JP2016523342A - タービンのステータのためのシールリングセグメント - Google Patents

Abstract

タービン（１００）のステータ（１４３）のためのシールリングセグメント（１４４）であって、シリンダバレルセグメントの形を実質的に有しており、その外面には、複数のガイドベーン（１３０）を固定するためのノッチ（１６０）を有しているシールリングセグメント（１４４）は、寿命の延長と、容易な取り付け及び高い最適化の可能性によるタービンの修理費用の削減とを可能にすべきものである。このために、シールリングセグメント（１４４）は、シールリングセグメント（１４４）に固定可能なガイドベーン（１３０）それぞれに関して、それぞれ少なくとも１つの、復元力によって前記ガイドベーン（１３０）それぞれに作用する押圧ボルト（１４６）を有しており、前記押圧ボルトは、軸方向に圧縮され得る円筒形の要素として構成されている。

Description

本発明は、タービンのステータのためのシールリングセグメントに関する。当該シールリングセグメントは、シリンダバレルセグメントの形を実質的に有しており、その外面には、複数のガイドベーンを固定するためのノッチを有している。

タービンは、流れる流体（液体又は気体）の内部エネルギー（エンタルピー）を、回転エネルギーに、そして最終的には、機械的駆動エネルギーに変換するターボ機械である。流体の流れからは、可能な限り渦の無いタービンブレード周りの層流によって、その内部エネルギーの一部が取り出され、タービンのロータブレードに伝えられる。当該ロータブレードによって、タービンシャフトが回転し、有効な動力が、発電機等の連結された作業機械に伝えられる。ロータブレードとシャフトとは、タービンの可動式ロータの一部であり、当該ロータはハウジングの内部に配置されている。

一般的に、複数のブレードがシャフト上に取り付けられている。平面に取り付けられたロータブレードは、それぞれブレードホイール又はロータホイールを形成する。当該ブレードは、航空機の主翼のように、軽く屈曲するように輪郭付けられている。一般的には、それぞれのロータホイールの上流には、ステータホイールが存在している。ガイドベーンは、ハウジングから、流れる媒体の内に突出しており、当該媒体を旋回させる。ステータホイール内に形成された渦（運動エネルギー）は、後続のロータホイール内で、ロータホイールブレードが取り付けられたシャフトを回転させるために用いられる。

ステータホイールとロータホイールとを合わせて、段と称する。しばしば、複数の当該段が相前後して接続されている。ステータホイールは固定されており、ガイドベーンはハウジングの外側に固定されているので、損失を可能な限り少なく保つためには、ロータホイールのシャフトに関してシールを形成しなければならない。このために、ガイドベーンは、シリンダバレル形のシールリングによって、ロータ側に保持されている。当該シールリングは、一般的に複数の、一般的には１０のセグメントから構成される。当該セグメントは、ガイドベーンの先端で留め金に押し付けられ（目違い継ぎ）、ロータに対して、高温ガス導管を密封する。周方向におけるずれを防止するために、シールリングセグメントはそれぞれ、ガイドベーンの内１つにそれぞれ径方向に突出しているボルトによって固定される。

通常、動作中に生じる熱膨張のために必要な、所定のブレードとシールリングとの間の公差に基づいて、相対運動が可能である。この際、動的励起によって、シールリングセグメントでの著しい摩耗が生じ得ることが明らかになっている。調査結果は、計画通りの保守作業中の交換を必要とする単純な摩耗から、シールリングの交換を伴う強制的な保守作業、又は、ブレードの破損を伴うタービンの破損にもつながり得る重大な摩耗にまで達している。

ここで、シールリングセグメントに、ガイドベーンに復元力を用いて作用する弾性要素を設けることが知られている。このために、特許文献１では、大型の皿バネが配置され、特許文献２、特許文献３及び特許文献４では、板バネが用いられ、当該板バネは、屈曲又は波形を方位又は軸方向において有しているので、対応するプレテンションが生じる。

しかしながら、従来のシールリングセグメントは、板バネ又は大型の皿バネを用いる際に、常に広範囲にわたってプレテンションが複数のガイドベーンに加えられるという欠点を有している。当該欠点は、ガイドベーンの取り付けを困難にしている。さらに、復元力の強さを、個別に調整又は再調整することが不可能である。

米国特許第７６４５１１７号明細書 米国特許出願公開第２００８／００１９８３６号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１３５４７９号明細書 欧州特許第１４４１１０８号明細書

従って、本発明の課題は、冒頭に述べた種類のシールリングセグメントを記載することにあり、当該シールリングセグメントは、寿命の延長と、容易な取り付け及び高い最適化の可能性によるタービンの修理費用の削減とを可能にする。

本発明によると、本課題は、シールリングセグメントが、シールリングセグメントに固定され得るガイドベーンそれぞれに関して、それぞれ少なくとも１つの、復元力によってそれぞれのガイドベーンに作用する押圧ボルトを有しており、当該押圧ボルトは、軸方向に圧縮可能な円筒形の要素として構成されていることによって解決される。

本発明は、ガイドベーンそれぞれとシールリングセグメントとの相対運動による摩耗を減少させることが可能であれば、タービンの寿命を延長し、タービンの修理費用を削減することが可能であろうという考察から出発している。そのためには、相対運動を制限しなければならないであろう。しかしながら、その際、動作中の熱膨張を考慮しなければならないので、形状接続による堅固な固定は除外される。困難を除去するのは、押圧ボルトを用いた摩擦接続による固定であり、押圧ボルトは、その復元力によって、ガイドベーンの摩擦接続による固定を確実化する一方で、弾性によって、熱膨張は可能であり続ける。押圧ボルトは、略円筒形の要素であり、軸方向において、例えばピストンのような内部構造によって圧縮可能である。その際、押圧ボルトは、例えば対応するバネ構造によって、自己復元力を有するように構成されている。押圧ボルトは、シールリングセグメント内の対応する開口部を通じて固定され、適切に方向付けられる。シールリングセグメントに固定され得るそれぞれのガイドベーンには、それぞれ少なくとも１つの、復元力によってそれぞれのガイドベーンに作用する押圧ボルトが設けられている。それによって、シールリングセグメントは特に確実に固定される。なぜなら、押圧ボルトによる、ガイドベーンそれぞれとの摩擦接続が形成されるからである。従って、摩耗を生じさせる相対運動を行い得るガイドベーンは存在しない。

シールリングセグメントの有利な一態様では、ガイドベーンを固定するためのノッチは、有利には周方向に走っており、及び／又は、弾性要素それぞれの復元力は、有利には径方向に作用している。これによって、シールリングセグメントの取り付けが容易になり、当該シールリングセグメントは容易に、ガイドベーンの留め金に押し付けられ得る。弾性要素が径方向に方向付けられていることによって、当該弾性要素には、シールリングを取り付けた後、内側からプレテンションを与えることが可能である。

有利には、それぞれの弾性要素、特に押圧ボルトは、皿バネを含んでいる。皿バネは、円錐形の環状シェルであると理解される。皿バネには、軸方向に荷重を加えることが可能であり、静止している場合にも振動している場合にも、皿バネには（動的な）応力が生じ得る。加力は通常、上側の内周と下側の外周とを通じて行われる。その際、皿バネは、個別のバネとして、又は、バネのスタックとして用いられ得る。スタック内では、個別の皿バネか、又は、複数のバネから構成されたバネのアセンブリかが交互に積層され得る。皿バネは、他の種類のバネと比較して、一連の有利な特性を有しており、例えば設置スペースが狭い場合でも、非常に大きな力を吸収することができる。皿バネのバネ特性は、寸法の条件によって、線形又はデグレッシブであり、適切な配置によって、プログレッシブ（上昇する）にもなり得る。個別の皿バネを略任意に組み合わせる可能性の結果として、当該特性は、スタックの長さによって、広範囲内で変化し得る。正しく寸法設計した場合、皿バネは、例えばタービン内で生じるような動的な負荷を与えた際に長い寿命を有する。材料として考慮の対象となるのは、バネ鋼、ステンレスかつ耐熱の銅合金（ＣｕＳｎ８、ＣｕＢｅ２）及びニッケル合金（ニモニック合金、インコネル合金、デュラサーモ）である。

さらに、それぞれの弾性要素、特に押圧ボルトは、ネジ接続によって、シールリングセグメントに固定されている。これによって、一方では解除可能な接続が形成され、保守作業中に後から交換することが可能になり、他方では容易な取り付けが可能になる。さらに、螺入の深さを通じて、ガイドベーンの留め金に作用する復元力が正確に設定される。タービンの動作中にボルトが脱落するのを防止するために、回転防止装置が設けられている。例えば横から留め金で固定している回転防止ボルトである。

付加的な有利な態様では、弾性要素はそれぞれ、シールリングセグメントの周方向の固定のために、当該弾性要素がそれぞれのガイドベーンを周方向において形状接続的に固定するように配置されている。そのために、ガイドベーンは対応する凹部を有しており、当該凹部には、対応するように構成された弾性要素が挿入される。それによって、弾性要素、特に押圧ボルトは、一種の兼用として、従来用いられてきた周方向固定ボルトの役割も果たしている。

複数のガイドベーンを有するタービンのステータ内では、有利には、複数のガイドベーンが、その径方向内側に向けられた先端部で、バネを用いて、前記シールリングセグメントのノッチ内に配置されている。

タービンは、有利には前記ステータを含んでいる。

有利には、タービンはガスタービンとして設計されている。ガスタービン内では、熱的、機械的及び動的な負荷が特に高いので、シールリングセグメントの前記態様は、摩耗の最小化に関して特別な利点を提供している。

発電所設備は、有利には前記タービンを含んでいる。

本発明によって得られる利点は、特に、シールリング及びガイドベーンの所定の堅固なプレテンションのために皿バネ構造を導入することによって、両部材間の相対運動が回避されることにある。同時に、それによって、堅固なプレテンションにも関わらず、熱運動性が確保される。前記皿バネ構造によって、所定のプレテンションが、ブレードとシールリングセグメントとの間に加えられ、当該プレテンションは、特に動的負荷が加えられた場合に、部材間の相対運動を最小化又は防止する。従って、材料の摩耗を減少させる、又は、回避することができる。

本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。

環状燃焼室を有するガスタービンの部分的な縦断面図である。 押圧ボルトの横断面図である。 シールリングセグメントの横断面図である。 シールリングセグメントの断面図である。

全ての図において、同じ部材には同じ参照符号が付されている。

図１は、ここではガスタービンであるタービン１００を縦断面で示している。ガスタービン１００は、内部に、回転軸１０２（軸方向）の周りを回転するように取り付けられたロータ１０３を有しており、当該ロータは、タービンロータとも称される。ロータ１０３に沿って、吸気ハウジング１０４、コンプレッサ１０５、ここでは環状燃焼室１０６として示されている、同軸に配置された複数のバーナー１０７を備えた燃焼室１１０、タービン１０８及び排気ハウジング１０９が次々に続いている。

燃焼室１０６は、環状の高温ガス導管１１１と連絡している。そこでは、例えば相前後して接続されている４つのタービン段１１２がタービン１０８を形成している。それぞれのタービン段１１２は、２つのブレードリングから形成される。作動媒体１１３の流れる方向に見て、高温ガス導管１１１内では、ガイドベーンリング１１５に、ロータブレード１２０から形成されたリング１２５が続いている。

このとき、ガイドベーン１３０はステータ１４３に固定されているが、リング１２５のロータブレード１２０は、タービンディスク１３３を用いてロータ１０３に取り付けられている。従って、ロータブレード１２０は、ロータ１０３の構成要素を成している。ロータ１０３には、発電機又は作業機械が連結されている（図示されていない）。

ガスタービン１００の動作中、コンプレッサ１０５によって、吸気ハウジング１０４を通じて空気１３５が吸入され、圧縮される。コンプレッサ１０５のタービン側端部で供給される圧縮空気は、バーナー１０７に送られ、バーナー１０７において燃料と混合される。当該混合物は、燃焼室１１０内で燃焼され、高温かつ加圧された作動媒体１１３が形成される。作動媒体１１３は、燃焼室１１０を出発して、高温ガス導管１１１に沿って、ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０を通過する。ロータブレード１２０では、作動媒体１１３がインパルスを伝達するように膨張するので、ロータブレード１２０はロータ１０３を駆動し、ロータ１０３は当該ロータに連結された作業機械を駆動する。

高温の作動媒体１１３に曝露される部材には、ガスタービン１００の動作中、熱的負荷が加えられる。作動媒体１１３の流れる方向に見て第１のタービン段１１２のガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、燃焼室１０６を内張りする遮熱石以外では、最も大きい熱的負荷を受けている。ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０において支配的な温度に耐えるために、ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、冷却剤を用いて冷却される。同様に、ブレード１２０、１３０は、腐食に対するコーティング（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、希土類）と、熱に対するコーティング（断熱層、例えばＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_４‐ＺｒＯ_２）と、を有し得る。

ガイドベーン１３０はそれぞれ、タービン１０８のハウジング１３８に対向するガイドベーン根元部（図示されていない）と、ガイドベーン根元部の反対側のガイドベーン先端部とを有している。ガイドベーン先端部は、ロータ１０３に対向しており、シールリング１４０内に固定されている。このとき、タービン段のシールリング１４０はそれぞれ、ロータ１０３のシャフトを包囲している。当該シールリングは、有利には、１０個の同種のシールリングセグメント１４４から構成される。

ガイドベーン１３０をシールリング１４０に取り付ける際の所定の公差に基づいて、両部材の相対運動が生じる。当該相対運動は、早期の摩耗と、さらにガスタービン１００の破損につながり得る。

従って、シールリングセグメント１４４内には、押圧ボルト１４６が設けられており、当該押圧ボルトは、図２において横断面で示されている。押圧ボルト１４６は、径方向に方向付けられた貫通孔１４８内に、ネジ１５０で、ネジ接続によって固定されている。押圧ボルトは、シールリングセグメントとネジ接続するための対応するネジを有する円筒形の部分１５２と、それに続く、より直径の小さいピストン１５４とから構成されている。当該ピストンには、押圧ボルト１４６の軸方向に動くことが可能であるカプセル１５６が載置されており、当該カプセルは、ピストン１５４をその先端で取り囲んでいる。それによって、当該カプセルは、押圧ボルト１４６の径方向において形状接続的に固定されている。

部分１５２とカプセル１５６との間のピストン１５４を取り囲んで、計８個の皿バネ１５８が交互に配置されており、当該皿バネは、押圧ボルト１４６を軸方向に圧縮した場合に、復元力を及ぼす。押圧ボルト１４６は、ガスタービン１０２の回転軸に関して径方向において、シールリングセグメント１４４に螺入しているので、当該シールリングセグメントは、ガイドベーン１３０の留め金に所定の力を及ぼし、その結果、相対運動は停止するが、熱膨張は可能なままであり続ける。螺入の深さを通じて、復元力を調整することが可能である。

図３は、シールリングセグメント１４４の縦断面を示している。シールリング１４４は、２つの、軸方向にも径方向にも離隔したノッチ１６０を有しており、当該ノッチは、周方向に延在すると共に、径方向に、それぞれ同じ方向に開かれている。その際、ノッチ１６０はそれぞれ、縦断面においてＬ字形であるシールリングセグメント１４４の部分によって囲まれており、その第１の辺はタービン１００の径方向に、その第２の辺は軸方向に延在している。ガイドベーン１３０の先端部の、対応する、周方向に延在するバネ１６２であって、シールリングセグメント１４４に正確に適合するように配置されているバネ１６２によって、シールリングセグメント１４４を、取り付けの際に、ガイドベーンリングに押し付けることができる。押圧ボルト１４６は、径方向外側のノッチ１６０の領域において、カプセル１５６が、ノッチ１６０の径方向内側の内壁の開口部に開口するように配置されている。押圧ボルト１４６は、径方向に復元力を及ぼし、当該復元力はノッチ１６０内のバネ１６２に作用するので、バネ１６２は、ノッチ１６０内で、シールリングセグメント１４４のＬ字形部分の径方向に向けられた辺に対して押圧される。それによって、ガイドベーン１３０は、ノッチ１６０内で弾性的に固定される。

押圧ボルト１４６は、ボルト１６４を用いて、回転から守られている。ボルト１６４は、押圧ボルト１４６の孔１４８と交わる、軸方向に延在する孔を通るように誘導され、ネジ接続されている。それによって、当該ボルトは、押圧ボルト１４６のネジに横からの力を及ぼし、押圧ボルト１４６を摩擦接続的に固定する。

最後に、図４は、シールリング１４０及びシールリングセグメント１４４の部分的な断面を示している。すでに記載したように、押圧ボルト１４６は、ガイドベーン１３０に復元力を及ぼす。押圧ボルト１４６の内１つは、付加的に、周方向固定ボルト１６６として設計されている。周方向固定ボルト１６６は、残りの押圧ボルト１４６よりも長く、ガイドベーン１３０の根元部の、成形された凹部１６８の内に突出している。それによって、シールリングセグメント１４４は、周方向において、ガイドベーン１３０に固定される。

１００ ガスタービン
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸気ハウジング
１０５ コンプレッサ
１０６ 環状燃焼室
１０７ バーナー
１０８ タービン
１０９ 排気ハウジング
１１０ 燃焼室
１１１ 高温ガス導管
１１２ タービン段
１１３ 作動媒体
１１５ ガイドベーンリング
１２０ ロータブレード
１２５ リング
１３０ ガイドベーン
１３３ タービンディスク
１３５ 空気
１３８ ハウジング
１４０ シールリング
１４３ ステータ
１４４ シールリングセグメント
１４６ 押圧ボルト
１４８ 貫通孔
１５０ ネジ
１５２ 円筒形の部分
１５４ ピストン
１５６ カプセル
１５８ 皿バネ
１６０ ノッチ
１６２ バネ
１６４ ボルト
１６６ 周方向固定ボルト
１６８ 凹部

Claims (9)

1. タービン（１００）のステータ（１４３）のためのシールリングセグメント（１４４）であって、前記シールリングセグメントは、シリンダバレルセグメントの形を実質的に有しており、その外面には、複数のガイドベーン（１３０）を固定するためのノッチ（１６０）を有しており、前記シールリングセグメント（１４４）は、前記シールリングセグメント（１４４）に固定可能なガイドベーン（１３０）それぞれに関して、それぞれ少なくとも１つの、復元力によって前記ガイドベーン（１３０）それぞれに作用する押圧ボルト（１４６）を有しており、前記押圧ボルトは、軸方向に圧縮され得る円筒形の要素として構成されているシールリングセグメント（１４４）。
2. 前記ノッチ（１６０）が、周方向に延在しており、及び／又は、弾性要素それぞれの復元力が径方向に作用する、請求項１に記載のシールリングセグメント（１４４）。
3. 前記弾性要素それぞれが、皿バネ（１５８）を含んでいる、請求項１又は２に記載のシールリングセグメント（１４４）。
4. 前記弾性要素それぞれが、ネジ接続によって、前記シールリングセグメント（１４４）に固定されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のシールリングセグメント（１４４）。
5. 前記弾性要素それぞれが、周方向において前記ガイドベーン（１３０）それぞれを形状接続的に固定するように配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のシールリングセグメント（１４４）。
6. 複数のガイドベーン（１３０）を有するタービン（１００）のためのステータ（１５３）であって、複数の前記ガイドベーン（１３０）が、その径方向内側を向いた根元部で、バネ（１６２）を用いて、請求項１から５のいずれか一項に記載のシールリングセグメント（１４４）のノッチ（１６０）内に配置されているステータ（１５３）。
7. 請求項６に記載のステータ（１５３）を有するタービン（１００）。
8. ガスタービンとして設計されている請求項７に記載のタービン（１００）。
9. 請求項７又は８に記載のタービン（１０）を有する発電所設備。

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