JP5989983B2 - タービンケーシングを位置合せするための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはケーシング及び回転部品間の非真円度を最少にするための装置及び方法に関連する。特定の実施形態では、マルチピース内側シェルは、過渡及び定常状態運転時に該内側及び外側シェル間の歪み及び偏心性を減少させるように該外側シェルに結合される。

タービン及びその他の形式の商用設備は多くの場合に、固定部品の内部に又は該固定部品に近接して回転部品を含む。例えば、一般的なガスタービンは、前部における圧縮機、中央部の周りに半径方向に配置された１以上の燃焼器、及び後部におけるタービンを含む。圧縮機は、複数段の固定ベーン及び回転ブレードを含む。周囲空気が圧縮機に流入し、かつ固定ベーン及び回転ブレードは、空気に順次に運動エネルギーを与えて該空気を高エネルギー状態にする。この作動流体は、圧縮機から流出しかつ燃焼器に流れ、燃焼器において作動流体は、燃料と混合されかつ点火燃焼されて、高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器から流出しかつタービンを通って流れる。一般的に、ケーシングがタービンを囲んで燃焼ガスを閉じ込めて、燃焼ガスが固定ブレード又はノズル及び回転ブレード又はバケットの交互する段を通って流れるようにする。固定ブレード又はノズルは、ケーシングに取付けることができ、また回転ブレード又はバケットは、ロータに取付けることができる。燃焼ガスがノズルを通って流れると、該燃焼ガスは、バケット、従ってロータに配向されて、回転を発生させかつ仕事を産生する。

タービンにおけるケーシング及び回転ブレード又はバケット間の間隙は、一方における効率及び性能を他方における製造及び保守整備費用とバランスさせる重要な設計考慮事項である。例えば、ケーシング及び回転バケット間の間隙を減少させることは一般的に、回転バケットをバイパスする燃焼ガスの量を減少させることによってタービンの効率及び性能を向上させる。しかしながら、間隙を減少させることはまた、そのような減少した間隙を得るための付加的な製造費用並びに回転バケット及びケーシング間の摩擦、干渉又は衝突の増加に起因した保守整備費用の増大を引き起こす可能性がある。保守整備費用の増大は、回転バケットが毎分１０００回転を越える回転速度で回転し、比較的重い重量を有しかつ精巧な空気力学的表面を含むようなタービンにおいて特に懸案事項となる可能性がある。加えて、減少した間隙により、ケーシングが始動、運転停止又はその他の運転の変動時に回転バケットとは異なる速度で膨張又は収縮する場合のような過渡運転時において、回転バケット及びケーシング間に過度の摩擦、干渉又は衝突が生じる可能性がある。

従来型のタービンケーシングは一般的に、シュラウド及びノズルを保持した外側タービンシェルを含む。外側タービンシェルは、１以上の内側タービンシェルを囲むことができる。幾つかの特定の実施例では、各回転バケット段は、個別の内側タービンシェルを有する。内側タービンシェルは多くの場合に、水平面におけるフランジによって互いに接合又はボルト止めされた２つの半球形シェルに分割されて、保守整備及び補修を可能にしている。過渡運転時には、タービンにおける温度変化が、タービンケーシング内に軸方向及び半径方向温度勾配を発生させる。例えば、始動運転時には、タービンシェルの内側表面は、タービンシェルの外側表面よりも早く加熱されて、内側材料を外側材料よりも早く膨張させる。内側材料が膨張すると、タービンシェルは、垂直方向よりも水平方向により多く膨張するように屈曲して、タービンシェルにおいて僅かな水平方向非真円度が生じる。逆に、運転停止時には、内側タービンシェルは、外側タービンシェルよりも早く低温になり、かつボルト止めフランジは、内側タービンシェルが垂直方向よりも水平方向により多く収縮することを可能にし、この場合もまた内側タービンシェルにおいて僅かな垂直方向非真円度が生じる。従って、始動及び運転停止の両方は、内側タービンシェルにおいて該内側タービンシェル及び回転バケット間の間隙を変化させる非真円度状態を発生させ、従ってタービンの運転に悪影響を与える。

当技術分野では、内側シェル及び回転バケット間の間隙を一定に制御又は維持する様々なシステム及び方法が公知である。例えば、米国特許第６１２６３９０号には、圧縮機又は燃焼器からの空気流をタービンケーシングに対して調量して、流入空気の温度に応じてタービンケーシングを加熱又は冷却するシステムが記載されている。さらに、本発明と同一出願人に譲渡された米国特許出願公開第２００９／０１８５８９８号には、過渡運転により生じる偏心性を減少させる擬似フランジを頂部及び底部に有する内側タービンシェルを備えたシステムが記載されている。

米国特許第７２６０８９２号明細書

しかしながら、ケーシングの設計において広範囲の運転条件にわたって過渡的偏心性を減少させるような更なる改良は、有用であると言える。

本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

本発明の１つの実施形態は、ケーシングであり、本ケーシングは、互いに当接して全体として弓形形状を形成した複数の湾曲セクションを有する第１の内側シェルを含む。外側シェルが、第１の内側シェルを囲みかつ複数の反曲点を有し、また環状フランジが、第１の内側シェル及び外側シェル間に設けられる。複数の継手が、第１の端部及び第２の端部を有し、かつ複数の継手の各々の第１の端部は、第１の内側シェルの湾曲セクションの少なくとも２つに取付けられ、また複数の継手の各々の第２の端部は、環状フランジに取付けられる。コネクタが、複数の反曲点の各々において環状フランジ及び外側シェル間に設けられる。

本発明の別の実施形態は、ケーシングであり、本ケーシングは、第１の内側シェルを含む。第１の内側シェルは、互いに当接して全体として弓形形状を形成した複数の湾曲セクションを含む。外側シェルが、第１の内側シェルを囲む。環状フランジが、第１の内側シェル及び外側シェル間に設置される。複数の継手が、第１の端部及び第２の端部を有する。複数の継手の各々の第１の端部は、第１の内側シェルの湾曲セクションの少なくとも１つに取付けられ、また複数の継手の各々の第２の端部は、環状フランジに取付けられる。環状フランジを外側シェルに連結するための複数の手段が、複数の継手の各々からほぼ等距離に間隔を置いて配置される。

本発明の実施形態はまた、ケーシングを組立てる方法を含む。本方法は、複数の湾曲セクションを互いに接合して全体として第１の弓形内側シェルを形成するステップと、第１の弓形内側シェルを外側シェルで囲むステップとを含む。本方法はさらに、第１の弓形内側シェルを複数の第１の取付けポイントにおいて環状フランジに取付けるステップと、環状フランジを複数の第１の取付けポイントからほぼ等距離に間隔を置いて配置された複数の第２の取付けポイントにおいて外側シェルに連結するステップとを含む。

本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。

添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

本発明の１つの実施形態によるタービンケーシングの断面斜視図。 図１に示すタービンケーシングの断面側面図。

次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。

各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図１は、本発明の１つの実施形態によるケーシング１０の断面斜視図を示しており、また図２は、図１に示すケーシング１０の部分断面側面図を示している。本発明の実施形態は、回転部品を囲む一般的ケーシングとの関連で説明するが、本発明の実施形態は、圧縮機、タービン、又はその内部に回転部品を有するあらゆる装置用のケーシングとして使用することができ、また本発明の実施形態は、特許請求の範囲に特に記載していない限りあらゆる特定の回転部品に限定されるものではないことは当業者には容易に分かるであろう。ケーシング１０は一般的に、１以上の内側シェル１２と、外側シェル１４と、環状フランジ１６とを含む。１以上の内側シェル１２、外側シェル１４及び環状フランジ１６は一般的に、特定の回転部品と関連する温度に耐えることができる合金、超合金、被覆セラミック又はその他の材料で製作される。例えば、ガスタービンシステムにおけるタービン用のケーシングは、該ガスタービンシステムを通って流れる燃焼ガスと関連する温度に耐えることができる材料で製作される。

１以上の内側シェル１２は、特定の回転部品に適合しかつ該回転部品を囲むようにその形状が全体として弓形又は円形である。例えば、単一のタービン内側シェルを使用して回転バケットの段の全てを囲むことができ、或いは第１のタービン内側シェル１８を使用して第１段の回転バケットを囲むことができ、また第２のタービン内側シェル２０が第２段の回転バケットを囲み、順次そのようにすることができる。内側シェル１２は一般的に、互いに当接して全体として弓形又は円形形状を形成した複数の湾曲セクション２２を含む。本明細書で使用する場合に、「当接する」というのは、湾曲セクション２２が、端部間を突合わせて配置されるか又は組立てられることを意味している。内側シェル１２の湾曲セクション２２は、組合されて全体として連続段の回転バケットを囲む異なる長さを有することができ、或いは内側シェル１２の湾曲セクション２２は、その長さをほぼ等しくすることができる。例えば、図１に示すように、内側シェル１２の４つの湾曲セクション２２の各々は、その長さがほぼ等しくかつ弓形形状の周りにほぼ９０°延びている。本発明の技術的範囲内の別の実施形態は、各内側シェル１２において４つよりも多い又は少ない湾曲セクション２２を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、内側シェル１２は、各湾曲セクション２２が弓形形状の周りにほぼ１８０°延びている状態で２つの湾曲セクション２２を含むことができる。同様に、別の特定の実施形態では、内側シェル１２は、各湾曲セクション２２が弓形形状の周りにほぼ６０°延びている状態で６つの湾曲セクション２２を含むことができる。各湾曲セクション２２の数及び長さの多くの組合せを選択することができ、また湾曲セクション２２の数又は長さは、特許請求の範囲に特に記載していない限り本発明を限定するものではないことは当業者には容易に分かるであろう。

外側シェル１４は一般的に、１以上の内側シェル１２を囲みかつそれらと共にケーシング１０を形成する。このようにして、内側シェル１２は一般的に、回転部品の外周部に適合し、また外側シェル１４は、回転部品の周りにエンクロージャを構成する。

図１及び図２に示すように、環状フランジ１６は一般的に、内側シェル１２及び外側シェル１４間に設置されかつ回転部品の周りに延びる。従って、環状フランジ１６は、内側シェル１２を外側シェル１４に取付けて該内側シェル１２を該外側シェル１４と同心に維持するのを可能にする好適な構造体を構成する。特定の実施形態は、各内側シェル１２用として個別の環状フランジ１６を含むことができるが、他の特定の実施形態では、単一の環状フランジ１６を使用して複数の内側シェル１２を外側シェル１４に取付けることができる。

図１及び図２に示すように、複数の継手２４を使用して内側シェル１２を環状フランジ１６に取付けることができる。複数の継手２４の各々は一般的に、第１の端部２６及び第２の端部２８を含む。複数の継手２４の各々の第１の端部２６は、内側シェル１２の湾曲セクション２２の１以上に取付けられる。例えば、図１及び図２に示すように、複数の継手２４の各々の第１の端部２６は、第１の内側シェル１２の湾曲セクション２２の２つの隣接する端部に取付けることができる。このようにして、複数の継手２４の各々はまた、湾曲セクション２２を互いに取付けるか又は連結するように機能する。別の実施形態では、複数の継手２４の各々の第１の端部２６は、内側シェル１２の単一の湾曲セクション２２に取付けることができ、また付加的な又は別個のクランプ、フランジ、ボルト、ピン、溶接部或いは同様の構造体を使用して湾曲セクション２２を互いに取付けるか又は連結することができる。

複数の継手２４の各々の第２の端部２８は、環状フランジ１６に取付けられ、従って内側シェル１２の湾曲セクション２２及び環状フランジ１６間の連結部を形成する。当業者には公知のボルト３０、ピン、クランプ、溶接部又は同様の機械装置を使用して、それぞれ複数の継手２４の各々の第１及び第２の端部２６、２８を内側シェル１２の湾曲セクション２２及び環状フランジ１６に取付けることができる。図１及び図２に示すように、複数の継手２４の各々は、互いにほぼ等距離に間隔を置いて配置することができる。例えば、図１及び図２に示す実施形態は、各継手２４が内側シェル１２及び環状フランジ２４の周りにほぼ９０°毎に設置された状態で、内側シェル１２を環状フランジ１６に連結する４つの継手を含む。本発明の技術的範囲内の別の実施形態は、４つよりも多い又は少ない継手２４を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、２つの継手２４を使用して、各継手２４が内側シェル１２及び環状フランジ１６の周りにほぼ１８０°毎に設置された状態で、内側シェル１２を環状フランジに連結することができる。同様に、別の特定の実施形態では、６つの継手２４を使用して、各継手２４が内側シェル１２及び環状フランジ１６の周りにほぼ６０°毎に設置された状態で、内側シェル１２を環状フランジ１６に連結することができる。継手２４の数及び位置の多くの組合せを選択することができ、また継手２４の数又は位置は、特許請求の範囲に特に記載していない限り本発明を限定するものではないことは当業者には容易に分かるであろう。

複数の継手２４はさらに、第１の端部２６及び第２の端部２８間のほぼ中間ポイントから延びるブランチ３２を含むことができる。例えば、図１及び図２に示すケーシング１０の特定の実施形態の場合では、複数の継手２４からのブランチ３２は、第２の内側シェル２０に取付けられる。このようにして、複数の継手２４を使用して、複数の内側シェル１２を１つのフランジ１６に取付けることができる。

ケーシング１０はさらに、環状フランジ１６を外側シェル１４に連結するための複数の手段を含む。環状フランジ１６を外側シェル１４に連結するための手段の各々における構造体は、当業者には公知のボルト、ピン、クランプ、接着剤或いは同等の機械的又は化学的構造体のようなコネクタ３４とすることができる。環状フランジ１６を外側シェル１４に連結するための複数の手段の各々は、外側シェル１４上の反曲点とほぼ一致させて設置することができる。本明細書で使用する場合に、外側シェル１４上の反曲点は、該外側シェル１４の膨張及び収縮時に最も短い距離を移動する該外側シェル１４上の点であると定義される。当業者は、数学モデル及び／又は運転テストによりあらゆる外側シェル上の反曲点の位置を容易に求めることができる。例えば、水平軸線上で連結された２つの半体を含む外側シェルは、水平軸線の上方及び下方ほぼ４５°に位置した２つの反曲点を各半体上に有する。水平軸線上で連結された２つの半体を含む外側シェル並びに０°、９０°、１８０°及び２７０°の位置で互いに接合された４つの湾曲セクションを含む内側シェルのケースでは、反曲点、従って環状フランジ１６を外側シェル１４に連結するための手段の位置は、複数の継手２４の各々からほぼ等距離に間隔を置いて配置される。

例えば、図１及び図２に示す実施形態では、環状フランジ１６を外側シェル１４に連結するための手段は、単にボア孔３６を貫通して環状フランジ１６内に延びる嵌合ピンである。図１及び図２にさらに示すように、各ピン３４は、環状フランジ１６の周りのほぼ４５°、１３５°、２２５°及び３１５°の位置で隣接する継手２４間のほぼ中程に設置される。その結果、各ピン３４は、継手２４の各々からほぼ等距離に間隔を置いて配置される。

図１及び図２に関して前述した構造により、ケーシング１０を組立てる方法が得られることが当業者には容易に分かるであろう。本方法は一般的に、複数の湾曲セクション２２を互いに接合して全体として第１の弓形内側シェル１８を形成するステップと、第１の弓形内側シェル１８を外側シェル１４で囲むステップとを含む。本方法はさらに、第１の弓形内側シェル１８を複数の第１の取付けポイント２４において環状フランジ１６に取付けるステップを含む。さらに、本方法は、環状フランジ１６を複数の第１の取付けポイント２４からほぼ等距離に間隔を置いて配置された複数の第２の取付けポイント３４において外側シェル１４に連結するステップを含む。特定の実施形態では、第１の弓形内側シェル１８は、互いにほぼ等距離に間隔を置いて配置された第１の取付けポイント２４において環状フランジ１６に連結することができる。さらに、本方法は、第２の弓形内側シェル２０を複数の第３の取付けポイント３２において環状フランジ１６に取付けるステップを含むことができる。

実験テスト及びコンピュータ作成モデルは、本発明の様々な実施形態が既存のケーシングに勝る１以上の利点を有することができることを示している。例えば、擬似フランジを内側シェル１２の周りにほぼ等距離に間隔をおいて配置された複数の継手２４と置き換えることにより、過渡及び定常状態運転時における内側シェル１２の非真円度を減少させることができる。加えて、複数の継手２４からほぼ等距離に間隔を置いて配置されたコネクタ３４を用いて環状フランジ１６を外側シェル１４に取付けることは、内側シェル１２から外側シェル１４へのあらゆる非真円度の伝達をさらに減少させることができる。最後に、環状フランジ１６及びコネクタ３４は、組立て時に内側シェル１２が外側シェル１４に対して同心に取付けられることを保証する好都合なかつ信頼性がある構造を構成する。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構成要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。

１０ ケーシング
１２ 内側シェル
１４ 外側シェル
１６ 環状フランジ
１８ 第１のタービン内側シェル
２０ 第２のタービン内側シェル
２２ 内側シェルの湾曲セクション
２４ 継手
２６ 第１の端部
２８ 第２の端部
３０ ボルト
３２ ブランチ
３４ コネクタ
３６ ボア孔

Claims (9)

1. 内部に回転部品を有する装置用のケーシング（１０）であって、
   互いに当接して全体として弓形形状を形成した複数の湾曲セクション（２２）を有し、前記回転部品を囲う第１の内側シェル（１８）と、
   前記第１の内側シェル（１８）を囲みかつ複数の反曲点を有する外側シェル（１４）と、
   前記第１の内側シェル（１８）と外側シェル（１４）の間の環状フランジ（１６）と、
   その各々が第１の端部（２６）及び前記第１の端部から半径方向外側に延びる第２の端部（２８）を有しかつその各々の前記第１の端部（２６）が前記第１の内側シェル（１８）の湾曲セクション（２２）の少なくとも２つに取付けられまたその各々の前記第２の端部（２８）が前記環状フランジ（１６）に取付けられた複数の継手（２４）と、
   前記複数の反曲点の各々における前記環状フランジ（１６）と外側シェル（１４）の間のコネクタ（３４）と
   を含む、ケーシング（１０）。
2. 各コネクタ（３４）が、少なくとも２つの継手（２４）からほぼ等距離に間隔を置いて配置される、請求項１記載のケーシング（１０）。
3. 前記反曲点が、前記外側シェル（１４）の水平軸線の上方及び下方ほぼ４５°に設置される、請求項１又は請求項２記載のケーシング（１０）。
4. 前記第１の内側シェル（１８）が、４つの湾曲セクション（２２）を含み、前記４つの湾曲セクション（２２）の各々が、前記弓形形状の周りにほぼ９０°延びる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のケーシング（１０）。
5. 前記複数の継手（２４）の各々が、互いにほぼ等距離に間隔を置いて配置される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のケーシング（１０）。
6. 各コネクタ（３４）が、前記環状フランジ（１６）と外側シェル（１４）の間にボルト（３０）連結部を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のケーシング（１０）。
7. 各コネクタ（３４）が、前記環状フランジ（１６）と外側シェル（１４）の間にピン連結部を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のケーシング（１０）。
8. 前記第１の内側シェル（１８）に隣接して第２の内側シェル（２０）をさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のケーシング（１０）。
9. 前記第２の内側シェル（２０）が、前記複数の継手（２４）の各々の前記第１の端部（２６）と第２の端部（２８）の間で該複数の継手（２４）の各々に連結される、請求項８記載のケーシング（１０）。