JP4958782B2 - タービンステータ用の保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービンステータ用の保護装置に関する。

ガスタービンは、燃焼によるガスを使用してガスのエンタルピーを有用な仕事に変換しかつ機械的出力を回転シャフトに供給する回転熱機械である。

従って、タービンは通常、外部から取り入れた空気をその内部で加圧状態にする圧縮機又はターボ圧縮機を含む。

様々な噴射器により燃料を供給し、燃料は、空気と混合されて燃焼用空気−燃料混合気を形成する。

軸流圧縮機の下流には、いわゆるタービン又はターボエキスパンダが配置され、このタービン又はターボエキスパンダは、燃焼室内で燃焼したガスのエンタルピーを変換した機械エネルギーをユーザに供給する。

機械的エネルギーを発生するための用途では、エキスパンジョンジャンプは、その各々がタービン内で起こる２つの部分的ジャンプに細分される。燃焼室の下流にある高圧タービンは、圧縮を伴う。高圧タービンから流入するガスを受ける低圧タービンは、次にユーザに連結される。

ターボエキスパンダ、ターボ圧縮機、燃焼室（又はヒータ）、出力シャフト、調整システム及び点火システムは、ガスタービンプラントの主要部分を形成する。

ガスタービンの機能に関して言えば、流体は、一連の入口ダクトを通して圧縮機に入ることが知られている。

これらの通路内では、ガスは、低圧低温特性を有するが、圧縮機を通過するにつれて、ガスは圧縮され、その温度が上昇する。

次にガスは、燃焼（又は加熱）室に入り、そこでガスは、さらに大きく温度が上昇する。

ガスの温度上昇に必要な熱は、噴射器により加熱室内に導入されたガス燃料の燃焼によって供給される。

機械を起動させる時の燃焼のトリガは、スパークプラグによって得られる。

燃焼室の出口において、高圧かつ高温のガスは、固有のダクトを通してタービンに到達し、タービンにおいて、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、次に排気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あり、ステータ内には、これもまた一連のブレード（ロータ）を備えたロータが回転可能に収納され、ロータは、ガスによって回転させられる。

「シュラウド」としても知られる保護装置は、ステータブレードのプラットフォームと共に、主要ガス流を限定する。

シュラウドの機能は、通常は低品質材料で作られており、従って耐食性が低い外側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、完全な内部リングで構成されるか、或いはその各々が圧縮機から流入する空気流で冷却される一連のセクタに適当に分割される。

冷却は、様々な方法で行うことができ、その方法は、本質的に燃焼温度及び得ようとする温度低下に応じて決まる。

本発明に関連する保護装置のタイプは、組み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、その外側表面上に配置された空洞を有する。

高い燃焼温度を有する機械の場合には、最も広く使用される冷却方法は、「衝突冷却」として知られる方法である。

この方法によると、シュラウド自体を特に空洞の底面表面上への空気の衝突によって冷却するために、圧縮機から流入した新鮮な空気がそれらを通して引き込まれる一連の貫通孔を備えたシートが、好ましくはろう付けによって各セクタの各空洞上に固定され、空洞底面に衝突した空気はその後、各セクタ内に配置した一連の出口孔（図示せず）から排出される。

シュラウドとしても知られる現存のガスタービンステータの保護装置の欠点の１つは、各シートの一連の孔を通って流れる空気流が、そのストリーム自体間に不利な干渉を発生し、従って関連するセクタの非効率的な冷却を引き起こすので、関連するセクタを有効に冷却することができないことである。

さらに別の欠点は、熱応力の結果として生じる変形により、保護装置の様々なセクタ間に間隙が生じるようになることである。

これらの間隙は、空気の吸い込みを発生させて、タービン自体の効率の低下を引き起こす。
欧州特許出願公開第０７０９５５０Ａ号公報 米国特許第６，４０２，４６４Ｂ１号公報

本発明の１つの目的は、ステータの有効な保護を可能にする、シュラウドとも呼ばれるガスタービンのステータの保護装置を提供することである。

別の目的は、その高い冷却効率を可能にするガスタービンステータの保護装置を提供することである。

さらに別の目的は、その大きな有効寿命及びステータ自体の大きな有効寿命を有するガスタービンステータの保護装置を提供することである。

さらに別の目的は、単純かつ経済的なガスタービンステータ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に記載したガスタービンステータ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、後続の請求項に特定している。

本発明によるガスタービンステータの保護装置の特徴及び利点は、添付した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により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、一連のセクタ１２を含むタイプのガスタービンのステータの保護装置１０を示しており、セクタ１２の各々は、その外側表面上に配置された少なくとも１つの対応する空洞１４を有し、空洞１４は次に、底面１５を有する。

少なくとも１つの空洞１４と関係して、対応するセクタ１２を冷却する空気を通過させるための一連の孔２１を備えたシート２０が、好ましくはろう付けによって関連するセクタ１２の外側表面上に固定される。

本発明によると、各セクタ１２は、熱交換面及び流れの乱流を増加させるために、少なくとも1つの空洞１４内で好ましくは底面１５上に配置された一連の隆起３０を含む。

隆起３０は、例えば溶融又は微量溶融によってセクタ１２の製造時に直接得ることができ、或いは隆起３０は、例えば電食のような機械的処理作業によってセクタ１２の製造後に得ることができる。

このようにして、一連の隆起３０によって、各セクタ１２の底面１５上に乱流を作り出すことが可能になる。

高温の場合には、このようにすることは、冷却効率の増大を可能にし、かつ各シート２０の一連の孔２１から引き込まれる空気流間の不利な相互作用を排除するのを可能にする。

一連の隆起３０は、各対応するセクタ１２の少なくとも１つの空洞１４の底面１５上に均一に分散されるのが好ましい。

さらに、各セクタ１２の一連の隆起３０は、互いに平行な線４０に沿って配置されるのが好ましい。

図４を参照すると、対応する空洞１４の底面１５に関する各隆起３０は、底面１５の表面積の平方根で除算した時に、好ましくは０．００７４〜０．０１００の範囲にある値、より好ましくは０．００８７の値を有する高さ３１を有する。

隆起３０は、各線４０に沿って、一連の頂部と一連の窪みとを有する表面を形成し、各頂部は、各隆起３０の頂点と対応している。

各隆起３０は、対応する頂部半径３３を有する頂部又は頂点を有し、この頂部半径３３は、底面１５の表面積の平方根で除算した時に、好ましくは０．００３７〜０．００５０の範囲にある値、より好ましくは０．００４４の値を有する。

さらに、各隆起３０は、連結半径３４によって隣接する隆起３０と連結され、この連結半径３４は、底面１５の表面積の平方根で除算した時に、好ましくは０．００３７〜０．００５０の範囲にある値、より好ましくは０．００４４の値を有する。

隆起３０は、各線４０に沿って、頂部から頂部までと見なされる距離３２で均一に分散されかつ間隔を置いて配置される。

距離３２は、底面１５の表面積の平方根で除算した時に、好ましくは０．０１８６〜０．０２５１の範囲にある値、より好ましくは０．０２１８の値を有する。

隣接する線４０に関する隆起３０は、線４０に対する直角方向で見て、距離３５だけ平行移動されているのが好ましい。

距離３５は、底面１５の表面積の平方根で除算した時に、好ましくは０．００９３〜０．０１２６の範囲にある値、より好ましくは０．０１０９の値を有する。

各セクタ１２は、その剛性を増大させるために、好ましくはセクタ１２自体と一体形でありかつ少なくとも１つの空洞１４内部に配置された補強リブ１６を備えるのが好ましい。

一連の隆起により、保護エレメントの最大温度を大きく制限し、その結果保護エレメントの有効寿命を延ばすことができる利点がある。

さらに、構成要素の温度を低下させることにより、構成要素の変形もまた制限される利点がある。

このようにして、タービン内部の間隙を減少させ、その結果ステータを通り抜ける空気吸い込みによる性能低下が減少されるので、タービン自体の効率を向上させることも可能になる。

従って、本発明によるガスタービンステータの保護装置は、上に記載した諸目的を達成することができることが分かるであろう。

このように着想した本発明のガスタービンステータの保護装置では、多くの変更及び変形を行うことが可能であるが、それらは全て同じ発明概念内に含まれる。

さらに、実施に際しては、使用する材料、同様に寸法及び構成要素もまた、技術的要求に従って変更することができる。

本発明によるタービンステータのセクタ又は保護装置のシートの好ましい実施形態を上方から見た図。 本発明によるタービンステータのセクタ又は保護装置の好ましい実施形態を上方から見た図。 図２の詳細図。 線ＩＶ−ＩＶにより切断した、図３の詳細図の立面正面断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンステータの保護装置
１２ セクタ
１４ 空洞
１５ 底面
１６ 補強リブ
２０ シート
２１ 貫通孔
３０ 隆起

Claims (11)

1. 結合手段によって互いに拘束された一連のセクタ（１２）を含み、各セクタ（１２）が、底面（１５）を有する少なくとも１つの空洞（１４）を有し、前記少なくとも１つの空洞（１４）と関係して、一連の貫通孔（２１）を備えかつ前記少なくとも１つの空洞（１４）を覆うのに適した対応するシート（２０）が、前記関連するセクタ（１２）の外側表面上に固定され、各セクタ（１２）が、前記対応するシート（２０）の貫通孔（２１）から流入し、前記底面（１５）上を通過しかつ少なくとも１つの出口孔から排出される空気ストリームによって冷却されるタイプのガスタービンのステータ用の保護装置（１０）であって、
   各セクタ（１２）の前記底面（１５）が、熱交換面を増加させかつ該保護装置（１０）の冷却効率を増大させるための一連の隆起（３０）を含み、
   前記一連の隆起（３０）の各隆起が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００３７〜０．００５０の範囲にある値を有する頂部半径（３３）を有する頂部を有し、
   前記一連の隆起（３０）の各隆起が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００３７〜０．００５０の範囲にある値を有する連結半径（３４）によって隣接する隆起と連結される
   ことを特徴とする保護装置（１０）。
2. 前記頂部半径（３３）が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００４４の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. 各セクタ（１２）が、該セクタ自体と一体形でありかつ前記少なくとも１つの空洞（１４）内部に配置された補強リブ（１６）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の保護装置（１０）。
4. 前記連結半径（３４）が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００４４の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）。
5. 前記対応する底面（１５）に関する前記一連の隆起（３０）の各隆起が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００７４〜０．０１００の範囲にある値を有する高さ（３１）を有することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項記載の保護装置（１０）。
6. 前記高さ（３１）が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００８７の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. 前記一連の隆起（３０）が、平行線（４０）に沿って前記対応する底面（１５）上に配置されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項記載の保護装置（１０）。
8. 前記隆起（３０）が、各線（４０）に沿って、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．０１８６〜０．０２５１の範囲にある値を有する頂部から頂部までと見なされる距離（３２）で均一に分散されかつ間隔を置いて配置されることを特徴とする、請求項７記載の保護装置（１０）。
9. 前記距離（３２）が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．２１８の値を有することを特徴とする、請求項８記載の保護装置（１０）。
10. 隣接する線（４０）に関する前記隆起（３０）が、前記線（４０）に対して直角方向で見て、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．００９３〜０．０１２６の範囲にある値を有する距離（３５）だけ平行移動されていることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項記載の保護装置（１０）。
11. 前記距離（３５）が、前記底面（１５）の表面積の平方根で除算した時に０．１０９の値を有することを特徴とする、請求項１０記載の保護装置（１０）。

Images