JP6162951B2 - シール組立体及びタービンの組み立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンに関する。本発明は、詳細には、タービンの各部品の間のシールに関する。

ガスタービンにおいて、燃焼器は、燃料又は空気−燃料混合気の化学的エネルギを熱エネルギに変換する。熱エネルギは、多くの場合、圧縮機からの圧縮空気である流体によってタービンへ伝達され、タービンでは、熱エネルギが機械エネルギに変換される。圧縮機部材又は部品の間の圧縮空気の漏洩によって出力が低下してタービンの効率が低下する。漏洩は、特定の部品の熱膨張、及びガスタービン運転時の各部品の間の相対移動によって生じる。従って、各部品の間のガス／空気等の流体の漏洩が低減するとタービン効率及び性能が向上する。シールは、タービンの各部品の間に設けて漏洩を低減することができる。

シールは、各部品の相対移動を可能にしながら、耐久性があり高圧及び高温に耐える必要がある。

本発明の１つの態様によれば、タービンを組み立てる方法は、各々が連続材料部材を含む第１の外側部材と第２の外側部材との間に不連続材料層を含む中間層を配置する段階と、中間層、第１の外側部材、及び第２の外側部材の間で、第１の外側部材、中間層、及び第２の外側部材の少なくとも一部を通って延びる一次接合部を溶接する段階とを含む。本方法は、更に、中間層と第１の外側部材との間で、第１の外側部材及び中間層の少なくとも一部を通って延びる二次接合部を溶接する段階を含む。

本発明の他の態様によれば、シール組立体は、ブラシ層と、ブラシ層の第１の側面に配置される第１のプレートと、ブラシ層及び第１のプレートを結合する一次接合部と、ブラシ層及び第１のプレートを結合する二次接合部とを備える。一次接合部は、電子ビーム溶接によって形成され、二次接合部は、一次接合部の少なくとも一部と重なり、一次接合部の構造欠陥を除去する電子ビーム溶接によって形成される。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

燃焼器、燃料ノズル、圧縮機、及びタービンを含む実施形態の概略図。 シール組立体の実施形態の側面図。 組み立て工程の最初の段階を示す図２のシール組立体の詳細側断面図である。 組み立て工程の第２の段階を示す図３のシール組立体の詳細側断面図である。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１は、ガスタービン等のタービンシステム１００の実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、軸１０８、及び燃料ノズル１１０を含む、一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、軸１０８、及び燃料ノズル１１０を含むことができる。圧縮機１０２及びタービン１０６は、軸１０８で連結される。軸１０８は、単一の軸とすること、又は複数の軸セグメントを結合して軸１０８を形成することができる。

１つの態様において、エンジンを運転するために、燃焼器１０４は、天然ガス又は水素リッチ合成ガス等のガス燃料及び／又は液体燃料を使用する。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給装置及び燃料供給装置１１２と流体連通する。燃料ノズル１１０は、空気−燃料混合気を生成して、空気−燃料混合気を燃焼器１０４内に放出することで、加圧ガスを加熱する燃焼を引き起こす。燃焼器１０４は、トランジションピースを通ってタービンノズル（又は「第１段ノズル」）からタービンバケットへ高温加圧排気ガスを導き、結果的にタービン１０６が回転する。タービン１０６の回転により軸１０８が回転して、圧縮機１０２に流入する空気を圧縮する。タービン部品又は部材は、シール又はシール組立体により結合され、タービン１０６を流れる際にガス／空気が漏洩するのを防止しながら熱膨張及び各部材の相対移動を可能にする。特に、圧縮機の各部品の間を流れる圧縮空気の漏洩が低減すると、所望の経路に沿う高温ガス流の体積が増加し、より多くの高温ガスから仕事を抽出することが可能になり、タービン効率の向上につながる。図２〜図４を参照して、圧縮機の各部材の間のシール組立体の配置を詳細に説明する。

本明細書で使用される「下流」及び「上流」とは、タービンを通る作動流体の流れに対する方向を示す用語である。すなわち、用語「下流」とは、流れ方向を意味し、用語「上流」とは、タービンエンジンを通る流れとは逆方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線又は中心線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。軸線に対して異なる半径方向位置にある部材を説明するのに役立つであろう。この場合、第１の部品が第２の部品よりも軸線の近くにある場合、本明細書では、第１の部品が第２の部品の「半径方向内側」にあると記載できる。他方で、第１の部品が第２の部品よりも軸線から遠くにある場合、本明細書では、第１の部品が第２の部品の「半径方向外側」又は「外側」にあると記載できる。用語「軸方向に」は、軸線に平行に移動又は位置することを示す。最後に「円周方向に」は、軸線の周りに移動又は位置することを示す。以下の説明は、主としてガスタービンに集中しているが、本発明の概念は、ガスタービンに限定されるものではなく、蒸気タービンを含む任意の適切な機械装置に適用できる。従って、本明細書の説明はガスタービンの実施形態に対して行われるが、他のタービンシステムにも適用できる。

図２は、タービンシステム１００等のシステム内のシール組立体２００の実施形態の側面図である。シール組立体２００は、ロータ２０２及びステータ２０４等の回転部品と非回転部品との間の流体流れを低減又は制限する。ロータ２０２及びステータ２０４は、タービン軸線２０６の周りに配置される部品である。シール組立体２００は、第１のプレート２０８及び第２のプレート２１０（「外側部材」と呼ぶ場合もある）、及び各プレート間に配置されるブラシ層２１２（「中央層」と呼ぶ場合もある）を含む。一実施形態では、シール組立体２００は、第１のプレート２０８からステータ２０４に延びる結合器２１６によってステータ２０４に結合される。ブラシ層２１２は、ブラシ層２１２を横切る流れを低減するように構成されるブリストル２１４等の１以上のたわみ部材を含む。例えば、ブラシ層２１２は、該ブラシ層２１２を横切る冷却空気等の流体２１８の流れを制限又は妨げることができる。１つの態様において、ブラシ層２１２は、実質的に可撓性であり、ロータ２０２及び非回転ステータ２０４等の相対移動する各部品に関するシールを可能にする。また、ブラシ層２１２の可撓性により、機械振動及び熱膨張等の種々の要因で生じる各部材の相対移動が可能になる。更に、ブラシ層２１２は、ブラシ層２１２を横切る高温ガス２２０の漏洩を低減又は制限するように構成されるので、高温ガス２２０からより大きな仕事を抽出することが可能になる。更に、高温ガス２２０への流体流２１８を低減することで、高温ガス２２０の温度が維持され、同様にタービンからより大きな仕事を抽出することができる。以下に説明するように、例示的なシール組立体２００は、第１のプレート２０８、第２のプレート２１０、及びブラシ層２１２を結合又は接合する複数の接合部を形成するために電子ビーム（ＥＢ）溶接プロセスを用いて組み立てられる。実施形態では、溶接は、タービンに沿って円周方向に延在し、ブラシ層２１２をサンドイッチ形式で第１及びのプレート２０８及び第２のプレート２１０に結合する接合部を形成する。

図３は、シール組立体２００の詳細な側断面図である。実施形態は、組み立てプロセスの選択された段階でのシール組立体２００を示す。シール組立体２００は、第１のプレート２０８と第２のプレート２１０との間に配置されるブラシ層２１２を含む。一次接合部３００は、ブラシ層２１２、第１のプレート２０８、及び第２のプレート２１０の間に形成される。一次接合部３００は、ＥＢ溶接プロセス等の任意の適切なプロセスで形成できる。ＥＢ溶接プロセスは、ブラシ層２１２、プレート２０８、及びプレート２１０を横方向に通る一次接合部３００を形成するので、タービン組立体内に配置される各部材を連結するくぎ状又は弾丸状断面形状接合部を形成する。一次接合部３００は、タービン内の高温及び高圧に耐えるので、タービン領域間の流体流の低減及び漏洩の低減が可能になる。一実施形態では、一次接合部３００の溶接時に、クラック３０２及び３０６等の１以上の構造欠陥が生じる可能性がある。クラック３０２及び３０６は、それぞれ境界面３０４及び３０８に隣接したブラシ層２１２と第１のプレート２０８との間に生じる。クラック３０２及び３０６は、種々の要因に起因して生じ得る。一実施形態では、クラック３０２及び３０６は、第１のプレート２０８の連続部材からブラシ層２１２の不連続材料層への移行に起因して生じる。例示的な第１のプレート２０８は、合金鋼又はステンレス鋼等の実質的に中実又は連続した耐久性のある材料なので、連続部材として記載される。ブラシ層２１２は、層がブリストル又はブリストルワイヤの間に間隔を有する隣接するブリストル２１４から形成されるので不連続として記載され、結果的に、不連続の層がもたらされる。ブリストル２１４は、円形、六角形、及び／又は何らかの多角形等の任意の断面形状とすることができる。例示的なブリストル２１４は、コバルトベース合金、ニッケル、ステンレス鋼、又はＮｉｔｒｏｎｉｃ等の任意の耐久性のある耐摩耗材料から作ることができる。一実施形態では、異なる材料の第１のプレート２０８（ステンレス鋼）及びブラシ部材２１２（コバルトベース合金）により、一次接合部３００の形成時のクラック３０２及び３０６を改善できる。

図４は、図３の段階の後のシール組立体２００の詳細な側断面図である。図示のように、二次接合部４００及び三次接合部４０２がシール組立体２００に形成される。ＥＢ溶接プロセス等の適切なプロセスを利用して、二次接合部４００及び三次接合部４０２を形成できる。二次接合部４００及び三次接合部４０２は、第１のプレート２０８及びブラシ層２１２を結合又は接合する。一実施形態では、二次接合部４００及び三次接合部４０２は隣接し、一次接合部３００の一部に重なる。二次接合部４００及び三次接合部４０２は、一次接合部３００に隣接して配置され、クラック３０２及び３０６を「修復」又は除去する。一実施形態では、二次接合部４００及び三次接合部４０２は、一次接合部３００を形成するために使用するものよりも低い熱注入及び対応する接合部のストレスが少ない状態で、ＥＢ溶接プロセスの間に形成される。別の実施形態では、一次接合部３００、二次接合部４００、及び三次接合部４０２は、レーザ溶接プロセスで形成される。従って、例示するプロセス及び組立体は、本明細書に記載のＥＢ溶接の代わりにレーザ溶接によって形成できる。

二次接合部４００及び三次接合部４０２の各々は、一次接合部３００に比べて、第１のプレート２０８とブラシ部材２１２との間の異なる低い希釈レベルによって、接合部での良好な微細構造を提供する。１つの態様において、一次接合部３００は、第１のプレート２０８、ブラシ部材２１２の全厚さ、及び第２のプレート２１０の一部を貫通する。一次接合部３００のＥＢ溶接の最初の通過時に、ブリストル材料（例えば、コバルトベース合金）は溶融してプレート２０８及び２１０の合金鋼材料と混ざる。実施形態では、ブリストル材料がプレートの合金鋼と混ざると、クラックを引き起こす傾向がある化学作用が生じる。従って、実施形態では、ＥＢ溶接を通過させて二次接合部４００及び三次接合部４０２を形成する際に、接合部は、第１のプレート２０８及びブラシ部材の一部だけを貫通するので、接合部４００及び４０２のブリストル材料の量が低減する。その結果、一実施形態では、二次接合部４００及び三次接合部４０２の化学作用及び微細構造は、クラックを引き起こす傾向が少なくなる。別の実施形態では、二次接合部４００及び三次接合部４０２の各々は、第１のプレート２０８、ブラシ層２１２、及び第２のプレート２１０の少なくとも一部を通って延びることができる。更に、一実施形態では、二次接合部４００及び三次接合部４０２は、第２のプレート内に一次接合部３００と同じ距離だけ延びることができる。また、二次接合部４００及び三次接合部４０２を付加することで、化学作用を改善して構造欠陥の形成を低減しながら、接合部のストレスを低減できる。実施形態では、二次接合部４００及び三次接合部４０２は、溶接が一次接合部３００を通過する間に生じる１以上のクラック３０２及び３０６をそれぞれ修復する。従って、結果として得られる、一次接合部３００、二次接合部４００、及び三次接合部４０２は、シール組立体２００が極端な温度及び摩耗に耐え得るように強化される。

実施形態では、一次接合部３００を修復して耐久性を高めるために単一の二次接合部４００をシール組立体２００に形成できる。例えば、二次接合部４００は、固定及び／又は組立構成等の特定用途要因によってクラック形成の可能性の高い一次接合部３００の片側に形成される。例示的な組立体及び方法は、機械装置又は装置に使用される連続部材を不連続層又は部材に結合又は組み立てるために利用でき、図示の方法及び組立体は、不連続層を連続部材に結合するための修復された接合部をもたらす。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１００ タービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ 軸
１１０ ノズル
１１２ 燃料供給装置
２００ シール組立体
２０２ ロータ
２０４ ステータ
２０６ 軸線
２０８ 第１のプレート
２１０ 第２のプレート
２１２ ブラシ層
２１４ ブリストル
２１６ 結合器
２１８ 流体
２２０ 高温ガス
３００ 一次接合部
３０２ クラック（構造欠陥）
３０４ 境界面
３０６ クラック（構造欠陥）
３０８ 境界面
４００ 二次接合部
４０２ 三次接合部

Claims (11)

1. タービンを組み立てる方法であって、
   各々が連続材料部材を含む第１の外側部材と第２の外側部材との間に、不連続材料層を含む中間層を配置する段階と、
   中間層と第１の外側部材と第２の外側部材との間で、第１の外側部材と中間層と第２の外側部材の少なくとも一部とを通って延びる一次接合部を溶接する段階と、
   一次接合部の溶接後に、中間層と第１の外側部材との間で、第１の外側部材と中間層の少なくとも一部とを通って延びる二次接合部を溶接する段階であって、二次接合部が一次接合部の第１の側で一次接合部の少なくとも一部に重なる段階と、
   一次接合部の溶接後に、中間層と第１の外側部材との間で、第１の外側部材と中間層の少なくとも一部とを通って延びる三次接合部を溶接する段階であって、三次接合部が、一次接合部の第１の側とは反対側の第２の側で一次接合部の少なくとも一部に重なる段階と
   を含む方法。
2. 一次接合部を溶接する段階が一次接合部にクラックを生成する段階を含んでおり、二次接合部の形成によって一次接合部のクラックが除去される、請求項１記載の方法。
3. 二次接合部を溶接する段階が、一次接合部の少なくとも一部に重なる二次接合部を形成する段階を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 一次接合部を溶接する段階が一次接合部にクラックを形成する段階を含み、三次接合部を溶接する段階によって一次接合部のクラックが除去される、請求項１記載の方法。
5. 中間層が、シール部材を構成する複数のブリストルを含んでいて、第１の外側部材及び第２の外側部材の各々がプレートを含んでおり、複数のブリストルが、コバルト基合金、ニッケル及びステンレス鋼の１つからなり、第１の外側部材及び第２の外側部材のプレートが合金鋼である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 一次接合部を溶接する段階が電子ビーム溶接又はレーザ溶接を含んでおり、二次接合部及び三次接合部を溶接する段階が電子ビーム溶接又はレーザ溶接を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. タービンを組み立てる方法であって、
   第１のプレートと第２のプレートとの間に、複数のブリストルを備えるブラシ層を配置する段階と、
   ブラシ層と第１のプレートと第２のプレートとの間に一次接合部を形成する段階であって、第１のプレートとブラシ層と第２のプレートの少なくとも一部とを通って延びる一次接合部を形成するための溶接を行う段階と、
   一次接合部の溶接後に、ブラシ層と第１のプレートとの間に二次接合部を形成する段階であって、一次接合部の第１の側で一次接合部の少なくとも一部と重なる二次接合部であって、一次接合部の構造欠陥を除去する二次接合部を形成するために溶接を行う段階と、
   一次接合部の溶接後に、ブラシ層と第１のプレートとの間に三次接合部を形成する段階であって、一次接合部の第１の側とは反対側の第２の側で一次接合部の少なくとも一部に重なる三次接合部であって、第１のプレート及びブラシ層の少なくとも一部を通って延びる三次接合部を形成するために溶接を行う段階と
   を含む、方法。
8. 構造欠陥がクラックを含む、請求項７記載の方法。
9. 二次接合部が第１のプレート及びブラシ層の少なくとも一部を通って延びる、請求項７又は請求項８記載の方法。
10. 複数のブリストルがコバルト基合金であり、第１のプレート及び第２のプレートが合金鋼である、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
11. 一次接合部を形成する段階が電子ビーム溶接又はレーザ溶接の１つを含み、二次接合部を形成する段階が電子ビーム溶接又はレーザ溶接を含む、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。