JP4230040B2

JP4230040B2 - ロータとステータを備えた流体機械

Info

Publication number: JP4230040B2
Application number: JP04200599A
Authority: JP
Inventors: ヘルマン・クリンゲルス
Original assignee: エムテーウー・アエロ・エンジンズ・ゲーエムベーハー
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: EP0937864A2; DE19807247A1; EP0937864B1; EP0937864A3; US6139263A; JPH11294103A; DE59906550D1; DE19807247C2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロータに回転羽根を、またステータに案内羽根を備えたハウジングを有し、案内羽根が半径方向内側のカバーバンドと半径方向外側のカバーバンドを備えた少なくとも一つの案内羽根リングとして設けられている、少なくとも一部軸構造のロータとステータを備えて成る流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の流体機械はドイツ特許出願公開第 27 45 130号明細書により周知であり、この明細書は、特にラビリンス・パッキングを有する軸流タービンに関する。動作媒体の流路は案内羽根リングと回転羽根リングを交互に通過する。その場合、静止部品は半径方向に向けて外から中に、また回転部品は半径方向に向けて内からその中に突き出ている。この明細書の図１から明確に分かるように、半径方向に内に配置されたパッキング（「内側エヤーシール」）がロータと案内羽根リングの間にあり、また半径方向に向けて外側に配置されたパッキング（「外側エヤーシール」）が回転羽根リングとステータの間にある。
【０００３】
このドイツ特許明細書の軸流タービンでは、「内側エヤーシール」の気密フィン（位置・８）がロータ（位置・４）に固定されているので、それ等の寸法あるいは寸法のずれはロータのところの状況（温度、回転数）に依存する。これに対して、付属する気密被覆（位置・７）は案内羽根セグメント（位置・１，５）の内側カバーバンド（位置・２０）に固定されている。案内羽根セグメントはハウジング（位置・１３，１４）のところに支承されているので、気密被覆の寸法あるいは寸法のずれは結局ハウジングの外の状況により実質上一緒に定まる。ロータの状況とハウジングの状況はしばしば同じようにも、また同時にも変化しないので、パッキング部材（位置・７，８）の間で間隙の変わる相対運動が生じる。同じことは「外側エヤーシール」にも当て嵌まる（位置・１１，１２）。特別なタイプの案内羽根のハウジングへの固定はそのように使用されるか、あるいは同じ構成で大きな駆動装置の場合にしばしば使用される。各案内羽根リングの各セグメントは周方向にリング状に閉じた（縦断面で）鉤状のハウジング部材（位置・１４）のところに機械ユニットとして支承されている。外側カバーバンドの上流端部には各案内羽根セグメントに溝付きの縁隆起があり、この溝には鉤状のハウジング部材（位置・１４，２２）が爪状に嵌まる（図３を参照）。
【０００４】
各案内羽根セグメントの外側カバーバンドの下流の端部には、外側に向いた当接面のある（縦断面で）角度を付けた当接段がある。この当接段は動作時に上流の「鉤爪軸受」の周りの流れによって生じる傾きトルクのために対応する鉤状のハウジング部材に対して押圧される（図１を参照）。この鉤状のハウジング部材により、「鉤リング」とも称されるが、高密度の熱流が冷たいハウジングに向けて流れる。その場合、この「鉤リング」は特に「鉤爪軸受」のところでクリープにより益々塑性変形する。解決策はここでも大抵「鉤リング」の持続的な冷却しか提供していない。存在していれば、これには能動的な間隙制御システム（"Active ClearenceControl"＝ＡＣＣ）が一緒に利用される。もっとも、このシステムは動作時に永続している必要がある。
【０００５】
ドイツ特許出願公開第 35 40 943号明細書には、特に二流路駆動装置用のそのような間隙制御システムが開示されている。このシステムでは、二次空気路が少なくともタービン領域の終わりまで延びていて、内壁に開口（位置・１１）を備えている。これ等の開口を経由して二次空気が外からタービンハウジングの領域に吹き込まれる。この単純化されたＡＣＣシステムでは、場合によって、二次空気流の僅かな過圧は空間的に狭く制限されたハウジング区域で、対応する小さな流れ断面を通して充分な投入量の冷却空気流を発生させるためには充分でないという問題が生じる。ＡＣＣでは、圧搾空気がブースターもしくは低圧の圧搾機から冷媒として分岐され、別々の通路に案内され、弁により目的通りに吹き出される。
【０００６】
ガスタービン駆動機構が小さい場合、案内羽根リングは閉じたカバーバンドを備えた自己担持式の組込部材として構成し、ハウジング内に中心合わせすることが知られている。仕上げ技術あるいは強度技術的な理由（熱応力）からこの「モノリシック」な解決策は寸法が比較的小さい羽根リングに限定されている。
【０００７】
ドイツ特許出願公告第 33 36 420号明細書には、軸が破損した際にガスタービンロータの過回転を防止する機構が開示されている。この機構は少なくとも一つの案内羽根リングの案内羽根セグメントが軸方向に傾き、隣の羽根と接触したり絡まるように作用する。交互の機械的な羽根摩擦と羽根破損はロータを急激に効果的に制動する。この機構に付属する案内羽根セグメントは外側カバーバンドセグメントに各一つの自在軸受を有し、形状の合ったリング状の補強部材により内側周囲に連結しているので、これ等のセグメントは一緒に補強するように自己担持式の案内羽根リングを形成する。図２と３の構成では、自在軸受（位置・３６，５６，５８及び６４）は固有な安定性の案内羽根リングのスポーク中心合わせを形成し、これは熱応力の低下時に正確な位置決めと中心合わせを可能にする。高温ガス領域からハウジングへの熱の移動が欠点で、この熱の移動により軸受部材も影響を受ける。この領域の構造部品で生じる高温や温度勾配は耐用期間や寿命を著しく低減させる。
【０００８】
米国特許第 3,588,267号明細書にはプラスチック式の案内羽根リング構造が開示されている。この構造では羽根が閉じた内部トーラス（円輪体）に固定され、このトーラスと共に自己担持リングを形成する。外側の羽根の先端はカバーバンドなしに構成され、金属ハウジングの凹部に直接糊付けされ、接着剤の弾性率は小さい相対移動を調整したり吸収する。この構造体は高温では完全には使用できず、良くても、羽根の圧縮領域あるいは低圧の圧縮領域に使用できる程度であることが分かる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これ等の周知の解決策とそれ等の難点に鑑み、この発明の課題は、どんな運転状態でも最適な間隙保持により、つまり特に低く僅かに変化する漏れ損失を数値計算上良好に検知でき、従って高効率であり、しかも比較的簡単で、低経費且つ低重量であり、長寿命で監視上望ましい構造により、能動的な間隙制御システム（ＡＣＣ）の必要なしで優れていて、大きな出力と寸法でも構成でき、機能性のある、各一つの外側カバーバンドと内側カバーバンドを有する少なくとも一つの案内羽根リングおよびロータとステータを備えた流体機械を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、この発明により、冒頭に述べた種類の流体機械にあって、
（Ａ）少なくとも一つの案内羽根リング１４，１５が、周方向に閉ざされ、少な
くとも大部分にわたり回転対称であって、折り返しの軸方向の変形に対して
部品を強化する補強部２０，２１を備えた自己担持式の部品として内側カバ
ーバンド１６，１７のところに形成されていて、
（Ｂ）少なくとも一つの案内羽根リング１４，１５は周囲に配分された分離継ぎ
目のあるセグメント化された外側カバーバンド１８，１９を備え、
（Ｃ）外側カバーバンド１８，１９の少なくとも３つのセグメントにより、それ
ぞれ空間的に半径方向に相対運動を行える軸受ユニット２４，２５，２６，
２７を用いて、つまり結局のところ少なくとも３つのスポークを持つ、所謂
スポーク中心合わせ部によりハウジング１３内に位置決めされ、
（Ｄ）ハウジング１３と少なくとも一つの案内羽根リング１４，１５の外側カバ
ーバンド１８，１９との間に空気案内シェル３０を配置し、この空気案内シ
ェル３０が冷却空気流をハウジングの内側に沿って導き、少なくとも一つの
案内羽根リング１４，１５のハウジングに固定された軸受部材２６，２７に
対する開口３１，３２を備え、これ等の開口３１，３２が冷却空気流の一部
をカバーバンド１８，１９に向けて流す、
の構成の組み合わせによって解決されている。
【００１１】
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
従って、この発明は、少なくとも一つの案内羽根リングの特別な構成および支承と中心合わせにより、またハウジングを空冷することによりハウジングと案内羽根の間を熱的に分離することにある。少なくとも一つの案内羽根リングを補強部のある自己担持式の部材として内側カバーバンドに形成し、この補強部がバンドを折り返された軸方向の変形に対して補強する。無負荷状態で羽根の軸をほぼ平坦に半径方向に向けることを前提として、これ等の羽根の軸は案内羽根リングの前後の静的な圧力差によりハウジングで傾き「零」の時、リング中心に向けて増加するように軸方向に傾き、事情によっては、曲がったりもする。従って、案内羽根リングは機械的に皿バネと比較でき、このバネの内側縁部分（穴の縁部分）は内側カバーバンドを形成し、外側縁部分は外側カバーバンドを形成する。内側カバーバンドは軸方向にも移動し、羽根によるトルクによりその中に捩じれたり折り返す。つまり、半径・軸断面で見えるカバーバンドの材料の横断面は断面に対してそれぞれ垂直な想像上の軸の周りに剛性と補強に応じて多少捩じれる。
【００１３】
前記折り返しに対する内側カバーバンドのこの発明による補強は、羽根軸の軸方向の突出も低減し、それ故に応力下での案内羽根リングの全変形を低減する。これは「内部エヤーシール」の静的成分の寸法維持を改善する。
【００１４】
外側カバーバンドとハウジングの間の少ないサーマルブリッジと小さな軸受ユニットにより、またこの領域に冷却空気を導くことにより、ガス通路からハウジングへの熱輸送が大幅に阻止される。これにより、特に外側カバーバンドの熱勾配が小さくなり、これは外側カバーバンドのセグメント化と組合わさり、案内リング内の熱応力を低減する。空冷されたハウジングは低い温度レベルに留まるが、案内リングは全体で大体高いガス温度となる。
【００１５】
カバーバンドセグメントの少なくとも３倍のそれぞれ半径方向の移動を許す支承（「スポーク中心合わせ」）は熱膨張や熱収縮を実用上防止しないので、応力の低減にも寄与する。更に、ハウジング内の正確な中心合わせができる。
【００１６】
案内羽根リング構造と案内羽根リング軸受および空冷案内部からのこの発明による組み合わせは、リングの変形状態が主にロータの挙動にも重要な加熱ガスの状況と温度により決まることにある。「内部エヤーシール」と「外部エヤーシール」の静的な成分は案内羽根リングにより支持され、これ等に一致するように振る舞うので、運転状況が交互に変わる場合（非定常運転の場合）時間経過、大きさ、および方向に関して静的なおよび回転性のパッキング部品の変形を最善にバランスさせることができる。従って、この機械は大幅にほぼ不変で最小の間隙あるいは漏れ損失と高効率でもって動作し、特に案内羽根の領域で早めの部品の疲労を恐れる必要はない。ブラシパッキングの使用はパッキング担体の一致した状況により（間隙の変化が少ない、偏心度が少ない等）望ましいか、そうなって始めて可能である。
【００１７】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づきこの発明をより詳しく説明する。
【００１８】
この発明は、一般にロータとステータを備えた流体機械、つまり圧縮機とタービンに適している。これ等の機械は少なくとも部分的に軸流式、つまり主に軸方向の流れで構成されている。熱力学的にまた寸法により、平均からより大きいガスタービン伝達機構までの低圧タービンは有利な実施例を示す。それ故、図１はこの範囲からの一例を示す。
【００１９】
低圧タービン１のうちの最初の二段とそれから上半分の主要部品が示してある。タービンと駆動機構の軸は図１の下に平行に延びている。動作ガスの流れ方向は左から右に進む。つまり、先ず案内羽根リング１４を通過し、次いで回転羽根３の領域を通過し、次いで案内羽根リング１５を通過し、回転羽根４の領域を通過する。その場合、更に他の段（案内段と回転段）が続く。外部駆動カバーはハウジング１３を形成する。このハウジング内には案内羽根リング１４，１５が半径方向に中心合わせされ、軸方向に固定支承されている。回転羽根３，４も案内羽根リング１４，１５も内側カバーバンド５〜８および外側カバーバンド１６〜１９で構成されている。その場合、内側および外側の回転羽根カバーバンドはそれぞれ羽根の間に分離継ぎ目を有する。特に、これにより前記羽根を個々に交換できる。
【００２０】
案内羽根リング１４，１５は自己担持式の構造部品として構成されている。その場合、その機械的な安定性は主に内側カバーバンド１６，１７の領域で得られる。そこには、周方向に閉じた、つまり「取り巻いている」増強部２０，２１が配設されている。これ等の増強部は案内羽根リング１４，１５の熱特性（寸法変化と形状変化）にも重大な影響を与える。運転中のガス力は、特に案内羽根リングの折り返し軸方向の変形を与える。つまり、外側カバーバンドから内側カバーバンドへ増加する軸方向の傾きをカバーバンドの一定の捩じれと共に与える。この「皿状」の変形は内側カバーバンドの増強部を介して著しく低減できる。増強部としては、例えば図示するトーラス状の中空体、軸方向に間隔を保ったリング、中空あるいは中実の形状の組み合わせ等が適する。その場合、場所の状況も重要である。これ等の増強部は、何れにしても、縦断面や横断面で、例えば面の重心を通る半径方向の軸周りにできる限り大きな断面二次モーメントを有するべきである。これは、軸方向に間隔を置いた充分な面成分により達成される。カバーバンドの面成分がここでは一緒に考慮されるべきである。縦弾性係数の大きい増強部の材料が有利である。結局、できる限り小さい質量の上昇で剛性の上昇が最適になるべきである。「折り返し」時の応力と変形を求めることは周知の計算方法で可能である。
【００２１】
増強部２０はカバーバンド１６に形状を合わせて接続している。その場合、案内羽根リング１４は増強部により保持される多数のセグメントで構成されている。これに反して、増強部２１はカバーバンド１７の中に組み込まれている。つまり、このカバーバンドに材料を合わせて継ぎ合わせてある。ここでも、案内羽根セグメントは初期部品であり、これ等の初期部品は内側カバーバンドや増強部の領域で溶接またはハンダ付けで連結される。
【００２２】
しかし、外側カバーバンド１８，１９は組込状態でさらにセグメント化される。つまり、熱応力を最小にするため周囲に多数の分離継ぎ目を有する。
【００２３】
ハウジング１３内の案内羽根リング１４，１５の中心合わせと固定は、ハウジングに固定されたそれぞれ一つの軸受の軸２６，２７およびカバーバンドに固定されたそれぞれ一つの軸受ブッシュ２４，２５を持つそれぞれ少なくとも３つの軸受ユニットで行われる。軸の接触面は球状で、ブッシュは円筒状に形成されているので、自由な半径方向の移動性により、ボールリンク式の全ての側面への傾斜運動が可能である。これは強制力と構造部品の応力を最小にし、寿命を長くする。
【００２４】
「内側エヤーシール」はここでは少なくとも大部分ブラシパッキングで構成されている。その場合、案内羽根リングの補強部のところに固定されているブラシ２２，２３はロータ２に連結するリング１１，１２に対して回転し、これ等のリングは回転羽根３，４の軸方向のストッパーを形成する。
【００２５】
「外側エヤーシール」はここではラビリンスパッキングで形成されている。その場合、リング刃状の密閉端部９，１０は蜂の巣担体２８，２９の上に取り付けてある蜂の巣構造に対して回転する。蜂の巣担持体２８，２９は案内羽根リング１４，１５のところに支承されているので、これ等の案内羽根リングの変形状態を平衡化する。
【００２６】
この発明は、ハウジングと案内羽根リングの軸受ユニットに対する空冷部が設けてあることに意義がある。しかし、この空冷部は構造上ＡＣＣ系のようなほど高価ではない。このため、ハウジング１３の内側には半径方向に間隔を置いて空気案内シェル３０が配設されているので、この空気案内シェルとハウジングの間に冷却空気が駆動装置の長手方向に流れる。通常、圧搾機から分岐した冷却空気の進入は、穴３５を介して、第一室３３へと行われる。ジャーナル２６と２７の領域には空気案内シェル３０が意図的にガス透過性の開口３１，３２を備えているので、冷却空気の一部がジャーナル２６，２７に沿って案内羽根リング１４，１５の外側カバーバンド１８，１９のところを流れ、それに応じた圧力低下（冷却空気の過圧）が予測される。これにより、軸受の個所が冷却され、案内羽根リングからハウジングへの熱流が最小になる。壁パネル３７は、図示していない制限部を保有するか、あるいは対応する絞り間隙と共に冷却空気の制限部を形成する。その結果、冷却空気は次の室３４に圧力を低下させて進入する。冷却空気が隣接する流路の動作ガスに比べてその都度ただ大きな過圧を持っているだけで充分である。動作ガスの圧力は軸方向に減少するので、冷却空気の圧力も少なくとも数段で低減すると効果的である。これはここで制限部を備えた前記の室構造で達成できる。冷却空気の高過圧は空気案内シェル３０の高圧力強度も要求する。つまり、壁の大きな肉厚や重量を必要する。
【００２７】
動作ガスの流路と冷却空気路の間には、動作ガスの副流、つまり動作ガスの損失をこれ等の通路により防止する他の壁パネル３６，３８が配設されている。冷却のために、これ等の壁パネル３６，３８は意図的に幾分ガス透過性に形成されているか固定されている。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によるそれぞれ一つの外側カバーバンドと内側カバーバンドを有する少なくとも一つの案内羽根リングおよびロータとステータを備えた流体機械を用いることにより、どんな運転状態でも、最適な間隙保持により、つまり特に低く僅かに変化する漏れ損失を数値計算上良好に検知でき、従って高効率であり、しかも比較的簡単で、低経費且つ低重量であり、長寿命で監視上望ましい構造により、能動的な間隙制御システム（ＡＣＣ）の必要なく優れていて、大きな出力と寸法でも構成でき、機能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボ空気ビーム駆動装置の低圧タービンの部分断面図である。
【符号の説明】
２ロータ
３，４回転羽根
５〜８カバーバンド
９，１０密閉端部
１１，１２リング
１３ハウジング
１４，１５案内羽根リング
１６，１７内側カバーバンド
１８，１９外側カバーバンド
２０，２１補強部
２２，２３ブラシ
２４，２５カバーバンドに固定された軸受ブッシュ
２６，２７ハウジングに固定されたジャーナル
２８，２９蜂の巣担体
３０空気案内シェル
３１，３２開口
３３，３４室
３５穴
３６，３８壁パネル

Claims

ロータに回転羽根を、またステータに案内羽根を備えたハウジングを有し、案内羽根が半径方向内側のカバーバンドと半径方向外側のカバーバンドを備えた少なくとも一つの案内羽根リングとして設けられている、少なくとも一部軸構造のロータとステータを備えて成る流体機械において、
以下の構成、
（Ａ）少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）が、周方向に閉され、かつ回転対称の、軸方向へ折り曲げられるような変形に対して部品を強化する補強部（２０，２１）を備えた自己担持部品として内側カバーバンド（１６，１７）に形成されていること、
（Ｂ）少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）は周囲に配分された分離継ぎ目のあるセグメント化された外側カバーバンド（１８，１９）を備えていること、
（Ｃ）前記案内羽根リングが、外側カバーバンド（１８，１９）の少なくとも３つのセグメントにより、それぞれ空間的に半径方向に相対運動を行える軸受ユニット（２４，２５，２６，２７）を用いてハウジング（１３）内に位置決めされていること、
（Ｄ）ハウジング（１３）と少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）の外側カバーバンド（１８，１９）との間に空気案内シェル（３０）を配置し、この空気案内シェル（３０）が冷却空気流をハウジングの内側に沿って導き、少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）のハウジングに固定された軸受部材（２６，２７）に対する開口（３１，３２）を備え、これ等の開口（３１，３２）が冷却空気流の一部をカバーバンド（１８，１９）に向けて流すこと、
を組み合わせたことを特徴とする流体機械。
少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）の補強部（２０，２１）はトーラス状の中空体あるいは軸方向に間隔を設けた少なくとも二つのリングの形状にして形成され、内側カバーバンド（１７）の中に材料を合わせて組み込まれているか、形状を合わせて内側カバーバンド（１６）に連結していることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
補強部と少なくとも一つの案内羽根リングの内側カバーバンドとの間に形状に合わせた連結部を備え、少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）が多数の案内羽根セグメントで形成され、これ等の案内羽根セグメントは補強部（２０）により自己担持構造部品に組み立てられていることを特徴とする請求項２に記載の流体機械。
少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）の補強部（２０，２１）は波形パッキングの静的部材、特にブラシパッキングのブラシ（２２，２３）あるいはラビリンスパッキングの入口カバーまたは蜂の巣構造体を担持することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の流体機械。
少なくとも一つの案内羽根リング（１４，１５）の各軸受ユニットは球状の接触面を持つハウジングに固定されたジャーナル（２６，２７）と円筒状の接触面を持つカバーバンドに固定された軸受ブッシュ（２４，２５）とから成ることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の流体機械。
冷却空気流の流路はハウジング（１３）と空気案内シェル（３０）の間で室から室に低下する内圧で順次貫通して流れる多数の室（３３，３４）に分割され、各室（３３，３４）は、動作媒体の隣接する流路領域内の圧力より僅かに高い動作圧力に設計されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の流体機械。