JP2011132958A

JP2011132958A - タービンエンジン用のダイアフラムシェル構造体

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Publication number: JP2011132958A
Application number: JP2010282496A
Authority: JP
Inventors: Michael E Montgomery; マイケル・イー・モンゴメリー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-07-07
Also published as: RU2010152282A; GB2476557B; DE102010061378A1; GB2476557A; US8662831B2; GB201021166D0; US20110150644A1; DE102010061378B4

Abstract

【課題】タービンエンジンにおいてより効率的でコスト効果のあるシェル構造体及びダイアフラムを提供する。
【解決手段】タービンエンジンのシェル構造体であって、各々環状の支持構造体を含む複数のダイアフラム２０８を備え、該支持構造体が、ステータブレード２１４の列を位置決め固定し、各ダイアフラム２０８が直ぐ上流に位置するダイアフラム２０８及びすぐ下流に位置するダイアフラム２０８に当接して第１のシェル構造体２０２が形成されるように、複数のダイアフラム２０８が構成され、タービンエンジンのシェル構造体がさらに、第１のシェル構造体２０２の外側に配置された第２のシェル構造体２０４と、第２のシェル構造体２０４の内側面との間に画成される中間チャンバ２０６とを備え、第１のシェル構造体２０２の下流端の１以上の下流側半径方向ポートが、中間チャンバ２０６をタービンエンジンの主流路に流体接続する。
【選択図】図２

Description

本願は、全体的に、タービンエンジンの効率及び運転を改善するためのシステム及び装置に関し、本明細書で使用されるタービンエンジンは、別途記載しない限り、蒸気タービンエンジン、燃焼タービンエンジン、航空機エンジン、発電エンジンなどを始めとするタービン又は回転エンジンの全てのタイプを包含する。より具体的には、特に限定されないが、本願は、タービンエンジンダイアフラム及びシェルに関連するシステム及び装置に関する。

蒸気タービン又はガスタービンなどのタービンエンジンは複数のタービン段を備えており、各段は離隔したステータリング及びロータのペアを含んでいる。ステータリング（ダイアフラム）は、ノズル又はステータ翼形部を含み、ロータは、バケット又は回転翼形部を含む。ロータを回転させるために、ノズルは、流体圧に比例する速度の高圧高温の流体をバケットを回転させる方向でバケット上に配向する。

ダイアフラムを支持し、流体利用度を最大にするために、典型的なタービンエンジンは、１以上の外側シェル又はケーシングを含む。外側シェルは、作動流体をタービンエンジンの外部の周囲条件から絶縁し、さらに、ダイアフラムの支持及び整列を提供する。シェル構造体は高圧高温に常に曝されるので、これらの構造体は通常、高圧高温に耐え得る良質な高グレードの合金金属で作られ、流体の作動圧力及び温度が高くなるほど、シェル構造体の厚みがより厚くなり、金属品質がより良好になる。よって、あらゆる高圧高温用途において、タービンエンジンは３以上の同心シェル構造体を含む。各シェル構造体は、シェル内側の温度及び圧力からの絶縁層を提供し、これにより圧力及び温度変化を切り離すようにする。最も内側のシェル構造体は、最も高い温度及び圧力に曝されるので、このシェル構造体は最も厚くなり、極めて高価な高合金鋼から作られるが、外側シェルは、中間の圧力及び温度に曝されるので、従って、これらの構造体は相対的に薄く、より軽量の金属から作られる。

コストを低減するために、１以上のシェル構造体を除去する取り組みが行われている。このような取り組みの一つは、内側シェルを取り除いて、ダイアフラムの支持とタービンエンジン内での圧力及び温度の収容の両方を行うために外側シェルだけを残すようにする。しかしながら、構造体は、外側シェル単独では高温の流体圧力及び温度を収容することができないので、高温及び高圧用途では限定的にしか利用できない。さらに、シェルが１つだけ利用されるので、このシェルは、３つのシェル構造体を利用した外側シェルと比較してより厚くなる。シェルは、極めて高価な高合金鋼から鋳造され、この場合も同様に極めて高価な設計となる。

従って、本願では、タービンエンジン用のシェル構造体について開示するが、当該シェル構造体は、（ａ）複数のダイアフラムにして、各々、主流路を流れる作動流体がステータブレードによって円周方向に離隔したロータブレードの列に効率的なタービンエンジン運転に適した形で送られるように、円周方向に離隔したステータブレードの列を位置決めし固定する環状の支持構造体を備えていて、複数のダイアフラムが、各ダイアフラムがその直ぐ上流に位置するダイアフラム及びすぐ下流に位置するダイアフラムに当接して第１のシェル構造体を形成するように構成され且つ軸方向にスタックされている、複数のダイアフラムと、（ｂ）第１のシェル構造体の外側に配置された第２のシェル構造体であって、第１のシェル構造体に近接してそれを囲繞する円筒形の剛構造体を含む第２のシェル構造体と、（ｃ）第１のシェル構造体の外側面と第２のシェル構造体の内側面との間に画成される中間チャンバとを備えており、第１のシェル構造体の下流端と上流端とが第１のシェル構造体の軸方向長さを規定し、第１のシェル構造体の下流端の近似軸方向位置に１以上の下流側半径方向ポートが画成されていて、各下流側半径方向ポートによって中間チャンバがタービンエンジンの主流路と流体接続しており、下流側半径方向ポートの軸方向位置と第１のシェル構造体の上流端の軸方向位置との間で、第１のシェル構造体は、中間チャンバが主流路から実質的にシールされるように構成される。

幾つかの実施形態では、第１のシェル構造体及び下流側半径方向ポートは、中間チャンバ内の圧力レベルが下流側半径方向ポートの軸方向位置で主流路の圧力レベルに相当するように構成される。幾つかの実施形態では、第１のシェル構造体がシェル構造体圧力定格を含み、該シェル構造体圧力定格が、シェル構造体が作動するように構築されるシェル構造体にわたる近似圧力レベルを含み、第１のシェル構造体は、第１のシェル構造体の上流端の軸方向位置から第１のシェル構造体の下流側半径方向ポートの軸方向位置までの主流路における近似圧力降下に相当するシェル構造体圧力定格を含むように構成される。

幾つかの実施形態では、タービンエンジンが蒸気タービンエンジンを含む。幾つかの実施形態では、蒸気タービンエンジンは、１８００ｐｓｉ超の圧力及び９００°Ｆ超の温度で作動するように構成される。幾つかの実施形態では、蒸気タービンエンジンは、４４９９ｐｓｉ超の圧力及び１１４９°Ｆ超の温度で作動するように構成される。幾つかの実施形態では、軸方向にスタックされた複数のダイアフラムのリングが、３以上のダイアフラムを含む。幾つかの実施形態では、軸方向にスタックされた複数のダイアフラムのリングが、４以上のダイアフラムを含む。幾つかの実施形態では、軸方向にスタックされた複数のダイアフラムのリングが、６以上のダイアフラムを含む。幾つかの実施形態では、第２のシェル構造体は一体に形成される。

幾つかの実施形態では、第２のシェル構造体は、ダイアフラムのリングの外側面の少なくとも一部に沿って第１のシェル構造体のダイアフラムのリングの各々と接触する。幾つかの実施形態では、中間チャンバは、軸方向長さに沿って半径方向幅が変化する比較的半径方向に狭い中空スペースを含む。幾つかの実施形態では、中間チャンバは、第１のシェル構造体の全軸方向長さを実質的に延びる。幾つかの実施形態では、中間チャンバは、第１のシェル構造体の下流端に配置されたダイアフラムの外側の中間チャンバ内に画成されるスペースが、第１のシェル構造体の上流端に配置されたダイアフラムの外側に画成されるスペースに流体連通するように構成される。幾つかの実施形態はさらに、第３のシェル構造体を含む。幾つかの実施形態では、第３のシェル構造体は、第２のシェル構造体に近接してそれを囲繞する円筒形の剛構造体を含む。

幾つかの実施形態はさらに、戻り通路を含む。幾つかの実施形態では、戻り通路は、戻り出口にて中間チャンバを主流路に流体接続され、戻り出口の軸方向位置が、１以上の下流側半径方向ポートの軸方向位置の下流側にある。幾つかの実施形態では、下流側半径方向ポート、中間チャンバ、出口、戻り通路及び戻り出口は、作動中に、半径方向ポートの軸方向位置と戻り出口の軸方向位置との間の主仕事流の圧力差により、作動流体を半径方向ポートから中間チャンバ、出口、戻り通路及び戻り出口に所望の様態で循環させるように構成される。幾つかの実施形態では、複数のダイアフラムリングが、複数の円周方向に離隔したスタックボルト及び複数の半径方向ダボの少なくとも１つにより互いに固定される。

幾つかの実施形態では、複数の垂直方向支持体は、第１のシェル構造体の少なくとも複数のダイアフラムリングを第２のシェル構造体に堅固に固定する。幾つかの実施形態はさらに、第２のシェル構造体に形成され、第１のシェル構造体のダイアフラムの少なくとも１つを軸方向に支持するように構成された下流側半希有方向レッジを含む。幾つかの実施形態では、下流側半径方向レッジは、第２のシェル構造体の内側壁に形成された半径方向段部を含み、下流側半径方向レッジの直ぐ上流側にある第１のシェル構造体のダイアフラムと半径方向に重なり合うように構成され、該半径方向の重なり合いは、ダイアフラムが下流側半径方向レッジと当接したときに、下流側半径方向段部が作動中のダイアフラムの下流側軸方向変位を実質的に阻止するように構成されている。

幾つかの実施形態では、第１のシェル構造体及び第２のシェル構造体は、第１のシェル構造体の上流端にて中間チャンバを実質的にシールするように構成される。幾つかの実施形態では、シールは、ダイアフラムリング内に形成される円周方向に延びる半径方向フランジを含み、該フランジが第２のシェル構造体に形成された円周方向に延びる半径方向溝を係合するように構成される。幾つかの実施形態では、半径方向フランジは可撓性の材料を含み、その結果、該半径方向フランジは、作動中に、第１のシェル構造体と第２のシェル構造体との間に存在する場合がある軸方向の異なる熱膨張率に対応するように構成されるようになる。

本願はさらに、蒸気タービン用のシェル構造体を記載し、該シェル構造体が、円周方向に離隔したステータブレードの列を位置決めし固定して、ステータブレードによって、主流路を流れる作動流体が円周方向に離隔したロータブレードの列に、効率的なタービンエンジン運転に適した形で送られるようにし、各ダイアフラムが直ぐ上流に位置するダイアフラム及びすぐ下流に位置するダイアフラムに当接して第１のシェル構造体が形成されるように、複数のダイアフラムが構成され且つ軸方向にスタックされ、タービンエンジンのシェル構造体がさらに、第１のシェル構造体の外側に配置され、第１のシェル構造体に近接してそれを囲繞する円筒形の剛構造体を含む第２のシェル構造体と、第１のシェル構造体の外側面と第２のシェル構造体の内側面との間に画成される中間チャンバとを備え、第１のシェル構造体の下流端と上流端とが第１のシェル構造体の軸方向長さを規定し、中間チャンバ及び第２のシェル構造体が、シェル構造体のさらに上流側の温度及び圧力条件から該シェル構造体を隔離するようシェル構造体の上流端にて実質的にシールされ、第１のシェル構造体の下流端と上流端との間で、第１のシェル構造体は、中間チャンバが主流路から実質的にシールされるように構成される。

従って、タービンエンジンにおいてより効率的でコスト効果のあるシェル構造体及びダイアフラムへの革新的な手法に対する必要性が依然としてある。

本願のこれら及び他の特徴は、図面及び添付の請求項を参照しながら好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を検証するとより理解されるであろう。

従来のダイアフラムの等角図。本発明の幾つかの実施形態による例示的なタービン組立体の部分切り欠き立面図。アニュラス通気を描いた、図２の例示的なタービンの部分切り欠き立面図。本発明の実施形態による蒸気抽出を描いた、図２の例示的なタービンの部分切り欠き立面図。蒸気抽出のための半径方向ポートを選択する例示的な方法を示すフローチャート。

本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を詳細に検討することによって完全に理解され認識されるであろう。

本発明の実施形態は、ダイアフラムシェル及び外側シェルから構成されるタービンシェル構造体を記載している。ダイアフラムシェルは、軸方向に当接する複数のダイアフラムを含み、タービンシェル構造体内部から蒸気又は流体の漏出を阻止するよう実質的にシールされ、これにより内側シェル要件を排除することができる。このために、ダイアフラムシェルは、外側シェルからの作動流体の十分な絶縁を確保する新規のシール装置を含むことができる。シール処理は、外側シェルの厚みを削減し、外側シェルを製作するのに安価な金属の使用を可能にする。内側シェルが存在しないことは、外側シェルがダイアフラムにより近接して位置付けられて外側シェル半径が小さくなり、これにより、外側シェルを製作するのに利用される材料の量が削減できることを意味する。このようにして、低コストで効率的なタービンエンジンの製造を行うことができる。

幾つかの実施形態では、ダイアフラムシェルと外側シェルとの間に形成されるアニュラスは、下流端ではシールされない場合があり、このような実施形態では、下流側段からの流体がこのアニュラスを冷却することができる。アニュラスの冷却により、外側シェルが曝される温度がより低温になるので、外側シェルの厚み要件がさらに低減される。或いは、再生式ランキンサイクルタービンでは、アニュラスをシールすることができ、蒸気又はガスのような流体は、シールされたアニュラスを通じて何れかのタービン段から抽出することができる。ここで、図を参照しながらこれら及び他の実施形態を詳細に説明する。

本願の発明を明確に説明するために、タービンエンジンの特定の機械構成要素又は部品に言及し説明する用語を選択することが必要な場合がある。当技術分野で通常使用される用語は、可能な限り、一般に受け入れられる意味と適合するように使用及び利用されることになる。しかしながら、あらゆるこのような用語は広範な意味を付与されており、本明細書で意図された意味及び添付の請求項の技術的範囲が不当に限定されるような狭義に解釈されることがないものとする。特定の構成要素が幾つかの異なる名称で呼ばれることが多い点は当業者には理解されるであろう。加えて、本明細書で単一の要素として説明できる事柄は、別の状況では複数の構成要素を含み、又は複数の構成要素からなるものとして言及することができ、或いは、本明細書で複数の構成要素を含むものとして説明できる事柄は、単一要素に構築され、場合によっては単一の要素として言及することができる。従って、本明細書で記載される本発明の範囲を理解する際に、提供される用語及び説明にのみ留意するのではなく、本明細書で記載される構成要素の構造、構成、機能及び／又は使用に対しても留意すべきである。

加えて、幾つかの記述上の用語を本明細書で使用する場合がある。これらの用語の意味は、以下の定義を包含する。用語「ロータブレード」は、特に別途指定のない限り、圧縮機又はタービンの何れかの回転ブレードを指し、圧縮機ロータブレード及びタービンロータブレードの両方を含む。用語「ステータブレード」は、特に別途指定のない限り、圧縮機又はタービンの何れかの固定ブレードを指し、圧縮機ステータブレード及びタービンステータブレードの両方を含む。用語「ブレード」は、何れかのタイプのブレードを指すのに本明細書で使用されることになる。従って、特に別途指定のない限り、用語「ブレード」は、圧縮機ロータブレード、圧縮機ステータブレード、タービンロータブレード及びタービンステータブレードを含む、全てのタイプのブレードを含む。

さらに、本明細書で使用される「下流側」及び「上流側」は、タービンを通過する作動流体の流れに対する方向を示す用語である。従って、用語「下流」とは、流れの方向を意味し、用語「上流」とは、タービンを通る流れの反対の方向を意味する。これらの用語に関連して、用語「後方」及び／又は「後縁」は、下流方向、下流端部及び／又は説明される構成要素の下流端部の方向を指す。また、用語「前方」又は「前縁」は、上流方向、上流端部及び／又は説明される構成要素の上流端部の方向を指す。用語「半径方向」は、軸線に垂直な動き又は位置を指す。この用語は、軸線に対して異なる半径方向位置にある部品を説明するのに必要となることが多い。この場合、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線に接近して位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「内側の」又は「半径方向内向き」にあると表現することができる。反対に、第１の構成要素が第２の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合、本明細書では、第１の構成要素は、第２の構成要素の「外側の」又は「半径方向外向き」にあると表現することができる。用語「軸方向」とは、軸線に平行な動き又は位置を指す。また、用語「円周方向」とは、軸線を中心とした動き又は位置を指す。

ここで各図を参照すると、本明細書で図示され説明される例示的な実施形態が全て蒸気タービンに対応しいていることは、当業者には理解されるであろう。しかしながら、例示的な実施形態は、本開示で記載された原理の１つの応用を例証するために選択されているに過ぎない点も理解されるであろう。当業者であれば、上述のようなタービンエンジンの種々の形態の範囲にわたってこれらの原理を利用できるであろう。以下で指摘するように、本開示で記載される発明は、請求項においてのみ記載され、以下の検討の何れについても範囲を限定するものとみなすべきではない。

図１は、水平方向分割又は接合面（線ＡＢ）でつながれた半環状ダイアフラムリングセグメント１０２Ａ及び１０２Ｂのペア（以下、ダイアフラムセグメント１０２と呼ぶ）から構成される、従来のタービンエンジンダイアフラム１００の斜視図である。各ダイアフラムセグメント１０２は、ダイアフラムリング１０６及びダイアフラムウェブ１０８間に半径方向に離隔した翼形部１０４の半環状列を支持する。翼形部１０４は、流体速度を増大させ、流体がバケットに衝突してこれを回転させるように流れ方向を変える。ダイアフラムセグメント１０２Ａ及び１０２Ｂは、水平ボルト１１０などの好適な締結具により接合される。通常、各ダイアフラムセグメントの接合面に１つずつ、２つの水平ボルト１１０が使用される。ダイアフラム外周に沿ったクラッシュピン１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ（以下クラッシュピン１１２と呼ぶ）は、ダイアフラム１００の異音を防ぐための精密嵌合を形成する。通常、各ダイアフラムセグメント接合面に１つとダイアフラム底部に１つずつ、３つのクラッシュピン１１２が利用される。当業者には公知の他の締結装置を利用して、本開示の特定の実施の要件に適合させることができる。ダイアフラムセグメント１０２を接合するのに利用されるボルト及びピンの数並びにボルト及びピンのタイプは、タービンエンジンのタイプに応じて変えることができることは、理解されるであろう。

組み立て中、ダイアフラム１００などのダイアフラムは、シェル又はケーシング（図示せず）に固定される。センターピン１１４及び支持バー１１６はこの装着を容易にする。通常はダイアフラム底部に位置付けられるセンターピン１１４は、シェル内にダイアフラム１００を横方向に整列させ、通常はダイアフラム１００の外側面上に存在する支持バー１１６は、シェル／ケーシング内のダイアフラム１００を保持する。これらの支持バー１１６は、シェルの内側面上に存在する同様の延長部と係合し、ダイアフラム１００を所定位置にロックして垂直方向の支持及び整列を可能にする。さらに、外側シェルの内外にダイアフラム１００を持ち上げるためのリフト提供部１１８がダイアフラム１００上に設けられる。

図２は、例示的なタービンシェル構造体２００を概略的に示す、タービン組立体の部分切り欠き立面図である。図２から４は、複数段の高圧蒸気タービンのタービン組立体を示し、矢印は蒸気の流れ（下流側）方向を示している。しかしながら、タービンシェル構造体２００は、ガスタービン、原子力タービン、化石燃料タービン、高圧タービン、中圧タービン段、又は低圧タービン段など、本発明の範囲から逸脱することなく種々の用途で利用できることは、理解されるであろう。高圧蒸気タービン段は、タービンシェル構造体２００の種々の要素を説明するための単なる例示として示されており、本発明の範囲を決定付けるものではない。

タービンシェル構造体２００は、ダイアフラムシェル２０２、該ダイアフラムシェル２０２の外側に配置される外側シェル２０４及びダイアフラムシェル２０２の外側面と外側シェル２０４の内側面との間に形成される中間チャンバ２０６（アニュラス２０６と同義的に呼ばれる）を含む。外側シェル２０４及びアニュラス２０６は、ダイアフラムシェル２０２のほぼ全軸方向長さに延びることができる。

外側シェル２０４は、ダイアフラムシェル２０２に近接してそれを囲繞する剛構造体とすることができる。さらに、外側シェル２０４は、ダイアフラムシェル２０２の外側面の少なくとも一部に沿ってダイアフラムシェル２０２と接触することができる。外側シェル２０４は、タービン内に高圧及び高温蒸気を収容する。従って、外側シェルの直径及び厚みは、用途に応じて変わり、例えば、低圧条件では、外側シェルの厚みは、高圧状態に必要な厚みよりも相対的に小さい。さらに、外側シェル２０４は、金属から一体に形成することができる。使用される材料は、タービン用途、タービンの圧力及び温度条件、その他に応じて変わる。典型的な材料は、炭素鋼、クロムモリブデン合金鋼、クロムモリブデンバナジウム合金鋼及び高クロム含有鋼を含む。

アニュラス２０６は、比較的狭い中空スペースを含み、ダイアフラムシェル２０２の軸方向長さに沿って半径方向幅が変化することができる。加えて、下流側ダイアフラムシェル端部の外側では、アニュラス２０６が上流側ダイアフラムシェル端部の外側のアニュラス２０６と流体連通することができる。

ダイアフラムシェル２０２は、ダイアフラム２０８Ａ、２０８Ｂ、２０８Ｃ及び２０８Ｄ（以下、総称してダイアフラム２０８と呼ばれる）など、幾つかの軸方向に当接する複数のダイアフラムを含むことができる。明瞭にするために、図２は、４つの軸方向にスタックされたダイアフラム２０８を描いているが、ダイアフラム２０８の数は変えることができる点は理解されるであろう。一部の手段は、３つのダイアフラム２０８を組み込んだ構造体を提供することができ、或いは、ダイアフラムシェル２０２は、４つよりも多いダイアフラム２０８を含むことができ、その数は、適切な設置でダイアフラム２０８を６以上に増やすことができる。本明細書で記載される開示に基づいて、当業者であれば、ダイアフラムの数を特定の実施の要求に適合させることができることになる。用途に応じて、必要とされる段、又はタービンのタイプ、ダイアフラムシェル２０２において軸方向にスタックされるダイアフラム２０８の数は変えることができる。さらに、１以上のダイアフラムシェル２０２は、必要とされる段の数に応じて、外側シェル２０４内に軸方向に配置することができる。

各ダイアフラム２０８は、ダイアフラムリング２１０と、ダイアフラムウェブ２１２と、ダイアフラムリング２１０及びダイアフラムウェブ２１２間に支持される複数の円周方向に離隔したノズル又はステータブレード２１４とを含むことができる。当接するダイアフラム２０８は、従来の内側シェルの機能を実施することができるシェル構造体を形成することにより、主流路を実質的にシールする。

ここで、ダイアフラム２０８は機械的に結合される。他の設計は、好適な結合機構により構成の機能的に等価なものを達成することができる。一実施形態では、ダイアフラム２０８は、ペアで結合することができ、例えば、第１の上流側ダイアフラム２０８は、隣接する下流側ダイアフラム２０８Ｂに機械的に結合することができる。次いで、このダイアフラム２０８Ｂは、次の下流側ダイアフラム２０８Ｃに機械的に結合することができ、このプロセスは、全てのダイアフラム２０８が結合されるまで繰り返される。代替の実施形態では、ダイアフラム２０８を貫通して軸方向孔を穿孔することができ、１以上のロッドが全てのダイアフラム２０８をボルト締結することができる。ダイアフラムリング２１０のペアの結合では、あらゆる機械的取付を利用することができる。これらの取付は、当技術分野で広く知られており、利用される取付は本発明の範囲を決定付けるものではない点は理解されるであろう。

１つの例示的な結合方法が図２に示される。ここで、ラベット継手２１６及び締め付けボルト２１８を組み合わせてダイアフラムリング２１０を接合する。当接するダイアフラム縁部がラベット継手２１６を形成するように構築され、１つのダイアフラム２０８が溝を含み、他のダイアフラムが延長部を含み、これらが互いに嵌合する。例えば、ダイアフラム２０８Ａが溝を含み、ダイアフラム２０８Ｂが延長部を含む。孔は、このラベット継手２１６を貫通して穿孔することができ、締め付けボルト２１８は、該孔を貫通して延びて、ラベット継手２１６をシールすることができる。或いは、ダイアフラム２０８のスタック全体を貫通して孔を穿孔してもよく、締め付けボルト２１８のような単一の締め付けボルトを全てのダイアフラム２０８に固定することができる。各ダイアフラムペアはさらに、半径方向ダボ２２０を含み、用途に応じて半径方向ダボ２２０の数を変えることができる。一実施形態では、各ダイアフラムペアは、６つの半径方向ダボ２２０を含むことができ、３つがダイアフラム２０８上半部分上にあり、３つが下半部分上にある。半径方向ダボ２２０は、円周方向のダイアフラム整列を可能にし、ダイアフラム２０８から外側シェル２０４に反動トルクを伝達する。他の実施形態は、当技術分野で公知のように、より多い又は少ない半径方向ダボ２２０を含むことができる。これらの半径方向ダボ２２０は通常、一部が１つのダイアフラム２０８に、一部が他のダイアフラム２０８において２つのダイアフラム２０８の当接部分の孔に嵌合し、これらを互いに整列させるピン又は金属ブロックである。

機械的に結合されたダイアフラム２０８は、主流路からアニュラス２０６への蒸気漏出を排除又は低減するよう実質的にシールすることができる。種々のシール機構を利用してこの成果を得ることができ、実施例には、障壁嵌合部２２２、１以上のシールキー２２４、１以上の水平ボルト２２６、１以上の軸方向支持部２２８、又は軸方向シール２３０を含むことができる。タービンシェル構造体２００の上流端は、蒸気タービンの最も高い圧力及び温度で動作するタービンの第１の段（図示せず）の後縁に隣接して軸方向に配置することができる。障壁嵌合部２２２は、この上流端においてアニュラス２０６及び外側シェル２０４の周りに円周方向に嵌合して、障壁嵌合部２２２の上流側の高い圧力及び温度の蒸気を隔離することができ、その結果、障壁嵌合部２２２の下流側の周囲条件を要求通りに制御することができるようになる。これらの条件を制御することにより、外側シェル２０４が比較的高い第１段圧力及び温度に確実に曝されないようにする。障壁嵌合部２２２は、障壁嵌合部２２２の上流側第１段と外側シェル２０４との間の軸方向の異なる膨張に対応するよう、熱及び圧力に耐える可撓性の材料を用いて形成することができる。障壁嵌合部２２２を製作するのに利用される可撓性材料のうちの１つは、炭素鋼、クロムモリブデン合金鋼、クロムモリブデンバナジウム合金鋼、高クロム合金鋼及びニッケル合金である。

シールキー２２４は、各ダイアフラムの水平継手に沿って延び、これによりダイアフラムセグメントの嵌合面に沿った漏出経路を排除又は最小化することができる。一実施形態では、ダイアフラム２０８は、各ダイアフラム２０８からのシールキー２２４が可能な限り互いに近接して位置付けることができるように、密接にスタックすることができる。この構成は、水平継手に沿って効果的なシールを提供する。或いは、シールキー２２４は、ダイアフラム２０８の水平継手に沿ってギャップレスシールを形成することができる。このため、リテーナキー（図示せず）がダイアフラム２０８間のギャップを覆うことができ、シールキー２２４は、水平継手に沿って全体に延びることができる。シールキーは、当技術分野で十分に知られており、従って、本明細書では詳細には説明しない。

水平ボルト２２６は、ダイアフラムの水平継手に沿って設けることができ、同様に、漏出を最小限にすることができる。従来、ダイアフラム２０８当たりに１つの水平ボルトが利用されている。しかしながら、本発明の実施形態は、ダイアフラム２０８当たりに複数の水平ボルト２２６を利用することができる。一実施形態では、水平継手は、ダイアフラムの水平継手に沿って軸方向に嵌合できるだけの数の水平ボルト２２６を用いてシールすることができる。或いは、ダイアフラム２０８当たりに特定数の水平ボルト２２６を利用することができる。シールキー２２４及び水平ボルト２２６は全体的に、水平継手を通るアニュラス２０６への漏出を排除又は実質的に低減する。

水平シール（シールキー２２４及び水平ボルト２２６など）に加えて、軸方向支持体２２８又は軸方向シール２３０を利用してアニュラス２０６をシールすることができる。軸方向支持体は、蒸気タービンにおいて従来から利用されており、他のタービン用途でも利用することができる。これらの支持体は、ダイアフラム２０８を軸方向に支持するための固定具を提供する。軸方向支持体２２８は、最も下流側のダイアフラムであるダイアフラム２０８Ｄの周りに位置嵌合を提供し、ダイアフラム２０８Ｄの周りで円周方向には延びず、結果として、この支持体は、蒸気がアニュラス２０６内に流れることができるようにする特定の単流エンジンで有効とすることができる。或いは、軸方向シール２３０を利用して、ダイアフラムシェルの下流端と外側シェル２０４との間のアニュラス２０６をシールすることができる。軸方向シール２３０は、アニュラス２０６を実質的にシールする円周方向シールである。他の公知の種々のシールを利用し、本発明の範囲から逸脱することなくアニュラス２０６をシールすることができる点は、理解されるであろう。

シールされたダイアフラムシェル２０２は、蒸気流路内の高圧及び高温作動蒸気を制限し、これにより内側シェルの必要性が排除される。さらに、軸方向シール２３０は、アニュラス２０６のシールの利点を提供し、すなわち、アニュラス２０６内の温度及び圧力を制御する。この手法により、より厚みがあり、安価な外側シェルの製作が可能となり、その結果、タービンのコストをかなり低減することができる。

ダイアフラムシェル２０２はさらに、外側シェル２０４の溝内の所定位置にダイアフラム２０８を保持するための従来のボルト及び支持体を含むことができる。例えば、一実施形態では、垂直方向支持体２３２（図１の支持バー１１６）は、ダイアフラムリング２１０の外周に沿って設けることができる。各ダイアフラムリング２１０は、外側シェル２０４にダイアフラムシェル２０２を支持するために２つの垂直方向支持体２３２（垂直方向支持体２３２が１つだけ図示されている）を含むことができる。別の実施形態では、代替のダイアフラムリング２１０は、垂直方向支持体２３２を含むことができる。さらに、ダイアフラムシェル２０２を固定し、ダイアフラム２０８が異音を生じるのを防ぐためにクラッシュピン２３４を利用することができる。一実施形態では、ダイアフラム２０８当たりに３つのクラッシュピン２３４が用いられ、これらのクラッシュピン２３４は、ダイアフラムの下半部分で利用される。加えて、１以上のセンターピン２３６は、ダイアフラム２０８の下端に円周方向に配置することができる。図に示すように、２つのセンターピン２３６、すなわち、ダイアフラム２０８Ｄの下端に１つのセンターピンと、ダイアフラム２０８Ｂの下端にもうひとつのセンターピンを用いることができる。しかしながら、センターピン２３６は、その代わりにダイアフラムの上端に配置することができ、或いは、センターピン２３６は、本発明の範囲から逸脱することなく、ダイアフラム２０８Ａ及び２０８Ｃ上又はダイアフラム２０８の他の何れかの組み合わせに配置することができる点は理解されるであろう。これらのセンターピン２３６は、従来のセンターピン１１４よりも相対的に大きく、横方向の整列を可能にする。他の従来のボルト、取付具、支持体、又はナットを利用し、ダイアフラムシェル２０２及び外側シェル２０４を固定、支持、整列、或いはシールすることができる点は理解されるであろう。これらのツールは、当技術分野で公知であり、本明細書ではこれ以上の説明は必要ではない。

特定の例示的な高圧状態では、タービンシェル構造体２００は、外側シェル２０４の外側に第２の外側シェル（図示せず）を含み、圧力及び温度範囲を分割することができる。第２の外側シェルは、外側シェル２０４に近接してそれを囲繞する円筒形剛構造体を有することができる。第２の外側シェルの厚み及び成分は、所望の応用の圧力及び温度に応じて変わる場合がある点は理解されるであろう。

タービンシェル構造体２００は、約１８００Ｐｓｉから約４５００Ｐｓｉ及び約９００°Ｆから約１１５０°Ｆの範囲の高い圧力及び温度の用途で、好ましくは、約２４００Ｐｓｉから約３５００Ｐｓｉ及び１０００°Ｆから約１１００°Ｆの範囲の用途で利用することができる。極めて高い圧力及び温度の用途では、通常は３つの壁構造体が実装され、外側シェル、内側シェル及びノズルボックスの同心リングを含む。本発明の教示の少なくとも一部を実施することにより、内側シェルを排除することができ、さらに、外側シェル２０４を従来の３つの壁構造体と比べダイアフラムシェル２０２により近接して円周方向に配置することができる。この組立体は、内側シェルが排除され、外側シェル２０４直径が縮小される（これにより必要材料が低減される）ので、低コストのタービン構造体をもたらす。さらに、外側シェル２０４が制御された温度及び圧力条件に曝されるので、構成部品を製作するのに安価な材料を利用することができる。

相対的に低い圧力及び温度用途では、通常は１つの壁構造体が実施された１つの外側シェルだけを含む。これらの用途では、従来の外側シェルは、段圧力及び温度に曝される。従って、外側シェルの厚みは、段条件によって決定され、これは、外側シェルが下流側段におけるよりも上流側段における方がより厚いことを意味する。しかしながら、本発明の幾つかの実施形態によるシールされたダイアフラムシェル２０２は、外側シェル２０４が何れかの段条件（軸方向シール２３０が使用される場合）から実質的に遮蔽されるか、又は相対的に低い最終段条件（軸方向支持体２２８が使用される場合）にのみ曝されることを確実にする。ダイアフラムシェル２０２のこの特性により、外側シェルの厚みが低減され、並びに外側シェル２０４を製造するのに安価な材料を利用することが可能になり、これによりタービンコストが低減される。

図３は、アニュラス加圧及び通気を示すタービンシェル構造体２００の部分切り欠き立面図における、本発明の別の実施形態を示している。加圧は、薄膜にわたる圧力降下を最小限にするようアニュラス内の圧力を調整することに関し、通気は、利用される薄膜材料に応じて、「最適な」アニュラス温度を選択することに関する。この実施形態では、軸方向支持部２２８は、軸方向シール２３０の代わりに利用される。結果として、アニュラス２０６はシールされず、むしろ最終段の圧力に曝される。主流路からの低い温度及び圧力蒸気は、最終下流側段（ダイアフラム２０８Ｄ）からアニュラス２０６に漏出することができ、この蒸気は、障壁嵌合部２２２に隣接して下流端から上流端までアニュラス２０６を冷却する。上流端から、蒸気は、外部配管３０２を通って外側シェル２０４から流出することができ、これらの配管は、ダイアフラムシェル２０２の何れかの段において蒸気を再挿入することができる。或いは、蒸気を再挿入する代わりに、外部配管３０２は、上流端からの蒸気を凝縮器、給水ヒータ、又は当技術分野で公知の何れかの類似の外部装置に配向することができる。

他の実施形態では、何れかの中間段からの蒸気を代わりに用いて、アニュラス２０６を冷却することができる。各タービン段は、異なる周囲温度及び圧力で動作し、一般的には、蒸気圧力及び温度の両方は、蒸気が下流側に移動するにつれて低下する。所要の圧力降下に応じて、アニュラス２０６を冷却又は加圧するために適切な段を選択することができる。このために、軸方向シール２３０を軸方向支持体２２８の代わりに利用することができ、アニュラス２０６全体をシールすることができる。次に、半径方向ポート３０４は、適切な段において穿孔することができ、その段からの蒸気を利用して、アニュラス２０６を冷却又は加圧することができる。この場合も同様に、外部配管３０２を利用して、アニュラス２０６から戻ってダイアフラムシェル２０２に蒸気を循環させる。外部配管３０２は、ダイアフラムシェル２０２において所要圧力で蒸気を再挿入するバルブ３０６を含むことができる。循環蒸気の圧力及び温度に応じて、半径方向ポート３０４は、適切な段にて蒸気を再挿入するために穿孔される。例えば、特に限定されないが、段３からの作動蒸気がアニュラス２０６を冷却する場合、循環の後、蒸気は、再挿入される蒸気の温度及び圧力に応じて、段４又は５の何れかを通って主流路に再流入することができる。

蒸気は比較的低温の段から抽出されるので、通気を行うことによって、外側シェル２０４がその段の温度まで冷却される。この冷却作用により、外側シェル２０４の壁厚み、ボルト締め及びシェル要件が低減され、外側シェルのコストを削減することができる。

図４は、タービンシェル構造体２００の別の実施形態を示す。図は、ダイアフラムシェル２０２から蒸気を抽出するための抽出構成を概略的に示す部分切り欠き立面図である。抽出タービン及び再生式ランキンタービンなどの特定の用途において、蒸気は、加熱、プラントプロセス、又は給水ヒータ要件など、種々の用途において１以上の圧力で、１以上の段から抽出される。

本開示では、２つの蒸気抽出の実施形態を記載している。一実施形態では、蒸気は、２、３、又は４で表記された何れかの段から抽出することができ、第２の実施形態では、蒸気は、５で表記された段から抽出することができる。第１の実施形態では、軸方向シール２３０はアニュラス２０６をシールする。必要とされる温度及び圧力に応じて、半径方向ポート３０４は、矢印の方向に穿孔することができ、これにより蒸気が段からアニュラス２０６に流入できるようになる。抽出接続部４０２は、アニュラス２０６から蒸気を引き込み、該蒸気を給水ヒータ（図示せず）に提供する。抽出接続部４０２は、典型的な抽出ポート、配管、又は管体を含むことができ、これらは、アニュラス２０６から外側シェル２０４の外側面に及び外側シェル２０４の外側面から抽出組立体に延びる。典型的な抽出組立体は、抽出接続部４０２を超えて利用することができる。

第２の実施形態では、軸方向支持体２２８が利用される。ここで、最終下流側段からの蒸気は、アニュラス２０６に流入する。抽出接続部４０２は、外側シェル２０４を通してアニュラス２０６からこの蒸気を抽出する。本開示で記載されるタービンシェル構造体２００を用いると、蒸気は、アニュラスシールを軸方向シール２３０から軸方向支持体２２８に容易に変更することにより、任意の段から抽出することができる。

図５は、蒸気抽出に適切な半径方向ポートを選択する例示的な方法を示すフローチャートである。本方法は、ステップ５０２において、抽出に必要な蒸気圧力及び温度を決定する段階を含むことができる。ここで、必要な抽出圧力及び温度は、用途に基づいて変えることができる。例えば、給水加熱用途では、より高い温度及び圧力蒸気を使用することができ、冷却用途では、より低い温度及び圧力蒸気を使用するのがより望ましいとすることができる。

ステップ５０４において、最終下流側ダイアフラム２０８Ｄを選択することができる。次のステップのステップ５０６は、段圧力と抽出圧力とを比較し、最も適切なダイアフラム段を決定することができる。タービンシェル構造体２００から蒸気を抽出するために、段圧力は、抽出圧力よりも大きくすべきである点は理解されるであろう。さらにまた、蒸気圧力が流入圧力よりも小さい場合、タービンシェル構造体２００は、蒸気流入を可能にすることができる。この比較は、最終下流側ダイアフラム２０８Ｄから始める。このダイアフラム２０８Ｄの圧力が、必要な抽出圧力よりも小さい場合、方法５００は、次の上流側ダイアフラム（ダイアフラム２０８Ｃ）に進み、段の圧力を抽出圧力と比較することができる。このプロセスは、比較時に、特定の段の圧力が必要な抽出圧力よりも大きいと方法５００が判断するまで継続する。

ステップ５０８は、抽出温度を各段の温度と比較して、最も適切な段を決定することができる。給水加熱用途では、段の温度が抽出温度よりも高いように段が選択され、冷却用途では、段の温度が抽出温度よりも低いように段が選択される。一実施形態では、（給水加熱用途において）方法５００は、ステップ５０４で選択されたダイアフラム２０８から比較を開始する。ダイアフラム段の温度が、必要な抽出温度よりも高い場合、方法５００はステップ５１０に進む。そうでない場合、方法５００はステップ５０６に戻り、次の上流側ダイアフラム２０８の圧力及び温度を判断する。このプロセスは、本方法が最も適切な段を決定するまで継続する。

ステップ５１０において、最も適切なダイアフラムが最終下流側ダイアフラム２０８Ｄであるかどうかを判断することができる。最も適切な段が最終下流側ダイアフラム２０８Ｄである場合、プロセスは、ステップ５１２に移動し、軸方向支持体２２８を利用することができ、これにより最終段からの蒸気がアニュラス２０６に流入できるようになる。抽出接続部４０２は、給水ヒータ（図示せず）などの外部装置に最終段蒸気を供給する。他方、最も適切な段として他の何れかの段が選択された場合、方法５００はステップ５１４に進み、軸方向シール２３０を利用することができる。このステップでは、アニュラス２０６は実質的にシールされ、半径方向ポート３０４などの半径方向ポートは、最も適切なダイアフラム段にて穿孔することができる。この段からの蒸気は、アニュラス２０６に放出され、抽出接続部４０２を通って蒸気タービンから流出できるようにする。

当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するようさらに選択的に適用することができる。簡潔にするため及び当業者の能力を考慮して、実施可能な繰り返しの全ては本明細書で詳細には提供され又は説明していないが、添付の複数の請求項又はその他によって包含される全ての組み合わせ及び可能な実施形態は、本願の一部をなすものとする。加えて、上記の説明で示されるように、本発明の幾つかの例示的な実施形態の記載から、当業者には、その改善、変更及び修正が明らかであろう。当技術分野におけるこのような改善、変更及び修正は、請求項によって保護されることを意図している。さらに、以上の説明は本願の記載した実施形態のみに関するものであること、また請求項及びその均等物によって定義される本願の技術的思想及び範囲から逸脱することなく本明細書において数多くの変形及び変更を加えることができることを理解されたい。

１００ダイアフラム
１０２ダイアフラムセグメント
１０４翼形部
１０６ダイアフラムリング
１０８ダイアフラムウェブ
１１０水平ボルト
１１２クラッシュピン
１１４センターピン
１１６支持バー
１１８リフト提供部
２００タービンシェル構造体
２０２ダイアフラムシェル
２０４外側シェル
２０６アニュラス
２０８ダイアフラム
２１０ダイアフラムリング
２１２ダイアフラムウェブ
２１４ステータブレード
２１６ラベット継手
２１８スタックボルト
２２０半径方向ダボ
２２２障壁嵌合部
２２４シールキー
２２６水平ボルト
２２８軸方向支持体
２３０軸方向シール
２３２垂直方向支持体
２３４クラッシュピン
２３６センターピン
３０２外部配管
３０４半径方向ポート
３０６バルブ
４０２抽出接続部

Claims

タービンエンジン用のシェル構造体であって、当該シェル構造体が、
複数のダイアフラム（２０８）にして、各々、主流路を流れる作動流体がステータブレード（２１４）によって円周方向に離隔したロータブレードの列に効率的なタービンエンジン運転に適した形で送られるように、円周方向に離隔したステータブレード（２１４）の列を位置決めし固定する環状の支持構造体を備えていて、複数のダイアフラム（２０８）が、各ダイアフラム（２０８）がその直ぐ上流に位置するダイアフラム（２０８）及びすぐ下流に位置するダイアフラム（２０８）に当接して第１のシェル構造体（２０２）を形成するように構成され且つ軸方向にスタックされている、複数のダイアフラム（２０８）と、
第１のシェル構造体（２０２）の外側に配置された第２のシェル構造体（２０４）であって、第１のシェル構造体（２０２）に近接してそれを囲繞する円筒形の剛構造体を含む第２のシェル構造体（２０４）と、
第１のシェル構造体（２０２）の外側面と第２のシェル構造体（２０４）の内側面との間に画成される中間チャンバ（２０６）と
を備えており、第１のシェル構造体（２０２）の下流端と上流端とが第１のシェル構造体（２０２）の軸方向長さを規定し、第１のシェル構造体（２０２）の下流端の近似軸方向位置に１以上の下流側半径方向ポート（３０４）が画成されていて、各下流側半径方向ポート（３０４）によって中間チャンバ（２０６）がタービンエンジンの主流路と流体接続しており、下流側半径方向ポートの軸方向位置と第１のシェル構造体（２０２）の上流端の軸方向位置との間で、第１のシェル構造体（２０２）は、中間チャンバ（２０６）が主流路から実質的にシールされるように構成されている、シェル構造体。
第１のシェル構造体（２０２）及び下流側半径方向ポート（３０４）が、中間チャンバ（２０６）内の圧力レベルが下流側半径方向ポート（３０４）の軸方向位置で主流路の圧力レベルに相当するように構成されており、第１のシェル構造体（２０２）がシェル構造体圧力定格を含んでいて、該シェル構造体圧力定格が、シェル構造体が作動するように構築されるシェル構造体にわたる近似圧力レベルを含んでおり、第１のシェル構造体（２０２）が、第１のシェル構造体（２０２）の上流端の軸方向位置から第１のシェル構造体（２０２）の下流側半径方向ポート（３０４）の軸方向位置までの主流路における近似圧力降下に相当するシェル構造体圧力定格を含むように構成される、請求項１記載のシェル構造体。
タービンエンジンが蒸気タービンエンジンを含み、該蒸気タービンエンジンが、４４９９ｐｓｉ超の圧力及び１１４９°Ｆ超の温度で作動するように構成される、請求項１記載のシェル構造体。
軸方向にスタックされた複数のダイアフラムのリング（２１０）が、４以上のダイアフラム（２０８）を含み、第２のシェル構造体（２０４）が一体に形成される、請求項１記載のシェル構造体。
第２のシェル構造体（２０４）が、ダイアフラムのリング（２１０）の外側面の少なくとも一部に沿って第１のシェル構造体（２０２）のダイアフラムのリング（２１０）の各々と接触する、請求項１記載のシェル構造体。
中間チャンバ（２０６）が、軸方向長さに沿って半径方向幅が変化する比較的半径方向に狭い中空スペースを含み、中間チャンバ（２０６）が、第１のシェル構造体（２０２）の全軸方向長さを実質的に延び、中間チャンバ（２０６）は、第１のシェル構造体（２０２）の下流端に配置されたダイアフラム（２０８）の外側の中間チャンバ（２０６）内に画成されるスペースが、第１のシェル構造体（２０２）の上流端に配置されたダイアフラム（２０８）の外側に画成されるスペースに流体連通するように構成される、請求項１記載のシェル構造体。
第２のシェル構造体（２０４）に近接してそれを囲繞する円筒形の剛構造体を含む第３のシェル構造体をさらに備える、請求項１記載のシェル構造体。
戻り出口にて中間チャンバ（２０６）を主流路に流体接続する戻り通路をさらに備え、戻り出口の軸方向位置が、１以上の下流側半径方向ポート（３０４）の軸方向位置の下流側にあり、下流側半径方向ポート（３０４）、中間チャンバ（２０６）、出口、戻り通路及び戻り出口は、作動中に、半径方向ポート（３０４）の軸方向位置と戻り出口の軸方向位置との間の主仕事流の圧力差により、作動流体を半径方向ポート（３０４）から中間チャンバ（２０６）、出口、戻り通路及び戻り出口に所望の様態で循環させるように構成される、請求項１記載のシェル構造体。
複数のダイアフラムリング（２１０）が、複数の円周方向に離隔したスタックボルト及び複数の半径方向ダボの少なくとも１つにより互いに固定され、複数の垂直方向支持体（２３２）が、第１のシェル構造体（２０２）の少なくとも複数のダイアフラムリング（２１０）を第２のシェル構造体（２０４）に堅固に固定し、タービンシェル構造体がさらに、第２のシェル構造体（２０４）に形成され、第１のシェル構造体（２０２）のダイアフラム（２０８）の少なくとも１つを軸方向に支持するように構成された下流側半希有方向レッジ（２２８）を備え、下流側半径方向レッジ（２２８）が、第２のシェル構造体（２０４）の内側壁に形成された半径方向段部を含み、下流側半径方向レッジ（２２８）の直ぐ上流側にある第１のシェル構造体（２０２）のダイアフラム（２０８）と半径方向に重なり合うように構成され、該半径方向の重なり合いは、ダイアフラム（２０８）が下流側半径方向レッジ（２２８）と当接したときに、下流側半径方向レッジ（２２８）が作動中のダイアフラム（２０８）の下流側軸方向変位を実質的に阻止するように構成されている、請求項１記載のシェル構造体。
第１のシェル構造体（２０２）及び第２のシェル構造体（２０４）が、第１のシェル構造体（２０２）の上流端にて中間チャンバ（２０６）を実質的にシールするように構成され、シールは、ダイアフラムリング（２１０）内に形成される円周方向に延びる半径方向フランジを含み、該フランジが第２のシェル構造体（２０４）に形成された円周方向に延びる半径方向溝を係合するように構成される、請求項１記載のシェル構造体。