JP2007278287A - ガスタービン圧縮機ケーシングの流路リング及びステータケーシングの組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン圧縮機ケーシングの流路リングを提供する。
【解決手段】本流路リング（２６）は、ガスタービン圧縮機ステータケーシング（１２）の機械加工溝（２４）内に固定可能である。本リングは、機械加工溝と係合可能でありかつ該機械加工溝に対応する形状にされたコネクタセクション（２８）を含む。流路セクション(３０)は、コネクタセクションに対して半径方向内側に配置され、圧縮機ロータブレード（２０）に対向して配置された間隙表面（３２）を含む。流路セクションは、タービンステータケーシングの機械加工溝内に固定された時にブレード流路面を形成する。流路リングの使用は、ロータブレード先端摩耗が発生した場合に、流路面の補修を可能にする。これに加えて、リングは、圧縮機ロータと圧縮機ケーシングとの間の過渡熱応答のより良好な整合を可能にする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧縮機ロータ及びステータケーシングに関し、より具体的には、ステータケーシング内の専用溝内に配置され、外側流路面を形成しかつロータ翼形部先端摩耗が生じた場合には容易に交換することができるリングセットに関する。

典型的なガスタービンの断面図を示す図１を参照すると、ガスタービンは、回転ブレード２０とケーシング１２との間の間隙２２が、一般的に非常に小さい、例えば定常状態温度において１．０１６〜２．０３２ｍｍ（４０〜８０ミル）であるような最適間隔に維持されている時に、最適性能を達成する。しかしながら、この間隙は、部品の累積公差並びにケーシング１２と回転翼形部２０との間の機械的及び熱的膨張差を考慮して十分に大きくしなくてはならない。

ガスタービン圧縮機において通常発生することは、様々な理由による圧縮機ケーシングに対するロータブレードの摩擦である。摩擦は、ロータ１８とケーシングとの間の整合不良、水平及び垂直フランジにおけるケーシング接合部のずれ或いはケーシング１２と回転部品との間の過渡熱応答差のような多数の条件によって引き起こされる可能性がある。その最終的な結果は、翼形部２０の先端喪失及び／又はケーシング流路面の摩耗である。これらの状態は、圧縮機性能及びサージマージンの不足を招く。摩擦が非常に激しい場合には、ケーシング及び回転翼形部は、交換しなくてはならない。一般的に、このことは、ガスタービンの長期間にわたる運用損失を生じることになる。

引き続き図１を参照すると、現在の産業用ガスタービンの圧縮機ケーシングには、ケーシング内に機械加工された固定翼形部１６用の円周方向スロット１４が設けられる。スロット間では、ケーシング１２は、円筒又は円錐形状に機械加工され、回転ブレード２０のための外側流路面を形成する。現在の設計の場合には、ケーシング厚さは、ケーシング１２及びロータ１８の変位を熱的に整合させるために変更することができる主要な設計変数である。

本発明の例示的な実施形態では、流路リングは、圧縮機ステータケーシングの機械加工溝内に固定可能である。流路リングは、機械加工溝と係合可能であるコネクタセクションを含み、その場合コネクタセクションは、機械加工溝に対応する形状にされる。流路セクションは、コネクタセクションに対して半径方向内側に配置され、圧縮機ロータブレードに対向して配置されかつ圧縮機ステータケーシングの機械加工溝内に固定された時にブレード流路面を形成した間隙表面を含む。

本発明の別の例示的な実施形態では、ガスタービン圧縮機は、複数のステータ翼形部を各々支持する翼形部溝を有するステータケーシングを含む。ロータは、ステータケーシングに対して回転するように複数のロータブレードを支持する。複数の上記の流路リングは、ステータケーシング内のそれぞれのリング溝内に固定される。

ロータ翼形部先端摩耗に起因したロータ流路面の補修を可能にすることは、望ましいといえる。このようにして、性能及びサージマージンを回復した状態で最適間隙を復元することができる。また、性能及びサージマージンを高めるために、間隙はより緊密にすることができる。

ロータブレードがケーシングと摩擦した可能性がある場合にケーシング内に取付けられた容易に交換可能なリングを利用することによって、流路面の補修は、迅速かつ効率的に行うことができる。これに加えて、交換可能なリング（つまり、流路リング）は、ケーシング内への熱伝達速度を低下させ、それによってロータ及びケーシングの熱膨張の過渡及び定常状態での整合を変化させることができる。このことにより、ロータブレードとケーシングとの間のより緊密な間隙を可能にしてエンジン全体性能及びサージマージンを向上させる受動間隙制御の設計機能が可能になる。

図１〜図３を参照すると、ガスタービンは、従来と同様にその中に機械加工された複数の翼形部溝１４を有するステータケーシング１２を含む。翼形部溝１４は、ステータケーシング１２の内周内にほぼ連続的に形成される。翼形部溝１４は各々、これまた従来と同様に複数のステータ翼形部１６を支持する。

ロータ１８は、ステータケーシング１２に対して回転するように複数のロータブレード２０を支持する。上述したように、ガスタービンは、回転翼形部とステータケーシング１２との間の参照符号２２で示した間隙が、一般的に非常に小さい（例えば、定常状態温度において１．０１６〜２．０３２ｍｍ（４０〜８０ミル））最適間隔に維持されている時に、最適性能を達成する。ガスタービン圧縮機の作動中に通常発生することは、ロータブレード２０の先端とステータケーシング１２との間の摩擦又は接触である。その最終的な結果は、ロータ先端の喪失及び／又はケーシング流路面の摩耗であり、これらは、圧縮機性能及びサージマージンの不足を招くおそれがある。さらに、摩擦が非常に激しい場合には、ケーシング１２及びロータブレード２０は、交換を必要とし、タービンの長期間にわたる運用損失を生じることになる。

図２を参照すると、ステータケーシング１２には、好ましくは翼形部溝１４の隣接する翼形部溝間に配置された付加的な溝２４が機械加工される。リング溝２４を形成するための機械加工法は、ステータ翼形部溝１４の機械加工において行われる従来の方法と非常に類似しており、その製造／機械加工法の詳細については説明しないことにする。

複数の流路リング２６（図３）が、ステータケーシング１２内のそれぞれのリング溝２４内に固定される。流路リング２６は、機械加工溝２４に対応する形状にされたコネクタセクション２８と、ケーシング１２に対して半径方向内側（つまり、ロータ１８に向って）に配置された流路セクション３０とを含む。流路セクション３０は、タービンロータブレード２０に対向して配置され、かつ流路リング２６がステータケーシング１２内に固定された時にブレード流路面を形成する間隙表面３２を含む。流路リング２６は各々、溝２４内での拘束を最少にするために複数のリングセグメントで形成されるのが好ましい。

流路リング２６は、該流路リング２６の間隙表面３２上に形成されたアブレイダブル皮膜３４を使用することによって、先端間隙を最適化するように使用することができる。間隙表面３２は、アブレイダブル皮膜３４をその中に配置する溝３６又はこれに類するものを含むのが好ましい。この用途のために使用することができるアブレイダブル皮膜の実施例には、アルミニウムシリコン合金／ポリマー複合材、ニッケル／黒鉛複合材、及びアルミニウム青銅／ポリマー複合材がある。アブレイダブル皮膜３４を使用することによって、ロータブレード２０は、間隙ピンチポイント時に皮膜を削り／切削するように働いて、最適定常状態運転間隙を達成することができる。

図４を参照すると、流路リング２６は、図示するように、ケーシング側表面上に形成された少なくとも１つの空隙断熱部３８を付加的に含むことができる。空隙断熱部３８は、ケーシング側表面内に溝として機械加工されるのが好ましい。流路リング２６のケーシング側表面上の最適空隙は、流路温度の急速過渡応答からケーシング１２を断熱する働きをすることができる。空隙断熱部３８は、流路リング２６とケーシング１２との間の熱伝達を制御して、それによって流路内の温度変化に応答したケーシング１２の加熱又は冷却速度を制御する。空隙断熱部３８の厚さを増加させること及び接触点の表面積を減少させることにより、熱伝達速度が低下し、従ってケーシングの熱応答性が低下することになる。これらは、ケーシングの応答性をロータ１８の応答性と整合させるために使用することができる主要な設計変数である。

さらに、リング２６の後方における流路ガス漏洩をさらに最少させるために、リング２６のケーシング側表面とステータケーシング１２との間にシール４０（図５）を挿置することができる。図５に示すように、シール４０を収容するために、付加的な溝又はノッチ４２をリング流路セクション３０のケーシング側表面内に形成することができる。シール４０は、金属ワイヤ／ロープ又はその他の好適な材料で形成されるのが好ましい。

流路リングは交換可能であるので、ロータブレード先端摩擦に起因した流路面の補修を信頼性がありかつコスト効果がある方式で迅速に可能にすることができる。従って、たとえ重度に摩耗したユニットについても、元の性能及び圧縮機サージマージンを回復させることができる。さらに、流路リングを交換するサイクル時間及び関連するコストは、ケーシングを交換するよりも大きく低減される。これに加えて、流路リング２６は、ロータと圧縮機ケーシングとの間のより良好な熱的整合を可能にして、設計者が熱応答性をより良く整合させ、それによってより緊密な間隙で作動させることを可能にする。上述したように、圧縮機ケーシング流路リングは、磨耗可能な又は磨耗性のアブレイダブル（abradable）材料で被覆して、より狭い間隙及び圧縮機性能の向上を可能にすることができる。当業者には分かるように、流路リングは、特にアブレイダブル皮膜と組合せた場合には性能強化の機構として新しいユニットに取付けることができる。流路リング溝は、ステータスロットと同じ方式により、同様の公差制御でステータケーシング内に機械加工することができるので、流路リングは、最小のコストとケーシングに対する最小のサイクルインパクトとで取付けることができる。

現在最も実用的か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、反対に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

典型的なガスタービン圧縮機の断面図。 ステータ溝間にリング溝を含む機械加工したステータケーシングを示す図。 ステータリング溝内に固定された流路リングを示す図。 空隙断熱部を含む流路リングを示す図。 背面漏洩を最少にするためのシールを含む流路リングを示す図。

符号の説明

１２ ケーシング
１４ 円周方向スロット
１６ 固定翼形部
１８ ロータ
２０ 回転ブレード
２２ 間隙
２４ リング溝
２６ 流路リング
２８ コネクタセクション
３０ 流路セクション
３２ 間隙表面
３４ アブレイダブル皮膜
３６ 溝
３８ 空隙断熱部
４０ シール
４２ 溝又はノッチ

Claims (10)

1. 圧縮機ステータケーシングの機械加工溝内に固定可能な流路リングであって、
   前記機械加工溝と係合可能でありかつ該機械加工溝に対応する形状にされたコネクタセクション（２８）と、
   前記コネクタセクションに対して半径方向内側に配置された流路セクション(３０) と、を含み、
   前記流路セクションが、圧縮機ロータブレード（２０）に対向して配置されかつ前記圧縮機ステータケーシングの機械加工溝内に固定された時にブレード流路面を形成する間隙表面（３２）を含む、
   流路リング。
2. 該流路リング（２６）が、複数のセグメントを含む、請求項１記載の流路リング。
3. 該リング（２６）が、隣接するステータ翼形部（１６）間で前記圧縮機ステータケーシングの機械加工溝（２４）内に取付け可能である、請求項１記載の流路リング。
4. 前記間隙表面（３２）上にアブレイダブル皮膜（３４）をさらに含む、請求項１記載の流路リング。
5. 前記間隙表面（３２）内に溝（３６）をさらに含み、前記アブレイダブル皮膜（３４）が、前記溝内に配置される、請求項４記載の流路リング。
6. 該流路リング（２６）のケーシング側表面上に配置された少なくとも１つの空隙断熱部（３８）をさらに含む、請求項１記載の流路リング。
7. 前記空隙断熱部（３８）が、前記ケーシング側表面内に形成された溝（４２）を含む、請求項６記載の流路リング。
8. 前記空隙断熱部（３８）が、前記流路リングのケーシング側表面と前記ケーシングとの間に挿置可能なシール（４０）をさらに含む、請求項６記載の流路リング。
9. ほぼＴ字形状の断面を含み、前記コネクタセクション（２８）が、前記Ｔ字形状のステム部分を形成し、また前記流路セクション（３０）が、前記Ｔ字形状の横棒部分を形成する、請求項１記載の流路リング。
10. ステータケーシングを組立てる方法であって、
    複数のステータ翼形部（１６）を各々支持するための複数の翼形部溝（１４）を機械加工する段階と、
    前記翼形部溝の隣接する溝間に配置された複数のリング溝（２４）を機械加工する段階と、
    前記リング溝のそれぞれの溝内に請求項１記載の複数の前記流路リング（２６）を固定する段階と、
    を含む方法。

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