(57)【要約】【課題】タービンの構成部品を整列させる。【解決手段】タービン（１０）が、ロータ（１２）、内側タービン・ケーシング（１４）、外側タービン・ケーシング（１６）、並びに前記の内側及び外側のケーシングの間の滑り係合手段（３８）を含む。内側タービン・ケーシングは、ロータの少なくとも一部分を完全に取り囲む一体構造とすることができ、また外側タービン・ケーシングは内側タービン・ケーシングを取り囲む。タービンの構成部品を整列させる方法は、一体の内側タービン・ケーシングをロータと実質的に同心に整列させ、次いで一体の内側タービン・ケーシングを外側タービン・ケーシングで取り囲む段階を含み、更に、一体の内側タービン・ケーシングと外側タービン・ケーシングとの間に軸受組立体（３８）を使用して、一体の内側タービン・ケーシングを外側タービン・ケーシングに対して支持する段階を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１２）と、
前記ロータ（１２）の少なくとも一部分を完全に取り囲む内側タービン・ケーシング（１４）であって、第１の支持面（４０）を含む内側タービン・ケーシング（１４）と、
前記内側タービン・ケーシング（１４）を取り囲む外側タービン・ケーシング（１６）であって、前記第１の支持面（４０）と向かい合う第２の支持面（４２）を含む外側タービン・ケーシング（１６）と、
前記第１の支持面（４０）と前記第２の支持面（４２）との間の軸受（４４）と、
を有するタービン（１０）。
【請求項２】
前記内側タービン・ケーシング（１４）は一体構造を有している、請求項１記載のタービン（１０）。
【請求項３】
前記第１の支持面（４０）は前記内側タービン・ケーシング（１４）の垂直方向中間点に位置している、請求項１又は２記載のタービン（１０）。
【請求項４】
前記軸受（４４）はジャーナル軸受（４４）を有している、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービン（１０）。
【請求項５】
前記軸受（４４）はころ軸受（５２）を有している、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービン（１０）。
【請求項６】
更に、前記内側タービン・ケーシング（１４）と前記外側タービン・ケーシング（１６）との間にデテント（３４）を含んでいる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のタービン（１０）。
【請求項７】
前記内側タービン・ケーシング（１４）は、該内側タービン・ケーシング（１４）を加熱又は冷却するために媒体が流れる内部通路（３０）を画成している、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のタービン（１０）。
【請求項８】
タービン（１０）の構成部品を整列させるための方法であって、
一体の内側タービン・ケーシング（１４）をロータ（１２）と実質的に同心に整列させる段階と、
前記一体の内側タービン・ケーシング（１４）を外側タービン・ケーシング（１６）で取り囲む段階と、
前記一体の内側タービン・ケーシング（１４）と前記外側タービン・ケーシングとの間に軸受組立体（３８）を使用して、前記一体の内側タービン・ケーシング（１４）を前記外側タービン・ケーシング（１６）に対して支持する段階と、
を有する方法。
【請求項９】
更に、前記一体の内側タービン・ケーシング（１４）内の通路（３０）に媒体を流れさせて、前記一体の内側タービン・ケーシング（１４）を半径方向に膨張又は主縮させる段階を含んでいる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記内側タービン・ケーシング（１４）の垂直方向中間点で前記内側タービン・ケーシング（１４）を前記外側タービン・ケーシング（１６）に対して支持する段階を含んでいる請求項８又は９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、発電用タービンのような回転機械に関するものである。具体的には、本発明は、タービン内の回転部品と静止部品との間の隙間(clearance) を制御するシステム及び方法を表し且つ提供する。
【背景技術】
【０００２】
タービン及びその他の形態の市販の機器は、静止部品の内部又は近くに回転部品を含むことが多い。例えば、典型的なガスタービンは、前部に圧縮機、中間部に半径方向に配置された１つ以上の燃焼器、及び後部にタービンを含む。圧縮機は複数段の回転羽根及び固定羽根を含む。周囲空気が圧縮機に入り、回転羽根及び固定羽根が漸進的に作動流体（空気）に運動エネルギを与えて、作動流体を高エネルギ状態にする。作動流体は圧縮機を出て燃焼器へ流れ、燃焼器で作動流体は燃料と混合して点火されて、高い温度及び圧力の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは燃焼器を出て、ケーシングを通ってタービンへ流れる。タービンは典型的には、回転羽根又は動翼と固定羽根又はノズルとの交互の段を含む。回転羽根又は動翼はロータに取り付けられ、また固定羽根又はノズルはケーシングに取り付けられる。燃焼ガスは動翼を通って流れるにつれて、膨張して、動翼、従ってロータを回転させることにより、仕事を発生する。
【０００３】
タービン内の回転部品と静止部品との間の隙間は、一方における効率及び性能と他方における製造及び保守コストとを釣り合わせる重要な設計上の考慮事項である。例えば、回転部品と静止部品との間の隙間を小さくすることは、一般に、タービン動翼を側路する燃焼ガスの量を低減して、タービンの効率及び性能を改善する。しかしながら、隙間を小さくすることは、結果として、隙間を小さくするために余分な製造コストが掛かり、且つ回転部品と静止部品との間の擦れ、摩擦、又は衝突の増加に起因して整備保守コストが増大することもある。回転部品がしばしば毎分１０００回転以上の速度で回転し、また比較的大きな質量を持つことがあり、また巧妙な空気力学的表面を持つことのあるようなタービンにおいては、整備保守コストの増大は特別な関心事である。
【０００４】
回転部品と静止部品との間に一貫した隙間を達成しようとする能動的及び受動的システムが当該技術分野で知られている。例えば、米国特許第６１２６３９０号には、入ってくる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ために圧縮機又は燃焼器からタービン・ケーシングへの空気流を計量する受動的システムが記載されている。しかしながら、従来の空気冷却システムは、ロータ、タービン動翼、シュラウド及び周囲のケーシングが一様に円周方向に膨張すると仮定している。これらの空気冷却システムはしばしば、製造又は組立て許容差により導入された静止部品と回転部品との間の偏心(eccentriciy) 、又は、軸受油のリフト、軸受構造の熱成長、振動、タービン構成部品の不均一な熱膨張、ケーシングの滑り、重力による垂みなどの結果としてタービンの運転中に生じ得る偏心に対処していない。
【０００５】
好ましくは、静止部品と回転部品との間の予想される固有の運転時の偏心を、設計の許容差において考慮して、回転部品と静止部品との間の擦れを防止する最小の設計隙間が得られるようにすべきである。
【０００６】
更に、組み立て中に静止部品及び回転部品の相対的な位置の静的調節を用いることにより、偏心状態を補償することができる。しかしながら、静的調節は、必ずしも、タービンの運転寿命期間内に生じる偏心の変動に正確に対処できるものではない。
【０００７】
従って、広範囲の運転状態にわたってタービン構成部品間に生じる偏心を調節するのに能動的整列制御システム及び方法が有用であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７２９３９５３号
【発明の概要】
【０００９】
本発明の様々な面及び利点は以下の記載に述べられ、又は以下の記載から明らかになり、又は本発明の実施により習得されよう。
【００１０】
本発明の一実施形態は、ロータ、内側タービン・ケーシング、外側タービン・ケーシング、及び内側タービン・ケーシングと外側タービン・ケーシングとの間の滑り係合手段を含むタービンである。内側タービン・ケーシングは、ロータの少なくとも一部分を完全に取り囲む一体構造であり、また外側タービン・ケーシングは内側タービン・ケーシングを取り囲む。
【００１１】
本発明の別の実施形態は、ロータ、ロータの少なくとも一部分を完全に取り囲む内側タービン・ケーシング、及び内側タービン・ケーシングを取り囲む外側タービン・ケーシングを含むタービンである。内側タービン・ケーシングは第１の支持面を含み、また外側タービン・ケーシングは第１の支持面と向かい合う第２の支持面を含む。タービンは更に、第１の支持面と第２の支持面との間に軸受組立体を含む。
【００１２】
本発明はまた、タービン構成部品を整列させるための方法を含む。本方法は、一体の内側タービン・ケーシングをロータと実質的に同心に整列させる段階と、一体の内側タービン・ケーシングを外側タービン・ケーシングで取り囲む段階とを含む。本方法は更に、一体の内側タービン・ケーシングと外側タービン・ケーシングとの間に軸受組立体を使用して、一体の内側タービン・ケーシングを外側タービン・ケーシングに対して支持する段階を含む。
【００１３】
当業者には、明細書を読んだとき、このような実施形態の特徴及び側面などがより良く理解されよう。
【００１４】
以下の説明では、当業者を対象として、最良の実施形態を含む、本発明の完全で実現可能な開示を、添付の図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に従ったタービンの簡略部分断面図である。
【図２】図２は、図１に示されたタービンの線Ａ−Ａに沿って取った簡略軸方向断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に従った軸受組立体の拡大平面図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態に従った軸受組立体の拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明の実施形態について詳しく説明するが、実施形態の１つ以上の例を図面に示している。詳しい説明では、図面中の要素を表すために数字及び文字の符号が用いられている。図面及び以下の説明中の同様な符号は、本発明の同様な部品を表すために用いられている。
【００１７】
各例は本発明の説明のためであって、本発明を制限するものではない。実際に、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく本発明内で様々な修正及び変形を為しうることは当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は記述した特徴を別の実施形態に用いて、更に別の実施形態を作ることが可能である。従って、本発明は、「特許請求の範囲」に記載の範囲内に入るような、このような修正及び変形、並びにそれらに等価なものを包含するものとする。
【００１８】
本発明の実施形態は、内側タービン・ケーシングの位置をロータ及び／又は外側タービン・ケーシングに対して調節する隙間制御システムを含む。調節を行う際、本システムは、コスト効果を高くして性能を改善するためにタービン内の回転部品と静止部品との間の運転時の隙間を小さくするための幾つかの重要なパラメータを取り扱う。重要なパラメータには、摩擦、偏心、真円からの変形、力、使い易さが含まれる。本システムは更に、内側タービン・ケーシングの温度、従って膨張及び収縮を制御するための隙間制御構造及び方法を含むことができる。本発明の様々な実施形態をタービンに関連して説明し例示するが、当業者には、互いに近接している回転部品及び静止部品を持つ種類のタービンに本願の原理及び教示内容が等しく適用されることが理解されよう。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に従ったタービン１０の簡略部分断面図である。図示のように、タービン１０は、一般に、ロータ１２と、１つ以上の内側タービン・ケーシング１４と、外側タービン・ケーシング１６を含む。ロータ１２は、該ロータ１２の長さに沿ってスペーサ２０によって隔てられた複数のタービン翼車１８を含む。ボルト２２がそれらのタービン翼車１８及びスペーサ２０を通って延在して、それらを所定の場所に保持し且つ包括的にロータ１２の一部分を形成する。複数の円周方向に間隔をおいて設けられたタービン動翼２４が各タービン翼車１８に接続され且つ該翼車１８から半径方向外向きに延在して、タービン１０の１段を形成する。例えば、図１に示されたタービン１０は３段のタービン動翼２４を含んでいる。しかしながら、本発明は、タービン１０に含まれる段の数に制限されない。
【００２０】
内側タービン・ケーシング１４はロータ１２の少なくとも一部分を完全に取り囲む。図１に示されているように、例えば、別々の内側タービン・ケーシング１４が各段のタービン動翼２４の外周を完全に取り囲む。この態様では、内側タービン・ケーシング１４及びタービン動翼２４の外周は、タービン段を側路する高温ガスの流れを低減する。図１に示されているように、タービン動翼２４の外周は、タービン動翼２４の外周と関連した内側タービン・ケーシング１４との間の隙間を小さくするためにシュラウド延長部２６を更に含むことができ、これによって特定のタービン段を側路するガスの量を更に低減する。
【００２１】
外側タービン・ケーシング１６は、一般に、ロータ１２及び内側タービン・ケーシング１４を取り囲む。円周方向に間隔をおいて設けられたノズル２８が、外側タービン・ケーシング１６に接続され且つスペーサ２０へ向かって半径方向内向きに延在する。例えば、図１に示されているように、左側の第１段のノズル２８が外側タービン・ケーシング１６に接続され、これにより第１段のノズル２８を通り過ぎるガスの流れが外側タービン・ケーシング１６に対して下流方向に圧力を加える。
【００２２】
図１に示されているように、内側タービン・ケーシング１４は１つ以上の内部通路３０を含むことができる。これらの通路３０は、所望の通りに内側タービン・ケーシング１４を加熱又は冷却するように媒体の流れを通すことができる。例えば、圧縮機又は燃焼器からの空気流を高温ガス流路から迂回させて、内側タービン・ケーシング１４内の通路３０に通すように計量することができる。この態様では、内側タービン・ケーシング１４は、内側タービン・ケーシング１４とタービン動翼２４の外周との間の隙間３２を設計された通りにするために制御された態様で半径方向に膨張又は収縮することができるように加熱又は冷却することができる。例えば、タービン１０の始動の際、加熱された空気を内側タービン・ケーシング１４の様々な通路３０に循環させて、内側タービン・ケーシング１４をタービン動翼２４の外周から外向きに膨張させることができる。内側タービン・ケーシング１４はロータ１２よりも速く加熱されるので、始動の際、内側タービン・ケーシング１４とタービン動翼２４の外周との間に適切な隙間が得られる。定常状態運転中は、内側タービン・ケーシング１４に供給される空気の温度を調節することにより、タービン動翼２４の外周に対して内側タービン・ケーシング１４を膨張又は収縮させて、これによってタービン１０の運転効率を高めるように内側タービン・ケーシング１４とタービン動翼２４の外周との間に所望の隙間を生じさせることができる。同様に、タービン１０の運転停止の際は、内側タービン・ケーシング１４に供給される空気の温度を調節することにより、タービン動翼２４の外周と内側タービン・ケーシング１４との過度の接触をさけるために内側タービン・ケーシング１４をタービン動翼２４よりもゆっくりと収縮させることができる。そのために、媒体の温度は、運転停止の際に所望の隙間を維持するように調節することができる。
【００２３】
図２は、図１に示されたタービンの線Ａ−Ａに沿って取った簡略軸方向断面を示す。この図で、ロータ１２が中心にあり、そこから半径方向に複数のタービン動翼２４が延在している。内側タービン・ケーシング１４がタービン動翼２４とロータ１２の少なくとも一部分とを完全に取り囲んでいて、この内側タービン・ケーシング１４とタービン動翼２４の外周との間に設計隙間３２を設けている。この特定の実施形態では、内側タービン・ケーシング１４は、ロータ１２の一部分を完全に取り囲む一体構造を有する。この一体の設計は、多部材設計のものにおいて一般的に生じる偏心及び真円からの変形を最小にする。例えば、多部材設計では、内側タービン・ケーシング１４のボルト止めされた両半部が、ボルト止めされた接合部にわたってずれを生じることがあり、その結果、運転中の熱勾配に起因して偏心及び真円からの変形が生じる可能性がある。本発明の範囲内での代替実施形態では、ロータ１２を完全に取り囲む、複数の部材から成る内側タービン・ケーシング１４を含むことができる。内側タービン・ケーシング１４の底部と外側タービン・ケーシング１６の底部との間にジブ(gib) ブロック、キー又は他のデテント(detent)３４を使用することにより、内側タービン・ケーシング１４を横方向に所定位置に固定し且つ内側タービン・ケーシング１４をロータ１２及び／又は外側タービン・ケーシング１６に対して回転運動しないように拘束することができる。
【００２４】
図２に示されているように、内側タービン・ケーシング１４と外側タービン・ケーシング１６との間にはギャップ３６又は空間が存在する。その結果、内側タービン・ケーシング１４は外側タービン・ケーシング１６から物理的に隔離されて、外側タービン・ケーシング１６の歪み、収縮又は膨張が内側タービン・ケーシング１４へ伝達されるのが防止される。例えば、外側タービン・ケーシング１６において高温ガス流路の熱勾配によって生じる偏心又は真円からの変形が、内側タービン・ケーシング１４へ伝達されず、従って、内側タービン・ケーシング１４とタービン動翼２４の外周との間の設計隙間３２に影響を及ぼさない。
【００２５】
軸受組立体３８が、内側タービン・ケーシング１４と外側タービン・ケーシング１６との間に滑り係合手段を提供する。内側タービン・ケーシング１４が一体構造を有する場合、軸受組立体３８は、内側タービン・ケーシング１４と外側タービン・ケーシング１６との間に且つ内側タービン・ケーシング１４のほぼ垂直方向中間点（すなわち、内側タービン・ケーシング１４の頂部及び底部との間の距離のほぼ半分）において向かい合う両側部に配置することができる。複数の部材より成る内側タービン・ケーシング１４を持つ代替実施形態では、本システムは、内側タービン・ケーシング１４の外周に沿って等間隔に設けられた多数の軸受組立体３８を含むことができる。
【００２６】
軸受組立体３８は、横方向に動く構造相互の間の摩擦を減らすために当該分野で知られている任意の構造を含むことができる。例えば、図３に示されているように、軸受組立体３８は、内側タービン・ケーシング１４の外周面に取り付けられた第１の軸受支持体４０、及び該第１の軸受支持体４０と向かい合って外側タービン・ケーシング１６の内周面に取り付けられた第２の軸受支持体４２を含むことができる。軸受組立体３８は更に、内側タービン・ケーシング１４を外側タービン・ケーシング１６に対して自由に摺動できるようにするために、第１及び第２の軸受支持体４０，４２の間にジャーナル軸受４４又は同様な装置を含むことができる。この態様では、外側タービン・ケーシング１６は軸受組立体３８を介して内側タービン・ケーシング１４を軸方向に支持し、また軸受組立体３８は、膨張及び収縮の際に内側タービン・ケーシング１４と外側タービン・ケーシング１６との間の摩擦を実質的に低減する。更に、内側タービン・ケーシング１４とタービン動翼２４の外周との間の設計隙間３２は、このような厳密な隙間を達成するために製造コストを対応して増加させずに、小さくすることができる。
【００２７】
図４は、本発明の別の実施形態に従った軸受組立体４６の拡大平面図を示す。図示のように、軸受組立体４６もまた、互いに向かい合っていて且つ内側タービン・ケーシング１４と外側タービン・ケーシング１６との間にある第１及び第２の軸受支持体４８，５０を含む。この実施形態では、第１及び第２の軸受支持体４８，５０の間にある１つ以上の玉５２又は軸受がこれらの軸受支持体４８、５０の間の摩擦を低減し、且つそれらの玉５２又は軸受は内側タービン・ケーシング１４が外側タービン・ケーシング１６に対して摺動できるようにする。
【００２８】
図１乃至図４に関して説明し且つ例示した構造は、タービン１０の構成部品を整列させるための方法を構成するために用いることができる。図１に示されているように、本方法は、一体の内側タービン・ケーシング１４をロータ１２と実質的に同心に整列させる段階を含むことができる。一体の内側タービン・ケーシング１４は外側タービン・ケーシング１６によって取り囲むことができる。本方法は更に、例えば、図３又は図４に示されているように、一体の内側タービン・ケーシング１４と外側タービン・ケーシング１６との間に軸受組立体３８を使用することによって、外側タービン・ケーシング１６に対して一体の内側タービン・ケーシング１４を支持する段階を含む。図１を参照して説明すると、本方法は更に、一体の内側タービン・ケーシング１４を半径方向に膨張又は収縮させるために、媒体を一体の内側タービン・ケーシング１４の中の通路３０に流れさせる段階を含むことができる。
【００２９】
本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し且つ任意の採用した方法を遂行すること含めて本発明を実施することができるようにするために、幾つかの例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内に入るものとする。
【符号の説明】
【００３０】
１０  タービン
１２  ロータ
１４  内側タービン・ケーシング
１６  外側タービン・ケーシング
１８  タービン翼車
２０  スペーサ
２２  ボルト
２４  タービン動翼
２６  シュラウド延長部
２８  ノズル
３０  内部通路
３２  設計隙間
３４  デテント
３６  ギャップ
３８  軸受組立体
４０  第１の軸受支持体
４２  第２の軸受支持体
４４  ジャーナル軸受
４６  軸受組立体
４８  第１の軸受支持体
５０  第２の軸受支持体
５２  軸受
【図１】
2011226462.tif 000003
【図２】
2011226462.tif 000004
【図３】
2011226462.tif 000005
【図４】
2011226462.tif 000006
【外国語明細書】
2011226462000001.pdf