JP2005264936A - 空気流を平衡化すると同時にガスタービンの間隙を調整する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調整装置内の空気流を平衡化させて、タービンのステータ周りの温度の不均一性を減少させる。
【解決手段】ガスタービンロータのロータブレード先端の間隙を調整する装置であって、装置は、タービンのステータの環状ケーシング１２の周辺部周りに取り付けられた少なくとも１つの環状空気流ダクト１４を備え、環状空気流ダクトは、ケーシング１２に空気を噴射して、ケーシングの温度を変化させるように構成されている。チューブ状空気マニホールド２０は、空気流ダクト１４周りに配置される。さらに、チューブ状空気マニホールド２０に空気を供給する空気供給チューブ２２と、チューブ状空気マニホールド２０内で開いており、かつ空気流ダクト１４内に開いている空気パイプ２４とが配置される。空気パイプ２４は、このパイプを通過して流れる空気を平衡化する手段３０を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンのロータブレード先端の間隙を調整する分野全般に関する。さらに詳細には、本発明は、ターボマシンの高圧タービンについての調整装置を提供し、この装置は、空気流を平衡化する手段を備えている。

ターボマシンの高圧タービンなどのガスタービンは、燃焼室からの高温ガスの通路内に配置される複数のロータブレードを有する。タービンの周辺部全体の周りにおいて、タービンのロータブレードは、環状ステータにより囲まれている。前記ステータは、タービンを通過して流れる高温ガス流の壁面の１つを画定する。

タービンの効率を向上させるために、タービンのロータブレードの先端とステータの対面する部分との間の間隙を最小限にすることは知られている。

前述の間隙を小さくするために、ブレード先端における間隙を調整するための間隙調整手段が構成されている。一般に、前記手段は、環状パイプの形態であり、該環状パイプは、ステータを囲み、さらにターボマシンの他の部分から吸引される空気を輸送する。タービンの動作速度に応じて、空気は、ステータの外側面に噴射され、その温度を変化させ、それにより熱膨張または熱収縮を生じて、前記ステータの直径を変化させることができる。

間隙調整装置の存在により、ステータの周辺部全体にわたり優れた温度均一性が常に得られるとは限らない。温度均一性の欠如は、ガスタービンの効率および寿命に対して特に有害となるステータの変形を発生させる。

本発明の目的は、ガスタービンにおける間隙を調整する装置を提案して、このデバイにより調整装置内の空気流を平衡化させて、タービンのステータ周りの温度の不均一性を減少させることにより、前述の欠点を低減することである。

この目的のために、本発明は、ガスタービンロータのロータブレード先端の間隙を調整する間隙調整装置を提供する。この間隙調整装置は、タービンステータの環状ケーシング周辺部周りに取り付けられた少なくとも１つの環状空気流ダクトを備え、前記空気流ダクトは、空気を前記ケーシングに噴射してその温度を変化させるように構成され、この間隔調整装置はさらに、少なくとも一部分が空気流ダクト周りに配置されたチューブ状空気マニホールドと、チューブ状空気マニホールドに空気を供給する少なくとも１つの空気供給チューブと、チューブ状空気マニホールド内で開いており、かつ空気流ダクト内に開いている少なくとも１つの空気パイプとを備えており、空気パイプが、前記空気パイプを通過して流れる空気を平衡化する手段を備えることを特徴とする。

好ましくは、空気パイプを通過する空気流を平衡化する手段は、例えば、空気パイプの入口に配置されたダイヤフラムから成る。

このように、空気パイプを通過する空気流を平衡化することにより、タービンのケーシング近傍における温度不均一性を減少できる。（空気流ダクトへの空気供給における）ヘッドロス（ｈｅａｄ ｌｏｓｓ）を、空気流と平衡するように決定することができ、その結果、ダイヤフラムの必要とされる特性を決定できる。

有利には、ダイヤフラムは、追加のヘッドロスを生成するように、空気パイプの入口に配置される。前記ダイヤフラムは、空気パイプの内径より小さい内径を有するリング形状であってもよい。

装置が、２つのチューブ状空気マニホールドを有する場合、各マニホールドは、３つの空気パイプに接続され、各空気パイプは、３つの空気流ダクト内で開いており、有利には、各空気パイプは、前記パイプを通過する空気流を平衡化する平衡化ダイヤフラムを備える。この場合においては、好ましくは、各ダイヤフラムの特性は、このダイヤフラムが内部に配置される空気パイプに適合するように個別化される。

本発明の他の特徴および利点は、非限定の実施形態を表す添付図面を参照する以下の説明から明らかになる。

図１および図２は、本発明による調整装置１０を示す。このような調整装置は、ロータブレード先端における間隙制御を必要とするあらゆるガスタービンに適用できる。特に、前記装置は、ターボマシンの高圧タービンに適用可能である。

これらの図においては、調整装置１０が、タービンステータの一部である環状ケーシング１２に取り付けられる。長手方向軸Ｘ−Ｘを有する前記ケーシング１２は、タービンロータを形成する複数のロータブレード（図示せず）を囲む。

調整装置１０は、タービンのロータブレード先端とステータの対面する部分との間に存在する間隙を制御する役割を果たす。

タービンのロータブレードは、スペーサ（図示せず）を介してケーシング１２に取り付けられた複数のリングセグメント（図示せず）により囲まれる。したがって、ロータブレード先端に対向するステータの部分は、リングセグメントの内側表面により形成される。

図１および図２の間隙調整装置１０は、３つの空気流ダクト１４、すなわち、内側ダクト１４ａ、中央ダクト１４ｂ、および外側ダクト１４ｃから成る。前記ダクトは、固定ロッドによりケーシング１２の外側表面の周辺部周りに取り付けられる。単一空気流ダクトを備えることも可能である。

空気流ダクト１４は、軸方向に相互に間隔を空けており、また相互に実質的に平行である。前記ダクトは、ケーシング１２から外側方向に径方向に延びる２つの環状突起部（または突出部）１８の一方側に配置される。

ダクト１４は、ケーシング１２および突起部１８の外側面に対向して配置される複数の穴１９を備える。前記穴１９により、ダクト１４内を流れる空気は、ケーシング１２に噴射されることができ、これにより、ケーシングの温度を変化させる。

さらに、図１に示されるとおり、空気流ダクト１４は、ケーシング１２の周辺全体周りに均等に分散されることができる複数の個別の角度ダクトセクタ（図１では、６個）に分割されることができる。

さらに、間隙調整装置１０は、空気流ダクト１４の少なくとも一部を囲む少なくとも１つのチューブ状空気マニホールド２０を備える。図１においては、２つのチューブ状空気マニホールド２０が設けられている。チューブ状空気マニホールドは、空気流ダクト１４に空気を供給するように構成されている。

各チューブ状空気マニホールド２０は、少なくとも１つの空気供給チューブ２２により空気を供給される。空気供給チューブ２２は、調整装置１０に供給するために空気を吸引できるターボマシンの領域に接続される。例として、空気供給領域は、ターボマシンのコンプレッサの１つまたは複数のステージであってもよい。

この目的のために提供される、ターボマシンの領域から吸引される空気量は、前記空気供給領域と空気供給チューブ２２との間に挿入される制御弁（図示せず）により調整されることができる。このような弁は、調整装置１０をタービンの動作速度に応じて制御するのに役立つ。

調整装置１０はまた、前記ダクトに空気を供給するために、チューブ状空気マニホールド内で開いており、かつ空気流ダクト１４内に開いている少なくとも１つの空気パイプ２４を有する。

図１においては、空気流ダクト角度セクタ当たり１つの空気パイプ２４を備える。すなわち、調整装置は、ケーシング１２の周辺全体周りに均等に分散される６つの空気パイプ２４を有する。

図１における調整装置１０は、異なる２つのチューブ状空気マニホールド２０に供給する空気供給チューブ２２を有するため、各チューブ状空気マニホールド２０は、周辺部の約半分の周りに延在し、これにより、３つの空気パイプ２４に空気を供給する。前記空気パイプ２４は、それぞれ名称を付けて相互に区別される。すなわち、空気供給チューブ２２に最も近いパイプは第１の空気パイプ２４ａ、第１のパイプ２４ａの直ぐ下流側に配置されたパイプは第２の空気パイプ２４ｂ、および空気供給チューブ２２から最も離れたパイプは第３の空気パイプ２４ｃと呼ばれる。

各空気パイプ２４は、例えば、空気流ダクト１４の側面開口２８にはめ込む縁部２６を有する金属製の円筒形状である。このように、空気パイプ２４は、ダクト１４に溶接される。

本発明によれば、少なくとも１つの空気パイプ２４が、前記パイプによって送られる空気を平衡化する手段を備える。

有利には、このような手段は、空気パイプ２４の入口に配置された、すなわちチューブ状空気マニホールド２０からの空気流の流れ方向に対して、空気流ダクト１４の上流側に配置された、ダイヤフラム３０の形状である。さらに詳細には、ダイヤフラム３０は、内側ダクト１４ａの上流側に配置される。

少なくとも１つの空気パイプ２４内、好ましくは、各空気パイプ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ内に前記ダイヤフラム３０が存在することにより、チューブ状空気マニホールド２０から入る空気と、空気パイプがその内部に開いている空気流ダクト１４に供給する空気との平衡を取るのに役立つ。

図２においては、ダイヤフラム３０は、例えば空気パイプ２４の内壁に溶接される、金属性のリング（またはワッシャ）形状であり、前記リングは、空気流断面を表す内径ｄ１を有し、この内径ｄ１は、空気パイプ２４の内径ｄ２より小さい。

空気流を平衡化する平衡化ダイヤフラム３０の特性（例えば、空気パイプ２４の内径ｄ２に対するダイヤフラムの内径ｄ１）は、前記ダイヤフラムにより供給される各空気パイプ２４の入口における追加のヘッドロスを生成するように決定される。実際には、ヘッドロスは、単一のチューブ状空気マニホールド２０から供給される各空気パイプ２４について同一でないため、ダイヤフラム３０の特性は、各空気パイプ２４の入口における追加のヘッドロスを生成することにより、空気流の平衡化された分布を得るようにモデル化される。

空気パイプ２４のそれぞれに必要とされるダイヤフラムの特性をモデル化するために用いる方法は、以下に説明される。この方法は、従来技術の調整装置における空気流のモデル化を基にしている。

従来技術の調整装置（すなわち、空気流を平衡化するための平衡化手段を備えない）を参照すると、以下の表１は、単一のチューブ状空気マニホールド２０から供給される３つの空気パイプ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、および前記各空気パイプから供給される単一ダクトセクタの各空気流ダクト１４内の空気流分布を示す。これらの空気流は、間隙調整装置を装備した高圧タービンを有し、巡航速度で動作するターボマシンに基づいてモデル化されたものである。

表１を参照すると、空気流通の結果は、空気流が、第１には各空気パイプ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの入口において（６％になる）、第２には空気流ダクトの各セクタ間において（５．８％となる）、不均一に分布していることを際立たせている。第３の空気パイプ２４ｃは、他の２つの空気パイプ２４ａ、２４ｂに比べて高い空気供給圧力を示しており、これの原因は、チューブ状空気マニホールド内を流れる空気速度が低いことによる。各空気パイプ内で空気が不均一に流れる結果として、ケーシングは、均一に冷却されないことになる。したがって、温度勾配が発生する可能性があり、結果的に機械的変形を発生させる。

これら結果に基づいて、各空気パイプ２４に加えられるべき追加のヘッドロスをモデル化して、空気流の均一分布を得ることができる。したがって、追加ヘッドロスのシミュレーションにより、ダイヤフラム３０の特性（詳細には、各空気パイプ２４の内径ｄ２に対するダイヤフラムの内径ｄ１）を計算することができる。

例として、表１でモデル化されたデータに基づき、第２の空気パイプ２４ｂについては、約３．８の追加のヘッドロスを生成する必要があることが分かる。このようなヘッドロスを生成するために、Ｆ１／Ｆ２＝０．５１であることを確実にするように作用する穴の断面積Ｆ１を有するダイヤフラムを取り付ける必要がある。ここで、Ｆ１は、ダイヤフラムの穴断面積または空気流断面積であり、Ｆ２は、空気パイプ２４ｂの空気流断面積である。約３９．８ミリメートル（ｍｍ）の直径ｄ２の空気パイプ２４ｂについては、第２の空気パイプ２４ｂに入口に取り付けられるダイヤフラム３０の直径ｄ１は、約２８．４ｍｍである。

さらに表１でモデル化されたデータに基づき、第３の空気パイプ２４ｃについては、約４．５の追加のヘッドロスを生成する必要があることが分かる。前述のとおり、このようなヘッドロスは、Ｆ１／Ｆ２＝０．４９であることを確実にするように作用する穴の断面積Ｆ１を有するダイヤフラムを用いて得ることができる。ここで、Ｆ１は、ダイヤフラムの穴断面積または空気流断面積であり、Ｆ２は、空気パイプ２４ｃの空気流断面積である。約３９．８ミリメートル（ｍｍ）の直径ｄ２の空気パイプ２４ｃについては、第３の空気パイプ２４ｃの入口に取り付けられるダイヤフラム３０の直径ｄ１は、約２７．９ｍｍである。

生成する必要がある追加のヘッドロスのシミュレーションに基づき決定される、各空気パイプ２４内に取り付ける各ダイヤフラム３０の特性は、空気パイプそれぞれに対して個別化される。ダイヤフラムの取付け結果は、以下の表２に概略が示される。

表２においては、空気パイプ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ内にダイヤフラムを取り付けることにより、空気流は、空気パイプ間でさらに均一に分布され、その均一性のずれは１％以内であり、無視できる値である。結果的に、ケーシング１２の温度は均一となる。

従って、個別化した平衡化ダイヤフラムを追加して、前記ダクト角度セクタ内に開いている空気パイプの入口における空気流を平衡化することにより、空気流ダクト１４の各角度セクタ内の空気流を平衡化することができる。

言い替えると、特定のダクト断面の必要条件に応じてダイヤフラムの断面を適合することにより、空気流ダクト１４の各セクタについて個別に空気流を平衡化することができる。したがって、各空気パイプ２４に、ダクトセクタごとに異なる特性（空気流断面）を有するダイヤフラム３０を備えることができる。

本発明による調整装置の斜視図である。 図１の装置における空気流を平衡化する平衡化手段の配置を示す。

符号の説明

１０ 調整装置
１２ 環状ケーシング
１４ 空気流ダクト
１４a 内側ダクト
１４ｂ 中央ダクト
１４ｃ 外側ダクト
１８ 環状突起部
１９ 穴
２０ チューブ状空気マニホールド
２２ 空気供給チューブ
２４ 空気パイプ
２４a 第１の空気パイプ
２４ｂ 第２の空気パイプ
２４ｃ 第３の空気パイプ
２６ 縁部
２８ 側面開口
３０ ダイヤフラム
ｄ１ ダイヤフラムの内径
ｄ２ 空気パイプの内径

Claims (6)

1. ガスタービンロータのロータブレード先端の間隙を調整する装置であって、
   タービンのステータの環状ケーシング（１２）の周辺部周りに取り付けられた少なくとも１つの環状空気流ダクト（１４）を備え、前記環状空気流ダクトは、空気を前記ケーシング（１２）に噴射して前記ケーシングの温度を変化させるように構成され、前記装置はさらに、
   少なくとも一部分が空気流ダクト（１４）周りに配置されたチューブ状空気マニホールド（２０）と、
   チューブ状空気マニホールド（２０）に空気を供給する少なくとも１つの空気供給チューブ（２２）と、
   チューブ状空気マニホールド（２０）内で開いており、さらに空気流ダクト（１４）内に開いている少なくとも１つの空気パイプ（２４）とを備え、
   前記空気パイプ（２４）が、前記空気パイプを通過して流れる空気を平衡化する手段（３０）を備えることを特徴とする、装置。
2. 空気パイプ（２４）が、前記空気パイプを通過して流れる空気を平衡化する平衡化ダイヤフラム（３０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ダイヤフラム（３０）が、追加のヘッドロスを生成するように、空気パイプ（２４）の入口に配置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. ダイヤフラム（３０）が、空気パイプ（２４）の内径ｄ２より小さい内径ｄ１を有するリング形状であることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. ２つのチューブ状空気マニホールド（２０）を備え、各マニホールドが、３つの空気パイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に接続され、各空気パイプが、３つの空気流ダクト（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）内で開いており、各空気パイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）が、前記空気パイプを通過する空気流を平衡化する平衡化ダイヤフラム（３０）を備えてい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. 各ダイヤフラムの特性が、前記ダイヤフラムが内部に配置される空気パイプ（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）に適合するように個別化されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。

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