JP2009108857A

JP2009108857A - 可撓性翼弦ヒンジシールを有するガスタービン

Info

Publication number: JP2009108857A
Application number: JP2008272568A
Authority: JP
Inventors: Daniel D Snook; ダニエル・ディー・スヌーク; Edward Durell Benjamin; エドワード・ドュレル・ベンジャミン; David J Humanchuk; デイビッド・ジェイ・ヒューマンチャック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2009-05-21
Also published as: CH698041A2; US8070427B2; DE102008037501A1; CH698041B1; CN101424196A; US20090110549A1; CN101424196B

Abstract

【課題】可撓性翼弦ヒンジシールを有するガスタービンシステムを提供する。
【解決手段】実施形態によると、本タービンシステムは、内側バンドセグメント（３８）と外側バンドセグメント（４０）との間で延びるステータベーン（２０）を含むノズルセグメントと、内側バンドセグメント（３８）に隣接した内側支持リング（４４）と、ノズルセグメントと作動可能に連絡した内側翼弦ヒンジシール（５２）とを含み、内側翼弦ヒンジシール（５２）は、内側バンドセグメント（１０２）から内向きに延びる可撓性内側レール（１００）を含み、内側レール（１００）は、内側支持リング（４４）とシール係合する突出部（１０６）を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービン内でタービンノズルをシールするための可撓性翼弦ヒンジシールに関する。

ガスタービンにおいて、高温の燃焼ガスは、燃焼器から第１段ノズル及びバケットを通りまた後続タービン段のノズル及びバケットを通って流れる。第１段ノズルは、環状配列又は組合せの鋳造ノズルセグメントを含み、その各々はセグメント当り１以上のノズルステータベーンを含む。各第１段ノズルセグメントはまた、互いに半径方向に間隔を置いて配置された内側及び外側バンド部分を含む。ノズルセグメントの組立時には、ステータベーンは、互いに円周方向に間隔を置いて配置されて環状内側及び外側バンド間に環状配列を形成する。第１段ノズルの外側バンドに結合された外側シュラウド又は保持リングは、タービンのガス流路内に第１段ノズルを支持する。環状内側支持リングは、内側バンドに係合しかつ軸方向の移動に抗して第１段ノズルを支持する。

例示的な実施態様では、４８個の鋳造ノズルセグメントには、セグメント当り１つのベーンが設けられる。環状配列のセグメントは、隣接する円周方向端縁部に沿って互いに側面シールによってシールされる。側面シールは、内側バンドから半径方向内向きに及び外側バンドから半径方向外向きに延びることによって高圧及び低圧領域間のシールを形成する。高圧領域は、圧縮機吐出空気内に見られ、また低圧領域は、高温ガス流路の高温燃焼ガス内に見られる。

ノズルセグメントはまた、内側及び外側翼弦ヒンジシールを含む。内側翼弦ヒンジシールは、第１段ノズルの内側バンドと内側支持リングの軸方向対面表面との間をシールするために使用される。各内側翼弦ヒンジシールは、内側バンド部分から半径方向内向きに延びる内側レールと、該内側レールに沿って延びかつ各ノズルセグメントの内側バンド部分の翼弦線に沿って直線的に延びる突出部とを含む。この突出部は、内側支持リングの軸方向対向対面シール表面とシール係合状態で位置している。内側翼弦ヒンジシールはまた、内側支持リング及び圧縮機吐出ケースが熱膨張を生じた時に第１段ノズルを前方及び後方に移動させるのを可能にするヒンジとして機能する。

さらに、外側側壁翼弦ヒンジシールは、第１段ノズルの外側バンドと外側シュラウドの軸方向対向表面との間をシールするために使用される。各外側翼弦ヒンジシールは、外側バンド部分から半径方向外向きに延びる外側レールと、該外側レールに沿って延びかつ各ノズルセグメントの外側バンド部分の翼弦線に沿って直線的に延びる突出部とを含む。この突出部は、外側シュラウドの軸方向対向対面シール面とシール係合状態で位置している。外側翼弦ヒンジシールはまた、外側支持リング又はシュラウド及び圧縮機吐出ケースが熱膨張を生じた時に第１段ノズルを前方及び後方に移動させるのを可能にするヒンジとして機能する。

第１段ノズルの運転及び／又は補修時に、外側及び内側翼弦ヒンジシールの両方は、それらのレールにおける温度差のために、反りを生じる傾向があることが判明した。具体的には、このシールは、レールの中心部が後方に曲がりかつ該レールのセグメント間端部が前方に曲がる傾向がある。そのような反りにより、内側及び外側翼弦ヒンジシールと内側支持リング及び外側シュラウドのそれぞれのシール表面との間にギャップが形成される可能性がある。これらのギャップは、高温ガス流路内への圧縮機吐出冷却空気の漏洩を許す可能性がある。このような漏洩は、ＮＯｘ汚染物質の発生の増加、翼弦シールを通り抜ける高温ガスの吸込み及びより大きな流路の空力的損失のような問題を招き、それらは、より低い熱消費率を生じるおそれがある。

現在では、第１段ノズルと内側支持リング／外側シュラウドとの接触面に補助シールを用いて翼弦ヒンジシールを通り抜ける漏洩流を減少させている。しかしながら、そのような補助シールの使用は、ガスタービンを製作する上での複雑さ及び費用を大幅に付加する。
米国特許第３９０９１５５号明細書米国特許第５８３９８７８号明細書米国特許第６５９５７４５号明細書 FOR THE DEVELOPERS OF MASSIVELY MULTIPLAYER ONLINE ROLE PLAYING GAMES, SEE TURBINE INC.. [Online reference: http://en.wikipedia.org/wiki/Turbine] Retrieved on April 9, 2007.

従って、そのようなシールを備えたガスタービンを製作する上での費用及び複雑さを大幅に増大させないで内側及び外側側壁翼弦ヒンジシールを通り抜ける流体の漏洩を最少にする方法を開発する必要性が存在する。

本明細書に開示するのは、可撓性翼弦ヒンジシールを有するガスタービンシステムである。実施形態によると、本タービンシステムは、内側バンドセグメントと外側バンドセグメントとの間で延びるステータベーンを含むノズルセグメントと、内側バンドセグメントに隣接した内側支持リングと、ノズルセグメントと作動可能に連絡した内側翼弦ヒンジシールとを含み、内側翼弦ヒンジシールは、内側バンドセグメントから内向きに延びる可撓性内側レールを含み、内側レールは、内側支持リングとシール係合する突出部を有する。

別の実施形態では、本タービンシステムは、内側及び外側バンドセグメント間で延びるステータベーンを含むノズルセグメントと、外側バンドセグメントに隣接した外側シュラウドと、ノズルセグメントと作動可能に連絡した外側翼弦ヒンジシールとを含み、外側翼弦ヒンジシールは、外側バンドセグメントから外向きに延びる可撓性外側レールを含み、外側レールは、外側シュラウドとシール係合する突出部を有する。

次に、例示的な実施形態でありかつ同様の要素には同じ符号を付した図を参照する。

図１に移ると、ガスタービン１０のセクションの例示的な実施形態を示している。ガスタービン１０は、トランジションピース１２を通して高温ガスを送る環状配列の燃焼器（図示せず）から高温の燃焼ガスを受けて、環状高温ガス通路１４に沿って流れるようにする。タービン段は、高温ガス通路１４に沿って配置される。各段は、タービンロータ上に取付けられかつ該タービンロータの一部を形成する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットと、環状配列のノズルを形成する複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンとを含む。例えば、第１段は、第１段ロータホイール１８上に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット１６と、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン２０とを含む。同様に、第２段は、第２段ロータホイール２４上に取付けられた複数のバケット２２と、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン２６とを含む。さらに、第３段は、第３段ロータホイール３０上に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２８と、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン３２とを含む。必要に応じて、付加的な段を設けることができる。ステータベーン２０、２６及び３２は、タービンケーシングに取付けられるが、バケット１６、２２及び２８並びにホイール１８、２４及び３０は、タービンロータの一部を形成する。ロータホイール間にはスペーサ３４及び３６が設けられ、これらスペーサもまた、タービンロータの一部を形成する。圧縮機吐出空気は、第１段の半径方向内側及び半径方向外側に配置された領域３７内に置かれ、またそのような領域３７内の空気は、高温ガス通路１４に沿って流れる高温ガスの圧力よりも高い圧力になっていることが分かるであろう。本明細書で使用する場合に、「半径方向内向きに」というのは、タービンシャフトによって定まるタービンの中心軸線に向かって半径方向に延びるものとして定義され、また「半径方向外向きに」というのは、タービンの中心軸線から離れるような半径方向に延びるものとして定義される。

タービン１０の第１段を参照すると、第１段ノズルは、それぞれ内側及び外側バンド間に配置されたノズルセグメントとステータセグメントの環状配列として構成されたステータベーンとを含み、これら内側及び外側バンドは、タービンケーシング（図示せず）により支持される。従って、各ノズルセグメントは、それぞれ内側及び外側バンドセグメント３８及び４０間で延びる１以上のステータベーン２０を含む。第１段ノズルを固定するための外側シュラウド４２は、タービンケーシング及び外側バンドセグメントと作動可能に連絡している。この外側シュラウド４２は、ノズルセグメントの表面と軸方向に対向した軸方向対面表面を含む。これら２つの表面間の接触面は、可撓性又はコンプライアント外側翼弦ヒンジシールを備えている。同様に、軸方向の移動に抗して第１段ノズルを固定するための内側支持リング４４は、内側バンドセグメント３８と作動可能に連絡している。内側支持リング４４は、ノズルセグメントの表面と軸方向に対向した軸方向対面表面を含む。これら２つの表面間の接触面は、内側翼弦ヒンジシール５２を備えている。タービン１０が運転状態にある時には、外側及び内側翼弦ヒンジシールは、領域３７内の高圧圧縮機吐出空気と高温ガス通路１４内を流れるより低い圧力の高温ガスとの間のシールを形成する。

内側及び外側可撓性翼弦ヒンジシールは、同一又は類似の設計を有する。内側及び外側の両方の翼弦ヒンジシールとして利用することができる翼弦ヒンジシールの例示的な実施形態を図２〜図４に示しており、これらの図は、該翼弦ヒンジシールを異なる角度から見た図である。翼弦ヒンジシールは、バンドセグメント１０２から延びる可撓性レール１００を含む。レール１００の厚さは、先行技術の翼弦ヒンジシールの厚さと比較して非常に狭くなっている。内側翼弦ヒンジシール設計の場合には、内側レールは、内側バンドセグメントから内向きに延びているのに対して、外側翼弦ヒンジシール設計の場合には、外側レールは、外側バンドセグメントから外向きに延びている。本明細書で使用する場合に、「半径方向内向きに」というのは、タービンシャフトによって定まるタービンの中心軸線に向かって半径方向に延びるものとして定義され、また「半径方向外向きに」というのは、タービンの中心軸線から離れるような半径方向に延びるものとして定義される。翼弦ヒンジシールのレール１００は、保持リング／内側支持リングとシール係合する翼弦方向に直線的に延びる突出部１０６を含む。

高圧領域から高温ガス通路の低圧領域への漏洩流を最少にするか又は防止するために、レール１００は可撓性にされる。図示するように、レール１００の可撓性は、レール１００におけるフィレット１０４の曲率半径を変更することによって最適にすることができる。レールのセグメント間端部近傍におけるフィレット１０４は、他のレールのセグメント間端部と噛み合うような形状にされる。従って、レールは、環状配列のレールとして形成することができる。レール１００の各セグメント間端部は、環状配列の形態の隣接するレールのセグメント間端部のシールと噛み合う形状のシールスロット１０８を有することができる。本明細書で定義する場合に、「フィレット」というのは、内部コーナ部を緩和する形状の材料である。フィレット１０４は、バンドセグメント１０２とレール１００との間のコーナ部に配置される。その形状が凹面形であるのが望ましいフィレット１０４は、該フィレット１０４を接合部に溶接すること又は該フィレット１０４をレール１００及びバンドセグメント１０２と共に鋳造成形することによるような様々な方法によって形成することができる。

フィレット１０４を使用して、レール１００の長さに沿って該レールの剛性を変化させ、それによってタービンの運転時に発生する可能性があるレール１００における熱歪に機械的負荷が打ち勝つのを可能にすることができる。レールの端部近傍にフィレット１０４を配置することによって、レール１００の中心部とバンドセグメント１０２との間の接合部は、レール１００の端部とバンドセグメント１０２との間の接合部よりも小さい曲率半径を有することになる。さらに、各フィレット１０４の曲率半径は、該フィレット１０４がレール１００の端部に近づくにつれて増大させることができる。レール１００に沿ったこのような曲率半径の変化を使用して、そうでなければ後方熱的曲がりが最大になることになるその中心部近傍におけるレール１００の可撓性を最大にし、かつそうでなければ前方曲がりが最大になることになるその端部近傍におけるレール１００の可撓性を最小にする。その端部におけるレール１００の可撓性を最小にすることはまた、最悪の場合の公差条件下でさえも隣接するレールに当接させて端部をシールするのを可能にする。従って、隣接するレールの端部におけるセグメント間シールは、セグメント間シールスロット１０８内部に嵌合されることになる。図５は、レール１００のセグメント間端部近傍におけるフィレット１０４の構成をより良好に示す簡単な図面である。

翼弦ヒンジシールの可撓性は、ガスタービンを製造する上での複雑さ及び費用を大幅に付加しないで達成される利点がある。こうした可撓性により、高圧圧縮機吐出領域と低圧高温ガス流路との間に一層有効なシールが形成される。その結果、タービンの運転時にシールにおける熱的変動が存在するにも拘らず、該シールを通り抜けるガスの漏洩が殆ど発生しないことになる。従って、高温ガス流路における空力的損失が低減して、タービンの熱消費率が改善され、かつタービンが発生するＮＯｘ汚染物質、例えばＮＯ及びＮＯ_２の量が低下する。シールを通り抜ける高温ガスの吸込みもまた減少して、ノズル、シュラウド及び内側支持リングに対する耐久性の向上が得られる。

図６は、第１段ノズルを示すガスタービンのセクション５００の例示的な実施形態を示しており、第１段ノズルは、本明細書に記載した可撓性翼弦ヒンジシールを含む。高温の燃焼ガスは、燃焼器（図示せず）からトランジションピース５１０を通って流れる。高温ガスは第１段ノズル５２０に流入して、翼形部４３０上に衝突する。高温ガスは、翼形部４３０によって第１段バケット５４０に導かれる。ノズルによって行われる配向過程はまた、ガス流を加速して、ノズルの入口及び出口平面間における静圧の低下と該ノズルの高圧負荷と引き起こす。保持リング３００は、前方円周方向ランド部３３０及び後方円周方向ランド部３２５を含む。各第１段ノズルにおける外側側壁４２０の保持ラグ４４０、４４５（１つを図示する）は、環状溝３２０内に嵌合する。保持ピン４９０、４９５（１つを図示する）は、それぞれ後方保持ランド部３２５及び前方保持ランド部３３０内の軸方向孔を通して嵌合される。保持ピン４９０、４９５は、保持ラグ４４０、４４５により第１段ノズル５２０に対して半径方向及び円周方向支持を与える。外側側壁上の翼弦ヒンジレール４６０は、第１段バケット５４０用のシュラウド５５０と接触する翼弦ヒンジシール４６５の部位においてノズルに対して軸方向支持を与える。内側側壁４１０上の翼弦ヒンジレール４７０は、支持リング５８０と接触する翼弦ヒンジシール４７５の部位においてノズルに対して軸方向支持を与える。保持ピン４９０、４９５は、翼弦ヒンジレール４６０によって保持ラグ４４０、４４５から抜けるのを防止される。

本明細書で使用する場合、数詞のない表現は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ、そこで述べたアイテムの少なくとも１つが存在することを意味する。本明細書を通しての「一実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」などの表現は、その実施形態と関連して説明した特定の要素（例えば、特徴、構造及び／又は特性）が、本明細書に記載した１以上の実施形態内に含まれ、かつ他の実施形態内には存在させることもまた存在させないこともできることを意味する。さらに、説明した要素は、様々な実施形態においてあらゆる適当な方法で組合せることができる。そうではないことを明記しない限り、本明細書で使用する技術的及び科学的用語は、本発明に属する当業者が通常理解するものと同じ意味を有する。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに本発明の要素に様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは当業者には解るであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

ガスタービンのセクションの概略正面図。ガスタービンに使用する可撓性翼弦ヒンジシールの概略斜視図。様々な実施形態によりガスタービンのノズルセグメントに取付けられた可撓性翼弦ヒンジシールの異なる角度から見た斜視図。様々な実施形態によりガスタービンのノズルセグメントに取付けられた可撓性翼弦ヒンジシールの異なる角度から見た斜視図。様々な実施形態によりガスタービンのノズルセグメントに取付けられた可撓性翼弦ヒンジシールの異なる角度から見た斜視図。本明細書に記載した翼弦ヒンジシールを備えた第１段ノズルを含むガスタービンのセクションの実施形態の概略側面図。

符号の説明

１０ガスタービン
１２トランジションピース
１４高温ガス通路
１６バケット
１８第１段ロータホイール
２０ステータベーン
２２バケット
２４第２段ロータホイール
２６ステータベーン
２８バケット
３０第３段ロータホイール
３２ステータベーン
３４スペーサ
３６スペーサ
３７高圧領域
３８内側バンドセグメント
４０外側バンドセグメント
４２外側シュラウド
４４内側支持リング
４６外側翼弦ヒンジシール
５２内側翼弦ヒンジシール
１００可撓性レール
１０２バンドセグメント
１０４フィレット
１０６突出部
１０８シールスロット
３００保持リング
３２５後方円周方向ランド部
３３０前方円周方向ランド部
３４５軸方向孔
３５０軸方向孔
４１０内側側壁
４２０外側側壁
４３０翼形部
４４０ラグ
４４５ラグ
４６０翼弦ヒンジレール
４６５翼弦ヒンジシール
４７０翼弦ヒンジレール
４７５翼弦ヒンジシール
４９０保持ピン
４９５保持ピン
５００ガスタービンのセクション
５１０トランジションピース
５２０第１段ノズル
５３０保持ラグ
５４０第１段バケット
５５０シュラウド
５８０支持リング
５９０保持ピン

Claims

内側バンドセグメント（３８）と外側バンドセグメント（４０）との間で延びるステータベーン（２０）を含むノズルセグメントと、
前記内側バンドセグメント（３８）に隣接した内側支持リング（４４）と、
前記ノズルセグメントと作動可能に連絡した内側翼弦ヒンジシール（５２）と、を含み、
前記内側翼弦ヒンジシール（５２）が、前記内側バンドセグメント（１０２）から内向きに延びる可撓性内側レール（１００）を含み、
前記内側レール（１００）が、前記内側支持リング（４４）とシール係合する突出部（１０６）を有する、
タービンシステム。
前記内側翼弦ヒンジシール（５２）が、該シール（５２）の両側の低圧及び高圧領域間のシールを形成する、請求項１記載のタービンシステム。
前記内側レール（１００）の中心部近傍における該内側レール（１００）の第１の可撓性が、該内側レール（１００）の端部近傍における該内側レール（１００）の第２の可撓性よりも大きい、請求項１記載タービンシステム。
前記内側翼弦ヒンジシール（５２）が、前記内側レール（１００）と前記ノズルセグメントの内側バンドセグメント（１０２）との間の領域内において該内側レール（１００）の各端部近傍にフィレット（１０４）を含み、
前記フィレット（１０４）の曲率半径が、該フィレット（１０４）が前記内側レール（１００）の端部に近づくにつれて増大する、
請求項１又は請求項３のいずれか１項記載のタービンシステム。
前記内側レール（１００）の中心部領域と前記ノズルセグメントの内側バンドセグメント（１０２）との間の第１の接合部が、該内側レール（１００）の端部領域と該ノズルセグメントの内側バンドセグメント（１０２）との間の第２の接合部よりも小さい曲率半径を有する、請求項１、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載のタービンシステム。
前記外側バンドセグメント（４０）に隣接した外側シュラウド（４２）と、
前記ノズルセグメントと作動可能に連絡した外側翼弦ヒンジシール（５２）と、をさらに含み、
前記外側翼弦ヒンジシール（５２）が、前記外側バンドセグメント（１０２）から外向きに延びる可撓性外側レール（１００）を含み、
前記外側レールが、前記ノズルセグメントと前記外側シュラウド（４２）との間に第２のシールを形成する第２の突出部（１０６）を有する、
請求項１、請求項３、請求項４又は請求項５のいずれか１項記載のタービンシステム。
内側及び外側バンドセグメント（３８、４０）間で延びるステータベーン（２０）を含むノズルセグメントと、
前記外側バンドセグメント（４０）に隣接した外側シュラウド（４２）と、
前記ノズルセグメントと作動可能に連絡した外側翼弦ヒンジシール（５２）と、を含み、
前記外側翼弦ヒンジシール（５２）が、前記外側バンドセグメント（１０２）から外向きに延びる可撓性外側レール（１００）を含み、
前記外側レール（１００）が、前記外側シュラウド（４２）とシール係合する突出部（１０６）を有する、
タービンシステム。
前記外側翼弦ヒンジシール（５２）が、該シール（５２）の両側の低圧及び高圧領域間のシールを形成する、請求項７記載のタービンシステム。
前記外側レール（１００）の中心部近傍における該外側レール（１００）の第１の可撓性が、該外側レール（１００）の端部近傍における該外側レール（１００）の第２の可撓性よりも大きい、請求項７記載タービンシステム。
前記外側翼弦ヒンジシール（５２）が、前記外側レール（１００）と前記ノズルセグメントの外側バンドセグメント（１０２）との間の領域内において該外側レール（１００）の各端部近傍にフィレット（１０４）を含み、
前記フィレット（１０４）の曲率半径が、該フィレット（１０４）が前記外側レール（１００）の端部に近づくにつれて増大する、
請求項７又は請求項９のいずれか１項記載のタービンシステム。