JP2012149634A - 流体流れを防止するための組立体及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の１つの態様によると、隣接するターボ機械部品間に配置される組立体を提供する。
【解決手段】本組立体は、Ｕ字形状断面ジオメトリを備えた第１のシムを含み、第１のシムは、隣接する部品間のシールを形成するように構成される。本組立体はまた、第１のシムのＵ字形状断面ジオメトリの凹部内に配置されたインサートと、インサートと第１のシムとの複数の千鳥状結合部とを含む。
【選択図】 図３

Description

本明細書に開示した主題は、ターボ機械に関する。より具体的には、本主題は、ターボ機械の部品間のシム及びシールに関する。

タービンでは、燃焼器が、燃料又は空気−燃料混合気の化学的エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、多くの場合は圧縮機からの加圧空気である流体によってタービンに運ばれ、タービンにおいて、熱エネルギーが機械的エネルギーに変換される。高い変換効率により、エミッションの低減が得られる。幾つかの要因が、熱エネルギーの機械的エネルギーへの変換の効率に影響を与える。それらの要因には、ブレード通過周波数、燃料供給変動、燃料タイプ及び反応性、燃焼器ヘッド端部ボリューム、燃料ノズル設計、空気−燃料プロフィール、火炎形状、空気−燃料配合、保炎、並びにガス流漏洩を含むことができる。例えば、トランジションピースと第一段タービンノズルとの間の接合部を通しての燃焼器の圧縮機吐出ケーシング側からの空気流れの漏洩は、空気に燃焼器を迂回させてより高いピークガス温度を生じさせることによって、エミッションの増大を引き起こす可能性がある。漏洩は、一部の部品の熱膨張及び部品間の相対運動によって引き起こされる可能性がある。

米国特許第６７３３２３４号明細書

従って、ずれ又は非整列タービン部品間のガス漏洩を減少させることにより、タービンの効率及び性能を向上させることができる。

本発明の１つの態様によると、隣接するターボ機械部品間に配置される組立体を提供し、本組立体は、Ｕ字形状断面ジオメトリを備えた第１のシムを含み、第１のシムは、隣接する部品間のシールを形成するように構成される。本組立体はまた、第１のシムのＵ字形状断面ジオメトリの凹部内に配置されたインサートと、インサートと第１のシムとの複数の千鳥状結合部とを含む。

本発明の別の態様によると、隣接するターボ機械部品間の流体流れを減少させる方法を提供し、本方法は、第１のシムを折曲げてＵ字形状断面ジオメトリを形成するステップと、第１のシムの凹部内にインサートを配置するステップとを含む。本方法はさらに、インサートを複数の千鳥状結合部により第１のシムに結合するステップと、第１のシム及びインサートを隣接する部品間に配置して、流体流れを減少させるステップとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層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おいて具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の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備えたガスタービンエンジンの実施形態の概略図。 タービン部品間に配置されるシール組立体の実施形態の斜視図。 シール組立体の実施形態の断面側面図。 シール組立体の実施形態の上面図。 一対のシール組立体を備えた例示的なトランジションピース組立体の一部分の斜視図。 ガスタービンのシュラウドの実施形態の端面図。 図６に示すシュラウド組立体の詳細側面図。 シム組立体の別の実施形態の斜視図。 シム組立体のさらに別の実施形態の斜視図。

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１は、ガスタービンシステム１００のようなターボ機械システム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、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含む。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、シャフト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、シャフト１０８によって結合される。シャフト１０８は、単一のシャフト又は互いに結合されて該シャフト１０８を形成した複数のシャフトセグトメンとすることができる。

態様では、燃焼器１０４は、天然ガス又は水素リッチ合成ガスのような液体及び／或いは気体燃料を使用して、エンジンを稼働させる。例えば、燃料ノズル１１０が、空気供給源及び燃料供給源１１２と流体連通状態になっている。燃料ノズル１１０は、空気−燃料混合気を形成しかつその空気−燃料混合気を燃焼器１０４内に吐出し、それによって高温加圧排出ガスを発生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加圧排出ガスをタービンノズル（又は「第一段ノズル」）内に導いて、タービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転させ、それによって空気が圧縮機１０２内に流れるにつれて該空気を加圧する。実施形態では、燃焼器のアレイの各々は、該燃焼器とタービンのノズルとの間に配置されたトランジションピースに結合される。これらの及びその他のタービン部品間の組立体及びシール機構について、図２〜図９を参照して以下に詳細に説明する。

図２は、第１のシール組立体２００及び第２のシール組立体２０２の実施形態の斜視図である。第１のシール組立体２００は、隆起端縁部２０６及び２０８を備えたシム２０４を含む。隆起端縁部２０６及び２０８は、インサート（図示せず）を受ける凹部２１０を形成する。シム２０４の断面ジオメトリは、Ｕ字形状であり、隆起端縁部２０６及び２０８が、シム２０４構造体の長手方向側部である。隆起端縁部２０６及び２０８は、シム２０４の中央部に対してある角度をなしており、その角度は、約３０°〜約１５０°の範囲にある。実施形態では、隆起端縁部２０６及び２０８の角度は、約８０°〜約１００°である。第２のシール組立体２０２は、隆起端縁部２１４及び２１６を備えかつ同様に凹部２１８を有するＵ字形状を形成したシム２１２を含む。凹部２１８もまた、インサートを受けるように構成される。実施形態では、インサートは、隣接するタービン部品又は部品との接触を向上させるような可撓性或いは適合性を有し、それによって隣接するタービン部品間のシールを改善する。シム２１２は、コーナ部２２０を含み、コーナ部２２０は、２つのほぼ直線のシールセクションの交差部に連続シールを形成するような角度で屈曲している。現在の技術では、２つの直線シール片は、交差部において突合わされており、流体流れは、非連結直線シール片の交差部において漏洩する可能性がある。図２に示すように、第１のシール組立体２００及び第２のシール組立体２０２は、要素２２２で示すように互いにオーバラップしている。従って、２つの組立体２００及び２０２により連続組立体が形成されて、タービン部品間のシールが形成され、従ってシール組立体２００及び２０２にわたる流体流れを減少させる。実施形態では、オーバラップ部分により、シール組立体の傾斜シール区域又は交差部における漏洩の減少が得られる。シム２０４は、ガスタービン内での温度、圧力及び摩耗に耐える好適な耐久性材料で製作される。シム２０４用の例示的な材料には、金属合金、ステンレス鋼、高強度ポリマー及び複合材料が含まれる。

図３は、その中におけるシム２０４のＵ字形状ジオメトリを図示している例示的なシール組立体２００の断面図である。インサート３００が凹部内に配置され、インサート３００は、組立体２００に隣接するガスタービン部品に対する可撓性又は適合性を与え、それによってシールの向上をもたらすように構成される。例えば、シール組立体２００は、そこでは時間の経過と共に部品がずれる又は移動する可能性があるガスタービンにおけるシュラウドの部品間に配置される。可撓性シール組立体２００は、部品が整列していない時（「非整列部品又は部品」）における漏洩を減少させる。さらに、シール組立体２００は、シュラウド外部から該シュラウド内部への高温ガス通路からの流体の漏洩を減少させる。インサート３００は、ガスタービン内部の条件に耐えることができる織布ツィル金属材料又はポリマー繊維織物のようなあらゆる耐久性材料のインサートとすることができる。この図示した実施形態では、シム２０４のＵ字形状ジオメトリは、コーナ部を形成するための曲げ加工／スタンピング加工／成形加工を可能にし、タービン部品間のシールをさらに向上させることを可能にする。実施形態では、シム２０４の断面は、シールの構造的健全性に悪影響を与えずに部品間の傾斜及び湾曲シールスロットに適応する可撓性を有しながらシール作用を可能にするあらゆる好適な断面になっている。シム２０４の例示的な断面には、Ｕ字形状、Ｗ字形状及びＶ字形状が含まれる。

図４は、隣接するタービン部品間に配置されるシール組立体４００の実施形態の概略図である。シール組立体４００は、シム４０２及び溶接部４０４を含み、溶接部４０４が、シム４０２をインサート３００（図３）に結合している。シム４０２は、該シム４０２の長手方向側部に沿って延びる隆起端縁部４０６及び４０８を備えたＵ字形状構造を有する。凹部４１０がシム４０２内に形成されて、図３に示すようにインサート３００を受ける。この図４の実施形態では、溶接部４０４は千鳥状溶接部として説明され、この溶接部のパターン及び間隔により、シール組立体４００の可撓性が改善され、それによってコーナ部２２０（図１）によって形成されたような改良型のシールにおけるシール組立体４００の屈曲が可能になる。シム４０２上における溶接部の形成及び付着は、シム４０２構造を強化しかつ剛性を高め、それによってシール組立体４００の柔軟性を低下させる可能性がある。従って、シム４０２上における溶接部４０４の千鳥状配置又はその他のレイアウトによって、シール組立体４００は湾曲又は傾斜シール区域並びに隣接する非整列タービン部品に対する柔軟性及び適合性の向上を達成することができる。溶接部４０４は、仮付け溶接部、スポット溶接部、ロー付け、接着又はその他の高強度接合法のようなインサート３００（図３）をシム４０２に結合するあらゆる好適な結合部或いは機構とすることができる。この図示した実施形態では、溶接部４０４は、該溶接部４０４の長手方向４１２列が溶接部の交互数を含むという事実により、千鳥状配列である。例えば、溶接部４０４の第１の列は、横方向４１４に間隔を置いて配置された２つの溶接部４０４を含み、一方、溶接部４０４の次の列は、横方向４１４の中心に位置した１つの溶接部４０４を含む。

図５は、サイドシール５０２及び５０４（「シール組立体」とも呼ばれる）を備えたトランジションピース組立体５００の実施形態の斜視図である。トランジションピース組立体５００は、タービンノズル組立体内への高温ガス通路を形成するように構成されたトランジションピース５０６及び５０８を含む。内側移行シール５１０及び外側移行シール５１２と共にサイドシール５０２及び５０４は、トランジションピース組立体を通る流体流れの漏洩を減少させる。具体的には、サイドシール５０２及び５０４は各々、Ｕ字形状断面を備えたシム２０４（図２）とインサート３００（図３）とを含む。シム２０４のＵ字形状ジオメトリ及びインサート３００は、隣接するトランジションピース５０６及び５０８の動きに適合するように構成され、それによってタービンの運転時にトランジションピース５０６及び５０８が整列しなくなった又は移動した時における高温ガスの漏洩を減少させる。加えて、サイドシール５０２及び５０４は、千鳥状溶接部４０４（図４）を備えて可撓性をさらに改善している。

図６は、複数のシュラウド組立体６０２を含むガスタービンのシュラウド６００の実施形態の端面図である。図７は、単一のシュラウド組立体６０２の詳細図である。シュラウド組立体６０２は、外側シュラウド６０４及び内側シュラウド６０６を含む。図６に示すように、シュラウド組立体６０２は、円周方向に互いに接合されて、高温ガス通路６０８及び低温ガス通路６１０を含む流体流れ領域を分離する。シュラウド組立体６０２の各々間の接合部又は接触部６１２は、第７図に示すように高温ガス通路６０８と低温ガス通路６１０との間の流体連通を減少させるシール及び組立体を含む。外側シュラウドシール組立体７００及び内側シュラウドシール組立体７０２は、流れ通路（６０８、６１０）間の漏洩を減少させかつタービンの運転時に隣接するシュラウド組立体６０２が整列しなくなった又は移動した時にシールを維持するように構成される。外側シュラウドシール組立体７００は、垂直部分７０４及び水平部分７０６を含む。外側シュラウドシール組立体７００のコーナ部７０８は、垂直部分７０４及び水平部分７０６の交差部におけるシールを改善するように形成される。同様に、内側シュラウドシール組立体７０２は、垂直部分７１２及び水平部分７１０を含む。内側シュラウドシール組立体７０２のコーナ部７１４は、垂直部分７１２及び水平部分７１０の交差部におけるシールを改善するように形成される。シュラウドシール組立体７００及び７０２の実施形態は、シム２０４（図２）とインサート３００（図３）とを含み、シム２０４のＵ字形状ジオメトリは、コーナ部７０８及び７１４のような湾曲部分をシールするように組立体７００及び７０２を屈曲させるのを可能にする。さらに、シュラウドシール組立体７００及び７０２は、インサート３００をシム２０４に結合する千鳥状溶接部４０４（図４）を含み、この溶接部４０４の構成は、シール組立体７００及び７０２にわたる流体の漏洩を減少させる可撓性を改善する。さらに、この図示した組立体及びシール方法は、隣接する部品間で同様の接合部を使用する、ノズル、バケット、トランジションピースを含むあらゆる高温ガス通路部品において使用することができる。

図８は、屈曲又は湾曲片８０４によって接合された２つのほぼ直線シム片８０２を備えたシム組立体８００の別の実施形態を示している。この構成では、直線シム片８０２は、Ｕ字形状であり、一方、湾曲片８０４は、任意選択的にＵ字形状断面を有することができる。図９は、単一のシム部材９０２を成形加工、曲げ加工又はスタンピング加工して、複数の屈曲部９０４を備えた単一の連続片を形成したシム組立体９００の実施形態を示している。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部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、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

（図１）
１００ 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 ノズル
１１２ 燃料供給源
（図２）
２００ 組立体
２０２ 組立体
２０４ シム
２０６ 端縁部
２０８ 端縁部
２１０ 凹部
２１２ シム
２１４ 端縁部
２１６ 端縁部
２１８ 凹部
２２０ コーナ部
２２２ オーバラップ部
（図３）
３００ インサート
（図４）
４００ 組立体
４０２ シム
４０４ 溶接部
４０６ 端縁部
４０８ 端縁部
４１０ 凹部
４１２ 長手方向
４１４ 横方向
（図５）
５００ トランジションピース組立体
５０２ サイドシール
５０４ サイドシール
５０６ トランジションピース
５０８ トランジションピース
５１０ 内側移行シール
５１２ 外側移行シール
（図６）
６００ タービンシュラウド
６０２ シュラウド組立体
６０４ 外側シュラウド
６０６ 内側シュラウド
６０８ 高温ガス領域
６１０ 低温ガス領域
６１２ シュラウド組立体間の接合部
（図７）
７００ 外側シュラウドシール
７０２ 内側シュラウドシール
７０４ 外側シュラウドシールの垂直部分
７０６ 水平部分
７０８ コーナ部
７１０ 内側シュラウドシールの水平部分
７１２ 垂直部分
７１４ コーナ部
（図８）
８００ シム組立体
８０２ 直線片
８０４ 屈曲片
（図９）
９００ シム組立体
９０２ シム部材
９０４ 屈曲部

Claims (10)

1. 隣接するターボ機械部品（５００）間に配置される組立体（２００、４００）であって、
   Ｕ字形状断面ジオメトリを含みかつ前記隣接する部品間のシールを形成するように構成された第１のシム（４０２）と、
   前記第１のシム（４０２）のＵ字形状断面ジオメトリの凹部内に配置されたインサート（３００）と、
   前記インサート（３００）と第１のシム（４０２）との複数の千鳥状結合部（４０４）と
   を備える組立体（２００、４００）。
2. 前記第１のシム（４０２）が、ステンレス鋼を含む、請求項１記載の組立体（２００、４００）。
3. 該組立体（２００、４００）が、前記隣接するターボ機械部品（５００）間の前記シールのコーナ部（２２０、７０８）における流体流れを防止するシールを形成するように屈曲される、請求項１記載の組立体（２００、４００）。
4. 前記第１のシム（４０２）が、前記隣接するターボ機械部品（５００）間のコーナ部（２２０、７０８）における流体流れを防止するように構成された屈曲部を備えた部材を含む、請求項１記載の組立体（２００、４００）。
5. Ｕ字形状断面ジオメトリを備えた第２のシム（２１４）を含み、前記第２のシム（２１４）の一部分が、前記第１のシム（４０２）の一部分とオーバラップして、該第１のシムと第２のシムの間のシールを形成する、請求項１記載の組立体（２００、４００）。
6. 隣接するターボ機械部品（５００）間の流体流れを減少させる方法であって、
   第１のシム（４０２）を折曲げてＵ字形状断面ジオメトリを形成するステップと、
   前記第１のシム（４０２）の凹部内にインサート（３００）を配置するステップと、
   前記インサート（３００）を複数の千鳥状結合部（４０４）により前記第１のシム（４０２）に結合するステップと、
   前記第１のシム（４０２）及びインサート（３００）を前記隣接する部品間に配置して、流体流れを減少させるステップと
   を含む方法。
7. Ｕ字形状断面ジオメトリを備えた第２のシム（２１４）を前記隣接するターボ機械部品（５００）間に配置して、該第２のシム（２１４）の一部分が前記第１のシム（４０２）の一部分とオーバラップして該第１のシムと第２のシムとの間のシールを形成するようにするステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 前記第１のシム（４０２）及びインサート（３００）を前記隣接するターボ機械部品（５００）間に配置するステップが、前記第１のシム（４０２）を前記隣接する部品（５００）間に配置して該隣接する部品のコーナ部（２２０、７０８）におけるシールを形成するステップを含む、請求項６記載の方法。
9. 前記第１のシム（４０２）及びインサート（３００）を前記隣接するターボ機械部品（５００）間に配置するステップが、前記第１のシム（４０２）を前記隣接する非整列部品（５００）間に配置するステップを含む、請求項６記載の方法。
10. 前記第１のシム（４０２）及びインサート（３００）を前記隣接する部品（５００）間に配置するステップが、前記第１のシム（４０２）を隣接するシュラウド組立体、隣接するトランジションピース、ノズル及びバケットからなる群から選択された部品間に配置するステップを含む、請求項６記載の方法。

Images