(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン段の一部分を構成する軸方向に離隔した動翼（２０，２２）が担持されているロータ（１２）と、外側コンテインメントシェル（３４）と、上記タービン段の他の部分を構成する静翼（２８，３０，３２）が担持されているロータ周囲の内側シェル（３６）であって軸方向に離隔したセクション（３８，４０）と上記タービン段の動翼チップの周囲に上記セクションによって担持されたシュラウド（４２，４４）とを含む内側シェル（３６）と、内側シェルの熱移動を制御するための熱媒体を流すため上記内側シェル内に形成された通路（４６，５６，５８，６２，６０，６８，４８）とを有するタービンの運転方法であって、当該方法が、
内側シェルの各セクション（３８，４０）内部に上記通路のうちの少なくとも部分的に周方向に延在する第１通路部分（４６，５８）を実質的に各タービン段の動翼の軸方向位置に形成する段階と、
上記第１通路部分（４６，５８）同士を接続する第１連絡通路（５６）を内側シェルに配設する段階と、
熱媒体を（ｉ）一方のセクション（４０）の第１通路部分（４６）、（ii）第１連絡通路（５６）及び（iii）他方のセクション（３８）の第１通路部分（５８）を通して流す段階と、
内側シェルの各セクション（３８，４０）内部に上記通路のうちの少なくとも部分的に周方向に延在する第２通路部分（６０，４８）を実質的に各タービン段の動翼の軸方向位置に形成する段階と、
第２通路部分（６０，４８）同士を接続する第２連絡通路（６８）を内側シェルに配設する段階と、
上記他方のセクション（３８）の第１通路部分（５８）と上記他方のセクション（３８）の第２通路部分（６０）とを接続してそられの間に熱媒体を流す段階と、
熱媒体を、（ｉ）上記他方のセクション（３８）の第２通路部分（６０）、（ii）第２連絡通路（６８）及び（iii）上記一方のセクション（４０）の第２通路部分（４８）を通して流す段階
とを含んでなり、もって内側シェルの半径方向の熱膨張収縮並びに各タービン段の動翼チップとシュラウドとのクリアランスを制御する、方法。
【請求項２】
前記一方のセクション（４０）がタービンの第２段に対応した軸方向位置に位置し、前記他方のセクション（３８）がタービンの第１段に対応した軸方向位置に位置しており、熱媒体を順次第２セクションから第１セクションに流し次いで第２セクションへと戻す、請求項１記載の方法。
【請求項３】
外側シェルに対する内側シェルの半径方向及び周方向の移動を防止しかつ外側シェルに対して内側シェルが半径方向に熱膨張及び収縮できるように内側シェルと外側シェルを互いに連結することを含んでなる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
タービンを定常状態で運転し、定常運転状態中に熱媒体の温度を制御して動翼チップとシュラウドとのクリアランスを制御することを含んでなる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
熱媒体の温度を制御するため、タービン運転とは独立の熱媒体源を配設することを含んでなる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
熱媒体源と通路の間に熱媒体を供給するためめ閉回路（５０，５４，７０，７２，７４）を配設することを含んでなる、請求項５記載の方法。
【請求項７】
タービン停止時に、内側シェルの収縮率をロータ及び動翼の収縮率よりも低く抑制してタービンチップとシュラウドとの接触を防止すべく、熱媒体の温度を制御することを含んでなる、請求項１記載の方法。
【請求項８】
タービン起動時に、ロータ及び動翼の熱膨張率以上の膨張率で内側シェルを熱膨張させてタービンチップとシュラウドとの接触を防止すべく、熱媒体の温度を制御することを含んでなる、請求項１記載の方法。
【請求項９】
熱媒体をタービン外の媒体源から受入れるための、前記通路と連通していて内側シェルと外側シェルの間に接続された入口（５０）を配設するとともに、熱媒体をタービンから排出するための、前記通路と連通していて内側シェルと外側シェルの間に接続された出口（５４）を配設することを含んでなる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記内側シェルが１対の内側シェル半部（３６Ｕ，３６Ｌ）を含でいてそれらの半部の間にミッドラインが画成され、前記通路が一方の内側シェル半部に配設され、前記一方のセクション（４０）の第１通路部分（４６）を上記一方の内側シェル半部の周沿いに略ミッドラインまで配設し、前記第１連絡通路の１対の第１連絡通路部分（５６）を軸方向に略ミッドラインに沿って配設し、前記他方のセクション（３８）の第１通路部分（５８）が、上記内側シェル半部のミッドラインから延在した１対の経路であって熱媒体を内側シェル半部の略周沿いに流すため上記１対の第１連絡通路部分の各々と連通した１対の経路を構成していて、上記１対の第１通路部分経路と上記他方のセクション（３８）における通路の１対の第２部分（６０）とを連通し、概して上記内側シェル半部のミッドラインに沿って延在した上記第２連絡通路の１対の第２連絡通路部分（６８）を前記他方のセクション（３８）の第２通路部分（４８）及び前記一方のセクション（４０）の第２通路部分と連通して配設し、前記一方のセクション（４０）の第１通路部分に熱媒体入口（５０）を配設し、前記一方のセクション（４０）の第２通路部分に熱媒体出口（５４）を配設し、もって前記通路が上記内側シェル半部内で閉回路を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
タービン段の一部分を構成する軸方向に離隔した動翼（２０，２２）が担持されているロータ（１２）と、外側コンテインメントシェル（３４）と、上記タービン段の他の部分を構成する静翼（２８，３０，３２）が担持されているロータ周囲の内側シェル（３６）であって上記タービン段の動翼チップを囲むシュラウドを含んでいる内側シェル（３６）と、内側シェルの熱移動を制御するための熱媒体を流すため上記内側シェル内に形成された通路（４６，５６，５８，６２，６０，６８，４８）とを有するタービンの運転方法であって、
熱媒体を順次、（ｉ）タービンの第２段の軸方向位置に部分的に対応した第１の軸方向位置にある内側シェルの通路部分（４６）を通して、（ii）第１の軸方向位置から内側シェルに沿って前方に（５６）、タービンの第１段の軸方向位置に部分的に対応した第２の位置にある内側シェルの通路部分（５８，６０）に、（iii）第２の軸方向位置から内側シェルに沿って後方に（６８）第１の軸方向位置にある内側シェルの通路部分（４８）へと流し、内側シェルの半径方向熱膨張収縮並びに第１及び第２段各々の動翼チップとシュラウドとのクリアランスを制御する、方法。
【請求項１２】
前記内側シェルが１対の内側シェル半部を含でいてそれらの半部の間にミッドラインが画成され、前記第１の軸方向位置にある通路部分に熱媒体用入口（５０）を配設し、上記入口からの熱媒体の流れを第１の軸方向位置で内側シェルに沿った弧状通路部分に分割し、熱媒体を弧状流路部分から複数の第１連絡通路（５６）の各々に沿って第２の軸方向位置まで流し、熱媒体を第２の軸方向位置にある通路部分（５８，６０）から複数の第２連絡通路部分（６８）に沿って第１の軸方向位置にある通路部分へと戻し、かつ熱媒体を第１の軸方向位置にある通路部分から受入れて内側シェルの外へと流す出口（５４）を配設する、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は概してガスタービンに関するものであり、具体的には、高温ガス流路部分の閉回路蒸気又は空気冷却を利用した陸上すなわち工業用ガスタービンに関するものであり、さらに具体的には、能動的な動翼チップクリアランス制御を提供すべく構成されたタービン内側及び外側シェルを有するガスタービンに関する。
【０００２】
【従来技術】
本願出願人に譲渡された米国特許第５６８５６９３号には、幾つかの段の静止部品を支持した内側シェルを取り囲むタービン外側シェルを有する陸上すなわち工業用ガスタービンが開示されている。具体的に、内側シェルは第１段及び第２段静翼、並びに第１段及び第２段シュラウドを支持している。外側シェルは第３段以降の静翼及びシュラウドを直接支持している。内側及び外側シェルは各々ロータ軸線を中心として周方向に延在する複数のセクション、好ましくは、各々１８０度をなす２つの周方向半部（上半部と下半部）として形成される。外側シェル上半部及び各内側シェル半部はそれぞれロータを取外さずにタービンから取外すことができ、保守及び補修のため高温ガス流路部分にアクセスできる。上記米国特許においては、内側シェルはピンによって支持されるが、ピンは、内側シェルと外側シェルの周方向・軸方向及び半径方向の相対的な移動を防ぐ一方でシュラウドと動翼チップとのクリアランス（間隙）を制御すべく内側シェルが外側シェルに対して半径方向に膨張収縮できるように、内側シェルと外側シェルの間に延在している。
【０００３】
上記米国特許では、クリアランス制御システムは、各内側シェル半部に１対のプレナムを含んでおり、プレナム同士は通路によって接続されている。具体的には、各々の内側シェル半部で、第１段シュラウド及び動翼チップの上方に位置する第１（すなわち前方）プレナムは冷却空気用の入口を有していて、冷却空気はこのプレナムを通って周方向に内側シェル半部のミッドラインまで流れる。直径方向反対側のミッドラインに沿って軸方向に延在する通路は、前方プレナムから後方に向かって延在し、第２段シュラウド及び動翼の上方に位置する同様の周方向に延在した後方プレナムへと至る。後方プレナムには出口が配設される。かくして、定常運転中の冷却空気は外部空気源から第１段プレナム入口へと供給され、同プレナム内を周方向に流れ、次いで軸方向にミッドラインに沿って流れ、さらに第２段プレナム内を周方向に流れて出口に達する。この熱回路に熱媒体を流すことで、熱媒体の流れに対応して内側シェルが半径方向に膨張収縮し得ることが判る。結局、第１段及び第２段の動翼チップに対して内側シェルの半径方向の相対的な熱膨張収縮を制御することによって、チップクリアランス制御が達成される。
【０００４】
【発明が解決しようとした課題】
しかしながら、本願出願人によるさらに最新鋭のガスタービン設計の出現に伴って、内側シェル冷却回路を改良する必要性のあることが判明した。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によれば、先進ガスタービン設計には１対の内側シェル半部を有する内側シェルが含まれており、当該半部の各々はプレナムを具備した前方セクションと後方セクションとを有していて、熱媒体を一方のセクションに供給すると軸方向に他方のセクションへと流れ、次いで上記一方のセクションへと戻るようなっている。具体的には、各内側シェル半部に関して、熱媒体は入口から供給されて第１内側シェル半部セクションの第１プレナム内を周方向に流れ、第２セクションの第１プレナムと連通している第１組の連絡通路を通して略軸方向に流れた後第２セクションの第１プレナム内を周方向に流れる。第２セクションの第１プレナムは第２セクションの第２プレナムと連通していて、そのため流れは反転して第２セクションの周沿いに流れ、次いで内側シェル半部のミッドラインに沿った第２組の軸方向連絡通路を通して第１セクションの第２プレナムへと流れる。流れは第１セクションの第２プレナム内の周方向に延在する第２通路部分へと入り、排出されて熱媒体供給源へと戻る。
【０００６】
好ましくは、熱媒体供給源はタービン運転とは独立の補助熱媒体源からなり、かくして熱媒体の温度をタービンとは独立して制御できる。熱媒体を上記回路に流すことにより、タービン起動時にタービンチップとシュラウドとが接触しないようにロータ及び動翼の熱膨張率以上の膨張率で内側シェルを熱膨張させることができるとともに、タービン停止時にタービンチップとシュラウドとが接触しないように内側シェルの収縮率をロータ及び動翼の収縮率よりも低く抑制することができる。定常運転中は、熱媒体の温度を制御することで内側シェルを適宜膨張又は収縮させてシュラウドと動翼チップのクリアランスを最小限とし、タービン効率を向上させる。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、タービン段の一部分を構成する軸方向に離隔した動翼が担持されているロータと、外側コンテインメントシェルと、上記タービン段の他の部分を構成する静翼が担持されているロータ周囲の内側シェルであって軸方向に離隔した複数のセクションと上記タービン段の動翼チップの周囲に上記セクションによって担持されたシュラウドとを含む内側シェルと、内側シェルの熱移動を制御するための熱媒体を流すため上記内側シェル内に形成された通路とを有するタービンの運転方法であって、当該方法が、内側シェルの各セクション内部に上記通路の少なくとも部分的に周方向に延在する第１部分を実質的に各タービン段の動翼の軸方向位置に形成する段階と、上記第１通路部分同士を接続する第１連絡通路を内側シェルに配設する段階と、熱媒体を（ｉ）一方のセクションの第１通路部分、（ii）第１連絡通路及び（iii）他方のセクションの第１通路部分を通して流す段階と、内側シェルの各セクション内部に上記通路の少なくとも部分的に周方向に延在する第２部分を実質的に各タービン段の動翼の軸方向位置に形成する段階と、第２通路部分同士を接続する第２連絡通路を内側シェルに配設する段階と、上記他方のセクションの第１通路部分と上記他方のセクションの第２通路部分とを接続してそれらの間に熱媒体を流す段階と、熱媒体を、（ｉ）上記他方のセクションの第２通路部分、（ii）第２連絡通路及び（iii）上記一方のセクションの第２通路部分を通して流す段階とを含んでなり、もって内側シェルの半径方向の熱膨張収縮並びに各タービン段の動翼チップとシュラウドとのクリアランスを制御する、方法が提供される。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態では、タービン段の一部分を構成する軸方向に離隔した動翼が担持されているロータと、外側コンテインメントシェルと、上記タービン段の他の部分を構成する静翼が担持されているロータ周囲の内側シェルであって上記タービン段の動翼チップを囲むシュラウドを含んでいる内側シェルと、内側シェルの熱移動を制御するための熱媒体を流すため上記内側シェル内に形成された通路とを有するタービンの運転方法であって、熱媒体を順次、（ｉ）タービンの第２段の軸方向位置に部分的に対応した第１の軸方向位置にある内側シェルの通路部分を通して、（ii）第１の軸方向位置から内側シェルに沿って前方に、タービンの第１段の軸方向位置に部分的に対応した第２の位置にある内側シェルの通路部分に、（iii）第２の軸方向位置から内側シェルに沿って後方に第１の軸方向位置にある内側シェルの通路部分へと流し、内側シェルの半径方向熱膨張収縮並びに第１及び第２段各々の動翼チップとシュラウドとのクリアランスを制御する、方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
添付図面、特に図１を参照すると、本発明に係るガスタービンの一部が図示されている。タービンはロータ１２（図にはその一部のみを示した）を含んでおり、ロータ１２はタービン翼車１４，１６、１８を含んでいて、各翼車は周方向に並んだ動翼を担持している。図には、翼車１４，１６の動翼２０，２２を示した。翼車と翼車の間にはスペーサ又はディスク２４，２６が介在していて、翼車とスペーサの列はボルト２６で一つに固定されてロータ１２を構成する。静翼は同様に周方向に並べたものを複数の列にして翼車の動翼と交互に配置する。図には、静翼２８，３０，３２を示した。タービン第１段は静翼２８と動翼２０を含んでいて、同様に、第２段は静翼３０と動翼２２を、第３段は静翼３２と翼車１８の動翼を含んでいるが、その構成はガスタービンの段数による。
【００１０】
ガスタービンは外側コンテインメントシェル３４と内側シェル３６とを備えている。外側シェル及び内側シェルは各々水平ミッドラインに沿って結合された２つの半円形部分に分けて構成されており、図には、外側及び内側シェルの各上半部を示してある。内側シェル３６には前方シェルセクション３８と後方シェルセクション４０が含まれており、外側シェル３４との相対的な半径方向の膨張又は収縮ができるようにピン３７で装着されている。内側シェルと外側シェルを互いに装着するピンの構成は米国特許第５６８５６９３号に記載されており、その開示内容は文献の援用によって本明細書に取り込まれる。前方シェル及び後方シェルにそれぞれ担持されたシュラウド４２，４４のクリアランスが調節できるように、内側シェルがロータに対して制御された形で半径方向（例えば、図３の矢印の方向）に膨張及び収縮し得ることを述べておけば十分であろう。かくして、内側シェルは、各段の動翼（すなわち動翼２０，２２）のチップ（翼先端）に対する半径方向の相対位置を調整し得る。また、図３に概略を示した通り、内側シェル及び外側シェルの各々は、水平ミッドラインＭまで延在する１対のシェル半部で構成されていて、このミッドラインＭにおいて、外側シェルの上半部３４Ｕと下半部３４Ｌとが互いにボルト止めされ、かつ内側シェルの上半部３６Ｕと下半部３６Ｌとが互いに固定される。
【００１１】
後方セクション４０は、軸方向に離隔した１対の周方向に延在する第１通路部分４６と第２通路部分４８を含んでいる。熱媒体入口５０（図４）は中空スプーリー５２（図１）によってプレナムつまり通路部分４６と連通して配設されており、スプーリー５２は後述の熱媒体源と連通している。第１及び第２通路部分４６，４８は後方セクション４０の円周に沿って内側シェル半部のミッドライン近くまで延在している。入口５０は好ましくは内側シェル半部の分割線の中央に配設される。使用済み冷却熱媒体用出口５４（図４）が後方セクション４０の第２通路部分４８と連通して配設されていて、使用済み冷却媒体を外部源へと戻す。
【００１２】
後方セクション４０の第１通路部分４６は１対の第１連絡通路５６と連通していて、第１連絡通路５６は内側シェル半部の分割線に沿って軸方向前方に延在し、前方セクション３８の第１通路部分５８と連通している。前方セクション３８の第１通路部分５８はミッドライン通路５６から周方向に中間部まで延在していており、クロスオーバー経路６２，６４（図４）を介して前方セクション３８の第２通路部分６０と連通している。前方セクション３８の第２通路部分６０はクロスオーバー経路６２，６４から内側シェル半部のミッドラインまで延在していて、軸方向逆向きに延在する第２連絡通路６８と連通しており、第２連絡通路６８は後方セクション４０の第２通路部分４８と連通している。上記の通り、第２通路部分４８は出口５４と連通している。
【００１３】
図３を参照すると、タービンの運転状態に応じて冷却用又は加熱用空気を内側シェルに供給するための外部装置つまりタービン外の装置が示してある。例えば、空気の冷却及び加熱を選択的に行うため、タービン外スキッドに圧縮機と付属熱交換器７２，７４を配設し得る。例えば、タービン起動時には、内側シェルを半径方向に膨張させてシュラウドを動翼チップよりも半径方向外方に変位させるため、加熱空気を加熱器７２から入口５０に供給して内側シェル半部の各通路内を循環させればよい。こうすれば、内側シェルはロータよりも加熱度が大きくなり、起動時のシュラウドと動翼チップのクリアランスが適切に維持されることが判る。定常運転中は、内側シェルに供給される空気の温度を調整して内側シェルを動翼チップに対して収縮又は膨張させれば、シュラウドと動翼チップのクリアランスを最小限としてタービン運転の効率を向上させることができる。タービン停止時は、タービンチップとシュラウドとが接触しないように内側シェルの収縮率をロータ及び動翼の収縮率よりも低く保つことが重要である。かかる目的のため、停止時にチップクリアランス制御が維持されるように熱媒体の温度を調整すればよい。
【００１４】
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で特定した技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンの一部の部分断面図であり、内側及び外側シェルの部分を示す。
【図２】  内側シェルの部分の拡大断面図である。
【図３】  内側シェルと外側シェルの間のピン連結位置を示す軸方向平面にみた概略図である。
【図４】  熱媒体を外部源から内側シェルへと流し内側シェルから外部源へと戻す熱媒体の流れ回路を示す概略図である。
【図５】  内側シェルについての流れ回路の概略図である。
【符号の説明】
１２  ロータ
２０，２２  動翼
２８，３０，３２  静翼
３４  外側シェル
３４Ｕ  外側シェル上半部
３４Ｌ  外側シェル下半部
３６  内側シェル
３６Ｕ  内側シェル上半部
３６Ｌ  内側シェル下半部
３８  内側シェル前方セクション
４０  内側シェル後方セクション
４２，４４  シュラウド
４６  後方セクションの第１通路部分
４８  後方セクションの第２通路部分
５０  熱媒体入口
５４  熱媒体出口
５６  第１連絡通路
５８  前方セクションの第１通路部分
６０  前方セクションの第２通路部分
６２，６４  クロスオーバー経路
６８  第２連絡通路
７０  圧縮機
７２，７４  熱交換器
【図１】
0004489243.tif 000002
【図２】
0004489243.tif 000003
【図３】
0004489243.tif 000004
【図４】
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【図５】
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