WO2017164258A1

WO2017164258A1 - タービンの支持構造

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Publication number: WO2017164258A1
Application number: PCT/JP2017/011546
Authority: WO
Inventors: 晃司寺内; 亮嗣玉井
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: DE112017001487B4; US20190024536A1; GB2591969B; US10968776B2; GB2564065B; GB202107293D0; GB201817149D0; GB2591969A; GB2564065A; JP6612161B2; JP2017172489A; DE112017001487T5; CN108884719A; CN108884719B

Abstract

ガスタービンのタービン（５）を覆うタービンケーシング（２３）によって、タービンのノズル（１３）およびノズルに隣接する動翼に対向するシュラウド（２１）を支持する構造において、各ノズルの外周フランジ（１９）の前後端部が前記タービンケーシング（２３）内周部に係合しており、前記シュラウド（２１）の前端部が、その前方の外周フランジ（１９）の後端部に係合しており、前記シュラウド（２１）の後端部が、その後方の外周フランジ（１９）の前端部に係合しており、前記タービンケーシングの係合部と、前記外周フランジの係合部と、前記シュラウドの係合部とが互いに径方向に重なる重畳係合部分（４９）を貫通する支持ピン（５１）によって、前記ノズルおよび前記シュラウドが前記タービンケーシングに支持されている。

Description

タービンの支持構造

関連出願

　本出願は、２０１６年３月２４日出願の特願２０１６－０６０３０６の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　本発明は、ガスタービンエンジンのタービンにおいて、当該タービンの外周を覆うタービンケーシングによって、タービンを構成するノズルおよびシュラウドを支持する構造に関する。

　ガスタービンエンジンのタービンにおいて、ノズルおよびシュラウドを支持するための構造として種々のものが提案されている。例えば、タービンケーシングの内周に支持用の部材を前後両方向から係止するとともにボルトで固定し、この支持用部材にノズルおよびシュラウドを係合させる構造が知られている（特許文献１参照）。

特許第３０３４５１９号明細書

　しかし、上記特許文献１に記載の構造では、ノズルおよびシュラウドの支持にのみ用いられる支持用部材を使用するため、部品点数が増加するとともに組立工数が増加する。

　本発明の目的は、上記の課題を解決するために、部品点数および組立て工数を削減しながら、ノズルおよびシュラウドを確実に支持することができるタービンの支持構造を提供することにある。

　前記した目的を達成するために、本発明の第１構成に係るタービンの支持構造は、
　ガスタービンエンジンのタービンにおいて、当該タービンの外周を覆うタービンケーシングによって、タービンを構成する複数のノズル、およびノズルに隣接する動翼に対向するシュラウドを支持する構造であって、
　各ノズルの外周フランジの前端部および後端部が、それぞれ、前記タービンケーシングの内周部に係合しており、
　前記シュラウドの前端部が、当該シュラウドの前方に位置する前記外周フランジの後端部に係合しており、前記シュラウドの後端部が、当該シュラウドの後方に位置する前記外周フランジの前端部に係合しており、
　前記外周フランジの前端部および後端部のいずれか一方のみにおいて、前記タービンケーシングの係合部と、前記外周フランジの係合部と、前記シュラウドの係合部とが互いに径方向に重なる重畳係合部分が形成されており、
前記重畳係合部分を径方向に貫通する支持ピンによって、前記ノズルおよび前記シュラウドが前記タービンケーシングに支持されている。

　この構成によれば、ノズルおよびシュラウド自体を利用し、かつ複数の部材に対して共通の支持ピンを使用してこれらの部材をタービンケーシングによって支持するので、タービンの部品点数および組立て工数を大幅に削減することが可能となる。

　本発明の一実施形態において、前記支持ピンが、前記外周フランジの前端側の係合部に設けられており、前記外周フランジの後方に、この外周フランジに付加される軸方向力を前記タービンケーシングに伝達するスラストリングが配置されていてもよい。この構成によれば、スラストリングを設けることによって、外周フランジのノズル係合部に付加される大きな軸方向力が、その後方に位置するシュラウドにさらに付加されることが回避され、これらの部材を安定的に支持することが可能になる。しかも、ノズルとシュラウドの位置関係を適切に保ったまま、支持ピンおよびスラストリングを配置することが可能となる。

　本発明の一実施形態において、前記ノズルが、周方向に分割された複数のノズル分割体からなり、前記シュラウドが、周方向に分割された、前記ノズル分割体の２倍の数のシュラウド分割体からなり、複数の前記支持ピンが、前記ノズル分割体の外周フランジ分割体の周方向中央部に形成された中央挿通溝および両端部に形成された端部挿通溝にそれぞれ挿通されており、前記外周フランジ分割体が前記中央挿通溝に挿通された支持ピンによって周方向に位置決めされた状態で、前記端部挿通溝と、この端部挿通溝に挿通された支持ピンとの間に隙間が形成されていてもよい。この構成によれば、シュラウド分割体の周方向寸法を小さくして熱伸び量を抑制するとともに、ノズル分割体について熱伸びに対する過拘束を回避することができる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る支持構造を備えるガスタービンエンジンの概略構成を示す部分破断側面図である。図１のガスタービンエンジンのタービン周辺部分を拡大して示す縦断面図である。図２における支持構造周辺部分を拡大して示す縦断面図である。図２のタービンにおけるノズルとシュラウドの周方向配置を示す模式図である。

　以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

　図１は、本発明の一実施形態に係るタービンの支持構造を備えたガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＥの一部を破断した側面図である。ガスタービンＧＥは、外部から導入した空気Ａを圧縮機１で圧縮して燃焼器３に導き、燃焼器３内で燃料Ｆを圧縮空気ＣＡとともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン５を駆動する。本実施形態では、複数のキャン型の燃焼器３が、ガスタービンＧＥの周方向に沿って等間隔に配置されている。なお、以下の説明において、ガスタービンＧＥの軸心Ｃ方向における圧縮機１側を「前方」と呼び、タービン５側を「後方」と呼ぶ場合がある。実施形態を構成する要素の名称に付する「前」，「後」も同様の意味である。また、以下の説明において、「軸心方向」，「周方向」および「径方向」とは、特に示した場合を除き、ガスタービンＧＥの軸心Ｃ方向，周方向および径方向を意味する。

　燃焼器３で発生した高温高圧の燃焼ガスＧは、タービン５の第１段ノズル（第１段静翼）１１からタービン５内に流入する。図２に示すように、タービン５において、複数のノズル（静翼）１３と、ガスタービンＧＥの回転部分を構成するロータＲの外周面に配置された複数の動翼１７とが、軸心方向に交互に隣接して配置されている。各ノズル１３の外周部には、円錐面状の外周フランジ１９が設けられている。また、各動翼１７は、その径方向外方をシュラウド２１によって覆われている。つまり、シュラウド２１は、各動翼１７の端部に径方向に離間して対向している。シュラウド２１と、外周フランジ１９とが、軸心方向に交互に、かつ互いに接して配置されている。本実施形態では、タービン５の外周を覆うタービンケーシング２３によってノズル１３およびシュラウド２１が支持されている。なお、以下の説明において、第ｎ段動翼１７_ｎに対向して配置されたシュラウド２１を、「第ｎ段シュラウド２１_ｎ」と呼ぶ場合がある。タービンケーシング２３によってノズル１３およびシュラウド２１を支持する構造については後に詳述する。

　本実施形態では、タービン５の第１段ノズル１１は、その外周を覆う第１段ノズル支持体２５を介してガスタービンＧＥのハウジングＨに支持されている。本明細書では、第１段ノズル支持体２５とは別体に形成された、第１段ノズル１１よりも後方のタービン部分、つまり第１段動翼１７_１から後方のタービン部分の外周を覆うケーシング部材を「タービンケーシング２３」と呼ぶ。以下の説明において、特に明示した場合を除き、単に「ノズル１３」と呼ぶ場合には第１段ノズル１１を除いた、第１段動翼１７_１よりも後方に配置されたノズル（図示の例では第２段ノズルおよび第３段ノズル）１３を指す。タービンケーシング２３は、周方向に２分割された分割タイプではなく、一体物である。したがって、ノズル１３、動翼１７、シュラウド２１などは、後方からタービンケーシング２３の内方に組み入れられる。

　図２に示すように、複数の外周フランジ１９およびシュラウド２１によって形成されるタービン５の外周面は、縦断面視でほぼ直線状に後方に向かって拡径する部分円錐面を形成している。タービンケーシング２３は、タービン５の外周を覆う部分であるケーシング本体部２３ａと、ケーシング本体部２３ａから後方に延びる円筒状の連結部２３ｂとを有している。タービン５の外周を覆うケーシング本体部２３ａは、後方に向かって拡径する形状を有している。連結部２３ｂの最後端には、径方向外方に突設された後端フランジ２７が設けられている。タービンケーシング２３は、後端フランジ２７を介して、連結ピンＰ１のような連結部材によってガスタービンＧＥのハウジングＨの後端部Ｈａに連結されて位置決めされた状態で、後端部Ｈａと後部ダクト３１との間で支持されている。後部ダクト３１は、図示しないボルトによって後端部Ｈａに連結されている。ハウジングＨと後部ダクト３１との間は、連結ピンＰ２によって位置決めされている。

　以下、タービンケーシング２３によってノズル１３およびシュラウド２１を支持する構造について説明する。本実施形態に係る支持構造は、図３に示す複数のノズル１３および複数のシュラウド２１のうち、特に、２つのノズル１３，１３の間に配置されたシュラウド２１（図示の例では第２段シュラウド２１_２）およびこのシュラウド２１の前後両端側にそれぞれ配置された前記２つのノズル１３，１３に適用される。なお、図示の例では、本実施形態に係る支持構造が適用されるシュラウド２１は第２段シュラウド２１_２のみであるが、ノズル１３の数およびシュラウド２１の数は図示の例より多くてもよく、その場合は、複数のシュラウド２１に本実施形態に係る支持構造が適用され得る。

　図３に示すように、ノズル１３の外周フランジ１９には、ノズル係合部４１が突設されている。また、シュラウド２１には、シュラウド係合部４３が突設されている。タービンケーシング２３の内周部には、ノズル係合部４１に係合するケーシング係合部４５が突設されている。図示の例では、タービンケーシング２３のケーシング係合部４５は、異なる軸心方向位置に複数（この例では２つ）形成されている。以下の説明では、２つのケーシング係合部４５，４５のうち、前方の係合部を前方ケーシング係合部４５Ｆと呼び、後方の係合部を後方ケーシング係合部４５Ｒと呼ぶ場合がある。

　前記ノズル係合部４１として、ノズル１３の外周フランジ１９の前端部に、前方に突出する突片からなる前方ノズル係合部４１Ｆが設けられており、外周フランジ１９の後端部に、前方に突出する突片からなる後方ノズル係合部４１Ｒが設けられている。また、第２段シュラウド２１_２の前端部に、前方に突出する突片からなる前方シュラウド係合部４３Ｆが設けられており、第２段シュラウド２１_２の後端部に、後方に突出する突片からなる後方シュラウド係合部４３Ｒが設けられている。

　さらに、本実施形態では、外周フランジ１９に、シュラウド２１のシュラウド係合部４３が係合する被係合部となるノズル被係合部４７が形成されている。図示の例では、前記ノズル被係合部４７として、外周フランジ１９の前端部に、後方に凹む凹所からなる前方ノズル被係合部４７Ｆが設けられており、外周フランジ１９の後端部に、前方に凹む凹所からなる後方ノズル被係合部４７Ｒが設けられている。

　より詳細には、外周フランジ１９の前端面から若干後方の部分に、径方向外方に突出する前端鍔部１９ａが全周に渡って設けられており、前方ノズル係合部４１Ｆは、前端鍔部１９ａの外縁から前方に突設されている。外周フランジ１９の前端部と前方ノズル係合部４１Ｆとの間の凹所が、前記前方ノズル被係合部４７Ｆを形成している。他方、外周フランジ１９の後端面から若干前方の位置に、径方向外方に突出する後端鍔部１９ｂが全周に渡って設けられている。外周フランジ１９の後方ノズル係合部４１Ｒは、後端鍔部１９ｂの外縁から前方に突設されている。後方ノズル被係合部４７Ｒは、外周フランジ１９の後端面から前方へ凹む凹所として形成されている。

　本実施形態では、このような構造を有するタービンケーシング２３、ノズル１３の外周フランジ１９およびシュラウド２１を以下のように係合させている。

　ノズル１３の外周フランジ１９の前端部（前方ノズル係合部４１Ｆ）および後端部（後方ノズル係合部４１Ｒ）が、それぞれ、タービンケーシング２３の内周部に形成されたケーシング係合部４５（前方ケーシング係合部４５Ｆおよび後方ケーシング係合部４５Ｒ）に係合している。また、シュラウド２１の前端部（前方シュラウド係合部４３Ｆ）が、当該シュラウド２１の前方に位置する外周フランジ１９の後端部（後方ノズル被係合部４７Ｒ）に係合しており、シュラウド２１の後端部（後方シュラウド係合部４３Ｒ）が、当該シュラウド２１の後方に位置する外周フランジ１９の前端部（前方ノズル被係合部４７Ｆ）に係合している。

　外周フランジ１９の前端部および後端部のいずれか一方のみ（図示の例では後方の外周フランジ１９の前端部）において、タービンケーシング２３のケーシング係合部４５と、外周フランジ１９のノズル係合部４１と、シュラウド２１のシュラウド係合部４３とが互いに径方向に重なる重畳係合部分４９が形成されている。図示の例では、後方の外周フランジ１９の前端部において係合し合う各部材、すなわち、前方ノズル係合部４１Ｆ、後方ケーシング係合部４５Ｒ、および後方シュラウド係合部４３Ｒによって、重畳係合部分４９が形成されている。この重畳係合部分４９を、共通の支持ピン５１が径方向に貫通している。支持ピン５１は、周方向に複数設けられている。支持ピン５１によって、ノズル１３およびシュラウド２１はタービンケーシング２３に対して周方向に位置決めおよび支持されている。このように、ノズル１３およびシュラウド２１を共通の支持ピン５１によって周方向に位置決めすることにより、部品点数を削減することができる。なお、各係合部および被係合部の形状は、図示の例に限定されない。

　外周フランジ１９の後方ノズル係合部４１Ｒの後方に、環状のスラストリング５５が配置されている。図示の例では、スラストリング５５は断面略Ｌ字状に形成されている。タービンケーシング２３の内周面に、径方向外方に凹む嵌合溝５７が形成されており、この嵌合溝５７にスラストリング５５が嵌合している。より具体的には、断面略Ｌ字状のスラストリング５５は、径方向外方に突出する環状突部５５ａを有しており、この環状突部５５ａが嵌合溝５７に嵌合している。嵌合溝５７の前方の壁面（後方を向く壁面）５７ａは、外周フランジ１９をケーシング係合部４５に係合させた状態で、外周フランジ１９の後端鍔部１９ｂの後端面（つまり、外周フランジ１９の後方ノズル係合部４１Ｒの後端面）１９ｂａにほぼ揃う位置に形成されている。したがって、後方ノズル係合部４１Ｒに付加される軸方向力は、スラストリング５５を介して、タービンケーシング２３（より具体的には嵌合溝５７の後方の壁面５７ｂ）に伝達される。スラストリング５５は省略してもよいが、スラストリング５５を設けることにより、外周フランジ１９のノズル係合部４１に付加される大きな軸方向力が、その後方に隣接するシュラウド２１にさらに付加されることが回避され、これらの部材を安定的にタービンケーシング２３に支持することが可能になる。しかも、支持ピン５１を外周フランジ１９の前端側の前方ノズル係合部４１Ｆに配置することにより、ノズル１３とシュラウド２１の位置関係を適切に保ったまま、支持ピン５１およびスラストリング５５を配置することが可能となる。

　また、図示の例では、スラストリング５５は、第２段シュラウド２１_２の前方シュラウド係合部４３Ｆの外周面に接して配置されている。これにより、外周フランジ１９に係合するシュラウド２１を利用して、スラストリング５５を安定的に配置することができる。なお、本実施形態に係るスラストリング５５は、スナップリングとして形成されており、縮径させた状態で嵌合溝５７に嵌め込まれている。

　次に、ノズル１３およびシュラウド２１の周方向の配置について説明する。図４に示すように、本実施形態では、ノズル１３は、周方向に分割された複数のノズル分割体１３Ａから構成されている。各ノズル分割体１３Ａの外周部には、外周フランジ１９を周方向に分割した外周フランジ分割体１９Ａが形成されている。また、シュラウド２１は、周方向に分割された複数のシュラウド分割体２１Ａから構成されている。周方向に配置するシュラウド分割体２１Ａの数を、ノズル分割体１３Ａの数の２倍としている。換言すれば、シュラウド分割体２１Ａの周方向寸法を、ノズル分割体１３Ａの外周フランジ分割体１９Ａの周方向寸法の約１／２としている。一例として、周方向に配置するシュラウド分割体２１Ａの数を２４、ノズル分割体１３Ａの数を１２とする。なお、隣接する各シュラウド分割体２１Ａ間、隣接する各外周フランジ分割体１９Ａ間には、それぞれ、予め、熱伸びを吸収するための隙間が設定されている。

　複数のシュラウド分割体２１Ａは、外周フランジ分割体１９Ａの周方向位置を基準として、以下のように配置されている。すなわち、複数のシュラウド分割体２１Ａは、その周方向中心位置が外周フランジ分割体１９Ａの周方向中心位置に一致するシュラウド分割体２１Ａと、隣接する外周フランジ分割体１９Ａ間に一致するシュラウド分割体２１Ａとが交互に並ぶように配置されている。

　各シュラウド分割体２１Ａの側部には、支持ピン５１の外径にほぼ相当する内径の円弧状の断面を有するシュラウド挿通溝６１が形成されている。他方、各外周フランジ分割体１９Ａの側部には、その周方向中央に位置するノズル中央挿通溝６３と、周方向両端部に位置するノズル端部挿通溝６５が形成されている。外周フランジ分割体１９Ａのノズル中央挿通溝６３は、支持ピン５１の外径にほぼ相当する内径の円弧状の断面を有する溝として形成されている。ノズル端部挿通溝６５は、支持ピン５１の外径よりも大きい内径の円弧状の断面を有する溝として形成されている。したがって、外周フランジ分割体１９Ａがノズル中央挿通溝６３に挿通された支持ピン５１によって周方向に位置決めされた状態で、ノズル端部挿通溝６５と、このノズル端部挿通溝６５に挿通された支持ピン５１との間に隙間が形成される。

　シュラウド分割体２１Ａは湾曲した板状の部材であるので、タービン５からの熱の影響を受けて変形しやすい。そこで、上記のようにシュラウド分割体２１Ａの周方向分割数を増やすことにより、周方向寸法を小さくし、シュラウド分割体２１Ａの１枚当たりの熱変形量を抑制することができる。また、各シュラウド分割体２１Ａについて、１つの支持ピン５１と、これに対して隙間のないシュラウド挿通溝６１とによって、熱伸びに対する過拘束を回避しながら確実に周方向の位置決めが行われる。各ノズルの外周フランジ分割体１９Ａについても、１つの支持ピン５１と、これに対して隙間のないノズル中央挿通溝６３によって確実に周方向の位置決めが行われる一方、周方向両端部に位置する支持ピン５１に対してノズル端部挿通溝６５を隙間を介して臨ませることにより、熱伸びに対する過拘束が回避される。

　本実施形態に係るタービンの支持構造によれば、図２に示すように、ノズル１３およびシュラウド２１自体を利用し、かつ複数の部材に対して共通の支持ピンを使用してこれらの部材をタービンケーシング２３によって支持するので、タービン５の部品点数および組立て工数を大幅に削減することが可能となる。

　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

５　タービン
１３　ノズル
１７　動翼
１９　ノズルの外周フランジ
２１　シュラウド
２３　タービンケーシング
４１　ノズル係合部
４３　シュラウド係合部
４５　ケーシング係合部
４９　重畳係合部分
５１　支持ピン
５５　スラストリング
ＧＥ　ガスタービンエンジン

Claims

　ガスタービンエンジンのタービンにおいて、当該タービンの外周を覆うタービンケーシングによって、タービンを構成する複数のノズル、およびノズルに隣接する動翼に対向するシュラウドを支持する構造であって、
　各ノズルの外周フランジの前端部および後端部が、それぞれ、前記タービンケーシングの内周部に係合しており、
　前記シュラウドの前端部が、当該シュラウドの前方に位置する前記外周フランジの後端部に係合しており、前記シュラウドの後端部が、当該シュラウドの後方に位置する前記外周フランジの前端部に係合しており、
　前記外周フランジの前端部および後端部のいずれか一方のみにおいて、前記タービンケーシングの係合部と、前記外周フランジの係合部と、前記シュラウドの係合部とが互いに径方向に重なる重畳係合部分が形成されており、
　前記重畳係合部分を径方向に貫通する支持ピンによって、前記ノズルおよび前記シュラウドが前記タービンケーシングに支持されている、
タービンの支持構造。
　請求項１に記載の支持構造において、前記支持ピンが、前記外周フランジの前端側の係合部に設けられており、前記外周フランジの後方に、この外周フランジに付加される軸方向力を前記タービンケーシングに伝達するスラストリングが配置されているタービンの支持構造。
　請求項１または２に記載の支持構造において、
　前記ノズルが、周方向に分割された複数のノズル分割体からなり、
　前記シュラウドが、周方向に分割された、前記ノズル分割体の２倍の数のシュラウド分割体からなり、
　複数の前記支持ピンが、前記ノズル分割体の外周フランジ分割体の周方向中央部に形成された中央挿通溝および両端部に形成された端部挿通溝にそれぞれ挿通されており、
　前記外周フランジ分割体が前記中央挿通溝に挿通された支持ピンによって周方向に位置決めされた状態で、前記端部挿通溝と、この端部挿通溝に挿通された支持ピンとの間に隙間が形成されている
タービンの支持構造。