JP4648139B2

JP4648139B2 - ガスタービンの翼端隙間管理構造

Info

Publication number: JP4648139B2
Application number: JP2005266358A
Authority: JP
Inventors: 仁志森本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: WO2007032311A1; US8313283B2; US20090180865A1; JP2007077868A

Description

本発明は、ガスタービンの翼端隙間管理構造に関する。

一般に、ガスタービンは、圧縮機で高温に圧縮した空気に燃料を噴射させ、燃焼器内で燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをタービンに導き、タービンを回転させることにより駆動力を得るものである。そして、圧縮機及びタービンにおいては、周方向に並ぶ動翼の先端とこれら動翼を取り囲むように設けられるケーシングとの間には、所定量の隙間（チップクリアランス）が設定されている。

ガスタービンはその内部が高温になることから、内部と外部との温度差が大きくなる。その結果、ケーシングはその軸方向及び周方向に熱膨張してオーバル状に変形する一方、動翼も径方向外側に熱膨張して変形する。このように、ケーシング及び動翼が変形すると、動翼の先端がケーシングに接触して破損するおそれがあるので、上述した隙間は、運用時におけるケーシング及び動翼の熱変形量を予め見込んで形成されている。また、熱変形による接触を防止しようとして、隙間を大きくすると、ガスタービン全体の性能が低下してしまう。従って、近年、性能向上及び信頼性向上の観点から、隙間管理やこの隙間を所定量に形成させるためのケーシングの位置管理は、非常に重要なものになっている。

そこで、従来においては、ガスタービンの中心軸が垂直になるようにして、各段を順次上方へ積み重ねることにより所定量の隙間を形成させる構造、または、ケーシング同士に位置ずれがあっても、その位置ずれ量に影響されることのない偏心ピンを用いて所定量の隙間を形成させる構造等が提供されている。このような、従来のガスタービンの翼端隙間管理構造は、例えば、引用文献１，２に開示されている。

特開２００１−２００７０５号公報特開２００４−１６２５３６号公報

しかしながら、従来の翼端隙間管理構造においては、ガスタービンの仮組み時のケーシング設置位置及び翼端隙間を計測し、その計測結果に基づいて翼端隙間を調整した後、再度、最終組み立てを行うことになるので、最終組み立て後のケーシング設置位置及び翼端隙間が所定の位置及び隙間量になっているかは、確認することができなかった。これにより、ガスタービン運転時における動翼の先端とケーシングとの接触を確実に防止することはできなかった。

従って、本発明は、組み立て完了時において翼端隙間を容易に確認することができるガスタービンの翼端隙間管理構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るガスタービンの翼端隙間管理構造は、
ロータを回転自在に支持する外部ケーシングと、
前記外部ケーシングの径方向内側において前記ロータに多段に組み付けられる動翼の先端と所定量の隙間を有して設けられる内部ケーシングと、
前記外部ケーシング及び前記内部ケーシングを径方向に貫通すると共に前記内部ケーシングの支持面に支持されるガイドフレームと、
前記ガイドフレームに移動自在に支持され前記動翼の先端に当接するロッドとを備え、
前記隙間は、前記ガイドフレームに対する前記ロッドの移動量、前記ガイドフレームの長さ、前記ロッドの長さ及び前記内部ケーシングの厚さに基づいて計測される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るガスタービンの翼端隙間管理構造は、
前記隙間は、前記ガイドフレームに対応する前記ロッドの移動量から、前記支持面を基準に求めた前記ガイドフレームの先端から前記内部ケーシングの内周面までの長さと、前記ガイドフレームと前記ロッドとの長さの差とを減算することにより計測される
ことを特徴とする。

第１の発明に係るガスタービンの翼端隙間管理構造は、ロータを回転自在に支持する外部ケーシングと、前記外部ケーシングの径方向内側において前記ロータに多段に組み付けられる動翼の先端と所定量の隙間を有して設けられる内部ケーシングと、前記外部ケーシング及び前記内部ケーシングを径方向に貫通すると共に前記内部ケーシングの支持面に支持されるガイドフレームと、前記ガイドフレームに移動自在に支持され前記動翼の先端に当接するロッドとを備え、前記隙間は、前記ガイドフレームに対する前記ロッドの移動量、前記ガイドフレームの長さ、前記ロッドの長さ及び前記内部ケーシングの厚さに基づいて計測されることにより、組み立て完了時において翼端隙間を容易に確認することができる。

第２の発明に係るガスタービンの翼端隙間管理構造は、前記隙間は、前記ガイドフレームに対応する前記ロッドの移動量から、前記支持面を基準に求めた前記ガイドフレームの先端から前記内部ケーシングの内周面までの長さと、前記ガイドフレームと前記ロッドとの長さの差とを減算することにより計測されることにより、翼端隙間を容易に算出することができる。

以下、本発明に係るガスタービンの翼端隙間管理構造を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係るガスタービンの翼端管理構造を供えたガスタービンの側断面図、図２（ａ）は図１のＩ部拡大図、同図（ｂ）は図１のII部拡大図、同図（ｃ）は図１のIII部拡大図、図３は図１のIV部拡大図、図４（ａ）はロッドの概略図、同図（ｂ）はガイドフレームの側断面図である。なお、図２，３は本発明の一実施例に係るガスタービンの翼端管理構造を示した図である。

図１に示すように、ガスタービン１には、回転するロータ２と、このロータ２を回転自在に支持する筒状のケーシング（外部ケーシング）３とが設けられており、このケーシング３の前端には吸気口４が設けられている。そして、ケーシング３の前端側には圧縮機５が設けられる一方、その後端側にはタービン６が設けられており、この圧縮機５とタービン６との間に形成される車室７内には、燃焼器８がケーシング３に支持されて配置されている。

圧縮機５には、前方から交互に所定間隔に配置される静翼９と動翼１０とが設けられると共に、ケーシング３と同心上に支持される環状の第１静翼保持環（内部ケーシング）１１、第２静翼保持環（内部ケーシング）１２及び第３静翼保持環（内部ケーシング）１３が設けられている。そして、各段の静翼９の基端は吸気口４の後端、ケーシング３及び静翼保持環１１，１２，１３にそれぞれ支持されており、静翼９の先端とロータ２との間にはそれぞれ所定量の隙間が形成されている。また、各段の動翼１０の基端はロータ２にそれぞれ支持されており、動翼１０の先端とケーシング３及び静翼保持環１１，１２，１３との間にはそれぞれ所定量の隙間Ｃ１（図２参照）、所謂、チップクリアランスが形成されている。

一方、タービン６には、前方から交互に所定間隔に配置される静翼１４と動翼１５とが設けられると共に、ケーシング３と同心上に支持される環状のタービン翼環（内部ケーシング）１６が設けられている。そして、各段の静翼１４の基端はタービン翼環１６にそれぞれ支持されており、静翼１４の先端とロータ２との間にはそれぞれ所定量の隙間が形成されている。また、各段の動翼１５の基端はロータ２にそれぞれ支持されており、動翼１５の先端とタービン翼環１６との間にはそれぞれ所定量の隙間Ｃ２（図３参照）、所謂、チップクリアランスが形成されている。

従って、吸気口４から導入された導入空気Ａｏは圧縮機５で圧縮され、その圧縮された圧縮空気Ａは車室７へと導かれる。そして、車室７に導かれた圧縮空気Ａは燃焼器８の上流側に流れ込み、燃焼器８内に供給された液体燃料Ｆと混合されて燃焼される。次いで、この燃焼により発生した燃焼ガスＧは燃焼器８の下流側からタービン６に導かれる。タービン６ではこの燃焼ガスＧを膨張させることにより駆動力を発揮し、その駆動力を圧縮機５及び図示しない発電機等の外部装置へと伝達する。

次に、図２乃至図４を用いて本発明の一実施例に係るガスタービンの翼端管理構造及び翼端管理方法について説明する。

先ず、翼端管理構造について説明する。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ケーシング３には、その周方向に４つずつ開口する外孔１７，１８，１９（図２では１つずつ図示）が形成されている。一方、静翼保持環１１，１２，１３には、その周方向に４つずつ開口する内孔２１，２２，２３（図２では１つずつ図示）が形成されている。そして、外孔１７，１８，１９と内孔２１，２２，２３との孔位置は、ケーシング３及び静翼保持環１１，１２，１３の径方向（ロータ軸径方向）において対向するように設けられると共に、それぞれの周方向において動翼１０の位相と一致するように設けられている。また、内孔２１，２２，２３は静翼保持環１１，１２，１３の外周面側において段部（支持面）２１ａ，２２ａ，２３ａを有しており、段部２１ａ，２２ａ，２３ａから静翼保持環１１，１２，１３の内周面までの厚みは長さＭ１で形成されている。

図３に示すように、ケーシング３には、その周方向に６つ開口する外孔２０（図３では１つ図示）が形成されている。一方、タービン翼環１６には、その周方向に６つ開口する内孔２４（図３では１つ図示）が形成されている。そして、外孔２０と内孔２４との孔位置は、ケーシング３及びタービン翼環１６の径方向（ロータ軸径方向）において対向するように設けられると共に、それぞれの周方向において動翼１５の位相と一致するように設けられている。また、内孔２４はタービン翼環１６の外周面側において段部（支持面）２４ａを有しており、段部２４ａからタービン翼環１６の内周面までの厚みは長さＭ２で形成されている。

そして、本実施例の翼端管理構造においては、図４（ａ），（ｂ）に示すようなロッド２５及びガイドフレーム２６が設けられている。図４（ａ）に示すように、ロッド２５は軸方向の長さが長さＫで形成される棒状をなしている。また、図４（ｂ）に示すように、ガイドフレーム２６は軸方向の長さが長さＪで形成される筒状をなし、基端側の大径部２６ａと、この大径部２６ａよりも径が小さい先端側の小径部２６ｂとから構成されている。ガイドフレーム２６の中心部には、ロッド２５が挿入される貫通孔２６ｃが形成されており、大径部２６ａにはこの貫通孔２６ｃに連通するねじ孔２６ｄが形成される一方、小径部２６ｂにはフランジ部２６ｅが形成されている。そして、このフランジ部２６ｅの下面から小径部２６ｂの先端までの長さは長さＢで形成されている。

即ち、ケーシング３と静翼保持環１１，１２，１３との間において、ガイドフレーム２６は外孔１７，１８，１９と内孔２１，２２，２３とを貫通するように配置されている。このとき、フランジ部２６ｅの下面は段部２１ａ，２２ａ，２３ａに当接されているので、ガイドフレーム２６の径方向内側（ロータ２側）への移動を規制することができる。そして、このようにガイドフレーム２６を支持することにより、貫通孔２６ｃにロッド２５を挿入させることができる。一方、ケーシング３とタービン翼環１６との間において、ガイドフレーム２６は外孔２０と内孔２４とを貫通するように配置されている。このとき、フランジ部２６ｅの下面は段部２４ａに当接されているので、ガイドフレーム２６の径方向内側（ロータ２側）への移動を規制することができる。そして、このようにガイドフレーム２６を支持することにより、貫通孔２６ｃにロッド２５を挿入させることができる。

次に、翼端管理方法、即ち、隙間Ｃ１，Ｃ２の計測方法を説明する。先ず、ガスタービン１の最終組み立て後（ケーシング３と静翼保持環１１，１２，１３及びタービン翼環１６との軸心合わせ）に、径方向における外孔１７，１８，１９，２０及び内孔２１，２２，２３，２４の孔位置と、動翼１０，１５の回転位相とが一致するようにロータ２を回転させる。そして、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ガイドフレーム２６をケーシング３の外周面側から外孔１７，１８，１９及び内孔２１，２２，２３に、フランジ部２６ｅの下面が段部２１ａ，２２ａ，２３ａに当接するまで嵌入させる。次いで、ロッド２５の基端にエクステンション２７を螺合させ、この状態でロッド２５を貫通孔２６ｃに挿入し、ロッド２５の先端を動翼１０の先端に当接させる。更に、ねじ孔２６ｄに止めねじ２８を螺合し、ロッド２５を固定させた後、エクステンション２７を取り外す。次いで、ガイドフレーム２６の基端からロッド２５の基端までの長さＬ１を計測する。そして、この計測した長さＬ１と、予め設定された長さＭ１，Ｋ，Ｊ，Ｂとに基づいて下記（１）式により隙間Ｃ１を算出する。
Ｃ１＝Ｌ１−（Ｍ１−Ｂ）−（Ｊ−Ｋ）・・・（１）

同様に、図３に示すように、ガイドフレーム２６をケーシング３の外周面側から外孔２０及び内孔２４に、フランジ部２６ｅの下面が段部２４ａに当接するまで嵌入させる。次いで、ロッド２５の基端にエクステンション２７を螺合させ、この状態でロッド２５を貫通孔２６ｃに挿入し、ロッド２５の先端を動翼１５の先端に当接させる。更に、ねじ孔２６ｄに止めねじ２８を螺合し、ロッド２５を固定させた後、エクステンション２７を取り外す。次いで、ガイドフレーム２６の基端からロッド２５の基端までの長さＬ２を計測する。そして、この計測した長さＬ２と、予め設定された長さＭ２，Ｋ，Ｊ，Ｂとに基づいて下記（２）式により隙間Ｃ２を算出する。
Ｃ２＝Ｌ２−（Ｍ２−Ｂ）−（Ｊ−Ｋ）・・・（２）

つまり、（Ｍ１−Ｂ）及び（Ｍ２−Ｂ）によりガイドフレーム２６の先端から静翼保持環１１，１２，１３の内周面及びタービン翼環１６の内周面までの長さ（ロッド２５の突出量）を算出すると共に、（Ｊ−Ｋ）によりロッド２５とガイドフレーム２６との長さの差を算出する。そして、その両者を、ガイドフレーム２６の基端からのロッド２５の基端までの長さＬ１，Ｌ２、即ち、ロッド２５の動翼１０，１５側への沈み量（移動量）から減算することにより、隙間Ｃ１，Ｃ２を算出することができる。よって、上述したような構成をなすことにより、ガスタービンの組み立て完了後において上記（１），（２）を用いて幾何学的に算出することで容易に隙間Ｃ１，Ｃ２を確認することができる。

従って、本発明に係るガスタービンの翼端隙間管理構造によれば、ロータ２を回転自在に支持するケーシング３と、該ケーシング３の径方向内側においてロータ２に多段に組み付けられる動翼１０，１５の先端と所定量の隙間を有して設けられる静翼保持環１１，１２，１３及びタービン翼環１６と、ケーシング３と静翼保持環１１，１２，１３及びタービン翼環１６とを径方向に貫通すると共に段部２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａに支持されるガイドフレーム２６と、該ガイドフレーム２６に移動自在に支持され動翼１０，１５の先端に当接するロッド２５とを備え、隙間Ｃ１，Ｃ２を、ガイドフレーム２６に対応するロッド２５の移動量Ｌ１，ｌ２から、段部２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａを基準に求めたガイドフレーム２６の先端から静翼保持環１１，１２，１３及びタービン翼環１６の内周面までの長さ（Ｍ１−Ｂ），（Ｍ２−Ｂ）と、ロッド２５とガイドフレーム２６との長さの差（Ｊ−Ｋ）とを減算して計測することにより、ガスタービン組み立て完了時において翼端隙間を容易に確認することができる。

回転体とこの回転体の外周を覆うように回転可能に支持される静止体との隙間管理に適用可能である。

本発明の一実施例に係るガスタービンの翼端管理構造を供えたガスタービンの側断面図である。本発明の一実施例に係るガスタービンの翼端管理構造を示した図であり、（ａ）は図１のＩ部拡大図、（ｂ）は図１のII部拡大図、（ｃ）は図１のIII部拡大図である。本発明の一実施例に係るガスタービンの翼端管理構造を示した図であり、図１のIV部拡大図である。（ａ）はロッドの概略図、（ｂ）はガイドフレームの側断面図である。

符号の説明

１ガスタービン
２ロータ
３ケーシング（外部ケーシング）
４吸気口
５圧縮機
６タービン
７車室
８燃焼器
９，１４静翼
１０，１５動翼
１１第１静翼保持環（内部ケーシング）
１２第２静翼保持環（内部ケーシング）
１３第３静翼保持環（内部ケーシング）
１６タービン翼環（内部ケーシング）
１７〜２０外孔
２１〜２４内孔
２１ａ〜２４ａ段部
２５ロッド
２６ガイドフレーム
２６ａ大径部
２６ｂ小径部
２６ｃ貫通孔
２６ｄねじ孔
２６ｅフランジ部
２７エクステンション
２８止めねじ

Claims

ロータを回転自在に支持する外部ケーシングと、
前記外部ケーシングの径方向内側において前記ロータに多段に組み付けられる動翼の先端と所定量の隙間を有して設けられる内部ケーシングと、
前記外部ケーシング及び前記内部ケーシングを径方向に貫通すると共に前記内部ケーシングの支持面に支持されるガイドフレームと、
前記ガイドフレームに移動自在に支持され前記動翼の先端に当接するロッドとを備え、
前記隙間は、前記ガイドフレームに対する前記ロッドの移動量、前記ガイドフレームの長さ、前記ロッドの長さ及び前記内部ケーシングの厚さに基づいて計測される
ことを特徴とするガスタービンの翼端隙間管理構造。
請求項１に記載のガスタービンの翼端隙間管理構造において、
前記隙間は、前記ガイドフレームに対応する前記ロッドの移動量から、前記支持面を基準に求めた前記ガイドフレームの先端から前記内部ケーシングの内周面までの長さと、前記ガイドフレームと前記ロッドとの長さの差とを減算することにより計測される
ことを特徴とするガスタービンの翼端隙間管理構造。