JP7285327B2 - ロータブレードの周囲にシュラウドリングを有するタービン、及びタービン内の作動流体の漏出を制限する方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題は、一般に、タービンに関し、より具体的には、タービンのロータブレードの周囲に新しいシュラウドリングの一実施形態を有するガスタービン及び蒸気タービンに関し、並びに、タービン内の、具体的にはタービン内のロータブレードの先端部の周囲の作動流体の漏出を制限する新しい方法に関する。

ガスタービンは、機械の動作中に流路内に流れる、空気などの作動流体を処理するように設計された機械であり、具体的には、ガスタービンは、流動作動流体からの運動エネルギーを機械のロータに伝達し、したがって、そのロータを回転させる。

タービン効率は、出力された機械ロータ動力と、入力された機械作動流体動力との比として定義することができる。タービン効率は、タービンの作動動作中のロータブレードの先端部で生じる作動流体の漏出によって悪影響を受ける。

図１は、既知の（高温ガス）タービン１００の非常に概略的な断面図を示す。タービン１００は、ロータ１１０と、ステータ１６０と、を備える。ロータ１１０は、シャフト１１１と、シャフト１１１に固定された例えば３つのホイール１１２と、を備え、第１のホイール１１２－１は、（第１の膨張段に対応する）ブレード１１３－１の第１のアレイを有し、第２のホイール１１２－２は、（第２の膨張段に対応する）ブレード１１３－２の第２のアレイを有し、第３のホイール１１２－３は、（第３の又は最終膨張段に対応する）ブレード１１３－３の第３のアレイを有する。ステータ１６０は、シェル１６１を有するケーシングと、作動流体を入口ＩＬから出口ＯＬへと指向する内部環状流路と、を備える。環状流路は、ステータ外壁１６５及びステータ内壁１６９によって画定され、その内部には、ロータブレードのアレイ（図１では、例えば、ロータブレード１１３－１、１１３－２、及び１１３－３の３つのアレイが存在する）及びステータベーンのアレイ（図１では、例えば、ステータベーン１６７－１、１６７－２、１６７－３、及び１６７－４の４つのアレイが存在する）が提供されている。ステータ外壁１６５（直接的及び／又は間接的に共に接合されたいくつかのリングで作製され得る）は、例えば環状部材を通してシェル１６１に固定されており、図１では、例えば、２つの環状要素１６３－１及び１６３－２が存在する。ステータ内壁１６９（いくつかのリングで作製される）は、例えばベーンのアレイを通して外壁１６５に固定されており、図１では、例えば、例えばベーン１６７－１、１６７－２、１６７－３、及び１６７－４の４つのアレイを通して外壁１６５にそれぞれ固定された４つの内壁リングが存在する。ロータ１６０は、ステータ１１０に回転可能に結合されている。この目的のために、図１では、各々が内壁リングとシャフトとの間に位置決めされた２つのベアリング１９０－１及び１９０－２が存在する。

しかしながら、図１の高温ガスタービンでは、ロータブレード１１３－１、１１３－２、１１３－３の先端部とステータ外壁１６５との間の隙間に作動流体の漏出が生じることがあり得るが、この隙間は、タービンの動作中の接触を回避し、したがって、外壁（固定されている）及びブレード（回転する）両方への損傷を回避する。隙間のサイズを適切に選択することによって、あらゆる動作条件において接触（したがって損傷）が回避され得る。

米国特許第４，７８４，５６９号は、（高温ガス）タービン内の漏出を制限するためのソリューションを提供している。このソリューションによれば、ロータブレードの先端部の周囲に適切に成形されたシュラウドリングは、効率的なエネルギー抽出のために大部分の作動流体がブレードの間を通過し、かつブレードの外周を通過することによる損失が殆どないように、満足なガスシールを提供する。しかしながら、作動温度における（高温ガス）タービンでは、任意のシュラウドリングは、変形し（例えば、半径方向内向き又は外向きに湾曲し）、このような変形は、シュラウドリングとブレードとの間に接触による損傷を生じさせ得る。上記５６９号特許のシュラウドリングは、それが熱的に変形するが、ブレードからの運転隙間を維持するように成形されている。したがって、このタイプのシュラウドリングに関しては、依然として作動流体の漏出が生じ得る。

したがって、タービンの作動動作中にロータブレードの外周を通じた漏出が少ない、更には漏出しない（したがって、ロータブレードの先端部とシュラウドリングの表面との間に、従来の技術及び設計によって可能であった、又は想到されたよりも少ない隙間を有する（ゼロ隙間を含む））、かつ接触による損傷を殆ど又は全く伴わない、新しいタービンを作成することが望ましく、具体的には、ステータとの接触によるロータブレードの損傷を回避することが望ましく、Ａ）ブレードが全速力で回転し、ロータ及びステータが高温であるときの作動動作条件時だけでなく、Ｂ）ブレードが低速で回転し、かつロータ及びステータがどちらも低温であるときの起動及び停止時、Ｃ）ブレードがそれらの速度を上昇させたときにロータが高温で、かつステータが低温であるランプアップ中、Ｄ）ブレードがそれらの速度を減少させたときにロータが低温で、かつステータが高温であるランプダウン中においても、ステータとの接触によるロータブレードの損傷を回避することが望ましい。

一態様によれば、本明細書で開示する主題は、ロータと、ステータと、シュラウドリングと、を備えるタービンに関し、ロータは、ロータブレードの少なくとも１つのアレイを備え、シュラウドリングは、ロータブレードのアレイの周囲に延在し、ステータは、シュラウドリングの周囲に延在しているケーシングを備え、シュラウドリングは、ケーシングと移動可能に結合され、よって、タービンの動作中に、ケーシングが熱膨張及び収縮し、それによって、ケーシングとシュラウドリングとの間の半径方向距離を変化させることを可能にする。

本発明は、ガスタービン（具体的にはその第１の膨張段、より具体的にはその第１の膨張段）に適用するために考案されたが、蒸気タービンにも良好に適用され得る。

別の態様によれば、本明細書で開示する主題は、タービンの作動動作中のタービン内のロータとステータとの間の作動流体の漏出を制限する方法に関し、タービンは、ロータブレードのアレイを有する少なくとも１つのロータホイールと、ロータブレードのアレイの周囲に延在しているステータケーシングと、を備え、ステータケーシングは、その温度に依存する半径方向サイズを有し、ロータホイールは、その温度に依存する半径方向サイズを有し、本方法は、シュラウドリングを配設するステップであって、シュラウドリングが、シュラウドリングの温度から実質的に独立した半径方向サイズを有する、配設するステップと、ロータブレードのアレイとステータケーシングとの間で、ロータホイールの周りに同心状にシュラウドリングを位置決めするステップと、シュラウドリングの温度から、かつケーシングの温度から独立して結合が維持されるように、シュラウドリングをケーシングと機械的に結合させるステップと、を含み、タービンの作動温度において、該アレイのロータブレードの先端領域が、シュラウドリングの内部領域に近接又は接触する。

以下により良好に説明するように、ステータケーシングは、加熱されたときに膨張し、かつ冷却されたときに収縮する、１種以上の材料、典型的には金属材料で作製され、したがって、このようなステータケーシングは、加熱されたときにその半径方向サイズを含むそのサイズが増加し、かつ冷却されたときにその半径方向サイズを含むそのサイズが減少する。反対に、新しいシュラウドリングは、加熱されたときに殆ど膨張せず、かつ、冷却されたときに殆ど収縮しない材料－例えば１０μｍ／ｍ／℃よりも低い熱膨張係数に由来する－で作製され、したがって、このようなシュラウドリングは、加熱されたときにその半径方向サイズを含むそのサイズが殆ど増加せず、かつ冷却されたときにその半径方向サイズを含むそのサイズが殆ど減少しない。

以下により良好に説明するように、該アレイのロータブレードの先端領域がシュラウドリングの内部領域と接触したときに、いかなる接触による損傷も伴うことなく、軽度の摩耗だけしか生じないことに留意されたい。

本発明の開示された実施形態、及びその付随する利点の多くのより完全な理解は、添付図面と関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されるように、容易に取得されるであろう。
図１は、従来技術のタービンの概略縦断面図を示す。 図２は、タービンの第１の実施形態の部分概略縦断面図を示す。 図３は、図２のタービンのステータの部分概略縦断面図を示す。 図４は、図２のタービンのロータの部分概略縦断面図を示す。 図５は、図２のタービンのシュラウドリングの部分概略縦断面図を示す。 図６は、図１のタービンのステータシェル、シュラウドリング、及びいくつかのキーのＡ－Ａ断面図を示す。 図７は、第１の位置／条件での図１のタービンのキーの部分拡大Ａ－Ａ断面図を示す。 図８は、第２の位置／条件での図１のタービンのキーの部分拡大Ａ－Ａ断面図を示す。 図９は、第１の動作条件での図１のタービンの部分概略縦断面図を示す。 図１０は、第２の動作条件での図１のタービンの部分概略縦断面図を示す。 図１１は、第３の動作条件での図１のタービンの部分概略縦断面図を示す。 図１２は、タービンの第２の実施形態の部分概略縦断面図を示す。 図１３は、タービン内の漏出を制限する方法の一実施形態のフローチャートを示す。

（高温ガス）タービンが作動するときに、その構成要素は、実質的に一定の作動温度を有し、かつ維持する。この条件を考慮して、発明者らは、タービンの動作中にロータブレードの外周を通じた作動流体のいかなる漏出も存在しないように、タービン部品の形状及びサイズを理想的に選択することが可能であることを発見した。実際に、以前のタービン設計とは異なり、タービンロータブレードの先端部（例えば、図１のブレード１１３－１、１１３－２、及び１１３－３を参照されたい）と、ロータブレードの周囲に延在しているステータ部材、例えば固定シュラウドリング（例えば、図１の外壁１６５を参照されたい）との間の隙間がゼロであることが発見されている。このようにして、作動条件においてタービン効率が最大となり、望ましい。

タービンのランプアップ中に、タービン構成要素の温度が大きく変化し、正確には、例えば、１００～４００℃の温度上昇が存在し得る。各タービン部品は、異なる温度上昇を受け、その温度上昇があらゆる場所で同時に生じず、概して、タービンロータが最初に高温になり、次いで、タービンステータが高温になることに留意されたい。

タービンのランプダウン中には、対応する温度の低下が生じるが、この場合は、最初にタービンロータが低温になり、次いで、タービンステータが低温になる。

タービン部品の温度が変化すると、そのサイズが変化し、具体的には、温度の上昇がサイズ増加に対応し、温度の低下がサイズ減少に対応する。

上述した理想的な選択が行われた場合、タービンの起動及び停止時に、ロータブレードの先端部と周囲のステータ部材との間の隙間は、ゼロであるか、又は小さく、正である。

しかしながら、上述した理想的な選択が行われた場合、タービンブレードは、少なくとも１つのタービンホイールがそのブレードと共に、周囲のステータ部材よりも先に、熱膨張するので、タービンのランプアップ中に、それらの周囲に延在しているステータ部材と接触することになり、その結果、ブレード及び部材に損傷が生じる。

起動、停止、ランプアップ、及びランプダウン時のタービンロータブレードの外周を通じた作動流体の漏出は、作動動作段と比較した場合に、これらの動作段の持続時間が比較的短いので、全体的なタービン効率に対する影響がごくわずかであることが認識されている。

本明細書に開示するように、新しいタービンは、ロータが高温であるときに漏出が少ないか、又は存在しないように配設され、したがって、具体的には作動条件において、すなわちタービンの作動中に、高い効率は達成される。この目的のために、シュラウドリングは、少なくとも１つのタービンロータブレードのアレイの周囲に位置決めされ、ロータが高温であるときに満足な作動流体シールを提供する。このようなシュラウドリングは、タービンステータと堅固に結合されず、ステータとの、具体的にはタービンケーシングとのシュラウドリングの機械的結合は、シュラウドリングの位置に影響することなく、したがって、タービンのあらゆる動作条件において漏出を伴うことなく、ケーシングが熱膨張する（及び収縮する）ことを可能にする。シュラウドリング（例えば、図７の部材２５０を参照されたい）及びタービンケーシング（例えば、図７の部材２６１を参照されたい）は、一組のキー（例えば、図７の部材２８０－１、２８０－２、２８０－３、２８０－４を参照されたい）を通して、半径方向に摺動可能に結合され得る。

好ましくは、新しいタービンのシュラウドリングは、その温度から実質的に独立したサイズを有する。最初に、ロータが低温であるとき、ロータとリングとの間の隙間には、いくらかの漏出が存在し、この段では、ステータは、低温であり、ロータと結合されている。例えば、図９を参照されたい。その後、ロータが高温になると、ロータが膨張し、隙間がゼロまで、又はほぼゼロまで減少し、その結果、漏出もまたゼロまで、又はほぼゼロまで減少し、この段で、ステータは、まだ低温であり、ロータと結合されている。例えば、図１０を参照されたい。最後に、ロータは、高温になり、膨張して、隙間並びに漏出は、ゼロ又はほぼゼロのままであり、この段で、ステータは、高温になり、かつ膨張するが、ロータと結合されたままである。例えば、図１１を参照されたい。

本発明は、ガスタービン（具体的にはその第１の膨張段、より具体的にはその第１の膨張段）に適用するために考案されたが、蒸気タービンにも良好に適用され得る。

ここで、本開示の実施形態が詳述されると、その１つ以上の実施例が図面に示されている。各実施例は、本開示を限定するものではないが、本開示の説明によって提供される。実際に、本開示の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本開示において様々な変更及び変形が行われることができることが、当業者にとって明らかであろう。本明細書全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」又は「いくつかの実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所における「一実施形態では」又は「実施形態では」又は「いくつかの実施形態では」という語句の出現は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わされてもよい。

様々な実施形態の要素を提示する際、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素のうちの１つ以上があることを意味することを意図している。「備える（comprising）」、「含む（including）」、及び「有する（having）」という用語は、非排他的であり、挙げられた要素以外に更に要素があってもよいと意味することを意図している。

ここで、図面を参照すると、図２～図８の図は、新しいタイプのシュラウドリングと共に構成された（高温ガス）タービンの同じ第１の実施形態の異なる図である。具体的には、これらの図は、タービンの第１の膨張段の図である。しかしながら、同じソリューション又は同様のソリューションが、タービンの任意の膨張段で使用され得る。更に、同じソリューション又は同様のソリューションが、タービンのいくつかの膨張段で使用され得る。

この第１の実施形態と以前のタービンとの間の違いは、図１のタービン１００の第１の膨張段（ブレード１１３－１に対応する）での構造と、図２のタービン２００の第１の膨張段（ブレード２１３－１に対応する）での構造とを比較することによって、より容易に理解され得、図１及び図２の対応する部材の参照番号は、１００だけ異なり、よって、例えば、図２の部材２１２－１が、図１の部材１１２－１に対応することに留意されたい。

改善された及び発明性のある第１の実施形態のタービン２００は、ロータ２１０と、ステータ２６０と、シュラウドリング２５０と、を備え、以前の教示とは異なり、新しいシュラウドリング２５０は、ステータ２６０と結合されるが、特定の移動の可能性があり、したがって、厳密に言えば、タービンステータの構成要素とみなされ得ない。

ロータ２１０は、シャフト２１１に固定されたホイール２１２－１の構成要素である少なくとも１つのブレード２１３－１のアレイを備え、典型的に、ロータは、同じシャフトに固定されたいくつかのホイール（ブレードを有する）を備える。シュラウドリング２５０は、ブレード２１３－１のアレイの周囲に延在しており、第２の実施形態に関してより良好に説明するように、シュラウドリングは、ブレードの１つ、又は２つ、又は３つ以上のアレイの周囲に延在し得る。ステータ２６０は、シュラウドリング２５０の周囲に延在しているケーシングを備え、第１の実施形態によれば、ケーシングのシェル２６１は、シュラウドリング２５０の周囲に延在している。

図２に関して、ロータブレード２１３－１のアレイは、ステータベーン２６７－１の第１のアレイの後にあり得、及び／又はその後にステータベーン２６７－２の第２のアレイが続き得る。流路は、ステータ外壁２６５及びステータ内壁２６９によって画定され、その内部には、少なくともロータブレード２１３－１のアレイ、及び場合により、ステータベーン２６７－１及び２６７－２のアレイが提供される。図２の実施形態によれば、ベーン２６７－１は、外壁２６５の第１のリング及び内壁２６９の第１のリングに固定されており、ベーン２６７－２は、外壁２６５の第２のリング及び内壁２６９の第２のリングに固定されており、更に、外壁２６５の第１のリングは、シェル２６１と結合され、内壁２６９の第１のリングは、ベアリング２９０－１と結合されている。図２の実施形態によれば、シュラウドリング２５０は、外壁２６５の第１のリングと外壁２６５の第２のリングとの間に軸方向に位置決めされる。

第１の実施形態によるシュラウドリング２５０の幾何学的形状は、図５からより良好に理解することができ、ロータ先端部の周囲からのゼロ又はほぼゼロの作動流体の漏出を提供するように構成されるのであれば、代替的な形状及び幾何学形状が可能である。シュラウドリング２５０は、スリーブの形態の第１の環状の内側部２５１（例えば、円筒形又は円錐形スリーブ）と、フランジの形態の第２の環状外側部品２５４と、を備え、第１の環状内側部２５１は、ブレード２１３－１の先端部（図４の２１４）に作動流体シールを提供する役割を果たし、第２の環状外側部品２５４は、シェル２６１と、具体的には後述するシェル２６１の配設２７０（例えば、図３を参照されたい）と結合する役割を果たす。

シュラウドリング２５０（例えば図６から分かるように、環状形状を有する）は、ケーシングと、具体的にはシェル２６１（例えば図６から分かるように、環状形状を有する）と移動可能に結合され、よって、タービンの動作中（すなわち、起動から停止までの期間中）にケーシングが熱膨張及び収縮することを可能にし、それによって、それらの間の半径方向距離を変化させる。例えば図６を考慮すると、シェル２６１及びシュラウドリング２５０は、同心円状で半径方向に離間されており、上述した結合は、同心性を維持しながら、シェルとリングとの間の（例えば、約０．５～約５．０ｍｍの）半径方向距離の変化に適応することが可能である。

シュラウドリング２５０とケーシングとの、具体的にはシェル２６１との間の結合は、ケーシングに対するシュラウドリング２５０の実質的にいかなる回転も可能にしない。実際に、ケーシングは、タービンの動作中（すなわち、起動から停止までの期間中）に、シュラウドリングとケーシングとの間の相対角度位置を実質的に固定するように構成されており、これに関して、シェル２６１の配設２７０の詳細な説明を続ける。

シュラウドリング２５０とケーシングとの、具体的にはシェル２６１との間の結合は、ケーシングに対するシュラウドリング２５０の実質的にいかなる軸方向並進も可能にしない。実際に、ケーシングは、タービンの動作中（すなわち、起動から停止までの期間中）に、シュラウドリングとケーシングとの間の相対軸方向位置を実質的に固定するように構成されており、これに関して、シェル２６１の配設２７０の詳細な説明を続ける。

シュラウドリング２５０及びケーシングは、具体的にはシェル２６１は、例えば図６に示すように、部品に分割されるとみなされ得、このような分割は、共に接合された部材に、又は単純に、かつより典型的には、単一のピースの異なるゾーンに対応し得る。シュラウドリング２５０の部品２５０－１、２５０－２、２５０－３、２５０－４は、ケーシングのシェル２６１の対応する部品２６１－１、２６１－２、２６１－３、２６１－４と摺動可能に結合され、それによって、相対半径方向位置の変化を可能にする。

このような半径方向摺動は、半径方向に配向された突出部を有するシュラウドリングの一部、及び対応する半径方向に配向された凹部を有するケーシングの一部に由来し得、突出部は、凹部内を摺動するように配設されている。

あるいは、このような半径方向摺動は、半径方向に配向された突出部を有するケーシングの一部、及び対応する半径方向に配向された凹部を有するシュラウドリングの一部に由来し得、突出部は、凹部内を摺動するように配設されている。

代替的に、好ましくは、図に示すように（具体的には、図７及び図８を参照されたい）、このような半径方向摺動は、少なくとも１つの半径方向に配向された装置（具体的には、キー２８０）に由来し得る。この装置、具体的にはキー２８０は、シュラウドリング２５０の、具体的には第２の環状外側部品２５４の凹部２５５（図７及び図８を参照されたい）内を、及び／又はケーシングの、具体的にはシェル２６１の凹部２６２（図７及び図８を参照されたい）内を半径方向に摺動するように配設されている。

この最後の可能な変形例によれば、装置、特定のキー２８０が、ケーシングに、具体的にはシェル２６１に固定されることが好ましく、図７及び図８の実施形態では、キー２８０は、ねじ２８２を通してシェル２６１に固定される。この場合、装置、具体的にはキー２８０は、シュラウドリング２５０の対応する凹部２５５内を半径方向に摺動する（例えば、約１．０～約５．０ｍｍ）ように配設されており、更に、キー２８０と凹部２５５との間には、（例えば、約０．１～約０．２ｍｍの）（制限された）周方向移動の特定の可能性が存在し、図７及び図８に関して、「半径方向」は、垂直を意味し、「周方向」は、水平を意味する。

装置を通した結合が選択される場合は、典型的に、いくつかの装置が使用される。この場合には、例えば図６に示すように、タービンは、複数の半径方向に配向された装置、具体的には複数のキーを備え、第１の実施形態によれば、４つのキー２８０－１、２８０－２、２８０－３、２８０－４が使用されるが、異なる数、例えば３～例えば１６が可能である。この複数の装置の各々は、シュラウドリングの対応する凹部内を、及び／又はケーシングの対応する凹部内を半径方向に摺動するように配設されている。

図２～図８の図に示す第１の実施形態によれば、シュラウドリング２５０のフランジ２５４は、タービンのケーシングのシェル２６１の配設２７０と結合されるように配設されている。配設２７０は、第１の環状フランジ２７２と、環状リブ２７４と、環状ワッシャ２７７（配設が装着されるとき）を受容するための環状シート２７６と、第２の環状フランジ２７８と、を含み、半径方向凹部２６２は、環状リブ２７４内に形成されている。フランジ２５４は、（例えば、約０．２～約０．５ｍｍの）（制限された）軸方向移動の特定の可能性を伴って、第１のフランジ２７２とワッシャ２７７の間に位置決めされており、ワッシャ２７７を適所に配置する前に、シュラウドリング２５０のフランジ２５４が適所に配置されることに留意されたい。

シュラウドリング２５０は、好ましくは低ＣＴＥ（＝Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ、熱膨張係数）、具体的には約１０μｍ／ｍ／℃よりも低い、好ましくは約８μｍ／ｍ／℃よりも低い、より好ましくは約６μｍ／ｍ／℃よりも低いＣＴＥを有する材料で作製されるか、又は含有し、このようにして、そのサイズ、具体的にはその半径方向サイズは、その温度から実質的に独立している。シュラウドリング２５０は、合金材料又はセラミック材料で作製され得るか、又は含有し得る。

反対に、ロータ２１０及び／又はステータ２６０は、それらの温度に依存するサイズ、具体的には半径方向サイズを有する。実際に、ロータ２１０及び／又はステータ２６０は、典型的に、高ＣＴＥ、具体的には約１０μｍ／ｍ／℃よりも高い、具体的には約１２μｍ／ｍ／℃よりも高い、更に具体的には約１４μｍ／ｍ／℃よりも高いＣＴＥを有する１種以上の材料で作製される。ロータ２１０及びステータ２６０は、１種以上の金属材料で作製され得る。

図９及び図１０及び図１１を考慮すると、どのようにタービン構成要素がタービン２００の動作中にそれらの半径方向サイズを変化させることができるかを理解することが可能であり、図９は、ロータ２１０が低温であり、かつステータ２６０が低温であるときの可能な最初の条件に対応し、図１０は、ロータ２１０が高温であり（かつ膨張しており）、かつステータ２６０が低温であるときの可能なランプアップ条件に対応し、図１１は、ロータ２１０が高温であり（かつ膨張しており）、かつステータ２６０が高温である（かつ膨張している）ときの可能な作動条件に対応し、これらの３つの図のシュラウドリング２５０の形状、サイズ、及び位置は、同じであることに留意されたい。図９では、ブレード２１３－１とシュラウドリング２５０との間に広い間隙Ｇ１－１が存在し、図１０では、ブレード２１３－１とシュラウドリング２５０との間に狭い間隙Ｇ１－２が存在し、図１１では、ブレード２１３－１とシュラウドリング２５０との間に狭い間隙Ｇ１－２が存在し（更には間隙が全く存在せず）、間隙Ｇ１は、ロータ２１０の、具体的にはホイール２１２－１の膨張により減少している。それに応じて、図９では、シュラウドリング２５０、具体的にはフランジ２５４と、シェル２６１、具体的にはリブ２７４との間に、狭い間隙Ｇ２－１が存在し（図７も参照されたい）、図１０では、シュラウドリング２５０、具体的にはフランジ２５４と、シェル２６１、具体的にはリブ２７４との間に、狭い間隙Ｇ２－１が存在し（図７も参照されたい）、図１１では、シュラウドリング２５０、具体的にはフランジ２５４と、シェル２６１、具体的にはリブ２７４との間に、狭い間隙Ｇ２－２が存在し（図８も参照されたい）、間隙Ｇ２は、ステータ２６０の、具体的にはシェル２６１の膨張により増加している。

上で説明したように、ブレード２１３－１の先端領域２１４は、少なくともタービン２００の作動動作条件において、シュラウドリング２５０の内部領域２５２に近接し得る。

代替的に、及び有利には、ブレード２１３－１の先端領域２１４は、少なくともタービン２００の作動動作条件において、シュラウドリング２５０の内部領域２５２と接触し得る。しかしながら、この場合、シュラウドリング２５０が、内部領域２５２に摩耗性材料の層２５３を備えること、及びブレード２１３が、それらの先端領域２１４に摩耗の層２１５（又は摩耗材料の少なくとも１つの装置）を備えることが好ましい。このようにして、層２１５が層２５３に接触すると、損傷を伴うことなく、軽度の摩耗がブレード及び／又はシュラウドリングに生じる。更に、この場合、少なくともタービン２００の作動動作条件において、ブレード２１３－１の先端領域２１４は、シュラウドリング２５０の内部領域２５２の中へ部分的に入り込み、有利には、少なくともタービンの作動動作中に、具体的には少なくともブレードの外周を通じた作動流体のいかなる漏出も存在しない。

図１２は、第１の実施形態と同様であるタービン９００の第２の実施形態に関する。この実施形態によれば、シュラウドリング９５０（１つ以上のピースで作製され得る）は、ロータブレード９１３－１（第１のホイール９１２－１の一部）及び９１３－２（第２のホイール９１２－２の一部）の２つのアレイの周囲に延在し、あるいは、シュラウドリングは、ロータブレードの３つ以上のアレイの周囲に延在し得る。シュラウドリング９５０は、例えば、フランジ９５４を通して、タービン９００のステータケーシングのシェル９６１の配設９７０と結合される。シュラウドリング９５０の第１の部分９５１－１（円筒形又は円錐形スリーブの形態）は、ロータブレード９１３－１の第１のアレイの周囲に延在しており、一方で、シュラウドリング９５０の第２の部分９５１－２（円筒形又は円錐形スリーブの形態）は、ロータブレード９１３－２の第２のアレイの周囲に延在している。

有利には、ベーン９６７－２のアレイは、シュラウドリング９５０に、具体的にはシュラウドリング９５０の第３の一部９５３（円筒形又は円錐形スリーブの形態）に嵌合される。ベーン９６７－２は、ステータベーンとみなされ得る。

本発明は、ガスタービン（具体的にはその第１の膨張段、より具体的にはその第１の膨張段）に適用するために考案されたが、蒸気タービンにも良好に適用され得る。

上の説明から明らかであるように、第１の実施形態、第２の実施形態、及び他の同様のタービンは、少なくともその作動動作中のタービン内のロータとステータとの間の漏出を制限する方法を実施する。

図１３は、少なくともタービンの動作中のロータブレード先端部からの作動流体の漏出を制限するための方法の一実施形態のフローチャート１３００を示す。方法は、開始ステップ１３１０及び終了ステップ１３９０によって開始される。この実施形態は、タービンが、ロータブレードのアレイ及びロータブレードのアレイの周囲に延在しているステータケーシングを有する少なくとも１つのロータホイールを備え、更に、ステータケーシングが、その温度に依存する半径方向サイズを有し、ロータホイールが、その温度に依存する半径方向サイズを有することを前提としている。

この実施形態によれば、本方法は、
－シュラウドリングを配設するステップであって、シュラウドリングが、シュラウドリングの温度から実質的に独立した半径方向サイズを有する、配設するステップ（ステップ１３２０）と、
－ロータブレードのアレイとステータケーシングとの間で、ロータホイールの周りに同心状にシュラウドリングを位置決めするステップ（ステップ１３５０）と、
－具体的にはシュラウドリング及び／又はケーシングに損傷を伴うことなく、シュラウドリングの温度から、かつケーシングの温度から独立して結合が維持されるように、シュラウドリングをケーシングと機械的に結合させるステップ（ステップ１３６０）と、を含み、
この方法によれば、少なくともタービンの作動温度において、ブレードの先端領域は、シュラウドリングの内部領域に近接（例えば、約０．１～約１．０ｍｍ）又は接触する。

典型的に、上述した機械的結合は、シュラウドリングとケーシングとの間の半径方向移動を可能にする。

シュラウドリングとケーシングとの間の機械的結合は、有利なことに、複数のキーを通して行われる。

この実施形態によれば、本方法は、
－シュラウドリングの内部領域に摩耗性材料の層を配設するステップ（ステップ１３３０）と、
－ブレードの先端領域に摩耗若しくは材料の層、又は摩耗材料の少なくとも１つの装置を配設するステップ（ステップ１３４０）と、を更に含み得、
この場合、本明細書では、少なくともタービンの作動温度において、先端領域又は摩耗装置は、摩耗材料によって摩耗性層の摩耗を通してシュラウドリングの内部領域に部分的に入り込む。

Claims (18)

1. ロータ（２１０）と、ステータ（２６０）と、シュラウドリング（２５０）と、
   複数の半径方向に配向された装置（２８０－１、２８０－２、２８０－３、２８０－４）と、を備えているタービンであって、
   前記ロータ（２１０）が、ロータブレード（２１３－１）の少なくとも１つのアレイを備え、
   前記シュラウドリング（２５０）が、前記ロータブレード（２１３－１）のアレイの周囲に延在し、
   前記ステータ（２６０）が、前記シュラウドリング（２５０）の周囲に延在しているケーシング（２６１）を備え、
   前記シュラウドリング（２５０）が、１０μｍ／ｍ／℃よりも低い熱膨張係数を有する材料で作製されているか、又は含有し、
   前記ロータ（２１０）及び／又は前記ステータ（２６０）が、前記シュラウドリング（２５０）の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する１種以上の材料で作製され、
   前記シュラウドリング（２５０）が、スリーブの形態の第１の環状の内側部（２５１）と、フランジの形態の第２の環状外側部品（２５４）とを備え、前記第２の環状外側部品（２５４）が複数の凹部を有し、
   前記ケーシング（２６１）が複数の凹部を有し、前記ケーシング（２６１）の各々の前記凹部が前記第２の環状外側部品（２５４）の対応する前記凹部に対向するように設けられ、
   前記タービンの動作中に前記ケーシング（２６１）が熱膨張及び/または収縮した場合に、前記ケーシング（２６１）と前記シュラウドリング（２５０）との間の半径方向距離が変化可能であるとともに、前記シュラウドリング（２５０）と前記ケーシング（２６１）との間の相対角度位置が実質的に固定されるように、各々の前記装置が、前記第２の環状外側部品（２５４）の対応する凹部内を、及び／又は前記ケーシング（２６１）の対応する凹部内を半径方向に摺動するように配設され、
   前記第２の環状外側部品（２５４）の軸方向両側端部が、前記タービンの動作中に、前記シュラウドリング（２５０）と前記ケーシング（２６１）との間の相対軸方向位置が実質的に固定されるように前記ケーシング（２６１）に位置決めされている、タービン。
2. 前記第２の環状外側部品（２５４）の一方の軸方向端部が、前記ケーシング（２６１）に設けられた第１の環状フランジ（２７２）によって位置決めされる、請求項１に記載のタービン。
3. 前記第２の環状外側部品（２５４）の他方の軸方向端部が、前記ケーシング（２６１）に支持されるワッシャ（２７７）によって位置決めされる、請求項２に記載のタービン。
4. 前記装置（２８０）がキーである、請求項１から３のいずれか１項記載のタービン。
5. 前記装置（２８０）が、前記ケーシング（２６１）に固定され（２８２）、前記第２の環状外側部品（２５４）の対応する凹部（２５５）内を半径方向に摺動するように配設されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のタービン。
6. 前記シュラウドリング（２５０）が、内部領域（２５２）に摩耗性材料の層（２５３）を備えている、請求項１から５のいずれか１項に記載のタービン。
7. 前記アレイの前記ロータブレード（２１３）のうちの１つ以上が、先端領域（２１４）に摩耗材料の層（２１５）又は摩耗材料の装置を備えている、請求項６に記載のタービン。
8. 前記シュラウドリング（２５０）が、８μｍ／ｍ／℃よりも低い熱膨張係数を有する材料で作製されているか、又は含有している、請求項１から７のいずれか１項に記載のタービン。
9. 前記シュラウドリング（２５０）が、合金材料又はセラミック材料で作製されているか、又は含有している、請求項１から８のいずれか１項に記載のタービン。
10. 前記ロータ（２１０）及び前記ステータ（２６０）が、１種以上の金属材料で作製されている、請求項１から９のいずれか１項に記載のタービン。
11. 前記シュラウドリング（９５０）が、前記ロータブレード（９１３－１、９１３－２）の２つ以上のアレイの周囲に延在している、請求項１から１０のいずれか１項に記載のタービン。
12. 前記ステータが、ベーン（９６７－２）の少なくとも１つのアレイを備え、前記ベーン（９６７－２）が、前記シュラウドリング（９５０）に嵌合され、軸方向に離間して位置する２つの前記ロータブレード（９１３－１、９１３－２）のアレイの間に配置されている、請求項１１に記載のタービン。
13. ガスタービン又は蒸気タービンである、請求項１から１２のいずれか１項に記載のタービン。
14. タービンの作動動作中の、前記タービン内のロータ（２１０）とステータ（２６０）との間の作動流体の漏出を制限する方法であって、前記タービンが、ロータブレード（２１３－１）のアレイを有する少なくとも１つのロータホイール（２１２－１）と、前記ロータブレード（２１３－１）のアレイの周囲に延在しているステータケーシング（２６１）と、を備え、前記ステータケーシング（２６１）が、前記ステータケーシング（２６１）の温度に依存する半径方向サイズを有し、前記ロータホイール（２１２－１）が、前記ロータホイール（２１２－１）の温度に依存する半径方向サイズを有し、前記方法が、
    シュラウドリング（２５０）を配設するステップであって、前記シュラウドリング（２５０）が、前記シュラウドリング（２５０）の温度から実質的に独立した半径方向サイズを有する、配設するステップ（１３２０）と、
    前記ロータブレード（２１３－１）のアレイと前記ステータケーシング（２６１）との間で、前記ロータホイール（２１２－１）の周りに同心状に前記シュラウドリング（２５０）を位置決めするステップ（１３５０）と、
    前記シュラウドリングの温度と前記ステータケーシング（２６１）の温度から独立して結合が維持されるように、かつ、前記シュラウドリング（２５０）と前記ステータケーシング（２６１）との間の半径方向移動を可能に、前記シュラウドリング（２５０）を前記ステータケーシング（２６１）と複数のキー（２８０）を介して機械的に結合させるステップ（１３６０）と、を含み、
    前記シュラウドリング（２５０）が、スリーブの形態の第１の環状の内側部（２５１）と、フランジの形態の第２の環状外側部品（２５４）とを備え、前記第２の環状外側部品（２５４）が複数の凹部を有し、
    前記ステータケーシング（２６１）が複数の凹部を有し、前記ステータケーシング（２６１）の各々の前記凹部が前記第２の環状外側部品（２５４）の対応する前記凹部に対向するように設けられ、
    前記タービンの動作中に前記ステータケーシング（２６１）が熱膨張及び/または収縮した場合に、前記ステータケーシング（２６１）と前記シュラウドリング（２５０）との間の半径方向距離が変化可能であるとともに、前記シュラウドリング（２５０）と前記ステータケーシング（２６１）との間の相対角度位置が実質的に固定されるように、前記複数のキー（２８０）の各々が、前記第２の環状外側部品（２５４）の対応する凹部内を、及び／又は前記ステータケーシング（２６１）の対応する凹部内を半径方向に摺動するように配設され、
    前記第２の環状外側部品（２５４）の軸方向両側端部が、前記タービンの動作中に、前記シュラウドリング（２５０）と前記ステータケーシング（２６１）との間の相対軸方向位置が実質的に固定されるように前記ステータケーシング（２６１）に位置決めされ、
    前記タービンの作動温度において、前記アレイの前記ロータブレード（２１３－１）の先端領域（２１４）が、前記シュラウドリング（２５０）の内部領域（２５２）に近接又は接触する、方法。
15. 前記シュラウドリング（２５０）の内部領域（２５２）に摩耗性材料の層（２５３）を配設するステップ（１３３０）と、
    前記アレイの前記ロータブレード（２１３－１）の先端領域（２１４）に摩耗若しくは材料の層（２１５）、又は摩耗材料の装置を配設するステップ（１３４０）と、を更に含み、
    前記タービンの作動温度において、前記先端領域（２１４）又は前記摩耗材料の装置が、前記内部領域（２５２）の中へ部分的に入り込む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記シュラウドリング（２５０）が、１０μｍ／ｍ／℃よりも低い熱膨張係数を有する材料で作製されているか、又は含有し、前記ロータ（２１０）及び／又は前記ステータ（２６０）が、前記シュラウドリング（２５０）の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する１種以上の材料で作製されている、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 前記第２の環状外側部品（２５４）の一方の軸方向端部が、前記ステータケーシング（２６１）に設けられた第１の環状フランジ（２７２）によって位置決めされる、請求項１４から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記第２の環状外側部品（２５４）の他方の軸方向端部が、前記ステータケーシング（２６１）に支持されるワッシャ（２７７）によって位置決めされる、請求項１７に記載の方法。

Images