(57)【要約】【課題】ロータ／バケットアセンブリ、および隣接する固定ステータ構成要素の軸方向および半径方向の移動による差異に対処する。【解決手段】回転ターボ機械は、外面を有する少なくとも１つのディスクと、前記外面から半径方向に延びる少なくとも１つのバケットとが取り付けられたロータを含む。固定ステータ構成要素が、ディスクに隣接して配置され、シールプレートが、固定ステータ構成要素の一部分から延びている。エンジェルウィングシールが、バケットから延び、それによってシールプレートとエンジェルウィングシールとの間で間隙ギャップが画定される。アブレイダブルシール要素が、シールプレートに配設され、アブレイダブルシール要素およびシールプレートは、ロータの中心軸に対して鋭角に傾斜し、エンジェルウィングシールの方向に半径方向外方に延びている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面を有する少なくとも１つのディスクと、前記外面から半径方向に延びる少なくとも１つのバケットとが取り付けられたロータと、
前記ディスクに隣接する固定ステータ構成要素と、
前記固定ステータ構成要素の一部分から延びるシールプレートと、前記バケットから延び、前記シールプレートとの間で間隙ギャップを画定するエンジェルウィングシールと、前記シールプレートに配設されたアブレイダブルシール要素と
を備え、
前記アブレイダブルシール要素および前記シールプレートが、前記ロータの中心軸に対してある角度で第１の方向に傾斜し、前記エンジェルウィングシールの方向に半径方向外方に延びる、回転ターボ機械。
【請求項２】
前記シールプレートが、ディスカレッジャシールを備える、請求項１記載の回転ターボ機械。
【請求項３】
前記シールプレートが、前記固定ステータ構成要素に選択的に挿入可能な取替え式インサートを備える、請求項１記載の回転ターボ機械。
【請求項４】
前記エンジェルウィングシールが、前記エンジェルウィングシールの表面から半径方向外方に突出した少なくとも１つのシール歯を備える、請求項１記載の回転ターボ機械。
【請求項５】
前記アブレイダブルシール要素が、ハニカムシールを備える、請求項１記載の回転ターボ機械。
【請求項６】
前記アブレイダブルシール要素が、約０．０４０から０．０５０インチの間の厚さに付着されたアブレイダブルコーティングを備える、請求項１記載の回転ターボ機械。
【請求項７】
前記ハニカムシールが、約０．５０から２．００インチの間の長さ、および約０．１５０から０．５００インチの間の厚さを有する、請求項５記載の回転ターボ機械。
【請求項８】
前記エンジェルウィングシールが、実質的に反対の第２の方向に傾斜している、請求項１記載の回転ターボ機械。
【請求項９】
周囲に複数のバケットが配設され、各バケットが、シャンクおよびエーロフォイルを有し、少なくとも１つのエンジェルウィングシールが前記シャンクから延びる、ロータと、
前記ロータに隣接して配設された固定ステータ構成要素であって、前記エンジェルウィングシールとともにシールギャップを画定する少なくとも１つのフランジ部分を有する固定ステータ構成要素と、
前記少なくとも１つのフランジ部分の表面に配設されたアブレイダブルシールと
を備え、
前記少なくとも１つのフランジ部分および前記アブレイダブルシールが、前記ロータの中心軸に対して１０から５０度の間の角度で半径方向外方に第１の方向に傾斜し、前記エンジェルウィングシールが、半径方向外方に実質的に反対の第２の方向に傾斜している、ガスタービンアセンブリ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのフランジ部分が、前記固定ステータ構成要素に固定されたディスカレッジャシールを備える、請求項９記載のガスタービンアセンブリ。
【請求項１１】
前記ディスカレッジャシールが、前記固定ステータ構成要素に選択的に挿入可能な取替え式インサートを備える、請求項１０記載のガスタービンアセンブリ。
【請求項１２】
前記アブレイダブルシール要素が、ハニカムシールを備える、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記アブレイダブルシール要素が、前記フランジの前記表面に付着されたアブレイダブルコーティングを備える、請求項９記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記ハニカムシールが、約０．５０から２．００インチの間の長さ、および約０．１５０から０．５００インチの間の厚さを有する、請求項１２記載のガスタービン。
【請求項１５】
タービンの回転構成要素と固定構成要素との間の境界におけるシールギャップを低減する方法であって、
外面を有するディスクと、前記外面から半径方向に離れて延びる少なくとも１つのバケットとを支持するロータを用意するステップであって、少なくとも１つのエンジェルウィングシールが前記少なくとも１つのバケットから実質的に軸方向に延びる、ステップと、
前記少なくとも１つのバケットに軸方向に隣接し、前記エンジェルウィングシールの方に延びるアブレイダブルシールが取り付けられたディスカレッジャシールを有する固定ステータ構成要素を用意するステップであって、前記エンジェルウィングシールと前記アブレイダブルシールとの間の半径方向間隙ギャップが画定される、ステップと、
前記ディスカレッジャシールおよび前記アブレイダブルシールを前記ロータの中心軸に対して鋭角に配置することによって、前記ロータが軸方向に膨張する間、前記間隙ギャップの半径方向寸法を低減するステップと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記鋭角が、前記中心軸に対して１０から５０度の間である、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記アブレイダブルシールが、ハニカムシールを備える、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記アブレイダブルシールが、前記ディスカレッジャシール上のアブレイダブルコーティングを備える、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記ハニカムシールが、約０．５０から２．００インチの間の長さ、および約０．１５０から０．５００インチの間の厚さを有する、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記アブレイダブルコーティングが、約０．０４から０．０５インチの厚さに付着される、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、蒸気タービンおよびガスタービンなどの回転機械に関し、より具体的には、回転ロータブレードまたは「バケット」のシャンク部分と、隣接する固定ステータ構成要素の半径方向内側端部との間の間隙を制御する回転機械シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
地上設置式蒸気タービンおよびガスタービンは、例えば発電機に動力供給するために使用される。ガスタービンはまた、例えば航空機および船舶を推進させるために使用される。蒸気タービンは、典型的には、蒸気入口、タービン、および蒸気出口を直列流れの位置関係で含む蒸気経路を有する。ガスタービンは、典型的には、空気吸入口または入口、圧縮機、燃焼器、タービン、およびガス出口または排気ノズルを直列流れの位置関係で含むガス経路を有する。蒸気タービンおよびガスタービンのどちらでも、圧縮機、およびタービン区画は、ロータホイールまたはディスクに円周方向に取り付けられた回転ブレードまたはバケットの少なくとも１つの列を含む。回転バケットの自由端または先端は、ステータケーシングによって取り囲まれている。列内のそれぞれの回転バケットのベースまたはシャンク部分には、典型的には、いわゆる「エンジェルウィング（ａｎｇｅｌ−ｗｉｎｇ）」シールが設けられ、このシールは、可動ブレードの上流、および下流にそれぞれ配設されたノズルベーンまたはダイアフラムなどの固定ステータ構成要素の側部に位置する。
【０００３】
タービンの効率は、一部には、ロータバケットのエンジェルウィングシール先端と、隣接する固定ステータ構成要素にある封止構造との間の半径方向間隙またはギャップに依存する。この間隙が大きすぎると、そのギャップから貴重な冷却空気が過剰に漏洩することになり、したがってタービンの効率が低下する。この間隙が小さすぎると、エンジェルウィング先端が、あるタービン運転状態の間に、隣接するステータ構成要素の封止構造に当たることになり、それによってエンジェルウィング先端と、固定ステータ構成要素とのどちらにも望ましくない摩耗が生じることになる。
【０００４】
上述の半径方向間隙に関して、加速または減速期間中に、バケットにかかる遠心力の変動、タービンロータの振動、および回転ロータと固定ステータ構成要素間の相対的な熱膨張のため、間隙が変動することが知られている。遠心力の差異、ロータの振動、および熱膨張期間中、間隙が変動することによって、回転バケットのエンジェルウィングシール先端が、固定シール構造に対して強く摩擦される結果となり得る。先端とシール間の間隙ギャップを増大させると、金属対金属摩擦による損傷は低減するが、間隙の増大によって、効率損失が生じる結果となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５００８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロータ／バケットアセンブリと、隣接する固定ステータ構成要素との軸方向、および半径方向の移動による差異に対処するが、タービン性能には悪影響を与えないシール構成が、依然として求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例示的であるが、非限定的な実施形態によれば、本発明は、外面を有する少なくとも１つのディスクと、外面から半径方向に延びる少なくとも１つのバケットとが取り付けられたロータと、ディスクに隣接する固定ステータ構成要素と、固定ステータ構成要素の一部分から延びるシールプレートと、バケットから延び、シールプレートとの間で間隙ギャップを画定するエンジェルウィングシールと、シールプレートに配設されたアブレイダブルシール要素とを備え、アブレイダブルシール要素およびシールプレートが、ロータの中心軸に対してある角度で傾斜し、エンジェルウィングシールの方向に半径方向外方に延びる、回転ターボ機械を提供する。
【０００８】
別の態様では、本発明は、周囲に複数のバケットが配設され、各バケットが、シャンクおよびエーロフォイルを有し、軸方向に突出した少なくとも１つのエンジェルウィングシールがシャンクから延びる、ロータと、ロータに隣接して配設された固定ステータ構成要素であって、エンジェルウィングシールとともにシールギャップを画定する少なくとも１つのフランジ部分を有する固定ステータ構成要素と、少なくとも１つのフランジ部分の表面に配設されたアブレイダブルシールであって、少なくとも１つのフランジ部分およびアブレイダブルシールが、ロータの中心軸に対して１０から５０度の間の角度を向いている、アブレイダブルシールとを備えるガスタービンアセンブリを提供する。
【０００９】
さらに別の態様では、本発明は、タービンの回転構成要素と固定構成要素との間の境界におけるシールギャップを低減する方法であって、外面を有するディスクと、外面から半径方向に離れて延びる少なくとも１つのバケットとを支持するロータを用意するステップであって、少なくとも１つのエンジェルウィングシールが少なくとも１つのバケットから実質的に軸方向に延びる、ステップと、少なくとも１つのバケットに軸方向に隣接し、エンジェルウィングシールの方に延びるアブレイダブルシールが取り付けられたディスカレッジャシールを有する固定ステータ構成要素を用意するステップであって、エンジェルウィングシールとアブレイダブルシールとの間の半径方向間隙ギャップが画定される、ステップと、アブレイダブルシールをロータの中心軸に対して鋭角に配置することによって、ロータが軸方向に膨張する間、間隙ギャップの半径方向寸法を低減するステップとを含む、方法を提供する。
【００１０】
次に、本発明を、以下で識別される図面とともに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】回転バケットと、バケットの両側にある固定ステータ構成要素との間のシールアセンブリを示す断面図である。
【図２】本発明の例示的であるが非限定的な第１の実施形態による、固定ステータ構成要素にあるシールと、回転バケットのエンジェルウィング先端との間の境界を示す部分断面図である。
【図３】低温状態における、エンジェルウィング先端と固定ステータ構成要素シールとの間のギャップを示す、図２と同様の図である。
【図４】低速、および全速、全負荷状態における、エンジェルウィング先端と固定ステータ構成要素シールとの間のギャップを示す、図２と同様の図である。
【図５】停止状態における、エンジェルウィング先端と固定ステータ構成要素シールとの間のギャップを示す、図３および４と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、冷却空気が、ガスタービンの可動ブレード（またはバケット）と、固定ブレード（またはノズル）との間から高温燃焼ガス流路に漏洩するのを防止または制限するための従来のシールアセンブリを示す断面図である。この例示的な実施形態のタービンは、中心長手軸の周りで回転可能なロータまたはシャフト（詳細には示さず）と、ロータに支持されたディスク１１の環状外面に固定して取り付けられた複数のブレードまたはバケット１０とを有する。典型的には、バケットは、取付け部分、シャンク、およびエーロフォイルを含む。バケットは、円周方向に互いに間隔を置いて配置され、ロータディスクの環状外面からバケットエーロフォイルの端部先端まで半径方向外方に延びている。概ね環状かつ円筒形状を有し、また内周面１３を有する外側ケーシング１２が、バケット１０の周りに、バケット１０から半径方向外方に間隔を置いて配置され、それによってタービンを貫通する軸方向高温ガス経路Ｐが画定されている。
【００１３】
参照番号１４、１６、１８は、いわゆるエンジェルウィングシールを示し、これらのシールは、バケット１０のシャンク部分２０の上流面、および下流面から軸方向に延びている。これらのエンジェルウィングシールは、半径方向外方に延びた先端、歯、またはフィン２２、２４、２６でそれぞれ終端している。典型的にはディスカレッジャシールと呼ばれる封止構造またはフランジ２８、３０、３２が、それぞれの隣接する上流および下流の固定ノズルまたはノズルダイアフラムアセンブリ（または一般的には固定ステータ構成要素）３４、３６から軸方向に突出して、エンジェルウィングシール先端２２、２４、２６と相互作用している。これらの相互作用しているシール構成要素２２／２８、２４／３０、２６／３２は、必要量を超える冷却空気が、半径方向内側にあるタービンホイール空間３８から高温燃焼ガス流路Ｐに漏洩するのを防止するためのものである。
【００１４】
従来、例えばエンジェルウィング先端２２と、ディスカレッジャシール２８との間のギャップは約１４０ミル（３．５６ｍｍ）であり、半径方向内側のエンジェルウィング先端２４と、ディスカレッジシール３０との間のギャップは約１２５ミル（３．１７ｍｍ）である。したがって、封止性能は常に所望通りとはいかない。したがって、所望量を超える冷却／封止空気が、高温燃焼ガス流路に漏洩する傾向があり、したがって冷却機能を実施するために必要となる冷却空気量を増大させなければならず、それによってガスタービンの性能が劣化することになる。
【００１５】
図２を参照すると、本発明の例示的な実施形態によれば、例えば比較的軟質の材料のアブレイダブルシール４０が、ディスカレッジャシール４２の内面と、傾斜したエンジェルウィングシール４８の端部先端４６との間で画定される環状ギャップ内に配設されるように、固定ステータ構成要素４４のディスカレッジャシール４２の半径方向内面（バケット４５の下流）に配設されている。
【００１６】
以下でより詳細に説明するように、ロータおよびバケットが、固定ステータ構成要素に対して軸方向および半径方向に膨張して差異が生じる期間中、シール部材４０は、それぞれのエンジェルウィングシール４８の先端４６と接触することに応答して摩耗する。したがって、移動したエンジェルウィング先端４６と、ディスカレッジャシール４２とが直接接触することはないが、シール上に付着させたアブレイダブルシール材料４０に、許容可能な空隙が局所的に形成される。図２では、アブレイダブルシール４０は、ディスカレッジャシール４２に付随している（取り付けられる）ものとして例示されているが、かかるアブレイダブルシールは、必要である、または望ましいと考えられる場合には、追加として、または代替として、ディスカレッジャシール２８、３０および／または３２（図１）のそれぞれの半径方向内面の１つまたは複数に設けることができることを理解されたい。さらに、例示の実施形態では、エンジェルウィングシールは、単一の歯として構成された先端２２、２４、２６で終端するものとして例示されているが、これは単なる概略図にすぎず、エンジェルウィングシールはまた、軸方向に間隔を置いて配置された、２つ以上の半径方向外方に延びる先端または歯で終端してもよいことを理解されたい。
【００１７】
ディスカレッジャシール（または取外し可能なインサートの形でよい、他のシール支持プレート）４２は、傾斜したエンジェルウィングシール４８に対向して、実質的に反対の半径方向外方に傾斜していることに留意されたい。傾斜したシール支持プレート４２は、同様に傾斜したハニカムシール要素４０を支持し、このシール要素４０の接触面は、支持プレート４２に実質的に平行に延びている。図２に示すように、シール先端または歯４６は、角度の付いた外側縁部４７と、実質的に垂直の内側縁部４９とで形成され（図３）、シール要素４０と軽く係合しているが、この関係は、後述するタービン運転状態に伴って変動する。シール要素およびシールプレートは、ロータの中心軸に対して約４５°で示されているが、この角度は、図２の基準線Ａによって表す水平面に対して少なくとも約１０〜５０°の間で変動させることができ、この基準線Ａは、タービンロータの長手方向中心軸に実質的に平行に延びることが理解されよう。
【００１８】
図３〜５は、タービンの様々な運転状態におけるエンジェルウィングシール先端または歯４６、およびシール要素４０を例示している。図３は、低温状態におけるシール４０、およびシール歯４６を示す。半径方向間隙はかなり大きく（例えば、１４０ミル以上）、先端または歯４６は、シール４０の軸方向前端部に位置している。
【００１９】
図４は、低速状態、または全速、全負荷状態のいずれかにある、同じ構成要素を示す。ここでは、シール歯４６は、シール要素４０の半径方向内面部分を貫通するように、軸方向、かつ半径方向の両方向に移動している。例えば、軸方向の移動は、一軸方向において０．４００インチ以上、反対方向に０．２００から０．３００インチの間となることがある。定常状態における状態では、軸方向（図３〜５で見て右側へ）の膨張は、０．１００から０．２００インチの間となることがある。運転中の半径方向外方への最大膨張は、定常状態で約０．１３０インチから約０．１００インチの間となることがある。
【００２０】
図５は、タービンが停止したときの同じ構成要素を示すが、エンジンが完全に冷めていないので、間隙は図３の間隙よりも小さいことに留意されたい。
【００２１】
したがって、シール４０がシール先端４６に対して傾斜していることによって、ロータ／バケットが、軸方向にしか膨張しない場合にも、半径方向間隙が狭まり、したがって漏洩が低減し、性能が高まる。
【００２２】
本構成では、シール要素４０は、アブレイダブルコーティングシールでよいが、適切な厚さのハニカムシールなどの他の封止構成／組成も当技術分野の範囲に含まれる。例えば、例示的な実施形態のハニカムシール要素４０（したがってディスカレッジャシールまたは支持プレート４２）は、約０．５インチから約２．０インチの長さ、および約０．１５０インチから約０．５００インチの厚さを有することができる。アブレイダブルコーティングについては、厚さは．０４０インチから．０５０インチの範囲でよい。
【００２３】
本発明を、現在最も実用的、かつ最も好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示の実施形態に限定されるものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な改変形態、および均等な構成を網羅するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ブレードまたはバケット
１１  ディスク
１２  外側ケーシング
１３  内周面
１４、１６、１８  エンジェルウィングシール
２０  シャンク
２２、２４、２６  先端、歯、またはフィン
２８、３０、３２  ディスカレッジャシールまたはフランジ
３４、３６  固定ノズルまたはノズルダイアフラムアセンブリ
３８  タービンホイール空間
４０  アブレイダブルシール、ハニカムシール要素
４２  ディスカレッジャシール
４５  バケット
４６  端部先端または歯
４７  外側縁部
４８  エンジェルウィングシール
４９  内側縁部
Ｐ  高温燃焼ガス流路
【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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