JP2012102725A - トランジションピースシーリングアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのトランジションピース及び第１段ノズルに適用されるシーリングアセンブリを提供する。
【解決手段】シーリングアセンブリ１００は、シール要素１１０とシール要素１１０上に配置される重なり部材１５０と、重なり部材１５０上に配置される側方シール１９０とを含む。シール要素１１０は複数することができる。複数のシール要素１１０は、第１のシール要素１２０と第２のシール要素とを含んでもよい。
【選択図】図３

Description

本願は、概してガスタービンエンジンに関し、特に、トランジションピースと第１段タービンノズル及び同様の要素との間に用いられる、これらからの高圧空気の漏出を防止するための、改良されたシーリングアセンブリに関する。本発明は、米国エネルギー省（ＤＯＥ）から授与された契約番号第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づく政府の支援を受けてなされたものである。政府は本発明に関して一定の権利を有する。

ガスタービンエンジンは、一般に、トランジションピースと第１段ノズル等との間に配置されるシーリングアセンブリを有する。このシーリングアセンブリでは、高圧空気が高温空気流中に漏出しないようにするべきである。シーリングアセンブリは、外側シール、内側シール、並びに１対の側方シールを有する。内側シール及び外側シールは、自身上にばね要素又は同様の構造を有し、これによってノズルとの適当な接触を確保している。その他の種類のシーリングアセンブリ構造も既知である。

シーリングアセンブリは、例えば動的振動に起因する、トランジションピースと第１段ノズルとの間の相対移動に対応する。このように、トランジションピースと第１段ノズル及び／又はノズル支持要素が、互いに対して半径方向、周方向、及び軸方向に移動することがある。また、トランジションピースと第１段ノズルとが異なる材料で形成されていることで、運転時に異なる温度に曝されることがある。その結果、トランジションピースと第１段ノズルとで異なる度合いの熱膨張が生じることがある。よって、トランジションピースと第１段ノズル及び／又はノズル支持要素との接合部分におけるこのような「ミスマッチ」には、接合部分全体の燃焼生成物と差圧とを封じ込めるために効果的なシーリングアセンブリが必要になる。更に、シーリングアセンブリでは、圧縮機吐出空気が燃焼器をバイパスしないようにするべきである。

しかし、これらの既知のシーリングアセンブリは、上記のような相対移動や熱膨張に曝されると、摩耗及び断裂を生じることがある。このような摩耗及び断裂は、時間の経過と共に、必然的にシーリング効果の低下に繋がる。更に、これらに用いられるばね要素も、過度に圧縮されると復元力又は弾性を喪失し易くなる。この弾性の喪失も、全体的な性能及び効率の損失に繋がり得る。

米国特許第７３４４３５７号

したがって、トランジションピース及び第１段ノズル等に適用するために改良されたシーリングアセンブリが望まれる。このようなシーリングアセンブリでは、トランジションピースと第１段ノズルとの間の隙間を効果的に密封でき、長期的な効果が促進され部品寿命が長くなるように、主に摩耗及び断裂への耐性を有することが好ましい。更に、これに用いられるばね要素は、長期にわたって適当な弾性を維持することが好ましい。

そこで、本願は、本明細書において、ガスタービンエンジンのトランジションピース及び第１段ノズルに適用されるシーリングアセンブリを提供する。このシーリングアセンブリは、トランジションピースと第１段ノズルとの間に配置される支持部材と、この支持部材上に配置され、第１段ノズルと接触する主ばね要素とを含み得る。主ばね要素は、自身内に単一の屈曲部を含み得る。

本願は更に、ガスタービンエンジンのトランジションピース及び第１段ノズルに適用されるシーリングアセンブリを提供する。このシーリングアセンブリは、トランジションピースと第１段ノズルとの間に配置される支持部材と、この支持部材上に配置され、第１段ノズルと接触する主ばね要素と、支持部材の周りに配置される補助ばね要素とを含み得る。主ばね要素は、自身内に単一の屈曲部を含み得る。

本願は更に、ガスタービンエンジンのトランジションピース及び第１段ノズルに適用されるシーリングアセンブリを提供する。このシーリングアセンブリは、トランジションピースと第１段ノズルとの間に配置される複数の支持部材を含み得る。各々の支持部材は、隣接する支持部材に向かって延在する、支持部材どうしの間の隙間を埋める側方シムを含み得る。各々の支持部材上にばね要素を配置し、第１段ノズルと接触させてもよい。

各図面と添付の特許請求の範囲を関連させて下記の詳細な説明を検討すると、当業者には本願のこれら及びその他の改良形態が想到されよう。

既知のガスタービンエンジンの概略図である。 既知のトランジションピースシーリングアセンブリの断面図である。 本明細書で説明するトランジションピースシーリングアセンブリの側断面図である。 図３のトランジションピースシーリングアセンブリに適用される主ばね要素の部分平面図である。 図３のトランジションピースシーリングアセンブリに適用される補助ばね要素の部分平面図である。 本明細書で説明するトランジションピースシーリングアセンブリの別の実施形態を示す側断面図である。 本明細書で説明するトランジションピースシーリングアセンブリの別の実施形態を示す斜視図である。

ここで、複数の図面を通して同様の符号で同様の要素を示した図面を参照する。図１は、本明細書で説明するガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含み得る。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮空気流２０を燃焼器２５に送る。燃焼器２５は、圧縮空気流２０と圧縮燃料流３０を混合し、この混合物に点火して燃焼ガス流３５を生成する。図面には、単一の燃焼器２５のみを示すが、ガスタービンエンジン１０はいかなる個数の燃焼器２５を含んでいてもよい。次に、燃焼ガス流３５が、タービン４０に送られる。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動させ、力学的仕事を生成する。タービン４０で生成された力学的仕事は、圧縮機１５と発電機等の外部負荷４２とを駆動させる。

ガスタービンエンジン１０には、天然ガス、様々な種類の合成ガス、及び／又はその他の種類の燃料を用いることができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社が販売している大型の７ＦＡガスタービンエンジン等の、任意の台数の異なるガスタービンエンジンのうちの１つであってよい。ガスタービンエンジン１０は、別の構造を有しても、別の種類の部品を用いてもよい。ここでは、別の種類のガスタービンエンジンを用いてもよい。ここでは、複数のガスタービンエンジン１０、別の種類のタービン、及び別の種類の発電設備を一緒に用いてもよい。

図２に、既知のトランジションピースシーリングアセンブリ４５を示す。このトランジションピースシーリングアセンブリ４５は、一方の端部側のトランジションピース５５の溝５０と、他方の端部側の第１段ノズル６５のスロット６０と、の間に配置される。トランジションピースシーリングアセンブリ４５は、一方の端部に布シール７５を有する支持部材７０を含み得る。布シール７５は、トランジションピース５５の溝５０の周りに配置される。トランジションピースシーリングアセンブリ４５は更に、第１段ノズル６５のスロット６０内に配置されるシム８０を含み得る。その他の構造のシーリングアセンブリ４５も既知である。

上述したように、トランジションピースシーリングアセンブリ４５は、ばね要素８５も含み得る。ばね要素８５は、支持部材７０の周りに配置され、第１段ノズル６５と接触する。ばね要素８５を用いることにより、一般に、トランジションピースシーリングアセンブリ４５と第１段ノズル６５とを能動的に、確実に接触させることができる。しかし、既知の設計のばね要素８５は、やや急な曲率及び／又はコーナー部を有する傾向にある。具体的に、ばね要素８５は、大体において複数の屈曲部を有する、図示のような「Ｓ」形又は「Ｚ」形である。これらの急な湾曲部又はコーナー部が原因で、ばね要素８５は、過度に又は繰り返し圧縮されると、圧潰され易くなる。ばね要素８５が圧潰されると、復元力及び弾性が喪失し、結果的に性能が低下し、耐用寿命が短くなることがある。

図３〜５に、本明細書で説明するトランジションピースシーリングアセンブリ１００を示す。トランジションピースシーリングアセンブリ１００は、上記のものと幾分類似した支持部材１１０を有し得る。具体的に、支持部材１１０は、一端において、垂直延在部１３０へと延在する水平取付フランジ１２０を有し、一対の密封フランジ１４０の周りで終端する。密封フランジ１４０内には布シール１５０が配置される。布シール１５０は、例えば高温コバルト基超合金等のダッチツイル織布であってよい。ここでは、その他の構造を用いてもよい。

トランジションピースシーリングアセンブリ１００は、主ばね要素１６０も含み得る。主ばね要素１６０は、水平取付フランジ１２０に沿って配置される第１の平坦部材１７０と、この第１の平坦部材から延在する単一のＵ形屈曲部１８０と、第２の平坦部材１９０とから成る略Ｕ形である。更に、垂直方向に延在する湾曲部２００が、第２の平坦部材１９０から上方に延在している。図４に示すように、主ばね要素１６０は、複数のシム１６５を含み、シム１６５どうしの間には、小さな主ばね切れ目１７５が設けられている。主ばね要素１６０は、インコネル（登録商標）Ｘ−７５０ニッケル基合金等の実質的に可撓性の材料から作製される。主ばね要素１６０の形状、大きさ、厚さ、及び材料は様々であってよい。

このように、主ばね要素１６０は、上述した既知のばね要素８５と比べて、曲率が大きく、１個のみの屈曲を有する単純な輪郭を有する。この形状により、コーナー部の応力が小さくなるので、圧潰及び／又はその他の態様で圧密化されたときの物理的又は可塑的変形が小さくなる。更に、主ばね要素１６０の復元力及び弾性が向上するので、高温下で変形した後でも、自身の本来の形状を回復できるようになる。

トランジションピースシーリングアセンブリ１００は、補助ばね要素２１０も含み得る。補助ばね要素２１０は、主ばね要素１６０の第１の平坦部材１７０又は水平取付フランジ１２０に取り付けられる。補助ばね要素２１０は、平坦端部２２０と、この平坦端部から延在する逆向き上方湾曲部２３０とを有し得る。図５に示すように、補助ばね要素２１０もまた、小さな補助ばね切れ目２３５が介装された複数のシム２２５を含み得る。補助ばね要素２１０もまた、インコネル（登録商標）Ｘ−７５０ニッケル基合金等の実質的に可撓性の材料から作製される。補助ばね要素２２０の形状、大きさ、厚さ、及び材料は様々であってよい。

このように、補助ばね要素２１０は、付加的な接触支持を行うと共に、第１段ノズル６５と支持部材１１０との間の隙間を埋める。主ばね切れ目１７５と補助ばね切れ目２３５とを互い違いにすることで、これらからの漏出を防ぐことができる。主ばね要素１６０を、補助ばね要素２１０と一緒に用いても、補助ばね要素２１０なしで用いてもよい。本発明では、その他の構造を用いてもよい。

図６に、別の実施形態のトランジションピースシーリングアセンブリ２５０の一部分を示す。トランジションピースシーリングアセンブリ２５０は、上述のトランジションピースシーリングアセンブリ１００と同様であるが、主ばね要素１６０及び補助ばね要素２１０の一方又は両方の周りに巻き付けられた布層２６０を有する。布層２６０は、例えば高温コバルト基超合金等のダッチツイル織布であってよい。布層２６０によって、主ばね要素１６０及び補助ばね要素２１０の適合性が幾分低下することがあるものの、耐摩耗性が高まる。布層２６０は、主ばね要素１６０及び／又は補助ばね要素２１０の全体又は一部分の周りに巻き付けられる。これにより、トランジションピースシーリングアセンブリ２５０の全体的な設計を最適化して、可撓性と耐磨耗性とを適正に両立できる。ここでは、その他の構造を用いてもよい。

図７に、別の実施形態のトランジションピースシーリングアセンブリ３００を示す。トランジションピースシーリングアセンブリ３００は、上記のトランジションピースシーリングアセンブリ１００と概ね同様であってよい。この実施形態では、自身の一方の端部側において、１つ以上の側方シム３１０が主ばね要素１６０の周りに延在する。側方シム３１０は、隣接するトランジションピースシーリングアセンブリ１００どうしの間の隙間を塞ぐように、外方に延在している。側方シム３１０は、装着し易いように、トランジションピース４５の一方の側では他方の側よりも高い位置で重なる（最後に装着されるトランジションピース４５の側方シムを除く）。側方シム３１０を、上記のばね要素８５に適用してもよい。ここでは、その他の構造を用いてもよい。

以上の記載は、本願の一部の実施形態のみに関するが、ここでは、添付の特許請求の範囲に定義する本発明の概念及び範囲、並びにその等価物から逸脱しない、多数の改変及び修正が当業者には想到可能である。

Claims (10)

1. ガスタービン（１０）のトランジションピース（５５）及び第１段ノズル（６０）に適用されるシーリングアセンブリ（１００）であって、
   シール要素（１１０）と、
   前記シール要素（１１０）上に配置される重なり部材（１５０）と、
   前記重なり部材（１５０）上に配置される側方シール（１９０）と、を含むシーリングアセンブリ（１００）。
2. 前記シール要素（１１０）が複数である、請求項１に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
3. 前記複数のシール要素（１１０）は、第１のシール要素（１２０）と第２のシール要素（１２５）とを含む、請求項２に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
4. 前記第１のシール要素（１２０）と前記第２のシール要素（１２５）との間に切れ目（２００）を更に含む、請求項３に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
5. 前記重なり部材（１５０）が複数である、請求項１に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
6. 前記複数の重なり部材（１５０）は、第１の重なり部材（２１０）と第２の重なり部材（２２０）とを含む、請求項５に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
7. 前記第１の重なり部材（２１０）は、前記第２の重なり部材（２２０）に重なる、請求項６に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
8. 前記重なり部材（１５０）は、前記シール要素（１１０）と延在フランジ（１８０）とに取り付けられる取付面（１７０）を含む、請求項１に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
9. 前記重なり部材（１５０）の周りに配置されるＣシール（１４０）を更に含む、請求項１に記載のシーリングアセンブリ（１００）。
10. 前記シール要素（１１０）は、自身上に布シール（１３０）を含む、請求項１に記載のシーリングアセンブリ（１００）。

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