JP6141871B2 - 高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、広くガスタービン装置に関し、更に詳細には、高温気体膨張装置（ｈｏｔ ｇａｓ ｅｘｐａｎｄｅｒ）の入口ケーシング組立体（ホットガスエキスパンダ）（ｉｎｌｅｔ ｃａｓｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ）及び高温気体膨脹装置の入口ケーシングの部品を設置（ｉｎｓｔａｌｌ）する方法に関する。

エネルギ回収装置は、多様な産業において、捨てられるはずのエネルギの少なくとも一部を回収するために用いることができる。典型的に、エネルギ回収装置は、廃棄されるエネルギを取り込んでそこからパワー（ｐｏｗｅｒ）を抽出するために産業プロセス（産業的工程）の中に組み込まれる。回収されたエネルギは、産業プロセスにおける他の設備、例えば空気圧縮機や発電機を駆動するために用いることができる。エネルギ回収装置は、産業プロセスの総合的な効率（ｏｖｅｒａｌｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を向上させると共に、製鋼所の溶鉱炉、空気分離プラント（空気分離施設）の超低温処理装置及びオイル精製施設の流動接触分解（Ｆｌｕｉｄ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）（ＦＣＣ）処理プラントを含む、多様な用途に用いることができる。

エネルギ回収装置の一例は、オイル精製産業で広く用いられる高温気体膨張装置である。高温気体膨張装置は、燃焼排気のエネルギをＦＣＣプロセスから取り込んで、１つ又は１つを超える数の減圧弁又は絞り弁（スロットルバルブ）を通して失われるはずの熱エネルギを回収する。高温気体膨張装置は、タービンエンジンの原理で作動して、高温排気の流れからエネルギを抽出する。典型的には、高温排気は膨張装置のノーズコーン上を通過し、複数の静翼（静止ブレード）を通り抜け、複数の動翼（回転ブレード）に当たる。動翼の静翼に対する相対的な回転は、排気の運動エネルギを抽出し、動翼を支持する回転軸の回転エネルギへと変換する。この回転軸は、圧縮機、発電機又は他の設備にパワー（動力）を付与することができる。

この回転軸及び複数の動翼は、膨張装置のハウジングの内部に配置され、１つ又は１つを超える数のリングによってハウジングに固定されたシュラウド組立体（覆組立体）によって包囲される。典型的には、１つ又は１つを超える数のリングは、相互に連結又は溶接された一連の湾曲した部分（セグメント、分割された部分）から形成される。これらのリングは、通常は耐熱取付具を用いてハウジングに取り付けられる。この組立工程には、部品の適切な取り付けを確実にするための追加の機械加工（マシニング加工（ｍａｃｈｉｎｉｎｇ））が求められる。動翼と動翼に直に隣接するリングの内側の表面との間には、高温気体膨張装置の効率を向上させるため、隙間が厳密な許容差で維持されることが必要である。更に、アーチ状の部分は、ハウジング及び／又はシュラウド組立体のボルト穴に対してリングのボルト穴が適切に整列することを確保するために、厳密な許容差で機械加工されなければならない。リングの適切な組み付けを確実にするために、ハウジング及び／又はシュラウド組立体に、更なる機械加工工程が求められることがある。

先行技術では、Ｏｖｅｒｂｅｒｇに発行された米国特許第６４３５８２０号は、エンジンの外側ケースによって支持する従来の方法の代わりに、シュラウド支持部品によって位置決めされた複数のアーチ状のシュラウドを含むシュラウド組立体を開示している。このシュラウド組立体は、Ｃ型のクリップ（係止部材）の軸線方向での後退を制限する機能を有する、一の環状に配列された複数の保持板を更に含む。この保持板は、熱膨張を考慮して分割された複数の板で形成することができる。この保持板は、ボルトによってシュラウド支持部品に固定される。

Ｇｌｙｎｎ等の米国特許出願公開第２００７／０２５３８０９号は、ガスタービンエンジンの内部でシール組立体（密閉部組立体）を組み立てる方法を開示している。この方法は、回転部材を含むガスタービンエンジンに静止したステータ部材（静翼の部材）を結合する工程及び一次シール組立体と二次シール組立体とを静止したステータ部材に結合する工程とを含む。この一次シール組立体は、少なくとも１つのキー溝と、少なくとも１つのキーを含む少なくとも１つのバイアス部材（偏倚部材）とを含む可動するステータ部材を含む。このキーは、キー溝内に摺動可能に結合され、ガスタービンエンジンに対して一次シール組立体と二次シール組立体とを整列させることを可能とする。このシール組立体は、静止したステータ部材と回転部材との間のシール（密閉）を可能とする。

Ｋｅｌｌｅｒ等に発行された米国特許第７４９４３１７号は、リングシールが半径方向に延在し、個別にベーンキャリアに接触することができるように、タービンエンジン内のベーンキャリアにリングシールを取り付けるシステムを開示している。このシステムはまた、リングシールの軸線方向及び／又は周方向の移動を実質的に制限するように構成することができる。このリングシールは、リングシールから周方向に離隔した複数の半径方向の溝を含む。ピンが複数の溝の各々を実質的に貫通して延在し、ベーンキャリアに結合された隔離リングと作動可能に結合することができる。

Ｃｈｅｈａｂ等に発行された米国特許第７６８６５７５号は、シュラウドリング部のようなガスタービン流路部品のための内側の取付リングを開示している。この内側のリングは、２つのリングの同軸線上の位置関係を保持しながら、熱膨張率が異なることを許容する、半径方向に摺動可能なマウント上の外側のリングに取り付けられる。この構成は、内側のリングの半径方向の膨張率を、タービン翼端の半径方向の膨張率と一致させることを可能とし、エンジンのあらゆる運転条件の下で、シュラウドリング部の内側の表面とタービン翼端との間の隙間を、より狭くする。

図１を参照すると、背景技術の高温気体膨張装置１０は、ハウジング（筐体）４０に取り付けられた入口ケーシング（入口外殻）２０及び排出ケーシング（排出外殻）３０を含む。入口ケーシング２０が産業プロセスからの高温気体を受け入れる一方で、排出ケーシング３０は高温気体膨張装置１０を通過した後の高温気体を排出する。ハウジング４０は、長手方向軸線６０の回りを回転可能な軸組立体５０を支持する。軸組立体５０は、入口ケーシング２０と排出ケーシング３０との間に設けられたディスク７０を含む。ディスク７０は、ディスク７０の外周端に設けられた複数の動翼８０を含む。複数の静翼（図１には示されていない）を動翼８０に隣接して設け、高温気体膨張装置１０を通過する高温気体の方向を変更することができる。

入口ケーシング２０は、第１の熱膨張係数を有する第１の素材で設けることができ、一方で、排出ケーシング３０は、異なる第２の熱膨張係数を有する第２の素材で設けることができる。同様に、ディスク７０及び動翼８０は、入口ケーシング２０及び排出ケーシング３０とは異なる熱膨張係数を有することができる。入口ケーシング２０の内壁と動翼８０の最外端との間の隙間は、高温気体膨張装置１０の運転期間中の部品の寸法変動を考慮して設けられる。これらの部品とその支持構造と間の熱膨張係数の差は、隙間の大きさ及び変動を決定する。

図２及び図３を参照すると、背景技術の他の形態の高温気体膨張装置１０が示されている。この実施の形態では、内側に位置する静翼シュラウド（覆い、カバー）９０は、入口ケーシング２０上に形成された保持溝内の外側に位置する動翼シュラウド１００の内側にその軸線を一致させて取り付けられる。同様に、動翼シュラウド１００は、入口ケーシング２０上に形成された保持溝内に取り付けられる。静翼シュラウド９０及び動翼シュラウド１００は、複数の機械的な取付具１１０によって入口ケーシング２０に固定されている。静翼シュラウド９０は、当接する端部で連結された第１の半分の部分及び第２の半分の部分を有することができる。同様に、動翼シュラウド１００は、隣接する端部で連結された第１の半分の部分及び第２の半分の部分を有することができる。耐熱ボルトのような複数の機械的な取付具１１０を、静翼シュラウド９０及び／又は動翼シュラウド１００の第１の半分の部分と第２の半分の部分とを結合するために用いることができる。

引き続き図２及び図３を参照すると、複数の個々の静翼１２０が、入口ケーシング２０の内部に設けられる。静翼１２０は、望ましくは軸５０（図２及び図３には示されない）の長手方向軸線６０と軸線が一致する円周上に配置される。個々の静翼１２０は、入口ケーシング２０上の保持溝１３０内に挿入される。静翼シュラウド９０は静翼１２０を定位置に保持して、静翼１２０が高温気体膨張装置１０の運転中に長手方向に移動することを防止する。複数の取付具（取付手段）１１０は、静翼シュラウド９０を静翼１２０の内側の直径の位置で入口ケーシング２０に固定する。動翼シュラウド１００は、動翼８０の外側の直径の位置に設けられ、複数の取付具１１０によって入口ケーシング２０に固定される。

高温気体膨張装置の部品は、通常の運転速度からの加速（パワー（仕事率）上昇）あるいは減速（パワー降下）のような装置の多様な運転状況下において、異なる熱膨張に晒され、動翼とリングの内側の表面との間の大きな隙間が、しばしばエネルギー回収装置の熱応力を減少させるための安全因子として求められる。この隙間はまた、高温気体膨張装置を構成する多様な部品の素材の特性の関数でもある。動翼は通常はリングと異なる素材で製造されるため、動翼はリングとは異なる熱膨張係数を有する。素材の特性の相違は、高温気体膨張装置の多様な運転状況の下で、動翼がリングとは異なる比率や異なる量で膨張したり収縮したりする原因となる。この異なる膨張は、静翼において高応力状態を招き、最終的には変形や触媒飛散（ｃａｔａｌｙｓｔ ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）を招く。一方、複数の部品の間の隙間が広がると、高温気体膨張装置の運転効率の低下を招く。このような運転効率の低下は、しばしば運転費用の増大や環境保全性能の低下を招く。

同様に、リングをハウジング及び／又はシュラウドに固定するボルトは、典型的には、リング又はハウジング／シュラウド組立体とは異なる素材で製造される。高温気体膨張装置の多様な運転状況の下で、ボルトはリング又はハウジング／シュラウド組立体と比較して異なる比率及び異なる量で膨張又は収縮する。膨張及び収縮のこの相違は、最終的に素材の疲労によるボルトの破断につながりかねないボルトの応力の変動を引き起こす。

上記の観点において、高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体及び高温気体膨張装置の入口ケーシングの部品を設置する方法のために、複数の部品の異なる熱膨張に起因する熱応力を減少させる要請が存在する。高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体及び高温気体膨張装置の入口ケーシングの部品を設置する方法のための、高温気体膨張装置の運転効率の向上、運転費用の圧縮、保守費用の削減及び環境性能の向上に関して、さらなる要請が存在する。本明細書に詳細に説明するように、高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体及び高温気体膨張装置の入口ケーシングの部品を設置する方法が開示される。

全体的に、本明細書に詳細に説明する組立体及び組立方法は、熱膨張のためにわずかな（小さな）半径方向の隙間を有する入口ケーシングに挿入された一体化（統合）された内側及び外側の静翼シュラウドを有する静翼ダイアフラム（静翼の隔壁）を備える。この静翼ダイアフラムは、排出側から挿入される複数のエントリーキー（組み付けキー）によって、入口ケーシングの流路と軸線が一致するように（同心となるように）位置決めされる。このキーは、静翼組立体の回転トルクに抵抗すると共に、軸線が一致する位置関係を維持しつつ、静翼組立体の半径方向の熱膨張による寸法の変動を許容する。静翼ダイアフラムは、複数の部品で構成された剪断リング（シャーリング）によって、入口ケーシングの中で軸線方向に保持される。剪断リングを軸線方向の保持に用いることによって、特殊合金による内側のボルト締結が不要となる。動翼シュラウドは、静翼ダイアフラムと同様の形態で取り付けられる。動翼シュラウドは、排出側から挿入される複数のエントリーキーによって、入口ケーシングの流路と軸線が一致するようにに位置決めされる。このキーは、軸線が一致する位置関係を維持しつつ、静翼組立体の半径方向の熱膨張による寸法の変動を許容する。動翼シュラウドは、運転期間中、静翼の剪断リングを捕らえ、静翼の剪断リングが緩んで流路にはみ出す可能性を制限する。更に、動翼シュラウドは、静翼の剪断リングと同様に、３つの部分（セグメント、分割された部分）を有する剪断リングによって、入口ケーシング組立体の中で軸線方向に保持される。

一の態様では、ガスタービン装置は、ガスタービン装置の長手方向軸線に沿って排出ケーシングの反対側に設けられた入口ケーシングを含む。ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転可能であるように軸を入口ケーシングと排出ケーシングとの間に配設してもよい。複数の動翼が軸から半径方向に延在することが望ましい。入口ケーシングの内部に静翼ダイアフラムを設けることができ、静翼ダイアフラムは、入口ケーシングの内部の流路と軸線が一致するように配置された、一体の内側の静翼シュラウドと外側の静翼シュラウドとを有することが望ましい。内側の静翼シュラウドと外側の静翼シュラウドとの間に周方向に配列して複数の静翼を設けることが望ましい。

他の態様では、ガスタービン装置は、静翼ダイアフラム上に周方向に配列して設けられた複数のキー溝と、入口ケーシング上に周方向に配列して設けられた対応する複数のキー溝とを更に含んでもよい。静翼ダイアフラム上に設けられた複数のキー溝は、入口ケーシング上に設けられた複数のキー溝と整列するしてもよい。複数のキーが、静翼ダイアフラム及び入口ケーシング上に設けられた複数のキー溝内に挿入されて、静翼ダイアフラムが入口ケーシングに対して、ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転することを防ぐように設けてもよい。

更に他の態様では、静翼ダイアフラムを入口ケーシング上の保持溝の内部に設けてもよい。静翼ダイアフラムと保持溝との間に、静翼ダイアフラムの熱膨張を許容する半径方向の隙間を設けてもよい。この態様では、静翼ダイアフラムは、各々の端部で結合された複数のリング部分を有する静翼の剪断リングによって、軸線方向に固定されてもよい。静翼の剪断リングは、入口ケーシングの内部に設けられた静翼のリング溝の内部に配設されることが望ましい。いくつかの態様では、静翼のリング溝は、入口ケーシングの保持溝の内部に設けてもよい。

更に、ガスタービン装置は、ガスタービン装置の静翼ダイアフラムとノーズコーンとの間の接合部に設けられたシールを更に含んでもよい。シールは静翼ダイアフラムとノーズコーンとの間の作動流体の漏れを防ぐように設けてもよい。

更に加えて、ガスタービン装置は、入口ケーシングの内部に設けられた動翼シュラウドを更に含んでもよい。動翼シュラウドは、複数の動翼と軸線が一致するように配置してもよい。複数のキー溝を動翼シュラウド上に周方向に配列して設けてもよく、対応する複数のキー溝を入口ケーシング上に周方向に配列して設けてもよい。動翼シュラウド上に設けられた複数のキー溝が、入口ケーシング上に設けられた複数のキー溝に整列することが望ましい。複数のキーが、動翼シュラウド及び入口ケーシング上に設けられた複数のキー溝内に挿入されて、動翼シュラウドが入口ケーシングに対して、ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転することを防ぐように設けてもよい。

更に、動翼シュラウドを入口ケーシング内の保持溝の内部に設けてもよい。動翼シュラウドと保持溝との間に、動翼シュラウドの熱膨張を許容する半径方向の隙間を設けてもよい。動翼シュラウドは、各々の端部で結合された複数のリング部分を有する動翼の剪断リングによって、軸線方向に固定してもよい。動翼の剪断リングは、入口ケーシングの内部に設けられた動翼のリング溝の内部に配設してもよい。いくつかの態様では、動翼のリング溝は、入口ケーシングが有する保持溝の内部に設けてもよい。

一の例示の態様による、ガスタービン装置が有する入口ケーシングの部品を組み立てる方法では、方法は、ガスタービン装置の長手方向軸線に沿って排出ケーシングの反対側に設けられる入口ケーシングを有するガスタービン装置を提供するステップを含んでもよい。ガスタービン装置はまた、入口ケーシングと排出ケーシングとの間に設けられて、ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転可能な軸を含んでもよい。更に、ガスタービン装置は、軸から半径方向に延在する複数の動翼と、入口ケーシングの内部に設けられる静翼ダイアフラムであって、入口ケーシングの内部の流路と軸線が一致するように配置された、一体の内側の静翼シュラウドと外側の静翼シュラウドとを有する静翼ダイアフラムとを含んでもよい。更に、ガスタービン装置は、内側の静翼シュラウドと外側の静翼シュラウドとの間に周方向に配列して設けられた複数の静翼を含んでもよい。組立方法は、入口ケーシングの内側に保持溝を提供するステップであって、保持溝は周方向に配列する複数のキー溝を有する、入口ケーシングの内部に保持溝を提供するステップを更に含んでもよい。

他の態様では、組立方法は、静翼ダイアフラム上に周方向に配列して設けられる複数のキー溝が保持溝上の複数のキー溝と整列するように、静翼ダイアフラムを保持溝の内部に挿入するステップを含んでもよい。この方法は、静翼ダイアフラム上の複数のキー溝及び保持溝の各々にキーを挿入するステップによって、保持溝の内部に静翼ダイアフラムを固定するステップを更に含んでもよい。更に、この方法は、保持溝上に設けられた静翼のリング溝の内部に静翼の剪断リングを設置して静翼ダイアフラムの軸線方向の移動を防ぐステップを含んでもよい。

更に他の態様では、組立方法は、動翼シュラウド上に周方向に配列して設けられる複数のキー溝が保持溝上の複数のキー溝と整列するように、動翼シュラウドを保持溝の内部に挿入するステップを更に含んでもよい。更に、この方法は、動翼シュラウド上の複数のキー溝及び保持溝の各々にキーを挿入するステップによって、保持溝の内部に動翼シュラウドを固定するステップを含んでもよい。この方法はまた、保持溝上に設けられた動翼のリング溝の内部に動翼の剪断リングを設置して、動翼シュラウドの軸線方向の移動を防ぐステップを含んでもよい。

他の態様では、静翼ダイアフラム及び入口ケーシングの内部の動翼シュラウドを固定するためのキーは、キーで静翼ダイアフラム及び動翼シュラウドが入口ケーシングと軸線が一致するように位置を維持しながら、動翼シュラウド及び静翼ダイアフラムが保持溝に対して半径方向に熱膨張して寸法が変動する（寸法が大きくなる）ことを許容する寸法に設けてもよい。静翼ダイアフラムと保持溝との間に、静翼ダイアフラムの熱膨張を許容する半径方向の隙間を設けてもよい。更に、動翼シュラウドと保持溝との間に、動翼シュラウドの熱膨張を許容する半径方向の隙間を設けてもよい。

高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体におけるこれらの及び他の特徴及び特性は、構造に関連する部分、部品の組み合わせ及び製造上の経済性に関する作動及び機能の方法と同様に、そのすべてが本明細書の一部を形成する多様な図面において対応する部品を指す類似の参照符号を付した添付の図面を参照すると共に、以下の説明及び添付のクレームを考慮することによって、より明らかとなろう。しかしながら、これらの図面は図示及び説明だけを目的とするものであり、本発明の範囲を限定することを意図してはいないことは明確に理解されるであろう。本明細書及びクレームで用いられるように、単数形の名詞は、別途明示する場合を除いて、複数の場合を含む。

図１は、背景技術の高温気体膨張装置の斜視図及び部分断面図である。

図２は、背景技術の高温気体膨張装置組立体の部分展開図である。

図３は、図２に示す背景技術の高温気体膨張装置組立体の断面図である。

図４は、本発明の一の実施の形態による高温気体膨張装置組立体の展開図である。

図５は、図４に示す高温気体膨張装置の一部を示す断面図である。

図６は、本発明の一の実施の形態による高温気体膨張装置の入口ケーシングの部品を組み立てる方法を示すブロック図である。

以下に説明の目的で用いられる、「上側」、「下側」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「天」、「底」、「横」、「長手」などの用語及びその活用形は、図面に示された方向で、本発明に関連する。しかし本発明が、特に反対の旨を明記しない限り、他の形態やステップをも認めるものであることは理解されるであろう。また、添付された図面に示され、かつ以下の本明細書で説明される特定の装置及びプロセスが、単に本発明の例示的な実施の形態であることも理解されるであろう。従って、本明細書に開示される実施の形態に関する個々の寸法及び他の物理的特性は、限定的に考慮されるものではない。

高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体（入口外殻組立体）及び高温気体膨張装置の入口ケーシングの部品を設置する方法は、運転効率の向上並びに高温気体膨張装置のようなガスタービン装置の製造及び運転の費用の削減をもたらす。複数の視点にわたって類似の符号が類似の部品を指す図面を参照すると、高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体及び高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体の部品を設置する方法の多様な実施の形態及び特徴が説明され、高温気体膨張装置の運転効率の向上及びそれらの製造並びに保守費用の削減が期待される。

図１乃至図３に示される背景技術の高温気体膨張装置１０において、高温気体膨張装置の設置では、入口ケーシングの内壁と動翼の最も外側の端部との間の隙間が、運転中に多様な部品の熱膨張及び熱収縮を適切に許容することを保証するために、高い製造精度が求められる。このような厳密な製造の許容差を実現するためには、静翼シュラウド９０及び動翼シュラウド１００のための精密な機械加工工程が求められる。これら背景技術の高温気体膨張装置１０は、特に周囲の部品と比較して異なる比率で膨張する機械的な取付具１１０の部位において、高い熱応力を生じる傾向がある。反復される熱サイクルは、最終的に機械的な取付具１１０の破損につながり得る。従って、図１乃至図３に示す背景技術の高温気体膨張装置１０の設置の費用は、機械的な取付具１１０、静翼シュラウド９０及び動翼シュラウド１００を製造する特殊合金素材に対するニーズにより増大する。このような素材は、高温気体膨張装置１０の高い作動温度に耐える必要がある。

図４及び図５を参照すると、本発明の実施の形態による高温気体膨張装置２１０が示される。高温気体膨張装置２１０は、ハウジング２４０に取り付けられた入口ケーシング２２０及び排出ケーシング２３０を含む。入口ケーシング２２０が産業プロセスからの高温気体を受け入れる一方で、排出ケーシング２３０は高温気体膨張装置２１０を通過した後の高温気体を排出する。ハウジング２４０は、高温気体膨張装置２１０の長手方向軸線の周りを回転可能な軸（不図示）を支持する。この軸（不図示）は、入口ケーシング２２０と排出ケーシング２３０との間に設けられたディスク（円板）２７０を支持する。ディスク２７０は、ディスク２７０の外周端に設けられた複数の動翼２８０を含む。複数の静翼４２０が、動翼２８０に隣接して設けられ、高温気体が高温気体膨張装置２１０を通過する際に、高温気体の方向を変える。

入口ケーシング２２０は、第１の熱膨張係数を有する第１の素材で設けることができ、一方で、排出ケーシング２３０は、異なる第２の熱膨張係数を有する第２の素材で設けてもよい。入口ケーシング２２０及び排出ケーシング２３０は、熱膨張係数が近い素材で設けられることが望ましい。同様に、ディスク２７０及び動翼２８０は、入口ケーシング２２０及び排出ケーシング２３０とは異なる熱膨張係数を有すてもよい。入口ケーシング２２０の内壁と動翼２８０の最外端との間の隙間は、高温気体膨張装置２１０の運転期間中の部品の寸法の変動を考慮して設けられることが望ましい。これらの部品とその支持構造との間の熱膨張係数の差は、隙間の大きさや変動を決定する。

一体化（統合：ｉｎｔｅｇｒａｌ）された内側の静翼シュラウド３５０及び外側の静翼シュラウド３６０をそれぞれ有する静翼ダイアフラム（静翼の隔壁）３４０は、入口ケーシング２２０の内側に設けられた保持溝３７０内に設けられる。外側の静翼シュラウド３６０と保持溝３７０との間には、静翼ダイアフラム３４０の熱膨張を許容するために、半径方向にわずかな（小さな）隙間が設けられる。複数の静翼４２０は、内側の静翼シュラウド３５０と外側の静翼シュラウド３６０との間で、周方向に離隔して設けられる。静翼４２０は、外側の静翼シュラウド３６０に対する内側の静翼シュラウド３５０の熱膨張の差に起因する熱応力による静翼４２０の曲がりが生じる可能性を少なくするよう、静翼ダイアフラム３４０と同じ素材で一体的に形成されることが望ましい。

静翼ダイアフラム３４０は、入口ケーシング２２０の内部の流路と軸線が一致するように設けられる。外側の静翼シュラウド３６０の外面に沿って、複数のキー溝４７０が円周状に（取り囲むように）配置されて設けられる。また、対応する複数のキー溝４７２が、外側の静翼シュラウド３６０上のキー溝４７０が保持溝３７０上のキー溝４７２に整列して並ぶように、保持溝３７０の内面に沿って円周状に配置されて設けられる。複数のキー４８０が、静翼４２０により与えられる回転トルクによる静翼ダイアフラム３４０の回転を防止するために、キー溝４７０、４７２内に挿入される。キー４８０は、入口ケーシング２２０の保持溝３７０に対する静翼ダイアフラム３４０の半径方向の熱膨張による寸法の変動を許容しながら、静翼ダイアフラム３４０の軸線の一致を維持するような寸法に設けられる。上述の図１乃至図３に示す背景技術の高温気体膨張装置１０におけるように機械的な取付具１１０を必要として用いることがなくなるため、熱応力は入口ケーシング２２０と静翼ダイアフラム３４０の両方で減少する。

静翼ダイアフラム３４０は、静翼の剪断リング（静翼のシャーリング）４９０によって入口ケーシング２２０の内部に軸線方向に固定される。静翼の剪断リング４９０は、各々の端部で互いに連結されて円周状のリングを形成する複数のリング部分５００を有してもよい。各々のリング部分５００は、溶接、ねじ止め又は他の方法によって各々の端部を固定されて剪断リング４９０を形成してもよい。静翼の剪断リング４９０は、入口ケーシング２２０の内側の表面に設けられた静翼のリング溝５１０内に挿入される。静翼の剪断リング４９０を静翼ダイアフラム３４０の軸線方向の保持に用いることにより、上述の図１乃至図３に示す背景技術の高温気体膨張装置１０において必要とされていた機械的な取付具１１０を用いることは不要となる。静翼のリング溝５１０の内側に固定された静翼の剪断リング４９０を用いることにより、従来の高温気体膨張装置に関連した時間の消費及び高価な機械加工工程は、不要となる。静翼の剪断リング４９０は、上述の高温気体膨張装置に求められたボルト穴やねじ穴を形成するために必要な複数の機械加工の工程を要しない。これらの、また他の製造工程を省くことにより、製造時間、費用及び潜在的な誤りを減少させる。静翼ダイアフラム３４０上に負荷された軸線方向の荷重は、静翼の剪断リング４９０の広い表面及び断面の領域にも分配され、複数の円周状に配置された機械的な取付具１１０を用いる背景技術の高温気体膨張装置の設計と比べて、接触応力及び剪断応力を低下させる。静翼の剪断リング４９０は、入口ケーシング２２０のリング溝５１０の内側の静翼の剪断リング４９０の熱膨張の差に起因する熱応力を除去するために、入口ケーシング２２０と同じ素材を用いて製造してもよい。

図５を参照すると、静翼ダイアフラム３４０が有する内側の静翼シュラウド３５０には、ノーズコーン５３０と接触する部分に、シール（密閉部材）５２０を設けてもよい。望ましくは、シール５２０は、内側の静翼シュラウド３５０とノーズコーン５３０との間から作動流体が漏れ出すことを防ぐ。このように配置することにより、静翼４２０のの負荷に起因する応力は、ノーズコーン５３０には伝達されない。

また、動翼シュラウド６４０は、入口ケーシング２２０内部の保持溝６５０内に設けられる。静翼ダイアフラム３４０と同様に、動翼シュラウド６４０と保持溝６５０との間には半径方向のわずかな（小さな）隙間が設けられ、動翼シュラウド６４０の熱膨張を許容する。複数の動翼２８０は、ディスク２７０と動翼シュラウド６４０との間で、周方向に離隔して設けられる。動翼シュラウド６４０は、入口ケーシング２２０内部の流路と軸線が一致するように（同心に）設けられている。複数のキー溝６７０が、動翼シュラウド６４０の外側に沿って円周状に配列されて設けられている。上述のように、対応する複数のキー溝６７２が、同様に、動翼シュラウド６４０上のキー溝６７０が保持溝３７０内のキー溝６７２に整列して並ぶことができるように、保持溝３７０の内面に沿って円周状に配置されて設けられる。複数のキー６８０が動翼シュラウド６４０の回転を防止するためにキー溝６７０、６７２内に挿入される。キー６８０は、静翼のキー４８０と同様に、入口ケーシング２２０の保持溝３７０に対する動翼シュラウド６４０の半径方向の熱膨張による寸法の変動を許容しながら、動翼シュラウド６４０の軸線の一致（同心性）を維持するような寸法に設けてもよい。

動翼シュラウド６４０は、動翼の剪断リング７５０によって入口ケーシング２２０の内部に軸線方向に固定される。静翼の剪断リング４９０と同様に、上述のように、動翼の剪断リング７５０は、各々の端部で互いに連結されて円周状のリングを形成する複数のリング部分７５２を有してもよい。個々のリング部分７５２は、その端部を溶接、ねじ止め又は他の方法によって固定されて動翼の剪断リング７５０を形成してもよい。動翼の剪断リング７５０は、入口ケーシング２２０の内側の表面に画成される動翼のリング溝７６０内に挿入されるのが望ましい。動翼の剪断リング７５０を動翼シュラウド６４０の軸線方向の保持に用いることによって、背景技術の高温気体膨張装置に用いられていたような機械的な取付具を用いる必要を無くすことができる。

図６を参照して、上記の開示において示したような高温気体膨張装置２１０の構造について、高温気体膨張装置２１０の入口ケーシングの部品を設置する方法を説明する。多様な実施の形態において、静翼ダイアフラム３４０及び動翼シュラウド６４０は、それぞれ静翼の剪断リング４９０及び動翼の剪断リング７５０により、入口ケーシング２２０の内部に軸線方向に固定される。説明した実施の形態において、静翼の部品は、静翼の剪断リング４９０が動翼の剪断リング７５０の上流側に設けられることと同様に、動翼の部品の上流側に位置するように設けられる。しかしながら、この説明した実施の形態は単に例示であり、動翼の部品及び静翼の部品の配置を逆として設けてもよいことは理解されるであろう。

図４及び図５に示す高温気体膨張装置２１０の入口ケーシングの部品を設置する例示の方法を図６に示す。この方法は、ガスタービン装置を提供するステップ１０００で始まる。この方法は高温気体膨張装置２１０の入口ケーシング組立体の部品に関して説明されるが、この方法が、高温気体膨張装置２１０の入口ケーシングに対応する部品を有するあらゆるガスタービン装置に同様に適用可能であることは、当業者によって理解されるであろう。高温気体膨張装置２１０は、望ましくは、ハウジング２４０に取り付けられた入口ケーシング２２０及び排出ケーシング２３０を含む。一体化された内側の静翼シュラウド３５０及び外側の静翼シュラウド３６０をそれぞれ有する静翼ダイアフラム３４０は、入口ケーシング２２０の内側に設けられる。複数の静翼４２０は、内側の静翼シュラウド３５０と外側の静翼シュラウド３６０との間で、周方向に離間して設けられる。静翼４２０は、静翼ダイアフラム３４０と一体的に形成されることが望ましい。ハウジング２４０は、高温気体膨張装置２１０の長手方向軸線の回りを回転可能な軸（不図示）を受け止める。この軸は、入口ケーシング２２０と排出ケーシング２３０との間に設けられたディスク２７０を支持する。ディスク２７０は、ディスク２７０の外周端に設けられた複数の動翼２８０を含む。ステップ１０１０では、保持溝３７０が入口ケーシング２２０の内側の表面上に設けられる。保持溝３７０は、１つ又は１つを超える高温気体膨張装置２１０の入口ケーシングの部品を支持する。ステップ１０２０では、保持溝３７０は、機械加工されて保持溝３７０の周方向に沿って配置された複数のキー溝４７２を有する。ステップ１０３０では、一体化された内側の静翼シュラウド３５０及び外側の静翼シュラウド３６０をそれぞれ有する静翼ダイアフラム３４０が、入口ケーシング２２０の保持溝３７０内に設置される。静翼ダイアフラム３４０の外側と保持溝３７０の内側の表面との間に、半径方向のわずかな（小さな）隙間が設けられ、熱膨張を許容する。静翼ダイアフラム３４０は、望ましくは、入口ケーシング２２０の内部の流路と軸線が一致するように設けられる。外側の静翼シュラウド３６０の外面に沿って、複数のキー溝４７０が円周状に（取り囲むように）配置されて設けられる。ステップ１０４０では、静翼ダイアフラム３４０の各キー溝４７０は、入口ケーシング２２０の内部の対応するキー溝４７２に整列して配置される。

対応するキー溝４７０、４７２を整列して配置した後に、ステップ１０５０では、キー４８０が静翼ダイアフラム３４０の回転トルクに抵抗するように、キー４８０がキーを受け入れる溝４７０、４７２内に挿入される。キー４８０は、入口ケーシング２２０内の保持溝３７０に対する静翼ダイアフラム３４０の半径方向の熱による寸法の変動の差を許容すると共に、静翼ダイアフラム３４０の軸線の一致を維持するような寸法に設けられる。ステップ１０６０では、静翼ダイアフラム３４０は、静翼の剪断リング４９０によって入口ケーシング２２０の内部に軸線方向に固定される。静翼の剪断リング４９０は、各々の端部で互いに連結されて円周状のリングを形成する複数のリング部分５００を有してもよい。個々のリング部分５００は、溶接、ねじ止め又は他の方法によって各々の端部を固定されて剪断リング４９０を形成してもよい。静翼の剪断リング４９０は、入口ケーシング２２０の内側の表面に設けられた静翼のリング溝５１０内に挿入される。

ステップ１０７０では、動翼シュラウド６４０が入口ケーシング２２０の内部の保持溝３７０内に設置される。動翼シュラウド６４０の外側と保持溝３７０の内側の表面との間に、半径方向のわずかな（小さな）隙間が設けられ、熱膨張を許容する。動翼シュラウド６４０は、望ましくは、入口ケーシング２２０の内部の流路と軸線が一致するように設けられる。複数のキー溝６７０が、動翼シュラウド６４０の外側に沿って円周状に配置されて設けられる。対応する複数のキー溝６７２が、動翼シュラウド６４０上のキー溝６７０が保持溝３７０内のキー溝６７２に整列して並ぶように、保持溝３７０の内面に沿って円周状に配置されて設けられる。ステップ１０８０では、動翼シュラウド６４０上の各キー溝６７０は、入口ケーシング２２０の内部の対応するキー溝６７２に整列して配置される。対応するキー溝６７０、６７２を整列して配置した後、ステップ１０９０では、キー６８０が動翼シュラウド６４０の回転トルクに抵抗するように、キー６８０が各々受け入れる溝６７０、６７２内に挿入される。キー６８０は、入口ケーシング２２０内の保持溝３７０に対する動翼シュラウド６４０の半径方向の熱による寸法の変動の差を許容しながら、動翼シュラウド６４０の軸線の一致を維持するような寸法に設けられる。

ステップ１１００では、動翼シュラウド６４０は、動翼の剪断リング７５０によって入口ケーシングの内側に軸線方向に固定される。動翼の剪断リング７５０は、各々の端部で互いに連結されて円周状のリングを形成する複数のリング部分７５２を有してもよい。個々のリング部分７５２は、溶接、ねじ止め又は他の方法によって各々の端部を固定されて動翼の剪断リング７５０を形成してもよい。動翼の剪断リング７５０は、入口ケーシング２２０の内側の表面に設けられた動翼のリング溝７６０内に挿入される。

高温気体膨張装置の入口ケーシング組立体及び高温気体膨張装置の入口ケーシングの部品を設置する方法が、添付の図面に示されると共に本明細書に詳細に説明されているが、他の実施の形態が、明らかとなるであろうと共に、当業者にとって本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、容易に他の実施の形態が成し得るであろう。例えば、本開示は全体として高温気体膨張装置について議論しているが、この組立体及び方法の実施の形態は、他のガスタービン装置に適用可能であろう。本発明の範囲は、添付の請求項及びその均等物によって考量されるであろう。

１０ 高温気体膨張装置（背景技術）
２０ 入口ケーシング、入口外殻
３０ 排出ケーシング、排出外殻
４０ ハウジング、筐体
５０ 軸組立体、軸
６０ 長手方向軸線
７０ ディスク
８０ 動翼
９０ 静翼シュラウド、静翼の覆い
１００ 動翼シュラウド、動翼の覆い
１１０ 取付具
１２０ 静翼
１３０ 保持溝
２１０ 高温気体膨張装置
２２０ 入口ケーシング
２３０ 排出ケーシング
２４０ ハウジング
２７０ ディスク
２８０ 動翼
３４０ 静翼ダイアフラム、静翼の隔壁
３５０ 内側の静翼シュラウド、内側の静翼の覆い
３６０ 外側の静翼シュラウド、外側の静翼の覆い
３７０ 保持溝（入口ケーシング）
４２０ 静翼
４７０ キー溝（外側の静翼シュラウド）
４７２ キー溝（保持溝）
４８０ キー
４９０ 静翼の剪断リング、静翼のシャーリング
５００ リング部分（静翼の剪断リング）
５１０ 静翼のリング溝
５２０ シール、密閉部材
５３０ ノーズコーン
６４０ 動翼シュラウド、動翼の覆い
６５０ 保持溝（入口ケーシング）
６７０ キー溝（動翼シュラウド）
６７２ キー溝（保持溝）
６８０ キー
７５０ 動翼の剪断リング、動翼のシャーリング
７５２ リング部分（動翼の剪断リング）
７６０ 動翼のリング溝（入口ケーシング）

Claims (17)

1. ガスタービン装置の長手方向軸線に沿って排出ケーシングの反対側に設けられた入口ケーシングと；
   前記入口ケーシングと前記排出ケーシングとの間に配設された、前記ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転可能な軸と；
   前記軸から半径方向に延在する複数の動翼と；
   前記入口ケーシングの内部に設けられた静翼ダイアフラムであって、前記入口ケーシングの内部の流路と同心に配置された、一体の内側の静翼シュラウドと外側の静翼シュラウドとを有する静翼ダイアフラムと；
   前記内側の静翼シュラウドと前記外側の静翼シュラウドとの間に周方向に配列して設けられた複数の静翼とを備え；
   前記静翼ダイアフラムは、各々の端部で結合された複数のリング部分を有する静翼の剪断リングであって、連続した一体の円周状のリングに形成された静翼の剪断リングによって、軸線方向に固定され、
   前記静翼の剪断リングが、前記入口ケーシングの内部に設けられた静翼のリング溝であって、全体が前記入口ケーシングの内側表面に露出したリング溝の内側に設けられた、
   ガスタービン装置。
2. 前記静翼ダイアフラム上に周方向に配列して設けられた複数のキー溝と、前記入口ケーシング上に周方向に配列して設けられた対応する複数のキー溝とを更に備え；
   前記静翼ダイアフラム上に設けられた前記複数のキー溝が、前記入口ケーシング上に設けられた前記複数のキー溝に整列する；
   請求項１に記載のガスタービン装置。
3. 複数のキーが、前記静翼ダイアフラム及び前記入口ケーシング上に設けられた前記複数のキー溝内に挿入されて、前記静翼ダイアフラムが前記入口ケーシングに対して、前記ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転することを防ぐように設けられた、
   請求項２に記載のガスタービン装置。
4. 前記静翼ダイアフラムが前記入口ケーシング上の保持溝の内部に設けられ、前記静翼ダイアフラムと前記保持溝との間に、前記静翼ダイアフラムの熱膨張を許容する半径方向の隙間が設けられた、
   請求項１に記載のガスタービン装置。
5. 前記ガスタービン装置の前記静翼ダイアフラムとノーズコーンとの間の接合部に設けられたシールを更に備え、前記シールは前記静翼ダイアフラムと前記ノーズコーンとの間の作動流体の漏れを防ぐように設けられた、
   請求項１に記載のガスタービン装置。
6. 前記入口ケーシングの内部に設けられた動翼シュラウドを更に備え、前記動翼シュラウドは前記複数の動翼と同心に配置された、
   請求項１に記載のガスタービン装置。
7. 前記動翼シュラウド上に周方向に配列して設けられた複数のキー溝と、前記入口ケーシング上に周方向に配列して設けられた対応する複数のキー溝とを更に備え；
   前記動翼シュラウド上に設けられた前記複数のキー溝が、前記入口ケーシング上に設けられた前記複数のキー溝に整列する；
   請求項６に記載のガスタービン装置。
8. 複数のキーが、前記動翼シュラウド及び前記入口ケーシング上に設けられた前記複数のキー溝内に挿入されて、前記動翼シュラウドが前記入口ケーシングに対して、前記ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転することを防ぐように設けられた、
   請求項７に記載のガスタービン装置。
9. 前記動翼シュラウドが前記入口ケーシング上の保持溝の内部に設けられ、前記動翼シュラウドと前記保持溝との間に、前記動翼シュラウドの熱膨張を許容する半径方向の隙間が設けられた、
   請求項６に記載のガスタービン装置。
10. 前記動翼シュラウドは、各々の端部で結合された複数のリング部分を有する動翼の剪断リングによって、軸線方向に固定された、
    請求項６に記載のガスタービン装置。
11. 前記動翼の剪断リングが、前記入口ケーシングの内部に設けられた動翼のリング溝の内部に設けられた、
    請求項１０に記載のガスタービン装置。
12. 前記動翼のリング溝が、前記入口ケーシングの前記保持溝内に設けられた、
    請求項１１に記載のガスタービン装置。
13. ガスタービン装置の入口ケーシング部品を組み立てる方法であって：
    （ａ）ガスタービン装置を提供するステップであって、前記ガスタービン装置は、前記ガスタービン装置の長手方向軸線に沿って排出ケーシングの反対側に設けられる入口ケーシングと；
    前記入口ケーシングと前記排出ケーシングとの間に設けられて、前記ガスタービン装置の長手方向軸線の回りを回転可能な軸と；前記軸から半径方向に延在する複数の動翼と；
    前記入口ケーシングの内部に設けられる静翼ダイアフラムであって、前記入口ケーシングの内部の流路と軸線が一致するように配置された、一体の内側の静翼シュラウドと、外側の静翼シュラウドとを有する静翼ダイアフラムと；
    前記内側の静翼シュラウドと前記外側の静翼シュラウドとの間に周方向に配列して設けられる複数の静翼とを備える、ガスタービン装置を提供するステップとを備え；
    前記静翼ダイアフラムは、各々の端部で結合された複数のリング部分を有する静翼の剪断リングであって、連続した一体の円周状のリングに形成された静翼の剪断リングによって、軸線方向に固定され、
    前記方法はさらに、
    （ｂ）前記入口ケーシングの内側表面に保持溝を提供するステップであって、前記保持溝は周方向に配列する複数のキー溝を有する、前記入口ケーシングの内部に保持溝を提供するステップと；
    （ｃ）前記静翼ダイアフラム上に周方向に配列して設けられる複数のキー溝が前記保持溝上の前記複数のキー溝と整列するように、前記静翼ダイアフラムを前記保持溝の内部に挿入するステップと；
    （ｄ）前記静翼ダイアフラム上の前記複数のキー溝及び前記保持溝の各々にキーを挿入するステップによって、前記保持溝の内部に前記静翼ダイアフラムを固定するステップと；
    （ｅ）前記静翼ダイアフラムの軸線方向の移動を防ぐように、前記保持溝上に設けられた静翼のリング溝の内部に静翼の剪断リングを設置するステップを備える；
    方法。
14. （ｆ）前記動翼シュラウド上に周方向に配列して設けられる複数のキー溝が前記保持溝上の前記複数のキー溝と整列するように、前記動翼シュラウドを前記保持溝の内部に挿入するステップと；
    （ｇ）前記動翼シュラウド上の前記複数のキー溝及び前記保持溝の各々にキーを挿入するステップによって、前記保持溝の内部に前記動翼シュラウドを固定するステップと；
    （ｈ）前記動翼シュラウドの軸線方向の移動を防ぐように、前記保持溝上に設けられた動翼のリング溝の内部に前記動翼の剪断リングを設置するステップとを更に備える；
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記静翼ダイアフラム及び前記入口ケーシングの内部の前記動翼シュラウドを固定するための前記キーは、前記動翼シュラウド及び前記静翼ダイアフラムの前記保持溝に対する半径方向の熱膨張差を許容しながら、前記キーが前記静翼ダイアフラム及び前記動翼シュラウドの前記入口ケーシングとの同心性を維持するような寸法に設けられる、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記静翼ダイアフラムと前記保持溝との間に、前記静翼ダイアフラムの熱膨張を許容する半径方向の隙間が設けられる、
    請求項１３に記載の方法。
17. 前記動翼シュラウドと前記保持溝との間に、前記動翼シュラウドの熱膨張を許容する半径方向の隙間が設けられる、
    請求項１４に記載の方法。

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