(57)【要約】【課題】段間リムシールのシール性能を改善すること。【解決手段】本発明の特定の実施形態は、タービン段間リムシールを提供するためのシステム、方法及び装置を含むことができる。本発明の例示的な実施形態では、タービンロータとバケットの境界面をシールする方法を提供する。本方法は、１以上のリムシールセグメント（１１２）の第１の部分（２１６）を１以上の流路シールセグメント（２０２）に連結する段階を含む。本方法は、遠心力が加わると、１以上のリムシールセグメント（１１２）が回転して、１以上のリムシールセグメント（１１２）の第２の部分（２１８）が変位する段階と、タービン（１００）に関連するロータ（１０８）とバケット（１０２）との間の間隙（３０２）の少なくとも一部を、少なくとも１以上の回転リムシールセグメント（１１２）によりシールする段階とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータとバケットの境界面をシールする方法であって、
１以上のリムシールセグメント（１１２）の第１の部分（２１６）を１以上の流路シールセグメント（２０２）に連結する段階と、
遠心力が加わると、前記１以上のリムシールセグメント（１１２）が回転して該１以上のリムシールセグメント（１１２）の第２の部分（２１８）が変位する段階と、
タービン（１００）に関連するロータ（１０８）とバケット（１０２）との間隙（３０２）の少なくとも一部を、少なくとも１以上の回転リムシールセグメント（１１２）でシールする段階と
を含む方法。
【請求項２】
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の前記第１の部分（２１６）を前記１以上の流路シールセグメント（２０２）に連結する段階は、前記１以上のリムシールセグメントの前記第１の部分（２１６）を前記１以上の流路シールセグメント（２０２）に関連するリムシールチャネル（２０６）に挿入する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）を規制して、リムシールチャネル（２０６）内で前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の軸方向変位を阻止するが、前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の半径方向の回転を可能にする段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の少なくとも一部を重複して、タービンロータ  １０８）とバケット（１０２）との間にマルチセグメントシールを形成する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の前記第１の部分（２１６）は、少なくとも２次元で規制されるが、遠心力が加わると、１以上のリムシールセグメント（１１２）の第２の部分が回転及び軸方向変位するように作動可能である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
加わった遠心力は、前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の重心（２０８）に作用して、前記１以上のリムシールセグメント（２１８）を回転させ、前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の第２の部分（２１８）を前記ロータ２０４方向に変位させる、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ロータ（１０８）と前記バケット（１０２）との間の間隙（３０２）の少なくとも一部を前記少なくとも１以上の回転リムシールセグメント（１１２）でシールする段階は、ロータキャビティを高温ガス経路ガスから切り離す段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
タービンロータとバケットの境界面をシールするシステムであって、当該システムが、
ロータ（１０８）と、
少なくとも１つのバケット（１０２）と、
１以上の流路シールセグメント（２０２）と、
前記１以上の流路シールセグメント（２０２）に連結した第１の部分（２１６）をもつ１以上のリムシールセグメント（１１２）と
を備えており、
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）は、遠心力が加わると回転して、前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の第２の部分（２１８）を変位させ、前記１以上の流路シールセグメント（２０２）と、ロータ（１０８）と、前記少なくとも１つのバケット（１０２）との間の間隙（３０２）の少なくとも一部をシールするよう構成されている、システム。
【請求項９】
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）と前記１以上の流路シールセグメント（２０２）を連結するために、前記１以上のリムシールセグメントの前記第１の部分（２１６）が、前記１以上の流路シールセグメント（２０２）に関連するリムシールチャネル（２０６）に連結される、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記１以上のリムシールセグメント（１１２）が軸方向に規制されていて、リムシールチャネル（２０６）内の前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の軸方向変位は阻止されるが、前記１以上のリムシールセグメント（１１２）の半径方向の回転は可能である、請求項８記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にはガスタービンエンジンに関し、詳細にはタービン段間リムシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、バケット（又はブレード）として知られる部品を利用して高温圧縮ガスから回転エネルギーを発生させる。タービンバケットは、エンジンの中心軸線の周りを回転可能なタービン回転ホイールの周囲に取り付けられる。燃焼器を出た高温燃焼ガスがタービンバケットを横切って流れるとタービン回転ホイールは回転する。その際に、高温燃焼ガスのエネルギーは回転エネルギーに転換され、例えば、発電機を駆動するために利用すること又は直接機械仕事をもたらすことができる。
【０００３】
タービン回転ホイールを作るために使用する材料は他のタービン部品と異なる場合があり、多くの設計において、タービン回転ホイールは、高温燃焼ガスに直接さらされるバケットほど熱に強くない。その結果、高温燃焼ガスの高い温度は、タービン回転ホイールの冶金学的限界を超える場合があり、熱応力、酸化及び構造的亀裂の原因になる。
【０００４】
タービン回転ホイールの過熱を防ぐために、圧縮機から圧縮空気を抽出して、タービン回転ホイールと熱的接触する部位も含む、タービンロータ組立体を取り囲む空間及びその内部を冷却する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空気を抽出するこの従来の方法は、燃焼器からの空気を分流することができエンジンサイクルの効率を妨げる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述のニーズのいくつか又は全ては、本発明の特定の実施形態により対処できる。本発明の特定の実施形態は、タービン段間リムシールのためのシステム、方法及び装置を含む。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態では、タービンロータとバケットの境界面をシールする方法を提供する。本方法は、１以上のリムシールセグメントの第１の部分を１以上の流路シールセグメントに連結する段階と、遠心力が加わると、１以上のリムシールセグメントが回転して、１以上のリムシールセグメントの第２の部分が変位する段階とを含む。本発明は、タービンに関連するロータとバケットとの間の間隙の少なくとも一部を、少なくとも１以上の回転リムシールセグメントによりシールする段階を更に含む。
【０００８】
別の例示的な実施形態では、タービンロータとバケットの境界面をシールするシステムを提供する。本システムは、ロータと、少なくとも１つのバケットと、１以上の流路シールセグメントと、１以上の流路シールセグメントと連結する第１の部分をもつ１以上のリムシールセグメントを備える。１以上のリムシールセグメントは、遠心力が加わると回転して、１以上のリムシールセグメントの第２の部分を変位させ、１以上の流路シールセグメントと、ロータと、少なくとも１つのバケットとの間の間隙の少なくとも一部をシールするよう構成される。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、タービンロータとバケットの境界面をシールする装置を提供する。本装置は、１以上の流路シールセグメントと連結する第１の部分をもつ１以上のリムシールセグメントを備える。１以上のリムシールセグメントは、遠心力が加わると回転して、１以上のリムシールセグメントの第２の部分を変位させ、１以上の流路シールセグメントと、ロータと、少なくとも１つのバケットとの間の間隙の少なくとも一部をシールするよう構成される。
【００１０】
本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明され、請求項に記載された本発明の一部とみなされる。他の実施形態及び態様は、以下の詳細な説明及び添付の図面及び請求項を参照して理解できる。ここで添付テーブル及び図面を参照するが、これらは必ずしも一定の縮尺で示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、タービンセクションの実施例のブロック図。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、静止又は装着位置での例示的リムシールのブロック図。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、シールをもたらす回転位置での例示的リムシールのブロック図。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、別の例示的リムシールのブロック図。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、例示的方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態は、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記述した実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が徹底的且つ完全なものとなりまた当業者に対して本発明の技術的範囲を十分に伝えるようにするために提示するものである。同様の参照符号は全体を通じて同じ要素を表す。
【００１３】
特定の本発明の実施形態では、タービン段間リムのシール部は、高温ガス経路の部品と圧縮空気を必要とする部品とを切り離すことができる。特定の例示的な本発明の実施形態では、１以上のリムシール（セグメント又は細片）は段間リムと共に使用する。特定の例示的な本発明の実施形態では、シールは、タービンロータ組立体の回転で生み出される遠心力によってシール面に対して荷重をかけるように設計できる。シールの例示的な実施形態は固体金属とすることができる。シールの例示的な実施形態は、バケット等の高温ガス経路の部品と同一又は類似の高温耐熱材料で作ることができる。シールの例示的な実施形態は、柔軟ワイヤーロープを有する組立体を含むことができる。他の例示的な本発明の実施形態は、剛毛構造又は柔軟薄片構造を有する組立体を含むことができる。
【００１４】
例示的な本発明の実施形態では、シールは、シール構造及びシール要件の所望レベルに応じて、段間リムシールの半径に適合又は一致するように比較的真っ直ぐであるか又は湾曲することができる。例示的な実施形態では、シールは、段間リムシールの保持溝に軸方向に保持できるが、タービンロータ組立体の回転で生じる遠心力が作用するとシール位置に回転できる。
【００１５】
例示的な本発明の実施形態では、ホイール空間から高温ガス経路への圧縮空気漏れを最小限にすること又は阻止することで、冷却用に燃焼器から分流される空気量を最小限にできる。また、例示的な実施形態では、ロータへ取り付く各回転部品の間のホイール空間へ漏れる高温ガスを最小限にすること又は阻止することもできる。
【００１６】
例示的な本発明の実施形態では、段間リムをシールするための種々のシール部品の構造及び材料、取り付け方法、合わせ面及び／又は保持溝構造が添付図面を参照して以下に説明される。
【００１７】
図１は、本発明の例示的な実施形態による例示的タービンセクション１００を示す。例えば、タービンセクション１００は、１以上のバケット１０２、１以上のノズル１０４、近接流路シール１０６、１以上の空間１１０及び１以上の回転可能リムシールセグメント１１２を含むことができる。本発明の例示的な実施形態では、回転可能リムシールセグメント１１２は、段間ロータリムシールとタービンホイール／バケットとの間でのシールをもたらすことができる。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態による静止又は第１の位置２００の例示的リムシール（図１の１１２）を示す。例示的な実施形態では、近接流路シール２０２は、タービンホイール又はロータ２０４に近接して配置できる。例示的な実施形態では、静止状態及び／又は種々のタービン部品の装着時、リムシール１１２は、リムシールの第１の端部２１６をリムシールチャネル２０６で保持できる。例示的な実施形態では、リムシール１１２は、リムシールチャネル２０６の中心からタービンホイール又はロータ２０４の壁方向にオフセットした重心２０８を含むことができる。例示的な実施形態では、リムシール１１２は、第１の又は静止位置２００において、リムシールの第２の端部２１８とタービンホイール又はロータ２０４との間に間隙２１０を与える。例示的な実施形態では、間隙２１０はタービン組立体に組み込まれる部品のための隙間を与える。ガス２１２、２１４は、ロータキャビティと高温ガス経路との間の間隙２１０を通って流れることができる。例えば、静止位置２００において、高温ガス２１２はロータキャビティに入ることができ及び／又は冷却ガス２１４は高温ガス経路に入ることができる。
【００１９】
図３は、本発明の実施形態による回転又はシール位置３００の例示的リムシールを示す。本実施形態に示すように、遠心力がリムシール１１２の重心２０８に作用する場合、リムシール１１２は、近接流路シール（図２の２０２）とタービンホイール又はロータ（図２の２０４）との間の間隙（図２の２１０）を第２の端部（図２の２１８）が閉鎖もしくは狭めるような場所に回転、枢動又は移動できる。例示的な実施形態では、タービンが回転する場合、リムシール１１２の第２の端部（図２の２１８）は、高温ガス２１２の流れがロータキャビティに流れることを制限できるように及び／又は冷却ガス２１４の流れが高温ガス経路に入るのを制限できるように、タービンホイール又はロータ（図２の２０４）の壁に接触もしくは十分に近接して効果的にシール間隙３０２をもたらす。
【００２０】
図４は、本発明の例示的な実施形態での他のリムシール４００の構成を示す。例示的な実施形態では、リムシールチャネル４０４は、（図２の２０６に示すような）丸みを帯びたものではなく、略矩形形状とすることができる。例示的な実施形態では、リムシール４０６は、リムシールチャネル４０４に保持されるが、タービンが回転すると、遠心力がリムシール重心４０８に作用してリムシール４０６が近接流路シールとタービンホイール又はロータ２０４との間の間隙を閉鎖又はシールするように回転、枢動及び／又は移動するように構成できる。
【００２１】
例示的な実施形態では、リムシール１１２、４０６は、段間リムシールシステムの一体部品とし、保守時間を短くして、シール片がガスタービンに落下する危険度をなくすことができる。例示的な本発明の実施形態は、例えば、遠心力により離れて期待される間隙よりも広くなるのを防止するために一般に厳重な許容誤差を必要とするワイヤーシールと比較すると、段間リムシールの軸方向の位置制御に関連して、許容誤差を緩和することができる。
【００２２】
本発明の実施形態による、タービンロータとバケットの境界面をシールする例示的な方法５００を図５のフローチャートを参照して以下に説明する。本方法５００はブロック５０２で始まり、例示的な実施形態では、本方法５００は、１以上のリムシールセグメントの第１の部分を１以上の流路シールセグメントへ連結するステップを含む。ブロック５０４において、本方法５００は、遠心力が付与される場合に１以上のリムシールセグメントの第２の部分を変位させるために、１以上のリムシールを回転させるステップを含む。ブロック５０６において、本方法５００は、タービンに関連するロータとバケットとの間隙の少なくとも一部を少なくとも１以上の回転リムシールセグメントでシールするステップを含む。本方法５００はブロック５０６の後で終了する。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、１以上のリムシールセグメント１１２の第１の部分２１６を１以上の流路シールセグメント２０２に連結するステップは、１以上のリムシールセグメントの第１の部分２１６を１以上の流路シールセグメント２０２に関連するリムシールチャネル２０６へ挿入するステップを含む。例示的な本発明の実施形態では、本方法５００は、１以上のリムシールセグメント１１２を規制するステップを含むことができ、リムシールチャネル２０６内での１以上のリムシールセグメント１１２の軸方向移動を阻止するが、１以上のリムシールセグメント１１２の半径方向の回転は可能にする。
【００２４】
また、例示的な本発明の実施形態は、１以上のリムシールセグメント１１２の少なくとも一部を重複するステップを含むことができ、タービンロータ１０８とバケット１０２との間でマルチセグメントシールを形成する。例示的な実施形態では、１以上のリムシールセグメント１１２の第１の部分２１６は、少なくとも二次元で制限できるが、遠心力が加わると１以上のリムシールセグメント１１２の第２の部分が回転及び軸方向変位するように作動可能である。例示的な実施形態では、遠心力は、１以上のリムシールセグメント１１２の重心２０８に作用して、１以上のリムシールセグメント２１８を回転させ、１以上のリムシールセグメント１１２の第２の部分２１８をロータ２０４方向に変位させる。例示的な実施形態では、ロータ１０８とバケット１０２との間の間隙３０２の少なくとも一部を少なくとも１以上の回転リムシールセグメント１１２でシールするステップは、ロータキャビティを高温ガス経路ガスから切り離すステップを含むことができる。
【００２５】
また、本発明の例示的な実施形態は、タービンロータとバケットの境界面をシールするためのシステム及び／又は装置を含む。システムは、ロータ１０８、少なくとも１つのバケット１０２及び１以上の流路シールセグメント２０２を含むことができる。本システム及び／又は装置の例示的な実施形態は、１以上の流路シールセグメント２０２に連結する第１の部分２１６をもつ１以上のリムシールセグメント１１２を含み、１以上のリムシールセグメント１１２は、遠心力が加わると回転して１以上のリムシールセグメント１１２の第２の部分２１８が変位し、１以上の流路シールセグメント２０２、ロータ１０８及び少なくとも１つのバケット１０２の間の間隙３０２の少なくとも一部をシールする。
【００２６】
本発明の特定の実施形態では、１以上のリムシールセグメントの第１の部分２１６は、１以上の流路シールセグメント２０２に関連するリムシールチャネル２０６に挿入して、１以上のリムシールセグメント１１２を１以上の流路シールセグメント２０２に連結できる。特定の例示的な本発明の実施形態では、１以上のリムシールセグメント１１２は、軸方向に規制されて、チャネル２０６内の１以上のリムシールセグメント１１２の軸方向移動は阻止されるが、１以上のリムシールセグメント１１２の半径方向の回転は可能である。特定の例示的な本発明の実施形態では、１以上のリムシールセグメント１１２の一部は、相互に重複してロータ１０８と少なくとも１つのバケット１０２との間にマルチセグメントシールを形成する。例示的な実施形態では、１以上のリムシールセグメント１１２の第１の部分２１６は、少なくとも２次元で規制されるが、タービンが回転して遠心力が加わると、１以上のリムシールセグメント１１２の第２の部分が回転及び軸方向変位するように作動可能である。例示的な実施形態では、遠心力は、１以上のリムシールセグメント１１２の重心２０８に作用して、１以上のリムシールセグメント２１８を回転させ、１以上のリムシールセグメント１１２の第２の部分２１８をロータ２０４又はタービンホイール方向に変位させる。
【００２７】
例示的な実施形態では、ロータ又はホイール１０８と少なくとも１つのバケット１０２との間の間隙３０２の少なくとも一部は、少なくとも１以上の回転リムシールセグメント１１２でシールして、ロータキャビティ及び関連のロータ部品を高温ガス経路ガスから切り離すことができる。
【００２８】
例示的な本発明の実施形態では、巻き線型又は網状ケーブル（ワイヤーロープ）はシールセグメント１１２とともに使用できる。例示的な実施形態では、ワイヤーロープは、高温ガスの高温に耐えるニッケル合金で作ることができる。例示的な実施形態では、ワイヤーロープは、リムシール２１８の第２の端部に組み込むか、もしくはその近傍に保持又は閉じ込めることができる。例示的な実施形態では、ワイヤーロープは、ロータ２０４と接触すること及び（少なくとも部分的に）近接流路シール２０２とタービンホイール又はロータ２０４との間のシールをもたらすことができる。例示的な実施形態では、ワイヤーロープは、固体シールよりも柔軟として不規則面に対して効果的なシールを行うことができる。例えば、特定のタービンにおいて、リム領域のロータディスクポストの近くには多少凹凸がありワイヤーロープによりシール性を高めることができる。
【００２９】
例示的な本発明の実施形態では、シールセグメント１１２とともにワイヤーブラシシールを使用することができる。例示的な実施形態では、ワイヤーブラシは高温ガスの高温に耐えることができる。例示的な実施形態では、ワイヤーブラシは、リムシール２１８の第２の端部に組み込むか、もしくはその近傍に保持又は閉じ込めることができる。例示的な実施形態では、ブラシは、ロータ２０４と接触すること及び（少なくとも部分的に）近接流路シール２０２とタービンホイール又はロータ２０４との間のシールをもたらすことができる。例示的な実施形態では、ブラシは、固体シールよりも柔軟として不規則面に対して効果的なシールを行うことができる。例えば、特定のタービンにおいて、リム領域のロータディスクポストの近くには多少凹凸がありブラシによりシール性を高めることができる。
【００３０】
従って、例示的な本発明の実施形態は、段間リムシールのシール性能を改善する技術的効果をもたらすことができる。例示的な本発明の実施形態は、シール片がタービンへ落下する可能性を低減する別の技術的効果をもたらすことができる。例示的な本発明の実施形態は、タービンホイールのリム領域を効果的に遮蔽及びシールして、タービンホイールが高温ガスにさらされるのを最小限とすると共にタービンブレード又はバケットの冷却に使用する空気の漏れを最小限にするという別の技術的効果をもたらすことができる。
【００３１】
前述のように、本発明の実施形態は、図１から４に示す１以上の部品と一緒に、例示的タービンシステム１００及び／又は例示的リムシール２００、３００、４００を含むことができる。
【００３２】
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態を例にとって本発明を説明してきたが、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載された技術的思想及びその技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含する。本明細書では特定の用語を用いたが、これらは限定を目的としたものではなく、説明のための一般的な意味で用いたものである。
【００３３】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３４】
１００  例示的タービンセクション
１０２  バケット
１０４  ノズル
１０６  近接流路シール
１０８  タービンホイール又はロータ
１１０  スペーサ
１１２  回転可能リムシールセグメント
２００    静止位置の例示的リムシール
２０２  近接流路シール
２０４  タービンホイール又はロータ
２０６  リムシールチャネル
２０８  リムシールの重心
２１０  間隙
２１２  高温ガス
２１４  冷却ガス
２１６  リムシールの第１の端部
２１８  リムシールの第２の端部
３００  回転位置の例示的リムシール
３０２  シール間隙
４００  例示的リムシール
４０４  リムシールチャネル
４０６  リムシール
４０８  リムシールの重心
５００  方法
５０２  ブロック
５０４  ブロック
５０６  ブロック
５０８  ブロック
【図１】
2012140949.tif 000003
【図２】
2012140949.tif 000004
【図３】
2012140949.tif 000005
【図４】
2012140949.tif 000006
【図５】
2012140949.tif 000007
【外国語明細書】
2012140949000001.pdf