説明

流体流を阻止する組立体

【課題】タービン部品間で流体流を阻止する組立体を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様では、タービン部品間で流体流を阻止する組立体が、シムと、第1の製織ワイヤメッシュ層であり、シムの第1の側に結合した第1の面及び第1の面の反対側の製織ワイヤメッシュ層の第2の面を有する第1の製織ワイヤメッシュ層とを含む。組立体はまた、製織ワイヤメッシュ層の第2の面に結合した第1の外層を含み、第1の外層は高温非金属材料を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示されている主題は、ガスタービンに関する。より詳細には、本主題は、ガスタービンの部品間のシールに関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンでは、燃焼器が、燃料又は混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、多くの場合圧縮機からの圧縮空気である流体によりタービンに伝達され、タービンで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。タービン部品間又はタービン部品間で圧縮空気が漏出すると、タービンの出力低下及び効率低下が生じる。漏出は、ガスタービンの動作中に、ある種の部品の熱膨張、及び部品間の相対運動により引き起こされる可能性がある。従って、タービン部品間でのガスの漏出を低減することにより、タービンの効率及び性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許第7252902号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の一態様では、タービン部品間で流体流を阻止する組立体が、シムと、シムの第1の側に結合した第1の面と第1の面の反対側の第2の面を有する第1の製織ワイヤメッシュ層とを含む。組立体はまた、第1の面の反対側の製織ワイヤメッシュ層の第2の面に結合した第1の外層を含み、第1の外層は高温非金属材料を含む。
【0005】
本発明の別の態様では、ガスタービンは、第1のタービン部品と、第1のタービン部品に隣接する第2のタービン部品と、第1のタービン部品と第2のタービン部品との間に形成された空洞とを含む。ガスタービンはまた、空洞の内部に配置されたシム組立体を含み、第1のタービン部品と第2のタービン部品との間で流体流を阻止し、シム組立体は、金属シム部材上に配設された高温非金属層を含む。
【0006】
これらの且つ他の利点及び特徴が、図面と共に以下の説明からより明らかになるであろう。
【0007】
本発明と見なされる主題は、本明細書の最後に、特許請求の範囲において具体的に示され、明確に特許請求されている。本発明の上記の且つ他の特徴及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】燃焼器と、燃料ノズルと、圧縮機と、タービンとを含む、ガスタービンエンジンの実施形態の概略図である。
【図2】高温ガス経路に沿って部品を含む、ガスタービンの一部分の実施形態の側面図である。
【図3】シール組立体の実施形態の断面側面図である。
【図4】シール組立体の別の実施形態の断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
詳細な記載により、図面に関する例示として、本発明の実施形態が、利点及び特徴と共に説明される。
【0010】
図1は、ガスタービンシステム100の実施形態の概略図である。システム100は、圧縮機102と、燃焼器104と、タービン106と、シャフト108と、燃料ノズル110とを含む。ある実施形態では、システム100は、複数の圧縮機102と、複数の燃焼器104と、複数のタービン106と、複数のシャフト108と、複数の燃料ノズル110とを含むことができる。圧縮機102とタービン106とは、シャフト108で連結される。シャフト108は、単一シャフトでもよいし、複数のシャフトセグメントを互いに連結してシャフト108としたものであってもよい。
【0011】
ある態様では、燃焼器104は、天然ガス若しくは水素リッチ合成ガスなどの液体燃料及び/又は気体燃料を使用して、エンジンを作動させる。例えば、燃料ノズル110は、空気源及び燃料源112と流体連通している。燃料ノズル110は、混合気を作り出し、その混合気を燃焼器104内に放出し、それにより、加圧ガスを熱する燃焼を生じさせる。燃焼器104は、トランジションピースを通して高温排出ガスをタービンノズル(又は「段1のノズル」)内に方向付け、次に、タービンバケットが、タービン106を回転させる。タービン106の回転によりシャフト108が回転し、それにより、空気が圧縮機102内に流入するとそれを圧縮する。タービン部品又はタービン部品は、ガスの漏出を防止すると同時に部品の熱膨張及び相対運動を可能にするように構成されたシール又はシール組立体により接合される。具体的には、タービン部品間での圧縮ガス流の漏出を低減することにより、所望の経路に沿って流動する高温ガスが増大し、高温ガスのより多くから仕事が抽出されることが可能になり、結果としてタービン効率の向上につながる。タービン部品間に配置するためのシール又はシール組立体は、図2〜図4を参照して、以下で詳細に検討される。
【0012】
図2は、高温ガス202の経路又は流動に沿った部品を示す、ガスタービン200の一部分の実施形態の側面図である。ガスタービン200は、ノズル204と、バケット206(「ブレード」又は「ベーン」とも呼ばれる)と、ノズル208と、シュラウド210とを含み、高温ガス202は、ベーン又は翼形ノズル及びバケット206を通過して流動し、軸212を中心にロータを回転させる。図示の通り、バケット206及びシュラウド210は、2つのステータ間のロータ組立体の一部であり、ステータ組立体は、ノズル204及び208を含む。ノズル204及びバケット206は、段1の部品として記載されており、一方、ノズル208は、タービン200の段2の部品である。ノズル208は、ステータ組立体のダイヤフラム214上に配置される。シール組立体216は、少なくとも部分的にダイヤフラム214内に配置されており、バケット206とノズル204及び208とを含む経路からの高温ガス202の漏出を防止する。シール組立体216は、軸212を中心に円周方向に配置される、隣接するダイヤフラム部品間に配置される。ガスタービン200は、所望の流路からの高温ガス202の漏出を防止するために、隣接する部品間に配置された複数のシール組立体216を含むことができる。例示的タービン部品には、ステータ部品と、ロータ部品と、トランジションピース部品とが含まれる。
【0013】
図3は、隣接するタービン部品又はタービン部品214、300間に配置されたシール組立体216の側面断面図である。シール組立体216は、タービン部品214、300間に形成された空洞302内に配置される。シール組立体216は、シム304と、第1の層306と、第2の層308と、外層310とを含む。ある実施形態では、シム304は、金属合金、ステンレス鋼又はニッケル基合金などの高温材料から形成された部材である。シム304部材は、二面を有する中間部分と持ち上がった長手方向縁部とを含み、層306及び308を配置するために、持ち上がった長手方向縁部により凹部が形成される。第1の層306及び第2の層308はそれぞれ、金属製製織ワイヤメッシュ又は布金属材料(cloth metallic material)を含む。図示の通り、第1の層306及び第2の層308は、シム304の各面又は各側に配置される。第1の層306と第2の層308とは、溶接、ろう付け又は高温接着剤などの高温結合により、互いに且つシム304と結合される。外層310は、シール組立体216の封止を向上させるように構成される高温非金属材料を含む。一実施形態では、外層310は、雲母系材料又は黒鉛系材料を含む。
【0014】
態様では、シール組立体216は、シム304の一面上に配置された第1の層306と、第2の層308と、外層310とを含む。更に、シール組立体の別の実施形態が、シム304の一面又は両面上に配置された第1の層306と外層310とを含み、第2の層308は含まれていない。更に別の実施形態では、第1の層306又は第2の層308なしで、外層310はシム304上に配置される。外層310は、高温接着剤又は高強度耐久性ファスナ(high strength durable fastener)などの任意の適切な高温耐性機構(high temperature-resistant mechanism)により、シール組立体216の部品と結合される。或いは、シム304の1つ以上の部分を、外層310を実質的に取り囲む又は拘束するように巻き付けることができる。ある実施形態では、高温ガスがガスタービン200(図2)を通過して流動すると、ガス流はシール組立体216に圧力をかけて、方向312に移動させ、タービン部品214及び300と接触させる。更に、部品214及び300に接触すると、外層310の高温非金属材料は、シール組立体216と部品214及び300との間の実効間隙を減少させることにより、シール組立体216を通過するガス流を減少させる。
【0015】
図4は、隣接するタービン部品又はタービン部品408、410間に配置された例示的シール組立体400の側面断面図である。シール組立体400は、タービン部品408、410間に形成された空洞402内に配置される。シール組立体400は、基層406上に配設された外層404を含む。外層404は、シール組立体400の封止を向上させるように構成される高温非金属材料を含む。一実施形態では、外層404は、雲母系材料又は黒鉛系材料を含む。基層406は、金属合金、ステンレス鋼又はニッケル基合金などの高温材料を含む。外層404は、高温接着剤又は高強度ファスナなどの任意の適切な高温耐性機構により、基層406に結合される。ある実施形態では、高温ガスがガスタービン200(図2)を通過して流動すると、ガス流はシール組立体400に圧力をかけて、方向412に移動させ、タービン部品408及び410と接触させる。部品408及び410に接触すると、外層404の高温非金属材料は、部品間の実効間隙を減少させ、シール組立体400を通過するガス流を減少させる。例示的外層404は、華氏約700度(摂氏約371.1度)より高いなどの高温で部品間にシールをもたらすように構成される非金属材料である。
【0016】
図3及び図4に示されている通り、外層310及び404の高温非金属材料は、シール組立体216及び400を通過する流体流を減少させる。高温非金属材料層は、シム304及び網層306、308並びに基層406を含むものなどの任意のタイプの静止部品−静止部品シール(static-static seal)の1つ以上の側に配設される。タービン部品(214、300、408、410)に接触すると外層310及び404によりもたらされる向上した接触及び封止によって、タービン200(図2)を通過して流動する高温ガスを含む流体流が減少する。更に、シム304及び基層406の例示的実施形態が、外層310及び404がシム304及び基層406上にそれぞれ配設された実質的に剛性の金属体と見なされてもよい。図3に示されている通り、外層310は、第1の層306及び第2の層308などの1つ以上の層上に配設される。図3及び図4に示されている通り、シール組立体216及び400は、1つ以上のタービン部品(214、300、408、410)に封止係合して、空洞302及び402を通過する流体流を阻止するように構成される。例えば、シール組立体216は、タービン部品214及び300の内壁314に接触して、流体流を阻止するか又は減少させてもよい。実施形態では、高温非金属材料は、高温でも実質的に不透過性であり、それにより、タービン部品との接触面積が改善され、結果的にシールが向上する。シール組立体216の封止の有効性が高まるのは、実効漏出領域が非金属材料により減少することによる。実効漏出領域の減少は、高温非金属材料層の接触面積がより大きく、変形が少ないことによる。
【0017】
本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことが、容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、上述されていないが本発明の精神及び範囲に相応する、任意の数の変形形態、修正形態、置換形態又は等価の装置を組み込むように修正されることが可能である。更に、本発明の種々の実施形態を記載したが、本発明の態様は、記載された実施形態のいくつかのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記記載により限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【0018】
100 ガスタービンシステム
102 圧縮機
104 燃焼器
106 タービン
108 シャフト
110 燃料ノズル
112 燃料源
200 ガスタービン
202 高温ガス
204、208 ノズル
206 バケット
210 シュラウド
212 軸
214 ダイヤフラム、タービン部品/タービン部品
216、400 シール組立体
300、408、410 タービン部品/タービン部品
302、402 空洞
304 シム
306 第1の層、網層
308 第2の層、網層
310、404 外層
312、412 方向
314 (タービン部品の)内壁
406 基層

【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービン部品(214、300、408、410)間で流体流を阻止する組立体であって、
シム(304)と、
前記シム(304)の第1の側に結合した第1の面、及び前記第1の面の反対側の第2の面を含む第1の製織ワイヤメッシュ層(306、308)と、
前記製織ワイヤメッシュ層(306、308)の前記第2の面に結合され、高温非金属材料を含む第1の外層(310)と
を含む、組立体。
【請求項2】
前記第1の製織ワイヤメッシュ層(306、308)が、1つ以上の製織ワイヤメッシュ層(306、308)を含む、請求項1記載の組立体。
【請求項3】
前記シム(304)が、持ち上がった長手方向縁部を有する部材を含み、前記持ち上がった長手方向縁部が、前記シム(304)の前記第1の側に1つ以上の凹部を形成する、請求項1記載の組立体。
【請求項4】
前記組立体が、前記タービン部品(214、300、408、410)に封止係合し、それにより前記流体流を阻止するように構成されている、請求項1記載の組立体。
【請求項5】
前記第1の側の反対側の前記シム(304)の第2の側に結合した第1の面を含む第2の製織ワイヤメッシュ層(306、308)を含む、請求項1記載の組立体。
【請求項6】
前記第2の製織ワイヤメッシュ層(306、308)の第2の面に結合した第2の外層を含み、前記第2の面が、前記第2の製織ワイヤメッシュ層(306、308)の前記第1の面の反対側にあり、前記第2の外層が、前記高温非金属材料を含む、請求項5記載の組立体。
【請求項7】
前記高温非金属材料が雲母系材料を含む、請求項1記載の組立体。
【請求項8】
前記高温非金属材料が黒鉛系材料を含む、請求項1記載の組立体。
【請求項9】
前記第1の製織ワイヤメッシュ層(306)が、前記シム(304)の各側に配設された複数の金属製製織ワイヤメッシュ層(306、308)を含み、前記金属製製織ワイヤメッシュ層(306、308)が、前記第1の外層と前記シム(304)との間に配設される、請求項1記載の組立体。
【請求項10】
前記シムが実質的に剛性の金属体を含む、請求項1記載の組立体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−154329(P2012−154329A)
【公開日】平成24年8月16日(2012.8.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−10670(P2012−10670)
【出願日】平成24年1月23日(2012.1.23)
【出願人】(390041542)ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Fターム(参考)】