(57)【要約】      （修正有）【課題】タービン・エンジンにおいて、タービン動翼が回転するときにタービン動翼の先端がシュラウドを擦過しないように、回転するタービン動翼の先端とタービンの周囲シュラウドとの間のクリアランスを選択的に制御することを可能にする内側シェルおよび温度制御流体管を提供する。【解決手段】タービン・エンジン用のタービン内側シェル１１０が、流体管２００を各々収容している１又は複数の装着溝１２０を含んでいる。温度制御流体が、流体管を通って循環してタービン内側シェルの周囲部分を選択的に加熱し又は冷却し、これによりタービン内側シェルのこれらの部分の熱成長を制御する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体的に円筒形の内側シェルを形成するように互いに対して取り付けられるように構成されている複数の円弧状ケーシング部分を備えたタービン・エンジンのタービン区画用の内側シェルであって、各々の円弧状ケーシング部分が、
円周方向に当該円弧状ケーシング部分の内側に沿って延在する少なくとも一つのシュラウド・フック部分と、
前記円周方向に当該円弧状ケーシング部分に沿って延在する少なくとも一つの装着溝であって、各々の少なくとも一つの装着溝が、前記少なくとも一つのシュラウド・フック部分の一つに隣接して位置する、少なくとも一つの装着溝と
を含んでおり、
少なくとも１本の管が、温度制御流体のための少なくとも一つの内部通路を有しており、各々の管が前記少なくとも一つの装着溝の一つの内部に装着され、前記少なくとも１本の管は装着溝に挿入されるように構成されている、内側シェル。
【請求項２】
前記少なくとも一つの装着溝の半径方向内側が、前記少なくとも一つの装着溝の半径方向外側よりも大きい幅を有している、請求項１に記載の内側シェル。
【請求項３】
各々の少なくとも一つの装着溝が、前記少なくとも一つのシュラウド・フック部分の一つの半径方向外側に位置している、請求項１に記載の内側シェル。
【請求項４】
各々の少なくとも１本の管の前記内部通路は、当該管の長さ方向に延在している、請求項１に記載の内側シェル。
【請求項５】
各々の少なくとも１本の管が、前記内部通路から当該管の外部まで延在する複数の開口を含んでいる、請求項４に記載の内側シェル。
【請求項６】
前記複数の開口は、前記少なくとも一つのシュラウド・フック部分に面した前記管の側に形成されている、請求項５に記載の内側シェル。
【請求項７】
各々の少なくとも１本の管が、当該管の外面に形成された複数の突起を含んでいる、請求項５に記載の内側シェル。
【請求項８】
前記複数の突起は、前記管の外面を前記少なくとも一つの装着溝の内面から隔設するように構成されている、請求項７に記載の内側シェル。
【請求項９】
各々の少なくとも１本の管が、
当該管の長さ方向に延在する第一の内部通路と、
当該管の長さ方向に延在する第二の内部通路であって、前記第一の内部通路は当該第二の内部通路の半径方向外側に位置している、第二の内部通路と、
前記第一及び第二の内部通路の間に延在する複数の半径方向に延在する開口と
を含んでいる、請求項１に記載の内側シェル。
【請求項１０】
各々の少なくとも１本の管が、温度制御流体の流れを前記内部通路に導き入れるように構成されている少なくとも一つの入口開口をさらに含んでいる、請求項１に記載の内側シェル。
【請求項１１】
前記少なくとも１本の管は、円周方向に装着溝に摺動挿入されるように構成されている、請求項１に記載の内側シェル。
【請求項１２】
タービン・エンジンのタービン区画の内側シェルの円弧形状部分に装着されるように構成されている温度制御流体管であって、
温度制御流体のための内部通路を有する細長い円弧形状の本体と、
温度制御流体の流れを前記内部通路に導き入れるように構成されている少なくとも一つの入口開口と
を備えた温度制御流体管。
【請求項１３】
前記細長い本体の半径方向内側が、前記細長い本体の半径方向外側よりも大きい幅を有している、請求項１２に記載の温度制御流体管。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの入口開口は、前記細長い円弧形状の本体の半径方向外側に位置している、請求項１２に記載の温度制御流体管。
【請求項１５】
前記内部通路は、前記細長い円弧形状の本体の長さ方向に延在している、請求項１２に記載の温度制御流体管。
【請求項１６】
複数の開口が、前記細長い円弧形状の本体を通して前記内部通路から前記本体の外部まで延在している、請求項１５に記載の温度制御流体管。
【請求項１７】
前記複数の開口は、前記細長い円弧形状の本体の半径方向内側に形成されている、請求項１６に記載の温度制御流体管。
【請求項１８】
複数の突起が、前記細長い円弧形状の本体の少なくとも一つの外面に形成されている、請求項１６に記載の温度制御流体管。
【請求項１９】
前記内部通路は、
前記細長い円弧形状の本体の長さ方向に延在する第一の内部通路と、
前記細長い円弧形状の本体の前記長さ方向に延在する第二の内部通路であって、前記第一の内部通路は当該第二の内部通路の半径方向外側に位置している、第二の内部通路と、
前記第一及び第二の内部通路の間に延在する複数の半径方向に延在する開口と
を含んでいる、請求項１２に記載の温度制御流体管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内側シェルおよび温度制御流体管に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用タービン・エンジンは、圧縮機区画と、燃焼器区画と、タービン区画とを含んでいる。タービン区画では、ロータに装着されたタービン動翼（又はバケット）の多数の列が静止ノズルの対応する列の間を回転する。タービン動翼の各々の列毎に円周方向シュラウドがタービン・ケーシングに装着されており、シュラウドは半径方向にタービン動翼の先端の直ぐ外側に配置されている。
【０００３】
タービン動翼が回転するときにタービン動翼の先端がシュラウドを擦過しないように、タービン動翼の先端とシュラウドとの間にクリアランスを保たなければならない。しかしながら、作動ガスを動翼の先端の周囲で逃がさないように、クリアランスを可能な限り小さく保つことが望ましい。一般的に述べると、クリアランスが小さいほどタービンの効率は高まる。
【発明の概要】
【０００４】
タービンが始動しているとき又はタービンが負荷若しくは回転速度を増減させているときのような過渡期間には、タービン区画の内部の様々な要素の温度が上下し得る。残念ながら、これら様々な要素は温度を同じ速度では上下させない傾向にある。例えば、始動時には、タービン動翼は、タービン動翼の先端の周囲でシュラウドを保持しているタービン・ケーシングよりも急速に温度が上昇する傾向にある。タービン動翼は円板に装着されており、これらの円板も熱して半径方向外向きに膨張する。
【０００５】
タービンの一つの部分の温度が他の部分よりも急速に上昇するときに、相対的に急速に熱せられた部分は、緩やかに温度が上昇している部分よりも急速な熱膨脹／成長を蒙り得る。始動時に、タービン動翼の温度が、シュラウドを保持しているタービン・ケーシングよりも急速に上昇すると、タービン動翼はタービン・ケーシングよりも急速な熱成長を半径方向に蒙り得る。
【０００６】
また、タービンの異なる部分は異なる熱膨脹率を有する異なる材料で製造されている。全ての要素が同じ速度で温度上昇したとしても、様々な材料の熱膨脹率の差のため様々な要素が互いに対して異なる量で成長することには変わりない。
【０００７】
もう一つの要因は、様々な要素に加わる負荷である。タービン動翼及びタービン動翼を装着させた円板は、動翼及び円板が回転しているため機械的求心力を受ける。このことも、円板及びタービン動翼が半径方向に成長する原因となり得る。相対的に低い回転速度では、この機械的負荷のため相対的に小さい成長が生ずる。しかしながら、回転速度が高まるほど動翼及び円板は長く成長する傾向にある。対照的に、タービン動翼を包囲しているシュラウドは回転せず、求心力による如何なる成長も蒙らない。
【０００８】
設計者はタービンの各要素の寸法の仕様を決定するときに、あらゆる所与の時間点においてタービン動翼がシュラウドを擦過し始めるほど半径方向に長く成長しないことを保証するように、上述の要因の全てを考慮に入れなければならない。しかしながら、タービン動翼の先端とシュラウドとの間にクリアランスを常時確実に保つようにタービンの各要素を設計すると、クリアランスが定常状態の動作時に望ましい値よりも大きくなって、タービン・エンジンの効率に悪影響を及ぼし得る。
【０００９】
この問題に対処するために、タービン・ケーシングの選択された部分を過渡期間又は定常状態動作時に加熱し且つ／又は冷却して、シュラウドの位置を半径方向に制御することができる。するとタービン動翼の先端とシュラウドとの間のクリアランスも制御される。過渡期間中のタービン・ケーシングの各部分の選択的な加熱又は冷却によって、過渡期間中にタービン動翼の先端とシュラウドとの間にクリアランスを確実に保つことができる。また、定常状態動作時のタービン・ケーシングの選択的加熱及び／又は冷却によって、タービン動翼の先端とシュラウドとの間のクリアランスを望まれる最小寸法まで減少させることができ、これによりタービン・エンジンの効率を最大化することができる。
【００１０】
タービン・ケーシングを選択的に加熱し且つ／又は冷却する従来技術の試みは、冷却材通路をタービン・ケーシングにおいて半径方向にシュラウドの直ぐ外側のような選択された位置に形成することを要求していた。この様態でタービン・ケーシングを製造するのは高費用で困難な場合がある。また、既存のタービン・エンジンに、かかる設計を盛り込むことは不可能である。タービン・ケーシングは、最初から冷却材通路を含むように製造されなければならない。
【００１１】
第一の観点では、本発明は、タービン・エンジンのタービン区画用の内側シェル（shell）として具現化されることができ、この内側シェルは、全体的に円筒形の内側シェルを形成するように互いに対して取り付けられるように構成されている複数の円弧状ケーシング部分を含んでいる。各々の円弧状ケーシング部分は、円周方向に当該円弧状ケーシング部分の内側に沿って延在する少なくとも一つのシュラウド・フック部分と、円周方向に当該円弧状ケーシング部分に沿って延在する少なくとも一つの装着溝とを含んでいる。各々の少なくとも一つの装着溝が、少なくとも一つのシュラウド・フック部分の一つに隣接して位置する。温度制御流体のための少なくとも一つの内部通路を有する少なくとも１本の管が、少なくとも一つの装着溝の一つの内部に装着される。少なくとも１本の管は、円周方向に装着溝に摺動挿入されるように構成されている。
【００１２】
もう一つの観点では、本発明は、タービン・エンジンのタービン区画の内側シェルの円弧形状部分に装着されるように構成されている温度制御流体管として具現化され得る。この流体管は、温度制御流体のための内部通路を有する細長い円弧形状の本体と、温度制御流体の流れを内部通路に導き入れるように構成されている少なくとも一つの入口開口とを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】タービン・エンジンのタービン区画の回転するタービン動翼とタービン・シェルの周囲部分との間の境界面を示す図である。
【図２】タービン内側シェルの装着溝に部分的に摺動挿入されている流体管を示す図である。
【図３】タービン内側シェルの装着溝に完全に設置された流体管を示す図である。
【図４】タービン内側シェルの装着溝に設置された流体管の第一の実施形態の断面図である。
【図５】タービン内側シェルの装着溝に設置された流体管の第二の実施形態の断面図である。
【図６】外面に突起を有する温度制御流体管の第一の実施形態の一部の部分遠近図である。
【図７】外面に突起を有する温度制御流体管の第二の実施形態の一部の部分遠近図である。
【図８】タービン内側シェルの装着溝に設置された流体管の第三の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、タービン・エンジンのタービン区画の一部を示す図である。図１は、タービン外側シェル１００及びタービン内側シェル１１０を示している。２列のタービン動翼１２２及び１２４の先端が示されている。これらのタービン動翼１２２、１２４の列はタービンのロータに装着されており、タービン動翼はタービン内側シェル１１０の内面に対して回転する。１列の静止ノズル１３０が、タービン内側シェル１１０において２列のタービン動翼１２２、１２４の間に装着されている。
【００１５】
円周方向に延在するシュラウド１４２、１４４がタービン内側シェル１１０において回転するタービン動翼１２２、１２４の先端に対向する位置に装着されている。シュラウド１４２、１４４は、タービン内側シェル１１０においてシュラウド・フックに装着されている。上の背景技術の項で説明したように、回転するタービン動翼１２２、１２４の先端と静止シュラウド１４２、１４４との間にクリアランスを保つ必要がある。しかしながらまた、タービン・エンジンの効率を最大にするためにはクリアランスを最小にすることが望ましい。
【００１６】
図１は、温度制御流体通路１５０、１５２がタービン内側シェル１１０に形成されていることを示している。タービン内側シェルの温度を高めるために熱せられた流体を温度制御流体通路１５０、１５２に循環させることができ、すると内側シェル１１０が半径方向外向きに膨張して、シュラウド１４２、１４４とタービン動翼１２２、１２４の先端との間のクリアランスが増大する。同時に、シュラウドの温度が高まるとシュラウドの熱成長を招く傾向にあり、これによりクリアランスが減少する傾向にある。これらの要因のバランスを取って、適正な温度の流体を用いてクリアランスを適正な方法で確実に調節しなければならない。
【００１７】
反対に、タービン内側シェル１１０の温度を低下させるためには冷却流体を温度制御流体通路１５０、１５２に循環させることができ、するとタービン内側シェル１１０が半径方向内向きに収縮して、シュラウド１４２、１４４とタービン動翼１２２、１２４の先端との間のクリアランスが減少する。同時に、シュラウドを冷却することによりシュラウドが収縮して、これによりクリアランスが増大する傾向にある。この場合にも、流体の温度を慎重に制御して適正なクリアランスを確実に保たなければならない。
【００１８】
異なる時刻に適当な温度の流体を用いてクリアランスを増減させることが有利であり得る。しかしながら、図１に示す設計は、流体通路がタービン内側シェルに形成されることを要求し、高費用となり得る。
【００１９】
図２は、タービン・エンジンのタービン内側シェル１１０のための発明を具現化した設計を示しており、この内側シェル１１０は、温度制御流体の流れを運搬し得る流体管２００を含んでいる。タービン・エンジンのタービン内側シェルは典型的には、２以上の円弧形状区画で構成されており、これらの区画は共にボルト締めされて全体的に円筒形のタービン内側シェルを形成している。図２は、タービン内側シェル１１０の一つの円弧形状区画の一部を示している。図２はまた、幾つかのシュラウド・フック１１４がタービン内側シェル１１０の半径方向内面に形成されていることを示している。回転するタービン動翼の先端に対面するシュラウドが、シュラウド・フック１１４に装着される。
【００２０】
タービン内側シェル１１０においてシュラウド装着フック１１４の組の一つの半径方向外側に直に隣接する位置に、装着溝１２０が形成されている。細長い円弧形状の管２００が装着溝１２０に装着される。図２は、流体管２００が装着溝１２０に部分的に挿入されていることを示している。図３は、装着溝１２０に完全に挿入された流体管２００を示す。図２及び図３はまた、流体管２００がタービン内側シェル１１０に完全に挿入されると、流体管に設けられている装着ブロック部分２４０がタービン内側シェル１１０の装着ブロック部分１１２と整列することを示している。
【００２１】
図４は、タービン内側シェル１１０の装着溝１２０に装着された流体管２００の第一の実施形態の断面図を示す。流体管２００は下面部分２１０を有しており、下面部分２１０は、シュラウドがシュラウド装着フック１１４に装着される位置から装着溝１２０を分離する壁１１６に当接している。
【００２２】
流体管２００は階段形状を有しており、第一の内部通路２３２を封入する小さい断面積を有する上部２３０と、第二の内部通路２２０を封入する大きい断面を有する下部とを含んでいる。複数の開口２３４を設けられた隔壁２２２が、第一の内部通路２３２を第二の内部通路２２０から分離している。
【００２３】
上部２３０はまた、構造に曲げ剛性及び捩り剛性を提供し、下部が自身の形状を保つことを助ける。このことはまた、下部の如何なる変形も下方に位置するシュラウドの形状及び位置に影響しないようにすることを助ける。
【００２４】
流体管２００の上部２３０には供給パイプ２５０が取り付けられている。供給パイプ２５０は、温度制御流体の流れを第一の内部通路２３２に送り込む。温度制御流体は、第一の内部通路２３２に沿って円周方向に流れることができる。温度制御流体はまた、隔壁２２２の開口２３４を通って第二の内部通路２２０に入ることができる。開口２３４を設けられた隔壁２２２は、温度制御流体が開口２３４を介して第二の内部通路２２０に入る前に、第一の内部通路２３２に送り込まれた温度制御流体の流れがタービン内側シェル１１０の周囲に円周方向に均等に分配されることを助ける。
【００２５】
第二の内部通路２２０に入った温度制御流体の流れは、流体管２００の下部壁２１０を通過する複数の開口２１２を介して流体管２００から流出する。後にあらためて詳述するように、流体管２００の外壁は装着溝１２０の内壁から隔設されている。結果として、温度制御流体は、流体管２００の外壁と装着溝１２０の内壁との間の間隙に沿って通過して、最終的にはタービン内側シェル１１０の半径方向外側の位置まで流出する。図４の矢印は温度制御流体の流れを示しており、この温度制御流体の流れは、供給パイプ２５０から第一の内部通路２３２に入って、第一の内部通路２３２から第二の内部通路２２０まで流れ、開口２１２を出て、流体管２００の外側の周囲を巡り、タービン内側シェル１１０の半径方向外側の位置まで出る。
【００２６】
代替的な実施形態では、第一及び第二の内部通路を通して循環する流体は必ずしも内側シェル１１０の半径方向外側の位置まで送り出される必要はない。代わりに、流体は収集されてタービン内側シェル１１０の内部で他の目的に用いられてもよい。
【００２７】
図４に示す構成によって、シュラウド装着フック１１４に隣接する壁１１６に温度制御流体が衝突する。結果として、温度制御流体は、タービン内側シェルの各部分、及び回転するタービン動翼の先端に直接対向しているシュラウドを加熱し又は冷却することができる。このことは、タービンのこれらの部分の熱成長に対する、従ってタービン動翼とシュラウドとの間のクリアランスに対する迅速で実効的な制御を提供する。
【００２８】
装着溝１２０の階段形状及び流体管２００の対応する階段形状は、タービン内側シェル１１０に流体管２００を容易に装着することを可能にする。半径方向外側部分が半径方向内側部分よりも小さい断面形状を有しているような階段形状は、装着具の利用なしに流体管をタービン内側シェル１１０に確実に捕える。装着溝１２０及び流体管２００のための他の形状も同様の作用を果たし得る。例えば、装着溝１２０及び流体管２００が台形又は三角形の形状を有していてもよく、このとき半径方向外側部分が半径方向内側部分よりも小さい寸法を有するようにする。また、幾つかの実施形態では、装着溝の形状は必ずしも流体管の形状と一致していなくてもよい。
【００２９】
図５は、流体管２００の代替的構成を示す。この実施形態では、第一の流体通路２３２と第二の流体通路２２０との間に隔壁が設けられていない。この実施形態は、温度制御流体が円周方向に確実に分配されることが重要でないような実施形態において有利であり得る。隔壁を設けなければ流れの制約は減少する。
【００３０】
図６は、発明を具現化する流体管２００の外壁に複数の突起２４２、２４４、２４６が形成され得ることを示している。突起２４２、２４４、２４６は、タービン内側シェル１１０において流体管２００の外壁を装着溝１２０の内壁から隔設するためのものである。間隔を保つことにより、図４及び図５に示すように、温度制御流体が流体管２００の外壁と装着溝１２０の内壁との間の空間に沿って通過することが可能になる。図６には図示されていないが、流体管２００の底面壁にも同様の突起が形成されていてよい。
【００３１】
図６に示す実施形態では、突起２４２、２４４、２４６は、流体管２００の長さ方向に延在している。また、突起の前縁及び後縁にはテーパが設けられている。突起２４２、２４４、２４６のテーパ付きの細長い形状は、流体管２００のタービン内側シェル１１０の装着溝１２０への摺動装着を容易にするように設計される。
【００３２】
図７は、流体管２００の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、突起は流体管２００の外壁の周囲に延在するリッジ（ridge）２４８として形成されている。図７には単一のリッジ２４８のみが示されているが、流体管２００の長さに沿って多数のリッジ２４８が位置し得る。リッジ２４８は、温度制御流体が流体管２００の外側に沿って流れるのと本質的に同じ方向に延在する。このように、リッジ２４８は流れを妨げず、温度制御流体の流れを導くのに役立ち得る。
【００３３】
図８は、タービン内側シェル１１０の装着溝３２０に装着された流体管３００のもう一つの実施形態を示す。この実施形態では、流体管３００の外壁に突起は形成されていない。結果として、流体管３００の底面壁３１０及び側外壁は装着溝３２０の内壁と直に接触し得る。
【００３４】
図８に示されているような流体管の実施形態をタービン内側シェル１１０において用いるときには、流体管３００の内部通路３２０に結合されるパイプの１又は複数を用いて温度制御流体の流入する流れを内部通路３２０に送り込み、また内部通路３２０に結合されるパイプの１又は複数が温度制御流体の流れを取り出す。流入する流れを送り込むのに用いられるパイプ、及び流出する流れを引き出すのに用いられるパイプは、流体管３００の内部通路３２０を通じて予め決められた流れパターンを生ずるように流体管の周囲に配置される。
【００３５】
上述のような流体管がタービン内側シェルに容易に装着されて、タービン動翼の先端と周囲のシュラウドとの間のクリアランスを制御するのを助けることができる。流体管は、タービン内側シェルの各区画を保守及び修理のために分離したときに、対応する装着溝に容易に挿入され、また取り外しされ得る。また、上述の流体管のための装着溝は、既存のタービン内側シェルにも機械加工されることができ、タービン動翼の先端と周囲のシュラウドとの間のクリアランスを能動的に制御する方法を有しないような既存のタービンに、かかる流体管を盛り込むことを可能にする。
【００３６】
現状で最も実用性が高く好適な実施形態であると考えられるものに関して発明を記載したが、本発明は開示された実施形態に限定されず、反対に、特許請求の範囲の要旨及び範囲に含まれる様々な改変及び均等構成を網羅するものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１１０：内側シェル
１１２、２４０：ブロック部分
１１４：シュラウド・フック
１１６：壁
１２０、３２０：装着溝
１２２、１２４：タービン動翼
１３０：静止ノズル
１４２、１４４：シュラウド
１５０、１５２：流体通路
２００、３００：流体管
２１０：下部壁
２２０、２３２、３２０：内部通路
２２２：隔壁
２３０：上部
２３４：開口
２４２、２４４、２４６：突起
２４８：リッジ
２５０：供給パイプ
３１０：底面壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014177937.tif 000007
【図６】
2014177937.tif 000008
【図７】
2014177937.tif 000009
【図８】
2014177937.tif 000010
【外国語明細書】
2014177937000001.pdf