JP4920590B2 - タービンステータ用の保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービンステータ用の保護装置に関する。

ガスタービンは、燃焼によるガスを使用してガスのエンタルピーを有用な仕事に変換しかつ機械的出力を回転シャフトに供給する回転熱機械である。

従って、タービンは通常、外部から取り入れた空気をその内部で加圧状態にする圧縮機又はターボ圧縮機を含む。

様々な噴射器により燃料を供給し、燃料は、空気と混合されて燃焼用空気−燃料混合気を形成する。

軸流圧縮機の下流には、いわゆるタービン又はターボエキスパンダが配置され、このタービン又はターボエキスパンダは、燃焼室内で燃焼したガスのエンタルピーを変換した機械エネルギーをユーザに供給する。

機械的エネルギーを発生するための用途では、エキスパンジョンジャンプは、その各々がタービン内で起こる２つの部分的ジャンプに細分される。燃焼室の下流にある高圧タービンは、圧縮を伴う。高圧タービンから流入するガスを受ける低圧タービンは、次にユーザに連結される。

ターボエキスパンダ、ターボ圧縮機、燃焼室（又はヒータ）、出力シャフト、調整システム及び点火システムは、ガスタービンプラントの主要部分を形成する。

ガスタービンの機能に関して言えば、流体は、一連の入口ダクトを通して圧縮機に入ることが知られている。

これらの通路内では、ガスは、低圧低温特性を有するが、圧縮機を通過するにつれて、ガスは圧縮され、その温度が上昇する。

次にガスは、燃焼（又は加熱）室に入り、そこでガスは、さらに大きく温度が上昇する。

ガスの温度上昇に必要な熱は、噴射器により加熱室内に導入されたガス燃料の燃焼によって供給される。

機械を起動させる時の燃焼のトリガは、スパークプラグによって得られる。

燃焼室の出口において、高圧かつ高温のガスは、固有のダクトを通してタービンに到達し、タービンにおいて、ガスは、圧縮機及び加熱室（燃焼器）内で蓄積したエネルギーの一部を放出し、次に排気通路によって外部に流出する。

タービンの内部には、一連のステータブレードを備えたステータがあり、ステータ内には、これもまた一連のブレード（ロータ）を備えたロータが回転可能に収納され、ロータは、ガスによって回転させられる。

「シュラウド」としても知られる保護装置は、ステータブレードのプラットフォームと共に、主要ガス流を限定する。

シュラウドの機能は、通常は低品質材料で作られており、従って耐食性が低い外側ケースを酸化及び劣化から保護することである。

シュラウドは一般的に、完全なリングで構成されるか、或いはその各々が圧縮機から流入する空気流で冷却される一連のセクタに適当に分割される。

冷却は、様々な方法で行うことができ、その方法は、本質的に燃焼温度及び得ようとする温度低下に応じて決まる。

本発明に関連する保護装置のタイプは、組み立てられてリングを形成する一連のセクタを含み、セクタの各々は、その外側表面上に配置された空洞を有する。

高い燃焼温度を有する機械の場合には、最も広く使用される冷却方法は、「衝突冷却」として知られる方法である。

この方法によると、シュラウド自体を特に空洞の底面表面上への空気の衝突によって冷却するために、圧縮機から流入した新鮮な空気がそれらを通して引き込まれる一連の貫通孔を備えたシートが、好ましくはろう付けによって各セクタの各空洞上に固定され、空洞底面に衝突した空気はその後、各セクタ内に配置した一連の出口孔（図示せず）から排出される。

これらの手段にも拘わらず、たとえ効率的な冷却を行ったとしても、シュラウドと従ってまたそのセクタの各々とは、熱勾配及びタービンの作動温度による変形を受け、その変形は、室温における変形、つまりタービンが作動していない休止状態の形態とは異なる変形状態の形態を生じる。

熱勾配の結果、シュラウドの不均一な変形が生じる。

第１の欠点は、変形によりロータブレードとシュラウドとの間に摩擦が生じる危険性の可能性があるので、構成部品の有効寿命を短縮することである。

もう１つの欠点は、間隙が増大することによって、ステータを通り抜ける空気の吸い込みが生じ、そのことが次に、タービンの効率又はいずれにしても性能の低下を引き起こすことである。
米国特許第４，７８４，５６９Ａ号公報 欧州特許出願公開第１２２５３０５Ａ号公報

本発明の１つの目的は、ロータとタービンステータとの間の間隙を減少させるのを可能にするタービンステータ用の保護装置を提供することである。

別の目的は、タービン自体のエネルギー発生量及び出力を増大させ、またロータブレードと保護装置自体との間の摩擦の危険性を回避したガスタービンステータ用の保護装置を提供することである。

さらに別の目的は、作動時により大きな寸法安定性を有するタービンステータ用の保護装置を提供することである。

さらに別の目的は、単純かつ経済的なタービンステータ用の保護装置を提供することである。

本発明によるこれらの目的は、請求項１に記載したガスタービンステータの保護装置を提供することによって達成される。

本発明の更なる特徴は、後続の請求項に特定している。

本発明によるガスタービンステータの保護装置の特徴及び利点は、添付した概略図面を参照しながら以下の例示的かつ非限定的な説明を読むことにより一層明らかになるであろう。

図を参照すると、これらの図は、一連のセクタ１２を含むタイプのタービンのステータ用の保護装置１０を示しており、セクタ１２の各々は、一連のセクタ１２のセクタと組み立てるための固定手段を備える。

本発明によると、各セクタ１２は、環状形状のセクタを有し、かつ順々にリブ１６によって分割された少なくとも1つの空洞１４を有する第１の表面１３と、これもまたタービン内部に配置されたロータに面する、第１の表面１３とは反対側の第２の表面１７とを含む。

第２の表面１７は、一連のセクタ１２の第２の表面１７と共に内側回転表面を形成する。

各セクタ１２は、タービンが作動していない休止状態の形態からタービン自体の内部に生じる熱勾配によってセクタ１２が変形した作動状態の形態まで経由する。

休止状態の形態においては、各セクタ１２と従ってまた保護装置１０とは、好ましくは約２５℃の室温であるので、変形しない。

他方、作動状態の形態においては、各セクタ１２と従ってまた保護装置１０とは、熱勾配によって変形する、つまり好ましくは４０℃〜１１００℃の温度範囲内で変形状態の形態になる。

休止状態の形態においては、各セクタ１２の第２の表面１７は、タービン軸線に対して偏心距離４０を有する横断面を有する、つまり横断面の中心とタービン軸線との間にずれを有する。

言い換えると、各セクタ１２と従ってまた保護装置の一連のセクタ１２とは、非変形状態（休止状態）の形態においてはタービン軸線に対して偏心しており、また変形状態（タービンが高温度で作動している状態）の形態においてはタービン軸線と同軸である内側回転表面１７を有する。

言い換えると、変形状態つまり作動状態の形態においては、タービンロータの保護装置１０は、タービン自体の回転軸線に対してほぼゼロの偏心距離を有する状態で関連するロータに面する内側表面を有する。

このようにして、最小の間隙を得ること、従って保護装置１０を通り抜ける空気の吸い込みによる性能低下を最小にすることが可能になる。

その結果、タービンの作動温度範囲内でタービン軸線と同軸の変形状態の形態を有する保護装置１０又はシュラウドを得ることによって、タービンのより大きなエネルギー発生量及び出力が得られ、またステータ保護装置１０とロータブレードとの間での起こり得る摩擦の危険性が回避される。

タービンが作動していない、つまり２５℃の室温である休止状態の形態においては、保護装置１０は、偏心距離４０、つまりタービンの回転中心とシュラウドの横断面の中心との間のずれを有し、この偏心距離４０が、タービンロータの半径に対する無次元化絶対値で０．２５３〜０．０８６の範囲にあるのが好ましい。

このロータ半径に対して無次元化した、つまりタービンロータ半径で除算した偏心距離４０は、０．１４〜０．２０の範囲にある。

この偏心距離４０は、０．１７であるのが好ましい。

その理由は、タービンの作動温度範囲内で、保護装置１０は、タービン自体の内部における不均一な熱勾配により、半径方向及び軸方向の両方向の変形を受けるからである。

本発明の好ましい実施形態によると、作動状態の形態において、つまりタービンの作動温度範囲内において、タービンの軸線と同軸である変形状態の形態を有しかつ好ましくは円筒状の内側回転表面１７を有するタービンステータ用の保護装置を提供する。

このようにして、各セクタ１２は、作動温度範囲内において、タービンの回転軸線と軸方向に整列すると共にタービン自体の軸線と同軸の第２の内側表面１７を有する。

シュラウドとロータが備えたブレードとの間での起こり得る摩擦の危険性を回避するか或いはいずれにしてもそれを最小限に減少させることによって、装置自体の有効寿命の増大が得られ、その結果関連するタービンを保守するための時間及びコストも低減される利点がある。

従って、本発明によると、休止状態の形態においてタービンの回転軸線に対して偏心した内側回転表面を有する保護装置によって、タービンが機能している作動状態の形態においてタービン自体の軸線と完全に同軸でありかつその軸線を中心とした保護装置が得られ、本発明の諸目的を個別にかつ都合の良いことに同時に達成することが可能になることが明らかである。

このように着想した本発明のタービンステータ用の保護装置では、多くの改良及び変更を行うことが可能であるが、それらは全て同じ発明概念内に含まれる。

さらに、実施に際しては、使用する材料、同様に寸法及び構成要素もまた、技術的要求に従って変更することができる。

休止状態の形態における、本発明による保護装置のセクタの好ましい実施形態の立面断面図。 休止状態の形態における、図１のセクタの立面横断面図。

符号の説明

１０ タービンステータの保護装置
１２ セクタ
１３ 第１の表面
１４ 空洞
１６ リブ
１７ 第２の表面
４０ 偏心距離

Claims (5)

1. 結合手段によって互いに拘束された一連の環状セクタ（１２）を含み、前記一連のセクタ（１２）の各セクタが、その対応するセクタを冷却するための少なくとも１つの空洞（１４）を有しかつステータに接触するのに適した第１の表面（１３）とタービンのロータに面した第２の表面（１７）とを含むタイプのタービンのステータ用の保護装置（１０）であって、
   前記タービンが作動していない休止状態の形態において、各セクタ（１２）の前記第２の表面（１７）が、前記タービンの回転軸線のトレースに対して偏心距離（４０）を有する横断面を有し、
   他方、前記タービンがレジーム条件下で作動している作動状態の形態において、各セクタ（１２）の前記第２の表面（１７）が、前記タービンの回転軸線のトレースを中心とした横断面を有し、前記一連のセクタ（１２）の前記第２の表面（１７）が、前記タービンの回転軸線と同軸の円筒状表面を形成する
   ことを特徴とする保護装置（１０）。
2. 前記ロータの半径に対する前記無次元化偏心距離（４０）が、０．２５３〜０．０８６の範囲にあることを特徴とする、請求項１記載の保護装置（１０）。
3. 前記ロータの半径によって除算した前記偏心距離（４０）が、０．１４〜０．２０の範囲にある値を有することを特徴とする、請求項２記載の保護装置（１０）。
4. 前記ロータの半径によって除算した前記偏心距離（４０）が、０．１７であることを特徴とする、請求項２記載の保護装置（１０）。
5. 前記一連のセクタ（１２）が、前記少なくとも１つの空洞（１４）内部に配置された補強リブ（１６）を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項記載の保護装置（１０）。

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