JP4256592B2 - ガスタービン伸縮継手用たわみシール - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は、一般にガスタービンに関し、特に、ガスタービン排気システムの伸縮継手用たわみシールの配置に関する。
【０００１】
（背景技術）
一般に、高温のフランジを有するガスタービン排気システムの現行の伸縮継手は、２つの方法のいずれかで設計される。最も一般的なものは、セラミック繊維製複合ベルトとボルスタバッグから成る平ベルト配置である。ベルトの一端は、ガスタービンに取り付けられたフレームにボルト留めされ、もう一端は隣接する排気ダクト配管の上のフレームにボルト留めされる。複合ベルトのガスシールは、テフロン（登録商標）層、金属箔または金属含浸布でできている。もう１つの最も一般的なものは、ベルトの横断面の形状により「D」スタイルといわれることもあり、一端がガスタービンフランジ上に取り付けられる棒状部材にボルト留めされ、もう一端が排気ダクト配管上のフランジにボルト留めされる複合ベルト・ボルスタである。ベルトは、ダイアフラムとして機能する。
【０００２】
第１に述べた平ベルト配置では、熱過渡によるフレーム割れ、フレーム割れおよびボルスタバッグ破損によるベルト焼損および汚水が地面に漏れるだけでなくベルトとボルスタバッグのセラミック繊維を損傷するガスタービン水洗サイクル中の漏れを含む問題がこれまで発生している。液体燃料燃焼式ガスタービンの着火不良発生時の液体燃料吸込みにより、繊維やバインダーが損傷し、ガスタービン排気温度が上がると発火する。さらに、このような設計は大きい相対的な動き（軸方向に３インチ以上）に対応しているが、セラミック繊維は、一旦伸びてしまうと元の形状に戻らず、その結果、焼損や高温ガスの漏れが発生する。
【０００３】
第２に述べた「Ｄ」スタイルの複合ベルト・ボルタスバッグ配置は、ダクト配管上にこのスタイルのベルトを取り付けるのは非常に難しい点において、また、ボルスタバッグが経時的に劣化し、高温のガスによりベルトが損傷し、恐らくは、その結果、破損となるために、さらに満足しかねることが判明している。
【０００４】
金属ベローズの配置も、同様の用途で使用されてきたが、２個のベローズを数フィート離して横オフセットおよび相対的な軸方向の動きを許容しなければならない。金属ベローズという考え方では、高品質の現場溶接が必要とされる場合がある。全体的に見て、大型ガスタービンでの金属ベローズ技法は、熱疲労による割れが発生しやすく、従って、やはり満足が得られていない。
【０００５】
（発明の開示）
本発明では、実質的に横断面が円形のガスタービン軸流排気システムという状況で、高温または低温のいずれかのタービンフランジを高温または低温のいずれかの排気ダクト配管フランジに柔軟性をもって接続するという問題に対処する。本発明では、地面への汚水漏れを防ぐように水または液体燃料を処理するという問題にも対処する。
【０００６】
本発明の１つの例示的実施形態では、低温の排気ダクト配管に対する高温のガスタービンダクトの軸方向および半径方向の相対的な動きが、その第１の端部はガスタービンダクト上に取り付けられたフランジにボルト留めされ、そのもう一方の端部は隣接する排気ダクト配管によって案内されるかまたは軸方向に支持された重ね合わせ肉薄金属板の層によって許容される。金属板の厚みおよびアーク長は、すべてのガスタービン動作モード中に金属板がガスシールを行うことできるように設計される。この実施形態では、金属板の自由端は、排気ダクト配管上で支持されるドレントラフの環状縁部に柔軟性をもって係合し、環状縁部上で自由に摺動することができる。さらに、このような設計の固有の形状によりドレントラフを排気ダクト配管に一体に組み込むことができ、その結果、以下にさらに詳細に説明するように、簡単に水や液体燃料を取り除くことができる。
【０００７】
第２の実施形態では、重ね合わせ肉薄金属板は、高温対高温フランジ配置で使用できるようになっている。この実施形態では、たわみ板の自由端は、排気ダクト配管によって支持されるフランジ間の半径方向および横方向の動きに対応するよう案内される。
【０００８】
シール板に対して断熱ブランケットを必要に応じて使用することもできるが、断熱ブランケットは軸方向、横方向、半径方向のいずれにもシール板の動きを妨げない。
【０００９】
従って、より広い形態において、本発明は、たわみシール板の複数の軸方向隣接層を備え、各層は、シール板が全体で各層において３６０度の環を形成するようにそれぞれアーク長を有する複数のシール板を備え、さらに複数の層のたわみシール板は第１の端部でガスタービン排気ダクトに固定され、シール板の反対側の第２の端部で排気ダクト配管の少なくとも１つの表面と摺動自在に係合してなる、ガスタービン排気ダクトと軸方向隣接排気ダクト配管との間の伸縮継手用たわみシールに関する。
【００１０】
別の形態においては、本発明は、継手がガスタービンダクトと隣接排気ダクト配管とを備え、たわみシールは第１の端部でガスタービンダクト上の環状取付フランジに固定される環状配置たわみシール板の複数の軸方向隣接層を備え、たわみシール板の第２の自由端は前記排気ダクト配管と摺動自在に係合し、それによりガスタービンダクトと排気ダクト配管との間の軸方向、横方向および半径方向の相対的な動きを許容してなる、ガスタービン排気システムの伸縮継手用たわみシールに関する。
【００１１】
本発明の他の目的と利点は、以下の詳細な説明で明らかになろう。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
図１、図１Ａおよび図１Ｂによれば、本発明の第１の例示的実施形態が示されており、タービンの２つの排気ダクト１０と１２との間の伸縮継手用たわみシールを備える。図１に示すように、ダクト１０はガスタービンダクトであり、ダクト１２はタービンから離れて延在する隣接排気ダクト配管である。ダクト１０とダクト１２との間の伸縮継手の回りの部分は、従来の慣行に従って外部断熱ブランケット１４（仮線で図示）によって覆うことができる。
【００１３】
特に図１Ａおよび図１Ｂによれば、高温対高温フランジ用途向けたわみシールは全体を１６で示されており、全体を１８で示す複数の比較的肉薄のたわみ板の重ね合わせ層を備える。板１８は、実際は、板１８Ａ、板１８Ｂ、および板１８Ｃ（図２を参照）の軸方向に整列された３つの層である。各層は、周方向の配列による複数のかかる板を備え、任意の層の各板は、図２で最も良くわかるように、および、以下にさらに詳細に説明するように、周方向に隣接するセグメントと縁部で接する関係にあるアーチ形セグメントから成る。各アーチ形板１８は、タービンダクト１０の前縁上に形成されるフランジ２２と係合するようになっている取付フランジ２０を有し、シール板１８は、ねじ締結具２４（ナット、ボルト、座金アセンブリまたは同様のもの）によってフランジ２２に固定される。必要に応じ、１つまたはそれ以上の断熱保持フランジ２６を、フランジ２２の反対側に固定することができる。複数の押えセグメント２８が、タービンフランジ２２にフランジ２０を固定する役目をし、図２および図２Ｄで最も良くわかるように、、セグメント２８が組み合わさって３６０度の環を形成する。たわみシール板１８は、以下で説明するように、排気ダクト配管１２の方に曲げられ、ばね付勢力により排気ダクト配管１２と係合する。
【００１４】
排気ダクト配管１２には、最後端に、環状トラフブラケット３２が固定される半径方向取付フランジ３０が形成される。図１Ａおよび図１Ｂで最も良くわかるように、環状トラフブラケット３２はタービンダクト１０に向って延び、次いでトラフブラケットの自由縁部３６にたわみシール板１８が係合するように、１８０度の方向転換３４にて終わる。トラフブラケット３２には、半径方向のフランジ３８が形成され、このフランジ３８はダクト配管１２のフランジ３０と組み合わさって、トラフブラケット３２と協働してタービンダクト１０の内側に沿って流れる水または燃料を捕らえる環状ドレントラフを構成する環状の半径方向配置トラフ板４０を挟みこむ。トラフブラケット３２の最下部には、回収された水もしくは液体燃料を適切な位置に導くドレン管４２がある。
【００１５】
図１Ａと図１Ｂで見ると、たわみシール板１８は、ダクト１０と１２との間の軸方向または半径方向の相対的な動きを許容するようにトラフブラケット３２の自由縁部３６と係合することが解るであろう。また、たわみ板１８は、すべての動作状態で縁部３６との接触を維持するために、ばね付勢力で縁部３６と係合することに注意されたい。
【００１６】
既に上述したように、たわみシール板ｌ８は、ダクト継手の円周部に多重重ね合わせ層として配置される。たわみシール板１８の厚みとアーク長は、これまで、たわみシール板がすべてのガスタービン動作モード中にガスシールを行うことができるように設計されてきた。本構成により、比較的大きな軸方向および半径方向の動きが可能なコンパクトな金属製「ダイアフラム」が実現され、その結果、スペースを効率的に使用できる。
【００１７】
たわみシール板１８の層状の配置は、図２で最も良くわかる。特に、たわみシール板１８は、約０．０４０インチの厚みを有するＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）板１８Ａによる第１の層を用いてタービンダクトフランジ２２に固定される。この第１の層は、例示的実施形態では、２８枚の３孔板と１枚の２孔板１８’とを備える。言い換えると、また、以下にさらに詳しく説明するように、各板の周方向の範囲は、少なくとも一部は、タービンダクトフランジ２２の等間隔配置された孔と合う板の孔の数によって決定される。
【００１８】
また、約０．０２０インチの厚みを有するＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）板１８Ｂによる第２の層も、２８枚の３孔板と1枚の２孔板とを備えるが、この第２の層の板は、それぞれの層における板の半径方向の継ぎ目で第１の層及び第２の層の間のオーバラップが位置するように周方向にずらしてある。約０．０４０インチの厚みを有するＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）板１８Ｃによる第３の層もまた、２８枚の３孔板と1枚の２孔板とを備え、この第３の層は、第１の層と実質的に周方向で位置合わせされており、その結果、第２の層と第３の層との間ではやはり半径方向の継ぎ目にオーバラップが位置する。第１の層と第３の層は正確に位置合わせさせる必要はなく、例えば、取り付け孔１つ分だけずらすことができる。第４の層は、押え棒アセンブリ２８から成り、押え棒は、たわみ板の３つの層が押え棒２８とタービンダクトフランジ２２との間で挟まれるように、タービンダクトの半径方向フランジと同様の形状を有する。また、押え棒は、周方向セグメントの形をしており、例示的実施形態では、８本の１０孔棒と１本の６孔棒とを含む。各押え棒セグメントのアーク長は、個々の板１８のアーク長の少なくとも約３倍であることが好ましい。タブを、セグメント間の継ぎ目を覆うように各セグメントの一端に溶接することができる。
【００１９】
タービンダクトフランジ１０の取り付け孔４４の数と間隔により、各層の板１８（および押えセグメント）のアーク長と数が決定されることが理解されよう。例えば、孔数が３で割れる（例えば、７５個の孔）場合、そのときは同じアーク長の３孔板を２５枚使用することができる。しかしながら、図示する実施形態では、タービンダクト及び排気ダクト配管フランジには８６個の孔があり、従って、1枚の板は、３孔よりはむしろ２孔とし、同様に、アーク長は、層内の残りの板よりも短くする必要がある。
【００２０】
ここで、図３、図３Ａおよび図４によれば、特に高温対低温フランジ用途に適用可能な本発明の第２の実施形態が示される。この配置では、たわみ板１１８（先に説明したように層状に配置）がタービンダクト１１０上の半径方向のフランジに取り付けられ、排気ダクト配管１１２上に設置された案内手段と係合するように半径方向外方に延びている。さらに詳しくは、板１１８の半径方向外方の端部１２０が、図１と図２に示した実施形態に関連して説明した取り付け配置と同様の締結具１２４と押え棒アセンブリ１２８とによってガスタービンダクト１１０の半径方向のフランジ１２８に取り付けられる。同時に、また、たわみ板１１８の半径方向の内方の自由端は、半径方向に延在するフランジによって案内されて、半径方向内方及び外方の両方向へ動くことができる。特に、板１１８の端部は、たわみシール板が半径方向に案内されて自由に動くことができる半径方向の溝を構成する軸方向に間隔をおいたフランジ１３０及び１３２の間に位置する。フランジ１３０と１３２は、締結具１３６によってドレントラフ１３４の一部に固定される。その結果、特に、図４によれば、たわみ板１１８は、軸方向および半径方向の両方の動きを許容することができる。たわみ板１１８は、低温時には図４で示す最も左の位置に、高温時には最も右の位置にある点に注意されたい。この軸方向の動きには半径方向の動きも伴い、フランジ１３０及び１３２とたわみ板１１８の自由端との間の摺動関係によって許容される。
【００２１】
この第２の実施形態では、ドレントラフ１３４は、軸方向に間隔をあけて配置される環状壁１３８、１４０及びたわみ板１１８自体によって形成され、その結果、タービンダクト１０の内側に沿って流れる水もしくは燃料を捕捉する。ドレン管１４２も、管４２と同様に設置される。ドレン管１４２を囲む領域を含め、排気ダクト配管の壁部の間の空間に断熱ブランケットを備えることができる。
【００２２】
本明細書で説明する本発明は、信頼性の高く長期間にわたる性能を実現する。これに関して、金属シール板の寿命を伝統的な便覧による計算方法を使用して簡単に算出することができる。さらに、本発明によるシールは、従来技術よりも大きな隣接ダクト間の相対的な動き、すなわち、最大３インチあるいはそれ以上の移動を許容する。
【００２３】
最も実用的かつ好ましい実施形態と現在考えられるものに関連して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、それどころか、添付の特許請求の範囲の技術的思想および技術的範囲内に包まれる様々な変更形態および同等な配置を保護することを意図すると理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の例示的実施形態によるガスタービンダクトと隣接排気ダクト配管との間の伸縮継手シールを示す部分側面図。
【図１Ａ】 図１における拡大詳細図。
【図１Ｂ】 図１における拡大詳細図。
【図２】 図１Ａに概略的に示すたわみシール板の部分端面図。
【図２Ａ】 本発明によるたわみシール板の隣接層の端面図。
【図２Ｂ】 本発明によるたわみシール板の隣接層の端面図。
【図２Ｃ】 本発明によるたわみシール板の隣接層の端面図。
【図２Ｄ】 本発明によりガスタービンにたわみシール板を固定するために使用される周方向に分割された押え棒の端面図。
【図３】 本発明の第２の例示的実施形態によるガスタービンダクトと隣接排気ダクト配管との間の伸縮継手を示す部分側面図。
【図３Ａ】 図３における拡大詳細図。
【図４】 拡張位置及び引込み位置の両位置でのたわみシール板を示す、図３Ａのさらなる拡大図。

Claims (11)

1. ガスタービン排気ダクトと軸方向に隣接する排気ダクト配管との間の伸縮継手用たわみシールであって、たわみシール板の複数の軸方向隣接層を備え、各層は、前記シール板が全体で各層において３６０度の環を形成するようにそれぞれアーク長を有する複数の前記シール板を備え、さらに前記複数の層のたわみシール板は第１の端部で前記ガスタービン排気ダクトに固定され、前記シール板の反対側の第２の端部で前記排気ダクト配管の少なくとも１つの表面と摺動自在に係合してなる、シール。
2. 前記排気ダクト配管の前記少なくとも１つの表面が環状ドレントラフの縁部を備える、請求項1に記載の伸縮継手シール。
3. 前記排気ダクト配管の前記少なくとも１つの表面が、前記シール板の前記反対側の端部がその間に摺動自在に受け止められる環状の半径方向溝を構成する複数の軸方向に間隔をおいた周方向に配置されるフランジを備える、請求項1に記載の伸縮継手シール。
4. 前記複数の層が３つの層を含む、請求項1に記載の伸縮継手シール。
5. 前記ドレントラフが下部にドレン管を有する環状の部分的にトロイド形状の部材を備える、請求項２に記載の伸縮継手シール。
6. 各層の前記たわみシール板が、隣接層の前記たわみシール板から周方向にずらされている、請求項１に記載の伸縮継手シール。
7. 前記ガスタービン排気ダクト上の半径方向のフランジに対して前記たわみシール板を固定する複数の押え棒セグメントを含む押え棒アセンブリを備える、請求項１に記載の伸縮継手シール。
8. 前記排気ダクト配管の前記少なくとも１つの表面が環状ドレントラフの縁部を備えることを特徴とする請求項７に記載の伸縮継手シール。
9. 前記排気ダクト配管の前記少なくとも１つの表面が、前記シール板の前記反対側の端部がその間に摺動自在に受け止められる環状の半径方向溝を構成する複数の軸方向に間隔をおいた周方向に配置されるフランジを備える、請求項７に記載の伸縮継手シール。
10. 前記タービン排気ダクトと前記排気ダクト配管は実質的に断面が円形で、前記タービン排気ダクトは前記排気ダクト配管より小さい直径を有する、請求項１に記載の伸縮継手シール。
11. 継手がガスタービンダクトと隣接排気ダクト配管を備え、たわみシールは第１の端部で前記ガスタービンダクト上の環状取付フランジに固定される環状配置たわみシール板の複数の軸方向隣接層を備え、前記たわみシール板の第２の自由端で前記排気ダクト配管と摺動自在に係合し、それにより前記ガスタービンダクトと前記排気ダクト配管との間の軸方向および半径方向の相対的な動きを許容してなる、ガスタービン排気システムの伸縮継手用たわみシール。

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