JP5844068B2 - 軸流式ターボ機械の環状流路のための、径方向間隙を調整可能な流路壁 - Google Patents

Description

本発明は、径方向間隙を調整可能な軸流式ターボ機械の環状流路の流路壁部分に関する。このような流路は、多くの文献において知られている。例えば、特許文献１は、ロータブレードの先端部分と該先端部分に対向して配置されていると共に流路壁の一部分である案内リングとの間における、径方向間隙を制御及び調整するための装置を開示している。該特許文献では、錐状流路において、案内リングが径方向間隙を調整するために軸線方向に移動可能であることが開示されている。案内リングを軸線方向に移動させるために、３つの液圧式シリンダが、ステータブレード担持体に締結され、ステータブレード担持体の全周に亘って分散配置されており、該液圧式シリンダのピストンがタービンの機械軸に対して平行に移動可能である。流路の境界を形成する案内リングの壁表面と、流路に対応するロータブレードの傾斜した先端部分との間における錐状の間隙と、流路壁表面とロータブレードの先端部分との間における間隙の大きさすなわち径方向距離とが、軸線方向における移動によって調整可能とされる。案内リングを初期位置に復帰移動させることによって、初期化が実行される。同時に、径方向間隙を計測するためのシステムを利用する準備がなされ、該システムによって、径方向間隙が所定の地点において計測可能とされる。その後、計測された間隙の大きさに基づいて、案内リングが、実行可能な最小の間隙が実現されるように、且つ、流路壁面に抗してロータブレードの先端部分にブラシをかける必要がなくなるように軸線方向において位置決めされる。しかしながら、複数の液圧式シリンダを利用することは、そのうちの幾つかの液圧式シリンダが故障するかもしれないことを考慮すると欠点である。このことが、調整時に案内リングを歪ませる。該装置のさらなる欠点は、案内リングを軸線方向において移動させるために必要とされる液圧式シリンダによって生じる力の調整が三箇所のみで実施される、選択的な開始にある。従って、シリンダそれぞれが、全調整力のうち比較的大部分を伝達可能とされる必要があるので、シリンダを設置するためには大きな空間が必要となる。

米国特許第５２０３６７３号明細書

本発明の目的は、軸流式ターボ機械の環状流路のための小型化された流路壁部分を提供することである。該流路壁部分によって、液圧式シリンダのうち一の液圧式シリンダが故障した場合に案内リングを歪ませることなく、比較的単純且つ高信頼性の径方向間隙の調整が可能となる。

本発明の根幹を成す目的は、請求項１の特徴部分に基づく流路壁部分によって達成される。

本発明では、周方向溝内に配置されている案内リングが、その端面において、周方向溝の側壁に配置されている第２の歯列と接触している第１の歯列を有しており、移動可能な案内リングを軸線方向において移動させるために、案内リングが周方向において付加的に回転可能とされる。本発明の根本は、互いに対応する２つの歯列が永続的に接触している場合に、２つの歯列のうち一方の歯列が固定され、且つ、他方の歯列が一方の歯列に対して相対的に僅かに回転されるので、移動方向に対して傾斜している接触歯面（tooth contact surface）によって、他方の歯列が回転すると同時に一方の歯列が軸線方向に移動する又は移動させられるという方法によって、案内リングが軸線方向において比較的簡便に位置調整可能とされることである。本発明では、第１の歯列が、その端面において案内リング上に突出している、すなわち軸流式ターボ機械の機械軸に対して垂直な平面から突出している回転可能な歯列である。第２の歯列が、第１の歯列の反対側に配置されている周方向溝の側壁に固定された状態で配置されている。如何なる場合にも、全周に亘って等間隔で分散配置されている多数の歯が設けられているので、対応する多数の地点において、案内リングを調整するための力が、案内リングの歪みを確実に防止するように発生する。また、これによって、全周に亘って一様に分布する力を発生させることができる。結果的に、全周のうち一の地点のみにおいて力が局所的に発生しないということが防止される。これにより、環状流路の境界を形成する案内リングの内壁面と壁表面の下方を通過するように回転する軸流式ターボ機械のロータブレードのブレード翼の先端部分との間に存在する径方向間隙を、特に確実に調整することができるようになる。

優位な発展形態は、従属請求項に開示されている。

第１の優位な発展形態では、案内リングは、一のバネ要素又は周方向溝の全周に亘って分散配置されている複数のバネ要素によって、プリテンションが作用した状態で第２の歯列と常に接触している。従って、２つの歯列の間における望ましくない間隙が大きくなることを確実に防止することができる。これにより、案内リングの軸線方向位置が厳密に規定されるので、該間隙の大きさも高精度で規定することができる。皿バネは、特にバネ要素として適切である。

さらなる優位な発展形態では、案内リングが、流路壁部分の全周に亘って分散配置されていると共に流路壁部分内に回転可能に取り付けられている、歯付ホイールと係合している少なくとも１つの外歯列が設けられている、外向きに発生される表面を有している。さらに、調整リングがすべての歯付ホイールを囲んでおり、調整リングの内歯列が歯付ホイールと係合している。結論として、案内リングを周方向において回転又は回動可能とする特に簡便な構造が、本明細書には開示されている。さらに、案内リングが、径方向において支持され、歯付ホイール及び調整リングによって担持されている。従って、同時に、調整リング及び案内リングの芯出しを調整することができる。さらに、全周に亘って好ましくは等間隔で分散配置されている歯付ホイールによって、案内リングを回転させるための力が、対応する多数の位置において作用するので、外歯列と歯付ホイールと内歯列とを比較的小型に構成することができる。このような構成によって、設置スペースが節減され、さらには安価に製造可能となる。案内リングが径方向間隙を調整するために極僅かに回転するので、外歯列及び内歯列の両方が、調整リング又は案内リングを全周に亘って囲んでいる歯列として構成されている必要はない。結論として、案内リングの外側に発生される表面に配置されている外歯列、及び／又は調整リングに配置されている内歯列が、歯付ホイールが流路壁部分内に設けられている周方向位置においてのみ配置されている。

好ましくは、力が、従来技術から既知であるように調整リングに作用する液圧式プッシュロッド又は電動式プッシュロッドを介して、調整リングに対して発生する。また、このようなアクチュエータは、軸流式圧縮機の回転可能な入口側の案内羽根を調整するために利用される。多くの場合には、該案内羽根は、単一のアクチュエータのみを有している。

さらなる優位な発展形態では、流路は、軸線方向及び周方向に移動可能であると共に各調整リング又は一の調整リングによって動作する、２つ以上の案内リングを有している。２つの案内リングが一の調整リングによって共に動作可能とされる場合には、２つのロータブレードリングの径方向間隙を同時に調整可能である。

案内リングの壁表面と望ましくない接触をしている場合に、ロータブレードのブレード翼の先端部分に対する損傷を防止するために、砥粒によるコーティング又はハニカムコーティングを案内リングの内向きの壁表面に施すことができる。

外側又は内側に配置されているソケットが歯付ホイールそれぞれのために流路壁部分内に設けられている場合には、案内リングを回転させるために必要な歯付ホイール及び調整リングを容易に据え付けることができる。ソケット内には、歯付ホイールのシャフト又はハブが回転可能に取り付けられているか、又は支持されている。外側のリングが、すべての歯付ホイールを囲んでいるので、歯付ホイールのために設けられたソケット内に歯付ホイールのシャフト又はハブを特に固定する必要がない。結論として、シャフト又はハブは、位置決めを確実にするために必要な付加的な構造的要素を必要とせず、ソケット内に簡単に挿入することができる。しかしながら、このような構造的要素を利用してはならないという訳ではない。

二分割可能で静的に動作する軸流式ターボ機械において提案する流路壁部分を利用可能とするために、案内リング、流路壁部分、及び／又は一の調整リング若しくは複数の調整リングが、常に少なくとも２つの部分、すなわち案内リング部分、流路壁部分、又は調整リング部分に分割可能とされる。これにより、組立体を二分割することができる。流路壁部分は、好ましくは軸線方向の貫流に対して曝露されているガスタービンの軸流式圧縮機内で利用される。

提案する発明の活用は、ガスタービンのタービンユニット内に存在する径方向間隙が、ロータを軸線方向に移動させることによって調整可能とされる場合に、特に興味深い。タービンユニットの流路とガスタービンの圧縮機の流路とが、基本的に対向する錐状の傾斜を有しているので、ロータをタービンユニット内で移動させることによって、径方向間隙を最小とし、圧縮機内において径方向間隙を大きくすることができる。提案する流路壁部分によって、上述の効果の結果として説明した圧縮機の径方向間隙の拡大が特に補償され、必要であれば過補償される。これにより、ロータが移動するにも関わらず、圧縮機の効率ひいてはガスタービンの効率が改善される。提案する流路壁部分は、特に圧縮機に適合している。特に簡便な方法によって提案する構成を利用可能な温度範囲内において、圧縮機が滑らかに動作するからである。

上述の発明については、単一の長手方向断面図を参照しつつ以下に詳述する。

軸流式ターボ機械の環状流路の詳細な長手方向断面図である。

図１は、環状流路１０の長手方向断面における詳細図である。環状流路１０は、ターボ機械の機械軸１２に沿って同心状に延在しており、軸線方向の貫流に対して曝露されている。図１に表わすターボ機械は、ガスタービンの圧縮機として構成されている。環状流路１０は、流路の径方向外側の境界を構成している壁部分１４を備えている。環状流路の径方向内側の境界は、内壁１６によって又はロータ１８によって形成される表面によって形成されている。ロータ１８の様々な軸線方向位置において、ロータブレード２０が環状に設けられている。逆Ｔ状の固定具によって環状流路の壁部分１４に保持されていると共に周方向に分散配置されている、多数のステータブレード２２を備えているステータブレードリングが、図示した２つのロータブレードリング同士の間に配置されている。

図１の左側から右側に向かって流れる貫流に対して曝露されている圧縮機の環状流路１０の上流では、複数の部分から成る案内リング２６が、壁部分１４の全周に亘って形成されている周方向溝２４内に設けられている。案内リング２６が、図１の左側に表わすロータブレード２０の軸線方向位置に配置されている。案内リング２６は、内向きの壁表面２８を有している。壁表面２８が、流路の境界を形成しており、間隙３２を形成しているロータブレード２０の先端部分３０に対向して配置されている。従って、当該壁部分において、先細状の壁表面２８が、壁表面が錐状に形成されるように、機械軸１２に対して相対的に傾斜している。

複数のソケット３４及び複数の経路３６が、案内リング２６の径方向外側において環状流路の壁部分１４の全周に亘って、組ごとに分散配置されている。ソケット３４それぞれが、歯付ホイール３８のための凹所を形成している。歯付ホイール３８は、ソケット３４内にシャフト又はハブ４０を有している。歯付ホイール３８は、経路３６を貫通して突出しており、案内リング２６の外面に配置されている外歯列３５（external toothing arrangement）に係合可能とされる。すべての歯付ホイール３８が、共通する調整リング４２によって囲まれており、該調整リングの内歯列４４（internal toothing arrangement）が、すべての歯付ホイール３８と係合している。外歯列３５の軸線方向の幅は、歯付ホイール３８の軸線方向の幅よりも大きい。このことは、案内リング２６が軸線方向に移動するにも関わらず、案内リング２６が常に歯付ホイール３８と係合しているために必要である。

案内リング２６が、全周に亘って形成されている溝２４内に配置されている。第１の歯列５０は、概略的にのみ図示するネジ４８によって、案内リング２６の端面に固定されている。同様に、第２の歯列４６は、図１の右側に表わす周方向に形成された溝２４の側壁２７に固定されている。第１の歯列５０と第２の歯列４６とが、歯面５２（toothing plane）において接触している。歯面５２は、鋸歯状の形態をしている。また、該歯面は、案内リング２６の芯出しを補助するタイプのハース歯（Hirth toothing）とされる場合がある。しかしながら、歯面５２は、長手方向断面に対して９０°回転されているので、長手方向断面においては図示されていないが、工業的な形態になっている。従って、第１の歯列５０と第２の歯列４６との両方が、図示するように径方向ではなく、周方向に延在している。

プッシュロッド４５が、調整リング４２に接続されている。調整リング４２を軸線方向及び径方向において調整するために、該調整リングの両側に配置されていると共にカラーによって調整リング４２の周囲に嵌め込まれている保持要素４７が設けられている。調整リング４２が回転した結果として、案内リング２６が軸線方向において移動する。内歯列４４によって、調整リング４２の回転が歯付ホイール３８の回転に変換され、歯付ホイールの回転が案内リング２６に伝達される。図１の左側に表わすように、接触している第１の歯列５０と第２の歯列４６とが互いに対して相対的に移動するので、その後に案内リング２６が強制的に軸線方向において移動される。この結果として、径方向に延在する錐状の間隙３２が小さくなる。周方向において分散配置されているバネ要素５４が、周方向溝２４の他方の側面と案内リング２６との間に配置され、且つ、第２の歯列４６を常に押圧すること、及び調整リング４２が逆回転することによって、案内リング２６が軸線方向において復帰運動する。

さらに、案内リング２６の壁表面２８には、案内リング２６に抗してロータブレードの先端部分３０にブラシをかける場合における損傷を防止する砥粒５６がコーティングされている。

調整リング４２が一般に２つの案内リング２６を動作させることができる場合には、これに対応して保持要素４７が設けられている。この場合、調整リング４２はドラムとして形成されている。当然ながら、ガスタービンのロータの軸線方向における移動と同期又は独立して、径方向間隙を調整することができる。

ターボ機械すなわちガスタービンの初始動又は運転の際には、案内リング２６の壁表面２８と該壁表面の反対側に配設されているロータブレード２０の先端部分３０との間における径方向間隙の大きさを調整することが既に可能とされる。さらに又は代替的に、計測された実際の径方向間隙に基づいて、径方向間隙を調整することができる。径方向間隙３２を小さくした結果として、径方向間隙に起因する損失が低減され、これにより圧縮機内におけるエネルギ変換が高められる。

歯付ホイール３８、第１の歯列５０、及び第２の歯列４６に適切な材料を利用することによって、潤滑油が分散され、メンテナンスし易くなる。適用可能であるならば、第１の歯列５０及び第２の歯列４６の滑り面がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）でコーティングされている。これにより、第１の歯列５０及び第２の歯列４６の相対運動による損失を低くすることができる。

本明細書全体には、本発明として、軸流式ターボ機械の環状流路１０の流路壁部分１４が開示されている。本発明における流路壁部分は、案内リング２６内側の壁表面２８と該壁表面の反対側に位置するロータブレードの先端部分３０との間における径方向間隙３２を調整するための、特に単純且つ小型の機構を提供する。本発明では、この目的を達成するために、案内リング２６が、その端面に、案内リング２６を収容する周方向溝２４の側壁２７に配置されている第２の歯列４６と接触している第１の歯列５０を有しており、移動可能な案内リング２６を軸線方向において移動させるために、案内リング２６は周方向において回転可能とされる。

１０ 環状流路
１２ 機械軸
１４ 流路壁部分
１６ 内壁
１８ ロータ
２０ ロータブレード
２２ ステータブレード
２４ 周方向溝
２６ 案内リング
２７ 側壁
２８ 壁表面
３０ ロータブレード２０の先端部分
３２ 間隙
３４ ソケット
３５ 外歯列
３６ 経路
３８ 歯付ホイール
４０ シャフト（ハブ）
４２ 調整リング
４４ 内歯列
４５ プッシュロッド
４６ 第２の歯列
４７ 保持要素
４８ ネジ
５０ 第１の歯列
５４ バネ要素
５６ 砥粒

Claims (11)

1. 軸流式ターボ機械の環状流路（１０）のための流路壁部分（１４）であって、囲んでいる周方向溝（２４）が設けられている前記流路壁部分（１４）の内向きの表面が、前記周方向溝（２４）内に配置されている案内リング（２６）と共に、前記環状流路（１０）の境界を形成しており、壁表面が、前記案内リング（２６）の前記壁表面（２８）と前記壁表面（２８）に対向して配設されているロータブレードの先端部分（３０）との間に常に存在する径方向間隙（３２）を調整するために、少なくとも軸線方向において移動可能とされる、前記流路壁部分（１４）において、
   前記案内リング（２６）が、前記案内リングの端面に、前記周方向溝（２４）の側壁（２７）に配置されている第２の歯列（４６）と接触している第１の歯列（５０）を備えており、
   前記案内リングが、移動可能な前記案内リング（２６）を軸線方向に移動させるために、周方向において回転可能とされ、
   前記案内リング（２６）には、一のバネ要素（５４）又は複数のバネ要素によって、前記第２の歯列（４６）と接触するように、プリテンションが作用していることを特徴とする流路壁部分（１４）。
2. 前記案内リング（２６）が、前記流路壁部分（１４）の全周に亘って分散配置されている歯付ホイール（３８）と係合していると共に前記流路壁部分（１４）内に回転可能に取り付けられている、少なくとも１つの外歯列（３５）によって外向きに発生される表面を有しており、
   すべての前記歯付ホイール（３８）を囲んでいる調整リング（４２）が設けられており、少なくとも１つの内歯列（４４）が前記歯付ホイール（３８）と係合していることを特徴とする請求項１に記載の流路壁部分（１４）。
3. 前記歯付ホイール（３８）それぞれが、前記歯付ホイールの外面に配置されているソケット（３４）を有しており、
   前記歯付ホイールのシャフト又はハブ（４０）が、前記外面において支持されていることを特徴とする請求項２に記載の流路壁部分（１４）。
4. 前記調整リング（４２）が、液圧式プッシュロッド又は電動式プッシュロッドを介して、周方向に回転可能とされることを特徴とする請求項２又は３に記載の流路壁部分（１４）。
5. 一の前記調整リング（４２）を介して周方向に回転可能とされる少なくとも２つの前記案内リング（２６）が、設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の流路壁部分（１４）。
6. 前記調整リング（４２）が、少なくとも２つの調整リング部分を備えていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の流路壁部分（１４）。
7. 前記案内リング（２６）の内向きの前記壁表面（２８）には、砥粒（５６）のコーティング又はハニカムコーティングが施されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流路壁部分（１４）。
8. 前記案内リング（２６）が、少なくとも２つの案内リング部分を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の流路壁部分（１４）。
9. 前記流路壁部分（１４）が、少なくとも２つの壁部分を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の流路壁部分（１４）。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の流路壁部分（１４）を備えていることを特徴とする軸流式圧縮機。
11. 請求項１０に記載の軸流式圧縮機を備えていることを特徴とするガスタービン。

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