JP4402196B2 - タービン用低歪みシュラウド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明はターボ機械におけるタービン動翼または静翼の先端を包囲するシュラウドに係わり、殊に熱ガス流路からタービンを通ってシュラウドへの熱の伝達から生ずる熱的歪みを減少しそして最小にするよう形状付けられたシュラウドセグメントに係わる。
【０００２】
【発明の背景】
代表的なタービン例えばガスタービンでは、環状シュラウドがタービン段における回転動翼の外側先端の周りの半径方向最も外側の壁面または流路面を形成している。環状シュラウドは典型的には複数の弧状セグメントを端部対端部の関係で配列して構成されて熱ガス流路を完全に包囲している。従来、各シュラウドセグメントは前レールおよび後レールを含んでおり、これらがその半径方向最も内側の端部に沿って流路部分によって相互接続されており、この流路部分が流路面を担持しガス流路の半径方向外側の境界を規定している。流路部分に加えて、各シュラウドセグメントの前および後レールは典型的にはセグメントのそれぞれの円周方向対向端において二つの側壁によって互いに接続されており、これらの側壁は本質的にタービンシュラウド内を軸方向に延びている。これらの側壁は前および後レールを強化しており、そしてこれらのレールと組合わさってシュラウドセグメント内に半径方向外方に開口するポケットを規定している。
【０００３】
ガスタービンの熱ガス流路における温度は１６００−１７００°Ｆの高さにも達することがあり、そしてシュラウドの流路面がこのような高温の熱ガス流路温度に曝されることが理解されよう。しかしながら、前および後レール並びに側壁は熱ガス流路およびシュラウドセグメントの流路部分から半径方向外方に延びており、そのため比較的低い温度を受ける。これにより、シュラウドセグメントの周りに温度分布または勾配が形成される結果シュラウドセグメント内に熱により誘導される応力が生ずる。これらの誘発された応力はシュラウドセグメントに損傷を起こし並びにタービンシェルケーシングに対する多くの接続部に応力を生ずる可能性がある。シュラウドセグメントの前および後レールは軸方向に向けられたフランジまたはフックを持っており、これらがタービンケーシングフックと協同してシュラウドセグメントをタービンケーシングに固定していることが認められよう。シュラウドセグメントにかかる熱的応力はタービンフックに顕著な力を加え、タービンケーシングフックに高い応力を生じて潜在的に破損を生ずる可能性がある。
【０００４】
シュラウド内の熱誘導応力については今まで対処されていない。従来のシュラウドセグメントは典型的にはシュラウドセグメントの流路部分の厚さに比べて非常に厚い前および後レールを持っている。低温質量対高温質量の比、即ち、前および後レールおよび側壁の低温質量と流路部分の高温質量との比は結果として破壊的な潜在性を持つ熱誘導応力を引き起こす点で意味のあることが分かった。
【０００５】
更に、シュラウドセグメントは製造するのに典型的に費用と労力がかかる。例えば、シュラウドセグメントを連続的に旋回タイプの機械加工にかけるのが慣行であるが、シュラウドセグメントの側壁を考えると、セグメント内の対向側壁間および前レールおよび後レール間にポケットをフライス加工することが必要である。必然的に、このフライス加工作業は厚い前および後レールをもたらし、その結果低温対高温の質量比を拡大する。或るシュラウドセグメントの設計では鋳込みによるポケットを使用しているが、これは或る程度は前および後レールの厚さを減少するが、設計は非常に高価となり性質の劣る鋳造材料を使用している。
【０００６】
【発明の開示】
本発明によれば、提供されるシュラウドセグメントにおいては、低温質量対高温質量の比は、流路部分の厚さの前および後レールの厚さに対する比がほぼ１：１となるように最適化されている。更にこの比を減少するために、側壁は完全に除かれており、その結果前および後レールによって境界を区画される空間はチャネル−形セグメントの対向端を通して開口されている。加えて、タービンケーシングフック上にかかる応力を更に除去するために、前および後レールフックはそれらの端面に沿ってリリーフをカットされている。前および後レールの自由端にはシュラウドセグメントフックの外側にインセット（引っ込んだ）端面が規定されており、その結果前および後レールを軸方向の対向する方向に湾曲する傾向のあるシュラウドセグメントにかかる熱応力がタービンケーシングフックに実質的な機械的応力を加えることなく適応される。その上に、シュラウドセグメントを側壁なしに形成することにより、シュラウドセグメントは本質的に完全に旋削機械で形成することができるので、労力、従ってコストが最小となる。
【０００７】
本発明の好適な実施の態様では、タービンケーシングと接続するための前レールおよび後レール並びに該前および後レールを相互接続しそしてタービン内を通る熱ガス流路に曝される流路面を持った流路部分を有する概してチャネル−形のシュラウドボデーを含んでおり、前記前および後レールの各々および前記流路部分が実質的に同じ厚さの比を有している、タービン用シュラウドセグメントが提供される。
【０００８】
本発明の更に好ましい実施の態様では、タービンケーシングと接続するための前レールおよび後レール並びに該前および後レールを相互接続しそしてタービン内を通る熱ガス流路に曝される流路面を持った流路部分を有する概してチャネル−形のシュラウドボデーを含んでおり、前記流路部分が前記前レールと後レールとの間の唯一の接続部を構成しており、前記シュラウドボデーの前記前および後レールの自由端が、タービンケーシングフックと接続するために互いに向かって延びているシュラウドフックと、前記流路部分に概して平行に延びる前記シュラウドフックを含む端面とを有し、該シュラウド端面がタービンケーシングフックとの結合を防ぐためにその外側周辺部分に沿ってリリーフを設けられている、タービン用シュラウドセグメントが提供される。
【０００９】
従って、本発明の主な目的は、前および後レールの厚さの流路部分の厚さに対する比をほぼ１：１として前および後レールの厚さを最小にすることにより熱誘導応力を減少するように特に形状付けられた複数のシュラウドセグメントから形成された、タービンの熱ガス流路を包囲するシュラウドを提供し、シュラウドセグメントとタービンケーシングフックとの間の接合部の応力を除去し、そして比較的に安価な旋削作業でシュラウドセグメントの形成を可能にすることである。
【００１０】
【本発明を実施する最良の態様】
ここで、図、特に図１を参照すると、タービン、好ましくは概して１０で表されタービンの各段を包囲するタービンシェルまたはケーシング１２を含んでなるガスタービンが例示されている。例えば、例示されているように、タービン１０は互いに円周方向に間隔をおかれた複数の静翼またはパーティション１４からなる第一段を含み、これに段１の動翼１６が続く。静翼１４および動翼１６からなる段１のノズルは矢印１８によって示されるタービンの熱ガス流路内にあることが理解されよう。同じく段２のノズル２０も例示されており、段２のノズルもまた図示されていないがノズル２０の下流に複数の動翼を含んでいることが理解されよう。典型的には追加の段が設けられている。動翼が軸の周りにシャフトを駆動することは勿論である。
【００１１】
総じて２２で示されるシュラウドは熱ガス流路１８の周りに特にタービン動翼１６の先端の周りに円周方向に延びている。図２に例示されているように、シュラウド２２は前レール２４および後レール２６を含んでおり、ここに術語「前」および「後」はタービンを通る熱ガス流のそれぞれ上流および下流方向に関連して用いられる。流路部分２８は前および後レールそれぞれの半径方向の最も内側の部分を相互接続している。前および後レール２４および２６の自由端は好ましくはそれぞれ後方および前方に突出しているフックまたはフランジ２９および３０でそれぞれ終端している。しかしながら、フックは軸方向に互いに遠ざかる方向、同じ上流方向または同じ下流方向に延びることができることを理解されたい。図１に例示されているように、フック２９および３０はそれぞれ軸方向に向けられているケーシングフック３２および３４と協同してシュラウドセグメントをタービンケーシング１２に固定して維持している。シュラウド２２は端部対端部の関係で存在する複数のシュラウドセグメントからなっていて熱ガス流路の周りに完全な環を形成していることを理解されたい。例えば、好適な実施の態様では、４８個のシュラウドセグメントが提供される。
【００１２】
概してチャネル−形のシュラウドセグメントが対向端で開口していることが図２を見れば理解されよう。即ち、前および後レール２４および２６それぞれおよび流路部分２８によって境界を区画された空間または容積はシュラウドセグメントの円周方向範囲にわたって延びそしてシュラウドセグメントの開口された対向端を通して開口されている。それ故に、前および後レール２４および２６は流路部分２８によって与えられる接続による以外は、セグメント内で支持されていない。後レール２６はまた次のノズル段の外側環からの舌部またはフランジ、即ち図１に例示されるフランジ３８を受容するためにスロット３６を有する。シュラウドセグメントは金属合金から形成されている。
【００１３】
本発明によれば、前および後レール２４および２６の厚さは流路部分２８の厚さに対して実質的に１：１の比にあることを理解されたい。これにより低温質量の高温質量に対する比が最適とされて、熱により誘導される応力が減少されそして最小にされる。後レール２６は図２に例示されているようにその中央部分において段をつけられこれによりその半径方向範囲を通じて正確に一定の壁厚を維持することを防いでいるが、後レールの半径方向範囲の主要部分は前レールおよびガス流路部分２８の厚さと実質的に同じ厚さを有するものである。
【００１４】
ここで図２を参照すると、前および後レール２４および２６それぞれの自由端にはそれぞれフック２９および３０を含む端面４０および４２がある。端面４０および４２のそれぞれにはリリーフがカットされていて、シュラウドセグメント内に誘発された機械的及び熱的歪みによってタービンケーシングフック３２および３４にかかる機械的応力を最小にしている。即ち、前レール２４の端面４０は最も前方にインセット部分４４を含んでおり、一方端面４２は最も後方にインセット部分４６を含んでいる。端面４０および４２の部分４８および５０それぞれは表面４４および４６から半径方向外側に若干突出していてケーシングフック３２および３４によって形成されたスロット内の係合を確実にしている。この方法により、前および後レールが軸方向に互いに離れるように湾曲する傾向をもたらす熱的に誘発された応力がこれらのレール内にあってもタービンケーシングフック３２および３４にかかる機械的な応力は最小となる。
【００１５】
図３および４を参照すると、前の実施の態様におけると同じ部分は同じ数字で参照しこれに接尾語ａを続けて示すこととし、従って前および後レール２４ａおよび２６ａとこれらの内側縁部でこれらを接続している流路部分２８ａとを有する類似のシュラウドセグメント２２ａが例示されている。この形態では、しかし、後レール２６ａは段をつけられておらず、位置設定フック３４を受容する溝６０および次のノズル段の外側リングの舌部またはフランジ、即ちフランジ３８を受容する溝３６ａの領域以外は、実質的に厚さは一定である。
【００１６】
シュラウドの前述した形状により、特に前および後レール並びに流路部分によって境界を区画された空間内に貫通された開口を設けることによりシュラウド内に従来の側壁を排除したことで、シュラウドの製造は実質的に旋削作業だけで行うことができる。即ち、各シュラウドセグメント内にポケットをフライス加工または鋳造することは排除される。シュラウドセグメントが本質的に旋削作業で形成されることはまたコストの削減になる。加えて、本発明のシュラウド形状はタービンの段１のシュラウドに特に有用であることが理解されよう。段１のシュラウドはその下流にある半径方向断面がより小さい後段のシュラウドよりもより高い流路温度を受けることは当然である。即ち、下流のシュラウドは段１のシュラウドのように大きな低温質量と高温質量の比を持たないので、この特定の形状のシュラウドは段１のシュラウドとして大いに有用である。
【００１７】
本発明は現在最も実用的で好ましい実施の態様であると考えられるものに関連して記載されたが、本発明は開示された実施の態様に限定されることはなく、むしろ特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる種々なる変更並びに均等な配列を包含することを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシュラウドセグメントが例示されているタービンの最初の２段の部分を例示している部分的な軸方向断面図である。
【図２】本発明のシュラウドセグメントの断面図である。
【図３】本発明の別の形態のシュラウドセグメントの斜視図である。
【図４】本発明の別の形態のシュラウドセグメントの斜視図である。

Claims (4)

1. タービン用シュラウドセグメントであって、
   当該シュラウドセグメントが、タービンケーシングと接続するための前レール（２４，２４ａ）及び後レール（２６，２６ａ）並びに該前レールと後レールとを互いに接続しタービン内を通る熱ガス流路に曝される流路面をもつ流路部分（２８，２８ａ）を有するチャネル形のシュラウドボデー（２２，２２ａ）を含んでおり、前レール及び後レールの各々及び前記流路部分が実質的に同じ厚さの比を有しており、
   前記シュラウドボデーの前レール及び後レールの自由端が、タービンケーシングフックと接続するために互いに向かって延びているシュラウドフック（２９，２９ａ；３０，３０ａ）を有しているとともに、前レール及び後レールの自由端が、前記流路部分から遠位側に該流路部分と平行な端面（４０，４２）を有しており、前レールの端面（４０）が前記流路部分と平行な前方表面部分（４４）と後方表面部分（４８）とを有し、後レールの端面（４２）が前記流路部分と平行な前方端面部分（５０）と後方端面部分（４６）とを有し、前レールの前方表面部分（４４）がその後方表面部分（４８）から前記流路部分の方向に向かって引っ込んでおり、後レールの後方表面部分（４６）がその前方表面部分（５０）から前記流路部分の方向に向かって引っ込んでいる、タービン用シュラウドセグメント。
2. 前記流路部分が前記前レールと後レールとの間の唯一の接続部を構成している、請求項１記載のタービン用シュラウドセグメント。
3. 前記前レールと後レールと流路部分が、それらによって境界を区画される空間を画成していて、該空間が前記シュラウドボデーの対向端を通して開口している、請求項１記載のタービン用シュラウドセグメント。
4. 請求項１記載のチャネル形のシュラウドセグメントの複数を軸の周りに端部対端部の関係で環状に配列してなるタービン用シュラウドであって、前記セグメントのチャネルが半径方向外方に開口している、タービン用シュラウド。

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