(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心な関係の外側構造シェル（１２）と内側シェル（１４）とを備え、
前記内側シェル（１４）が前記外側シェル（１２）に連結され、かつ外側シェルにより包囲されており、内側シェルが１タービン段のノズル（１６，１８）およびシュラウド（４６，４８）を保持し、前記シュラウドが前記内側シェル内でタービンロータ（２０）により保持されたバケットの先端（２８，３０）を包囲しており、
複数の連結部材（５４）が前記内側シェルおよび外側シェル間に係合し、内側シェルをロータのまわりに心合わせし、前記連結部材は内側シェルにロータの軸線方向でクリアランスを与えるように係合し、このクリアランスは、前記内側シェルの前記ロータのまわりでの同心性を維持しながら、外側シェルに対する内側シェルの軸線方向の成長差を許容するものであり、前記連結部材が、前記ロータの軸線方向に平行な軸線を有する円筒の表面部分により形成された円周方向に面する側面を有する
ことを特徴とするタービン。
【請求項２】
前記内側シェル（１４）が、そのまわりに円周方向に離間した、前記連結部材の一部分を収容する複数の凹所（５０，５２）を有する、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記連結部材（５４）が、前記内側シェルに係合しかつ内側シェルと線接触をなす円周方向に面する円弧状側面を有する、請求項１に記載のタービン。
【請求項４】
前記連結部材（５４）が、前記内側シェルに係合し、半径方向または軸線方向荷重を分担することなく、接線方向荷重を分担する、請求項１に記載のタービン。
【請求項５】
前記連結部材（５４）が、半径方向または軸線方向荷重を分担することなく、前記内側シェルの重量および前記ノズルへの空気力学的荷重に応答するトルクを接線方向の荷重として分担する、請求項１に記載のタービン。
【請求項６】
前記内側シェル（１４）が前方シェルセクションおよび後方シェルセクションを含み、前記複数の円周方向に離間した連結部材が前方シェルセクションおよび後方シェルセクションそれぞれに係合し、内側シェルをロータのまわりに心合わせする、請求項１に記載のタービン。
【請求項７】
前記外側シェルと前方シェルセクションとを連結する前記連結部材（５４）が内側シェルとなす軸線方向のクリアランスが、連結部材および内側シェル後方セクションの間の軸線方向のクリアランスより大きい、請求項８に記載のタービン。
【請求項８】
前記内側シェル（１４）がそのまわりに円周方向に離間された、半径方向外向きに開口する複数個の直線状の凹所（５０，５２）を有し、前記連結部材は、前記凹所にはまる直線状断面を有する半径方向内向き突出部（６６）を含み、前記凹所の長辺の少なくとも一つおよび前記突出部の隣接する長辺がロータの軸線の方向において互いに離間している、請求項１に記載のタービン。
【請求項９】
前記突出部（６６）が、前記内側シェルに係合しかつ内側シェルと線接触をなす円周方向に面する円弧状側面を有する、請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
前記各連結部材（５４）が、前記連結部材を前記外側シェルに固定するためのボルトを受け入れる複数のボルト穴を有するボルト円部を含み、前記ボルトの少なくとも１本のまわりにかつ前記ボルト円部内の対応するボルト穴内に割りスリーブが配置された、請求項１に記載のタービン。
【請求項１１】
前記内側シェル（１４）がそのまわりに円周方向に離間された、半径方向外向きに開口する複数個の円形のアパーチャを有し、これらの円形アパーチャ内に円形のブッシングが配置され、各ブッシングが連結部材を受け入れる前記凹所（５０，５２）を形成する直線状の開口を有する、請求項１に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、タービン、特に発電用の据え置き型工業用タービンに関する。さらに詳しくは、この発明は、内側および外側タービンシェル間に支持ピンが配置され、これらの支持ピンがシェルの半径方向および軸線方向の熱膨張・収縮を可能にしながらこれらシェルを互いに固定する構成のガスタービンに関する。
【０００２】
【発明の背景】
本出願人に譲渡された米国特許第５，６８５，６９３号に記載された工業用ガスタービンは内側シェルと外側シェルを有する。内側シェルは、軸線方向に離間した、半径方向外向きに突出するピンの円周方向配列を一対有し、これらの突出ピンは円周方向対向側面に平坦部を有する縮小断面で終端する。ほぼ円筒状のスリーブは、内向きにかつ外側シェルのアクセス開口のまわりに突出し、円周方向に延在するねじ切りボルト穴を有する。ボルトがボルト穴に貫通しピンの側面の平坦部に係合する。ボルトを調節することにより、内側シェルをロータ軸線のまわりに配置するよう内側シェルを外側シェルの外側から調節することができる。
内側シェルおよび外側シェル装着構造についての詳しい説明は、前記特許を参照されたい。しかし、本出願人の最新のガスタービン設計においてさらに改良された内側および外側シェルの装着構造が必要とされている。
【０００３】
【発明の概要】
本発明の好適な実施態様によれば、円周方向に離間された支持（サポート）ピンの軸線方向に離間された前方および後方配列体がタービンの内側シェルを外側シェルに固定し、この固定は、内側シェルを外側シェルに対して半径方向および円周方向移動しないように支持し、かつ外側シェルに対する内側シェルの半径方向および軸線方向における熱膨張・収縮を可能にする態様で行われる。支持ピンは円周方向または接線方向のみに荷重を受け、半径方向または軸線方向の荷重を支えない。さらに、内側シェルの重量は同様に円周方向に支持される。上述したおよびその他の効果や利点を実現するために、この発明の好適な実施態様では、それぞれボルト円部を含む円筒形ヘッド、ほぼ円筒形のシャンクおよび内側シェルに係合する半径方向内向きに延在する縮小突出部からなる支持ピンを設ける。
内側シェルの前方および後方部分用の支持ピンは互いにほぼ類似の形状である。
各支持ピンの突出部は、円周方向対向方向に面する対向側面を有する。これらの側面はロータ軸線にほぼ平行に延在する軸線のまわりに円弧状である。突出部も半径方向断面が直線状で、前方および後方方向に互いに反対向きの平坦な端面を有する。
【０００４】
好ましくは、円周方向に離間した凹所の１対の軸線方向に離間した配列が、内側シェルの前方および後方部分のまわりに設けられている。凹所は直線状で、シェルの半径方向外向きに開口している。支持ピンは外側シェルにボルト止めされ、外側シェルのアクセス開口に収容される。内側突出部は凹所内に受け入れられる。各突出部の円弧状側面が凹所の円周方向に向いた側壁と線接触する。しかし、突出部の軸線方向両端面は凹所の端壁から離間されており、内側シェルの軸線方向移動を可能にし、熱膨張・収縮を吸収する。
【０００５】
内側シェルのリムに設けた凹所は、ブッシングに形成した直線状の貫通開口からなる。ブッシングは円形であり、内側シェルに形成された円形開口にはまる。
これらの直線状凹所はブッシングに放電加工（ＥＤＭ）法により形成するのが好ましい。これにより内側シェルの製造が容易になる。
【０００６】
本発明の好適な実施態様によるタービンは、ほぼ同心な関係の外側構造シェルと内側シェルとを備える。前記内側シェルが前記外側シェルに連結され、外側シェルにより包囲されており、内側シェルが１タービン段のノズルおよびシュラウドを保持し、前記シュラウドが前記内側シェル内でタービンロータにより保持されたバケットの先端を包囲する。複数の連結部材が前記内側シェルおよび外側シェル間に係合し、内側シェルをロータのまわりに心合わせし、前記連結部材は内側シェルにロータの軸線方向におけるクリアランスを与えるように係合し、このクリアランスは、前記内側シェルの前記ロータのまわりでの同心性を維持しながら、外側シェルに対する内側シェルの軸線方向の成長差を許容する。
【０００７】
本発明の別の好適な実施態様によるタービンは、ほぼ同心な関係の外側構造シェルと内側シェルとを備える。前記内側シェルが前記外側シェルに連結され、外側シェルにより包囲されており、内側シェルが１タービン段のノズルおよびシュラウドを保持し、前記シュラウドが前記内側シェル内で軸線方向に延びるタービンロータにより保持されたバケットの先端を包囲する。複数の連結部材が前記内側シェルおよび外側シェル間に係合し、内側シェルをロータのまわりに心合わせし、前記各連結部材が半径方向内向き突出部を含み、前記内側シェルがそのまわりに円周方向に離間された、前記連結部材の突出部を受け入れる複数個の凹所を有する。
【０００８】
【好適な実施態様】
図１に、タービンの１セクションを１０で総称して示す。タービンセクション１０は外側構造シェル１２および外側シェル１２により支持された内側シェル１４を有する。内側シェル１４は、タービンの第１段および第２段の一部を形成するノズル１６および１８の配列を保持している。内側シェル１４はまた、軸線２２のまわりを回転可能なロータ（２０で総称する）を包囲している。ロータ２０は、スペーサと交互に配置されたホイール上に取り付けられたバケットの円周方向配列体を複数含み、ホイールとスペーサとがロータの本体を形成している。たとえば、両者間にスペーサ２８が介在する第１段ホイール２４および第２段ホイール２６が図示されている。ホイール２４および２６にはそれぞれバケット２８および３０が装着されている。種々の段のバケットおよびノズルが、タービンを貫通する環状高熱ガス流路を部分的に画定することが明らかである。ロータのホイールおよびスペーサは、ロータのまわりに円周方向に間隔をあけて配置された複数のボルト３２により互いに固定されている。
【０００９】
図１および図２を参照すると、内側シェル１４は、前方セクション３６と後方セクション３８とを軸線方向に延在する環状リブ４０で相互連結した構成である。前方セクション３６と後方セクション３８は環状で、それぞれ、シュラウド４６および４８を保持するための半径方向内向きのダブテール４２および４４を有する。シュラウドはバケットの先端と最小のクリアランスを与える。内側シェル１４は外側シェル１２に、ロータの軸線に垂直な半径方向平面に沿って、好ましくは第１段および第２段のバケットおよびシュラウドと整列関係にある複数の軸線方向位置で、固定されている。
【００１０】
内側シェルと外側シェルとを互いに連結するために、内側シェル１４の前方セクション３６および後方セクション３８それぞれに凹所５０および５２が円周方向に間隔をあけて設けられている。図３に示すように、連結部材、たとえば支持ピン５４が外側シェル１２のアクセス開口５６を貫通し、内側シェル１４の前方セクション３６との連結を達成する。同様のピンが外側シェル１２を内側シェル１４の後方セクション３８と相互連結する。これらのピン５４を、各半径方向平面内の８個のピン位置に配置し、ロータ軸線のまわりに互いに約４５°離すのが好ましい。また支持ピン５４は内側シェルの水平方向分割線から離れている。
【００１１】
図５〜８を参照すると、支持（サポート）ピン５４は、複数のボルト開口６３を設けたボルト円部６２（図５）を有する拡大ヘッド６０と、ほぼ円筒形のシャンク６４と、支持ピンの半径方向最内端上の縮小突出部６６とを含む。突出部６６の互いに反対側の円周方向に面する側面６８はそれぞれ円弧状表面を有する。
各側面６８の円弧状表面は、ロータの軸線にほぼ平行に延在する軸線のまわりの円筒表面の一部である。したがって、側面６８は接線方向に面する。突出部６６の前端面および後端面７０は軸線方向反対方向に面し、かつ平坦である。
【００１２】
内側シェル１４に凹所５０および５２を形成するために、図１１に示す本発明の好適な実施例においては、円形アパーチャが、内側シェルの前方セクションおよび後方セクションそれぞれのまわりの円周方向に離間した位置に、かつ凹所５０および５２の中心線と合致する中心線上に配置されている。内側シェルの前方セクションおよび後方セクションの一方、たとえば前方セクション３６のみを図示し、そのリムにアパーチャ７２が切り込まれている。円形の鋳造ブッシング７６（図９および図１０）が円形アパーチャ７２に挿入されている。（図１２）。
各鋳造ブッシング７６には直線状開口７８が貫通しており、凹所５０の大部分を形成し、ここに支持ピンの突出部６６がはまる。ブッシング７６の直線状開口７８は放電加工（ＥＤＭ）法により形成するのが好ましいが、他の加工方法を使用してもよい。ブッシングの直線状開口の長辺は軸線方向に面し、短辺は接線方向に面する。この配向を可能にしかつ確実にするために、たとえばブッシング７６の円弧状表面に形成された凹所８０（図１０）とアパーチャ７２の内面に形成された相補形状の突起８２（図１２）とにより、ブッシング７６はアパーチャ７２にキー係合されている。前記ブッシングの開口に対応する直線状開口を有するカバープレート８４（図１３）を各ブッシング７６およびアパーチャ７２にかぶせて各凹所を完成する。
【００１３】
図４から明らかなように、支持ピン５４は外側シェルのアクセス開口に挿入され、凹所５０および５２のうち関連する方に収容されている。ここでは前方セクション３６および１つの凹所５０が図示されている。支持ピン５４の半径方向内端に位置する突出部６６の円弧状側面６８が、ブッシング７６に設けた直線状開口７８の短辺に線接触関係で当接する。この線接触は軸線方向に延在する。したがって、突出部６６の円弧状側面６８とブッシング７６の直線状開口の側壁との間に公差の僅かなはめ合いが形成されることが分かる。各突出部６６の端面７０はブッシング７６の直線状開口７８の軸線方向に整合する長辺面から軸線方向に離間している。したがって、支持ピンの突出部とブッシングの直線状開口の端面との間には軸線方向対向方向にかなりのクリアランスが生じる。後方支持ピンの突出部６６と内側シェルの後方セクションにおけるブッシングの直線状開口の端面との間のクリアランスは、内側シェルの前方セクションにおける突出部と開口との間の対応するクリアランスより小さくできる。軸線方向にクリアランスをとって、外側シェルに対する内側シェルの軸線方向の膨張・収縮を吸収する。その結果、内側シェルの後面が第３段ノズルハンガの前面に当接する状態では、突出部とブッシング開口の壁との間に軸線方向のクリアランスを設けることにより、軸線方向膨張または収縮の大きさが大きくなり、内側シェルが第３段ノズルハンガの平坦表面の軸線方向面との当接状態から前方に更に遠ざかって位置することになる。
【００１４】
上述した支持ピンの配置とすれば、ロータ軸線のまわりでの同心配置を維持しながら、内側シェルが半径方向および軸線方向の両方に熱膨張・収縮するのが可能になることが分かる。すなわち、定常運転時に内側シェル１４が所定温度まで昇温するにつれて、内側シェル１４は外側シェル１２に対して半径方向外向きに膨張することができる。同様に、タービンの停止時には、内側シェルが冷却し、外側シェルに対して収縮する。重要なことに、上述したピンの配置およびピンの形状では、ピンは半径方向荷重も軸線方向荷重も分担しない。ピンが分担するのは空気力学的荷重を含む接線方向荷重だけである。また、上述したピンの配置は内側シェルの外側シェルに対するまたロータの軸線に対する同心性を維持する。
さらに、凹所５０および５２はその軸線方向寸法が突出部６６の軸線方向寸法より大きく、突出部６６は凹所５０および５２内の中間に位置するので、支持ピンは、タービンの作動に熱的に応答した、軸線方向における内側シェルの成長差を分担しない。内側シェルが第３段ノズルハンガにその後端で当接する状態では、内側シェルは軸線方向前方への熱膨張が自由である。突出部の円周方向側面と凹所の壁との接触が線接触であるので、外側シェルに対する内側シェルの半径方向移動が可能になり、また凹所の端壁から前方および後方へ間隔があいているので、軸線方向の熱成長が可能になる。内側シェルの前方セクションに沿っての成長差の方が大きいので、ピンと内側シェルの前方セクションにおける凹所の端面との間の軸線方向の間隔を内側シェルの後方セクションにおけるピンと凹所端面間の軸線方向間隔より大きくする。
【００１５】
さらに、図１４、図１５および図４を参照すると、支持ピンのシャンクは直径がボルト穴開口より小さく、これにより内側シェルと外側シェルとのわずかな不整合を吸収する。したがって、支持ピンのヘッドとその下側の、外側シェル開口を取り囲む外側シェルのフランジ（ボルト円部のボルトを受け入れる）との間からクランプ作用が除外される。支持ピンヘッド６０が外側シェルに対して移動するのを防止する助けとし、支持ピンおよび外側シェル間の摩擦力に全面的に依存しないために、ボルト円部を貫通するボルトの２本以上のまわりに、シヤダウエルの如く作用する割りスリーブ８１を設ける。図１４および図１５に８１で示す割りスリーブは、ボルト円部開口６３内のボルト８３（図４）のシャンクを取り囲み、大きな剪断吸収能力を与える。さらに、硬質表面材料をステライト製ブッシングに当接するピンヘッドの円筒側面に、好ましくはＴＩＧ溶接法により溶接し、支持ピンと外側シェルの接合部における材料を十分硬質にする。
【００１６】
さらに、図５および図６から明らかなように、ボルトヘッドに、取り付け時のピンの配向を示す一連のオフセット穴を設ける。すなわち、ピン突出部の円弧状側面が半径方向平面にあるようにピンを配向するのが重要である。
【００１７】
以上、本発明を現在のところもっとも実用的かつ好適な実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は例示の実施例に限定されない。本発明は、その要旨の範囲内に含まれる種々の変更例や等価な配置を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半径方向ピン形状を組み込んだタービンのセクションの一部を示す断面図である。
【図２】図示の便宜上ノズルおよびシュラウドを除いた、内側シェルの斜視図である。
【図３】内側シェルと外側シェルとの連結状態を示す軸線方向端面図である。
【図４】外側シェルと内側シェルとを連結する前方支持ピンの１つを示す拡大断面図である。
【図５】支持ピンの端面図である。
【図６】反対側からの支持ピンの端面図である。
【図７】支持ピンの軸線方向側面図である。
【図８】支持ピンの接線方向側面図である。
【図９】内側シェルの凹所に用いるブッシングの断面図である。
【図１０】ブッシングの正面図である。
【図１１】内側シェルの開口を半径方向内向きに見た図である。
【図１２】開口内のブッシングを示す図１１と同様の図である。
【図１３】内側シェルの開口内のブッシングにかぶさる閉止プレートを示す図１１と同様の図である。
【図１４】支持ピンを外側シェルに固定するボルト用の割りスリーブの側面図である。
【図１５】割りスリーブの端面図である。
【符号の説明】
１０  タービンセクション
１２  外側シェル
１４  内側シェル
５０，５２  凹所
５４  支持ピン
５６  アクセス開口
６０  ヘッド
６４  シャンク
６６  突出部
７２  アパーチャ
７６  ブッシング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004572395.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004572395.tif 000016