JP2012117525A - 回転機械用のパージシステム及びそれを組立てる方法 - Google Patents

回転機械用のパージシステム及びそれを組立てる方法 Download PDF

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ジョン・ヨン・パク
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Abstract

【課題】回転機械用のパージシステムを提供する。
【解決手段】本回転機械(100)用のパージシステム(250)は、第1の回転部品(158)及び第2の回転部品(160)に結合されたパージ装置(200)を含む。第2の回転部品は、第1の回転部品に結合されて、少なくとも1つの空洞(204)が該第1の回転部品及び第2の回転部品によって少なくとも部分的に画成される。本パージシステムはまた、該パージ装置と流体連通して結合された少なくとも1つの軸方向流体供給導管(202)を含む。パージ装置は、その中に画成された少なくとも1つの半径方向チャネル(222)を含む。少なくとも1つの半径方向チャネルは、少なくとも1つの軸方向流体供給導管及び少なくとも1つの空洞と流体連通して結合される。
【選択図】 図3

Description

本明細書に記載した実施形態は、総括的には回転機械に関し、より具体的には、ガスタービン圧縮機で使用する流体パージシステムに関する。
公知のガスタービンシステムは、該タービンシステムを通して送られる空気を加圧する圧縮機セクションを含む。少なくとも幾つかの公知のガスタービンシステムの作動時に、圧縮機セクションの少なくとも幾つかの部分は、高い応力、振動及び/又は温度を受ける可能性がある。例えば、少なくとも幾つかの公知の圧縮機セクションは、ロータに結合された複数の段を含み、これら複数の段は、空気をより高い圧力に徐々に加圧しかつ従ってそこを通って送られる空気の温度をそれに比例して上昇させる。空気流温度のそのような違いにより、圧縮機セクション内に温度勾配が生じる可能性がある。そのような温度勾配は、不均一な熱膨張、屈曲及び/又はその他の応力を生じさせる可能性があり、そのことは、時間の経過と共に幾つかの圧縮機部品に損傷を引起こしかつ/又はそれら部品の期待有効寿命を短縮させるおそれがある。
さらに、少なくとも幾つかの公知の圧縮機セクションは、空気−燃料混合気を点火燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器に結合されかつ/又は該燃焼器の近傍に配置される。少なくとも幾つかのガスタービンシステムの効率を向上させるために、圧縮機セクション吐出温度、燃焼器燃焼温度及び/又は圧縮機セクション流量を増大させることができるが、それらのいずれか又は全ては、圧縮機セクション内の発生温度勾配を望ましくない程度にまで高めるおそれがある。
米国特許第6981841号明細書
1つの態様では、回転機械を組立てる方法を提供する。本方法は、第1の回転部品を準備するステップを含む。本方法はまた、第1の回転部品に第2の回転部品を結合するステップを含む。第1の回転部品及び第2の回転部品は、それらの中に空洞をまたそれらの間でほぼ軸方向に延びる少なくとも1つの導管を少なくとも部分的に画成する。さらに、本方法は、その中に画成された少なくとも1つの半径方向チャネルを備えかつ第1の回転部品及び第2の回転部品まで延びるパージ装置を結合して、少なくとも1つの半径方向チャネルが空洞及び少なくとも1つの軸方向導管と流体連通して結合されるようするステップを含む。
別の態様では、回転機械用のパージシステムを提供する。本パージシステムは、第1の回転部品及び第1の回転部品に結合された第2の回転部品に結合されて、少なくとも1つの空洞が該第1の回転部品及び第2の回転部品によって少なくとも部分的に画成されるパージ装置を含む。本パージシステムはまた、パージ装置と流体連通して結合された少なくとも1つの軸方向流体供給導管を含む。パージ装置は、その中に画成された少なくとも1つの半径方向チャネルを含む。少なくとも1つの半径方向チャネルは、少なくとも1つの軸方向流体供給導管及び少なくとも1つの空洞と流体連通して結合される。
さらに別の態様では、タービンエンジンを提供する。本タービンエンジンは、前方圧縮機ロータを含む。本タービンエンジンはまた、前方圧縮機ロータに回転可能に結合された後方圧縮機ロータを含む。後方圧縮機ロータ及び前方圧縮機ロータは、それらの中に空洞をまたそれらの間でほぼ軸方向に延びる少なくとも1つの軸方向導管を少なくとも部分的に画成する。本タービンエンジンはまた、前方圧縮機ロータ及び後方圧縮機ロータに結合されたパージ装置を含む。パージ装置はさらに、後方圧縮機ロータ及び前方圧縮機ロータによって少なくとも部分的に画成された空洞を画成する。パージ装置はまたさらに、後方圧縮機ロータ及び前方圧縮機ロータによって少なくとも部分的に画成された少なくとも1つの軸方向導管を画成する。パージ装置はまた、少なくとも1つの半径方向チャネルを含む。少なくとも1つの半径方向チャネルは、少なくとも1つの軸方向導管及び空洞と流体連通して結合される。
本明細書に記載した実施形態は、添付図面と関連させた以下の説明を参照することによって一層良好に理解することができる。
例示的なタービンエンジンの概略図。 区域2に沿って取った、図1に示すタービンエンジンの一部分の拡大断面図。 図1に示すタービンエンジンで使用することができる例示的なパージリングの斜視図。 空気の流れを加えた状態における、図2に示すタービンエンジンの一部分の断面図。 図1に示すタービンエンジンの一部分を組立てる例示的な方法を示すフロー図。
図1は、回転機械100、つまりターボ機械、より具体的にはタービンエンジンの概略図である。この例示的な実施形態では、タービンエンジン100は、ガスタービンエンジンである。それに代えて、その他のエンジンを使用することができることが当業者には理解されるであろうことに注目されたい。この例示的な実施形態では、タービンエンジン100は、吸気セクション102及び吸気セクション102の下流にかつ該吸気セクション102と流体連通して結合された圧縮機セクション104を含む。燃焼器セクション106が、圧縮機セクション104の下流にかつ該圧縮機セクション104と流体連通して結合され、またタービンセクション108が、燃焼器セクション106の下流にかつ該燃焼器セクション106と流体連通して結合される。ガスタービンエンジン100は、タービンセクション108の下流にある排気セクション110を含む。さらに、この例示的な実施形態では、タービンセクション108は、それに限定されないが圧縮機ロータつまり駆動シャフト114及びタービンロータつまり駆動シャフト115を含むロータ組立体112を介して圧縮機セクション104に結合される。
この例示的な実施形態では、燃焼器セクション106は、その各々が圧縮機セクション104と流体連通して結合された複数の燃焼器組立体つまり燃焼器116を含む。燃焼器セクション106はまた、少なくとも1つの燃料ノズル組立体118を含む。各燃焼器116は、少なくとも1つの燃料ノズル組立体118と流体連通している。さらに、この例示的な実施形態では、タービンセクション108及び圧縮機セクション104は、駆動シャフト114を介して負荷120に回転可能に結合される。例えば、負荷120には、それに限定されないが発電機及び/又は機械的駆動用途、例えばポンプを含むことができる。この例示的な実施形態では、圧縮機セクション104は、少なくとも1つの圧縮機ブレード組立体122を含む。また、この例示的な実施形態では、タービンセクション108は、少なくとも1つのタービンブレードつまりバケット機構124を含む。各圧縮機ブレード組立体122及び各タービンバケット機構124は、ロータ組立体112、つまりより具体的には圧縮機駆動シャフト114及びタービン駆動シャフト115に結合される。
作動中に、吸気セクション102は、空気150を圧縮機セクション104に向けて送る。圧縮機セクション104は、吸入空気150をより高い圧力及び温度に加圧した後に、この加圧空気152を燃焼器セクション106に向けて吐出する。加圧空気152は、セクション106内で燃料(図示せず)と混合されかつ点火燃焼されて燃焼ガス154を発生し、この燃焼ガス154が、タービンセクション108に向けて下流方向に送られる。具体的には、加圧空気152の少なくとも一部分は、燃料ノズル組立体118に送られる。燃料もまた燃料ノズル組立体118に送られ、燃料ノズル組立体118内で燃料が加圧空気152と混合され、この混合気が燃焼器116内で点火燃焼される。燃焼器116内で発生した燃焼ガス154は、タービンセクション108に向けて下流方向に送られる。タービンバケット機構124に衝突した後に、熱エネルギーが機械的回転エネルギーに変換され、この機械的回転エネルギーを使用してロータ組立体112を駆動する。タービンセクション108は、駆動シャフト114及び115を介して圧縮機セクション104及び/又は負荷120を駆動し、また排気ガス156が排気セクション110を通して外気に放出される。
図2は、区域2(図1に示す)に沿って取った、タービンエンジン100の一部分の拡大断面図である。この例示的な実施形態では、圧縮機駆動シャフト114は、第1の回転部品、すなわち前方圧縮機ロータつまり駆動シャフト158を含み、この第1の回転部品は、第2の回転部品、すなわち後方圧縮機ロータつまり駆動シャフト160に回転可能に連結される。後方圧縮機駆動シャフト160は、第3の回転部品つまりタービン駆動シャフト115に回転可能に結合される。また、この例示的な実施形態では、パージ装置つまりパージリング200は、前方圧縮機駆動シャフト158及び後方圧縮機駆動シャフト160に結合される。さらに、この例示的な実施形態では、パージリング200及び後方圧縮機駆動シャフト160は、圧縮機駆動シャフト114及びタービン駆動シャフト115と共にロータ組立体112を少なくとも部分的に形成する。さらに、この例示的な実施形態では、少なくとも1つの軸方向流体供給導管つまりバケット冷却空気供給導管202(図2には1つのみを示す)が、前方圧縮機駆動シャフト158、後方圧縮機駆動シャフト160及びパージリング200によって画成される。バケット冷却空気供給導管202は、圧縮機セクション104からの冷却空気(図2には図示せず)をタービンバケット機構124(図1に示す)に向けて送る。また、この例示的な実施形態では、空洞204が、前方圧縮機駆動シャフト158、後方圧縮機駆動シャフト160及びパージリング200によって画成される。さらに、この例示的な実施形態では、後方圧縮機駆動シャフト160内に画成されたパージリングキャビティ206が、パージリング200を受けるような寸法及び配向にされる。それに代えて、パージリングキャビティ206の一部分はまた、前方圧縮機駆動シャフト158の一部分内に画成することができる。
この例示的な実施形態では、パージリング200は、例えば締り又は摩擦嵌めを使用して隣接する部品つまり前方圧縮機駆動シャフト158及び後方圧縮機駆動シャフト160に回転可能に結合された別個の部品である。それに代えて、パージリング200は、該パージリング200及びガスタービン100を本明細書で説明するように機能させるのを可能にするそれに限定されないが機械的締結金具を含むあらゆる結合手段を使用して、前方圧縮機駆動シャフト158及び後方圧縮機駆動シャフト160に結合することができる。さらに別の実施形態では、パージリング200は、あらゆる既存の部品と一体形に形成し、それによりガスタービンエンジン100を本明細書で説明するように機能させることができる。
図3は、パージリング200の斜視図である。この例示的な実施形態では、パージリング200は、ほぼ円形リム210及びその各々がバケット冷却空気供給導管202の一部分を画成した複数の軸方向冷却導管212を含む。より具体的には、各冷却導管212は、導管壁214によって画成される。各冷却導管壁214はまた、該壁214の半径方向最内側部分217内に冷却空気分流入口216を画成する。各冷却空気分流入口216は、各関連するバケット冷却空気供給導管202からの冷却空気(図3には図示せず)の少なくとも一部分を空洞204に向けて分流させる寸法及び配向とされる。
この例示的な実施形態では、パージリング200は、複数の半径方向内側表面218を含む。各表面218は、冷却空気分流出口220を画成し、この冷却空気分流出口220は、関連する冷却空気分流入口216との間に画成された冷却空気分流チャネル222を介して該冷却空気分流入口216と流体連通している。また、この例示的な実施形態では、半径方向内側表面218は、空洞204を少なくとも部分的に画成する。
さらに、この例示的な実施形態では、各パージリング200は、該パージリング200内に生じる応力を低下させかつパージリングキャビティ206(図2に示す)内へのまた該パージリングキャビティ206からの該パージリングの挿入及び取外しに関するラベット締り代を減少させるのを可能にする複数の応力遮蔽つまり応力スロット224を含む。この例示的な実施形態では、応力スロット224を通して前方圧縮機駆動シャフト158及び/又は後方圧縮機駆動シャフト160(両方を図2に示す)内に回転防止ピン(図示せず)を挿入して、パージリング200をパージリングキャビティ206内に固定することができる。応力スロット224は、該応力スロット224間に画成された複数の部分的接頭円錐形セグメント226を含む。
図4は、空気流れ矢印252及び254を加えた状態における、図2に示すタービンエンジン100の一部分の断面図である。上記したように、空洞204は、前方圧縮機駆動シャフト158、後方圧縮機駆動シャフト160及びパージリング200によって少なくとも部分的に画成される。より具体的には、この例示的な実施形態では、空洞204は、圧縮機半径方向壁230、圧縮機軸方向壁232、後方圧縮機駆動シャフト軸方向壁234及び後方圧縮機駆動シャフト半径方向壁236によって画成される。少なくとも1つの壁230、232、234及び/又は236は、応力制限部分238(図4には1つのみを示す)を含む。各応力制限部分238を備えた壁230、232、234及び/又は236からの一次熱除去により、各壁230、232、234及び/又は236内に生じる熱応力を低下させることができる。
この例示的な実施形態では、パージリング200、より具体的には軸方向冷却導管212、冷却空気分流入口216、冷却空気分流チャネル222、冷却空気分流出口220及び空洞204は、協働しかつ空洞パージシステム250を形成する。また、この例示的な実施形態では、軸方向冷却導管212、冷却空気分流入口216、冷却空気分流チャネル222、冷却空気分流出口220及び空洞204を備えたバケット冷却空気供給導管202並びに空洞パージシステム250は、本明細書で説明するように空洞パージシステム250及びガスタービン100を作動させるのを可能にするようなあらゆる寸法及びあらゆる配向を有する。
作動中に、タービンバケット冷却空気流れ252は、空気供給導管202を通して前方圧縮機駆動シャフト158からタービンセクション108に向けて後方に流れる。空気流れ252の一部分は、導管212から冷却空気分流入口216を介してパージリング200内に分流されるか又は送られ、それにより空洞冷却空気流れ254を形成する。空気流れ254は、空気分流チャネル222及び空気分流出口220を通して空洞204内に送られ、空洞204内において、空気流れ254は、応力制限部分238を備えた壁230、232、234及び236から熱を除去するのを可能にし、従ってそれらの壁内に生じる熱応力を低下させるのを可能にする。冷却空気254は、空洞貫通ポート256を通して後方に送られて、タービンセクション108内を冷却するのを可能にする。
図5は、タービンエンジン100(図1、図2及び図4に示す)の一部分を組立てるのに使用することができる例示的な方法300を示すフロー図である。この例示的な実施形態では、第1の回転部品つまり前方圧縮機駆動シャフト158(図2及び図4に示す)が、準備される(302)。また、この例示的な実施形態では、第2の回転部品つまり後方圧縮機駆動シャフト160(図2及び図4に示す)が、前方圧縮機駆動シャフト158に結合される(304)。前方圧縮機駆動シャフト158及び後方圧縮機駆動シャフト160は組立てられて(306)、それらの中に空洞つまり空洞204(図2、図3及び図4に示す)を少なくとも部分的に画成する。空洞204は、少なくとも1つの軸方向導管つまりバケット冷却空気供給導管202(図2及び図4に示す)間で延び、ここでは導管202は、前方圧縮機駆動シャフト158及び後方圧縮機駆動シャフト160間でほぼ軸方向に延びる。さらに、この例示的な実施形態では、少なくとも1つの半径方向チャネルつまり冷却空気分流チャネル222(図3及び図4に示す)を備えたパージ装置つまりパージリング(図2、図3及び図4に示す)は、前方圧縮機駆動シャフト158及び後方圧縮機駆動シャフト160に回転可能に結合される(308)。冷却空気分流チャネル222は、空洞204及びバケット冷却空気供給導管202と流体連通して結合される(310)。
本明細書に提供したようなターボ機械流体パージシステム及び装置の実施形態は、タービンに回転可能に結合された流体圧縮機を使用したタービンエンジンの組立及び作動を可能にする。そのような流体パージ装置は、付加的な機械的締結金具の使用を回避することによってターボ機械の組立及び分解を可能にする。また、そのような流体パージシステム及び装置は、温度勾配を受ける圧縮機部品に対する冷却流体流れを改善するのを可能にする。この冷却流体流れの改善により、大半の公知の圧縮機セクションと比較して、大きな応力を生じる温度勾配を受ける圧縮機部品の熱応答を向上させることができる。これらの熱応答の向上には、不均一な膨張及び/又は屈曲の発生可能性を減少させるより小さい温度勾配が含まれる。従って、熱応答の向上は、大半の公知の圧縮機セクションと比較して、影響を受ける部品の構造的寿命を延長させる。さらに、熱応答の向上は、大半の公知のターボ機械と比較して、そのような部品の実用寿命を向上させ、補修整備コストを低減しかつ実使用からターボ機械を取外す期間を減少させるのを可能にする。
本明細書で説明したのは、ガスタービンエンジンの組立及び作動を可能にする方法及び装置の例示的な実施形態である。具体的には、パージ/熱除去システム及び関連する装置を備えたガスタービンエンジンを組立てることにより冷却流体つまり空気を所定の空洞内に及び所定の部品の周りに送って、それらの熱応答を向上させることができる。さらに、既存のタービンバケット冷却空気の一部分を空洞領域に配向し直すことにより、その領域を形成する部品内に生じる温度勾配及び応力を低下させることができる。従って、応力の低下及び熱応答の向上は、影響される部品の構造的寿命サイクルを延長させ、それによってそのような部品の実用寿命を向上させ、補修整備コストを低減しかつ実使用からターボ機械を取外す期間の長さ及び頻度を減少させるのを可能にする。
本明細書に説明した方法及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではない。例えば、各システムの部品及び/又は各方法のステップは、本明細書に記載したその他の部品及び/又はステップとは独立してかつ別個に使用しかつ/或いは実施することができる。加えて、各部品及び/又はステップはまた、その他の組立てパッケージ及び方法と共に使用しかつ/或いは実施することができる。
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。
100 ガスタービンエンジン
102 吸気セクション
104 圧縮機セクション
106 燃焼器セクション
108 タービンセクション
110 排気セクション
112 ロータ組立体
114 圧縮機(ロータ)駆動シャフト
115 タービン(ロータ)駆動シャフト
116 燃焼器組立体
118 燃料ノズル組立体
120 負荷
122 圧縮機ブレード機構
124 タービンバケット機構
150 入口空気
152 加圧空気
154 燃焼ガス
156 排気ガス
158 前方圧縮機(ロータ)駆動シャフト
160 後方圧縮機(ロータ)駆動シャフト
200 パージリング
202 バケット冷却空気供給導管
204 空洞
206 パージリングキャビティ
210 リム
212 軸方向冷却導管
214 軸方向冷却導管壁
216 冷却空気分流入口
217 壁の半径方向最内側部分
218 半径方向内側表面
220 冷却空気分流出口
222 冷却空気分流チャネル
224 応力スロット
226 セグメント
230 圧縮機半径方向壁
232 圧縮機軸方向壁
234 後方圧縮機駆動シャフト軸方向壁
236 後方圧縮機駆動シャフト半径方向壁
238 応力制限部分
250 空洞パージシステム
252 タービンバケット冷却空気流れ
254 空洞冷却空気流れ
256 空洞ボア貫通ポート
300 方法
302 第1の回転部品を準備するステップ
304 第1の回転部品に第2の回転部品を結合するステップ
306 第1の回転部品及び第2の回転部品を組立てて、それらの中に空洞をまたそれらの間でほぼ軸方向に延びる少なくとも1つの導管を少なくとも部分的に画成するステップ
308 少なくとも1つの半径方向チャネルを備えたパージ装置を第1の回転部品及び第2の回転部品に結合するステップ
310 少なくとも1つの半径方向チャネルを空洞及び少なくとも1つの軸方向導管と流体連通して結合するステップ

Claims (10)

  1. 回転機械(100)用のパージシステム(250)であって、
    第1の回転部品(158)及び前記第1の回転部品に結合された第2の回転部品(160)に結合されて、少なくとも1つの空洞(204)が該第1の回転部品及び第2の回転部品によって少なくとも部分的に画成されるパージ装置(200)と、
    前記パージ装置と流体連通して結合された少なくとも1つの軸方向流体供給導管(202)と、を含み、
    前記パージ装置が、その中に画成された少なくとも1つの半径方向チャネル(222)を含み、また
    前記少なくとも1つの半径方向チャネルが、前記少なくとも1つの軸方向流体供給導管及び少なくとも1つの空洞と流体連通して結合される、
    パージシステム(250)。
  2. 前記パージ装置(200)が、前方圧縮機ロータ(158)及び後方圧縮機ロータ(160)の各々に回転可能に結合され、
    前記前方圧縮機ロータが前記第1の回転部品(158)であり、また前記後方圧縮機ロータが前記第2の回転部品(160)である、
    請求項1記載のパージシステム(250)。
  3. 前記パージ装置(200)が、前記第1の回転部品(158)及び第2の回転部品(160)によって少なくとも部分的に画成された前記少なくとも1つの空洞(204)の少なくとも一部分をさらに画成する、請求項1記載のパージシステム(250)。
  4. 前記パージ装置(200)、第1の回転部品(158)及び第2の回転部品(160)によって部分的に画成された前記少なくとも1つの空洞(204)が、それらの中に画成された単一空洞である、請求項3記載のパージシステム(250)。
  5. 前記パージ装置(200)が、複数の軸方向冷却導管(202/212)を少なくとも部分的に画成したパージリング(200)である、請求項1記載のパージシステム(250)。
  6. 前記パージリング(200)が、前記複数の軸方向冷却導管(202/212)と流体連通して結合された複数の半径方向冷却チャネル(222)をさらに含む、請求項5記載のパージシステム(250)。
  7. 前記パージリング(200)が、前記空洞(204)から半径方向に延びる複数のスロット(224)をさらに含む、請求項6記載のパージシステム(250)。
  8. タービンエンジン(100)であって、
    前方圧縮機ロータ(158)と、
    前記前方圧縮機ロータに回転可能に結合された後方圧縮機ロータ(160)と、
    前記前方圧縮機ロータ及び後方圧縮機ロータに結合されたパージ装置(200)と、を含み、
    前記後方圧縮機ロータ及び前方圧縮機ロータが、それらの中に空洞(204)をまたそれらの間でほぼ軸方向に延びる少なくとも1つの導管(212)を少なくとも部分的に画成し、
    前記パージ装置が、前記後方圧縮機ロータ及び前方圧縮機ロータによって少なくとも部分的に画成された前記空洞をさらに画成し、
    前記パージ装置が、前記後方圧縮機ロータ及び前方圧縮機ロータによって少なくとも部分的に画成された前記少なくとも1つの軸方向導管をさらに画成し、
    前記パージ装置が、少なくとも1つの半径方向チャネル(222)も含み、また
    前記少なくとも1つの半径方向チャネルが、前記少なくとも1つの軸方向導管及び空洞と流体連通して結合される、
    タービンエンジン(100)。
  9. 前記空洞(204)が、少なくとも1つのタービンバケット冷却供給導管(202)と流体連通して結合される、請求項8記載のタービンエンジン(100)。
  10. 前記パージ装置(200)が、パージリング(200)であり、また
    前記少なくとも1つの軸方向導管(212)が、複数の軸方向冷却導管を含む、
    請求項8記載のタービンエンジン(100)。
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