(57)【要約】【課題】  ディフューザセグメント（７０）が開示される。【解決手段】  ディフューザセグメント（７０）は、前端（７５）及び後端（８０）を有し、ディフューザセグメント（７０）の後端（８０）にフランジ（８５）が配置されている。ディフューザセグメント（７０）は、フランジ（８５）を介して隣接ディフューザセグメント（９０）に接合可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンディフューザ（５５）であって、
前端（７５）及び後端（８０）を有するディフューザセグメント（７０）と、
前記ディフューザセグメント（７０）の前記後端（８０）に配置されたフランジ（８５）と、
を備え、
前記ディフューザセグメント（７０）が前記フランジ（８５）を介して隣接ディフューザセグメント（９０）に接合可能であり、
前記フランジ（８５）が、シール（１１５）と半径方向に固定接続可能なシールリテーナ（１２０）を含む、
ことを特徴とするタービンディフューザ（５５）。
【請求項２】
前記シールリテーナ（１２０）が、前記ディフューザセグメント（７０）の前端（７５）に面した開口部（１３０）を含む、
請求項１に記載のタービンディフューザ（５５）。
【請求項３】
前記開口部（１３０）が、３つの側面（１４０）、（１４５）、（１５０）を含む、
請求項２に記載のタービンディフューザ（５５）。
【請求項４】
前記開口部（１３０）がスロット（１３０）を含む、
請求項２に記載のタービンディフューザ（５５）。
【請求項５】
前記シールリテーナ（１２０）が、前記シール（１１５）と半径方向に固定的に接続可能であり、これらの間に軸線方向の自由度を含む、
請求項１に記載のタービンディフューザ（５５）。
【請求項６】
タービン排気システム（５０）であって、
フレーム（６５）と、
前記フレーム（６５）によって支持された外側ステータ（６０）と、
前記外側ステータ（６０）内に配置されたタービンディフューザ（５５）と、
を備え、
前記タービンディフューザ（５５）が、
前端（７５）及び後端（８０）を有するディフューザセグメント（７０）と、
の後端（８０）に配置されたフランジ（８５）と、
を含み、
前記ディフューザセグメント（７０）が前記フランジ（８５）を介して隣接ディフューザセグメント（９０）に接合可能であり、前記フランジ（８５）がシールリテーナ（１２０）を含み、
第１の端部（１３５）及び第２の端部（１３７）を有し、該第１の端部（１３７）が前記シールリテーナ（１２０）と半径方向に固定的に接続され、前記第２の端部（１３７）が前記フレーム（６５）と固定的に接続されているシール（１１５）が設けられている、
タービン排気システム（５０）。
【請求項７】
前記ディフューザセグメント（７０）が前方ディフューザセグメント（７０）であり、前記フランジ（８５）が第１のフランジ（８５）であり、
前記隣接ディフューザセグメント（９０）が、前端（１００）に配置された第２のフランジ（９５）を含む後部ディフューザセグメント（９０）であり、
前記前方ディフューザセグメント（７０）が、前記第１のフランジ（８５）及び前記第２のフランジ（９５）を介して前記後部ディフューザセグメント（９０）に接合される、
請求項６に記載のタービン排気システム（５０）。
【請求項８】
前記ディフューザセグメント（７０）が、該ディフューザセグメント（７０）の前端（７５）で前記フレーム（６５）によって支持され、
前記ディフューザセグメント（７０）の後端（８０）が、これらの間に自由度を有する、
請求項６に記載のタービン排気システム（５０）。
【請求項９】
前記ディフューザセグメント（７０）の後端（８０）が、該ディフューザセグメント（７０）の温度上昇に応答して、前記フレーム（６５）に対して軸線方向１６５に並進し、
前記シールリテーナ（１２０）が、前記ディフューザセグメント（７０）の後端（８０）の軸線方向並進に応答して、前記シール（１１５）の第１の端部（１３５）と前記シールリテーナ（１２０）との間の軸線方向重複部分の長さ（１６０）を低減する、
請求項８に記載のタービン排気システム（５０）。
【請求項１０】
タービン排気システム（５０）をシールする方法であって、
ディフューザセグメント（７０）の後端（８０）に配置されたフランジ（８５）を介して前記ディフューザセグメント（７０）が隣接ディフューザセグメント（９０）に接合可能であり、前記フランジ（８５）のシールリテーナ（１２０）内にシール（１１５）の第１の端部（１３５）を半径方向に固定的に接続する段階（２１０）と、
前記排気システム（５０）の外側ステータ（６０）を支持するフレーム（６５）に前記シール（１１５）の第２の端部（１３０）を固定的に接続する段階（２２０）と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示事項は、全体的にタービン排気システムに関し、詳細にはタービン排気ディフューザに関する。
【技術分野】
【０００２】
現在のガスタービンエンジンは、排気フレームを利用して外部排気ハウジング又はステータケーシングを支持する。排気フレーム及び外部ハウジングは、タービン排気ガスの温度に耐えることができない構造用鋼から作られる。従って、排気フレーム及び外部ハウジングを排気ガスの温度への曝露から遮蔽するために、排気ガスの温度に耐えることができる材料から作られるディフューザを利用する。更に、ブロアを用いて、排気フレームを排気ガスの温度から更に遮蔽するための冷却空気を提供することができる。ブロアと併せて、ディフューザと排気フレームとの間のシールを用いて、冷却空気を適切な場所に向けて望ましくない漏出を低減することができる。フレーム及びディフューザの異なる熱膨張に起因する制御上の課題に対処することにより、設計及び動作の解決策が複雑で高価なものとなる可能性がある。従って、当技術分野において、これらの欠点を克服するタービン排気構成に対する必要性がある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の１つの実施形態は、タービンディフューザを含む。タービンディフューザは、フランジがディフューザセグメントの後端に配置された前端及び後端を有するディフューザセグメントを含む。ディフューザセグメントは、シールと半径方向に固定的に接続可能なシールリテーナを含むフランジを介して隣接ディフューザセグメントに接合可能である。
【０００４】
本発明の別の実施形態は、タービン排気システムを含む。タービン排気システムは、フレームと、該フレームによって支持された外側ステータと、外側ステータ内に配置されたタービンディフューザとを含む。タービンディフューザは、前端及び後端を有するディフューザセグメントと、シールリテーナを含むフランジとを含み、該フランジは、ディフューザセグメントの後端に配置され、該ディフューザセグメントがフランジを介して隣接ディフューザセグメントに接合可能である。タービン排気システムは、第１の端部及び第２の端部を有するシールを更に含む。シールの第１の端部はシールリテーナと半径方向に固定的に接続され、シールの第２の端部はフレームと固定的に接続される。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、タービン排気システムをシールする方法を含む。本方法は、ディフューザセグメントの後端に配置されたフランジを介して該ディフューザセグメントが隣接ディフューザセグメントに接合可能であり、該フランジのシールリテーナ内にシールの第１の端部を半径方向に固定的に接続する段階を含む。本方法は、排気システムの外側ステータを支持するフレームにシールの第２の端部を固定的に接続する段階を更に含む。
【０００６】
これら及び他の利点並びに特徴は、添付図面に関連して示された本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
添付図において同様の要素には同様の符号が付けられた例示的な図面を参照する。
【０００８】
本発明の１つの実施形態は、シールリテーナを組み込んだ接続フランジを含むタービンディフューザ構成を提供する。排気フレームとシールリテーナとの間に配置されたシールは、望ましくない冷却空気を導き、その損失を低減させる。１つの実施形態では、排気フレームに対するディフューザの熱膨張は、結果としてシールとリテーナとの間の熱接触区域の低減をもたらし、これによってこれらの間の熱伝達を減少させる。
【０００９】
図１は、ガスタービンエンジン８のようなタービンエンジン８の実施形態の概略図を示している。ガスタービンエンジン８は燃焼器１０を含む。燃焼器１０は燃料−酸化剤混合物を燃焼させて、高温で高エネルギーなガス流１２を生成する。次いで、燃焼器１０からのガス流１２は、タービン１４に移動する。タービン１４は、タービンブレード（図示せず）の組立体を含む。ガス流１２は、タービンブレード組立体にエネルギーを与え、タービンブレード組立体を回転させる。タービンブレード組立体は、シャフト１６に結合される。シャフト１６は、タービンブレード組立体の回転に応答して回転する。次いでシャフト１６を用いて、圧縮機１８に動力を供給する。シャフト１６は、例えば、発電機のような異なる出力デバイス（図示せず）に出力１７を任意選択的に提供することができる。圧縮機１８は、酸化剤流２０を取り入れて加圧する。酸化剤流２０を加圧した後で、加圧酸化剤流２３は燃焼器１０に供給される。圧縮機１８からの加圧酸化剤流２３は、燃料供給システム２８からの燃料流２６と混合されて、燃焼器１０内に燃料−酸化剤混合物を形成する。次いで燃料−酸化剤混合物は、燃焼器１０内で燃焼プロセスを受ける。
【００１０】
図２は、タービンエンジン８の１つの実施形態を示している。タービンエンジン８は、排気セクション５０（本明細書では「排気システム」とも呼ばれる）を含む。排気セクション５０は、排気セクション５０のフレーム６５（図３を参照すると最もよく分かり、本明細書では「排気フレーム」とも呼ばれる）の機内に半径方向に配置されたディフューザ５５（本明細書では「タービンディフューザ」とも呼ばれる）を含む。ディフューザ５５は、ステンレス鋼、例えば、高温排気ガスの温度に耐えることができ、従って、高温排気ガス温度に耐えることができない材料から作られたフレーム６５を遮蔽するような材料で作られる。
【００１１】
相対位置を説明するために本明細書で用いられる用語「後方」とは、下流側にある、すなわちタービンエンジン８の軸線方向の中心線４０に沿って出口端部３５に向かって位置付けられた相対位置を意味するものとする。相対位置を説明するために本明細書で用いられる用語「前方」とは、上流側にある、すなわちタービンエンジン８の軸線方向の中心線４０に沿って入口端部４５に向かって位置付けられた相対位置を意味するものとする。
【００１２】
図３は、排気セクション５０の拡大断面図を示している。フレーム６５は、ステータケーシング６０（本明細書では「外側ステータ」とも呼ばれる）の後端を支持する。ディフューザ５５は、前端７５及び後端８０を含むディフューザセグメント７０（本明細書では「前方ディフューザセグメント」とも呼ばれる）を含む。前方ディフューザセグメント７０は、例えば、ディフューザセグメント７０の後端８０に配置された垂直フランジのようなフランジ８５（本明細書では「第１のフランジ」とも呼ばれる）を更に含む。前方ディフューザセグメント７０は、フランジ８５を介して隣接ディフューザセグメント９０（本明細書では「後部ディフューザセグメント」とも呼ばれる）に接合可能である。１つの実施形態では、後部ディフューザセグメント９０は、例えば、後部ディフューザセグメント９０の前端１００に配置された垂直フランジのようなフランジ９５（本明細書では「第２のフランジ」とも呼ばれる）を含み、前方ディフューザセグメント７０は、第２のフランジ９５への第１のフランジ８５の接続を介して後部ディフューザセグメント９０に接合される。１つの実施形態では、第１のフランジ８５は、例えば、第１のフランジ８５を第２のフランジ９５に接続するボルト又はクランプのような固締具１０５を介して第２のフランジ９５に接続される。例えば、溶接、ろう付け、及びリベット締めなど、第１のフランジ８５を第２のフランジ９５に接続するための追加構成を利用することができることは更に企図される。冷却空気１１０（波線で概略的に表される）は、圧縮機又はブロア（図示せず）によって提供され、ディフューザ５５とフレーム６５との間で循環され、ディフューザ５５からフレーム６５への熱伝達を低減する。予期せぬ漏出又は放出から生じた冷却空気１１の消費増大により、結果としてブロア能力要件及び電力消費の増大をもたらし、これによりタービンエンジン８の全体の動作効率が低下する。
【００１３】
ここで図４を参照すると、排気システム５０の拡大断面図が示されている。ディフューザセグメント７０とフレーム６５との間から冷却空気１１０の予期せぬ放出を低減するために、シール１１５がディフューザセグメント７０とフレーム６５との間に配置される。１つの実施形態では、シール１１５は、シール１１５が曝される周囲温度に耐える適切な金属から作られる。前方ディフューザセグメント７０の後端８０に配置されたフランジ８５は、フランジ８５の前端１２５に配置されたシールリテーナ１２０を含む。シールリテーナ１２０は、シール１１５で半径方向Ｒに固定接続可能であり、これによって例えば、半径方向Ｒの変位のようなシール１１５の第１の端部１３５の変位を固定又は制約する。シール１１５の第２の端部１３７はフレーム６５内に配置される。
【００１４】
１つの実施形態では、シール１１５の第１の端部１３５は、ディフューザセグメント７０の後端８０に面して軸線方向（軸線方向Ａに位置合わせされた）に向けられ、シール１１５の第２の端部１３７は、フレーム６５に外方に面して半径方向（半径方向Ｒに位置合わせされた）に向けられる。
【００１５】
シールリテーナ１２０は、ディフューザセグメント７０の前端７５に面した開口部１３０（本明細書では「前方に面した開口部」とも呼ばれる）を含む。１つの実施形態では、前方に面した開口部１３０は軸線方向開口部である。シール１１５の第１の端部１３５は、前方に面した開口部１３０内に配置される。１つの実施形態では、前方に面した開口部１３０は、例えば、前方に面したスロット１３０のような前方に面した開口部１３０を形成する３つの側面１４０、１４５、１５０を含む。シールリテーナ１２０は、シール１１５と固定的に接続可能であり、半径方向Ｒでのシール１１５の変位を固定又は制約する。前方に面した開口部１３０は、タービンエンジン８の軸線方向中心線４０とほぼ位置合わせされた（図２を参照すると最もよく分かる）軸線方向Ａにおけるシール１１５とシールリテーナ１２０との間に自由度を提供する。開口部１３０内のシール１１５の第１の端部１３５の配置後、シール１１５の第１の端部１３５とシールリテーナ１２０との間の自由度により、半径方向Ｒでのシール１１５の第１の端部１３５とシールリテーナ１２０との間の運動を防止又は制約しながら、シール１１５とシールリテーナ１２０との間の軸線方向Ａの相対運動を可能にする。
【００１６】
ここで図４と併せて図３を参照すると、１つの実施形態は、前端７５が軸線方向Ａのフレーム６５に対する移動が制約されるように、フレーム６５によって支持された前方ディフューザセグメント７０の前端７５を提供する。前方ディフューザセグメント７０の後端８０は、フレーム６５に対する自由度を含み、フレーム６５に対する軸線方向Ａの後端８０の変位が制約されないようにする。
【００１７】
上述のように、排気フレーム６５が、タービン排気ガス温度に曝されるのにあまり適していない材料から作られるときには、排気ガスから排気フレーム６５への熱流を減少させるのが望ましい。従って、特にタービンエンジン８の始動中、タービン排気ガスの温度への曝露からディフューザ５５によって遮蔽される排気フレーム６５に対してのディフューザ５５（タービン排気ガスの温度に曝された）の差動熱膨張がある。熱伝導経路１５５は、ディフューザセグメント７０からフランジ８５のシールリテーナ１２０を通ってシール１１５、及びフレーム６５内への熱伝達の実施例を示している。軸線方向重複部分の長さ１６０は、シール１１５の第１の端部１３５とシールリテーナ１２０との間に接触域を定める。接触域は、重複部分の長さ１６０がより長くなるほど、ディフューザセグメント７０の所与の温度でディフューザセグメント７０からフレーム６５に熱伝導経路１５５を介して伝達することができる熱の量がより多くなるような熱接触域を定める。
【００１８】
タービン排気ガスの温度への曝露による熱膨張の結果として、ディフューザセグメント７０の後端８０は、ディフューザセグメント７０の温度上昇に応答して、排気フレーム６５に対して後ろ方向１６５に並進する。従って、シール１１５とシールリテーナ１２０との間の軸線方向の自由度に起因して、シールリテーナ１２０は、ディフューザセグメント７０の後端８０の後方並進に応答して、シール１１５に対して軸線方向の後方に並進する。シール１１５に対するシールリテーナ１２０の後方並進は、結果としてシールリテーナ１２０開口部１３０内のシール１１５の第１の端部１３５の部分的係合解除をもたらし、これによって重複部分の長さ１６０、並びにシール１１５の第１の端部１３５とシールリテーナ１２０との間の熱接触域を減少させる。従って、ディフューザセグメント７０の温度の上昇に応答して熱接触域が減少することにより、所与の温度で熱伝導経路１５５によって伝達された熱量が低減される。例えば、ディフューザセグメント７０の温度が上昇し、シールリテーナ１２０がシール１１５の第１の端部１３５から部分的に係合解除されると、シール１１５を介してディフューザセグメント７０から排気フレーム６５に伝達された熱量は、ディフューザセグメント７０の温度上昇に対してディフューザセグメント７０及びシールリテーナ１２０の応答のない状態の熱量よりも少ない。
【００１９】
ここで図５と併せて図４を参照すると、フランジ８５内のシールリテーナ１２０を組み込むことで、ディフューザセグメント１７７上に配置された個別のシールリテーナ１７０及びフランジ１７５を使用するのと比べて、ディフューザセグメント７０とシールリテーナ１２０との間の質量勾配変動１８０が低下する。低下した質量勾配変動１８０は、一般的には望ましくない過渡応力及び変位の減少をもたらす。従って、シールリテーナ１２０を含むフランジ８５を有するディフューザセグメント７０は、個別のシールリテーナ１７０を有するディフューザセグメント１７７と比較して、過渡応力及び変位の減少をもたらす。従って、フランジ８５とのシールリテーナ１２０の一体化によりもたらされる質量勾配変動１８０の低下は、フランジ１７５に近接した個別のシールリテーナ１７０の場所の利便性に加え、過渡応力及び変位の発生が低減される利点を提供する。
【００２０】
上述の事項を考慮して、タービン排気システム５０は、ディフューザセグメント７０を排気フレーム６５に対してシールする方法を提供する。ここで図３及び図４と併せて図６を参照すると、排気フレーム６５のような排気フレームに対してディフューザセグメント７０のようなディフューザセグメントをシールするプロセス段階のフローチャート２００が示されている。
【００２１】
１つの実施形態では、本方法は、段階２１０において、ディフューザセグメント７０の後端８０に配置された、ディフューザセグメント７０のフランジ８５のシールリテーナ１２０内のシール１１５の第１の端部１３５を固定的に接続することで始まる。ディフューザセグメント７０は、フランジ８５を介して隣接ディフューザセグメント９０に接続可能である。本方法のある実施形態は、段階２２０で、排気システム５０のステータケーシング６０を支持する（図２を参照すると最もよく分かる）フレーム６５にシール１１５の第２の端部１３７を固定的に接続して終了する。
【００２２】
本方法の１つの実施形態では、段階２１０で、シール１１５の第１の端部１３５を固定的に接続する段階は、シールリテーナ１２０の前方に面したスロット１３０内のシール１１５の第１の端部１３５を配置する段階を含む。本方法の１つの実施形態は更に、ディフューザセグメント７０の温度の上昇に応答して、フレーム６５に対して後ろ方向にディフューザセグメント７０の後端８０を並進させる段階を含む。更に、ディフューザセグメント７０の後端８０の後方並進に応答して、本方法は、シール１１５の第１の端部１３５とシールリテーナ１２０との間に熱接触域を形成する重複部分の長さ１６０を低減する段階を含み、これによってシール１１５の熱伝導経路１５５を介したディフューザセグメント７０から排気フレーム６５に伝達される熱の量が低減される。
【００２３】
本方法の１つの実施形態は、段階２１０でシールリテーナ１２０と共にディフューザセグメント７０の後端８０に向かって軸線方向に配向されたシール１１５の第１の端部１３５を固定的に接続する段階と、段階２２０で、フレーム６５と共にフレーム６５に向かって半径方向に外方に配向されたシール１１５の第２の端部１３７を固定的に接続する段階とを提供する。
【００２４】
開示されるように、本発明の幾つかの実施形態は、以下の利点、すなわち予期せぬ冷却空気漏出を低減することによって冷却ブロアの能力要件の低下、反応性シール構成によるディフューザ温度の上昇に応答してシールの熱接触域の減少、並びにシールリテーナをフランジに組み込むことによってボルト締め垂直フランジに近接して配置されたシールリテーナと関連する過渡熱応力及び変位の低減のうちの幾つかを含むことができる。
【００２５】
本発明を例示的な実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に対する特定の状況又は材料に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するよう企図された最良又は唯一の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明は、添付の請求項の範囲内に入る全ての実施形態を含むことになるものとする。同様に図面及び明細書において、本発明の例示的な実施形態が開示され、特定の用語を利用している場合もあるが、これらは特に指定しない限り一般的及び記述上の意味でのみ使用されており、限定の目的ではなく、従って、本発明の範囲はこれに限定されない。更に、第１、第２、その他の用語の使用は、あらゆる順序又は重要性を意味するものではなく、第１、第２、その他の用語は、１つの要素を他の要素と区別するために用いられる。更に、単数形を表す用語の使用は、数量の限定を意味するものではなく、参照されるアイテムの少なくとも１つが存在することを意味するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態によるタービンエンジンの概略図。
【図２】本発明の実施形態によるタービンエンジンの部分切り欠き側面図。
【図３】本発明の実施形態による図２のタービンエンジンの排気セクションの拡大断面図。
【図４】本発明の実施形態による図３の排気セクションの拡大断面図。
【図５】タービンディフューザの排気セクションの拡大断面図。
【図６】本発明の実施形態によるディフューザセグメントをシールする方法のプロセス段階のフローチャート。
【符号の説明】
【００２７】
８  エンジン
１０  燃焼器
１２  ガス流
１４  タービン
１６  シャフト
１７  出力
１８  圧縮機
２０  酸化剤流
２３  加圧酸化剤流
２６  燃料流
２８  燃料供給システム
３５  出口端部
４０  軸線方向中心線
４５  入口端部
５０  排気システム
５５  タービンディフューザ
６０  外側ステータ
６５  フレーム
７０  ディフューザセグメント
７５  ディフューザセグメントの前端
８０  ディフューザセグメントの後端
８５  フランジ
９０  隣接ディフューザセグメント
９５  第２のフランジ
１００  前端
１０５  固締具
１１０  冷却空気
１１５  シール
１２０  シールリテーナ
１２５  フランジ前端
１３０  前方に面した開口部
１３５  シールの第１の端部
１３７  シールの第２の端部
１４０  側面
１４５  側面
１５０  側面
１５５  熱伝導経路
１６０  重複部分の長さ
１６５  後ろ方向
１７０  個別のシールリテーナ
１７５  フランジ
１７７  ディフューザセグメント
１８０  質量勾配変動
２００  フローチャート
２１０  固定的に接続する第１の端部
２２０  固定的に接続する第２の端部
【図１】
2009052552.tif 000003
【図２】
2009052552.tif 000004
【図３】
2009052552.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009052552.tif 000007
【図６】
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