JP6148465B2 - タービン組立体及びタービン部品を支持するための方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、タービンに関する。より詳細には、本主題は、タービン静止構造の組立体に関する。

蒸気又はガスタービンエンジンなどのタービンエンジンにおいて、静止又は非回転構造体は、互いに隣接して載置されたときに一定のクリアランスを有することができる。隣接する構造体間のクリアランスは、温度変化又は圧力変化によって引き起こされる移動を可能にする。例えば、ガスタービンエンジンにおいて、燃焼器は、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転換する。熱エネルギーは、流体（多くの場合、空気）によって圧縮機からタービンに運ばれ、ここで熱エネルギーが機械的エネルギーに転換される。燃焼器及びタービンノズル区域などの選択された場所における高い燃焼温度及び／又は圧力によって、燃焼効率及び出力生成を改善することができる。一部の例では、特定のタービン構造における高温及び／又は高圧は、隣接する構造体の相対移動を引き起こす可能性があり、これは、構造体の応力及び摩耗につながる接触及び摩擦を生じる可能性がある。例えば、リング又はケーシングのようなステータ構造体は、タービンケースの周りに円周方向に接合され、高温ガスがステータに沿って流れるときに高温高圧に曝される。

タービンクリアランスを縮小することによってタービン性能を向上させることが望ましい。一部の例では、クリアランスを縮小するには、偏心度、非真円度、及び部分振動を考慮に入れる必要がある。

米国特許第７５７５４０９号明細書

本発明の１つの態様では、タービン組立体は、第１の静止構造体と、第１の静止構造体の半径方向外向きの第２の静止構造体とを含む。当該組立体はまた、第２の静止構造体の凹部内に載置される支持部材を含み、該支持部材が、第１及び第２の静止構造体とそれぞれ接触する第１及び第２の湾曲した表面を含み、支持部材が、凹部内に支持部材を保持する付勢構造体を含む。

本発明の別の態様では、タービン部品を支持する方法は、内側タービンシェルをロータと実質的に同心状に配置するステップと、内側タービンシェルを外側タービンシェルで囲むステップとを含む。本方法はまた、支持部材により外側タービンシェルに対して内側タービンシェルを支持するステップを含み、支持部材が、内側及び外側タービンシェルの一方と接触していないときに支持部材の位置を維持するよう構成された付勢構造体を含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

例示的なタービンの部分断面図。 図１に示すタービンの簡易軸方向断面図。 タービン組立体の詳細な断面図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

本発明の実施形態は、ロータに対する内側タービンシェル及び／又は外側タービンシェルの位置を調整するクリアランス制御システムを含む。この際に、本システムは、タービンにおける回転部品と静止部品との間の動作クリアランスを縮小し、コスト効果のある方法で性能を向上させるよう複数のパラメータに対処する。主要なパラメータは、摩擦、偏心度、非真円度、筋肉、コスト、及び使い勝手を含む。本システムは更に、内側タービンシェルの温度、並びにひいては膨張及び収縮を制御するクリアランス制御構造体及び方法を含むことができる。本発明の種々の実施形態は、タービンに関連して説明及び例示することができるが、当業者であれば、本出願の原理及び教示は、回転及び静止部品を近接して有するタイプのタービンに等しく適用されることは理解されるであろう。

図１は、本発明の一実施形態による、タービン１０の簡易部分断面図を示す。図示のように、タービン１０は、一般に、ロータ１２と、１以上の内側タービンシェル１４と、外側タービンシェル１６とを含む。ロータ１２は、ロータ１２の長さに沿ってスペーサ２０により分離された複数のタービンホイール１８を含む。ボルト２２は、タービンホイール１８及びスペーサ２０を通って延びて、これらを所定位置に保持し、全体としてロータ１２の一部を形成する。円周方向に間隔を置いて配置されたタービンバケット２４は、各タービンホイール１８に接続され且つ該各タービンホイール１８から半径方向外向きに延びて、タービン１０の段を形成する。例えば、図１に示すタービン１０は、タービンバケット２４の３つの段を含むが、本発明は、タービン１０に含まれる段の数に限定されない。

内側タービンシェル１４は、ロータ１２の少なくとも一部を完全に囲む。図１に示すように、例えば、別個の内側タービンシェル１４は、タービンバケット２４の各段の外周を完全に囲む。このようにして、タービンバケット２４の内側タービンシェル１４及び外側タービンシェル１６は、タービン段をバイパスする高温ガス流を低減する。外側タービンシェル１６は一般に、ロータ１２及び内側タービンシェル１４を囲む。円周方向に間隔を置いて配置されたノズル２８は、外側タービンシェル１６に接続され、スペーサ２０に向けて半径方向内向きに延びる。例えば、図１に示すように、最も左端の第１段ノズル２８は、外側タービンシェル１６に接続され、第１段ノズル２８を越えるガスの流れが下流側方向で外側タービンシェル１６に対して圧力を作用させる。

図１に示すように、内側タービンシェル１４は、１以上の内部通路３０を含むことができる。これらの通路３０は、必要に応じて内側タービンシェル１４を加熱又は冷却する媒体の流れを可能にする。例えば、圧縮機又は燃焼器からの空気流は、高温ガス経路から迂回され、内側タービンシェル１４において通路３０を通って流量調整することができる。このようにして、内側タービンシェル１４は、制御された様態で半径方向に膨張又は収縮できるように加熱又は冷却され、タービンバケット２４の内側タービンシェル１４と外側タービンシェル１６との間の設計クリアランスを達成することができる。例えば、タービン１０の始動時には、加熱空気が内側タービンシェル１４の種々の通路３０を通って循環され、内側タービンシェル１４をタービンバケット２４の外周から半径方向外向きに膨張させることができる。内側タービンシェル１４は、ロータ１２よりも迅速に加熱するので、これにより、始動時の内側タービンシェル１４とタービンバケット２４の外周との間の十分なクリアランスが確保される。定常状態運転中、内側タービンシェル１４に供給される空気の温度は、タービンバケット２４の外周に対して内側タービンシェル１４を収縮及び膨張させるように調整し、これにより内側タービンシェル１４とタービンバケット２４の外周との間に所望のクリアランスを生成し、タービン１０の運転の効率を向上させることができる。同様に、タービン１０のシャットダウン中、内側タービンシェル１４に供給される空気の温度は、内側タービンシェル１４の収縮をタービンバケット２４よりも緩慢に維持し、タービンバケット２４の外周と内側タービンシェル１４との過剰な接触を避けるように調整することができる。これを受けて、媒体の温度を調整してシャットダウン中に所望のクリアランスを維持することができる。

本明細書で使用される場合、「下流側」及び「上流側」は、作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、「下流側」という用語は、一般的に作動流体の流れの方向に一致する方向を意味し、「上流側」という用語は一般的に、作動流体の流れの方向の反対方向を意味する。「半径方向」という用語は、軸線又は中心線に対して垂直方向の移動又は位置を意味する。これは、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品を説明するのに有用とすることができる。このような場合、第１の部品が第２の部品よりも軸線に対してより近接して存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向内向き」にあると記述することができる。これに対して、第１の部品が第２の部品よりも軸線から更に遠くに存在する場合には、本明細書では、第１の部品は第２の部品の「半径方向外向き」又は「外側寄り」にあると記述することができる。用語「軸方向に」は、軸線に平行に移動又は位置することを示す。最後に、用語「円周方向」は、軸線の周りの移動又は位置を示す。以下の考察では主としてタービンに焦点を当てるが、考察される概念は、タービンに限定されず、あらゆる回転機械に適用することができる。

図２は、線Ａ−Ａに沿った図１に示すタービン１０の簡易軸方向断面図を示す。この図において、ロータ１２は、半径方向に延びるタービンバケット２４に対して中心の位置にある。内側タービンシェル１４は、タービンバケット２４とロータ１２の少なくとも一部とを完全に囲み、内側タービンシェル１４とタービンバケット２４の外周との間にクリアランス３２を提供する。一実施形態では、内側タービンシェル１４は、ロータ１２の一部を完全に囲む単一要素構造を含む。単一要素設計により、複数要素設計で生じる可能性のある偏心及び非真円度が低減される。他の実施形態は、ロータ１２の一部を完全に囲む複数要素を備えた内側タービンシェル１４を含むことができる。内側タービンシェル１４の底部と外側タービンシェル１６の底部との間のブロック、キー、又は他の戻り止めを用いて、内側タービンシェル１４を横方向で所定位置に固定し、内側タービンシェル１４がロータ１２及び／又は外側タービンシェル１６に対して回転移動するのを拘束することができる。

図２に示すように、内側タービンシェル１４と外側タービンシェル１６との間にはギャップ３６又はスペースが存在する。結果として、内側タービンシェル１４は、外側タービンシェル１６から物理的に離隔され、外側タービンシェル１６の何らかの変形、収縮、又は膨張が内側タービンシェル１４に伝達されるのが阻止される。例えば、外側タービンシェル１６における高温ガス経路の熱勾配によって生じる偏心又は非真円度は、内側タービンシェル１４に伝達されず、従って、内側タービンシェル１４とタービンバケット２４の外周との間の設計クリアランス３２に影響を及ぼすことはない。

支持部材組立体３８は、内側タービンシェル１４と外側タービンシェル１６との間の支持を提供する。単一要素構造を含む内側タービンシェル１４の場合、組立体３８は、内側タービンシェル１４のほぼ垂直方向中間点（すなわち、内側タービンシェル１４の上部と下部の間の距離のほぼ半分）で対向する側部上に内側タービンシェル１４と外側タービンシェル１６との間に位置付けることができる。複数要素内側タービンシェル１４を有する他の実施形態では、本システムは、内側タービンシェル１４の周辺で等間隔に配置された複数の支持部材組立体３８を含むことができる。一実施形態では、外側タービンシェル１６は、支持部材組立体３８を収縮するよう構成されたシェルフ部材７０を含む。

支持部材組立体３８の図示の実施形態により、内側タービンシェル１４及び外側タービンシェル１６のような２つの独立した静止タービン構造体間の摩擦が低減される。図３に示すように、支持部材組立体３８は、構造体の相対移動中の摩擦を低減する、転動ブロックのような支持部材４０を含む。加えて、例示的な組立体及び支持部材４０は、タービン組立体の他の実施形態よりも少ない要素を有する。支持部材はまた、シェル構造体１４、１６の少なくとも１つと接触していないときに部材の向き及び位置を保持するよう構成される。図示のように、支持部材４０は、内側タービンシェル１４及び外側タービンシェル１６の支持表面４４及び４６とそれぞれ接触している。更に、外側タービンシェル１６内の凹部４２は、支持部材４０を受ける。

例示的な支持部材４０は、丸みのある縁部を備えた実質的に方形のブロックを含む。支持部材４０は、内側及び外側シェル構造体１４及び１６が相対移動するときに転動又は回転可能な移動５８を可能にする剛性構造体である。支持部材４０は、ブロックを支持する付勢部材４８及び５２を含む。一実施形態では、付勢部材４８及び５２は、支持部材４０のコーナーに近接して配置されたバネである。具体的には、付勢部材４８は、凹部４２内に配置されて支持表面４６及び横方向面５０と接触し、部材が支持表面４４と接触していないときに該支持部材４０を保持する。１つの実施例において、支持部材４０を凹部４２内に保持することにより、支持部材４０の位置及び向きが維持される。更に、付勢部材４８は、シェル構造体１４、１６の相対移動の間に支持部材４０の回転移動５８を可能にするような選択的剛性を有するよう構成される。付勢部材５２は、重力などの力により湾曲した表面５４が支持表面４４と接触したときに、支持部材４０を支持し且つ所望の向きに維持されるのを可能にする。

シェル構造体１４、１６の相対移動により、支持部材４０が小さな角度６０で転動及び回転する。例えば、内側シェル構造体１４と外側シェル構造体１６との間の約０．２００インチの相対移動により、約４度の小さな角度６０の回転が生じることができる。加えて、湾曲した表面５４及び５６が支持表面４４及び４６それぞれと接触し、摩擦の少ない回転移動５８を可能にする。例示的な湾曲した表面５４及び５６は、高強度ステンレス鋼又は高ニッケル合金などの高強度材料を含む。実施形態では、支持部材４０全体が高強度材料を含むことができ、或いは、炭素鋼又は他の好適なステンレス鋼などの異なる材料を含むブロック部を有することができる。支持部材組立体３８によりもたらされる摩擦の低減によって、シェル構造体１４、１６などの隣接するタービン部品間のクリアランスが縮小し、性能及び効率を向上させることが可能となる。更に、支持部材４０によりもたらされる摩擦の低減により、部品の偏心及び非真円度と共にコストが低減される。

一実施形態では、各支持部材組立体３８の位置（図２に示す）に２以上の支持部材が置かれ、ここで第２の「反対側の」支持部材は、内側シェル構造体１４の垂直方向中間点に沿った図３の部材の実質的に鏡像である。反対側の支持部材は、支持部材４０に隣接し且つ垂直方向中間点を通る線を横切っている。従って、反対側の支持部材は、支持表面４４に実質的に平行な内側シェル構造体１４の表面と接触して配置される。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ タービン
１２ ロータ
１４ 内側タービンシェル
１６ 外側タービンシェル
１８ タービンホイール
２０ スペーサ
２２ ボルト
２４ タービンバケット
２６ シュラウド延長部
２８ ノズル
３０ 通路
３２ クリアランス
３４ 戻り止め
３６ ギャップ
３８ 支持部材組立体
４０ 支持部材
４２ 凹部
４４ 支持表面
４６ 支持表面
４８ 付勢部材
５０ 横方向面
５２ 付勢部材
５４ 湾曲した表面
５６ 湾曲した表面
５８ 回転移動
６０ 角度
６２ 材料

Claims (12)

1. 第１の静止構造体と、
   前記第１の静止構造体の半径方向外向きの第２の静止構造体と、
   前記第２の静止構造体の凹部内に載置される支持部材と、
   を備え、
   前記支持部材が、前記第１及び第２の静止構造体とそれぞれ接触する第１及び第２の湾曲した表面を含み、
   前記支持部材が、前記凹部内に前記支持部材を保持する付勢構造体を含み、
   前記第１及び第２の湾曲した表面により前記支持部材の回転が生じ、前記第１及び第２の静止構造体の低摩擦での相対移動が可能になる、
   タービン組立体。
2. タービン組立体であって、
   第１の静止構造体と、
   前記第１の静止構造体の半径方向外向きの第２の静止構造体と、
   前記第２の静止構造体の凹部内に載置される支持部材と、
   を備え、
   前記支持部材が、前記第１及び第２の静止構造体とそれぞれ接触する第１及び第２の湾曲した表面を含み、
   前記支持部材が、前記凹部内に前記支持部材を保持する付勢構造体を含み、
   前記第１及び第２の湾曲した表面により、前記付勢構造体が変形している間に前記支持部材の回転が生じる、
   タービン組立体。
3. 前記凹部が、前記支持部材の第２の湾曲した表面と接触するよう構成された支持表面を含む、請求項１に記載のタービン組立体。
4. 前記凹部が、前記支持表面に隣接する２つの横方向表面を含む、請求項３に記載のタービン組立体。
5. 前記付勢構造体が、前記支持部材が前記第１の静止構造体と接触していないときに前記支持部材を保持するため前記２つの横方向表面と接触している、請求項４に記載のタービン組立体。
6. 前記第１及び第２の湾曲した表面が、高強度ステンレス鋼又は高ニッケル合金を含み、
   前記支持部材の少なくとも一部が炭素鋼を含む、
   請求項１乃至５のいずれかに記載のタービン組立体。
7. 前記付勢構造体が、前記支持部材が前記第１又は第２の静止構造体の一方と接触していないときに前記支持部材の位置を維持する、請求項１乃至６のいずれかに記載のタービン組立体。
8. ロータと、
   前記ロータの少なくとも一部の周りに配置され且つ第１の支持表面を含む内側タービンシェルと、
   前記内側タービンシェルの周りに配置され且つ前記第１の支持表面に実質的に隣接した第２の支持表面を含む外側タービンシェルと、
   前記第１及び第２の支持表面間に配置されて、前記内側及び外側タービンシェルの相対移動を可能にする第１の支持部材と、
   を備え、
   前記第１の支持部材が、前記第１及び第２の静止構造体とそれぞれ接触する第１及び第２の湾曲した表面を含み、
   前記第１の支持部材が、前記第１又は第２の支持表面の一方と接触していないときに前記第１の支持部材の位置を維持するよう構成される付勢構造体を含み、
   前記第１及び第２の湾曲した表面により前記支持部材の回転が生じ、前記第１及び第２の静止構造体の低摩擦での相対移動が可能になる、
   タービン。
9. 前記内側タービンシェルが第３の支持表面を含み、
   前記外側タービンシェルが第４の支持表面を含み、
   前記第３及び第４の支持表面間で前記第１の支持部材に実質的に隣接して第２の支持部材が配置されて、前記内側及び外側タービンシェルの相対移動が可能になり、
   前記第２の支持部材が、前記第３又は第４の支持表面の一方と接触していないときに前記第２の支持部材の位置を維持するよう構成された第２の付勢構造体を含む、
   請求項８に記載のタービン。
10. 前記付勢構造体が、前記第１の支持部材が前記第１の支持表面と接触していないときに前記第１の支持部材を前記第２の支持表面に接して保持する、請求項８または９に記載のタービン。
11. 前記第１の支持部材が、前記内側タービンシェルの実質的に垂直方向中間点にて配置される、請求項８乃至１０のいずれかに記載のタービン。
12. 前記内側タービンシェルが単一要素を含む、請求項８乃至１１のいずれかに記載のタービン。