(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器の２つの隣接するタービントランジションピース（２０２、２０４）であって、その各々が燃焼器及び第一段ノズル間で延在する２つの隣接するタービントランジションピース（２０２、２０４）をシールするためのシム（２２４、２２６、３０２、４００）であって、
トランジションピースシール組立体は、各タービントランジションピース（２０２、２０４）及び第一段ノズル間に設置され、
各トランジションピースシール組立体は、左側半径方向シール、右側半径方向シール、円周方向外側に向かう表面形状を有する外側円周方向シール及び、円周方向内側に向かう表面形状を有する内側円周方向シールとを備え、
複数の外側円周方向シールが、複数の内側円周方向シールにより形成される環状アレイの直径よりも大きい直径の環状アレイを形成し、
前記シムは、半径方向内側又は外側の方向に取り付けられ、第１の構成で、隣接する第１及び第２のタービントランジションピースの外側円周方向シールの間の円周方向のギャップを覆い又は、第２の構成で、隣接する第１及び第２のタービントランジションピースの内側円周方向シールの間の円周方向のギャップを覆い、
前記シムは、第１の側方フランジ（４０４）及び第２の側方フランジ（４０８）を備えた円周方向部材（３１２、４０２）を備え、
前記第１の構成では、第１の側方フランジ（４０４）が、第１のタービントランジションピースの外側円周方向シールの右側コーナー部分の外側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有し、第２の側方フランジ（４０８）が、第２のタービントランジションピースの外側円周方向シールの左側コーナー部分の外側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有し、
前記第２の構成では、第１の側方フランジ（４０４）が、第１のタービントランジションピースの内側円周方向シールの右側コーナー部分の内側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有し、第２の側方フランジ（４０８）が、第２のタービントランジションピースの内側円周方向シールの左側コーナー部分の内側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有する、シム（２２４、２２６、３０２、４００）。
【請求項２】
中央部分（４１３）と、
前記中央部分（４１３）から延在する第１のフランジ（３２２、４１２）と、
第１のフランジ（３２２、４１２）と反対側で前記中央部分（４１３）の端縁部から延在する第２のフランジ（４１８）とを含み、
第１の側方フランジ（４０４）、第２の側方フランジ（４０８）及び第１のフランジ（３２２、４１２）が前記中央部分（４１３）から延在してＴ字形状を形成し、
前記円周方向部材（３１２、４０２）は、前記第１及び第２のトランジションピースの相対運動を可能にする側方たわみ継手（７１６）を含む、請求項１記載のシム（２２４、２２６、３０２、４００）。
【請求項３】
該シム（２２４、２２６、３０２、４００）が、第１及び第２のトランジションピースシール組立体（２０８、２１０、２１２）間のガスの漏洩を、該シム（２２４、２２６、３０２、４００）がない第１及び第２のトランジションピースシール組立体（２０８、２１０、２１２）間の漏洩に比較して、１５〜３５％減少させるように構成される、請求項１または２に記載のシム（２２４、２２６、３０２、４００）。
【請求項４】
ガスタービンであって、
その各々が燃焼器及び第一段ノズル間で延在しかつその各々及び第一段ノズル間にトランジションピースシール組立体（２０８、２１０、２１２）が設置されたトランジションピース（２０２、２０４、２０６）の環状アレイであって、前記トランジションピースシール組立体の各々は、左側半径方向シール、右側半径方向シール、円周方向外側に向かう表面形状を有する外側円周方向シール及び、円周方向内側に向かう表面形状を有する内側円周方向シールとを備え、複数の外側円周方向シールが、複数の内側円周方向シールにより形成される環状アレイの直径よりも大きい直径の環状アレイを形成する、前記環状アレイと、
半径方向内側又は外側の方向に取り付けられ、第１の構成で、隣接する第１及び第２のタービントランジションピースの外側円周方向シールの間の円周方向のギャップを覆い又は、第２の構成で、隣接する第１及び第２のタービントランジションピースの内側円周方向シールの間の円周方向のギャップを覆う、シム（２２４、２２６、３０２、４００）と
を備えており、
前記シムは、第１の側方フランジ（４０４）及び第２の側方フランジ（４０８）を備えた円周方向部材（３１２、４０２）を備え、
前記第１の構成では、第１の側方フランジ（４０４）が、第１のタービントランジションピースの外側円周方向シールの右側コーナー部分の外側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有し、第２の側方フランジ（４０８）が、第２のタービントランジションピースの外側円周方向シールの左側コーナー部分の外側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有し、
前記第２の構成では、第１の側方フランジ（４０４）が、第１のタービントランジションピースの内側円周方向シールの右側コーナー部分の内側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有し、第２の側方フランジ（４０８）が、第２のタービントランジションピースの内側円周方向シールの左側コーナー部分の内側半径方向の面形状の上をスライドする形状を有する、ガスタービン。
【請求項５】
第１の側方フランジ（４０４）が第１のタブ（４０６）を含みかつ第２の側方フランジ（４０８）が第２のタブ（４１０）を含み、第１及び第２のタブ（４０６、４１０）が、それぞれの第１及び第２のトランジションピースシール組立体のコーナ部（３０４、３０８）を固定する、請求項４記載のガスタービン。
【請求項６】
前記シム（２２４、２２６、３０２、４００）が、第１及び第２の側方フランジ（４０４、４０８）から略垂直に延在してＴ字形状を形成した第１のフランジ（４１２）を含む、請求項４又は請求項５記載のガスタービン。
【請求項７】
前記トランジションピースシール組立体は、前記第１のフランジ（４１２）が取り付けられるトランジションピースサイドシールを含み、
第１のフランジ（４１２）が、前記トランジションピースサイドシールを受けるように構成された少なくとも１つのタブ（４１４）を含む、請求項６記載のガスタービン。
【請求項８】
前記シム（２２４、２２６、３０２、４００）が、中央部分（４１３）と、
前記中央部分（４１３）から延在する第１のフランジ（３２２、４１２）と、
第１のフランジ（３２２、４１２）と反対側で前記中央部分（４１３）の端縁部から延在する第２のフランジ（４１８）とを含む、請求項４乃至７のいずれかに記載のガスタービン。
【請求項９】
前記円周方向部材（３１２、４０２）は、前記第１及び第２のトランジションピースの相対運動を可能にする側方たわみ継手（７１６）を含む、請求項４乃至８のいずれかに記載のガスタービン。
【請求項１０】
前記シム（２２４、２２６、３０２、４００）が、前記右側コーナー部分及び前記左側コーナー部分の形状に適合するのを可能にする段部を有する、請求項４乃至９のいずれかに記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、ガスタービンに関する。より具体的には、本主題は、ガスタービンにおけるトランジションピース組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、燃焼器が、燃料又は空気−燃料混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。化学エネルギーは、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、タービンで化学エネルギーが機械的エネルギーに変換される。変換効率が高いと、窒素酸化物排出量の減少のような排出量の低減をもたらす。幾つかの要因が、化学エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率に影響を与える。そうした要因としては、ブレード通過頻度、燃料供給変動、燃料のタイプ及び反応性、燃焼器ヘッドオンボリューム、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、並びに部品間にガス流漏洩が挙げられる。例えば、燃焼器の圧縮機吐出ケーシング側からの１以上のトランジションピース及び第一段タービンノズル間の接合部を通して空気の流れが漏れると、空気が燃焼器を迂回して高いピークガス温度を生じさせ、排出量の増大を引き起こすおそれがある。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６５４７２５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、トランジションピース及びノズル間の組立体における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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様によると、２つの隣接するタービントランジションピースをシールするためのシムを開示する。本シムは、第１の側方フランジ及び第２の側方フランジを備えた円周方向部材と、円周方向部材から略垂直に延在する第１のフランジとを含む。さらに、第１及び第２の側方フランジは各々、第１の表面平面に噛合うように構成されたタブを含み、かつ第１及び第２の側方フランジは、第２の表面平面に噛合うように構成され、第１及び第２の表面平面は略平行である。
【０００６】
本発明の別の態様によると、ガスタービンを開示し、本ガスタービンは、その各々が燃焼器及び第一段ノズル間で延在するトランジションピースの環状アレイを含み、トランジションピースシール組立体が、各トランジションピース及び第一段ノズル間に設置される。本ガスタービンはまた、隣接するトランジションピースシール組立体間の接合部に設置されたシムを含み、シムは、第１のトランジションピースシール組立体のコーナ部を受けるように構成された第１の側方フランジ及び第２のトランジションピースシール組立体のコーナ部を受けるように構成された第２の側方フランジを含む。
【０００７】
上記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。
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】複数のトランジションピースを備えたガスタービンエンジンの実施形態の一部分の斜視図。
【図３】隣接するトランジションピースの接合部に設置されたシムの実施形態の詳細図。
【図４】シムの実施形態の前面図。
【図５】シムの実施形態の側面図。
【図６】シムの実施形態の上面図。
【図７】シムの別の実施形態の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、ガスタービンシステム１００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、それぞれ複数の圧縮機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、単一シャフト又は互いに結合されてシャフト１０８を形成した複数のシャフトセグメントとすることができる。
【００１２】
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／又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は、空気供給源及び燃料供給源と流体連通している。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、高温加圧排出ガスを発生させる燃焼を生じさせる。燃焼器１０４は、トランジションピース１１８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内に流れると該空気を加圧する。実施形態では、燃焼器のアレイの各々は、燃焼器及びタービンのノズル間に配置されたトランジションピースに結合される。これらトランジションピース間の接合部について、図２〜図６を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図２は、トランジションピース２０２、２０４及び２０６のアレイを備えたガスタービンエンジン２００の実施形態の一部分の斜視図である。各トランジションピース２０２、２０４及び２０６は、それぞれのトランジションピースシール組立体２０８、２１０及び２１２に結合される。図示するように、トランジションピース２０２、２０４及び２０６は、端部２１４において燃焼器に結合され、この端部２１４において、トランジションピース２０２、２０４及び２０６は、高温ガス流を受ける。トランジションピース２０２、２０４及び２０６は、端部２１６においてタービンの第一段ノズルに結合され、この端部２１６において高温ガスが各タービンに流入する。実施形態では、各トランジションピースシール組立体２０８、２１０及び２１２は、内側遷移シール２１８、外側遷移シール２２０及びサイドシール２２２を含む。本明細書では、部品は、トランジションピースシール組立体２０８に関して説明するが、各トランジションピースシール組立体（２０８、２１０、２１２）はタービンエンジンのトランジションピースのアレイ内に設置された同様の部品を含むことができることを理解されたい。加えて、トランジションピースシール組立体２０８は、トランジションピースシール組立体２１０に隣接しているものとして説明しており、組立体２１０及び２１２についても同様である。
【００１４】
実施形態では、シム２２４及び２２６を使用して、隣接するトランジションピースシール組立体を接合しかつ１以上のトランジションピースの外部又は外側部分上から流れる加圧空気の高温ガス通路内への漏洩を制御する。例えば、トランジションピースシール組立体２０８は、シム２２６によってトランジションピースシール組立体２１０に接合され、シムが、部品間の空気漏洩を減少させる。さらに、シム２２４は、トランジションピースシール組立体２０８及び隣接するシール組立体（図示せず）間の漏洩を制御する。接合部２２８は、シムがないトランジションピースシール組立体２１０及びトランジションピースシール組立体２１２間の継手を示しており、部品間にはギャップ２３０が存在している。シム２２６で示すように、シムは２つの側方フランジを有し、各フランジは、シール組立体２０８及び２１０のそれぞれの隣接するコーナ部分を受けるように構成される。従って、シム２２４及び２２６は、ギャップ２３０のようなギャップを覆って、タービン内のガスがエンジンのタービンノズル部分に流れる時に該ガスの漏洩を減少させ、それによって高温ガスのより多くが機械的エネルギーに変換されかつタービン性能を向上させるのを可能にする。本明細書で説明するように、シムは、部品間のギャップを埋めるか又は減少させるように構成された、あらゆる好適な厚さ及び材料の部材である。本明細書で説明するようなシム（２２４、２２６）のジオメトリ及び装置は、内側シール２１８又は外側シール２２０のいずれかにおいてトランジションピースシールコーナ部間の接合部に適用することができる。例えば、本明細書で説明するような略同一のシムジオメトリを使用して、内側シール接合部２３２並びに外側シール接合部２２８における漏洩を制御することができる。さらに、実施形態では、シム２２４及び２２６は、トランジションピースの内部の圧力２３６よりも大きいトランジションピース２０２、２０４及び２０６の外部の圧力２３４により生じた圧力差によって所定の位置に保持される。スポット溶接及びその他の好適な結合方法に加えて圧力差を使用して、タービン２００内の選択位置に対してシム２２４及び２２６を取付けることができる。加えて、シムジオメトリは、記載した実施例以外の異なるシールジオメトリに適合するように変更される。
【００１５】
図３は、隣接するトランジションピースの接合部３００及び接合部（２３０、図２）内のギャップにおける漏洩を制御するように構成されたシム３０２の実施形態の詳細図である。シム３０２は、第１のトランジションピースシール３０６の第１のコーナ部分３０４及び第２のトランジションピースシール３１０の第２のコーナ部分３０８間に配置される。この図示した実施形態では、シム３０２は、コーナ部分３０４及び３０８間のギャップにわたって側方に延在する円周方向部材３１２を含む。円周方向部材３１２は、第１のタブ３１６を備えた第１の側方フランジ３１４及び第２のタブ３２０を備えた第２の側方フランジ３１８を含む。シム３０２はまた、タブ３２５及び３２６を介してサイドシール３２４に取付けるように構成された垂直フランジ３２２を含む。実施形態では、シム３０２は、該シム３０２がコーナ部分３０４及び３０８に適合するのを可能にする１以上のリッジ部３２８及び３３０（「段部」又は「階段部」とも呼ばれる）を含む。図示するように、シム３０２は、それぞれタブ３２０及び３１６によってコーナ部分３０４及び３０８の表面に対して固定される。加えて、シム３０２は、それに限定されないが、溶接、ロウ付け、機械的クリップ、ピン、リベット、ボルト又はそれらのあらゆる組合せ含むあらゆる好適な手段によって、コーナ部分３０４、３０８及びサイドシール３２４に対して固定又は結合することができる。例えば、タブ３１６、３２０、３２５及び３２６は、コーナ部分３０４、３０８及びサイドシール３２４の背面に適合するように折曲げられて、部材上の溶接部が、接合部３００内の所望の位置においてシム３０２を結合する。
【００１６】
他の実施形態では、シム３０２は、タブを含まず、フランジ（３１４、３１８、３２２）は、トランジションピースシール３０６及び３１０に溶接される。別の実施形態では、シム３０２は、垂直フランジを含まず、側方フランジ３１４及び３１８は、接合部における漏洩を制御するためにコーナ部分３０４及び３０８に固定される。シム３０２は、ステンレス鋼又は合金鋼のような金属薄板を所望のジオメトリに切断加工する、スタンプ加工する及び成形加工するようなあらゆる好適な方法によって形成することができる。図３に示すように、シム３０２のジオメトリは、Ｔ字形状として記述される。実施形態では、フランジ３１４、３１８及び３２２は、溶接して円周方向部材３１２に取付けられる。円周方向部材３１２は、該部材が外側又は内側シール組立体の円周にわたって略側方方向に位置しているので、そのように記述される。１つの実施形態では、シム３０２は、接合部３００における漏洩を、該シムがない接合部に比べて約５％〜７５％減少させ、それによってタービン性能及び効率を向上させるように構成される。別の実施形態では、シム３０２は、接合部３００における漏洩を、該シムがない接合部に比べて約１０％〜５０％減少させ、それによってタービン性能及び効率を向上させるように構成される。さらに別の実施形態では、シム３０２は、接合部３００における漏洩を、該シムがない接合部に比べて約１５％〜３５％減少させ、それによってタービン性能及び効率を向上させるように構成される。別の実施形態では、シム３０２は、接合部３００における漏洩を、該シムがない接合部に比べて約２５％減少させ、それによってタービン性能及び効率を向上させるように構成される。
【００１７】
図４は、シム４００の実施形態の前面図である。シム４００は、円周方向部材４０２とタブ４０６を備えた第1の側方フランジ４０４とを含む。円周方向部材４０２はまた、タブ４１０を備えた第２の側方フランジ４０８を含む。第１の垂直フランジ４１２が、円周方向部材４０２の中央部分４１３の端縁部から延在しており、第１の垂直フランジ４１２は、タブ４１４及び４１６を含む。図示するように、第２の垂直フランジ４１８が、第１の垂直フランジ４１２の反対側で中央部分４１３の端縁部から延在する。実施形態では、第２の垂直フランジ４１８は、隣接するトランジションピースシール組立体のスプリングシール接合部の近傍での漏洩を制御するように構成される。
【００１８】
図５は、シム５００の実施形態の側面図である。シム５００は、円周方向部材５０２とタブ５０６を備えた第1の側方フランジ５０４とを含む。円周方向部材５０２はまた、タブ５１０を備えた第２の側方フランジ５０８を含む。第１の垂直フランジ５１２が、円周方向部材５０２の端縁部から延在しており、第１の垂直フランジ５１２は、１以上のタブ５１４を含む。図示するように、タブ５０６及び５１０は、第１の表面５１６を第１の平面に噛合わせるように構成される。さらに、側方フランジ５０４、５０８及び円周方向部材５０２の第２の表面５１８は、第１の平面に略平行な第２の平面に噛合うように構成される。１つの実施形態では、表面５１６及び５１８は、隣接するトランジションピースシール組立体の反対側の側面に噛合わされて、タブ５０６及び５１０が、接合部内の所定の位置にシム５００を固定する。
【００１９】
図６は、シム６００の実施形態の上面図である。シム６００は、円周方向部材６０２とタブ６０６を備えた第1の側方フランジ６０４とを含む。円周方向部材６０２はまた、タブ６１０を備えた第２の側方フランジ６０８を含む。第１の垂直フランジ６１２が、円周方向部材６０２の端縁部から延在しており、第１の垂直フランジ６１２は、タブ６１４及び６１６を含む。
【００２０】
図７は、円周方向部材７０４から軸方向７０６に延在するフランジ７０２を備えたシム７００の別の実施形態の斜視図である。フランジ７０２は、隣接する側方部材７０８及び７１０間のギャップを略覆うように適合している。側方部材７０８及び７１０は、それぞれ隣接するトランジションピースシール組立体７１２及び７１４の一部分である。さらに、円周方向部材７０４は、トランジションピース７１２及び７１４の相対運動を可能にする側方たわみ継手７１６を含む。継手７１６は、合金鋼のような好適な耐久性及び可撓性がある材料から成る。シムの表面輪郭及びその突出部又はフランジは、隣接するタービン及びトランジションピース部品間のあらゆるギャップを覆うように変更されることに留意されたい。さらに、取付けの方法もまた、各用途に合わせて変更することができる。
【００２１】
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。
【符号の説明】
【００２２】
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
２００  タービン部分の一部分
２０２  トランジションピース
２０４  トランジションピース
２０６  トランジションピース
２０８  トランジションピースシール組立体
２１０  トランジションピースシール組立体
２１２  トランジションピースシール組立体
２１４  端部
２１６  トランジションピース
２１８  内側遷移シール
２２０  外側遷移シール
２２２  サイドシール
２２４  シム
２２６  シム
２２８  接合部
２３０  ギャップ
２３２  接合部
２３４  トランジションピースの外部の圧力
２３６  トランジションピースの内部の圧力
３００  トランジションピース接合部
３０２  シム
３０４  第１のコーナ部分
３０６  第１のトランジションピースシール
３０８  第２のコーナ部分
３１０  第２のトランジションピースシール
３１２  円周方向部材
３１４  第１のフランジ
３１６  第１のタブ
３１８  第２のフランジ
３２０  第２のタブ
３２２  垂直フランジ
３２４  サイドシール
３２５  タブ
３２６  タブ
３２８  リッジ部
３３０  リッジ部
４００  シム
４０２  円周方向部材
４０４  フランジ
４０６  タブ
４０８  フランジ
４１０  タブ
４１２  垂直フランジ
４１４  タブ
４１６  タブ
４１８  垂直フラン
５００  シム
５０２  円周方向部材
５０４  フランジ
５０６  タブ
５０８  フランジ
５１０  タブ
５１２  垂直フランジ
５１４  タブ
５１６  表面
５１８  表面
６００  シム
６０２  円周方向部材
６０４  フランジ
６０６  タブ
６０８  フランジ
６１０  タブ
６１２  垂直フランジ
６１４  タブ
６１６  タブ
７００  シム
７０２  フランジ
７０４  円周方向部材
７０６  軸方向
７０８  側方部材
７１０  側方部材
７１２  トランジションピース
７１４  トランジションピース
７１６  継手
【図１】
0005905676.tif 000002
【図２】
0005905676.tif 000003
【図３】
0005905676.tif 000004
【図４】
0005905676.tif 000005
【図５】
0005905676.tif 000006
【図６】
0005905676.tif 000007
【図７】
0005905676.tif 000008