JP2013234664A - 内側タービンシェルの軸方向の移動 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時のクリアランス（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を縮小させるのを可能にすることを目的としてタービン内側ケーシングを軸方向に移動させるのに液圧または空気圧シールシステムを提供する。
【解決手段】ステータ組立体およびロータ組立体２４を有するタービン１０のためのクリアランス制御システムが、ステータ組立体ケーシングに接続される１つまたは複数のアクチュエータをシャフトを介して軸方向に移動させる液圧または空気圧制御装置を含む。この制御装置は、タービンの多様な運転状態に応じてステータの複数の部分とロータの複数の部分との間のクリアランスを調整するためにステータ組立体とロータ組立体との間で相対運動を引き起こす。より詳細には、この制御装置は、タービンの運転状態中の熱膨張および熱収縮を埋め合わせるためにロータに対して相対的にステータを第１の軸方向および第２の軸方向に移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸気タービンまたはガスタービンに関し、特に、運転状態中にステータとロータとの間により良好なクリアランスを得ることを目的として内側タービンシェルを軸方向に移動させるための液圧または空気圧アクチュエータシステムを有するガスタービンに関する。

蒸気タービンおよびガスタービンは、数ある目的のなかでも特に、発電機に動力供給するのに使用される。ガスタービンはまた、数ある目的のなかでも特に、航空機または船を推進させるのに使用される。蒸気タービンはガス経路を有し、このガス経路は、通常、シリアルフローの関係にある、蒸気入口と、タービンと、蒸気出口とを含む。ガスタービンはガス経路を有し、このガス経路は、通常、シリアルフローの関係にある、空気取入口または空気入口と、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、ガス出口または排気ディフューザとを含む。圧縮機区間およびタービン区間は、回転バケットの少なくとも１つの円周方向列を含む。回転バケットの自由端または自由先端部はステータケーシングに囲まれる。回転バケットの基部またはシャンク部分は、動翼のそれぞれ上流および下流に配置される静翼の内側シュラウドにより、上流側端部および下流側端部において側面に配置される。

タービンの効率は、ロータバケットシャンク部分のエンゼルウィング（ａｎｇｅｌ ｗｉｎｇ）先端部（複数可）（シールプレートフィン）と、隣接する固定組立体のシーリング構造との間の軸方向クリアランスまたは軸方向隙間、さらには、回転バケットの先端部と、対向する固定組立体との間の隙間の径方向の大きさ、に部分的に依存する。クリアランスが大き過ぎる場合、貴重な冷却空気が、バケットシャンクと静翼の内側シュラウドとの間の隙間、および、回転バケットの先端部と固定組立体との間の隙間を通って過剰に漏洩し、それによりタービンの効率が低下する。クリアランスが小さ過ぎる場合、特定のタービン運転状態中に、回転翼が隣接または対向するステータ部分のシーリング構造に衝突する。

この点に関して、加速期間または減速期間中に、バケットにかかる遠心力が変化すること、ターンロータが振動すること、および／または、回転ロータと固定組立体との間での相対的な熱膨張が起こることにより、クリアランスが変化することが知られている。ディファレンシャル遠心力が発生し、ロータが振動し、さらに、熱膨張が起こる期間では、クリアランスが変化することにより、例えば固定シール構造に対してまたは固定組立体に対してバケット先端部が移動することによる激しい摩擦が起こり得る。先端部からシールまでのクリアランスギャップが増加すると、金属間の摩擦による損傷が軽減されるが、このようにクリアランスが増大することにより効率が低下する。

より詳細には、タービン運転状態中に、運転温度が華氏２，０００度（摂氏１０９３度）を超える高温になることにより、タービンの構成要素が多様な速度で熱的に膨張（または、収縮）する可能性がある。ステータおよびロータは、互いに接触して損傷することを防止するために、すべての運転状態を通して互いから離れるように維持されなければならない。しかし、すべての運転状態を通してステータとロータとが１つの固定された位置関係で維持される場合、少なくとも一部の運転状態において、すなわち、起動時において、ステータ組立体とロータ組立体との間で圧縮流体が漏洩し、それにより運転が非効率になる。

当技術分野では、空気が抽出されることによりパージされるプレナム内の圧力差を利用して圧縮機ケーシングを移動させるのを促進することが知られている。また、当技術分野では、圧縮機ケーシングを移動させるのを促進するために熱膨張可能連結部を使用すること、および、圧縮機ケーシングを移動させるのを促進するために空気駆動式または蒸気駆動式ピストンを使用することが知られている。

米国特許出願公開第２０１１／０２２９３０１号明細書

ここでは、運転時のクリアランス（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を縮小させるのを可能にすることを目的としてタービン内側ケーシングを軸方向に移動させるのに液圧または空気圧システムが使用されることが提供される。この提供されるシステムにより、ステータとロータとの間により良好なクリアランスが得られる。この提供されるシステムはまた、エンゼルウィング構成上のデュアルオーバーラップ（ｄｕａｌ ｏｖｅｒｌａｐ）、および、テーパ型ロータなどの、性能向上デバイス（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｒ）を使用することを可能にする。

例示の一実装形態では、この提供されるシステムは、有利には、内側タービンケーシング上の水平ジョイントのところに配置される２つのアクチュエータに接続されるシャフトを直接に駆動させるための液圧または空気圧制御装置を使用する。より詳細には、この第１の例示の実装形態では、２つのアクチュエータが、制御装置およびシャフトにより第１の方向に連結状態で駆動され、さらには第１の方向と反対の第２の方向に連結状態で駆動される。

別の例示の一実装形態では、この提供されるシステムは、内側タービンケーシング上の水平ジョイントのところに配置される２つのアクチュエータのうちの一方を選択的に駆動させることを目的としてシャフトを駆動させるために液圧または空気圧制御装置を使用する。より詳細には、この第２の例示の実装形態では、制御装置が、アクチュエータのうちの一方を第１の方向に駆動させるか、または、代わりに、第１の方向と反対の第２の方向にアクチュエータのうちのもう一方を駆動させる。

開示される本主題の例示の実装形態によりクリアランス制御が達成され得るようなタービン内の領域を特定する、タービンを示す断面図である。 開示される本主題の例示の実装形態による調整可能なクリアランス制御システムを示す概略図である。 図２で使用される構成要素をより詳細に示す概略図である。 ２つのアクチュエータを使用する、提供されるシステムの例示の一実装形態を示す概略図である。 １つのアクチュエータを使用する、提供されるシステムの例示の一実装形態を示す概略図である。 回転バケットのエンゼルウィング上のデュアルオーバーラップと固定ステータのデュアルオーバーラップとの間の調整可能なクリアランスを示す図である。 回転バケットのエンゼルウィング上のデュアルオーバーラップと固定ステータのデュアルオーバーラップとの間の調整可能なクリアランスを示す図である。

図１は、本明細書で説明する提供されるシステムの例示の実装形態によりクリアランス制御を改善することが達成され得ることを示す、タービン１０の断面図である。１６のところにも示されるが、位置１２のところにある回転バケット１４の先端部のためのテーパデザインが、クリアランス制御を改善することを促進することができる。位置１８での、ロータ組立体２４の一部を形成する回転バケット１４のシャンクと固定ステータ組立体２０との間でのエンゼルウィングのクリアランス制御が、提供されるシステムの例示の実装形態を使用することにより変化され得る。同様に位置２２では、提供されるシステムの例示の実装形態を使用して、ロータ組立体２４上の歯と固定ステータ組立体２０上の歯との間の軸方向の隙間を縮小させることにより、可変のクリアランス制御が可能となる。より詳細には、位置１２、１８および２２のところでのクリアランス制御は、ロータ組立体２４に対して内側タービンケーシングおよび固定ステータ組立体２０を軸方向に相対的に移動させることにより、熱的運転状態（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）に応じて変化され得る。

図２は、タービン外側ケーシング３２に対して相対的にタービン内側ケーシング３０を移動させるための液圧制御装置２６または空気圧制御装置２８を含む、タービン内で可変のクリアランス制御を行うためのシステムを概略的な形態で示す。図１に示されるステータ組立体２０はタービン内側ケーシング３０に固定的に接続されることから、タービン内側ケーシング３０が移動することにより、固定ステータ組立体２０も移動することになる。したがって、タービン内側ケーシング３０および固定ステータ組立体２０が移動することは、ロータ組立体２４に対しても相対的である。

図３は、ロータ組立体２４（図１に示される）およびタービン外側ケーシング３２に対して相対的にタービン内側ケーシング３０を軸方向に移動させるための液圧制御装置２６または空気圧制御装置２８の配置構成を概略的に示す。制御装置２６、２８は、相対的な移動に影響を与えるために、アクチュエータ３６、３８に接続されるシャフト３４を駆動させる。

図４は、方向矢印Ａによって示される第１および第２の方向においてタービン外側ケーシング３２およびロータ組立体２４（図１に示される）に対して相対的に固定ステータ組立体２０およびタービン内側ケーシング３０を移動させるためにアクチュエータシャフト４６を介して液圧制御装置４４によって駆動される、タービン外側ケーシング３２に固定的に接続されるアクチュエータ４０および４２を含む、提供されるシステムの別の例示の実装形態を示す。図４は液圧制御装置４４を用いて示されるが、当業者であれば、この制御装置が空気圧式であってもよいことを容易に認識するであろう。

図５は、アクチュエータ５６および５８を含む、提供されるシステムの別の例示の実装形態を示し、これらのアクチュエータ５６および５８は、アクチュエータシャフト５０ならびに当接表面５２および５４を介して液圧制御装置４４によって選択的に駆動され、それにより、方向矢印Ａによって示されるように、シャフト５０の当接表面５２がアクチュエータ５６に接触するときに、タービン内側ケーシング３０および固定ステータ組立体２０（図１に示される）が、タービン外側ケーシングおよびロータ組立体２４に対して相対的に第１の方向に移動し、また、シャフト５０の当接表面５４がアクチュエータ５８に接触するときに、タービン内側ケーシング３０および固定ステータ組立体２０（図１に示される）が、タービン外側ケーシングおよびロータ組立体２４に対して相対的に、反対の第２の方向に移動する。図５は液圧制御装置４４を用いて示されるが、当業者であれば、この制御装置が空気圧式であってもよいことを容易に認識するであろう。

図６Ａおよび６Ｂは別の例示の実施形態を示し、ここでは、前の例示の実施形態で説明したようなアクチュエータが、回転バケットのエンゼルウィング構成上のデュアルオーバーラップと固定ステータ組立体のデュアルオーバーラップとの間の重要なクリアランスを調整および維持するのに使用され得る。より詳細には、図６Ａは、エンゼルウィング位置６０のところにデュアルオーバーラップを備える、後部位置／移動位置（ａｆｔ／ｒｕｎｎｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）にあるケーシングを示しており、ここでは、位置６２のところで必要となる軸方向の隙間のクリアランスが維持され、一方で位置６４のところでオーバーラップが維持される。図６Ｂは、ケーシングが前方に移動しており、それにより位置６０のところのデュアルオーバーラップが減少し、位置６２のところの軸方向の隙間が増大し、位置６４のところのデュアルオーバーラップが増大することを示す。

現在最も実用的および好適とみなされる実施形態に関連させて本発明を説明してきたが、本発明が、開示される実施形態のみに限定されず、むしろ、添付の特許請求の精神および範囲内に含まれる種々の修正形態および等価の配置構成を包含することを意図されることを理解されたい。

１０ タービン
１４ 回転バケット
２０ 固定ステータ組立体
２４ ロータ組立体
２６ 液圧制御装置
２８ 空気圧制御装置
３０ タービン内側ケーシング
３２ タービン外側ケーシング
３４ シャフト
３６、３８、４０、４２ アクチュエータ
４４ 液圧制御装置
４６ アクチュエータシャフト
５０ アクチュエータシャフト
５２、５４ 当接表面
５６、５８ アクチュエータ

Claims (20)

1. ステータ組立体およびロータ組立体を有するタービンのためのクリアランス制御システムであって、前記システムが、
   前記ロータ組立体および前記タービンの外側ケーシングに対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向に移動させるための制御装置と、
   前記タービンの前記外側ケーシングに固定的に接続される一対のアクチュエータと、
   前記一対のアクチュエータさらには前記ステータ組立体に接続されるアクチュエータシャフトと
   を備え、
   前記制御装置が、前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整するために、前記ロータ組立体および前記タービンの前記外側ケーシングに対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向に移動させる、
   クリアランス制御システム。
2. 前記制御装置が液圧式に制御される、請求項１記載のクリアランス制御システム。
3. 前記制御装置が空気圧式に制御される、請求項１記載のクリアランス制御システム。
4. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記ロータ組立体を備える回転バケットの先端部上にテーパ表面を設けることを含む、請求項１記載のクリアランス制御システム。
5. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記回転バケットのシャンクと前記ステータ組立体との間のエンゼルウィングのクリアランスを調整することを含む、請求項１記載のクリアランス制御システム。
6. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記ロータ組立体上の歯と前記ステータ組立体上の歯との間の軸方向の隙間を縮小させることを含む、請求項１記載のクリアランス制御システム。
7. ステータ組立体およびロータ組立体を有するタービンのためのクリアランス制御システムであって、前記システムが、
   前記ロータ組立体および前記タービンの外側ケーシングに対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向に移動させるための制御装置と、
   前記タービンの前記外側ケーシングに固定的に接続される一対のアクチュエータと、
   前記ステータ組立体を軸方向において第１の方向に移動させるために前記一対のアクチュエータのうちの１つに係合されかつ前記ステータ組立体を軸方向において第２の方向に移動させるために前記一対のアクチュエータのうちのもう１つに係合されるアクチュエータシャフトと
   を備え、
   前記制御装置が、前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整するために、前記ロータ組立体および前記タービンの前記外側ケーシングに対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向において前記第１の方向および前記第２の方向に移動させる、
   クリアランス制御システム。
8. 前記制御装置が液圧式に制御される、請求項７記載のクリアランス制御システム。
9. 前記制御装置が空気圧式に制御される、請求項７記載のクリアランス制御システム。
10. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記ロータ組立体を備える回転バケットの先端部上にテーパ表面を設けることを含む、請求項７記載のクリアランス制御システム。
11. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記回転バケットのシャンクと前記ステータ組立体との間のエンゼルウィングのクリアランスを調整することを含む、請求項７記載のクリアランス制御システム。
12. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記ロータ組立体上の歯と前記ステータ組立体上の歯との間の軸方向の隙間を縮小させることを含む、請求項７記載のクリアランス制御システム。
13. タービンであって、
    ロータ組立体と、
    ステータ組立体と、
    クリアランス制御システムであって、前記クリアランス制御システムが、
    前記ロータ組立体および前記タービンの外側ケーシングに対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向に移動させるための制御装置、ならびに
    前記ステータ組立体に接続されるアクチュエータシャフトを有する、前記タービンの前記外側ケーシングに固定的に接続される少なくとも１つのアクチュエータ
    を備える、クリアランス制御システムと
    を備え、
    前記制御装置が、前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整するために、前記ロータ組立体および前記タービンの前記外側ケーシングに対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向に移動させる、
    タービン。
14. 前記制御装置が液圧式に制御される、請求項１３記載のタービン。
15. 前記制御装置が空気圧式に制御される、請求項１３記載のタービン。
16. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記ロータ組立体を備える回転バケットの先端部上にテーパ表面を設けることを含む、請求項１３記載のタービン。
17. 前記ロータ組立体の特定の部分と前記ステータ組立体の特定の部分との間のクリアランスを調整することが、前記回転バケットのシャンクと前記ステータ組立体との間のエンゼルウィングのクリアランスを調整することを含む、請求項１３記載のタービン。
18. 前記少なくとも１つのアクチュエータが一対のアクチュエータを含む、請求項１３記載のタービン。
19. 前記一対のアクチュエータに接続され、さらには前記ロータ組立体に対して相対的に前記ステータ組立体を軸方向に移動させるために前記ステータ組立体に接続されるアクチュエータシャフトをさらに備える、請求項１８記載のタービン。
20. 前記ステータ組立体を軸方向において第１の方向に移動させるために前記一対のアクチュエータのうちの１つに係合されかつ前記ステータ組立体を軸方向において第２の方向に移動させるために前記一対のアクチュエータのうちのもう１つに係合されるアクチュエータシャフトをさらに備える、請求項１８記載のタービン。