JP6273031B2 - ガスタービンのための高温ガスに暴露され得る構成部品およびそのような構成部品を備えたシール手段 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの壁を備えた、ガスタービンのための高温ガスに暴露され得る構成部品に関し、
その構成部品は、端縁のところまでの第１面を具備し、この第１面は、ガスタービンの高温ガス流路を区切ることを目的とされており、
その構成部品は、端縁に隣接し且つ第１面に対して横方向に配列された第２面を具備し、シール要素を受容するために設けられた溝が第２面に配列され、且つ溝は端縁から所定の距離だけ離れて少なくとも部分的に端縁に沿って延びており、
溝は溝開口部とは反対側の溝ベースと、溝面に隣接し且つ端縁に沿って延びた、２つの相互に向き合った側壁と、を具備している。

このタイプの構成部品は、先行技術からシール手段の形成に関して知られている。例えば、特許文献１は、このタイプの２つの構成部品を開示しており、その第２面は互いに向き合ってギャップを形成し、互いに向き合って位置した溝は、同様にシール手段を収容し、シール手段はギャップを通じる流れに対してギャップを概略ブロックしている。

例えば特許文献２は、高温ガス側に配置されたシール溝の側壁に、組み合わせてグループを形成することが可能であり且つシール溝の側壁の底部から開口部までテーパとなった通気溝を設けることを提案している。したがって、その目的は、冷却効率および同時に摩耗の減少の改善を達成することである。

それに加えて、個々に相互に向き合ったチャネルを均一に分配するように配列することが、特許文献３から知られており、それらのチャネルは、２つのシール溝の側壁内に冷却空気を通すために、互いに対に接続されている。それらのチャネルを備えた目的は、シール溝内にシール要素を配置して、十分な冷却を可能にすることである。

さらに、特許文献４および特許文献５は、冷却空気が、別個の冷却空気供給手段開口部によって、シール溝に供給されることが可能なシール手段を開示している。

既知の変形にもかかわらず、このタイプのシール手段は、ある点において酸化する傾向を有し得る結果となる。酸化は材料の損失を導き、したがって、全体的にタービンブレードとして構成された構成部品は、もはや機能することが不可能となり、したがって、それらの表面の寿命の終端は時期を早める。第１に、このことは、これらのタービンブレードが備わったガスタービンの有用性を減少させ、第２に、このことは、交換される必要があり得るタービンブレードの消耗速度を増大させる。

英国特許出願公開第２ １９５ ４０３号明細書 欧州特許出願公開第２ ６１５ ２５４号明細書 欧州特許出願公開第２ ３６５ １８８号明細書 欧州特許出願公開第２ ６１５ ２５５号明細書 特開２００９−２５７２８１号公報

したがって、本発明の目的は、高温ガスに暴露され得る構成部品、および摩耗の傾向を減少した端縁を提供することである。本発明のさらなる目的は、耐久性があり、比較的抗酸化性の、且つコスト効果の高いシール手段を提供することであり、そのシール手段は２つの構成部品を具備し、各構成部品は、その第２側面が互いに向き合って配置されてギャップを形成し、相互に向き合った溝内に、シール要素がギャップをシールするために挿入されている。

本発明に基づいた目的は、請求項１の特徴による、高温ガスに暴露され得る構成部品、および請求項５の特徴によるシール手段と共に達成されている。

さらに有利な改良は、従属請求項に明記されている。

本発明によれば、少なくとも１つの壁を備えた、ガスタービンのための高温ガスに暴露され得る構成部品の場合、
その構成部品は、端縁のところまでの第１面を具備し、この第１面は、ガスタービンの高温ガス流路を区切ることを目的とされており、
その構成部品は、端縁に隣接し且つ第１面に対して横方向に配列された第２面を具備し、シール要素を受容するために設けられた溝が第２面に配列され、溝は端縁から所定の距離だけ離れて少なくとも部分的に端縁に沿って延びており、
溝は、溝開口部の反対側の溝ベースと、溝ベースに隣接し且つ端縁に沿って延びた、２つの相互に向き合った側壁と、を具備し、２つの側壁のうちの一方の側壁は高温ガス側に配置され、他方の側壁は低温ガス側に配置され、各側壁は凹部を備え、少なくともいくつかの凹部は、組み合わされてグループを形成し、凹部は、グループの２つの凹部が高温ガス側の側壁に配置され、且つ互いに離間されており、グループのさらなる凹部が低温ガス側の側壁に配置され且つ２つの高温ガス側の凹部の各々とは部分的に向き合って位置するように配置されている。

１つの側壁または２つの側壁の溝形状凹部は、冷却空気のための流路として寄与し、且つ構成部品の端縁がより多くの摩耗および酸化に暴露される位置に好適に配置されている。結果的に、局所的に対象とされた冷却空気の吹き出し量は、凹部のサイズによって事前に決定可能であり、熱負荷を減少して、応力を受ける領域の耐久性を改善している。同時に、溝の側壁の凹部は、冷却される構成部品材料の量を減少させており、それは側壁の溝形状凹部が、特許文献１のシール要素よりも技術的に多くの好都合の解決策を構成している理由であり、特許文献１においては、所定の位置に冷却空気の通路のためのスロットを備えている。

本発明のシール要素においては、スロットはシール要素内で避けられ、シール要素は溝内に挿入されているので、シール要素は、スロットを備えたシール要素よりもより耐久性がある。結果的に、本発明によるシール手段は、少なくとも１つの構成部品、好適に２つの構成部品において、本発明に従って構成されて、その第２面が互いに向き合ってギャップを形成するように、互いに対して配置され、シール要素は、ギャップをシールするために、その相互に向き合った溝内に挿入され、全体的により長いサービス寿命を達成している。シール要素は、パネルの形状に好適に構成されている。すなわち、冷却空気の伝導の対象とされるために設けられたスロット、凹部またはテーパ部を有しない。

側壁の溝形状凹部は、シール要素を収容した溝の溝開口部から、シール要素を収容した溝の溝ベースのところまで延びている。

第１の有利な発展によれば、各側壁は、シール要素を収容する溝の少なくとも１つの長手方向部分において、溝形状凹部の複数のグループを備えている。この手段により、溝形状凹部は、溝の低温ガス側および高温ガス側の側壁の両方に設けられ、その凹部を通じて、凹部を貫流する冷媒は、特に高熱負荷の位置および／または特に高腐食性の位置に選択的に伝道されることが可能である。

このタイプの手段は、例えば浸食による特に簡素な様式において生産されることが可能であり、より長い凹部が低温ガス側に好適に配置される。より狭く配置された凹部は、次に高温ガス側に配列され、それは冷却空気のより良好な且つより均一な分配を可能にしている。

さらに、溝は凹部が無く且つ個別のグループの長手方向範囲よりも大きい長手方向範囲である領域を備えている。

シール要素の発展では、各場合において、少なくとも１つの凹部のグループは、相互に向き合った溝の各々に好都合に設けられ、これらの凹部は、少なくとも部分的に溝の範囲に沿って互いに対してオフセットされている。本発明による構成部品は、例えばタービンガイドブレードとして、タービンロータブレードとして、または環状セグメントとして構成されることが可能である。しかしながら、ガスタービン内のさらなる使用領域も考えられ、例えば、複数のタービンブレードが配列された、燃焼チャンバから環状チャネルへの遷移部である。

したがって、全体的に、本発明は少なくとも１つの壁を備えた、ガスタービンのための高温ガスに暴露され得る構成部品に関し、この構成部品は、端縁のところまでの第１面を具備し、この第１面は、ガスタービンの高温ガス流路を区切ることを目的とされており、この構成部品は、端縁に隣接し且つ第１面に対して横方向に配列された第２面を具備し、シール要素を受容するために設けられた溝が第２面に配列され、溝は端縁から所定の距離だけ離れて少なくとも部分的に端縁に沿って延びており、
溝は、溝開口部の反対側の溝ベースと、溝ベースに隣接し且つ端縁に沿って延びた、２つの相互に向き合った側壁と、を具備し、２つの側壁のうちの一方の側壁は、高温ガス側に配置され、他方の側壁は低温ガス側に配置され、各側壁は凹部を備えている。良好なシールを達成し、一方でギャップを形成した構成部品の決められた冷却を維持するために、少なくともいくつかの凹部は組み合わされて、グループを形成することが可能であり、それらの凹部は、グループの２つの凹部が、高温ガス側の側壁に且つ互いに離間されて配置される様式で、且つそのグループのさらなる凹部が、低温ガス側の側壁に且つ２つの高温ガス側凹部の各々と部分的に向き合うように配置されることが提案される。

本発明のさらなる利点および特徴は、複数の例示的な実施形態を参照して特定されている。

シール要素を収容するための溝を備えたプラットフォームの領域内のタービンブレードを示した側面図である。 直接隣接した２つの構成部品を備えたシール要素を示した断面図であり、本発明による溝は、互いに直接向き合って位置しており、その溝内にはパネル形状のシール要素が配置されている。

すべての図において、同一の部品には同じ参照符号が付されている。

図１は、固定ガスタービンの構成部品１０としてのタービンガイドブレード１１を示した側面図である。タービンガイドブレード１１は、脚側端部１２および頭側端部（詳細には図示されていない）を具備し、それらの間には、空力的湾曲翼１６が延びている。翼１６自身は、脚側端部１３から頭側端部までのスパン方向に延びている。それに関して横方向において、翼１６は、入射流れ端縁１８から後端縁２０まで延びている。プラットフォーム２２が脚側端部１３および頭側端部の両方に設けられ、プラットフォームは、それらの間に配置された、高温ガスのための流路２４の境界を形成している。この目的のために、各プラットフォーム２２は、高温ガス流路２４に面した面２６を備えている。面２６は、以下において第１面２６として参照され、端縁２８において横方向の終端となっている。この端縁２８は、図示されたように、境界として設計されて得る。端縁２８は、第１面２６に対して横方向に向けられた第２面３０に隣接している。端縁２８が境界としてではなくむしろ半径として設計されていた場合、第１面２６および第２面３０は、互いに統合される。

図示されたタービンガイドブレードが、ガスタービン内で使用された場合、リング内に配列された複数のタービンガイドブレード１１は、一連のガイドブレードを形成し、直接隣接したタービンブレード１１の第２面３０は、各場合において互いに向き合って位置し、ギャップを形成する（図２）。そのような配列に関して、プラットフォームのそれらの端縁２８のみが、周方向に見て、関連した第１面２６との境界を形成している。

隣接したタービンブレード１０の直接向き合った２つの第２面３０によって境界を形成したギャップを概略密封するために、且つ決定された漏れを許容するために、プレート状のシール要素４４が嵌合された（図２）溝３４が、第２面３０に設けられている。２つの構成部品１０およびシール要素４４はシール手段４０を形成し、このシール手段は、流路２４内に導かれた高温ガスが、プラットフォーム２２の遠位側に配置された他の領域４１内に流出可能となることを防止している。各溝３４は、２つの側壁３６を備えている。ここで、第１側壁３６ａと第２側壁３６ｂとの間には差異があり、第１側壁３６ａは、各場合において第２側壁３６ｂよりも第１面２６または端縁２８により接近して配列されている。結果的に、高温ガス側の側壁３６ａおよび低温ガス側の側壁３６ｂが、論じられ得る。以下の議論が、（「ａ」および「ｂ」のない）側壁３６のみに関する場合、記述はもちろん各側壁に当てはまる。

各溝３４は端縁２８に沿って延びているが、そこに対して小さい距離だけ離れている。溝形状凹部３８は、各側壁３６内に設けられている。

溝３４の幾何形状が、以下により詳細に且つ図１に関連して第１に説明されている。溝３４の各側壁３６は、その長手方向の範囲に沿って、入射流れ端部１８から流出側端部２０へと、複数の連続した凹部３８を備えている。したがって、***部および凹部３８が、側壁３６ａおよび側壁３６ｂに交互に形成されている。２つの側壁３６ａ、３６ｂに関して、凹部３８および２つの凹部３８の間にある***部は、小さくオフセットして配列され、したがって、凹部３８および***部は、破線の円内に示されたように、論理的に結合されて、グループ３９を形成し得る。

溝３４の側壁３６の凹部３８は、２つの側壁３６に沿って分配されており、側壁３６ａ（３６ｂ）の凹部３８と***部との間の段差は、他の側壁３６ｂ（３６ａ）の段差に関してオフセットされている。それに加えて、高温ガス側凹部３８ａは、低温ガス側凹部３８ｂの半分の長さしかない。

運転の際、冷却空気は低温ガス側凹部３８ｂ内を流れ、したがって、低温ガス側凹部３８ｂは、２つの高温ガス側凹部３８ａに冷却空気を供給可能であり、その空気はシール要素４４の周囲を流れる。この観点において、グループ３９は、この手段によって定義可能である。

溝３４は、もちろん環状セグメント内でも使用され、そのセグメントは周方向に円を形成し、溝３４は、ガスタービンの流路２４の軸方向部分をロータブレードの先端の径方向外側から区切っている。

図２に従って示された溝３４の例示的な実施形態においては、凹部３８から独立したより長い溝部４３が設けられている。このタイプの溝３４は、増大した摩耗現象が端縁または第１面２６の所定の位置においてのみ生じたとしても、適切である。

それに加えて、図１は、溝４１の一部を破線によって示しており、溝４１は、ギャップを形成するような様式で、図示されたタービンガイドブレード１１の向き合ったプラットフォーム２２に位置した構成部品（図示略）に属している。溝４１の描写は、溝３４に関して鏡像となっており、したがって、溝４１の高温ガス側凹部３８ａは、図１において低温ガス側凹部３８ｂの上に図示されている。

この図にすでに見られているように、２つの相互に向き合った構成部品の凹部３８の２つのグループ３９および４２は、互いから距離Ａだけオフセットされている。このことは、ギャップに沿って実質的に連続した高温ガス側凹部３８ａの配列を可能にし、したがって、決められた量の冷却空気による特に良好な冷却が、この領域において可能である。

図２は、２つの構成部品１０を具備したシール要素４０の断面を示しており、各部品１０は、ガスタービンの流路２４の境界となることを目的とされた第１面２６を備え、第１面２６は、端縁２８を介して第２面３０と結合し、第２面３０は、第１面２６に対して横方向に配列されている。端縁２８に沿って延び且つ端縁２８から所定の距離だけ離れて平行となった溝３４は、各第２面３０に配置され、その溝は、溝３４の長手範囲に沿った自身の側壁３６に、１つ以上の凹部３８を備えることが可能である。凹部３８は、第２面３０に位置した溝開口部４２から、溝開口部４２の反対側に形成された溝ベース４６まで延びている。

凹部３８は、プラットフォーム２２の遠位側に位置した低温ガス側４８から、プラットフォーム２２のこの側に位置した高温ガス側への、対象とされ且つ測定された冷却空気の流れを許容し、プラットフォームは、ガスタービンの流路２４の境界となっている。

本発明による溝３４の製造はより複雑であり、その溝が浸食を利用して比較的容易に製造され得ることが同様に維持されることが推測される。

シール要素４４は、溝３４内に挿入されている。そのシール要素は、自身の長手方向、すなわち端縁２８に平行な方向の範囲に沿って平坦な構成であり、したがって、この方向において、長手方向の範囲全体にわたって同じ材料厚さである。すなわち、シール要素４４は、スロットまたは切欠きを有しておらず、冷却空気は、意図された方式で低温ガス側４８から高温ガス側へと案内されることが可能である。シールチップはシール要素４４の一方または両方の面に配置されることが可能であり、その面は側壁３６に面しているが、シールチップは原則的に、凹部となっていない溝３４のそれらの部分における冷却空気の流れの発生を防止している。

１０ ・・・構成部品
１１ ・・・タービンガイドブレード
１３ ・・・脚側端部
１６ ・・・湾曲翼
１８ ・・・入射流れ端部
２０ ・・・後端部
２２ ・・・プラットフォーム
２４ ・・・流路
２６ ・・・第１面
２８ ・・・端縁
３０ ・・・第２面
３４ ・・・溝
３６ ・・・側壁
３６ａ ・・・第１側壁
３６ｂ ・・・第２側壁
３８ ・・・溝形状凹部
３９ ・・・グループ
４０ ・・・シール手段
４１ ・・・他の領域
４２ ・・・溝開口部
４３ ・・・溝部
４４ ・・・シール要素
４６ ・・・溝ベース

Claims (7)

1. 少なくとも１つの壁を備えた、ガスタービンのための高温ガスに暴露され得る構成部品（１０）であって、
   該構成部品は、端縁（２８）のところまでの第１面（２６）を具備し、該第１面（２６）は、前記ガスタービンの高温ガス流路を区切ることを目的とされており、
   前記構成部品は、前記端縁（２８）に隣接し且つ前記第１面（２６）に対して横方向に配列された第２面（３０）を具備し、シール要素（４４）を受容するために設けられた溝（３４）が前記第２面（３０）に配列され、前記溝は前記端縁（２８）から所定の距離だけ離れて少なくとも部分的に前記端縁（２８）に沿って延びており、
   前記溝（３４）は溝ベース（４６）と、溝面に隣接し且つ前記端縁に沿って延びた、２つの相互に向き合った側壁（３６）と、を具備し、該２つの側壁のうちの一方の側壁は高温ガス側に配置され、他方の側壁は低温ガス側に配置され、各側壁は凹部（３８）を備えた構成部品（１０）において、
   ３つの前記凹部（３８ａ、３８ｂ）は、組み合わされてグループ（３９）を形成し、前記凹部（３８ａ、３８ｂ）は、前記グループ（３９）の２つの凹部（３８ａ）が前記高温ガス側の側壁（３６ａ）に配置され、且つ互いに離間されており、前記グループのさらなる１つの凹部（３８ｂ）が前記低温ガス側の側壁（３６ｂ）に配置され、且つ前記２つの高温ガス側の凹部の各々とは部分的に向き合ってオーバーラップするように配置されていることを特徴とする構成部品（１０）。
2. 各側壁（３６）は、前記溝（３４）の少なくとも１つの長手方向部分において凹部（３８）の複数のグループ（３９）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の構成部品（１０）。
3. 関連した前記グループ（３９）は、前記溝（３４）の長手方向において長手方向範囲を有し、前記溝（３４）は、凹部が無く且つ個別のグループ（３９）の前記長手方向範囲よりも大きい長手方向範囲である領域を備えていることを特徴とする請求項２に記載の構成部品（１０）。
4. ガスタービンブレードまたは環状セグメントとして構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の構成部品（１０）。
5. ２つの構成部品（１０）を具備し、少なくとも１つの構成部品（１０）は、各場合において請求項１〜４のいずれか一項に記載の構成を有し、前記２つの構成部品は、前記第２面（３０）が互いに向き合って位置してギャップを形成するように配列され、シール要素（４４）は、前記ギャップをシールするために、相互に向き合った溝（３４）内に挿入されていることを特徴とするシール手段（４０）。
6. 前記シール要素（４４）はパネル形状に構成され、前記溝の側壁（３６）に面したシール要素の２つの面のうちの少なくとも１つにシール歯を備えていることを特徴とする請求項５に記載のシール手段（４０）。
7. 凹部（３８ａ、３８ｂ）の少なくとも１つのグループ（３９）は、各場合において相互に向き合った溝（３４）の各々に設けられ、前記凹部は、少なくとも部分的に前記溝の範囲に沿って互いに対してオフセットされていることを特徴とする請求項５または６に記載のシール手段。

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