JP4185476B2 - ガスタービン内のクリアランスを制御するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転翼の先端と固定リングアセンブリとの間のガスタービン内のクリアランスを制御する一般的な分野に関する。

ガスタービン、例えばターボ機械の高圧タービンは、一般に、ターボ機械の燃焼室からくる高温ガスのための通路に、複数の動翼と交互に並ぶ複数の固定羽根を有している。タービンの動翼は、タービンの全周にわたって、固定リングアセンブリによって囲まれている。固定リングアセンブリは、タービンの動翼を通る高温ガスのフローストリームを画定する。

そのようなタービンの効率を高めるためは、タービンの動翼の先端と固定リングアセンブリの対向部分との間に存在するクリアランスを、できる限り小さく減少させれば良いことが分かっている。これを行なうため、固定リングアセンブリの径を変化させる手段が考案されている。そのような手段は、一般に、固定リングアセンブリを囲みかつターボ機械の他の部分から取り出された空気を運ぶ、環状ダクトの形態を成している。この空気は、高温ガスのストリームから離れて面する固定リングアセンブリの外面に対して噴射され、これにより、固定リングアセンブリを熱膨張または熱収縮させ、固定リングアセンブリの径を変化させる。一般に、この熱膨張または熱収縮は、ダクトに供給される空気の流量および温度を制御する弁により、ガスタービンの作動速度に応じて制御される。すなわち、ダクトと弁とによって構成されるアセンブリは、翼の先端におけるクリアランスを制御するためのボックスを形成する。

従来技術の制御ボックスは、固定リングアセンブリの全周にわたって、十分な温度の均一性を必ずしも得ることはできない。温度の均一性が得られないと、固定リングアセンブリの変形を招き、特に、ガスタービンの効率および寿命が悪化する。

また、固定リングアセンブリの外面に対して噴射される制御ボックスからの空気は、外部に排気される必要がある。この空気の排気は、固定リングアセンブリの外面に対して噴射される空気の流れを著しく乱すことなく行なわれなければならない。しかしながら、従来技術の制御ボックスにおいては、排気される空気が、一般に、噴射される空気の流れを乱し、それにより、翼の先端におけるクリアランスを制御するというボックスの効果を低減させてしまう傾向があることが見出された。

したがって、本発明は、排気される空気と噴射される空気との間での乱れを回避しつつ、固定リングアセンブリにおいて高い温度均一性を得ることができる、クリアランス制御装置を提案することにより、そのような欠点を緩和しようとしている。

この目的のため、本発明は、ガスタービンにおける回転翼の先端と固定リングアセンブリとの間のクリアランスを制御するための装置であって、この装置は、前記固定リングアセンブリを囲む環状の制御ボックスを備え、この制御ボックスは、互いに軸方向に離間するとともに、空気を放出することによって固定リングアセンブリの温度を変化させる複数の穿孔をそれぞれが有する、少なくとも２つの環状の空気循環ストリップと、前記空気循環ストリップから径方向に離間した環状の空気供給チャネルと、前記供給チャネルに空気を供給するための少なくとも１つの空気ダクトと、前記空気供給チャネルを前記空気循環ストリップに接続して、空気循環ストリップに空気を供給するとともに、固定リングアセンブリに対して放出された空気を、前記供給チャネルと前記循環ストリップとの間に流してそこから排気できるようにする、複数の中空の分配スペーサとを備えていることを特徴とする装置を提供する。

したがって、制御ボックスの空気供給チャネルと空気循環ストリップとの間の径方向の間隔は、固定リングアセンブリに対して放出された空気を排気するための隙間を形成する。その結果、放出された空気は、径方向に排気されるとともに、固定リングアセンブリに対して放出された空気の流れを乱すことはない。

また、この径方向の間隔により、制御ボックスの空気供給チャネルと空気循環ストリップとの間での熱交換を回避することができ、それにより、クリアランス制御装置の有効性を高めることができる。

固定リングアセンブリは、前記制御ボックスが内部に装着される環状のチャンバを画定するように、ガスタービンの外側ケーシングによって囲まれる内側ケーシングを備えていることが好ましい。

制御ボックスは、軸方向上流側端部で気密状態に外側ケーシングに当接するとともに、その軸方向下流側端部で内側ケーシングに気密状態で当接しており、これにより、環状チャンバの内側に、空気放出上流側エンクロージャと、上流側エンクロージャに対して気密な空気排気下流側エンクロージャとを画定する。

中空の分配スペーサの配置、数、孔径を使用して、空気循環ストリップに供給する空気の流量を調整することができ、したがって、固定リングアセンブリの温度を確実に均一にすることができる。

特に、空気供給チャネルを１つの空気循環ストリップに対して接続する分配スペーサは、他の空気循環ストリップの分配スペーサと角度方向で位置合わせされても良く、あるいは、他の空気循環ストリップの分配スペーサに対して角度方向にオフセットされていても良い。また、２つの連続する分配スペーサの角度間隔は、好ましくは約４５°を超えない。

本発明の他の特徴および利点は、決して限定するものではない一実施形態を示す添付図面を参照する以下の説明から明らかとなる。

図１は、本発明のクリアランス制御装置が取り付けられた、ターボ機械の高圧タービン２の長手方向断面図である。しかしながら、本発明は、ターボ機械の低圧タービン、またはクリアランス制御装置が取り付けられた任意の他のタイプの機械にも同様に適用することができる。

高圧タービン２は、特に、ターボ機械の燃焼室（図示せず）からくる高温ガスの流路６に配置された複数の動翼４によって構成されている。これらの動翼４は、流路６内の高温ガスの流れ方向１０において、タービンの固定羽根８よりも下流側に配置されている。

高圧タービン２の動翼４は、円形の連続する面を形成するように、タービンの軸の周囲に配置された複数の固定リングセグメント１２によって囲まれている。これらのリングセグメント１２は、複数のスペーサ１６を介して、ターボ機械の内側ケーシング１４に装着されている。以下の説明においては、固定リングセグメント１２と、内側ケーシング１４と、スペーサ１６とによって形成されるアセンブリを、「固定リングアセンブリ」と称する。

固定リングアセンブリの内側ケーシング１４には、径方向に延びるディスク状の環状フィンまたは突起１８が設けられている。これらのフィン１８の主な機能は、熱交換器としての役目を果たすことである。図１においては、そのようなフィン１８が２つ存在する。しかしながら、更に多数のフィンを有することが可能である。

各固定リングセグメント１２は、高温ガスと直接に接触しかつ高温ガスのための流路６の一部を画定する内面１２ａを有している。

各リングセグメント１２の内面１２ａとタービンの動翼４の先端４ａとの間には、動翼が回転できるように、径方向の隙間が残されている。すなわち、この径方向の隙間は、タービンの効率を向上させるよう可能な限り小さく形成されなければならないクリアランス２０を画定している。

動翼４の先端においてクリアランス２０を減少させるため、クリアランス制御装置が設けられる。このクリアランス制御装置は、固定リングアセンブリを囲む、より正確には、内側ケーシング１４を囲む、環状の制御ボックス２２の形態を成している。

制御ボックス２２は、ターボ機械の作動速度に応じて、内側ケーシング１４のフィン１８に対して空気を放出する（または、衝突させる）ことにより、フィン１８を冷却または加熱するようになっている。このような空気の放出作用により、内側ケーシング１４が収縮あるいは膨張し、それにより、タービンの固定リングセグメント１２の径が減少あるいは増大する。

本発明において、クリアランス制御装置の制御ボックス２２は、固定リングアセンブリの内側ケーシング１４を囲む少なくとも２つの環状の空気循環ストリップ２４を有している。

各空気循環ストリップ２４は、内側ケーシング１４のフィン１８に対して空気を放出するための複数の穿孔２６を有している。図１の実施形態において、各ストリップ２４の穿孔２６は、複数の穿孔からなる列を３つ備えた形態を成している。

図１においては、内側ケーシング１４のフィン１８の数が２つであり、そのため、制御ボックス２２は、互いに軸方向に離間する３つの空気循環ストリップ２４、すなわち、２つのフィン１８間に配置された中央ストリップ２４ａと、中央ストリップ２４ａに対して上流側および下流側にそれぞれ配置された上流側ストリップ２４ｂおよび下流側ストリップ２４ｃとを有している。

空気循環ストリップ２４は、フィン１８の形状と略一致していることが有利である。具体的には、各空気循環ストリップは、略矩形状の横断面を有している。

また、制御ボックス２２は、空気循環ストリップ２４に対して空気を供給するための環状の空気供給チャネル２８を備えている。空気供給チャネル２８は、循環ストリップ２４を囲んでいる。

さらに、供給チャネル２８に空気を供給するため、少なくとも１つの空気ダクト３０（図３Ａおよび図３Ｂ）が、供給チャネル２８内に開口している。空気ダクト３０を流れる空気は、ターボ機械の他の部分から取り出される。例えば、この空気は、ターボ機械の高圧コンプレッサまたは低圧コンプレッサの１つ以上のステージから、あるいは、そのファンから取り出されても良い。

空気は、ターボ機械の作動速度に応じて、より低温の空気またはより高温の空気を、制御ボックス２２に対して供給できる制御弁（図示せず）の制御下で送られる。

空気供給チャネル２８および空気循環ストリップ２４は、径方向に離間されるとともに、複数の中空の分配スペーサ３２によって互いに接続されている。

中空の分配スペーサ３２は、循環ストリップ２４に対して空気を供給する一方で、内側ケーシング１４のフィン１８に対して放出された空気が、空気供給チャネル２８と空気循環ストリップ２４との間で軸方向に流れてそこから排気されることを可能にする。

図２は、排気される空気が流れる経路をより明確に示している。この図において、矢印Ｆ１は、供給チャネル２８内および空気循環ストリップ２４内での接線に沿う空気の流れ方向を示しており、一方、矢印Ｆ２は、内側ケーシングのフィンに対して放出された空気の軸に沿う流れ方向を示している。

その結果、内側ケーシング１４のフィン１８に対して放出された空気は、空気循環ストリップ２４の穿孔２６を通過する空気の流れを乱すことはない。このような特定の構成により、タービンの動翼４の先端におけるクリアランス２０を制御する装置の有効性が高まる。

フィン１８に対して放出された空気が、実際に、空気供給チャネル２８と空気循環ストリップ２４との間で軸方向に流れることによって排気されることを確実にするため、タービン２には、固定リングアセンブリの内側ケーシング１４を囲む外側ケーシング３４が設けられていることが有利である。外側ケーシング３４は、軸方向上流側の端部において、ネジ／ナット型の固定部材３６により、内側ケーシング１４に対して固定されている。

内側ケーシング１４および外側ケーシング３４は、それらの間に、環状のチャンバ３８を画定しており、この環状チャンバ３８内に、本発明のクリアランス制御装置の制御ボックス２２が装着されている。より正確には、制御ボックス２２は、外側ケーシング３４に対して当接する軸方向上流側端部２２ａと、内側ケーシング１４に対して当接する軸方向下流側端部２２ｂとを有している。制御ボックス２２の下流側端部２２ｂおよび上流側端部２２ａは、シールガスケット４０を介してケーシングに対して気密状態で当接することが好ましい。

このように、内側ケーシング１４および外側ケーシング３４に対する制御ボックス２２の特定の構成により、環状チャンバ３８の内側に、「空気放出」上流側エンクロージャ４２ａと、上流側エンクロージャ４２ａに対して気密な「空気排気」下流側エンクロージャ４２ｂとを画定することができる。

したがって、空気循環ストリップ２４、特に上流側ストリップ２４ｂから放出された空気は、空気放出上流側エンクロージャ４２ａ内に閉じ込められ、供給チャネル２８と循環ストリップ２４との間を流れることによってのみ排気されることができる。制御ボックス２２の上流側端部２２ａで得られるシーリングは、空気が制御ボックス２２に回り込んで排気されることを防止する。同様に、下流側ストリップ２４ｃから放出された空気は、制御ボックス２２の下流側端部２２ｂで得られるシーリングによって制限され、供給チャネル２８と循環ストリップ２４との間を流れて排気される。

図１に示されるように、内側ケーシング１４のフィン１８に対して放出されかつ供給チャネル２８と循環ストリップ２４との間で排気される空気は、その後、空気排気下流側エンクロージャ４２ｂ内に閉じ込められる。

内側ケーシング１４は、軸方向下流側端部に、空気排気下流側エンクロージャ４２ｂ内に開口することにより、エンクロージャ４２ｂ内に閉じ込められた空気を排気する開口４４を有していることが好ましい。この開口４４は、ブッシング４６を備えていても良く、また、例えばターボ機械の低圧ノズル（図示せず）の第１のステージに供給するために、内側ケーシングのフィン１８に対して放出された空気を排気するように作用する。

以下、特に図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら、本発明のクリアランス制御装置の２つの考えられる構成について説明する。

これらの２つの構成において、制御ボックスは、２つの別個のアンギュラボックスセクタ４８（すなわち、それぞれが１８０°の半ボックス）を備えており、そのうちの一方だけが、図３Ａおよび図３Ｂに示されている。これらの２つのボックスセクタ４８は、ボックスセクタの各角度方向端部に配置されたオリフィス５０（図１）と協働する、ネジ／ナット型の固定部材によって互いに固定される。

また、端部同士を結合して３６０°にわたってボックスを形成する場合に適した、３つ以上の別個のアンギュラボックスセクタからなる制御ボックスを考案することもできる。

図３Ａおよび図３Ｂに示されるボックスセクタ４８は、各角度方向端部で閉じられており、空気が、一方のボックスセクタから他方のボックスセクタへと流れることができないようになっている。しかしながら、ボックスセクタ間に接続部を提供して、空気を、一方のボックスセクタから他方のボックスセクタへと流すことができるようにすることも可能である。

各ボックスセクタ４８は、それ自体、ボックスセクタの２つの角度方向端部間の中間点に、供給チャネル２８内に開口する１つの空気ダクト３０によって空気が供給される。また、この空気ダクトは、ボックスセクタの一方の角度方向端部で開口していても良い。また、複数の空気ダクトを設けることも考えられる。

図３Ａにおいて、各ボックスセクタ４８には、供給チャネル２８を図示の循環ストリップ２４に対して接続する、４つの中空の分配スペーサ３２が設けられている。これらの中空の分配スペーサ３２は、ボックスセクタ４８の半周にわたって配置されており、これにより、２つの連続するスペーサ間の角度間隔が、約４５°を超えないようにすることが好ましい。

図３Ｂにおいては、５つの中空の分配スペーサ３２が、供給チャネル２８を図示の循環ストリップ２４に対して接続している。より詳細には、ボックスセクタの各角度方向端部に１つの分配スペーサが配置され、２つの連続するスペーサ間の角度間隔が、約４５°を超えないことが好ましい。

見られるように、これら２つの構成の両方において、中空の各分配スペーサ３２を介して各循環ストリップ２４内へと入り込む空気は、２つの反対の接線方向に流れる。

また、見られるように、中空の分配スペーサの数および分配は、同じボックスセクタに属する空気循環ストリップ間で異なっていても良い。

すなわち、所定のボックスセクタにおいて、供給チャネルを１つの空気循環ストリップに接続する中空の分配スペーサは、供給チャネルを少なくとも１つの他の空気循環ストリップに接続する中空の分配スペーサに対して、角度方向にオフセットされていても良い。

空気循環ストリップ間で中空の分配スペーサを角度方向にオフセットすると、制御ボックス内の温度をより均一にすることができ、それにより、固定リングアセンブリの変形を完全に抑えることができる。

そのような角度方向のオフセットは、例えば図１および図２に示される自由空気循環ストリップを有する１つのボックスセクタで得ることができる。この実施形態においては、中央ストリップ２４ａ（または、逆に、上流側ストリップ２４ｂおよび下流側ストリップ２４ｃ）が、図３Ａに示される構成を有し、上流側ストリップ２４ｂおよび下流側ストリップ２４ｃ（または、逆に、中央ストリップ２４ａ）が、図３Ｂに示される構成を有していても良い。

３つのストリップ２４ａ、２４ｂ、２４ｃにおいて、そのような配置は、上流側ストリップ２４ｂおよび下流側ストリップ２４ｃの配置が対称となった、分配スペーサ３２の千鳥状の配置に対応している。そのような対称な配置により、内側ケーシング１４の２つのフィン１８間で略同じ熱膨張または熱収縮を得ることができ、それにより、固定リングアセンブリにわたる温度の均一性が向上する。

代わりに、所定のボックスセクタの供給チャネルを１つの空気循環ストリップに対して接続する中空の分配スペーサは、供給チャネルを他の空気循環ストリップに対して接続する中空の分配スペーサと角度方向で位置合わせされても良い。

図１および図２に示されるように、３つの空気循環ストリップ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを有する１つのボックスセクタの場合でも、３つの空気循環ストリップに同じ形状を与えることにより、中空の分配スペーサを角度方向で位置合わせすることができる。この実施形態において、３つの空気循環ストリップの形状は、図３Ａのストリップ形状、または、図３Ｂのストリップ形状と一致していても良い。

また、供給チャネルに接続された１つの中空の分配スペーサを介して、所定のボックスセクタの各空気循環ストリップに対して空気を供給することも考え得る。また、１つの分配スペーサが、ボックスセクタの一方の角度方向端部に配置されている場合、ストリップ内での空気の流れは、１つの接線方向で生じる。

所定の空気循環ストリップにおいては、中空の各分配スペーサの孔の径が、スペーサ間で異なっていても良い。分配スペーサの径を異ならせることにより、ストリップに供給される空気の流量を、スペーサの角度方向の位置に応じて制御することができ、これにより、固定リングアセブリの温度の均一性を向上させることができる。

一般に、また、要求に応じて、分配スペーサの数、孔径、配置は、所定の循環ストリップにわたって、また所定のボックスセクタにおいて、異なっていても良い。これらの様々なパラメータは、固定リングアセンブリの変形を最小限に抑えられるように選択される。

本発明のクリアランス制御装置の長手方向断面図である。 図１のクリアランス制御装置を切断した部分斜視図である。 本発明のクリアランス制御装置の２つの考えられる構成を示す部分断面図である。 本発明のクリアランス制御装置の２つの考えられる構成を示す部分断面図である。

符号の説明

２ 高圧タービン
４ 回転翼
４ａ 先端
６ 流路
８ 固定羽根
１０ 流れ方向
１２ 固定リングセグメント
１２ａ 内面
１４ ケーシング
１６ スペーサ内側
１８ 環状フィンまたは突起
２０ クリアランス
２２ 制御ボックス
２２ａ 軸方向上流側端部
２２ｂ 軸方向下流側端部
２４ 空気循環ストリップ
２４ａ 中央ストリップ
２４ｂ 上流側ストリップ
２４ｃ 下流側ストリップ
２６ 穿孔
２８ 空気供給チャネル
３０ 空気ダクト
３２ 分配スペーサ
３４ 外側ケーシング
３６ 固定部材
３８ チャンバ
４０ シールガスケット
４２ａ 「空気放出」上流側エンクロージャ
４２ｂ 「空気排気」下流側エンクロージャ
４４ 開口
４６ ブッシング
４８ アンギュラボックスセクタ
５０ オリフィス

Claims (9)

1. 固定リングアセンブリを囲む環状の制御ボックス（２２）を備え、ガスタービン（２）における回転翼（４）の先端（４ａ）と固定リングアセンブリとの間のクリアランスを制御するための装置であって、
   前記制御ボックス（２２）は、
   互いに軸方向に離間するとともに、空気を放出することによって固定リングアセンブリの温度を変化させる複数の穿孔（２６）をそれぞれ有する、少なくとも２つの環状の空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）と、
   前記空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）から径方向に離間した環状の空気供給チャネル（２８）と、
   前記供給チャネル（２８）に空気を供給するための少なくとも１つの空気ダクト（３０）と、
   前記空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に空気を供給するために前記空気供給チャネル（２８）を該空気循環ストリップに接続しており、前記固定リングアセンブリに対して放出された空気が、前記空気供給チャネル（２８）と前記空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）との間を流れることによってのみ排気されるようにする複数の中空の分配スペーサ（３２）とを備えていることを特徴とする、装置。
2. 固定リングアセンブリは、前記制御ボックス（２２）が内部に装着される環状のチャンバ（３８）を画定するように、ガスタービン（２）の外側ケーシング（３４）によって囲まれる内側ケーシング（１４）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御ボックス（２２）は、軸方向上流側端部（２２ａ）で気密状態に外側ケーシング（３４）に当接するとともに、軸方向下流側端部（２２ｂ）で内側ケーシング（１４）に気密状態で当接しており、前記環状チャンバ（３８）の内側に、空気放出上流側エンクロージャ（４２ａ）と、前記上流側エンクロージャ（４２ａ）に対して気密な空気排気下流側エンクロージャ（４２ｂ）とを画定することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記内側ケーシング（１４）は、軸方向下流側端部に、固定リングアセブリに対して放出された空気を排気するために、空気排気下流側エンクロージャ（４２ｂ）内に開口する空気開口（４４）を有していることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 内側ケーシング（１４）が、環状のフィン（１８）を有し、空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）が、前記フィン（１８）の形状と略一致していることを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記制御ボックス（２２）が、少なくとも２つの別個のアンギュラボックスセクタ（４８）からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 空気供給チャネル（２８）を１つの空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に対して接続する中空の分配スペーサ（３２）が、前記空気供給チャネル（２８）を少なくとも１つの他の空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に対して接続する中空の分配スペーサ（３２）に対して、角度方向にオフセットされていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 空気供給チャネル（２８）を１つの空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に対して接続する中空の分配スペーサ（３２）が、前記空気供給チャネル（２８）を他の空気循環ストリップ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に対して接続する中空の分配スペーサ（３２）に対して、角度方向に位置合わせされていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
9. ２つの連続する中空の分配スペーサ（３２）の角度間隔が、約４５°を超えないことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。

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