(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸（２）と、内部ハウジング（３）と、外部ハウジング（４）と、上部領域（５）および底部領域（６）と、主軸（２）に沿って延在するブレード領域（２４）とを含み、外部ハウジング（４）が内部ハウジング（３）を包囲して半径方向ギャップ（７）を形成してなるターボ機械（１）であって、内部ハウジング（３）を外部ハウジング（４）に取り付けるための取り付け領域（２０）を備え、前記ギャップ（７）は、底部領域（６）内に細幅部分（８）を有し、この細幅部分（８）は、主軸（２）に沿って取り付け領域（２０）の外部まで延在して、主軸（２）の方向でブレード領域（２４）に部分的に重なっており、前記細幅部分（８）を形成するように、前記内部ハウジング（３）が前記ギャップ（７）内で外部ハウジング（４）に向かって延在していることを特徴とするターボ機械（１）。
【請求項２】
熱伝導性であり、内部ハウジング（３）と熱結合されて底部領域（６）内に配置された追加質量体（９）を有することを特徴とする請求項１記載のターボ機械（１）。
【請求項３】
追加質量体（９）は、ほぼ三角形断面、矩形断面を有することを特徴とする請求項２記載のターボ機械（１）。
【請求項４】
追加質量体（９）は、主軸（２）に沿った向きに設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載のターボ機械（１）。
【請求項５】
補償質量体（１０）が上部領域（５）内に配置され、特に内部ハウジング（３）に連結されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のターボ機械（１）。
【請求項６】
高圧蒸気タービン又は中間圧力蒸気タービンであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のターボ機械（１）。
【請求項７】
内部ハウジング（３）は、２つのハウジング部分（３Ａ、３Ｂ）を有し、該ハウジング部分（３Ａ、３Ｂ）は水平面（１１）に沿って互いに分離可能であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のターボ機械（１）。
【請求項８】
各ハウジング部分（３Ａ、３Ｂ）は、半径方向外向きの水平フランジ（１２Ａ、１２Ｂ）を有することを特徴とする請求項７記載のターボ機械（１）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、内部ハウジングおよび外部ハウジングを離隔配置し、内部ハウジングと外部ハウジングとの間にギャップを形成したターボ機械、特に蒸気タービンに関する。
【０００２】
ドイツ特許出願公開第３５２２９１６号明細書に記載されているように、ターボ機械、特に蒸気タービンの作動中に、内部ハウジング、外部ハウジングおよびタービンロータが、ターボ機械のこれらの部品に作用する、異なった温度のために相異なる量で伸張することは周知である。従って、ハウジングとタービンロータとの軸方向伸張の差を緩衝手段によって補償するのが一般的な方法である。内部ハウジングおよび外部ハウジングに作用する温度も異なるため、内部ハウジングおよび外部ハウジングに温度勾配が発生し、これによってターボ機械の作動中およびターボ機械の冷却中に異なった変形が発生することがある。
【０００３】
英国特許第７４０９４４号明細書は、外部ハウジングからギャップを置いて離設された内部ハウジングを有する熱タービン、特に蒸気タービンに関する。タービンは駆動媒体によって駆動され、その媒体の一部が分岐して内部および外部ハウジング間のギャップを通る。タービンの作動中、この駆動媒体部分が外部ハウジング用の冷却媒体として作用するため、高温の内部ハウジングが低温の外部ハウジングから熱的に分離される。外部ハウジングへの熱伝達を改善するために、外部ハウジングの内面にフィンが固定されている。
【０００４】
米国特許第５３８８９６０号明細書は、蒸気タービンの作動停止直後の高温状態にある蒸気タービンの強制空気冷却装置に関する。この装置は、タービンの節約的な急速冷却を可能とする。
【０００５】
米国特許第３７４６４６３号明細書は、内部および外部ケーシングを有する多段軸流蒸気タービンに関する。温度変化により発生する内部と外部ケーシングとの間の相対軸方向移動を制限するが、自由相対半径方向移動を可能にするようにして、内部ケーシングが外部ケーシング内に取り付けられている。従って、内部ケーシングは、複数のキーおよびキー溝、取り付けピンおよび軸方向整合はめ合いによって外部ケーシング内に取り付けられ、内部ケーシングを外部ケーシングに対して軸方向に位置決めしながら、内部ケーシングを外部ケーシングに対して自由に半径方向に移動できるようにするトンクおよび溝部分によって得られる。
【０００６】
本発明の目的は、外部ハウジングの熱変形が限界値より小さいターボ機械を提供することである。
【０００７】
上記および他の目的を考慮して、本発明によれば、主軸と、内部ハウジングおよび外部ハウジングと、上部領域および底部領域と、主軸に沿って延在するブレード領域とを含み、外部ハウジングが内部ハウジングを包囲して半径方向ギャップを形成してなるターボ機械であって、内部ハウジングを外部ハウジング（４）に取り付けるための取り付け領域を備え、前記ギャップは、底部領域内に細幅部分を有し、この細幅部分は、主軸に沿って取り付け領域の外部まで延在して、主軸の方向でブレード領域に部分的に重なっており、前記細幅部分（８）を形成するように、前記内部ハウジングが前記ギャップ内で外部ハウジングに向かって延在していることを特徴とするターボ機械が提供される。
【０００８】
本発明は、ターボ機械の停止中に内部ハウジングおよび外部ハウジングが異なった温度にあるという物理的効果に依存している。この温度差により、内部ハウジングと外部ハウジング間ギャップ内の蒸気のようなガス媒体が、ターボ機械の底部領域から上部領域に向かう熱対流運動（温度勾配で推進される流れ）を始める。これによって、外部ハウジング内に温度差が生じ、底部領域内と同様に上部領域内で高温になるであろう。外部ハウジングの様々な高さにおける外部ハウジングのそのような温度勾配によって、タービンの作動後に外部ハウジング（外部ケーシング）の上部領域から下部領域への座屈が生じるであろう。一部の限界状態において、これは内部ハウジングの半径方向への変位や、内部ハウジング（内部ケーシング）に対するロータ可動ブレードの擦れを生じるであろう。
【０００９】
底部領域内において、内部ハウジングと外部ハウジングとの間のギャップを狭くすることにより、内部ハウジングから外部ハウジングへの熱伝達が促進されると共に、上部領域内での対流率、特に乱流対流が高くなる。これにより、外部ケーシングの様々な高さでスーパー線形温度プロフィルが得られる。このことは、外部ケーシング内の温度プロフィルが、底部領域内で１より大きい温度勾配（単位長さ当たりの温度変化ΔＴ／ΔＨ）を有することを意味する。従って、外部ケーシング内の熱応力が減少するため、主軸に沿った外部ケーシングの座屈の可能性が減少する。本発明の別の特徴によれば、内部ハウジングはギャップ内で外部ハウジングに向かって延在しており、ギャップ、即ち内部ハウジングと外部ハウジングとの間の空間が主軸に沿って減少する。本発明はまた、内部ハウジングの代わりに、又は内部ハウジングに加えてガイドブレード（ベーン）用のブレードキャリヤを有するタービン、特に蒸気タービンにも適用可能である。
【００１０】
本発明の更なる特徴によれば、熱的に接触する追加質量体が、内部ハウジングと熱結合され、底部領域内に配置される。追加質量体は、内部ハウジングと同一材料で構成することができる。この追加質量体を内部ハウジングの一部とし、特に内部ハウジングと一体状に鋳造するか、内部ハウジングに溶接するか、適当な方法で内部ハウジングに締着させることができる。
【００１１】
本発明の更なる特徴によれば、追加質量体又は内部ハウジングの追加部分は、内部ハウジングおよび外部ハウジングの特殊形状と共に、ターボ機械の作動の物理的パラメータに従って、ほぼ三角形断面、矩形断面、又は他の適当な断面を有することができる。
【００１２】
追加質量体又は内部ハウジングの追加部分は、好ましくは主軸に沿った向きに設けられて、内部ハウジング上にリブ又はフィンを形成する。
【００１３】
本発明の更なる特徴によれば、補償質量体が上部領域内に配置され、特に内部ハウジングに連結される。この補償質量体が内部ハウジングの質量に加わることによって、質量の中心線がターボ機械の主軸と一致する。補償質量体が追加質量体と同様な形状を有することによって、内部ハウジングの対称性を確立することができる。補償質量体も、好ましくは主軸に沿った向きとされる。
【００１４】
原則的には、内部ハウジングと外部ハウジングとの間のギャップを狭くするために、外部ハウジングを底部領域内で内部ハウジングに向かって延在させることも可能である。
【００１５】
ターボ機械は、高圧蒸気タービン又は中間圧力蒸気タービンであることが好ましい。
【００１６】
本発明の更なる特徴によれば、内部ハウジングは、水平面に沿って互いに分離可能な２つのハウジング部分を含む。各ハウジング部分は、好ましくは半径方向外向きの水平フランジを有する。ハウジング部分は、好ましくはこれらのフランジを介して、互いに機械的に固定される。フランジを締着させるため、一般的にナットおよびボルト等を使用することができる。これらのフランジも、上部領域と底部領域間の水平面上において、内部ハウジングと外部ハウジング間のギャップを減少させる。この場合、底部領域から上部領域へ、又はその逆への蒸気の対流が制限される。これらの状況では、内部ハウジングと外部ハウジングとの間の熱伝達が改善され、底部領域内の外部ハウジングの温度が上昇する点で、この細幅部分により底部領域内でギャップが狭くなることは非常に効果的である。
【００１７】
ここでは本発明を、蒸気タービンの実施形態を図示して説明するが、発明の精神から逸脱することなく、また請求項の均等の範囲内で様々な変更および構造的変化を加えることができるため、本発明はここに示す詳細に限定されるものではない。本発明は、蒸気タービンやガスタービンなどの、内部および外部ハウジングを有するあらゆる種類のターボ機械に使用することができる。
【００１８】
しかしながら、本発明の構造は、それのさらなる目的および利点と共に、特定の実施形態の詳細を添付図面と組み合わせて読むことによって十分に理解されるであろう。
【００１９】
図面には、本発明を理解するために役立つターボ機械の一部が詳細に示されているが、ターボ機械に一般的に使用される部品については詳細に説明しない。
【００２０】
図面は、部分的に概略的であり、また部分的に同一縮尺ではない。
【００２１】
図面を参照するに、図１は、蒸気タービン１の主軸２に沿って高圧蒸気タービン１を通る断面図を示す。蒸気タービン１は、可動ブレード１７を支持するタービンロータ１５を含む。タービンロータ１５は、ガイドブレード１８を支持する内部ハウジング３により軸方向および円周方向に包囲されている。可動ブレード１７およびガイドブレード（ベーン）１８は、主軸２に沿って延在するブレード領域２４内に配置されている。内部ハウジング３は、外部ハウジング４により包囲されている。蒸気タービン１の作動中、中間圧力蒸気が流入領域１３から流出領域１４へ流れ、その間にガイドブレード１８および可動ブレード１７が配置されている。外部ハウジング４は、流入領域付近に位置する取り付け領域２０と、流出領域付近に位置する取り付け領域２０とで内部ハウジング３に取り付けられている。内部ハウジング３は、２つのハウジング部分３Ａおよび３Ｂを含む。ハウジング部分３Ｂは、蒸気タービン１の底部領域６内に位置し、ハウジング領域３Ａは、蒸気タービン１の上部領域５内に位置している。内部ハウジング３と外部ハウジング４との間に半径方向ギャップ７が残り、このギャップ７は円環状の断面を有し主軸２に沿って延在している。ギャップ７は、底部領域６内で主軸２に沿って狭くなり（細幅部分８、図４、５を参照）、取り付け領域２０の外部、特にその間で、ブレード領域２４と少なくとも部分的に軸方向で重なっている。
【００２２】
図２は、外部ハウジング３の様々な高さでの３種類の温度プロフィル２１、２２、２３を示している。外部ハウジング３の高さは、外部ケーシング３の底部から外部ケーシング３の上部までが算出される。外部ケーシング３の上部の高さをＨｔｏｐと呼び、外部ケーシング３の主軸２の高さをＨ２と呼ぶ。外部ケーシング３の底部と上部との間の温度差をΔＴと呼ぶ。温度プロフィル２２は線形温度プロフィルである。温度プロフィル２３はスーパー線形プロフィルであり、これは、底部と主軸２との間の温度差が主軸と上部との間の温度差より大きいことを意味している。温度プロフィル２１はサブ線形であり、これは、底部と主軸２との間の温度差が主軸と外部ケーシング３の上部との間の温度差より小さいことを意味している。
【００２３】
これらの温度プロフィルは、主軸２に沿った外部ケーシング３の別の座屈を生じる。図３は、図２に示されている温度プロフィルの場合の、外部ケーシング４の座屈に関する数値計算結果を示している。
【００２４】
図４および図５は、蒸気タービン１の断面図を示す。内部ハウジング３は、水平面１１上ではめ合わされた２つのハウジング部分３Ａ、３Ｂを含む。各ハウジング部分３Ａ、３Ｂは、互いに向かい合って配置された２つのフランジ１２Ａ、１２Ｂを有する。外部ケーシング４は、円環状の断面を有する。内部ハウジング（内部ケーシング）３は、半径方向外向きのフィンを備えた円形断面を有する。これらのフィンの２つが水平フランジ１２Ａ、１２Ｂにより形成されている。垂直向きのフィンが、蒸気タービン１の底部領域６内に位置する追加質量体９によって形成されている。さらなる垂直フィンが、蒸気タービン１の上部領域５内に位置する補償質量体１０によって形成されている。外部ハウジング４と内部ハウジング３との間に環状の半径方向ギャップ７が残る。このギャップ７は、水平面１１付近でフランジ１２Ａ、１２Ｂによって狭くなっている。外部ケーシング４とフランジ１２Ａ、１２Ｂとの間に、ギャップ７の水平方向細幅部分１９が設けられている。ギャップ７のさらなる細幅部分８が、ギャップ７内で外部ケーシング４に向かって延在した追加質量体９によって形成されている。図４の実施形態では、すべてのフィン（追加質量体９、補償質量体１０およびフランジ１２Ａ、１２Ｂ）がほぼ矩形の断面を有する。補償質量体１０および追加質量体９は、主軸に沿って少なくとも部分的に取り付け領域２０（取り付け装置）の外部まで延在し、ブレード領域２４と少なくとも部分的に軸方向において重なっている。
【００２５】
図５では、追加質量体９がほぼ三角形の断面を有する。やはりほぼ三角形の断面を有する補償質量体１０を設けることも可能である。
【００２６】
ターボ機械１の停止および冷却中に、ギャップ７内のガス媒体である蒸気の自然対流が始まる。追加質量体９のため、細幅部分８および水平方向細幅部分１９間のギャップでも自然対流が生ずるような量の熱が内部ケーシング３から外部ハウジング４に伝達される。この対流によっても熱が外部ハウジング４に伝えられるため、細幅部分８および水平面１１間の領域で外部ハウジング４の内表面２５の温度Ｔが上昇する。内部ハウジング３の外表面２４の温度はほぼ変化しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  中間蒸気タービンの主軸に沿った断面図である。
【図２】  外部ハウジングの様々な高さでの異なった温度プロフィルを示す図である。
【図３】  図２の温度勾配による主軸に沿った熱変形を示す図である。
【図４】  図１の蒸気タービンを通る横断面図である。
【図５】  図１の蒸気タービンを通る他の横断面図である。
【符号の説明】
１    蒸気タービン
２    主軸
３    内部ハウジング
４    外部ハウジング
５    上部領域
６    底部領域
７    半径方向ギャップ
８    細幅部分
９    追加質量体
１０  補償質量体
２０  取り付け領域
２４  ブレート領域
【図１】
0004298166.tif 000002
【図２】
0004298166.tif 000003
【図３】
0004298166.tif 000004
【図４】
0004298166.tif 000005
【図５】
0004298166.tif 000006