(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ軸方向に向いた環状の第１の面（５４）を有するタービンノズル支持リング（４４）と、
各々が少なくとも１つのステータ羽根（２０）を有し、前記第１の環状面と軸方向に対向して位置する第２の周方向の面を形成する第２の面（５０）を有する内バンド（３８）を含む、複数のタービンノズルセグメント（４１）と、
前記第１の面と第２の面の間に設けられて、その両側の高圧領域と低圧領域の間をシールする第１のシール（４６）と、
前記第１のシールの前記低圧領域に曝される側において前記支持リングと前記ノズルセグメントとの間に設けられて、前記第１のシールを通過する漏れが生じた時に、高圧領域（３７）と低圧領域（１４）の間のシールを維持する２次シール（６０、８０）と
を含むことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記第１のシールが、前記第１及び第２の面（５４、５０）の一方の面から延びる突出部（４８）を含み、該突出部が、前記第１及び第２の面（５４、５０）の他方の面に対して係合することを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記支持リングと前記セグメントの内バンドの一部分とが、前記第１の面のほぼ半径方向外側に位置しかつ前記支持リング及び前記内バンドのほぼ軸方向に延びる半径方向に対向する面（６４、６６）によって一部が形成された空洞（６２）を形成し、
前記２次シールが前記空洞内に設けられ、該２次シールが、シール本体（６１）を含む可撓性シール（６０）であって、前記シール本体が、前記第１及び第２の面の間で延びる第１の部分（６８）と、前記半径方向に対向する面とそれぞれ係合可能な第２及び第３の部分（７０、７２）とを有し、前記支持リング及び前記内バンドの前記軸方向に整合した第１及び第２の面の両側の高圧及び低圧領域（３７、１４）間をシールする
ことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
【請求項４】
前記空洞及び前記シール本体が、該タービンの軸線の周りで円周方向に弓形であることを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項５】
前記シール本体が金属薄板を含むことを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項６】
前記シール本体の前記第２及び第３の部分が、中間の部分（７４）によって互いに接続され、それによって前記第２、第３、及び中間の部分（７０、７２、７４）が、該中間の部分が前記半径方向に対向する面の間を跨いでいるほぼＵ字形状を形成し、前記シール本体が、前記第２及び第３の部分を付勢して前記半径方向に対向する面とシール係合させるように予荷重が加えられていることを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項７】
前記第１の部分が、ほぼ軸方向に突出した前記シール本体のリップ部（６９）を含み、また前記第１の部分が、前記リップ部を前記軸方向に対向する面の一方の面とシール係合させた状態で、前記各軸方向に対向する面に接して両者間をシールするように予荷重が加えられていることを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項８】
前記空洞（６２）及び前記シール本体（６１）が、該タービンの軸線の周りで円周方向に弓形であり、前記第２及び第３の部分（７０、７２）が、弓形であり、かつ弓形の中間の部分（７４）によって互いに接続され、前記第１の部分（６８）が、前記各軸方向に対向する面に接して両者間をシールするように予荷重をかけられた前記シール本体の脚部を含み、前記第２、第３、及び中間の部分が、空洞内でほぼＵ字形状を形成し、かつ前記軸方向に対向する面の間の前記第１の部分（６８）によって支持され、前記第２、第３、及び中間の部分が、前記第２及び第３の部分を付勢して軸方向に対向する面とシール係合させるように予荷重が加えられていることを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項９】
前記第２及び第３の部分が、その頂点部（８８、９０）を前記半径方向に対向する面と係合させた状態で、ほぼ波形形状にされたシール本体部分の一部を前記空洞内に形成していることを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記支持リング及び前記セグメントの一方が、その軸方向に向いた面（５０）に沿った軸方向に延びる突出部（４８）を含み、該突出部が、前記支持リング及び前記セグメントの他方の軸方向に向いた面（５４）と係合して、該面との間でシールを形成することを特徴とする、請求項３に記載のガスタービン。
【請求項１１】
前記２次シールが、端部を有するセグメントとして形成され、隣り合うシールセグメントの前記端部が、前記ノズルセグメントの両端部の中間に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンノズルとタービンノズル支持リングとの間の弦ヒンジシールを補助するための、ガスタービンにおけるシールに関し、具体的には、弦ヒンジシールを通過する漏れ損失を実質的に最少化又は排除するための補助シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおいては、高温の燃焼ガスが、燃焼器から第１段ノズル及びバケットを通り、そして後続のタービン段のノズル及びバケットを通って流れる。第１段ノズルは、一般的にその各々がセグメント毎に１つ又はそれ以上のノズルステータ羽根を含む鋳造ノズルセグメントの環状配列又は組立体を含む。各第１段ノズルセグメントはまた、互いに半径方向に間隔をおいて配置された内バンド部分及び外バンド部分を含む。ノズルセグメントの組立に際して、ステータ羽根は、互いに円周方向に間隔をおいて配置されて、環状の内バンドと外バンドとの間でステータ羽根の環状配列を形成する。第１段ノズルの外バンドに結合されたノズル保持リングは、タービンのガス流路内で第１段ノズルを支持する。好ましくは水平中心線において分割された環状のノズル支持リングには、内バンドが係合し、該ノズル支持リングは軸方向運動に抗して第１段ノズルを支持する。
【０００３】
例示的な構成においては、セグメント毎に２つのステータ羽根を備える１８個の鋳造セグメントが設けられている。セグメントの環状配列は、隣り合う円周方向端縁に沿って、側面シールにより互いにシールされる。側面シールは、内バンドの半径方向内側の高圧領域、すなわち高圧圧縮機の吐出空気と、これよりも低圧のガス流路内の高温燃焼ガスとの間をシールする。
【０００４】
弦ヒンジシールは、第１段ノズルの内バンドとノズル支持リングの軸方向に向いた面との間をシールするために使用される。各弦ヒンジシールは、各ノズルセグメントの内バンド部分の弦方向線に沿って直線的に延びる軸方向突出部を含む。具体的には、弦ヒンジシールは各セグメントの内側レールに沿って延び、この内側レールは内バンド部分から半径方向内向きに延びる。弦ヒンジシールの突出部は、ノズル支持リングの軸方向に対向して面するシール面とシール係合している。
【０００５】
第１段ノズルの作動及び／又は修理時に、歪みにより弦ヒンジシールとノズル支持リングのシール面との間にギャップが生じる場合があることが判明した。これらのギャップは、環状の内バンドの半径方向内側の高圧領域から高温ガス流路内へ、弦ヒンジシールを通過する漏れを発生させる。言い換えると、弦ヒンジシールの突出部がノズル支持リングのシール面との接触を失うので、弦ヒンジシールは漏れ流を防ぐのに不十分である。
【特許文献１】
米国特許第６０９５７５０号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、弦ヒンジシールを通過する漏れ流を最少化又は排除するために、第１段ノズルとノズル支持リングとの境界面における補助シールに対する必要性が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によれば、弦ヒンジシールを通過する漏れを排除又は最少化し、かつ第１段ノズル又はノズル支持リングを改造することなくそのまま容易に取り付けられる、第１段ノズルとノズル支持リングとの間の補助シールが提供される。本発明の第１の実施形態においては、セグメント化された金属薄板補助シールが、それぞれノズルセグメントの内バンドの半径方向内側に向いた面とノズル支持リングの半径方向外側に向いた面との間に形成された環状の空洞内に配置される。この空洞はまた、第１段ノズルの軸方向に向いた環状面、すなわち内バンドの半径方向内向きに延びる内側レールに沿った環状面によって形成される。
【０００８】
この第１の実施形態における補助シールは、各々がほぼＵ字形の円周方向断面形状と、半径方向内向きに延びた第１の固定脚部又は支持部分とを有する複数の弓形の金属薄板シールセクションを含む。この第１の固定脚部は、弦ヒンジシールの半径方向外側位置において、ノズル支持リング及び内側レールの軸方向に向いた環状面の間に配置される。Ｕ字形シールの第２及び第３の部分、すなわち脚部は、それぞれ内バンドの半径方向内表面及びノズル支持リングの半径方向外表面に対して押し付けられる。Ｕ字形セクションの基部は、内側レールの軸方向の面から間隔をおいて配置される。万一漏れ空気流が補助シールの第１の部分を通過した場合には、漏れ空気は、内側レールとＵ字形補助シールの第２及び第３の部分、すなわち脚部とによって囲まれた領域内に入る。この漏れ空気は、それら第２及び第３の部分を、それぞれ内バンドの半径方向内表面及びノズル支持リングの半径方向外表面に強制的に押し付けて、それによって漏れ流が高温ガス通路内に入るのを実質的に防止する。
【０００９】
本発明の別の形態においては、円周方向の断面が波形形状を有するほぼ弓状に延びる補助シールセクションが形成されて、環状の補助シールを形成する。波形シールセクションの頂点部が、それぞれ内バンドの半径方向内表面及びノズル支持リングの半径方向外表面に対して交互に係合する。第１の実施形態の場合と同様に、これらの補助シールセクションの固定脚部又は第１の部分は、ノズル支持リングの環状シール面と内側レールとの間で弦ヒンジシールから半径方向外向きに延びる。弦ヒンジシールを通過した漏れが補助シールセクションの固定脚部を通過しようとする時、そのような漏れ流は、波形シールセクションの頂点部を付勢して内バンド及びノズル支持リングに沿った各シール面に係合させ、弦ヒンジシールを通過したあらゆる漏れ流が高温ガス通路内に入るのを実質的に防止する。
【００１０】
本発明による好ましい実施形態においては、ほぼ軸方向に向いた第１の面を有するタービンノズル支持リングと、少なくとも１つのステータ羽根を有し、かつ第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する内バンドを含む、タービンノズルセグメントとを含み、支持リングとセグメントの内バンドの一部分とが、第１の面のほぼ半径方向外側に位置しかつ支持リング及び内バンドのほぼ軸方向に延びる半径方向に対向する面によって一部が形成された空洞を形成し、シール本体を含む可撓性シールが空洞内に設けられ、該シール本体が、第１及び第２の面の間で延びる第１の部分と、半径方向に対向する面とそれぞれ係合可能な第２及び第３の部分とを有し、支持リング及び内バンドの軸方向に整合した第１及び第２の面の両側の高圧及び低圧領域間をシールすることを特徴とするガスタービンが、提供される。
【００１１】
本発明による別の好ましい実施形態においては、ほぼ軸方向に向いた環状の第１の面を有するタービンノズル支持リングと、各々が少なくとも１つのステータ羽根を有し、第１の環状面と軸方向に対向して位置する第２の周方向の面を形成する第２の面を有する内バンドを含む、複数のタービンノズルセグメントと、第１及び第２の面の間に設けられて、その両側の高圧及び低圧領域間をシールする第１のシールと、第１のシールの低圧領域に曝される側において支持リングとノズルセグメントとの間に設けられて、第１のシールを通過する漏れが生じた時、高圧及び低圧領域間のシールを維持する２次シールとを含むことを特徴とするガスタービンが、提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に図１を参照すると、ここには全体を符号１０で表したガスタービンのタービンセクションの代表的な例が示されている。タービン１０は、図示しないが環状配列の燃焼器からの高温燃焼ガスを、該高温ガスを環状の高温ガス通路１４に沿って流すための移行部材１２を通して受ける。タービン段は高温ガス通路１４に沿って配置されている。各段は、タービンロータ上に取り付けられ該タービンロータの一部を形成する複数の円周方向に間隔をおいて配置されたバケットと、ノズルの環状配列を形成する複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根とを含む。例えば、第１段は、第１段ロータホイール１８上に取り付けられた複数の円周方向に間隔をおいて配置されたバケット１６と、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根２０とを含む。同様に、第２段は、ロータホイール２４上に取り付けられた複数のバケット２２と、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根２６とを含む。更に追加の段を設けることが可能であって、例えば、第３段ロータホイール３０上に取り付けられた複数の円周方向に間隔をおいて配置されたバケット２８と、複数の円周方向に間隔をおいて配置されたステータ羽根３２とを含む第３段を設けることができる。ステータ羽根２０、２６、３２は、タービンケーシング上に取り付けられかつそれに固定され、他方、バケット１６、２２、２８とホイール１８、２４、３０とは、タービンロータの一部を形成することが分かるであろう。ロータホイール間にはスペーサ３４、３６が設けられ、これらもまたタービンロータの一部を形成する。圧縮機の吐出空気は、第１段の半径方向内側に位置する領域３７内に在って、領域３７内に在るこの空気は、高温ガス通路１４に沿って流れる高温ガスの圧力よりも高圧であることが分かるであろう。
【００１３】
タービンの第１段を参照すると、第１段ノズルを形成するステータ羽根２０は、それぞれタービンケーシングにより支持された内バンド３８と外バンド４０との間に配置される。上に述べたように、第１段ノズルは、複数のノズルセグメント４１で形成され（図３）、各ノズルセグメントには、内バンド部分と外バンド部分との間を延び、かつセグメントの環状配列内に配置された１つ、好ましくは２つのステータ羽根が取り付けられる。タービンケーシングに接合されるノズル保持リング４２は、外バンドに結合されて、第１段ノズルを固定する。第１段ノズルの内バンド３８の半径方向内側に在るノズル支持リング４４は、内バンド３８と係合する。具体的には、内バンド３８とノズル支持リング４４との境界面は、内側レール５２（図２）を含む。内側レール５２は、弦状になった直線的に延びる軸方向突出部４８を含み、これらは以下の記述においては全体的かつ集合的に弦ヒンジシール４６と呼ぶ。突出部４８は、各ノズルセグメント、特に内バンド３８の一体部分を形成する内側レール５２の軸方向に向いた面５０に沿って延びる。突出部４８は、ノズル支持リング４４の第１の環状面５４と係合する。高圧圧縮機の吐出空気は、領域３７内に在り、高温ガス通路１４内を流れるより低圧の高温ガスは、シール４８の反対側に在ることが分かるであろう。従って弦ヒンジシール４６は、高圧領域３７から高温ガス通路１４の低圧領域内への漏れをシールすることを目的とする。
【００１４】
しかしながら前述したように、作動中に、ノズル構成部材とノズル支持リングとは、突出部４８とノズル支持リング４４の環状面５４との間に漏れギャップを形成し、それによって高圧領域から低圧領域へ漏れ流が生じがちになる。高温ガス通路１４内への漏れ流を最少化又は防止するために、本発明の好ましい実施形態においては、第１段ノズルとノズル支持リング４４との間をシールするための補助シールが設けられる。本発明の第１の実施形態において、全体を符号６０で表した補助シール(図５及び図６)が提供され、この補助シールは、弦ヒンジシール４６の低圧側においてノズルとノズル支持リングとの間をシールする。図２を検討すると、弦ヒンジシール４６の半径方向外側に空洞６２があり、この空洞６２は、それぞれノズル支持リング４４及び内バンド３８のほぼ軸方向に延びる半径方向に対向する面６４、６６を含むことが分かるであろう。補助シール６０（図６）は、空洞６２内に配置され、それぞれ内側レール５２及びノズル支持リング４４の軸方向に対向する面５０及び５４の間で延びる第１の脚部又は固定部分６８を有するシール本体６１を含む。補助シール６０は、金属薄板で形成され、弓状に延び、半径方向内向きに延びた第１の部分６８を有する断面がほぼＵ字形の部分を有する。シール６０のＵ字形部分は、ノズル支持リング４４の半径方向外表面６４及び内バンド３８の半径方向内表面６６をシールする第２及び第３の部分７０、７２を含む。
【００１５】
第１の部分又は固定脚部６８は、内側レール５２及びノズル支持リング４４の面５０、５４の間に配置される。第１の部分６８の末端縁は、弓形のリップ部６９を形成するように曲げられ、また第１の部分６８には、面５０、５４の間で係合するように予荷重が加えられており、それによりシールを形成する。つまり、リップ部６９が、面５４に係合し、一方、第１の部分６８の背面が面５０に係合する。シール６０のＵ字形部分もまた、予荷重が加えられている。従って、第２及び第３の脚部は、それぞれノズル支持リング４４の半径方向外表面６４及び内バンド３８の半径方向内表面６６に対して係合する。中間の部分７４が、第２及び第３の部分を互いに接続し、かつ空洞６２を跨ぐ。
【００１６】
次に、図７及び図８に示す本発明の第２の実施形態によると、全体を符号８０で表した補助シールは、金属薄板製の弓形のシール本体８１を含み、このシール本体８１は、内側レール及びノズル支持リング４４の面５０、５４の間に配置された第１の部分又は固定脚部８２を有する。固定脚部８２から波形の金属薄板が円周方向断面で延び、空洞６２の半径方向に対向する面６４、６６の間を延びる波形部分８４を形成する。前の実施形態と同様に、第１の脚部８２は、軸方向に突出するリップ部８６を有し、軸方向に対向する面５０、５４間の予荷重が加えられたシールとして働く。波形に形成された金属薄板８４の頂点部８８、９０は、予荷重が加えられ、それぞれノズル支持リング４４及び内バンド３８の半径方向に対向する面６４、６６をシールする。
【００１７】
補助シール６０及び８０は、弓形であり、各ノズルセグメントの内側レール５２の円周方向長さよりも大きい円周方向長さを有する。図には示されていないが、ノズルセグメントは、円周方向に隣接するセグメントの接合部において該隣接するセグメント間をシールするための側面シールを有する。シール６０及び８０は、該シールがノズルセグメント間の接合部を跨ぐことができる長さに成形される。例えばこれらのシールは、９０°又は１８０°の長さに成形することができる。従って、隣り合うシールの端部間の全ての端部接合部が、軸方向に隣接するセグメントの両端部の間に位置するようにするのが好ましい。言い換えると、ノズルセグメント間の接合部は、シールの中間部分に対向する位置に配置される。従って、ノズルセグメント間の接合部とシール間の接合部とが、互いに軸方向に整合して配置されることはない。
【００１８】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンの一部分の概略破断側面図。
【図２】  従来の弦シールヒンジを示す拡大破断断面図。
【図３】  ノズルセグメントの内側レールに沿った従来の弦ヒンジシールの一部分を示す破断斜視図。
【図４】  ガスタービンのノズル支持リングとシール係合した従来の弦ヒンジシールを一部断面で示す破断斜視図。
【図５】  本発明の好ましい実施形態による補助シール部分を示す拡大破断断面図。
【図６】  ガスタービン内における図５の補助シール部分を示す拡大破断断面図。
【図７】  本発明の第２の好ましい実施形態による補助シール部分の斜視図。
【図８】  ガスタービン内における図７の補助シール部分を示す破断断面図。
【符号の説明】
３７  高圧領域
３８  内バンド
４４  ノズル支持リング
４６  弦ヒンジシール
４８  軸方向突出部
５０  内側レールの第２のシール面
５２  内側レール
５４  ノズル支持リングの第１のシール面
【図１】
0004293419.tif 000002
【図２】
0004293419.tif 000003
【図３】
0004293419.tif 000004
【図４】
0004293419.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004293419.tif 000007
【図７】
0004293419.tif 000008
【図８】
0004293419.tif 000009