JPH02245403A - 燃焼タービンの圧縮機ダイアフラム組立体及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃焼タービンもしくはガスタービンに関し、
特に、かかるタービンにおいて一般的に使用される圧縮
機ダイアフラム組立体に関するものである。

九１茨豆亘１」 大型の産業用燃焼タービン（これは屡々ガスタービンと
も言われている）の２７３以上は発電用に使用されてい
る。これ等の燃焼タービンは、自動化及び遠隔制御に非
常に適しているので、電力会社によりピーク負荷時のた
めに主に使用されている。しかし、送電量を迅速に増大
する必要がある場合や、精製燃料油を低コストで得られ
る場合や、タービン排気エネルギーを利用できる場合に
は、燃焼タービンは基底電力の発生のためにも使用され
る。

発電分野において、典型的な燃焼タービンは一般に４つ
の基本部分、即ち（１）入口部と、（２）圧縮機部と、
（３）燃焼器部と、（４）排気部とから構成されている
。入口部から燃焼タービンに入る空気は、圧縮機部にお
いて断熱的に圧縮され、燃焼器部において燃料と混合さ
れ一定圧力で加熱されてから、ガスの断熱膨張を伴って
排気部から放出され、これによりプレイトンサイクルも
しくはジュールサイクルと一般に呼ばれている基本的な
燃焼タービンサイクルを完了する。

周知のように、通常の燃焼タービンの正味出力は、同燃
焼タービンが出す動力と圧縮機部により吸収される動力
との間の差である。典型的には、燃焼タービンの動力の
約２７３が圧縮機部を駆動するのに使用される。従って
、燃焼タービンの総合性能はその圧縮機部の効率に対し
て非常にｍ感である。高い効率、高い圧力比を確実に維
持するために、多くの圧縮機部は軸流構造のものであり
、そのロータが有する複数の回転羽根もしくは動翼は、
ロータ軸に沿って軸方向に配置されると共に、内側シュ
ラウド付きの複数の静止羽根もしくは静翼と交互してい
て、圧縮機ダイアフラム組立体に段付きの中間ラビリン
スシールを与えている。

しかし、内側シュラウド付きの羽根翼状部には、同羽根
を製造するなめに従来使用されていた方法に由来して、
疲労割れという重要な問題が存在する０例えば、多くの
圧縮機ダイアプラム組立体の製造業者により使用されて
いた圧延又は鍛造方法のいずれにおいても、羽根翼状部
をその内側シュラウド及び外側シュラウドに結合するた
めに溶接工程を使用しており、かかる溶接工程により、
各溶接部に“熱影響領域”が生じることになる。疲労に
よる割れの開始は、かかる熱影響領域においてたいてい
起こることが分かった。従って、疲労割れに対して耐性
がある改良型の圧縮機ダイアフラム組立体を提供するだ
けでなく、熱影響領域を発生するような工程を最少にす
る上述のような圧縮機ダイアフラム組立体の製造方法を
提供することが望ましい。

しかし、疲労割れに関連した上述の問題は、熱影響領域
を発生する製造工程を単に無くしても解決されるもので
はない、即ち、周知のように、鍛造により製造したある
羽根真状部は、そこから注意深く応力を解放して熱影響
領域の作用を軽減した後でさえも、疲労割れの問題を経
験することが分かっている。従って、容易に諒解される
ように、燃焼タービン内の静的励振だけでなく、動的励
振も疲労割れの問題に関与している。

圧縮機ダイアフラム組立体の内側シュラウド及びシール
に作用する力は、主として、シールの圧力降下のためで
ある。これ等の力や、羽根翼状部に法線方向及び接線方
向に作用してその表面全体に分散される動的空気力は、
他の力及びモーメントの発生に寄与して、これが外側シ
ュラウドに伝達され、続いて、翼状部を外側シュラウド
に取着する溶接結合部を介して燃焼タービンのケーシン
グに伝達される。

一体の内、側及び外側シュラウドを有する羽根翼状部を
使用する簡単な解決策は、疲労割れの双方の原因を迅速
に解決するものと考えられる。即ち、熱影響領域の問題
は完全に排除されると考えられ、また、燃焼タービン内
の静的及び動的励振による不安定性に関連した問題は可
及的に低減すると考えられる。しかし、このようにはな
らない場合もある。

例えば、上述したような静的力及びモーメントの影響下
では、この仮想的な羽根翼状部の外側シュラウド部分は
、同外側シュラウド部分を受は入れるためにケーシング
に形成されたスロットの壁に同外側シュラウド部分の先
端が接触することによって抑止もしくは規制モーメント
が発生するまで、燃焼タービンのケーシングに安定的に
係合しないであろう、従って、外側シュラウド部分は熱
膨張を吸収するためにケーシングのスロットに形成され
た隙間内で回転してしまう、その結果、燃焼タービンに
おいて仮想的な羽根翼状部を使用することは、外側シュ
ラウド部分の近傍に大きな応力が発生し、また、過剰の
並進方向及び回転方向の変位が生ずることになり、これ
等のいずれもが動的励振の存在下で一層悪化することに
なる。従って、上述したような係合の不安定性を解消し
うるように改良された圧縮機ダイアフラム組立体を提供
することも望まれている。

１１丘盟Ｉ 従って、本発明の一般的な目的は、改良型の燃焼タービ
ンを提供することである。具体的には、本発明の目的は
、かかる燃焼タービンにおいて使用するための改良型圧
縮機ダイアフラム組立体を提供するだけでなく、かかる
圧縮機ダイアフラム組立体を組み立てる改良方法を提供
することである。

本発明の別の目的は、疲労割れの問題を可及的に軽減す
る圧縮機ダイアフラム組立体を提供することである。

本発明の更に別の目的は、熱影響領域の生成を実質的に
無くす圧縮機ダイアフラム組立体を組み立てる方法を提
供することである。

また、本発明の目的は、運転中の燃焼タービンにおいて
経験する静的及び動的励振により生ずる燃焼タービンの
ケーシングとの係合の不安定性を可及的に軽減する圧縮
機ダイアフラム組立体を提供することである。

更に、本発明の別の目的は、既存の技術を使用して容易
に且つ安価に製造しうる圧縮機ダイアフラム組立体を提
供することである。

簡略に述べると、本発明の上述した目的及びその他の目
的は、負荷伝達手段により相互に結合された複数の翼状
部を有する圧縮機ダイアフラム組立体を含む燃焼タービ
ンにおいて達成される。各翼状部は、一体の内側シュラ
ウド及び一体の外側シュラウドを含み、同シュラウドの
いずれもが溝を有していて、この渭に連結棒を受は入れ
る。隣接したかかる内側及び外側シュラウドは、それ等
に関連した連結棒と共に、負荷伝達手段を構成している
。１対の非係合シールを有するシール支持体が内側シュ
ラウドがら垂下している。

本発明による上述の目的及びその他の目的、利点並びに
新規な特徴は、添付図面に関連してなされる好適な実施
例についての以下の詳細な説明がら容易に明らかとなろ
う。

ｔ　　　　　　の　　、　ｔｌ 同一もしくは対応部分について同一符号で表示した図面
を参照すると、第１図には、既知の燃焼タービン１２を
用いる典型的な発電プラント１０の配置例が図示されて
いる。この燃焼タービン１２は本出願人により製造され
ているＷ−５０１０型の単軸式へビーデユーティ−燃焼
タービンである。発電プラント１０は、通常のように、
タービン１２により駆動される発電機１４と、スタータ
ー箱１６と、グリコール冷却器２０を有する電気実装箱
２２と、空気冷却器２６とを有し、これ等の各々がター
ビン１２を支持している。タービン１２の作動に関連し
て流れにより発生されるノイズを消すための通常の消音
装置２８が発電プラント１０の入口ダクトと排気管とに
設けられており、一方、発電機、１４には、発生された
電気をそこから取り出すためめに通常の端子装置３０が
設けられている。

第２図に詳細に示すように、タービン１２は、入口部３
２と、圧縮機部３４と、燃焼器部３Ｂと、排出部３８と
を一般ば有する。入口部３２からタービン１２に入った
空気は、圧縮機部３４において断熱的に圧縮され、そし
て燃焼器部３６において一定圧力で燃料と混合され燃焼
もしくは加熱される。その後、加熱された燃料及び空気
のガスは、燃焼器部３６から排出部３８を介して排出さ
れる。その結果、ガスは断熱膨張して基本的な燃焼ター
ビンサイクルを完了する。かかる熱力学的サイクルはブ
ライトンサイクルもしくはジュールサイクルとも呼ばれ
ている。

タービン１２内に望ましくは高い効率で高い圧力比を確
実に維持するために、圧ａ機部３４は、通常の燃焼ター
ビンの多くの圧縮機部と同様に、ロータ４０を有する軸
流構造のものである。ロータ４０は、軸４４に沿って配
設された複数の回転羽根もしくは動ｇ４２と、複数のデ
ィスク４６とを含んでいる。複数の回転羽根４２のうち
隣接する各対の羽根列の間には、シュラウド付きの複数
の静止羽根もしくは静翼４８の１列が介在していて、段
付きの中間ラビリンスシール（第３図）５２を有するデ
ィスク４６と協働して圧縮機ダイアフラム組立体を形成
している。

静止羽根４８は、第３図及び第４図に関連して後から詳
細に説明するようにタービンケーシング５０に装着され
ている。

シュラウド付きの静止羽根４８を製造するのに通常使用
されている方法に由来して、疲労割れの深刻な問題が存
在する０例えば、特に第３図及び第４図を参照すると、
大部分の圧縮機ダイアフラム組立体の製造業者により用
いられてきた方法のいずれにおいても、溶接を用いてシ
ュラウド付き羽根４８の翼状部５４を同羽根の内側シュ
ラウド５６及び外側シュラウド５８に結合している。こ
のように溶接を用いると、良く知られているように、熱
の影響を受けた熱影響領域６０が各溶接結合部６２に生
じることになる。

米国オハイオ州のアメリカ金属学会（八ｍｅｒｉｃａｎ
Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｍｅｔａｌｓ）による「金属
ハンドブック（Ｍｅｔａｌｓ　ｔｌａｎｄｂｏｏｋ）第
９版、第６巻」に所載の「溶接、ろう付け、半田付け（
Ｗｅｌｄｉｎｇ、　Ｂｒａｚｉｎｇ、　ａｎｄＳｏｌｄ
ｅｒｉｎｇ）Ｊに定義されているように、熱影響領域と
は、未だ熔融してはいないが、溶接、ろう付け、半田付
け、又は切断の熱により機械的性質又はミクロ組織が変
わってしまった卑金属の一部分のことである。翼状部５
４、内側シュラウド５６及び外側シュラウド５８に使用
されているような種類のステンレス鋼合金においては、
疲労による割れの開始は、かかる熱影響領域６０でたい
てい起こる。

しかし、上述のように、疲労割れに関連した問題は、熱
影響領域６０を生じさせる製造工程を単に排することに
よって解決されるものではない０例えば、第３図は、圧
延による一定断面の手法で製造された内側シュラウド付
き羽根４８を示しており、第４図は、鍛造による厚さ対
弦比が可変の手法で製造された内側シュラウド付き羽根
４８を示している。

第３図及び第４図に示すような通常の圧縮機ダイフラム
組立体の内側シュラウド５６及びそのシールに作用する
力は、主に、シール圧力降下Ｆ、に由来している。これ
等の力、並びに翼状部５４に作用する法線方向及び接線
方向の動的空気力ＦＡ、　Ｆ、であって、上述の力の各
々は、他の力及びモーメントを発生させる原因となり、
それ等が外側シュラウド５８に伝達され、その後、翼状
部５４を外側シュラウド５８に取着する溶接結合部６２
を介して燃焼タービン１２のケーシング５０に伝達され
る。

それにも拘わらず、一体的に形成された内側シュラウド
及び外側シュラウドを有する仮想的な翼状部を使用し、
それにより熱影響領域６０を除去するだけでは、疲労割
れは依然として無くならない。

上述したような静的な力及びモーメントの影響下では、
この仮想的な翼状部の外側シュラウド部分は、外側シュ
ラウド部分の先端部が同外側シュラウド部分を受は入れ
るため燃焼タービンのケーシングに形成されたスロット
の壁に係合することによって規制モーメントが発生する
まで、同ケーシングと安定的に係合しない。従って、外
側シュラウド５８は（熱膨張を吸収するためケーシング
のスロットに形成さ°れた）間隙内で回転する。その結
果、燃焼タービンにおいて仮想的な翼状部を使用するこ
とは、外側シュラウド部分の近傍において大きな応力が
生じ、且つ過剰の並進方向及び回転方向の変位になり、
それ等のいずれもが動的励振下で更に悪化されるであろ
う。

米国特許願第２２６，７０５号明細書に記載されたよう
な解決策はたいていの疲労割れの問題を実質的に解消さ
せることが分かった。しかし、この出願の明細書には、
構造がもっと簡単な別の解決策が開示されている。

第５図〜第８図に示すように、本発明による圧縮機ダイ
ヤフラム組立体６４は複数の真状部６６を含み、各翼状
部６６が、一体的に形成された内側シュラウド６８と、
一体的に形成された外側シュラウド７０とを有する。各
翼状部６６の内側シュラウド６８及び外側シュラウド７
０のそれぞれには溝７２があり、この溝７２は、負荷伝
達手段７６を形成する連結棒７４を受は入れるようにな
っている。複数の真状部６６のうちの隣接する２つ以上
が負荷伝達手段７６により一緒に連結されて、ダイアフ
ラム組立体６４を形成している。

複数の部分８０からなるシール支持装置（支持手段）７
８は内側シュラウド６８により支持されており、各部分
８０は、少なくとも１対の非係合シール（ディスク係合
シール）８２を有すると共に、１つ以上の翼状部６６の
内側シュラウド６８に係合するように形成されている。

本発明の重要な特徴によると、複数の翼状部６６が内側
シュラウド６８及び外側シュラウド７０と一体に形成さ
れているためばかりでなく、結合部を囲うために、重要
な翼状部のところで熱を殆どもしくは全く使用しない方
法によりそれ等が一緒に結合されているために、熱影響
領域が無くなっている。更に、負荷伝達手段７６のため
に、（静的もしくは動的励り＊状部６６とケーシングの
スロット７５との間に保合の不安定性があっても、それ
は僅かである。

一体的に形成された外側シュラウド７０は、−緒に結合
されて連結棒７４と共に外側リング８４を形成する。こ
のようにして、一体的に形成された各外側シュラウド７
０は、燃焼タービン１２のケーシング５０に形成された
スロット７５との係合のため、はぼＴ形の横断面を有す
るように形成され、通常の止めねじ９０により所定位置
に保持される。

本発明による圧縮機ダイアフラム組立体の組立及び分解
を容易にするため、且つ圧縮機ダイアフラム組立体の製
造コストを可及的に低減するため、翼状部６６を他のも
のから適切に離間すべく、種々の大きさのスペーサ９２
が用意されている。特に第６図及び第７図を参照すると
分かるように、一体的に形成された内側シュラウド６８
及び外側シュラウド７０は同様に一体的に形成された隣
接の内側シュラウド６８及び外側シュラウド７０に結合
されていて、かくして構成された圧縮機ダイアフラム組
立体６４が燃焼タービン１２のケーシングのスロット７
５内で並進方向及び回転方向に過剰に変位することを防
止している。

各翼状部６６は、連結棒７４からなる負荷伝達手段７６
により、一体的に形成された内側シュラウド６８及び一
体的に形成された外側シュラウド７０のところで、隣接
の翼状部６６に結合されている。一体的に形成された内
側シュラウド６８及び一体的に形成された外側シュラウ
ド７０に設けられた溝７２は、矩形状の連結棒７４と共
に使用するために、第６図に示すように実質的に平行な
側辺を有する。しかし、渭７２は、第７図に示すような
別の形状として９０’以下の角度でテーバが付いていて
もよい。

一体的に形成された内側シュラウド６８及び一体的に形
成された外側シュラウド７２のスロット７２を上述のよ
うな別の形状に形成すると、本発明による圧縮機ダイア
フラム組立体は、ろう付けにより、電子ビーム溶接によ
り、レーザ溶接により（第６図に示す方向Ａ又はＢ）、
焼き嵌めにより、或は単に羽根式の隙間（即ち、約０．
００１ｉｎ）を設けることにより、複数の翼状部６６を
一緒に結合することによって、容易に形成することがで
きる。

連結棒７４の側辺は、平行な側辺を有する渭７２の場合
のように、第６図に示す方向Ａ及びＢにおける電子ビー
ム溶接により結合するのに適する角度ゼロから焼き嵌め
もしくは嵌合組立に適する９０゜以下の傾斜角まで変わ
りうる角度θにより画成されている０例えば、第７図に
示すような傾斜した溝７２では、連結棒７４は、液体窒
素その他の手段を使用して“収縮”され、溝７２内に挿
入され、その後から間溝７２内で膨張される。他方、翼
状部６６は約５００’まで加熱され、そこに連結棒７４
が挿入されて、低圧縮応力及び低引張応力の拘束された
システムを提供する。更に、渭７２の長さに沿って収り
付けられる複数のピン、９６により連結棒７４が溝７２
に結合されるような状態で、羽根式の隙間を傾斜溝７２
の側辺と連結棒７４との間に設けることができる。

上述のように、本発明による圧縮機ダイアフラム組立体
６４は、熱影響領域により招来される疲労割れの問題を
排除する。また、これは、内側シュラウド及び外側シュ
ラウドにおいて典型的に発生する応力気中を実質的に軽
減する。一体的に形成された翼状部は、その製造に関連
したコストを低減すると同時に、動翼の製造に使用され
長期にわたり確立されていた手順（即ち、鋳造、鍛造、
輪郭フライス削り等）を速用できるので、生産品の品質
が良くなる。容易に諒解されるように、損傷した翼状部
６６を１つだけ容易に交換することができ、また、翼状
部６６、分割されたシール支持装置８０、外側シュラウ
ド７０及びスロット７５間の多数の接続面は、機械的減
衰もしくは制振の増大を可能にして、これが動的応答を
最小にする。

明らかなように、上述の記載から考えて多くの変形及び
改変が可能である。従って、本発明は、特許請求の範囲
内で、上に特定的に説明した以外の形態で実施しうるち
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、燃焼タービンを用いる典型的な発電プラント
の配置例を示す図、第２図は、第１図に示した燃焼ター
ビンを部分的に破断して示す斜視図、第３図は、先行技
術の第１の方法により製造されたシュラウド付き羽根に
作用する力について説明する断面図、第４図は、先行技
術の第２の方法により製造された別のシュラウド付き羽
根の断面図、第５図は、本発明によに一体的にシュラウ
ドが付けられた羽根の斜視図、第６図は、本発明の一実
施例に従って一体的にシュラウドが付けられた第５図の
羽根のための連結溝の詳細図、第７図は、本発明の別の
実施例に従って一体的にシュラウドが付けられた第５図
の羽根のための連結溝の詳細図、第８図は、本発明の好
適な実施例に従って組み立てられるような第５図に示す
内側シュラウド付きの羽根の斜視図である。 １２・・・燃焼タービン　　３４・・・タービン圧縮機
部４０・・・ロータ　　　　　４２・・・動翼４４・・
・軸　　　　　　　４６・・・ディスク５０・・・ケー
シング　　　５２・・・ラビリンスシール６４・・・圧
縮機ダイアフラム組立体 ６６・・・羽根翼状部　　　６８・・・内側シュラウド
７０・・・外側シュラウド　７５・・・スロット７６・
・・負荷伝達手段　　８２・・・シール７８・・・シー
ル支持装置（支持手段）ＦＩＧ、　　１ 出願人　　ウェスチングハウス・エレクＦＩＧ、　　３ ＦＩＧ。 ＦＩＧ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ケーシングと、タービン圧縮機部のところで前記ケ
   ーシング内に円周方向に形成された第１の所定横断面の
   １つ以上のスロットと、該スロットの各々から垂下する
   ようになっていて、ラビリンスシールに複数の圧縮機デ
   ィスクを備えた圧縮機ダイアフラム組立体とを有する燃
   焼タービンにおいて、前記圧縮機ダイアフラム組立体を
   組み立てる方法であつて、 一体的に形成された内側シュラウドと一体的に形成され
   た外側シュラウドとを各々が有すると共に、該外側シュ
   ラウドには、前記ケーシングに形成された前記スロット
   に摺動自在に係合するように、前記第１の所定横断面に
   一致する横断面を有している複数の羽根翼状部を用意し
   、 該羽根翼状部の各々に負荷伝達手段を設け、少なくとも
   １対のディスク係合シールを有する支持手段を前記内側
   シュラウドと係合自在に設ける、 諸ステップからなる圧縮機ダイアフラム組立体の組立方
   法。 ２）ケーシングと、複数のディスクを有する軸に沿って
   軸方向に配設された複数の動翼を含むロータと、タービ
   ン圧縮機部のところで前記ケーシング内に円周方向に形
   成された第１の所定横断面を有する１つ以上のスロット
   とを有する燃焼タービンにおける圧縮機ダイアフラム組
   立体であって、一体的に形成された内側シュラウドと一
   体的に形成された外側シュラウドとを各々が有すると共
   に、該外側シュラウドが、前記ケーシングに形成された
   前記スロットに摺動自在に係合するように、前記第１の
   所定横断面に一致する横断面の上側部分を有している複
   数の羽根翼状部と、 該複数の羽根翼状部の隣接するものをそれ等に関連した
   前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドのところで
   結合する負荷伝達手段と、 少なくとも１対のディスク係合シールを含むと共に、前
   記内側シュラウドと係合自在の支持手段と、 の組み合わせからなる圧縮機ダイアフラム組立体。