JP6967920B2 - シムベースと、内部に形成された多数のキャビティを備えたガスタービンエンジンのシール及び、ガスタービンエンジンのシールを形成する方法 - Google Patents

シムベースと、内部に形成された多数のキャビティを備えたガスタービンエンジンのシール及び、ガスタービンエンジンのシールを形成する方法 Download PDF

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Description

本開示は、一般に、ガスタービンエンジンシールに関し、より具体的には、シムベースと、付加製造を使用してシムベースとの単一の一体構造として内部に形成された多数のキャビティを備えたハニカム構造とを有するガスタービンエンジンのシールに関する。
ガスタービンエンジン構成要素間のシーリングスロットには、しばしばスキュー、オフセット、欠落、および／または傷があり、構成要素間の剛性シールによる効果的なシーリングを妨げる場合がある。薄いシムは、スキューおよびオフセットにかかわらず構成要素間にシールを形成するのに十分な汎用性があるが、組立中に破砕する傾向がある。布製のシールは可撓性かつ耐破砕性であるが、単一のシムと同様にシールすることができない。シムが機械的に結合された層であるラミネートシールは、構成要素間に十分なシールを提供することができるが、組立中に依然として破砕して変形する可能性がある。したがって、様々なシーリング、耐破砕性、および可撓性の要件を満たすことができるガスタービンエンジンのシールアセンブリが必要とされている。
米国特許第８６７８７５４号
上記の必要性および／または問題の一部またはすべては、本明細書に開示されるシールの特定の実施形態によって対処され得る。一実施形態によれば、ガスタービンエンジンのシールは、シムベースと、多数の隣接するキャビティとを含む。いくつかの例では、シムベースおよび多数の隣接するキャビティは、付加製造を使用して単一の一体構造として形成される。
本開示の他の特徴および態様は、以下の図および詳細な説明を検討することにより、当業者に明らかであるか、または明らかになるであろう。すべての他の特徴および態様、ならびに他のシステム、方法、およびアセンブリの実施形態は、説明内に含まれることが意図され、添付の特許請求の範囲内であることが意図される。
詳細な説明は、添付の図面を参照して説明される。同じ参照番号の使用は、類似または同一の項目を示すことができる。様々な実施形態は、図面に示された以外の要素および／または構成要素を利用してもよく、いくつかの要素および／または構成要素は、様々な実施形態において存在しなくてもよい。図の要素および／または構成要素は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。本開示を通じて、文脈に応じて単数および複数の専門用語を互換可能に使用することができる。
本開示の１つまたは複数の実施形態によるガスタービンエンジンを示す図である。 本開示の１つまたは複数の実施形態によるシールを示す図である。 本開示の１つまたは複数の実施形態によるシールを示す図である。 本開示の１つまたは複数の実施形態によるシールを示す図である。
以下に、ガスタービンエンジンの構成要素間にシールを形成するために使用できるシール（ならびにシールの個々の構成要素）の実施形態を説明する。シールを作製および使用する方法もまた、開示される。シールは、シムベースと、シムベースとの単一の一体構造として内部に形成された多数のキャビティを備えたハニカム構造とを含むことができる。たとえば、シムベースおよび隣接するキャビティを備えたハニカム構造は、付加製造を使用して単一の一体構造として形成することができる。例示的な付加製造技術は、３Ｄ印刷などを含み得る。直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）が、シールを製造するために使用することができる１つの例示的な製造技術である。粉末融接（レーザ金属蒸着とも呼ばれる）は、キャビティを形成するために使用され得る別の例示的な製造技術である。バインダージェットは、キャビティを形成するために使用され得る別の例示的な製造技術である。シールは、キャビティが追加的に構築されるシムストックを使用した、ハイブリッド製造されたシールとすることができる。任意の製造技術を、使用してもよい。いくつかの例では、シムベースおよびハニカム構造は、別々に製造し、その後に互いに固定することができる。すなわち、シールの様々な構成要素を部品として構築し、その後にろう付け、溶接などによって共に組み立てることができる。
「ハニカム」という用語は、隣接するキャビティ構造を説明するために使用され得るが、キャビティは、任意のサイズ、形状、または構成であってもよい。したがって、「ハニカム」という用語は、キャビティの形状を六角形などの特定の構造に限定することを意図していないが、いくつかの例では、キャビティは、六角形であってもよい。さらに、ハニカム構造およびそれによって形成されたキャビティの配向は、シムに対する任意の方向であってもよい。
いくつかの例では、キャビティの各々は、異なる高さで閉塞（すなわち、閉鎖）されてもよい。たとえば、キャビティの各々は、異なるずらされた不均一な高さで閉塞されてもよい。他の例では、一部のキャビティのみが閉塞されてもよい。さらに他の例では、すべてのキャビティが同じ高さで閉塞されてもよい。さらに他の例では、一部のキャビティが同じまたは異なる高さで閉塞されてもよく、その他は閉塞されなくてもよい。すなわち、キャビティの一部のみが、閉塞されることがある。いくつかの例では、キャビティは多孔質キャビティであってもよく、その一部またはすべてが開放端または閉塞端であってもよい。特定の実施形態では、シムベースは、隣接するキャビティの交互の端部に配置される多数のシムベースを含むことができる。
上述したように、キャビティは多数の異なる形状の多孔質キャビティを備え、その一部またはすべてが開放端または閉塞端であってもよい。キャビティは、サイズ、形状、および構成が異なる場合がある。すなわち、一部のキャビティは、他のキャビティより大きいおよび／または異なる形状であってもよい。他の例では、キャビティはすべて同じ均一なサイズおよび／または形状であってもよい。いくつかの例では、キャビティは、多数の補強材、溝、リブ、円形、正方形、楕円形、六角形、またはそれらの組合せによって形成される。キャビティのハニカムを形成する任意の数の構造を、使用することができる。
ガスタービンエンジンの様々な構成要素間にシールを形成するのを容易にするために、シムベースおよびキャビティは可撓性であってもよい。さらに、シムベースおよびキャビティは、耐破砕性であってもよい。シールのハニカム構造は、可撓性および耐破砕性を提供することができる。このようにして、シムベースは、シーリング面を提供することができ、一方、ハニカム構造は、長手方向およびねじれ方向に可撓性および耐破砕性を提供する。シールの厚さは、長手方向およびねじれ方向の可撓性を失うことなく増加させることができる。バイアスおよび異方性構造をシールに組み込み、シールのシーリングおよび可撓性を調整することができる。いくつかの例では、アセンブリの自己整合のためにシールの周囲にテーパを追加することができる。さらに、シールはまた、シムベースに加えて上部シムストックを含むことができる。上部シムストックは、シムベースからキャビティの反対側に位置し、シールをアセンブリ方向から独立させることができる（たとえば、シールはいずれかの側を上にして設置することができる）。さらに、シールの非シーリング側の溝、孔などのような冷却機構を冷却シールのために追加することができる。１つの例示的な実施形態では、冷却剤が、シールを冷却するためにハニカム構造のキャビティに供給され、キャビティを通って流れる。たとえば、キャビティは、冷却流を高圧側からの１つまたは複数のキャビティに流入させ、所望のように真っ直ぐなまたは蛇行した経路でキャビティからキャビティへと流してシールを冷却することができる開口部によって相互接続することができる。キャビティを通る冷却流は、シールの低圧領域から１つまたは複数のキャビティを出ることができる。シールは、ガスタービンエンジンにおける漏れ流れの低減を可能にし、発電の効率を改良する。シールは、個々のシーリング構成要素の確定的な負荷を保護する手段を提供する。
次に図面を参照すると、図１は、本明細書で使用され得るガスタービンエンジン１００の概略図を示している。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１０２を含むことができる。圧縮機１０２は、流入する空気流１０４を圧縮する。圧縮機１０２は、圧縮された空気流１０４を燃焼器１０６に送る。燃焼器１０６は、圧縮された空気流１０４を圧縮された燃料流１０８と混合し、その混合物を点火して燃焼ガス流１１０を生成する。単一の燃焼器１０６のみが示されているが、ガスタービンエンジン１００は、任意の数の燃焼器１０６を含んでもよい。燃焼ガス流１１０は、次いで下流タービン１１２に送られる。燃焼ガス流１１０は、タービン１１２を駆動して機械的仕事を発生する。タービン１１２で発生された機械的仕事は、シャフト１１４および発電機などの外部負荷１１６を介して圧縮機１０２を駆動する。
ガスタービンエンジン１００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することができる。ガスタービンエンジン１００は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラル・エレクトリック社などが提供するような複数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってもよい。ガスタービンエンジン１００は、種々の構成を有してもよく、他のタイプの構成要素を使用していてもよい。また、本明細書において、他のタイプのガスタービンエンジンを使用していてもよい。また、本明細書において、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装置を共に使用していてもよい。
図２は、シール２００を示している。シール２００は、図１のガスタービンエンジン１００の２つの構成要素間にシールを形成することができる。たとえば、シール２００は、シール２００の高圧（ＨＰ）側と低圧（ＬＰ）側との間にシールを形成することができる。シール２００は、シムベース２０２を含むことができる。シムベース２０２は、任意のサイズ、形状、または構成であってもよい。シムベース２０２は、金属、セラミック、またはプラスチックであってもよい。任意の材料を、使用してもよい。
シール２００はまた、キャビティ２０４のハニカム様構造を含むことができる。任意の数のキャビティ２０４を、使用することができる。キャビティ２０４は、任意のサイズ、形状、または構成であってもよい。キャビティ２０４は、金属、セラミック、またはプラスチックであってもよい。任意の材料を、使用してもよい。キャビティ２０４は、シムベース２０２と同じまたは異なる材料であってもよい。キャビティ２０４は、単一のハニカム様構造を形成することができる。いくつかの例では、キャビティの各々は、内部にチャンバ２０８を形成する外壁２０６を含むことができる。外壁２０６は、キャビティ２０４の間で共有することができる。シムベース２０２およびキャビティ２０４は、３Ｄ印刷（たとえば、ＤＭＬＭ）のような付加製造を使用して単一の一体構造として形成することができる。任意の製造技術を、使用してもよい。
特定の実施形態では、図３に示すように、キャビティ２０４の一部またはすべてが、異なる高さで閉塞（すなわち、閉鎖）されてもよい。すなわち、キャビティ２０４の一部またはすべては、チャンバ２０８を閉鎖するプラットフォーム２１０を含むことができる。プラットフォーム２１０は、チャンバ２０８内のシムベース２０２に対向して、またはチャンバ２０８の端部に位置してもよい。いくつかの例では、キャビティ２０４の一部またはすべては、複数のプラットフォーム２１０を含むことができる。一実施形態では、キャビティ２０４の各々は、異なるずらされた不均一な高さで閉塞されてもよい。他の例では、一部のキャビティ２０４のみが閉塞されてもよい。さらに他の例では、すべてのキャビティ２０４が同じ高さで閉塞されてもよい。さらに他の例では、一部のキャビティ２０４が同じまたは異なる高さで閉塞されてもよく、その他は閉塞されなくてもよい。すなわち、キャビティ２０４の一部のみが、閉塞されることがある。いくつかの例では、キャビティ２０４は多孔質キャビティであってもよく、その一部またはすべてが開放端または閉塞端であってもよい。キャビティ２０４のサイズ、形状、および構成は、異なる場合がある。
別の例示的な実施形態では、図４に示すように、多数のシムベース２１２を使用することができる。シムベース２１２は、隣接するキャビティ２０４の交互の端部に配置されてもよい。すなわち、各チャンバ２０８は、一方の端部２１４で閉鎖され、反対の端部２１６で開放されてもよい。開放端部２１６および閉鎖端部２１４は、交互になっていてもよい。交互のシムベース２１２が、シールが可撓性であることを保証する。いくつかの例では、１つまたは複数のプラットフォーム２１０をキャビティ２０４の一部またはすべてのチャンバ２０８内に配置して、キャビティ２０４のすべてまたは一部を閉塞することができる。交互のシムベース２１２は、シール２００のＨＰ側とＬＰ側との間にシールを提供することができる。さらに、シムベース２１２はキャビティ２０４の周りを左右に交互に配置されているので、シール２００は可撓性である。キャビティ２０４はまた、シールが耐破砕性であることを保証する。
本開示の具体的な実施形態が記載されるが、多くの他の修正および代替の実施形態も本開示の範囲内にある。たとえば、特定のデバイスまたは構成要素に関して記載された機能のいずれかは、別のデバイスまたは構成要素によって実行されてもよい。さらに、具体的なデバイス特性が記載されるが、本開示の実施形態は、多くの他のデバイス特性に関連し得る。構造的特徴および／または方法論的な動作に対して具体的な言語で実施形態が記載されるが、本開示は必ずしも記載される具体的な特徴もしくは動作に限定されないことが理解される。むしろ、具体的な特徴および動作は、実施形態を実施する例示的な形態として開示されている。とりわけ、「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、または「ｍａｙ」などの条件的な言語は、具体的に述べられない限り、または使用される文脈において理解されない限り、特定の実施形態が特定の特徴、要素、および／またはステップを含み、他の実施形態が含み得ないものとして伝えることを概して意図している。したがって、このような条件的な言語は、１つまたは複数の実施形態に対して特徴、要素、および／またはステップが必要であることを暗に示すことを概して意図していない。
［実施態様１］
シムベース（２０２）と、
前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として形成された複数のキャビティ（２０４）を備えたハニカム構造とを備える、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）。
［実施態様２］
前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）が、付加製造を使用して単一の一体構造として形成される、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様３］
前記複数のキャビティ（２０４）の各々が、異なる高さで閉塞される、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様４］
前記複数のキャビティ（２０４）の一部が、閉塞される、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様５］
前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の多孔質キャビティを備える、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様６］
前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の異なる形状の多孔質キャビティを備える、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様７］
前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の補強材、溝、リブ、円形、正方形、楕円形、六角形、またはそれらの組合せによって形成される、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様８］
前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）が、可撓性である、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様９］
前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）が、耐破砕性である、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様１０］
前記シムベース（２０２）が、前記複数のキャビティ（２０４）の隣接するキャビティ（２０４）の交互の端部に各々配置される複数のシムベース（２１２）を備える、実施態様１に記載のシール（２００）。
［実施態様１１］
シムベース（２０２）を形成することと、
前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として前記シムベース（２０２）に複数のキャビティ（２０４）を形成することとを含む、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）を形成する方法。
［実施態様１２］
前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）を、付加製造を使用して単一の一体構造として形成することをさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
前記複数のキャビティ（２０４）の各々を、異なる高さで閉塞することをさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１４］
前記複数のキャビティ（２０４）の一部を閉塞することをさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１５］
前記複数のキャビティ（２０４）を、多孔質キャビティとして形成することをさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１６］
前記シール（２００）を冷却するために、前記複数のキャビティ（２０４）を通して冷却剤を流すことをさらに含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１７］
シムベース（２０２）と、
前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として形成された複数のキャビティ（２０４）とを備え、
前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）は、付加製造を使用して単一の一体構造として形成され、
前記複数のキャビティ（２０４）の各々は、異なる高さで閉塞される、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）。
［実施態様１８］
前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の異なる形状の多孔質キャビティを備える、実施態様１７に記載のシール（２００）。
［実施態様１９］
前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の補強材、溝、リブ、円形、正方形、楕円形、六角形、またはそれらの組合せによって形成される、実施態様１７に記載のシール（２００）。
［実施態様２０］
前記シムベース（２０２）が、前記複数のキャビティ（２０４）の隣接するキャビティ（２０４）の交互の端部に配置される複数のシムベース（２１２）を備える、実施態様１７に記載のシール（２００）。
１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 空気流
１０６ 燃焼器
１０８ 燃料流
１１０ 燃焼ガス流
１１２ 下流タービン
１１４ シャフト
１１６ 外部負荷
２００ シール
２０２ シムベース
２０４ キャビティ
２０６ 外壁
２０８ チャンバ
２１０ プラットフォーム
２１２ シムベース
２１４ 閉鎖端部
２１６ 開放端部

Claims (12)

  1. シムベース（２０２）と、
    前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として形成された複数のキャビティ（２０４）を備えたハニカム構造とを備え、
    前記シムベース（２０２）はシールを形成し、前記ハニカム構造は、長手方向およびねじれ方向に可撓性および耐破砕性を提供し、
    前記複数のキャビティ（２０４）の少なくとも一部が、前記複数のキャビティ（２０４）内の異なる高さで前記シムベース（２０２）の反対側にある複数のプラットフォーム（２１０）によって閉塞される、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）。
  2. シムベース（２０２）と、
    前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として形成された複数のキャビティ（２０４）とを備え、
    前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）は、単一の一体構造として形成され、
    前記シムベース（２０２）はシールを形成し、前記複数のキャビティ（２０４）は、長手方向およびねじれ方向に可撓性および耐破砕性を提供し、
    前記複数のキャビティ（２０４）の少なくとも一部が、前記複数のキャビティ（２０４）内の異なる高さで前記シムベース（２０２）の反対側にある複数のプラットフォーム（２１０）によって閉塞される、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）。
  3. 前記シムベース（２０２）が、前記複数のキャビティ（２０４）の隣接するキャビティ（２０４）の交互の端部に各々配置される複数のシムベース（２１２）を備える、請求項１または２に記載のシール（２００）。
  4. シムベース（２０２）と、
    前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として形成された複数のキャビティ（２０４）を備えたハニカム構造とを備え、
    前記シムベース（２０２）が、前記複数のキャビティ（２０４）の隣接するキャビティ（２０４）の交互の端部に各々配置される複数のシムベース（２１２）を備える、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）。
  5. 前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）が、耐破砕性である、請求項４に記載のシール（２００）。
  6. 前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の異なる形状の多孔質キャビティを備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のシール（２００）。
  7. 前記複数のキャビティ（２０４）が、複数の補強材、溝、リブ、円形、正方形、楕円形、六角形、またはそれらの組合せによって形成される、請求項１乃至６のいずれかに記載のシール（２００）。
  8. 前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）が、可撓性である、請求項１乃至７のいずれかに記載のシール（２００）。
  9. シムベース（２０２）を形成することと、
    前記シムベース（２０２）との単一の一体構造として前記シムベース（２０２）に複数のキャビティ（２０４）を形成することと、
    前記複数のキャビティ（２０４）に、長手方向およびねじれ方向に可撓性および耐破砕性を提供することと、
    前記複数のキャビティ（２０４）の少なくとも一部を、前記複数のキャビティ（２０４）内の異なる高さで前記シムベース（２０２）の反対側にある複数のプラットフォーム（２１０）によって閉塞することと、
    を含む、ガスタービンエンジン（１００）のシール（２００）を形成する方法。
  10. 前記シムベース（２０２）および前記複数のキャビティ（２０４）を、付加製造を使用して単一の一体構造として形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記複数のキャビティ（２０４）を、多孔質キャビティとして形成することをさらに含む、請求項９または１０に記載の方法。
  12. 前記シール（２００）を冷却するために、前記複数のキャビティ（２０４）を通して冷却剤を流すことをさらに含む、請求項９乃至１１のいずれかに記載の方法。
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