(57)【要約】【課題】ボディ部分および少なくとも１つのプレートを含むタービンシェルを提供すること。【解決手段】ボディ部分は、前端部分および後端部分を有している。プレートは、前端部分と後端部分の間に配置されている。プレートは、タービンシェルのボディ部分の一部であるプレートフレーム熱交換器の一部である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前端部分および後端部分を有するボディ部分と、
前記前端部分と前記後端部分の間に配置され、タービンシェルの前記ボディ部分の一部であるプレートフレーム熱交換器の一部である、少なくとも１つのプレートと
を備えるタービンシェル。
【請求項２】
前記プレートフレーム熱交換器が、前記少なくとも１つのプレートに流体接続される中央片部分を含む、請求項１記載のタービンシェル。
【請求項３】
前記プレートフレーム熱交換器が複数のプレートを含み、前記複数のプレートが互いに流体接続され、かつ、前記中央片部分に流体接続される、請求項２記載のタービンシェル。
【請求項４】
前記中央片部分が内部マニホルディングを含み、前記中央片部分の中に前記内部マニホルディングを通って一連の通路が設けられる、請求項２記載のタービンシェル。
【請求項５】
前記少なくとも１つのプレートが、前記後端部分と比較すると、前記前端部分のより近くに配置される、請求項１記載のタービンシェル。
【請求項６】
前記プレートフレーム熱交換器が拡散流を受け取り、前記拡散流が、雰囲気、蒸気、液体状態の加圧冷媒およびタービンの圧縮機からの抽気空気のうちの少なくとも１つである、請求項１記載のタービンシェル。
【請求項７】
前記拡散流が概ね円周方向の流路を含む、請求項６記載のタービンシェル。
【請求項８】
前記少なくとも１つのプレートの外部表面が、冷却を提供するために外側に向かって突出している拡張表面を含む、請求項１記載のタービンシェル。
【請求項９】
前記タービンシェルが、ガスタービン用に構成された内部タービンシェルである、請求項１記載のタービンシェル。
【請求項１０】
内部タービンシェルを有するガスタービンであって、
前端部分および後端部分を有するボディ部分と、
前記前端部分と前記後端部分の間に配置され、前記内部タービンシェルの前記ボディ部分の一部であるプレートフレーム熱交換器の一部である、少なくとも１つのプレートと
を備えるガスタービン。
【請求項１１】
前記プレートフレーム熱交換器が、前記少なくとも１つのプレートに流体接続される中央片部分を含む、請求項１０記載のタービンシェル。
【請求項１２】
前記プレートフレーム熱交換器が複数のプレートを含み、前記複数のプレートが互いに流体接続され、かつ、前記中央片部分に流体接続される、請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１３】
前記中央片部分が内部マニホルディングを含み、前記中央片部分の中に前記内部マニホルディングを通る一連の通路が設けられる、請求項１１記載のガスタービン。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのプレートが、前記後端部分と比較すると、前記前端部分のより近くに配置される、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１５】
前記プレートフレーム熱交換器が拡散流を受け取り、前記拡散流が、雰囲気、蒸気、液体状態の加圧冷媒およびタービンの圧縮機からの抽気空気のうちの少なくとも１つである、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１６】
前記拡散流が概ね円周方向の流路を含む、請求項１５記載のガスタービン。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのプレートの外部表面が、冷却を提供するために外側に向かって突出している拡張表面を含む、請求項１０記載のガスタービン。
【請求項１８】
内部タービンシェルを有するガスタービンであって、
前端部分および後端部分を有するボディ部分と、
前記内部タービンシェルの前記ボディ部分の一部であるプレートフレーム熱交換器であって、
前記前端部分と前記後端部分の間に配置され、かつ、互いに流体接続された複数のプレート、および
前記複数のプレートに流体接続される中央片部分
を含むプレートフレーム熱交換器と
を備えるガスタービン。
【請求項１９】
前記中央片部分が内部マニホルディングを含み、前記中央片部分の中に前記内部マニホルディングを通って一連の通路が設けられる、請求項１８記載のガスタービン。
【請求項２０】
前記プレートフレーム熱交換器が拡散流を受け取り、前記拡散流が、雰囲気、蒸気、液体状態の加圧冷媒およびタービンの圧縮機からの抽気空気のうちの少なくとも１つである、請求項１８記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示される主題はタービンシェルに関し、より具体的にはプレートフレーム熱交換器を有するタービンシェルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、通常、圧縮機、燃焼器、１つまたは複数の燃料ノズルおよびタービンを含む。空気は、空気吸込み口からガスタービンに流入し、圧縮機によって圧縮される。圧縮された空気は、次に、燃料ノズルによって供給される燃料と混合される。この空気―燃料混合物は、燃焼のための規定の比率で燃焼器に供給される。燃焼によって加圧排気ガスが生成され、この加圧排気ガスによってタービンの羽根が駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７４９１０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガスタービンは、通常、外部タービンシェルおよび内部タービンシェルを含む。外部タービンシェルおよび内部タービンシェルは、ガスタービンが動作している間、タービンロータに対して半径方向に膨張および収縮する。回転する羽根の先端と内部タービンシェルの間に存在する半径方向のクリアランスは、ガスタービンの効率に影響を及ぼし、このクリアランスが小さいほど効率を改善することができる。しかしながら、このクリアランスが小さいほど、内部タービンシェルと回転する羽根の先端の間に干渉状態が生成される可能性も高くなる。アクティブクリアランス制御は、内部タービンシェルの温度を調整する手法であり、内部タービンシェルの温度を調整することにより、回転する羽根の先端と内部タービンシェルの間のクリアランスが制御される。現在、いくつかの手法を利用して内部タービンシェルのアクティブクリアランス制御を提供することができるが、これらの手法のいくつかには欠点がある。例えば、ある手法では、直接衝突冷却を使用することができる。しかしながらこの手法は、ガスタービンに使用される場合、一般にそれほど有効ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、ボディ部分および少なくとも１つのプレートを含むタービンシェルが提供される。ボディ部分は、前端部分および後端部分を有している。少なくとも１つのプレートは、前端部分と後端部分の間に配置されている。少なくとも１つのプレートは、タービンシェルのボディ部分の一部であるプレートフレーム熱交換器の一部である。
【０００６】
これらおよび他の利点ならびに特徴は、図面に関連して行う以下の説明からより明らかになるであろう。
【０００７】
本発明が関連する主題は、とりわけ本明細書の結びの特許請求の範囲で指摘され、かつ、明確に特許請求されている。本発明の以上および他の特徴ならびに利点は、添付の図面に関連して行う以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】圧縮機を有する一例示的ガスタービンシステムの略図である。
【図２】図１に示されているタービンの内部タービンシェルの断面の斜視図である。
【図３】図２に示されている内部タービンシェルの断面を示す図である。
【図４】図２に示されている内部タービンシェルの断面を示す別の図である。
【図５】図２に示されている内部タービンシェルの断面を示すさらに別の図である。
【図６】図２に示されている内部タービンシェルの断面の一部の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明は、本発明の実施形態について、一例として図面を参照して、利点および特徴と共に説明したものである。
【００１０】
図１は、参照番号１０で示されている図式例示的発電システムを示したものである。発電システム１０は、圧縮機２０、燃焼器２２およびタービン２４を有するガスタービンシステムである。空気は、圧縮機２０に接続されている空気吸込み口３０から発電システム１０に流入し、圧縮機２０によって圧縮される。圧縮された空気は、次に、燃料ノズル３４によって燃料と混合される。燃料ノズル３４は、空気―燃料混合物を燃焼のための規定の比率で燃焼器２２に噴射する。燃焼によって熱い加圧空気排気が生成され、この熱い加圧空気排気によって、タービン２４内に配置されている羽根（図示せず）が駆動される。
【００１１】
図２は、タービン２４（図１に示されている）の内部タービンシェル４０の断面を示したものである。内部タービンシェル４０は、前端部分４４および後端部分４６を有するボディ部分４２を含む。一実施形態では、内部タービンシェル４０は、概ね円周構成を含み、四分の一セクションに仕切られており、図２には、その四分の一セクションのうちの１つが示されている。図２には、内部タービンシェル４０の四分の一セクションが示されているが、内部タービンシェル４０は、例えば二分の一セクションなどの他の構成で区画化することも可能であることを理解されたい。ボディ部分４２は、比較的高い温度アプリケーションのために意図された材料から構築することができる。例えば、一実施形態では、内部タービンシェル４０は、クロム―モリブデン―バナジウム（「ＣｒＭｏＶ」）鋼から構築される。
【００１２】
一実施形態では、内部タービンシェル４０のセクションの各々は、軸方向に配向されたボルト締め接続によって一体に結合することができる。具体的には、プレートフレーム熱交換器アセンブリ５４の中央片５２は、ボルト（図示せず）などのファスナを受け取るためのファスナ開口５６を含む。また、内部タービンシェル４０のボディ部分４２も、一連のファスナ開口５８を含むことができ、これらのファスナ開口５８の各々は、軸方向に配向されたボルト（図示せず）を受け取る。ボルト締め接続は、動作中、内部タービンシェル４０のセクション間のほぼ漏れのない結合のための比較的厳しい公差を実現することができる。ボルト締め接続が説明されているが、ほぼ漏れのない動作のための比較的厳しい公差が得られる他の締付け手法を使用して内部タービンシェル４０のセクションを結合することも可能であることを理解されたい。
【００１３】
内部タービンシェル４０の前端部分４４と後端部分４６の間に、少なくとも１つのプレート５０が配置されている。図に示されている例示的実施形態では、中央片５２と共に合計４つのプレート５０が示されており、前端部分４４から後端部分４６まで、プレートＡ、プレートＢ、プレートＣおよびプレートＤとしてラベルが振られている。プレート５０ならびに中央片５２は、プレートフレーム熱交換器５４の一部である。具体的には、プレートフレーム熱交換器５４は、後端部分４６と比較すると、プレートフレーム熱交換器５４がより前端部分４４の近くに位置するよう、内部タービンシェル４０の前端部分４４に隣接して配置されている。プレートフレーム熱交換器５４は、気体または液体などの２つの媒体の間で熱を伝達させるためにプレートを使用している任意のタイプの熱交換器であってもよい。プレートフレーム熱交換器５４は、内部タービンシェル４０のボディ部分４２の一部である。一実施形態では、高温ろう付け、溶接または金属シール（図示せず）を使用して、プレートフレーム熱交換器５４のプレート５０を一体に結合することができる。図２には内部タービンシェル４０が示されているが、プレートフレーム熱交換器５４が、少なくともいくつかの実施形態では、タービン２４（図１）の外部タービンシェル（図示せず）上にも同じく使用することができることが理解されることに留意されたい。
【００１４】
ヘッドエンドフランジ６０は、内部タービンシェル４０の前端部分４４に配置されている。ヘッドエンドフランジ６０は、プレート５０、中央片５２およびヘッドエンドフランジ６０を一体に結合するために貫通するファスナ６４を受け取るようにそれぞれ構成される複数のファスナ開口６２を含む。具体的には、ファスナ開口６２は、ファスナ６４をねじ込むことによってファスナ６４と係合することができる。図２に示されている例示的実施形態では、ファスナ６４はボルトであるが、他のタイプの締付け手法を使用することも可能である。また、プレート５０もファスナ６４を受け取るためのファスナ開口７０を含み、また、中央片５２も同じくファスナ６４を受け取るためのファスナ開口７２（図５に示されている）を含む。
【００１５】
次に図２〜３の両方を参照すると、ヘッドエンドフランジ６０の前面７４は、拡散流すなわち冷却流７８を受け取るための冷却開口７６を含む。冷却流７８は、例えば、大気から導入される雰囲気、蒸気、液体状態の加圧冷媒または圧縮機２０（図１に示されている）からの抽気空気であってもよい。一実施形態では、冷却流７８は、通常、約２０５℃（約４００°Ｆ）より高い温度を含む。概ね約２０５℃より高い冷却流を有することにより、比較的大量の熱応力が内部タービンシェル４０内に生成されるのを実質的に防止することができる。
【００１６】
冷却流７８は、ヘッドエンドフランジ６０内に配置されている冷却開口７６からプレートフレーム熱交換器５４に供給される。つまり、ヘッドエンドフランジ６０は、プレートフレーム熱交換器５４のための冷却流７８を受け取るためのマニホルドとして作用している。図３には冷却開口７６が示されているが、他の手法を使用してプレートフレーム熱交換器５４（図２に示されている）に冷却流７８を導入することも可能であることを理解されたい。例えば他の実施形態では、ヘッドエンドフランジ６０に沿って、冷却流７８が流入するための一連の通路（図示せず）を設けることができる。
【００１７】
図４は内部タービンシェル４０を示したもので、複数のプレート５０のうちのプレートＡとして指示されているプレートの１つを示すためにヘッドエンドフランジ６０は省略されている（プレートＡは同じく図２にも示されている）。図２〜４を参照すると、冷却流７８は、冷却開口７６からプレートフレーム熱交換器５４に流入し、次に、図４に示されている、概ね円周方向である方向Ｄ１に沿って流れる。つまり、冷却流７８は概ね円周方向に流れる流路を含む。図３〜４には比較的単純な円周方向の流路が示されているのだが、限定するものではないが、ルーバ表面、蛇行流路、シェブロン流路、ピン―フィン表面、フィン付き表面、等々を始めとするより複雑な流路を生成するために、熱伝達、つまりプレート５０の外部表面８４に沿って特定の特徴（図示せず）を機械加工し、あるいは打ち抜くことも可能であることを理解されたい。
【００１８】
冷却流７８は、次に、プレートＡ内に配置されている冷却開口８０に流入する。次に図５を参照すると、プレートＢ（図２に示されている）を示すためにプレートＡが省略されている。冷却流７８は、方向Ｄ１（図４に示されている）とはほぼ逆方向の方向Ｄ２に沿って流れ、プレートＢ内に配置されている冷却開口８２に流入する。したがってこれらのプレート５０（例えば図４に示されているプレートＡおよび図５に示されているプレートＢ）は互いに流体接続されている。一実施形態では、プレート５０のうちの１つまたは複数は、プレート５０の外部表面８４に沿って外側に向かって突出している拡張表面（図示せず）を含むことができる。例えば、一実施形態では、プレート５０の外部表面８４は、改善された冷却を提供するフィンを含むことができる。また、他の実施形態では、プレート５０は、プレートＡおよびプレートＢ（図４および５に示されている）の外部表面８４に沿って配置された単一の１つの冷却開口８０および８２の代わりに、冷却流７８がプレート５０とプレート５０の間を流れることができる一連の通路を含むことができる。
【００１９】
次に図２および４〜５を参照すると、プレート５０の各々は互いに流体接続されており、かつ、中央片５２に流体接続されている。具体的には、図２および４〜５に示されている実施形態では、冷却流７８は、プレートＡ、プレートＢおよび中央片５２の間を流れる。中央片５２は、プレートフレーム熱交換器５４の円周支持を提供している。また、中央片５２は、図６に示されている内部マニホルディングを含む。
【００２０】
図６は、中央片５２の外部表面９０の拡大正面図であり、ヘッドエンドフランジ６０、プレートＡおよびプレートＢは省略されている。図６から分かるように、外部表面９０は、内部マニホルディングを提供する一連の通路９２を含む。冷媒流７８（図２〜５に示されている）は、通路９２を通ってプレートＣおよびプレートＤ（図２に示されている）へ流れることができる。
【００２１】
図２〜６に示されているように、プレートフレーム熱交換器５４は、内部タービンシェル４０のアクティブクリアランス制御ならびに円周冷却を提供している。プレートフレーム熱交換器５４は、プレート５０の伝熱表面８４が汚染された、つまりよごれた場合、フローチャネル冷却をすることができるが、プレートフレーム熱交換器５４は、浄化および保守が比較的簡単なプレート構成を含む。プレート５０の幾何構造は修正が可能であり、それにより比較的複雑な冷却流路を生成することも可能である。さらに、プレートフレーム熱交換器５４は、その設計がモジュール方式であり、既存の内部タービンシェルに対する改装が比較的単純である。
【００２２】
以上、本発明について、限られた数の実施形態にのみ関連して詳細に説明したが、本発明は、開示されているこのような実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。そうではなく、本発明は、本明細書においては説明されていないが、本発明の趣旨および範囲と同等である任意の数の変化、変形、置換または等価構造を組み込むべく修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明したが、本発明の態様は、説明されている実施形態のうちのいくつかのみを含むことができることを理解されたい。したがって本発明は、以上の説明によって制限されるものと見なしてはならず、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【符号の説明】
【００２３】
１０  発電システム
２０  圧縮機
２２  燃焼器
２４  タービン
３０  空気吸込み口
３４  燃料ノズル
４０  内部タービンシェル
４２  ボディ部分
４４  前端部分
４６  後端部分
５０  プレート
５２  中央片
５４  熱交換器アセンブリ
５６、５８、６２、７０、７２  ファスナ開口
６０  ヘッドエンドフランジ
６４  ファスナ
７４  前面
７６、８０、８２  冷却開口
７８  冷却流
８４、９０  外部表面
９２  通路
【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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