JP2013139794A - タービンケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】非締結部分を有するタービンを提供する。
【解決手段】タービンケーシングは、各側端に隣接する円弧形状部のフランジに接続するフランジを有する複数の円弧形状部を有する。フランジは、各円弧形状部から外側に向かって延び、かつ、前後方向において外側面に沿って延びる。各円弧形状部は、前後方向においてフランジと一直線になっている、フランジを含まない外側面の部分を有している。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンに関する。詳細には、非締結部分を有するタービンに関する。

タービンは、回転子、およびその回転子を包囲するケーシングを有している。ガス、空気、または液体などの流体が、回転子の羽根を通過してタービンの軸を駆動する。タービンは、運転中に、ケーシングと、回転子の羽根、つまり動翼との間にクリアランスが存在し、動翼がケーシングに擦れるのを防止するように設計されている。クリアランスは、できるだけ小さくなるように維持されており、流体が動翼の外側に回り込んで通過するのを防止する。むしろ、流体は、タービンの動翼や動翼同士の間へと向かわされ、タービンは効率よく機能することができる。

米国特許第７０３７０６５号公報

タービンが加熱および冷却されるとき、ケーシングを含むタービンの構成部品は、その部品の熱応答特性に応じて膨張および収縮する。ケーシングの熱応答特性が、非常に遅い、あるいは、回転子の動翼の周りで不均一である場合には、動翼がケーシングに擦れてしまう。具体的には、運転開始の最中、ケーシングが加熱されて十分に膨張する前にはクリアランスは小さく、ケーシングの不均一な膨張によって、動翼がケーシングに擦れることになる。動翼がケーシングに擦れると、動翼先端の素材が失われることになるため、擦れはケーシングと動翼先端との間のクリアランスを増加させることになり、タービンの性能を悪化させることになる。

本発明の一態様によれば、タービンが、ケーシングであって、実質的に円形の断面形状のケーシングを共に形成する複数の円弧形状部を有し、前側開口を画定する前側リムおよび後側開口を画定する後側リムを有し、複数の円弧形状部は前側開口および後側開口の間で前後方向に延びるケーシングと、複数の円弧形状部の各接合部においてケーシングの外側面から径方向に延び、隣接する円弧形状部を互いに付着させる付着突起部とを有している。ケーシングは、付着突起部を有していないケーシングの外側面に、内側面から外側面への厚さが、付着突起部における内側面から外側面へのケーシングの厚さよりも薄い環状領域を有している。

本発明の別の態様によれば、タービンケーシングが、複数の円弧形状部を有し、各円弧形状部は、前端に前側リム、後端に後側リム、および、各側端に、複数の円弧形状部の中から隣接する円弧形状部のフランジと接続するフランジを有し、フランジは、各円弧形状部の外側面から外側に向かって延び、かつ、前後方向において外側面に沿って延び、各円弧形状部は、フランジを含まず、前後方向においてフランジと同一線上にある外側面の一部を有し、フランジを含まない一部は、フランジにおける円弧形状部の内側面から円弧形状部の外側面までの円弧形状部の幅よりも狭い、円弧形状部の内側面から円弧形状部の外側面までの幅を有する。

これらおよび他の利点および特徴は、図面と併せた以下の説明から、さらに明らかとなるであろう。

発明と思われる主題は、明細書の結末にある特許請求の範囲において、具体的に指摘され、かつ、明確に請求されている。前述のおよび他の特徴、ならびに、本発明の利点は、添付の図面と併せた以下の詳細な記載から明らかとなる。

タービンの図面である。 タービンの円弧部の図面である。 タービンケーシングの接続部の正面図である。 ケーシングの接続部の側方断面図である。 フランジがケーシングの接続部全体に沿って延びる場合のケーシングの変形を示す略図である。 フランジがケーシングの長さに沿った一部だけで延びる場合のケーシングの変形を示す略図である。 タービンの二重壁ケーシングの断面図である。

詳細な記載により、図面を参照しつつ実施例の方法によって、本発明の実施形態を利点および特徴と共に説明する。

図１には、一実施形態によるタービン１が例示される。タービン１は、円弧形状の断面を有する複数のセグメント１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、および１１ｄから形成されている。本明細書および特許請求の範囲では、「円弧形状の断面」という言葉は、タービン１の吸込み側の端部から見たときのセグメント１１ａ〜１１ｄの断面をいう。また、セグメント１１ａ〜１１ｄは、本明細書および特許請求の範囲を通じて、円弧形状部といわれる。

付着突起部１２が、タービン１のケーシング１０から突出している。付着突起部１２は、円弧形状部１１ａ〜１１ｄを隣接する円弧形状部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、または１１ｄに付着させる。付着突起部１２は、ケーシング１０の外側面の長さにわたる一部だけで延びている。

タービン１はさらに、軸２１、および、その軸２１から延出する羽根つまり動翼２２を有する回転子２０を有する。ケーシング１０の環状領域Ｒが、動翼段２２に相当するケーシング１０の一部を包囲しており、環状領域Ｒには付着突起部はまったくない。ノズルや静翼など、タービン１の追加的な構成要素は、本実施形態を説明する上でわかりやすくするために省略されている。

図１では、４つの円弧形状部１１ａ〜１１ｄを有するタービン１を例示するが、別の実施形態では、タービンは、２つ、３つ、または、４つを超える接続された円弧形状部を有している。

図２には、ケーシング１０の円弧形状部１１の１つが例示される。各円弧形状部１１は、外側面３１、内側面３８、前側リム３２、後側リム３３、ならびに、側縁部３４および３５を有している。フランジ３６ａおよび３６ｂが、セグメント１１の外側面３１から径方向外側に向かって延びている。フランジ３６ａおよび３６ｂは、両側にある側縁部３４および３５に配置されており、隣接する円弧形状部１１の隣接するフランジに接続する。タービン１のすべての円弧形状部１１は、隣接するフランジ３６同士を互いに付着することで接続され、円弧形状部１１は、円形の断面形状を有するタービン１を形成する。

フランジ３６ａおよび３６ｂはそれぞれ、ボルト用孔３９を有し、ボルトが挿入され、フランジ３６ａおよび３６ｂを隣接する円弧形状部１１の隣接するフランジに付着する。別の実施形態によれば、隣接するフランジ３６は、留め具、溶接、または他の固定器具によって互いに接続されている。

フランジ３６ａおよび３６ｂは、円弧形状部１１の外側面３１に沿って、前後方向Ｘに延びている。しかしながら、フランジ３６ａおよび３６ｂと一直線になっている円弧形状部１１の外側面３１の一部は、フランジを有していない。換言すれば、図２に例示されるように、前後方向Ｘにおいてフランジ３６ａと一直線になっている円弧形状部１１の前側リム３２に隣接する領域では、フランジが円弧形状部１１の外側面３１から径方向に突出していない。

図３は、タービン１の接続部Ｃの正面図である。図３は、第２の円弧形状部１１ｂに接続された第１の円弧形状部１１ａを例示する。第１の円弧形状部１１ａの一端のフランジ３６ｂは、第２の円弧形状部１１ｂの一端のフランジ３６ｂに接続されている。フランジ３６ｂは幅ｄ１を有し、フランジ３６ａは幅ｄ２を有している。本実施形態によれば、幅ｄ１は幅ｄ２と同じとなっている。しかしながら、別の実施形態では、フランジ３６ａおよび３６ｂは異なる幅を有している。

第１の円弧形状部１１ａの外側面３１ａの面積と、第２の円弧形状部１１ｂの外側面３１ｂの面積とを併せた面積は、ケーシング１０の接続領域Ｃを画定する。接続領域Ｃは、円弧形状部１１ａおよび１１ｂの長さに沿って延びており、本発明の実施形態によれば、接続領域Ｃは、フランジ３６ａおよび３６ｂが延び出す第１の部分と、フランジ３６ａおよび３６ｂが延び出さない円弧形状部１１ａおよび１１ｂの前側リム３２ａおよび３２ｂに隣接する第２の部分との両方を含む。

図４は、タービン１の一部の側方断面図を例示する。円弧形状部１１の外側面３１は、前後方向Ｘにおいて長さｄ３を有している。フランジ３６は、外側面３１から、円弧形状部１１の長さｄ４に沿って延びている。長さｄ４は外側面３１の全体長さｄ３よりも短く、したがって長さｄ５を有する外側面３１の領域Ｒはフランジ３６を含んでいない。領域Ｒは、前後方向においてフランジ３６と一直線となっている。換言すれば、長さＲ５を有する領域Ｒは、図３に例示される接続領域Ｃ内にある。また、領域Ｒは、タービン１を包囲する円環形状を有している。換言すれば、一つだけの円弧形状部１１の断面が図４に例示されているが、長さｄ５に相当する領域Ｒは、図１に示すように、タービン１全体の周りに延びている。

領域Ｒは、フランジ３６のない円弧形状部１１の幅に相当する幅ｄ７を有している。フランジ３６を含む円弧形状部１１の部分は、幅ｄ７よりも広い幅ｄ８を有している。図４には、フランジ、リブ、または取付支持体などの突起物を有していない領域Ｒが示されている。その結果、領域Ｒの熱応答特性は、フランジ３６を含む円弧形状部１１の部分の熱応答特性に比較して速い。別の実施形態によれば、領域Ｒは、取付支持体などの突起物を１つまたは複数有しているが、その突起物は、領域Ｒの熱応答特性に対して小さな影響しかなく、また突起物は、フランジ３６を有する円弧形状部１１の部分の幅ｄ８よりも狭い幅ｄ７を有している。

領域Ｒは回転子２０の動翼段２２に相当し、長さｄ５は動翼２２の長さよりも長くてもよい。タービン１の運転中に領域Ｒが加熱および冷却するとき、領域Ｒの熱応答特性は、フランジ３６を有するケーシング１０の部分と比較して比較的速くかつ均一である。その結果、領域Ｒを含むケーシング１０の部分は実質的に円形を維持し、動翼２２がケーシング１０に擦れることが回避される。

説明の目的のために、動翼２２が一つだけ図４に例示されているが、動翼２２が軸２１の周りに円環となるように配置されており、円環状に配置された動翼２２が段の部分を形成することは理解される。段はまた、動翼に所定の角度で流体を導くノズルを形成する静翼を含んでいてもよい。静翼は、わかりやすくするために図４から省略されている。また、動翼段２２が一つだけ図４では例示されているが、タービン１は任意の数の段を有していてもよい。

本実施形態によれば、領域Ｒは、前後方向Ｘにおいて前側リム３２に隣接する円弧形状部１１の外側面３１の一部である。しかしながら、別の実施形態によれば、領域Ｒは、円弧形状部１１の後側リム３３に隣接して位置してもよく、あるいは、前側リム３２と後側リム３３との間の動翼段２２に対応する任意の位置であってもよい。また、複数の領域Ｒが、前側リム３２および後側リム３３の両方に隣接するようにして円弧形状部１１に位置してもよい。

図５および図６には、０度、９０度、１８０度、２７０度で４つの付着突起部１２を有するタービン１の環状部分と、環状部分において付着突起部を有していないタービン１の環状部分との熱応答特性の比較が例示されている。Ｔ１は、運転開始後で、タービン１が通常の運転温度になる前の時点を表している。Ｔ２は、タービンが通常の運転温度にある時点を表している。Ｔ３は、タービン１の停止が開始された後であるが、タービンの温度が加熱されていない状態まで冷却される前の時点を表している。

図５には、付着突起部１２を有するタービン１の環状部分の熱応答特性が例示されている。時点Ｔ１では、付着突起部１２を有するタービン１の部分は、付着突起部１２を含まないタービン１の部分よりもゆっくりと加熱していく。その結果、タービン１のケーシング１０は、Ｔ１を表す線の凹凸部分によって例示されるように歪んでしまう。図５の線Ｔ１によって例示される不均一な加熱の物理的な結果は、ケーシング１０がいびつな形状となり、ケーシング１０の一部は外側へと曲がって一部は内側へと曲がり、動翼２２がケーシング１０に擦れてしまうことである。

時点Ｔ２では、ケーシング１０は、実質的に円形を有するように膨張している。時点Ｔ３では、付着突起部１２を有するケーシング１０の部分は、付着突起部１２を有していないケーシング１０の部分よりもゆっくりと冷却する。その結果、ケーシング１０は、前述のように、いびつな形状となって円形でなくなる。

図６には、付着突起部１２を有していないタービン１の環状部分の熱応答特性が例示されている。時点Ｔ１では、ケーシング１０は、環状部分全体の周りで均一に膨張し、環状部分は円形を保持する。同様に、時点Ｔ３では、停止が開始された後、付着突起部１２を有していないケーシング１０の環状部分が均一に冷却し、実質的に円形を維持する。ケーシング１０が加熱中および冷却中に円形を維持するため、動翼２２の先端とケーシング１０の内側面との間のクリアランスを、タービンの長さ全体に延びる付着突起部１２を有するタービン１よりも小さくするように設計することができ、クリアランスがより小さいことで、タービン１の効率を向上させることになる。

図７は、タービン１の二重壁ケーシングの断面図である。タービン１は、外部シェル７１および内部シェル７２を有している。内部シェル７２は、図１のケーシング１０に相当し、図１〜図４に例示するように、内部シェル７２のセグメントを接続する付着突起部１２を有している。

内部シェル７２は、傾斜した部分と、タービン１の後端に複数の円筒部７４とを有している。円筒部７４はフランジ７６を有している。円筒部７４同士の間にある円筒部７５はフランジを有しておらず、フランジ７６同士の間には空間７７が設けられている。別の実施形態によれば、円筒部７４および７５の各々がフランジ７６を有している。さらに別の実施形態では、円筒部７４および７５の各々が、セグメントがなく、かつ、フランジ７６のない一体品として形成されている。

外部シェル７１は、内部シェル７２を支持する支持部７３を有しており、また、内部シェル７２は、その内部シェル７２の熱応答特性に応じた膨張および収縮が可能とされている。支持部７３は、内部シェル７２を包囲する円環形状を有しており、タービン１から熱せられた流体が漏れるのを防止する気密シールを提供する。

環状シール７８は、付着突起部の最後部に配置されており、タービン１をさらにシールする。別の実施形態によれば、付着突起部１２は外部シェル７１へと外側に延びており、環状シール７８が設けられていない。

本発明は限られた数の実施形態のみを伴って詳細に説明されたが、本発明は、それらの開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、ここまで説明されていないが、本発明の精神および範囲にふさわしい変形品、代替品、代用品、または同等品を限度なく取り入れて変更することができる。また、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明した実施形態の一部だけを含んでいてもよいことは理解されるだろう。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとしてみなされることはなく、添付の請求の範囲だけによって限定される。

１ タービン
１０ ケーシング
１１ 円弧形状部
１１ａ 円弧形状部
１１ｂ 円弧形状部
１１ｃ 円弧形状部
１１ｄ 円弧形状部
１２ 付着突起部
２０ 回転子
２１ 軸
２２ 動翼
３１ 外側面
３２ 前側リム
３３ 後側リム
３４ 側縁部
３５ 側縁部
３６ フランジ
３６ａ フランジ
３６ｂ フランジ
３８ 内側面
３９ ボルト用孔
７１ 外部シェル
７２ 内部シェル
７３ 支持部
７４ 円筒部
７５ 円筒部
７６ フランジ
７７ 空間
７８ 環状シール
Ｄ１ 長さ
Ｄ２ 長さ
Ｄ３ 長さ
Ｄ４ 長さ
Ｄ５ 長さ
Ｄ６ 長さ
Ｄ７ 長さ
Ｄ８ 長さ
Ｔ１ 時点
Ｔ２ 時点
Ｔ３ 時点
Ｃ 接続領域
Ｒ 環状領域
Ｘ 前後方向

Claims (18)

1. ケーシングであって、実質的に円形の断面形状の前記ケーシングを共に形成する複数の円弧形状部を有し、前側開口を画定する前側リムおよび後側開口を画定する後側リムを有し、前記複数の円弧形状部は前記前側開口および前記後側開口の間で前後方向に延びるケーシングと、
   前記複数の円弧形状部の各接合部において前記ケーシングの外側面から径方向に延び、隣接する円弧形状部を互いに付着させる付着突起部と
   を有し
   前記ケーシングは、付着突起部を有していない前記ケーシングの前記外側面に環状領域を有し、前記環状領域は内側面から前記外側面への厚さが、前記付着突起部における前記内側面から前記外側面への前記ケーシングの厚さよりも薄い環状領域を有しているタービン。
2. 前記環状領域は、前記ケーシングの前記前側リムに隣接して配置された請求項１記載のタービン。
3. 前記付着突起部は、前記前後方向において、前記ケーシングの前記外側面で、前記ケーシングの前記後側リムから前記環状領域へと延びる請求項２記載のタービン。
4. 前記付着突起部は、前記ケーシングの前記後側リムから前記環状領域へと連続的に延びる請求項３記載のタービン。
5. 前記付着突起部は、前記複数の円弧形状部の間で隣接する円弧形状部同士から径方向に延びるフランジを有する請求項１記載のタービン。
6. 前記付着突起部の前記フランジ同士は、ボルト、留め具、および溶接のうちの少なくとも１つによって接続される請求項５記載のタービン。
7. 複数の環状の動翼段を備えた回転子をさらに有し、
   前記ケーシングの前記環状領域は、前記環状の動翼段のうちの少なくとも１つの位置に相当する請求項１記載のタービン。
8. 前記ケーシングの前記環状領域は、前記少なくとも１つの環状の動翼段の動翼先端の幅より広い幅を有する請求項７記載のタービン。
9. 前記ケーシングの前記環状領域は、前記ケーシングの前記前側リムから前記少なくとも１つの環状の動翼段の後側へと少なくとも延びる請求項８記載のタービン。
10. 前記ケーシングは、
    前記複数の円弧形状部を有する内部シェルと、
    前記内部シェルを包囲して前記内部シェルの周りに気密シールを提供する外部シェルと
    を有する請求項１記載のタービン。
11. 複数の円弧形状部であって、
    各円弧形状部は、前端に前側リム、後端に後側リム、および、各側端に、前記複数の円弧形状部の中から隣接する円弧形状部のフランジと接続するフランジを有し、
    前記フランジは、各円弧形状部の外側面から外側に向かって延び、かつ、前後方向において前記外側面に沿って延び、
    各円弧形状部は、前記フランジを含まず、前記前後方向において前記フランジと同一線上にある前記外側面の一部を有し、
    前記フランジを含まない各円弧形状部の前記一部は、前記フランジにおける前記円弧形状部の内側面から前記円弧形状部の前記外側面までの前記円弧形状部の幅よりも狭い、前記円弧形状部の前記内側面から前記円弧形状部の前記外側面までの幅を有する複数の円弧形状部を有するタービンケーシング。
12. 前記フランジを含まない、前記複数の円弧形状部の各々の前記外側面の前記一部は、前記前側リムに隣接して配置された請求項１１記載のタービンケーシング。
13. 前記フランジは、前記後側リムから、前記フランジを含まない前記外側面の前記一部へと延びる請求項１２記載のタービンケーシング。
14. 前記フランジは、前記後側リムから、前記フランジを含まない前記外側面の前記一部へと連続的に延びる請求項１３記載のタービンケーシング。
15. 前記フランジを含まない、前記複数の円弧形状部の各々の前記一部は、タービン動翼の所定の幅に相当する幅を有する請求項１１記載のタービンケーシング。
16. 前記前側リムは、前記後側リムよりも小さな直径を有する請求項１１記載のタービンケーシング。
17. 前記複数の円弧形状部の各々は、前記前側リムと前記後側リムとの間で湾曲している請求項１６記載のタービンケーシング。
18. 各フランジは、ボルト、留め具、および溶接のうちの少なくとも１つによって隣接するフランジに接続される請求項１１記載のタービンケーシング。