JP4976124B2 - タービンノズル組立体を保持するための保持組立体及び保持シール組立体 - Google Patents

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Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンノズル組立体を組み立てるための方法及び装置に関する。
公知のガスタービンエンジンは、燃料−空気混合気を燃焼させる燃焼器を含み、燃焼混合気は次ぎに、タービンノズル組立体を通ってタービンに向かって流れる。少なくとも一部の公知のタービンノズル組立体は、燃焼器の後端部の周りに円周方向に配置された複数のアーチ形ノズルセグメントを含む。少なくとも一部の公知のタービンノズルは、内側バンドプラットフォームと外側バンドプラットフォームとの間に結合された複数の円周方向に間隔を配置された中空の翼形ベーンを含む。より具体的には、内側バンドプラットフォームは、半径方向内側流路境界面の一部分を形成し、また外側バンドプラットフォームは、半径方向外側流路境界面の一部分を形成する。
ノズルセグメントの内側バンドプラットフォーム及び/又は外側バンドプラットフォームの後方領域は、不十分な冷却により性能が制限される臨界領域である。従来型のノズルセグメントは、高圧空気が内側バンドプラットフォーム及び/又は外側バンドプラットフォームの長さに沿うようにするのを可能にするシール構成を利用している。しかしながら、そのような従来型のシール構成は、根本的にその信頼性に依存しており、例えば1つのシールが故障した場合には、全てのシール構成が機能しないことになる。さらに、従来型のタービンノズルセグメントを構成するのに利用する従来型の取付け方法は、保守整備を行うのが容易でない。
ここでは、ガスタービンエンジンの燃焼器に対してタービンノズル組立体を組み立てる方法が開示される。この方法は、燃焼器の後端部に半径方向外側保持リングを結合する段階を含む。複数のタービンノズルを準備する。各タービンノズルは、内側バンドと、半径方向に対向する外側バンドと、内側バンド及び外側バンド間で延びた少なくとも1つのベーンとを含む。各タービンノズルの外側バンドは、外側保持リングに結合される。内側保持リングは、ガスタービンエンジンの軸線の周りに配置されかつ各タービンノズルの内側バンドに結合されてタービンノズル組立体を形成する。
ひとつの態様では、ガスタービンエンジンの燃焼器に対して位置決めした状態でタービンノズル組立体を保持するための保持組立体を提供する。本保持組立体は、燃焼器の後端部に結合された半径方向外側保持リングを含む。半径方向内側保持リングが、ガスタービンエンジンの中心軸線の周りに円周方向に固定配置される。複数のタービンノズルが、内側保持リングの周りに円周方向に配置されてタービンノズル組立体を形成する。各タービンノズルは、内側保持リングに結合された内側バンドと、外側保持リングに結合された外側バンドと、内側バンド及び外側バンド間で延びた少なくとも1つのベーンとを含む。
別の態様では、保持シール組立体を提供する。本保持シール組立体は、ガスタービンエンジン燃焼器の後端部に結合された外側保持リングを含む。タービンノズルが、外側保持リングに結合される。タービンノズルは、前端縁と対向する後端縁とを有する外側バンドを含む。後端縁には、スロットが形成される。保持シールが、スロット内に配置された第1の端部を含む。ほぼ対向する第2の端部が、外側保持リングに接触する。本体が、第1の端部と第2の端部との間で延びる。保持シールは、弾性材料で製作されかつタービンノズルを外側保持リングに結合するのを可能にするように構成される。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明するが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には明らかであろう。
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器セクションに対してタービンノズル組立体を結合するための方法及び装置を提供する。本発明を固定ガスタービンエンジンの作動と共にその用途に関して以下に説明するが、当技術分野に精通しかつ本明細書に示した教示によって導かれる者には、本発明が、それに限定されないが、ボイラ、ヒータ及び他のガスタービンエンジンを含むあらゆる燃焼システムに同様に適用可能であり、また天然ガス、燃料、石炭、石油、或いはあらゆる固体、液体又は気体燃料を使用するシステムに適用することができることは明らかであろう。
図1は、例示的なガスタービンエンジン10の部分断面図である。1つの実施形態では、ガスタービンシステム10は、単一の一体構造のロータ又はシャフトに沿って配置された圧縮機、タービン及び発電機を含む。別の実施形態では、シャフトは、複数のシャフトセグメントに分割されており、各シャフトセグメントは、隣接するシャフトセグメントに結合されてシャフトを形成する。圧縮機は、加圧空気を燃焼器に供給し、燃焼器において、加圧空気は該燃焼器に供給された燃料と混合される。1つの実施形態では、ガスタービンエンジン10は、サウスカロライナ州グリンビル所在のGeneral Electric Companyから購入可能な7FA+e型ガスタービンエンジンである。本発明は、いかなる特定のガスタービンエンジンにも限定されるものではなく、例えばGeneral Electric CompanyのMS600IFA(6FA)、MS600IB(6B)、MS600IC(6C)、MS700IFA(7FA)、MS700IFB(7FB)、MS900IFA(9FA)及びMS900IFB(9FB)モデルを含む他のガスタービンエンジンモデルと共に実施することができる。
運転中、空気は圧縮機を通って流れ、圧縮機は、加圧空気を燃焼器に供給する。燃焼器からの燃焼ガスは、タービンを駆動する。タービンは、ガスタービンエンジン10の長手方向中心軸線(図示せず)の周りでシャフト、圧縮機及び発電機を回転させる。図1に示すように、ガスタービンエンジン10は、燃焼器ダクトの後端部14に結合されたタービンノズル組立体12を含む。1つの実施形態では、タービンノズル組立体12は、ガスタービンエンジン10の中心軸線の周りに円周方向に配置されてガスタービンエンジン10内部にタービンノズル組立体12を形成する複数のタービンノズル20を含む。
図2は、ガスタービンエンジン10(図1に示す)のようなガスタービンエンジンに使用することができる例示的なタービンノズル20の側面図である。図3は、タービンノズル20の斜視図である。図3は、燃焼タービンエンジン10(図1に示す)に使用することができる第1段タービンノズルセグメント20の例示的な実施形態を示す図である。本明細書で使用する場合、「軸方向寸法」、「軸方向」又は「軸方向長さ」というのは、例えば軸線100に沿って延びるか又は該軸線100に平行になったノズル部品又は構成部品の寸法、距離又は長さを意味することを理解されたい。さらに、本明細書で「半径方向寸法」、「半径方向」又は「半径方向長さ」というのは、例えば軸線100上の点で該軸線100と交差しかつ該軸線に対して垂直になった軸線102に沿って延びるか又は該軸線102に平行になったノズル部品又は構成部品の寸法、距離又は長さを意味することを理解されたい。さらに、本明細書で「円周方向寸法」、「円周方向」、「円周方向長さ」、「翼弦寸法」、「翼弦方向」及び「翼弦長さ」というのは、例えば図3に示すように軸線100上の点で該軸線100及び軸線102と交差しかつ該軸線100及び軸線102に対して垂直になった軸線104に沿って延びるか又は該軸線104に平行になったノズル部品又は構成部品の寸法、距離又は長さを意味することを理解されたい。例えば、タービンノズルのような構成部品によってタービンシャフトの周りに形成された円弧の長さは、翼弦長さと呼ぶことができる。
1つの実施形態では、タービンノズル20は、ガスタービンエンジン10の中心軸線の周りに円周方向に配置されてガスタービンエンジン10内部にタービンノズル組立体12を形成する複数のセグメントのうちの1つのセグメントである。タービンノズル20は、アーチ形半径方向外側バンド又はプラットフォーム24とアーチ形半径方向内側バンド又はプラットフォーム26との間で延びた少なくとも1つの翼形ベーン22を含む。より具体的には、1つの実施形態では、外側バンド24及び内側バンド26は各々、翼形ベーン22と一体形に形成される。
翼形ベーン22は、正圧側側壁30と負圧側側壁32とを含み、これらの側壁は、側壁30及び32間に冷却空洞38(図3に示す)が形成されるように前縁34及び翼弦方向に間隔を置いて配置された後縁36において接合される。側壁30及び32は各々、外側バンド24と内側バンド26との間で半径方向に延びる。1つの実施形態では、側壁30はほぼ凹面形であり、また側壁32はほぼ凸面形である。
外側バンド24及び内側バンド26は各々、それぞれ前端縁40及び42と、それぞれ後端縁44及び46と、それぞれそれらの間で延びたプラットフォーム本体48及び50とを含む。翼形ベーン22は、外側バンド前端縁40及び内側バンド前端縁42が翼形ベーン前縁34の上流に位置して外側バンド24及び内側バンド26がベーンの前縁34に沿った高温ガスの噴出を防止するのを可能にするように配向される。
1つの実施形態では、内側バンド26は、中心軸線に対して該内側バンドから半径方向内向きに延びた後方フランジ60を含む。より具体的には、後方フランジ60は、内側バンド26から該内側バンド26の半径方向内面62に関して半径方向内側に延びる。内側バンド26はまた、該内側バンドから半径方向内向きに延びた前方フランジ64を含む。1つの実施形態では、前方フランジ64は、内側バンド前端縁42に配置され、内面62から半径方向内向きに延びる。
図2に示すように、1つの実施形態では、外側バンド24は、該外側バンドからほぼ半径方向外向きに延びた後方フランジ70を含む。より具体的には、後方フランジ70は、外側バンド24から該外側バンド24の半径方向外面72に関して半径方向外側に延びる。さらに、図2に示すように、突出部74が、後方フランジ70の後面76から軸方向に延びる。外側バンド24はまた、該外側バンドから半径方向外向きに延びた前方フランジ80を含む。前方フランジ80は、外側バンド前端縁40と後方フランジ70との間に配置され、外側バンド24から半径方向外向きに延びる。1つの実施形態では、前方フランジ80の上流面82は、前端縁40に対してオフセットしている。図2に示すように、上流面82にはショルダ部が形成されており、フランジ上流面82が、フランジ面86からショルダ部84までほぼ平面になるようになる。
さらに図3を参照すると、1つの実施形態では、前方フランジ80は、不連続になっており、外面72から半径方向外向きに延びた少なくとも1つの円周方向に間隔を置いて配置された半径方向タブ88を含む。この実施形態では、各タービンノズル20は、その各々にピン穴90及び固締具穴92が形成された2つのタブ88を含む。各タブ88には、上流面94とほぼ平行な下流面96とが形成される。
図4は、タービンノズル組立体12を形成する図2及び図3に示すような複数のタービンノズル20に使用することができる、半径方向外側保持リング102と半径方向内側保持リング104と含む保持組立体100の斜視図である。図5は、図4に示す保持組立体100の部分分解斜視図である。図6は、図4に示す外側保持リング102の部分斜視図である。1つの実施形態では、複数のタービンノズル20は、外側保持リング102と内側保持リング104との間に配置されかつそれらに結合されてタービンノズル組立体12を形成する。特定の実施形態では、複数のタービンノズル20、例えば48個のタービンノズル20が、保持組立体100の内部にかつ内側保持リング104の周りに円周方向に配置されてガスタービンエンジン10内部にタービンノズル組立体12を形成する。
図2及び図4〜図6を参照すると、1つの実施形態では、後方フランジ60は、内側保持リング104の後端部108に形成されたショルダ部106に接触するように配置される。フランジ60をショルダ部106に接触させた状態で、内側保持リング104に対して保持セグメント110(図5に示す)を結合して、内側バンド26を内側保持リング104に対して位置決めした状態に保持する。特定の実施形態では、保持セグメント110には、複数の突起112が形成される。各突起112は、内側保持リング104内に形成された対応する空洞114内に嵌合される。突起112には、空洞114内に形成された開口118と整列した開口116が形成される。ネジ又はボルトのようなあらゆる好適な固締具(図示せず)を開口116及び/又は118内にねじ込み配置して、保持セグメント110を内側保持リング104に固定する。
図5及び図6に示すように、外側保持リング102は、後方端部フランジ120を含む。後方端部フランジ120の内面124内に、チャネル122が形成される。さらに図2を参照すると、外側バンド24の後方フランジ70上に形成された突出部74が、チャネル122内に配置されて外側バンド24を外側保持リング102に結合する。突出部74をチャネル122内に配置した状態で、ピン穴243(図6に示す)及び後方フランジ70に形成された対応するスロット98(図3に示す)内に回転防止ピン130を配置して、外側バンド24を外側保持リング102に結合する。図2に示すように、回転防止ピン130は、ガスタービンエンジン10の中心軸線にほぼ平行であり、回転防止ピン130は、ガスタービンエンジン10に対してほぼ軸方向に挿入されかつ取外されるようになる。図5に示すように、タービンノズル20は、外側保持リング102に結合された保持プレート140によって外側保持リング102に対して固定される。図2に示すように、1つの実施形態では、ネジ又はボルトのような好適な固締具142により保持プレート140を外側保持リング102に締結して、保持プレート140の外面144がノズル20の前端縁40と平面になるようにする。
1つの実施形態では、本発明は、例えば標的タービンノズルを修理及び/又は交換するためにタービンノズル組立体12から標的タービンノズル20を取外す方法を提供する。さらに図5を参照すると、複数のタービンノズル20は、内側保持リング104の周りに円周方向に配置されてタービンノズル組立体12を形成している。1つの実施形態では、48個のタービンノズル20がタービンノズル組立体12を形成している。複数の回転防止ピン130は各々、外側保持リング102に適正に結合された状態で対応するタービンノズル20を保持している。この実施形態では、タービンノズル組立体12内に適正に位置決めした状態でタービンノズル20を保持しているネジ又はボルトのような固締具が、保持プレート140及び対応する保持セグメント110から取外される。保持プレート140が、外側保持リング102に対する結合位置から取外される。同様に、保持セグメント110が、内側保持リングに対する結合位置から取外される。
標的タービンノズルに対して配置されたスペースタービンノズル20を保持している回転防止ピン130が、取外される。この実施形態では、スペースタービンノズル20は、保持組立体100内にかつ標的タービンノズル20に対して内側保持リング104の周りでの円周方向距離に配置されている。例えば、スペースタービンノズル20と標的タービンノズル20との間には、40個のタービンノズル20が配置されている場合がある。標的タービンノズル20とスペーシングタービンノズル20との間に配置された対応するタービンノズル20を結合している各回転防止ピン130が、取外される。対応する回転防止ピン130を取外した状態で、各タービンノズル20を内側保持リング104の周りで円周方向に移動させて、隣接するタービンノズル20を結合したシールを露出させる。標的タービンノズル20を軸方向に前方に移動させて、タービンノズル組立体12から標的タービンノズル20を取外す。標的タービンノズル20は、新しいタービンノズル20と交換するか又は修理する。次に、隣接するタービンノズル20を内側保持リング104の周りで適正な位置に摺動させて戻す。各対応する回転防止ピン130を対応するタービンノズル20内に挿入して、タービンノズル20を外側保持リング102に結合する。保持プレート140及び保持セグメント110を再設置して、保持組立体100の組立を完成させかつ燃焼器ダクト16の後端部14に対してタービンノズル組立体12を保持する。
図7は、外側バンド24の部分斜視図である。図8は、図7に示す外側バンド24の一部分の断面図である。1つの実施形態では、保持シール200が、ノズル20を外側保持リング102に結合するのを可能にするように構成される。図7及び図8に示すように、シール200は、第1の端部202と、ほぼ対向する第2の端部204と、それらの端部間で延びた本体206とを含む。この実施形態では、本体206は、第2の端部204に形成された保持部分210に移行する挿入部分208を含む。保持部分210は、挿入部分208が後端縁44に形成された通路222内に配置された状態で外側バンド24の後端縁44に形成されたスロット220内に挿入される。シール200を通路222内に適正に配置した状態で、第1の端部202は、外側保持リング102の後端部232に形成されたフランジ230と接触又は干渉するように半径方向外向きに延びて外側保持リング102に対するシールを形成しかつ外側保持リング102に対してノズル20を保持するのを可能にする。特定の実施形態では、図7に示すように、タブ240及び242は、シール200の反対側端部に形成され、スロット220内に保持部分210を適正に配置した状態に及び/又は通路222内に挿入部分208を適正に配置した状態に維持するように構成される。挿入部分208は、ほぼU形状でありかつ第1の端部202から延び、また保持部分210は、挿入部分208から第2の端部204まで延びる。従って、挿入部分208はアーチ形形状を有する。1つの実施形態では、シール200は、変形に耐える弾性材料で製作される。特定の実施形態では、シール200は、形状記憶材料で製作される。別の実施形態では、シール200は、該シール200が本明細書で述べるように機能するのを可能にするあらゆる材料で製作される。
タービンノズル組立体を組み立てるための上記の方法及び装置により、ノズルセグメント及びシールの容易な保守整備及び/又は交換が可能になる。より具体的には、本方法及び装置により、保持組立体内部に配置されているタービンノズル組立体から標的タービンノズルを取外すことが可能になる。その結果、タービンノズル組立体は、高い信頼性でかつ有効に適正な作動状態に維持することができる。
以上、タービンノズル組立体を組み立てるための方法及び装置の例示的な実施形態を詳細に説明している。本方法及び装置は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本方法の段階及び/又は本装置の構成部品は、本明細書に記載した他の段階及び/又は構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。さらに、記載した方法の段階及び/又は装置の構成部品はまた、他の方法及び/又は装置を構成するか又は他の方法及び/又は装置と組み合わせて使用することができ、また本明細書に記載した方法及び装置のみで実施することに限定されるものではない。
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。
例示的なガスタービンエンジンの部分概略図。 図1に示すガスタービンエンジンに使用することができる例示的なタービンノズルの部分断面側面図。 図2に示すタービンノズルの斜視図。 図1に示すガスタービンエンジンに使用することができる保持組立体の斜視図。 図4に示す保持組立体の分解部分斜視図。 図4に示す保持組立体の外側保持リングの部分斜視図。 図3に示すタービンノズルの部分斜視図。 図3に示すタービンノズルの部分断面図。
符号の説明
10 ガスタービンエンジン
12 タービンノズル組立体
14 後端部
16 燃焼器ダクト
20 タービンノズル
22 翼形ベーン
24 外側バンド
26 内側バンド
30 正圧側側壁
32 負圧側側壁
34 前縁
36 後縁
38 冷却空洞
40 前端縁
42 内側バンド前端縁
44 後端縁
46 後端縁
48 プラットフォーム本体
50 プラットフォーム本体
60 後方フランジ
62 内面
64 前方フランジ
70 後方フランジ
72 外面
74 突出部
76 後面
80 前方フランジ
82 上流面
84 ショルダ部
86 フランジ面
88 半径方向タブ
90 ピン穴
92 固締具穴
94 上流面
96 下流面
98 スロット
100 軸線
100 保持組立体
102 外側保持リング
104 内側保持リング
106 ショルダ部
108 後端部
110 保持セグメント
112 突起
114 空洞
116 開口
118 開口
120 後方端部フランジ
122 チャネル
124 内面
130 回転防止ピン
140 保持プレート
142 好適な固締具
144 外面
200 保持シール
202 第1の端部
204 第2の端部
206 本体
208 挿入部分
210 保持部分
220 スロット
222 通路
230 フランジ
232 後端部
240 タブ
242 タブ
243 ピン穴

Claims (8)

  1. ガスタービンエンジンジン(10)の燃焼器に対して位置決めした状態にタービンノズル組立体(12)を保持するための保持組立体(100)であって、
    前記燃焼器の後端部(108)に結合された半径方向外側保持リング(102)であって、後方端部フランジ(120,230)を含む半径方向外側保持リング(102)と、
    前記ガスタービンエンジンの中心軸線の周りに円周方向に固定配置された半径方向内側保持リング(104)と、
    前記内側保持リングの周りに円周方向に配置されて前記タービンノズル組立体を形成した複数のタービンノズル(20)であって、前記複数のタービンノズルの各タービンノズルが、前記内側保持リングに結合された内側バンド(26)と、前記外側保持リングに結合された外側バンド(24)と、前記内側バンド外側バンド延び少なくとも1つのベーン(22)とを含んでいて、前記外側バンド(24)の後端縁(44)にスロット(220)及び通路(222)が形成されている、タービンノズル(20)と、
    第1の端部(202)と、前記スロット(220)内に配置された第2の端部(204)と、第1の端部(202)と第2の端部(204)の間に延びる本体(206)とを有する保持シール(200)であって、前記本体(206)が、前記通路(222)内に挿入される挿入部分(208)を含んでいて、前記第1の端部(202)が前記本体から半径方向外側に延びて前記後方端部フランジ(120,230)と接触している、保持シール(200)と
    を備える、保持組立体(100)。
  2. 前記内側保持リング(104)が、該内側保持リング(104)の外周部の周りに形成されたショルダ部(106)と前記ショルダ部内に配置された各前記内側バンド(26)の一部分とをさらに含む、請求項1記載の保持組立体(100)。
  3. 各前記内側バンド(26)には、前記ショルダ部(106)内に配置されたフランジ(60)が形成される、請求項2記載の保持組立体(100)。
  4. 前記内側保持リング(104)に結合されて、該内側保持リングに対して位置決めした状態で前記内側バンド(26)を保持する保持セグメント(110)をさらに含む、請求項2記載の保持組立体(100)。
  5. 前記保持セグメント(110)が、複数の突起をさらに含み、前記複数の突起の各突起が、前記内側保持リング(104)内に形成された対応する空洞(114)内に配置される、請求項4記載の保持組立体(100)。
  6. 前記外側保持リング(102)が、記後方端部フランジ(120,230)の内面(124)内に形成されたチャネル(122)さらに含んでおり、前記外側バンド(24)が、後方フランジ(70)と、前記後方フランジ(70)によって形成され、前記チャネル(122)内に配置されかつ該外側バンドを前記外側保持リングに結合するように構成された突出部(74)とをさらに含む、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の保持組立体(100)。
  7. 前記中心軸線に平行にかつピン穴(90)及び前記外側バンド(24)に形成された対応するスロット(98)内に配置された回転防止ピン(130)をさらに含み、前記回転防止ピンが、前記タービンノズル(20)を前記外側保持リング(102)に結合するように構成される、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の保持組立体(100)。
  8. 前記外側保持リング(102)に結合されかつ前記タービンノズル(20)を前記外側保持リングに結合するように構成された保持プレート(140)をさらに含み、前記保持プレートの外面(144)が、前記タービンノズル(20)の前端縁(40)と同一平面になっている、請求項1記載の保持組立体(100)。
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