JP2009150382A

JP2009150382A - 断熱型フランジボルト

Info

Publication number: JP2009150382A
Application number: JP2008311758A
Authority: JP
Inventors: Bradley James Miller; ブラッドリー・ジェームズ・ミラー; Kenneth Damon Black; ケネス・デイモン・ブラック; Henry Grady Ballard Jr; ヘンリー・グレイディー・バラード，ジュニア; Rakesh Adoor; ラケッシュ・アドア; Ajay Digambar Yeole; アジェイ・ディガンバー・イェオル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2009-07-09
Also published as: DE102008055529A1; CH698278A2; CH698278B1; CN101566078B; CN101566078A; US20090162139A1

Abstract

【課題】タービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）を提供する。
【解決手段】本タービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）は、フランジ（２１０）と、該フランジ（２１０）を貫通して延びる開孔部（２２０）と、該開孔部（２２０）を貫通して延びるボルト（２３０）とを含むことができる。ボルト（２３０）は、シャンク部（２４０）と該シャンク部（２４０）を囲むシャンク断熱層（３１０）とを含むことができる。
【選択図】図３

Description

本出願は、総括的にはガスタービンに関し、より具体的には、タービンシェル及び圧縮機吐出ケーシング間での或いはその中に温度勾配を有するあらゆる数の構成部品間での断熱型ボルトの使用に関する。

従来型のガスタービンエンジンでは、タービンシェル、圧縮機吐出ケーシング及びその他の要素は、多数のボルトによって接合することができる。しかしながら、ボルトは、圧縮機吐出ケーシング及びその他の場所の内部における高温加圧空気により加熱される可能性がある。ボルトがより高温になると、ボルトは、クリープを生じる可能性がある。このクリープにより、ボルトプレテンションの喪失及び寿命の低下が生じるおそれがある。

高温環境におけるクリープを防止するための現在の解決策には、大型ボルトの使用又はインコネル（ニッケル−クロム合金）のような耐熱材料で製作したボルトの使用が含まれる。しかしながら、ボルトの寸法は、スペース制約条件の理由を単に増大させる可能性があるだけである。同様に、インコネルのような材料の使用は、標準的な鋼又は同様の材料で製作したボルトよりも遙かに高価になる可能性がある。

従って、熱的作用の影響を低減するが、公知の耐熱材料を用いるよりも安価であるボルト継手連結に対する要望が存在する。ボルトは、実質的に耐クリープ性があると同時に、妥当な寸法でありかつ妥当な費用で入手できるのが好ましい。

従って、本出願は、タービン／圧縮機ステータ継手を提供する。本タービン／圧縮機ステータ継手は、フランジと、該フランジを貫通して延びる開孔部と、該開孔部を貫通して延びるボルトとを含むことができる。ボルトは、シャンク部と該シャンク部を囲む断熱層とを含むことができる。

本出願はさらに、高温空気通路の周りに配置された継手を閉鎖する方法を提供する。本方法は、ボルトシャンク部を断熱層で被覆するステップと、継手の開孔部内にボルトシャンク部を配置するステップと、ボルトシャンク部及び継手の周りにナット断熱層を配置するステップと、ボルトシャンク部及び継手の周りでナットを締め付けるステップとを含む。

本出願はさらに、高温空気継手を提供する。本高温空気継手は、フランジと、該フランジを貫通して延びる開孔部と、該開孔部を貫通して延びるボルトとを含むことができる。ボルトは、鋼で製作することができる。ボルトは、シャンク部と該シャンク部を囲むシャンク断熱層とを含むことができる。

本出願のこれら及びその他の特徴は、幾つかの図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な説明を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様の要素を表わしている図面を参照すると、図１は、ガスタービン１０の一部分を示している。公知のように、ガスタービン１０は、圧縮機２０を含む。圧縮機２０は、流入空気流を加圧する。空気流は次に、燃焼器３０に吐出される。燃焼器３０は、幾つかの燃焼缶４０を含む。燃焼缶４０は一般的に、ロータシャフト５０の周りに円周方向に設置される。燃焼缶４０内で加圧空気及び燃料が燃焼されかつタービンセクション６０を駆動するために使用される。タービンセクション６０内において、高温ガスのエネルギーは、機械的仕事に変換される。仕事の一部は、シャフト５０を介して圧縮機２０を駆動するために使用され、仕事の残りは、発電機のような負荷を駆動するのに利用可能である。

この実施例では、タービンセクション６０は、４つのホイール、すなわち第１のホイール７１、第２のホイール７２、第３のホイール７３及び第４のホイール７４によって表わされた４つの連続段を有することができる。ホイール７１〜７４は、ロータシャフト５０上に取付けられる。各ホイール７１〜７４は、幾つかのブレード、すなわち第１のブレード８１、第２のブレード８２、第３のブレード８３及び第４のブレード８４を含むバケットの列を支持する。ブレード８１〜８４は、幾つかのベーン、すなわち第１のベーン９１、第２のベーン９２、第３のベーン９３及び第４のベーン９４を含む固定ノズル間に交互に配置される。従って、４段式タービンを示しており、この４段式タービンにおいて、第１段は、ブレード８１及びベーン９１を含み、第２段は、ブレード８２及びベーン９２を含み、第３段は、ブレード８３及びベーン９３を含み、また第４段は、ブレード８４及びベーン９４を含む。しかしながら、タービンセクション６０は、あらゆる数の段及び異なる構成を含むことができる。

タービンセクション６０は、外側シェル１００及び内側シェル１１０を含むことができる。外側シェル１００は、その一端部において圧縮機吐出ケーシング１２０にまたその他端部においてタービン排出フレーム１３０に固定することができる。外側シェル１００は、幾つかのボルト１４０によって圧縮機吐出ケーシング１２０にまたタービン排出フレーム１３０に接合することができる。ボルト１４０は、従来型の設計及び材料のものとすることができ、オーバサイズにすることができ、或いは耐熱材料で製作することができる。

図２は、タービン／圧縮機シェル継手（タービン／圧縮機ステータ継手）２００を詳細に示している。このタービン／圧縮機シェル継手２００は、２部品フランジ２１０を含む。フランジ２１０は、圧縮機吐出ケーシング１２０と外側タービンシェル１００との間に形成される。フランジ２１０の幅を貫通して、フランジ孔（開口部）２２０が延びる。ボルト組立体２３０は、フランジ孔２２０を貫通して延びて、継手２００を締め付けかつ閉鎖するようにする。ボルト組立体２３０は、フランジ孔２２０の長さを貫通して延びるシャンク部２４０を含むことができ、またいずれかの又は両方の端部においてナット２５０によって閉鎖することができる。シャンク部２４０及びナット２５０は、ＣｒＭｏＶのような鋼ベースの合金、Ａ２８６のようなニッケル基合金、インコネル６２５、インコネル７１８、及び同様の種類の材料を含む従来型の金属で製作することができる。シャンク部２４０は、約１〜約３インチ（約２．５〜約７．６センチメートル）の直径を有することができ、また約１５〜約２３インチ（約３８〜約５８センチメートル）の長さを有することができる。ナット２５０は、約１．５〜約３インチ（約３．８〜約７．６センチメートル）の厚さ及び約１．２５〜約３．５インチ（約３．２〜約８．９センチメートル）の外径を有することができる。本明細書では、その他の寸法及び構成を使用することができる。

下記のチャートＩは、標準運転状態下でのフランジ２１０及びボルト組立体２３０のシャンク部２４０内部の温度分布を示している。図示するように、フランジ２１０及びシャンク部２４０の両方の温度は最初に、圧縮機吐出ケーシング１２０からフランジ２１０を通して上昇し、その後外側タービンシェル１００に向かって再び低下する。

図３は、本明細書で説明する改良型のタービン／圧縮機シェル継手３００を示している。この改良型タービン／圧縮機シェル継手３００は、大部分は上述のタービン圧縮機シェル継手２００と同一であるが、シャンク部２４０を囲むシャンク断熱層３００を備えたものとすることができる。シャンク断熱層３１０は、良好な断熱特性を有するセラミックファイバ又はウール、グラスファイバ又はウール、セラミックフォーム、エーロゲル、或いは同様の種類の材料の層とすることができる。シャンク断熱層３１０は、約４×１０^-2ＢＴＵ／ｈｒｆｔ°Ｆ（約６．９Ｗ／ｍ°Ｋ）の熱伝導率を有することができる。熱伝導率は、約７×１０^-3〜約１０×１０^-2ＢＴＵ／ｈｒｆｔ°Ｆ（約１２×１０^-3〜約１７．３×１０^-2Ｗ／ｍ°Ｋ）の範囲とすることができる。断熱層３１０は、約０．０６２５インチ（約１．６ｍｍ）の厚さを有することができる。約０．０４０〜約０．１２５インチ（約１．０２〜約３．１７５ｍｍ）の範囲の厚さを使用することができる。厚さは、シェル設計及びその他の考慮事項に基づいて変更することができる。

チャートＩＩは、フランジ２１０及びシャンク部２４０における平均温度分布を示している。図示するように、シャンク部２４０の温度分布は、シャンク断熱層３１０を使用する場合にはチャートＩで示すようなピークを有していない。

図４は、改良型のタービン／圧縮機シェル継手３５０を示している。この改良型のタービン／圧縮機シェル継手３５０は、大部分はタービン圧縮機シェル継手２００と同一であるが、各ナット２５０及びフランジ２１０間に配置されたナット断熱層３６０を備えたものとすることができる。ナット断熱層３６０は、ワッシャ、シャンク断熱層３１０と同様の断熱層、又は同様の構成の形態のものとすることができる。ナット断熱層３６０は、ボルト及びナット材料よりも低い熱伝導率を有する合金で製作することができる。ナット断熱層３６０はまた、良好な断熱特性を有するニッケル基金属、セラミック、Ａ−２８６のような耐熱鋼、或いは同様の種類の材料で製作することができる。材料はさらに、幾何学的形状、運転条件及びその他の考慮事項に基づいて変更することができる。ナット断熱層３６０は、約１２ＢＴＵ／ｈｒｆｔ°Ｆ（約２０．８Ｗ／ｍ°Ｋ）の熱伝導率を有することができる。伝導率は、約８又はそれ以下〜約１３ＢＴＵ／ｈｒｆｔ°Ｆ（約１３．８又はそれ以下〜約２２．５Ｗ／ｍ°Ｋ）の範囲とすることができる。断熱層３６０は、約１インチ（約２５ｍｍ）の厚さを有することができる。約０．２５〜約２インチ（約６．３５〜約５１ｍｍ）の範囲の厚さをワッシャ材料の熱伝導率に応じて使用することができる。

ナット断熱層３６０は、フランジ２１０からシャンク部２４０に流入する可能性がある熱を減少させ、かつ表面積の増大によりフランジ２１０から空気に熱の一部を放散させることができる。特定の幾何学的形状をナット断熱層３６０に切り込んでフランジ２１０の周りでの冷却空気に対する伝熱面積を増大させることができる。例えば、カストレーション（ｃａｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）又はフィンを使用することができる。さらに、ナット接触面をスカラップ形にするか又はカストレーション形（菊形）にすることによってワッシャ３６０とフランジ２１０との間及び／又はワッシャ３６０とナット２５０との間、すなわちナット２５０とフランジ２１０との間の熱伝達面積を減少させることができる。

チャートＩＩＩは、フランジ２１０とシャンク部２４０との間の平均温度分布を示している。ここでも同様に、シャンク部２４０の温度分布は、チャートＩの基準線ケースから低下しているが、チャートＩに示す初期のピークはここでも生じている。

図５は、本明細書で説明する改良型のタービン／圧縮機シェル継手４００を示している。この改良型のタービン／圧縮機シェル継手４００は、大部分はタービン圧縮機シェル継手２００と同一であるが、図３のシャンク断熱層３００と図４のナット断熱層３６０と備えたものとすることができる。

下記のチャートＩＶは、シャンク部２４０の温度の最大の低下を示している。この場合には、シャンク断熱層３１０及びナット断熱層３６０の使用によって、約１０５°Ｆ（約４０．６°Ｃ）の温度差が達成される。さらに、フランジ２１０内部の温度は、チャートＩの基準線ケースと比較して約４８．５°Ｆ（約９．２°Ｃ）ほど低下する。

従って、シャンク断熱層３１０及びナット断熱層３６０の使用は、通路に沿った熱伝導率を低下させることによってまたさらに通路を遮蔽することによって熱がボルト組立体２３０内に流入するのを可能にする経路を減少させる。同様に、冷却空気に曝される表面積の増大もまた、熱を除去するのを助けることができる。その結果、ボルト組立体２３０は、安価であるがクリープを減少させた状態で、標準的な材料で製作することができる。

本発明をタービン／圧縮機シェル継手との関連で説明してきたが、本明細書に記載したシャンク断熱層３１０及びナット断熱層３６０は、タービンシェル／タービン排出フレーム継手において或いはタービン内部のその他のあらゆる所望の部位において使用することができる。本発明はまた、ボルトに沿ってフランジに対する温度差が生じる可能性があるところはどこでも使用することができる。シャンク断熱層３１０及びナット断熱層３６０はまた、ボルト又は同様の接合装置が高温度に曝されるところはどこでも使用することができる。

以上の説明は、本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、また
特許請求の範囲及びその均等範囲によって定まる本発明の全体的な技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに本明細書において当業者が数多くの変更及び修正を加えることができることは当然明らかであろう。

燃焼器、圧縮機及びタービンの一部分を示すタービンエンジンの断面図。公知のタービン／圧縮機シェル継手の部分側面断面図。本明細書で説明するタービン／圧縮機シェル継手の部分側面断面図。本明細書で説明するタービン／圧縮機シェル継手の別の実施形態の部分側面断面図。本明細書で説明するタービン／圧縮機シェル継手のさらに別の実施形態の部分側面断面図。

符号の説明

１０ガスタービンエンジン
２０圧縮機
３０燃焼器
４０燃焼缶
５０ロータシャフト
６０タービンセクション
７１第１のホイール
７２第２のホイール
７３第３のホイール
７４第４のホイール
８１第１のブレード
８２第２のブレード
８３第３のブレード
８４第４のブレード
９１第１のベーン
９２第２のベーン
９３第３のベーン
９４第４のベーン
１００外側タービンシェル
１１０内側タービンシェル
１２０圧縮機吐出ケーシング
１３０タービン排出フレーム
１４０ボルト
２００タービン／圧縮機シェル継手
２１０フランジ
２２０フランジ孔
２３０ボルト
２４０シャンク部
２５０ナット
３００タービン／圧縮機シェル継手
３１０シャンク断熱層
３５０タービン／圧縮機シェル継手
３６０ナット断熱層
４００タービン／圧縮機シェル継手

Claims

フランジ（２１０）と、
前記フランジ（２１０）を貫通して延びる開孔部（２２０）と、
前記開孔部（２２０）を貫通して延びるボルト（２３０）と、を含み、
前記ボルト（２３０）が、シャンク部（２４０）と該シャンク部（２４０）を囲むシャンク断熱層（３１０）とを含む、
タービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記ボルト（２３０）が、鋼ベースの又はニッケル基合金を含む、請求項１記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記シャンク部（２４０）が、約１〜約３インチ（約２５〜約７６ｍｍ）の直径を含む、請求項１記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記シャンク断熱層（３１０）が、セラミックファイバ又はウール、グラスファイバ又はウール、セラミックフォーム、或いはエーロゲルを含む、請求項１記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記シャンク断熱層（３１０）が、約７×１０^-3〜約１０×１０^-2ＢＴＵ／ｈｒｆｔ°Ｆ（約１２×１０^-3〜約１７．３×１０^-2Ｗ／ｍ°Ｋ）の熱伝導率を含む、請求項１記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記ボルト（２３０）が、ナット（２５０）を含み、
該タービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）が、前記ナット（２５０）と前記フランジ（２１０）との間に配置されたナット断熱層（３６０）をさらに含む、
請求項１記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記ナット断熱層（３６０）が、鉄基又はニッケル基合金を含む、請求項６記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
前記ナット断熱層（３６０）が、約８又はそれ以下〜約１３ＢＴＵ／ｈｒｆｔ°Ｆ（約１３．８又はそれ以下〜約２２．５Ｗ／ｍ°Ｋ）の熱伝導率を含む、請求項６記載のタービン／圧縮機ステータ継手（３００、３５０、４００）。
高温空気通路（１２０）の周りに配置された継手（２００）を閉鎖する方法であって、
ボルトシャンク部（２４０）を断熱層（３１０）で被覆するステップと、
前記継手（２００）の開孔部（２２０）内に前記ボルトシャンク部（２４０）を配置するステップと、
前記ボルトシャンク部（２４０）及び継手（２００）の周りにナット断熱層（３６０）を配置するステップと、
前記ボルトシャンク部（２４０）及び継手（２００）の周りでナット（２５０）を締め付けるステップと、を含む、
方法。