JP2008196490A - インピンジメント冷却マニホルド用の一体型支持体／熱電対ハウジング並びに冷却法 - Google Patents

Abstract

【課題】 インピンジメント冷却マニホルド及び冷却方法のための一体型支持体／熱電対ハウジングを提供する。
【解決手段】 ヘビーデューティータービン（１１０）用のインピンジメント冷却システムは、ヘビーデューティータービン（１１０）のケーシング（１２０）に取り付けられ、その表面に複数のインピンジメント孔（１４８）を有するマニホルド（１４０）と、ヘビーデューティータービン（１１０）のタービン動翼（１２２）の先端（１２３）とシュラウド（１２６）とのクリアランスを制御するために、マニホルド（１４０）の複数のインピンジメント孔（１４８）を通して空気流を送ってヘビーデューティータービン（１１０）のケーシング（１２０）を冷却するブロワ（１３０）とを有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、近年開発されたインピンジメント冷却システムのインピンジメント冷却マニホルドの取付の詳細及び方法に関する。具体的には、本発明は、タービンケーシングから離間してマニホルドを支持するとともに、複数の内蔵ケーシング熱電対用の保護管として機能するマニホルド取付具を提供する。

空気インピンジメント冷却は、小型ガスタービンのケーシング温度の管理や、動翼及び付随内部ケーシング表面とのクリアランスの低減及び維持に用いられている。ヘビーデューティーガスタービンにおける空気インピンジメント冷却システムの一つの課題は、大きくて不均一な基準外のケーシング表面全域で均一な熱伝達率を得る能力である。小型ガスタービンでは、通常は小さなインピンジメント孔と短いノズル／表面距離が用いられる。これらの因子は、ケーシングに要求される高い熱伝達率を生じる。小さなインピンジメント冷却孔を適用することの悪影響の一つは、孔の内外で高い差圧降下で動作する必要があることである。そのため、不必要に高い冷却用空気供給圧が必要となり、正味効率に悪影響を与える。

インピンジメント冷却は、タービンクリアランス制御方法として航空機エンジンで応用されている。しかし、航空機エンジンで使用されるインピンジメントシステムはヘビーデューティータービン用途では使用できない。航空機エンジンに適用されるシステムは、圧縮機から抽出した空気を冷却媒体として利用する。目的の熱伝達率を得るには低い空気温度が必要とされるので、ヘビーデューティーガスタービンで圧縮機抽出空気を使用するのは実現性に欠ける。ヘビーデューティーガスタービンは著しく大きくて不均一なケーシング表面を有しており、航空機エンジンに比べて複雑なマニホルド設計を必要とする。同様に、ヘビーデューティーガスタービンではケーシング厚さ及びケーシング厚さの変動が相当に大きくなる。
米国特許第６４３１８２４号明細書 米国特許第４５７３８０６号明細書 米国再発行特許第ＲＥ３５６７４号明細書

インピンジメント冷却システムは近年開発されていて、ヘビーデューティーガスタービンでのクリアランス制御を行うことができる。このシステムは、対象のケーシング表面に対して要求される熱伝達率を適切に提供するとともに、ケーシングに対する空気の流れを適切に制御する。

本発明は、ヘビーデューティータービン用のインピンジメント冷却システムであって、ヘビーデューティータービンのケーシングに取り付けられたインピンジメント冷却マニホルドにして、その表面に複数のインピンジメント孔を有するインピンジメント冷却マニホルドと、ヘビーデューティータービンのタービン動翼の先端とシュラウドとのクリアランスを制御するために、インピンジメント冷却マニホルドの複数のインピンジメント孔を通して空気流を送ってヘビーデューティータービンのケーシングを冷却するブロワと、ケーシング熱電対を収容するために内部に画成された穴を有し、ケーシングから離間したインピンジメント冷却マニホルドを支持するための１以上の支持体とを備えるシステムとして具体化できる。

本発明はまた、ヘビーデューティータービンケーシングの冷却方法であって、複数のインピンジメント孔を有する１以上のインピンジメント冷却マニホルドを、ケーシング熱電対を収容するために内部に画成された穴を有し、ケーシングから離間したインピンジメント冷却マニホルドを支持するための１以上の支持体を用いてケーシングに取り付け、空気をマニホルドとインピンジメント孔に吹き込んで、ケーシングを冷却するとともに、ケーシング内に位置する１以上の先端と１以上のシュラウドとのクリアランスを制御することを含んでなる方法として具体化できる。

本発明の上記その他の目的及び利点は、添付図面と併せて本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態のに関する以下の説明を参照すことによって、十分に理解し評価できるであろう。

本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照して、以下に本発明を詳述する。しかし、本発明は多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書で説明される実施形態に限定されるものと解釈するべきではなく、これらの実施形態はこの開示が詳細かつ完璧になるように、また本発明の範囲を当業者に伝えるように提供されるものである。

図１は、ヘビーデューティータービン１１０の例示的な実施形態を図示する。ヘビーデューティータービンエンジンは、圧縮機セクション１１２と、燃焼器セクション１１４とタービンセクション１１６を備える。タービン１１０は、圧縮機ケーシング１１８及びタービンケーシング１２０も有している。タービン及び圧縮機ケーシング１１８，１２０は、ヘビーデューティータービンの主要部を取り囲む。タービンセクション１１６は、軸と、複数の回転及び静止タービン翼の組を有する。

タービンケーシング１２０は、ケーシング１２０の内面に取り付けられたシュラウド１２６を備えていてもよい。シュラウド１２６は回転タービン動翼１２２の先端に近接して配置され、先端１２３を超える空気漏れを最小限にすることができる。図２を参照すると、先端１２３とシュラウド１２６との間の距離がクリアランス１２８と呼ばれる。翼とケーシングの熱膨張特性の差に起因して、各タービン段のクリアランス１２８が一致しないことが知られている。

動翼先端１２３からケーシングクリアランス１２８への空気／排ガス漏れの量はヘビーデューティーガスタービンの効率に大きく関与する。上述の通り、図２は、タービンケーシング１２０内のタービン動翼先端１２３とシュラウド１２６とのクリアランス１２８を概略的に示す。タービン動翼先端１２３とタービンケーシング１２０との熱膨張特性の差に起因して、タービンが燃焼からベースロード定常状態条件への過渡状態を移行する際に、クリアランス１２８が著しく変化する。クリアランス制御システムは、その運転順序を含めて、すべての運転条件の間に特定のクリアランス特性を呈するように実施することができる。制御システムの設計及び／又は順序を間違えると、タービン動翼先端１２３とケーシングシュラウド１２６との過度の摩擦を生じかねず、クリアランスが増大するとともに、性能が低下する結果になりかねない。

図３の例示的な実施形態に示すように、インピンジメント空気冷却システムを使用して、タービンシュラウド１２６及び付随する先端１２３とのクリアランスを減少及び維持することができる。インピンジメント空気冷却システムは、ブロワ１３０と、流量制御ダンパ１３２と、相互接続管１３４と、分配管寄せ１３６と、流量調節弁又はオリフィス１３８と、一連のインピンジメント冷却マニホルド１４０とを備えていてもよい。図３の例示的な実施形態では、複数のインピンジメントマニホルド１４０がタービンケーシング１２０の外周の周囲に取り付けられる。インピンジメント冷却ブロワ１３０は周囲空気を吸い込み、その空気を流量制御ダンパ１３２、相互接続管１３４、分配管寄せ１３６、流量調節弁又はオリフィス１３８を通してインピンジメント冷却マニホルド１４０に吹き込む。ブロワ１３０は、ファン又はジェットを始めとする任意のブロワ装置であってもよい。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０に対して均一な熱伝達率を確実にもたらす。なお、インピンジメント空気冷却システムは本明細書に開示した部品に限定されるものではなく、空気をインピンジメント冷却マニホルドに沿って流すことができる任意の部品でよい。

図４、図５及び図６に示す例示的な実施形態を参照すると、インピンジメント冷却マニホルド１４０はタービンケーシング１２０の対象領域の外形に合わせて設計できる。各インピンジメント冷却マニホルド１４０は、供給管１４４を備えた上板１４２と、複数のインピンジメント孔１４８を備えた下板１４６と、側面部と、水平脚部１５０と、ホールドダウン支持体１５２（以下に詳述する）とを備えていてもよい。インピンジメント孔１４８は空気がインピンジメント冷却マニホルドからタービンケーシングへ流れるようにして、タービンケーシングを選択的に冷却する。

インピンジメント孔１４８は、ある配列で配置される。ある例示的な実施形態では、インピンジメント孔１４８同士は１．２５〜２．５インチの範囲で離間させることができる。ある例示的な実施形態では、個々のインピンジメント孔１４８は０．１２〜０．２インチの寸法にすることができる。タービンケーシングの表面形状の不均一性を補うために、様々な孔寸法と間隔が必要とされる。下板１４６のインピンジメント孔１４８の寸法と配置によって、インピンジメント空気冷却システムの対象とされるケーシング全域で均一な熱伝達率が得られる。しかし、インピンジメント孔はこれらの寸法や間隔に限定されるものではない。上板１４２及び下板１４６間の距離は内圧変動が最小限となる寸法にしてもよく、これにより均一な冷却孔の圧力比が得られる。

インピンジメント冷却マニホルドの下板１４６とタービンケーシング１２０との間の間隔は、熱伝達率に影響を及ぼす。間隔が大きすぎると、最適ではない熱伝達率が生じる可能性がある。間隔が小さすぎると、最適でないばかりか不均一な熱伝達率が生じる可能性がある。ある例示的な実施形態では、０．５〜１．０インチの間の間隔で適切な熱伝達率が得られる。しかし、間隔はこの範囲に限らず、適切な熱伝達率が得られる任意の距離にすることができる。

図６にホールドダウン支持体１５２の詳細を示すが、本発明の例示的な実施形態では、タービンケーシング１２０の表面から所定の距離でマニホルド１４０を支持するとともに、ケーシングの温度をモニターするケーシング熱電対用の保護管として機能する。支持体／熱電対ハウジング１５２は、それぞれ上板１４２及び下板１４６に画成された軌道孔１５８，１６０に挿入されたねじ込み外面１５６を有するブッシング１５４を備える。

ねじスリーブ１６２は、下板１４６との界面でブッシングに係合する。具体的には、ねじスリーブは下板に溶接され、ブッシングにねじ係合するためのねじ込み内面を有する。ねじスリーブに対してブッシングを回転させることによって、図５及び図６に示すように、ケーシングに接するまでブッシングの遠位端をそれに向かって前進させる。

マニホルド１４０をタービンケーシングから所望の間隔だけ離すために、黒鉛ガスケット１６４と、薄板ワッシャ１６６と、カスタムナット１６８とを備えるアセンブリがブッシング１５４の外側の周囲に配置される。ある例示的な実施形態では、黒鉛ガスケット１６４と薄板ワッシャ１６６はそれぞれ約１／１６インチ厚である。カスタムナット１６８はブッシング１５４にねじ係合して、上板１４２を押さえつける。

ブッシング内に、取付ボルト１７０が挿入される。取付ボルト１７０は、タービンケーシング１２０のねじ座ぐり１７６にねじ係合するねじ遠位端１７２と、ブッシングの近位端に係合するボルトの近位端にあるフランジ１７４とを有する。熱電対は取付ボルトの近位端にねじ込まれるとともに、取付ボルトの穴に配置され、ケーシングに画成された座ぐりで終端するシンワイヤ（図示せず）を有する。熱電対ワイヤの端部にあるセンサ（図示せず）は、ケーシングと取付ボルトのねじ係合の下で、座ぐり内でケーシングと接触する。

図示した通り、上板１４２に画成された孔１５８は、ブッシングに対するマニホルドの浮き上がりをカスタムナット１６８によって防ぎつつ、ブッシング１５４に対して左右へのマニホルド上板の側方遊びの量を限ることができるような寸法にされる。その一方で、ブッシング１５４の穴に挿入された取付ボルト１７０はケーシング１２０にねじ係合し、ケーシングからのブッシングの位置ずれを制限する上部フランジ１７４を有しており、取付ボルトがケーシング１２０に対するブッシング１５４の位置を決定し、ブッシング１５４を回転させてケーシング１２０に対するマニホルド１４０の位置を決定する。

ある例示的な実施形態では、ケーシングから離して（各）マニホルドを支持するために、２つの支持体／熱電対ハウジングが提供される。現在提案されているように、一体型支持体の一方は図６を参照して上述の通りねじスリーブに係合しているのに対して、他方の支持体はねじスリーブのない下板に挿入される。代わりに、マニホルドの熱成長を可能にするために、下板にスロットが画成される。したがって、２つの支持体はそれぞれ、下板に対して固定取付と、遊びを持たせた取付を行う。

図３に概略を示すように、複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０が対象の冷却領域の真上のタービンのケーシング１２０に取り付けられる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、それらのエッジとケーシングのあらゆる突起との間に十分な間隔があるように配置される。これにより、空気がインピンジメント孔１４８を通過してインピンジメント冷却マニホルド１４０の下から周囲に排気される自由工程が形成される。ある例示的な実施形態では、２つの隣接するインピンジメント冷却マニホルド間の間隔は１〜３０インチの間にすることができ、ケーシング突起やフランジ継手によって決まる。間隔はこれらの寸法に限定されず、任意の適切な距離だけ間隔をあけてもよい。インピンジメント冷却マニホルド１４０はまた、水平割り継手を含むいずれかの軸方向フランジに対してインピンジメント冷却を行うこともできる。

前述の説明及び関連する図面で提示された教示の利益を得る当業者には、本発明の多くの変形例や他の実施形態に想到するであろう。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、変形例や他の実施形態も添付の請求項の範囲に含むことを目的としていることを理解されたい。本明細書では特定の用語が採用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用したに過ぎず、限定目的ではない。

したがって、現時点で最も現実的で好ましいと思料される実施形態を参照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、特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成も包含する。

本発明の例示的な実施形態に係るヘビーデューティーガスタービンの断面図である。 本発明の例示的な実施形態に係るタービン動翼／シュラウド間のクリアランスの拡大図である。 本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却システムの図である。 本発明の例示的な実施形態に係るインピンジメント冷却マニホルドの斜視図である。 本発明の例示的な実施形態に係るインピンジメント冷却マニホルドの概略断面図である。 本発明の例示的な実施形態としての図５のインピンジメント冷却マニホルドのための一体型支持体／熱電対ハウジングの拡大図である。

Claims (10)

1. ヘビーデューティータービン（１１０）用のインピンジメント冷却システムであって、
   ヘビーデューティータービン（１１０）のケーシング（１２０）に取り付けられたインピンジメント冷却マニホルド（１４０）であって、その表面（１４６）に複数のインピンジメント孔（１４８）を有するインピンジメント冷却マニホルド（１４０）と、
   ヘビーデューティータービン（１１０）のタービン動翼（１２２）の先端（１２３）とシュラウド（１２６）とのクリアランスを制御するために、インピンジメント冷却マニホルド（１４０）の複数のインピンジメント孔（１４８）を通して空気流を送ってヘビーデューティータービン（１１０）のケーシング（１２０）を冷却するブロワ（１３０）と、
   ケーシング（１２０）から離間したインピンジメント冷却マニホルドを支持するための１以上の支持体（１５２，１５４，１７０）であって、ケーシング熱電対を収容するために内部に画成された穴を有する支持体（１５２，１５４，１７０）と
   を備える、インピンジメント冷却システム。
2. 支持体（１５２，１５４，１７０）がインピンジメント冷却マニホルド（１４０）を貫通し、ケーシング（１２０）に固定される、請求項１記載のシステム。
3. ケーシング（１２０）からのマニホルドの位置ずれを制限するために、支持体（１５２，１５４，１７０）の外面にねじ係合するナット（１６８，１６２）を有する、請求項１記載のシステム。
4. 支持体（１５２，１５４，１７０）が、インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に画成された孔（１５８，１６０）を貫通するブッシング（１５４）と、ブッシング（１５４）に挿入され、ケーシング（１２０）に固定された取付ボルト（１７０）とを有する、請求項１記載のシステム。
5. 取付ボルト（１７０）が、ケーシング（１２０）にねじ係合するねじ遠位端（１７２）と、ブッシング（１５４）の近位端に係合するボルトの近位端にあるフランジ（１７４）とを有する、請求項４記載のシステム。
6. ヘビーデューティータービンケーシング（１２０）の冷却方法であって、
   複数のインピンジメント孔（１４８）を有する１以上のインピンジメント冷却マニホルド（１４０）を、ケーシング熱電対を収容するために内部に画成された穴を有し、ケーシング（１２０）から離間したインピンジメント冷却マニホルドを支持するための１以上の支持体（１５２，１５４，１７０）を用いてケーシング（１２０）に取り付け、
   空気をマニホルド（１４０）及びインピンジメント孔（１４８）に吹き込んで（１３０）、ケーシング（１２０）を冷却するとともに、ケーシング（１２０）内に位置する１以上の先端（１２３）と１以上のシュラウド（１２６）とのクリアランスを制御する
   ことを含んでなる方法。
7. 支持体（１５２，１５４，１７０）がインピンジメント冷却マニホルド（１４０）を貫通し、ケーシング（１２０）に固定される、請求項６記載の方法。
8. ケーシング（１２０）からのマニホルド（１４０）の位置ずれを制限するために、ナット（１６８，１６２）が支持体（１５２，１５４，１７０）の外面にねじ係合される、請求項６記載の方法。
9. 支持体（１５２，１５４，１７０）が、インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に画成された孔（１５８，１６０）を貫通するブッシング（１５４）と、ブッシング（１５４）に挿入され、ケーシング（１２０）に固定された取付ボルト（１７０）とを有する、請求項６記載の方法。
10. 取付ボルト（１７０）が、ケーシング（１２０）にねじ係合するねじ遠位端（１７２）と、ブッシング（１５４）の近位端に係合するボルトの近位端にあるフランジ（１７４）とを有する、請求項９記載の方法。

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