JP4856644B2 - タービンステータのための保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービンステータのための保護装置に関する。

ガスタービンは、燃焼により生じるガスを用いて、ガスのエンタルピーを有用な仕事に変換し、回転シャフトに機械的動力を供給する回転熱機関である。

従って、タービンは通常、圧縮機又はターボ圧縮機を備え、その内部で、外部から取り入れた空気を加圧する。

様々なインジェクタが燃料を供給し、燃料は空気と混合されて空気燃料イグニション混合物を形成する。

軸流圧縮機には、いわゆるタービン又はターボ膨張機が後続し、これは燃焼室内で燃焼したガスのエンタルピーを変換して機械的エネルギーをユーザに供給する。

機械的エネルギーを生成する用途では、膨張ジャンプは、２つの部分ジャンプに分けられ、それらの各々がタービン内部で行われる。燃焼室の下流に位置する高圧タービンは、加圧ガスを取り込む。高圧タービンから流入するガスを集める低圧タービンは次に、ユーザに結合される。

ターボ膨張機、ターボ圧縮機、燃焼室（又は加熱器）、出力シャフト、制御システム及びイグニションシステムが、ガスタービンプラントの主要部分を形成する。

ガスタービンを作動させることに関しては、流体が一連の吸入ダクトを通して圧縮機に流入することが知られている。

これらの経路内では、ガスは低圧及び低温の特性を有するが、ガスが圧縮機を通過するにつれて、ガスは圧縮されてその温度が上昇する。

次いで、ガスは燃焼（加熱）室に流入し、そこでガスの温度がさらに大きく高められる。

ガスの温度上昇に必要な熱は、インジェクタを用いて加熱室内に導入されるガス燃料の燃焼によって供給される。

機械が起動されるときの燃焼の誘発は、スパークプラグを用いて得られる。

燃焼室の出口において、高圧かつ高温のガスは、特有のダクトを通してタービンに到達し、そこでガスは圧縮機及び加熱室（燃焼器）内で蓄積したエネルギーの一部を放出し、次いで、排出通路によって外部に流出する。

タービンの内部には、一連のステータブレードを備えたステータが設けられ、またこれも同様に一連のブレード（ロータ）を備えたロータが収容され、ロータは回転可能であり、その結果ガスによりロータが回転することになる。

「シュラウド」としても知られているステータの保護装置は、ステータブレードのプラットホームと共に主ガス流の範囲を定める。

シュラウドの機能は、通常は低品質材料で作製され、従って低い耐腐食性を有するアウタケースを、酸化及び劣化から保護することである。

シュラウドは一般的に、完全リングからなるか又は一連のセクタに適切に分割されており、それらの各々は、圧縮機からの空気流によって冷却される。

冷却は、主として燃焼温度と得られる温度低下とに応じて決まる様々な方法を用いて行うことができる。

本発明が関係する形式の保護装置は、組立てられてリングを形成する一連のセクタを含み、セクタの各々は、各セクタの外面上に位置するキャビティを有する。

高い燃焼温度を有する機械の場合には、最も広範に使用される冷却方法は、「インピンジメント」として知られる方法である。

この方法によると、好ましくはろう付けによって薄板が各セクタの各キャビティ上に取り付けられており、薄板は一連の貫通孔を備え、この一連の貫通孔を通して圧縮機からの新鮮な空気を引き入れて、特にその空気をキャビティの底面表面上に衝突させ、その後、図には示していないが各セクタ内に配置した一連の出口孔から吐出することによってシュラウド自体を冷却するようにする。

これらの方策にも拘わらず、シュラウド及びそれゆえ同様にそのセクタの各々は、
たとえ有効な冷却が行われたとしても、温度勾配及びタービンの作動温度に起因する変形を受け、この変形により、室温での形状とは異なる、すなわちタービンが作動していない停止形状に対して異なる変形した形状を生じる。

タービンの作動の間に発生する温度勾配の結果として、シュラウド、特にそのセクタの各々に一様でない変形が生じる。

従って、シュラウドは通常、その温度を制限するために適切な材料で被覆した超合金で作られる。

第１の欠点は、この構成は、作動温度での変形を限定されたものとはするが、シュラウドとロータに取り付けたブレードとの間の潜在的な摩擦の危険性のために、クリアランスを最小限にまで縮小できないことである。

別の欠点は、シュラウドの剛性を高めることにより、温度勾配によって増大する応力もまた増大し、その結果、シュラウド自体の有効寿命を大きく低下させることである。

このことは、その中にシュラウドが設置されたガスタービンの信頼性の低下を引き起こし、またタービンを良好な状態に保ちかつ突発的な停止を回避するためにはシュラウドをより頻繁に交換しなければならないので、維持コストの悪化を引き起こす。
欧州特許出願公開第１１６２３４６号明細書 欧州特許出願公開第１１５４１２６号明細書 米国特許出願公開第５１２７７９３号明細書 欧州特許出願公開第１２２５３０５号明細書 欧州特許出願公開第１１７８１８２号明細書

本発明の目的は、クリアランスを縮小するのを可能にし、同時に長い有効寿命を維持するタービンステータのための保護装置を提供することである。

別の目的は、保護装置自体への応力を低く保つ高い剛性を有するタービンステータのための保護装置を提供することである。

さらに別の目的は、タービン自体の性能を高めるタービンステータのための保護装置を提供することである。

さらに別の目的は、簡単かつ経済的であるタービンステータのための保護装置を提供することである。

本発明によるこれらの目的は、請求項１に記載したようなステータのための保護装置を提供することによって達成される。

本発明の更なる特徴は、その後の請求項に示す。

本発明によるガスタービンのステータの保護装置の特徴及び利点は、添付の概略図面を参照しながら以下の例示的かつ非限定的な説明を読むことよって、一層明らかになるであろう。

図を参照すると、これらの図は、タービンステータのための保護装置を示し、本保護装置は、継手手段によって結合することができる一連の環状のセクタ１２を含み、各セクタ１２は、底面１５をもつ少なくとも１つのキャビティ１４を有する第１の側面１３を含み、各セクタ１２は、少なくとも１つのキャビティ１４内部に配置されかつ長手方向に可変の断面を有して各セクタ１２の剛性を調整するようになった少なくとも１つの強化リブ１６を含む。

さらに、少なくとも１つのキャビティ１４の各底面１５はまた、各セクタ１２の剛性を調整するために凸状である。

底面１５は、シュラウドの可変の断面が得られるように円周方向及び／又は軸方向に凸状であるのが好ましい。

このことにより、タービンの作動の間にシュラウドが一様な円周方向及び／又は軸方向変形、従って低い応力状態を有するシュラウドの可変剛性が得られる。

同時に、タービンの効率の増大を保証し、またシュラウドの有効寿命を長く維持するようにする最小のクリアランスが得られる。

凸状の底面１５は、好ましくは軸方向断面において軸方向曲率半径７０をもつ頂点を有し、この軸方向曲率半径７０は、ロータの半径に対して無次元寸法化した（adimensionalized）とき即ちロータの半径で除算したときに、0.221〜0.299の範囲にある値を有するのが好ましい。

この無次元寸法化した軸方向曲率半径７０は、好ましくは0.260である。

半径方向断面において、頂点は、円周方向曲率半径６０を有し、この円周方向曲率半径６０は、ロータの半径に対して無次元寸法化したとき、すなわちロータの半径で除算したときに、好ましくは0.365〜0.494の範囲にある値を有するのが好ましい。

この無次元寸法化した円周方向曲率半径６０は、好ましくは0.429である。

軸方向断面における頂点は、少なくとも１つのキャビティ１４の１つの端部からの間隔８０を有し、この少なくとも１つのキャビティ１４の軸方向長さに対して無次元寸法化した間隔８０は、0.142〜0.192の範囲にある値を有するのが好ましい。

この無次元寸法化した間隔８０は、好ましくは0.167である。

軸方向に沿ったリブ１６は、タービンの軸線に対して、好ましくは3.162°〜4.278°の範囲にある角度５０だけ傾斜しているのが好ましい。

この角度５０は、好ましくは3.72°である。

換言すれば、リブ１６の抵抗性軸方向断面は、タービンの軸線に沿った温度勾配をバランスさせるように、タービンの軸線に沿って直線的に変化する。

リブ１６は、最大軸方向高さ９０を有し、この最大軸方向高さ９０は、少なくとも１つのキャビティ１４の軸方向長さに対して無次元寸法化したとき、すなわち軸方向長さで除算したとき、好ましくは0.133〜0.180の範囲にある値を有する。

この無次元寸法化した最大軸方向高さ９０は、好ましくは0.156である。

各セクタ１２はまた、セクタ１２自体を冷却するための空気を導入するようになった一連の貫通孔２１を備えた薄板２０を含む。

薄板は、少なくとも１つのキャビティ１４を覆うように、対応するセクタ１２に固定されるか又は該セクタと一体形であるのが好ましい。

従って、本発明によるタービンステータのための保護装置は上に記載した目的を達成することが理解できる。

このように着想した本発明のタービンステータのための保護装置には、その全てが同じ発明概念に包含される多数の修正及び変形を行うことができる。

さらに、実施する際には、使用する材料は、寸法及び構成要素とまた同様に、技術的要求により変更することができる。

本発明によるガスタービンロータの保護装置の好ましい実施形態のセクタの上部分長手方向断面図。 図１のセクタの上部分半径方向断面図。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに従った上部分側面断面図。

符号の説明

１２ セクタ
１４ キャビティ
１５ 底面
１６ 強化リブ
２０ 薄板
２１ 貫通孔
６０ 円周方向曲率半径
７０ 軸方向曲率半径

Claims (7)

1. 継手手段によって結合することができる一連の環状のセクタ（１２）を含み、各セクタ（１２）が、底面（１５）を備えた少なくとも１つのキャビティ（１４）を有する第１の側面を含む、タービンのステータのための保護装置であって、
   前記少なくとも１つのキャビティ（１４）の各底面（１５）が円周方向及び／又は軸方向に凸状であり、
   各セクタ（１２）が、前記少なくとも１つのキャビティ（１４）内部に配置されかつ長手方向に可変の断面を有して各セクタ（１２）の剛性を調整するようになった少なくとも１つの強化リブ（１６）を含み、
   前記凸状の底面（１５）が、軸方向断面において軸方向曲率半径（７０）を有する頂点を有し、前記軸方向曲率半径（７０）が、前記ロータの半径で除算したときに0.221〜0.299の範囲にある値を有し、
   軸方向に沿った前記リブ（１６）が、前記タービンの軸線に対して、3.162°〜4.278°の範囲にある角度（５０）だけ傾斜している
   ことを特徴とする、保護装置（１０）。
2. 前記軸方向曲率半径（７０）が、前記ロータの半径で除算したときに0.260に等しい値を有することを特徴とする、請求項１記載の保護装置（１０）。
3. 前記半径方向断面における頂点が、円周方向曲率半径（６０）を有し、前記円周方向曲率半径（６０）が、前記ロータの半径で除算したときに0.365〜0.494の範囲にある値を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の保護装置（１０）。
4. 前記円周方向曲率半径（６０）が、前記ロータの半径で除算したときに0.429に等しい値を有することを特徴とする、請求項３記載の保護装置（１０）。
5. 前記軸方向断面における頂点が、前記少なくとも１つのキャビティ（１４）の１つの端部からの間隔（８０）を有し、前記間隔（８０）が、前記少なくとも１つのキャビティ（１４）の軸方向長さで除算したときに0.142〜0.192の範囲にある値を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項記載の保護装置（１０）。
6. 前記少なくとも１つのキャビティ（１４）の軸方向長さで除算したときの間隔（８０）が、０．１６７に等しい値を有することを特徴とする、請求項５記載の保護装置（１０）。
7. 前記角度（５０）が、3.72°であることを特徴とする、請求項１記載の保護装置（１０）。

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