(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流ターボ機械であって、
ローターブレード翼列であって、このローターブレード翼列は、半径方向外側の囲まれていないブレードチップ(８)を備えたローターブレード(５)から形成されており、各場合に、これは前記軸流ターボ機械(１)の軸線に対して傾斜した状態で延在しているローターブレード翼列と、
ケーシング(２)であって、その中に前記ローターブレード翼列が設置されると共に、その内面(３)によって前記軸流ターボ機械(１)の主流動路(４)を形成しているケーシング(２)と、
ステーターブレードキャリア(１０)であって、前記ローターブレード翼列を取り囲み、前記ケーシング(２)の前記内面(３)に組み込まれ、かつ、半径方向内側環状内面(１１)を有し、それを用いて、前記ケーシング(２)の前記内面(３)には前記主流動路(４)が延在しており、前記ステーターブレードキャリア(１０)は、前記ブレードチップ(８)に直に隣接して配置されて、前記ブレードチップ(８)の包絡面と前記環状内面(１１)との間に半径方向ギャップ(１２)を形成しているステーターブレードキャリア(１０)と、
を有し、
前記環状内面(１１)は前記ブレードチップ(８)と本質的に平行に延在しており、かつ、前記ステーターブレードキャリア(１０)は、それが前記軸流ターボ機械(１)の前記軸線と平行に変位可能である様式で前記ケーシング(２)内に設けられており、
前記ケーシング(２)の、および前記ステーターブレードキャリア(１０)の接触面上で支持され、かつ、前記軸流ターボ機械(１)の前記軸線を中心として回転可能な調整リング(１６)が設けられており、
前記調整リング(１６)と前記ケーシング(２)との前記接触面、および、前記調整リング(１６)と前記ステーターブレードキャリア(１０)との前記接触面のうちの少なくとも一方は、前記調整リング(１６)が前記軸流ターボ機械(１)の前記軸線を中心として回転させられた場合に前記ステーターブレードキャリア(１０)が前記調整リング(１６)によって軸方向に変位することができるように、前記軸流ターボ機械(１)の前記軸線と直交する平面に対して傾斜させられていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項２】
前記ステーターブレードキャリア(１０)は、外側に開口する環状スロット(９)を備えた、半径方向外側に延在する、取り囲んでいるステーターブレードキャリア段部(１３)を有し、前記環状スロット(９)内には、半径方向内側に延在する、取り囲んでいるケーシング段部(１４)が係合しており、
前記調整リング(１６)は、前記ステーターブレードキャリア段部(１３)と前記ケーシング段部(１４)との間で前記環状スロット(９)内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流ターボ機械。
【請求項３】
前記調整リング(１６)は前記環状スロット(９)の前記基底に当接しており、この結果、前記調整リング(１６)は、回転の間、前記環状スロット(９)によって半径方向に支持されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の軸流ターボ機械。
【請求項４】
前記調整リング(１６)と前記ケーシング段部(１４)との間に、前記ケーシング段部(１４)に取り付けられ、かつ、前記ステーターブレードキャリア(１０)の軸方向変位のために前記調整リング(１６)と相互作用する固定リング(１５)が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の軸流ターボ機械。
【請求項５】
前記固定リング(１５)は、前記調整リング(１６)に面するその側において、第１の鋸歯輪郭(１７)を有し、かつ、前記調整リング(１６)は、前記固定リング(１５)に面するその側において、第２の鋸歯輪郭(１８)を有し、前記鋸歯輪郭(１７,１８)は互いに噛み合い、かつ、前記調整リング(１６)が軸方向に回転させられたときに前記ステーターブレードキャリア(１０)が軸方向に変位させられるように互いに接してスライド可能であることを特徴とする請求項４に記載の軸流ターボ機械。
【請求項６】
前記固定リング(１５)は、形状嵌合様式(２０,２１)で前記ケーシング段部(１４)に取り付けられることを特徴とする請求項５に記載の軸流ターボ機械。
【請求項７】
前記調整リング(１６)は、前記鋸歯輪郭(１７,１８)間に設けられる転がりベアリングによって、前記固定リング(１５)上で支持されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の軸流ターボ機械。
【請求項８】
プレテンションデバイスが前記環状スロット(９)内に設けられており、前記プレテンションデバイスは、前記ケーシング(２)の上で支持されており、かつ、前記プレテンションデバイスによって前記ステーターブレードキャリア段部(１３)が前記調整リング(１６)に対して常時押し付けられるように前記調整リング(１６)に対する反作用によって前記ステーターブレードキャリア段部(１３)に作用するようになっていることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の軸流ターボ機械。
【請求項９】
前記プレテンションデバイスは、好ましくは、螺旋スプリング(１９)であることを特徴とする請求項８に記載の軸流ターボ機械。
【請求項１０】
前記環状内面(１１)は主流動方向と反対方向に先細になっており、かつ、前記調整リング(１６)は、上流側において前記ケーシング段部(１４)上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の軸流ターボ機械。
【請求項１１】
前記プレテンションデバイスは、下流側面において、前記ケーシング段部(１４)上に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の軸流ターボ機械。
【請求項１２】
前記調整リング(１６)を調整するために、調整ロッドおよび液圧ラムの少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の軸流ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向に変位可能なステーターブレードキャリアを備えた軸流ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流ターボ機械においては、ローターブレードとケーシングとの間の半径方向ギャップは熱効率の甚大な損失につながる。可能な限り高い効率を実現するために、軸流ターボ機械の全ての作動ポイントにおいて、可能な限り小さな半径方向ギャップを維持することが望ましい。軸流ターボ機械は、たとえばガスタービンである。ガスタービンの始動および停止の間、半径方向ギャップは時間の経過と共に変化する。さらに、半径方向ギャップは、ガスタービンの部分負荷運転から全負荷運転への切り替えの間にも変化する。ガスタービンは、従来、半径方向ギャップがその最小値に設定される作動ケースのために半径方向ギャップが十分に大きな寸法を有するように設計され、この結果、事実上、ローターブレードとケーシングとの間には接触が生じない。この結果、ガスタービンの連続運転の間、無用に大きな半径方向ギャップを、この稼働状態のために設ける必要が生じ、これは著しい効率ロスにつながる。
【０００３】
半径方向ギャップの時間ベース変化は、ガスタービンの個々のコンポーネントの、特にローター、ローターブレードおよびケーシングの異なる熱慣性挙動の結果である。さらに、半径方向ギャップの時間ベース変化によって、特にローターブレードの遠心伸び、ローターの横方向の収縮、特にガスタービンの対応する作動状況の間の軸方向スラストの反転に関連するローターのスラストベアリングにおける生じ得る遊び、組み立てに関連するプレストレスおよびケーシングの不均一な加熱の結果として起こり得るケーシングの楕円化が生じる。
【０００４】
それゆえ、半径方向ギャップのギャップ幅を調整するためにステーターブレードキャリアを変位させることが知られている。たとえば、特許文献１は、半径方向にステーターブレードキャリアを変位させるための調整機構を開示している。このために、８個の長手方向に延在するＴ字形セグメントキャリアが軸流タービンの周囲に割り当てられ、ステーターブレードキャリアは、形状嵌合様式でその内側端部に掛止される。全てのブレードキャリアの同期的長手方向変位を、ステーターブレードキャリアの半径方向変位へと変換するために、セグメントキャリアのフランジの、そしてステーターブレードキャリアのフランジの互いに当接状態にある表面は鋸歯状形状のものである。この場合、一つには、機械軸線に対してステーターブレードキャリアの傾動を回避するために全てのセグメントキャリアが常に同期的に移動させられることになる点が不利である。他方、ステーターブレードキャリアは周方向に分割された様式で設計される必要があり、ここで、ステーターブレードキャリアの個々のセグメントは、半径方向に変位可能であるように向き合って配置され、ギャップを形成する。ステーターブレードキャリアのセグメント間のギャップのシーリングは、したがって非常にコストがかかる。
【０００５】
さらに、たとえば、ローターブレードチップと対向するように存在するガスタービンのシュラウドリングを軸方向に変位させることが、特許文献２から知られている。シュラウドリングの軸方向変位のために、これは、シュラウド側において円錐形状のものである。シュラウドリング上に嵌る結合リングもまた、内側において円錐状に形成される。二つの円錐面間に、軸方向に対して、ある角度をなすように配置された円筒形転がり要素が設けられる。シュラウドリングに対する結合リングの相対的回転の結果、ローターブレードのブレードチップとシュラウドリングとの間の半径方向ギャップを調整することができる。この場合、結合リング(これは相対的に厚い壁厚を伴って構成される)は、シュラウドリング(これは相対的に薄い壁厚を伴って構成される)を弾性変形の意味で変形させ、したがって、回転の結果として、シュラウドリングの直径を調整することができ、この結果として、シュラウドリングとローターブレードリングとの間のギャップを調整できる。この例では、シュラウドリングが弾性的に変形することが不利である。さらに、周方向に均一であるギャップ設定は、互いに距離を置いて割り当てられた転がり要素のために条件付きでのみ可能である。
【０００６】
さらに、半径方向のギャップ調整のために、液圧ピストンによるタービンのガイドコンポーネントの軸方向変位が特許文献３から知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許発明第1 426 818号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第10 2007 003 028号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第1 249 577号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高い熱効率を発揮する軸流ターボ機械を実現することであり、その半径方向ギャップセッティングのためのデバイスは、比較的簡素で、信頼性が高く、そして正確である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に基づく軸流ターボ機械は、ローターブレード翼列であって、このローターブレード翼列は、半径方向外側の囲まれていないブレードチップを備えたローターブレードから形成されており、各場合に、これは軸流ターボ機械の軸線に対して傾斜した状態で延在しているローターブレード翼列と、ケーシングであって、その中にローターブレード翼列が設置されると共に、その内面によって軸流ターボ機械の主流動路を形成しているケーシングと、ステーターブレードキャリアであって、ローターブレード翼列を取り囲み、ケーシングの内面に組み込まれ、かつ、半径方向内側環状内面を有し、それを用いて、ケーシングの内面には主流動路が延在しており、ステーターブレードキャリアは、ブレードチップに直に隣接して配置されて、ブレードチップの包絡面と環状内面との間に半径方向ギャップを形成しているステーターブレードキャリアとを有し、環状内面はブレードチップと本質的に平行に延在しており、かつ、ステーターブレードキャリアは、それが軸流ターボ機械の軸線と平行に変位可能である様式でケーシング内に設けられており、かつ、ケーシングの、およびステーターブレードキャリアの接触面上で支持され、かつ、軸流ターボ機械の軸線を中心として回転可能な調整リングをさらに有し、調整リングの、およびケーシングの、および／またはステーターブレードキャリアの接触面は、調整リングが軸流ターボ機械の軸線を中心として回転させられた場合にステーターブレードキャリアが調整リングによって軸方向に変位することができるように、軸流ターボ機械の軸線と直交する平面に関して限界的に設定されている。
【００１０】
たとえば、軸流ターボ機械が軸流コンプレッサーである場合、半径方向ギャップに関する重要な作動状態は高温始動の間である。たとえば、軸流ターボ機械が軸流タービンである場合、半径方向ギャップに関する重要な作動状態は低温始動の間である。ケーシングのコンポーネントが相応に暖められ、かつ、始動後に、より大きな直径へと熱膨張してしまうまで、ローターブレードのブレードチップがケーシングと擦れ合うリスクが存在する。その間に小さな半径方向ギャップを期待できる重要な作動段階は、約５ないし１０分である。本発明に基づいて、軸流ターボ機械において軸方向に変位可能であるように設計され、かつ、調整リングによって軸方向に変位可能であるステーターブレードキャリアは、対応策を提供する。環状内面およびブレードチップが軸方向の軸線に対して傾斜した様式で配置されているという事実に起因して、ステーターブレードキャリアの対応する軸方向変位によって、半径方向ギャップを変化させることができる。したがって、調整リングの適当な作動によって、半径方向ギャップの寸法を、軸流ターボ機械の相応に支配的な作動状態(可能な限り小さな半径方向ギャップが常に目標とされることになる)に瞬時に適合させることができる。この結果、熱効率は軸流ターボ機械の全ての稼働状態において高いものとなる。
【００１１】
本発明に基づいて軸流ターボ機械の半径方向ギャップを成形する場合、低温始動中の「ピンチポイント」の基準の考慮が不要となる。本発明に基づく軸流ターボ機械はまた、この軸流ターボ機械の稼働中に、半径方向ギャップを調整するための既存のデバイスを付加的に有することができ、この結果、既存のデバイスおよび調整リングの本発明に基づく機能を、ステーターブレードキャリアの適切な軸方向変位のために、同時に、並行して働かせることができる。コンポーネントの予熱が行われた結果、軸流ターボ機械の始動段階が完了した後、ステーターブレードキャリアは、調整リングの対応する動作によって、その本来の始動ポジションへと戻ることができる。重要な動作段階の間のみ、ステーターブレードキャリアを相応に変位させることができる。
【００１２】
ステーターブレードキャリアは、外側に開口する環状スロットを備えた、半径方向外側に延在する、取り囲んでいるステーターブレードキャリア段部を有し、その中には、半径方向内側に延在する、取り囲んでいる、ケーシング段部が係合し、調整リングが、ステーターブレードキャリア段部とケーシング段部との間で環状スロット内に配置される。調整リングは、好ましくは、環状スロットの基底に当接し、この結果、調整リングは、回転中、環状スロットによって半径方向に支持される。調整リングとケーシング段部との間に、ケーシング段部に固定されかつステーターブレードキャリアの軸方向変位のために調整リングと相互作用する固定リングが設けられることが好ましい。
【００１３】
固定リングは、調整リングに面するその側で、第１の鋸歯輪郭を有し、かつ、調整リングは、固定リングに面するその側で、好ましくは、第２の鋸歯輪郭を有し、鋸歯輪郭は互いに噛み合い、かつ、調整リングが軸方向に回転させられたときにステーターブレードキャリアが軸方向に変位させられるように互いに接してスライド可能である。二つのリングの鋸歯輪郭の結果として、軸方向に可変なディメンジョンが、ケーシング段部とステーターブレードキャリア段部との間に創出される。この結果、調整リングを作動させることによって、ステーターブレードキャリアは軸方向に変位させることができる。
【００１４】
固定リングは、好ましくは、形状嵌合様式で、ケーシング段部に固定される。固定リングの形状嵌合固定は、半径方向に延在するスロットによって実現できるが、たとえば、これは、ケーシング段部に設けられ、かつ、その中には、固定リングの相応に適合設計された突起が係合する。この結果、固定リングは、周方向に関して、ケーシング段部に固定される。
【００１５】
調整リングは、好ましくは、鋸歯間に設けられた転がりベアリングによって固定リング上で支持される。転がりベアリングの回転軸線は、ターボ機械の半径方向に存在する。転がりベアリングによって、調整リングの動作中の鋸歯輪郭の摩擦および損耗が最小限に抑えられ、この結果、調整リングおよび固定リングの耐用年数を延ばすことができる。
【００１６】
好ましくは、ケーシング上で支持され、かつ、プレテンションデバイスによってステーターブレードキャリア段部が調整リングに対して常時押し付けられるように調整リングに対する反作用によってステーターブレードキャリア段部に作用するプレテンションデバイスが環状スロット内に設けられる。したがって、対応する復元力の結果として引き起こされる、ステーターブレードキャリアの復元動作は、プレテンションデバイスによってもたらすことができ、その結果、ステーターブレードキャリアを、調整リングによって軸方向に前後に確実に動作させることができる。プレテンションデバイスは、好ましくは、螺旋スプリングである。
【００１７】
環状内面は、好ましくは、主流動方向と反対方向に先細となっており、そして調整リングは、好ましくは、上流側においてケーシング段部上に配置される。したがって、調整リングによる主流動方向へのステーターブレードキャリアの変位の間、押圧力を上記主流動方向に加えることができる。下流側においては、プレテンションデバイスは、好ましくは、ケーシング段部上に配置される。調整リングを調整するために、好ましくは、調整ロッドおよび／または液圧ラムが設けられる。
【００１８】
以下、本発明に基づく軸流ターボ機械の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】基部セクションにおいては本発明に基づくステーターブレードキャリアを通る長手方向断面を示し、そして上部セクションにおいては本発明に基づくステーターブレードキャリアを通る半径方向断面を示している。
【図２】従来の軸流ターボ機械を通る長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図２に、従来型のタービンの軸流ターボ機械１０１を示す。この軸流ターボ機械１０１は内面３を備えたケーシング２を有するが、これによって主流動路４が形成されている。主流動路４内にはローターブレードリングが配置されており、これは、周方向に分散した状態で配置された複数のローターブレード５から形成されている。ローターブレード５のそれぞれは、上流側に前縁６を、そして下流側に後縁７を有する。外側に向かって半径方向に、ローターブレード５はブレードチップ８によって範囲が画定される。主流動路４は、図２における主流動路において左から右へと貫流にさらされるが、ここで、主流動路４は主流動方向に拡大している。この結果、ケーシング２の内面３は、軸流ターボ機械１０１の軸線２２に対して傾斜した状態で配置される。
【００２１】
ブレードチップ８の領域において半径方向に、ステーターブレードキャリア１０がケーシング２内に設けられている。軸流ターボ機械１０１の軸線２２に面して、ステーターブレードキャリア１０は、ブレードチップ８と平行に延在する環状内面１１を有する。半径方向ギャップ１２が、環状内面１１とブレードチップ１０との間に形成される。ステーターブレードキャリア１０は、半径方向外側に延在する段部１３を有し、これは外側に開口する、取り囲んでいる環状スロット９を有する。環状スロット９内には、半径方向内側に延在しかつ取り囲んでいる段部１４が係合しているが、これはケーシング２に設けられている。ステーターブレードキャリア１０は、このステーターブレードキャリア１０が動かないように、固定手段によって、ケーシング段部１４に固定される。
【００２２】
図１には、本発明に基づく軸流ターボ機械の細部を示す。本発明に基づく軸流ターボ機械は、図２に示すような従来の軸流ターボ機械１０１とは、ステーターブレードキャリア１０が、軸方向に変位可能な様式でケーシング段部１４上に配置されている点で相違する。さらに、従来の軸流ターボ機械１０１とは対照的に、本発明に基づく軸流ターボ機械１の場合には、環状スロット９は軸方向により幅広な形状を有し、固定リング１５および調整リング１６が、ケーシング段部１４の上流側で環状スロット９内に付加的に配置されている。固定リング１５および調整リング１６は並列配置状態で環状スロット９内に設けられており、固定リング１５および調整リング１６は、環状スロット９の基底において、その内径によって半径方向に支持されている。
【００２３】
固定リング１５は、調整リング１６に面するその環状に形成された側に、第１の鋸歯輪郭１７を有し、そのエッジは半径方向に延在している。固定リング１５に面する調整リング１６の環状に形成された面には、第２の鋸歯輪郭１８が、第１の鋸歯輪郭１７の相手方として形成されている。調整リング１６は、第２の鋸歯輪郭１８とは逆方向を向くその側に平坦な環状面を有し、これは、環状スロット９の側壁に、ぴったりと当接している。固定リング１５は、鋸歯輪郭１７とは逆方向を向くその側に平坦な環状面を有し、これはケーシング段部１４に当接しているが、ここで、突起２１がこの環状面から突出しており、かつ、ケーシング段部１４に設けられた溝２０内に係合している。溝２０および突起２１は周方向の形状嵌合接続部を形成し、この結果、突起２１によって、固定リング１５は、周方向に関して、ケーシング段部１４上に固定される。
【００２４】
調整リング１６は、固定リング１５に対して、環状スロット９内で回転可能に支持される。図１に示す矢印２３によって指示される方向への固定リング１５に対する環状スロット９内での調整リング１６の回転の間、第２の鋸歯輪郭１８は第１の鋸歯輪郭１７に対して変位させられる。
【００２５】
鋸歯輪郭１７および１８の斜め設定フランクによって、調整リング１６に関する固定リング１５の可変軸方向ポジションが、調整リング１６の回転の間に創出される。固定リング１５が主流動方向において軸方向にケーシング段部１４上で支持されるという事実によって、調整リング１６は、鋸歯輪郭１７および１８の相互変位の結果として、固定リング１５によって主流動方向とは逆向き軸方向に変位させられる。ステーターブレードキャリア段部１３上での環状スロット９内の調整リング１６の軸方向支持によって、ステーターブレードキャリア１０は、主流動方向とは逆向きにケーシング２内で軸方向に変位させられる。この結果、半径方向ギャップ１２が増大する。
【００２６】
これとは逆に、調整リング１６が図１に示す矢印２３とは反対方向に移動する場合、鋸歯輪郭１７,１８は、より緊密な係合状態となり、その結果、固定リング１５の、そして調整リング１６の軸方向の範囲は、より小さくなる。固定リング１５とは逆方向に面するケーシング段部１４の側において、二つの螺旋スプリング１９が環状スロット９内に配置されており、かつ、ステーターブレードキャリア段部１３およびケーシング段部１４の両方の上で支持されている。この結果、ステーターブレードキャリア１０に対して螺旋スプリング１９によって加えられる押圧力は、主流動方向に作用する。この押圧力は、ステーターブレードキャリア１０のための復元力として機能し、この結果、調整リング１６と共に固定リング１５の軸方向範囲が調整リング１６の回転の結果として減少させられる場合、ステーターブレードキャリア１０は調整リング１６に追従することができる。したがって、ステーターブレードキャリア１０は主流動方向に変位させられ、そして半径方向ギャップ１２は減少する。
【００２７】
環状スロット９の基底は、軸流ターボ機械１の軸線と平行に形成され、かつ、ケーシング段部１４の半径方向内側エッジは環状スロット９の基底に当接し、この結果、ステーターブレードキャリア１０が、調整リング１６の調整によって、軸方向に前後に移動させられる場合、ステーターブレードキャリア１０はケーシング段部１４上で半径方向に支持される。
【符号の説明】
【００２８】
２  ケーシング
３  内面
４  主流動路
５  ローターブレード
６  前縁
７  後縁
８  ブレードチップ
９  環状スロット
１０  ステーターブレードキャリア
１１  環状内面
１２  半径方向ギャップ
１３  段部
１４  段部
１５  固定リング
１６  調整リング
１７  第１の鋸歯輪郭
１８  第２の鋸歯輪郭
１９  螺旋スプリング
２０  溝
２１  突起
２２  軸線
１０１  軸流ターボ機械
【図１】
0005346118.tif 000002
【図２】
0005346118.tif 000003