(57)【要約】【課題】タービンにおける真円からのずれの影響を緩和する。【解決手段】タービンの内側タービンシェル及び外側タービンシェルが設けられる。内側タービンシェルは、リングインサートを使用して外側タービンシェルに結合される。リングインサートは、内側タービンシェルの真円からのずれを緩和するための、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンでの真円からのずれの影響を緩和する方法であって、
タービンの外側タービンシェル内にタービンの内側タービンシェルを配置するステップと、
内側タービンシェルの真円からのずれを緩和するための、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されたリングインサートを使用して、内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合するステップと
を含む方法。
【請求項２】
複数のリングインサートセグメントが４つのリングインサートセグメントを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
リングインサートセグメントの少なくとも１つが、（ｉ）９０度未満、（ｉｉ）約１５度〜約８５度及び（ｉｉｉ）約３０度〜約７０度からなる群から選択される、内側タービンシェルの長手方向軸から測定される角度の範囲を定める、請求項２記載の方法。
【請求項４】
選択基準を内側タービンシェルの真円からのずれが満たすリングインサートセグメントの長さを決定するためにプロセッサを使用するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
リングインサートセグメントの長さは、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の負荷の経路を縮小するように選択される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
負荷は外側タービンシェルにおける熱応力の結果である、請求項１記載の方法。
【請求項７】
リングインサートセグメントは、内側タービンシェルの外周の周囲に等距離の位置で、内側タービンシェルのスラストカラーに配置されている、請求項１記載の方法。
【請求項８】
内側タービンシェルは、２以上のアジマスシェルセクターから形成される請求項１記載の方法。
【請求項９】
外側タービンシェルと、
内側タービンシェルと、
内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合するように構成され、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されたリングインサートと
を備えるタービン。
【請求項１０】
リングインサートが４つのリングインサートセグメントに分割されている、請求項９記載のタービン。
【請求項１１】
リングインサートセグメントの少なくとも１つによって範囲を定められる角度は、（ｉ）９０度未満、（ｉｉ）約１５度〜約８５度及び（ｉｉｉ）約３０度〜約７０度からなる群から選択される、請求項１０記載のタービン。
【請求項１２】
リングインサートセグメントの長さは、タービンのモデルのプログラムを実行するプロセッサを使用して決定される、請求項９記載のタービン。
【請求項１３】
リングインサートセグメントの長さは、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の負荷の経路を縮小するように選択される、請求項９記載のタービン。
【請求項１４】
負荷は、外側タービンシェルにおける熱応力に関連している、請求項９記載のタービン。
【請求項１５】
リングインサートセグメントは、内側タービンシェルの外周の周囲に均等に間隔を空けられている、請求項９記載のタービン。
【請求項１６】
内側タービンシェルは、所定のアジマス角度にわたって延在する２以上のシェルセクターから形成される、請求項９記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書にて開示の主題は、ガスタービンの内側タービンシェルでの真円からのずれの影響を緩和する装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン部分のいくつかの設計は、作動ガスのためのタービンを介した流路を提供する内側タービンシェルと、内側タービンシェルを取り囲む外側タービンシェルを含んでいる。一般には、複数のブレードを有するロータが内側タービンシェル内に配置され、作動ガスがタービンを通過することにより回転する。内側タービンシェルと複数のタービンブレードとの間の間隔がタービンの効率及び発生出力を決定し、この間隔は、真円からのずれとしても知られている、内側タービンシェルの、円形断面からの偏差に影響を受けることがある。内側タービンシェルと外側タービンシェルとの間の接続により、様々な動作応力から生じる負荷がしばしば外側タービンシェルから内側タービンシェルに移転し、真円からのずれとして知られる状態である内側タービンシェルの変形をもたらす。そこで、真円からのずれの影響を緩和するタービンシェルを設計することが所望されている。本開示は、真円からのずれの影響を低減するために、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の負荷の移転を低減する方法及び装置を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５３８５０１３号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様によれば、本開示はタービンでの真円からのずれの影響を緩和する方法を提供し、この方法は、タービンの外側タービンシェル内にタービンの内側タービンシェルを設けるステップと、内側タービンシェルの真円からのずれを緩和するための、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されたリングインサートを使用して内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合するステップとを含んでいる。
【０００５】
他の態様によれば、本開示はタービンを提供し、このタービンは、外側タービンシェルと、内側タービンシェルと、内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合するように構成され、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されたリングインサートとを含んでいる。
【０００６】
これらの並びに他の長所及び特徴は、添付の図面とともに以下の説明を解釈することにより、さらに明らかになる。
【０００７】
本発明として見なされる主題については、本明細書の結びにおける特許請求の範囲で特に示し、明瞭に主張している。本発明の上述の並びに他の特徴及び長所は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を解釈することにより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の一実施形態におけるタービン発電機の例示的な内側タービンシェルを示す側面断面図である。
【図２】スラストカラーを含む図１の内側タービンシェルの一部を示す図である。
【図３】例示的な実施形態における例示的なシェルセクターを示す形状図である。
【図４】例示的なタービンの運転サイクル中の様々な時点における本開示の例示的な内側タービンシェルの外周を示すプロットである。
【図５】例示的なタービンの運転サイクル中の様々な時点における本開示の例示的な内側タービンシェルの外周を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明は、添付の図面を参照し、例を用いて、長所及び特徴とともに、本発明の実施形態を説明している。
【００１０】
図１は、本開示の一実施形態におけるガスタービンの例示的な内側タービンシェル１００の側面断面図である。例示的な内側タービンシェル１００は、中空シェルを備え、この中空シェルは、長手方向軸１０２に沿って延在し、長手方向軸の第１の端部に吸気口１０４及び長手方向軸の第２の端部に排気口１０６を有する。タービンシェルは、その長手方向軸１０２に対して実質的に回転対称である。複数のタービンブレード（図示せず）を有するロータが、内側タービンシェル１００内に長手方向軸１０２に実質的に沿って配置されている。吸気口１０４において内側タービンシェル１００内に注入した作動ガスが、タービンブレードを回転するように動かし、この回転により、ロータが電力を発生させるように回転する。様々な実施形態において、内側タービンシェル１００は、本明細書ではシェルセクターとも呼ぶ２以上の部分から構成され、これらは内側タービンシェル１００を形成するように結合する。例示的なシェルセクターは、概して、長手方向軸１０２の周囲において所定のアジマス角度にわたり広がっている。この２以上のシェルセクターは、ボルト１１２を介して接合部１１０で一体に結合する。接合したシェルセクターは、内側タービンシェルに組み込まれたノズル（図示せず）に空気を供給する、内側タービンシェル１００を通過する冷却孔又は空気通路１１４を備えている。内側タービンシェルは、内側タービンシェル１００のスラストカラー１１６において外側タービンシェルと結合されている。内側タービンシェルはスラストカラー１１６を含んでいる。
【００１１】
図２は、スラストカラー１１６を含む図１の内側タービンシェルの一部を示す。様々な実施形態において、スラストカラー１１６は分割されている。内側タービンシェルの分割されたスラストカラー１１６は、リングインサートを挿入可能であるスロット１１８を含んでいる。リングインサートは、内側タービンシェルを支持するために内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合している。リングインサートは、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間で接触する領域を備えている。例示的な実施形態において、リングインサートは複数のリングインサートセグメントに分割され、これらは互いに、外周に沿って互いの間に隙間を設けるように離れている。そのため、複数のリングインサートセグメントによって範囲を定められた角度の合計は、３６０度未満となる。
【００１２】
図３は、本開示の例示的な実施形態におけるシェルセクターの形状図を示す。例示的な内側タービンシェルは、４つの扇形部から構成され、そのそれぞれは、内側タービンシェル３００の四半体を形成している。例示的なシェルセクター３１５を示す。例示的なシェルセクター３１５上にはリングインサートセグメント３０２を示す。リングインサートセグメント３０２は、扇形部３１５の外周に沿って第１のアジマス位置３０４から第２のアジマス位置３０６に延在し、角度３２０を定めている。一実施形態において、角度３２０は９０度未満である。他の実施形態において、角度３２０は約１５度〜約８５度である。さらに他の実施形態において、角度３２０は約３０度〜約７０度である。例示的な実施形態において、リングインサートセグメント３０２は、第１のアジマス位置３０４と第１の対接合部３１０との間の距離が、第２のアジマス位置３０６と第２の対接合部３１２との間の距離に実質的に等しくなるように、シェルセクター３１５の第１の対接合部３１０と第２の対接合部３１２との間で均等に配置されている。そのため、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間で接触する領域は、３６０度未満となる。この接触領域の低減は、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の負荷移転領域を低減する。代替の実施形態において、例示的なシェルセクター３１５は、互いに離れた２以上の環状セグメントを含んでもよい。
【００１３】
一態様において、リングインサートセグメントの長さはプロセッサを使用して決定可能である。例示的なプロセッサは、選択基準を内側タービンシェルの真円からのずれが満たすリングインサートセグメントの長さを決定するためのシミュレーションを実行することが可能である。このプロセッサは、タービンの様々な運転サイクルをシミュレートすることが可能であり、サイクル中の様々な時点での内側タービンシェルの真円からのずれを決定することが可能である。
【００１４】
代替として、例示的なリングインサートセグメントを有するタービンを構築し、運転することが可能である。センサは、内側タービンシェルの様々な位置に配置可能であり、内側タービンシェルの真円からのずれは、タービンが様々な運転サイクルを介して運転する際に観察可能である。これによって、真円からのずれの影響の緩和に関してリングインサートセグメントの様々な長さの有効性を観察することにより、リングインサートセグメントの長さ及び間隔を決定することができる。
【００１５】
一態様において、選択基準を真円からのずれが満たす環状セグメントの長さが選択される。様々な実施形態において、環状セグメントの長さが内側タービンシェルの真円からのずれを許容可能な公差レベル内に維持している際に、正しいセグメントが選択される。他の実施形態において、選択基準は、所定の時間枠にわたる真円からのずれの公差とすることができる。
【００１６】
図４は、例示的なタービンの運転中の様々な時点における本開示の例示的な内側タービンシェルの外周のプロットを示す。図４のプロットは、外周の半径方向の変位の測定値を外周の周囲で約５度ごとに得る解析モデルからの出力である。代わりに、構築したシェルの試験のために、概して、外周の周囲に設置した約１０個のセンサを使用してプロットを得てもよい。半径方向の測定値は、参照番号４０１（起動から１６５４秒後）、４０２（２３７４秒）、４０３（２８７４秒）、４０４（４１７４秒）、４０５（１００，０００秒）及び４０６（１００，９６７秒）によって示すように、様々な時点において得られる。図５は、その後の時点における図４の例示的な内側タービンシェルの外周のプロットを示す。半径方向の測定値は、５０１（１０５，６１８秒後）、５０２（１１４，４００秒）、５０３（１１６，０５５秒）、５０４（１１６，２７１秒）、５０５（１１６，７７５秒）及び５０６（２１４，４００秒）によって示す様々な時点において得られる。例示的な内側タービンシェルは、概して、電力出力の増減の１以上のサイクルを介して運転する。概して、内側タービンシェルの外周は、加熱とともに増大し、冷却とともに減少する。早い時点（すなわち、時点４０１）では、実質的に真円の断面を有する内側タービンシェルを示す。高出力レベルで運転しているタービン（すなわち、時点４０４、４０５及び４０６）も示す。特に時点４０４では、高出力レベルでの真円からのずれの大きな影響を伴った内側タービンシェルを示す。時点５０３及び５０４では、運転サイクルがより低い出力レベルに低下する際の外周を示す。様々な程度の真円からのずれを示す。時点５０６では、運転サイクルが高出力レベルに再び上昇する際の外周を示す。図５に見るように、時点５０６でのシェルの真円からのずれの程度は相対的に小さい。真円からのずれの影響が許容可能な誤差の範囲内であれば、オペレータは、タービン内での使用するために環状セグメントを選択することが可能である。
【００１７】
したがって、一態様において、本開示はタービンでの真円からのずれの影響を緩和する方法を提供し、この方法は、タービンの外側タービンシェル内にタービンの内側タービンシェルを設けるステップと、内側タービンシェルの真円からのずれを緩和するための、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されたリングインサートを使用して内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合するステップとを含んでいる。一実施形態において、複数のリングインサートセグメントは、４つのリングインサートセグメントを含んでいる。このリングインサートセグメントの少なくとも１つは、（ｉ）９０度未満、（ｉｉ）約１５度〜約８５度及び（ｉｉｉ）約３０度〜約７０度からなる群から選択される、内側タービンシェルの長手方向軸から測定される角度の範囲を定めている。選択基準を内側タービンシェルの真円からのずれが満たすリングインサートセグメントの長さ及び位置を決定するために、プロセッサが使用可能である。リングインサートセグメントの長さは、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の負荷の経路を縮小するように選択される。様々な実施形態において、負荷は外側タービンシェルにおける熱応力の結果である。リングインサートセグメントは、内側タービンシェルの外周の周囲に等距離で、内側タービンシェルのスラストカラーに配置されている。様々な実施形態において、内側タービンシェルは、２以上のアジマスシェルセクターから形成される。
【００１８】
外側タービンシェルと、内側タービンシェルと、内側タービンシェルを外側タービンシェルに結合するように構成され、外側タービンシェルから内側タービンシェルへの負荷の移転を低減する複数のリングインサートセグメントに分割されたリングインサートとを含むタービン。例示的な一実施形態において、リングインサートセグメントは、４つのリングインサートセグメントに分割されている。このリングインサートセグメントの少なくとも１つによって範囲を定められる角度は、（ｉ）９０度未満、（ｉｉ）約１５度〜約８５度及び（ｉｉｉ）約３０度〜約７０度からなる群から選択される。リングインサートの長さを決定するために、タービンのモデルのプログラムを実行するプロセッサが使用可能である。概して、リングインサートセグメントの長さは、外側タービンシェルと内側タービンシェルとの間の負荷の経路を縮小するように選択される。概して、この負荷は外側タービンシェルにおける熱応力に関連している。例示的な実施形態において、リングインサートセグメントは、内側タービンシェルの外周の周囲に均等に間隔を空けられている。様々な実施形態において、内側タービンシェルは、所定のアジマス角度にわたって延在する２以上のシェルセクターから形成される。
【００１９】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明したが、本発明が開示したそれらの実施形態に限定されないことは理解されよう。むしろ、本発明は、ここまでに説明されていないが、本発明の精神及び範囲に相応のいずれの数の変形形態、変更形態、置換形態又は、均等な配置形態をも組み込むように修正可能である。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の諸態様は、説明した実施形態の一部のみを含む場合があることを理解されよう。そのため、本発明は、前述の説明が限定するものであると理解するものではなく、添付の特許請求の範囲のみが限定するものである。
【符号の説明】
【００２０】
１００  内側タービンシェル
１０２  長手方向軸
１０４  吸気口
１０６  排気口
１１０  接合部
１１２  ボルト
１１４  空気通路
１１６  スラストカラー
１１８  スロット
３００  内側タービンシェル
３０２  リングインサートセグメント
３０４  第１のアジマス位置
３０６  第２のアジマス位置
３１０  第１の対接合部
３１２  第２の対接合部
３１５  シェルセクター
【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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