JP6732426B2 - 回転機械、回転機械を検査するための計器用ポート及び、回転機械のケーシングにおいて冷却通路のためのバイパス通路を設ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械のケーシングにおける冷却回路に関し、詳細には、ガスタービンのケーシングにおける冷却通路に関する。

回転機械のケーシングは通常、ケーシングの内側シェル及びタービン又は圧縮機内に延びるノズル又はベーンなどの機械の様々な位置に冷却空気を送給する冷却通路を含む。冷却通路は通常、ケーシングを通って横方向に延びる。冷却通路は、従来、別の冷却通路と交差するのを避けるように配列されている。冷却通路の交差を避けることにより、冷却通路に利用可能な位置が制限され、場合によっては曲がりくねった冷却通路となる可能性がある。

ケーシングにおけるポートは、ボアスコープ、光プローブ、及び他の計器をケーシングに挿入してガスタービンの内部構成部品を検査することを可能にする。ポートは一般に、ケーシングを通って半径方向に延びる。ポートは、ケーシングにおいて冷却通路を避けるように位置付けられる。典型的なタービンケーシングにおいては、多くの冷却通路が存在する。ポートに利用可能な位置は、僅かであり、検査すべきタービンの領域とは一致しない可能性がある。

冷却通路が他の冷却通路の経路を制限し、ケーシング上の特定の位置にポートを位置付けるのを困難にすることに起因して、冷却通路及びポートの位置付けの自由度をより拡大することができ、また、他の冷却通路及びポートとの交差により冷却通路が確実に阻害されないようにする方法及び装置に対する長年にわたる要求が存在する。

米国特許第８，６４０，４９６号明細書

冷却通路が交差できるプラグ組立体、又は冷却通路を交差させるポートが考案される。プラグ組立体は、ポートに対応する位置にて冷却通路内に位置付けられるカラーを含む。カラーは、ポート又は別の冷却通路の片側又は両方の周りに延びるバイパス冷却通路を提供する。

プラグ組立体は、カラー内に嵌装される中空の円筒挿入体を含む。挿入体は、別の冷却通路又はポートを受ける開口を提供する。挿入体及びその開口は、他の冷却通路の軸線又はポートの軸線と整列することができる。

ポートの場合において、挿入体の開口の軸線は、ポートに挿入される計器によって検査されることになるタービン領域と交差することができる。ポートは、ケーシングを貫通して延び且つ半径方向直線と同軸の管状シャフトにより形成することができる。管状シャフトは、プラグ組立体の挿入体に延びる。

本発明は、回転機械の回転構成要素のための環状チャンバを提供するケーシングと、ケーシングを通って延び又はケーシングの表面に装着される冷却通路と、ケーシング内に又はケーシングに装着され、冷却通路に接続されるプラグ組立体と、を備えた回転機械として具現化することができ、プラグ組立体が、カラーと、該カラーの軸線と整列した導管とを含み、カラーが、冷却通路と流体連通した冷却空気バイパス通路を含み、冷却通路からの冷却空気がバイパス通路を通って流れて冷却通路に戻るようになり、回転機械が更に、プラグ組立体を通って延びる別の冷却通路又はポートを備える。

導管は、外側プラグ及び内側プラグを有する中空プラグを含むことができ、外側プラグが内側プラグ内の開口に嵌合し、外側プラグが、ケーシングの内側シェルの外面上に嵌装されるフランジを含み、内側プラグが、ケーシングの内面上に嵌装されるフランジを含む。外側プラグは、外側側壁においてリングスロットを含むことができ、内側プラグが、内側壁上にリップを含み、リップは、外側プラグと内側プラグが共に接合されている間リングスロットに係合する。外側プラグがまた、回転機械の回転軸線の半径方向直線に沿って整列した中空管体の端部を受けるように構成された内側桟部を含むことができる。

カラーは、ケーシング内に形成された中空環状チャンバとすることができる。代替として、カラーは、ケーシングの内側シェルの外面に装着され、内側シェルを通って延びる開口と整列された環状ハウジングとすることができ、環状ハウジングが、計測ポートの中空管体の端部のためのマウントを含み、導管が、環状ハウジングの内側環状壁により形成される。環状ハウジングが、外側側壁と、該外側側壁を貫通して冷却通路に接続された開口とを含むことができる。

本発明は、回転機械を検査するための計器用ポートとして具現化することができ、該計器用ポートが、回転機械のケーシングを少なくとも部分的に貫通して延びる中空管体を備え、中空管体が回転機械の回転軸と横断方向で整列し、中空管体が、ケーシングの外面にある近位端と、ケーシングの内面に近接した遠位端とを含み、ポートが更に、ケーシング内にある又はケーシングに装着され且つ中空管体の遠位端に接続されたプラグ組立体を備え、プラグ組立体が、カラー及び導管を含み、導管が、中空管体と同軸で該中空管体の通路に開いており、カラーが、ケーシング内にある又はケーシングに装着された冷却空気通路に開いている冷却空気バイパス通路を定める。

回転機械のケーシングにおいて冷却通路のためのバイパス通路を設ける方法は、ケーシング内に又はケーシングに、バイパス冷却通路を有するカラーと中心開口とを含むプラグ組立体を装着するステップと、第１の冷却通路又は管体をカラーの中心開口を通って延在させるステップと、バイパス冷却通路を第２の冷却通路に接続して、冷却空気が第２の冷却通路を通りバイパス冷却通路を通って流れて第２の冷却通路に戻るようにするステップと、を含む。

ガスタービンのタービンセクションにおける環状ケーシングの一部の斜視図。 ケーシングを貫通して延びる冷却通路及び計測ポートを例示した、環状ケーシングの一部の断面図。 ケーシングの内側シェルの一部、冷却通路と交差する計測ポート、及び交差部におけるプラグ組立体の斜視図。 ケーシングの内側シェルに位置付けられたプラグ組立体の断面図及び分解図。 冷却通路が交差したケーシングの内側シェルの一部及び交差部におけるプラグ組立体の斜視図。

図１は、ガスタービン又は他の回転機械のタービン用の環状ケーシング１０の一部を示す。ケーシング１０は、タービンバケット（ブレード）及びホイールの列並びにガスタービンのシャフトなど、機械の回転構成要素を囲む。ケーシング１０は、通常は金属製であり、回転構成要素のための中空チャンバを形成する。ケーシングは、バケットの列と交互してこれを囲む固定シュラウド及びノズル（ベーン）の列を支持する内面１２を有する。シュラウドは、ノズルと共にタービンを通るガス経路を定めるように配列される。

ケーシング１０は、外側シェル１４と内側シェル１６とを含むことができる。シェルは、一体的に形成されるか、又は別個の構成要素として組み立てることができる。外側シェルは、内側シェルを内包し取り囲む。内側及び外側シェルは、ケーシング１０において二重壁を形成する。内側壁及び外側壁は、リブ、フランジ、及び壁間に延びる他の支持構造体により接続することができる。

冷却通路２０は、内側シェル内に埋め込まれるか、又は内側及び外側シェル間のギャップ１８内に延びることができる。冷却通路２０は、冷却空気を提供してタービンを冷却する。冷却空気供給源は、ガスタービンの圧縮機から取り出された空気を圧縮することができる。冷却通路２０は通常、ケーシングを通ってタービンの種々のセクションに対して横方向に延びる。冷却通路は、内部ケーシングに冷却をもたらし、ノズル（ベーン）の環状アレイ及び回転タービンバケット（ブレード）の環状シールのようなタービン構成要素に冷却空気を提供する。冷却通路は通常、ケーシングの円周周りに対称的に配列される。

ポート２２は、ケーシングを貫通して延びて、ボアスコープ又は光プローブのような計器のシャフトを挿入するための通路を提供する。ポートは通常、タービン回転軸線に対して半径方向の直線に沿って延びる狭い通路である。ガスタービンがシャットダウンしている間に、計器がポート内に挿入され、計器の先端がタービンを通るガス経路付近又は内部に延びる。先端の光学素子により、技師は、計器の先端付近でタービンを目視検査し、すなわち、例えば、ガス経路内のタービンバケット、ノズル、シュラウド及び他の構成要素を検査することができる。ポート２２は、ガスタービンの作動中には閉鎖され、ポートを通じてガスが漏洩するのを防ぐことができる。半径方向に延びるポート２２は、ケーシングを貫通して延びている。ポートは、外側シェル１４の開口２６の側部によって、及び内側シェル１６のプラグ組立体２８によって支持された中空管体２４とすることができる。ボアスコープのような計器のシャフト３０が管体２４内に挿入されて、内側シェルの内部表面１２の半径方向内向きにあるタービン領域を検査している。計器は、図２において破線で示されているが、実際には取り外し可能であり、通常は、ガスタービンの検査の間だけポート内に挿入される。

冷却通路２０は、図２に示すように内側シェルを通って横方向に延びる。冷却通路はまた、図３に示すように内側シェルと外側シェルとの間のギャップ１８内にある。中空管体２４は、図２及び図３の各々において冷却通路２０と交差している。交差部には、管体２４のためのバイパス通路と、管体の周りの冷却空気通路とを提供するプラグ組立体２８がある。プラグ組立体が存在しなければ、交差により、管体２４が冷却通路２０を遮断し、当該通路を通る冷却通路の流れを阻止する結果となる。冷却通路の阻止により、遮断された冷却空気を受け取ったタービンの部分が、過度に加熱されて意図した以上に膨張を生じることになる可能性がある。タービン部品の過度の加熱及び過度の膨張は、熱損失、固定及び回転タービン構成要素間の摩擦、並びにタービン内のガス経路を流れる高温ガスの漏洩を生じる可能性がある。管体２４の周りに冷却空気通路を設けることにより、プラグ組立体２８は、他の場合にはポートによって遮断されるはずの冷却通路を通じて冷却空気を適切に流すことが可能となる。

プラグ組立体２８における冷却通路は、冷却通路と管体２４との交差部にて内側シェルに位置付けられたカラー３２，３４により提供することができる。カラーは、図２に示すように内側シェルに埋め込まれ、又は内側シェルの外面に装着することができる。接合部は、冷却通路と交差するように内側シェルのカラー３２を機械加工することによって形成することができる。接合部３６はまた、冷却空気が通路又はカラーから漏洩しないようにカラー３４を冷却通路に溶接、鋳造又は他の取付法により形成することができる。

カラーは、図２に示すように内側シェルに形成された管状開口３２、又は図３に示されるように内側シェルに装着された環状構成要素３４とすることができる。図２に示す実施例において、カラーは、プラグ組立体２８に対する内側シェルに開口を形成し、該開口を拡大させて開口に対して同軸にシェル内に同軸の環状スペースを形成することにより、内側シェル内に機械加工又は他の方法で形成することができる。環状スペースは、内側シェル１６に埋め込まれるカラー３４により占有される。図３に示すように、カラー３４は、内側シェル１６の外面に装着されて、冷却通路２０の対向する端部に接合（３６）される環状金属ディスクとして具現化される。カラー３４は、プラグ組立体のプラグ３８，４０及び内部冷却通路４２を受ける内側円筒面を含む。通路４２は、カラー３４内部で、カラーに接合された冷却通路２０の端部間に延びる環状通路とすることができる。

図３は、内側シェル１６の外面に装着されたプラグ組立体２８を示す。プラグ組立体２８は、冷却通路２０と交差する。プラグ組立体２８は、中空の内部冷却通路４２を備えた環状ハウジングを有するカラー３４を含む。カラーは、内側シェルの開口と半径方向に整列して装着される。カラーの一方端は、内側シールにシールされ、カラーによって覆われる開口を通って高温ガスがタービンから漏洩するのを防ぐ。カラーの反対側の端部は、計器ポートのための中空管体の端部にシールされる。管体２４のフランジ付き端部は、カラーから半径方向外向きに延びるネジ付きリムと、フランジ付き端部をカラーに対して押し付けるナット４３とによってカラーに固定される。図３に示すプラグ組立体２８の実施形態におけるカラー３４は、内部バイパス冷却通路４２のためのハウジングと、タービンからの高温ガスの漏洩を防ぐために内側ケーシングの開口をシールするプラグとを形成する。

冷却通路４２とカラー３２によって形成される冷却通路は、冷却通路２０と直列になっている。冷却通路４２とカラー３２によって形成される冷却通路の流れ断面積は、プラグ組立体に隣接する冷却通路２０の流れ断面積と実質的に同じであり、例えば、冷却通路２０の流れ断面積の１０パーセント以内とすることができる。ガス通路及びカラー３２は、プラグ組立体の両側の周りに延びる環状ガス通路を形成し、又はプラグ組立体の片側の周りにアーチ形通路を形成することができる。ガス通路４２及びカラー３２は、断面が半円、矩形、又は他の形状にすることができる。

カラーの内部ガス通路４２は、冷却通路２０を流れ及びプラグ組立体をバイパスするガスのためのガス導管として機能するシールガス通路である。内部ガス通路４２は、冷却空気の漏洩を防ぐためにシールされる。内部ガス通路は、冷却通路２０に結合された入口及び出口のみを備えたカラーの内部全体とすることができる。

図４は、内側シェルの開口に嵌装するように構成されたプラグ組立体２８を示す。外側及び内側プラグは、内側シェルのプラグ組立体に関連して説明される。同様の外側及び下部プラグは、図３に示すように、内側シェルと外側シェルの間のギャップにおいて冷却通路のためのプラグ組立体内に含めることができる。

プラグ組立体２８は、外側プラグ３８及び内側プラグ４０を含み、これらが共に嵌合して中空管体２４に対する支持を形成する。図４は、共に入れ子にされた（破線を参照）外側プラグ３８及び内側プラグ４０を示し、また、内側プラグから分離された外側プラグを示している。外側プラグ３８は、中空管体２４のための内部通路４４を含むことができる。通路４４は、中空管体の端部を支持する桟部の役割を果たすことができる環状桟縁部４６を含むことができる。中空通路４４は、ボアスコープのような計器のシャフトに滑動面を提供するブッシュ面４８を含むことができる。

外側プラグ３８は、内側シェル１６において環状凹部５２に嵌装する外側環状フランジ５０を含むことができる。環状凹部５２は、中空通路４４の軸線５４と同軸である。外側プラグ３８はまた、外側フランジ５０に近接した（例えば、直下に）リングスロット５６を含むことができる。リングスロットは、内側プラグ４０の外側縁部６０の内部リブ上で環状リップ５８を受ける。環状リップは、リングスロットを係合して、外側プラグを内側プラグに機械的に固定することができる。

内側プラグ４０は、外側プラグの外側円筒壁６４に隣接する内側円筒壁６２を含む。内側プラグ４０の外側円筒壁６６は、カラー３２を形成する環状チャンバに内側壁を提供するよう構成された平滑円筒面とすることができる。外側端部に対向する内側プラグの端部上の環状フランジ６８は、内側シェル１６の内面上の環状凹部７０に嵌装する。

プラグ組立体を組み立てるために、内側プラグがシェルの内側から内側シェルの開口内に挿入することができ、外側プラグが内側シェルの外側から挿入される。内側及び外側プラグが共に滑動すると、内側プラグ上のリップ５８は、外側プラグ上のリングスロットと係合してプラグを共に保持する。外側プラグ上のフランジ５０は、内側シェルの外面の凹部５２上に嵌装し、フランジ６８は、内側シェルの内面の凹部７０上に嵌装する。フランジの嵌装は、プラグ組立体を内側シェル内に保持し、冷却通路２０からの冷却空気の漏洩を防ぐシールを生成する。

外側プラグ３８の外側リムの外側側壁４７はネジ付きにすることができる。外側側壁上のネジは、ナット又は他のファスナーと係合して、中空管体の端部を外側プラグに固定する。中空管体は、ボアスコープのような計器のシャフトのためのケーシングを通るポートを形成する。

プラグ組立体２８は、内側シェル内に嵌装されたときに、ボアスコープ又は他の計器のための通路４４を形成する中空通路４４と、計器のための通路を形成する中空管体２４の遠位端部を嵌装するための環状縁部４６とを提供する。プラグ組立体は、冷却通路２０を流れる冷却空気のためのバイパス流路を提供する。バイパス流路は、内側及び外側プラグ３８，４０の組立体の周りに延びるカラー３２により形成される。プラグ組立体にカラーを設けることにより、プラグ組立体が通路を遮断することなく冷却通路と交差することが可能となり、従って、冷却通路と半径方向に整列したタービンの内部領域を見るためにボアスコープを挿入できるようになる。

図５は、別の冷却通路７４と交差する冷却通路７２を示している。プラグ組立体７６は、冷却通路間の交差点にある。冷却通路７２，７４及びプラグ組立体７６は、内側シェル１６の外面に装着される。冷却通路７４は、プラグ組立体のカラーの中心において導管を通って延びる。プラグ組立体のカラーは、冷却通路７２に嵌合して、冷却空気が、通路７２からプラグ組立体のカラーの内部通路７８を通って流れ、通路７２に戻るようになる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０ ケーシング
１２ 内面
１４ 外側シェル
１６ 内側シェル
１８ シェル間のギャップ
２０ 冷却通路
２２ ポート
２４ 中空管体（ポートを形成する）
２６ 開口（外側シェルの）
２８ プラグ組立体
３０ 計器
３２，３４ カラー
３６ 接合部
３８ 外側プラグ
４０ 内側プラグ
４２ 内部ガス通路（カラー３４の）
４３ ナット
４４ 中空通路
４６ 円形縁部
４７ ネジ付き側壁
４８ ブッシュ面
５０ 外側フランジ（外側プラグ上の）
５２ 環状凹部（外側シェルの）
５４ 軸線（中空通路の）
５６ リングスロット
５８ リップ
６０ 外側縁部（内側プラグの）
６２ 内側壁（内側プラグの）
６４ 外側壁（外側プラグの）
６６ 外側壁（内側プラグの）
６８ フランジ（内側プラグ上の）
７０ 凹部（内側シェルの）
７２ 冷却通路（図５）
７４ 冷却通路
７６ プラグ組立体
７８ 内部通路

Claims (18)

1. 回転機械であって、
   回転機械の回転構成要素のための環状チャンバを提供するケーシング（１０）と、
   前記ケーシングを通って延び又は前記ケーシングの表面に装着される冷却通路（２０）と、
   前記ケーシング内に又は前記ケーシングに装着され、前記冷却通路に接続されるプラグ組立体（２８）と、
   を備え、
   前記プラグ組立体が、カラー（３２，３４）と、該カラーを通って延びる導管とを含み、前記カラーにより包囲され、前記冷却通路と流体連通した冷却空気バイパス通路を含み、前記冷却通路からの冷却空気が前記冷却空気バイパス通路を通って流れて前記冷却通路に戻るようになり、
   前記回転機械が更に、
   前記プラグ組立体を通って延びる別の冷却通路又はポート（２２）を備える、回転機械。
2. 前記導管が、外側プラグ（３８）及び内側プラグ（４０）を有する中空プラグを含み、前記外側プラグが前記内側プラグ内の開口に嵌合し、前記外側プラグが、前記ケーシングの内側シェル（１６）の外面上に嵌装されるフランジを含み、前記内側プラグが、前記ケーシングの内面上に嵌装されるフランジを含む、請求項１に記載の回転機械。
3. 前記外側プラグが、外側側壁（４７）においてリングスロット（５６）を含み、前記内側プラグが、内側壁上にリップ（５８）を含み、前記リップは、前記外側プラグと前記内側プラグが共に接合されている間前記リングスロットに係合する、請求項２に記載の回転機械。
4. 前記外側プラグが、前記回転機械の回転軸線の半径方向直線に沿って整列した中空管体（２４）の端部を受けるように構成された内側桟部（４６）を含む、請求項２に記載の回転機械。
5. 前記カラーが、前記ケーシング内に形成された中空環状チャンバを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の回転機械。
6. 前記カラーが、前記ケーシングの内側シェル（１６）の外面に装着された環状ハウジングを含み、前記内側シェルを通って延びる開口（３２）と整列されており、前記環状ハウジングが、計測ポートの中空管体の端部のためのマウントを含み、前記導管が、前記環状ハウジングの内側環状壁により形成される、請求項１乃至５のいずれかに記載の回転機械。
7. 前記環状ハウジングが、外側側壁と、該外側側壁を貫通して前記冷却通路に接続された開口とを含む、請求項６に記載の回転機械。
8. 前記冷却空気バイパス通路が、前記導管の両側の周りに延びる、請求項１乃至７のいずれかに記載の回転機械。
9. 回転機械を検査するための計器用ポート（２２）であって、
   前記回転機械のケーシング（１０）を少なくとも部分的に貫通して延びる中空管体（２４）を備え、
   前記中空管体が、前記ケーシングの外面にある近位端と、前記ケーシングの内面に近接した遠位端とを含み、
   前記計器用ポート（２２）が更に、
   前記ケーシング内にある又は前記ケーシングに装着されたプラグ組立体（２８）を備え、
   前記プラグ組立体が、前記ケーシングを貫通し、
   前記プラグ組立体が、カラー（３２）及び導管を含み、前記導管が、前記中空管体と同軸で該中空管体に開いており、前記カラーが、冷却空気バイパス通路を含み、前記冷却空気バイパス通路が、前記カラーに包囲され、冷却通路に開いており、
   前記冷却通路からの冷却空気が前記冷却空気バイパス通路を通って流れて前記冷却通路に戻る、計器用ポート。
10. 前記計器用ポートが、前記回転機械の回転軸線から延びる半径方向直線に整列している、請求項９に記載の計器用ポート。
11. 前記導管が、外側プラグ（３８）及び内側プラグ（４０）を有する中空プラグを含み、前記外側プラグが前記内側プラグ内の開口に嵌合し、前記外側プラグが、前記ケーシングの外面上に嵌装されるフランジを含み、前記内側プラグが、前記ケーシングの内面上に嵌装されるフランジを含む、請求項９または１０に記載の計器用ポート。
12. 前記カラーが、前記ケーシング内に形成され且つ前記ケーシング内で前記冷却通路と交差した中空環状チャンバを含む、請求項９乃至１１のいずれかに記載の計器用ポート。
13. 前記カラーが、前記ケーシングの内側シェル（１６）の外面に装着された環状ハウジングを含み、前記内側シェルを通って延びる開口（３２）と整列されており、前記環状ハウジングが、前記中空管体の端部のためのマウントを含み、前記導管が、前記環状ハウジングの内側環状壁により形成される、請求項９乃至１２のいずれかに記載の計器用ポート。
14. 前記冷却空気バイパス通路が、前記導管の両側の周りに延びる、請求項９乃至１３のいずれかに記載の計器用ポート。
15. 回転機械のケーシング（１０）において冷却通路（２０）のためのバイパス冷却通路を設ける方法であって、
    前記ケーシング内に又は前記ケーシングに、バイパス冷却通路を有するカラー（３２，３４）と中心開口とを含むプラグ組立体（２８）を装着するステップであって、前記バイパス冷却通路が、前記カラーに包囲される、前記ステップと、
    第１の冷却通路又は他の通路を前記カラーの中心開口を通って延在させるステップと、
    前記バイパス冷却通路を第２の冷却通路に接続して、冷却空気が前記第２の冷却通路から前記バイパス冷却通路を通って流れて前記第２の冷却通路に戻るようにするステップと、
    を含む、方法。
16. 前記中心開口が、前記回転機械の回転軸線から延びる半径方向直線と整列している、請求項１５に記載の方法。
17. 前記中心開口が、外側プラグ（３８）及び内側プラグ（４０）を有する中空プラグによって形成されており、
    前記方法が更に、
    前記外側プラグを前記内側プラグ内に滑動させ、前記ケーシングの内側シェル（１６）の外面上に前記外側プラグのフランジを嵌装させ、前記内側シェルの内面上に前記内側プラグのフランジを嵌装させるステップを含む、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記方法が更に、前記カラーを前記第１または第２の冷却通路に溶接するステップを含む、請求項１５乃至１７のいずれかに記載の方法。