JP4260391B2 - ガスタービン用の取り替え可能な可変ステータ羽根 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ機械に関し、具体的には、タービン圧縮機用の新規な可変ステータ羽根の構造、及び、それに関連して、タービンのロータを取り外すことなく既存の可変ステータ羽根を取り外し新規な羽根に取り替えるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
譲受人の製品ラインにおいて、ガスタービンに使用されている軸流圧縮機は、各々が１つのブレード付きディスクを含む段を１８段も備えるものである。さらに、圧縮機の入口には可変案内羽根の円周状の列が設けられている。入口案内羽根は、始動時に空気流を調整する役目を果たし、再生サイクルや複合サイクルにおいて小さい負荷でより高い点火温度を提供する。これらの入口案内羽根は、環状駆動リングと歯付きラックと駆動歯車とを使用して、入口ケーシングの外側から歯車により動かされ、運転中に羽根を一体的に回転させる。
【０００３】
具体的にいうと、入口案内羽根は、ここで上部入口ケーシング及び下部入口ケーシングと呼ばれる、２つの半環状の２分割体の中に支持されている。図１−３の例では、下部入口ケーシングにボルト止めされた８個の支持セグメントの各々に、４枚の入口案内羽根が支持されている。上部入口ケーシングの入口案内羽根は、上部入口ケーシングが取り外されている間、比較的容易に取り外しと取り替えができるのに対し、下部入口ケーシングの入口案内羽根の取り外しと取り替えをロータを取り外さずに行うことは、主として羽根の軸方向の長さが大きいために問題がある。これは、羽根の調節駆動装置をケーシングの外側に配置しなければならないという要求によって余儀なくさせられるものである。従って、各々の羽根には、羽根と一体に、ケーシングを通して長く延びる駆動ステムが付いていて、その駆動ステムには環状駆動リングに固定された環状の歯付きラックと係合するための駆動歯車が取り付けられている。これらの長尺の羽根を取り外すのに必要なスペースを作るために、ロータの取り外しが必要とされてきた。しかしながら、その工程は複雑で、時間と費用のかかるものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の入口案内羽根を取り外すための技術、及び、入口ケーシングの下半分に対して入口案内羽根の再取り付けを可能にし、取り外しも再取り付けもロータを取り外すことなく達成可能な新規な取り替え用の入口案内羽根組立体に関する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による従来の入口案内羽根の取り外しは、下部入口ケーシング１２内の案内羽根から外側の駆動歯車を取り外し、次に羽根を切断し、各々の案内羽根の両方の切断片を下部入口ケーシングの中から取り外すことができるようにすることを含む。この取り外しの手順は、下部入口ケーシング内の支持セグメントの各々に取り付けられている入口案内羽根に対して、セグメントごとに続けられる。ロータ２０を取り外すことなく取り替え用の入口案内羽根を取り付けるには、さらに後述するように、既存の入口案内羽根の設計を修正する必要がある。
【０００６】
そこで、各々の案内羽根の半径方向外側の、すなわち駆動側の端部は、多部品駆動ステム組立体を含むことになる。案内羽根ステムの半径方向の長さを短くすることで、各々の案内羽根を人手でケーシング内に設置することが可能となり、一方、中間のジャックシャフトと駆動歯車と外側ステム片を含む追加された金属製品は、入口ケーシングの外側から組み立てることができる。羽根と一体の駆動ステムの部分は、半径方向に短くされており、スプラインと平らな部分が設けられていて、中間ジャックシャフトの相補形の凹部と嵌合するようになっている。ジャックシャフトの反対側の端部は、駆動歯車を摺動可能に受ける。外側ステム片は、トルク伝達用平坦部分（あるいは六角形の頭部又は同様の物）により駆動歯車を越えて突出するジャックシャフトの自由端に取り付けられるようになっている。半径方向のねじが、外側ステム片からジャックシャフトを通して延び、羽根ステムにねじ込まれて、これらの構成部品をゆるく保持する。全ての羽根が適切な羽根角度に調整された後、半径方向のねじが締められ、外側ステム片が駆動歯車に溶接され、このようにして、駆動リングと歯付きラックと駆動歯車と案内羽根との間にトルク伝達経路が形成される。
【０００７】
従って、１つの態様においては、本発明は、下部入口ケーシング１２が水平接合部において上部入口ケーシングに固定されるようになっており、入口案内羽根１０が下部入口ケーシングの半径方向内壁１４と半径方向外壁１６との間に支持され、入口案内羽根には一体にステム３４が形成され、該ステムが外壁を通して半径方向に延びて、その外端において、環状歯付きラック４０と係合する駆動歯車３８を支持しているものにおいて、圧縮機の下部入口ケーシングから入口案内羽根１０を取り外すための方法に関し、その方法は、
（ａ）入口案内羽根１０の一体ステム３４の半径方向外端上にある歯車を取り外し、
（ｂ）入口案内羽根１０を２つの切断部分にせん断し、
（ｃ）下部入口ケーシング１２の中から入口案内羽根の切断部分を取り外す、段階を含む。
【０００８】
もう１つの態様においては、本発明は、半径方向内端に円筒形の短軸２２を持ち、半径方向外端に比較的短い一体の延長ステム４５を持つ羽根１０と、ジャックシャフト５０と、を含み、該ジャックシャフトの半径方向内端が一体ステムの半径方向外端と結合されてジャックシャフトに加えられたトルクが羽根に伝達されるようになっており、ジャックシャフトの半径方向外端が駆動歯車を受けるようになっている調整可能な入口案内羽根組立体に関する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、公知の構造の入口案内羽根１０は、下部入口ケーシング１２の中で、半径方向内壁１４と半径方向外壁１６との間に支持されている。入口案内羽根の環状列は、ゼロまたは第１圧縮段１８の前方に位置し、ロータ２０（一部のみ示す）の周りを取り巻いている。入口ケーシングは上部ケーシングと下部ケーシングに分割されていて、各々が実質的に１８０°にわたる範囲にあって、それぞれ入口案内羽根の半数を支持している。上部ケーシングと下部ケーシングは、水平接合部において互いに接合されている。全ての図の中で示されている図面は、水平接合部に隣接した下部入口ケーシング１２を通ってとられたものである。
【００１０】
各々の入口案内羽根１０の半径方向内端には、支持セグメント３０に形成された穴２６内に設置されたブシュ２４に支持される円筒形のステムまたは短軸２２が形成されている。このようにして羽根を穴２６内のブシュ２４により支持することにより、羽根が短軸２２の周りを調整可能に回転できるということが理解されるであろう。下部入口ケーシングには８個の支持セグメント３０があり、全体として実質的に１８０°にわたって広がっている。これらのセグメントは、半円形の摩擦リング２８と軸方向に対向して位置している。例示的な実施形態では、各々の支持セグメント３０は４つの羽根１０を収容している。また、各々の支持セグメント３０は、ケーシング内壁１４に対しボルト１５により個々にボルト止めされている。摩擦リング２８は、下部入口ケーシングの中にあって支持されておらず、従って、リングをただ下部ケーシングの中で「ころがし」て、下部ケーシングに出し入れすることにより、取り付けたり取り外したりできる。
【００１１】
各々の案内羽根の半径方向外端には、ケーシング外壁１６の孔を通って延びる延長ステム３４が一体に形成されており、駆動歯車３８を取り付ける縮径部分３６を備える。駆動歯車３８は、油圧シリンダ（図示せず）によって動かされる駆動リング４２に（例えばボルト４４で）固定された環状歯付きラック４０と係合している。駆動歯車３８は、キー（またはシャーピン）と止めねじ（または他の適当な手段）によって、縮径部分３６に固定されている。
【００１２】
案内羽根を取り替える時には、次に述べる方法で案内羽根を下部入口ケーシングから取り外すことができる。入口ケーシングの上半分を取り外した状態で、個々の駆動歯車３８を取り外し、次に入口案内羽根を２つにせん断し、断片を下部ケーシングの内側から取り外すことができるようにする。歯車３８が取り外され状態では、上方、つまり半径方向外側の断片は、ステム３４も含めてケーシングの中へ引き抜き、それから取り外すことができ、一方、下方、つまり半径方向内側の断片は、各々のブシュ２４の中から引き抜くことができる。
【００１３】
ロータを取り外すことなく新規な案内羽根組立体を取り付けるには、上述した入口案内羽根組立体を変更しなければならないということが理解されるであろう。
【００１４】
本発明による新規な取り替え用の入口案内羽根１０の半径方向外端が、図４及び図５に示されている。案内羽根の半径方向内端、及び、それがケーシング内壁１４に支持される方法は、上述した従来の構造、すなわち、各々の支持セグメント３０の穴２６に配置されたブシュ２４に短軸２２が受けられている場合と同じである。羽根１０の半径方向外端１１は、平らな部分４８を有する円錐形スプライン部分４６を持った一体的な半径方向のステム４５を含んでいる。中間ジャックシャフト５０の半径方向内端には、噛み合うスプラインと平らな部分が付いており、このようにして中間ジャックシャフト５０と羽根１０との間にトルク伝達能力が備えられる。ジャックシャフト５０の外端には、駆動歯車５６を受ける平滑なシャフト部分５２が形成されている。図５に最も良く示されるように、駆動歯車を越えて延びるジャックシャフト５０の最外端５４は、外側ステム片５８の同じく六角形をした凹部５７を受けるように六角形をしており、このようにして３つの構成部品４５、５０、５８全ての間にトルク伝達能力が備えられる。外側ステム片５８と駆動歯車５６とジャックシャフト５０は、羽根ステム４５にねじ込まれたボルトまたはねじ６０によって羽根ステム４５に固定される。
【００１５】
新規な羽根１０を取り付けるには、摩擦リング２８を取り外し、支持セグメント３０へ接近できるようにする。水平接合部の両側において、水平接合部から底部の真ん中の位置へと、セグメント３０を順次取り外す。修正された入口案内羽根１０をケーシング外壁１６の穴に、一度に１枚ずつ、底部の真ん中の位置から入れていく。入口案内羽根１０をケーシング外壁１６の中に４枚入れる度に１個の支持セグメント３０を、短軸２２を穴２６の中のブシュ２４に挿入しながら取り付ける。組立て作業はこのようにして、底部の真ん中から水平接合部へ向かって、全ての支持セグメント３０を取り付けるまで進行する。全てのセグメント３０をケーシング内壁１６に再びボルトで締めた後、摩擦リング２８を再び取り付ける。次に中間のジャックシャフト５０と駆動歯車５６と外側ステム片５８を、各々の案内羽根の上にケーシングの外側から組立てる。次にねじまたはボルト６０を各々の羽根ステム４５にねじ込み、これらの組立体をゆるく結合させる。次に上部入口ケーシング（図示せず）を再び取り付け、全ての入口案内羽根を回転させながら所望の羽根角度に調整する。次にねじ６０を締め、外側ステム片５８を各々の駆動歯車５６に溶接し、このようにして駆動リング６２とラック６４と駆動歯車５６と羽根１０との間にトルク伝達経路が完成する。
【００１６】
多部品羽根組立体を使用することにより、下部入口ケーシングとロータとの間の限られたスペースの中での取り付けが可能となることが理解されるであろう。同時に、全ての羽根角度を同時に均等に調整するために要求されるトルク伝達経路が確立されるのである。
【００１７】
通常は、全ての入口案内羽根を取り替えるのであるが、ここで述べてきた取り外しと取り付けの技術は、たった１枚の古くなったり傷んだりした羽根を取り替えるのに使用することもできるということも理解されるであろう。
【００１８】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関して述べてきたが、本発明は、開示された実施形態だけに限定されるものではなく、それとは逆に、添付の特許請求の範囲に記載した技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な改良及び均等な配置をも含むように意図されているということが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ほぼ水平接合部においてとられた、軸流圧縮機の入口ケーシングの下半分を一部断面で示し、入口案内羽根が入口ケーシングの中で組み立てられる方法を示す部分平面図。
【図２】 図１から取られた、羽根の半径方向外端の拡大詳細図。
【図３】 図１から取られた、羽根の半径方向内端の拡大詳細図。
【図４】 本発明による新規な入口案内羽根の半径方向外端の部分断面図。
【図５】 図４の入口案内羽根に組み込まれたジャックシャフトと外側ステム片の分解斜視図。
【符号の説明】
１０ 入口案内羽根
１２ 下部入口ケーシング
１４ 半径方向内壁
１５ ボルト
１６ 半径方向外壁
１８ 第１圧縮段
２０ 圧縮機ロータ
３４ 一体ステム

Claims (4)

1. 下部入口ケーシング（１２）が水平接合部において上部入口ケーシングに固定されるようになっており、該入口ケーシングの上半分が取り外された後も圧縮機のロータ（２０）は同じ場所に残されたままであり、入口案内羽根（１０）が前記下部入口ケーシング（１２）の半径方向内壁（１４）と半径方向外壁（１６）との間に支持され、前記入口案内羽根（１０）には一体にステム（３４）が形成され、該ステム（３４）が前記外壁（１６）を通して半径方向に延びて、その外端において、環状歯付きラック（４０）と係合する駆動歯車（３８）を支持しているものにおいて、圧縮機の下部入口ケーシング（１２）から入口案内羽根（１０）を取り替えるための方法であって、
   （ａ）前記入口案内羽根（１０）の前記一体ステム（３４）の半径方向外端上にある前記歯車（３８）を取り外し、
   （ｂ）前記入口案内羽根（１０）を２つの切断部分にせん断し、
   （ｃ）前記下部入口ケーシング（１２）の中から前記切断部分を取り外し、
   （ｄ）前記入口案内羽根（１０）を、ロータ（２０）を取り外すことなく取り付けを可能にする比較的短い一体のステム（４５）と別体のジャックシャフト（５０）との２つの部品からなるステム組立体（４４，５０）を各々半径方向外端に有する修正入口案内羽根で取り替える
   段階を含むことを特徴とする方法。
2. 前記入口案内羽根（１０）が半径方向内端に短軸（２２）を有していて、短軸（２２）が、前記下部入口ケーシング（１２）の半径方向内壁（１４）に取り付けられた支持セグメント（３０）の穴（２６）内に設置されたブシュ（２４）に支持される、請求項１に記載の方法。
3. 調整可能な入口案内羽根組立体であって、
   円筒形の短軸（２２）を半径方向内端に有するとともに、ロータ（２０）を取り外すことなく取り付けを可能にする比較的短い一体のステム（４５）を半径方向外端に有する羽根と、
   ジャックシャフト（５０）と、
   を含み、該ジャックシャフト（５０）の半径方向内端が前記一体ステム（４５）の半径方向外端と結合されて該ジャックシャフトに加えられたトルクが前記羽根に伝達されるようになっており、前記ジャックシャフトの半径方向外端が駆動歯車（５６）を受けるようになっている、
   ことを特徴とする組立体。
4. 圧縮機の下部入口ケーシング（１２）と組み合わされた、請求項３に記載の調整可能な入口案内羽根組立体であって、複数の前記羽根の半径方向内端が、前記下部入口ケーシング（１２）の内壁（１４）に取り付けられた１つ又はそれ以上のセグメント（３０）に着座していることを特徴とする組立体。

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