JP4425139B2 - 偏倚型耐摩耗性タービンシール組立体 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、タービンに係り、さらに詳細には、タービンのガス流路を分離するシールに係る。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの主要なガス流路は通常、ガス入口、圧縮機、燃焼器、タービン及びガス出口を含む。加熱される種々のエンジンコンポーネントの冷却用としての二次的な流れもある。一般的にガス流路間でこれらの流れが漏洩混合するとエンジン性能が劣化するため、望ましくない。
【０００３】
漏洩が生じる１つの特定領域として、隣接する静翼またはリングセグメントのような２つのガスタービンコンポーネント間の間隙がある。この漏洩路の封止は、シールが数千時間にわたる運転に耐えるだけの耐久性と、組立体の不整合、係合表面の不同、運転による振動及び隣接コンポーネント間の熱膨張の相違を補償するに十分な可撓性とを備える必要があるため、容易なことではない。金属シムのような従来型シールは剛性を有するため、種々の不整合に順応せず、その結果、シムの周りに漏洩が生じて最終的にエンジン性能の低下をきたすことがある。また、隣接コンポーネントの振動及び他の相対的移動によりシムの接触表面が摩耗して、シムに破壊力がかかることがある。従って、種々の不整合に順応することが可能であり組立て及び装着が容易な改良型タービンガス流路漏洩シールが求められている。
【発明の概要】
【０００４】
従って、本発明の目的は振動環境において高信頼度のシールを提供するように構成されたタービンガス流路用シールを提供することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、漏れ止めされる部品が製造公差または作動による変位に起因して不整合状態となった時高信頼度のシールを提供するように構成されたタービンシールを提供することにある。
【０００６】
本発明のさらに別の目的は、大きな漏れ止め圧力下で耐摩耗性を有するタービンシールを提供することにある。
【０００７】
本発明の上記及び他の目的は、請求項１に記載された漏れ止めシムにより達成される。本発明は、別の局面において、請求項５に記載されたガス漏洩を最小限に抑える装置も提供する。少なくとも１つのばねが漏れ止めシムのブリッジ部分と頂面で作動的に接触する。このばねは、漏れ止めされるタービン部品の対向支承表面に対して偏倚され、シールをタービン部品の支承表面と強制接触するように押圧する。かくして、運転時の動力学では、漏れ止めシムは漏れ止め接触を維持するように押圧される。
【０００８】
この強制的な漏れ止め接触によりシムの摩耗が増加する可能性があるため、シム保護材料がほぼ第１の端部と第２の端部との間でばねとは反対側でブリッジ部分の少なくとも一部に隣接する位置に設けられる。シム保護材料は本発明の種々の方法でシムに固定することが可能である。シム保護材料は金属繊維等で作られたクロスの１またはそれ以上の層を含むことができる。各クロスにおける繊維をシムの縦方向に対して角度を有するように整列するのが好ましい。
【０００９】
シム保護材料は、第１と第２の端部に実質的に当接させ、シーム溶接により第１と第２の端部に固定することができる。あるいは、シムのブリッジ部分の底面から下方に延びる一対のレールを設けて、シム保護材料を一対のレール間をそれらにほぼ隣接して延びるようにして、シーム溶接により一対のレールに固定することができる。
【００１０】
本発明のシール組立体は断面が曲線状の板ばねを備えることができる。この断面は対向する基部へ延びる頂部を画定し、断面長の少なくとも半分にわたり実質的に平坦な領域があり、基部に向かって曲線部分を形成する。
【実施例】
【００１１】
【実施例】
本発明の実施例は、タービンシステム用のガス流路漏洩シールを提供する。本発明の範囲には含まれない構成であるが、図１に示すように、第１のタービン部材１０と第２のタービン部材１２とがある。第１及び第２のタービン部材１０、１２は、例えば、隣接するタービン静翼または隣接するタービンリングセグメントのような２つの別個のタービンコンポーネントである。あるいは、第１及び第２のタービン部材１０、１２は実際、同一部品の２つの部分である場合がある。何れにせよ、第１及び第２のタービン部材１０、１２は、ギャップまたはガス漏洩路１３を画定するように離隔関係にある。
【００１２】
第１のタービン部材１０は、少なくとも上方表面１６と下方表面１８とより成る第１の凹部１４を有する。同様に、第２のタービン部材１２は、少なくとも上方表面２２と下方表面２４とより成る第２の凹部２０を有する。ここで、また本願全体で用いる「上方」及び「下方」のような相対的用語は読者の理解を助けるために使用するものであって、本発明の範囲を限定する意図はないことを注意されたい。第１及び第２の凹部１４、２０は、本発明のガス流路漏洩シール組立体を受容するためにほぼ整列関係にある。
【００１３】
本発明のガス流路漏洩シール組立体の１つのコンポーネントは、シム２６である。このシム２６はシール組立体の主要な漏れ止め表面を提供する。シム２６は金属で形成可能であり、好ましい金属としてはコバルト系超合金が含まれる。シム２６は全体として平坦な形状を有し、頂面２８と底面３０とを備えている。シム２６の全体構成は３つの主要部分、即ち、第１の端部３２、第２の端部３４、及び第１及び第２の端部３２、３４を接続するブリッジ部分３６より成ると説明することができる。図１に示すように、ブリッジ部分３６はほぼ平坦である。３２、３４のような端部は、ブリッジ部分３６の端部が９０°の角度で下方に方向転換しブリッジ部分３６の厚さを超えて下方に延びたものである。シム２６は、シール組立体の他のコンポーネントがシム２６と協働する態様にもよるが、さらに別の特徴部分を備えることがある。これらのさらに別の特徴部分については以下に詳述する。
【００１４】
図１に示すように、本発明のシール組立体の第１実施例は上側のばね３８を含む。このばね３８の目的は、シム２６をタービン部材１０、１２と、さらに詳細にはタービン部材１０、１２の凹部１４、２０の下方表面１８、２４と接触するように常に押圧することである。上側のばね３８は、ばね鋼または耐摩耗性材料により形成され、断面がほぼ放物線を描いて頂部４０及び基部４２を有する板ばねでよい。基部４２は２つのフランジ４４を有する。ばね３８はシム２６より厚い方が好ましい。運転状態にない場合、フランジ４４は互いにほぼ同一平面内にあるのが好ましいが、これらのフランジ４４はそれぞれが係合する表面に応じて相対的に異なる高さを持つことができる。頂部４０については、ばね３８が頂点のあるほぼ放物線状であって単一の接触線または領域を画定するか、または、多数の接触点または領域が存在するような別の断面形状の場合がある。ばね３８の曲率は、凹部１４、２０に挿入されるとばねの剛性を増加させ且つシール組立体の高さ方向の寸法を減少させるように、端部近くで比較的急峻であり、ほぼ平坦な領域に移行するのが好ましい。ばねの断面形状は曲線長の少なくとも半分にわたりほぼ平坦であるのが好ましい。
【００１５】
シム２６は比較的薄く、厚さは約１０ミル乃至約５０ミルの範囲内、さらに好ましくは約１０ミル乃至約３０ミルの範囲内にある。シム２６はその厚さにより可撓性を獲得するが、耐久性はそれほど高くなく、曲げまたは捩り力を受けると破壊する可能性がある。
【００１６】
従って、本発明のシール組立体は別のコンポーネントとしてシール保護材料４６を有する。シム保護材料４６はタービンコンポーネント１０、１２と接触する高耐久性の耐摩耗性表面を提供するだけでなく、二次的な耐漏洩性を与える。シム保護材料４６は、金属、複合材料、セラミックまたはこれら３つの何らかの組み合わせより成る可撓性を備えた編成繊維を含むのが好ましい。好ましい材料として金属がある。
【００１７】
シム保護材料４６は、図２に示すような単一層より成るかまたは図１及び３に示すように多数の層より成ることがある。単一層の場合、繊維をシム２６の縦方向に関して好ましくは４５°の単一方向に配向するのが一般的に好ましい。多数層の場合、層間で繊維を交互に配向するのが好ましい。例えば、第１の層４８の繊維を４５°に配向する一方、隣接する層５０の繊維を１３５°に配向させる。さらに、２つの層の各材料の組成を同一にするかまたは別種のものにすることができる。シム保護材料４６は、シムをタービン部材との接触から保護し、高耐久性の耐摩耗性表面を与え、二次的な耐漏洩性を与え、ガスタービンの運転環境に耐えることができるものであれば何でもよい。
【００１８】
シム保護材料４６は通常、シム２６の２つの脚部３２と３４の間でその底面３６に隣接して配置される。この配置により、シム２６の底面３０の大部分がタービン部材１０、１２と接触しないようになる。シム保護材料４６はシム２６に多数の方法で固定される。第１に、図１に示すように、一連の編成クロスのような材料４６を、例えばスポット溶接（図示せず）によりシム２６に直接固定することができる。
【００１９】
図２に示す第２の固着方法では、シム保護材料４６はシム２６の端部または脚部３２と３４との間を延びてこれらの脚部３２、３４と実質的に当接するに十分な長さを有する。シム保護材料４６はシーム溶接（図示せず）によりシムの各端部３２、３４に固定するのが好ましい。
【００２０】
別法として、さらに強固な接続を行うために、図３に示すように、シム４６にブリッジ部分３６の底面３０から下方に延びる２つのレール５２を設けることができる。これらのレール５２は第１及び第２の端部または脚部３２、３４から内側に離隔している。その結果、レール５２の間に第１の距離５４が画定される。この第１の距離４３はシム２６の第１の端部３２と第２の端部３４との間に画定される第２の距離５６より短い。レール５２を設ける場合、シム保護材料４６はレール５２間を延びてそれらと実質的に当接するに十分な長さを有する。シム保護材料４６は、定位置に配置した後、例えばシーム溶接により各レール５２に固定する。
【００２１】
本発明の上述したシール組立体の実施例のコンポーネントは、以下に述べる態様で組立てることができる。２つのタービン部材１０、１２間にガス漏洩路１３の存在を突き止めると、タービン部材１０、１２に既に設けられている場合を除き凹部１４、２０を形成する。シム保護部材４６を上述した態様でシム２６の底面３０に固定する。その後、シム２６とシム保護材料４６とをタービン部材１０、１２の凹部１４、２０に配置する。
【００２２】
シム２６を一旦定位置に置くと、その第１及び第２の端部３２、３４は凹部１４、２０の下方表面１８、２４にそれぞれ係合する。さらに、シム保護材料４６は、タービン部材１０、１２の凹部１４、２０の下方表面１８、２４と係合するかまたは少なくともそれらと実質的に隣接する関係になる。次に、上側のばね３８を、凹部１４、２０の上方表面１６、２２とシム２８の頂面との間にすべりこませる。定位置において、ばね３８の頂部４０は、シム２６のブリッジ部分３６の頂面２８に対して作用し、ばね３８の基部４２のフランジ４４はタービン部材１０、１２の凹部１４、２０の上方表面１６、２２に対して作用する。ばね３８は、シム２６とシム保護材料４６とがタービン部材１０、１２の凹部１４、２０の下方表面１８、２４に対して下方に押圧されるように外方に偏倚される。
【００２３】
図３は、ばね３８が別方向であるガス流路漏洩シールの実施例を示す。詳述すると、ばね３８は、その頂部４０とその周辺領域がタービンコンポーネント１０、１２の凹部１４、２０の上方表面１６、２２に対して作用してギャップ１３に入り込むように逆向きである。もう一方の端部では、基部４２のフランジ４４がシム２６の頂面２８に対して作用する。係合する表面及び荷重の分布は異なるが、ばね３８を取り付ける方法及びばね３８の一般的な作用は上述したものと同じである。逆向きのばね３８は図１及び２に示すシール組立体の実施例にも使用可能である。
【００２４】
シール組立体は、ガス流の混合を阻止するだけでなく、ばね３８が高さのばらつきを補償するに十分な可撓性を備えているため熱的負荷または振動によるタービン部材１０、１２の不整合を補償することができる。例えば、第１のタービン部材１０が振動した結果凹部１４と２０とが垂直方向に不整列になった場合、上側のばね３８はこの変化した状況に対処することができる。ばね３８の基部４２の２つのフランジ４４の高さを強制的に相違させることができる。そうなると、ばね３８は放物線に沿って揺動するが、ばね３８はそれでも定位置を保持してシム２６及びシム保護材料４６を引き続き下方に押圧することができる。さらに、凹部１４、２０の下方表面１８、２４上では、シム保護材料４６を構成する繊維はシール全体が種々の熱的及び機械的不整合状態に追従できるような十分な可撓性を有する。
【００２５】
図４−６は、本発明のシール組立体の別の実施例にかかわる。これら各実施例において、金属シム６０の頂面６２及び底面６４はそれぞれ第１及び第２のシム保護材料６６、６８により保護される。金属シム２６に関する上記説明は本発明のこの実施例にも当てはまるが、以下に述べるように少なくとも１つの相違点がある。同様に、シム保護材料４６の上記説明はこれらの実施例の第１及び第２のシム保護材料６６、６８の両方に当てはまる。さらに、第１及び第２のシム保護材料６６、６８は、図４及び６に示すように互いに同数の層かまたは図５に示すように異なる数の層より成る。
【００２６】
第２のシム保護材料６８は、上述した方法のうちの幾つかによりシムの底面に固定される。図６に示すように第２のシム保護材料６８は、シム６０の端部または脚部７０、７２間を延びてこれらの脚部７０、７２に実質的に当接するに十分な長さを有する。その場合、第２のシム保護材料６８をシーム溶接によりシムの端部７０、７２に固定するのが好ましい。
【００２７】
第２のシム保護材料６８をシム６０に固着する別の方法として、図４及び５に示すように、シム６０のブリッジ部分７６の底面６４から下方に延びる２つのレール７４を設ける方法が含まれる。これらのレール７４は第１及び第２の端部７０、７２から内側に離隔している。その結果、レール７４は直線距離７８だけ離隔することになるが、この距離はシム６０の第１の端部７０と第２の端部７２との間の直線距離８０よりも短い。レール７４を設ける場合、第２のシム保護材料６８はレール７４間を延びてそれらと実質的に当接するに十分な長さを有する。定位置に配置した後、第２のシム保護材料８をシーム溶接によりレール７４に固定するのが好ましい。
【００２８】
第１のシム保護材料６６については、図４−６に示すように、２つのレール８２がシム６０のブリッジ部分７６の頂面６２から上方に延びている。レール８２はシム６０のブリッジ部分７６の端部から内側に離隔している。レール８２を設ける場合、第１のシム保護材料６６はレール８２間を延びてそれらと実質的に当接するに十分な長さを有する。定位置に配置した後、第１のシム保護材料６６をシーム溶接８４によりレール８２に固定するのが好ましい（図６を参照）。
【００２９】
本発明の第２の実施例を組立てる際、第２のシム保護材料６８は上述した態様のうちの１つでシム６０に固定する。次に、第１のシム保護材料６６を上述したようにシム６０に固定する。この取り付け順序は、最初に第１のシム保護材料６６を固定した後、第２のシム保護材料６６を固定するように逆にしてもよい。その後、シール組立体をタービン部材９０、９２の凹部８６、８８に配置する。
【００３０】
もちろん、本発明は例示の目的でのみ与えられる上述した特定の詳細事項に限定されず、頭書の特許請求の範囲において規定される本発明の範囲内で種々の変形例及び設計変更が可能であることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のシール組立体の第１実施例を示す横断面図である。
【図２】本発明のシール組立体の第２実施例を示す展開斜視図である。
【図３】本発明のシール組立体の第３実施例を示す横断面図である。
【図４】本発明のシール組立体の第４実施例を示す横断面図である。
【図５】本発明のシール組立体の第５実施例を示す展開斜視図である。
【図６】本発明のシール組立体の第６実施例を示す斜視図である。

Claims (7)

1. 頂面（２８）、底面（３０）、第１の端部（３２）、第２の端部（３４）及び第１の端部（３２）と第２の端部（３４）とを接続する平坦なブリッジ部分（３６）を有し、第１及び第２の端部（３２、３４）がブリッジ部分（３６）から９０°の角度で下方に延びており、
   さらに、前記ブリッジ部分の第１及び第２の端部より内側に、シムのブリッジ部分（３６）の底面（３０）から下方に延びる一対のレール（５２）を有し、シム保護材料（４６）が前記一対のレール（５２）間をそれらに隣接して延びており、前記シム保護材料（４６）が前記一対のレール（５２）に固定されている漏れ止めシム（２６）。
2. シム保護材料（４６）はシーム溶接により固定されている請求項１の漏れ止めシム。
3. シム保護材料（４６）は可撓性編成繊維より成る請求項１の漏れ止めシム。
4. さらに、上向きのレール（８２）と、それらの間に位置してそれらに固定された別のシム保護材料とを有する請求項１乃至３のうちの一項の漏れ止めシム。
5. 前記請求項１乃至４のうちの一項に記載された漏れ止めシムを有するガス漏洩を最小限に抑える装置。
6. 一部がシム（２６）のブリッジ部分（３６）と頂面（２８）で作動的に接触する少なくとも１つのばね（３８）と、上向きのレール（８２）とのうちから選択される、装置を漏れ止め係合関係に維持するための保持手段を有する請求項５の装置。
7. ばね（３８）は断面が曲線状の板ばねであり、この断面は対向する基部（４４）へ延びる頂部（４０）を画定し、断面長の少なくとも半分にわたり平坦な領域があり、基部（４４）に向かって曲線部分を形成する請求項６の装置。

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