(57)【要約】【課題】インピンジメント冷却マニホルド（１４０）をタービンのケーシング（１２０）に取付けるためのマニホルド取付けシステムを提供する。【解決手段】本システムは、タービンのシュラウドピン（１５５）に付加され、インピンジメント冷却マニホルド（１４０）を貫通して延びかつそれを該インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に固定するように作動可能な固定装置（１６０）を含む取付けピン（１５０）と、インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に付加されかつ取付けピン（１５０）及び固定装置（１６０）と共に該インピンジメント冷却マニホルド（１４０）とタービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整するように作動可能であるレベリング支持脚部（１７０）とを含む。【選択図】      図５
2008240730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インピンジメント冷却マニホルド（１４０）をタービンのケーシング（１２０）に取付けるためのマニホルド取付けシステムであって、
前記タービンのシュラウドピン（１５５）に付加され、前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）を貫通して延び、かつそれを該インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に固定するように作動可能な固定装置（１６０）を含む取付けピン（１５０）と、
前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に付加され、かつ前記取付けピン（１５０）及び固定装置（１６０）と共に前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）と前記タービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整するように作動可能であるレベリング支持脚部（１７０）と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記固定装置（１６０）が、前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）と前記タービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整する設定ナット（１６５）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記レベリング支持脚部（１７０）が、レベリング調整ネジ（１７２）及びレベリング調整ナット（１７４）を含む請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記レベリング支持脚部（１７０）が、前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）のフランジ（１７６）に付加される、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
複数の取付けピン（１５０）と複数のレベリング支持脚部（１７０）とを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
大型高出力タービン（１１０）のインピンジメント冷却マニホルド（１４０）冷却システム用の取付けシステムであって、
前記タービンのケーシング（１２０）に付加されかつその表面内に複数のインピンジメント孔（１４８）を含むインピンジメント冷却マニホルド（１４０）と、
前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）の複数のインピンジメント孔（１４８）を横切って大型高出力タービン（１１０）のケーシングを冷却するように空気流を供給して、該大型高出力タービン（１１０）のタービンブレード（１２２）の先端とシュラウドとの間の間隙を制御するブロワと、
前記タービンのシュラウドピン（１５５）に付加され、前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）を貫通して延び、かつそれを該インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に固定するように作動可能な固定装置（１６０）を含む取付けピン（１５０）と、
前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に付加され、かつ前記取付けピン（１５０）及び固定装置（１６０）と共に前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）と前記タービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整するように作動可能であるレベリング支持脚部（１７０）と、
を含むシステム。
【請求項７】
インピンジメント冷却マニホルド（１４０）をタービンのケーシング（１２０）に取付ける方法であって、
取付けピン（１５０）を前記タービンの既存のシュラウドピン（１５５）に付加して、該取付けピン（１５０）が前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）を貫通して延びるようにする段階と、
前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）を、該インピンジメント冷却マニホルド（１４０）と前記タービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整するように作動可能な固定装置（１６０）を含む前記取付けピン（１５０）に固定する段階と、
レベリング支持脚部（１７０）を前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）に付加して、該インピンジメント冷却マニホルド（１４０）と前記タービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整するように作動可能にする段階と、
を含む方法。
【請求項８】
前記取付けピン（１５０）、該取付けピン（１５０）の固定装置（１６０）及び／又はレベリング支持脚部（１７０）を用いて、前記インピンジメント冷却マニホルド（１４０）と前記タービンのケーシング（１２０）との間のギャップ距離（１４７）を調整する段階をさらに含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、総括的には大型高出力タービンのインピンジメント冷却マニホルドの分野に関し、より具体的には、大型高出力タービンのインピンジメント冷却マニホルド用の取付けシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気インピンジメント冷却は、小型ガスタービンのケーシング温度を管理し、また回転ブレードと付随するケーシング内面との間の間隙を減少させかつ維持するためにこれまで使用されてきた。大型高出力ガスタービンでの空気インピンジメント冷却システムの１つの問題は、大型の一様でなくかつ非標準的なケーシング表面にわたって均一な熱伝達率を達成することができる能力である。小型ガスタービンでは、通常、小さいインピンジメント孔及び表面までの短いノズル距離が使用される。これら要因は、ケーシングで必要とされるより高い熱伝達率を生成する。小さいインピンジメント冷却孔を使用することの１つの有害な影響は、孔による高い圧力差低下で作動させる必要があることである。このことにより、望ましくない高い冷却空気供給圧力が必要になり、それが、正味効率に悪影響を与える結果となる。
【０００３】
インピンジメント冷却は、タービン間隙制御の方法として航空機エンジンに適用されてきた。しかしながら、航空機エンジンに用いられるインピンジメントシステムは、大型高出力タービン用途に用いることができない。航空機エンジンに適用されるシステムは、冷却媒体として圧縮機から抽出した空気を利用する。大型高出力ガスタービンで圧縮機抽気を用いることは、設計熱伝達率がより低温の空気温度を必要とするので、実施可能でない。大型高出力ガスタービンは、航空機エンジンに比べて複雑なマニホルド設計を必要とする著しく大型でかつ一様でないケーシング表面を有する。また、大型高出力ガスタービンでは、ケーシング厚さ及びケーシング厚さ変化が著しく大きい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、当技術分野において、大型高出力ガスタービンのインピンジメント冷却マニホルド用の取付けシステムに対する必要性が存在する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
次に、本発明の例示的な実施形態を示す添付図面を参照して、以下で本発明をより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろ、これら実施形態は、本開示が詳細かつ完全なものになるように、また本発明の技術的範囲を当業者に伝えることになるように提示している。
【０００６】
図１は、大型高出力タービン１１０の例示的な実施形態を示している。大型高出力タービンエンジンは、圧縮機セクション１１２、燃焼器セクション１１４及びタービンセクション１１６を含む。タービン１１０はまた、圧縮機ケーシング１１８及びタービンケーシング１２０を含む。タービン及び圧縮機ケーシングは、大型高出力タービンの大部分を取り囲む。タービンセクション１１６は、シャフト並びに複数の回転及び固定タービンブレードの組を含む。
【０００７】
図１及び図２を参照すると、タービンケーシング１２０は、該ケーシング１２０の内面に付加されたシュラウド１２６を含むことができる。シュラウド１２６は、回転タービンブレード１２２のブレード先端１２３に近接して配置して、ブレード先端１２３を通り抜ける空気漏れを最少にすることができる。ブレード先端１２３とシュラウド１２６との間の距離（間隔）は、間隙１２８と呼ばれる。各タービン段の間隙１２８は、ブレード及びケーシングの異なる熱膨張特性によって一貫してないことに注目されたい。
【０００８】
大型高出力ガスタービンの効率における主要因は、ブレード先端対ケーシング間隙１２８を通る空気／排出ガス漏れの量である。タービンブレード１２２及びタービンケーシング１２０の異なる熱膨張特性により、間隙１２８は、タービンが過渡状態を通して点火からベース負荷定常状態に移行するにつれて、大きく変化する。その作動シーケンスを備えた間隙制御システムを実行して、全ての作動状態の間における特定の間隙特性に対処することができる。制御システムの不適当な設計及び／又はシーケンスは、ケーシングシュラウド１２６との間のタービンブレード先端１２３の過度の摩擦を引き起こす可能性があり、それにより、間隙の増大及び性能の低下が生じるおそれがある。
【０００９】
図３の例示的な実施形態に示すように、インピンジメント空気冷却システム２００は、タービンシュラウド１２６と付随するブレード先端１２３との間の間隙を減少させかつ保持するように用いることができる。図３を参照すると、インピンジメント空気冷却システム２００は、ブロワ１３０、流量制御ダンパ１３２、相互連結配管１３４、分配ヘッダ１３６、流量調量弁（絞り弁）又はオリフィス１３８及び一連のインピンジメント冷却マニホルド１４０を含むことができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０に付加される。図３の例示的な実施形態では、複数のインピンジメントマニホルド１４０が、タービンケーシング１２０の外周部の周りに付加される。インピンジメント冷却ブロワ１３０は、周囲空気から吸気し、流量制御ダンパ１３２、相互連結配管１３４、分配ヘッダ１３６、絞り弁又はオリフィス１３８を通してインピンジメント冷却マニホルド１４０内に空気を吹き込む。ブロワ１３０は、ファン又はジェットを含むあらゆる吹込み装置とすることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０に均一な熱伝達率を与えることを保証する。インピンジメント空気冷却システムは、本明細書に開示した構成要素に限定されるものではなく、空気がインピンジメント冷却マニホルドに沿って流れることを可能にするあらゆる構成要素を含むことができることを理解されたい。
【００１０】
図５及び図９に示す例示的な実施形態を参照すると、インピンジメント冷却マニホルド１４０は、タービンケーシング１２０のターゲット領域の輪郭に合わせて設計することができる。各インピンジメント冷却マニホルド１４０は、供給管１４４を備えた上部プレート１４２、多数のインピンジメント孔１４８を備えた下部プレート１４６、側部片、レベリング支持脚部１７０及び取付けピン１５０を含むことができる。インピンジメント孔１４８は、空気がインピンジメント冷却マニホルドからタービンケーシングに流れてタービンケーシングを選択的に冷却するのを可能にする。
【００１１】
インピンジメント孔１４８は、アレイの形態で配置することができる。例示的な実施形態では、インピンジメント孔１４８は、１．２５〜２．５インチの範囲で間隙を置いて配置することができる。例示的な実施形態では、個々のインピンジメント孔１４８は、０．１２〜０．２インチの寸法とすることができる。タービンケーシング寸法形状の不均一性を補償するためには、孔の寸法及び間隙を変化させることが必要である。下部プレート１４６上でのインピンジメント孔１４８の寸法及び位置は、インピンジメント空気冷却システムによってターゲットのケーシングにわたって均一な熱伝達率を生成する。しかしながら、インピンジメント孔は、これらの寸法又は間隙に限定されるものではない。上部プレート１４２と下部プレート１４６との間の距離もまた、内部圧力変動を最小にするように寸法決めすることができ、それにより、均一な冷却孔圧力比を得ることができる。
【００１２】
インピンジメント冷却マニホルド下部プレート１４６とタービンケーシング１２０との間のギャップ距離１４７により、熱伝達率が決まる。ギャップ距離１４７が大き過ぎる場合には、最適でない熱伝達率が生じるおそれがある。ギャップ距離１４７が小さ過ぎる場合には、最適でなくかつ不均一な熱伝達率が生じるおそれがある。例示的な実施形態では、０．５〜１．０インチのギャップにより、適当な熱伝達率が得られる。しかしながら、ギャップ距離１４７は、この範囲に限定されるものではなく、適当な熱伝達率をもたらすあらゆる距離とすることができる。
【００１３】
例示的な実施形態は、複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０を含むことができる。複数のインピンジメント冷却マニホルド１４０は、ターゲット冷却領域の真上でタービンのケーシング１２０に付加することができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０は、その端縁部とケーシングからのあらゆる突出部との間に十分な間隔が存在するように配置することができる。この間隔は、インピンジメント孔１４８を通ってインピンジメント冷却マニホルド１４０の下方から外部環境に排出されるように流れる空気のための自由路を形成する。例示的な実施形態では、２つの隣接するインピンジメント冷却マニホルド間の間隔は、１〜３０インチとすることができ、ケーシング突出部及びフランジ継手によって決まる。間隔は、これらの寸法に限定されるのもではなく、あらゆる適当な距離とすることができる。インピンジメント冷却マニホルド１４０はまた、水平分割継手を含む軸方向フランジのいずれに対してもインピンジメント冷却を行うことができる。
【００１４】
マニホルドの取付け
マニホルド１４０は、タービンのケーシング１２０に該ケーシング１２０を機械加工せずに取付けることができる。マニホルド１４０は、ケーシング１２０全体にわたる最も効率的かつ有利な空気流のために、マニホルド１４０の表面全体にわたってケーシング１２０から実質的に一定の距離を維持しなければならない。しかしながら、タービンケーシング１２０は、ユニットごとに寸法形の幅広い変動を有する。図５〜図１０は、タービンを機械加工せずにタービン寸法形状の変動を考慮する取付けシステムの例示的な実施形態を示している。
【００１５】
図５は、少なくとも１つの取付けピン及び少なくとも１つレベリング支持脚部を含む取付けシステムの例示的な実施形態である。少なくとも１つの取付けピン１５０は、マニホルド１４０をケーシング１２０に取付けかつギャップ距離１４７を修正するように用いることができる。取付けピン１５０は、ケーシング１２０上に設置したシュラウドピン１５５に付加することができる。図６の例示的な実施形態に示すように、シュラウドピン１５５は、タービンのケーシング１２０から外向きに延びる。取付けピン１５０は、シュラウドピン１５５に余長を与えてその上にマニホルド１４０を取付けるのを可能にする。固定装置１６０は、取付けピン１５０をマニホルド１４０に付加することができる。例示的な実施形態では、固定装置は、取付けピン１５０の遠位端部に向かって付加した設定ナット１６５を含む。図７は、シュラウドピン１５５に付加した取付けピン１５０の例示的な実施形態を示している。シュラウドピンへの取付けピンの付加は、シュラウドピンの延長部である又はシュラウドピン内に組み込んだ取付けピンを含むことができることを理解されたい。
【００１６】
図５の例示的な実施形態に示すように、取付けピン１５０は、マニホルド１４０を設定ナット１６５に対して置くことができるように該マニホルド１４０の孔を貫通して延びる。設定ナット１６５を締付け又は緩めて、取付けピンに近接するマニホルド１４０とケーシング１２０との間のギャップ距離１４７を調整することができる。固定ナット１６７は、取付けピン１５０の近位端部に付加して該取付けピン１５０の設定ナット１６５に対してマニホルド１４０を固定することができる。固定装置は、設定ナットの使用に限定されるものではなく、それに限定されないが設定ピン、クリップ又はその他のあらゆる装置を含む、マニホルド１４０とケーシング１２０との間の距離を調整するあらゆる手段を含むことができることが、当業者には分かるであろう。
【００１７】
取付けシステムはまた、ケーシング１２０とマニホルド１４０との間に実質的に一定のギャップ距離１４７を形成するようにマニホルド１４０を調整する少なくとも１つのレベリング支持脚部１７０を含むことができる。レベリング支持脚部１７０は、マニホルド１４０に付加し、かつケーシング１２０に当接させて配置することができる。レベリング支持脚部１７０は、マニホルド１４０上のあらゆる位置に配置することができる。例示的な実施形態では、少なくとも１つのレベリング支持脚部１７０は、マニホルド１４０の周辺部近くに配置することができる。図８の例示的な実施形態に示すように、レベリング支持脚部１７０は、該レベリング支持脚部１７０を支持フランジ１７６に付加することができるレベリング調整ネジ１７２及びレベリング調整ナット１７４を含むことができ、支持フランジ１７６は、マニホルド下部プレート１４６に装着することができる。レベリング調整ネジ１７２は、レベリング支持脚部の位置におけるマニホルド１４０とケーシング１２０との間の距離を調整するように用いることができる。レベリング支持脚部１７０は、レベリング調整ネジ１７２及びレベリング調整ナット１７４の使用に限定されるものではなく、レベリング支持脚部に近接するマニホルド１４０とケーシング１２０との間のギャップ距離１４７の調整を助けることになるあらゆる装置で実行することができることは、当業者には分かるであろう。
【００１８】
図９は、ケーシング１２０に付加するのに先立ってマニホルド１４０に装着した取付けシステムの例示的な実施形態を示している。取付けシステムは、ケーシングへの付加に先だって必ずしもマニホルドに装着する必要はないことを理解されたい。例えば、取付けピン１５０は、マニホルド１４０への装着に先立ってシュラウドピン１５５に付加することができる。
【００１９】
図５は、タービンのケーシング１２０に付加した取付けシステムの取付けピン１５０及びレベリング支持脚部１７０の例示的な実施形態を示している。図５に示すように、ケーシング１２０は、一様でない可能性がある。従って、ギャップ距離１４７は、マニホルド１４０の表面にわたって一定ではない可能性がある。ギャップ距離１４７を調整するために、取付けピン１５０及びレベリング支持脚部１７０は、各それぞれの取付けピン１５０又はレベリング支持脚部１７０に近接するマニホルド１４０とケーシング１２０との間のギャップ距離１４７を設定するように独立して調整することができる。図５の例示的な実施形態では、例えば、取付けピンは、マニホルド１４０の中央部分を調整し、また複数のレベリング支持脚部１７０はマニホルド１４０の周辺部を調整する。
【００２０】
複数の取付けピン１５０及び複数のレベリング支持脚部１７０は、マニホルド１４０を取付けかつギャップ距離１４７を設定するように設けることができる。図１０の例示的な実施形態では、例えば、取付けシステムは、マニホルド１４０の中央部分に配置した２つの取付けピン１５０とマニホルド１４０の周辺部に配置した４つのレベリング支持脚部１７０を含む。取付けシステムは、あらゆる数の取付けピン１５０及びレベリング支持脚部１７０を含むことができ、図１０に示す実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。
【００２１】
前述の説明及び付随の図面に示した教義の利点を有する本発明に関連する当業者には、本発明の多くの修正及び他の実施形態が想起されるであろう。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、またそれら修正及び他の実施形態が、特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれることを意図していることを理解されたい。本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ用いており、限定を目的とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態による大型高出力ガスタービンの断面図。
【図２】本発明の実施形態によるタービンブレード対シュラウド間隙の拡大図。
【図３】本発明の実施形態によるインピンジメント冷却システムを示す図。
【図４】本発明の実施形態による、タービンのケーシングに装着されたインピンジメント冷却マニホルドの斜視図。
【図５】本発明の実施形態による、タービンのケーシングに装着されたインピンジメント冷却マニホルドの断面図。
【図６】本発明の実施形態による複数のシュラウドピン及び取付けピンの斜視図。
【図７】本発明の実施形態による、シュラウドピンに装着された取付けピンの側面図。
【図８】本発明の実施形態によるレベリング支持脚部の斜視図。
【図９】本発明の実施形態による、インピンジメント冷却マニホルドに装着された取付けシステムの斜視図。
【図１０】本発明の実施形態による取付けシステムを用いてタービンのケーシングに装着されたインピンジメント冷却マニホルドの斜視図。
【符号の説明】
【００２３】
１１０  大型高出力タービン
１１２  圧縮機セクション
１１４  燃焼器セクション
１１６  タービンセクション
１１８  圧縮機ケーシング
１２０  タービンケーシング
１２２  タービンブレード
１２３  ブレード先端
１２６  シュラウド
１２８  間隙
１３０  ブロワ
１３２  流量制御ダンパ
１３４  相互連結配管
１３６  分配ヘッダ
１３８  絞り弁又はオリフィス
１４０  インピンジメント冷却マニホルド
１４２  上部プレート
１４４  供給管
１４６  下部プレート
１４７  ギャップ距離
１４８  インピンジメント孔
１５０  取付けピン
１５５  シュラウドピン
１６０  固定装置
１６５  設定ナット
１６７  固定ナット
１７０  レベリング支持脚部
１７２  レベリング調整ネジ
１７４  レベリング調整ナット
１７６  支持フランジ
２００  インピンジメント空気冷却システム
【図１】
2008240730.tif 000003
【図２】
2008240730.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008240730.tif 000008
【図７】
2008240730.tif 000009
【図８】
2008240730.tif 000010
【図９】
2008240730.tif 000011
【図１０】
2008240730.tif 000012