JP6411774B2 - ノズルインサートのリブキャップ - Google Patents

Description

本出願及び結果として得られる特許は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、各ノズルキャビティにおいて適切なサイズ及び形状にされたキャビティインサートの設置及び使用方法を確実にするリブキャップを備えたタービンノズルに関する。

一般的には、高出力ガスタービンは、高温ガス経路に沿って位置付けられた固定ノズルと回転ブレードとの交互する列を含む。具体的には、各タービン段は、円周方向に離間し且つ半径方向に延びるノズルベーンのアレイを含む。ノズルベーンは、内側及び外側バンド間を延びるベーン翼形部を含む。ベーン翼形部は、部分的に中空にすることができ、ここに冷却回路の一部を形成することができる。しかしながら、全体のノズル冷却機構は、ベーン翼形部の３次元空気力学的輪郭及び可変熱負荷を考慮すると、幾分複雑になる場合がある。

ノズル冷却機構は、異なる位置で使用するために異なる構成の内部ノズルキャビティインサートを用いることができる。種々のノズルインサートは、機能的には異なるが、物理的に類似している場合がある。誤ったインサートの設置により、全体のノズル冷却及び性能に対して重大な悪影響を及ぼす可能性があるので、正しいキャビティインサートの使用を確実にすることに留意する必要がある。

従って、改善されたタービンノズル設計に対する要求がある。このような改善されたノズル設計は、全体のノズル冷却及び性能の改善のため、各ノズルキャビティにおける物理的に類似し機能的に異なるノズルキャビティインサートの設置を防ぐことを可能にする。

米国特許第８，２１０，５４４号明細書

従って、本出願及び結果として得られる特許は、タービンエンジンにおいて使用するノズル組立体を提供する。ノズル組立体は、第１のノズルキャビティと、第２のノズルキャビティと、第１のノズルキャビティ及び第２のノズルキャビティ間に位置付けられるリブと、第１のキャビティインサート構成を有する第１のキャビティインサートと、第２のキャビティインサート構成を有する第２のキャビティインサートと、リブ上に位置付けられるリブキャップと、を含むことができる。リブキャップは、第１のキャビティインサート構成を有する第１のキャビティインサートだけが第１のノズルキャビティ内に収まり、第２のキャビティインサート構成を有する第２のキャビティインサートだけが第２のノズルキャビティ内に収まるようなリブキャップ構成を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、ノズル組立体を組み立てる方法を提供する。本方法は、第１のキャビティ構成を有する第１のキャビティを備えた第１のノズルを提供するステップと、第１のキャビティ構成を有する第２のキャビティを備えた第２のノズルを提供するステップと、第１のキャビティインサート構成を有する第１のキャビティインサートのみが収まるように第１のキャビティの周りに第１のリブキャップを位置付けるステップと、第２のキャビティインサート構成を有する第２のキャビティインサートのみが収まるように第２のキャビティの周りに第２のリブキャップを位置付けるステップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は更に、タービンエンジンにおいて使用するノズル組立体を提供することができる。ノズル組立体は、第１のノズルキャビティ、第２のノズルキャビティ、及びこれらの間に位置付けられるリブを含む、複数のノズルと、複数の第１のインサート構成を有する複数の第１のキャビティインサートと、複数の第２のインサート構成を有する複数の第２のキャビティインサートと、複数のリブキャップ構成を有する複数のリブキャップと、を含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善点は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを示すガスタービンエンジンの概略図。 タービンの一部の概略図。 複数の内部キャビティ及びリブを備えたノズルの一部の斜視図。 複数のキャビティインサートが位置付けられたノズルの部分斜視図。 リブキャップと、内部に位置付けられた複数の修正ノズルインサートとを有するノズルと共に本明細書で記載することができるノズル組立体の部分斜視図。

ここで、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用することができるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れを加圧した燃料３０の流れと混合して、この混合気を点火し、燃焼ガス３５の流れを生成する。１つだけの燃焼器２５が図示されているが、ガスタービンエンジン１０は、あらゆる数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れは、タービン４０に送給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動し、機械的仕事を生成するようにする。タービン４０において生成された機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５と、発電機などの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプの液体燃料、種々のタイプのシンガス、及び／又は他のタイプ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、限定ではないが、７又は９シリーズ高出力ガスタービンエンジン及び同様のものなどを含む、ニューヨーク州Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの様々なガスタービンエンジンのうちの何れかとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプの構成要素を用いることができる。他のタイプのガスタービンエンジンも本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器も本明細書で共に使用することができる。

図２は、タービン４０の一部の概略図を示す。単に例証として、この図は、タービン４０の第１段５５、第２段６０、及び第３段６５を示している。ここではあらゆる数の段を用いることができる。上述のように、各段は、円周方向に離間した幾つかのノズル７０及びバケット７５を含むことができる。バケット７５は、共に回転するためにタービンロータ８０上に装着される。ノズル７０は、互いに円周方向に離間して配置され、ロータ８０の軸線を中心として固定される。各ノズル７０は、ノズル翼形部８２を含むことができる。翼形部８２は、内側バンド８４から外側バンド８６に延びる。他の構成要素及び他の構成を本明細書で用いることもできる。

図３は、ノズル７０の１つの実施例を示す。ノズル７０は、翼形部８２を貫通して延びる幾つかのキャビティを含むことができる。この実施例においては、後方キャビティ８８と前方キャビティ９０が図示されている。キャビティ８８、９０は、リブ９２により分割することができる。あらゆる数のキャビティ８８、９０及びリブ９２をあらゆるサイズ、形状、又は構成で用いることができる。タービン４０は、異なるキャビティ構成を備えたノズル７０を有することができる。図４に示すように、キャビティの各々は、インサートを充填することができる。この実施例においては、後方インサート９４及び前方インサート９６が図示されている。インサートは、目的とするノズル用途及び目的とするノズルの位置に応じて異なる構成を有することができる。上述のように、インサートは、物理的に類似しているが、機能的には異なることができる。

図５は、本明細書で説明することができるノズル組立体１００の一部を示す。ノズル組立体１００は、幾つかのノズルキャビティ１１０を備えた幾つかのノズル１０５を有することができる。この実施例において、後方キャビティ１２０と前方キャビティ１３０が示されている。後方キャビティ１２０及び前方キャビティ１３０は、ここではノズル１０５において実質的に同一とすることができるが、本明細書では、あらゆる数のキャビティ１１０をあらゆるサイズ、形状、又は構成で用いることができる。キャビティ１２０、１３０は、リブ１４０により分離することができる。本明細書では、あらゆる数のリブ１４０をあらゆるサイズ、形状、又は構成で用いることができる。キャビティの各々に修正したインサート１５０を設置することができる。この実施例において、修正した後方インサート１６０及び修正した前方インサート１７０を用いることができる。修正したインサート１５０は、目的とするノズル１００の用途及び目的とするノズルの位置に応じてあらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。修正したインサート１５０は、幾つかの小孔１７５を有することができる。

リブキャップ１８０は、リブ１４０上で且つ修正したインサート１５０間に位置付けることができる。リブキャップ１８０は、目的とするノズル用途及び目的とするノズル１００の位置に応じてあらゆるサイズ、形状、又は構成を有することができる。従って、本明細書では異なるサイズ及び形状にされた幾つかのリブキャップ１８０を用いることができる。リブキャップ１８０は、溶接、ろう付け、及び同様のものを介してリブ４０に取り付けることができる。リブキャップ１８０は、鋳造物要素とすることができる。リブキャップ１８０は、当初の部品又は補修もしくは改造部品として設置することができる。本明細書において、他の構成要素及び他の構成を用いることもできる。

従って、リブキャップ１８０の使用により、キャビティ１１０のサイズ及び形状が修正される。リブキャップ１８０の使用により、正確な修正されたインサート１５０だけが所与のキャビティ１１０内に確実に位置付けられる。従って、リブキャップ１８０は、概して、正確な修正されたインサート１５０だけが収まることになる点で、各ノズル１０５について「マーフィーの裏付け」をしている。その上、キャビティ１１０の全体のサイズ及び形状は、ノズル１００にわたって共通のままであるが、異なるタイプの修正インサート１５０を利用して、機能的に異なる全体のノズル組立体１００を達成することができる。従って、本明細書では、全体の製造コストを低減するために、共通のノズルケーシングを用いることができる。リブキャップ１８０の使用により、全体の製造／製品の信頼性を向上させながら、物理的に類似し機能的に異なるインサートが設置されるのを防ぐことができる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ 第１の段
６０ 第２の段
６５ 第３の段
７０ ノズル
７５ バケット
８０ ロータ
８２ 翼形部
８４ 内側バンド
８６ 外側バンド
８８ 後方キャビティ
９０ 前方キャビティ
９２ リブ
９４ 後方インサート
９６ 前方インサート
１００ ノズル組立体
１０５ ノズル
１１０ キャビティ
１２０ 後方キャビティ
１３０ 前方キャビティ
１４０ リブ
１５０ 修正インサート
１６０ 後方修正インサート
１７０ 前方修正インサート
１７５ 小孔
１８０ リブキャップ

Claims (20)

1. タービンエンジンにおいて使用するノズル組立体であって、
   第１のノズルキャビティと、
   第２のノズルキャビティと、
   前記第１のノズルキャビティ及び前記第２のノズルキャビティ間に位置付けられるリブと、
   第１のキャビティインサート構成を有する第１のキャビティインサートと、
   第２のキャビティインサート構成を有する第２のキャビティインサートと、
   前記リブ上に位置付けられるリブキャップと、
   を備え、前記リブキャップは、目的とするノズルに特有のサイズ又は、形状を有し、前記リブキャップは、前記第１のキャビティインサート構成を有する第１のキャビティインサートだけが前記第１のノズルキャビティ内に収まり、前記第２のキャビティインサート構成を有する第２のキャビティインサートだけが前記第２のノズルキャビティ内に収まるようなリブキャップ構成を含む、ノズル組立体。
2. 前記第１のノズルキャビティが、後方ノズルキャビティを含む、請求項１に記載のノズル組立体。
3. 前記第２のノズルキャビティが、前方ノズルキャビティを含む、請求項１または２に記載のノズル組立体。
4. 前記第１のキャビティインサートが、修正した後方キャビティインサートを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のノズル組立体。
5. 第２のキャビティインサートが、修正した前方キャビティインサートを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載のノズル組立体。
6. 複数のノズルと、前記複数ノズルの各々に対応する異なるサイズ又は、形状を有するリブキャップとを備え、
   前記リブキャップが、前記複数のノズルの物理的に類似し機能的に異なるインサートが誤って設置されるのを防止する、請求項１乃至５のいずれかに記載のノズル組立体。
7. 前記複数のノズルが、複数の第１のノズルキャビティと複数の第２のノズルキャビティとを含む、請求項６に記載のノズル組立体。
8. 前記複数の第１のノズルキャビティ及び複数の第２のノズルキャビティが共通の構成を含む、請求項７に記載のノズル組立体。
9. 前記複数のノズルが、複数の第１のキャビティインサートと複数の第２のキャビティインサートとを含む、請求項６に記載のノズル組立体。
10. 前記複数の第１のキャビティインサートが、複数の異なる第１のキャビティインサートを含み、前記複数の第２のキャビティインサートが、複数の異なる第２のキャビティインサートを含む、請求項９に記載のノズル組立体。
11. 前記リブキャップが、鋳造リブキャップを含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載のノズル組立体。
12. 前記リブキャップが、ろう付けリブキャップ又は溶接リブキャップを含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載のノズル組立体。
13. 複数のリブキャップ構成を更に備える、請求項１乃至１２のいずれかに記載のノズル組立体。
14. 前記第１のキャビティインサート及び前記第２のキャビティインサートが、複数の小孔を含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載のノズル組立体。
15. ノズル組立体を組み立てる方法であって、
    第１のキャビティを備えた第１のノズルを提供するステップと、
    第２のキャビティを備えた第２のノズルを提供するステップと、
    第１のキャビティインサート構成を有する第１のキャビティインサートのみが収まるように前記第１のキャビティの周りに第１のリブキャップを位置付けるステップであって、前記第１のリブキャップが、目的とするノズルに特有のサイズ又は、形状を有している前記ステップと、
    第２のキャビティインサート構成を有する第２のキャビティインサートのみが収まるように前記第２のキャビティの周りに第２のリブキャップを位置付けるステップであって、前記第２のリブキャップが、目的とするノズルに特有のサイズ又は、形状を有している前記ステップと、
    を含む、方法。
16. タービンエンジンにおいて使用するノズル組立体であって、
    第１のノズルキャビティ、第２のノズルキャビティ、及びこれらの間に位置付けられるリブを含む、複数のノズルと、
    複数の第１のインサート構成を有する複数の第１のキャビティインサートと、
    複数の第２のインサート構成を有する複数の第２のキャビティインサートと、
    複数のリブキャップ構成を有し、各々が、目的とするノズルに特有のサイズ又は、形状を有している複数のリブキャップと、
    を備える、ノズル組立体。
17. 前記複数のノズルが、第１の共通の構成を有する複数の第１のノズルキャビティと、第２の共通の構成を有する複数の第２のノズルキャビティと、を含む、請求項１６に記載のノズル組立体。
18. 前記複数の第１のインサート構成が、複数の第１の異なる構成を含み、前記複数の第２のインサート構成が、複数の第２の異なる構成を含む、請求項１６または１７に記載のノズル組立体。
19. 第１のリブキャップ構成のみを前記複数の第１のキャビティインサートと共に用いることができる、請求項１６乃至１８のいずれかに記載のノズル組立体。
20. 前記複数のリブキャップが、鋳造リブキャップ、ろう付けリブキャップ、又は溶接リブキャップを含む、請求項１６乃至１９のいずれかに記載のノズル組立体。