JP2012507652A - ガスタービン用の軸方向に区分化されたガイドベーンマウント - Google Patents

Abstract

多数の軸方向セグメント(２４)を具備してなる、特にガスタービン(１０１)用のガイドベーンマウント(１)は、動作の安全性を維持するために、技術的によりシンプルな設計と、ガイドベーンマウント上に存在する温度分布に対する、よりフレキシブルな適合とを実現する。それゆえ、少なくとも一つの軸方向セグメント(２４)は、格子構造体(２６)として設計される。

Description

本発明は、多数の軸方向セグメントからなる、特にガスタービン用のステーターブレードキャリアに関する。

ガスタービンは、発電機あるいは従動機械を駆動するために、さまざまな分野で使用されている。この場合、燃料のエネルギー量はタービンシャフトの回転動作を生み出すために使用される。このために、燃料は燃焼チャンバー内で燃焼させられるが、ここで、圧縮空気はエアコンプレッサーから供給される。燃料を燃焼させた結果として燃焼チャンバー内に生成される、高温・高圧の作動媒体は、この場合、タービンユニットを経て案内されるが、これは、燃焼チャンバーの下流側に接続されており、そこで、それは膨張させられて仕事をする。

タービンシャフトの回転動作を得るために、この場合、多数のローターブレード(これは、通常は、ブレード群すなわちブレード列を形成するように組み合わされており、そして作動媒体から伝達される衝撃によってタービンシャフトを駆動する)がタービンシャフト上に配置されている。タービンユニット内で作動媒体の流れを案内するために、さらに、ステーターブレード(これは、タービンケーシングに対して接続されており、かつ、ステーターブレード列を形成するように組み合わされる)が、通常は、隣接するローターブレード列間に配置される。

ガスタービンの燃焼チャンバーは、いわゆる環状燃焼チャンバーとして構成でき、この中で、複数のバーナー(これは周方向にタービンシャフトを中心として配置されている)が、耐熱周囲壁によって取り囲まれた共通燃焼チャンバースペース内に向けられている。このために、燃焼チャンバーは、その全体が、環状構造体として設計される。単一の燃焼チャンバーに加えて、複数の燃焼チャンバーが設けられてもよい。

タービンユニットの第１のステーターブレード列は、概して、燃焼チャンバーに直接隣接しており、そして、作動媒体の流動方向に見たとき、直後のローターブレード列と共に、それに対して、さらなるタービンステージが通常は下流側に接続されるタービンユニットの第１のタービンステージを形成している。

ステーターブレードは、この例では、各場合において、プラットフォームとも呼ばれるブレードルートを介して、タービンユニットのステーターブレードキャリア上に固定されている。この例では、ステーターブレードキャリアは、ステーターブレードのプラットフォームを取り付けるための絶縁セグメントを具備することができる。二つの隣接するステーターブレード列のステーターブレードのプラットフォーム(これは、ガスタービンの軸方向に離間した状態で配置される)間には、ガイドリングが、各場合において、タービンユニットのステーターブレードキャリア上に配置されている。そうしたガイドリングは、半径方向ギャップによって、同じ軸方向ポジションにおいてタービンシャフトに固定された関連するローターブレード列のローターブレードのブレードチップから距離が置かれている。この結果、ステーターブレードのプラットフォームおよびガイドリング(これは、今度は、おそらくは、ガスタービンの周方向に区分化された構造のものである)は、多数のタービンユニットの壁要素を形成し、作動媒体用の流動経路の外側境界を構成している。

そうしたガスタービンの設計に関しては、達成可能な出力に加えて、通常は、特に高い効率が設計目標である。この場合の効率の増大は、熱力学的な理由から、基本的に、作動媒体が燃焼チャンバーから流出し、そしてタービンユニットに流入する出口温度の増大によって実現できる。したがって、約１２００℃ないし１５００℃の温度が目標とされ、そしてまた、そうしたガスタービンのために実現される。

作動媒体のそうした高温によって、しかしながら、これにさらされるコンポーネントおよび部品は、大きな熱的負荷を受ける。したがって、特にガスタービンのステーターブレードキャリアは、通常、鋳鋼から製造される。これは、ガスタービン内の高温に耐えるのに好適であり、したがって、ガスタービンの確かな動作を保証できる。

ガスタービンの設計目標に依存して、ガスタービンのステーターブレードは、この場合、共通のステーターブレードキャリアに固定でき、あるいは、各タービンステージ用の別個の軸方向セグメントが設けられる。いずれの例でも、少なくとも大型ガスタービンの場合には、しかしながら、その帰結は、コスト集約的な、そして技術的に費用の掛かる構造を要する一つ以上の非常に大きな鋳造部品である。さらに、タービンステータブレード全体は、高い耐熱性の鋳鋼を必要とする極度の高温にはさらされないが、高い温度の比較的小さな領域と、そしてまた低い温度のより大きな後方領域とを有する温度分布が存在する。

したがって、本発明は、動作の信頼性を維持しながら、技術的によりシンプルな構造、ならびにステーターブレードキャリア上に存在する温度分布に対して、より柔軟な適合を可能とするステーターブレードキャリアを開示するという目的に基づく。

この目的は、本発明に基づいて、少なくとも一つの軸方向セグメントを格子構造体として構成することによって達成される。

本発明は、この例では、ステーターブレードキャリアの領域でのガスタービン内の温度分布に対する、よりフレキシブルな適合は、特に、ステーターブレードキャリアの別個の軸方向セグメントの異なる材質の結果として実現できるという知見を出発点とする。この場合、高温は、特にステーターブレードの、そしてリングセグメントのフック取り付け領域において生じる。というのは、これらのコンポーネントは、その取り付けの領域において局所的熱伝達を行うからである。さらに、ステーターブレードキャリアの最も前方領域は、相対的に高いコンプレッサー出口温度にさらされる。

これらのポイントにおいては、熱的な観点から、相対的に高品質な素材が必要である。タービンキャリアの広い領域に関しては、しかしながら、こうした素材の熱抵抗力は必要ではない。こうした領域は、より好適でかつコストの安い素材から構成できる。ステーターブレードキャリアの重量をさらに低減し、ガスタービンのより簡素な構成可能とするために、さらに、低温の領域における軸方向セグメントは、中実な構造とされるべきではない。したがって、これら軸方向セグメントは、多数のチューブ、バー、ロッド、ビーム、型材などを備えた格子構造体として、すなわち管状格子構造体の形態に配置された相互接続されたストラットとして形成されるべきである。

有利な展開において、個々の格子構造体は、その内面および／または外面に金属ケーシングを備える。これによって、ステーターブレードキャリアの特にシンプルな構造が可能となる。金属被覆筒状格子構造体による所産は、作動中のガスタービンの動作の信頼性を低下させることなく、よりシンプルな構造によって、現在まで鋳造部品として提供されてきたステーターブレードキャリアのセクションに取って代わることができる。同時に、これによって必要な金属量が削減される。

個々の金属ケーシングが冷却エア孔を有することが有利である。これらの孔を二次エアが通過し、これによって、ステーターブレードキャリアの(金属から形成される)内側の特にシンプルでかつ信頼性の高い冷却が保証される。こうした孔は、さらに、鋳造部品に必要とされる冷却エア孔よりも形成するのが容易であり、この結果、孔の数を増やすことによって、同じ断面あるいは流動抵抗にもかかわらず、後続のリングセグメントに対するより細密な配分がまた実現可能である。

さらに有利な展開においては、個々の軸方向セグメントの、および／または、適用可能な場合には、個々の金属ケーシングの材質は、運転中に予見される局所的な熱的および機械的負荷に適合させられる。こうした適合の結果、各場合に、鋳造部品のために、かつ／または金属ケーシングのために使用される素材の、個々の局所的温度および主力条件に対する正確な適合が保証される。特に高い温度にさらされる領域は、特に高品質でかつ耐熱の高い素材から製造されるべきであり、一方、ステーターブレードキャリアの冷温領域では、比較的より好適な素材を使用できる。

多数の軸方向セグメントが互いに溶接されることが有利である。個々の軸方向セグメントを、すなわち個々の格子構造体および鋳造部品として製造される軸方向セグメントの溶接の結果、幾何学的に安定で堅固な接続が保証される。

さらに有利な展開においては、軸方向セグメントの全ては格子構造体として構成される。ステーターブレードキャリアの非常にシンプルな構造のために、すなわち、ステーターブレードキャリア全体は格子構造体として形成でき、ここで、適用可能ならば、セグメント状の異なる素材のケーシングが内面上で使用される。この結果、ステーターブレードキャリアの、したがってガスタービンの、さらにシンプルな構成が可能となる。

ガスタービンは、有利なことには、そうしたステーターブレードキャリアを具備してなり、かつ、ガスおよび蒸気タービン設備は、そうしたステーターブレードキャリアを備えたガスタービンを具備してなる。

本発明と関連付けられた利点は、特に、格子構造体としてのステーターブレードキャリアの軸方向セグメントの設計の結果、ステーターブレードキャリアの、したがってガスタービン全体の、技術的に著しく簡素で、軽量で、かつ、よりコスト効率の高い構成を実現できることである。特に、より好適な素材を、より低い温度影響領域において使用でき、そして、コスト集約的な高温素材は、ガスタービンの前側の高温領域に限定されたままである。さらに、鋳造部品から製造された残りの軸方向セグメントは比較的小さく、その結果、ステーターブレードキャリアの、そしてガスタービン全体の、よりシンプル構成を実現できるようになる。

格子構造体は中実鋳造部品よりも熱伝導性に劣るので、軸方向の低い熱伝導が、さらに、特に、より後方の、冷温領域へのコンプレッサー出口での高温領域から生じ、この結果、ステーターブレードキャリアの改良された冷却が、したがって、軸方向の、そしておそらくはまた半径方向の熱膨張が実現される。この結果、当該構成は、さらに改良されるべきステーターブレードキャリアに関する大きな可能性を示す。というのは、熱的および機械的要件は、より柔軟な様式で満たせるからである。タービンステータブレードキャリアの前方領域には、タービン効率を保証するために、ステーターブレードおよびローターブレードに対するギャップを維持する過度に高い要求が存在する。格子構造による区分化によって、熱膨張挙動がこれまでよりも非常に良好な程度まで実現でき、したがって、必要とされる最小ギャップを、より小さなものとすることができる。

本発明の代表的な実施形態について、図面を参照して、さらに詳しく説明する。

多数の軸方向セグメントからなるステーターブレードキャリアの上半分を通る断面図である。 ガスタービンを通る半断面図である。

全図において、同じ部材には同じ参照数字が付されている。

図１は、ステーターブレードキャリア１を通る半断面を詳しく示している。据え置き型ガスタービンにおいて、ステーターブレードキャリア１は、従来、円錐形あるいは円筒形に形成され、かつ、二つのセグメント、すなわち上側セグメントおよび下側セグメントからなり、これらは、たとえば、フランジを介して相互接続されている。この例では、上側セグメントを通る断面のみを示している。

図示されたステーターブレードキャリア１は、多数の軸方向セグメント２４を備えるが、これらは、剛構造体を形成するために互いに溶接されている。ステーターブレードキャリア１のよりシンプルでかつより軽量な構造(これは、さらに、ガスタービン１０１内の温度条件に柔軟に適応できる)を可能とするために、ステーターブレードキャリア１の多数の軸方向セグメント２４は、格子構造体とも呼ばれる格子コンストラクション２６として設計される。格子構造体２６が、各場合に、その内側に、金属ケーシング２８を備える。格子構造のストラットは、さまざまな断面、たとえば円形、正方形を備えて、あるいは中空体としてさえ、あるいは中実構造形態として形成できる。

残りの軸方向セグメント２４は、鋳造部品３０として形成される。この例では、鋳造部品３０の、そして金属ケーシング２８の素材は、ガスタービン内のその個々の領域における熱的条件に、各場合において、適合させられる。図示のものに代えて、格子セグメントからなるステーターブレードキャリア１の完全構造もまた可能であろう。

図２のガスタービン１０１は、燃焼空気用のコンプレッサー１０２と、燃焼チャンバー１０４と、コンプレッサー１０２を駆動するための、そして図示していない発電機あるいは従動機械を駆動するためのタービンユニット１０６とを有する。さらに、タービンユニット１０６およびコンプレッサー１０２は共通のタービンシャフト１０８上に配置されており、これはまたタービンローターとも呼ばれ、それに対して、発電機または従動機械がやはり接続され、そしてそれは、その中心軸線１０９を中心として回転可能に設けられている。燃焼チャンバー１０４(これは、環状燃焼チャンバーの形態に構成されている)には、液状あるいはガス状燃料の燃焼のための多数のバーナー１１０が設けられている。

タービンユニット１０６は多数の回転可能なローターブレード１１２を有するが、これは、タービンシャフト１０８に対して接続される。ローターブレード１１２は、タービンシャフト１０８上にリング状に配置され、したがって多数のローターブレード列を形成する。さらに、タービンユニット１０６は多数の静止ステーターブレード１１４を備えるが、これは、同様に、タービンユニット１０６におけるステーターブレードキャリア１上にリング状に取り付けられており、ステーターブレード列を形成している。ローターブレード１１２は、この例では、タービンユニット１０６を経て流れる作動媒体からの衝撃伝達の結果、タービンシャフト１０８を駆動する役割を果たす。ステーターブレード１１４は、他方で、各場合に、作動媒体Ｍの流動方向に見たとき、各場合に、二つの連続するローターブレード列あるいはローターブレードリング間で、作動媒体Ｍの流れを案内する役割を果たす。ステーターブレード１１４のリングあるいはステーターブレード列、およびローターブレード１１２のリングあるいはローターブレードの列からなる一連の対は、この例では、タービンステージとも呼ばれる。

各ステーターブレード１１４はプラットフォーム１１８を有するが、これは、タービンユニット１０６のステーターブレードキャリア１への個々のステーターブレード１１４の固定のために、壁要素として配置されている。プラットフォーム１１８は、この例では、熱的にかなり過酷な負荷を受けるコンポーネントであり、これは、タービンユニット１０６を通って流れる作動媒体Ｍのための高温ガスチャネルの外側境界を形成している。各ローターブレード１１２は、ブレードフットとも呼ばれるプラットフォーム１１９を介して、タービンシャフト１０８上に同様に取り付けられる。

二つの隣接したステーターブレード列のステーターブレード１１４のプラットフォーム１１８(これは離間した状態で配置される)間には、ガイドリング１２１が、各場合に、タービンユニット１０６のステーターブレードキャリア１６上に配置されている。各ガイドリング１２１の外面はまた、この例では、タービンユニット１０６を通って流れる高温作動媒体Ｍにさらされ、そして、半径方向において、ギャップの結果として、それと向き合って存在するローターブレード１１２の外側端部から距離が置かれている。隣接するステーターブレード間に配置されたガイドリング１２１は、この例では、特に、タービン１０６を通って流れる高温作動媒体Ｍの結果としての熱的過負荷に対して、ステーターブレードキャリア１内の内側ケーシングあるいはケーシングのその他の組み込みコンポーネントを保護するカバー要素として機能する。

代表的実施形態における燃焼チャンバー１０４は、いわゆる環状燃焼チャンバーとして構成されており、その中で、多数のバーナー１１０(これは周方向にタービンシャフト１０８を中心として配置されている)が、共通燃焼チャンバー領域内に向けられている。このために、燃焼チャンバー１０４は、全体として、シャフト１０８を中心として配置された環状構造体として構成されている。

上記設計のステーターブレードキャリアを使用することによって、ガスタービン１０１内の温度条件に対する素材の最適整合が保証される。コンプレッサーに近接して存在する部品(これは相応に高い温度にさらされる)、すなわち図２において左側に対して最も遠くに存在する軸方向セグメント２４は、ガス流路内で下流側に接続される領域内におけるよりも、より耐熱性に優れた素材から相応に製造される。格子構造体を採用した結果、個々の鋳造部品３０の良好な相互の熱的絶縁がさらに保証され、この結果、熱的変形を最小限に抑えることができる。

１ ステーターブレードキャリア
２４ 軸方向セグメント
２６ 格子構造体
２８ 金属ケーシング
３０ 鋳造部品
１０１ ガスタービン
１０２ コンプレッサー
１０４ 燃焼チャンバー
１０６ タービンユニット
１０８ タービンシャフト
１０９ 中心軸線
１１０ バーナー
１１２ ローターブレード
１１４ ステーターブレード
１１８ プラットフォーム
１１９ プラットフォーム
１２１ ガイドリング

ガスタービンの設計目標に依存して、ガスタービンのステーターブレードは、この場合、共通のステーターブレードキャリアに固定でき、あるいは、(たとえば英国特許出願公開第1 051 244号明細書に開示されるように)各タービンステージ用の別個の軸方向セグメントが設けられる。いずれの例でも、少なくとも大型ガスタービンの場合には、しかしながら、その帰結は、コスト集約的な、そして技術的に費用の掛かる構造を要する一つ以上の非常に大きな鋳造部品である。さらに、タービンステータブレード全体は、高い耐熱性の鋳鋼を必要とする極度の高温にはさらされないが、高い温度の比較的小さな領域と、そしてまた低い温度のより大きな後方領域とを有する温度分布が存在する。

この目的は、本発明に基づいて、少なくとも一つの軸方向セグメントを管状格子構造体として構成することによって達成される。

多数の軸方向セグメントが互いに溶接されることが有利である。個々の軸方向セグメントを、すなわち個々の管状格子構造体および鋳造部品として製造される軸方向セグメントの溶接の結果、幾何学的に安定で堅固な接続が保証される。

さらに有利な展開においては、軸方向セグメントの全ては管状格子構造体として構成される。ステーターブレードキャリアの非常にシンプルな構造のために、すなわち、ステーターブレードキャリア全体は管状格子構造体として形成でき、ここで、適用可能ならば、セグメント状の異なる素材のケーシングが内面上で使用される。この結果、ステーターブレードキャリアの、したがってガスタービンの、さらにシンプルな構成が可能となる。

本発明と関連付けられた利点は、特に、管状格子構造体としてのステーターブレードキャリアの軸方向セグメントの設計の結果、ステーターブレードキャリアの、したがってガスタービン全体の、技術的に著しく簡素で、軽量で、かつ、よりコスト効率の高い構成を実現できることである。特に、より好適な素材を、より低い温度影響領域において使用でき、そして、コスト集約的な高温素材は、ガスタービンの前側の高温領域に限定されたままである。さらに、鋳造部品から製造された残りの軸方向セグメントは比較的小さく、その結果、ステーターブレードキャリアの、そしてガスタービン全体の、よりシンプル構成を実現できるようになる。

管状格子構造体は中実鋳造部品よりも熱伝導性に劣るので、軸方向の低い熱伝導が、さらに、特に、より後方の、冷温領域へのコンプレッサー出口での高温領域から生じ、この結果、ステーターブレードキャリアの改良された冷却が、したがって、軸方向の、そしておそらくはまた半径方向の熱膨張が実現される。この結果、当該構成は、さらに改良されるべきステーターブレードキャリアに関する大きな可能性を示す。というのは、熱的および機械的要件は、より柔軟な様式で満たせるからである。タービンステータブレードキャリアの前方領域には、タービン効率を保証するために、ステーターブレードおよびローターブレードに対するギャップを維持する過度に高い要求が存在する。管状格子構造による区分化によって、熱膨張挙動がこれまでよりも非常に良好な程度まで実現でき、したがって、必要とされる最小ギャップを、より小さなものとすることができる。

二つの隣接したステーターブレード列のステーターブレード１１４のプラットフォーム１１８(これは離間した状態で配置される)間には、ガイドリング１２１が、各場合に、タービンユニット１０６のステーターブレードキャリア１上に配置されている。各ガイドリング１２１の外面はまた、この例では、タービンユニット１０６を通って流れる高温作動媒体Ｍにさらされ、そして、半径方向において、ギャップの結果として、それと向き合って存在するローターブレード１１２の外側端部から距離が置かれている。隣接するステーターブレード間に配置されたガイドリング１２１は、この例では、特に、タービン１０６を通って流れる高温作動媒体Ｍの結果としての熱的過負荷に対して、ステーターブレードキャリア１内の内側ケーシングあるいはケーシングのその他の組み込みコンポーネントを保護するカバー要素として機能する。

Claims (9)

1. 特にガスタービン(１)用のステーターブレードキャリア(１)であって、
   複数の軸方向セグメント(２４)からなり、
   少なくとも一つの軸方向セグメント(２４)は、格子構造体(２６)として構成されていることを特徴とするステーターブレードキャリア(１)。
2. 個々の格子構造体(２６)は、その内側および／または外側に、金属ケーシング(２８)を備えることを特徴とする請求項１に記載のステーターブレードキャリア(１)。
3. 前記個々の金属ケーシング(２８)は冷却エア孔を有することを特徴とする請求項２に記載のステーターブレードキャリア(１)。
4. 前記個々の軸方向セグメント(２４)の、および／または、適用可能な場合には、前記個々の金属ケーシング(２８)の材質は、運転中に予見される局所的な熱的および機械的負荷に適合させられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のステーターブレードキャリア(１)。
5. 複数の軸方向セグメント(２８)は互いに溶接されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のステーターブレードキャリア(１)。
6. 前記軸方向セグメント(２４)の全ては格子構造体(２８)として構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のステーターブレードキャリア(１)。
7. 前記格子構造体は、管状格子構造体として形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のステーターブレードキャリア(１)。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のステーターブレードキャリア(１)を備えたガスタービン(１０１)。
9. 請求項８に記載のガスタービン(１)を備えたガスおよび蒸気タービン設備。

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