特許7511317ガスタービン、ガスタービンの案内羽根リング、および案内羽根リングを製造するための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-27
(45)【発行日】2024-07-05
(54)【発明の名称】ガスタービン、ガスタービンの案内羽根リング、および案内羽根リングを製造するための方法
(51)【国際特許分類】
F04D 29/54 20060101AFI20240628BHJP
B22F 3/16 20060101ALI20240628BHJP
B22F 5/00 20060101ALI20240628BHJP
F02C 7/00 20060101ALI20240628BHJP
F04D 29/64 20060101ALI20240628BHJP
【ＦＩ】
F04D29/54 D
F04D29/54 Z
B22F3/16
B22F5/00 Z
F02C7/00 E
F04D29/64 C
【請求項の数】
6
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018049219
(22)【出願日】2018-03-16
(65)【公開番号】P2018155246
(43)【公開日】2018-10-04
【審査請求日】2020-10-14
【審判番号】
【審判請求日】2022-06-09
(31)【優先権主張番号】10 2017 105 760.9
(32)【優先日】2017-03-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】510153962
【氏名又は名称】マン・エナジー・ソリューションズ・エスイー
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＮ ＥＮＥＲＧＹ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ ＳＥ
【住所又は居所原語表記】Ｓｔａｄｔｂａｃｈｓｔｒ．１ ８６１５３ Ａｕｇｓｂｕｒｇ，ＧＥＲＭＡＮＹ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】エミール・アシェンブルック
(72)【発明者】
【氏名】シュテファン・クラウス
(72)【発明者】
【氏名】アンドレアス・クライネフェルト
(72)【発明者】
【氏名】ジャマン・エル・マサルメ
(72)【発明者】
【氏名】ミヒャエル・ブラスヴィヒ
【合議体】
【審判長】北村 英隆
【審判官】窪田 治彦
【審判官】米倉 秀明
(56)【参考文献】
【文献】独国特許出願公開第１０２０１２２１５４１３（ＤＥ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－２０８５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１８５５３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２５４２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１３７４６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２２２８０７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
F04D29/54,29/64
F02C7/00
B22F3/16,5/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスタービン（１０）であって、その内部で空気が圧縮され得る軸流圧縮機として形成された圧縮機（１１）であって、ステータ側案内羽根（３０、３０ａ）およびロータ側回転羽根（２９）を備える、圧縮機（１１）と、
少なくとも１つの燃焼室（２１）を備えるバーナ（１３）であって、前記圧縮機（１１）内で圧縮された空気が前記少なくとも１つの燃焼室（２１）に送給され、前記圧縮空気の存在下において燃料が前記少なくとも１つの燃焼室（２１）内で前記空気の加熱を受けて燃焼され得る、バーナ（１３）と、
前記加熱された空気がその内部で膨張し得るタービン（１２）と、
前記圧縮空気の流れ方向において見た場合に前記圧縮機（１１）の下流に配置されたディフューザ（２２）であって、内壁（２６）および外壁（２７）を有するディフューザ（２２）と、
前記外壁（２７）に続く中間ハウジング（２８）と、
を備える、ガスタービン（１０）において、
前記圧縮機（１１）のステータ側出口側案内羽根（３０ａ）の出口側案内羽根リング（３２）が、内方シュラウド（３３）および外方シュラウド（３４）を備え、
前記ステータ側案内羽根（３０ａ）の前記出口側案内羽根リング（３２）の前記外方シュラウド（３４）上には、第１の固定デバイス（３５）が形成され、前記案内羽根リング（３２）は、前記第１の固定デバイス（３５）を介して前記中間ハウジング（２８）のみに直接的に装着され、
前記ステータ側案内羽根（３０ａ）の前記出口側案内羽根リング（３２）の前記内方シュラウド（３３）上には、第２の固定デバイス（３６）が形成され、前記案内羽根リング（３２）は、前記第２の固定デバイス（３６）を介して前記ディフューザ（２２）の前記内壁（２６）のみに直接的に装着され、
前記出口側案内羽根リング（３２）の前記ステータ側案内羽根（３０ａ）の厚さと前記案内羽根リング（３２）の前記内方シュラウド（３３）の厚さとの間の比が、１：５よりも大きいかまたは１：５に等しく、
前記出口側案内羽根リング（３２）の前記ステータ側案内羽根（３０ａ）の前記厚さは、前記各案内羽根（３０ａ）の吸気側表面と加圧側表面との間の最大距離により定義されることと、前記出口側案内羽根リング（３２）の前記各シュラウド（３３、３４）の前記厚さは、前記案内羽根リング（３２）の径方向における前記各シュラウド（３３、３４）の外周面と内周面との間の距離により定義されることと、を特徴とする、ガスタービン（１０）。
【請求項2】
前記ディフューザ（２２）の前記外壁（２７）は、前記中間ハウジング（２８）に直接的に連結されるか、または前記中間ハウジング（２８）の一体部分であることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
【請求項3】
前記出口側案内羽根リング（３２）の前記ステータ側案内羽根（３０ａ）の厚さと前記案内羽根リング（３２）の前記外方シュラウド（３４）の厚さとの比が、１：５よりも大きいかまたは１：５に等しいことを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項4】
前記出口側案内羽根リング（３２）の前記ステータ側案内羽根（３０ａ）は、前記内方シュラウド（３３）、前記外方シュラウド（３４）、前記第１の固定デバイス（３５）、および前記第２の固定デバイス（３６）とともにモノリシックアセンブリを形成することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン。
【請求項5】
軸流圧縮機として形成された、請求項１に記載のガスタービンの圧縮機（１１）のステータ側案内羽根（３０ａ）の出口側案内羽根リング（３２）であって、内方シュラウド（３３）および外方シュラウド（３４）を備え、前記外方シュラウド（３４）上には第１の固定デバイス（３５）が形成され、前記案内羽根リング（３２）は前記第１の固定デバイス（３５）を介して前記ガスタービンの中間ハウジング（２８）に直接的に装着されることが可能であり、前記内方シュラウド（３３）上には第２の固定デバイス（３６）が形成され、前記ガスタービンのディフューザ（２２）の内壁（２６）が、前記第２の固定デバイス（３６）を介して前記案内羽根リング（３２）に直接的に装着され得、前記出口側案内羽根リング（３２）の前記ステータ側案内羽根（３０ａ）の厚さと前記案内羽根リング（３２）の前記内方シュラウド（３３）の厚さとの間の比が、１：５よりも大きいかまたは１：５に等しい、出口側案内羽根リング（３２）。
【請求項6】
前記案内羽根リングは、ジェネレーティブ製造法によりモノリシックアセンブリとして製造される、請求項５に記載の案内羽根リングを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスタービンに関する。さらに、本発明は、軸流圧縮機として形成されたガスタービンの圧縮機のステータ側案内羽根の出口側案内羽根リングと、この出口側案内羽根リングを製造するための方法と、に関する。
【背景技術】
【0002】
本明細書における当業者は、たとえば産業用ガスタービンなどのガスタービンの基本構造に関して基本的に精通している。したがって、ガスタービンは、基本的アセンブリとして、圧縮機と、少なくとも1つの燃焼室を備えるバーナと、タービンと、を備える。圧縮機において、空気流が圧縮され、圧縮機内で圧縮された空気流は、ガスタービンの燃焼室または各燃焼室に送給され得る。ガスタービンの燃焼室または各燃焼室において、燃料が圧縮空気の存在下で燃焼され、その結果として空気が加熱される。ガスタービンの燃焼室または各燃焼室から発散することで、加熱された空気はガスタービンに送給され得る。タービン内で、加熱された空気が膨張する。
【0003】
このとき、かかるガスタービンの作業出力が、タービン出力と圧縮機の総入力との差から得られる。この差は、バーナの燃焼室または各燃焼室におけるエネルギー入力により生じる。
【0004】
特許文献１により、軸流圧縮機として設計された圧縮機と、少なくとも1つの燃焼室を備えるバーナと、タービンとを有するガスタービンが知られている。
【0005】
慣例的には、ガスタービンが、圧縮機の下流に位置する第1のディフューザと、タービンの下流に位置する第2のディフューザと、を備え、それにより圧縮機のすぐ下流の第1のディフューザを経由して圧縮空気を誘導し、第2のディフューザを用いてタービンのすぐ下流に膨張空気を誘導することがさらに知られている。圧縮機の下流に位置決めされた第1のディフューザは、内壁および外壁を有し、ガスタービンの中間ハウジングが、この第1のディフューザの外壁に続く。
【0006】
慣例的に知られるガスタービンでは、ステータ側のガスタービンのアセンブリに圧縮機の下流に位置決めされたディフューザを連結することは困難であることが分かっている。特に、十分な品質においてディフューザの内壁を装着することが困難であることが分かっている。ステータ側のガスタービンのディフューザおよび隣接するアセンブリは、熱負荷、とりわけ温度変動にさらされ、これらは、ステータ側のガスタービンのアセンブリへのディフューザの連結部において熱誘発された伸びを生じさせる恐れがある。そのため、ステータ側のガスタービンの隣接するアセンブリへのディフューザの連結部の品質が悪影響を被る恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】欧州特許第2372161号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ステータ側のガスタービンのアセンブリに対して高い品質でガスタービンのディフューザ、特にディフューザの内壁を装着する必要性がある。
【0009】
これに基づき、本発明は、新たなタイプのガスタービンと、出口側のかかるガスタービンの案内羽根リングと、かかる案内羽根リングを製造するための方法とを生み出すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的は、請求項1に記載のガスタービンにより達成される。
【0011】
ステータ側の圧縮機の案内羽根の出口側案内羽根リングが、内方シュラウドおよび外方シュラウドを備える。ステータ側案内羽根の出口側案内羽根リングの外方シュラウド上に、第1の固定デバイスが形成され、案内羽根リングは、この第1の固定デバイスを介して中間ハウジングに直接的に装着される。ステータ側案内羽根の出口側案内羽根リングの内方シュラウド上に、第2の固定デバイスが形成され、ディフューザの内壁は、この第2の固定デバイスを介して案内羽根リングに直接的に装着される。
【0012】
このガスタービンでは、出口側ステータ側案内羽根は、内方シュラウドおよび外方シュラウドを有する案内羽根リングを形成する。外方シュラウド上には、第1の固定デバイスが形成され、案内羽根リングは、この第1の固定デバイスを介して中間ハウジングに直接的に連結される。内方シュラウド上には、第2の固定デバイスが形成され、ディフューザの内壁は、この第2の固定デバイスを介して出口側案内羽根リングに直接的に連結される。そのため、ディフューザの内壁は、案内羽根リングを介して中間ハウジングに対して高い品質で容易に連結され、規定の中心位置に保持され得る。ディフューザの内壁の連結部における熱誘発される伸びが、軽減され得る。
【0013】
優先的には、ディフューザの外壁は、中間ハウジングに直接的に連結されるか、または中間ハウジングの一体部分である。そのため、ガスタービンのステータ側アセンブリに対するディフューザの連結が、さらに改善され得る。この場合には、熱誘発される伸びのリスクが低い。
【0014】
さらなる展開によれば、出口側案内羽根リングのステータ側案内羽根の厚さと案内羽根リングの内方シュラウドの厚さとの間の比、および/または出口側案内羽根リングのステータ側案内羽根の厚さと案内羽根リングの外方シュラウドの厚さとの比が、1:5よりも大きいかまたは1:5以上である。
【0015】
出口側案内羽根リングのステータ側案内羽根の厚さと案内羽根リングのシュラウドの厚さとの間のこれらの比は、中間ハウジングに対する案内羽根リングの、および案内羽根リングに対するディフューザの内壁の確実な連結を確保するために好ましい。
【0016】
ガスタービンの軸流圧縮機として形成された圧縮機のステータ側出口側案内羽根の出口側案内羽根リングが、請求項9に定義される。
【0017】
ステータ側案内羽根の案内羽根リングを製造するための方法が、請求項10に定義される。
【0018】
本発明の好ましいさらなる展開が、下位クレームおよび以下の説明から得られる。本発明の例示の実施形態が、図面を介してさらに詳細に説明されるが、この図面に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】先行技術によるガスタービンの断面図である。
【図2】本発明によるガスタービンの中間ハウジングの領域における詳細断面図である。
【図4】ガスタービンの詳細斜視図である。
【図5】ガスタービンの代替的な詳細斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明は、ガスタービンに関する。
【0021】
図1は、圧縮機11と、タービン12と、圧縮機とタービン12との間で連結された少なくとも1つの燃焼室を備えるバーナ13と、の領域におけるガスタービン10の軸方向断面図を示す。圧縮機11からは、ステータ側ハウジング14と複数の圧縮機ステージを有するロータ側シャフト15とが図示される。タービン12からは、ステータ側ハウジング16と複数のタービンステージを有するロータ側シャフト17とが図示される。圧縮機11のロータ側シャフト15およびタービン12のロータ側シャフト17は、相互に結合される。
【0022】
バーナ13からは、バーナハウジング18が図示されており、これは圧縮機11のステータ側ハウジング14とタービン12のステータ側ハウジング16との間に連結される。優先的には、バーナハウジング18は、複数の凹部19を有し、各凹部19は、いずれの場合においても各燃焼室21の少なくとも1つの炎筒20を受ける役割を果たす。バーナハウジング18の外周部により、炎筒20を受けるためのこれらの凹部19は、周方向に見た場合に優先的には均等分布にて配置される。
【0023】
圧縮機11は、空気流を圧縮する役割を果たす。圧縮空気流は、ディフューザ22を経由して圧縮機11から退出し、ディフューザ22を経由してバーナハウジング18により形成された環状流れダクト23に進入する。バーナハウジング18のこの環状流れダクト23から出発して、圧縮空気は各燃焼室21の領域に、およびしたがって各炎筒20の領域に進入し、各燃焼室21の領域で燃料が燃焼され、空気がそのプロセスで加熱される。各燃焼室21から出発して、加熱された空気はタービン12に送給されるが、中間ピース24がその目的のために機能する。各燃焼室21から出発して、加熱された空気は、いずれの場合においてもタービン12の中間ピース24を経由してガスタービン10に送給され得る。ガスタービン10のタービン12の領域で、加熱された空気が膨張する。タービン12の下流には、さらなるディフューザ25が配置されており、このディフューザ25を経由して膨張された空気はタービン12の下流に誘導される。
【0024】
圧縮機11の直後に続くディフューザ22は、径方向内方内壁26および径方向外方外壁27を備え、ディフューザ22のこの内壁26および外壁27は、バーナ13の方向への圧縮空気用の流れダクトを画成する。ディフューザ22の外壁27の後には、ガスタービンの中間ハウジング28が続く。
【0025】
圧縮機11は、圧縮空気の流れ方向に見た場合にディフューザ22の上流に位置決めされ、既に説明したように圧縮機11は、典型的には複数のステージのロータ側回転羽根29およびステータ側案内羽根30を備える。ロータ側回転羽根30は、圧縮機11のロータ側シャフト15とともに回転し、ステータ側案内羽根30は、圧縮機11のステータ側ハウジング14の案内羽根キャリア31内に装着される。
【0026】
本発明によるガスタービン10では、出口側ステータ側案内羽根30aは、出口側案内羽根リングとしても説明される案内羽根30aのリング32を形成する。この出口側案内羽根リング32は、内方シュラウド33および外方シュラウド34を備える。
【0027】
出口側案内羽根リング32の外方シュラウド34上には、第1の固定デバイス35が形成され、案内羽根リング32は、この第1の固定デバイス35を介して中間ハウジング28に対して直接的に連結され得るかまたは中間ハウジング28に対して直接的に装着され得る。
【0028】
出口側案内羽根リング32の内方シュラウド33上には、第2の固定デバイス36が形成され、ディフューザ22の内壁26は、この第2の固定デバイス36を介して案内羽根リング32に対して直接的に連結され得るか、または出口側案内羽根リング32に対して直接的に装着され得る。
【0029】
ディフューザ22の外壁27は、中間ハウジング28に対して別々のものとして装着されることが可能である。図示する例示の実施形態では、ディフューザ22の外壁27は、中間ハウジング28の一体部分である。
【0030】
したがって、本発明によるガスタービンでは、内方シュラウド33および外方シュラウド34を備える別個の案内羽根リング32内に出口側案内羽根30aを組み合わせることが提案される。この案内羽根リング32は、外方シュラウド34の第1の固定デバイス35を介して中間ハウジング28に直接的に連結され、ディフューザ22の内壁26は、出口側案内羽根リング32の内方シュラウド33の固定デバイス36に対して直接的に連結される。これにより、ステータ側アセンブリに対する、すなわち中間ハウジング28に対するディフューザ22の最適な連結が実現可能となる。
【0031】
案内羽根リング32のステータ側案内羽根30は、内方シュラウド33、外方シュラウド34、第1の固定デバイス35、および第2の固定デバイス36とともにモノリシックアセンブリを形成する。
【0032】
図5は、出口側案内羽根リング32の案内羽根30aがタンデム構成を形成する一実施形態を示す。いずれの場合においても、2つのかかる出口側案内羽根30aは、直に前後に軸方向へと配置された案内羽根30aからなるタンデム構成を形成する。
【0033】
本発明の有利なさらなる展開によれば、出口側案内羽根リング32のステータ側案内羽根30aの厚さとその内方シュラウド33の厚さとの比が、1:5よりも大きいか、または1:5以上となるように設定される。さらに、ステータ側案内羽根30aの厚さと出口側案内羽根リング32の外方シュラウド34の厚さとの間の比が、やはり1:5よりも大きいか、または1:5以上となる。
【0034】
各シュラウド33、34の厚さは、径方向において見た場合の各シュラウドの2つの境界表面間の距離を意味する。
【0035】
出口側案内羽根リング32の各ステータ側案内羽根30aの厚さは、各案内羽根30aの吸気側と加圧側との間の最大距離を意味する。
【0036】
特に、出口側案内羽根リング32の案内羽根30aが、タンデム構成で具現化される場合には、ジェネレーティブ製造法または積層造形法、特に3D印刷によって出口側案内羽根リング32のモノリシックアセンブリを製造することが実現可能となる。本明細書における当業者は、かかるジェネレーティブ製造法の詳細に精通している。
【符号の説明】
【0037】
10 ガスタービン
11 圧縮機
12 タービン
13 バーナ
14 ハウジング
15 シャフト
16 ハウジング
17 シャフト
18 バーナハウジング
19 凹部
20 炎筒
21 燃焼室
22 ディフューザ
23 流れダクト
24 中間ピース
25 ディフューザ
26 内壁
27 外壁
28 中間ハウジング
29 回転羽根
30 案内羽根
30a 出口側案内羽根
31 案内羽根キャリア
32 案内羽根リング
33 内方シュラウド
34 外方シュラウド
35 固定デバイス
36 固定デバイス
11 圧縮機
12 タービン
13 バーナ
14 ハウジング
15 シャフト
16 ハウジング
17 シャフト
18 バーナハウジング
19 凹部
20 炎筒
21 燃焼室
22 ディフューザ
23 流れダクト
24 中間ピース
25 ディフューザ
26 内壁
27 外壁
28 中間ハウジング
29 回転羽根
30 案内羽根
30a 出口側案内羽根
31 案内羽根キャリア
32 案内羽根リング
33 内方シュラウド
34 外方シュラウド
35 固定デバイス
36 固定デバイス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】