JP2012518109A

JP2012518109A - 低ギャップ損失および低拡散器損失を備えたガスタービンのための軸流ターボコンプレッサ

Info

Publication number: JP2012518109A
Application number: JP2011549507A
Authority: JP
Inventors: フランソワ・ベンクラー; カール・クライン; トルステン・マティアス; アヒム・シルマッハー; オリヴァー・シュナイダー; ワジーム・シェフチェンコ; ウルリヒ・ヴァルトク
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN102317634B; WO2010091956A1; CN102317634A; US20110311355A1; EP2396555A1; EP2218918A1; JP5567036B2

Abstract

本発明はガスタービンのための軸流ターボコンプレッサに関し、そのターボコンプレッサは、ハブ側に露出された、ベーン先端（４）を備えたステータベーン（３）によって形成されたステータベーンアセンブリ（２）と、ハブ側のベーン先端（４）に直接的に隣接して配置され、且つ軸流ターボコンプレッサ（１）の流れ経路を画定した静止シャフトカバー（６）と、を備え、径方向ギャップがシャフトカバー（６）とベーン先端（４）との間に設計され、ギャップは、軸流ターボコンプレッサ（１）のアセンブリが辛うじて組み立てられることが可能であり且つ多数の凹部（７）がシャフトカバー（６）に存在するように最小化されており、凹部（７）の１つは各々のベーン先端（４）に割り当てられ、割り当てられたベーン先端（４）に直接的に隣接して配置され、且つ軸流ターボコンプレッサ（１）の作動の際に各々のベーン先端（４）が対応した凹部（７）内に沈み込んで、ベーン先端（４）の１つがシャフトカバー（６）と顕著に接触しないように割り当てられている。

Description

本発明はガスタービンのための軸流ターボコンプレッサに関し、その軸流ターボコンプレッサは低い径方向ギャップ損失を備えている。

ガスタービンは、例えば軸流タイプの構造のターボコンプレッサを備えている。ターボコンプレッサはステータが取り付けられたケーシングと、ケーシングによって収容されたロータを備えている。ロータはシャフトを備え、ロータは回転的に駆動されることが可能である。シャフトカバーはシャフトを収容するように形成され、ケーシングの内郭とともに外郭はターボコンプレッサを通る流れ経路の一部を形成している。流れ経路は、流れ経路が拡散器として形成されるように流れ方向において拡大した断面を備えている。

ロータは多数のロータステージを備え、それらはロータブレードの列によって各々のケース内に形成されている。また、ステータは多数のステータブレードの列を備え、それらは軸方向から見てロータブレードと千鳥になるような態様で配列されている。流れ方向から見ると、ガイドベーン翼列は最後のロータブレード翼列の後、且つその後に配置されたガイドベーン翼列の下流に習慣的に配列されている。

ガイドベーン翼列は多数のベーンを備えており、その一端はケーシング上の各々のケース内に固定され、他端はシャフトに向かっている。シャフトカバーに面し且つそこに直接的に隣接して配置されたベーン先端は、ガイドベーンの他端に形成されている。ベーン先端とシャフトカバーとの間の距離は径方向ギャップとして形成され、一方ではガスタービンの作動中にベーン先端がシャフトカバーに突き当たらず、他方ではガスタービンの作動の際に発生する径方向ギャップを通じたリーク流れが可能な限り少なくなるようにギャップの寸法が決められている。したがって、径方向ギャップは可能な限り小さくなるように設計されており、高効率が達成され且つコンプレッサの最大限の翼列の潜在能力が活用されている。コンプレッサベーンを固定する代わりに、例えば固定ボルトを利用してベーン翼のハブ側端部を固定して、内側リングを固定したハブ側からの外向きの移動に対抗し、振動発生に対して減衰を提供することが特許文献１からも公知である。

ターボコンプレッサのケーシングは強固に構成されており、それはガスタービンの作動の際の加圧応力と熱応力とに対抗することを可能とするためである。また、ケーシングは剛体であり、ガスタービンの作動の際のケーシングへの荷重移動はケーシングをわずかに変形させるのみである。これに対して、シャフトカバーはガスタービンの作動の際に低い機械的応力に晒され、その結果シャフトカバーはケーシングよりも薄く且つ強固さの低い構造である。

シャフトカバーはケーシングと比較してより薄い壁として設計されており、一般にケーシングとは異なった特性の材料で形成されていることから、シャフトカバーは固定されたガイドベーン翼列を備えたケーシングよりも素早く温度上昇する。これは、ガスタービンの起動および停止に関して、シャフトカバーおよびケーシングが異なった熱膨張率を有するため、ガスタービンの起動および停止の際に径方向ギャップが変化し、径方向ギャップは起動時には一時的に小さくなり、停止時には大きくなることになる。

ターボコンプレッサの作動の際にガイドベーン翼列のベーン先端がシャフトカバーに突き当たらず、これを損傷しないように、径方向ギャップは最小の深さで設けられており、ガスタービンの各々の作動状態−安定状態および遷移状態−において、ベーン先端が、あるとしてもめったにシャフトカバーと接触しないように寸法決定されている。これは、対応して決定された径方向ギャップがベーン先端に設けられ、ガスタービンの効率の低下を導く結果となる。

また、径方向ギャップによって形成された閉塞は主流れ要素の減少を引き起こし、結果的に拡散器内の圧力回復が減少され、不利益な分離現象が発生し得る。

欧州特許第１０７９０７５号明細書

高効率且つ高動作信頼度を備えたガスタービンのための軸流ターボコンプレッサを創造することが、本発明の目的である。

本発明によるガスタービンのための軸流ターボコンプレッサは、ハブ側に自立した、ベーン先端を備えたガイドベーンによって形成されたベーン翼列と、ハブ側のベーン先端に直接的に隣接して配置され、且つ軸流ターボコンプレッサの流れ経路を画定したシャフトカバーと、を備え、径方向ギャップがシャフトカバーとベーン先端との間に形成され、ギャップは、軸流ターボコンプレッサのアセンブリが辛うじて完成することが可能であり且つ多数の盲穴の態様の凹部がシャフトカバーに形成されるように最小の寸法とされており、凹部の１つは各々のベーン先端に対応しており、対応したベーン先端に直接的に隣接して配置され、且つ軸流ターボコンプレッサの作動の際に各々のベーン先端が対応した凹部内に沈み込んで、ベーン先端の１つがシャフトカバーと顕著に接触することがないように寸法が決定されている。

結果的に、ベーン先端とシャフトカバーとの間の径方向ギャップは必要とされた最小のアセンブリギャップに調節されており、径方向ギャップの深さはアセンブリに依存した最小値に減少されている。必要とされた最小のアセンブリギャップの深さは、ガイドベーン翼列の回転、特に後方ガイドベーン翼列の回転が達成されることが可能なように選択されている。

従来のターボコンプレッサにおいて、ベーン先端とシャフトカバーとの間の径方向ギャップは必要とされた最小深さとされており、実質的にガスタービンの全てのあり得る状態において、ベーン先端はシャフトカバーとほとんど接触しないか、またはまったく接触しないように、その深さは選択されている。結果的に、径方向ギャップはそのような深さを伴って形成され、リーク流れのかなりの質量流がガスタービンの好ましくない効率の低下を導く径方向ギャップを通じて流れる。

しかしながら、本発明による軸流ターボコンプレッサの場合、径方向ギャップは可能な最小の径方向ギャップ、特に必要とされた最小のアセンブリギャップに調節されており、径方向ギャップを通じたリーク流れは最小化されている。結果的に、軸流ターボコンプレッサは拡散器セクション内において高い圧力回復を有し、したがって高効率である。

また、軸流ターボコンプレッサの作動の際に、ベーン先端は凹部内に沈み込むことが可能であり、径方向ギャップは必要とされた最小アセンブリギャップに減少されているが、軸流ターボコンプレッサの作動の際のベーン先端とシャフトカバーとの接触の損傷は防止されている。

特定の作動状態の際に、ベーン先端が対応した凹部内に沈み込んだ場合、次いでベーン先端周辺の流れは減少し、結果的にベーン先端におけるリーク流れも減少する。結果的に、ガイドベーン翼列の効率は増大し、軸流ターボコンプレッサの下流に配された拡散器内の損失および分離も減少される。全体的に良好な機械的性能および全体的に高いガスタービンの機械効率は、改良された径方向ギャップの挙動に起因している。拡散器のこの発散角度、すなわち拡散器の拡散器角度は、従来の拡散器の場合よりもより大きい角度を選択することが可能である。従来のガスタービンと比較した、ガスタービンの全体的な長さの削減はこのことに関係している。

ベーン先端と接触する際に降伏することが可能なハニカムのような、および／またはフェルトのような構造体が、各々の凹部のベースに取り付けられていることが好適である。ハニカムのような構造体は好適にハニカムである。

結果的に、ベーン先端はハニカムのような、および／またはフェルトのような構造体内に沈み込むことが可能であり、ベーン先端は損傷されない。この利点に起因して、ベーン先端とハニカムのような、および／またはフェルトのような構造体との間の距離は小さく設計される。したがって、特定の作動状態の際にベーン先端が対応した凹部内に沈み込んで、ハニカムのような、および／またはフェルトのような構造体内を掘った場合、ベーン先端周囲の流れは減少する。結果的に、ベーン先端におけるリーク流れは有利に追加的に減少する。

また、凹部がシャフトカバーの面上に輪郭形状を有し、ベーン先端において凹部と対応したガイドベーンのプロファイルに適合されており、所定の深さを備えていることは好適である。

したがって、シャフトカバーの材料は、ベーン先端が凹部内に沈み込み、凹部内に沈み込んだときにベーン先端がシャフトカバーに突き当たることなく、ベーン先端周囲の流れが減ずるように配置されている。

軸流ターボコンプレッサの作動の際に、ベーン先端とシャフトカバーとの間の径方向の相対移動が補正されることが可能であるように、凹部の深さが画定されていることは、好適である。

結果的に、軸流ターボコンプレッサの作動の際のベーン先端とシャフトカバーとの腐食の防止が有利に達成され、軸流ターボコンプレッサの動作信頼度が高まる。

さらに、軸流ターボコンプレッサの作動の際に、ベーン先端とシャフトカバーとの間の軸方向の相対移動が補正されることが可能であるように、凹部の輪郭形状が画定されていることは、好適である。

軸流ターボコンプレッサの作動の際のベーン先端とシャフトカバーとの間の軸方向の相対移動の間、ベーン先端がシャツ路カバーと接触する影響は防止され、軸流ターボコンプレッサの動作信頼度が高まる。

以下において、本発明が本発明による軸流ターボコンプレッサの好適な例示的実施形態を基に示されており、添付された概略的な図を参照している。

軸流ターボコンプレッサの詳細な斜視図を示している。ベーン長手軸に沿った図１の詳細を示した図である。

図１および２から明白であるように、軸流ターボコンプレッサ１は、複数のガイドベーン３によって形成されたベーン翼列２を備えている。ガイドベーン３は軸流ターボコンプレッサ１の周方向において一列に配列されており、軸流ターボコンプレッサ１の径方向において縦長に延在している。

また、軸流ターボコンプレッサ１はケーシング５を備え、ガイドベーン３はケーシングの内側に固定されている。ケーシング５から離れた面では、ガイドベーン３はケーシング５の内側に向いたベーン先端４を備えている。

ハブ側において、周方向に対称なリングとしてデザインされたシャフトカバー６は、ベーン先端４において直接的に配列されている。ベーン先端４に面したシャフトカバー６の外側において、多数の凹部７が形成されている。各々の凹部７は異なったベーン先端４に対応しており、凹部７は対応したガイドベーン先端４に直接隣接して配置されている。凹部７は盲穴の態様で形成されており、したがって、出口のない態様で形成されている。すなわち、リーク損失を回避するために、密封されたベースが設けられている。

ベーン先端４に面したシャフトカバー６の外側の各々の凹部７は、ガイドベーン先端４におけるガイドベーン３のプロファイル形状に適合した輪郭８を備えている。また、各々の凹部７にはシャフトカバー６内に深さ９が設けられている。輪郭８と深さ９との形状は、軸流ターボコンプレッサの作動の際に、各々のベーン先端４が対応した凹部７内に沈み込むことが可能であり、沈み込んだ際に、ベーン先端４がシャフトカバー６と接触しないか、または辛うじて接触するような態様で決定されている。

各々の凹部７のベースに組み付けられたのはハニカム構造体１０であり、図１の中央の凹部７について例示されている。軸流ターボコンプレッサの作動の際に、ベーン先端４はハニカム構造体１０と接触し、その後、ハニカム構造体１０は降伏して、ベーン先端４はハニカム構造体１０を押圧する。

１・・・軸流ターボコンプレッサ、２・・・ベーン翼列、３・・・ガイドベーン、４・・・ベーン先端、５・・・ケーシング、６・・・シャフトカバー、７・・・凹部、１０・・・ハニカム構造体

Claims

ガスタービンのための軸流ターボコンプレッサであって、
ハブ側に自立した、ベーン先端（４）を備えたガイドベーン（３）によって形成されたベーン翼列（２）と、前記ハブ側の前記ベーン先端（４）に直接的に隣接して配置され、且つ前記軸流ターボコンプレッサ（１）の流れ経路を画定したシャフトカバー（６）と、
を備えた軸流コンプレッサにおいて、
径方向ギャップが前記シャフトカバー（６）と前記ベーン先端（４）との間に形成され、前記ギャップは、前記軸流ターボコンプレッサ（１）のアセンブリが辛うじて完成することが可能であり且つ多数の凹部（７）が前記シャフトカバー（６）に形成されるように最小の寸法とされており、
前記凹部（７）の１つは各々の前記ベーン先端（４）に対応しており、対応した前記ベーン先端（４）に直接的に隣接して配置され、且つ前記軸流ターボコンプレッサ（１）の作動の際に各々のベーン先端（４）が対応した前記凹部（７）内に沈み込んで、前記ベーン先端（４）の１つが前記シャフトカバー（６）と顕著に接触することがないように寸法が決定されていることを特徴とする軸流ターボコンプレッサ。
前記ベーン先端（４）と接触する際に降伏することが可能なハニカムのような、および／またはフェルトのような構造体（１０）が、各々の前記凹部のベースに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の軸流ターボコンプレッサ。
各々の前記凹部（７）は前記ベーン先端（４）においてガイドベーン（３）のプロファイルに適合した、シャフトカバーの面上の輪郭形状（８）と、事前に指定された深さ（９）と、を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流ターボコンプレッサ。
前記軸流ターボコンプレッサ（１）の作動の際に、前記ベーン先端（４）と前記シャフトカバー（６）との間の径方向の相対移動が補正されることが可能であるように、前記凹部（７）の深さ（９）は画定されていることを特徴とする請求項３に記載の軸流ターボコンプレッサ。
前記軸流ターボコンプレッサ（１）の作動の際に、前記ベーン先端（４）と前記シャフトカバー（６）との間の軸方向の相対移動が補正されることが可能であるように、前記凹部（７）の輪郭形状（８）は画定されていることを特徴とする請求項３または４に記載の軸流ターボコンプレッサ。