JP2010106831A

JP2010106831A - 非対称ガスタービン冷却ポート位置

Info

Publication number: JP2010106831A
Application number: JP2009243952A
Authority: JP
Inventors: Kenneth D Black; ケネス・デーモン・ブラック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: US8047763B2; CN101725378A; EP2182175B1; CN101725378B; JP5378943B2; EP2182175A3; EP2182175A2; US20100111679A1

Abstract

【課題】過渡及び定常状態運転時におけるタービンの熱応答を改善する方法が開示する。
【解決手段】本方法では、タービンのケーシング（１０）内での冷却流体（２５）の流れが、ケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）に対して非対称になるようにして、タービンの幾何学的対称面（３１，３３）に対してタービンの冷却対称面（３０’，３２’）を回動させ、それによってケーシング（１０）内の質量の増した位置（２７，２９）での熱伝達を増大させるようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より具体的には、過渡及び定常状態運転条件時におけるタービンの熱応答を改善するための構造及び方法に関する。

タービンのステータケーシングにおける「非真円度」は、その機械の回転及び固定部間に必要となる付加的間隙のために、機械の性能に直接影響を与える。間隙が減少するにつれて、機械効率及び出力が増大する。

タービンステータケーシングは一般に、水平分割線結合部（水平継手）で互いに結合した半円筒形上半部及び半円筒形下半部を含み、これら半円筒形上下半部は、ケーシングの真円度に影響を与える可能性がある。従前、ケーシングの垂直面のような離散位置で質量を付加することになる偽フランジの付加によって、水平継手の使用に関連した非真円度作用を減少させる試みが行われてきた。しかしながら、偽フランジの使用による付加質量は一般に、その機械の過渡応答時において熱「遅れ」を引き起こす。

この問題を解決する１つの方法は、タービンケーシングの垂直及び水平面に対するボス及び／又は冷却流の対称配置を使用することであった。しかし、ボス及び／又は冷却流の対称配置は、継手及びフランジにおける冷却流（量）の減少を生じていた。

別の方法は、フランジが設置された円周方向位置でケーシングの冷却通路内にフィンを追加して、冷却及び加熱を向上させるためのより大きい表面積を形成することであった。しかし、この方法は、対称面のために冷却流量が少ない場合に限定される。水平継手及び偽フランジを設置した領域での熱伝達を増大させることによって、「非真円度」を減少させることができ、このことが次に、機械の間隙を減少させることを可能にする。

本発明の例示的な実施形態では、質量の増した位置での熱伝達が増大したタービンケーシングは、第１及び第２の上方フランジを有するケーシング上半部と、第１及び第２の下方フランジを有するケーシング下半部とを備えており、上方フランジは対応する下方フランジと結合してケーシング上半部と下半部を互いに結合してケーシングを形成し、結合したフランジはケーシングの略水平対称面に位置する。本タービンケーシングはさらに、ケーシングの略垂直対称面でケーシング上半部に配置された第１の偽フランジと、ケーシングの略垂直対称面でケーシング下半部に配置された第２の偽フランジと、タービンケーシング内を周方向に貫通するプレナムであってその内部を通って冷却流体がタービンケーシングの周囲を周方向に流れるプレナムと、ケーシングの周囲の複数の位置でプレナムに冷却流体を導入して、冷却流体が、タービンケーシングの水平及び垂直対称面とは対応しない第１及び第２の流れ対称面をもつようにするとともに、タービンケーシングの水平及び垂直対称面にそれぞれ位置する結合した上方及び下方フランジと第１及び第２の偽フランジで熱伝達が増大するようにするため、ケーシングの周囲に設けられた複数のボスとを備えている。

本発明の別の例示的な実施形態では、質量の増した位置での熱伝達が増大したタービンケーシングは、その両端から略半径方向に延在する第１及び第２の上方フランジを有する半円筒形ケーシング上半部と、その両端から略半径方向に延在する第１及び第２の下方フランジを有する半円筒形ケーシング下半部とを備えており、上方フランジは、対応する下方フランジと結合してケーシング上半部と下半部を互いに結合してケーシングを形成し、結合したフランジはケーシングの略水平対称面に位置する。本タービンケーシングはさらに、ケーシング上半部と下半部から略半径方向に延在する複数のフランジを備えており、複数のフランジの第１のものは、互いに結合した上方及び下方フランジの各々の剛性及び熱質量に略匹敵する外形寸法及び／又は特性デメンションとされてケーシングの略垂直対称面でケーシング上半部に配置され、複数のフランジの第２のものは、互いに結合した上方及び下方フランジの各々の剛性及び熱質量に略匹敵する外形寸法及び／又は特性デメンションとされてケーシングの略垂直対称面でケーシング下半部に配置される。本タービンケーシングは、さらに、プレナム内でタービンケーシングの周方向に冷却流体が移動するようにケーシング内を周方向に貫通するプレナムに冷却流体を供給する複数のボスを含んでおり、冷却流体は、タービンケーシングの水平及び垂直対称面に対して偏倚した流れ対称面を有していて、タービンケーシングの水平及び垂直対称面にそれぞれ位置する結合した上方及び下方フランジと第１及び第２のフランジでの熱伝達が増大する。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、質量の増したタービンケーシング位置での熱伝達を増大させる方法は、第１及び第２の上方フランジを有するケーシング上半部を用意するステップと、第１及び第２の下方フランジを有するケーシング下半部を用意するステップと、上方フランジを対応する下方フランジに結合して、ケーシング上半部と下半部を互いに結合してケーシングを形成し、結合したフランジをケーシングの略水平対称面に配置するステップと、ケーシングの略垂直対称面でケーシング上半部に第１の偽フランジを設けるステップと、ケーシングの略垂直対称面でケーシング下半部に第２の偽フランジを設けるステップと、タービンケーシング内を周方向に貫通するプレナムを設けるステップと、タービンケーシングの周方向に冷却流体を流すステップと、ケーシングの周囲の複数の位置でプレナムに冷却流体を導入して、冷却流体が、タービンケーシングの水平及び垂直対称面とは対応しない第１及び第２の流れ対称面をもつようにするとともに、タービンケーシングの水平及び垂直対称面にそれぞれ位置する結合した上方及び下方フランジと第１及び第２の偽フランジで熱伝達が増大するようにするため、ケーシングの周囲に複数のボスを配置するステップとを含む。

タービンの外側流路壁に取付けられた静翼（ノズル）に冷却流体を供給するためのタービンの外側ステータケーシング内のプレナムを示す従来型のガスタービンの部分断面図。そこでケーシング上半部と下半部が互いに結合した水平継手とタービンケーシングの周りに円周方向に配置された偽フランジとを示す従来通りに構成したタービンケーシングの上面図。互いに円周方向に一致するタービンケーシングの幾何学的対称面及びタービンケーシングの冷却対称面を示す、図１の従来通りに構成したタービンケーシングの図１における線Ａ−Ａに沿って取った断面図。図１のタービンケーシングの線Ａ−Ａに沿って取ったものであるが、ケーシングの幾何学的対称面と一致しないようにタービンケーシングの冷却対称面を偏倚させた本発明の実施形態を示す断面図。

冷却流（量）を減少させる先行技術の解決法は、ボス及び／又は冷却流の対称配置を使用してきたが、本発明は、冷却流の非対称配置（それら冷却流は、特定の平面に対する配置又はプレナム内の質量流量を非対称とすることができる）を使用して所望の位置での熱伝達を増大させている。

図１は、従来型のガスタービン１１の部分断面図であって、タービンの外側流路壁に取付けられた静翼つまりノズル（図示せず）に冷却流体を供給するためのタービンの外側ステータケーシング１５内のプレナム１３を示している。

図２は、ガスタービンシェルつまりケーシング１０の上面図であり、他方図３は、図２における線Ａ−Ａに沿って取ったガスタービンケーシング１０の断面図である。図３に示すように、ケーシング１０は、その形状が略円筒形である。ケーシング１０は、水平分割線結合部（水平継手）１６で互いに結合した半円筒形上半部１２及び半円筒形下半部１４を含む。水平継手１６の各々は、１対の上方及び下方フランジ１８Ｕ及び１８Ｌにより形成される。上方フランジ１８Ｕは、ケーシング上半部１２の直径方向対向端部から略半径方向に延在する。下方フランジ１８Ｌは、ケーシング下半部１４の直径方向対向端部から略半径方向に延在する。フランジ１８Ｕ及び１８Ｌは、円筒形上半部１２及び下半部１４の直径方向対向側面に沿って略水平方向に延在する。フランジ１８Ｕは、対応するフランジ１８Ｌに対してボルト止めされ、それによってケーシング上半部１２及び下半部１４を互いに結合させてタービンケーシング１０を形成するのが好ましいが、そのようなフランジを互いに結合するボルト止め以外の方法も使用することができることに注目されたい。

図２及び図３に示すのは、ケーシング１０の円周に沿って互いに円周方向に間隔を置いて配置された複数の「偽」フランジ２２である。図２及び図３に示すタービンケーシング１０の実施形態では、フランジ２２の各々は、ケーシング１０上の他のフランジ２２と直径方向に対向して間隔を置いて配置されている。フランジ２２の各々は、ケーシング上半部１２及び下半部１４の側面から略半径方向にかつケーシング上半部１２及び下半部１４の側面に沿って略水平方向に延在する。

「偽」フランジ２２Ｕ及び２２Ｌのうちの２つは各々、水平継手１６から円周方向に約９０°間隔を置いてかつケーシング１０上で互いに直径方向に対向して間隔を置いて配置されている。一般に、偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌは各々、水平継手１６の１つの剛性及び熱質量に略匹敵する外形寸法及び／又は特性デメンションにされる。

ガスタービンのタービンセクションは一般に、タービンケーシングの外側流路壁に取付けられた静翼つまりノズル（図示せず）を有する。ノズルが高温度で作動するのを可能にする１つの手段は、ノズルに対して空気のような冷却流体を供給することである。一般に、冷却流体は、ケーシング１０の周囲の離散位置に設置されたボス２４を通してケーシング１０の外壁に取付けられたパイプ（図示せず）によって個々のノズルに供給される。冷却流体は、パイプ、ボス２４、及びケーシング１０の外壁２６を通して、ケーシング１０内であるがノズルの外側に設置されたプレナム２８内に流れる。図３に矢印２５で示すように、冷却流体２５は次に、プレナム２８内でタービンケーシング１０の周方向に移動して個々のノズルに接近する。

構造的ケーシング１０の真円度、従って機械間隙に悪影響を与える可能性がある特性を最小にするために、ケーシング１０に対して冷却流体パイプが取付けられるボス２４は一般に、機械の水平対称面３１及び／又は垂直対称面３３に対して対称に配置される。冷却流体パイプ及びボス２４のこの対称配置による１つの悪影響は、冷却流体供給対称面３０及び３２が、ケーシング１０の幾何学的対称面３１及び３３と一致しており、そのことにより、図３に示す位置２７及び２９において冷却流量の減少が生じることである。位置２７及び２９は、水平継手１６並びに偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌに対応している。継手１６のようなボルト止めした水平継手と偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌのような垂直面３３における偽フランジとを有するタービン上では、フランジに関連した付加的質量が、ステータケーシング１０の軸対称部分に対して異なる熱過渡及び定常状態応答を有する。それがさらに冷却流量の減少が生じている冷却プレナム２８内の対称面である場合には、この作用は、複合される可能性がある。従って、それぞれ構造的水平継手１６及び構造的偽フランジ２２Ｕ及び２Ｌと円周方向に一致した区域２７及び２９においては、冷却流体流速の減少が生じ、従って熱伝達率（「ＨＴＣ」）の低下が生じる。

図４は、これも図２における線Ａ−Ａに沿って取った図２及び図３に示すガスタービンケーシング１０の断面図であるが、ボス２４’の位置へのボス２４の再配置を図示するように変更して、位置２７及び２９における冷却流体流を改善している。図４に示すタービンケーシング１０の断面図は、それを通して冷却流体パイプがケーシング１０の外壁２６に取付けられるボス２４のような冷却流体供給ポートを移動させることによって、タービンケーシング１０における歪みを制御するための本発明の構造及び方法の例示的な実施形態である。図４の実施形態では、冷却流体供給対称面３０及び３２が偏倚されて、その偏倚した冷却流体供給対称面３０’及び３２’は、ケーシング１０の幾何学的対称面３１及び３３と一致しないようになる。このことにより、大きい質量が存在する継手１６の位置２７並びに偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌの位置２９において一層良好な対流熱伝達が可能になる。冷却流体供給対称面３０’及び３２’におけるこの偏倚は、ケーシング１０の過渡及び定常状態間隙に対して積極的な影響を有する。

図４の実施形態では、冷却流量の減少の問題は、ボス２４’によって供給される冷却流体供給ポートを、冷却流体供給対称面３０’及び３２’が幾何学的対称面３１及び３３と一致しないように再配置することによって解決される。このことにより、継手１６並びに偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌがそこに設置されたために大きい質量が存在する位置２７及び２９において、一層良好な対流熱伝達が可能になる。実際に、このことは、機械の過渡及び定常状態間隙に対する積極的影響を有する。本発明は、タービンケーシング１０上における冷却ポート（ボス２４）の非対称的配置を使用して、水平継手並びに偽フランジ位置２７及び２９における流量（及び関連する熱伝達）を増大させる。ボス２４’の配置は、軸対称領域での熱伝達を増大させると同時に、非対称的領域２７及び２９での熱伝達を増大させるように、最適化することができる。

実用に際しては、図４に示すボス２４’は、冷却流２５’の所望の流入ポイントと一致するように移動させた状態での再配置したボス２４である。軸対称配置と一致したボス２４の位置から離れるようにボス２４’を偏倚させることができる角度範囲は、実際の流入ポイントの数に応じて決まる。図３及び図４に示すように、ボス２４上の流入ポイントを継手水平対称面３１の上方及び下方の４５°毎に設ける場合には、ボス２４’／冷却流２５’は、水平継手１６との干渉が問題となるまで（つまり、約３５°まで）再配置することができる。

図３に示すように４つのボス２４’を設ける場合に、ボス２４を４５°又は１３５°に再配置することは、ボス２４’を水平継手１６の真上に置くことになり、これは、望ましくない構成である。しかしながら、２倍もの多くの流入ポイントを設ける場合には、ボス２４’の回動角度は、水平継手１６との干渉が発生するまでに非常に小さいものとなる。ボス２４’が図３に示す位置から水平面３１に向かって再配置されると、水平継手１６に対する冷却流２５’の衝突が増大する。「最良のケース」という設定は存在しない。ボス２４’を再配置した結果は、水平継手１６とケーシング壁１０との間の厚さにおける相対的差異及び冷却空気２５’の質量流量に応じて決まる特有の構成である。本発明の重要な特徴は、ボス２４によって供給される冷却流２５が調整可能であり、それによってボス２４はボス２４’として再配置して、図４の実施形態では水平継手１６並びに偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌを通過する冷却流２５’を得ることができるが、図３の元の構成では、水平継手１６を通過する冷却流が存在しないように、ボス２４が配置されることである。従って、冷却流は、水平継手１６の位置で、ケーシング１０に対しての非常に異なった影響を有する。

ボス２４の位置は、水平継手１６並びに偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌにおいてのみならず、吊上げラグ補強パッド等のようなその他の位置でも一層良好な熱伝達率を得るように最適化することができる。また、ボス２４の位置を変更することは、そこに偽ボスが組込まれるケーシング１０の上半部及び下半部について同一の部品番号鋳造品を使用する可能性を排除するものではない。

対称の冷却流体供給流を水平継手１６並びに／或いは偽フランジ２２Ｕ及び２２Ｌと一致しないように移動させることによって、これらの領域２７及び２９において熱伝達率の向上を達成することができる。このことは、タービンの過渡及び定常状態運転条件時における熱応答を改善する。ボスの非対称配置により「非真円度」が持ち込まれないことを保証するために、必要に応じて偽ボスを付加する／最適化することができる。

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、逆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。

１０ガスタービンケーシング
１１ガスタービン
１２ケーシング上半部
１３プレナム
１４ケーシング下半部
１５外側ステータケーシング
１６分割線結合部（水平継手）
１８Ｕ上方フランジ
１８Ｌ下方フランジ
２２偽フランジ
２２Ｕ上方偽フランジ
２２Ｌ下方偽フランジ
２４ボス
２４’ ボス
２５冷却流体
２５’ 冷却流、冷却空気
２６ケーシングの外壁
２７位置
２８プレナム
２９位置
３０冷却流体供給対称面
３０’ 冷却流体供給対称面
３１水平対称面、幾何学的対称面
３２冷却流体供給対称面
３２’ 冷却流体供給対称面
３３垂直対称面、幾何学的対称面

Claims

質量の増した位置での熱伝達が増大したタービンケーシング（１０）であって、
第１及び第２の上方フランジ（１８Ｕ）を有するケーシング上半部（１２）と、
第１及び第２の下方フランジ（１８Ｌ）を有するケーシング下半部（１４）と、
を備えており、
上方フランジ（１８Ｕ）と対応する下方フランジ（１８Ｌ）とが結合してケーシング上半部と下半部（１２，１４）を互いに結合してケーシング（１０）を形成し、結合したフランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）はケーシング（１０）の略水平対称面（３１）に位置し、
タービンケーシング（１０）が、さらに、
ケーシング（１０）の略垂直対称面（３３）でケーシング上半部（１２）に配置された第１の偽フランジ（２２Ｕ）と、
ケーシング（１０）の略垂直対称面（３３）でケーシング下半部（１４）に配置された第２の偽フランジ（２２Ｌ）と、
タービンケーシング（１０）内を周方向に貫通するプレナム（２８）であって、その内部を通って冷却流体（２５）がタービンケーシング（１０）の周囲を周方向に流れるプレナム（２８）と、
ケーシング（１０）の周囲の複数の位置でプレナム（２８）に冷却流体（２５）を導入して、冷却流体（２５）が、タービンケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）とは対応しない第１及び第２の流れ対称面（３０’，３２’）をもつようにするとともに、タービンケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）にそれぞれ位置する結合した上方及び下方フランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）と第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）で熱伝達が増大するようにするため、ケーシング（１０）の周囲に設けられた複数のボス（２４’）と
を備えるケーシング（１０）。
ケーシング（１０）内での冷却流体（２５）の流れが、ケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）に対して非対称であり、もって、結合したフランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）と第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）での熱伝達が増大する、請求項１記載のケーシング（１０）。
複数のボス（２４’）の各々が、ケーシング（１０）の水平対称面（３１）又は垂直対称面（３３）から０°よりも大きいが４５°よりも小さい角度だけ離れるように設置される、請求項１記載のケーシング（１０）。
複数のボス（２４’）の各々が、プレナム（２８）内を流れる冷却流体の第１及び第２の流れ対称面（３０’，３２’）がケーシング（１０）の水平対称面（３１）又は垂直対称面（３３）から０°よりも大きいが４５°よりも小さい角度だけ離れるケーシングの周囲の位置に設置される、請求項１記載のケーシング（１０）。
複数のボス（２４’）の各々が、結合した上方及び下方フランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）と第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）におけるフランジを通過する冷却流体（２５）の流れによる熱伝達が最大になるケーシング（１０）の周囲の位置に設置される、請求項１記載のケーシング（１０）。
第１及び第２の冷却流体流れ対称面（３０’，３２’）が互いに略垂直である、請求項４記載のケーシング（１０）。
第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）の各々が、互いに結合した上方及び下方フランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）の各々の剛性及び熱質量に略匹敵する外形寸法及び／又は特性デメンションにされる、請求項２記載のケーシング（１０）。
複数のボス（２４’）が、ケーシング（１０）の周囲に約９０°の間隔で配置された４つのボス（２４’）を含む、請求項１記載のケーシング（１０）。
質量の増したタービンケーシング（１０）位置（２７，２９）での熱伝達を増大させる方法であって、
第１及び第２の上方フランジ（１８Ｕ）を有するケーシング上半部（１２）を用意するステップと、
第１及び第２の下方フランジ（１８Ｌ）を有するケーシング下半部（１４）を用意するステップと、
上方フランジ（１８Ｕ）を対応する下方フランジ（１８Ｌ）に結合して、ケーシング上半部と下半部（１２，１４）を互いに結合してケーシング（１０）を形成し、結合したフランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）をケーシング（１０）の略水平対称面（３１）に配置するステップと、
ケーシング（１０）の略垂直対称面（３３）でケーシング上半部（１２）に第１の偽フランジ（２２Ｕ）を設けるステップと、
ケーシング（１０）の略垂直対称面（３３）でケーシング下半部（１４）に第２の偽フランジ（２２Ｌ）を設けるステップと、
タービンケーシング（１０）内を周方向に貫通するプレナム（２８）を設けるステップと、
タービンケーシング（１０）の周方向に冷却流体（２５）を流すステップと、
ケーシング（１０）の周囲の複数の位置でプレナム（２８）に冷却流体（２５）を導入して、冷却流体（２５）が、タービンケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）とは対応しない第１及び第２の流れ対称面（３０’，３２’）をもつようにするとともに、タービンケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）にそれぞれ位置する結合した上方及び下方フランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）と第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）で熱伝達が増大するようにするため、ケーシング（１０）の周囲に複数のボス（２４’）を配置するステップと
を含む方法。
ケーシング（１０）の周囲に複数のボス（２４’）を配置するステップが、ケーシング（１０）の周囲にボス（２４’）の各々を設置して、ケーシング（１０）内での冷却流体（２５）の流れが、ケーシング（１０）の水平及び垂直対称面（３１，３３）に対して非対称であり、それによって結合したフランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）と第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）での熱伝達が増大するようにするステップを含む、請求項９記載の方法。
ケーシング（１０）の周囲に複数のボス（２４’）を配置するステップが、ケーシング（１０）の水平対称面（３１）又は垂直対称面（３３）から０°よりも大きいが４５°よりも小さい角度だけ離れるようにボス（２４’）の各々を設置するステップを含む、請求項９記載の方法。
ケーシング（１０）の周囲に複数のボス（２４’）を配置するステップが、プレナム（２８）内を流れる冷却流体の第１及び第２の流れ対称面（３０’，３２’）がケーシング（１０）の水平対称面（３１）又は垂直対称面（３３）から０°よりも大きいが４５°よりも小さい角度だけ離れるケーシング（１０）の周囲の位置にボス（２４’）の各々を設置するステップを含む、請求項９記載の方法。
ケーシング（１０）の周囲に複数のボス（２４’）を配置するステップが、
結合した上方及び下方フランジ（１８Ｕ，１８Ｌ）と第１及び第２の偽フランジ（２２Ｕ，２２Ｌ）におけるフランジを通過する冷却流体（２５）の流れによる熱伝達が最大になるように調整されるケーシング（１０）の周囲の位置に複数のボス（２４’）の各々を設置するステップを含む、請求項９記載の方法。