JP2005201277A - 改良されたガスタービン間隙制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気噴射を最適化して固定ブッシングを効率的および均一に冷却できる間隙制御装置を提供する。
【解決手段】間隙制御装置は、空気を循環させるための空気循環手段を有する環状の調整ユニット２６を含み、空気循環手段は、少なくとも３つのダクト２８、３０、３２と、空気流ダクト２８、３０、３２に空気を供給する空気供給手段と、突起部１８、２０に向かって空気を放出して温度を変化させる空気放出手段とを含み、各ダクトの空気放出手段は、突起部１８、２０の側面１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂの１つに対面して配置されたＮ個の貫通穴３４を有する少なくとも１つの上側列と、突起部１８、２０をケーシングに接続している接続半径部分１８ｃ、１８ｄ、２０ｃ、２０ｄに対面して配置された２Ｎ個の貫通穴３６を有する少なくとも１つの下側列とで構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンの回転羽根の先端と固定ブッシングとの間の間隙を制御する分野全般に関する。

例として挙げると、ガスタービンは、一般に、ターボマシンの燃焼室から送られてくる高温ガスの経路中に複数の回転羽根と交互に配置された複数のステータ羽根とを有する。タービンの全周縁にわたり、タービンの回転羽根は、固定ブッシングに囲まれている。前記固定ブッシングは、タービン羽根を通過する高温ガス流に対する壁面を形成する。

タービン効率を向上させるには、タービンの回転羽根の先端と、この回転羽根に対面する固定ブッシングの部分との間の間隙を、できるだけ狭くすることは知られている。

これを達成するために、固定ブッシングの直径を変化させる手段が工夫されてきた。一般に前記手段は、固定ブッシングを囲む環状パイプの形態になり、このパイプを通り、ターボマシンの他の部分から吸引される空気が流れる。空気は、固定ブッシングの外側表面上に噴射され、固定ブッシングに温度膨張および収縮を生じ、これにより固定ブッシングの直径が変化する。タービンの動作速度に応じて、温度膨張および収縮は、パイプに供給される空気の流量および温度の両方を制御する弁により制御される。したがって、パイプおよび弁から構成されるアセンブリは、羽根の先端の間隙を調整する調整ユニットを構成する。

調整ユニットを備えることにより、固定ブッシングの全周縁にわたり常に非常に均一な温度が得られるとは限らない。温度均一性の欠如は、固定ブッシングにひずみを発生させ、特にこのひずみは、ガスタービンの効率および寿命を低下させる。

さらに、調整ユニットを備える場合、固定ブッシングの外側表面上への空気の噴射は、一般に最適化されず、したがって多くの場合、固定ブッシングを冷却するために大量の空気を吸引する必要がある。吸引される空気量が多すぎる場合、この大量の空気が、ターボマシンの効率を低下させる。

したがって、本発明は、空気噴射を最適化して、固定ブッシングをより効率的および均一に冷却できる間隙制御装置を提供することにより、このような欠点を改良することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、ガスタービンの回転羽根の先端と固定ブッシングとの間の間隙を制御する間隙制御装置を提供する。前記固定ブッシングは、環状ケーシングを含み、該環状ケーシングは、縦軸を有し、かつ相互に軸方向に間隔を空けて、前記ケーシングの径外側方向に延びる少なくとも２つの環状突起部を含む。間隙制御装置は、固定ブッシングのケーシングを囲む環状調整ユニットを含む。前記調整ユニットは、空気を循環させるための空気循環手段を有し、前記空気循環手段は、相互に軸方向に間隔を空けた少なくとも３つのダクトで構成され、かつ突起部の一方の側面に配置される。前記調整ユニットはさらに、空気流ダクトに空気を供給する空気供給手段と、突起部に空気を放出して固定ブッシングの温度を変化させる空気放出手段とを含み、空気放出手段は、各空気流ダクトについて、突起部の側面の１つに対面して配置されたＮ個の貫通穴を有する少なくとも１つの上側列と、突起部を固定ブッシングのケーシングに接続している接続半径部分に対面して配置された２Ｎ個の貫通穴を有する少なくとも１つの下側列とで構成されることを前記間隙制御装置は特徴とする。

空気放出貫通穴の配分および配置により、突起部とこの突起部を通る空気との間の熱交換係数を最適化できる。これにより高い効率化が達成され、突起部がより均一に冷却されることにより、タービン羽根先端の間隙を調整するために、ケーシングがより広範囲に移動する。

突起部が、上流側突起部と下流側突起部から構成され、ダクトが、上流側突起部のさらに上流側に配置された上流側ダクトと、下流側突起部のさらに下流側に配置された下流側ダクトと、上流側突起部と下流側突起部との間に配置された中央ダクトとから構成される場合、好ましくは、中央ダクトは、上流側突起部の側面と下流側突起部の側面とに対面して配置されたＮ個の貫通穴をそれぞれが有する、少なくとも２つの上側列と、上流側突起部および下流側突起部を固定ブッシングのケーシングに接続している接続半径部分に対面して配置された２Ｎ個の貫通穴をそれぞれが有する、少なくとも２つの下側列とを有する。

本発明の有利な特徴によれば、上流側ダクトおよび下流側ダクトのそれぞれは、実質的に同一の空気流出断面積を有し、中央ダクトは、前記上流側ダクトおよび下流側ダクトの空気流出断面の約２倍の空気流出断面積を有する。

本発明の別の有利な特徴によれば、各上側列のＮ個の貫通穴および各下側列の２Ｎ個の貫通穴は、実質的に同一の空気流出断面積を有する。

本発明のさらに別の有利な特徴によれば、各上側列のＮ個の貫通穴および各下側列の２Ｎ個の貫通穴は、ジグザグ形状に配置される。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の非限定的な実施形態を示す添付図面を参照する以下の説明により明らかにする。

図１は、縦軸Ｘ−Ｘを有するターボマシンの高圧タービン２を示す縦断面図である。しかし、本発明は、ターボマシンの低圧タービン、またはタービンの羽根先端の間隙を制御する装置を装備する任意の他のガスタービンにも同様に優れた適用を示す。

高圧タービン２は、詳細には、ターボマシンの燃焼室（図示せず）から送られてくる高温ガス流６中に配置される複数の回転羽根４を有する。前記回転羽根４は、高温ガスがガス流６で流れる方向１０を基準として、ステータ羽根８の下流側に配置される。

高圧タービン２の回転羽根４は、複数のブッシングセグメント１２により囲まれており、これらブッシングセグメント１２は、タービンのＸ−Ｘ軸周りの周縁部に配置されて、環状の連続表面を形成する。ブッシングセグメント１２は、同じ縦軸Ｘ−Ｘ周りに、環状ケーシング１４に複数のスペーサ１６を用いて組み込まれている。

以下の説明全体を通して、ブッシングセグメント１２、ケーシング１４、およびスペーサ１６から構成されるアセンブリは、「固定ブッシング」と称する。

固定ブッシングのケーシング１４は、少なくとも２つの環状突起部すなわち環状突出部１８、２０を備え、これら突出部は、相互に軸方向に間隔を空け、かつケーシング１４から径外側方向に突出している。これら突起部は、高温ガスがガス流６で流れる方向１０を基準として区別され、「上流側」突起部１８および「下流側」突起部２０と称する。上流側突起部１８および下流側突起部２０の主機能は、熱交換器として作用することである。

ブッシングセグメント１２のそれぞれは、高温ガスと直接接触する内側表面１２ａを有し、前記内側表面は、高圧タービン２を通過して流れるガス流６の部分を画定する。

径方向の間隙２２は、ブッシングセグメント１２の内側表面１２ａと高圧タービン２の回転羽根４の先端との間に存在し、これにより回転羽根が回転できる。タービン効率を上げるには、この間隙２２を可能な限り小さくする必要がある。

回転羽根４の先端４ａにおける間隙２２を小さくするために、間隙制御装置２４が設けられる。間隙制御装置２４は、詳細には、固定ブッシングを囲む環状調整ユニット２６を備え、さらに具体的にはケーシング１４を備える。

ターボマシンの動作速度に応じて、調整ユニット２６は、ケーシング１４の上流側突起部１８および下流側突起部２０に空気を放出する（または衝突させる）ことにより、これら突起部を冷却または加熱する。この空気放出の効果によって、ケーシング１４は収縮または膨張し、この収縮または膨張が、タービンの固定ブッシングセグメント１２の直径を増加または減少させ、これにより、羽根先端の間隙２２を調整する。

詳細には、調整ユニット２６は、固定ブッシングのケーシング１４を囲む少なくとも３つの環状空気流ダクト２８、３０、および３２を有する。前記ダクトは、相互に軸方向に間隔を空け、かつ相互にほぼ平行である。これらダクトは、突起部１８、２０のそれぞれの側面の一方の側に配置され、これら突起部の形状にほぼ一致している。

空気流ダクト２８、３０、および３２は、上流側突起部１８（高温ガスがガス流６で流れる方向１０を基準として）のさらに上流側に配置された上流側ダクト２８と、下流側突起部２０のさらに下流側に配置された下流側ダクト３０と、上流側突起部１８と下流側突起部２０との間に配置された中央ダクトとから構成される。

調整ユニット２６はさらに、空気流ダクト２８、３０、および３２に空気を供給するための管状空気マニホルド（図示せず）を含む。前記空気マニホルドは、空気流ダクト２８、３０、および３２を囲み、これらダクトに空気管を介して空気を供給する（図示せず）。

本発明によれば、調整ユニットの各空気流ダクト２８、３０、および３２は、突起部１８、２０の側面の１つに対面して配置されたＮ個の貫通穴を有する少なくとも１つの上側列と、突起部１８、２０を固定ブッシングのケーシング１４に接続している接続半径部分に対面して配置された２Ｎ個の貫通穴３６を有する少なくとも１つの下側列とを有する。

貫通穴３４、３６は、例えばレーザを用いて得られることができ、ダクト２８、３０、および３２内の空気流を突起部１８、２０に放出して、突起部の温度を変化させることができる。

図１および図２に示すように、上流側ダクト２８は、この上流側ダクトの下流側壁面２８ｂの側面にＮ個の貫通穴３４を有する少なくとも１つの上側列を有し、貫通穴の前記上側列は、上流側突起部１８の上流側面１８ａに対面して配置されており、さらに、この上流側ダクト２８は、上流側突起部１８を固定ブッシングのケーシング１４に接続している接続半径部分１８ｃに対面して配置された２Ｎ個の貫通穴３６の少なくとも１つの下側列を有する。上流側ダクト２８の上流側壁面２８ａには貫通穴は存在しない。

同様に、下流側ダクト３０は、この下流側ダクトの上流側壁面３０ａの側面にＮ個の貫通穴３４の少なくとも１つの上側列を有し、貫通穴の前記上側列は、下流側突起部２０の下流側面２０ｂに対面して配置されており、さらに、この下流側ダクト３０は、下流側突起部２０を固定ブッシングのケーシング１４に接続している接続半径部分２０ｄに対面して配置された２Ｎ個の貫通穴３６の少なくとも１つの下側列を有する。下流側ダクト３０の下流側壁面３０ｂには貫通穴は存在しない。

好ましくは、中央ダクト３２は、上流側突起部１８の側面１８ｂおよび下流側突起部２０の側面２０ａに対面して配置されたＮ個の貫通穴３４をそれぞれが有する、少なくとも２つの上側列と、上流側突起部１８および下流側突起部２０を固定ブッシングのケーシング１４に接続している接続半径部分１８ｄ、２０ｃに対面して配置された２Ｎ個の貫通穴３６をそれぞれが有する、少なくとも２つの下側列とを有する。

実際には、中央ダクト３２は、ダクトの上流側壁面３２ａに、上流側突起部１８の下流側面１８ｂに対面して配置されたＮ個の貫通穴３４の少なくとも１つの上側列と、上流側突起部１８を固定ブッシングのケーシング１４に接続している接続半径部分１８ｄに対面して配置された２Ｎ個の貫通穴の少なくとも１つの下側列とを有する。

中央ダクト３２は、ダクトの下流側壁面３２ｂに、下流側突起部２０の上流側面１８ｂに対面して配置されたＮ個の貫通穴３４の少なくとも１つの上側列と、下流側突起部２０を固定ブッシングのケーシング１４に接続している接続半径部分２０ｃに対面して配置された２Ｎ個の貫通穴３６の少なくとも１つの下側列とを有する。

言い換えると、調整ユニット２６の各空気流ダクト２８、３０、および３２にある空気放出貫通穴３４、３６は、２列に配置され、貫通穴の２／３は下側列にあり、残りの１／３は上側列にある。各下側列の２Ｎ個の貫通穴３６を通り抜ける空気は、突起部１８、２０の底部分に衝突するのに対して、各上側列のＮ個の貫通穴３４から放出される空気は、突起部の中央部分に衝突する。

これにより、突起部での熱交換が均一になり、この結果ケーシングに広範囲な移動を生じ、前記ケーシングがタービン羽根先端の間隙を調整する。温度の影響に関して実行した計算では、貫通穴を２列構成とすると、単一列構成に比較して、突起部の平均温度で最大５０℃の上昇が得られることが示された。

本発明の有利な特徴によれば、上流側ダクト２８および下流側ダクト３０はそれぞれ、実質的に同一の空気流出断面積を有し、中央ダクト３２は、上流側ダクト２８および下流側ダクト３０の空気流出断面積の２倍の空気流出断面積を有する。実際には、有利的には、中央ダクト３２は両側面に貫通されるため、中央ダクトを流れる空気量は、上流側ダクト２８および下流側ダクト３０のそれぞれを流れる空気量の２倍でなければならない。

本発明の別の有利な特徴によれば、各上側列のＮ個の貫通穴３４および各下側列の２Ｎ個の貫通穴３６は、空気流ダクト２８、３０、および３２のそれぞれに関して実質的に同一の空気流出断面積を有する。

このようにすることにより、中央ダクト３２を流れる空気量の１／３が、２つの下側列の貫通穴３６のそれぞれから放出され、空気量の１／６が、２つの上側列の貫通穴３４のそれぞれから放出される。同様に、上流側ダクト２８または下流側ダクト３０内を流れる空気の２／３は、前記ダクトの下側列の貫通穴３６から放出され、前記ダクト内の空気の１／３は、前記ダクトの上側列の貫通穴３４から放出される。

図３に示す本発明の別の有利な特徴によれば、各空気流ダクトにおいて、各上側列のＮ個の貫通穴３４および各下側列の２Ｎ個の貫通穴３６は、ジグザグ形状で配置される。

さらに、各空気流ダクト２８、３０、および３２については、好ましくは、各上側列のＮ個の貫通穴３４および各下側列の２Ｎ個の貫通穴３６は、固定ブッシングのケーシング１４の縦軸Ｘ−Ｘの周りに、一定の間隔を空けて配置される。

上側列の貫通穴３４のそれぞれおよび下側列の貫通穴３６のそれぞれが、ほぼ円形の横断面を有する場合、同一上側列の隣接する２つの貫通穴３４の間の角度間隔は、有利的に前記貫通穴の直径の少なくとも３倍に一致する。

空気放出貫通穴３４、３６について選択される数および直径は、突起部の効果的な空気換気と調整ユニットの製造に関する制約との間の妥協点に基づいて、コンピュータシミュレーションすることにより最適化されることができる。例として、径方向高さ１８ｍｍを有する突起部については、各上側列には２８８個の貫通穴を形成でき、各下側列には５７６個の貫通穴を形成できる（つまりＮの値は２８８となる）。このような構成においては、各貫通穴の直径は１ｍｍに固定され、上側列の隣接する２つの貫通穴の間の間隔は、３．８ｍｍ（つまり貫通穴の直径の３．８倍に相当する）にできる。

本発明による間隙制御装置の縦断面図である。 図１の間隙制御装置の空気流ダクトの斜視部分図である。 図１のラインＩＩＩ−ＩＩＩで切断された断面図である。

符号の説明

２ 高圧タービン
４ 回転羽根
４ａ 先端
６ ガス流
８ ステータ羽根
１０ 高圧ガスが流れる方向
１２ ブッシングセグメント
１２ａ 内側表面
１４ ケーシング
１６ スペーサ
１８ 上流側突出部
１８ａ、２０ａ 上流側面
１８ｂ、２０ｂ 下流側面
１８ｃ、１８ｄ、２０ｃ、２０ｄ 接続半径部分
２０ 下流側突出部
２２ 間隙
２４ 間隙制御装置
２６ 調整ユニット
２８ 上流側ダクト
２８ａ、３０ａ、３２ａ 上流側壁面
２８ｂ、３０ｂ、３２ｂ 下流側壁面
３０ 下流側ダクト
３２ 中央ダクト
３４ Ｎ個の貫通穴
３６ ２Ｎ個の貫通穴

Claims (8)

1. ガスタービン（２）の回転羽根（４）の先端（４ａ）と固定ブッシングとの間の間隙を制御する間隙制御装置であって、前記固定ブッシングが、環状ケーシング（１４）を含み、該環状ケーシングが、縦軸（Ｘ−Ｘ）を有し、かつ相互に軸方向に間隔を空けて、前記ケーシング（１４）の径外側方向に延びる２つの環状突起部（１８、２０）を備え、前記間隙制御装置が、固定ブッシングのケーシング（１４）を囲む環状調整ユニット（２６）を含み、
   前記調整ユニット（２６）が、
   空気を循環させるための空気循環手段を含み、前記空気循環手段は、相互に軸方向に間隔を空けた少なくとも３つの環状ダクト（２８、３０、３２）で形成され、かつ突起部（１８、２０）のそれぞれの側面の一方の側に配置され、前記調整ユニット（２６）がさらに、
   空気流ダクト（２８、３０、３２）に空気を供給する空気供給手段と、
   突起部（１８、２０）に空気を放出して固定ブッシングの温度を変化させる空気放出手段とを含み、
   空気放出手段が、各空気流ダクト（２８、３０、３２）について、突起部（１８、２０）の側面（１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ）の１つに対面して配置されたＮ個の貫通穴（３４）を有する少なくとも１つの上側列と、突起部（１８、２０）を固定ブッシングのケーシング（１４）に接続している接続半径部分（１８ｃ、１８ｄ、２０ｃ、２０ｄ）に対面して配置された２Ｎ個の貫通穴（３６）を有する少なくとも１つの下側列とで構成されることを特徴とする、間隙制御装置。
2. 前記突起部が、上流側突起部（１８）と下流側突起部（２０）から構成され、
   前記ダクトが、上流側突起部（１８）のさらに上流側に配置された上流側ダクト（２８）と、下流側突起部（２０）のさらに下流側に配置された下流側ダクト（３０）と、上流側突起部（１８）と下流側突起部（２０）との間に配置された中央ダクト（３２）とから構成され、
   中央ダクト（３２）が、上流側突起部（１８）と下流側突起部（２０）の側面（１８ｂ、２０ａ）に対面して配置されたＮ個の貫通穴（３４）をそれぞれが有する、少なくとも２つの上側列と、上流側突起部および下流側突起部を固定ブッシングのケーシング（１４）に接続する接続半径部分（１８ｄ、２０ｃ）に対面して配置された２Ｎ個の貫通穴（３６）をそれぞれが有する、少なくとも２つの下側列とを有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 上流側ダクト（２８）と下流側ダクト（３０）のそれぞれは、実質的に同一の空気流出断面積を有し、中央ダクト（３２）が、前記上流側ダクトおよび下流側ダクトの空気流出断面の約２倍の空気流出断面積を有することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 各上側列のＮ個の貫通穴（３４）および各下側列の２Ｎ個の貫通穴（３６）が、ジグザグ形状に配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 各上側列のＮ個の貫通穴（３４）および各下側列の２Ｎ個の貫通穴（３６）が、実質的に同一の空気流出断面積を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 各上側列のＮ個の貫通穴（３４）と各下側列の２Ｎ個の貫通穴（３６）が、固定ブッシングのケーシング（１４）の縦軸（Ｘ−Ｘ）周りに一定間隔を空けて配置されてい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. 各上側列の貫通穴（３４）および各下側列の貫通穴（３６）が、ほぼ円形の横断面を有し、同一上側列の隣接する２つの貫通穴（３４）の間の角度間隔が、前記貫通穴の直径の少なくとも３倍に一致す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. 空気流ダクト（２８、３０、３２）の形状が、突起部の形状にほぼ一致していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。

Images