(57)【要約】【課題】ピン支持体を備えたタービンシェルを提供すること。【解決手段】タービン（１００）であって、複数の段にシュラウドを含むタービンシェル（１０）、（１２０）と、タービンシェル（１０）、（１２０）の周りの略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置に配置され、タービンシェル（１０）、（１２０）のシュラウドを同心で拘束するように構成された拘束要素（４０）、（１４０）とを備えるタービン（１００）を提供する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンシェル（１０）であって、
フランジ（２３）及びフランジ（２３）と対合する対合表面（３３）のうちの一方がその上に形成された内側シェルアセンブリ（２０）と、
径方向変位するように構成され、内側シェルアセンブリ（２０）がその中に配置され、フランジ（２３）及び対合表面（３３）のうちの他方がその上に形成された外側シェルアセンブリ（３０）と、
内側シェルアセンブリ（２０）内の径方向変位を減衰するように、外側シェルアセンブリ（３０）の曲げ節点位置でフランジ（２３）を対合表面（３３）と結合させるための締着要素（４０）であって、曲げ節点位置が、外側シェルアセンブリ（３０）の径方向変位にしたがって識別可能である、締着要素（４０）と
を備えるタービンシェル（１０）。
【請求項２】
締着要素（４０）がピンを含む、請求項１記載のタービンシェル（１０）。
【請求項３】
締着要素（４０）が予張力ボルトを含む、請求項１記載のタービンシェル（１０）。
【請求項４】
締着要素（４０）が、それぞれ、内側及び外側シェル（２０）及び（３０）の中心線と平行な中心線を有する、請求項３記載のタービンシェル（１０）。
【請求項５】
外側シェルアセンブリ（３０）が、水平接合部のところで結合された上側及び下側シェル部分（３１、３２）を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンシェル（１０）。
【請求項６】
外側シェルアセンブリ（３０）が、締着要素（４０）がフーリエＮ＝４配置に配置された状態で、フーリエＮ＝２構成を呈する、請求項５記載のタービンシェル（１０）。
【請求項７】
曲げ節点位置での締着要素（４０）が、内側シェルアセンブリ（２０）と外側シェルアセンブリ（３０）との間の受動的クリアランスを維持する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービンシェル（１０）。
【請求項８】
曲げ節点位置が、外側シェルアセンブリ（３０）の１：３０、４：３０、７：３０、及び１０：３０の周囲位置である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のタービンシェル（１０）。
【請求項９】
タービン（１００）であって、
略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置でスロット（１４１）が内部に画成されたタービンシェル（１２０）と、
タービンシェル（１２０）内に配置され、回転可能なタービンバケット（１１０）の周りで径方向に膨張又は収縮するように構成されたシュラウドリング（１３０）と、
スロット（１４１）の場所に対応する場所でシュラウドリング（１３０）上に形成され、スロット（１４１）と対合し、タービンシェル（１２０）内で径方向に膨張／収縮可能なシュラウドリング（１３０）を軸方向及び周囲方向に位置決めするための、キー（１４０）と
を備えるタービン（１００）。
【請求項１０】
タービン（１００）であって、
複数の段にシュラウドを含むタービンシェル（１０）、（１２０）と、
タービンシェル（１０）、（１２０）の周りの略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置に配置され、タービンシェル（１０）、（１２０）のシュラウドを同心で拘束するように構成された拘束要素（４０）、（１４０）と
を備えるタービン（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピン支持体を備えたタービンシェルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、内側タービンシェルが、ノズル及びシュラウドをタービンロータに対して径方向及び軸方向に支持する。ノズルとシュラウドとロータとの間の同心支持構造は、ロータベアリングから、排気フレーム、外側タービンシェル、内側タービンシェル、並びにノズル及びシュラウド自体に延びる。ロータベアリングは、排気フレームによって支持されており、その排気フレームは、支持脚及びジブを備えた固定（grounded）支持体に連結され、エンジンの支持及び安定性をもたらしている。さらに、内側タービンシェルと外側タービンシェルとの組合せを含む構成は、ステータとロータとの間の相対的な熱応答、及び内側タービンシェルと外側タービンシェルとの間が構造的に分離していることにより、クリアランスの増大をもたらす。
【０００３】
一般に、アクティブクリアランス制御を使用し、タービン運転中に内側及び外側タービンシェルを互いに径方向に変位させる。これには、バケットとシュラウドとの間の先端クリアランスを制御する効果があり、これは、バケット先端がシュラウドと接触しそれによってシュラウドを損傷することが防止される限り、先端クリアランスを減少させると先端漏れを低減することによってタービン性能が改善されるので、有用なものとなり得る。
【０００４】
しかし、アクティブクリアランス制御を用いても、構成によっては、内側及び外側タービンシェルのそれぞれの部品の熱膨張差により、内側タービンシェルと外側タービンシェルとの間に相対運動が生じる。相対運動によって引き起こされる偏心を低減するために、外側タービンシェルに取り付けられた径方向ピンを用いて、又は外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の相補的な径方向表面を使用することによって、内側タービンシェルを支持することができる。そのような構成では、エンジン運転中の固着を防ぐために、組立クリアランスギャップが径方向支持体間に存在する。
【０００５】
いずれにしても、内側タービンシェルと外側タービンシェルとの間に相対運動が生じるときには、漏れ経路が形成され、摩擦力が発生する。これらの摩擦力は、内側又は外側タービンシェルのいずれかの熱膨張・収縮時に起こる、対合表面上の接触面摩耗などの損傷を招きかねない。すなわち、膨張・収縮時に、部品は、静止摩擦接触及び動摩擦接触を起こす。同時に、部品の摩擦係数は、予測不可能に大きく変動する。その結果、外側タービンシェルに対する内側タービンシェルの径方向変位を妨げる摩擦力も変動する。この変動によって、内側タービンシェルの位置は、高摩擦の場所に向かって移動し、その高摩擦の場所に張り付く。この摩擦効果は、組立クリアランスと相まって、許容可能なクリアランス内でしばしば確定しがたいシェル偏心を招く。
【０００６】
さらに、ステータ管ケーシングは、一般に、水平な中央平面で分かれ、この水平接合部にボルト締めフランジを組み込む。温度勾配及び過渡境界条件が、ケーシング全体の固有の非真円性（out-of-roundness）を生み出す。エンジン始動中に見られるように、内側部分が外側部分よりも熱いときには、そのようなケーシングは、フットボール形状を呈する。反対に、エンジン停止中には、外側部分は、内側部分よりも温かく、ケーシングがピーナッツ形状を呈することになる。そのような非真円性は、ステータ管を通じてシュラウドに伝達されて、シュラウドとバケット先端との間に隙間を生じさせ、エンジン性能を低下させる。
【０００７】
シェル非真円性は、また、蒸気タービンにおいても問題となる。これらの場合、シェルの非真円性の発生は、ヒートシンクとして働き周囲部のシェル温度変動を生み出す、タービンシェル内の水平接合部によるものとすることができる。温度変動によって、シェルは、歪む、又は楕円形になる。すなわち、シェルは、水平方向よりも垂直方向により大きな寸法を示す。それとは対照的に、ロータは、円形のままである。楕円形になったシェルの形状は、クリアランスの増大をまねき、したがって、ステータが円形のままの場合よりも多くの漏れを招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７２６０８９２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、タービンシェルにおいて、フランジ及びフランジと対合する対合表面のうちの一方がその上に形成された内側シェルアセンブリと、径方向変位するように構成され、内側シェルアセンブリがその中に配置され、フランジ及び対合表面のうちの他方がその上に形成された外側シェルアセンブリと、内側シェルアセンブリ内の径方向変位を減衰するように、外側シェルアセンブリの曲げ節点位置（flexural nodal locations）でフランジを対合表面と結合させるための締着要素であって、曲げ節点位置が、外側シェルアセンブリの径方向変位にしたがって識別可能である、締着要素とを備えるタービンシェルが提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、タービンであって、略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置でスロットが内部に画成されたタービンシェルと、タービンシェル内に配置され、回転可能なタービンバケットの周りで径方向に膨張又は収縮するように構成されたシュラウドリングと、スロットの場所に対応する場所でシュラウドリング上に形成され、スロットと対合し、タービンシェル内で径方向に膨張／収縮可能なシュラウドリングを軸方向及び周囲方向に位置決めするための、キーとを備えるタービンが提供される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、タービンであって、複数の段にシュラウドを含むタービンシェルと、タービンシェルの周りの略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置に配置され、タービンシェルのシュラウドを同心で拘束するように構成された拘束要素とを備えるタービンが提供される。
【００１２】
本発明は、特許請求の範囲で具体的かつ明確に記載されている。本発明の上記その他の特徴並びに利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて読めば明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】タービンシェルの一実施形態の斜視図である。
【図２】図１のタービンシェルの切欠斜視図である。
【図３】図１のタービンシェルの一部分の拡大斜視図である。
【図４】タービンシェルの軸方向略図である。
【図５】熱膨張・収縮を起こしている図４のタービンシェルの軸方向略図である。
【図６】タービンのバケット先端を取り囲むシュラウドリングの断面図である。
【図７】タービンのバケット先端を取り囲むシュラウドリングの断面図である。
【図８】図６のシュラウドリングの長手方向図である。
【図９Ａ−Ｅ】図６のシュラウドリングの第１の部品と第２の部品との間の連結を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜３を参照すると、ガス又は蒸気タービンのタービンセクションで使用するためのタービンシェル１０のセクション１１が与えられている。タービンシェル１０は、内側シェルアセンブリ２０と、外側シェルアセンブリ３０と、締着要素４０とを含む。内側シェルアセンブリ２０は、機械式接合部２５のところで結合した、タービン１０の中心線１２の周りに配置できる、下側の内側シェル部分２２と、上側の内側シェル部分２１とを含む。内側シェルアセンブリ２０は、フランジ２３をさらに含む。外側シェルアセンブリ３０は、下側の外側シェル部分３２と上側の外側シェル部分３１とを含み、内側シェルアセンブリ２０がその中に配置されるスペースをその内部に画成する。フランジ２３をその中で受けることが可能なポケットの形に形成された、外側シェルアセンブリ３０の一部分などの対合表面３３が、外側シェルアセンブリ３０の一部分又はその中に形成される。対合表面３３は、内側シェルアセンブリ２０を外側シェルアセンブリ３０内に設置したときにフランジ２３を対合表面３３に対合できるように、フランジ２３に相補的なサイズ及び形状を有する。
【００１５】
図のように、フランジ２３及び対合表面３３は、比較的連続的なそれぞれの機構内に組み込むこともでき、又は複数の機構として提供することもできる。それらを比較的連続的なそれぞれの機構として提供する場合、フランジ２３は、内側シェルアセンブリ２０の周りを延びる比較的連続的な周囲フランジ内に組み込むことができる。同様に、対合表面３３は、外側シェルアセンブリ３０の周りを延びる比較的連続的な周囲表面内に組み込むことができる。さらに、フランジ２３及び対合表面３３は、外側シェルアセンブリ３０の周囲を越えて径方向に延びることができる。
【００１６】
フランジ２３及び対合表面３３は、それぞれ内側シェルアセンブリ２０及び外側シェルアセンブリ３０上に配置されるものとして上述し、図１〜３に示されているが、この配置は、単なる例示にすぎず、内側シェルアセンブリ２０が、その上に対合表面３３が形成される一部分を含むことができること、及び、外側シェルアセンブリ３０が、同様にフランジ２３を含むことができることを理解されたい。
【００１７】
図３に示したように、締着要素４０は、対合表面貫通穴５０及びフランジ貫通穴５１と協働し、少なくとも略等間隔に位置する周囲位置でフランジ２３を対合表面３３と結合させる。締着要素４０は、この場合には内側及び外側シェルアセンブリ２０及び３０を含めた、第１段シュラウドの下流に軸方向に配置することができる。締着要素４０は、ピンを、より具体的には、内側及び外側シェルアセンブリ２０及び３０の長手軸とそれぞれ平行な中心線を有する予張力ボルト（pre-tensioned bolts）を、含むことができる。締着要素４０の位置合わせは、締着要素４０がその中を延びることのできる位置合わせブッシング５２と、締着要素４０をその中に固定して挿入できるねじ山付きナット５３とを用いて、少なくとも部分的に達成することができる。
【００１８】
図４を参照すると、いくつかの荷重が全体的に外側シェルアセンブリ３０に加えられており、それらの荷重には、これだけに限るものではないが、外側シェルアセンブリ３０の両側に設けることができ、水平接合部のところで下側の外側シェル部分３２と上側の外側シェル部分３１とを結合させる機械式連結部３５によって加えられる荷重が含まれることに留意されたい。複合荷重は、通常運転の間の熱収縮及び膨張によって外側シェルアセンブリ３０に径方向変位を起こさせる傾向がある。締着要素４０は、本来ならば外側シェルアセンブリ３０の径方向変位によって引き起こされることになる内側シェルアセンブリ２０の径方向変位を減衰する。
【００１９】
外側シェルアセンブリ３０は、前述のように荷重されているので、フーリエＮ＝２形状の形態にある径方向変位を起こす傾向がある。すなわち、始動運転中には、外側シェルアセンブリ３０の内部は、その外部よりも熱くなり、したがって、外側シェルアセンブリ３０は、フットボール形状を呈することになる傾向がある。反対に、停止運転中には、内部は、外部よりも冷たくなり、したがって、外側シェルアセンブリ３０は、ピーナッツ形状を呈することになる傾向がある。したがって、径方向に略固定されたままの外側シェルアセンブリ３０の部分に、外側シェルアセンブリ３０の曲げ節点位置が確立される。図５に示したように、これらの曲げ節点位置は、外側シェルアセンブリの１：３０、４：３０、７：３０、及び１０：３０の周囲位置に非常に近い。
【００２０】
締着要素４０は、フーリエＮ＝４形状となるように外側シェルアセンブリ３０の曲げ節点位置に配置することができる。そのような配置によって、外側シェルアセンブリ３０の径方向変位を、内側シェルアセンブリ２０において中心線１２に沿って減衰することができる。したがって、内側シェルアセンブリ２０の多段におけるシュラウドを外側シェルアセンブリ３０の非真円性特性から分離することができ、外側シェルアセンブリ３０の偏心及び非真円性特性は、内側シェルアセンブリ２０には伝達されない。
【００２１】
したがって、アクティブクリアランス制御を用いる場合にも用いない場合にも、タービンバケット先端とそれらの相補的なシュラウドとの間の隙間をますます一様に維持できるので、タービン１０の性能は、改善される。したがって、アクティブクリアランス制御を維持する比較的複雑なハードウェア及び制御アルゴリズムの必要を低減する、且つ／又は実質的になくすことができる。
【００２２】
さらに、前述のように曲げ節点位置で締着要素４０が用いられるときには、内側シェルアセンブリ２０及び外側シェルアセンブリ３０の部品における摩擦変動によって引き起こされる偏心も緩和することができる。すなわち、締着要素４０を曲げ節点位置に位置決めした状態では、それらの曲げ節点位置それぞれにおいて、内側シェルアセンブリ２０と外側シェルアセンブリ３０との間の相対的な径方向変位が大きく減少する。したがって、同心度が、実質的に決定的に維持される。
【００２３】
図６〜図９Ａ〜Ｅを参照すると、他の態様によれば、タービンシェル１２０と、シュラウドリング１３０と、キー１４０とを含むタービン１００が提供される。タービンシェル１２０には、略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置にスロット１４１が画成されている。シュラウドリング１３０は、タービンシェル１２０内に配置され、タービンシェル１２０及び回転可能なタービンバケット１１０の部品の熱質量に比べて比較的小さい熱質量を有する材料から形成される。したがって、シュラウドリング１３０は、タービン１００の運転条件に応答して回転可能なタービンバケット１１０の周りで径方向に膨張又は収縮するように構成される。
【００２４】
キー１４０は、スロット１４１の場所に対応する場所でシュラウドリング１３０の外周上に形成される。この方法では、キー１４０は、スロット１４１と対合し、タービンシェル１２０内でシュラウドリング１３０を軸方向及び周囲方向に位置決めする。
【００２５】
シュラウドリング１３０は、第１及び第２の１８０°部品１５０及び１５１を含むことができる。図９Ａ〜Ｅに示したように、これらの部品１５０及び１５１は、ダブテール継手のところで１つに締着することもでき、継手若しくはボルトによって互いに結合させることもでき、又は互いに重ね合わせる若しくは嵌め合わせる（ｓｌｏｔｔｅｄ）こともできる。言うまでもなく、図９Ａ〜Ｅの構成が単なる例示にすぎず、他の構造及び構成が可能であることを理解されたい。いずれにしても、シュラウドリング１３０が第１及び第２の部品１５０及び１５１から形成される場合、そのシュラウドリング１３０は、タービンシェル１２０内で、比較的低い関連コストで且つ比較的短時間で組み立てることができる。
【００２６】
タービンバケット１１０は、当該タービンバケット１１０がその周りを回転可能であるロータ１０５に接合することができる。この場合、タービンシェル１３０は、ロータ１０５と概ね同軸となるように形成することができる。
【００２７】
前述のようにシュラウドリング１３０をタービンシェル１２０内に配置した状態では、シュラウドリング１３０、及びタービンバケット１１０の遠位端又は先端１１１に関係した流路は、タービンシェル１２０から熱的に分離される。その結果、流路は、タービンシェル１２０の熱的に誘導された膨張又は収縮から実質的に切り離される。
【００２８】
シュラウドリング１３０は、単一のノズル段又は複数のノズル段に配置することができる。いずれの場合にも、シュラウドリング１３０は、さらに、タービンシェル１２０とタービンバケット１１０との間、並びにタービンシェル１２０と、タービンバケット１１０の前後に位置決めされたノズル１１５との間に配置することができる。ここでは、シュラウドリング１３０、及びタービンバケット１１０の遠位端又は先端１１１に関係した流路は、タービンシェル１２０から熱的に分離され、さらに、ノズル１１５は、タービンシェル１２０から熱的に分離される。
【００２９】
さらに他の態様によれば、タービンシェル１０、１２０と、拘束要素４０、１４０とを含む、タービン１００などのタービンが提供される。拘束要素４０、１４０は、タービンシェル１０、１２０の周りの略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置に配置され、タービンシェル１０、１２０の偏心を抑制するように構成される。タービンシェル１０は、内側シェル２０と外側シェル３０とを含むことができる。ここでは、拘束要素は、前述の締着要素４０を含む。或いは、タービンシェル１２０には、略等間隔に位置する少なくとも第１〜第４の周囲位置にスロット１４１が画成されていてもよい。この場合、拘束要素は、以上で記載したシュラウドリング１３０上に形成された前述のキー１４０を含む。キー１４０は、スロット１４１と対合し、タービンシェル１２０内でシュラウドリング１３０を軸方向及び周囲方向に位置決めする。
【００３０】
本発明について限られた数の実施形態だけに関して詳細に記載したが、本発明がそのような開示した実施形態だけに限定されないことが容易に理解されるはずである。より正確にいえば、本発明は、以上には記載していないが本発明の趣旨及び範囲に対応する、任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、又は等価配置を組み込むように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について記載したが、本発明の態様がここに記載の実施形態のうちの一部しか含まなくてもよいことを理解されたい。したがって、本発明を以上の記載によって制限されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図１】
2010261450.tif 000003
【図２】
2010261450.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010261450.tif 000009
【図８】
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【図９Ａ−Ｅ】
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