JP4262971B2 - ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体に関する。
【０００２】
具体的には、本発明は、多段式軸流ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体に関する。
【０００３】
「ガスタービン」と言う用語は、燃焼過程から直接得たガスを用いて出力軸に機械的動力を供給する、ガスのエンタルピーを有用な仕事に変換する回転熱機関全体を表わす。
【０００４】
【従来の技術】
従って、通常、タービンは、その中で外部から吸い込んだ空気が加圧される１つ又はそれ以上の圧縮機又はターボ圧縮機を含む。
【０００５】
多数のインジェクタが、燃料を供給し、該燃料は空気と混合されて、燃焼させるための燃料空気混合気を形成する。
【０００６】
軸流圧縮機は、正しくはいわゆるタービンすなわちターボエキスパンダにより駆動され、該ターボエキスパンダは、燃焼チャンバ内で燃焼したガスのエンタルピーを変換することによってユーザに機械的エネルギーを供給する。
【０００７】
ターボエキスパンダ、ターボ圧縮機、燃焼チャンバ（すなわち加熱装置）、機械的エネルギーの出力軸、制御装置及び始動装置は、ガスタービン機械の不可欠な構成部品を形成する。
【０００８】
ガスタービンの作動に関しては、流体が吸入ダクトの組を通して圧縮機に流入することが知られている。
【０００９】
これらの流路内では、ガスは、低圧かつ低温であるという特徴があるが、圧縮機を通過するとガスは圧縮されてその温度が上昇する。
【００１０】
次にガスは、燃焼（すなわち加熱）チャンバに流入し、そこでその温度が更に高められる。
【００１１】
ガス温度を高めるのに必要とされる熱は、インジェクタにより加熱チャンバ中に導入される液体燃料を燃焼させることによって供給される。
【００１２】
点火は、機械が始動されるとき、点火プラグにより行なわれる。
【００１３】
燃焼チャンバの出口において、高圧かつ高温のガスは、適当なダクトを通過し、タービンに到達して、そこでガスは圧縮機内及び加熱（燃焼）チャンバ内で蓄積されたエネルギーの一部を放出し、その後排出ダクトを通して外部に流出する。
【００１４】
ガスによってタービンに伝えられる仕事量は、圧縮機中でガスが吸収した仕事量よりも大きいので、ある一定量のエネルギーは機械の軸内に残り、付属装置により及び可動機械部品の消極的抵抗により吸収された仕事量を差し引いた後のこの仕事量が、機械の有用な仕事量を構成する。
【００１５】
高出力を発生するように設計されたタービンは、一般的に複数段を備えて構成され、ガスにより生成されるエネルギーの有用な仕事への変換効率を最適化する。
【００１６】
ターボ圧縮機及びターボエキスパンダの各段は、ガスの圧力、温度及び速度のある一定の条件で作動するように設計される。
【００１７】
熱力学の技術から、所定のタービンから最大の効率を得るためには、構成部品に用いることができる材料との適合性を条件として、ガス温度は、できるだけ高くしなければならないということも知られている。
【００１８】
従って、運転状態は、特に厳しいので、タービン構成部品の一部の区域で急速な劣化を引き起こす可能性がある。
【００１９】
タービンの正常運転状態では、それ自体が問題である保守のための機械の停止に加えて、構成部品の破損によって引き起こされる損傷は、重大な結果を招く可能性がある。
【００２０】
従って、タービンの設計では、危険な温度上昇を防止するために臨界的な区域には冷却装置が設けられる。
【００２１】
例えば、空気は、この目的で圧縮機の適当な段から抽気されダクト装置を介してターボエキスパンダの段の臨界的な区域中に吹き込まれることができる。
【００２２】
設計者が直面する別の問題は、ターボエキスパンダ内及びターボ圧縮機内の両方で、段の作動環境を分離する問題である。
【００２３】
例えば、ターボエキスパンダでは、効果的な分離装置を設けて高圧段を低圧段から分離しなければならない。
【００２４】
前述の問題を解決するために、高圧及び低圧で作動するターボエキスパンダの間にシールドを形成する方法が知られており、これらのシールドは、環境を分離するだけでなく、タービンの特に高温の区域に冷却空気を送給するための流路を提供する機能も有する。
【００２５】
従来技術によるガスタービンは、本明細書に添付する図１に概略的に示す高圧ターボエキスパンダＡＰ及び低圧ターボエキスパンダＢＰを有する。
【００２６】
異なる圧力で作動するターボエキスパンダは、凸状表面を有し、その外周及び内周に沿って固定された円形リングの形状に作られた対をなす凸面形プレート２及び３により分離されている。
【００２７】
これらの凸面形プレート２及び３は、それらの間にダクト４を形成するように間隔を置いて配置され固定され、ダクト４は、該ダクト４内の中央位置に形成された出口５の組を通して高圧ターボエキスパンダに向けて低温の空気を運ぶようになっている。
【００２８】
説明した従来技術による分離装置は、冷却空気の出口のための区域を高圧ロータディスク６の近傍にのみ有しており、段の他の臨界的な区域には有していない。
【００２９】
更に、２つの凸面形プレート２及び３は、それらが２つのターボエキスパンダの間に遷移要素７を用いることを必要とするので、高圧及び低圧ロータを互いに近接して配置するのを妨げ、結果として圧力低下従ってタービンの効率低下を生じるという、全体としての寸法に関して欠点を有している。
【特許文献１】
米国特許第６４６４４５３号
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の欠点を解消した、ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体を提供することである。
【００３１】
本発明の別の目的は、高圧及び低圧ホイールハウジング並びに高圧ロータディスクロッドのような、ガスタービンの内部の高温区域に向けて冷却空気を導くことができる分離用構造体を提案することである。
【００３２】
タービンに関連する別の問題は、高圧環境と低圧環境との間の漏洩による損失にある。
【００３３】
これらの損失は、排気ガスの運動エネルギー、ダクト内の摩擦、風損等のような他の特性損失ほど重要ではないが、タービンの最適運転状態からの逸脱をもたらす効率の低下を含む。
【００３４】
本発明の更に別の目的は、高圧及び低圧環境を分離するシールリングのための支持体を提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるこれら及び他の目的は、請求項１に開示したような、ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体により達成される。
【００３６】
本発明による分離用構造体の別の特徴は、その後の請求項に特定されている。
【００３７】
本発明による高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体は、ターボ圧縮機の段から抽気された冷却空気を受けるためのダイアフラムと、該ダイアフラムに１端でボルト止めされた対をなす成形プレートと、該成形プレートの他端にボルト止めされ該プレートにより支持されたシールリングとを含む。
【００３８】
構造体は、高圧及び低圧段の間の分離を行い、成形プレート間の空間により形成される間隙により、冷却空気がダイアフラムを通してターボエキスパンダの高温区域に運ばれるのを可能にする。
【００３９】
本発明のさらなる特徴は、実例により与えられかつ制限する意図ではない、添付する概略図を参照してなされる本発明の１つの実施形態の以下の説明により一層明確になるであろう。
【００４０】
【発明の実施の形態】
図２に示すように、タービン１０は、ターボ圧縮機１１と、段１２’を備える高圧ターボエキスパンダ１２と、１３’及び１３”と番号を付けた２つの段を備える低圧ターボエキスパンダ１３とを含んでおり、「段」と言う用語はロータ及びステータの組立体を表わす。
【００４１】
ターボ圧縮機１１及び高圧ターボエキスパンダ１２は、第１シャフトに取り付けられ、一方、低圧ターボエキスパンダ１３の２つの段１３’、１３”は、第１シャフト（シャフトは図示せず）から分離された第２シャフトに取り付けられる。
【００４２】
両方のシャフトは、タービン１０の固定部分すなわちステータを形成するケーシング２４の内部で軸線２３の周りを異なる速度で回転可能である。
【００４３】
多段構成のタービンにおいては、ガスは、かなりの高温かつ高圧で高圧ターボエキスパンダ内において処理されそこで第１の膨張を行うので、この構成により効率を最適化することが可能になる。
【００４４】
続いて、低圧ターボエキスパンダにおいて、ガスは、前段よりも低い温度と圧力で第２の膨張を行う。
【００４５】
高圧段１２’におけるガスの膨張から得られるエネルギーは、ターボ圧縮機１１を駆動するのに用いられ、一方、低圧段１３’及び１３”は、実際に有用な仕事を供給する段である。
【００４６】
高圧ターボエキスパンダ１２の段１２’は、継手１７により固定された複数の高圧ロータブレード１８を支持するディスク１６を含む。
【００４７】
回転軸線２３の近傍に設置された中心ロッド２２は、ディスク１６をターボ圧縮機１１のロータと接触した状態に維持するのに用いられる。
【００４８】
低圧ターボエキスパンダ１３の段１３’及び１３”の各々は、継手２０により固定された複数の低圧ロータブレード２１を支持するディスク１９を含む。
【００４９】
高圧ターボエキスパンダ１２の段１２’及び低圧ターボエキスパンダ１３の第１段１３’のロータ翼配列は、固定ダクトすなわちステータ流路１４により分離された回転ダクトを形成する。
【００５０】
高圧及び低圧ターボエキスパンダ１２及び１３は、ステータ流路１４の背後に同軸にかつ該ステ―タ流路の下方に配置されたダイアフラム３１を含む分離用構造体により互いに分離される。
【００５１】
ダイアフラム３１は、ターボ圧縮機１１の適当に選定された段から抽気された冷却空気を高圧及び低圧ターボエキスパンダ１２及び１３の高温区域に向けて図２の矢印Ｆで示す方向に送給する機能を有する。
【００５２】
分離用構造体３０はまた、ダイアフラム３１に固定されその中に冷却空気が吹き込まれる間隙５２を形成する対をなす成形プレート５０’及び５０”と、高圧ターボエキスパンダ１２及び低圧ターボエキスパンダ１３の作動環境を分離し、かつ間隙５２から冷却空気を受けて該冷却空気をロッド２２と高圧ロータディスク１６との間の空間から成る臨界温度の区域に向けて分配するように設計されている、成形プレート５０’及び５０”により支持されたシールリング６０とを含む。
【００５３】
図３から図１０までを参照すると、ダイアフラム３１は、ステータ流路１４に面するその表面上に、冷却空気を注入するための複数の半径方向孔３２を有する環状の本体３１’を含む。
【００５４】
本体３１’を貫通するように設けられた半径方向孔３２の各々は、ステータのノズル１５の列に前記ダイアフラムを固定するようにされ、該ステータのノズル１５の列は、固定リング３８’により所定の位置に保持されたブッシュ３８により閉じられる。
【００５５】
上述のブッシュ３８は、ノズルを貫通する冷却ダクトを受けて、ブッシュ内の孔によりこれらのダクトを高圧及び低圧出口ダクト３３及び３４と連通させる。
【００５６】
必要に応じて、１つ又はそれ以上の制御計装端子をそれらの端部３２”を通して半径方向孔３２の一部に挿入することも可能である。
【００５７】
ダイアフラム３１の本体３１’は、分離用構造体３０を正しく位置決めするための、ノズル１５内に形成された対応する突出部分２５に当接するように設計された円周ストッパ３１”を含む。
【００５８】
従って、ダイアフラム３１は、高圧ロータブレード１８をディスク１６に接続する継手１７に向けられた複数の高圧出口ダクト３３と、低圧ロータブレード２１をディスク１９に接続する継手２０に向けられた複数の低圧出口ダクト３４とを含む。
【００５９】
これらの高圧及び低圧出口ダクト３３及び３４の各々は、ダイアフラム３１内の異なる半径方向孔３２から始まり、それらの半径方向孔３２により送り出された冷却空気の流れを選ばれた危険区域に向かう方向に運ぶ。
【００６０】
具体的には、高圧出口ダクト３３は、水平方向の形状にされるが、低圧出口ダクト３４は、傾斜した形状にされる。
【００６１】
図５、図７及び図９により明確に示すように、高圧出口ダクト３３及び低圧出口ダクト３４はまた、冷却空気の流れを危険区域に向け、該危険区域に達することができるように導くために、ロータの回転軸線２３と一致するダイアフラム３１の長手方向軸線に対しても斜めになっている。
【００６２】
設けられる高圧出口ダクト３３の数は、低圧出口ダクト３４の数の２倍であり、ダクトは、２つの高圧出口ダクト３３毎に１つの低圧ダクト３４がくる規則正しい交互パターンで配置される。
【００６３】
好ましい実施形態において、円周ストッパ３１”において測定されて４７７．８８mmの最大直径Ｄを有するダイアフラム３１には、４８個の半径方向孔３２、従って３２個の高圧出口ダクト３３及び１６個の低圧出口ダクト３４が設けられる。
【００６４】
ダイアフラム３１は、冷却空気の流れを間隙５２に向けて導くために、低圧出口ダクト３４に接続された少なくとも１つの接続流路３５を有する。
【００６５】
ダイアフラム３１の本体３１’に組み込まれ中心軸線２３に向かって延びる内側リング３６を半径方向に貫通する６つの接続流路３５があるのが好ましい。
【００６６】
接続流路３５は、リング３６の円周に沿って一様でない間隔で配置される。
【００６７】
図１１及び図１２を更に参照すると、成形プレート５０’及び５０”の各々は、同一の曲率の凸面５１を有する円形リングの形態に作られる。
【００６８】
前記成形プレート５０’及び５０”は、分離用構造体３０がその間に取り付けられる、前記高圧段１２’のロータディスク１６及び低圧段１３’のロータディスク１９の輪郭を沿うように、凸面５１が高圧ターボエキスパンダ１２に面する状態で半径方向に配置される。
【００６９】
具体的には、プレート５０’は高圧ターボエキスパンダ１２に面し、一方、成形プレート５０”は低圧ターボエキスパンダ１３に面する。
【００７０】
本発明の１つの実施形態において、凸面５１は、２３mmの曲率半径Ｒを有し、４７７．８mmの最大直径Ｄを有するダイアフラム３１に固定された４１７mmの外径Ｄ’を有する成形プレート５０’及び５０”内に形成され。
【００７１】
ダイアフラム３１の内側リング３６には、ダイアフラム３１の長手方向軸線に平行に配置された複数の固定孔３７が設けられ、それを通して成形プレート５０’及び５０”がダイアフラム３１にボルト止めされる。
【００７２】
この目的のために、成形プレート５０’及び５０”は、前記孔３７に一致するようにそれらの外周の近傍に形成された孔３７’を備える。
【００７３】
同様に、シールリングを成形プレート５０’及び５０”の内周の近傍に固定することができるように、シールリング６０は、シールリング６０の上面から半径方向外向きに延びる円周端縁６１を有しており、この円周端縁は、その軸線がシールリング６０の長手方向軸線に平行である複数の、好ましくは数が６個の固定孔６２が穿孔される。
【００７４】
成形プレート５０’及び５０”には、プレートの内周の近傍に配置されシールリング６０に設けられた固定孔６２と一致する、適当に間隔を置いて配置された孔６２’が設けられる。
【００７５】
また、円周端縁６１には、間隙５２から空気を受け、該空気を環状のロッド２２の近傍に送給するように設計された、複数の、好ましくは数が１２個の通風ダクト６３が半径方向に穿孔される。
【００７６】
円周端縁６１はまた、その中に設けられた孔６３’を有しており、これらの孔は空気の通過に利用されるダクトの数を必要な場合に増やすように設計されている。
【００７７】
これらのねじが切られた半径方向孔６３’は、通常はねじ付きプラグ（図示せず）により閉じられている。
【００７８】
従って、圧力及び温度状態に基づいて適当に選定されたターボ圧縮機の１つの段から抽気された空気は、危険温度にある高圧及び低圧ターボエキスパンダの区域に到達する。
【００７９】
本発明の好ましい実施形態において、ターボ圧縮機の抽気段は、１１段構成のターボ圧縮機の第７段である。
【００８０】
成形プレート５０’及び５０”に対して選ばれた輪郭は、振動現象を制限してシールリングを正確に位置決めすることを保証するように、分離用構造体３０の剛性の特性が増大されるのを可能にする。
【００８１】
成形プレート５０’及び５０”の構成は、２つのロータ（異なる速度で回転しかつ異なる圧力及び温度状態で作動する）が互いに近接して取り付けられることを可能にし、従って遷移要素７を不要にすることが可能になり、同時に圧力損失を最小にするのを助ける。
【００８２】
上述の説明は、本発明による、ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体の特徴を明確に表わし、またその利点も明らかにしている。
【００８３】
最後に、本発明による分離用構造体は、数多くの他の方法で変更することができることは明らかである。
【００８４】
特許請求の範囲に表わされる参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためではなくそれらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来タイプのガスタービンの部分概略図。
【図２】 本発明による分離用構造体を含むガスタービンの部分概略図。
【図３】 本発明による分離用構造体の断面図。
【図４】 分離用構造体の要素の側面図。
【図５】 図４の詳細図。
【図６】 図５の線ＶＩ―ＶＩで切断した部分断面図。
【図７】 図４の異なる詳細図。
【図８】 図７の線ＶＩＩＩ―ＶＩＩＩで切断した部分断面図。
【図９】 図４の別の詳細図。
【図１０】 図９の線Ｘ−Ｘで切断した部分断面図。
【図１１】 本発明による分離用構造体の要素の正面図。
【図１２】 図１１の線ＸＩＩ―ＸＩＩで切断した断面図。
【図１３】 本発明による分離用構造体の別の要素の正面図。
【図１４】 図１３の線ＸＩＶ―ＸＩＶで切断した断面図。
【符号の説明】
１０ タービン
１１ ターボ圧縮機
１２ 高圧ターボエキスパンダ
１２’ 高圧ターボエキスパンダの段
１３ 低圧ターボエキスパンダ
１３’ 低圧ターボエキスパンダの第１段
１４ ステータ流路
１５ ノズル
１６ 高圧ロータディスク
１８ 高圧ロータブレード
１９ 低圧ロータディスク
２１ 低圧ロータブレード
２２ 中心ロッド
２４ ケーシング
３０ 分離用構造体
３１ ダイアフラム
５０’、５０” 成形プレート
５２ 間隙
６０ シールリング

Claims (10)

1. ガスタービンの高圧及び低圧ターボエキスパンダを分離するための構造体であって、
   高圧ターボエキスパンダ（１２）の段（１２’）と低圧ターボエキスパンダ（１３）の第１段（１３’）との間のステ―タ流路（１４）の背後に同軸に配置され、冷却空気の流れを前記高圧及び低圧ターボエキスパンダ（１２、１３）の高温区域に向かって送給する機能を有するダイアフラム（３１）と、
   該ダイアフラム（３１）に固定され、前記冷却空気が吹き込まれる間隙（５２）を形成する対をなす成形プレート（５０’、５０”）と、
   前記高圧ターボエキスパンダ（１２）を前記低圧ターボエキスパンダ（１３）から分離しかつ前記間隙（５２）から得られる前記冷却空気を受けて分配するように設計されている、前記成形プレート（５０’、５０”）により支持されたシールリング（６０）と、
   を含むことを特徴とする構造体。
2. 前記ダイアフラム（３１）は、前記冷却空気を注入するための複数の半径方向貫通孔（３２）を有する環状の本体（３１’）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の分離用構造体。
3. 前記半径方向孔（３２）の各々は、前記ダイアフラムをブッシュ（３８）によりステータノズル（１５）列に固定するために用いられ、前記ブッシュの各々は、固定リング（３８’）により所定の位置に保持されることを特徴とする、請求項２に記載の分離用構造体。
4. 前記ダイアフラム（３１）は、前記高圧ターボエキスパンダ（１２）の段（１２’）の高圧ロータブレード（１８）をディスク（１６）に接続する継手（１７）に向けられた複数の高圧出口ダクト（３３）を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の分離用構造体。
5. 前記ダイアフラム（３１）は、前記低圧ターボエキスパンダ（１３）の第１段（１３’）の低圧ロータブレード（２１）をディスク（１９）に接続する継手（２０）に向けられた複数の低圧出口ダクト（３４）を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の分離用構造体。
6. 前記高圧及び低圧出口ダクト（３３、３４）の各々は、前記ダイアフラム（３１）内の異なる半径方向孔（３２）から始まることを特徴とする、請求項５に記載の分離用構造体。
7. 前記高圧出口ダクト（３３）の数は、前記低圧ダクトの数の２倍であり、該ダクトは、２つの高圧出口ダクト（３３）毎に１つの低圧出口ダクト（３３）がくるという規則正しい交互パターンで配置されることを特徴とする、請求項６に記載の分離用構造体。
8. 前記ダイアフラム（３１）は、４７７．８mmの最大外径（Ｄ）を有しており、４８個の半径方向孔（３２）を有することを特徴とする、請求項７に記載の分離用構造体。
9. 前記ダイアフラム（３１）はまた、前記冷却空気の流れを前記間隙（５２）に向けて導くために、前記低圧出口ダクト（３４）に接続された少なくとも１つの接続流路（３５）を有することを特徴とする、請求項７に記載の分離用構造体。
10. ６つの接続流路（３５）が形成され、該６つの接続流路は、同じ数の低圧出口ダクト（３４）から始まることを特徴とする、請求項９に記載の分離用構造体。

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