JP2009057973A - ガスタービンロータ−ステータ支持システム - Google Patents

Abstract

【課題】支持基盤（１３）上に配置された回転機械のロータ（１０）及びステータ（８）を支持するためのシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、ロータ（１０）の軸受と支持基盤（１３）とに作動可能に連結した１以上の支持脚部と、１以上の支持脚部とステータ（８）とに作動可能に連結した１以上のストラットとを含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書に開示した本発明は、タービンの分野に関し、具体的にはタービン支持システムアーキテクチャに関する。

ガスタービンは、支持を必要とする多くの重量構成要素を含む。ガスタービンの重量を支持し、振動に適応し、またガスタービンを所定の位置に固定した状態に保つために支持体が使用される。

ガスタービンは、ステータ内で回転するロータを含む。ロータは、軸受によって支持され、軸受は、負荷を軸受ハウジング又は同様の非回転支持システムに伝達する。ハウジング又は支持構造体は一般的に、環状排気ガス流の内部に配置される。従来型の支持構造体アーキテクチャでは、軸受ハウジング又は同様の支持構造体は一般的に、環状排気ガス流にわたって延びるストラットによって支持される。ストラットは、ステータの残余部分に取付けられた、環状排気ガス流の外部にある外部構造体に固定される。次に、ステータは、垂直及び水平方向平面内で支持をもたらす支持構造体に固定される。

この形式のガスタービン支持システムアーキテクチャには、幾つかの欠点が存在する可能性がある。１つの欠点は、従来型の支持構造体がロータ及びステータ間での振動相互作用に適応しなければならないことである。振動に適応するためには、タービンブレードの組とステータとの間の間隙を増大させることが必要になる可能性がある。間隙の増大は通常、ガスタービンの効率の低下を引き起こす。

別の欠点は、地震発生又は回転ハードウエアの喪失のような突発的荷重状態の間にステータケースフランジに高荷重が掛かる可能性があることである。高荷重は、支持体に伝達される。高荷重を支持するために、ステータケースフランジは、より多くの質量を必要とする可能性がある。ステータケースフランジの質量が増加すると、ステータの不均一な加熱を引き起こす可能性がある。ステータの不均一な加熱は、真円度の低下を招き、タービンブレードの摩擦を引き起こすおそれがある。加えて、高荷重は、ステータフランジの滑動を引き起こし、再調整を必要とすることになるおそれがある。
米国特許第３５５６６７２号明細書

従って、必要となるものは、振動に適応しかつステータケースフランジへの突発的荷重を軽減する、ガスタービンを支持する方法である。本明細書では、そのような方法を開示する。

開示するのは、支持基盤上に配置された回転機械のロータ及びステータを支持するためのシステムの実施形態であり、本システムは、ロータの軸受と支持基盤とに作動可能に連結した１以上の支持脚部と、１以上の支持脚部とステータとに作動可能に連結した１以上のストラットとを含む。

開示するのはまた、支持基盤上に配置された回転機械の実施形態であり、本機械は、ステータと、該ステータに隣接して配置されたロータと、該ロータと作動可能に連結したロータ軸受と、該軸受と支持基盤とに作動可能に連結した１以上の支持脚部と、該１以上の支持脚部とステータとに作動可能に連結した１以上のストラットとを含む。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴及び利点は、同様の要素に同じ符号を付した添付の図面と共に行った以下の詳細な説明から明らかである。

本教示は、ガスタービンのロータ及びステータを支持するための支持システムの実施形態を提供する。本支持システムは、振動に適応しかつステータケースフランジに対する突発的荷重を軽減する。１つの実施形態では、支持システムは、基礎からロータを支持するための支持脚部を含む。支持システムはまた、ストラットを使用してステータを支持する。ステータに加わる静的及び動的な力は、ストラットによって支持脚部に伝達される。ロータ支持体からステータを支持することによって、ステータに対するロータの同心度を維持することができる。

便宜上、一部の定義を行っておく。「回転機械」という用語は、シャフトの周りに円周方向に配置されたブレードを含む機械に関連する。シャフト及びブレードは、共に回転して、ガスの加圧、流体の圧送、流体流の回転仕事への変換、及びガス流の回転仕事への変換のうちの１以上を行う。「ガスタービン」という用語は、連続燃焼エンジンである回転機械に関連する。ガスエンジンは一般的に、圧縮機、燃焼室及びタービンを含む。圧縮機は、空気を加圧して、燃焼室内で燃焼させる。燃焼室により、高温ガスが放出され、高温ガスは、タービンに導かれる。タービンは、高温ガスのエネルギーを回転仕事に変換する。「ロータ」という用語は、タービンのような回転構造体に関連する。ロータは、シャフトと該シャフトの周りに円周方向に配置されたブレードの組とを含む。「ケーシング」という用語は、ロータを囲む構造体に関連する。ケーシングはまた、「ステータ」と呼ぶこともできる。「ステータケースフランジ」という用語は、ケーシングセクションを共に固定するために使用するケーシング上のフランジに関連する。「タービン段」という用語は、タービンシャフトのセクションの周りに円周方向に配置された複数のタービンブレードに関連する。タービン段のタービンブレードは、シャフトの周りに円形パターンに配列される。「間隙」という用語は、１つのタービンブレードの外側先端とケーシングとの間の距離の量に関連する。「ロータ軸受」という用語は、ロータを支持するための軸受に関連する。「軸受ハウジング」という用語は、軸受を支持するためのハウジングに関連する。「内側バレル」という用語は、ケーシングの内部のほぼ円筒形の構造体に関連する。内側バレルは、軸受ハウジングを支持するために使用することができる。「支持脚部」という用語は、ロータを支持するための支持体に関連する。支持脚部の一端部は、ケーシングの外部の支持基盤に取付けることができる。支持脚部の別の端部は、内側バレル、又は軸受ハウジングのような軸受を支持するための構造体に取付けることができる。「ストラット」という用語は、ケーシングの内部の支持体に関連する。ストラットの一端部は、ケーシングに固定することができる。ストラットの別の端部は、内側バレル又は軸受ハウジングに固定することができる。ストラットは、内側バレル、軸受ハウジング及び支持脚部の１以上からケーシングを支持するために使用することができる。「摩擦」という用語は、１以上のタービンブレードがケーシングと接触状態になることに関連する。摩擦は一般的に、ガスタービンに対して損傷を引き起こす。

図１は、ガスタービン１の例示的な実施形態を示す。ガスタービン１は、圧縮機２、燃焼チャンバ３及びタービン４を含む。圧縮機２は、シャフト５によってタービン４に結合される。図１の実施形態では、シャフト５はまた、発電機６に結合される。タービン４は、タービン段７及びケーシング８（ステータ８とも呼ぶ）を含む。シャフト５は、圧縮機２に結合され、タービン段７は、ロータ１０と呼ぶことができる。ロータ１０は、ロータ軸受１１によって支持される。図１の実施形態では、ロータ軸受１１は、軸受ハウジング１２によって支持される。軸受ハウジング１２は、内側バレル１５によって支持される。次に、内側バレル１５は、支持脚部１４を介して支持基盤１３によって支持される。支持基盤１３は、例えば基礎のような地面に設置することができる静止基盤、及び例えば航空機又は船内に配置することができる移動基盤も含む。図１はまた、シャフト５に対して垂直な全半径方向を表す半径方向１７と長手軸線方向１６とを示している。

図２は、ガスタービン１の例示的な実施形態の端面図を示す。この図は、明瞭にする目的でタービン段７のブレードを除去した状態での長手軸線方向１６に見たものである。図２を参照すると、軸受ハウジング１２を支持した内側バレル１５を示している。図２の実施形態では、内側バレル１５は、２つの支持脚部１４によって支持される。図２の実施形態ではまた、ケーシング８は、４つのストラット２０によって支持される。４つのストラット２０は、内側バレル１５からケーシング８まで放射状に（半径方向に）配置される。図２に示すケーシング８は、フランジ２８によって共に結合された２つの１８０度セグメントを含む。４つのストラット２０は、ロータ１０に対するケーシング８の同心度を維持する。同心度は、ケーシング８に加わる力をストラット２０を介して支持脚部１４に伝達することによって達成される。力は、支持脚部１４に直接、或いは内側バレル１５又は軸受ハウジング１２のような中間構造体を通して伝達することができる。

２つの支持脚部１４及び４つのストラット２０を有する実施形態について説明してきたが、本教示の範囲はそれに限定されるものではないことが分かるであろう。本教示では、あらゆる数の支持脚部１４及びストラット２０を有する実施形態を提供する。本教示はまた、仲介構造体を含むことができる構成で配置されたストラット２０にも適用される。同様に、内側バレル１５が軸受ハウジング１２を支持するものとして示したが、支持脚部１４は、ロータ軸受１１、軸受ハウジング１２、又は該軸受ハウジング１２を支持するあらゆる構造体のうちの１以上に取付けることができる。

上述の実施形態では、内側バレル１５にストラット２０が結合されたものを示している。本教示は、ストラット２０が支持脚部１４に、又は該ストラット２０から支持脚部１４まで力を伝達する仲介構造体に結合することができることを示している。仲介構造体は、例えば内側バレル１５及び軸受ハウジング１２の１以上とすることができる。

図１及び図２に表した実施形態は、ガスタービン１のタービン４セクションにおける支持脚部１４を示しているが、同様の構成を使用して圧縮機２セクションにおいてロータ１０を支持することができる。またストラット２０を使用して、圧縮機２セクションにおいてケーシング８を支持することができる。タービンセクション４及び圧縮機セクション２において支持システムを使用する場合には、１つのセクションだけにおいて支持システムを使用するのよりも、ステータ８に対するロータ１０の同心度は、改善することができる。

図３は、ストラットの５つによってケーシング８を支持したガスタービン１の別の例示的な実施形態の三次元図を表している。図３を参照すると、内側バレル１５は、支持脚部１４の２つによって支持されている。図３の実施形態では、各支持脚部１４は、該各支持脚部１４を支持基盤１３に結合するための継手３０を含む。継手３０は、固定継手、ピボット継手、摺動継手及び球面継手の１以上とすることができる。固定継手は、支持基盤１３に対して支持脚部１４が移動しないようにする。ピボット継手は、支持基盤１３に対して１つの平面内で支持脚部１４を回転移動可能にする。摺動継手は、支持脚部１４、支持基盤１３及び内側バレル１５の熱膨張に対応するのに最適な方向における平面運動を可能にする。球面継手は、支持基盤１３に対して２以上の平面内での支持脚部１４の回転移動を可能にする。

図４は、１つの支持脚部１４を備えたガスタービン１の例示的な実施形態を表している。図４Ａを参照すると、支持脚部１４は、支持基盤１３及び内側バレル１５に結合される。支持脚部１４が所望の側方支持をもたらさない実施形態では、外側支持構造体を使用して所望の側方支持を得ることができる。図４Ａには、外側支持構造体４０を示している。外側支持構造体４０は、ガスタービン１の側方移動を制限する。図４の実施形態では、外側支持構造体４０は、２つの部分を含み、該２つの部分は、ケーシング８のほぼ両側に配置される。図４Ｂは、外側支持構造体４０の一部のより詳細な図を示している。図４Ｂを参照すると、ギャップ４１を示している。ギャップ４１は一般的に小さく、ガスタービン１の長手軸線方向１６への膨張を可能にする。ギャップ４１に隣接した表面上に減摩材を配置して、摩擦がガスタービン１の膨張を阻害するのを防止することができる。さらに、外側支持構造体４０は、外側支持構造体４０の構成要素の振動及び関連する疲労を低減するための能動ダンパシステム及び受動ダンパシステムの１以上の含むことができる。

本支持システムにより、幾つかの利点が得られる。上に説明したように、本支持システムにより、ステータ８に対するロータ１０の同心度が得られる。同心度は、ステータ８内でロータ１０の整列を維持するのを可能にする。整列を維持することにより、摩擦とそれによるガスタービン１に対する損傷の危険性を減少させる。さらに、整列を維持することにより、運転時におけるより少ない間隙要求量を可能にし、それに関連して効率の向上を得ることができる。本支持システムを備えたガスタービン１の運転時に、整列を維持するために、一般的に調整を必要としない。さらに、支持体を調整して整列を維持するために、能動的制御システムを必要としない。本支持システムを使用するもう１つの利点は、ロータ１０をステータ８から支持した場合に必要となるであろうストラット２０に比較してより細いストラット２０を使用することができることである。ストラット２０が細ければ細いほど、ガスタービン１を通るガス流に対する制約をより少なくすることが可能になる。ガス流に対する制約が少ないと、ガスタービン１の効率が改善されることになる。本支持システムを使用することのもう１つの利点は、ロータダイナミックスの改善である。

上に示した本支持システムの実施形態は、ガスタービンを支持することに関する。

上に示した実施形態及び関連する図は、ロータ１０の「直接」支持の実施例を提供する。ロータ１０の直接支持は一般的に、ステータ８によってもたらされる如何なる支持体も含まない。

様々な構成要素又は技術的方法により、特定の必要な又は有益な機能又は特徴を得ることができることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲及びその変形形態を支持するのに必要となる可能性があるこれら機能及び特徴は、本明細書の教示の一部としてまた開示した本発明の一部として本来的に含まれていると理解されたい。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることが、解るであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の装置、状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正が認識されるであろう。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

ガスタービンの例示的な実施形態を示す図。 ガスタービンの例示的な実施形態の端面図。 ガスタービンの例示的な実施形態の三次元図。 図４Ｂと合わせて図４と呼ぶ、１つの支持脚部及び外側支持構造体を備えたガスタービンの例示的な実施形態を示す図。 図４Ａと合わせて図４と呼ぶ、１つの支持脚部及び外側支持構造体を備えたガスタービンの例示的な実施形態を示す図。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼室
４ タービン
５ シャフト
６ 発電機
７ タービン段
８ ケーシング又はステータ
１０ ロータ
１１ ロータ軸受
１２ 軸受ハウジング
１３ 支持基盤
１４ 支持脚部
１５ 内側バレル
１６ 長手軸線方向
１７ 半径方向
２０ ストラット
２８ フランジ
３０ 継手
４０ 支持構造体
４１ ギャップ

Claims (10)

1. 支持基盤（１３）上に配置された回転機械のロータ（１０）及びステータ（８）を支持するためのシステムであって、
   前記ロータ（１０）の軸受と前記支持基盤（１３）とに作動可能に連結した１以上の支持脚部と、
   前記１以上の支持脚部と前記ステータ（８）とに作動可能に連結した１以上のストラットと、を含む、
   システム。
2. 前記回転機械が、ガスタービン（１）を含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記１以上のストラット及び１以上の支持脚部が、前記機械のロータ軸受（１１）を支持したハウジング（１２）に結合される、請求項１記載のシステム。
4. 前記１以上のストラット及び１以上の支持脚部が、ハウジング（１２）を支持した内側バレル（１５）に結合され、
   前記ハウジング（１２）が、前記機械のロータ軸受（１１）を支持する、
   請求項１記載のシステム。
5. 前記１以上の支持脚部が、固定継手（３０）、ピボット継手（３０）、摺動継手（３０）及び球面継手（３０）の１以上を含む、請求項１記載のシステム。
6. 前記１以上のストラットが、固定継手（３０）、ピボット継手（３０）及び球面継手（３０）の１以上を含む、請求項１記載のシステム。
7. 前記ステータ（８）と前記支持基盤（１３）とに作動可能に連結した外側支持構造体（４０）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
8. 前記外側支持構造体（４０）と前記ステータ（８）との間に配置された減摩装置及び減摩材の１以上をさらに含む、請求項７記載のシステム。
9. 能動及び受動減衰システムの１以上をさらに含む、請求項７記載のシステム。
10. 支持基盤（１３）上に配置された回転機械であって、
    ステータ（８）と、
    前記ステータ（８）に隣接して配置されたロータ（１０）と、
    前記ロータ（１０）と作動可能に連結したロータ軸受（１１）と、
    前記軸受と前記支持基盤（１３）とに作動可能に連結した１以上の支持脚部と、
    前記１以上の支持脚部と前記ステータ（８）とに作動可能に連結した１以上のストラットと、を含む、
    回転機械。

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