィングシール３８は、ロータブレード２２から外向きに延在する。エンジェルウィングシール３８は、隣接するノズル上に形成されたランド４０（図１に示す）と重なり合ってシールを形成するよう構成されている。一実施形態では、エンジェルウィングシール３８は、高温ガス経路４２を通ってホイールスペース４４に流れる高温ガスの吸込みを制限するよう構成されている。

例示的な実施形態では、エンジェルウィングシール３８は、エンジェルウィング本体４６と、その遠位端に角度付き上向き部分４８と、１以上の湾曲した根元湾曲部５０とを含む。エンジェルウィングシール３８は、下側シール本体表面５２及び上側シール本体表面５４を含む。例示的な実施形態では、下側シール本体表面５２及び上側シール本体表面５４は、エンジン中心線Ｃに対して実質的に平行である。

図３は、ロータブレード２２の一部の断面を示す。例示的な実施形態では、角度付き上向き部分４８は、エンジン中心線Ｃに対して角度Ａで配置される。角度Ａは、約０°〜９０°、より詳細には約６０°〜７０°の角度である。一実施形態では、角度Ａは約６５度である。例示的な実施形態では、エンジェルウィングシール３８の少なくとも一部がタービン１０の静止部材５６の一部と重なり合い、これにより静止部材５６と共にシールを形成する。シールを形成する静止部材５６とエンジェルウィングシール３８の相互作用が、流路４２からの高温ガスがシールを通過するのを実質的に制限する。

例示的な実施形態では、静止部材５６とエンジェルウィングシール３８との間には、軸方向成分と半径方向成分を有するギャップ５８が形成される。軸方向は、全体的に方向Ｌで示され、半径方向は、全体的に方向Ｒで示される。ギャップ５８のサイズを小さくすることにより、シール効果を高めることができる。しかしながら、ギャップ５８のサイズは、タービン１０の部品の温度に基づいて変動する可能性がある。例えば、部品の全てが低温（すなわち、エンジン始動条件時）であるときに、ギャップ５８は第１のサイズとすることができる。部品の全てが暖機された後（すなわち、定常状態作動条件時）、ギャップ５８は、第１のサイズよりも小さい第２のサイズとすることができる。角度付き上向き部分４８の角度Ａ及び長さは、定常状態条件時にギャップ５８のサイズを最小にするようなサイズ及び構成にすることができる。

図４は、エンジェルウィングシール３８の一実施形態の斜視図を示す。例示的な実施形態では、エンジェルウィングシール３８は、例えば鋳造により、調整部６０を備えて形成される。調整部６０は、ギャップ５８のサイズを変えるよう除去可能な追加材料を設けることにより、ギャップ５８の調整を可能にする。本明細書で使用される「調整」は、ギャップ５８のサイズの変更及び／又は最適化を意味する。例えば、タービン１０の始動及びシャットダウン条件時には、部品の温度は絶えず変化しており、過渡状態をもたらす（すなわち、ギャップ５８のサイズが常に変化する）。しかしながら、このような過渡状態は、タービン１０を試験するまでは未知である。試験中、ギャップ５８が軸方向及び半径方向の少なくとも一方において小さすぎると判断された場合、例えば、機械加工によって調整部６０の一部を除去し、ギャップ５８のサイズを大きくすることができる。すなわち、角度付き上向き部分は０°〜９０°の角度にされるので、エンジェルウィングシール３８の再設計又は再鋳造を必要とすることなく、ギャップ５８の半径方向及び軸方向成分を調整することができる。一部の実施形態では、調整部６０は、長さが約０．５ｍｍ〜１３ｍｍの間である。

エンジェルウィングシール３８は、鋳造により形成することができる。このような実施形態では、鋳造用にエンジェルウィングシール３８の鋳造型が形成される。この実施形態では、角度Ａは、鋳造プロセスのスループットを最小にするように設定することができる。別の実施形態では、角度Ａは、鋳造プロセスの所定スループット（すなわち、指定時間期間当たりの鋳造物の個数）を可能にするよう設定することができる。一実施形態では、エンジェルウィングシール３８は、タービン１０の１以上の他の部品と一体的に鋳造される。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ タービン
２２ ロータブレード
３８ エンジェルウィングシール
４２ 流路
４６ ウィング部
４８ 角度付き上向き部分
５６ 静止部材
６０ 調整部
Ｃ エンジン中心線
Ａ 角度

Claims (8)

1. ガスタービンエンジンの静止部品と回転部品と間のシールを製造する方法であって、
   シールを鋳造するための鋳型を形成するステップであって、鋳型が、
   タービンエンジンブレードのベースを形成するシール本体部と、
   シール本体部から軸方向に延在するエンジェルウィングを形成するウィング部であって、エンジェルウィングが、タービンエンジンの中心線と実質的に平行な第１の部分と角度付き上向き部分とを有していて、第１の部分が、シール本体と上向き部分との間に延在している、ウィング部と、
   前記角度付き上向き部分から延在する調整可能先端部を形成するための、ウィング部から延在する先端部であって、その中に鋳込まれる調整可能先端部の材料の部分のための空間を含む先端部と
   を有しており、前記第１の部分から軸方向外向きに延びる中心線（Ｃ）と角度付き上向き部分との間に規定される角度（Ａ）が０°〜９０°の範囲内にある、ステップと、
   前記鋳型を用いてシールを鋳造するステップと、
   前記シールによって形成されるギャップの大きさが軸方向及び半径方向の少なくとも一方で小さすぎると判定された場合に、前記ギャップの大きさが軸方向及び半径方向の少なくとも一方で増大するように、鋳造された前記調整可能先端部から前記材料の部分の量を除去することによってギャップの大きさを調整するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記鋳型に、ニッケル超合金材料を鋳込む、請求項１に記載の方法。
3. 前記鋳型が、角度付き上向き部分と第１の部分との間に延在する弓形セグメントをさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記シール本体部が、タービンエンジンにおいてバケットのシャンクを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記角度付き上向き部分が、タービンエンジンの静止部品に対してシールするよう構成
   されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記角度付き上向き部分が、タービンエンジンの静止部品の一部と重なり合うよう構成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記角度付き上向き部分が、静止部品に形成されたランドと重なり合うよう構成されている、請求項６に記載の方法。
8. 前記エンジンの中心線と角度付き上向き部分（４８）との間の角度が、６０°〜７０°である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。