JP2014055592A - コンプレッサフェアリングセグメント - Google Patents

Abstract

【課題】フェアリングセグメントをコンプレッサに組み込む。
【解決手段】コンプレッサフェアリングセグメントは、ボディであって、上流側面、下流側面、及びこの上流側面と下流側面の間に対向側面を備えたボディを有する。上流側面の第１の戻り止めが、コンプレッサ９２内部の第１の相補嵌合部に適合するように形成される。下流側面の第２の戻り止めが、コンプレッサ９２内部の第２の相補嵌合部に適合するように形成される。少なくとも１つの第１の戻り止めが上流側面からの第１の突起を有するか、又は少なくとも１つの第２の戻り止めが下流側面からの第２の突起を有する。
【選択図】図９

Description

本発明は、概してフェアリングセグメントに関する。特定の実施形態では、複数のフェアリングセグメントをコンプレッサに組み込むことができる。

コンプレッサは、産業及び商用運転において広く用いられている。例えば、典型的な発電に使用する商用ガスタービンは、吸気セクション、吸気セクション下流のコンプレッサセクション、コンプレッサセクション下流の燃焼セクション、燃焼セクション下流のタービンセクション、及びタービンセクション下流の排気セクションを有する。吸気セクションは、コンプレッサセクションに流入する作動流体（例えば、空気）を精製或いは調整する。コンプレッサセクションは、燃焼セクションへと流れる圧縮された作動流体を生成し、燃焼セクションでは、圧縮後の作動流体と燃焼前の燃料を混合して高温及び高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンセクションを流れて仕事を生成し、排気セクションで燃焼ガスを生成或いは調整した後、これを更に使用し、且つ／又は環境へと排出する。

図１は、先行技術によるコンプレッサ１０の斜視図であり、図２は、図１で示した例示的なコンプレッサ１０の側断面図である。図１及び図２で示すように、ケーシング１２は、概してコンプレッサ１０を囲繞して作動流体（例えば、空気）を包含する。図１では、コンプレッサ１０の内部を見せるためにケーシング１２の一部を除去している。ケーシング１２内部の、動翼１４と静翼１６から成る交互の段は、運動エネルギーを作動流体に漸次与え、高いエネルギーが付与された状態で圧縮された作動流体を生成する。各動翼１４は、ロータホイール１８の周囲に周方向に配置され、ケーシング１２に向かって半径方向外向きに延在している。一方、各静翼１６は、スケーシング１２の周囲に周方向に配置され、動翼１４の隣接段を分離するスペーサホイール２０に向かって半径方向内向きに延在している。

圧縮後の作動流体が静翼１６の周囲で漏れるか、又は静翼１６をバイパスすると、コンプレッサ１０の効率が低下する。その結果、コンプレッサによっては、内側シュラウドセグメント又はフェアリングセグメントを有することで、静翼１６とスペーサホイール２０の間を流れる圧縮後の作動流体の量を減少させるものがある。例えば、図２に最も明確に示すように、静翼１６の半径方向内向きのスペーサホイール２０は、Ｔ形状フェアリングセグメント２４を受容するように適合された周方向ダブテイルスロット２２を有する。周方向ダブテイルスロット２２は、Ｔ形状フェアリングセグメント２４を半径方向に拘束し、Ｔ形状フェアリングセグメント２４は、静翼１６の内端２８に概して適合する表面２６を有することによって、静翼１６とスペーサホイール２０の間の漏れを減少させる。Ｔ形状フェアリングセグメント２４は、静翼１６とスペーサホイール２０の間の漏れを減少させる点で効果的であるが、スペーサホイール２０の周方向ダブテイルスロット２２によって、スペーサホイール２０の高サイクル疲労限界が低減する可能性がある。

米国特許第８１０５０２４号

したがって、スペーサホイールのスロットが不要な、改良されたフェアリングセグメントが有用であろう。

本発明の態様及び利点は、下記の説明に記載されているか、又は当該説明から明らかにできるか、本発明の実施を通して知ることができる。

本発明の一実施形態は、コンプレッサフェアリングセグメントに関し、このコンプレッサフェアリングセグメントは、ボディであって、上流側面、下流側面、及びこの上流側面と下流側面の間に対向側面を備えたボディを有する。上流側面の第１の戻り止めが、コンプレッサ内部の第１の相補嵌合部に適合するように形成される。下流側面の第２の戻り止めが、コンプレッサ内部の第２の相補嵌合部に適合するように形成される。

本発明の別の実施形態は、コンプレッサフェアリングセグメントであり、このコンプレッサフェアリングセグメントは、ボディであって、上流側面、下流側面、及びこの上流側面と下流側面の間に対向側面を備えたボディを有する。このコンプレッサフェアリングセグメントは、コンプレッサ内部の少なくとも１つの第１のロータホイール又は第１の動翼に対して上流側面を保持する第１の手段と、コンプレッサ内部の少なくとも１つの第２のロータホイール又は第２の動翼に対して下流側面を保持する第２の手段とを更に有する。

また、本発明は、コンプレッサセクションを有するガスタービンを包含し、このコンプレッサセクションは、第１のロータホイールと、第１のロータホイールの周囲に周方向に配置された第１段の動翼と、第１のロータホイール下流の第２のロータホイールと、第２のロータホイールの周囲に周方向に配置された第２段の動翼とを有する。複数のフェアリングセグメントが、第１のロータホイールと第２のロータホイールとの間に延在する。各フェアリングセグメントが、少なくとも１つの第１のロータホイール又は第１段の動翼の第１の動翼において第１の相補嵌合部に適合するように形成された第１の戻り止めと、少なくとも１つの第２のロータホイール又は第２段の動翼の第２の動翼において第２の相補嵌合部に適合するように形成された第２の戻り止めとを有する。燃焼セクションがコンプレッサセクションの下流にあり、タービンセクションが燃焼セクションの下流にある。

本明細書を検討すると、当業者は、かかる実施形態の特徴及び態様の理解を深めることができよう。

本発明の最適な態様を含む、本発明の当業者にとって十分且つ実施可能な開示を、添付図面の参照も含む本明細書の残りの部分でより具体的に記載する。

ケーシングを除去した先行技術による例示的なコンプレッサの斜視図である。 図１に示す例示的なコンプレッサの側断面図である。 本発明の一実施形態に係る、ケーシングを除去した例示的なコンプレッサの斜視図である。 図３に示す例示的なコンプレッサの側断面図である。 本発明の一実施形態に係る、図３及び図４に示すフェアリングセグメントの下流側斜視図である。 図５に示すフェアリングセグメントの上流側斜視図である。 図３及び図４に示すロータホイールの上流側斜視図である。 図７に示すロータホイールの下流側斜視図である。 本発明のいずれかの実施形態を組み込んだ例示的なガスタービンの断面図である。

これより、本発明の実施形態を詳細に説明し、その１つ以上の例を添付図面において図示する。詳細な説明では、数字及び文字の符号を用いて図面中の機構を示す。図面及び説明の中の類似又は同様の符号は、本発明の類似又は同様の部分を示す。ここで使用する場合、「第１」「第２」及び「第３」という表現は、或る部品と別の部品を区別するために交換可能に使用されており、個々の部品の位置又は重要性を表すことは意図していない。加えて、「上流」及び「下流」という表現は、流体流路内の部品の相対位置を示している。例えば、流体が部品Ａから部品Ｂへと流れる場合、部品Ａは部品Ｂの上流にある。これとは逆に、部品Ｂが部品Ａから流体流を受け取る場合、部品Ｂは部品Ａの下流にある。

各例は、本発明を説明するために提示されており、本発明を限定することはない。実際に、当業者には明らかなように、本発明の範囲又は本質から逸脱することなく本発明に修正及び改変を行える。例えば、一実施形態の一部として図示又は説明された特徴を別の実施形態に使用して更に別の実施形態を創出することができる。したがって、本発明は、かかる修正及び改変を添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内にあるものとして包含することを意図している。

本発明の様々な実施形態は、コンプレッサに組み込み可能な１つ以上のフェアリングセグメントを有し、コンプレッサの効率を向上させる。コンプレッサは、当該技術分野において周知のように、概して動翼と静翼から成る交互の段を含む。各フェアリングセグメントは、概して、動翼の隣接段の間に延在し、フェアリングセグメントを適所に保持するための様々な手段を有する。特定の実施形態では、各フェアリングセグメントが、静翼の内端に適合する表面を有し、複数のフェアリングセグメントが、動翼の隣接段の間のロータホイールの周囲に周方向に配置されることによって、静翼の段をバイパスする作動流体の量を低減する。本発明の実施例を説明の目的でガスタービンに組み込まれたコンプレッサの文脈で概説するが、当業者には明らかなように、請求項に特記しない限り、本発明の実施形態はいかなるコンプレッサも含み、且つ／又はいかなるコンプレッサに組み込まれてもよい。

図３は、本発明の一実施形態に係る例示的コンプレッサ４０の斜視図であり、図４は、図３に示す例示的コンプレッサ４０の側断面図である。図３及び図４に示すように、ケーシング４２は、概してコンプレッサ４０を囲繞し、作動流体（例えば、空気）を包含する。図３では、コンプレッサ４０の内部の部品を見せるために、ケーシング４２の一部を除去している。ケーシング４２の内部の、動翼４４及び静翼４６から成る交互の段は、運動エネルギーを作動流体に漸次与え、高いエネルギーが付与された状態で圧縮された作動流体を生成する。各動翼４４は、ロータホイール４８の周囲に周方向に配置され、ケーシング４２に向かって半径方向外向きに延在している。一方、各静翼４６は、スケーシング４２の周囲に周方向に配置され、動翼４４の隣接段を分離するスペーサホイール５０に向かって半径方向内向きに延在している。ロータホイール４８、５０は、コンプレッサ４０の軸中心線に沿って集合的にロータを形成するように、連続的に連結されている。

図３及び図４に示すように、複数のフェアリングセグメント６０が、動翼４４の隣接段のロータホイール４８の間に延在している。各フェアリングセグメント６０は、動翼４４の隣接段の間の適所にフェアリングセグメント６０を保持するための様々な手段を有する。加えて、図４に最も明確に示すように、フェアリングセグメント６０は、動翼４４の隣接段を分離するロータホイール５０の周囲に周方向に配置され、各フェアリングセグメント６０は、静翼４６の内端６４に適合する表面６２を有するか又は画定する。このように、フェアリングセグメント６０は、静翼４６と動翼５０の内端６４の間で、静翼４６をバイパスする圧縮後の作動流体の量を低減できる。

図５及び図６は、本発明の一実施形態に係る、図３及び図４に示すフェアリングセグメント６０の、それぞれ下流側及び上流側の斜視図である。図５及び図６に示すように、フェアリングセグメント６０は、概してボディ６６を有し、ボディ６６は、上流側面６８、下流側面７０、及び上流側面６８と下流側面７０の間の対向側面７２から成る。上流側面６８は、概して、コンプレッサ４０の概して下流方向に漸増する直径に適合する下流側面７０よりも狭小であるが、請求項に特記しない限り、こうしたことが本発明を限定することはない。加えて、対向側面７２が、溝、レッジ、ラベット７４、或いは、隣接するフェアリングセグメント６０を円滑に相補的に嵌合させる同様の構造を更に有している。

図７は、フェアリングセグメント６０の直ぐ上流のロータホイール４８の上流側斜視図であり、図８は、フェアリングセグメント６０の直ぐ下流のロータホイール４８の下流側斜視図である。図５〜図８に示すように、フェアリングセグメント６０は、（図７に示す）隣接する動翼４４及び／ロータホイール４８に対して上流側面６８を保持する第１の手段と、（図８に示す）隣接する動翼４４及び／ロータホイール４８に対して下流側面７０を保持する第２の手段を更に有する。第１及び第２の手段の機能は、フェアリングセグメント６０の上流側面６８及び／又は下流側面７０が、動作時に、隣接する動翼４４及び／又はロータホイール４８それぞれに対して、意図せず周方向及び／又は半径方向に移動することを防止し、これによって、フェアリングセグメント６０を適所に保持又は把持することである。第１及び第２の手段に関連する構造は、或る部品を別の部品に対して保持又は把持するための、当該分野で周知のいずれの装置、取付具、又は機構を有してもよい。例えば、第１及び第２の手段に関連する構造は、いかなる接着剤、ボルト、螺子、掛け金、留め金、戻り止め、及び／又は相補嵌合部を、動翼４４、ロータホイール４８、上流側面６８、及び／又は下流側面７０のうち１つ以上において有してもよい。図５及び図７に示す特定の実施形態では、例えば、第１及び第２の手段に関連する構造は、（図５に示す）上流側面６８上に１つ以上の戻り止め又は突起８０を有し、戻り止め又は突起８０は、（図７に示す）隣接する動翼４４及び／又はロータホイール４８の相補嵌合部又は凹部８２に適合するように形成されている。同様に、図６及び図８に示す特定の実施形態を参照すると、第２の手段に関連する構造は、（図６に示す）下流側面７０上の１つ以上の戻り止め又は突起８４を有し、戻り止め又は突起８４は、（図８に示す）隣接する動翼４４及び／又はロータホイール４８の相補嵌合部又は突起８６に適合するように形成されている。ここでの教示から、当業者には明らかなように、戻り止め、嵌合部、突起、及び凹部を複数組み合わせて第１及び／又は第２の手段に適当な構造としてもよく、本発明は、請求項に特記しない限り、いかなる個々の組み合わせにも限定されない。

図９は、本発明の様々な実施形態に組み込み可能な、例示的ガスタービン９０の略断面図である。図示のように、ガスタービン９０は、前方部分にコンプレッサセクション９２、中間部分の周囲に半径方向に設置された燃焼セクション９４、及び公報部分にタービンセクション９６を概して有する。コンプレッサセクション９２及びタービンセクション９６は、発電用のジェネレータ１００に連結された共通のロータ９８をシェアしている。

コンプレッサセクション９２は、周囲空気等の作動流体１０２がコンプレッサに流入し、静翼１０４及び動翼１０６から成る交互の段を通過する、軸流コンプレッサから成る。コンプレッサケーシング１０８は、静翼１０４及び動翼１０６が作動流体１０２を加速させてその方向を変更させて圧縮後の作動流体１０２の定常流を生成する際、作動流体１０２を包含する。圧縮後の作動流体１０２の大部分は、コンプレッサ排気プレナム１１０を通過して燃焼セクション９４に至る。

燃焼セクション９４は、当該分野で周知のあらゆるタイプの燃焼器を含み得る。例えば、図９に示すように、燃焼器ケーシング１１２は、燃焼セクション９４の一部又は全部を周方向に囲繞し、コンプレッサセクション９２から流れてくる圧縮後の作動流体１０２を包含する。１つ以上の燃料ノズル１１４が、エンドカバー１１６に半径方向に設置され、燃料ノズル１１４の下流の燃焼室１１８に燃料を供給する。想定される燃料は、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、気化した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、及びプロパンのうち１つ以上である。圧縮後の作動流体１０２は、燃焼器排気流路１１０から燃焼室１１８の外側に沿って流れた後、エンドカバー１１６に到達して方向転換し、燃料ノズル１１４を通って燃料と混合される。燃料及び圧縮後の作動流体１０２の混合物は燃焼室１１８に流入し、ここで着火し、高温及び高圧の燃焼ガスが生成される。トランジションダクト１２０が、燃焼室１１８の少なくとも一部を周方向に囲繞し、燃焼ガスが、このトランジションダクト１２０からタービンセクション９６へと流れる。

タービンセクション９６は、回転バケット１２２及び固定ノズル１２４から成る交互の段を有する。トランジションダクト１２０は、燃焼ガスの方向を回転バケット１２２の第１段に向けてこれに集中させる。燃焼ガスが回転バケット１２２の第１段を通過すると、燃焼ガスが膨張し、回転バケット１２２及びロータ９８を回転させる。燃焼ガスは、その後、燃焼ガスの方向を回転バケット１２２の次の段に変更する固定ノズル１２４の次の段へと流れ、その後、これに続く段でもこのプロセスが繰り返される。

当業者にはここでの教示から明らかなように、図３〜図８に示す実施形態は、既存のＴ形状フェアリングを上回る１つ以上の利点を提供する。例えば、第１及び第２の手段は、フェアリングセグメント６０の上流側面６８及び／又は下流側面７０が、動作時、隣接する動翼４４及び／又はロータホイール４８に対して、意図せず周方向及び／又は半径方向に移動することを防止する。その結果、ここで説明する実施形態では、従来はＴ形状フェアリング２４を軸方向に保持するためにスペーサホイール２０に備わっていた周方向ダブテイルスロット２２が不要になる。加えて、フェアリングセグメント６０をロータホイール５０の周方向に配置することで、隣接するフェアリング６０間に、隣接する側面７２のラベット７４で合じゃくりシールを形成し、コンプレッサ４０の効率を更に向上させることができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びにあらゆる付随の方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許請求の範囲は、請求項によって定義されるが、当業者に想到可能なその他の例もこれに含まれる。かかるその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

１０ コンプレッサ
１２ ケーシング
１４ 動翼
１６ 静翼
１８ ロータホイール
２０ スペーサホイール
２２ 周方向ダブテイルスロット
２４ Ｔ形状フェアリングセグメント
２６ 表面
２８ 内端
４０ コンプレッサ
４２ ケーシング
４４ 動翼
４６ 静翼
４８ ロータホイール
５０ ロータホイール（スペーサ）
６０ フェアリングセグメント
６２ 表面
６４ 内端
６６ ボディ
６８ 上流側面
７０ 下流側面
７２ 側面
７４ ラベット
８０ 上流側面の戻り止め又は突起
８２ 翼又はホイールの嵌合凹部
８４ 下流側面の戻り止め又は突起
８６ 翼又はホイールの嵌合部又は突起
９０ ガスタービン
９２ コンプレッサセクション
９４ 燃焼セクション
９６ タービンセクション
９８ ロータ
１００ ジェネレータ
１０２ 作動流体
１０４ 静翼（コンプレッサ）
１０６ 動翼
１０８ コンプレッサケーシング
１１０ コンプレッサ排気プレナム
１１２ 燃焼器ケーシング
１１４ 燃料ノズル
１１６ エンドカバー
１１８ 燃焼室
１２０ トランジションダクト
１２２ バケット
１２４ 静翼

Claims (20)

1. （ａ）上流側面、下流側面、及び前記上流側面と前記下流側面の間の対向側面を有するボディと、
   （ｂ）コンプレッサ内部の第１の相補嵌合部に適合するように形成された、前記上流側面にある第１の戻り止めと、
   （ｃ）前記コンプレッサ内部の第２の相補嵌合部に適合するように形成された、前記下流側面にある第２の戻り止めと、
   を有する、コンプレッサフェアリングセグメント。
2. 少なくとも１つの前記第１の戻り止めが前記上流側面からの第１の突起を有するか、又は少なくとも１つの前記第２の戻り止めが前記下流側面からの第２の突起を有する、請求項１に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
3. 少なくとも１つの前記第１の戻り止めが前記コンプレッサ内部の前記第１の相補嵌合部を覆うか、又は少なくとも１つの前記第２の戻り止めが前記コンプレッサ内部の前記第２の相補嵌合部を覆う、請求項１に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
4. 前記ボディが、静翼の内端に適合する表面を画定する、請求項１に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
5. 前記上流側面が前記下流側面よりも狭小である、請求項１に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
6. 前記対向側面の各々にラベットを更に有する、請求項１に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
7. （ａ）上流側面、下流側面、及び前記上流側面と前記下流側面の間の対向側面を有するボディと、
   （ｂ）コンプレッサ内部の少なくとも１つの第１のロータホイール又は第１の動翼に対して前記上流側面を保持する第１の手段と、
   （ｃ）コンプレッサ内部の少なくとも１つの第２のロータホイール又は第２の動翼に対して前記下流側面を保持する第２の手段と、
   を有する、コンプレッサフェアリングセグメント。
8. 少なくとも１つの前記第１の手段が前記上流側面からの第１の突起を有するか、又は少なくとも１つの前記第２の手段が前記下流側面からの第２の突起を有する、請求項７に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
9. 少なくとも１つの前記第１の手段が前記上流側面に第１の凹部を有するか、又は少なくとも１つの前記第２の手段が前記下流側面に第２の凹部を有する、請求項７に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
10. 前記ボディが、前記コンプレッサ内部の静翼の内端に適合する表面を画定する、請求項７に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
11. 前記上流側面が前記下流側面よりも狭小である、請求項７に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
12. 前記対向側面の各々にラベットを更に有する、請求項７に記載のコンプレッサフェアリングセグメント。
13. （ａ）第１のロータホイールと、前記第１のロータホイールの周囲に周方向に配置された第１段の動翼と、前記第１のロータホイール下流の第２のロータホイールと、前記第２のロータホイールの周囲に周方向に配置された第２段の動翼と、前記第１のロータホイールと前記第２のロータホイールとの間に延在する複数のフェアリングセグメントとを有する、コンプレッサセクションであって、各フェアリングセグメントが、少なくとも１つの前記第１のロータホイール又は前記第１段の動翼の第１の動翼において第１の相補嵌合部に適合するように形成された第１の戻り止めと、少なくとも１つの前記第２のロータホイール又は前記第２段の動翼の第２の動翼において第２の相補嵌合部に適合するように形成された第２の戻り止めとを有する、コンプレッサセクションと、
    （ｂ）前記コンプレッサセクションの下流の燃焼セクションと、
    （ｃ）前記燃焼セクションの下流のタービンセクションと、
    を有する、ガスタービン。
14. 少なくとも１つの前記第１又は第２の戻り止めが、前記フェアリングセグメント上に突起を有する、請求項１３に記載のガスタービン。
15. 前記第１の相補嵌合部が、少なくとも１つの前記第１のロータホイール又は前記第１の動翼において突起を有する、請求項１３に記載のガスタービン。
16. 少なくとも１つの前記第１の戻り止めが前記第１の相補嵌合部を覆うか、又は少なくとも１つの前記第２の戻り止めが前記第２の相補嵌合部を覆う、請求項１３に記載のガスタービン。
17. 各フェアリングセグメントが、静翼の内端に適合する表面を画定する、請求項１３に記載のガスタービン。
18. 各フェアリングセグメントが、対向側面上にラベットを有する、請求項１３に記載のガスタービン。
19. 前記第１及び第２のロータホイールの間に第３のロータホイールを更に有する、請求項１３に記載のガスタービン。
20. 前記複数のフェアリングセグメントが、前記第３のロータホイールの周囲に周方向に配置されている、請求項１９に記載のガスタービン。