(57)【要約】【課題】ケーシング及びシュラウドリングを含むガスタービンを提供する。【解決手段】本ガスタービンは、ケーシングとシュラウドリング及び該シュラウドリングに取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされたアタッチメント装置を含み、該装置は、シュラウドリングがケーシングとは独立に膨脹及び収縮するのを可能にしかつ該シュラウドリングの正味軸方向成長を制限する。【選択図】      図１
2009047171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（９）及びシュラウドリング（８）を含むガスタービン（１）であって、
前記ケーシング（９）と前記シュラウドリング（８）及び該シュラウドリング（８）に取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされたアタッチメント装置（２２）を含み、
前記装置が、前記シュラウドリング（８）が前記ケーシング（９）とは独立に膨脹及び収縮するのを可能にしかつ該シュラウドリング（８）の正味軸方向成長を制限する、
ガスタービン（１）。
【請求項２】
前記正味軸方向成長が、ほぼゼロである、請求項１記載のガスタービン（１）。
【請求項３】
前記装置が、スプリングを含む、請求項１記載のガスタービン（１）。
【請求項４】
前記スプリングが、ほぼ「Ｃ」字形形状を含む、請求項３記載のガスタービン（１）。
【請求項５】
前記スプリングが、ほぼ「Ｗ」字形形状を含む、請求項３記載のガスタービン（１）。
【請求項６】
前記スプリングが、前記ケーシング（９）に対して結合するようになったレールを含む、請求項３記載のガスタービン（１）。
【請求項７】
前記装置が、３６０°セグメントを含む、請求項１記載のガスタービン（１）。
【請求項８】
ケーシング（９）及びシュラウドリング（８）を含むガスタービン（１）であって、
前記ケーシング（９）と前記シュラウドリング（８）及び該シュラウドリング（８）に取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされたほぼ「Ｃ」字形の形状の複数のスプリングを含み、
前記複数のスプリングが、前記シュラウドリング（８）が前記ケーシング（９）とは独立に膨脹及び収縮するのを可能にしかつ該シュラウドリング（８）の正味軸方向成長を制限する、
ガスタービン（１）。
【請求項９】
ケーシング（９）を含むガスタービン（１）においてシュラウドリング（８）の寸法を制御する（６２）方法（６０）であって、
前記シュラウドリング（８）についての前記寸法を確定する段階（６１）と、
前記ケーシング（９）と前記シュラウドリング（８）及び該シュラウドリング（８）に取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされかつ該シュラウドリング（８）が前記ケーシング（９）とは独立に膨脹及び収縮するのを可能にすると同時に該シュラウドリング（８）の正味軸方向成長を制限するようになったアタッチメント装置（２２）を使用して、前記寸法を維持するように該シュラウドリング（８）のサイズを制御する段階（６２）と、を含む、
方法（６０）。
【請求項１０】
該方法（６０）が、機械可読媒体上に記憶されかつケーシング（９）を含むガスタービン（１）においてシュラウドリング（８）の寸法を制御する（６２）ための機械実行可能命令を含むコンピュータプログラム製品によって実施され、前記製品が、
前記シュラウドリング（８）についての前記寸法を確定する（６１）ための命令と、
前記ケーシング（９）と前記シュラウドリング（８）及び該シュラウドリング（８）に取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされかつ該シュラウドリング（８）が前記ケーシング（９）とは独立に膨脹及び収縮するのを可能にすると同時に該シュラウドリング（８）の正味軸方向成長を制限するようになったアタッチメント装置（２２）を使用して、前記寸法を維持するように該シュラウドリング（８）のサイズを制御する（６２）ための命令と、を含む、
請求項９記載の方法（６０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した本発明は、ガスタービンの分野に関する。具体的には、本発明は、タービンブレード先端クリアランスの制御を行うために使用される。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、運転条件が変化した時にその各々が膨脹又は収縮する可能性がある多くの部品を含む。タービンは、燃焼チャンバから放出された高温ガスと相互作用してシャフトを回転させる。シャフトは一般的に、圧縮機に結合され、また幾つかの実施形態では、発電機のようなエネルギーを受ける装置に結合される。タービンは一般的に、燃焼チャンバに隣接している。タービンは、高温ガスのエネルギーを使用してシャフトを回転させる、「バケット」と呼ばれることもあるブレードを使用する。
【０００３】
バケットは、シュラウドリング内部で回転する。高温ガスがバケット上に衝突すると、シャフトを回転させる。シュラウドリングを使用して、高温ガスがバケットの周りから逸出し、従ってシャフトを回転させなくなるのを防止する。
【０００４】
１つのバケットの端部とシュラウドリングとの間の距離は、「クリアランス」と呼ばれる。クリアランスが増大すると、該クリアランスを通って高温ガスが逸出するので、タービンの効率が低下する。従って、クリアランスの量は、ガスタービンの全体効率に影響を与える可能性がある。
【０００５】
クリアランスの量が小さすぎると、バケット、シュラウドリング及びその他の構成部品の熱的特性により、バケットがシュラウドリングと摩擦することになる。バケットがシュラウドリングと摩擦すると、バケット、シュラウドリング及びタービンへの損傷が発生するおそれがある。従って、様々な運転条件の間に最小クリアランスを維持することが重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、必要なものは、ガスタービンにおけるバケットとシュラウドリングとの間のクリアランスを減少させる技術的方法である。この技術的方法は、様々な運転条件において有用なものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
開示しているのは、ケーシング及びシュラウドリングを含むガスタービンの１つの実施形態であり、本ガスタービンは、ケーシングとシュラウドリング及び該シュラウドリングに取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされたアタッチメント装置を含み、該装置は、シュラウドリングがケーシングとは独立に膨脹及び収縮するのを可能にしかつ該シュラウドリングの正味軸方向成長を制限する。
【０００８】
また開示しているのは、ケーシング及びシュラウドリングを含むガスタービンの１つの実施形態であり、本ガスタービンは、ケーシングとシュラウドリング及び該シュラウドリングに取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされたほぼ「Ｃ」字形の形状の複数のスプリングを含み、該複数のスプリングは、シュラウドリングがケーシングとは独立に膨脹及び収縮するのを可能にしかつ該シュラウドリング（８）の正味軸方向成長を制限する。
【０００９】
さらに開示しているのは、ケーシングを含むガスタービンにおいてシュラウドリングの寸法を制御する方法の１つの実施例であり、本方法は、シュラウドリングについての寸法を確定する段階と、ケーシングとシュラウドリング及び該シュラウドリングに取付けられたダクトの少なくとも１つとに対してリジッド取付けされかつ該シュラウドリングがケーシングとは独立に膨脹及び収縮するのを可能にすると同時に該シュラウドリングの正味軸方向成長を制限するようになったアタッチメント装置を使用して、寸法を維持するたように該シュラウドリングのサイズを制御する段階とを含む。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴及び利点は、添付図面と共に行っている以下の詳細な説明から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本教示は、ガスタービンにおける複数のバケットとシュラウドリングとの間のクリアランスを制御するための装置及び方法の実施形態を提供する。本教示により、シュラウドリングの温度を制御して適当なクリアランスの量を維持することができる。一般的に、シュラウドリングは、金属で製作することができる。金属は、その熱膨張率に従って膨脹及び収縮することになる。アタッチメント装置を設けて、シュラウドリングをガスタービンのケーシングに対して膨脹及び収縮させるのを可能にする。本実施形態を詳細に説明する前に、一部の定義について説明する。
【００１２】
「ガスタービン」という用語は、連続燃焼エンジンに関連する。本ガスタービンは一般的に、圧縮機、燃焼チャンバ及びタービンを含む。燃焼チャンバは、高温ガスを放出し、この高温ガスは、タービンに導かれる。「バケット」という用語は、タービン内に含まれるブレードに関連する。各バケットは一般的に、該バケットに衝突する高温ガスを回転仕事に変換することができる翼形部形状を有する。「タービン段」という用語は、タービンシャフトのセクションの周りで円周方向に配置された複数のバケットに関連する。タービン段のバケットは、シャフトの周りの円形パターンの形態で配置される。「シュラウドリング」という用語は、高温ガスが、タービン段のバケットの周りで、妨げられない状態で逸出するのを防止するための構造体に関連する。この構造体は、円筒形及び円錐形の少なくとも１つとすることができる。一般的に、各タービン段には１つのシュラウドリングが設けられる。「クリアランス」という用語は、バケットの先端とシュラウドリングとの間の距離の量に関連する。「ケーシング」という用語は、シュラウドリングを支持するための構造体に関連する。「アタッチメント装置」という用語は、ケーシングからシュラウドリングを支持するために使用する装置に関連する。「リジッド取付けされた」という用語は、アタッチメント装置に対する連結の形式に関連する。構造体に対してリジッド取付けされたアタッチメント装置は、構造体に対する取付け部位において可動又は摺動しないようになる。「正味軸方向成長」という用語は、ガスタービンの長手方向軸線に沿ったシュラウドリングの変位に関連する。「摩擦」という用語は、少なくとも１つのバケットがシュラウドリングと接触を生じることに関連する。摩擦は一般的に、ガスタービンに対して損傷を発生させる。「ブリード加熱」という用語は、圧縮機から抽出された後に燃焼チャンバに送られる空気に関連する。
【００１３】
図１は、ガスタービン１の例示的な実施形態を示している。ガスタービン１は、圧縮機２、燃焼チャンバ３及びタービン４を含む。圧縮機２は、タービンシャフト５によってタービン４に結合される。図１の実施形態では、タービンシャフト５はまた、発電機６にも結合される。タービン４は、タービン段７、それぞれのシュラウドリング８及びケーシング９を含む。次に、タービン４について、より詳細に説明する。図１にはまた、シャフト５に平行な軸方向１１とシャフト５に対して垂直な半径方向を表わす半径方向１２とを図示している。
【００１４】
図２は、タービン４の１つのタービン段７の例示的な実施形態の端面図を示している。図２を参照すると、クリアランス２０を示している。図２に示すシュラウドリング８は、ほぼ３６０度にわたって複数のバケット２７を囲んでいる。幾つかの実施形態では、シュラウドリング８は、その各々が３６０度よりも小さい複数のアーチ形セグメントを含む複数のシュラウドリングセグメントで作られる。シュラウドリング８の温度を制御することによって、摩擦の危険を増加させることなくクリアランス２０を最少にすることができる。シュラウドリング８は、複数のアタッチメント装置によって支持される。
【００１５】
図２を参照すると、シュラウドリング８は、複数の装置２２によってケーシング９から支持された状態で示している。各アタッチメント装置２２の一端部は、シュラウドリング８に対してリジッド取付けされる。アタッチメント装置２２の他端部は、ケーシング９に対してリジッド取付けされる。アタッチメント装置２２は、ケーシング９とは独立に真円度を維持しながらシュラウドリング８を支持しかつ該シュラウドリング８が熱膨脹及び収縮するのを可能にすることができる。複数のアタッチメント装置２２は一般的に、シュラウドリング８の周りで円周方向に配置される。アタッチメント装置２２の１つの例示的な実施形態は、スプリングである。ダクトシステムを使用してシュラウドリング８の冷却及び加熱の少なくとも１つを行うための空気を供給してクリアランス２０を制御することができる。
【００１６】
図３は、ダクトシステム３０に結合されたシュラウドリング８の例示的な実施形態を示している。図３の実施形態では、ダクトシステム３０は、複数のアタッチメント装置２２によってケーシング９から支持される。図３Ａを参照すると、ダクトシステム３０は、該ダクトシステム３０内に空気を供給するための入口３３を含む。同様に、ダクトシステム３０は、空気を取出すための出口３４を含む。ダクトシステム２１は、加熱するための加熱空気及び冷却するための冷却空気の１つを流すことができる。ダクトシステム３０内の空気とシュラウドリング８との間の熱伝達により、入口３３における空気の温度は、出口３４における空気の温度とは、異なるものとなる可能性がある。入口３３及び出口３４における空気の異なる温度は、シュラウドリング８の反りを生じさせる可能性がある。
【００１７】
シュラウドリング８の反りは、非真円度を招くおそれがある。シュラウドリング８が真円でなくなると、クリアランス２０が、シュラウドリング８の円周部の周りで変化する可能性がある。反りが増加すると、摩擦が発生するようになる時の状態に到達することになる。反りを抑制するために、ダクトシステム３０内には２つの流路が設けられる。
【００１８】
図３Ｂには、第１の流路３１及び第２の流路３２を示している。シュラウドリング８の周りでの温度変動を最少にするために、第２の流路３２内の空気は、第１の流路３１内で流れる空気の方向３６とは逆の方向３７に流れる。また、図３Ｂに示すような伝導板３５を用いて第１の流路３１と第２の流路３２との間で熱を伝達する。対向流及び伝導板３５の使用は、シュラウドリング８の周りでのあらゆる温度変動を最少にするように作用する。図３Ｂの実施形態は２つの流路を示しているが、それ以上の流路を使用することもできる。第１の流路３１及び第２の流路３２は一般的に、シャフト５に対して垂直である。図３のダクトシステム３０は、「複式クロス伝導対向流ダクトシステム」と呼ばれる。
【００１９】
図４は、ダクトシステム３０の別の例示的な実施形態を示している。図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、ダクトシステム３０は、シュラウドリング８を構築するために使用するセグメントに結合するためのノッチ４０を含む。図４の実施形態では、アタッチメント装置２２は、スプリングである。図４Ａを参照すると、各アタッチメント装置２２は、各アタッチメント装置２２をケーシング９に対してリジッド取付けするためのアタッチメントレール４１を含む。各アタッチメント装置２２もまた、ダクトシステム３０に対してリジッド取付けされる。シュラウドセグメント８の寸法を制御するために、一般的に閉ループ制御システムが使用される。図３及び図４の実施形態の場合には、第１の流路３１及び第２の流路３２の各々への空気流量は、関連する閉ループ流量制御システムによって制御される。
【００２０】
図５は、流量制御システム５０の例示的な実施形態を示している。流量制御システム５０の説明は、第１の流路３１に関してのものである。しかしながら、その説明はまた、第２の流路３２及びあらゆるその他の流路に対しても適用される。流量制御システム５０は、第１の流路３１への空気流量を制御するための制御弁５１を含む。流量制御システム５０はまた、流れコントローラ５２及び少なくとも１つのセンサ５３を含む。センサ５３は、流量センサ、温度センサ、圧力センサ、距離センサ及びその他の形式のセンサの少なくとも１つとすることができる。例えば、センサ５３は、シュラウドリング８の温度を測定することができる。シュラウドリング８の温度を使用して、流れコントローラ５２は制御弁５１を通る空気流量を調整してシュラウドリング８の温度を制御することができる。制御弁５１への空気の供給源５４は、加熱空気のためのブリード加熱空気、冷却空気のためのベンチレーション空気及びその他の供給源の少なくとも１つとすることができる。供給源５４からの空気は一般的に、第１の流路３１を通る流れを供給するために大気圧よりも大きい圧力になっている。この圧力が必要な流れを供給するのに十分なほど大きくない場合には、必要な流れを供給するためにファンを使用することができる。図５には示していないが、供給源５４は、流れコントローラ５２によって選択してクリアランス２０を制御するのに必要な温度の空気を供給するようにすることができる。流量制御システム５０はまた、ダクトシステム３０がケーシング９とは独立に膨脹及び収縮するのを可能にするアタッチメント装置２２を含む。
【００２１】
一般的に、詳細な分析及び試験を行って、設定値を求める。例えば、空気の供給源５４がほぼ一定の温度を有するような状況では、詳細な分析及び試験により、始動、停止、全出力での定常状態運転、及び全出力以下での運転の各々における少なくとも１つの空気流量を求めることができる。別の実施例では、センサを使用してクリアランス２０を測定しながら、該クリアランス２０の設定値を維持するように供給源５４の空気流量及び温度を調整することができる。
【００２２】
図６は、クリアランス２０を制御するための例示的な方法６０を示している。クリアランス２０は、シュラウドリング８の直径のような寸法を調整することによって制御することができる。本方法６０は、シュラウドリング８の寸法を確定する段階６１を必要とする。さらに、本方法６０は、その寸法を維持するようにシュラウドリング８のサイズを制御する段階６２を必要とする。本方法６０は、アタッチメント装置２２を使用して実施される。
【００２３】
本方法６０は、制御システム５０内に含まれたコンピュータプログラム製品によって実施することができる。本コンピュータプログラム製品は一般的に、機械可読媒体上に記憶されかつガスタービン１におけるシュラウドリング８の寸法を制御するための機械実行可能命令を含む。
【００２４】
コンピュータプログラム製品の技術的効果は、クリアランス２０を制御することによってガスタービン１の効率を向上させることにある。
【００２５】
上記の説明は、ダクトシステム３０を通して空気を流して熱を伝達することに関してのものである。液体及び気体のような他の媒体の形態を使用してダクトシステム３０内で熱を伝達することができることも理解されたい。他の媒体の例示的な実施形態は、水及び蒸気である。媒体に対して、腐食防止剤のような添加剤を付加することができることも理解されたい。
【００２６】
アタッチメント装置２２は、様々な実施形態を含むことができる。本実施形態により、ケーシング９とは独立にシュラウドリング８を半径方向１２に膨脹及び収縮させることが可能になる。アタッチメント装置２２はまた、軸方向１１の所定の位置にシュラウドリング８を保持する。アタッチメント装置２２により、限定範囲及びほぼゼロのうちの少なくとも１つである正味軸方向成長が得られる。
【００２７】
上述したように、アタッチメント装置２２の１つの実施形態は、スプリングである。スプリングは、様々な形状を含むことができる。１つの形状には、ほぼ「Ｃ」字形形状が含まれる。別の形状には、ほぼ「Ｗ」字形形状を含むことができる。アタッチメント装置２２の別の実施形態は、機械的リンク機構である。機械的リンク機構の動きは、スプリングによって抑止することができる。
【００２８】
本教示は、アタッチメント装置２２が、多くの角度で測定することができる様々なアーチ形セグメントを含むことができること示している。例えば、ガスタービン１は、３６０°のアーチ形セグメントを有する１つのアタッチメント装置２２を含むことができる。別の実施例としては、ガスタービン１は、複数のアタッチメント装置２２を含むことができる。一般的に、複数のアタッチメント装置２２を使用する場合には、各アタッチメント装置２２は、ほぼ１８０°よりも小さいアーチ形セグメントを有する。
【００２９】
本明細書の教示の態様を行うためには、様々な構成部品を含むことができかつ必要とすることになる。例えば、流れコントローラ５２は、アナログシステム及びデジタルシステムの少なくとも１つを含むことができる。デジタルシステムは、プロセッサ、メモリ、記憶装置、入力／出力インタフェース、入力／出力装置及び通信インタフェースの少なくとも１つを含むことができる。一般的に、機械可読媒体上に記憶されたコンピュータプログラム製品は、デジタルシステムに入力することができる。コンピュータプログラム製品は、プロセッサによって実行してクリアランス２０を制御するようにすることができる命令を含む。本明細書で説明した様々な態様の支持として又はこの開示を越えた他の機能の支持として、様々な構成要素を含むことができる。
【００３０】
様々な構成要素又は方法により、特定の必要な又は有益な機能或いは特徴を得ることができることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲及びその変形形態の支持として必要なものとなるこれらの機能及び特徴は、本明細書の教示の一部としてまた開示した本発明の一部として本来的に含まれているものと認められる。
【００３１】
例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を行うことができまたその要素を均等物で置き換えることができることが解るであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の装置、状況又は材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が、当業者には分かるであろう。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ガスタービンの例示的な実施形態を示す図。
【図２】タービン段の例示的な実施形態の端面図。
【図３Ａ】図３Ｂと合わせて図３と呼ぶ、シュラウドリングに結合されたダクトシステムの例示的な実施形態を示す図。
【図３Ｂ】図３Ａと合わせて図３と呼ぶ、シュラウドリングに結合されたダクトシステムの例示的な実施形態を示す図。
【図４Ａ】図４Ｂと合わせて図３と呼ぶ、ダクトシステムの別の例示的な実施形態を示す図。
【図４Ｂ】図４Ａと合わせて図３と呼ぶ、ダクトシステムの別の例示的な実施形態を示す図。
【図５】制御システムの例示的な実施形態を示す図。
【図６】シュラウドリングの寸法を制御する例示的な方法を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼チャンバ
４  タービン
５  タービンシャフト
６  発電機
７  タービン段
８  シュラウドリング
９  ケーシング
１１  軸方向
１２  半径方向
２０  クリアランス
２７  バケット
２２  アタッチメント装置
３０、２１  ダクトシステム
３３  入口
３４  出口
３１  第１の流路
３２  第２の流路
３７，３６  方向
３５  伝導板
４０  ノッチ
４１  アタッチメントレール
５０  流量制御システム
５１  制御弁
５２  流れコントローラ
５３  センサ
５４  供給源
６０  方法
６１  確定する段階
６２  制御する段階
【図１】
2009047171.tif 000003
【図２】
2009047171.tif 000004
【図３Ａ】
2009047171.tif 000005
【図３Ｂ】
2009047171.tif 000006
【図４Ａ】
2009047171.tif 000007
【図４Ｂ】
2009047171.tif 000008
【図５】
2009047171.tif 000009
【図６】
2009047171.tif 000010