JP2012522161A - シールプレートおよび動翼システム - Google Patents

Abstract

特にガスタービン（１０１）における動翼システム（１）がタービンディスク（６）上に環状に配置された多数の動翼（１２）を備え、多数のシールプレート（４０）がタービンディスク（６）の側面（３４）に配置され、ガスタービンの簡略化された設計を可能にしながら最大限の効率が可能となる。この目的のために、各シールプレート（４０）は多数のシート（５０）を備えている。

Description

本発明は、ガスタービンのローターのためのシールプレートからなる環を形成しているシールプレートに関し、該シールプレートは主に複数の金属シートから形成されている。さらに、本発明は、特にガスタービンの動翼システムに関し、該動翼システムは、タービンディスク上に環状に配置された多数の動翼を有し、多数のシールプレートがタービンディスクの側面に配置されている。本発明はさらにこのような動翼システムを有するガスタービンに関する。

ガスタービンは、多くの分野において発電機の駆動、または機械の駆動に使用されている。この場合、燃料エネルギーは、タービン軸の回転運動を生産するために利用される。この目的を達成するために、燃料は燃焼室にて燃焼され、空気圧縮機から圧縮空気が供給される。燃料の燃焼の結果燃焼室にて作られた高圧および高温の運転媒体は、この場合燃焼室の下流に接続されたタービン装置へ向かい、膨張し仕事を行う。

タービン軸の回転運動を生産するために、この場合通常翼グループまたは翼列に集められた多数の動翼がこの軸上に配置される。この場合、翼付け根によって動翼が固定されているタービンディスクは、通常各タービンステージに設けられている。タービン装置内の運転媒体の流れを案内するために、さらに、タービンケースに接続され、かつ静翼列を形成するよう組み立てられた静翼が通常隣接する動翼列の間に配置されている。

ガスタービンの燃焼室は、数多くの燃焼器があるいわゆる環状の燃焼室として構成されることができ、タービン軸の円周の方向周りに配置されて、高耐熱性の周壁によって密閉された共通の燃焼室空間に通じている。この目的を達成するために、燃焼室は、環状構造として全体が設計されている。１つの燃焼室に加えて、複数の燃焼室を設けることも可能である。

通常燃焼室に直接接続されるのは、タービン装置の第１静翼列であり、運転媒体の流れ方向にから見て直後の動翼列と共にタービン装置の第１タービンステージを形成し、さらなるタービンステージが通常下流に接続されている。

このようなガスタービンの設計において、達成可能な電力に加えて、特に高い効率が通常設計の目標となる。この場合熱力学的な理由により、基本的に作動媒体が燃焼室から排出され、タービン装置へ流れる場所での排出温度を上げることにより、効率の向上が達成される。この場合、このようなガスタービンでは約１２００°Ｃ〜１５００°Ｃの温度が目標であり、また達成される。

しかし、このような高温の運転媒体により、露出した構成品および部品は、高い熱負荷にさらされる。熱い運転媒体の貫入に対してタービンディスクおよびタービン軸を保護するために、タービンディスクに、例えば特許文献１によって既知のシールプレートが設けられ、該シールプレートはそれぞれの場合タービン軸に垂直のタービンディスク表面に円形に取り囲む方法にて取り付けられている。この場合、タービンブレード毎に１つのシールプレートがタービンディスクの各側面に通常設けられている。タービン軸方向への熱い運転媒体の貫入を回避するように、屋根板状にこれらは重なり、かつ通常、それぞれ隣接する静翼まで延在するシール羽根を有する。

しかし、シールプレートは、さらなる機能を果たす。一方では、対応する締め付け要素によってタービンブレードの軸方向の固定を形成し、他方では、外部からの熱いガスの貫入に対しタービンディスクを封止するのみではなく、またタービンディスクの内部に誘導され、かつ通常タービンブレード自体の冷却のために通過する冷却空気の漏れをも回避する。

一体化したシール羽根を有するこのようなシールプレートは、通常真空埋没鋳造（例えばロストワックス埋没鋳造工程）により作られる。この場合、工程によって起こる寸法誤差を補うために、いくらかの余剰分が設けられる。シールプレートが幅広く、非常に薄い領域を有し、他の部分に質量が蓄積するという幾何学形状により、真空埋没鋳造では特に薄い領域において、反りおよび多数の気孔が生じることを避けられない。しかし、シールプレートの要求される形状により、これらは合金から作られることが多く、最終形状に近い形（near net shape）は説明された真空埋没鋳造の工程以外では作ることができない。

この理由により、このようなシールプレートは鋳造後に気孔を除去するために熱間静水圧プレスによって高温および高圧にて圧縮されなければならないことが多く、かつ最後に時間のかかる機械加工工程により外形を仕上げなければならない。まず一つは、説明された熱間静水圧プレス、機械加工仕上げ工程およびこれらに関連する材料損失は、非常に時間および費用がかかり、次に、機械加工仕上げ後でさえ一様でない質量分布が存在し続ける場合があり、これは、後に運転中のシールプレート機能を著しく制限し、かつガスタービンの効率損失を伴う可能性がある。

堅いカバーリングによって軸の移動に対してガスタービンの動翼を固定することが特許文献２によって知られている。この場合、開口部を有する斜めにセットされた邪魔板がカバーリングに固定され、開口部がディスクに隣接する空間に提供された冷却空気を捕捉し、かつカバーリングに配置された開口部によって冷却空気を動翼へ導く。しかしこの設計の場合、鋳造カバーリングがやはり必要である。

欧州特許出願公開第１９４４４７２号明細書 英国特許出願公開第９４７，５５３号明細書

したがって本発明は、可能な限り効率の高いガスタービンと同時にそれぞれ簡略化した構造を許容するシールプレートおよび動翼システムを目的とする。

この目的は、請求項１に記載の特徴によるシールプレートを使用した本発明によって達成される。

本発明は、後続の機械加工仕上げを伴う従来の習慣的な埋没鋳造工程を簡略化、または別の製造工程によって完全に置換されることができる場合、シールプレートの特に単純な生産が達成されることに基づく。この場合、シールプレートに選択された材料のため、説明された真空埋没鋳造以外の鋳造工程は可能ではない。したがって、シールプレートは、鋳造などの典型的な工程で作られるべきではなく成形法で作られるべきである。シールプレートの複雑な形を実現可能にするために、シールプレートは、成形によって複数の基本的な部品から作られる。これは、作成済みの金属シートの形成による特に単純な方法にて達成され、シールプレートは複数の金属シートから作られていると言える。

この場合シールプレートは、離間し、かつおよびシールプレートの平面に平行に配置された２つの金属シートを備える。これらは、シールプレートのそれぞれの端面を形成し、２つの金属シートの間の距離によって、シールプレートの厚さを正確に選択することができる。この場合、間隙が金属シート間に残り、これを冷却空気が通るために利用することができ、シールプレートの内部の冷却に利用することができる。したがって一方で、シールプレートの特に単純な構造が可能となり、他方で能動的な構成品冷却の結果として、シールプレートは、運転中に最も不利な環境に耐えることができるため、特に高い温度でのガスタービンの運転が可能となり、それに伴い特に高い効率が達成される。

好都合な発展形においては、多数の切り抜きを有する中間金属シートが、金属シートの間に配置される。このような中間金属シートは、端面として機能してシールプレートの金属シート間の接続を安定させ、正確かつ意図的な距離の選択を可能にする。中間金属シートの切り抜きの結果として、説明された利点を保ちながら冷却空気がシールプレートの内部を通ることが可能となる。

タービンディスクの中央に面する側のそれぞれの金属シートは、この場合好都合に曲げられている。成形により簡単に作ることができるこのような屈曲は、シールプレートがタービンディスクの中央に面する側に設けられた溝に固定されることを可能にし、かつタービンディスクにおけるシールプレートおよび動翼のしっかりとした保持を確実にする。これは、シールプレートの構造が変更されたにもかかわらず、従来使用されていたタービンディスクへの締め付け装置を変更する必要がなく、それゆえシールプレートを有する動翼システムおよびタービンディスクの特に単純な構造が可能となるという利点を提供する。

シールプレートへの冷却空気の特に単純な送り込みおよび供給を確実にするために、それぞれの金属シートは好都合に多数の冷却空気穴を有している。

入口側において、冷却空気穴は、タービンディスクに面していなければならず、この場合タービンディスクを通りシールプレートへ送り込まれる冷却空気が可能となり、かつ出口側においては、冷却空気穴は、隣接する構成品またはシールプレートに付属の金属シートの方向に向いており、例えばこれらの構成品の能動的な冷却がまた可能となる。

ガスタービンの熱ガス通路からの熱いガスの貫入に対し２つのタービンディスクの間の領域を封止するためのシール羽根の機能を保護するために、シールプレートはシールプレートの平面から向く金属シートを好都合に備える。そこに設けられた構成品を保護するために、これは隣接する動翼列まで到達し、タービン軸方向の熱いガスの貫入を防ぐ。

好都合な発展形によると、様々な金属シートが互いに溶接および／またははんだ付けされる。結果として、多数の金属シートから成るシールプレートの特に単純な構造が可能となる。

このように達成されるシールプレートの構造、特に端面を形成する２つの金属シートおよび冷却空気のための切り抜きを有する中間金属シートの３層設計は、互いに隣にある複数のシールプレート封止するために円周方向のさねはぎ（tongue-in-groove）接続を提供するよう配置されている。この目的を達成するために、溝および／または凸部（tongue）が好都合にそれぞれのシールプレートの端の領域に配置される。上述したスタイルのシールプレートの３層設計の場合、このような溝は中間金属シートの端を短くすることにより簡単に可能となり、または凸部は中間金属シートの端を長くすることによって可能となる。結果として、複数のシールプレート間の特に良好かつ単純な円周方向の封止が実現可能となる。

ガスタービンは、このような動翼システムを好都合に備え、かつまたガスおよび蒸気タービンプラントは、このような動翼システムを有するガスタービンを備える。

本発明を利用して達成される好都合は、特に単純な設計および構造の多数の金属シートによるシールプレート構造の結果として特に可能となる。この場合製造費用および材料費用は、他の方法と比較して低い。柔軟な材料の組合せの結果として、これから生じる使用材料および費用は減少させることができる。あらかじめ形成された金属シートを使用した場合は、鋳造工程の場合に必要である大きい平面の表面の機械加工仕上げが必要ない上、運転中にシールプレートの特に良好な封止効果がなおも達成される。この結果として、およびシールプレート内に冷却空気を導くことによる能動的な構成品の冷却の結果として、ガスタービン内の熱いガスの温度の下限値が得られ、全体として高い効率を達成することができる。

本発明の例示的な実施形態は、図面を参照してより詳細に説明される。

動翼システムの半断面を示す。 鋳造工程後のシールプレートの断面を示す。 機械加工後のシールプレートの断面を示す。 複数の金属シートから作られたシールプレートの断面を示す。 シールプレートの中間金属シートの上面図を示す。 多数の金属シートから作られたシールプレートの上面図を示す。 ガスタービンの半断面を示す。

全ての図において同様の部品には同じ符号が付されている。

図１は、従来技術によるガスタービンの動翼ステージのタービン軸に取り付けられたタービンディスク６の外周を通る動翼システム１の断面を示す。

この場合動翼１２は、翼付け根３２によって動翼保持溝３０に配置されている。動翼１２の翼付け根３２は、断面がもみの木形状をしており、動翼保持溝３０のもみの木形状に対応している。動翼付け根３２の外形の略図および動翼保持溝３０の略図は、他の図２と比べると９０°回転させて示されている。したがって、図示された動翼保持溝３０は、タービンディスク６の側面３４の間に延在している。

詳細には図示しないがいずれの場合にも隣接して設けられているのは静翼３６であり、ガスタービンの運転媒体の流れ方向から見て動翼１２の上流および下流に配置されている。この場合静翼３６は、環状に半径方向に配置されている。

タービンディスク６の両側において側壁３４のそれぞれに屋根板状に周囲を取り囲む方法にてシールプレート４０が挿入される。これらは、動翼１２が挿入されている溝４２でこれらの上側が保持されており、かつ下側はより詳細に図示されていない固定ボルトによって固定されている。

シールプレート４０は、この場合複数の役割を果たす。一方で、基本的に軸方向および方位角方向に延在する付加されたシール羽根４６によって、タービンからの熱い運転媒体Ｍの貫入に対しタービンディスク３６および隣接する静翼３６の間の間隙を封止する。他方でシールプレート４０はまた翼付け根３２の動翼保持溝３０内における軸固定を確実にし、かつ軸移動に対してこれらを固定する。軸および方位角固定は、動翼保持溝３０のもみの木形状によりすでに達成されている。さらにシールプレート４０は、冷却空気通路４８を通りタービンディスク３６を介して翼付け根３２および動翼１２へ導入される冷却空気の漏出を防ぐ。

図２および図３は、製造工程の２つの異なるステージにおける従来技術によるシールプレート４０の平面４９に垂直な断面を図式的に示す。

この場合図２に示すようにシールプレート４０は、特定の寸法の第１鋳物である。この場合、真空埋没鋳造工程が通常使用され、シールプレート４０は鋳造後に気孔を除去するために熱間静水圧プレスによって圧縮される。そしてシールプレート４０を図３に示すような仕上げの外形にするように、機械加工仕上げが実行される。

このような製造工程は、比較的時間を消費し、かつ費用がかかる。したがってシールプレート４０の製造工程を簡素化するために、シールプレート４０は、図４に示すような多数の金属シート５０から作ることができる。

図４によるシールプレート４０の場合、シールプレートの平面４９に平行に離間して配置された２枚の金属シート５０を初めに備え、この間に中間金属シート５２が導入される。したがって全体としてシールプレート４０の３層構造が作られる。ローターディスクの中央に面する側において、金属シート５０は、シールプレート４０の従来の鋳物形を模擬する屈曲部５４を備える。中間金属シート５２は、中実の構成ではなく、図５に上面図として示されている多数の切り抜き５６を備える。結果として、冷却空気穴５８を通る冷却空気Ｋの供給が可能となり、シールプレート４０を能動的に冷却することができる。

さらにシールプレート４０は、シールプレートの平面４９から向き、シール羽根４６を形成している金属シート５０を備える。この場合シール羽根を安定させるために、さらなる支持金属シート６０が設けられている。シールプレート４０から排出される冷却空気Ｋが、シール羽根４６および隣接する追加的な構成品上を流れ、かつまたそれらを冷却するように、冷却空気穴５８は排出側に向けられる。

個々の金属シート５０は互いに溶接され、シールプレート４０の特に単純な構造を可能にする。別の方法としては、金属シート５０をまた高温にてはんだ付けすることができる。

シールプレート４０は、図６に上面図によって再度示されている。この場合、中間金属シート５２は平行に向けられた２枚の金属シート５０に対して円周方向に移動され、その結果シールプレート４０の一端６２において溝６４が形成され、かつ逆の端６６には凸部６８が形成される。結果として、円周方向においてさねはぎ接続によって隣接するシールプレート４０を封止することができる。

図７に示されるガスタービン１０１は、空気を燃焼するための圧縮機１０２、燃焼室１０４ならびに、圧縮機１０２および図示しない発電機または機械を駆動するためのタービン装置１０６を有する。この目的を達成するために、タービン装置１０６および圧縮機１０２は、発電機または機械がまた接続されたタービンローターとも呼ばれる共通のタービン軸１０８上に配置され、タービンローターは中心軸１０９周りに回転可能に取り付けられている。環状の燃焼室の型に構成された燃焼室１０４には、液体燃料またはガス燃料を燃焼する多数の燃焼器１１０が装備されている。

タービン装置１０６は、タービン軸１０８に接続された多数の回転可能な動翼１２を有する動翼システム１を有する。動翼１２は、タービン軸１０８上に環状に配置され、それゆえ多数の動翼列を形成する。さらにタービン装置１０６は、またタービン装置１０６の静翼キャリア１１０上に環状に固定され、静翼列を形成する多数の固定静翼３６を備える。この場合、タービン装置１０６を通り流れる運転媒体Ｍから伝わる衝撃により、動翼１２はタービン軸１０８を駆動する働きをする。一方、運転媒体Ｍの流れ方向から見て、静翼３６は２つの連続した動翼列または動翼環の間を運転媒体Ｍが流れる案内をする働きをする。静翼３６の環または静翼列、および動翼１２の環または動翼列からなる連続したペアは、この場合タービンステージとも呼ばれる。

動翼１２と同様に、各静翼３６は翼付け根１１８を有し、翼付け根は、壁要素としてタービン装置１０６の静翼キャリア１１０上にそれぞれの静翼３６を固定するよう配置されている。この場合翼付け根１１８は、熱的に比較的負荷の重い構成品であって、タービン装置１０６を通って流れる運転媒体Ｍのための熱いガスの通路の外側の境界を形成する。

２つの隣接する静翼列の静翼３６の互いに離間して配置されたプラットフォーム１１８の間に、環状セグメント１２１がタービン装置１０６の静翼キャリア１１０上にそれぞれ配置されている。この場合各環状セグメント１２１の外表面はまたタービン装置１０６を通って流れる熱い運転媒体Ｍに露出され、かつ逆に位置する動翼１２の外側の端部から間隙によって半径方向に距離があいている。隣接する静翼列の間に配置された環状セグメント１２１は、この場合特に静翼キャリア１１０の内側のケースまたはケース内に設置された他の構成品を、タービン１０６を通り流れる熱い運転媒体Ｍによる熱の過剰なストレスから保護するカバー要素として作用する。

例示的な実施形態において、燃焼室１０４は、いわゆる環状の燃焼室として設計され、タービン軸１０８周りの円周方向に配置された多数の燃焼器１１０が共通の燃焼室の空間に通じている。このため、燃焼室１０４は全体としてタービン軸１０８周りに配置された環状構造として設計されている。

様々な金属シート５０から作られた動翼システム１のシールプレート４０は、一方で特に単純かつ安価な製造を提供し、他方で能動的な構成品の冷却により特に高効率のガスタービン１０１を達成することができる。

１ 動翼システム
６ タービンディスク
１２ 動翼
３０ 動翼保持溝
３２ 翼付け根
３４ 側面
３６ 静翼
４０ シールプレート
４２ 溝
４９ 平面
５０ 金属シート
５２ 中間金属シート
５４ 屈曲部
５６ 切り抜き
５８ 冷却空気穴
６０ 支持金属シート
６２ 一端
６４ 溝
６６ 逆の端
６８ 凸部
１０１ ガスタービン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼室
１０６ タービン装置
１０８ タービン軸
１０９ 中心軸
１１０ 燃焼器
１１８ 翼付け根
１２１ 環状セグメント
Ｋ 冷却空気
Ｍ 運転媒体

Claims (10)

1. ガスタービンのローターのためのシールプレート（４０）からなる環を形成しているシールプレート（４０）であって、
   前記シールプレートが多数の金属シート（５０）から形成され、かつ互いに離間しかつ前記シールプレートの平面（４９）に平行に対向して配置された２枚の金属シート（５０）を備えることを特徴とするシールプレート（４０）。
2. 多数の切り抜き（５６）を有する中間金属シート（５２）が前記金属シート（５０）の間に配置されている請求項１に記載のシールプレート（４０）。
3. 運転位置からで見て、それぞれの前記金属シート（５０）がタービンディスク（６）の中央に面する側に屈曲部（５４）を有する請求項１または２に記載のシールプレート（４０）。
4. それぞれの前記金属シート（５０）が多数の冷却空気穴（５８）を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のシールプレート（４０）。
5. 前記シールプレートの前記平面（４９）から向く金属シート（５０）を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載のシールプレート（４０）。
6. 多数の金属シート（５０）が互いに溶接、および／またははんだ付けされた請求項１〜５のいずれか一項に記載のシールプレート（４０）。
7. 溝（６４）および／または凸部（６８）がそれぞれの前記シールプレート（４０）の端（６２，６６）の領域に配置されている請求項１〜６のいずれか一項に記載のシールプレート（４０）。
8. 特にガスタービン（１０１）のための動翼システム（１）であって、
   タービンディスク（６）上に環状に配置された多数の動翼（１２）を有し、
   多数のシールプレート（４０）が前記タービンディスク（６）の側面（３４）に配置され、
   それぞれの前記シールプレート（４０）が請求項１〜７のいずれか一項に記載されたように設計されることを特徴とする動翼システム（１）。
9. 請求項８に記載の動翼システム（１）を有するガスタービン。
10. 請求項９に記載のガスタービン（１０１）を有するガスおよび蒸気タービンプラント。

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