JP3863938B2 - 動翼先端間隙を制御し得る除去自在タービン内殻 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はタービンに関し、特に、高温ガス通路構成部の閉サイクル水蒸気冷却または空気冷却あるいは開サイクル空気冷却を用い、そして整備、修理および（または）空気冷却と水蒸気冷却間の切換えのためにロータを除去することなくタービンの高保守性高温ガス通路部品に接近することを可能にする着脱自在なタービン内殻および外殻を有する陸上ガスタービンに関する。本発明はまた、確実な動翼先端間隙制御をもたらすような構造のタービン内殻および外殻に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおける高温ガス通路構成部は通例、高温にさらされる表面を冷却するために空気対流技術と空気膜技術を用いるものである。高圧空気が通常圧縮機から抽出され、そして空気を冷却に用いた後空気圧縮エネルギーが失われる。発電用の現用強力ガスタービンでは、静止高温ガス通路タービン構成部、すなわち、ノズルとタービン動翼シュラウドは質量の多いタービン殻構造体に直接取付けられており、そしてシュラウドはタービン殻の熱ひずみにより翼端間隙摩擦を起こしやすい。すなわち、定常運転と過渡運転中のタービン殻の熱膨縮は積極的に制御されないのでタービンの熱特性に従う。このような工業用強力ガスタービン内の動翼先端間隙は、通例、シュラウドと翼端間の最大閉塞（通常過渡状態中に発生）と、ロータとステータの定常作用と関連する全ての公差と未知量とにより決定される。
【０００３】
高温ガス通路構成部の水蒸気冷却が既に提案されており、これは、例えば、複合サイクル原動所の熱回収蒸気発生器および（または）蒸気タービン部から利用可能な蒸気を利用するものである。蒸気をガスタービン構成部用の冷却媒体として利用する場合、（通例開サイクル構成において）圧縮機抽出空気を冷却用として抽出しないことにより得られる利得が、蒸気を蒸気タービン駆動用のエネルギー供給に用いる代わりに冷却媒体として用いることと関連する損失を相殺して余りある限り、通例正味利得が生ずる。蒸気冷却概念は、冷却用蒸気が閉回路内に供給される場合さらに有利である。この場合、蒸気がガスタービン構成部を冷却する際に蒸気に与えられる熱エネルギーが、蒸気タービンの駆動に有用な仕事として回収される。
【０００４】
空気と蒸気との熱伝達特性の差異の故に、両冷却媒体を利用するように設計されたタービン構成部は構造が異なるものと予想される。例えば、閉回路蒸気冷却により冷却されるように設計されたタービンノズルは開サイクル空気冷却により冷却されるノズルとはかなり異なるものと予想される。対流冷却をもたらす内部通路は異なるように形成されよう。蒸気冷却の場合、冷却媒体はノズルから回収されて他所で有用仕事をなすのに対し、空気冷却の場合、空気は通例ノズル仕切部材の壁に設けた孔を経て放出され、冷却される構成部を覆う冷却空気膜を形成する。
【０００５】
（後述の本発明の一特徴として）ガスタービンが空気か蒸気で冷却される適応性をもつためには、相異なる冷却媒体に対応するように幾つかの構成部（冷却すべき構成部）を入れ替えることができるようにする必要がある。例えば、単純サイクルガスタービン原動装置を購入する顧客は、代替冷却媒体源が得られないので、タービン構成部を空気で冷却する必要があることはほとんど確実であろう。しかし、もし顧客が後に原動装置を拡張して格上げ複合サイクル装置にすれば、蒸気は冷却媒体としてただちに利用できるようになり、そして効率の観点からこの蒸気をタービンの冷却に利用すると有利であり、そのためには高温ガス通路構成部の少なくとも幾つかの変更が必要である。空気冷却および蒸気冷却タービンそれぞれにおいて整備と交換のために静止高温ガス通路構成部を除去すると、通例多くの休止時間と費用がかかる。加えて、蒸気冷却の場合、積極的に冷却される高温ガス通路構成部間の蒸気冷却管の直接接続と、単一タービン殻は、ロータの除去と殻の直径を過大にすることがなければ、構成部の除去を不可能にする。さらに、ガスタービンの費用節減に有効な整備と修理は、ロータを除去することなく全ての高温ガス通路構成部を取外すことを必要とする。
【０００６】
ガスタービンの熱力学的性能はタービンの経済的価値を定める主要特性である。タービン動翼先端間隙は熱力学的性能を高める主要因子である。ステータ構成部を単一タービン殻に装着することが現在実行されている。熱的および機械的荷重により生ずるタービン殻ひずみは、動翼シュラウドとノズルダイアフラムの半径方向位置の周方向変動として現れる。この周方向不均整は、現在、前述のように動翼先端対シュラウドの運転時の間隙の増加により説明される。これは熱力学的性能に非常に不利な影響を与える。その結果、シュラウドと翼端との間の半径方向間隙の変動を最少にしてタービン性能を高める必要がある。翼端間隙制御は蒸気冷却の場合さらに重大となる。なぜなら摩擦により蒸気が高温ガス通路に漏れるおそれがあるからである。
【０００７】
閉回路冷却系を利用する動翼の場合、冷却用熱媒体は全て該系の他所で使用されるように戻され、空気冷却系におけるように高温ガス通路内に分散しないことを認識されたい。これは翼端冷却をさらに困難にする。従って、翼端の伝導冷却を良くするには翼端キャップを開回路冷却設計の場合よりかなり薄くしなければならない。翼端厚さを減らすと、シュラウドとの摩擦または接触が冷却通路を突き破るおそれが増し、その結果冷却媒体が排出されそして動翼が破損するおそれがある。従って、翼端間隙制御は、特に構成部をただちに除去し得る閉回路冷却設計において極めて重要である。
【０００８】
【発明の開示】
本発明によれば、タービンに内殻と外殻が設けられる。説明のために、タービンは好ましくは４段からなり、内殻は第１および第２段ノズルと、第１および第２段シュラウドとを担持し、外殻は第３段と第４段のノズルとシュラウドを担持する。しかし、それより多いか少ない数のタービン段と、内殻と外殻により支持された異なる数のノズル段とシュラウドを設けてもよいことを認識されたい。内殻と外殻はそれぞれロータ軸線を中心として周方向に延在する複数の部分、好ましくは、それぞれ１８０度の２つの周方向半分（上部と下部）で構成される。外殻上半分と各内殻半分は、ロータを除去することなく、個別にタービンから除去し得るので、整備、修理および（または）空気冷却構成部と蒸気冷却構成部間の切換えのための高温ガス通路構成部への接近を可能にする。
【０００９】
空気冷却タービンを設ける場合、冷却空気は静止構成部、例えば、第１および第２段ノズルに供給されることを認識されたい。これらの構成部は内殻に担持され、圧縮機からの高圧空気と連通する。第１段ノズルは、高圧空気を燃焼器に供給する空洞内の高圧吐出し空気と開路連通をなし得る。別の管路を設けて比較的低圧の冷却空気を圧縮機抽出溝から外殻を通して内殻と外殻との間の空洞内と第２段ノズル内に供給し得る。供給される冷却空気はもちろん開回路を通る。この空気は第１および第２段ノズルの仕切部材または静翼を出てフィルム冷却に役立ち高温ガス流に入る。冷却空気は同様に管路により直接外殻を通り第３段ノズルに達し得るが、第４段ノズルは冷却されない。また、空気はタービンロータに導入され第１および第２段のタービン動翼に入るように開回路を通り、こうして使用済み冷却空気は高温ガス流内に排出される。
【００１０】
タービン用の閉回路蒸気冷却系において、冷却蒸気は個別の蒸気供給管と使用済み冷却蒸気排出管により第１および第２段の各ノズル仕切部材に供給され、これらの管は内殻を経て仕切部材に接続されそして外端が外殻に離脱自在に接続される。蒸気管と外殻との間の継手にタービンの外側から接近でき、これにより、後述のように、整備と修理のために高温ガス通路構成部に接近し得る。加えて、閉回路蒸気冷却の供給導流路と使用済み冷却蒸気戻り導流路がロータを通って第１および第２段の動翼に入るように設けられる。好適な４段タービン例の空気および蒸気冷却系構成では、第３段は空気冷却されるが第４段は冷却されない。本発明は、内殻および外殻と、両殻相互の取付けと、タービンロータ構成部への接近可能性と、内殻と外殻とに関連する翼端間隙制御とに関係する。本発明は回転構成部、すなわち、ロータと動翼用の空気および蒸気冷却回路の一部を構成するものであり、これらの回路の完全な説明は、「タービンロータ構成部の閉または開回路冷却（Closed Or Open Circuit Cooling Of Turbine Rotor Components)」と題した同時係属米国特許出願第０８／４１４６９５号に記載されている。第１段と第２段の蒸気冷却動翼は、「閉回路蒸気冷却動翼（Closed Circuit Steam-Cooled Bucket）」と題した米国特許出願第０８／４１４７００号に開示されている。両米国特許出願の開示は参照によりここに包含される。また、第１段と第２段の蒸気冷却静翼は、「組合わされた空気および蒸気冷却回路を有するタービン静翼セグメント（Turbine Stator Vane Segments Having Combined Air and Steam Cooling Circuits)」と題した米国特許出願第０８／４１４６９７号に開示されている。この米国特許出願の開示を参照のためここに包含される。従って、単一タービンにおいて空気冷却から蒸気冷却に切換えるには、幾つかの構成部品の設計、除去および（または）交換を相異なる冷却媒体に対応するように行わなければならないことを認識されたい。故に、ロータを除去することなく高温ガス通路構成部への便利な接近をなし得ることが非常に重要である。交換すべき高温ガス通路構成部は、第１段と第２段のノズルと動翼と、空気および蒸気冷却回路用の適当な関連管路からなる。しかし、タービンの他の全ての構成部は共通のものとして残される。すなわち、内殻と外殻、第３段と第４段、および全てのロータホイールとスペーサディスクと軸方向ロータボルトは同じものである。
【００１１】
空気および蒸気冷却構成部間のこの切換えを達成しそして整備および（または）修理のために高温ガス通路構成部に接近するために、外殻は上部と下部（例えば両半分）で構成され、各外殻部は４段タービンの第３段と第４段のノズルとシュラウドを部分的に担持する。加熱・冷却用の様々な入口および出口管継手が外殻部を貫通しており、そして翼端間隙制御（後述）と高温ガス通路翼形部の空気冷却または蒸気冷却とをなすために内殻により担持された管路に接続される。これらの管継手は、切離し（および接続）のために、外殻の外側から接近し得るものである。複数のローラが外殻下半分におけるそれぞれの接近開口を経て配置され内殻を支持する。内殻に担持され内殻と外殻とを連結しかつ内殻を外殻から支持する複数のピンが、その後、外殻の接近開口を経て外殻から離される。ピンの分離と、外殻からの管継手の切離しと、ローラの装着後、外殻の上部をその下部から水平継ぎ目において取外す。次いで、外殻上部を、それにより担持された第３および第４段の関連ノズル組立体半分とともに、持上げて除去する。こうすると、第１および第２段ノズルを担持する内殻上部に接近できる。
【００１２】
内殻の上下両部の相互分離（例えば内殻両半分間の水平継ぎ目における分離）後、内殻上部を、それに組付けたシュラウド、ノズル段、および翼端間隙制御用と蒸気または空気冷却用の関連内部管路とともに、外殻上部の除去により形成された接近開口から除去し得る。蒸気冷却タービンの場合、供給および排出蒸気管が内殻に装着され、そして外殻の外側から接近し得るアダプタ継手により外殻に離脱自在に接続される。従って、アダプタ継手の除去により、内殻によって担持された内部蒸気冷却管路は外殻の半径方向内方に離される。次いで、除去した内殻部に匹敵する重量の模擬内殻部を接近開口内に配置し、そして模擬内殻部と内殻下部とをロータ軸線を中心としてローラ上で回して、前もって配置した内殻下部を、タービン接近開口と合致する上側位置に配置して該開口から除去し得るようにする。こうして、第１および第２段ノズル組立体全体がただちに除去され、静止構成部（すなわちノズルとシュラウド）の交換または修理、あるいは空気冷却と蒸気冷却との切換えのための接近が可能になる。
【００１３】
本発明の他の態様において、内殻と外殻は、ロータと外殻とに対する内殻の半径方向位置の初期調整を可能にすることにより動翼先端とシュラウドとの間の間隙の初期の正確な最小設定をもたらすように、そしてタービン運転中外殻に対する内殻の熱膨縮を可能にするように、互いに連結される。これを達成するために、内殻は好ましくは複数の周方向に相隔たるピンだけによりタービン外殻に装着され、これらのピンは複数の軸方向離間位置における半径方向平面内で内殻により担持され、これらの平面は好ましくは第１および第２段シュラウドを通るものである。ピンは半径方向に突出しており、そして例えば、外殻の外側から接近し得る調整ねじにより調節されて内殻をロータの軸線に対して正確に位置づけ、こうして動翼先端と内殻のシュラウドとの間に狭い初期間隙をもたらす。各ピンは外殻に対する内殻の周方向変位と同心性を制限し、そして内殻周囲のピンの位置は外殻に対する内殻の半径方向変位を防止する。しかし、ピンは熱膨縮による内殻の外殻に対する半径方向移動を抑制しないので、タービン運転中、後述のように翼端間隙制御系により翼端間隙制御を保ち得る。
【００１４】
本発明の他の態様では、外殻に対する内殻の熱膨縮の確実な制御を保つことにより、タービン運転中翼端間隙を積極的に制御し得る。これを達成するために、一体に鋳造または製造された各半筒形内殻半分は、第１段シュラウドを含む一軸方向位置の半径方向平面において概して周方向に延在する内部通路またはプレナムを有し、また第２段シュラウドを含む一軸方向位置の第２半径方向平面において概して周方向に延在する第２内部プレナムを有する。両プレナムは内殻内の通路により互いに連通している。タービンとは無関係の補助源からの熱媒体が、内殻に離脱自在に固定されかつタービンの外殻を貫通している管継手を経て両プレナムに供給される。この補助源は、例えば、モ−タにより駆動される圧縮機と、熱交換器と、ヒータとで構成される補助閉サイクル系により供給される冷却および（または）加熱用流体、好ましくは空気でよい。加熱・冷却流体は管路により補助系から第１および第２段シュラウド周囲の内殻プレナムを循環して戻る。従って、この加熱・冷却流体は内殻の温度、従って外殻に対する内殻の熱的移動（すなわち半径方向膨縮）をタービン運転の関数として制御する。その結果、第１および第２段動翼先端それぞれの周囲の第１および第２段シュラウドの半径方向位置は定常運転中と過渡運転中積極的に制御される。
【００１５】
例えば、タービンを前もって長期間運転しそして構成部品が高温になっている場合のタービンの高温再始動中は、シュラウドとロータとの冷却率の差によりタービン動翼先端に過酷な摩擦が発生し得る。すなわち、周囲のシュラウドと支持構造体はロータより速く冷却して半径方向内方に収縮し得るのに対し、高温再始動時の回転中のロータの遠心作用は本質的に動翼を伸ばすので、翼端がシュラウドに接触するおそれがある。加熱・冷却流体、例えば空気または蒸気を内殻内の両プレナムに供給することにより、内殻の半径方向寸法を過渡運転と定常運転中積極的かつほぼ均等に調整でき、こうして翼端間隙を制御して最小にし得る。従って、最初に最小翼端間隙を設定しそして運転中翼端間隙を積極的に制御することによりタービン性能が高くなる。
【００１６】
本発明による好適実施例では、一タービン段の一部を構成する複数の動翼を担持するロータと、複数のノズルと前記動翼の先端を囲むシュラウドとを担持する内殻と、この内殻の周囲に設けた外殻と、内殻の半径方向および周方向移動を阻止しかつ外殻に対する内殻の半径方向の熱膨縮を可能にするように内殻を支持するための内殻と外殻間の連結手段とからなり、内殻は、タービン運転中動翼先端周囲の内殻の熱膨縮を制御することによりシュラウドと翼端との間の間隙を積極的に維持する熱媒体を収容する通路を有するようになっているタービンが設けられる。
【００１７】
本発明による他の好適実施例では、次のようなタービン、すなわち、外側構造殻と、この外殻に連結されそして一タービン段用のノズルとシュラウドとを担持する内殻とを具備し、前記シュラウドはタービンロータにより担持された動翼の先端を囲んでおり、また内殻をロータの周囲に心合わせするように内殻と外殻との間に係合する複数の連結要素を具備するタービンが設けられる。
【００１８】
本発明による他の好適実施例では、一タービン段の一部を構成する複数の動翼を担持するロータと、収容外殻と、前記タービン段の他部を構成する複数のノズルを担持しかつ前記動翼の先端周囲にシュラウドを有するロータ周囲の内殻と、この内殻の熱膨縮を制御する熱媒体を流す内殻内の通路とを有するタービンを運転する方法であって、内殻と外殻とを相互に連結して外殻をなす構造体に対する内殻の半径方向および周方向移動を阻止しかつ外殻構造体に対する内殻の半径方向熱膨縮を可能にする段階と、熱媒体を前記通路に流して内殻の温度と半径方向熱膨縮を制御することにより動翼先端とシュラウドとの間の間隙を制御する段階とを包含する方法が提供される。
【００１９】
本発明による他の好適実施例では、ロータを有するタービンにおいて、タービンロータにより担持された複数のタービン動翼の先端の周囲にシュラウドを担持しそしてタービンの外殻により支持される内殻を位置づける方法であって、半径方向に向けられそして周方向に相隔たる複数のピンを外殻と内殻との間に両殻と係合するように配置して内殻と外殻の半径方向および周方向相対移動を抑制しかつ内殻と外殻の相互に対する実質的に抑制されない熱膨縮を可能にする段階を包含する方法が提供される。
【００２０】
本発明による他の好適実施例では、ロータと軸線を有するタービンにおいて、タービンロータにより担持された複数のタービン動翼の先端の周囲にシュラウドを担持しそしてタービンの外殻により支持される内殻を位置づける方法であって、半径方向に向けられそして周方向に相隔たる複数のピンを外殻と内殻との間に両殻と係合するように半径方向平面内に配置する段階と、これらのピンの少なくとも１対を調節して内殻をロータにより担持された動翼先端とロータ軸線とに対して位置づける段階とを包含する方法が提供される。
【００２１】
本発明による他の好適実施例では、取付けたノズル段部とシュラウド部を担持する複数の内殻部分の少なくとも一つを、これらの内殻部分を覆う少なくとも２つの外殻部分を含む外側ハウジングを有するタービンから除去する方法であって、一つの外殻部分をタービンハウジングと外殻部分の他の一つから分離する段階と、分離した外殻部分をタービンハウジングから除去して接近開口をタービンに画成する段階と、ノズル段部とシュラウド部を取付けた一内殻部分を接近開口を通して除去する段階とを包含する方法が提供される。
【００２２】
本発明による他の好適実施例では、空気冷却回路と水蒸気冷却回路の一方により冷却される複数の高温ガス通路構成部を有する多段タービンにおいて、このタービン内で空気および水蒸気冷却回路間の切換えをなす方法であって、空気および蒸気冷却回路の一方により冷却される高温ガス通路構成部をタービンから除去し、そして除去した高温ガス通路構成部の代わりに空気および蒸気冷却回路の他方により冷却される高温ガス通路構成部を設ける段階を包含する方法が提供される。
【００２３】
【発明の目的】
従って、本発明の主目的は、複数の高温ガス通路構成部を支持し、タービンロータを除去することなく諸タービン段に接近することを可能にしかつ確実な動翼先端間隙制御と空気冷却回路と蒸気冷却回路間の切換えとを可能にする着脱自在内殻を有するガスタービンと、関連方法とを提供することである。
【００２４】
【実施例の記載】
図１は本発明を組込んだ単純サイクル単軸強力ガスタービン１０の概略図である。このガスタービンは、ロータ軸１４を有する多段軸流圧縮機１２を含むものと考えてよい。空気が１６において圧縮機の入口に入り、軸流圧縮機１２により圧縮された後排出されて燃焼器１８に達し、そこで天然ガスのような燃料が燃やされて高エネルギー燃焼ガスが発生しタービン２０を駆動する。タービン２０において、高温ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部分は軸１４を介して圧縮機１２の駆動に使用され、残部はロータ軸２４により発電機２２のような負荷を駆動する有用仕事として発電に利用される。典型的な単純サイクルガスタービンは、燃料による入力の３０〜３５％を軸出力に変換する。入力残部は１〜２％を除く全てが排気熱の形態で２６においてタービン２０を出る。ガスタービン１０を複合サイクル構成において利用することにより比較的高い効率が得られる。この場合、タービン排気流のエネルギーが追加有用仕事に変換される。
【００２５】
図２は最も簡単な形態の複合サイクルを示し、この場合、２６においてタービン２０を出た排気ガスが熱回収蒸気発生器２８に入り、そこで水をボイラ方式で蒸気に変換する。こうして発生した蒸気は蒸気タービン３０を駆動し、そこで追加仕事が抽出され軸３２を介して第２発電機３４のような追加負荷を駆動し、これにより追加電力が発生する。ある構成では、タービン２０、３０が共通発電機を駆動する。電力だけを発生する複合サイクルは、比較的進んだガスタービンを用いる場合、５０〜６０％の熱効率範囲内にある。
【００２６】
図３は本発明と関連するガスタービンをより詳細に示す。このガスタービンは好ましくは図２の複合サイクル構成において使用される。圧縮機１２から出た空気が、燃焼器１８を構成する複数の燃焼缶に送られ、これらの燃焼缶は通常の態様でロータ軸１４の周囲に配設されており、このような「缶」の一つを３６で示す。燃焼により発生した燃焼ガスはタービン部２０の駆動に用いられ、このタービン部は本例では４つのホイール３８、４０、４２、４４により代表される４つの連続段を含み、これらのホイールはタービンロータを構成しそしてロータ軸１４にそれと共に回転するように装着されている。各ホイールは１列の動翼を担持し、それぞれの翼列は動翼４６、４８、５０、５２により代表されており、これらの動翼は複数の固定ノズル間に交互に配設され、これらのノズルはそれぞれ静翼５４、５６、５８、６０により代表されている。すなわち、第１段がノズル５４と動翼４６を含み、第２段がノズル５６と動翼４８を含み、第３段がノズル５８と動翼５０を含み、そして第４段がノズル６０と動翼５２を含む４段タービンが例示されていることを認識されたい。
【００２７】
図４に示すように、タービンは収容用外側構造殻７０と内殻７２とを含み、内殻７２は第１および第２段用のシュラウド７４、７６を担持している。図３に明示のように、外殻７０は軸方向両端の一端が例えばボルト７４によりタービン排気フレーム７７に固定されそしてその上流端がボルト７５により圧縮機吐出しケーシング７９に固定されている。外殻７０と内殻７２はそれぞれ複数の殻部、好ましくは２個の弧状殻半分からなり、各殻半分はロータ軸線を中心としてほぼ１８０度延在する。従って、外殻両半分は軸方向両端において残りのタービンハウジングにそして水平継ぎ目（図示せず）において相互にボルト止めされる。内殻部７２と外殻部７０はそれぞれ、温度変化に感応し従って温度変化により膨縮する一体の鋳物または製造物で構成されることを認識されたい。
【００２８】
タービン内殻７２の軸方向寸法はタービンの一段から全段に及び得るが、図３と図４の好適実施例における内殻は、例示した４タービン段の最初の２段、特に、内殻に取付けた２段の静止シュラウド７４、７６にわたる軸方向寸法を有するものとして示されている。タービン内殻７２は圧力容器でも最終収容容器でもなく、それ自体はタービン外殻７０に必要な構造健全性とフランジ寸法を要しない。従ってその熱ひずみと機械的ひずみは極めて少ない。
【００２９】
また図４に示すように、内殻７２は第１および第２段ノズル静翼５４、５６の各翼冷却用の冷却媒体供給管４９ｓと戻り管５１ｒを担持している。これらの個々の供給管と戻り管は適当なフランジとガスケットにより弧状の供給導管５３ｓと戻り導管５５ｒそれぞれに永久接続されており、これらの導管は内殻７２から半径方向外方かつ外殻７０から半径方向内方に離隔しそして内殻７２の周沿いに延在する。各導管５３ｓ、５５ｒは管継手５７を有し、この管継手は、外殻を貫通する関連接近開口から半径方向内方に離間した半径方向外側環状フランジ５９で終わっている。各接近開口は、複数のボルト穴を有する環状フランジ、例えば、図４のフランジ６１を備えている。アダプタ継手６３、すなわち、同心の複数組の環状配設ボルト穴を有する環状フランジにより、管継手を外殻に離脱自在に固定でき、外殻７０と管継手５７との結合と分離をなすためのボルトへの接近が外殻の接近開口により可能である。すなわち、アダプタ継手６３を管継手５７に結合するボルトと、継手６３を外殻７０に結合するボルトは両方とも外殻７０の外側から接近可能である。その結果、冷却用の供給管４９ｓと戻り管５１ｒを外殻から離して、各フランジ５９と外殻の内面との間に空間を残すことにより、外殻と内殻を後述のように除去することができるので、回転可能なタービン構成部に接近して整備と修理をなし得る。加えて、この構成では、空気冷却静止構成部を蒸気冷却構成部とただちに交換し得るのに対し、両冷却媒体に共通なロータ部品、例えば、ホイール、スペーサ、第３および第４段動翼等と、外殻は使用される。
【００３０】
図６と図７と図８Ａを参照するに、内殻７２は、ロータ軸線に垂直な複数の半径方向平面に沿い、そして好ましくは第１および第２段の動翼およびシュラウドと整合する軸方向位置において外殻７０に固定される。これを達成するために、複数のピン９０が内殻と外殻との間において両殻に次のように、すなわち、外殻に対する内殻の半径方向および周方向移動を防止するが、熱ひずみの結果としての半径方向の抑制されない移動を可能にするように連結される。好ましくは、内殻と外殻との間のピンは半径方向平面において周方向に相隔たる位置に存在する。例えば、各軸方向位置に８つのピン位置を用いて両殻を相互に連結することができ、その際各ピン９０はロータ軸線を中心として隣接ピンから約４５度離れて存在する。図７に示すように、ピンはまた内殻両半分７２間の水平継ぎ目Ｊから隔てられ、図７の半径方向の矢印は内殻と外殻の相対的な熱膨縮を表す。
【００３１】
ピンは好ましくは筒形で、内殻に固定され、内殻から半径方向外方に突出して縮小部９１で終わっている。縮小部９１は相対する側に平面部８９を有する。すなわち、平面部８９は周方向に面している。ピンの筒形の半径方向内側端部は好ましくは内殻７２の外周に設けた補完開口内に焼ばめされる。
図６と図８Ａと図８Ｂに明示のように、トップハット９４が、ピン９０の周方向位置において外殻７０の接近開口９２（図６）を貫通して設けられる。トップハット９４はボルト穴を設けたフランジを有し、これらのボルト穴はトップハットを外殻の接近開口９２の周囲のリングフランジにボルト止めするための穴であり、リングフランジは対応ボルト穴を有する。各トップハット９４はほぼ筒形の半径方向内方延長部９６を有し、この延長部は内端部に雌ねじ付き横開口９３を有する。図８Ａと図８Ｂに示すように、調整ねじ９５が、直径方向に相対するねじ付き開口９３にねじ込まれる雄ねじ端部を有し、そして筒形トップハット延長部９６の半径方向内方に突出する。開口９３とねじ９５は、ピンの半径方向外側端部の平面部８９とやはり交差する周方向面内に存在する。ねじの内端はそれぞれ凸形球面頭部９７（図８Ｂ）を有し、この頭部は球面座金９９の補完凹面９８と係合し、座金９９は、ピン９０の片側の平面部８９と滑動自在に係合し得る平面１０１を有する。各ねじ９５はその雄ねじ端部と頭部９７との間に一連の平面部１０３を有する。これにより、工具例えばレンチ（図示せず）を直径の大きな筒形トップハット延長部９６内に挿入し平面部１０３の周囲に係合させて調整ねじ９５を回すことができ、従ってねじ９５への接近が外殻７０の外側から可能である。トップハット延長部の周囲に９０度相隔たる４本の調整ねじ９５を用いてもよい（その場合ピン９０の周囲に９０度相隔たる平面部が存在する）ことを理解されたい。ただし、周方向面における２つだけのこのようなねじが好ましい。タービン外殻外径の位置でトップハットにボルト止めされた盲フランジがピンの周りの半径方向ガス漏れを封止する。
【００３２】
調整ねじ９５を外殻７０の外側から選択的に調節することにより、シュラウド７４、７６とそれぞれのタービン動翼４６、４８との間に初期の最小間隙を設けるように内殻７２をロータ軸線に対して位置づけることができる。前述のように、この構成は、内殻を外殻に固定して周方向および半径方向移動を阻止するが、内殻がプレナム７８、８０内の熱媒体の適用に応じて外殻に対して熱ひずみすなわち半径方向移動を起こすことを可能にして、（後述のように）翼端間隙制御を容易にする。内殻が最初に設置されそして調整ねじ９５により調整されてロータ軸線と整合した時、ピン９０とねじ９５は運転時のタービン翼端間隙を確実に維持し、このような間隙は、タービンの外側にありかつタービンとは無関係の加熱・冷却源から熱媒体をプレナムに供給することにより、タービンの定常運転と過渡運転中維持され得る。ピンはロータ軸線に垂直な２平面に配置され、両面はそれぞれ第１および第２段シュラウドを通る面である。これは重要なことである。ピン９０は外殻に対して内殻の構造的支持をなす。シール１００、１０２が、図４に示すように、両殻の両端に設けられ、ＩとＩＩとＩＩＩで示した異なる空気圧力の区域間の空気流を最少にする。また、複数のパッド１０５が図４に示すように内殻７２の後ろ側隔壁と外殻７０の前側隔壁との間の周方向に相隔たる位置に配置されている。パッド１０５は内殻にかかる軸方向荷重を外殻に伝える。
【００３３】
タービンの好適実施例では、タービン動翼４６、４８の先端とそれぞれのシュラウド７４、７６との間の回転時翼端間隙は、タービンの定常運転と過渡状態中、内殻７２の温度を制御することにより、そして好ましくは、例えば、タービンおよびその運転とは無関係の熱媒体源からのプレナム７８、８０内の熱媒体用いて内殻温度を制御することにより確実かつ積極的に制御される。この目的を部分的に達成するために、内殻７２は第１および第２段のシュラウドと動翼を通る半径方向平面における複数のピン９０により支持され、これにより、内殻はピンだけにより外殻から支持されて周方向および半径方向移動を阻止され、そして半径方向突出ピン９０により熱状態すなわち供給熱媒体に応じた半径方向膨縮が可能になる。図５と図５Ａを参照するに、プレナムまたは通路７８、８０が内殻７２に、好ましくはシュラウド７４、７６それぞれの半径方向外側の位置に形成されている。プレナム７８、８０は半径方向平面において弧状に延在し、各内殻部、例えば各内殻半分の周沿いに延在する。図５Ａに示すように、プレナム７８、８０は、各内殻部において隣接内殻部との継ぎ目に隣接する概して軸方向に延在する通路８２により、互いに直列連通をなしている。すなわち、通路８２はプレナム７８とプレナム８０とを直列流関係に接続している。図５と図５Ａに示すように、入口管８４が外殻７０の接近開口を貫通して、内殻７２に取付けた入口管継手に接続するようになっており、これにより熱媒体が外殻７０を通ってプレナム７８に入り得る。また、出口管８６が外殻７０の接近開口を貫通しており、これにより、内殻プレナム７８、８０に入った熱媒体が排出されて熱媒体源に戻り得る。外殻と内殻それぞれの両上半分を図示しかつ説明してあるが、外殻と内殻の両下半分は実質的に同じであり、一方の説明は他方の説明として十分であることを認識されたい。また、単一入口管と単一出口管だけを、熱媒体を内殻部のプレナムに供給するものとして特に開示してあるが、複数の別々の入口と出口をプレナム７８、８０に対して設け得ることも認識されたい。また、本発明の範囲内でプレナム７８、８０を所望に応じ複数の別々の入口と出口を有する複数のプレナムセグメントで構成してもよい。
【００３４】
さらに、入口管８４と出口管８６（図５）はそれぞれ、プレナム７８、８０と連通する内殻の管接続部８４ａ、８６ａに、外殻７０の外側から入口管と出口管をそれぞれのプレナムから切離しかつ接続し得るように、離脱自在に接続される。これは、入口８４と、内殻７２に固定した延長管８４ａとの継ぎ目と、出口管８６と、プレナム８０の開口周囲のフランジリング８６ａとの継ぎ目とにおけるガスケット付きフランジ接続部により達成でき、そのためのボルトは入口８４と出口８６内に存在しそして外殻７０の外側から入口８４と出口８６を経て接近可能である。
再度図５を参照するに、プレナム７８、８０に供給される熱媒体は、本例では、タービンと無関係のそして好ましくは閉回路内の外部源により送給される。この閉回路は熱交換器８８と圧縮機９０とヒータ９２を含み得る。こうすると、熱媒体は冷却または加熱用熱流体として、タービンの運転状態により必要でしかも望ましいように閉回路において入口８４と出口８６を通るように、プレナム７８、８０に入り得る。プレナム７８、８０に供給された加熱・冷却媒体の温度は、始動、高速運転そして過渡状態例えば停止中のタービンの履歴温度に基づく予定に従って制御でき、これにより、内殻は膨縮するように制御され、タービン運転中に生ずる典型的な熱的不整合をなくし得る。
【００３５】
内殻と外殻間のピン連結は翼端間隙制御を容易にすることを理解されたい。内殻は半径方向および周方向移動を起こさないように固定されるが、内殻は熱媒体により被制御温度入力に感応して制御自在に膨縮して動翼４６、４８の先端に対するシュラウド７４、７６の間隙を制御する。例えば、始動中、プレナム７８、８０に供給される熱媒体は加熱用流体である。内殻を加熱することにより、内殻はロータと動翼の熱膨張率に等しいかそれより高い率で膨張し得る。従って、半径方向突出ピン９０は座金９９の平面に沿って半径方向外向きに滑り、外殻に対する内殻とそのシュラウドの膨張を可能にしてシュラウドと翼端間の間隙を保つ。過渡状態中、内殻はロータより速く収縮し得るので、シュラウドを半径方向内方に変位させ翼端に近づける。この場合、加熱流体がプレナムに供給されるので、内殻の熱収縮率はロータと動翼の熱収縮率より低くなって翼端とシュラウドとの接触を防ぐ。定常運転中、熱媒体の温度はシュラウドと翼端間に所定間隙を保つように制御される。従って、殻の全ての能動的な熱ひずみ中、外殻により担持された調整ねじと、内殻により担持されたピンとの結合は、ピンの平面部と調整ねじの座金との相対滑り運動を許容して翼端間隙制御を可能にする。内殻は他部では、軸方向両端におけるシールを除けば、固定されない。
【００３６】
本発明の他の様相は、ロータをタービンから除去することなくタービンに接近してタービンの高温ガス構成部を除去できることにある。再び図３を参照すればわかるように、タービンの外殻７０は本好適４段タービンにおける第３段ノズル５８と第４段ノズル６０を担持しているのに対し、内殻７２は第１段ノズル５４と第２段ノズル５６を担持している。また、前述のように、内殻と外殻はそれぞれ好ましくは上側および下側殻半分で構成される。細長い接近開口１２５が図１２に概略的に示すように外殻下半分に沿って形成されている。ローラ組立体１０４が細長い接近開口に挿入されそして内殻７２と係合して内殻をローラで支持し、内殻がローラ上で回転することを可能にする。第２組のローラが、トップハット９４に用いる穴と同じ１組の穴内で使用される。トップハットは１度に１個ずつ除去されそしてローラ組立体が設置される。ローラはピン９０からずれており、従って内殻がピンの除去なしに転がり出ることを可能にする。ローラ組立体１０４、１０６はそれぞれ接近開口１２５、１０２に挿入されてランド１０８、１０９と接触する。各ランドは内殻７２の一部分を構成している。
【００３７】
図１３に示すように、ローラ組立体１０４は（ローラ組立体１０６と同様に）２輪ボギートラック形であり、ホイール１１１が１１３においてねじ付きスタッド１１５に枢着され、このスタッドにはねじ付きカラー１１７が設けられている。カラー１１７は比較的大きな直径の肩フランジを有し、このフランジはタービン外殻７０の面上で回転自在である。カラー１１７はＣ形リングにより固定される。ねじ付きカラー１１７を回すと、スタッド１１５が前進するので、ホイール１１１はランドと係合し得る。カラー１１７を逆に回すとホイール組立体１０４は後退する。ホイール組立体１０６はホイール組立体１０４と実質的に同様であるが、ホイールの寸法と個数だけが異なる。これは組立てと分解中の内殻７２の荷重の分担に対応するものである。
【００３８】
外殻上半分を除去する前に、調整ねじ９５を後退させて平面部８９から引き離し、そしてトップハット９４を外殻の接近開口から抜出して除去すると、内殻は、前述のように外殻下半分に挿入されたローラだけにより支持された状態になる。また、冷却管継手５７と、熱媒体入口接続部８４および出口接続部８６と、関連アダプタ継手６３を外殻７０の接近開口を通して切離す。アダプタ継手６３を除去した時、冷却管フランジ５９と、プレナム７８への入口延長管と、プレナム８０からの出口は外殻から半径方向内方に隔てられ、それらの間に間隙が生ずるので、内殻下半分を後述のように除去できる。前述のように、外殻上半分をタービンから除去するには、軸方向両端フランジをタービンハウジングの残部からボルトの除去により取外し、そして外殻上半分を外殻下半分から両半分間の水平継ぎ目に沿ってボルトの除去により取外せばよい。外殻上半分をタービンから持上げることにより、第３段ノズル５８と第４段ノズル６０も外殻上半分とともにタービンから同様に除去される。外殻上半分の除去はまた、内殻両半分を、それらにより担持された第１および第２段のノズルおよびシュラウドとともに除去するための接近を可能にし、さらに、タービン動翼と他の高温ガス通路部品とを必要に応じて除去しそして交換するためにそれらに接近することを可能にする。これは図９に概略的に示してあり、同図では外殻上半分７０と内殻上半分７２は除去された状態にある。
【００３９】
外殻上半分と内殻上半分を除去した状態で、模擬内殻半分１１０（図１０）を内殻下半分に固定する。この模擬内殻半分は内殻半分と同程度の重量のものである。転動取付具１１２をタービンハウジングすなわち外殻下半分に、模擬タービン内殻１１０を囲むように固定し得る。ウィンチ１１４を転動取付具１１２上に設けそして線を内殻下半分に取付け得る。ウィンチを働かせることにより、内殻下半分と模擬内殻半分とをロータ軸線を中心として回すことができ、こうして内殻下半分を接近開口内に露出させる。他の適当な工具を用いて模擬内殻半分と内殻下半分とを一体として回し、前に下側にあった内殻半分を接近開口内の上側位置に移し得る。内殻下半分は、ひとたび接近開口内に配置されると、それにより担持された第１および第２段のノズル部およびシュラウド部とともに接近開口を経て除去され得、これにより全てのノズルとシュラウドを交換できる。
【００４０】
逆の手順を用いてタービンを交換または改修部品とともに再組立てし得る。例えば、模擬殻半分１１０を配置した状態で、新しい内殻半分を模擬殻に隣接するように接近開口内に配置できる。新しい内殻半分と模擬殻とを回すことにより、新しい内殻半分をタービンハウジングの下半分内に配置でき、次いで、第２の新しい内殻半分を接近開口内に配置しそして内殻下半分に固定し得る。その後、外殻上半分を元に戻してタービンを閉ざす。次いで、トップハット９４を挿入しそして調整ねじを調節してロータ軸線を中心とする内殻の初期心合わせを行い翼端間隙を最小にする。次に、管継手５７と熱媒体用の入口および出口接続部を外殻の接近開口を通して再接続し、そしてローラ組立体を除去すると、タービンは運転可能な状態になる。
【００４１】
図１４には、本タービンが点刻してある部分と点刻してない部分を有するものとして示されている。図１４の点刻部分は、空気冷却または蒸気冷却を用いる時タービンに共通のタービンロータ構成部を表す。図１４の点刻してない部分は、ロータの空気冷却と蒸気冷却間の切換え時に交換すべきタービンロータ構成部を表し、蒸気冷却構成部が例示されている。例えば、顧客は最初空冷４段タービンを必要としそして後に空冷タービンから蒸気冷却タービンへの変換を必要とするかもしれない。タービン全体を交換するのではなく、空冷タービンの第１および第２段動翼４６、４８と、第１段シュラウド７４と、第１および第２段仕切部材５４、５６だけを交換すればよい。外殻上部７０と内殻両半分を除去することにより、前述のように、内殻は、第１段シュラウドと第１および第２段仕切部材とを除去しそしてこれらの要素の代わりに蒸気冷却に必要なシュラウドと仕切部材と管路を設けることにより改修され得る。新しいタービン内殻を交換部分として設けてもよいことは明らかである。また、回転構成部に接近して、第１および第２段空冷タービン動翼を第１および第２段蒸気冷却動翼と交換できる。前述の先行米国特許出願に開示されている交換用のタービン動翼とロータ蒸気冷却回路を用いれば変換が完全になる。その結果、空気冷却タービンあるいは蒸気冷却タービンに使用する共通部品は、内外両殻と、第３および第４段ノズルと、第２段シュラウドと、全てのロータホイールとスペーサと、第３および第４段タービン動翼とを含むものとなる。
【００４２】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を包含するガスタービンの概略図である。
【図２】本発明を包含しそしてガスタービンと熱回収蒸気発生器とを用いて効率を高めた複合サイクル装置の概略図である。
【図３】タービンの一部分の断面図であり、その燃焼器部と圧縮機部とタービン部を示す。
【図４】図３に示したタービンの一部分の拡大断片断面図である。
【図５】図５は内殻と外殻と第１および第２段の動翼とノズルを、タービン内殻半分の熱膨縮を制御するための配管および通路とともに示す縮小断面図である。図５Ａは図５のタービン内殻半分用の熱回路の概略図である。
【図６】内殻と外殻との間の連結手段を部分的に示す分解断片斜視図である。
【図７】内殻と外殻間のピン連結の位置を示す半径方向平面に沿う概略図である。
【図８】図８Ａは内殻の一部分の断片断面図で、内殻と外殻との連結を示す。図８Ｂは半径方向内方に見たトップハットの拡大断面図で、内殻を固定してその半径方向および周方向移動を阻止することと、相対熱膨縮とを可能にする内殻と外殻間の連結を示す。
【図９】内殻下部への接近の仕方を示す概略図である。
【図１０】内殻下部への接近の仕方を示す概略図である。
【図１１】内殻下部を除去する前に回す仕方を示す半径方向平面に沿う概略図である。
【図１２】タービン部品の分解と組立て中内殻を支持するために外殻に挿通されたローラを示す断片断面図である。
【図１３】内殻を担持するローラの拡大断面図で、図１２の線１３−１３にほぼ沿う断面図である。
【図１４】空気冷却と蒸気冷却とに共通のタービン構成部と、空気冷却と蒸気冷却間の切換え時に交換される構成部とを示す図３と類似の図である。
【符号の説明】
２０ タービン
４６、４８、５０、５２ タービン動翼
４９ｓ 冷却媒体供給管
５１ｒ 冷却媒体戻り管
５３ｓ 冷却媒体供給導管
５４、５６、５８、６０ タービン静翼（ノズル）
５５ｒ 冷却媒体戻り導管
５７ 管継手
７０ タービン外殻
７２ タービン内殻
７４、７６ シュラウド
７８、８０ プレナム（通路）
８４ 熱媒体入口管
８６ 熱媒体出口管
９０ ピン
９４ トップハット
９５ 調整ねじ
９７ 球面頭部
９９ 球面座金
１０１ 座金平面
１１０ 模擬内殻部

Claims (8)

1. 一タービン段の一部を構成する複数の動翼を担持するロータと、
   複数のノズルと前記動翼の先端を囲むシュラウドとを担持すると共に、前記動翼の先端の周囲に、前記内殻の前記熱膨縮を制御する熱媒体を収容するプレナム有する内殻と、
   この内殻の周囲に設けた外殻と、
   前記内殻を支持するための前記内殻と前記外殻間の連結手段とを含み、
   前記連結手段は、周方向に相隔てて配置された、半径方向に延びる複数のピンと、前記外殻の外側から選択的に調節可能な調整ねじとを備え、
   前記連結手段は、前記内殻を前記外殻に固定して周方向および半径方向移動を阻止するが、前記内殻が前記プレナム内の熱媒体の適用に応じて前記外殻に対して半径方向移動を起こすことを可能にし、これにより、タービン運転中、前記シュラウドと前記動翼の先端との間の間隙を維持する、タービン。
2. 前記内殻は１対の概して半筒形の一体鋳造部分からなり、各部分は前記熱媒体を収容するために前記内殻の周沿いに概して弧状に延在するプレナムを有する、請求項１記載のタービン。
3. 前記ピンは前記１対の概して半筒形の一体鋳造部分の継ぎ目から隔てられて配置される請求項２記載のタービン。
4. 前記ロータは第１、第２、第３および第４段を部分的に構成する複数の動翼を担持し、前記内殻は第１および第２段ノズルと、第１および第２段動翼の先端を囲むシュラウドとを担持し、前記外殻は第３および第４段ノズルと、第３および第４段動翼の先端を囲むシュラウドとを担持し、冷却媒体を前記第１および第２段ノズルに供給する管路が前記内殻により担持され、そして前記外殻の外側から接近し得る管継手が前記管路に接続されている請求項１乃至３のいずれかに記載のタービン。
5. 前記外殻は２つの概して半筒形の部分で構成され、一方の部分は他方の部分に着脱自在に連結されて開口を形成しており、この開口は前記の一方の外殻部分の除去時に前記内殻への接近を可能にし、前記内殻は、互いに離脱自在に固定された少なくとも２つの概して弧状の部分で構成され、前記弧状部分はそれらにより担持された第１および第２段ノズルとシュラウドの部分を含みそして前記弧状部分の相互離脱時に前記接近開口を経て除去され得る、請求項４記載のタービン。
6. 一タービン段の一部を構成する複数の動翼を担持するロータと、収容外殻と、前記タービン段の他部を構成する複数のノズルを担持しかつ前記動翼の先端周囲にシュラウドを有する前記ロータ周囲の内殻と、この内殻の熱膨縮を制御する熱媒体を流す前記内殻内のプレナムとを有するタービンを運転する方法であって、
   周方向に相隔てて配置された、半径方向に延びる複数のピンと前記外殻の外側から選択的に調節可能な調整ねじとを備える連結手段を用いて、前記内殻と前記外殻とを、相互に連結して、前記構造外殻に対する前記内殻の半径方向および周方向移動を阻止しかつ前記プレナム内の熱媒体の適用に応じて前記外殻に対する前記内殻の半径方向熱膨縮を可能にする段階と、
   前記熱媒体を前記プレナムに流して前記内殻の温度と半径方向熱膨縮を制御することにより前記動翼先端と前記シュラウドとの間の間隙を制御する段階とを包含する方法。
7. 前記内殻は１対の概して半筒形の一体鋳造部分からなり、前記連結は、前記ピンを前記１対の概して半筒形の一体鋳造部分の継ぎ目から隔てられて配置して行われる請求項６記載の方法。
8. 前記ピンの少なくとも１対を調節して前記内殻を前記ロータにより担持された動翼先端と前記ロータ軸線とに対して位置づける段階とを包含する請求項６記載の方法。

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