JP2628604B2 - 燃焼タービンの圧縮機ダイアフラム組立体及びその組立方法 - Google Patents

燃焼タービンの圧縮機ダイアフラム組立体及びその組立方法

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JP2628604B2
JP2628604B2 JP2037523A JP3752390A JP2628604B2 JP 2628604 B2 JP2628604 B2 JP 2628604B2 JP 2037523 A JP2037523 A JP 2037523A JP 3752390 A JP3752390 A JP 3752390A JP 2628604 B2 JP2628604 B2 JP 2628604B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、燃焼タービンもしくはガスタービンに関
し、特に、かかるタービンにおいて一般的に使用される
圧縮機ダイアフラム組立体に関するものである。
先行技術の説明 大型の産業用燃焼タービン(これは屡々ガスタービン
とも言われている)の2/3以上は発電用に使用されてい
る。これ等の燃焼タービンは、自動化及び遠隔制御に非
常に適しているので、電力会社によりピーク負荷時のた
めに主に使用されている。しかし、送電量を迅速に増大
する必要がある場合や、精製燃料油を低コストで得られ
る場合や、タービン排気エネルギーを利用できる場合に
は、燃焼タービンは基底電力の発生のためにも使用され
る。
発電分野において、典型的な燃焼タービンは一般に4
つの基本部分、即ち(1)入口部と、(2)圧縮機部
と、(3)燃焼器部と、(4)排気部とから構成されて
いる。入口部から燃焼タービンに入る空気は、圧縮機部
において断熱的に圧縮され、燃焼器部において燃料と混
合され一定圧力で加熱されてから、ガスの断熱膨張を伴
って排気部から放出され、これによりブレイトンサイク
ルもしくはジュールサイクルと一般に呼ばれている基本
的な燃焼タービンサイクルを完了する。
周知のように、通常の燃焼タービンの正味出力は、同
燃焼タービンが出す動力と圧縮機部により吸収される動
力との間の差である。典型的には、燃焼タービンの動力
の約2/3が圧縮機部を駆動するのに使用される。従っ
て、燃焼タービンの総合性能はその圧縮機部の効率に対
して非常に敏感である。高い効率、高い圧力比を確実に
維持するために、多くの圧縮機部は軸流構造のものであ
り、そのロータが有する複数の回転羽根もしくは動翼
は、ロータ軸に沿って軸方向に配置されると共に、内側
シュラウド付きの複数の静止羽根もしくは静翼と交互し
ていて、圧縮機ダイアフラム組立体に段付きの中間ラビ
リンスシールを与えている。
しかし、内側シュラウド付きの羽根翼状部には、同羽
根を製造するために従来使用されていた方法に由来し
て、疲労割れという重要な問題が存在する。例えば、多
くの圧縮機ダイアフラム組立体の製造業者により使用さ
れていた圧延又は鍛造方法のいずれにおいても、羽根翼
状部をその内側シュラウド及び外側シュラウドに結合す
るために溶接工程を使用しており、かかる溶接工程によ
り、各溶接部に“熱影響領域”が生じることになる。疲
労による割れの開始は、かかる熱影響領域においてたい
てい起こることが分かった。従って、疲労割れに対して
耐性がある改良型の圧縮機ダイアフラム組立体を提供す
るだけでなく、熱影響領域を発生するような工程を最少
にする上述のような圧縮機ダイアフラム組立体の製造方
法を提供することが望ましい。
しかし、疲労割れに関連した上述の問題は、熱影響領
域を発生する製造工程を単に無くしても解決されるもの
ではない。即ち、周知のように、鍛造により製造したあ
る羽根翼状部は、そこから注意深く応力を解放して熱影
響領域の作用を軽減した後でさえも、疲労割れの問題を
経験することが分かっている。従って、容易に諒解され
るように、燃焼タービン内の静的励振だけでなく、動的
励振も疲労割れの問題に関与している。
圧縮機ダイアフラム組立体の内側シュラウド及びシー
ルに作用する力は、主として、シールの圧力降下のため
である。これ等の力や、羽根翼状部に法線方向及び接線
方向に作用してその表面全体に分散される動的空気力
は、他の力及びモーメントの発生に寄与して、これが外
側シュラウドに伝達され、続いて、翼状部を外側シュラ
ウドに取着する溶接結合部を介して燃焼タービンのケー
シングに伝達される。
一体の内側及び外側シュラウドを有する羽根翼状部を
使用する簡単な解決策は、疲労割れの双方の原因を迅速
に解決するものと考えられる。即ち、熱影響領域の問題
は完全に排除されると考えられ、また、燃焼タービン内
の静的及び動的励振による不安定性に関連した問題は可
及的に低減すると考えられる。しかし、このようにはな
らない場合もある。
例えば、上述したような静的力及びモーメントの影響
下では、この仮想的な羽根翼状部の外側シユラウド部分
は、同外側シュラウド部分を受け入れるためにケーシン
グに形成されたスロットの壁に同外側シュラウド部分の
先端が接触することによって抑止もしくは規制モーメン
トが発生するまで、燃焼タービンのケーシングに安定的
に係合しないであろう。従って、外側シュラウド部分は
熱膨張を吸収するためにケーシングのスロットに形成さ
れた隙間内で回転してしまう。その結果、燃焼タービン
において仮想的な羽根翼状部を使用することは、外側シ
ュラウド部分の近傍に大きな応力が発生し、また、過剰
の並進方向及び回転方向の変位が生ずることになり、こ
れ等のいずれもが動的励振の存在下で一層悪化すること
になる。従つて、上述したような係合の不安定性を解消
しうるように改良された圧縮機ダイアフラム組立体を提
供することも望まれている。
発明の概要 従って、本発明の一般的な目的は、改良型の燃焼ター
ビンを提供することである。具体的には、本発明の目的
は、かかる燃焼タービンにおいて使用するための改良型
圧縮機ダイアフラム組立体を提供するだけでなく、かか
る圧縮機ダイアフラム組立体を組み立てる改良方法を提
供することである。
本発明の別の目的は、疲労割れの問題を可及的に軽減
する圧縮機ダイアフラム組立体を提供することである。
本発明の更に別の目的は、熱影響領域の生成を実質的
に無くす圧縮機ダイアフラム組立体を組み立てる方法を
提供することである。
また、本発明の目的は、運転中の燃焼タービンにおい
て経験する静的及び動的励振により生ずる燃焼タービン
のケーシングとの係合の不安定性を可及的に軽減する圧
縮機ダイアフラム組立体を提供することである。
更に、本発明の別の目的は、既存の技術を使用して容
易に且つ安価に製造しうる圧縮機ダイアフラム組立体を
提供することである。
簡略に述べると、本発明の上述した目的及びその他の
目的は、負荷伝達手段により相互に結合された複数の翼
状部を有する圧縮機ダイアフラム組立体を含む燃焼ター
ビンにおいて達成される。各翼状部は、一体の内側シュ
ラウド及び一体の外側シュラウドを含み、同シュラウド
のいずれもが溝を有していて、この溝に連結棒を受け入
れる。隣接したかかる内側及び外側シュラウドは、それ
等に関連した連結棒と共に、負荷伝達手段を構成してい
る。1対の非係合シールを有するシール支持体が内側シ
ュラウドから垂下している。
本発明による上述の目的及びその他の目的、利点並び
に新規な特徴は、添付図面に関連してなされる好適な実
施例についての以下の詳細な説明から容易に明らかとな
ろう。
好適な実施例の詳細な説明 同一もしくは対応部分について同一符号で表示した図
面を参照すると、第1図には、既知の燃焼タービン12を
用いる典型的な発電プラント10の配置例が図示されてい
る。この燃焼タービン12は本出願人により製造されてい
るW−501D型の単軸式ヘビーデューティー燃焼タービン
である。発電プラント10は、通常のように、タービン12
により駆動される発電機14と、スターター箱16と、グリ
コール冷却器20を有する電気実装箱22と、空気冷却器26
とを有し、これ等の各々がタービン12を支持している。
タービン12の作動に関連して流れにより発生されるノイ
ズを消すための通常の消音装置28が発電プラント10の入
口ダクトと排気管とに設けられており、一方、発電機14
には、発生された電気をそこから取り出すためめに通常
の端子装置30が設けられている。
第2図に詳細に示すように、タービン12は、入口部32
と、圧縮機部34と、燃焼器部36と、排出部38とを一般に
有する。入口部32からタービン12に入った空気は、圧縮
機部34において断熱的に圧縮され、そして燃焼器部36に
おいて一定圧力で燃料と混合され燃焼もしくは加熱され
る。その後、加熱された燃料及び空気のガスは、燃焼器
部36から排出部38を介して排出される。その結果、ガス
は断熱膨張して基本的な燃焼タービンサイクルを完了す
る。かかる熱力学的サイクルはブライトンサイクルもし
くはジュールサイクルとも呼ばれている。
タービン12内に望ましくは高い効率で高い圧力比を確
実に維持するために、圧縮機部34は、通常の燃焼タービ
ンの多くの圧縮機部と同様に、ロータ40を有する軸流構
造のものである。ロータ40は、軸44に沿って配設された
複数の回転羽根もしくは動翼42と、複数のディスク46と
を含んでいる。複数の回転羽根42のうち隣接する各対の
羽根列の間には、シュラウド付きの複数の静止羽根もし
くは静翼48の1列が介在していて、段付きの中間ラビリ
ンスシール(第3図)52を有するディスク46と協働して
圧縮機ダイアフラム組立体を形成している。静止羽根48
は、第3図及び第4図に関連して後から詳細に説明する
ようにタービンケーシング50に装着されている。
シュラウド付きの静止羽根48を製造するのに通常使用
されている方法に由来して、疲労割れの深刻な問題が存
在する。例えば、特に第3図及び第4図を参照すると、
大部分の圧縮機ダイアフラム組立体の製造業者により用
いられてきた方法のいずれにおいても、溶接を用いてシ
ュラウド付き羽根48の翼状部54を同羽根の内側シュラウ
ド56及び外側シユラウド58に結合している。このように
溶接を用いると、良く知られているように、熱の影響を
受けた熱影響領域60が各溶接結合部62に生じることにな
る。
米国オハイオ州のアメリカ金属学会(American Socie
ty for Metals)による「金属ハンドブック(Metals Ha
ndbook)第9版、第6巻」に所載の「溶接、ろう付け、
半田付け(Welding,Brazing,and Soldering)」に定義
されているように、熱影響領域とは、未だ熔融してはい
ないが、溶接、ろう付け、半田付け、又は切断の熱によ
り機械的性質又はミクロ組織が変わってしまった卑金属
の一部分のことである。翼状部54、内側シュラウド56及
び外側シュラウド58に使用されているような種類のステ
ンレス鋼合金においては、疲労による割れの開始は、か
かる熱影響領域60でたいてい起こる。
しかし、上述のように、疲労割れに関連した問題は、
熱影響領域60を生じさせる製造工程を単に排することに
よって解決されるものではない。例えば、第3図は、圧
延による一定断面の手法で製造された内側シュラウド付
き羽根48を示しており、第4図は、鍛造による厚さ対弦
比が可変の手法で製造された内側シュラウド付き羽根48
を示している。
第3図及び第4図に示すような通常の圧縮機ダイフラ
ム組立体の内側シュラウド56及びそのシールに作用する
力は、主に、シール圧力降下FSに由来している。これ等
の力、並びに翼状部54に作用する法線方向及び接線方向
の動的空気力FA、FTであって、上述の力の各々は、他の
力及びモーメントを発生させる原因となり、それ等が外
側シュラウド58に伝達され、その後、翼状部54を外側シ
ュラウド58に取着する溶接結合部62を介して燃焼タービ
ン12のケーシング50に伝達される。
それにも拘わらず、一体的に形成された内側シユラウ
ド及び外側シュラウドを有する仮想的な翼状部を使用
し、それにより熱影響領域60を除去するだけでは、疲労
割れは依然として無くならない。上述したような静的な
力及びモーメントの影響下では、この仮想的な翼状部の
外側シュラウド部分は、外側シュラウド部分の先端部が
同外側シュラウド部分を受け入れるため燃焼タービンの
ケーシングに形成されたスロットの壁に係合することに
よって規制モーメントが発生するまで、同ケーシングと
安定的に係合しない。従って、外側シュラウド58は(熱
膨張を吸収するためケーシングのスロットに形成され
た)間隙内で回転する。その結果、燃焼タービンにおい
て仮想的な翼状部を使用することは、外側シュラウド部
分の近傍において大きな圧力が生じ、且つ過剰の並進方
向及び回転方向の変位になり、それ等のいずれもが動的
励振下で更に悪化されるであろう。
米国特許願第226,705号明細書に記載されたような解
決策はたいていの疲労割れの問題を実質的に解消させる
ことが分かった。しかし、この出願の明細書には、構造
がもっと簡単な別の解決策が開示されている。
第5図〜第8図に示すように、本発明による圧縮機ダ
イヤフラム組立体64は複数の翼状部66を含み、各翼状部
66が、一体的に形成された内側シュラウド68と、一体的
に形成された外側シュラウド70とを有する。各翼状部66
の内側シュラウド68及び外側シュラウド70のそれぞれに
は溝72があり、この溝72は、負荷伝達手段76を形成する
連結棒74を受け入れるようになっている。複数の翼状部
66のうちの隣接する2つ以上が負荷伝達手段76により一
緒に連結されて、ダイアフラム組立体64を形成してい
る。
複数の部分80からなるシール支持装置(支持手段)78
は内側シュラウド68により支持されており、各部分80
は、少なくとも1対の非係合シール(デイスク係合シー
ル)82を有すると共に、1つ以上の翼状部66の内側シュ
ラウド68に係合するように形成されている。
本発明の重要な特徴によると、複数の翼状部66が内側
シュラウド68及び外側シュラウド70と一体に形成されて
いるためばかりでなく、結合部を囲うために、重要な翼
状部のところで熱を殆どもしくは全く使用しない方法に
よりそれ等が一緒に結合されているために、熱影響領域
が無くなっている。更に、負荷伝達手段76のために、
(静的もしくは動的励振)翼状部66とケーシングのスロ
ット75との間に係合の不安定性があっても、それは僅か
である。
一体的に形成された外側シュラウド70は、一緒に結合
されて連結棒74と共に外側リング84を形成する。このよ
うにして、一体的に形成された各外側シュラウド70は、
燃焼タービン12のケーシング50に形成されたスロット75
との係合のため、ほぼT形の横断面を有するように形成
され、通常の止めねじ90により所定位置に保持される。
本発明による圧縮機ダイアフラム組立体の組立及び分
解を容易にするため、且つ圧縮機ダイアフラム組立体の
製造コストを可及的に低減するため、翼状部66を他のも
のから適切に離間すべく、種々の大きさのスペーサ92が
用意されている。特に第6図及び第7図を参照すると分
かるように、一体的に形成された内側シュラウド68及び
外側シュラウド70は同様に一体的に形成された隣接の内
側シユラウド68及び外側シュラウド70に結合されてい
て、かくして構成された圧縮機ダイアフラム組立体64が
燃焼タービン12のケーシングのスロット75内で並進方向
及び回転方向に過剰に変位することを防止している。
各翼状部66は、連結棒74からなる負荷伝達手段76によ
り、一体的に形成された内側シュラウド68及び一体的に
形成された外側シュラウド70のところで、隣接の翼状部
66に結合されている。一体的に形成された内側シュラウ
ド68及び一体的に形成された外側シュラウド70に設けら
れた溝72は、矩形状の連結棒74と共に使用するために、
第6図に示すように実質的に平行な側辺を有する。しか
し、溝72は、第7図に示すような別の形状として90゜以
下の角度でテーパが付いていてもよい。
一体的に形成された内側シュラウド68及び一体的に形
成された外側シュラウド72のスロット72を上述のような
別の形状に形成すると、本発明による圧縮機ダイアフラ
ム組立体は、ろう付けにより、電子ビーム溶接により、
レーザ溶接により(第6図に示す方向A又はB)、焼き
嵌めにより、或は単に羽根式の隙間(即ち、約0.001i
n)を設けることにより、複数の翼状部66を一緒に結合
することによって、容易に形成することができる。
連結棒74の側辺は、平行な側辺を有する溝72の場合の
ように、第6図に示す方向A及びBにおける電子ビーム
溶接により結合するのに適する角度ゼロから焼き嵌めも
しくは嵌合組立に適する90゜以下の傾斜角まで変わりう
る角度θにより画成されている。例えば、第7図に示す
ような傾斜した溝72では、連結棒74は、液体窒素その他
の手段を使用して“収縮”され、溝72内に挿入され、そ
の後から同溝72内で膨張される。他方、翼状部66は約50
0゜まで加熱され、そこに連結棒74が挿入されて、低圧
縮応力及び低引張応力の拘束されたシステムを提供す
る。更に、溝72の長さに沿って取り付けられる複数のピ
ン96により連結棒74が溝72に結合されるような状態で、
羽根式の隙間を傾斜溝72の側辺と連結棒74との間に設け
ることができる。
上述のように、本発明による圧縮機ダイアフラム組立
体64は、熱影響領域により招来される疲労割れの問題を
排除する。また、これは、内側シュラウド及び外側シュ
ラウドにおいて典型的に発生する応力集中を実質的に軽
減する。一体的に形成された翼状部は、その製造に関連
したコストを低減すると同時に、動翼の製造に使用され
長期にわたり確立されていた手順(即ち、鍛造、鋳造、
輪郭フライス削り等)を適用できるので、生産品の品質
が良くなる。容易に諒解されるように、損傷した翼状部
66を1つだけ容易に交換することができ、また、翼状部
66、分割されたシール支持装置80、外側シュラウド70及
びスロット75間の多数の接続面は、機械的減衰もしくは
制振の増大を可能にして、これが動的応答を最小にす
る。
明らかなように、上述の記載から考えて多くの変形及
び改変が可能である。従って、本発明は、特許請求の範
囲内で、上に特定的に説明した以外の形態で実施しうる
ものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、燃焼タービンを用いる典型的な発電プラント
の配置例を示す図、第2図は、第1図に示した燃焼ター
ビンを部分的に破断して示す斜視図、第3図は、先行技
術の第1の方法により製造されたシュラウド付き羽根に
作用する力について説明する断面図、第4図は、先行技
術の第2の方法により製造された別のシュラウド付き羽
根の断面図、第5図は、本発明によに一体的にシュラウ
ドが付けられた羽根の斜視図、第6図は、本発明の一実
施例に従って一体的にシュラウドが付けられた第5図の
羽根のための連結溝の詳細図、第7図は、本発明の別の
実施例に従って一体的にシュラウドが付けられた第5図
の羽根のための連結溝の詳細図、第8図は、本発明の好
適な実施例に従つて組み立てられるような第5図に示す
内側シュラウド付きの羽根の斜視図である。 12……燃焼タービン、34……タービン圧縮機部 40……ロータ、42……動翼 44……軸、46……ディスク 50……ケーシング、52……ラビリンスシール 64……圧縮機ダイアフラム組立体 66……羽根翼状部、68……内側シュラウド 70……外側シュラウド、75……スロット 76……負荷伝達手段、82……シール 78……シール支持装置(支持手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−145403(JP,A) 実開 昭57−73308(JP,U) 特公 昭46−17327(JP,B1) 特公 昭32−2604(JP,B1) 英国公開1263639(GB,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ケーシングと、タービン圧縮機部のところ
    で前記ケーシング内に円周方向に形成された第1の所定
    横断面の1つ以上のスロットと、該スロットの各々から
    垂下するようになっていて、ラビリンスシールに複数の
    圧縮機ディスクを備えた圧縮機ダイアフラム組立体とを
    有する燃焼タービンにおいて、前記圧縮機ダイアフラム
    組立体を組み立てる方法であって、 一体的に形成された内側シュラウドをその内側端部で及
    び一体的に形成された外側シュラウドをその外側端部で
    各々が有すると共に、該外側シュラウドには、前記ケー
    シングに形成された前記スロットに摺動自在に係合する
    ように、前記第1の所定横断面に一致する横断面を有し
    ている複数の羽根翼状部を用意し、 該羽根翼状部の各々に連結棒からなる負荷伝達手段を設
    け、 少なくとも1対のディスク係合シールを有する支持手段
    を前記内側ショラウドと係合自在に設ける、 諸ステップからなる圧縮機ダイアフラム組立体の組立方
    法。
  2. 【請求項2】ケーシングと、複数のディスクを有する軸
    に沿って軸方向に配設された複数の動翼を含むロータ
    と、タービン圧縮機のところで前記ケーシング内に円周
    方向に形成された第1の所定横断面を有する1つ以上の
    スロットとを有する燃焼タービンにおける圧縮機ダイア
    フラム組立体であって、 一体的に形成された内側シュラウドをその内側端部で及
    び一体的に形成された外側シュラウドをその外側端部で
    各々が有すると共に、該外側シュラウドが、前記ケーシ
    ングに形成された前記スロットに摺動自在に係合するよ
    うに、前記第1の所定横断面に一致する横断面の上側部
    分を有している複数の羽根翼状部と、 該複数の羽根翼状部の隣接するものをそれらに関連した
    前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドのところで
    結合すると共に連結棒からなる負荷伝達手段と、 少なくとも1対のディスク係合シールを含むと共に、前
    記内側シュラウドと係合自在の支持手段と、 の組み合わせからなる圧縮機ダイアフラム組立体。
JP2037523A 1989-02-21 1990-02-20 燃焼タービンの圧縮機ダイアフラム組立体及びその組立方法 Expired - Fee Related JP2628604B2 (ja)

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US312,287 1989-02-21
US07/312,287 US5022818A (en) 1989-02-21 1989-02-21 Compressor diaphragm assembly

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JPH02245403A JPH02245403A (ja) 1990-10-01
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KR (1) KR0152441B1 (ja)
AR (1) AR243011A1 (ja)
AU (1) AU621444B2 (ja)
CA (1) CA2010446A1 (ja)
DE (1) DE69005845T2 (ja)
MX (1) MX168121B (ja)

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