JP2015200319A - 軸流ターボ機械の圧縮機又はタービン区分用のベーンキャリア - Google Patents

Abstract

【課題】製造が簡単で、安価であって、例えば、同じピンチポイントクリアランスを維持しながら圧縮機運転クリアランスを減じる、例えば同じ摩耗リスクを維持しながらパフォーマンスを向上させるような圧縮機ベーンキャリアを提供する。【解決手段】軸流ターボ機械の圧縮機又はタービン区分用のベーンキャリア（１０）であって、第１の機能手段（１１，２１）と第２の機能手段（１２，２２）とを有しており、第１の機能手段は、熱膨張係数が１．３?１０−５［１／Ｋ］よりも低い材料から成る円筒体であって、該円筒体はその内面に複数のベーンを支持するように設けられており、第２の機能手段は、前記第１の機能手段の材料とは異なるより安価な材料から成る支持構造であって、該支持構造は、前記軸流ターボ機械の外側ハウジング（１８，２４）内に前記第１の機能手段の軸方向位置及び横方向位置を規定するように設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ機械の技術に関する。この技術は、請求項１の上位概念に記載の形式の軸流ターボ機械の圧縮機又はタービン区分用のベーンキャリアに関連する。

ガスタービンは通常、圧縮機区分と、燃焼器と、少なくとも１つのタービンとを有する。圧縮機区分内では、回転翼列と固定翼列とが交互に燃焼空気と相互作用して燃焼空気が周方向のガス通路で圧縮されて、燃料を燃焼させるために燃焼器内で使用される。回転翼は中央のロータに取り付けられていて、固定翼は不動であり、適当な圧縮機ベーンキャリア（ＣＶＣｓ）に取り付けられている。圧縮機ベーンキャリアは、ガス通路を同心的に取り囲み、ガス通路を画定している。

低熱膨張性の材料、例えばニッケルを主成分とする合金から完全に形成されているＣＶＣｓを使用することは先行技術でよく知られている。例えば５０ＭＷの出力の、産業的な（据え置き型の）ガスタービン（ＧＴ）に適用する場合、この設計は有利である。何故ならば、この設計により、高度なクリアランス（隙間）低減が得られ、従って、機械全体の効率が向上されるからである。しかしながら、低熱膨張性の材料から完全に成るＣＶＣを形成することは大型のガスタービンにとっては極めてコストがかかる。

従って既に、ハイブリッド設計のＣＶＣを使用することが提案されている。ハイブリッド設計のＣＶＣでは、円筒部分が、標準的な低合金鋼製のいくつかの区分から成っていて、クリアランスを画定する支持構造は、低熱膨張性の材料から成っている（米国特許公開第２０１２００４５３１２号明細書参照）。このような手段には欠点がある。何故ならば、区分けされた円筒部分は、顕著な熱歪みを受けると考えられるからである。これは、これらの区分が比較的長く、互いに支持し合わないからである。また、区分間の縦長のギャップも、圧縮機翼列の励振源となり得る。

ＷＯ２０１００２３１５０Ａ１号明細書は、据え置き型軸流ガスタービン用の固定翼支持体に関し、この固定翼支持体は、ガスタービンの流路において固定翼支持体内で流体を流すために、流入側端部と、流入側端部とは反対側の流出側端部とを備えた管状壁を有しており、この壁内にクーラント用の少なくとも１つの冷却通路が設けられている。特に高い運転温度に適しているにも関わらず、比較的安価に製造できるような固定翼支持体を提供するために、タービン翼支持体を半径方向で見て多層に設計することが提案されている。固定翼支持体の異なる複数の層は、熱間等方圧加圧法を使用して互いに結合されることができ、固定翼支持体の内側層は、耐高温性の材料から製造することができ、固定翼支持体の外側層は、耐熱性の低い材料から製造することができる。固定翼支持体を多層形式に設計することにより、固定翼支持体の壁内側における冷却通路の製造も極めて簡単になる。高価な耐高温性の材料の使用は減じられるが、多層エレメントの製造は依然として高価であり、時間がかかる。

米国特許公開第２０１２００４５３１２号明細書参照 ＷＯ２０１００２３１５０Ａ１号明細書

本発明の課題は、製造が簡単で、安価であって、例えば、同じピンチポイントクリアランスを維持しながら圧縮機運転クリアランスを減じる、例えば同じ摩耗リスクを維持しながらパフォーマンスを向上させるような圧縮機ベーンキャリア（ＣＶＣ）を提供することである。

この課題は、請求項１記載のベーンキャリアにより解決される。

本発明によるベーンキャリアは、軸流ターボ機械、特に、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、膨張器のうちの１つの圧縮機、又はタービン区分用に設けられている。前記ベーンキャリアは、少なくとも第１の機能手段と第２の機能手段とを有しており、前記第１の機能手段は、熱膨張係数（ＣＴＥ）が１．３×１０^−５［１／Ｋ］よりも低い材料から成る円筒体であって、該円筒体はその内面に複数のベーンを支持するように設けられており、前記第２の機能手段は、前記第１の機能手段の材料とは異なるより安価な材料から成る支持構造であって、該支持構造は、前記軸流ターボ機械の外側ハウジング内に前記第１の機能手段の軸方向位置及び横方向位置を規定するように設けられている。

本発明の実施態様によれば、前記円筒体は、分割平面で分割されており、互いに結合される２つ以上の円筒部分から成っている。

特に、前記分割平面は、水平平面又は垂直平面又はほぼ軸方向の平面である。

特に、前記円筒部分は、ボルト又はピンで互いに結合されている。

本発明の別の実施態様によれば、前記支持構造は複数の支持区分を有しており、該支持区分は、前記第１の機能手段に半径方向で固定されている。

特に、隣接する支持区分の各対の間にギャップがあり、該ギャップを閉鎖するようにシール部材が設けられている。

本発明のさらに別の実施態様によれば、前記支持構造はリング状であって、半径方向で自由に膨張し、前記外側ハウジング内で前記第１の機能手段を軸方向で支持することができるように前記第１の機能手段と前記外側ハウジングとの間に配置されている。

本発明のさらに別の実施態様によれば、前記第１の機能手段の内面はコーティング層によって被覆されている。

特に、前記コーティング層は、アブレイダブルコーティング又は耐酸化被覆を有している。

本発明のさらに別の実施態様によれば、前記第１の機能手段の材料は、インコロイ^（Ｒ）９０７／９０９又はインバー^（Ｒ）である。

本発明のさらに別の実施態様によれば、前記第２の機能手段の材料は、標準的な低合金鋼である。

本発明の第１の実施態様による圧縮機ベーンキャリアを示す斜視図である。 図１の圧縮機ベーンキャリアの一部を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施態様による圧縮機ベーンキャリアを示す斜視図である。 図３の圧縮機ベーンキャリアの一部を示す縦断面図である。

図示した異なる実施態様につき、以下に本発明をさらに詳しく説明する。

低熱膨張性（ｌｏｗ ＣＴＥ）材料は、圧縮機のクリアランス（隙間）の低減に顕著な効果をもたらす。不都合なことにこのような材料は極めて高価なニッケル合金鋼だけである。本発明によるベーンキャリアのハイブリッド設計により、低熱膨張性材料をキャリアの主要な円筒部分に適用することができ、危険の少ない支持構造及びシール構造は標準的な安価な鋼から成っている。

ベーンキャリアの円筒部分に低熱膨張性材料を使用し、支持部分に標準的な低合金鋼を使用するという同じ原理によって２つの設計が提案されている。

図１及び図２に示された設計（第１の設計）及び図３及び図４に示された設計（第２の設計）の両方において、各ベーンキャリア１０，２０の円筒部分１１，２１はそれぞれ、圧縮機の運転クリアランスを低減させるために低熱膨張性材料から成っている。この円筒部分１１，２１の目的はそれぞれ、機械軸線２８に対して（環状の）圧縮機通路の形状を画定すること、圧縮機ブレード（図示せず）の上方のクリアランスを画定すること、圧縮機ベーン１９，２７を支持することである。円筒部分１１，２１は、それぞれボルト含む、垂直分割平面フランジ１７，２６も有している。ベーンキャリア１０，２０はそれぞれ、支持構造１２，２２を介して外側ハウジング１８（図２），２４（図４）内に配置されている。

熱膨張係数（ＣＴＥ）が低い可能な材料は、インコロイ^（Ｒ）９０７／９０９及びインバー^（Ｒ）又はＣＴＥ＜１．３×１０^−５［１／Ｋ］であるその他のあらゆる材料である。両設計において、支持構造１２と支持リング２２とはそれぞれ、標準的な低合金鋼から成っている。

支持構造１２及び支持リング２２の目的はそれぞれ、外側ハウジング１８，２４内でのそれぞれベーンキャリア１０，２０及びその円筒部分１１，２１の軸方向位置及び横方向位置の規定である。同時に支持構造１２及び支持リング２２は、軸方向で分離された２つの圧縮機抽気キャビティ間のシールを提供する。

第１の設計（図１及び図２）では、支持区分又は支持構造１２（軸方向フランジ）は、複数の区分１２ａとして形成されており、これらの区分１２ａは隣接する区分１２ａ間のギャップ１３を閉鎖するためのシール部材１４を備えている。区分化された支持構造１２の設計により、低熱膨張性材料から成る円筒部分１１の自由な熱膨張が可能である。支持区分１２ａはそれぞれフック１２ｂとボルト１５とによって円筒部分１１の外面に取り付けられている。円筒部分１１の内面にはベーン１９を収容するために複数の周方向ベーン溝１６が設けられている。支持区分１２ａの外側端部は、外側ハウジング１８の内面に設けられた支持溝１８ａに係合している。このような２つの円筒部分が分割平面において、分割平面フランジ１７によって互いに結合されている。

第２の設計（図３及び図４）では、軸方向フランジ又は支持リング２２は、キャリア２０の円筒部分２１に固定されていない。その代わりに、支持リング２２は独立したリングとして設計されており（機関分割平面で分割されていて）、半径方向で自由に膨張することができ（図４参照）、低熱膨張性材料から成るキャリア２０の円筒部分２１を軸方向で支持するのに十分な厚さを有している。支持リング２２は、ベーンキャリア２０に軸方向の支持を与えるのと同時に、自由に半径方向に膨張できる程度に２つの支持溝２３及び２４ａで保持されている。この場合も、ベーン２７を収容するために、円筒部分２１の内面には周方向のベーン溝２５が設けられている。

両者（図１及び図３）の場合において、円筒部分１１又は２１にはそれぞれ、熱膨張係数（ＣＴＥ）の低い材料の典型的な限界を克服し、特殊な適用例にこの部分を適応させるために、様々な形式で内面にコーティングを施すことができる（例えば、アブレイダブルコーティング、耐酸化被覆、その他の適切なコーティング）。

さらに、円筒部分１１又は２１はそれぞれ（ベーンの上流又は下流又はベーン間で）熱シールドを、又はその他の補助的部分（図示せず）を支持するように特別に設計することができる。

本発明による設計は以下の利点を有している。
・低熱膨張性材料から完全に形成された（高価な）ハウジングの場合と同様に、圧縮機の運転クリアランスが減じられる。
・著しく低コストになる。ハイブリッド設計の仮定コストは中性費用である。即ち、新設計におけるコストの増大は、ガスタービンのパフォーマンスの向上により完全に補償することができるという意味である。

本発明を、ガスタービン（ＧＴｓ）との関連で説明した。しかしながら本発明は、別のターボ機械、例えば蒸気タービンにも同様に適用することができる。

１０ ベーンキャリア
１１ 円筒部分
１２ 支持構造
１２ａ 支持区分
１２ｂ フック
１３ ギャップ
１４ シール部材
１５ ボルト
１６ ベーン溝
１７ 分割平面フランジ
１８ 外側ハウジング
１８ａ 支持溝
１９ ベーン
２０ ベーンキャリア
２１ 円筒部分
２２ 支持リング
２３ 支持溝
２４ 外側ハウジング
２４ａ 支持溝
２５ ベーン溝
２６ 分割平面フランジ
２７ ベーン
２８ 機械軸線

Claims (11)

1. 軸流ターボ機械、特に、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、膨張器のうちの１つの圧縮機又はタービン区分用のベーンキャリア（１０）であって、少なくとも第１の機能手段（１１，２１）と第２の機能手段（１２，２２）とを有しているベーンキャリア（１０）において、
   前記第１の機能手段（１１，２１）は、熱膨張係数（ＣＴＥ）が１．３×１０^−５［１／Ｋ］よりも低い材料から成る円筒体であって、該円筒体はその内面に複数のベーンを支持するように設けられており、前記第２の機能手段（１２，２２）は、前記第１の機能手段（１１，２１）の材料とは異なるより安価な材料から成る支持構造であって、該支持構造（１２，２２）は、前記軸流ターボ機械の外側ハウジング（１８，２４）内に前記第１の機能手段（１１，２１）の軸方向位置及び横方向位置を規定するように設けられていることを特徴とするベーンキャリア。
2. 前記円筒体（１１，２１）は、分割平面で分割されており、互いに結合される２つ以上の円筒部分（１１，２１）から成っている、請求項１記載のベーンキャリア。
3. 前記分割平面は、水平平面又は垂直平面又はほぼ軸方向の平面である、請求項２記載のベーンキャリア。
4. 前記円筒部分（１１，２１）は、ボルト又はピンで互いに結合されている、請求項２記載のベーンキャリア。
5. 前記支持構造（１２）は複数の支持区分（１２ａ）を有しており、該支持区分（１２ａ）は、前記第１の機能手段（１１）に半径方向で固定されている、請求項１記載のベーンキャリア。
6. 隣接する支持区分（１２ａ）の各対の間にギャップ（１３）があり、該ギャップ（１３）を閉鎖するようにシール部材（１４）が設けられている、請求項５記載のベーンキャリア。
7. 前記支持構造（２２）はリング状であって、半径方向で自由に膨張し、前記外側ハウジング（２４）内で前記第１の機能手段（２１）を軸方向で支持することができるように、前記第１の機能手段（２１）と前記外側ハウジング（２４）との間に配置されている、請求項１記載のベーンキャリア。
8. 前記第１の機能手段（１１，２１）の内面はコーティング層によって被覆されている、請求項１記載のベーンキャリア。
9. 前記コーティング層は、アブレイダブルコーティング又は耐酸化被覆を有している、請求項８記載のベーンキャリア。
10. 前記第１の機能手段（１１，２１）の材料は、インコロイ^（Ｒ）９０７／９０９又はインバー^（Ｒ）である、請求項１記載のベーンキャリア。
11. 前記第２の機能手段（１２，２２）の材料は、標準的な低合金鋼である、請求項１記載のベーンキャリア。