JP4776262B2 - タービンバケット冷却回路用の回転シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンにおけるバケット冷却回路用のシール装置に関する。より具体的には、本発明は、バケット冷却空気の漏洩を最小にするために、遠心力に応答してヘビーデューティ型ガスタービンエンジンのタービンロータスペーサとタービンロータホイール及びバケットダブテールの軸方向端面との間をシールする順応可能なシール設計に関する。

ガスタービンエンジンにおける高い作動温度のために、１つ又はそれ以上の段のタービンバケットを対流冷却して耐久性を向上させることが一般的である。一般的には、冷却空気は、１つ又はそれ以上の段の圧縮機から抽気され、多数の接合面部品からなる様々な通路を介してタービンロータに流される。圧縮機から抽気した空気は、タービン内の空気よりも圧力が高く、従って各接合面は、冷却空気の漏洩通路となる可能性を持つ。１つのこのような漏洩通路は、ロータスペーサとロータホイルポスト及びバケットダブテールとの間の接合面である。

これまで、この種の漏洩通路をシールするために様々な方法が用いられてきた。航空機用エンジンとして使用するタービンでは、バケット／ホイール端面の前方及び後方側面上にカバープレート（又はブレードリテーナ）を取付け、断続面全体にわたってワイヤシールを設けている。例えば、特許文献１及び特許文献２を参照されたい。このカバープレートは、翼形部に供給される冷却空気をシールすると同時にバケットを軸方向に所定位置に保持する働きをする。シールは良好に機能するが、１つ又はそれ以上のバケットの交換にはロータの取外しを必要とするので、タービンの整備性が問題となる。一方、ヘビーデューティ型（高負荷）地上設置式タービンは、現場においてバケットを交換することができなければならない。従来の高負荷タービン設計では、一般的にホイールリムの下面との締まり嵌めを有する円筒形軸方向突出部をスペーサリム上に設けている。ホイールリムの下面内には、ダブテールスロット内に貫通する接線方向スロットが切込まれる。この貫通により冷却空気をスペーサ／ホイール空洞からバケット内に流すことが可能となり、ホイールとスペーサリムとの間のラベット嵌合はシールとして機能する。保持リングと組合せたホイール及びバケット上の個々のフックはバケットを軸方向に所定位置に保持する。この設計によりバケットを現場で取外すのが可能になるが、この設計ではホイールリムに好ましくない応力集中が発生する。
米国特許第４５０００９８号 米国特許第５６２２４７５号

従って、ホイールに対する応力集中を最小にするか又は排除し、スペーサとホイールとの間の空間を介してバケット翼形部に流入する冷却空気に対する効果的なシールを形成し、かつガス通路から冷却空気流路内への高温ガスの吸込みを防止するシール組立体の必要性が生じている。

本発明の好ましい態様によると、スペーサとホイールポスト及びバケットダブテールの軸方向端面との間をシールするためのシールを提供し、このシールはスペーサとホイールポスト及びバケットダブテールの軸方向端面との間の形状空洞に応じて変形する。本シールは、ロータ回転時の遠心力に応答してバケットダブテール／ホイールポスト端面とスペーサとの間の接合部だけでなく、バケットダブテール／ホイールポスト接合面間も全体にわたってシールする。形状空洞は、環状のスペーサ並びにバケットダブテール及びホイールポストの軸方向前端面上の半径方向外向き収束傾斜面によって形成される。本シール自体は、空洞の外端領域の形状に順応するブレーデッドシールであり、特にバケットダブテール／ホイールポスト接合面全体にわたってシールする。ホイールポストは、スペーサのリムを覆う軸方向突出部を有し、この両者の間の接合面は締まり嵌め（ラベット）になっている。さらに、バケットダブテールは、スペーサのリムを覆いかつ該リムから半径方向に間隔を置いて配置された軸方向突出部を有し、ラベット接合部によりスペーサリムはバケットに対して荷重を加えないようになっている。

本発明の好ましい実施形態では、タービン用のシール組立体を提供し、本シール組立体は、その外周部の周りで互いに円周方向に間隔を置いて配置されまた複数の円周方向に間隔を置いてほぼ軸方向に延びる溝を形成した複数のホイールポストと、その第１の面から軸方向に延びかつ溝によって断続したほぼ環状の突出部とを有するタービンホイールと、断続した突出部と係合した環状のアームを有するスペーサと、各々が翼形部と溝内に配置された基部とを有しまた各基部がアームを半径方向に覆いかつ該アームから半径方向に間隔を置いて配置された軸方向突出部を有する複数のタービンバケットとを含み、アームの環状の面と突出部から半径方向内側のホイールポスト及びバケットの軸方向面とが環状の空洞を形成し、空洞内にシールを配置し、シールが、ホイール、バケット及びスペーサの回転時に該シールに作用する遠心力に応答してアーム並びにホイールポスト及びバケット基部のほぼ軸方向に対向する壁部分とシール係合する。

さらに好ましい実施形態では、タービン用のシール組立体を提供し、本シール組立体は、その外周部の周りで互いに円周方向に間隔を置いて配置されまたそれらの間に複数の円周方向に間隔を置いて配置されたダブテール形状溝を形成した複数のホイールポストと、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつその面から軸方向に延びる複数の突出部とを有しまた突出部間の間隔がダブテール形状溝と軸方向に整合しているタービンホイールと、突出部と係合した環状のアームを有するスペーサと、各々が翼形部とダブテールとを有しまたダブテールがホイールのダブテール形状溝内に配置されまた各ダブテールがその第１の端面から軸方向に延びかつアームを半径方向に覆いかつ該アームから半径方向に間隔を置いて配置された突出部を有する複数のタービンバケットとを含み、アームの環状の面と突出部から半径方向内側のホイールポスト及びバケットダブテールの軸方向面とが環状の空洞を形成し、空洞内にシールを配置し、シールが、ホイール、バケット及びスペーサの回転時に該シールに作用する遠心力に応答してほぼ軸方向に対向するアームの壁部分並びにホイールポストの軸方向面及びバケットダブテール端面の壁部分とシール係合する。

次ぎに図面の図、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示した高負荷タービンの２つの段の半部分を示している。タービン１０は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル１２及びバケット１４を有する第１段を含む。バケット１４はホイール１６上に取付けられ、ノズル１２は固定構成部品３１上に取付けられる。ノズル１２及びバケット１４の翼形部１８は、矢印２０で示したタービンの高温ガス路内に位置する。第２段タービンは、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２２及びバケット２４を含む。バケット２４は、ホイール２６上に取付けられ、ノズル２２は固定構成部品３１上に取付けられる。ノズル２２及びバケット２４の翼形部２５は、矢印２０で示したタービンの高温ガス路内に位置する。第１段ホイール１６及び第２段ホイール２６は、スペーサ２８によって互いに結合されてタービンロータ１１の一部を形成する。ロータ１１は、固定ケーシング構成部品３１に対して回転する。第１及び第２段スペーサ２８及び３０はそれぞれ、タービンケーシングの固定構成部品３１との間をシールするシール２９、好ましくはラビリンス型シールを有する。

図１〜図４に最もよく示すように、バケットはまた、シャンク部３２と例えばダブテール３４のような基部とを含む。各ホイールのリムはまた、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたホイールポスト３６（図４）を含み、該ホイールポストは、円周方向に隣接するホイールポスト３６間にバケットのダブテール３４を受けるための例えばダブテール３８のような相補形の溝を形成する。バケットは、一般的に軸方向挿入式バケットとして知られた型のものであるが、バケットは、例えば０〜１０°又はさらにそれ以上の軸線に対する角度で取付けることができ、それでも通常軸方向挿入式バケットとして特徴付けられることが分かるであろう。

再び図１を参照すると、圧縮機吐出冷却空気が第１段バケットに供給され、圧縮機段間冷却空気が第２段バケットに供給されることが分かるであろう。圧縮機吐出空気は、第１段スペーサ２８の開口部３３を通して該スペーサ２８とホイール１６との間のプレナム３５に流入し、それから各バケットダブテール３４の底面とそれに対応するホイールダブテール３８の底面との間の通路３７（図１）に流入して、バケット翼形部を冷却するためにバケット内の１つ又はそれ以上の通路（図示せず）を通ってほぼ半径方向外向きに流れるようになる。同様に、圧縮機段間ブリード空気は、第２段バケット翼形部を冷却するために供給され、通路（図示せず）を通って第２段スペーサ３０とホイール２６との間のプレナム内に供給されそれから各バケットダブテールの底面とホイール２６上の関連するダブテール溝の底面との間の通路内に供給されて冷却目的のために翼形部２５に対してほぼ半径方向外向き方向に該翼形部２５を通って流れるようになる。

一般的に、スペーサ２８及び３０は、ラベット継手によってそれぞれのホイール１６及び２６に固定される。具体的には、スペーサ２８及び３０は、形状が環状であり、それぞれアーム４０及び４２（図１）を有し、その各々が関連するホイールの軸方向面に固定された環形体である。スペーサアーム４０及び４２は各々、対応するホイールの前端面と係合するための環状の軸方向後方突出部４１を有する。図２及び図３を参照すると、スペーサアーム４０と第１段ホイール１６との間のラベット継手を示しており、スペーサアーム４０及びホイール２６は同様に互いに固定されることが分かる。図３において、スペーサアーム４０は、ホイール１６上の半径方向内向きの軸方向突出面４５と係合する半径方向外向きのほぼ軸方向に延びる環状の面４４で終端する。面４５は、ホイール１６の軸方向前面の周りに軸方向前方突出断続ラベット又は突出部４９の一部を形成するが、この遮断部は、円周方向に隣接するホイールポスト３６間の隣接するダブテール溝３８によって形成されるものである。つまり、ホイール１６上の断続ラベットは、ホイール上のダブテール溝３８の各々とも交差した半径方向距離に位置する。ホイール及びスペーサは、組立時に、スペーサアーム４０が予荷重をかけられかつホイールポスト３６に半径方向外向きに押圧されるように互いにラベット結合される。このことにより、エンジンの過渡的始動及び停止時にアーム及びホイールを互いに緊密に固定した状態に保持する。

図３に最もよく示すように、各バケットのダブテール基部３４は、スペーサアームの環状の外面４４を覆いかつ該環状の外面４４から半径方向外側に間隔を置いて配置された軸方向前方突出部５２を有する。より具体的には、各突出部５２は、その軸方向に延びる面５４がスペーサアーム４０の外面４４から半径方向外側に間隔を置いて配置されるようにアンダカットされている。このことにより、スペーサ２８がスペーサとホイールとの間のラベット嵌合によってバケットに荷重を加えることになるのを防止する。

ホイールポスト３６がバケットのダブテールの前向き端面とほぼ同一平面で位置した前向き端面を有することは、図３を検討することで分かるであろう。全体を符号５８で示したシール組立体は、その周辺部近くでのスペーサアーム４０とバケットダブテール３４及びホイールポスト３６の軸方向端面との間に設けられる。具体的には、シール組立体５８は、形状空洞６２内に配置された環状のワイヤシール６０を含む。空洞６２は、スペーサアーム４０の後面の壁部分６４とそれぞれバケットダブテール及びホイールポストの軸方向前端面の壁部分６６及び６８とで形成される。空洞６２を形成するスペーサアーム４０の後面は、半径方向外向きにかつ軸方向後向き方向に傾斜した壁部分６４を含む。バケットダブテール及びホイールポストの端面壁部６６及び６８は、アーチ形でありかつ軸方向前向き方向に半径方向外向きに傾斜している。従って、空洞は、半径方向外向きに収束する壁部分を有する。ワイヤシール６０は、スペーサアーム４０上のそれらの壁部分６４とバケットダブテール及びホイールポストの端面の壁部分６６及び６８との間に配置される。

シール６０は、タービンロータの回転時に該シールに作用する遠心力に応答して形状空洞６２に順応可能なブレーデッド（編組型）ワイヤシールであるのが好ましい。遠心力は、ワイヤシールに作用して、ホイールポストに対する軸方向又は半径方向の非常に小さいバケットの動きによりバケットダブテール３４及びホイールポスト３６の端面間に形成される可能性があるあらゆるギャップにワイヤシールを順応させる。シール６０は、好ましくはブレーデッドワイヤである内部コア、好ましくはインコネル内部コア７０（図７）と、非晶質シリカ外部コア７２と、インコネル・フォイルブレード７４の層と、好ましいインコネル外部ワイヤブレード７６とを有する多層シールを含む。インコネル内部コア７０は耐久性を与え、一方、シリカ外部コアはシールの圧縮性を可能にする。フォイルブレード７４は、外部ブレード７６をそれを通して空気を流すことができる主通路として利用できるようにしてワイヤのシール能力を改善する。しかしながら、外部ブレードは、シールの周りでの空気のあらる漏洩を最小限にする非常に曲がりくねった漏洩通路をもたらす。外部ブレード７６はさらに、過酷なエンジン環境におけるシールの耐久性及び存続性をもたらす。別の実施形態では、ワイヤシール６０の構成は、前述した非晶質シリカコア又はフォイルブレードがない全インコネル・ワイヤブレードからなる。

タービンの作動時には、シール６０は、遠心荷重がかかることによって、スペーサ並びにバケットダブテール及びホイールポストの端面の両方のシール壁部分に対して空洞の半径方向外端領域に隣接する該空洞の形状に変形しかつほぼ順応することが分かるであろう。従って、ワイヤシール６０は、バケット冷却空気が高温ガス路２０内に流出するのをシールしかつ高温ガスが冷却空気流路内に吸込まれるのを防止する。

前述のシール装置は、整備運転休止時に、軸方向後向き方向に１つ又はそれ以上のバケットを取外すことを可能にすることが分かるであろう。具体的には、また図面の図６（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、バケットは、その後向き方向の移動により対応するホイールから取外すことができ、また反対の前向き方向にホイール上に取付けることができる。バケットは、タービン作動時に環状の保持リングによって軸方向後向きの動きに抗して保持される。図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、ホイールポストの後面の各々は、スロット８２を形成する半径方向内向き方向のフック８０（図６（Ｂ）及び（Ｃ））を有する。同様に、バケットダブテールの後面の各々は、ホイールポストのフック８０及びスロット８２と同じ半径方向及び軸方向位置に、対応スロット８６を形成する半径方向内向き方向のフック８４を有する。バケットがホイールの最終位置にあるとき、それぞれホイールポスト及びバケットダブテールのフック８０及び８４によって形成されたスロット８２及び８６は、軸方向に整列し、環状のバケット保持リング８８の取付けを可能にする。従って、整備のためにバケットを取外すためには或いはシール６０を交換するためには、バケット保持リング８８を、内向きに移動させかつ捕捉スロット８２及び８６から取外す。これにより、バケットを関連するホイールから取外すためにバケットは軸方向後向き方向に移動させるのが自由になる。

バケットを取外すと、ホイールの空になったダブテール溝３８（図５）を通してワイヤシール６０へのアクセスが得られ、必要又は所望に応じてシール６０の取外し及び交換が可能になる。シール６０は可撓性があり、シールを露出したシール空洞内に円周方向に入れることが可能になる。次ぎに、バケットのダブテールをダブテール溝に沿って移動させることによって、バケット保持スロット８２及び８６を軸方向に整列させるようにバケットを再取付けすること又は新しいバケットを取付けることができる。次ぎに、バケット保持リング８８を取付けて、対応するホイールに対する軸方向の動きに抗してバケットを保持する。

本発明を現在最も実用的かつ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。

本発明の好ましい態様によるシール組立体を組み込んだ高負荷タービンの第１及び第２段の部分概略図。 シール及びシール空洞を示す、スペーサアーム、ホイールポスト及びバケットダブテールの部分斜視図。 スペーサ、ホイールポスト及びバケットダブテール間のシール組立体を示す拡大部分断面図。 ホイールポストとホイール溝内の相補形のバケットダブテールとの間のダブテール形状溝を示す斜視図。 ワイヤシールの位置を示す、バケットダブテールを受けるためのダブテール溝が側面に位置するホイールポストをほぼ半径方向内向きに見たホイールの周辺部の部分斜視図。 Ａ−Ｄは、ロータを取外さずにバケット及びワイヤシールを交換する方法を示す概略図。 シールの構成要素を示す拡大断面図。

符号の説明

１０ タービン
１４ タービンバケット
１６ タービンホイール
２８ スペーサ
３４ バケットダブテール
３６ ホイールポスト
３８ ホイールダブテール溝
４０ スペーサアーム
４１ スペーサの突出部
４９ ホイールポストの突出部
５２ ダブテールの突出部
６０ シールワイヤ
６２ 空洞
６４、６６、６８ 壁部分

Claims (10)

1. タービン用のシール組立体であって、当該シール組立体が、
   その外周部の周りで互いに円周方向に間隔を置いて配置され、複数の円周方向に間隔を置いて軸方向に延びる溝（３８）を形成した複数のホイールポスト（３６）と、その軸方向面から軸方向に突出しかつ前記溝（３８）によって断続した環状の突出部（４９）とを有するタービンホイール（１６）と、
   前記断続した突出部と係合する環状のアーム（４０）を有するスペーサ（２８）と、
   各々が翼形部（１８）と前記溝内に配置された基部（３４）とを有する複数のタービンバケット（１４）であって、前記基部の各々が、前記アームを半径方向に覆いかつ該アームから半径方向に間隔を置いて配置された軸方向突出部（５２）を有している、複数のタービンバケット（１４）と
   を含んでおり、
   前記アームの環状の面と前記突出部から半径方向内側の前記ホイールポスト及びバケットの軸方向面とが環状の空洞（６２）を形成し、
   前記空洞（６２）内にシール（６０）を配置し、前記シール（６０）が、前記ホイール、バケット及びスペーサの回転時に該シールに作用する遠心力に応答して、軸方向に対向する前記アームの壁部分（６４）並びに前記ホイールポスト及びバケット基部の壁部分（６６、６８）とシール係合する、
   組立体。
2. 前記スペーサアームの壁部分（６４）が、半径方向外向きに延びる部分と軸方向に前記ホイールに向かって延びる部分とを有しており、前記ホイールポスト及びバケット基部の壁部分（６６、６８）が半径方向外向きに延びる部分と軸方向に前記ホイールから離れるように延びる部分とを有する、請求項１記載の組立体。
3. 前記シール（６０）が、前記アームの壁部分並びに前記バケット基部の軸方向面及びホイールポストの面の壁部分とシール係合した時に前記空洞の形状に順応可能な材料で形成されている、請求項１又は請求項２記載の組立体。
4. 前記シール（６０）が、内部金属コア（７０）、シリカオーバブレード（７２）、金属フォイル層（７４）及び金属アウタブレード（７６）で形成されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の組立体。
5. 各前記バケット基部（３４）がダブテール構成を有し、また各前記溝（３８）が相補形のダブテール構成を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の組立体。
6. 前記スペーサアームの半径方向外側の環状面（４４）が、前記突出部（４９）の半径方向内側の面（４５）と係合する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の組立体。
7. 前記ホイールポスト（３６）が、前記軸方向面と対向する前記ホイールの第２の軸方向面に沿って半径方向に延びるスロット（８２）を形成したフック（８０）を有し、
   前記基部が、前記ホイールポストスロットと軸方向に整合した状態で該基部の端面に沿って半径方向に延びるスロット（８６）を形成したフック（８４）を有し、
   前記整合したフック内に環状の保持リング（８８）を配置して、前記ホイールに対する前記バケットの後向き方向の軸方向移動に抗して該バケットを前記溝内に着脱可能に保持する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の組立体。
8. タービン用のシール組立体であって、当該シール組立体が、
   その外周部の周りで互いに円周方向に間隔を置いて配置され、それらの間に複数の円周方向に間隔を置いて配置されたダブテール形状溝（３８）を形成した複数のホイールポスト（３６）と、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつその軸方向面から軸方向に突出する複数の突出部（４９）とを有するタービンホイール（１６）であって、前記突出部間の間隔が前記ダブテール形状溝と軸方向に整合している、タービンホイール（１６）と、
   前記突出部と係合する環状のアーム（４０）を有するスペーサ（２８）と、
   各々が翼形部（１８）とダブテール（３４）とを有し、前記ダブテールが前記ホイールのダブテール形状溝内に配置されている複数のタービンバケット（１４）であって、前記ダブテールの各々が、その第１の端面から軸方向に延びかつ前記アーム（４０）を半径方向に覆いかつ該アームから半径方向に間隔を置いて配置された突出部（５２）を有している、複数のタービンバケット（１４）と
   を含んでおり、
   前記アームの環状の面と前記突出部から半径方向内側の前記ホイールポスト及びバケットダブテールの軸方向面とが環状の空洞（６２）を形成し、
   前記空洞（６２）内にシール（６０）を配置し、前記シール（６０）が、前記ホイール、バケット及びスペーサの回転時に該シールに作用する遠心力に応答して、軸方向に対向する前記アームの壁部分（６４）並びに前記ホイールポストの軸方向面及びバケットダブテール端面の壁部分（６６、６８）とシール係合する、
   組立体。
9. 前記スペーサアームの壁部分（６４）が、半径方向外向きに延びる部分と軸方向に前記ホイールに向かって延びる部分とを有しており、前記ホイールポスト及びバケットダブテールの壁部分（６６、６８）が半径方向外向きに延びる部分と軸方向に前記ホイールから離れるように延びる部分とを有する、請求項８記載の組立体。
10. 前記スペーサアームの半径方向外側の環状面（４４）が、前記突出部（４９）の半径方向内側の面（４５）と係合する、請求項８又は請求項９記載の組立体。
    

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