JP5614971B2 - 外部から調節可能なインピンジメント冷却マニホルドマウント及び熱電対ハウジング - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンの空気インピンジメント冷却マニホルド用の調節可能なマウントに関する。

ガスタービンのケーシング温度を管理するため、及び回転ブレードと付随する内部ケーシング表面との間のクリアランスを低減し維持するために、空気インピンジメント冷却が使用される。ケーシングの冷却は一般に、望ましくない非円形及び局所的な応力集中を避けるために、比較的均一にする必要がある。冷却効率は、様々な空気インピンジメント冷却構成の影響を受ける。ガスタービンの空気インピンジメント冷却構成に関する１つの問題は、大型の不均一な非標準のケーシング表面にわたって比較的均一な熱伝達率を得ることが難しいことである。一部のガスタービンでは、小さなインピンジメント孔及び表面距離の比較的短いノズルが応用されている。これらの特徴は、ケーシングの所用の高い熱伝達率をもたらすことができるが、比較的小さいインピンジメント冷却孔を利用することに関する問題は、孔にわたって比較的大きな格差のある圧力低下を有して動作することが必要とされることである。これにより望ましくない高い冷却空気供給圧が必要とされ、ガスタービンの正味効率に悪影響を及ぼすことになる。また、比較的小さな孔及びより短い孔は、有害な直交流を有し、一定の冷却流量の冷却効率に意図しない影響を及ぼす。その結果として、高圧ブロアが必要となる可能性があり、システム資本及び運用コストが付加される。

１つの公知の空気インピンジメント冷却構成は、目標冷却域の真上にあるタービンケーシングに取り付けられた複数のマニホルドを含む。マニホルドは通常、マウントを用いてタービンケーシングに取り付けられる。冷却空気はマニホルドに供給され、該マニホルドは、各マニホルドの下側プレート内に形成された一連の空気インピンジメント孔を有する。下側プレートのインピンジメント孔のサイズ及び位置は、空気インピンジメント冷却システムによる冷却を目標とするタービンケーシング全体にわたり比較的均一で所用の熱伝達率を提供するよう選択される。このタイプのマニホルド冷却システムでは、マニホルドにより得られるケーシング冷却は、各マニホルドの下側プレートとタービンケーシングとの間の距離によって決まる。しかしながら、マニホルドをケーシングに取り付けるマウントは、マニホルドがケーシングに組み込まれる間にマニホルドの下側プレートとタービンケーシングとの間の間隙距離を幾らか調整することができない点で問題がある。マウント間隙距離は、マニホルドがケーシングから取り外された状態でのみ調整することができる。これにより、下側プレートとケーシングとの間の所用の間隙距離を得るためには、時間がかかり且つ望ましくない試行錯誤法を行うことが必要となる。すなわち通常は、所用の間隙距離、ひいては適度なケーシング冷却が得られるまでには、マニホルドは、ケーシングへの載せ下ろしを複数回行う必要がある。

本発明の一態様によれば、マウントは、ケーシングに取り付けられる組込ボルトと、ケーシングを遠位端で係合する内部ブッシュと、マニホルドを係合し且つ内部ブッシュを係合する外部ブッシュとを含み、内部ブッシュが外部ブッシュに対して調整可能であり、これによりマニホルドをケーシングに対して調整可能にすることができる。

本発明の別の態様によれば、離間したプレートのペアを有し、ケーシングに最も近接して配置されたプレートの１つに複数の冷却孔が形成されたマニホルドをケーシングに組み込むためのマウントであって、該マウントは、ケーシングに取り付けられる組込ボルトと、ケーシングを遠位端で係合する内部ブッシュと、マニホルドを係合し且つ内部ブッシュを螺合する外部ブッシュとを含み、内部ブッシュが外部ブッシュに対して調整可能であり、これによりマニホルドをケーシングに対して調整可能にすることができる。

本発明の更に別の態様によれば、方法は、組込ボルトをケーシングに取り付ける段階と、内部ブッシュをケーシングと係合する段階と、外部ブッシュをマニホルドに対して且つ内部ブッシュに対して係合する段階と、を含み、内部ブッシュが外部ブッシュに対して調整可能であり、これによりマニホルドをケーシングに対して調整可能にすることができるようにする。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明からより明らかになるであろう。

ガスタービンの断面図。 図１のガスタービンにおけるシュラウドに対するタービンブレードのクリアランスの詳細図。 図１のガスタービン上に実装されるインピンジメント冷却システム。 図３のインピンジメント冷却システムの一部であるインピンジメント冷却マニホルドの断面図。 図４のインピンジメント冷却マニホルドの詳細な断面図。 図４及び５のインピンジメント冷却マニホルドにおける本発明の実施形態によるマウントの詳細図。 図６のマウントの一部である組込ボルト及び熱電対ホルダの断面図。 図６のマウントの一部である内部ブッシュの断面図。 図６のマウントの一部である外部ブッシュの断面図。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

この詳細な説明は、例証として図面を参照し、利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。

図１は、ガスタービン１１０の１つの実施形態を示している。ガスタービンは、圧縮機セクション１１２、燃焼器セクション１１４、及びタービンセクション１１６を含む。タービン１１０はまた、圧縮機ケーシング１１８及びタービンケーシング１２０を含む。タービン及び圧縮機ケーシング１１８、１２０は、ガスタービン１１０の主要部品を内包する。タービンセクション１１６は、シャフトと、回転及び固定タービンブレードの複数のセットとを含む。

図１及び２を参照すると、タービンケーシング１２０は、ケーシング１２０の内表面に取り付けられるシュラウド１２６を含むことができる。シュラウド１２６は、ブレード先端を通過する空気漏出を最小限にするために、回転タービンブレード１２２の先端に近接して位置付けることができる。ブレード先端１２３とシュラウド１２６との間の距離は、クリアランス１２８と呼ばれる。各タービン段のクリアランス１２８は、ガスタービンの運転中のブレード及びケーシングの熱的膨張特性が異なることに起因して、一定していない点に留意されたい。

ガスタービンの効率の一因は、ブレード先端からケーシングクリアランス１２８への空気／排気ガスの漏出の総量である。タービンブレード１２２及びタービンケーシング１２０の熱的膨張特性が異なることに起因して、タービンが点火からベース負荷定常状態条件への過渡現象を通じて遷移するにつれて、クリアランス１２８は有意に変化する。全運転状態中の特定のクリアランス特性に対処するために、動作順序を含むクリアランス制御システムを実装することができる。誤った制御システムの設計及び／又は順序づけにより、タービンブレード１２２の先端とケーシングシュラウド１２６との間の過剰な摩擦を招き、結果としてクリアランスの増大及び性能低下を生じる可能性がある。

図３の例示的な実施形態で示すように、インピンジメント空気冷却システムを用いて、タービンシュラウド１２６と付随するブレード先端１２３との間のクリアランスを低減及び維持することができる。インピンジメント空気冷却システムは、ブロア１３０、流れ制御ダンパ１３２、相互接続配管１３４、分配ヘッダ１３６、及び一連のインピンジメント冷却マニホルド１４０を含むことができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０に取り付けられる。図３の例示的な実施形態において、複数（例えば８つ）のインピンジメントマニホルド１４０がタービンケーシング１２０の周囲付近に取り付けられる。インピンジメント冷却ブロア１３０は、周囲空気から吸引して、流れ制御ダンパ１３２、相互接続配管１３４、分配ヘッダ１３６、及びインピンジメント冷却マニホルド１４０に通して空気を吹き付ける。ブロア１３０は、ファン又はジェットを含む何らかの吹き付け装置とすることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、比較的均一な熱伝達率をタービンケーシング１２０に伝えることを可能にする。インピンジメント空気冷却システムは、本明細書で開示される構成部品に限定されず、インピンジメント冷却マニホルド１４０に沿って空気を通過させることができるあらゆる構成部品を含むことができることを理解されたい。

図４及び５に示す例示的な実施形態を参照すると、インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０の目標区域の輪郭に合わせて設計することができる。各インピンジメント冷却マニホルド１４０は、空気送給管１４４を備えた上側プレート１４２、複数のインピンジメント孔１４８を備えた下側プレート１４６、側面部品、レベリング脚部１５０、及び固定支持体又はマウント１５２を含むことができる。マウント１５２（及びひいてはマニホルド１４０）は、本発明の実施形態に従って外部から調節可能であり、マウント１５２は、図６〜９を参照しながら以下でより詳細に説明し例証する。インピンジメント孔１４８により、空気は、インピンジメント冷却マニホルド１４０からタービンケーシングに流れ、タービンケーシングを選択的に冷却することが可能になる。

インピンジメント孔１４８は、アレイ状に位置付けることができる。例示的な実施形態において、インピンジメント孔１４８は、１．２５インチから２．５インチの範囲で間隔を置いて配置することができ、個々のインピンジメント孔１４８は、０．１２と０．２インチの間のサイズにすることができる。タービンケーシング１２０の不均一な幾何形状を補償するために、様々な孔のサイズ及び間隔が必要とされる。インピンジメント孔１４８の下側プレート１４６上へのサイズ及び位置決めにより、インピンジメント空気冷却システムによって目標とされるケーシング１２０全体にわたって均一な熱伝達率がもたらされる。しかしながら、インピンジメント孔は、これらのサイズ又は間隔に限定されない。上側プレート１４２と下側プレート１４６との間の距離はまた、内部圧力変動を低減するような寸法にすることができ、これにより、比較的より均一な冷却孔圧力比が得られることになる。

各インピンジメント冷却マニホルドの下側プレート１４６とタービンケーシング１２０との間の間隙距離は、熱伝達率に影響を及ぼす。間隙が大きすぎると、望ましくない熱伝達率となる可能性がある。間隙が小さすぎると、望ましくなく且つ不均一な熱伝達率となる可能性がある。例示的な実施形態では、０．５と１．０インチの間の間隙が好適な熱伝達率を与える。しかしながら、間隙はこの範囲に限定されず、好適な熱伝達率を提供するどのような距離であってもよい。以下でより詳細に説明するように、本発明の実施形態によるマウント１５２は、マニホルド１４０がタービンケーシング１２０に組み込まれ又は取り付けられる間に、マニホルド下側プレート１４６とタービンケーシング１２０との間の間隙距離の外部調節を可能にする。

ガスタービンの例示的な実施形態は、複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０を含むことができる。マニホルド１４０は、ケーシング１２０の目標冷却区域の真上にあるタービンのケーシング１２０に取り付けることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、マニホルドの縁部とケーシングの何れかの突起部との間に十分な間隔があるように位置付けることができる。これにより、インピンジメント孔を通過する空気がインピンジメント冷却マニホルド１４０の下から環境に排出するための自由経路が提供される。例示的な実施形態では、２つの隣接するインピンジメント冷却マニホルド間の間隔は１〜３０インチの間とすることができ、これはケーシング突起部及びフランジ付きジョイントによって決まる。間隔はこれらの寸法に限定されず、どのような好適な距離で離間して配置してもよい。インピンジメント冷却マニホルド１４０はまた、水平方向分割ジョイントを含む、軸方向フランジの何れかに対するインピンジメント冷却を可能にすることができる。

図６を参照すると、本発明の実施形態によるマウント１５２がより詳細に示されている。本発明の実施形態では、マウント１５２は、マニホルド１４０（詳細には、マニホルド１４０の下側プレート１４６内に形成されたインピンジメント孔１４８）をタービンケーシング１２０の表面から所定の間隙距離で保持又は支持する役割を果たす。マウント１５２はまた、タービンケーシング１２０の温度を監視する熱電対１５４用のウェル又はホルダとして機能する。更に図７〜９を参照すると、マウント１５２は、組込ボルト１５６（図７）を含む種々の構成部品の組立体を備え、該組込ボルト１５６はまた、熱電対１５４、内部ブッシュ１５８（図８）、及び外部ブッシュ１６０（図９）を保持する。

マウント１５２は、マニホルド１４０の上側プレート１４２内の孔１６４と、マニホルド１４０の下側プレート１４６内の孔１６６とを貫通して配置される。組込ボルト１５６は、タービンケーシング１２０内に形成されたネジ付きカウンタボア１７０に係合してマウント１５２をケーシング１２０に固定するネジ付き遠位端１６８を含む。熱電対本体１５４は、組込ボルト１５６の近位端に位置付けされる六角頭部１７４内部のネジ付き又はテーパー付きウェル又はボア１７２にネジ止め又は取り付けられる。熱電対１５４は、ボア１７２の全長を貫通して配置される細棒又はワイヤ１５５を含み、ロッド１５５は、ケーシング１２０内のカウンタボア１７０で終端する。ロッド１５５は、ケーシング１２０との組込ボルト１５６のネジ係合より下のカウンタボア１７０においてケーシング１２０と接触し、これによりケーシング１２０の温度測定が可能になる。

内部ブッシュ１５８は、ケーシング１２０の表面１７８上に着座する遠位端にフランジ１７６を含む。内部ブッシュは、その長さに沿った雄ネジ１８０を含む。ネジ１８０は、ボア１８４の一部に沿った雌ネジ１８２と係合する。内部ブッシュ１５８の近位端は、本明細書で説明される本発明の実施形態に従って、ケーシング１２０に対してマニホルド１４０の位置又は間隙距離を調節するのに使用される平坦部分１８６を含む。平坦部分１８６は、平坦の他にどのような好適な形状をとることもでき、外部ブッシュ１６０を越えて延び、例えばレンチを用いて間隙距離を調節することを望む人が平坦部分１８６にアクセスできるようになる。

外部ブッシュ１６０は、グラファイトガスケット１９２及び金属板ワッシャ１９４を使用することにより下側プレート１４６の表面１９０を係合するフランジ１８８を含む。外部ブッシュ１６０の近位端は、その長さに沿った雄ネジ１９６を含む。ネジ１９６は、互いに隣接し且つ金属板ワッシャ２０２及びグラファイトガスケット２０４に隣接して配置された２つのジャムナット１９８と係合する。グラファイトガスケット２０４は、マニホルド１４０の上側プレート１４２の表面２０６を係合する。外部ブッシュ１６０は、上側プレート１４２内の孔１６４を貫通して配置される。組込ボルト１５６は、内部ブッシュ１５８の全長に沿って内部ボア２０８を貫通する。

使用時には、マニホルド１４０が本発明の実施形態のマウント１５２を用いてタービンケーシング１２０に組み立てられ又は組み込まれた後、ケーシング１２０からのマニホルドの下側プレート１４６の間隙距離は、公知の設計に関して上述したようにケーシング１２０からマニホルド１４０を取り外すことを必要とせずに変えることができる。その代わりに、間隙距離は、レンチ又は他の好適なツールを用いて内部ブッシュ１５８の平坦部分１８６を把持し、次いで時計回り又は反時計回りの何れかに内部ブッシュ１５８を回転させることにより、ケーシング１２０に組み込まれるマニホルド１４０に対して変えることができる。従って、内部ブッシュ１５８の雄ネジ１８０は、外部ブッシュ１６０の雌ネジ１８２に対して「動作」し、又は調節可能になり、これによりマニホルド１４０の間隙距離がタービンケーシング１２０に対して調節される。

本明細書で説明され図示された本発明の実施形態によるマウント１５２は、ケーシング間隙距離クリアランス制御に対して改善したマニホルドを提供し、初期取り付け時及びその後のマニホルド再設置時の両方でケーシング１２０にマニホルド１４０が組み込まれるときの設置時間を短縮する。また、マウント１５２によって、再設置時の比較的改善されたより緊密な許容差も維持することができる。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１１０ ガスタービン
１１２，１１４ 圧縮機セクション
１１６ タービンセクション
１１８，１２０ ケーシング
１２６ シュラウド
１２２ ブレード
１２３ ブレード先端
１２８ クリアランス
１３０ ブロア
１３２ 制御ダンパ
１３４ 相互接続配管
１３６ 分配ヘッダ
１４０ マニホルド
１４２ 上側プレート
１４４ 空気送給管
１４６ 下側プレート
１４８ インピンジメント孔
１５０ 脚部
１５２ マウント
１５４ 熱電対
１５６ 組込ボルト
１５８ 内部ブッシュ
１６０ 外部ブッシュ
１６４，１６６ 孔
１６８ 遠位端
１７０ カウンタボア
１７２，１８４ ボア
１７４ 六角頭部
１５５ ロッド又はワイヤ
１７６，１８８ フランジ
１７８，２０６ 表面
１８０ ネジ
１８６ 平坦部
１９２，２０４ グラファイトガスケット
１９４，２０２ 金属ワッシャ
１９８，２００ ナット
２０８ 内部ボア

Claims (7)

1. ケーシング（１２０）に取り付けられる組込ボルト（１５６）と、
   前記ケーシング（１２０）を遠位端で係合する内部ブッシュ（１５８）と、
   マニホルド（１４０）を係合し且つ前記内部ブッシュ（１５８）を係合する外部ブッシュ（１６０）と、
   を備えたマウントであって、
   前記内部ブッシュ（１５８）が前記外部ブッシュ（１６０）に対して調整可能であり、これにより前記マニホルド（１４０）を前記ケーシング（１２０）に対して調整可能にすることができ、前記外部ブッシュ（１６０）が、前記外部ブッシュ（１６０）上の雄ネジ（１９６）によって、及び前記外部ブッシュ（１６０）上の前記雄ネジ（１９６）に螺合する少なくとも１つのナット（１９８、２００）によって前記マニホルド（１４０）に組み込まれる、マウント。
2. 前記組込ボルト（１５６）が、前記組込ボルト（１５６）の近位端に熱電対（１５４）用のウェル（１７２）を更に含む、請求項１記載のマウント（１５２）。
3. 前記組込ボルト（１５６）が、前記熱電対（１５４）のワイヤ（１５５）用の内部ボア（１７２）を更に含む、請求項２記載のマウント（１５２）。
4. 前記組込ボルト（１５６）が、ネジ（１６８）により前記ケーシング（１２０）に取り付けられる、請求項１記載のマウント（１５２）。
5. 前記内部ブッシュ（１５８）が、前記組込ボルト（１５６）が貫通して配置されるボア（２０８）を含む、請求項１記載のマウント（１５２）。
6. 前記内部ブッシュ（１５８）が、前記内部ブッシュ（１５８）上に配置されたネジ（１８０）と前記外部ブッシュ（１６０）上に配置されたネジ（１８２）とによって前記外部ブッシュ（１６０）に対して調整可能である、請求項１記載のマウント（１５２）。
7. 前記内部ブッシュ（１５８）が、前記内部ブッシュ（１５８）を前記外部ブッシュ（１６０）に対して調整するために外部ツールにより回転可能な部分を含む、請求項１記載のマウント（１５２）。
   

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