(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンの中で、高圧冷却空気流れに面するコンポーネントと、高温ガス流路に面するコンポーネントとの間で使用するためのシールを提供すること。【解決手段】シールは、高圧冷却空気流れに面する第１の表面と、高温ガス流路に面する第２の表面空気プレナムを備えた第２の表面と、第１の表面から第２の表面の第２の表面空気プレナムへ延在する多数の冷却通路であって、高圧冷却空気流れが通過する多数の冷却通路とを含むことが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの中で、高圧冷却空気流れに面するコンポーネントと、高温ガス流路に面するコンポーネントとの間で使用するためのシールであって、
前記高圧冷却空気流れに面する第１の表面と、
前記高温ガス流路に面する第２の表面と、
第２の表面空気プレナムを含む前記第２の表面と、
前記第１の表面から前記第２の表面の前記第２の表面空気プレナムへ延在する複数の冷却通路であって、前記高圧冷却空気流れが通過する複数の冷却通路と
を含む、シール。
【請求項２】
前記シールが、固体シールを含む、請求項１記載のシール。
【請求項３】
前記シールが、実質的な「Ｉ」ビーム状の形状を含む、請求項１記載のシール。
【請求項４】
前記第２の表面が、第２の表面周囲リップを含む、請求項１記載のシール。
【請求項５】
前記第１の表面が、第１の表面空気プレナムを含む、請求項１記載のシール。
【請求項６】
前記第１の表面が、第１の表面周囲リップを含む、請求項１記載のシール。
【請求項７】
前記第１の表面が、上部表面を含み、前記第２の表面が、底部表面を含む、請求項１記載のシール。
【請求項８】
第１の閉塞端部および第２の閉塞端部をさらに含む、請求項１記載のシール。
【請求項９】
前記複数の冷却孔が、垂直の構成を含む、請求項１記載のシール。
【請求項１０】
前記複数の冷却孔が、角度の付いた構成を含む、請求項１記載のシール。
【請求項１１】
前記複数の冷却孔が、複数のインピンジメント孔を含む、請求項１記載のシール。
【請求項１２】
前記コンポーネントが、第１のステーターおよび第２のステーターを含む、請求項１記載のシール。
【請求項１３】
前記コンポーネントが、シールスロットを画定し、前記シールスロットが、前記高圧冷却空気流れを介して、前記複数の冷却通路から冷却される、請求項１記載のシール。
【請求項１４】
ガスタービンエンジンの中のコンポーネント同士の間に位置付けられたシールを冷却する方法であって、
前記シールの第１の表面の周りに高圧冷却空気を流すステップと、
前記シールの中の複数の冷却通路を通して前記高圧冷却空気を引き込むステップと、
前記シールの第２の表面の周りの空気プレナムを通して高温ガス流路に向けて前記高圧冷却空気を引き込むステップと
を含む、方法。
【請求項１５】
前記空気プレナムを離れていく前記高圧冷却空気によって、前記コンポーネントを冷却するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
ガスタービンエンジンの中で、高圧冷却空気流れに面するコンポーネントと、高温ガス流路に面するコンポーネントとの間で使用するための固体シールであって、
前記高圧冷却空気流れに面する第１の表面であって、第１の表面空気プレナムを含む第１の表面と、
前記高温ガス流路に面する第２の表面であって、第２の表面空気プレナムを含む第２の表面と、
前記第１の表面の前記第１の表面空気プレナムから前記第２の表面の前記第２の表面空気プレナムへ延在する複数の冷却通路であって、前記高圧冷却空気流れが通過する複数の冷却通路と
を含む、固体シール。
【請求項１７】
前記シールが、実質的な「Ｉ」ビーム状の形状を含む、請求項１６記載の固体シール。
【請求項１８】
前記第１の表面が、第１の表面周囲リップを含み、前記第２の表面が、第２の表面周囲リップを含む、請求項１６記載の固体シール。
【請求項１９】
第１の閉塞端部および第２の閉塞端部をさらに含む、請求項１６記載の固体シール。
【請求項２０】
前記複数の冷却孔が、垂直の構成、および／または、角度の付いた構成の複数のインピンジメント孔を含む、請求項１６記載の固体シール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願および結果として生じる特許は、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、それを通って延在する冷却通路を有する固体シールなどに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に記載すれば、ガスタービンエンジンなどのようなターボ機械は、それを通って延在する主ガスフロー流路を含む。ガスフロー流路から出てくるガス漏出、または、ガスフロー流路の中へのガス漏出のいずれかは、全体ガスタービン効率を低下させ、燃料コストを増加させ、おそらくは排出レベルを増加させる可能性がある。また、二次流れが、様々な加熱されたコンポーネントを冷却するために、ガスタービンエンジン内で使用されることが可能である。具体的には、加熱されたコンポーネントを冷却する際の使用のために、ならびに、隣接するコンポーネント同士の間のギャップおよびキャビティーをパージするために、冷却空気が、圧縮機の後方段から抽出されることが可能である。例えば、シールが、ステーターなどのようなタービンコンポーネント同士の間に設置されることが可能である。しかし、これらの場所は、強い酸化、およびシール故障にもつながり得る非常に高い温度および速度に面する可能性がある。この損傷の可能性は、パージ空気を、その中のシール内のギャップに供給することによって、いくらか軽減させることが可能である。しかし、このパージ空気は、大変に非効率的な冷却空気の使用である可能性がある。
【０００３】
したがって、大容量ガスタービンエンジンの中のステーターコンポーネント同士、および、他のコンポーネント同士の間で使用するための改善された固体シールに対する要求が存在する。そのような固体シールは、増加されたコンポーネント寿命とともにより高い全体効率のために、その中のギャップをパージするのに一般的に必要なものよりも少ない流れによって冷却されることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０１８９４３５号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本出願および結果として生じる特許は、ガスタービンエンジンなどの中で、高圧冷却空気流れに面するコンポーネントと、高温ガス流路に面するコンポーネントとの間で使用するためのシールを提供する。シールは、高圧冷却空気流れに面する第１の表面と、高温ガス流路に面する第２の表面空気プレナムを有する第２の表面と、第１の表面から第２の表面の第２の表面空気プレナムへ延在する多数の冷却通路であって、高圧冷却空気流れが通過する多数の冷却通路とを含むことが可能である。
【０００６】
本出願および結果として生じる特許は、ガスタービンエンジンの中のコンポーネント同士の間に位置付けられたシールを冷却する方法をさらに提供する。方法は、シールの第１の表面の周りに高圧冷却空気を流すステップと、シールの中の多数の冷却通路を通して高圧冷却空気を引き込むステップと、シールの第２の表面の周りの空気プレナムを通して高温ガス流路に向けて高圧冷却空気を引き込むステップとを含むことが可能である。方法は、空気プレナムを通過する高圧冷却空気によって、コンポーネントを冷却するさらなるステップを含むことが可能である。
【０００７】
本出願および結果として生じる特許は、ガスタービンエンジンの中で、高圧冷却空気流れに面するコンポーネントと、高温ガス流路に面するコンポーネントとの間で使用するための固体シールをさらに提供する。固体シールは、高圧冷却空気流れに面する第１の表面空気プレナムを備えた第１の表面と、高温ガス流路に面する第２の表面空気プレナムを備えた第２の表面と、第１の表面の第１の表面空気プレナムから第２の表面の第２の表面空気プレナムへ延在する多数の冷却通路であって、高圧冷却空気流れが通過する多数の冷却通路とを含むことが可能である。
【０００８】
本出願および結果として生じる特許のこれらの特徴および改善、ならびに、他の特徴および改善は、いくつかの図面、および添付の特許請求の範囲と併用して、以下の詳細な説明を検討すれば、当業者に明らかになることとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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概略図である。
【図２】高温ガス流路に沿って位置付けられた多数のコンポーネントを示す、タービンの部分側面図である。
【図３】隣接するタービンコンポーネント同士の間に位置付けられた既知のシールの側断面図である。
【図４】それを通って延在する多数の冷却通路を備えた、本明細書で記載されているような固体シールの斜視図である。
【図５】それを通って延在する冷却通路を備えた、図４の固体シールの側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで図面を参照すると、図面の中で、同様の数字は、いくつかの図を通して同様のエレメントを参照しており、図１は、本明細書で使用され得るような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を含むことが可能である。圧縮機１５は、入ってくる空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に送達する。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを、加圧された燃料３０の流れと混合し、混合物を点火し、燃焼ガス３５の流れを作り出す。単一の燃焼器２５だけが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含むことが可能である。そして、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送達される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的仕事を生成するようになっている。タービン４０の中で生成された機械的仕事は、シャフト４５を介して、圧縮機１５と、発電機などのような外部負荷５０とを駆動する。
【００１１】
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することが可能である。それに限定されないが、ガスタービンエンジン１０は、７シリーズまたは９シリーズの大容量ガスタービンエンジンなどのようなものを含む、Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋにある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うちの任意の１つであることが可能である。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することが可能であり、他のタイプのコンポーネントを使用することが可能である。また、他のタイプのガスタービンエンジンが、本明細書で使用されることが可能である。また、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が、本明細書で一緒に使用されることも可能である。
【００１２】
図２は、タービン４０の一部分を示している。一般的に記載すれば、タービン４０は、第１段ノズル５５、第１段バケット６０、および、第１段６５の第１段シュラウド６２を含むことが可能である。また、第２段７５の第２段ノズル７０も示されている。任意の数の段が、本明細書で使用されることが可能である。ノズル５５、７０は、ダイヤフラム８０の上に位置付けられることが可能である。任意の数のノズル７０およびダイヤフラム８０が、軸線８５の周りに円周方向に位置付けられることが可能である。シール９０は、それぞれ一対の隣接するシュラウド６２、ダイヤフラム８０、または、他のタービンコンポーネントの間に位置付けられることが可能である。シール９０は、圧縮機１５、または、それを通る他の場所からの冷却空気流れ２０の漏出を防止するように、隣接するタービンコンポーネント同士の間に使用されることが可能である。上記のように、シール９０は、多くの異なる構成を有することが可能である。また、他のタイプのシーリング機構も、使用されることが可能である。他のコンポーネント、および、他の構成が、本明細書で使用されることが可能である。
【００１３】
図３は、隣接するタービンコンポーネント同士の間、第１のコンポーネント９２と第２のコンポーネント９４との間に位置付けられたシール９０の例を示している。コンポーネント９２、９４は、ステーターコンポーネントなどのような隣接するタービンコンポーネントであることが可能である。タービンコンポーネント９２、９４は、その間にシールスロット９５を画定することが可能である。他のタイプのシールが使用されることも可能であるが、シール９０は、固体材料シールであることが可能である。任意の数のシール９０が、本明細書で使用されることも可能である。シール９０は、高圧冷却空気９６の流れが、コンポーネント９２、９４の間において、より低い圧力の高温ガス流路９８の中へ漏出することを防止するか、または低減させることが可能である。
【００１４】
図４は、本明細書で記載されているようなシール１００の例を示している。シール１００は、上部表面１１０、底部表面１２０（スラッシュ面）、第１の側部１３０、反対側の第２の側部１４０、第１の端部１５０、および、反対側の第２の端部１６０を有することが可能である。（「底部」、「上部」、「側部」、「端部」、「第１の」、「第２の」などの用語は、相対的な配向付けだけの目的のために使用されており、絶対的な位置付けとして使用されてはいない。）シール１００は、固体シール１７０であることが可能である。代替的に、シール１００は、その中に多数の材料の層を有することが可能である。シール１００は、ステンレス鋼、ニッケル基合金などのような高温材料から作製されることが可能である。また、他のタイプの材料も、本明細書で使用されることが可能である。シール１００は、任意のサイズ、形状、または構成を有することが可能である。
【００１５】
図５の断面図に示されているように、シール１００は、実質的な「Ｉビーム」状の形状１８０を有することが可能である。具体的には、シール１００は、その上部表面１１０の周りで第１の周囲リップ２００によって画定された第１のプレナム１９０と、その底部表面１２０の周りで第２の周囲リップ２２０によって画定された第２のプレナム２１０とを含むことが可能である。したがって、プレナム１９０、２１０は、シールの上部表面１１０内および底部表面１２０内の凹型領域であることが可能である。プレナム１９０、２１０および周囲リップ２００、２２０は、任意のサイズ、形状、または構成を有することが可能である。また、複数のプレナム１９０、２１０が、使用されることも可能である。周囲リップ２００、２２０が、第１の端部１５０の上の第１の閉塞端部２３０と、第２の端部１６０の上の第２の閉塞端部２４０とを画定することが可能である。閉塞端部２３０、２４０は、任意のサイズ、形状、または構成を有することが可能である。また、１つまたは複数の開口端部が、使用されることも可能である。代替的に、閉塞端部２３０、２４０は、その中に位置付けられた冷却孔またはスロットを有することが可能である。他のコンポーネントおよび他の構成が、本明細書で使用されることが可能である。
【００１６】
また、シール１００は、第１のプレナム１９０から第２のプレナム２１０へそれを通って延在する多数の冷却通路２５０を含むことも可能である。任意の数の冷却通路２５０が、本明細書で使用されることが可能である。冷却通路２５０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することが可能である。さらに、冷却通路２５０は、垂直の構成、および／または、角度の付いた構成で、シール１００を通って延在することが可能である。任意の角度、または、角度の組み合わせが、使用されることが可能である。冷却通路２５０は、ドリル加工、または、他のタイプの製造技術によって、形成されることが可能である。異なる構成の冷却通路２５０が、本明細書で一緒に使用されることが可能である。他のコンポーネントおよび他の構成が、本明細書で使用されることが可能である。
【００１７】
使用中に、シール１００は、第１のコンポーネント９２と第２のコンポーネント９４との間で、シールスロット９５内に位置付けられることが可能である。シール１００の上部表面１１０は、高圧冷却空気９６に面することが可能であり、一方、底部表面１２０は、より低い圧力の高温ガス流路９８に面することが可能である。シール１００は、任意の構成でそれを通って延在する任意の数の冷却通路２５０を有することが可能である。また、第２のプレナム２１０の中へ延在するシール冷却通路２５０は、シールスロット９５のためのインピンジメント孔および／またはパージ孔としての役割も果たす。具体的には、高圧冷却空気９６と、より低い圧力の高温ガス流路９８との間の圧力差が、冷却通路２５０を通して、および、シール１００の底部表面１２０の周りの第２のプレナム２１０の中へ、高圧冷却空気９６を引き込む。したがって、高圧冷却空気９６は、シール１００を通した熱伝達を強化し、かつ、インピンジメント孔を介して、シールスロット９５に衝突（ｉｍｐｉｎｇｅ）／パージする。
【００１８】
冷却通路２５０は、局所的なホットスポットの近くに戦略的に位置付けられるか、または、シール１００の長さに沿って均一に位置付けられることが可能である。冷却通路２５０は、シール１００の長さに沿って任意の所定のピッチを有することが可能である。また、閉塞端部２３０、２４０の使用によって、シール１００の端部１５０、１６０の周りの任意のギャップ漏出が実質的に限定される。したがって、シール１００、および、それを通る冷却通路２５０は、底部表面１２０またはスラッシュ面、および、シーリングスロット９５の周りのパージングおよび冷却を効率的な態様で提供する。
【００１９】
そのうえ、本明細書で記載されているシール１００は、シール寿命、二次流れの低減、より高い全体エンジン効率、および、ヒートレートの低減を提供することが可能である。シール１００は、当初の部品であるか、または、改造品の一部であることが可能である。シール１００の異なる構成が、本明細書で一緒に使用されることが可能である。また、シール１００は、他のタイプのシーリングの場所での使用に適用されることも可能である。具体的には、シール１００は、冷却空気の流れに対して、任意の２つのコンポーネントの間において、その間の圧力差で使用されることが可能である。
【００２０】
前述のことは、本出願および結果として生じる特許の特定の実施形態だけに関するということが明らかであるべきである。以下の特許請求の範囲およびその均等物によって画定されるような本発明の一般的な精神および範囲を逸脱することなく、多数の変形および修正が、当業者によって、本明細書でなされることが可能である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  負荷
５５  第１段ノズル
６０  第１段バケット
６２  第１段シュラウド
６５  第１段
７０  第２段ノズル
７５  第２段
８０  ダイヤフラム
８５  軸線
９０  シール
９２  第１のコンポーネント
９４  第２のコンポーネント
９５  シールスロット
９６  高圧冷却空気
９８  高温ガス流路
１００  シール
１１０  上部
１２０  底部
１３０  第１の側部
１４０  第２の側部
１５０  第１の端部
１６０  第２の端部
１７０  固体シール
１８０  「Ｉビーム」状の形状
１９０  第１のプレナム
２００  第１の周囲リップ
２１０  第２のプレナム
２２０  第２の周囲リップ
２３０  第１の閉塞端部
２４０  第２の閉塞端部
２５０  冷却通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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