(57)【要約】  係合形成部（２１０）を有するタービンハウジング（２００）、および係合凹部（４１０）を含む電気機械用ケーシング（４００）を備えるターボ機械。さらに、係合凹部（４１０）は片持ち部材（４２０）を備え、係合形成部（２１０）を受け入れるように適合される。最後に、係合凹部（４１０）および係合部（２１０）は、前述のターボ機械の動作中、係合形成部が熱膨張を起こして係合凹部に対して膨張し、片持ち部材（４２０）に圧力を加えるように構成される。このように、ケーシング（４００）に対してタービンハウジング（２００）を中心合わせするための改善された装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
係合形成部を備えるタービンハウジングと、
係合凹部を備える電気機械用ケーシングと
を備えるターボ機械であって、
前記係合凹部は片持ち部材を備え、
前記係合凹部は前記係合形成部を受け取るように適合され、
前記係合形成部および前記係合凹部は、前記ターボ機械の動作中、前記係合形成部が熱膨張を起こして前記係合凹部に対して膨張し、前記片持ち部材に圧力を加えるように構成される、
ターボ機械。
【請求項２】
前記ターボ機械装置は、前記タービンハウジング内に配置され、前記ケーシングから伸びるタービンをさらに備える、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
周囲温度で前記係合形成部と前記片持ち部材の長さとの間にギャップまたは空間がある、請求項１または請求項２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記片持ち部材は環状断面を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記係合凹部の側部は前記片持ち部材を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記タービンハウジングの熱膨張係数は、前記ケーシングの熱膨張係数と異なる、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記タービンハウジングの熱膨張係数は、前記ケーシングの熱膨張係数の３０％以内である、請求項４に記載のターボ機械。
【請求項８】
前記係合形成部はテーパまたは面取りを備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項９】
前記片持ち部材の前記長さは前記係合凹部内のアンダーカットによって伸ばされる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１０】
前記アンダーカットは丸い形状を備える、請求項７に記載のターボ機械。
【請求項１１】
前記係合形成部の表面はテクスチャ加工領域を備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１２】
前記係合形成部の表面全体がテクスチャ加工される、請求項９に記載のターボ機械。
【請求項１３】
前記係合凹部の表面はテクスチャ加工領域を備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１４】
前記係合凹部の表面全体がテクスチャ加工される、請求項１１に記載のターボ機械。
【請求項１５】
前記ターボ機械は、前記タービンハウジングと前記ケーシングとの間のガスケットをさらに備える、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１６】
前記ガスケットの熱伝導率は、前記タービンハウジングおよび前記ケーシングの両方の熱伝導率より低い、請求項１３に記載のターボ機械。
【請求項１７】
前記片持ち部材は、前記係合形成部の表面に面して位置付けられた溝を備える、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１８】
前記ターボ機械は、前記タービンハウジングを前記ケーシングに接続するスタッドをさらに備える、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項１９】
前記スタッドは、前記タービンハウジングと係合するように前記ケーシングを通って伸びる、請求項１６に記載のターボ機械。
【請求項２０】
前記スタッドはねじ山を備える、請求項１６または請求項１７に記載のターボ機械。
【請求項２１】
前記タービンハウジングは複数の係合形成部を備え、前記ケーシングは複数の係合凹部を備える、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項２２】
前記ターボ機械はターボ発電機である、請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれか１項に記載のターボ機械で使用するためのタービンハウジング。
【請求項２４】
請求項１乃至２３のいずれか１項に記載のターボ機械で使用するための電気機械用ケーシング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械、より具体的には、タービンハウジングおよび電気機械用ケーシングを備えるターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械工学において、ターボ機械は、ロータと流体との間でエネルギーを伝達する機械を表し、タービンおよび圧縮機の両方を含む。タービンが流体からロータへエネルギーを伝達する一方、圧縮機はロータから流体へエネルギーを伝達する。
【０００３】
ターボ機械は、工業環境でしばしば使用される。１つのそのような用途は、エンジンの排気流からエネルギーを抽出するためのターボ発電機の使用である。この用途では、ターボ発電機の電気部品は、それらの温度が指定動作範囲内、しばしば６５℃未満に確実に留まるように流体によって冷却されてよい。同時に、ターボ発電機タービンおよびタービンハウジングは、はるかに高い温度、しばしば６００℃超を経験する場合がある。
【０００４】
ターボ発電機は、ほとんどの場合、周囲温度で設置される。したがって、動作中、ターボ発電機の部品間の大きな温度差は、隣接部分間に高い応力および著しい動きの両方を引き起こす。これらの問題は、熱膨張の違いから生じる。加えて、大きな温度差は、ターボ発電機の著しい温度勾配をもたらす場合もある。
【０００５】
これらの熱膨張の違いが特に決定的であり得ると判明している１つの領域は、タービンとそのハウジングまたはシュラウドとの間の隙間にある。この隙間は、ターボ発電機全体の効率および信頼性の両方に直接影響を与えるためかなり重要である。最近、この問題は、最新の高速ターボ発電機が、通常、小型の出力密度の高いシステムをもたらす、３０，０００ｒｐｍ超で回転するタービンを組み込むため、いっそう関連性の高いものとなっている。タービンとそのハウジングとの間の隙間が最適なものとなるためには、タービンがハウジング内で正確に中心合わせされることが重要である。
【０００６】
タービンがハウジング内で確実に中心合わせされて留まる様々な方法が開発されてきた。１つの方法では、フランジが、タービンハウジングおよびタービンを備える電気機械の両方の外部に配置されてよい。使用時、タービンは中心合わせされるようにタービンハウジングに挿入され、ハウジングおよび電気機器の各フランジは隣接する。次いで、各フランジは、それらのまわりに締め付けられている円形クランプまたはｖバンドによって適所に保持される。そのようなシステムは、タービンがハウジング内で確実に中心合わせされるのに有用である一方、この方法は、クランプまたはｖバンドが単一障害点であり、かなりの費用をかけて非常に高い品質の部品を必要とするという欠点を有する。加えて、各クランプまたはｖバンドは、締め付けプロセス中に経験する応力のため、限られた寿命を有する。
【０００７】
あるいは、タービンハウジングおよびタービンを備える電気機械の両方の外部に配置されたフランジは、単純にボルト締めされてよい。このように、複数のボルトが使用されるので、単一障害点の問題はない。しかしながら、そのようなシステムにおいて精密な半径方向アライメントを確実にするために、フランジ上にインターロック形成部を含む必要がある。そのようなインターロック形成部は、タービンハウジングと電気機械との間の接触面積を増加させ、高い熱伝達率、および電気機械の要求動作レベルへの冷却における困難をもたらす。
【０００８】
本発明の態様は、少なくとも上記問題への対処を模索する。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、係合形成部を備えるタービンハウジングと、係合凹部を備える電気機械用ケーシングとを備えるターボ機械が提供され、係合凹部は片持ち部材を備え、係合凹部は係合形成部を受け取るように適合され、係合形成部および係合凹部は、前述のターボ機械の動作中、係合形成部が熱膨張を起こして係合凹部に対して膨張し、片持ち部材に圧力を加えるように構成される。
【００１０】
このように、定常状態段階だけでなく、動作の加温および冷却段階全体にわたる、ケーシングに対するタービンハウジングの効率的な半径方向アライメントのための装置が提供される。この改良された中心合わせは、ターボ機械の動作中、係合形成部に片持ち部材が加えるばね力によって提供される。加えて、５０〜１００℃の温度の低い動作温度でのタービンハウジングの半径方向アライメントが提供され得る。さらに、係合凹部中への係合形成部のより緩い嵌合は、ターボ機械が、動作前に周囲温度でユーザによってより容易に組み立てられ得ることを確実にする。
【００１１】
好ましくは、ターボ機械は、タービンハウジング内に配置され、ケーシングから伸びるタービンをさらに備える。
【００１２】
好ましくは、周囲温度で係合形成部と片持ち部材の長さとの間にギャップまたは空間がある。ここで、周囲温度は、工場または作業環境の室温、典型的には１０℃以上４０℃以下であると見なされる。より好ましくは、５０〜１００℃の温度で係合形成部と片持ち部材の長さとの間にギャップまたは空間がある。そのような特徴は、ターボ機械の組み立て中、係合形成部が係合凹部により容易に挿入されることを可能とするため、有利である。
【００１３】
好ましくは、片持ち部材は環状断面を備える。好ましくは、片持ち部材はその長さに平行な軸のまわりに湾曲している。好ましくは、係合凹部の側部は片持ち部材を備えるか、または片持ち部材によって形成される。
【００１４】
好ましくは、タービンハウジングの熱膨張係数は、ケーシングの熱膨張係数と異なる。任意選択で、タービンハウジングの熱膨張係数は、ケーシングの熱膨張係数より大きい。より好ましくは、タービンハウジングの熱膨張係数は、ケーシングの熱膨張係数の３０％、より好ましくは２５％、さらに好ましくは１５％、最も好ましくは１０％以内である。最も好ましくは、タービンハウジングの熱膨張係数は、ケーシングの熱膨張係数と同一である。タービンハウジングおよびケーシングに類似または同一の熱膨張率を有する材料を利用することによって、片持ち部材の応力が許容レベルに制限されることになるため、中心合わせ効果はより広い温度範囲に拡張され得る。
【００１５】
好ましくは、係合形成部はテーパまたは面取りを備える。より好ましくは、テーパまたは面取りは、係合形成部の全周に伸びる。そのような特徴は、組み立て時、係合凹部への係合形成部の挿入を容易にし得るため、有利であり得る。
【００１６】
好ましくは、片持ち部材の長さは係合凹部内のアンダーカットによって伸ばされる。そのような特徴は、片持ち部材の長さ、したがってそれが係合形成部に加え得るばね力を増加させる働きをするため、有利であり得る。
【００１７】
好ましくは、アンダーカットは丸い形状を備える。好ましくは、アンダーカットは湾曲した形状を備える。そのような特徴は、切り欠きまたはアンダーカットの丸いかまたは湾曲した形状が、応力集中のため生じる亀裂または破断の問題を防止し得るため、好ましい場合がある。
【００１８】
好ましくは、係合形成部の表面はテクスチャ加工領域を備える。より好ましくは、係合形成部の表面全体がテクスチャ加工される。あるいは、係合形成部の表面は、その直径の正確な制御を確実にするために平滑であってよい。好ましくは、係合凹部の表面はテクスチャ加工領域を備える。より好ましくは、係合凹部の表面全体がテクスチャ加工される。テクスチャ加工面の提供は、接触面積、したがってタービンハウジングとケーシングとの間の熱伝達を低減し得るため、好ましい場合がある。
【００１９】
好ましくは、ターボ機械は、タービンハウジングとケーシングとの間のガスケットをさらに備える。より好ましくは、ガスケットの熱伝導率は、タービンハウジングおよびケーシングの両方の熱伝導率より低い。そのような特徴は、ガスケット、または低い熱伝導率を有するガスケットの使用が、タービンハウジングからケーシングへの熱伝達の防止を支援し得るため、有利であり得る。
【００２０】
好ましくは、片持ち部材は、係合形成部の表面に面して位置付けられた溝、リッジ、またはチャネルを備える。より好ましくは、複数の溝、リッジのチャネルが提供されてよい。そのような特徴は、タービンハウジングとケーシングとの間の接触面積を低減し、したがって熱伝達を低減するのに好ましい場合がある。
【００２１】
好ましくは、ターボ機械は、タービンハウジングをケーシングに接続するスタッドをさらに備える。好ましくは、スタッドは複数のセグメントを備える。スタッドの使用は、ケーシングに対するタービンハウジングの軸アライメントを支援するのに好ましい場合がある。セグメント化スタッドの使用は、熱伝達を低減するのに好ましい場合がある。
【００２２】
好ましくは、スタッドは、タービンハウジングと係合するようにケーシングを通って伸びる。好ましくは、スタッドが通って伸びるケーシング中の開口は、スタッドの直径より大きい直径を有する。好ましくは、スタッドが通って伸びるケーシング中の開口は、スタッドの直径の１１５％〜１０１％、より好ましくはスタッドの直径の１１０％〜１０５％、最も好ましくはスタッドの直径の１０８％の直径を有する。
【００２３】
好ましくは、スタッドはねじ山を備える。ねじ付きスタッドの使用は、熱流路内の複数のねじ部によって熱伝達の防止を支援し得る。
【００２４】
好ましくは、タービンハウジングは複数の係合形成部を備え、ケーシングは複数の係合凹部を備える。好ましくは、複数の係合形成部、およびケーシングの複数の係合凹部は、タービンハウジングおよびケーシングの周囲に等間隔で配置される。あるいは、単一の係合形成部および係合凹部が、それぞれタービンハウジングおよびケーシングの全周に伸びてよい。
【００２５】
好ましくは、ターボ機械はターボ発電機である。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、上記の特徴を有するターボ機械で使用するためのタービンハウジングが提供される。
【００２７】
本発明の第３の態様によれば、上記の特徴を有するターボ機械で使用するための電気機械用ケーシングが提供される。
【００２８】
次に、本発明の実施形態を、単なる例として、添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に従うターボ機械の概略断面図である。
【図２】図１で強調表示された領域の拡大概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面の図１を参照すると、本発明に従うターボ機械１００の一部が示されている。ここで、ターボ機械の一部は、タービンハウジング２００、タービン３００、およびケーシング４００を備える。ケーシング４００は、タービン３００の一部、およびさらにターボ機械の動作に必要な電気部品５００を格納する。ターボ機械に典型的なように、タービンブレードの先端３０１は、効率的な動作を確実にするためにタービンハウジング２００の内面に近接して配置される。
【００３１】
タービンブレードの先端３０１を確実にタービンハウジング２００に近接して保持するために、タービンハウジング２００は、複数の締結配置１０００によってケーシング４００に固定される。これらの締結配置１０００は、タービンハウジング２００およびケーシング４００の外周に位置付けられ、そこでタービンハウジング２００およびケーシング４００は隣接する。締結配置１０００は、タービンハウジング２００およびケーシング４００の外周または周囲に等間隔で配置されてよい。あるいは、単一の締結配置１０００が、タービンハウジング２００およびケーシング４００の全周に伸びてよい。
【００３２】
締結配置１０００が、図２により詳細に示される。再び、タービンハウジング２００およびケーシング４００が、発明の本実施形態のさらなる特徴と並んで説明される。
【００３３】
係合形成部、突出部、または栓２１０が、タービンハウジング２００の外部に配置される。係合形成部２１０は、タービンハウジング２００の外面から伸びる。この係合形成部２１０は、略矩形断面を有する。加えて、係合形成部２１０は、その遠位端に配置されたテーパまたは面取り部２１１を備える。
【００３４】
ケーシング４００は、係合凹部、穴、または非貫通開口４１０を含む。この係合凹部４１０は、ケーシング４００が２つの側部を形成し、片持ち部材または位置決め突起４２０が第３の側部を形成する。片持ち部材４２０は、ハウジング４００の表面から伸びて係合凹部４１０の第３の側部を形成する。片持ち部材４３０は、その長さに平行な軸のまわりに湾曲している。加えて、片持ち部材４３０は、環状断面を有してよい。
【００３５】
係合凹部４１０は、係合形成部２１０を収納、嵌合、または収容する大きさである。係合形成部２１０は、ターボ機械１００の組み立て中、係合凹部４１０への係合形成部２１０の挿入がユーザによって容易に行われ得るように、係合凹部４１０内に比較的緩く嵌合する。
【００３６】
片持ち部材４２０の長さは、係合凹部４１０内に配置された切り欠きまたはアンダーカット４３０によって伸ばされる。アンダーカット４３０は、片持ち部材４２０の方向に略平行な方向に伸びる。アンダーカット４３０は、応力集中の問題が軽減されるように、湾曲しているか、丸いか、または円形の断面を有する。
【００３７】
片持ち部材４２０は、溝またはチャネル４２１を含む。この溝４２１は、片持ち部材４２０の下面に、係合形成部２１０に隣接して配置される。加えて、片持ち部材４２０、溝４２１、係合凹部４１０、または係合形成部２１０のいずれかまたはすべての表面の領域は、テクスチャ加工または粗化された表面テクスチャを有してよい。
【００３８】
バリア材またはガスケット４４０が、係合形成部２１０と係合凹部４１０中のケーシング４００との間に配置される。ガスケット４４０は、化学的および熱的に剥離したバーミキュライトおよび／またはステアタイト材料などの、低い熱伝導率を有する材料で形成される。本実施形態では、ガスケット４４０は、タービンハウジング２００およびケーシング４００の両方より低い熱伝導率を有する材料で形成される。
【００３９】
締結配置は、ケーシング４００を通ってタービンハウジング２００中へ伸びるスタッド、締結具、またはバー４５０を含む。このスタッド４５０は、ケーシング４００に対するタービンハウジング２００の配置を支援し、軸方向のクランプ力を提供する。スタッドは、ねじ山を含み、その上にナット４５１が、ターボ機械１００の組み立て中、ユーザによって締め付けられる。ケーシング４００に対するタービンハウジング２００の半径方向の動きを過剰に制限しないことを確実にするために、球面座金がナット４５１とケーシング４００との間に使用される。タービンハウジング２００がケーシング４００に対して半径方向に自由に動くことをさらに確実にするために、スタッド４５０が挿入されるケーシング開口は、スタッド自体よりわずかに大きい。本実施形態では、開口は、スタッド４５０の直径の１０８％の直径を有する。
【００４０】
ターボ機械１００の動作中にタービンハウジング２００およびケーシング４００が経験する異なる温度のため、係合形成部２１０は、係合凹部４１０内で有効に膨張する。最初は、係合凹部４１０内での係合形成部２１０の比較的緩い嵌合のため、係合形成部２１０は片持ち部材４２０と接触していない。しかしながら、係合形成部２１０が熱膨張すると、片持ち部材４２０と接触する。次いで、片持ち部材４２０は、係合形成部２１０にばね力を加え、ケーシング４００に対するタービンハウジング２００の中心合わせを支援する。係合形成部２１０への片持ち部材４２０の力は、片持ち部材４２０の長さを有効に増加させるアンダーカット４３０によって増加する。そのようなシステムは、定常状態段階だけでなく、動作の加温および冷却段階全体にわたって、タービンハウジング２００がケーシング４００に対して中心合わせされることを確実にする。
【図１】
2021513019.tif 000003
【図２】
2021513019.tif 000004
【国際調査報告】
2021513019.tif 000005
2021513019.tif 000006
2021513019.tif 000007