JP2005273489A - タービンシュラウドおよびこれを備えたガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】 製造および取り付け（取り外し）が容易で、かつ被削材を省略することのできるタービンシュラウドおよびこれを備えたガスタービンエンジンを提供することを目的とする。
【解決手段】 ガスタービンの動翼４２の先端に対向するとともにケーシング５０の内面５０ａに配置されるタービンシュラウド部材６１を備えたタービンシュラウド６０であって、前記タービンシュラウド部材６１が、無端リング状に形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンの動翼先端とケーシングの内面との間に配置されるタービンシュラウド（turbine shroud）およびこれを備えたガスタービンに関するものである。

ガスタービンの動翼先端とケーシングの内面との間隙を適正に保ち、ここでの燃焼ガスの漏洩を防ぐとともに、タービン効率の低下を防ぐタービンシュラウドとしては、その内面側（すなわち、動翼先端と対向する面側）に、ハニカム構造を有する被削材が設けられているものが知られている（たとえば、特許文献１，２参照）。
特開２００１−１３２４０６号公報（図４） 特開２０００−２５７４４８号公報（図２、図３）

しかしながら、これら特許文献に記載されているような従来のタービンシュラウドは、タービンシュラウド部材が周方向に１０〜２８分割されているとともに、分割面の隙間を通って燃焼ガスが漏洩してしまうのを防止するため、分割面に溝を設けて、シールプレートを取り付けなければならず、その構造が複雑になって、加工に要する作業時間が長くなり、また、製造コストも嵩んでしまうといった問題点があった。
また、これら分割されたタービンシュラウド部材は、ケーシングの内面に形成された溝内に順次嵌め込んでいって組み立てられるようになっているので、組み立て作業に長時間要してしまうといった問題点もあった。
さらに、タービンシュラウド部材がケーシングの内面に形成された溝内に嵌め込むようにして取り付けられているため、特に、ガスタービンの起動時に、熱膨張差により動翼先端がタービンシュラウド部材の内面と接触して動翼が損傷するのを防止するため、タービンシュラウド部材の内面側にハニカム構造を有する被削材をろう付けして設けなければならず、加工作業にさらなる時間が費やされてしまうといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、製造および取り付け（取り外し）が容易で、かつ被削材を省略することのできるタービンシュラウドおよびこれを備えたガスタービンエンジンを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載のタービンシュラウドは、ガスタービンの動翼の先端に対向するとともにケーシングの内面に配置されるタービンシュラウド部材を備えたタービンシュラウドであって、前記タービンシュラウド部材が、無端リング状に形成されていることを特徴とする。
このようなタービンシュラウドによれば、従来のようにタービンシュラウド部材を分割加工する必要がなく、また、分割面に溝などを設ける必要もなくなるので、その構造が簡素化され、タービンシュラウドの製造が容易なものとなる。

請求項２に記載のタービンシュラウドは、前記タービンシュラウド部材が、前記動翼と略同じだけ半径方向に熱膨張するような熱容量を有しており、かつ前記タービンシュラウド部材が、前記動翼の半径方向の伸縮に合わせて同じように伸縮できるよう、取付手段を介して前記ケーシングに取り付けられていることを特徴とする。
このようなタービンシュラウドによれば、半径方向に熱膨張する動翼と略同じだけ半径方向に熱膨張することとなる。すなわち、動翼先端とタービンシュラウド部材の内面との間隙が略一定に保たれたまま、これらタービンシュラウド部材と動翼が半径方向に熱膨張することになる。したがって、特に、ガスタービン起動時における動翼先端とタービンシュラウド部材との熱膨張差がなくなり、動翼先端がタービンシュラウド部材の内面と接触してしまうようなこともなくなる。

請求項３に記載のタービンシュラウドは、前記取付手段が、前記タービンシュラウド部材に略等間隔で形成された少なくとも三個の長孔またはピンと、これら長孔またはピンと対向する位置で前記ケーシングに設けられたピンまたは長孔とを有することを特徴とする。
このようなタービンシュラウドによれば、タービンシュラウド部材の中心軸線と、ケーシングの中心軸線とが一致することとなるため、動翼が取り付けられているタービンロータの中心軸線とも一致することとなり、動翼先端とタービンシュラウド部材の内面との間隙が周方向全体にわたって一定に保たれることとなって、これら部材間における芯出しの必要はない。

請求項４に記載のタービンシュラウドは、前記ケーシングに、前記タービンシュラウド部材の半径方向の伸縮を案内するガイド部材が設けられていることを特徴とする。
このようなタービンシュラウドによれば、タービンシュラウド部材の中心軸線がタービンロータの中心軸線とずれることなくタービンシュラウド部材の伸縮を行わせることができるようになっている。

請求項５に記載のガスタービンは、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンシュラウドを備えるタービンと、燃焼用空気を圧縮して燃焼器に送る圧縮機と、前記燃焼用空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、を備えてなることを特徴とする。
このようなガスタービンによれば、製造および取り付けが容易で、かつ被削材を省略することのできるタービンシュラウドが具備されており、製造コストの低減化が図られるとともに、タービンシュラウドの取り付けに要する作業時間が短縮されることとなる。

本発明によれば、タービンシュラウド部材が無端リング状に形成されているので、従来のようにタービンシュラウド部材を分割加工する必要がなく、また、分割面に溝などを設ける必要もなくなるので、その構造を簡素化することができて、加工に要する時間を短縮することができ、かつ製造コストを低減させることができる。
また、タービンシュラウド部材が、動翼と略同じだけ半径方向に熱膨張するような熱容量を有し、かつタービンシュラウド部材が、動翼の半径方向の伸縮に合わせて同じように伸縮できるように、ケーシングに取り付けられているので、タービンシュラウド部材の内面と動翼の先端との距離を略一定に保つことができて、従来必要としていた被削材を省略することができるとともに、このような被削材をタービンシュラウド部材の内面に取り付ける（ろう付けする）必要がなくなるので、加工作業をさらに短縮することができる。
さらに、タービンシュラウド部材が、周方向に等間隔で配置された少なくとも三個の長孔とピンとによりケーシングに取り付けられているので、タービンシュラウド部材の中心軸線と、動翼が取り付けられているタービンロータの中心軸線とが一致することとなり、これら部材間における芯出しは不要である。
さらにまた、タービンシュラウド部材が、ケーシングに設けられたガイド部材により、当該タービンシュラウド部材の半径方向に案内されるようになっているので、タービンシュラウド部材の中心軸線をタービンロータの中心軸線と常に一致させることができる。

以下、本発明によるタービンシュラウドおよびこれを備えたガスタービンの一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図３に示すように、ガスタービン１０は、導入された燃焼用空気を圧縮する圧縮機２０と、この圧縮機２０から送られてきた燃焼用空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスＧを発生させる燃焼器３０と、この燃焼器３０の下流側に位置し、燃焼器３０を出た燃焼ガスＧにより駆動されるタービン４０とを主たる要素として構成されたものである。

タービン４０はたとえば、上流側から１段静翼４１、１段動翼４２、２段静翼４３、２段動翼４４、３段静翼４５、３段動翼４６、４段静翼４７、４段動翼４８が順に配置されたものである。
１段静翼４１、２段静翼４３、３段静翼４５、および４段静翼４７はそれぞれ、外側シュラウド、断面翼型を有する静翼ブレード本体、および内側シュラウドを具備するものであり、外側シュラウドを介して静止側のケーシング（車室）５０に固定されている。
これら１段静翼４１、２段静翼４３、３段静翼４５、および４段静翼４７は、燃焼ガスＧを膨張・減圧させるほか、これら静翼４１，４３，４５，４７からの流出ガスが、下流側に位置する動翼４２，４４，４６，４８に対して最適な角度で衝突するよう流れの方向を与える働きをするものである。

１段動翼４２、２段動翼４４、３段動翼４６、および４段動翼４８はそれぞれ、動翼ブレード本体を具備するものであり、その基端部に固定されたプラットフォームを介して動翼ディスクに取り付けられている。

ここで、燃焼ガスＧの流れについて説明すると、燃焼器３０で燃焼して高温となった燃焼ガスＧは１段静翼４１から流入し、２段〜４段の各翼間を流れる過程において膨張して、それぞれ動翼４２，４４，４６，４８を回転させ、タービンロータに回転動力を与えて排出される。

つぎに、図３において円Ａで囲んだ部分を拡大して詳細に示したものを図１に示す。
図１において符号４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４３ａ，４３ｂはそれぞれ、１段静翼の静翼ブレード本体、１段静翼の外側シュラウド、１段動翼の動翼ブレード本体、２段静翼の静翼ブレード本体、２段静翼の外側シュラウドである。
また、１段動翼４２の先端（すなわち、動翼ブレード本体４２ａの先端）には、シュラウド４２ｂが設けられているとともに、このシュラウド４２ｂから後述するタービンシュラウド６０のタービンシュラウド部材６１に向かって（半径方向外方に向かって）一対のフィン４２ｃ，４２ｄが延設されている。これらフィン４２ｃ，４２ｄはそれぞれ、シュラウド４２ｂに沿って周方向にも延設されており、これにより、１段動翼４２とタービンシュラウド６０との間のシール性が向上され得るようになっている。

１段動翼４２の先端とケーシング５０の内面５０ａとの間には、１段動翼用のタービンシュラウド６０が設けられている。このタービンシュラウド６０はタービンシュラウド部材６１を有するもので、このタービンシュラウド部材６１は、２段静翼４３の側から見た図２に示すように、無端のリング状を呈するものであり、たとえば、ハステロイＸ（ニッケル基合金で、1200℃に達する高温中でも、優れた強度と耐酸化性を有するもの）を材料として作られたものである。また、このタービンシュラウド部材６１は、１段動翼４２と略同じだけ熱膨張するような熱容量を有するように、その形状（たとえば、板厚など）が決定されるようになっている。なお、図２に示す実線矢印は、タービンシュラウド部材６１の伸縮方向を示している。
タービンシュラウド部材６１の背面側には、このタービンシュラウド部材６１の同心円上に等間隔（本実施形態では９０度毎）で離間するとともに半径方向に延在する長孔（取付手段）６２が四個設けられている。また、これら長孔６２と対向するケーシング５０の壁面５０ｂには、これら長孔６２に対応してピン（取付手段）５１が設けられており、このピン５１が対応する長孔６２内に嵌り込むことにより、タービンシュラウド部材６１がケーシング５０に支持されるようになっている。
また、タービンシュラウド部材６１の内面（１段動翼４２の先端と対向する面）は、段部６１ａを挟む二つの面６１ｂ、６１ｃを有するものであり、上流側に位置する面６１ｂはフィン４２ｃと、下流側に位置する面６１ｃはフィン４２ｄとそれぞれ対向するように形成されている。
なお、ピン５１の外表面と長孔６２の内表面との間には僅かな隙間があり、特に、ガスタービン１０の起動時において、タービンシュラウド部材６１がケーシング５０よりも早く（大きく）熱膨張してもケーシング５０に影響を及ぼすことなく、自由に変形できるようになっている。

一方、タービンシュラウド部材６１の後端面６１ｄよりも下流側に位置するケーシング５０の内面５０ａには、ガイド部材７１が設けられており、タービンシュラウド部材６１が伸縮する際、タービンシュラウド部材６１の後端面６１ｄが、ガイド部材７１の前端面７１ａに沿って案内されるようになっている。

つぎに、このようなタービンシュラウド６０を有するガスタービンの組立方法の手順についてその概略を説明する。
（１）タービン４０のケーシング５０を縦置きにする（すなわち、燃焼ガス入口側を下側、燃焼ガス出口側を上側にする。）。
（２）１段静翼４１をケーシング５０の溝に沿わせて組み込む。（静翼は周方向に20〜28分割されているため１セグメント毎に組み込む。）
（３）１段目のタービンシュラウド部材６１を組み込む。
（４）１段動翼４２と１段ディスクの組立品を組み込む。（１段動翼と１段ディスクの組立品は下から治具で支えるため、１段静翼４１に荷重がかかることはない。）
（５）２段静翼４３をケーシング５０の溝に沿わせて組み込む。
（６）２段目のタービンシュラウド部材６１を組み込む。
（７）２段動翼４４と２段ディスクの組立品を組み込む。
（８）１段ディスクと２段ディスクをボルトで結合する
（９）上記要領と同様の手順で３段目以降を組み込む。
なお、取り外す際（分解する際）は上記組立手順と逆の手順となる。

このように、本実施形態ではタービンシュラウド部材６１が無端リング状に形成されているので、従来のようにタービンシュラウド部材６１を分割加工する必要がなく、また、分割面に溝などを設ける必要もなくなるので、その構造を簡素化することができて、加工に要する時間を短縮することができ、かつ製造コストを低減させることができる。
また、ケーシング５０の壁面５０ｂに設けられたピン５１に対してタービンシュラウド部材６１の背面側に形成された長孔６２を掛合させるだけでタービンシュラウド部材６１のケーシング５０への取り付けが完了するので、組み立てに要する作業時間を大幅に短縮することができる。
さらに、タービンシュラウド部材６１が、ケーシング５０に対して自由に伸縮できるよう取り付けられているので、たとえば、ガスタービンの起動時において、タービンシュラウド部材６１および動翼がともに半径方向外側に熱膨張し得るようになっている。したがって、動翼の先端（すなわち、本実施形態ではフィン４２ｃ，４２ｄの先端）がタービンシュラウド部材６１の内面と接触するおそれがなく、従来必要としていた被削材を省略することができる。また、このように被削材をタービンシュラウド部材６１の内表面に取り付ける（ろう付けする）必要がなくなるので、加工作業をさらに短縮することができる。
さらにまた、タービンシュラウド部材６１の後端面６１ｄと対向するとともに、この後端面６１ｄと平行な面（前端面）７１ａを有するガイド部材７１が設けられていることにより、タービンシュラウド部材６１がピン５１から外れてしまうことを防止することができるとともに、タービンシュラウド部材６１の中心軸線がタービンロータの中心軸線とずれることなくタービンシュラウド部材６１の伸縮を行わせることができる。

なお、本実施形態では１段動翼に対して設けられた１段動翼用のタービンシュラウド６０についてのみ説明してきたが、２段動翼から４段動翼に対しても同様のタービンシュラウドが設けられている。これら２段動翼から４段動翼に対して設けられるタービンシュラウドのタービンシュラウド部材は、上述した１段動翼用のタービンシュラウド部材６１に比べて通過する燃焼ガスの温度が低いため、たとえば、ＳＵＳ３４７などのオーステナイト系ステンレス鋼を材料として作られている。

また、上述した実施形態では、ピン５１および長孔６２を９０度毎に配置させたものを説明してきたが、本発明なこのようなものに限定されるものではなく、たとえば１２０度毎に三個ずつ、あるいは６０度毎に６個ずつ設けるようにすることもできる。

さらに、上述した実施形態では、ケーシング５０側にピン５１を設けるとともに、タービンシュラウド部材６１側に長孔を設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ケーシング５０側に長孔を設け、タービンシュラウド部材６１側にピンを設けるようにしても良い。

本発明によるタービンシュラウドの一実施形態を示す要部拡大断面図である。 本発明によるタービンシュラウドの一実施形態を示す正面図である。 本発明によるタービンシュラウドが適用されるガスタービンの全体を示す半断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービン
２０ 圧縮機
３０ 燃焼器
４０ タービン
４２ １段動翼
４４ ２段動翼
４６ ３段動翼
４８ ４段動翼
５０ ケーシング
５０ａ 内面
５１ ピン（取付手段）
６０ タービンシュラウド
６１ タービンシュラウド部材
６２ 長孔（取付手段）
７１ ガイド部材

Claims (5)

1. ガスタービンの動翼の先端に対向するとともにケーシングの内面に配置されるタービンシュラウド部材を備えたタービンシュラウドであって、
   前記タービンシュラウド部材が、無端リング状に形成されていることを特徴とするタービンシュラウド。
2. 前記タービンシュラウド部材が、前記動翼と略同じだけ半径方向に熱膨張するような熱容量を有しており、かつ前記タービンシュラウド部材が、前記動翼の半径方向の伸縮に合わせて同じように伸縮できるよう、取付手段を介して前記ケーシングに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービンシュラウド。
3. 前記取付手段が、前記タービンシュラウド部材に略等間隔で形成された少なくとも三個の長孔またはピンと、これら長孔またはピンと対向する位置で前記ケーシングに設けられたピンまたは長孔とを有することを特徴とする請求項２に記載のタービンシュラウド。
4. 前記ケーシングに、前記タービンシュラウド部材の半径方向の伸縮を案内するガイド部材が設けら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タービンシュラウド。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンシュラウドを備えるタービンと、燃焼用空気を圧縮して燃焼器に送る圧縮機と、前記燃焼用空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温燃焼ガスを発生させる燃焼器と、を備えてなることを特徴とするガスタービン。

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