(57)【要約】【課題】間隙制御能力を有するターボ機械を提供すること。【解決手段】このターボ機械は、中心線の周りで回転するように構成された翼を含むタービン段、タービン段を周方向に包囲するケーシングの可動部、および可動部に動作可能に連結され、それによって可動部の軸方向の位置を制御するように構成された回転可能なカムを備える。翼の径方向の最外先端および可動部の内面が中心線に対して傾斜しており、可動部の制御された軸方向の位置が翼と可動部の間の間隙を決定するようになっている。【選択図】図１
2013241932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙制御能力を有するターボ機械であって、
中心線の周りで回転するように構成された翼を含むタービン段と、
前記タービン段を周方向に包囲するケーシングの可動部と、
前記可動部に動作可能に連結され、それによって前記可動部の軸方向の位置を制御するように構成された回転可能なカムとを備え、
前記翼の径方向の最外先端および前記可動部の内面が前記中心線に対して傾斜しており、前記可動部の前記制御された軸方向の位置が前記翼と前記可動部の間の間隙を決定するようになっている、
ターボ機械。
【請求項２】
前記翼が複数であり、前記複数の前記翼が前記中心線の周りに周方向に配列される、請求項１記載のターボ機械。
【請求項３】
前記先端および前記内面が実質的に互いに平行に配置可能である、請求項１記載のターボ機械。
【請求項４】
前記回転可能なカムが、
駆動軸、および
前記駆動軸に偏心して連結されるヘッド部
を備える、請求項１記載のターボ機械。
【請求項５】
前記可動部が前記回転可能なカムを受けることができるカム座を画定する径方向の外面を備える、請求項１記載のターボ機械。
【請求項６】
前記カム座は、前記回転可能なカムに干渉して、前記回転可能なカムが第１または第２の反対方向に回転するときに前記可動部がそれぞれ第１または第２の反対の軸方向に移動するように構成されている、請求項５記載のターボ機械。
【請求項７】
前記カム座が１対の実質的に平行な周方向壁面を備える、請求項５記載のターボ機械。
【請求項８】
前記可動部が、
中心本体、ならびに
それぞれ前記中心本体から前方向および後方向に延びるフランジを備え、
前記フランジがそれぞれ前部および後部内に画定された第１および第２の凹部内で前後に軸方向に可動であり、それぞれ前記前部および後部が前記可動部の前後に配置される、
請求項１記載のターボ機械。
【請求項９】
前記可動部に配置される回転止め形体をさらに備える、請求項１記載のターボ機械。
【請求項１０】
前記タービン段が少なくとも１つまたは複数のタービン段を含み、それぞれの前記タービン段が前記可動部によって周方向に包囲される、請求項１記載のターボ機械。
【請求項１１】
間隙制御能力を有するターボ機械であって、
中心線の周りで回転するように構成された翼を含むタービン段と、
前記タービン段を周方向に包囲し、前部、後部、および可動部を含むケーシングであって、前記可動部が前記前部と後部の間に軸方向に置かれ固定され、前記可動部の径方向の外面内にカム座を画定する、ケーシングと、
前記可動部の前記カム座内に受けられ前記カム座に動作可能に連結される回転可能なカムであって、それによって前記回転可能なカムの回転により前記可動部の軸方向の位置を制御するように構成された、回転可能なカムとを備え、
前記翼の径方向の最外先端および前記可動部の内面が前記中心線に対して傾斜しており、前記可動部の前記制御された軸方向の位置が前記翼と前記可動部の間の間隙を決定するようになっている、
ターボ機械。
【請求項１２】
前記翼が複数であり、前記複数の前記翼が前記中心線の周りに周方向に配列される、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１３】
前記先端および前記内面が互いに実質的に平行に配置可能である、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１４】
前記回転可能なカムが、
駆動軸、および
前記駆動軸に偏心して連結されるヘッド部
を備える、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１５】
前記カム座は、前記回転可能なカムの前記ヘッド部に干渉して、前記回転可能なカムが前記駆動軸の周りで第１または第２の反対方向に回転するときに前記可動部がそれぞれ第１または第２の反対の軸方向に移動するように構成されている、請求項１４記載のターボ機械。
【請求項１６】
前記カム座が１対の実質的に平行な周方向壁面を備える、請求１４記載のターボ機械。
【請求項１７】
前記可動部が、
中心本体、ならびに
それぞれ前記中心本体から前方向および後方向に延びるフランジを備え、
前記フランジがそれぞれ前記前部および後部内に画定された第１および第２の凹部内で前後に軸方向に可動である、
請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１８】
前記可動部に配置される回転止め形体をさらに備える、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項１９】
前記タービン段が少なくとも１つまたは複数のタービン段を含み、それぞれの前記タービン段が前記可動部によって周方向に包囲される、請求項１１記載のターボ機械。
【請求項２０】
間隙制御能力を有するターボ機械を設けるシステムであって、
それぞれ中心線の周りで回転するように構成された翼を含む少なくとも１つまたは複数のタービン段と、
前記少なくとも１つまたは複数のタービン段を周方向に包囲するケーシングの可動部と、
前記可動部に動作可能に連結され、それによって前記可動部の軸方向の位置を制御するように構成された回転可能なカムと、
制御装置とを備え、
前記少なくとも１つまたは複数のタービン段のそれぞれの前記翼の径方向の最外先端および前記可動部の内面が前記中心線に対して傾斜しており、前記可動部の前記制御された軸方向の位置が前記少なくとも１つまたは複数のタービン段のそれぞれの前記翼と前記可動部の間の間隙を決定するようになっており、
前記制御装置が前記回転可能なカムに動作可能に連結され、それによって前記回転可能なカムの動作を制御するように構成されている、
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、ターボ機械に関し、より詳細には、間隙制御能力を有するターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、および圧縮機など、通常のターボ機械は、圧縮機セクション、燃焼器セクション、およびタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、流入空気を圧縮し、圧縮した流入空気を燃焼器セクションに送る。燃焼器セクションは、圧縮流入空気を燃料とともに燃焼させて、高エネルギ流体を生成する。高エネルギ流体は、タービンセクションに移動され、そこで膨張して発電運転を行う。こうした発電運転中、高エネルギ流体はタービン翼の連続した段と空力的に相互作用し、タービンケーシング内でケーシングと翼の先端の間に設けられた間隙で取り囲まれる。
【０００３】
高エネルギ流体は、各段でタービン翼に衝突し、タービン翼をロータの周囲で回転させる。高エネルギ流体は高い温度および圧力を有するため、タービン翼およびケーシングは、実施されるタービン動作のタイプに基づく熱変形（すなわち、膨張または収縮）を受けることが多い。こうした変形に、最悪の事態を想定し、間隙を設けることによって対処することができる。しかし、正常運転状態では、最悪の事態を想定した間隙の設定は過剰であり、ケーシングと翼の先端との間の漏れによって効率が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９０９５６６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、間隙制御能力を有するターボ機械が提供され、このターボ機械は、中心線の周りで回転するように構成された翼を含むタービン段と、タービン段を周方向に包囲するケーシングの可動部と、可動部に動作可能に連結され、それによって可動部の軸方向の位置を制御するように構成された回転可能なカムとを含む。翼の径方向の最外先端および可動部の内面は中心線に対して傾斜しており、可動部の制御された軸方向の位置が翼と可動部の間の間隙を決定するようになっている。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、間隙制御能力を有するターボ機械が提供され、このターボ機械は、中心線の周りで回転するように構成された翼を含むタービン段と、タービン段を周方向に包囲し、前部、後部、および可動部を含むケーシングであって、可動部が前部と後部の間に軸方向に置かれ固定され、可動部の径方向の外面内にカム座を画定する、ケーシングと、可動部のカム座内に受けられカム座に動作可能に連結される回転可能なカムであって、それによって回転可能なカムが回転可能なカムの回転により可動部の軸方向の位置を制御するように構成された、回転可能なカムとを含む。翼の径方向の最外先端および可動部の内面が中心線に対して傾斜しており、可動部の制御された軸方向の位置が翼と可動部の間の間隙を決定するようになっている。
【０００７】
本発明のさらに他の態様によれば、間隙制御能力を有するターボ機械を設けるシステムが提供され、このシステムは、それぞれ中心線の周りで回転するように構成された翼を含む少なくとも１つまたは複数のタービン段と、少なくとも１つまたは複数のタービン段を周方向に包囲するケーシングの可動部と、可動部に動作可能に連結され、それによって可動部の軸方向の位置を制御するように構成された回転可能なカムと、制御装置とを含む。それぞれ少なくとも１つまたは複数のタービン段の翼の径方向の最外先端および可動部の内面が中心線に対して傾斜しており、可動部の制御された軸方向の位置が、それぞれ少なくとも１つまたは複数のタービン段の翼と可動部の間の間隙を決定するようになっている。制御装置は回転可能なカムに動作可能に連結され、それによって回転可能なカムの動作を制御するように構成されている。
【０００８】
上記のならびに他の利点および特徴は、図面と併せて、以下の説明からさらに明らかになるであろう。
【０００９】
本発明と見なされる主題は、本明細書の終わりの特許請求の範囲に具体的に示され明瞭に主張されている。本発明の上記ならびに他の特徴および利点は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態によるターボ機械の一部を示す側面図である。
【図２】線Ａ−Ａに沿った図１のターボ機械部分の回転可能なカムおよびカム座を示す径方向視図である。
【図３】代替実施形態によるターボ機械の一部を示す側面図である。
【図４】線Ｂ−Ｂに沿った図３のターボ機械部分を示す径方向視図である。
【図５】さらなる実施形態によるターボ機械の一部を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な記載は、図面を参照した例により、利点および特徴とともに本発明の実施形態を説明するものである。
【００１２】
図１および図２を参照すると、間隙制御能力を有するターボ機械１０の一部が示されている。図１で示したように、ターボ機械１０の一部は、通常、静翼列（すなわちノズル）および回転翼列（すなわち動翼）を有するように画定されるタービン段２０、ケーシング４０、回転可能なカム６０、および制御装置８０を含む。タービン段２０は、限定的ではないが、最後のタービン段を含む、ターボ機械１０に沿って様々な軸方向の位置に配置された幾つかのタービン段の少なくとも１つまたは複数のうちの任意のものでもよい。いずれの場合も、タービン段２０は、中心線２２の周りで翼列とともに回転するように構成された翼２１を含む。すなわち、翼２１を中心線２２の周りの周方向のアレイ２１０内に配置された複数の翼として設けることができる。各翼２１はエーロフォイル形状を有して、翼２１とタービン段２０を通って流れる作動流体の空力的相互作用により、翼２１が中心線２２の周りで回転される。各翼２１は翼２１の径方向の最外縁部に傾斜先端２３も含む。
【００１３】
タービン段２０は覆われていないことがあるため、ケーシング４０を設けて、タービン段２０、および場合によっては、以下に記載する図５で示す追加の段を周方向に包囲する。ケーシング４０は、環状前部４１、環状後部４２、および環状可動部４３を含む。環状可動部４３は、環状前部４１と環状後部４２の間に軸方向に置かれ固定され、環状中心本体４４、第１の環状フランジ４５、第２の環状フランジ４６、傾斜した内側に面する表面４７、および径方向の外面４８を含む。環状前部４１は後方に面する凹部４１０を画定するように形成され、環状後部４２は同様に前方に面する凹部４２０を画定するように形成される。
【００１４】
第１の環状フランジ４５は、環状中心本体４４から前方に軸方向に延び、後方に面する凹部４１０内に可動に収容可能である。第２の環状フランジ４６は、環状中心本体４４から後方に軸方向に延び、前方に面する凹部４２０内に可動に収容可能である。環状可動部４３が前方に軸方向に移動するときに、第１の環状フランジ４５は後方に面する凹部４１０内に比較的深く侵入し、第２の環状フランジ４６は前方に面する凹部４２０から後退するが抜け出ることはない。対照的に、環状可動部４３が軸方向に後方に移動するときに、第１の環状フランジ４５は後方に面する凹部４１０から後退するが抜け出ることはなく、第２の環状フランジ４６は前方に面する凹部４２０内に比較的深く侵入する。
【００１５】
環状に不連続のタブ４９など回転止め形体を、たとえば第１の環状フランジ４５および第２の環状フランジ４６のいずれか、またはその両方で可動部４３に配置することができる。こうした環状に不連続のタブ４９は、環状前部４１および環状後部４２内に画定された第２の凹部４３０内に収容可能である。上記のように、環状可動部４３が軸方向に前方または後方に移動するときに、環状に不連続のタブ４９は第２の凹部４３０内に比較的深く侵入し、それから後退する。後退中、環状に不連続のタブ４９は第２の凹部４３０から抜け出ない。
【００１６】
環状可動部４３の傾斜した内側に面する表面４７は、翼２１と環状可動部４３の間の制御された間隙によって画定される距離で翼２１の傾斜先端２３から径方向に外側に配置可能である。傾斜先端２３および傾斜した内側に面する表面４７を互いに実質的に平行に、後軸方向Ｄに距離を延ばして中心線２２から離れるように傾斜させて設けることができる。傾斜先端２３は、タービン段２０から下流の境界層の状態を向上させ、それによって排気ディフューザが比較的活動的に動作可能になる。
【００１７】
回転可能なカム６０は、環状可動部４３に動作可能に連結され、それによって、環状可動部４３の軸方向の位置を制御するように構成されている。傾斜先端２３および傾斜した内側に面する表面４７が中心線２２に対して互いに傾斜した状態で、環状可動部４３の制御された軸方向の位置が、翼２１と環状可動部４３の間、またはより具体的には、傾斜先端２３と傾斜した内側に面する表面４７の間の制御された隙間量を決定するようになっている。この制御によって、覆われない状態のタービン段２０の効率および出力を向上させることができ、覆われたタービン段にも同様に適用可能であり、有用となり得る。
【００１８】
回転可能なカム６０は、以下により詳細に記載するように、制御装置８０に動作可能に連結することができる駆動軸６１、およびヘッド部６２を含む。ヘッド部６２は、たとえば概して円形でもよく、駆動軸６１に偏心させた状態で連結することができる。駆動軸６１は長手方向軸６１０の周りで回転するため、ヘッド部６２は駆動軸６１の両側で前後に小刻みに動く。
【００１９】
環状可動部４３の径方向の外面４８はカム座９０を画定するように形成される。カム座９０は回転可能なカム６０のヘッド部６２を受けて、駆動軸６１が、たとえば、環状可動部４３から径方向に外側に延びるように見えるようにする。カム座９０は、ヘッド部６２に機械的に干渉して、回転可能なカム６０が長手方向軸６１０の周りで第１または第２の反対方向に回転するときに、環状可動部４３がそれぞれ第１または第２の反対の軸方向に対応して移動するように構成されている。そのため、諸実施形態により、カム座９０は、径方向の外面４８内に形成された凹部９１を含むことができる。径方向の外面４８は、１対の実質的に平行な周方向壁面９２によって前側および後側が境界付けられる。
【００２０】
ヘッド部６２は、ヘッド部６２の側壁が反対方向の各壁面９２と衝合するように、凹部９１内に密接して着座する。回転可能なカム６０が長手方向軸６１０の周りで回転するときに、ヘッド部６２の前側および後側が壁面９２に衝突し、したがって、環状可動部４３を前後方向に可動に往復運動させる。
【００２１】
ヘッド部６２およびカム座９０は上記では概して円形の要素であり、壁面９２によって境界付けられた凹部９１であるとされているが、理解されるように、これは単に例示であり、他の実施形態も存在する。たとえば、ヘッド部６２が概して円形の場合、カム座９０も径方向の外面４８内に画定された円形、または多角形の凹部として設けることができる。
【００２２】
制御装置８０はターボ機械１０に間隙制御能力を与えるためのシステムの構成要素として設けられる。制御装置８０は、回転可能なカム６０に動作可能に連結され、回転可能なカム６０の動作を制御するように構成されている。すなわち、制御装置８０は回転可能なカム６０を長手方向軸６１０の周りで回転させて、始動状態、ターンダウン状態、過渡状態、およびベース負荷状態など様々な動作状態で、翼２１と環状可動部４３の間の制御された隙間量が様々な所定かつ／または適切な値を有するようにすることができる。さらに、制御装置８０を、現在の隙間量を感知し、または他の方法で測定し、こうした現在の隙間量が所与の現在の動作状態よりも過剰または不足の場合に、それに応じて回転可能なカム６０を選択的に作動させることによって、現在の隙間量を修正するように構成することができる。
【００２３】
諸実施形態により、上記の特徴を単一の構成要素または複数の構成要素として設けることができる。後者の場合、複数の回転可能なカム６０をそれぞれ制御装置８０に動作可能に連結し、中心線２２の周りに周方向に配置することができる。こうした構成では、各回転可能なカム６０を現在の状態に基づいてともに、または別個に作動させることができる。
【００２４】
図３および図４を参照すると、代替実施形態により、ターボ機械１００に間隙制御能力が与えられる。ターボ機械１００は、タービン段２０、翼２１、および可動部４３など、幾つかの上記の特徴を含むが、再び詳細に記載する必要はない。この場合、回転可能なカム１０１は、可動部４３に軸方向に隣接する位置に動作可能に配置され、駆動軸１０３の周りで回転することによって、可動部４３を弾性要素１０２の偏倚に対抗して移動させるように構成されている。弾性要素１０２は圧縮ばねでもよく、その場合、弾性要素１０２は回転可能なカム１０１から可動部４３の反対側に配置され、または反対の構成の引張ばねでもよい。図３で示したように、回転止め形体１０４を可動部４３の径方向の外面に配置することができ、ねじりばね１０５を回転可能なカム１０１に設けて、間隙を大きくする方向に可動部４３を偏倚させ、制御アルゴリズムおよびシステム障害の場合の摩擦を回避することができる。
【００２５】
図５を参照すると、他の実施形態により、ケーシング４０、および具体的には可動部４３を、少なくとも１つまたは複数のタービン段を周方向に包囲するように構成することができる。たとえば、可動部４３は、第１のタービン段２００および第２のタービン段２１０を周方向に包囲することができる。図５で示したように、第１および第２のタービン段２００および２１０を、第２のタービン段２１０が第１のタービン段２００の下流になるように互いに対して順に配置することができる。第１のタービン段２００は、静翼列（すなわちノズル）２０１および、回転翼列（すなわち動翼）２０２を含み、第２のタービン段２１０は、静翼列（すなわちノズル）２１１および回転翼列（すなわち動翼）２１２を含む。
【００２６】
本発明を単に限られた数の実施形態に関連して詳細に記載したが、容易に理解されるように、本発明はこうした開示の実施形態に限定されない。むしろ、本発明を変更して、これまで記載していない任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、または等価の構成形態を組み込むことができるが、それらは本発明の精神および範囲と等しいものである。さらに、本発明の様々な実施形態を記載したが、理解されるように、本発明の態様は、単に記載の実施形態の一部を含むことができる。したがって、本発明は上記に限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ターボ機械
２０  タービン段
２１  翼
２２  中心線
２３  傾斜先端
４０  ケーシング
４１  環状前部
４１０  後方に面する凹部
４２  環状後部
４２０  前方に面する凹部
４３  環状可動部
４３０  第２の凹部
４４  環状中心本体
４５  第１の環状フランジ
４６  第２の環状フランジ
４７  傾斜した内側に面する表面
４８  半径方向の外面
４９  環状に不連続のタブ
６０  回転可能なカム
６１  駆動軸
６１０  長手方向軸
６２  ヘッド部
８０  制御装置
９０  カム座
９１  凹部
９２  壁面
１００  ターボ機械
１０１  回転可能なカム
１０２  弾性要素
１０３  駆動軸
１０４  回転止め形体
１０５  ねじりばね
２００  第１のタービン段
２０１  静翼列
２０２  回転翼列
２１０  第２のタービン段
２１１  静翼列
２１２  回転翼列
【図１】
2013241932.tif 000003
【図２】
2013241932.tif 000004
【図３】
2013241932.tif 000005
【図４】
2013241932.tif 000006
【図５】
2013241932.tif 000007