JP6405185B2 - タービン系の２次空気流を低減するシール部品 - Google Patents

Description

本明細書に開示された主題は、タービン系に関し、さらに詳細には、タービン系の２次空気流を低減するシール部品に関する。

タービンの部品は、通常、高温ガスに直接曝されているため、耐用寿命を満たすために、冷却を必要とする。例えば、圧縮機吐出空気の一部は、タービンのロータの部品を冷却するために、燃焼プロセスから逸らされている。タービンのバケット、ブレード、およびベーンは、通常、その内部に内部冷却溝を有し、運転中は、冷却用の圧縮機吐出空気、その他の冷却ガスを受ける。さらに、バケットを支持するタービンのロータディスクも著しい熱負荷を受けるため、寿命を延ばすために、冷却されることを必要としている。

タービンの主流路は、燃焼ガスがタービンを貫流するときに、流路が制限されるように設計されている。運転中に内部に高温の燃焼ガスが取り込まれるのを防ぐために、タービンロータの構造部品には、主ガス流とは独立した冷却空気が供給されなければならない。また、タービンロータの構造部品は、高温流路のガスへの直接的暴露から遮断される必要がある。このような制限は、タービンロータ構造の内部に高温の空気またはガスが取り込みまれることや逆流を防止するために、回転するタービンバケット同士の間に配置されたロータリーシールによって達成される。このようなロータリーシールは、ロータ構造、ロータ、ロータディスクといった内部部品を完全に保護するには不十分であるため、ロータキャビティに入り、ロータキャビティを通る冷却空気のパージ流をさらに用いなければならない。内部部品を保護するための、このような付加的な手段によって、コストと複雑性が増加し、ガスタービンの性能の妨げとなっている。

米国特許第８，３４８，６０３号明細書

本発明の一態様によれば、タービン系の２次空気流を低減するためのシール部品は、第１のロータディスクの第１のランド部と、第１のロータディスクに動作可能に結合された第１のタービンバケットの第１のプラットフォームとの間に配置されるように構成され、第１のランド部と、第１のプラットフォームとによって径方向に保持されている第１の端部セグメントを含む。また、第２のロータディスクの第２のランド部と、第２のロータディスクに動作可能に結合された第２のタービンバケットの第２のプラットフォームとの間に配置されるように構成され、第２のランド部と、第２のプラットフォームとによって径方向に保持されている第２の端部セグメントを含む。さらに、第１の端部セグメントから、第２の端部セグメントへ軸方向に延びている本体部を含む。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機部と、燃焼器部とを備える。また、第１のロータディスクに取り付けられた第１のタービンバケットと、第２のロータディスクに取り付けられた第２のタービンバケットと、軸方向に第１のロータディスク、および第２のロータディスクの間に配置された固定のタービンノズルとを有するタービン部を備える。さらに、第１のロータディスクと、第２のロータディスクとの間に軸方向に延びている、シール部品を備える。シール部品は、第１のロータディスクの、軸方向に延びている第１のランド部と、第１のタービンバケットの第１のプラットフォームとの間に配置され、第１のランド部、および第１のプラットフォームと接触している、第１の端部セグメントを含む。また、シール部品は、第２のロータディスクの、軸方向に延びている第２のランド部と、第２のタービンバケットの第２のプラットフォームとの間に配置され、第２のランド部と第２のプラットフォームと接触している、第２の端部セグメントを含む。シール部品は、第１の端部セグメントと、第２の端部セグメントとの間に延びている本体部をさらに含む。

本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンエンジンの流路をシールする方法が提供される。本方法は、シール部品の第１の端部セグメントを、第１のロータディスクの、軸方向に延びている第１のランド部に配置するステップを含む。また、本方法は、シール部品の第２の端部セグメントを、第２のロータディスクの、軸方向に延びている第２のランド部に配置するステップを含む。本方法は、軸方向に延びている第１のランド部と第１のプラットフォームとの間で、第１の端部セグメントを径方向に保持するように、第１のタービンバケットの第１のプラットフォームを、第１の端部セグメントに配置するステップをさらに含む。また、本方法は、軸方向に延びる第２のランド部と第２のプラットフォームとの間で、第２の端部セグメントを径方向に保持するように、第２のタービンバケットの第２のプラットフォームを、第２の端部セグメントに配置するステップをさらに含む。

上記およびその他の利点および特徴は、以下の説明を図面と併せて参照することによって、より明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲で特定され、明白に特許請求される。前述の、および本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって明らかとなる。

ガスタービンエンジンの概略図である。 シール部品を含む、ガスタービンエンジンの一部の側面図である。 ガスタービンエンジンの流路をシールする方法を示すフロー図である。

発明を実施するための形態では、本発明の実施形態を、利点と特徴と共に、図面を参照しながら、例示として説明する。

図１を参照すると、例えばガスタービンエンジン等のタービン系が概略的に示され、全体として符号１０で参照される。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機部１２、燃焼器部１４、タービン部１６、ロータ１８、および燃料ノズル２０を含む。ガスタービンエンジン１０の１つの実施形態は、複数の圧縮機部１２、複数の燃焼器部１４、複数のタービン部１６、複数のロータ１８、および複数の燃料ノズル２０を含み得ることが、理解されるべきである。圧縮機部１２とタービン部１６は、ロータ１８によって結合される。

燃焼器部１４は、ガスタービンエンジン１０を作動させるために、天然ガスまたは水素リッチ合成ガス等の、可燃性の液体および／または気体燃料を使用する。例えば、燃料ノズル２０は、空気源および燃料源２２と流体連通している。燃料ノズル２０が、混合気を生成して、燃焼器部１４の中に混合気を吐出して燃焼させることによって、高温の加圧排気ガスが生成される。燃焼器部１４は、高温の加圧ガスを、尾筒を通してタービンノズル（すなわち「第１段ノズル」）と、他の段のバケットおよびノズルに導入し、タービン部１６のアウターケーシング２４内にあるタービンブレードを回転させる。

図２を参照すると、タービン部１６の一部が、さらに詳細に示されている。タービン部１６は、段間に位置するノズル段２６と、第１のタービン段２８および第２のタービン段３０等の、タービン段とを交互に含む。シール部品３２は、第１のタービン段２８と、第２のタービン段３０の間に配置されている。本明細書で説明される実施形態は、ガスタービンエンジン１０のタービン部１６に関して説明されているが、本実施形態は、ガスタービンエンジン１０の圧縮機部１２と併せて使用され得る。

第１のタービン段２８および第２のタービン段３０は、それぞれ、ロータシャフト（図示せず）に取り付けられた、複数のロータディスクのそれぞれを含む。この複数のロータディスクは、このロータシャフトによって、中心軸線を中心に回転する。具体的には、第１のタービン段２８は第１のロータディスク３４を含み、第２のタービン段３０は、第２のロータディスク３６を含む。複数のブレードまたはバケットが、各ロータディスクの外周に、取り外し可能に取り付けられる。例示のために、各段の各タービンバケットを図示する。具体的には、第１のタービンバケット３８は第１のロータディスク３４に取り付けられ、第２のタービンバケット４０は第２のロータディスク３６に取り付けられる。バケットは、軸方向に延びるダブテール接続等の、任意適当な機構によって取り付けられる。一実施形態において、複数のバケットの各々は、対応するロータディスクに取り付けるように構成された、バケットプラットフォームを含む。例示した実施形態において、第１のタービンバケット３８は、第１のプラットフォーム４２を含み、第２のタービンバケット４０は、第２のプラットフォーム４４を含む。本明細書で使用される場合、「軸方向」とは、中心軸線と平行な方向であり、「径方向」とは、中心軸線から延びて、中心軸線に垂直な方向である。「外側」の位置という用語は、径方向において、中心軸線から、「内側」の位置よりさらに離れた位置を指す。

ノズル段２６は、タービン部１６のアウターケーシング２４にそれぞれ動作可能に結合された、複数のノズルベーン４６を含み、径方向に中心軸線に近づく方向に延びている。このアウターケーシング２４は、例えば、タービンシェルや、タービンシェルに取り付けられた、外側支持リングである。一実施形態において、複数のノズルベーン４６はそれぞれ、外側支持リングの直径より小さい直径を有する内側支持リング内側支持リングに取り付けられている。

加熱されたガスまたは空気が、バケットおよびノズル段によって画定される流路５０から離れて、タービン部１６内部へ漏れることを抑制するために、シール部品３２が含まれる。シール部品３２は、回転するロータディスクに対して固定された位置に配置され、したがって、ロータディスクと共に回転する。以下で詳細に述べるように、シール部品３２は、シール部品３２と、第１のタービンバケット３８および第２のタービンバケット４０等の複数のバケットとの間に、シール接続を生じさせる。

シール部品３２は、通常は、単一で、タイドアーチ橋に似た形状の一様な構造であり、ガスタービンエンジン１０の運転に伴う遠心力に対処するように構成される。具体的には、シール部品３２は、比較的平らな部分５４と、アーチ形部分５６と、比較的平らな部分５４およびアーチ形部分５６接続する複数の結合セグメント５８から形成される、本体部５２とを含む。複数の結合セグメント５８は、少なくとも１つ、ただし、通常は複数の、中空部分６０を形成する。複数の中空部分６０は、シール部品３２の全体的な重量および材料費を低減する。

本体部５２が、第１の端部セグメント６２、および第２の端部セグメント６４から軸方向に延びるように、第１の端部セグメント６２と第２の端部セグメント６４は、シール部品３２のそれぞれの軸端に配置されている。第１の端部セグメント６２は、第１のタービンバケット３８と、第１のロータディスク３４の第１のランド部６８との間に配置される。図示されているように、第１のランド部６８は、軸方向に、後方に延びている。具体的には、第１の端部セグメント６２は、第１のタービンバケット３８、および第１のランド部６８それぞれの一部で「挟まれて」いることによって、径方向に保持されている。例示された実施形態において、第１の端部セグメント６２は、第１のランド部６８と径方向外側の面で接触している第１の端部７０と、第１のプラットフォーム４２と径方向内側の面で接触している第２の端部７２とを含む。同様に、第２の端部セグメント６４は、第２のタービンバケット４０、および第２のロータディスク３６の第２のランド部７４それぞれの一部で「挟まれて」いることによって、径方向に保持されている。第２のランド部７４は、軸方向に前方に延びている。第２の端部セグメント６４は、第２のランド部７４と径方向外側の面で接触している第３の端部７６と、第２のプラットフォーム４４と径方向内側の面で接触している第４の端部７８とを含む。

シール部品３２は、図示されている通り、第１のタービン段２８と第２のタービン段３０との間に見られるように、隣接したタービンバケット段同士の間に延びて、隣接した段同士の間に延びる領域をシールする。それぞれの段が、互いに嵌め合いの関係にあることによって、シール部品３２が、軸方向に保持されている。一実施形態においては、フックの配置によって、さらなる軸方向保持が得られる。このような実施形態では、第１の端部セグメント６２および／または第２の端部セグメント６４の一部が、第１のランド部６８、第２のランド部７４、第１のプラットフォーム４２、および／または第２のプラットフォーム４４の受け部と係合する。

シール部品３２は、例えば華氏１５００度以上の昇温に耐え得る高温材料から、鋳造、または他の方法で製造される。このような材料の例には、流路の部品用に使用される合金等の、ニッケル基超合金が含まれる。その上で、またはそれに代えて、シール部品３２を能動的に冷却してもよい。シール部品３２の交換を容易にするために、シール部品３２は、通常、ガスタービンエンジン１０の回転軸線の一部の周りに延びる、円周セグメントとして形成される。

また、図３のフロー図に示され、図１および図２で参照されるように、ガスタービンエンジンの流路をシールする方法１００も提供される。ガスタービンエンジン１０およびシール部品３２は、前述された、特定の構造の部品であり、ここでさらに詳細に説明する必要はない。ガスタービンエンジンの流路をシールする方法１００は、第１のロータディスクの、軸方向に延びる第１のランド部に、シール部品の第１の端部セグメントを配置するステップ１０２を含む。また、本方法は、第２のロータディスクの、軸方向に延びる第２のランド部に、シール部品の第２の端部セグメントを配置するステップ１０４を含む。第１のタービンバケットの第１のプラットフォームは、軸方向に延びる第１のランド部と、第１のプラットフォームとの間で、第１の端部セグメントを径方向に保持するように、第１の端部セグメントに配置される（ステップ１０６）。第２のタービンバケットの第２のプラットフォームは、軸方向に延びる第２のランド部と、第２のプラットフォームとの間で、第２の端部セグメントを径方向に保持するように、第２の端部セグメントに配置される（ステップ１０８）。

本明細書で説明される装置、システム、および方法は、代替システムを超える多くの利点を提供する。例えば、これらの装置、システム、および方法は、部品数を低減することによって、あるいは、冷却ガス流の必要性を低減、または、排除することによって、タービンの効率性および性能の向上という技術的効果をもたらす。例えば、シール部品３２は、他のシール部品やシールアセンブリを支持するためにしばしば利用される、スペーサホイールを使用する必要性を低減する。さらに、タービンの内部キャビティへの空気流の漏れ防止により、必要とされる冷却流のレベルを低減するため、タービンの効率性が向上し、コストが低減される。

本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明が、そのような開示した実施形態に限定されないことは、容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、前述されていないが本発明の原理および範囲に相応する、あらゆる変形、変更、置換、または同等の構成を組み合わせるように、修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態が説明されているが、本発明のある態様は、説明された実施形態の一部のみを含み得ることが理解されよう。したがって、本発明は、前述の説明によって制限されるものではなく、添付の請求の範囲によってのみ制限されるものである。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機部
１４ 燃焼器部
１６ タービン部
１８ ロータ
２０ 燃料ノズル
２２ 空気源および燃料源
２４ アウターケーシング
２６ ノズル段
２８ 第１のタービン段
３０ 第２のタービン段
３２ シール部品
３４ 第１のロータディスク
３６ 第２のロータディスク
３８ 第１のタービンバケット
４０ 第２のタービンバケット
４２ 第１のプラットフォーム
４４ 第２のプラットフォーム
４６ ノズルベーン
５０ 流路
５２ 本体部
５４ 比較的平らな部分
５６ アーチ形部分
５８ 結合セグメント
６０ 中空部分
６２ 第１の端部セグメント
６４ 第２の端部セグメント
６８ 第１のランド部
７０ 第１の端部
７２ 第２の端部
７４ 第２のランド部
７６ 第３の端部
７８ 第４の端部
１００ ガスタービンエンジンの流路をシールする方法

Claims (20)

1. 第１のロータディスク（３４）の第１のランド部（６８）と、前記第１のロータディスク（３４）に動作可能に結合された第１のタービンバケット（３８）の第１のプラットフォーム（４２）との間に配置されるように構成され、前記第１のランド部（６８）と、前記第１のプラットフォーム（４２）とによって径方向に保持されている第１の端部セグメント（６２）と、
   第２のロータディスク（３６）の第２のランド部（７４）と、前記第２のロータディスク（３６）に動作可能に結合された第２のタービンバケット（４０）の第２のプラットフォーム（４４）との間に配置されるように構成され、前記第２のランド部（７４）と、前記第２のプラットフォーム（４４）とによって径方向に保持されている第２の端部セグメント（６４）と、
   前記第１の端部セグメント（６２）から、前記第２の端部セグメント（６４）へ軸方向に延びている本体部（５２）とを備える、
   タービン系の２次空気流を低減するシール部品（３２）。
2. 前記本体部（５２）が、比較的平らな部分（５４）と、アーチ形部分（５６）と、前記比較的平らな部分（５４）および前記アーチ形部分（５６）を接続する複数の結合セグメント（５８）とを含む、請求項１に記載のシール部品（３２）。
3. 前記複数の結合セグメント（５８）が、少なくとも１つの中空部分（６０）を画定する、請求項２に記載のシール部品（３２）。
4. 前記シール部品（３２）が、流路（５０）のガス温度に耐えるように構成された高温材料を含む、請求項１に記載のシール部品（３２）。
5. 前記シール部品（３２）が、タービン軸線の一部の周りに延びている円周セグメントである、請求項１に記載のシール部品（３２）。
6. 前記第１の端部セグメント（６２）が、前記第１のランド部（６８）に隣接するように構成された第１の端部（７０）と、前記第１のタービンバケット（３８）の第１のプラットフォーム（４２）に隣接するように構成された第２の端部（７２）とを含み、前記第２の端部セグメント（６４）が、前記第２のランド部（７４）に隣接するように構成された第３の端部（７６）と、前記第２のタービンバケット（４０）の第２のプラットフォーム（４４）に隣接するように構成された第４の端部（７８）とを含む、請求項１に記載のシール部品（３２）。
7. 前記シール部品（３２）が、隣接したタービンバケットの段同士の間に延びている領域をシールするように構成される、請求項１に記載のシール部品（３２）。
8. 前記第１のランド部（６８）および前記第２のランド部（７４）の少なくとも１つが、前記シール部品（３２）から延びているフックを受けるように構成された受け部を含む、請求項１に記載のシール部品（３２）。
9. 前記シール部品（３２）が、能動的に冷却される構造である、請求項１に記載のシール部品（３２）。
10. 圧縮機部（１２）と、
    燃焼器部（１４）と、
    第１のロータディスク（３４）に取り付けられた第１のタービンバケット（３８）と、第２のロータディスク（３６）に取り付けられた第２のタービンバケット（４０）と、軸方向に前記第１のロータディスク（３４）、および前記第２のロータディスク（３６）の間に配置された固定のタービンノズルとを有するタービン部（１６）と、
    前記第１のロータディスク（３４）と、前記第２のロータディスク（３６）との間に、軸方向に延びているシール部品（３２）とを備え、前記シール部品（３２）が、
    前記第１のロータディスク（３４）の、軸方向に延びている第１のランド部（６８）、および前記第１のタービンバケット（３８）の第１のプラットフォーム（４２）の間に配置され、前記第１のランド部（６８）、および前記第１のプラットフォーム（４２）と接触している、第１の端部セグメント（６２）と、
    前記第２のロータディスク（３６）の、軸方向に延びている第２のランド部（７４）、および前記第２のタービンバケット（４０）の第２のプラットフォーム（４４）の間に配置され、前記第２のランド部（７４）、および前記第２のプラットフォーム（４４）と接触している、第２の端部セグメント（６４）と、
    前記第１の端部セグメント（６２）と、前記第２の端部セグメント（６４）との間に延びている本体部（５２）とを備える、
    ガスタービンエンジン（１０）。
11. 前記本体部（５２）が、比較的平らな部分（５４）と、アーチ形部分（５６）と、前記比較的平らな部分（５４）および前記アーチ形部分（５６）を接続する複数の結合セグメント（５８）とを含む、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
12. 前記複数の結合セグメント（５８）が、少なくとも１つの中空部分（６０）を画定する、請求項１１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
13. 前記シール部品（３２）が、流路（５０）のガス温度に耐えるように構成された高温材料を含む、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
14. 前記シール部品（３２）が、タービン軸線の一部の周りに延びた円周セグメントである、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
15. 前記第１の端部セグメント（６２）が、前記軸方向に延びている第１のランド部（６８）に隣接するように構成された第１の端部（７０）と、前記第１のタービンバケット（３８）の前記第１のプラットフォーム（４２）に隣接するように構成された第２の端部（７２）とを含み、前記第２の端部セグメント（６４）が、前記軸方向に延びている第２のランド部（７４）に隣接するように構成された第３の端部（７６）と、前記第２のタービンバケット（４０）の前記第２のプラットフォーム（４４）に隣接するように構成された第４の端部（７８）とを含む、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
16. 前記シール部品（３２）が、隣接したタービンバケットの段同士の間に延びている領域をシールするように構成される、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
17. 前記軸方向に延びている第１のランド部（６８）、および前記軸方向に延びている第２のランド部（７４）の少なくとも１つが、前記シール部品（３２）から延びているフックを受けるように構成された受け部を有する、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
18. 前記第１の端部セグメント（６２）に接触している、前記第１のロータディスク（３４）の後面と、
    前記第２の端部セグメント（６４）に接触している、前記第２のロータディスク（３６）の前面とをさらに備え、
    前記後面および前記前面が、前記シール部品（３２）を軸方向に保持する、
    請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
19. 前記シール部品（３２）が、能動的に冷却される構造である、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（１０）。
20. シール部品（３２）の第１の端部セグメント（６２）を、第１のロータディスク（３４）の、軸方向に延びている第１のランド部（６８）に配置するステップ（１０２）と、
    前記シール部品（３２）の第２の端部セグメント（６４）を、第２のロータディスク（３６）の、軸方向に延びている第２のランド部（７４）に配置するステップ（１０４）と、
    前記軸方向に延びている第１のランド部（６８）と、前記第１のプラットフォーム（４２）との間で、前記第１の端部セグメント（６２）を径方向に保持するように、第１のタービンバケット（３８）の第１のプラットフォーム（４２）を、前記第１の端部セグメント（６２）に配置するステップ（１０６）と、
    前記軸方向に延びている第２のランド部（７４）と、前記第２のプラットフォーム（４４）との間で、前記第２の端部セグメント（６４）を径方向に保持するように、第２のタービンバケット（４０）の第２のプラットフォーム（４４）を、前記第２の端部セグメント（６４）に配置するステップ（１０８）とを含む、
    ガスタービンエンジン（１０）の流路（５０）をシールする方法（１００）。