JP2010084762A - ボルト連結分割リングの熱質量及び剛性を一致させるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンのケーシングの変形を制御するための方法及び装置を提供すること。
【解決手段】ガスタービンのケーシング（１０）の変形を制御するための方法及び装置が開示される。本方法は、「偽」フランジ（２４、２６）の下部にあるフランジＩＤ内の分割部（２８、３０）を使用して、ケーシング（１０）のフープ剛性を調整し、ボルト継手の剛性及び挙動を一致させる。分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）のフープ支持能力及び負荷経路、並びに熱負荷作用を一致させることにより、偏位を均一に分布させることが可能な高次の変形モードに変形を導き、真円形に近付けることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンのケーシングの変形を制御するための方法及び装置に関する。

ガスタービン産業において、タービンケーシング構造上の共通する問題は、タービン運転中の種々の温度及び圧力に対するケーシングの応答によって引き起こされるケーシングの変形（例えば、非真円度）である。ガスタービンは、通常運転中に急速な過渡的熱負荷を受け、ケーシング構造に大きな温度勾配をもたらす。熱質量の分布がケーシング周辺で一様ではない場合、目的とする円形状から結果として生じる変形が存在することになる。

典型的なタービン及び圧縮機ハウジングは、ハウジング分割部で半径方向外向きに配向され拡大されたフランジを通って延び、垂直ボルトによって水平面に沿って互いに接続された上側及び下側半部分で形成される。分割ジョイントに向かって下に延びた大きなフランジを有するこれらの分割壁ハウジングは、過渡的な熱事象中にケーシング変形を生じる可能性のある熱質量集中を結果として生じる。ケーシングが歪む理由の１つは、分割フランジの質量が大きくなり、該フランジがタービンハウジングの応答時間よりも遅い速度で熱的に応答するためである。この質量が大きいことに関連してフランジ全体に大きな熱勾配が生じ、これにより、熱的に誘起される軸歪みに起因してフランジが内側に締め付けられる。

変形は、第１及び２段タービンクリアランス設定の大きな要素であり、機械において最も感度が高く、一般に、効率及び出力に最も大きな程度にまで悪影響を及ぼす可能性がある。現在のガスタービンエンジンは、過渡運転中に大きな変形を有し（通常はホットリスタート時に最も悪い）、変形を考慮して１対１ベースでクリアランスが開けられるのが一般的であり、このことは定常状態クリアランスに直接影響を及ぼす。このタイプの変形は、第１段タービンロータに対する定常状態クリアランスを設定するのに重要な要素であり、クリアランスが緊密であるほど、ガスタービンの作動性及び性能が向上することになる。

多部品ケーシングの分割におけるフープ負荷の不連続性によって、付加的な変形が生じる可能性がある。ケーシングの最小半径がその極めて小さな部分にわたって存在する場合であっても、回転部品はこの最小半径を超えては膨張できないので、理想円形状から結果として生じる全変形は、回転部品と静止部品との間の最小クリアランスを決定付ける際の１つの要因である。より緊密なクリアランスを得るためには、ケーシングは、クリアランスが小さいときは常に、できる限り円形にすべきである。最小の先端クリアランスにすることで、ブレード／ベーンの先端を超える作動流体の漏出がより少なくなり、ガスタービンの運転の最高効率をもたらすことになる。

変形の別の原因は、ケーシングの内圧の作用によるものである。更に、ボルト孔の中心線と分割フランジでのタービンケーシングの主要部分との間にオフセットがあることは理解されるであろう。このオフセットに起因して、ボルトを通じて伝達されるフープフィールド応力によりモーメントが導入され、分割部が半径方向内向きに撓む。

変形を軽減するために、場合によっては「偽」フランジを用いて、ケーシング上の他の円周方向位置に付加的な熱質量をもたらす。米国特許第５６０５４３８号（特許文献１）では、「偽」フランジを用いることにより変形及び非真円度を有意に低減する、タービン及び圧縮機などの回転機械のケーシングを開示している。特許文献１は、十分に考慮して配置された円周方向リブと複数の軸方向に延びるフランジとを備えたタービンを開示している。特許文献１はまた、複数の軸方向に延びるフランジのみを備えた圧縮機ケーシングを開示している。特許文献１の内容全体は、引用により本明細書に組み込まれる。

図１は、特許文献１の図３に対応し、ほぼ半円筒形のタービンケーシング半部分４０を示しており、半径方向分割ボルト孔（図示せず）においてボルトにより水平後方分割フランジ４２で同様の半円筒形ケーシング半部分（図示せず）と嵌合される。内部圧力により引き起こされるタービンケーシングの変形を低減するため、並びに始動及び停止中にタービンの熱応答を制御するために、嵌合するケーシング半部分４０の各々は円周方向に延びるリブ４４を備える。リブ４４は、その両端間の円筒形タービンケーシングの各半部分の周りで延びて、分割フランジ４２のすぐ手前の端部で終端する。リブ４４を半円筒形半部分の円周方向周りに配置することにより、内部圧力により引き起こされるケーシング半部分の変形が大幅に低減される。加えて、１以上の軸方向に延びるフランジ４６が、半円筒形ケーシング半部分４０の各々に設けられる。図１に示すように、ケーシング半部分４０は、３つの軸方向に延びるリブ４６を備え、これらは、ケーシング半部分４０の周りで互いに円周方向に間隔を置いて配置される。これらのリブ４６は、剛性と、水平方向分割フランジ４２の熱質量の大部分とを実質的に一致させる。フランジ４２は、ボルト孔からフランジの外側表面にまで延びるスロットを有するので、フランジ４２の歪みが低減され、これにより軸方向に延びるリブ４６を水平方向フランジ４２よりも小さく設計することが可能になり、すなわち、軸方向リブ４６は、分割フランジ４２ほど大きくはない。分割フランジ４２はスロットを有するので、半径方向で剛性が低減される。特許文献１では、分割フランジ４２の半径方向剛性だけが一致する必要があると教示している。

図２は、特許文献１の図４に対応し、半円筒形半部分５０の形態の圧縮機ケーシングの片方を示しており、水平方向分割フランジ５２における同様の半円筒形圧縮機ケーシング半部分（図示せず）と嵌合する。圧縮機ケーシング半部分５０は、圧縮機ケーシングにおいて有意な熱的に誘起される応力が無いので、円周方向に延びるリブを含まない。しかしながら、１以上の軸方向に延びるフランジ５２は、上述のタービンケーシング半部分４０と類似して、ハウジング半部分の周りの円周方向に間隔を置いて配置された位置に設けられる。タービンケーシング４０の軸方向フランジに関して上記で検討したように、剛性と軸方向に延びるフランジ５２のサイズ又は質量の低減とに関する同じ考慮事項が当てはまる。

図１及び２に示すフランジ４６、５２に類似した「偽」フランジが広範囲に使用されているが、このフランジが変形問題全てを解決する訳ではない。これらは、熱質量作用にのみ対処するものである。「偽フランジ」の各々によるフープ剛性は、例えば図１に示す分割フランジ４２でのボルト継手の剛性の不連続性に起因して、分割部の剛性と一致しない。図１及び２に示すフランジ４６、５２などのフランジの数を２つよりも多くしてもよい点は理解されたい。

米国特許第５６０５４３８号

本発明の１つの例示的な実施形態において、タービンで使用され且つ変形を制御する円筒形ケーシングは、直径方向で対向する端部からほぼ半径方向で且つ該端部に沿って水平方向に延びた第１及び第２の上側分割フランジを有する半円筒形上側ケーシング半部分と、直径方向で対向する端部からほぼ半径方向で且つ該端部に沿って水平方向に延びた第１及び第２の下側分割フランジを有する半円筒形下側ケーシング半部分と、を備え、第１及び第２の上側分割フランジが第１及び第２の下側分割フランジにそれぞれ接合され、これにより上側及び下側ケーシング半部分を互いに接合してケーシングを形成し、該ケーシングが更に、上側ケーシング半部分の側部からほぼ半径方向で且つ該側部に沿って水平方向に延びた第１の偽フランジと、下側ケーシング半部分の側部からほぼ半径方向で且つ該側部に沿って水平方向に延びた第２の偽フランジと、を備え、第１及び第２の偽フランジの各々が、フランジの内径に分割部を含み、ハウジングのフープ剛性を調整して、分割フランジのボルト継手のフープ剛性及びフープ負荷又はフープ力を支える分割フランジの能力を一致させることができる。

本発明の別の例示的な実施形態では、変形を制御するタービンハウジングは、直径方向で対向する端部からほぼ半径方向で且つ該端部に沿って水平方向に延びた第１及び第２の上側分割フランジを有する半円筒形上側ケーシング半部分と、直径方向で対向する端部からほぼ半径方向で且つ該端部に沿って水平方向に延びた第１及び第２の下側分割フランジを有する半円筒形下側ケーシング半部分と、を備え、第１及び第２の上側分割フランジが第１及び第２の下側分割フランジにそれぞれボルト締めされ、これにより上側及び下側ケーシング半部分を互いに接合してケーシングを形成し、該タービンハウジングが更に、ハウジング上で直径方向で互いに対向して離間して配置された第１及び第２の偽フランジを備え、第１の偽フランジが上側ケーシング半部分の側部からほぼ半径方向で且つ該側部に沿って水平方向に延び、第２の偽フランジが下側ケーシング半部分の側部からほぼ半径方向で且つ該側部に沿って水平方向に延び、第１及び第２の偽フランジの各々が、フランジの内径に分割部を含み、ハウジングのフープ剛性を調整して、分割フランジのボルト継手のフープ剛性及びフープ負荷又はフープ力を支える分割フランジの能力を一致させることができる。

本発明の更に別の例示的な実施形態では、ガスタービンで使用される円筒形ケーシングで変形を制御する方法は、直径方向で対向する端部からほぼ半径方向で且つ該端部に沿って水平方向に延びた第１及び第２の上側分割フランジを有する半円筒形上側ケーシング半部分を用意する段階と、直径方向で対向する端部からほぼ半径方向で且つ該端部に沿って水平方向に延びた第１及び第２の下側分割フランジを有する半円筒形下側ケーシング半部分を用意する段階と、第１及び第２の上側分割フランジを第１及び第２の下側分割フランジにそれぞれ接合し、これにより上側及び下側ケーシング半部分を互いに接合して円筒形ケーシングを形成する段階と、上側ケーシング半部分の側部からほぼ半径方向で且つ該側部に沿って水平方向に延びた第１の偽フランジを用意する段階と、下側ケーシング半部分の側部からほぼ半径方向で且つ該側部に沿って水平方向に延びた第２の偽フランジを用意する段階と、第１及び第２の偽フランジの各々においてフランジの内径に分割部を設け、これによりハウジングのフープ剛性を調整して、分割フランジのボルト継手のフープ剛性及びフープ負荷又はフープ力を支える分割フランジの能力を一致させる段階と、を含む。

ケーシングの変形を軽減するために円周方向に延びるリブと互いに円周方向に離間した複数の軸方向に延びるフランジとを備えた、従来技術のほぼ半円筒形タービンケーシング半部分の斜視図。 ケーシングの変形を軽減するために互いに円周方向に離間した複数の軸方向に延びるフランジを備えた、従来技術のほぼ半円筒形圧縮機ケーシング半部分の斜視図。 タービンケーシング上で直径方向に互いに対向して離間した「偽」フランジの下部のフランジ内径に分割部を設けることにより、ケーシングの変形を制御するための方法及び装置を例示するほぼ円筒形ガスタービンケーシングの断面図。

本発明の１つの実施形態において、タービンケーシングにおける変形は、ケーシング上の偽フランジの下部のフランジ内径に分割部を設けることにより制御される。偽フランジの下部のフランジ内径に分割部を設けることによって、ケーシングのフープ剛性は、上側及び下側半円筒形ケーシング半部分間の分割フランジにおけるボルト継手のフープ剛性、すなわち、対応するフープ負荷又はフープ力を支える偽フランジの能力に一致するよう「調整」することができる。フープ剛性、及び分割フランジのフープ負荷能力、並びに偽フランジにおけるこれらのフランジの熱質量作用を一致させることによって、偏位を均一に分布させることが可能な高次の変形モードにケーシングの変形を導くことができ、これにより、ケーシングをより真円の形に近付けることができる。

図３は、ガスタービンケーシング（又は圧縮機ケーシング）の断面図であり、ここでは種々のタービン段（図示せず）のシュラウド（図示せず）が好適に取り付けられ、且つタービンバケット及びロータなどのタービンの回転部品（図示せず）が回転するほぼ円形のハウジング１０として示されている。

ハウジング１０は、上側及び下側半円筒形ケーシング半部分１２、１４を含む。上側ケーシング半部分１２は、その直径方向に対向する端部からほぼ半径方向に延びるフランジ１６Ａ、１８Ａを有する。下側ケーシング半部分１４はまた、その直径方向に対向する端部からほぼ半径方向に延びるフランジ１６Ｂ、１８Ｂを有する。フランジ１６Ａ、１８Ａ及びフランジ１６Ｂ、１８Ｂはまた、円筒形半部分１２、１４の直径方向に対向する側部に沿ってほぼ水平方向に延びている。フランジ１６Ａ、１８Ａは、対応するフランジ１６Ｂ、１８Ｂにそれぞれ接合され、これによりケーシング半部分１２、１４を互いに接合してハウジング１０を形成する。好ましくは、フランジ１６Ａ、１８Ａは、ボルト２０及びナット２２を用いて対応するフランジ１６Ｂ、１８Ｂにボルト締めされるが、ボルト締め以外にこうしたフランジを互いに接合する他の方法を用いることができる点を理解されたい。例えば、フランジ１６Ａ、１８Ａ及びフランジ１６Ｂ、１８Ｂは、クランプ、又は外部表面上での溶接、或いはハウジングケーシング１０の内径と同じ半径で連続的にフープを提供しない何らかの他の接合形態を行うことができる。ケーシング半部分１２、１４を接合する実際の方法は、特定の接合方法がハウジングケーシング１０の周囲の一定半径の負荷経路をもたらす場合を除いては、本発明には無関係である。

図３にはまた、ハウジング１０上で互いに直径方向に対向して離間した２つの「偽」フランジ２４、２６があり、更に、ケーシング半部分１２、１４の両側からほぼ半径方向に及び該両側に沿って水平方向にそれぞれ延びている。ハウジング１０の円周に沿って互いに分離された２つよりも多いフランジ（フランジ２４、２６のような）もまた用いることができる点を理解されたい。従って、偽フランジ２４、２６は、必ずしも互いに直径方向に対向していなくてもよい。一部の幾何形状では、１２０°離れた３つのフランジを備えた実施例も依然として効果的なものとなる。

偽フランジ２４、２６は、分割フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂの剛性及び熱質量に実質的に一致するようなサイズ及び／又は寸法にされる。しかしながら、分割フランジにおける歪みの低減があるように、分割フランジの各々がボルト孔から分割フランジの外部表面まで延びるスロットを有する場合、偽フランジ２４、２６は、分割フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂよりも質量が小さいように設計することができる点は理解されたい。すなわち、軸方向の偽フランジ２４、２６は、分割フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂと同程度の大きさとなる。しかしながら、分割フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂにおける半径方向の「鋸状切断」は、本発明と関連して用いることができるが、必須ではないという点で、本発明とは直接的な関連性はない。偽フランジによる分割部（偽フランジ２４、２６による分割部２８、３０のような）は、ハウジング１０のフープ剛性を「調整」するために提供される。偽フランジ２４、２６のサイズ及び／又は質量は、ハウジング１０の熱応答速度に一致することを目的としているが、これは別の問題である。分割部は、偽フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂが分割フランジ２４、２６とは異なるサイズ及び質量のものである場合にも依然として有効となる。

図３の断面図は、ハウジング１０のようなタービンケーシング内の変形を制御するための本発明の方法を例証している。本方法によれば、図３に示す分割部２８、３０のような分割部は、偽フランジ２４、２６の下部にあるフランジ内径内に設けられる。偽フランジ２４、２６の下部のフランジ内径内に分割部２８、３０をそれぞれ設けることにより、分割フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂ内のボルト継手のフープ剛性、及び／又は対応するフープ負荷又はフープ力を支えるためのこれら分割フランジの能力に一致するように、ハウジングケーシング１０のフープ剛性を調節又は「調整」することが可能になる。

「剛性」は、印加された力に対する対象物の弾性応答を測定する。「フープ剛性」は、タービンケーシングのような円筒形対象物の直径を弾性的に変化させるのに必要な単位長さ当たりのフープ力である。「フープ力」又は「フープ負荷」は、内部又は外部圧力に曝される対象物に円周方向に作用する力である。

フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂは、予め定められたフープ剛性及び負荷経路を有する。偽フランジ２４、２６内に分割部２８、３０を設けることによって、フランジ２４、２６が、分割フランジ１６Ａ／Ｂ、１８Ａ／Ｂと実質的に同じフープ剛性及び負荷経路を有するようにされる。分割フランジのフープ剛性及び負荷経路、並びに偽フランジ２４、２６におけるこれらのフランジの熱質量作用を一致させることにより、ハウジング１０の変形は、偏位を均一に分布させることが可能な高次の変形モードに導くことができ、これによりハウジング１０をより真円の形に近付けることが可能になる。

偽フランジ２４、２６における分割部２８、３０の形状は限定されない。ある種の「鍵穴」形状とすることができる図３に示す直線状のチャネルを用いることができるが、分割部の必要とされる特性は、偽フランジ２４、２６のフープ剛性及び負荷経路の半径の一致である。質量及び寸法の一致は、過渡熱応答速度の一致の助けとなり、この機械的一致には関連しない。

現時点で最も実用的且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、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０ ハウジング
１２ 上側ケーシング半部分
１４ 下側ケーシング半部分
１６Ａ、Ｂ 分分割フランジ
１８Ａ、Ｂ 分分割フランジ
２０ ボルト
２２ ナット
２４ 偽フランジ
２６ 偽フランジ
２８ 分割部
３０ 分割部

Claims (10)

1. 変形を制御するケーシング（１０）であって、
   第１及び第２の上側分割フランジ（１６Ａ、１８Ａ）が延びた上側ケーシング半部分（１２）と、
   第１及び第２の下側分割フランジ（１６Ｂ、１８Ｂ）が延びた下側ケーシング半部分（１４）と
   を備え、前記第１及び第２の上側分割フランジ（１６Ａ、１８Ａ）が、前記第１及び第２の下側分割フランジ（１６Ｂ、１８Ｂ）にそれぞれ接合され、これにより前記上側及び下側ケーシング半部分（１２、１４）を互いに接合して前記ケーシング（１０）を形成し、前記ケーシングが更に、前記上側及び下側ケーシング半部分（１２、１４）から延びた複数の偽フランジ（２４、２６）を備え、前記複数の偽フランジ（２４、２６）の各々が前記偽フランジ（２４、２６）の内径内に分割部（２８、３０）を含み、前記ケーシング（１０）のフープ剛性を調整して、前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）のフープ剛性及び前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）の負荷経路の半径を一致させることができる、ケーシング（１０）。
2. 前記偽フランジ（２４、２６）の各々における分割部（２８、３０）が、前記ケーシング（１０）のフープ剛性を調整して、前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）のフープ剛性及び前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）の負荷経路の半径を一致させることができる形状を有する、請求項１記載のケーシング（１０）。
3. 前記偽フランジ（２４、２６）の各々における前記分割部（２８、３０）の形状が、直線上のチャネル又は鍵穴形状のいずれかである、請求項２記載のケーシング（１０）。
4. 前記各偽フランジ（２４、２６）は、該偽フランジ（２４、２６）及び前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）が前記ケーシング（１０）の周りに等間隔で離間して配置されるように、前記ケーシング（１０）上に円周方向に位置付けられる、請求項１記載のケーシング（１０）。
5. 前記各偽フランジ（２４、２６）は、前記第１の上側及び下側分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ）の剛性及び熱質量を共に及び／又は前記第２の上側及び下側分割フランジ（１８Ａ、１８Ｂ）の剛性及び熱質量を共に実質的に一致させるようなサイズ及び／又は寸法にされる、請求項１記載のケーシング（１０）。
6. 前記複数の偽フランジ（２４、２６）が、前記ケーシング（１０）の周りに対称的に位置付けられる、請求項１記載のケーシング（１０）。
7. 前記複数の偽フランジ（２４、２６）が、前記ケーシング（１０）の周りに非対称的に位置付けられる、請求項１記載のケーシング（１０）。
8. 円筒形ケーシング（１０）において変形を制御する方法であって、
   第１及び第２の上側分割フランジ（１６Ａ、１８Ａ）が対向する端部から延びた上側ケーシング半部分（１２）を用意する段階と、
   第１及び第２の下側分割フランジ（１６Ｂ、１８Ｂ）が対向する端部から延びた下側ケーシング半部分（１４）を用意する段階と、
   前記第１及び第２の上側分割フランジ（１６Ａ、１８Ａ）を前記第１及び第２の下側分割フランジ（１６Ｂ、１８Ｂ）にそれぞれ接合して、これにより前記上側及び下側ケーシング半部分（１２、１４）を互いに接合して前記円筒形ケーシング（１０）を形成する段階と、
   前記上側及び下側ケーシング半部分（１２、１４）から延びた複数の偽フランジ（２４、２６）を用意する段階と、
   前記偽フランジ（２４、２６）の各々において前記偽フランジ（２４、２６）の内径に分割部（２８、３０）を設け、これにより前記ケーシング（１０）のフープ剛性を調整して、前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）のフープ剛性及び前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）の負荷経路の半径を一致させる段階と
   を含む方法。
9. 前記偽フランジ（２４、２６）の各々における分割部（２８、３０）が、前記ケーシング（１０）のフープ剛性を調整して、前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）のフープ剛性及び前記分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ）の負荷経路の半径を一致させることができる形状を有する、請求項８記載の方法。
10. 前記偽フランジ（２４、２６）の各々が、前記第１の上側及び下側分割フランジ（１６Ａ、１６Ｂ）の剛性及び熱質量を共に及び／又は前記第２の上側及び下側分割フランジ（１８Ａ、１８Ｂ）の剛性及び熱質量を共に実質的に一致させるようなサイズ及び／又は寸法にされる、請求項８記載の方法。