JP4130581B2 - ガスタービンにおける弦ヒンジシールのための補助シール - Google Patents

Description

【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。好ましい実施形態においては、補助シールは、内側レールに固定されかつノズル支持リングの第１の面に対してシール係合するように予荷重が加えられた縁部を有する可撓性金属薄板シールを含む。好ましくは、金属薄板シールはほぼＬ字形状に折り曲げ又は折り返され、該金属薄板シールの２つの脚部は、それぞれ内側レールの弦ヒンジシールから遠い側の側面と内側レールの半径方向内表面とに沿って延びる。金属薄板シールは、内側レールの弦方向長さ一杯に延びる。両脚部の接合部において、金属薄板シールは内側レールのコーナ端縁から離れる方向に向いたビードを形成するように離れている。金属薄板シールの縁部は、予荷重が加えられ、軸方向に延び、次いでほぼ半径方向内向きに曲げられて、ノズル支持リングの第１の面をシールする。
【０００８】
金属薄板シールを内側レール上に保持し締結するために、相補的形状のブラケットがシールに重ね合わされ、金属薄板シールと内側レールとの間の漏れ流を阻止又は防止する。ブラケットは、その半径方向外端縁に沿ってかつブラケット及び内側レールの端部に沿って内側レールに熔接されるか、あるいは内側レールにボルト止めされるのが好ましい。いずれの場合にも、ブラケットはシールを支持し、シールを内側レールに締結し、シールと内側レールとの間のシール支持をもたらし、金属薄板シールの予荷重が加えられた縁部をノズル支持リングの第１の面に対してシール係合させた状態に維持する。
【０００９】
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つのステータ羽根と、第１の面と軸方向に対向する第２の面を有する半径方向内向きに延びる内側レールとを有するタービンノズルセグメントと、内側レールに沿って延び、第１の面をシールするように付勢された可撓性の末端縁部を有する金属薄板セグメントを含むシールと、該シールの１側面の少なくとも一部分に沿って延びて、内側レールに沿って金属薄板セグメントを支持する支持ブラケットとを含み、該支持ブラケットが、内側レールに固定されて金属薄板セグメントを内側レールの壁部分に対して締結し、該レールと金属薄板セグメントとの間の漏れを最少化又は防止することを特徴とするタービンが、提供される。
【００１０】
【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。
【００１１】
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４６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。
【００１２】
しかしながら前述したように、タービンの作動時に、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。全体を符号７０（図５）で表した補助シールは、内側レール５２の弦方向長さに対応する長さで弦方向に延びるシールセグメント７３として形成される。各シールセグメントは、それぞれほぼ半径方向と軸方向とに延びた脚部７６、７８を備えたほぼＬ字形状をした薄い可撓性の金属薄板シールで形成される。脚部７６、７８は、内側レール５２の面５０から遠い側の側面７９と内側レールの半径方向内表面８０との形状に対応する形状にされる。脚部７６、７８の間には、金属薄板セグメントの一部分を形成するビード８２があり、このビードは、内側レール５２の側面と内表面との接合部において直線的に延びるコーナ８４から離れる方向に向けられる。このことはシールセグメントの脚部分の接合部の磨耗及び損傷の危険性を防止する。
【００１３】
金属薄板セグメント７３は、末端縁部分８６を含み、該末端縁部分は、軸方向及び半径方向内向きに延びてノズル支持リング４４のシール面５４に係合するように予荷重が加えられている。
【００１４】
上に述べたようにシールを所定の位置に支持するために、金属薄板セグメントの形状に対応するほぼＬ字形状を有する支持ブラケット８７が設けられる。ブラケット８７は、対応する脚部８８、９０を含み、これら脚部は、金属薄板シール対して押し付けられかつ間に挟まれ他状態の金属薄板シールを内側レール５２に対してシール係合した状態に維持する。ブラケット及び金属薄板シールを内側レールに固定するために、ブラケット８７は、該ブラケットの半径方向外端縁９０に沿って、内側レール対して熔接ビード９２によって示すように熔接され、また内側レール５２の両端部に沿っても熔接される。別の構成では、ブラケット８７は、金属薄板セグメント７３と共に、好ましくは内側レール５２の面５０から遠い側の側面に沿って、該内側レールにボルト止めすることができる。図７には、ボルト孔とボルトの部分とがそれぞれ符号９４、９６で示されている。勿論、ボルト頭部は、ブラケット８７の脚部８８のアクセス可能な背面に沿って現れる。
【００１５】
補助シールは、縁部８６の面５４に対する予荷重による付勢力により、面５４対してシール係合した状態に維持される。更に、タービンの作動中、タービンの高圧領域３７からの高い圧力は、ノズル支持リングのシール面５４に対して可撓性縁部８６を付勢する。シール面に沿った金属対金属の接触は、効果的なシールを保証する。金属薄板シールは、０．００６インチ程度の厚さを有する。熔接又はボルト止めする構成の場合、補助シールは、内側レール上にそのまま容易に取り付け可能であることが理解されるであろう。更に、シールセグメントの端縁において金属薄板部品を覆い重ねることによって、すなわち内側レールの端縁を超えて金属薄板シールを延ばすことによって、隣り合うノズルセグメント間のギャップをシールすることができる。例えば内側レールやノズル支持リングなどのタービン部品の何らかの歪み又は変形は、弦ヒンジシール突出部４８とシール面５４との間のギャップを開かせる懼れがあることが理解されるであろう。補助シールの縁部８６に対する付勢力及び高圧力は、ノズルセグメントとノズル支持リングとの間のシールを維持する。また、内側レール５２の面に締結された金属薄板シールによって、シールの背面からの漏れは排除される。
【００１６】
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、また、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を示す拡大破断断面図。
【図６】 内側レールの背面から見た弦ヒンジシール及び補助シールの破断斜視図。
【図７】 補助シール及びその支持ブラケットの斜視図。
【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

Claims (10)

1. ほぼ軸方向に向いた第１の面（５４）を有するタービンノズル支持リング（４４）と、
   少なくとも１つのステータ羽根（２０）と、前記第１の面と軸方向に対向する第２の面（５０）を有する半径方向内向きに延びる内側レール（５２）とを有するタービンノズルセグメント（４１）と、
   前記内側レールに沿って延び、前記第１の面をシールするように付勢された可撓性の末端縁部を有する金属薄板セグメント（７３）を含むシール（７０）と、
   前記シールの１側面の少なくとも一部分に沿って延びて、前記内側レールに沿って前記金属薄板セグメントを支持する支持ブラケット（８７）と、
   を含み、
   該支持ブラケットが、前記内側レールに固定されて前記金属薄板セグメントを前記内側レールの壁部分に対して締結し、該レールと前記金属薄板セグメントとの間の漏れを最少化又は防止する、
   ことを特徴とするタービン。
2. 前記シールが、前記内側レールに沿って弦方向へ直線的に延び、前記金属薄板セグメントが、前記内側レールの前記第２の面から遠い側の側面に沿って延びていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
3. 前記ブラケットが、該ブラケットと前記内側レールとの間に前記金属薄板セグメントが締結された状態で、前記内側レールに熔接（９２）されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
4. 前記ブラケットが、該ブラケットと前記内側レールとの間に前記金属薄板セグメントが締結された状態で、前記内側レールにボルト止め（９６）されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
5. 前記シールが、前記内側レールに沿って弦方向へ直線的に延び、前記金属薄板セグメントが、前記内側レールの前記第２の面から遠い側の側面（７９）と該内側レールの半径方向内表面（８０）とに沿って延び、前記金属薄板セグメント（８２）が、前記内側レールの前記遠い側の側面と前記半径方向内表面との間の接合部において、該面から離されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
6. 前記縁部が、軸方向及び半径方向内向きに延びて前記第１の面（５４）にシール係合していることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
7. 前記シールが、前記内側レールに沿って弦方向へ直線的に延び、前記金属薄板セグメントが、前記内側レールの前記第２の面から遠い側の側面（７９）に沿って延び、前記金属薄板セグメントが、前記内側レールの半径方向内表面（８０）に沿って延び、前記支持ブラケットが、前記内側レールの前記遠い側の側面と前記内表面とに沿って延びていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。
8. 前記ブラケットが、該ブラケットの半径方向外端縁に沿ってかつ前記ブラケット及び前記内側レールの両端部に沿って、前記内側レールに熔接（９２）されていることを特徴とする、請求項７に記載のタービン。
9. 前記シールが、前記内側レールに沿って弦方向へ直線的に延び、前記金属薄板セグメントが、前記内側レールの前記第２の面から遠い側の側面（７９）と該内側レールの半径方向内表面（８０）とに沿って延び、前記金属薄板セグメント（８２）が、前記内側レールの前記遠い側の側面と半径方向内表面との接合部において、該面から離されていることを特徴とする、請求項８に記載のタービン。
10. 前記内側レールが、該内側レールから軸方向に延びる突出部（４８）を有し、該突出部が、前記第１の面（５４）に対してシール係合して該第１の面との間で第２のシールを形成していることを特徴とする、請求項１に記載のタービン。

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