JP6153598B2 - 支持リング - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン設備の高圧ガスタービンに用いられる支持リングに関する。さらに、本発明は、このような支持リングを備えた、特に発電所内の発電機を駆動するためのガスタービン設備に関する。

背景技術
たとえば欧州特許第０６２０３６２号明細書から明らかであるような二段燃焼再熱式のガスタービン設備は、高圧ガスタービンを有している。この高圧ガスタービンには、上流に配置された高圧燃焼器の高温ガスが作用する。この高圧燃焼器の上流では、圧縮機が圧縮空気の提供を確保している。高圧ガスタービンの下流には、低圧燃焼器が設けられている。この低圧燃焼器の高温ガスは、下流に配置された低圧ガスタービンに作用する。このようなガスタービン設備は、好適には１つの共通のロータによって運転される。このロータは、圧縮機の動翼と、高圧ガスタービンの動翼と、低圧ガスタービンの動翼とを支持している。

このようなガスタービン設備では、冒頭で述べた支持リングが高圧ガスタービンの領域に使用されており、これによって、この高圧ガスタービンの静翼および／または防熱シールドが支持されているかもしくはガス路内に位置決めされている。支持リングは、高圧ガスタービンの動翼に作用結合される高圧ガスタービンの静翼を支持することができる。付加的には、支持リングは、周方向で互いに隣り合った静翼の間に防熱シールドを支持することもできる。択一的には、支持リングが、高圧ガスタービンの動翼に対して半径方向で隣り合っていて、軸方向で同一の平面内に位置している防熱シールドを支持するために使用されてもよい。

このようなガスタービンの組付けの範囲内では、予め組み付けられた支持リングを、圧縮機および両ガスタービンに用いられる静翼がすでに装着されているロータに軸方向で被せることが基本的に可能である。その後、適正な軸方向位置において、更なる組付けのために、支持リングを組付け補助手段としての保持エレメントによってロータに位置固定することができる。次いで、ロータを支持リングと一緒にガスタービン設備のステータハウジング内に格納することができる。さらに、これに続いて、支持リングをステータハウジングに固定することができる。

組付けのためにロータへの支持リングの位置固定を可能にした保持エレメントが再び取り外される。このような進め方には、比較的手間がかかる。さらに、翼配列を伴ったロータに支持リングを被せることができるようにするために、圧縮機もしくは低圧ガスタービンの動翼配列の軸方向の長さが、支持リングの自由直径によって制限されている。さらに、支持リングの静翼もしくは防熱シールドを交換するための保守作業に極めて手間がかかる。なぜならば、支持リングを再び引き抜くことができるようにするために、ロータ全体がステータハウジングから取り出されなければならないからである。このようなガスタービン設備では、支持リングがしばしばＨＰＴリングとも呼ばれる。なお、ＨＰＴとは、Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｔｕｒｂｉｎｅのことである。

独国特許出願公開第１９９５０１０８号明細書に基づき、防熱リングが公知である。この公知の防熱リングは、ガスタービン内でその動翼に半径方向で隣り合って配置されている。公知の防熱リングは複数の熱シールドセグメントを有している。これらの熱シールドセグメントは、周方向に連続して配置されていて、ステータハウジングに固定された複数のクランプセグメントによって保持されている。これらのクランプセグメントは、熱シールドセグメントの軸方向両側でステータハウジングに配置されていて、軸方向で互いに向かい合った内側に、周方向に延びるそれぞれ１つの溝を有しており、これらの溝内に熱シールドセグメントが縁側において軸方向で係合している。

国際公開第２０１０／０４０３３９号に基づき、ガスタービンのロータに用いられる動翼環列が公知である。この公知の動翼環列は、周方向で互いに隣り合った多数の動翼から成っている。動翼環列の組付けのためには、周方向でセグメントに分割された組付けリングが提供される。周方向で互いに隣り合ったリングセグメント同士の結合のために適した結合片が設けられている。セグメントに分割されたこのような組付け補助手段の使用によって、静翼環列に予荷重を加えることが簡単になる。

発明の開示
本発明は、冒頭で述べた支持リングもしくはこのような支持リングを備えたガスタービン設備に対して、ガスタービン設備の簡単な組付けもしくはガスタービン設備の簡単な保守が可能となる改善された構成または少なくとも１つの別の構成を提供するという問題を扱っている。

この問題は、本発明において、特に独立請求項の特徴によって解決される。課題に関連した有利な態様は、従属請求項の対象である。

本発明は、支持リングを少なくとも静翼の範囲もしくは防熱シールドの範囲において周方向でセグメントに分割し、これによって、それぞれ静翼もしくは防熱シールドを支持している少なくとも２つのリングセグメントが存在しているという一般的な思想に基づいている。セグメントへの支持リングの分割によって、この支持リングがもはや軸方向でロータに被せられる必要はない。それどころか、個々のリングセグメントを、支持リングのためにロータに対して設定された軸方向の位置に互いに依存するように組み付けて、支持リングを形成することが可能となる。

したがって、支持リングへの、動翼が装着されたロータの手間のかかる複雑な挿嵌が省略される。さらに、ロータの動翼の寸法設定が、もはや支持リングの自由内側横断面に左右されなくなる。したがって、特に圧縮機の最初の動翼列の外径および／または低圧ガスタービンの最後の動翼列の外径を支持リングの自由内径よりも大きく寸法設定することができる。

さらに、たとえば支持リングの静翼もしくは防熱シールドを交換するかもしくは検査するための、支持リングの領域でのガスタービン設備の保守も簡単になる。

支持リングを取り出すためには、この支持リングを再びセグメントに分割することが可能である。なお、その際、ロータ全体がステータハウジングから取り出される必要はない。支持リングの周方向は、この支持リングの組込み状態において、ガスタービン設備のロータの回転軸線を基準としている。

特に有利な態様に相応して、支持リングが、さらに、軸方向で分割されていて、周方向でセグメントに分割された、静翼および／または防熱シールドを支持している１つのメイン部分リングと、周方向でセグメントに分割された少なくとも１つのサイド部分リングとを有していてよい。専らメイン部分リングが静翼もしくは防熱シールドを備えており、これによって、つまるところ、各サイド部分リングが静翼も防熱シールドも支持していない変化態様が好適である。各サイド部分リングによって、特にメイン部分リングを安定化させることが可能である。好ましくは、メイン部分リングのセグメントを互いに結合するために、サイド部分リングのセグメントが使用されてよい。軸方向は、支持リングの組込み状態において、ガスタービン設備のロータの回転軸線に対して平行に延びている。

別の有利な態様では、支持リングが、セグメントに分割された正確に２つのサイド部分リングを有しており、両サイド部分リングが、メイン部分リングの両側に配置されていてよい。これによって、メイン部分リングを、特に効率よく補強することができる。

両サイド部分リングが互いに同一に形成されている改良態様が好適である。同一部材としてのサイド部分リングの構成によって、製造コストが削減される。さらに、これによって、組付けの間、取り違えを回避することができる。

メイン部分リングセグメントは同一部材として形成されていてよい。付加的または択一的には、サイド部分リングセグメントが同一部材として形成されていてよい。

メイン部分リングのリングセグメントが、各サイド部分リングのリングセグメントに対して周方向にずらされて配置されている態様が特に有利である。したがって、メイン部分リングセグメントとサイド部分リングセグメントとが周方向で重畳される。これによって、組立て式の支持リングが、高められた安定性を有している。メイン部分リングのリングセグメントが、各サイド部分リングのリングセグメントに対して約５０％の周方向長さだけ周方向にずらされて配置されている改良態様が好適である。こうして、各サイド部分リングセグメントが、ほぼ半分ずつ、それぞれ２つの隣り合ったメイン部分リングセグメントに対応配置されている。

別の有利な態様では、メイン部分リングの軸方向の肉厚が、各サイド部分リングの軸方向の肉厚よりも少なくとも５０％大きく寸法設定されていてよい。こうして、メイン部分リングを、静翼もしくは防熱シールドに対する支持機能のために、より良好に使用することができる。同時に、各サイド部分リングの軸方向の肉厚を減少させることによって、本発明に係る組立て式の支持リングの、軸方向においてコンパクトな構造が達成される。

各サイド部分リングが、正確に４つのリングセグメントを有している態様が特に有利である。メイン部分リングに対しても、正確に４つのリングセグメントを備えた態様が好適である。有利には、個々のリングセグメントがその円弧長さに関して周方向でほぼ等しいサイズに寸法設定されている。したがって、４つのリングセグメントの場合には、個々の各リングセグメントが、それぞれ約９０゜だけ延在している。このような９０゜リングセグメントは比較的簡単に取扱い可能であり、組み立てられた状態において、支持リングに対する所望の安定性を保証していることが判った。

当然ながら、異なる個数へのメイン部分リングもしくは各サイド部分リングの分割も基本的には可能である。たとえば、正確に２つまたは正確に３つまたは正確に５つのリングセグメントへの分割が実現されてもよい。メイン部分リングの分割形態が各サイド部分リングの分割形態と同じである態様が好適である。しかし、基本的には、メイン部分リングとサイド部分リングとを互いに異なる個数に分割することも可能である。

メイン部分リングが、各サイド部分リングにねじ締結されている態様が特に有利である。このようなねじ締結によって、メイン部分リングと各サイド部分リングとの間の効率のよい高強度の解離可能な結合が可能となる。各ねじ締結手段が軸方向に延びている改良態様が好適である。こうして、メイン部分リングと各サイド部分リングとが互いに軸方向で緊締される。これによって、組み立てられた支持リングに所望の剛性が実現可能となる。メイン部分リングの両側に２つのサイド部分リングが設けられている限り、各ねじ締結手段はメイン部分リングを貫いて延びている。ねじ締結が実現される限り、一方のサイド部分リングに軸方向でねじ頭を支持することができる。他方のサイド部分リングには、各ねじに対するねじ山付き開口が設けられていてよい。また、各ねじを他方のサイド部分リングにナットを介して、場合により座金を伴って支持することも可能である。

したがって、本発明に係るガスタービン設備は、圧縮機と、この圧縮機の下流側に配置された高圧燃焼器と、この高圧燃焼器の下流側に配置された高圧ガスタービンと、この高圧ガスタービンの下流側に配置された低圧燃焼器と、この低圧燃焼器の下流側に配置された低圧ガスタービンとを有している。本発明に係るガスタービン設備は、高圧燃焼器に固定されていると共に高圧ガスタービンに用いられる静翼および／または防熱シールドを支持している前述した支持リングを特徴としている。

基本的には、本発明に係る支持リングの使用は、ガスターボ群とも呼ばれる二段燃焼再熱式に運転されるガスタービン設備にのみ限定されるものではなく、たとえば、１つの圧縮機と、１つの燃焼器と、１つのタービンとから成っていて、前述した本発明に係る支持リングの利点による恩恵を受けることができる別のガスターボコンセプトも可能である。

本願において広範囲にわたって行われる二段燃焼再熱式のガスタービン設備への集中は、本発明に係る支持リングの使用により有利に解決される問題点を特に明確に開示することを目的とするものでしかない。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項、図面および図面に基づく相応の説明から明らかである。

当然ながら、前述した特徴および以下にさらに説明する特徴は、それぞれ記載した組合せだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなしに、別の組合せでも、単独でも使用可能である。

本発明の好適な実施の形態を図面に示し、以下に詳しく説明する。同一の構成要素、類似の構成要素または機能的に同一の構成要素には、同じ符号が付してある。本発明を直接的に理解するために重要でない全ての特徴については省略してある。

ガスタービン設備の極めて簡単な回路図状の原理図である。 ステータハウジング内へのロータの組付け時のガスタービン設備の簡単な側面図である。 支持リングを軸方向で見た図である。 支持リングの展開された等測図である。

発明を実施するための形態
図１に相応して、好適には発電所内の発電機を駆動するために使用することができるガスタービン設備１は、圧縮機２と、この圧縮機２の下流側に配置された高圧燃焼器３と、この高圧燃焼器３の下流側に配置された高圧ガスタービン４と、この高圧ガスタービン４の下流側に配置された低圧燃焼器５と、この低圧燃焼器５の下流側に配置された低圧ガスタービン６とを有している。ガスタービン設備１を通る作業ガスの案内は、図１に矢印によって示してある。ガスタービン設備１は、圧縮機２および両ガスタービン４，６に対して、有利には１つの共通のロータ７を有している。このロータ７は、ガスタービン設備１の運転中に回転軸線８を中心として回転している。

図２によれば、ロータ７は圧縮機２の動翼配列９を支持している。この動翼配列９は、本実施の形態では複数の動翼列９から形成されている。これらの動翼列９は、回転軸線８に対して平行に延びる軸方向に連続している。各動翼列９の範囲内では、回転軸線８を基準とした周方向に複数の個々の動翼９が配置されている。さらに、ロータ７は高圧ガスタービン４の動翼配列１０を支持している。この動翼配列１０は、少なくとも１つの動翼列１０を有している。この動翼列１０は、周方向で互いに隣り合った個々の動翼１０を有している。さらに、ロータ７は低圧ガスタービン６の動翼配列１１を支持している。この動翼配列１１は、本実施の形態では複数の動翼列１１を有している。これらの動翼列１１は、軸方向に相並んで配置されていて、それぞれ周方向で隣り合った個々の動翼１１を有している。

図２によれば、さらに、ガスタービン設備１はステータハウジング１２を有している。このステータハウジング１２のうち、図２には、下側半分だけが示してある。ステータハウジング１２は、ロータ７を収容しかつ支承するために働く。下方に向けられた矢印は、組付けの間にステータハウジング１２内にロータ７を下降させることを表している。ハウジング１２には、高圧燃焼器３および低圧燃焼器５も形成されている。

さらに、ガスタービン設備１は支持リング１３を備えている。この支持リング１３はステータ側に配置されていて、高圧ガスタービン４に対応配置されている。図２の実施の形態では、支持リング１３が、ロータ７に対して高圧ガスタービン４の動翼配列１０の範囲内に位置決めされている。ステータハウジング１２内へのロータ７の組付けのためにしか必要とならない、支持リング１３とロータ７との間の位置固定は、図２の実施の形態では、組付け補助手段１４によって実現される。その後、完全に組み付けられた状態では、支持リング１３が、ステータハウジング１２、好ましくは高圧燃焼器３に組み付けられている、すなわち、固定されている。その後、組付け補助手段１４を再び取り外すことができる。

図３および図４を参照しながら、以下に支持リング１３について詳しく説明する。この支持リング１３はその内周面に高圧ガスタービン４のステータ側の構成要素１５を支持している。この構成要素１５は静翼１６または防熱シールド１７であってよい。また、構成要素１５は静翼１６ならびに防熱シールド１７であってもよい。

図４によれば、支持リング１３は、少なくとも静翼１６もしくは防熱シールド１７の範囲において周方向でセグメントに分割されていて、これによって、静翼１６もしくは防熱シールド１７を支持する少なくとも２つのリングセグメント１８を有している。この実施の形態では、このようなリングセグメント１８が正確に４つ設けられている。さらに、支持リング１３は、図４の好適な実施の形態では、軸方向で分割されていて、周方向でセグメントに分割された１つのメイン部分リング１９と、同じく周方向でセグメントに分割された少なくとも１つのサイド部分リング２０とを有している。メイン部分リング１９は、静翼１６もしくは防熱シールド１７を支持していて、したがって、前述したセグメント１８を有している。以下、このセグメント１８をメイン部分リングセグメント１８とも呼ぶ。図４の実施の形態では、２つのサイド部分リング２０が設けられている。以下、両サイド部分リング２０のセグメントを符号２１で示す。サイド部分リング２０は、メイン部分リングセグメント１８を互いに固定するために働き、これによって、組み立てられた状態でそれ自体安定した支持リング１３が形成される。したがって、サイド部分リング２０は、静翼１６も防熱シールド１７も支持していない。両サイド部分リング２０は、支持リング１３の組込み状態でロータ７の回転軸線８に合致する軸方向を基準としてメイン部分リング１９の両側に配置されている。図示の実施の形態では、サイド部分リング２０もそれぞれ正確に４つのサイド部分リングセグメント２１を有している。セグメントへのメイン部分リング１９の分割ならびにサイド部分リング２０の分割は、この実施の形態では対称的に実現されており、これによって、個々のセグメント１８，２１が、周方向でそれぞれ約９０゜にわたって延びている。

図４に示したように、メイン部分リング１９のリングセグメント１８は、両サイド部分リング２０のリングセグメント２１に対して周方向にずらされて配置されていて、しかも、好ましくは、その各周方向長さの約５０％だけずらされて配置されている。言い換えると、図４に示した９０゜メイン部分リングセグメント１８は、９０゜サイド部分リングセグメント２１に対して約４５゜だけ周方向にずらされて配置されている。サイド部分リング２０もしくはサイド部分リングセグメント２１は、メイン部分リング１９もしくはメイン部分リングセグメント１８に軸方向で直接接触する。符号２２によって、ねじ締結手段が示してある。このねじ締結手段２２は多数の個々のねじ２３を有している。これらのねじ２３は、それぞれ軸方向に向けられていて、周方向に相並んで配置されている。個々のねじ２３は、一方のサイド部分リング２０を、対応する貫通開口２４において貫通し、メイン部分リング１９を、対応する貫通開口２５において貫通する。他方のサイド部分リング２０も相応の個数の開口２６を有している。ねじ締結手段２２の構成形態に応じて、他方のサイド部分リング２０の開口２６は、ねじ２３がねじ込まれるねじ山付き開口２６を成していてもよいし、同様にねじ２３により貫通される貫通開口２６を成していてもよい。後者の形態では、ねじ２３を、他方のサイド部分リング２０の、メイン部分リング１９と反対の外側で相応のナット（図示せず）によってねじ締結することができる。

しかし、有利には、両サイド部分リング２０は互いに同一に形成されている。セグメントへの部分リング１９，２０の９０゜分割によって、所属のリングセグメント１８，２１もそれぞれ同一に形成することができる。したがって、好ましくは、メイン部分リングセグメント１８が同一部材である。付加的または択一的には、サイド部分リングセグメント２１も同じく同一部材である。

図４に示した実施の形態では、メイン部分リング１９もしくは所属のセグメント１８が、それぞれ軸方向の肉厚２７を有している。この肉厚２７は、両サイド部分リング２０もしくは所属のセグメント２１の軸方向の肉厚２８よりも大きく寸法設定されている。好ましくは、メイン部分リング１９の肉厚２７は、各サイド部分リング２０の軸方向の肉厚２８よりも少なくとも５０％大きく寸法設定されている。特にメイン部分リング１９はその肉厚２７に関してサイド部分リング２０の約２倍のサイズに寸法設定されていてよい。

セグメントに分割された本発明に係る支持リング１３は、図２の実施の形態と異なり、後付けで、すなわち、ステータハウジング１２内にすでにロータ７が挿入された状態でこのロータ７を取り囲むようにステータハウジング１２内に組み込まれてもよい。また、支持リング１３は、ロータ７をステータハウジング１２から取り出す必要なしに取り出すこともできる。

１ ガスタービン設備
２ 圧縮機
３ 高圧燃焼器、第１の燃焼器
４ 高圧ガスタービン、第１のタービン
５ 低圧燃焼器、第２の燃焼器
６ 低圧ガスタービン、第２のタービン
７ ロータ
８ 回転軸線
９ ２の動翼
１０ ４の動翼
１１ ６の動翼
１２ ステータハウジング
１３ 支持リング
１４ 組付け補助手段
１５ 構成要素
１６ 静翼
１７ 防熱シールド
１８ １９のセグメント
１９ メイン部分リング
２０ サイド部分リング
２１ ２０のセグメント
２２ ねじ締結手段
２３ ねじ
２４ 開口
２５ 開口
２６ 開口
２７ １９の肉厚
２８ ２０の肉厚

Claims (9)

1. ガスタービン設備（１）に用いられる支持リングであって、前記ガスタービン設備が、少なくとも１つの圧縮機と、該圧縮機の下流で運転される少なくとも１つの燃焼器と、該燃焼器の下流に位置していて、該燃焼器からの高温ガスが作用する少なくとも１つのタービンとから成っており、前記圧縮機の動翼および前記タービンの動翼が、１つの共通のロータシャフトに配置されている、ガスタービン設備に用いられる支持リングにおいて、
   該支持リング（１３）が、前記タービン（４）の静翼（１６）および／または防熱シールド（１７）を支持していて、前記燃焼器（３）に固定可能であり、
   前記支持リング（１３）が、少なくとも前記静翼（１６）および／または前記防熱シールド（１７）の範囲において周方向でセグメントに分割されていて、前記静翼（１６）および／または前記防熱シールド（１７）を支持している少なくとも２つのリングセグメント（１８）を有しており、
   前記支持リング（１３）が、さらに、軸方向で分割されていて、前記周方向でセグメントに分割された、前記静翼（１６）および／または前記防熱シールド（１７）を支持している１つのメイン部分リング（１９）と、前記周方向でセグメントに分割された少なくとも１つのサイド部分リング（２０）とを有しており、
   前記支持リング（１３）が、セグメントに分割された２つのサイド部分リング（２０）を有しており、両サイド部分リング（２０）が、前記メイン部分リング（１９）の軸方向の両側に配置されている、
   ことを特徴とする、ガスタービン設備に用いられる支持リング。
2. 前記ガスタービン設備が、少なくとも１つの圧縮機から成る圧縮機ユニットと、該圧縮機ユニットの下流で働く第１の燃焼器と、該第１の燃焼器の下流で働く第１のタービンと、該第１のタービンの下流で働く第２の燃焼器と、該第２の燃焼器の下流で働く第２のタービンとから成っており、前記支持リング（１３）が、少なくとも前記第１のタービン（４）の前記静翼（１６）および／または前記防熱シールド（１７）を支持していて、少なくとも前記第１の燃焼器（３）に固定されている、請求項１記載の支持リング。
3. 前記両サイド部分リング（２０）が、互いに同一の構成に形成されている、請求項１または２記載の支持リング。
4. 前記メイン部分リング（１９）の前記リングセグメント（１８）の各端部が、前記各サイド部分リング（２０）のリングセグメント（２１）の各端部に対して前記周方向にずらされて配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の支持リング。
5. 前記メイン部分リング（１９）の軸方向の肉厚（２７）が、前記各サイド部分リング（２０）の軸方向の肉厚（２８）よりも少なくとも５０％大きく寸法設定されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の支持リング。
6. 前記各サイド部分リング（２０）が、正確に４つのリングセグメント（２１）を有しており、かつ／または前記各サイド部分リング（２０）が、対称的にセグメントに分割されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の支持リング。
7. 前記メイン部分リング（１９）が、正確に４つのリングセグメント（１８）を有しており、かつ／または前記メイン部分リング（１９）が、対称的にセグメントに分割されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の支持リング。
8. 前記メイン部分リング（１９）が、前記各サイド部分リング（２０）にねじ締結されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の支持リング。
9. 発電所内の発電機を駆動するためのガスタービン設備において、該ガスタービン設備が、
   少なくとも１つの圧縮機（２）と、
   該圧縮機（２）の下流側に配置された第１の燃焼器（３）と、
   該第１の燃焼器（３）の下流側に配置された第１のタービン（４）と、
   該第１のタービン（４）の下流側に配置された第２の燃焼器（５）と、
   該第２の燃焼器（５）の下流側に配置された第２のタービン（６）と
   を備えており、
   少なくとも前記第１のタービン（４）が、少なくとも前記第１の燃焼器（３）に固定された請求項１から８までのいずれか１項記載の支持リング（１３）を有していることを特徴とする、ガスタービン設備。

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