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JP7704655B2 - Turbine case and gas turbine - Google Patents
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Description

本発明は、燃焼器で生成した燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンにおいて、タービンを含む種々の部品を組み付けて内部に収納するタービンケースに係り、特に、駆動時の熱と圧力による熱変形を抑えたタービンケースと、これを用いたガスタービンに関するものである。 The present invention relates to a turbine case that houses various parts, including the turbine, assembled in a gas turbine that rotates the turbine using combustion gas generated in a combustor, and in particular to a turbine case that suppresses thermal deformation caused by heat and pressure during operation, and a gas turbine that uses the turbine case.

特許文献1には、管状の構造部材と、ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板との間を、補強リブを用いて溶接補強した接合構造体の発明が開示されている。この発明における補強リブは、管状の構造部材の外周を巻くようなU字形の構造であり、このリブ構造により、リブ屈曲側外側溶接止端部の疲労耐力とベースプレートもしくは接合用フランジ側に近いリブ開放端の疲労耐力の両方を同時に高めることで、耐力や疲労性能を一段と高めることができるものとされている。 Patent Document 1 discloses an invention for a joint structure in which a reinforcing rib is used to weld and reinforce the space between a tubular structural member and a base plate such as a base plate or a joining flange. The reinforcing rib in this invention has a U-shaped structure that wraps around the outer circumference of the tubular structural member, and this rib structure is said to be able to simultaneously increase the fatigue strength of both the outer weld toe on the bent side of the rib and the fatigue strength of the open end of the rib close to the base plate or joining flange, thereby further improving strength and fatigue performance.

特許文献2には、ガスタービンエンジンにおける低圧タービンケーシングの冷却に関する発明が開示されている。この発明は、ケーシングの変形抑制を目的とするものではなく、シュラウドとケーシングの間に冷却空気を流すことにより、ジェットエンジンに特有の長細いケーシングを冷却することを目的としている。 Patent Document 2 discloses an invention related to cooling the low-pressure turbine casing in a gas turbine engine. The purpose of this invention is not to suppress deformation of the casing, but to cool the long and slender casing that is unique to jet engines by flowing cooling air between the shroud and the casing.

特許文献3には、内燃機関のエキゾーストマニフォールドのリブ構造に関する発明が開示されている。この発明の補強リブは、マニフォールドの両端にある2つのフランジの間を接続して設けられており、これによってマニフォールドの熱変形が抑制できるものとされている。 Patent document 3 discloses an invention related to the rib structure of an exhaust manifold for an internal combustion engine. The reinforcing rib of this invention is provided by connecting two flanges at both ends of the manifold, which is said to suppress thermal deformation of the manifold.

特開2006-2464号公報JP 2006-2464 A 特開2004-60656号公報JP 2004-60656 A 特開2007-2726号公報JP 2007-2726 A

ガスタービンは、タービンケース内に設けたタービンに燃焼器で生成した高温のガスを供給し、タービン及びこれが取り付けられたロータを回転させて回転運動エネルギーを得る内燃機関である。本願発明者等は、ガスタービンの研究・開発に従事しているが、本願発明前に本願発明者等が知得していたガスタービンでは、動力源である高温の燃焼ガスの熱と圧力によってタービンケースが変形を起こすことがあった。タービンケースが変形すると、高速で回転するタービンとシュラウドケース等の他の構成部材の隙間(チップクリアランス)が変化し、部材が破損し、又は機関性能が悪化する可能性がある。このため、本願発明者等は、熱と圧力によるタービンケースの変形を抑えることを近年の研究・開発の課題としてきた。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、ガスタービンを駆動した際の熱と圧力によって熱変形を起こさないようなタービンケースと、これを用いたガスタービンを提供することを目的としている。 A gas turbine is an internal combustion engine that supplies high-temperature gas generated in a combustor to a turbine installed in a turbine case, and rotates the turbine and the rotor to which it is attached to obtain rotational kinetic energy. The present inventors are engaged in research and development of gas turbines, but in gas turbines that the present inventors knew before the present invention, the turbine case could be deformed by the heat and pressure of the high-temperature combustion gas that is the power source. If the turbine case is deformed, the gap (tip clearance) between the turbine rotating at high speed and other components such as the shroud case changes, and there is a possibility that the components will be damaged or the engine performance will deteriorate. For this reason, the present inventors have made it a goal of research and development in recent years to suppress deformation of the turbine case due to heat and pressure. The present invention has been made to solve such problems, and aims to provide a turbine case that does not undergo thermal deformation due to the heat and pressure when the gas turbine is driven, and a gas turbine using the same.

請求項1に記載されたタービンケースは、
他の部品が連結されるフランジを有するタービンケースであって、
前記フランジの中心軸線の軸方向から見て前記フランジを取り囲むとともに、前記フランジの座面の外周から前記中心軸線の方向に沿って燃焼ガスが外に排出される向きに膨出した周状の外壁曲面の頂点を結ぶパターンで設けられた連続リブを備えたことを特徴としている。
The turbine case according to claim 1 comprises:
A turbine case having a flange to which other components are connected,
The flange is surrounded when viewed in the axial direction of the central axis of the flange , and is provided with continuous ribs arranged in a pattern connecting the vertices of a circumferential outer wall curved surface that bulges from the outer periphery of the flange seating surface along the direction of the central axis in a direction in which combustion gas is discharged to the outside .

請求項2に記載されたタービンケースは、請求項1に記載のタービンケースにおいて、
前記フランジを周方向に等間隔で取り囲む複数本の放射状リブを備え、
前記連続リブと前記放射状リブは接続部において直角に交差して接続されており、
前記接続部において前記連続リブと前記放射状リブの間は曲面で構成されていることを特徴としている。
The turbine case according to claim 2 is the turbine case according to claim 1,
A plurality of radial ribs are provided around the flange at equal intervals in the circumferential direction,
The continuous rib and the radial rib are connected to each other at right angles at a connection portion,
The connecting portion between the continuous rib and the radial ribs is characterized in that it is formed of a curved surface.

請求項3に記載されたタービンケースは、請求項2に記載のタービンケースにおいて、
前記連続リブの厚さが、25mm以上であるか又は前記放射状リブの厚さよりも大きいことを特徴としている。
The turbine case according to claim 3 is the turbine case according to claim 2,
The thickness of the continuous rib is 25 mm or more or is greater than the thickness of the radial ribs.

請求項4に記載されたタービンケースは、請求項1乃至3の何れか一つに記載のタービンケースにおいて、
前記タービンケースは、シュラウドケースが接続される第1フランジが一端面に開口するとともに燃焼器が接続される第2フランジが周壁に開口しており、前記第1フランジ中心軸線に関して非対称な構造の円筒形であって、
前記連続リブは、少なくとも、前記中心軸線の軸方向から見て前記第1フランジを取り囲むとともに、前記第1フランジの座面の外周から前記中心軸線の方向に沿って燃焼ガスが外に排出される向きに膨出した周状の外壁曲面の頂点を結ぶパターンで設けられたことを特徴としている。
A turbine case according to a fourth aspect of the present invention is a turbine case according to any one of the first to third aspects,
The turbine case has a first flange to which a shroud case is connected, the first flange having an opening at one end surface, and a second flange to which a combustor is connected, the second flange having an opening at a peripheral wall, the turbine case being cylindrical and asymmetric with respect to a central axis of the first flange ,
The continuous rib is characterized in that it surrounds the first flange when viewed at least in the axial direction of the central axis, and is arranged in a pattern connecting the vertices of a circumferential outer wall curved surface that bulges from the outer periphery of the seating surface of the first flange along the direction of the central axis in a direction in which combustion gas is discharged to the outside .

請求項5に記載されたガスタービンは、
第1フランジが一端面に開口するとともに、第2フランジが周壁に開口しており、前記第1フランジ中心軸線に関して非対称な構造の円筒形であるタービンケースと、
前記タービンケースに収納されて前記第1フランジに接続されたシュラウドケースと、
前記第2フランジに接続された燃焼器と、
前記タービンケースに収納され、前記燃焼器で生成されて前記シュラウドケースを介して供給された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
少なくとも、前記中心軸線の軸方向から見て前記第1フランジを取り囲むとともに、前記第1フランジの座面の外周から前記中心軸線の方向に沿って燃焼ガスが外に排出される向きに膨出した周状の外壁曲面の頂点を結ぶパターンで前記タービンケースに設けられた連続リブを備えたことを特徴としている。
The gas turbine according to claim 5 further comprises:
a turbine case having a cylindrical shape with a first flange opening on one end surface and a second flange opening on a peripheral wall, the turbine case being asymmetric with respect to a central axis of the first flange ;
a shroud case housed in the turbine case and connected to the first flange;
a combustor connected to the second flange;
a turbine housed in the turbine case and driven by combustion gas generated in the combustor and supplied through the shroud case;
The turbine case is characterized in that it has a continuous rib that surrounds the first flange when viewed in the axial direction of the central axis and is provided on the turbine case in a pattern connecting vertices of a circumferential outer wall curved surface that bulges from the outer periphery of the seating surface of the first flange along the direction of the central axis in a direction in which combustion gas is discharged to the outside.

請求項1に記載されたタービンケースによれば、他の部品が連結されるため、熱や圧力による影響が大きいフランジの周囲に連続リブを設けたので、従来よりも耐久性能が高い高価な材質に変更する対策や、タービンケースに連結される部品、例えばシュラウドケースやタービンスクロールを冷却するといった従来の対策と比較して、タービンケースの熱変形を低廉なコストで抑制することができる。 According to the turbine case described in claim 1, since other parts are connected to the flange, which is greatly affected by heat and pressure, continuous ribs are provided around the flange, so that thermal deformation of the turbine case can be suppressed at low cost compared to conventional measures such as changing to a more expensive material with higher durability or cooling the parts connected to the turbine case, such as the shroud case or turbine scroll.

また、請求項1に記載されたタービンケースによれば、連続リブを設けたことにより、常温の空気で冷却されるタービンケースの表面積が増加し、連続リブが冷却フィンとして機能するため、タービンケースの外気による冷却性能を向上させることができる。 In addition, according to the turbine case described in claim 1, the surface area of the turbine case that is cooled by air at room temperature is increased by providing continuous ribs, and the continuous ribs function as cooling fins, improving the cooling performance of the turbine case by outside air.

請求項2に記載されたタービンケースによれば、連続リブと放射状リブが直角に交差している接続部において、連続リブと放射状リブの間を曲面で構成したので、タービンケースに発生する応力を抑制しつつ、剛性を高めることができ、これによってタービンケースの表面に集中していた熱膨張を抑制することができる。 According to the turbine case described in claim 2, at the connection where the continuous rib and the radial rib intersect at right angles, the area between the continuous rib and the radial rib is formed with a curved surface, so that the stress generated in the turbine case can be suppressed while the rigidity can be increased, and the thermal expansion concentrated on the surface of the turbine case can be suppressed.

請求項3に記載されたタービンケースによれば、連続リブの厚さを最適化することにより、従来から使用されている安価な材料で構成されたタービンケースにおいて恒久的な変形が生じないようにすることができる。 According to the turbine case described in claim 3, by optimizing the thickness of the continuous rib, it is possible to prevent permanent deformation from occurring in turbine cases made of inexpensive materials that have traditionally been used.

請求項4に記載されたタービンケース及び請求項5のタービンに用いられるタービンケースは、シュラウドケースが接続される第1フランジが一端面に開口した円筒形であるが、燃焼器が接続される第2フランジが周壁に開口しているため、円筒形の中心線に関して非対称な構造となっている。従って、何等の手段を講じない場合には、ガスタービンの駆動時にタービンケース内に発生する高熱と圧力により、非対称な構造のタービンケースには、特定の箇所に応力の集中が生じ、タービンケースが変形してしまう可能性がある。ところが、タービンケースには、少なくとも第1フランジを取り囲んで連続リブを設けたので、タービンケースの熱変形を低廉なコストで抑制でき、タービンケースの外気による冷却性能も向上するため、タービンケースの耐久性が高いガスタービンを実現することができる。 The turbine case described in claim 4 and the turbine case used in the turbine described in claim 5 have a cylindrical shape with a first flange to which the shroud case is connected that opens on one end face, but the second flange to which the combustor is connected opens on the peripheral wall, resulting in an asymmetric structure with respect to the center line of the cylinder. Therefore, if no measures are taken, the high heat and pressure generated in the turbine case when the gas turbine is running may cause stress concentration in specific locations in the asymmetric turbine case, resulting in deformation of the turbine case. However, since the turbine case is provided with a continuous rib surrounding at least the first flange, thermal deformation of the turbine case can be suppressed at low cost, and the cooling performance of the turbine case by the outside air is also improved, resulting in a gas turbine with a highly durable turbine case.

実施形態のガスタービンの構造を示すために、ガスタービンの一部を破断して示した模式的な斜視図である。FIG. 1 is a schematic perspective view showing a gas turbine according to an embodiment, with a part of the gas turbine cut away to illustrate its structure. 実施形態のガスタービンにおいて、タービンケースの第1フランジとシュラウドケースと排気ディフューザの連結部分を拡大して示す断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view showing a connecting portion between a first flange of a turbine case, a shroud case, and an exhaust diffuser in a gas turbine of an embodiment. FIG. 分図(a)は、現形状のタービンケースの斜視図であり、分図(b)は、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に現形状のタービンケースに加わる応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示す図である。FIG. 1A is a perspective view of a turbine case in its current shape, and FIG. 1B is a diagram showing the results of a simulation using the finite element method of the stress applied to the turbine case in its current shape when the gas turbine is operated under specified conditions. 分図(a)は、本発明の実施形態に係るタービンケースの斜視図であり、分図(b)は、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に実施形態のタービンケースに加わる応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示す図である。FIG. 4A is a perspective view of a turbine case according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram showing the results of calculations, by simulation using the finite element method, of stresses applied to the turbine case of the embodiment when a gas turbine is driven under specified conditions. 分図(a)は、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に、現形状のタービンケースと実施形態に係るタービンケースについて、内部圧力比に対する応力比の関係について、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示す表であり、分図(b)は分図(a)の表に示す計算結果を示したグラフである。FIG. 1A is a table showing the results of calculations performed by a simulation using the finite element method regarding the relationship between the stress ratio and the internal pressure ratio for a turbine case of an existing shape and a turbine case according to an embodiment when the gas turbine is operated under specified conditions, and FIG. 1B is a graph showing the calculation results shown in the table of FIG. 1A. 現形状のタービンケースと実施形態に係るタービンケースについて、所定の条件でガスタービンを駆動した場合に、シュラウドケース等が取り付けられる第1フランジの周縁部における軸方向変位比を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of a calculation performed by simulation using a finite element method of an axial displacement ratio at a peripheral portion of a first flange to which a shroud case and the like are attached when a gas turbine is operated under specified conditions for a turbine case of a current shape and a turbine case according to an embodiment.

実施形態のガスタービンの特徴的な構成と、これに起因する現形状のガスタービンでは得られない効果を説明するため、まず現形状のガスタービンと実施形態のガスタービンに共通する構造を、図1~図4を参照して説明する。なお、現形状のガスタービンとは、本願発明前に公知であったものとの意味ではなく、本願発明前に本願発明者等が知得していた先行技術との意味である。 In order to explain the characteristic configuration of the gas turbine of the embodiment and the resulting effects that cannot be obtained with gas turbines of the current configuration, the structure common to gas turbines of the current configuration and the gas turbine of the embodiment will first be explained with reference to Figures 1 to 4. Note that the gas turbine of the current configuration does not mean something that was publicly known before the present invention, but rather means prior art that was known to the inventors of the present application before the present invention.

図1に示すように、ガスタービン1は、略円筒形のタービンケース2と、タービンケース2に同軸で連結された略円筒形のコンプレッサケース3からなる外筐体を備えている。この外筐体の内部の中央には、共通のロータ4が複数個の軸受5を介して回転自在に支持されている。ロータ4には、コンプレッサケース3内に収納された圧縮機6が取り付けられており、またタービンケース2内に収納されたタービン7が取り付けられている。また、コンプレッサケース3の外側には、吸気を取り入れるためのダクト8が取り付けられている。 As shown in FIG. 1, the gas turbine 1 has an outer casing consisting of a roughly cylindrical turbine case 2 and a roughly cylindrical compressor case 3 coaxially connected to the turbine case 2. A common rotor 4 is rotatably supported in the center inside this outer casing via a number of bearings 5. A compressor 6 housed in the compressor case 3 is attached to the rotor 4, and a turbine 7 housed in the turbine case 2 is also attached. In addition, a duct 8 for taking in intake air is attached to the outside of the compressor case 3.

図1、図3(a)及び図4(a)に示すように、タービンケース2は前述したように略円筒形の部材であって、後に説明する各種部材を取り付けるための第1フランジF1が一端面に開口しており、第2フランジF2が周壁に開口している。このため、タービンケース2は略円筒形ではあるが、その中心線(中心軸線Z)に関して非対称な構造となっている。 As shown in Figures 1, 3(a) and 4(a), the turbine case 2 is a substantially cylindrical member as described above, with a first flange F1 for mounting various members described later opening at one end face and a second flange F2 opening at the peripheral wall. Therefore, although the turbine case 2 is substantially cylindrical, it has an asymmetric structure with respect to its center line (center axis Z).

図1及び図2に示すように、タービンケース2の第1フランジF1には、シュラウドケース9と排気ディフューザ10が取り付けられている。特に図2に拡大して示すように、タービンケース2の第1フランジF1と、シュラウドケース9の取り付け部と、排気ディフューザ10の取り付け部は、重ねられて共通のボルト11で一体に締結されている。シュラウドケース9と排気ディフューザ10は、タービン7を駆動した後の燃焼ガスを排出する排気流路12を構成している。 As shown in Figures 1 and 2, a shroud case 9 and an exhaust diffuser 10 are attached to the first flange F1 of the turbine case 2. As shown in an enlarged view in Figure 2 in particular, the first flange F1 of the turbine case 2, the mounting portion of the shroud case 9, and the mounting portion of the exhaust diffuser 10 are overlapped and fastened together with a common bolt 11. The shroud case 9 and the exhaust diffuser 10 form an exhaust flow passage 12 that exhausts the combustion gas after driving the turbine 7.

図1に示すように、タービンケース2の第2フランジF2には、外筒13が取り付けられている。外筒13の内部には、外筒13の内壁と所定間隔をおいて、タービン7に駆動用の燃焼ガスを供給する缶型燃焼器14が設けられている。缶型燃焼器14には、空気を採り入れるために複数の貫通孔が形成されているまた、詳細は図示しないが、缶型燃焼器14には、燃料を供給する燃料配管が接続され、また点火栓が設けられている。 As shown in FIG. 1, an external cylinder 13 is attached to the second flange F2 of the turbine case 2. Inside the external cylinder 13, a can-type combustor 14 is provided at a predetermined distance from the inner wall of the external cylinder 13, supplying combustion gas for driving the turbine 7. The can-type combustor 14 has multiple through holes for taking in air. In addition, although not shown in detail, the can-type combustor 14 is connected to a fuel pipe for supplying fuel, and is also provided with an ignition plug.

図1に示すように、タービンケース2の内部には、缶型燃焼器14から送られてくる燃焼ガスをタービン7に導く燃焼ガス流路を構成するタービンスクロール15が設けられている。すなわち、タービンスクロール15の一端は缶型燃焼器14の開放された下端に接続されており、他端はタービン7に向けて開口している。また、タービンケース2の内壁とタービンスクロール15の外壁の間には、缶型燃焼器14に圧縮空気を供給する空気流路16が構成されている。すなわち、空気流路16は、圧縮機6が設けられたコンプレッサケース3と、外筒13と缶型燃焼器14の間にある空間とを連通させている。 As shown in FIG. 1, inside the turbine case 2, a turbine scroll 15 is provided that constitutes a combustion gas flow path that guides the combustion gas sent from the can-type combustor 14 to the turbine 7. That is, one end of the turbine scroll 15 is connected to the open lower end of the can-type combustor 14, and the other end opens toward the turbine 7. In addition, an air flow path 16 that supplies compressed air to the can-type combustor 14 is formed between the inner wall of the turbine case 2 and the outer wall of the turbine scroll 15. That is, the air flow path 16 connects the compressor case 3, in which the compressor 6 is provided, to the space between the outer cylinder 13 and the can-type combustor 14.

以上の構成によれば、圧縮機6で圧縮された圧縮空気が空気流路16から缶型燃焼器14に供給され、また燃料配管から缶型燃焼器14に燃料が供給されると、缶型燃焼器14の内部では混合気が生成され、これに点火栓が着火して燃焼させることによって燃焼ガスが生成される。缶型燃焼器14で生成された燃焼ガスは、タービンスクロール15の内部空間である燃焼ガス流路を通ってタービン7に導かれ、これを駆動してロータ4を回転させた後、シュラウドケース9と排気ディフューザ10で形成される排気流路12から外に排出される。 According to the above configuration, when compressed air compressed by the compressor 6 is supplied to the can-type combustor 14 from the air flow path 16 and fuel is supplied to the can-type combustor 14 from the fuel pipe, an air-fuel mixture is generated inside the can-type combustor 14, which is ignited by the spark plug and combusted to generate combustion gas. The combustion gas generated in the can-type combustor 14 is guided to the turbine 7 through the combustion gas flow path, which is the internal space of the turbine scroll 15, and drives the turbine 7 to rotate the rotor 4, and then discharged to the outside from the exhaust flow path 12 formed by the shroud case 9 and the exhaust diffuser 10.

次に、現形状のガスタービン1の構造に起因する問題点について説明する。なお、実施形態のタービンケースについては符号2aを当て、現形状のガスタービンについては符合2bを当て、特に区別しない場合は符合2を当てて説明する。
先に説明したように、タービンケース2は、シュラウドケース9との間に空気流路16を形成する役割と、内部の燃焼ガス流路に1000℃の燃焼ガスが流れるタービンスクロール15からの熱を遮蔽する遮熱の役割と、ロータ4及びタービン7の格納の役割と、缶型燃焼器14とシュラウドケース9を所定位置に保持する役割等、複数の役割を兼ねる複雑な構造体である。
Next, a description will be given of problems caused by the structure of the current shape of the gas turbine 1. Note that the turbine case of the embodiment will be denoted by reference symbol 2a, the gas turbine of the current shape will be denoted by reference symbol 2b, and the reference symbol 2 will be used when no particular distinction is made.
As described above, the turbine case 2 is a complex structure that serves multiple roles, such as forming an air flow path 16 between itself and the shroud case 9, acting as a heat insulator to block heat from the turbine scroll 15 through which 1000° C. combustion gas flows in an internal combustion gas flow path, housing the rotor 4 and the turbine 7, and holding the can-type combustor 14 and shroud case 9 in predetermined positions.

このように複雑な構造体において、タービンケース2が熱や内部の圧力によって変形した場合、シュラウドケース9の外壁とタービン7の先端の隙間(チップクリアランス)が変化するため、これが狭くなった場合には、シュラウドケース9の外壁とタービン7が接触して破損する可能性があり、広くなった場合には、タービン7の空力性能を著しく低下させ、機関性能を悪化させる可能性がある。また、タービンケース2が変形することで、ロータ4の軸受5の保持位置が変わり、ロータ4にミスアライメントを発生させ、振動が増加する可能性がある。さらに、タービンケース2の変形により、図3(a)及び図4(a)に示すシュラウドケース9との接続面及び缶型燃焼器14の接続面である第1フランジF1及び第2フランジF2の座面のシール性能が著しく低下し、タービンケース2の外に圧縮空気が漏れ出し、機関運転が困難になる可能性がある。さらにまた、タービンケース2が変形すれば、これに連結されたコンプレッサケース3も変形する可能性がある。 In such a complex structure, if the turbine case 2 is deformed by heat or internal pressure, the gap (tip clearance) between the outer wall of the shroud case 9 and the tip of the turbine 7 changes. If this gap narrows, the outer wall of the shroud case 9 and the turbine 7 may come into contact and break, and if it widens, the aerodynamic performance of the turbine 7 may be significantly reduced and the engine performance may deteriorate. In addition, the deformation of the turbine case 2 may change the holding position of the bearing 5 of the rotor 4, causing misalignment of the rotor 4 and increasing vibration. Furthermore, the deformation of the turbine case 2 may significantly reduce the sealing performance of the connection surface with the shroud case 9 and the seat surface of the first flange F1 and the second flange F2, which are the connection surfaces of the can-type combustor 14, as shown in Figures 3(a) and 4(a), and may cause compressed air to leak outside the turbine case 2, making it difficult to operate the engine. Furthermore, if the turbine case 2 deforms, the compressor case 3 connected to it may also deform.

タービンケース2の形状を変形させる主要因は高温流体からの熱伝達である。タービンケース2は、その外壁が常に常温の空気で冷やされる一方で、300℃以上となる圧縮機6の吐出空気温度に近い高温流体である圧縮空気が、その内壁に沿って流れる。また、タービンケース2の内側に設けられたタービンスクロール15には1000℃の燃焼ガスが流れ、タービンケース2は強い輻射を受ける。さらに、第1フランジF1及び第2フランジF2には、排気流路12を区画するシュラウドケース9と、燃焼で高温となる缶型燃焼器14がそれぞれ接続されており、タービンケース2には700℃近い温度が直接熱伝導により伝わる。 The main factor that deforms the shape of the turbine case 2 is heat transfer from high-temperature fluid. While the outer wall of the turbine case 2 is always cooled by room temperature air, compressed air, which is a high-temperature fluid close to the discharge air temperature of the compressor 6, which is over 300°C, flows along its inner wall. In addition, combustion gas at 1000°C flows through the turbine scroll 15 installed inside the turbine case 2, and the turbine case 2 is subjected to strong radiation. Furthermore, the first flange F1 and the second flange F2 are respectively connected to the shroud case 9 that defines the exhaust flow path 12 and the can-type combustor 14, which becomes hot due to combustion, and a temperature of nearly 700°C is transmitted to the turbine case 2 by direct thermal conduction.

このように、タービンケース2は各部で高温に曝されるとともに、各部相互の温度差が大きい過酷な環境下にある。しかしながら、タービンケース2は、上述したように多数の部品が接続されて一体に組み立てられた構造であるため熱膨張しにくく、各所に不均一な態様で応力が発生する。特に、図3(a)及び図4(a)に示すように、シュラウドケース9が接続される第1フランジF1の座面と、円筒形のタービンケース2bの周面に当たる外壁側面17の間にある部分、すなわち、第1フランジF1の座面の外周から円筒形のタービンケース2bの中心軸線Z方向に半円筒形に膨出・湾曲した周状の部分である外壁曲面18は、その外側は常温の空気で冷やされるが、内部にある高温の部品から直接熱伝導を受けるため温度差が生じやすく、熱による変形を伴いやすい。缶型燃焼器14が接続される第2フランジF2の座面近傍も同様である。 As described above, the turbine case 2 is exposed to high temperatures at each part and is in a harsh environment with large temperature differences between each part. However, as described above, the turbine case 2 is a structure in which many parts are connected and assembled into one unit, so it is difficult to expand thermally, and stress occurs in a non-uniform manner at each part. In particular, as shown in Figures 3(a) and 4(a), the part between the seat surface of the first flange F1 to which the shroud case 9 is connected and the outer wall side surface 17 that contacts the circumferential surface of the cylindrical turbine case 2b, that is, the outer wall curved surface 18, which is a circumferential part that bulges and curves in a semi-cylindrical shape from the outer periphery of the seat surface of the first flange F1 in the direction of the central axis Z of the cylindrical turbine case 2b, is cooled on the outside by air at room temperature, but is easily subjected to temperature differences and deformation due to heat because it receives heat directly from high-temperature parts inside. The same is true for the vicinity of the seat surface of the second flange F2 to which the can-type combustor 14 is connected.

図3(a)に示すように、この熱変形を抑制するため、現形状のタービンケース2bには、第1フランジF1の外周部から、外壁曲面18を経て外壁側面17に至るまで、複数本の放射状リブ20がそれぞれ連続的に設けられている。放射状リブ20は、外壁曲面18においては、円形の第1フランジF1の半径方向に延設されており、円形の第1フランジF1の周方向について等間隔で第1フランジF1を取り囲むように設けられている。放射状リブ20は、外壁側面17においては、円形の第1フランジF1の中心軸線Zと平行になっている。また、放射状リブ20の外壁側面17上の端部は、タービンケース2bの外壁側面17に対して一定の角度を有する斜面で連続している。 As shown in FIG. 3(a), in order to suppress this thermal deformation, the turbine case 2b in its current shape has multiple radial ribs 20 continuously provided from the outer periphery of the first flange F1 through the outer wall curved surface 18 to the outer wall side surface 17. The radial ribs 20 extend in the radial direction of the circular first flange F1 on the outer wall curved surface 18, and are provided so as to surround the first flange F1 at equal intervals in the circumferential direction of the circular first flange F1. On the outer wall side surface 17, the radial ribs 20 are parallel to the central axis Z of the circular first flange F1. In addition, the ends of the radial ribs 20 on the outer wall side surface 17 are continuous with an inclined surface having a certain angle with respect to the outer wall side surface 17 of the turbine case 2b.

しかしながら、現形状のタービンケース2bでは、この放射状リブ20で熱変形を抑えることができず、大きな応力が局所的に発生している。図3(b)は、図3(a)に示した現形状のタービンケース2bを有するガスタービン1を所定の条件で駆動した場合に、現形状のタービンケース2bに加わる応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算し、その結果を3D画像上に濃淡のグラフィックで示した図である。図3(b)に示すように、缶型燃焼器14が取り付けられる第2フランジF2に近い外壁曲面18の一部、すなわち、第1フランジF1と第2フランジF2に挟まれた外壁曲面18の一部(第1の集中点P1と称する。)は、高温であるとともに温度差が顕著であるため、図中濃いグレーで表されるように高い応力が発生している。この高い応力が発生している外壁曲面18上の第1の集中点P1に対して、円形の第1フランジF1の周方向について180°回転した反対側の位置(第2の集中点P2と称する。)にも応力が集中している。これらの箇所では、応力の集中により、タービンケース2bの表面が熱変形している。 However, in the turbine case 2b of the current shape, the radial ribs 20 cannot suppress the thermal deformation, and large stress occurs locally. Figure 3(b) is a diagram showing the stress applied to the turbine case 2b of the current shape when the gas turbine 1 having the turbine case 2b of the current shape shown in Figure 3(a) is driven under a specified condition, calculated by a simulation using the finite element method, and the result is shown in a 3D image with a shading graphic. As shown in Figure 3(b), a part of the outer wall curved surface 18 close to the second flange F2 to which the can-type combustor 14 is attached, that is, a part of the outer wall curved surface 18 sandwiched between the first flange F1 and the second flange F2 (referred to as the first concentration point P1), is high in temperature and has a significant temperature difference, so high stress is generated as shown in dark gray in the figure. Stress is also concentrated at a position (referred to as a second concentration point P2) on the opposite side of the first concentration point P1 on the outer wall curved surface 18, rotated 180 degrees in the circumferential direction of the circular first flange F1, where high stress occurs. At these locations, the surface of the turbine case 2b is thermally deformed due to the concentration of stress.

ガスタービン1が始動と停止を繰り返すと、タービンケース2は加熱と冷却を繰り返すため、疲労が蓄積され疲労寿命の低下が懸念される。現形状のタービンケース2bでは、き裂等は発生していないが、今後のガスタービンの開発においては圧力比の増加が想定されるため、タービンケース2については何らかの熱変形対策が必要であると本願発明者等は考えた。さらに、前述した現形状のタービンケース2bは缶型燃焼器14を有するタイプであり、これを改良する本発明のタービンケース2aも、缶型燃焼器14を有するタイプに好適に適用されることを考慮しているが、このタイプのタービンケース2は、ジェットエンジンに代表されるアニュラー型燃焼器のような軸対象である円筒形状のタービンケースとは異なっている。すなわち、缶型燃焼器14を有するタイプのガスタービン1に用いられるタービンケース2は、缶型燃焼器14を接続するために、円柱形の本体の側周面に、当該本体よりも半径の小さい円柱を埋め込んだような非対称構造となっており、従って前述した放射状リブ20を配置設計する難易度は高く、図3(b)を参照して説明したように、タービンケース2bの熱変形を、必ずしも効果的に抑止しているとは言い難い。 When the gas turbine 1 is repeatedly started and stopped, the turbine case 2 is repeatedly heated and cooled, which causes fatigue to accumulate and raises concerns about a shortened fatigue life. Although no cracks have occurred in the current shape of the turbine case 2b, the inventors of the present application have considered that some kind of thermal deformation countermeasure is necessary for the turbine case 2, since an increase in the pressure ratio is expected in future gas turbine developments. Furthermore, the current shape of the turbine case 2b described above is a type having a can-type combustor 14, and the turbine case 2a of the present invention, which improves on this, is also considered to be suitably applied to a type having a can-type combustor 14, but this type of turbine case 2 is different from the cylindrical turbine case that is axially symmetric, such as an annular combustor typified by a jet engine. That is, the turbine case 2 used in the gas turbine 1 with a can-type combustor 14 has an asymmetric structure in which a cylinder with a smaller radius than the cylindrical main body is embedded in the side surface of the cylindrical main body in order to connect the can-type combustor 14. Therefore, it is difficult to design the arrangement of the radial ribs 20 described above, and as explained with reference to Figure 3 (b), it cannot be said that the thermal deformation of the turbine case 2b is necessarily effectively suppressed.

以上、現形状のガスタービン2bと実施形態のガスタービン2aとに共通する構造と、現形状のガスタービン2bにおける放射状リブ20の問題点を説明したが、これらを踏まえ、本発明の特徴である連続リブの構造と、現形状の問題点を解決する作用効果について、図4~図6を参照して以下に説明する。 The above describes the structure common to the current gas turbine 2b and the gas turbine 2a of the embodiment, and the problems with the radial ribs 20 in the current gas turbine 2b. Based on this, the structure of the continuous rib, which is a feature of the present invention, and its effect of solving the problems with the current design will be described below with reference to Figures 4 to 6.

図4(a)に示すように、実施形態のタービンケース2aでは、現形状の放射状リブ20に加えて、これと交差する連続リブとしての円形リブ30(以下リングリブ30とも称する。)を設けた。円形リブ30は、第1フランジF1を取り囲んでいる外壁曲面18の頂点を結ぶ閉じた円形のパターンで設けられており、複数本の放射状リブ20の全てに交差し、それぞれに接続されている。すなわち、連続リブの「連続」とは、1本の線が閉じており、その形状に関わらずループとなっている状態を示しており、例えば円形リブ30のように円形でもよいし、フランジの外形状によっては楕円形や矩形であってもよい。 As shown in FIG. 4(a), in the turbine case 2a of the embodiment, in addition to the radial ribs 20 of the current shape, a circular rib 30 (hereinafter also referred to as a ring rib 30) is provided as a continuous rib that intersects with the radial ribs 20. The circular rib 30 is provided in a closed circular pattern that connects the vertices of the outer wall curved surface 18 surrounding the first flange F1, and intersects with and is connected to all of the multiple radial ribs 20. In other words, the "continuous" of the continuous rib refers to a state in which a line is closed and forms a loop regardless of its shape. For example, it may be circular like the circular rib 30, or it may be elliptical or rectangular depending on the outer shape of the flange.

図4(a)に示すように、タービンケース2aの表面(すなわち外壁曲面18の表面)からリングリブ30の表面までの高さは放射状リブ20と同じであり、リングリブ30は表面にタービンケース2aの表面と平行で一定の厚さTを持つ平面を有している。リングリブ30の表面は、一定の半径の内周と、一定の半径に厚さTを加えた半径の外周を有するリング形状である。放射状リブ20とリングリブ30は外壁曲面18上において直角に交差して接続され、その接続部は一定の半径Rを持つ曲面で構成されている。接続部において、円形リブ30と放射状リブ20の間は曲面で繋がっているため、第1フランジF1の軸線方向Zと平行な視線で見た場合、接続部はひし形又は星型に類似した形状を呈している。 As shown in FIG. 4(a), the height from the surface of the turbine case 2a (i.e., the surface of the outer wall curved surface 18) to the surface of the ring rib 30 is the same as that of the radial rib 20, and the ring rib 30 has a flat surface on its surface that is parallel to the surface of the turbine case 2a and has a constant thickness T. The surface of the ring rib 30 is in a ring shape with an inner circumference of a constant radius and an outer circumference of a constant radius plus thickness T. The radial rib 20 and the ring rib 30 are connected at right angles on the outer wall curved surface 18, and the connection is composed of a curved surface with a constant radius R. At the connection, the circular rib 30 and the radial rib 20 are connected by a curved surface, so that when viewed from a line of sight parallel to the axial direction Z of the first flange F1, the connection has a shape similar to a diamond or star.

図4(b)は、所定の条件でガスタービン1を駆動した場合に実施形態のタービンケース2aに加わる応力を有限要素法(FiniteElementMethod, 以下FEM)を用いたシミュレーションにより計算し、その結果を3D画像上に濃淡のグラフィックで示した図である。先に図3(b)を参照して説明したように、現形状のタービンケース2bでは、タービンケース2の外壁曲面18のうち、第2フランジF2があるために外壁曲面18が最も短くなっている第1の集中点P1と、これとは180°反対側の第2の集中点P2に、特に応力が集中していた。一方、図4(b)に示すように、放射状リブ20に加えてリングリブ30も有する実施形態のタービンケース2aでは、もっとも圧縮応力が高かった第1の集中点P1に相当する位置での応力は、現形状のタービンケース2bと比較すると20%ほど低減できている。リングリブ30を追設することで、熱と内部の圧力によって生じる応力を抑制しつつ、剛性を高め、これによってタービンケース2bの表面の特定箇所に集中していた熱膨張を抑制することができた。 Figure 4(b) shows the stress applied to the turbine case 2a of the embodiment when the gas turbine 1 is driven under a predetermined condition, calculated by a simulation using the finite element method (FEM), and the result is shown in a 3D image with a shading graphic. As previously described with reference to Figure 3(b), in the turbine case 2b of the current shape, stress was particularly concentrated at the first concentration point P1, where the outer wall curved surface 18 of the turbine case 2 is the shortest due to the presence of the second flange F2, and at the second concentration point P2, which is 180° opposite to the first concentration point P1. On the other hand, as shown in Figure 4(b), in the turbine case 2a of the embodiment having the ring rib 30 in addition to the radial ribs 20, the stress at the position corresponding to the first concentration point P1, where the compressive stress was the highest, can be reduced by about 20% compared to the turbine case 2b of the current shape. By adding the ring rib 30, the stress caused by heat and internal pressure is suppressed while rigidity is increased, which makes it possible to suppress the thermal expansion that was concentrated in specific areas on the surface of the turbine case 2b.

なお、実施形態のタービンケース2aでは、放射状リブ20に加えてリングリブ30を追設しているため、特に高熱に曝され、熱分布も複雑なタービンケース2aの外壁曲面18の表面積が、現形状のタービンケース2bに較べて増大するため、タービンケース2aの表面から空気への熱伝達が促進されるので、タービンケース2aの熱膨張を抑制する効果がより高くなる。 In addition, in the turbine case 2a of the embodiment, ring ribs 30 are added in addition to the radial ribs 20, so the surface area of the outer wall curved surface 18 of the turbine case 2a, which is particularly exposed to high heat and has a complex heat distribution, is increased compared to the current shape of the turbine case 2b, and heat transfer from the surface of the turbine case 2a to the air is promoted, thereby improving the effect of suppressing thermal expansion of the turbine case 2a.

図5を参照し、ガスタービン1の運転時に、現形状のタービンケース2bに発生する応力と、実施形態のタービンケース2aに発生する応力を比較する。
図5は、現形状のタービンケース2bと、リングリブ30の厚さTを変えた2種類の実施形態のタービンケース2aについて、所定の運転条件下においてタービンケース2a,2bに発生する応力を、FEM手法を用いたシミュレーションにより計算し、その結果を内部圧力比と応力比の関係として示したものである。分図(a)は、計算結果の数値を示した表であり、分図(b)は計算結果をグラフ化したものである。なお、ここで応力比とは、タービンケース2a,2bにおいて発生する圧縮応力と引張応力の比であり、内部圧力比とは、圧縮応力が発生する位置の内部にかかる圧力と、引張圧縮応力が発生する位置の内部にかかる圧力の比である。
With reference to FIG. 5, the stress generated in the turbine case 2b of the current shape and the stress generated in the turbine case 2a of the embodiment during operation of the gas turbine 1 will be compared.
5 shows the results of a simulation using an FEM technique to calculate stresses generated in the turbine cases 2a and 2b under specified operating conditions for the turbine case 2b of the current shape and two types of turbine cases 2a having different thicknesses T of the ring rib 30, and shows the results as a relationship between the internal pressure ratio and the stress ratio. Diagram (a) is a table showing the numerical values of the calculation results, and diagram (b) is a graph showing the calculation results. Note that the stress ratio here is the ratio of compressive stress to tensile stress generated in the turbine cases 2a and 2b, and the internal pressure ratio is the ratio of the pressure applied inside the position where compressive stress occurs to the pressure applied inside the position where tensile-compressive stress occurs.

ここで、現形状のタービンケース2bの放射状リブ20の厚さは10mmである。また実施形態の2種類のタービンケース2aは、現形状のタービンケース2bの放射状リブ20に加え、接続部の曲面の半径Rが20mm、厚さTが20mmのリングリブ30を設けたタービンケース2a(リングリブ30R20T20)と、現形状のタービンケース2bの放射状リブ20に加え、接続部の曲面の半径Rが20mm、厚さTが25mmのリングリブ30を設けたタービンケース2a(リングリブ30R20T25)である。 Here, the thickness of the radial ribs 20 of the turbine case 2b in its current shape is 10 mm. The two types of turbine case 2a in the embodiment are a turbine case 2a (ring rib 30R20T20) in which, in addition to the radial ribs 20 of the turbine case 2b in its current shape, a ring rib 30 with a curved surface radius R of 20 mm and a thickness T of 20 mm at the connection portion is provided, and a turbine case 2a (ring rib 30R20T25) in which, in addition to the radial ribs 20 of the turbine case 2b in its current shape, a ring rib 30 with a curved surface radius R of 20 mm and a thickness T of 25 mm at the connection portion is provided.

タービンケース2の材料としてはFCD(球状黒鉛鋳鉄品)が従来から一般的で安価な材料として知られているが、このFCDが所定の高温においても内部圧力比に関わらず応力比が1となる限界ラインを図5に示す計算結果に併せて表示した。発生する応力の応力比がこの限界ラインより低ければ、当該タービンケース2をFCDで構成しても0.2%耐力を越えた応力が発生して永久ひずみが残るような熱変形を避けることができることになる。 FCD (spheroidal graphite cast iron) has traditionally been known as a common and inexpensive material for the turbine case 2, and the limit line at which the stress ratio of this FCD becomes 1 regardless of the internal pressure ratio even at a specified high temperature is shown along with the calculation results in Figure 5. If the stress ratio of the generated stress is lower than this limit line, then even if the turbine case 2 is made of FCD, it will be possible to avoid thermal deformation that generates stress exceeding the 0.2% yield strength and leaves permanent strain.

図5(a)、(b)によれば、例えば内部圧力比1.0における応力比を見ると、現形状(分図(b)では実線で示す。)では応力比1.0の前記限界ラインを越えた1.126となっており、0.2%耐力を越えた応力比によって永久ひずみが残る熱変形が生じてしまう。これに対して、実施形態のタービンケース2a(リングリブ30R20T20、分図(b)では破線で示す。)では、応力比が1.046となっており、応力比が0.2%耐力の限界ラインをわずかに越えてはいるが、永久ひずみが残るような熱変形は避けられる可能性は認められ、また永久ひずみが残ってもごく少なくて済む。さらに、実施形態のタービンケース2a(リングリブ30R20T25、分図(b)では三点鎖線で表示)では、応力比が0.950となっており、応力比が0.2%耐力の限界ラインを下回っているので、永久ひずみが残るような熱変形は発生しない。 5(a) and (b), for example, when looking at the stress ratio at an internal pressure ratio of 1.0, the current shape (shown by the solid line in sub-diagram (b)) has a stress ratio of 1.126, which exceeds the limit line of 1.0, and a stress ratio exceeding the 0.2% yield strength will cause thermal deformation that leaves permanent strain. In contrast, the turbine case 2a of the embodiment (ring rib 30R20T20, shown by the dashed line in sub-diagram (b)) has a stress ratio of 1.046, which is slightly above the limit line of 0.2% yield strength, but it is possible to avoid thermal deformation that leaves permanent strain, and even if permanent strain remains, it will be very small. Furthermore, in the embodiment of the turbine case 2a (ring rib 30R20T25, shown by the three-dot chain line in FIG. (b)), the stress ratio is 0.950, which is below the limit line of the 0.2% yield strength, so thermal deformation that leaves permanent strain does not occur.

このように、実施形態のタービンケース2aにおいて、連続リブの厚さTを、少なくとも現形状の放射状リブ20よりも大きい値(T20)又は25mm以上といった最適値とすることにより、従来から使用されているFCD等の安価な材料でタービンケース2aを構成しても、熱や圧力による恒久的な変形が実質的に生じないようにすることができる。 In this way, in the turbine case 2a of the embodiment, by setting the thickness T of the continuous rib to an optimal value such as a value (T20) at least larger than the radial rib 20 of the current shape or 25 mm or more, it is possible to substantially prevent permanent deformation due to heat or pressure even if the turbine case 2a is constructed from an inexpensive material such as FCD, which has been used conventionally.

図6を参照して、ガスタービン1の運転時に、現形状のタービンケース2bの第1フランジF1に発生する変位と、実施形態のタービンケース2aの第1フランジF1に発生する変位を比較する。
図6は、現形状のタービンケース2bと実施形態のタービンケース2aについて、所定の条件でガスタービン1を駆動した場合に、第1フランジF1の周縁部における軸方向の変位比を、有限要素法を用いたシミュレーションにより計算し、第1フランジF1の周縁部の位相角度(°)ごとに示したものである。図3(a)及び図4(a)において、変位比を表す基準となる軸方向とは、円形の第1フランジF1の中心軸線Zであり、第1フランジF1の周縁部の位相角度(°)とは、TOPを0°、RIGHTを45°、BOTTOMを180°、LEFTを270°とする周方向の角度を意味する。
With reference to FIG. 6, the displacement occurring in the first flange F1 of the turbine case 2b of the current shape during operation of the gas turbine 1 will be compared with the displacement occurring in the first flange F1 of the turbine case 2a of the embodiment.
6 shows the axial displacement ratio of the peripheral portion of the first flange F1 calculated by a simulation using the finite element method for the turbine case 2b of the current shape and the turbine case 2a of the embodiment when the gas turbine 1 is driven under predetermined conditions, and is shown for each phase angle (°) of the peripheral portion of the first flange F1. In Fig. 3(a) and Fig. 4(a), the axial direction serving as the reference for expressing the displacement ratio is the central axis Z of the circular first flange F1, and the phase angle (°) of the peripheral portion of the first flange F1 means the circumferential angle with TOP at 0°, RIGHT at 45°, BOTTOM at 180°, and LEFT at 270°.

図6に示すように、ガスタービン1の運転時に、現形状のタービンケース2bの第1フランジF1に発生する軸方向変位比(破線で示す。)は、全ての位相角度について0.9を越えており、特にLEFT(270°)とTOP(0°)の間の位置、すなわち図3(a)で示した第1の集中点P1においては、1.1に近い値を示す。これは、前述したように、第1の集中点P1では高熱によって局所的に大きな変形が生じていることを示している。 As shown in Figure 6, when the gas turbine 1 is in operation, the axial displacement ratio (shown by the dashed line) that occurs in the first flange F1 of the turbine case 2b in its current shape exceeds 0.9 for all phase angles, and in particular, at the position between LEFT (270°) and TOP (0°), i.e., the first concentration point P1 shown in Figure 3(a), it shows a value close to 1.1. This indicates that, as mentioned above, large local deformation occurs at the first concentration point P1 due to high heat.

これに対し、図6に示すように、ガスタービン1の運転時に、実施形態のタービンケース2aの第1フランジF1に発生する軸方向変位比(実線で示す。)は、全ての位相角度について0.7を下回るとともに、ほぼ一定値を示しており、特定の位相角度において軸方向変位比が突出して大きい状況は見られない。これは、実施形態によれば、熱と内部の圧力によって第1フランジF1の周囲に生じている中心軸線Z方向の変形は、現形状のタービンケース2bに較べて小さく、また、第1フランジF1の周方向について平均化されていることを示している。 In contrast, as shown in FIG. 6, the axial displacement ratio (shown by the solid line) generated in the first flange F1 of the turbine case 2a of the embodiment during operation of the gas turbine 1 is below 0.7 for all phase angles and is approximately constant, with no situation in which the axial displacement ratio is exceptionally large at any particular phase angle. This indicates that, according to the embodiment, the deformation in the direction of the central axis Z caused by heat and internal pressure around the first flange F1 is smaller than that of the turbine case 2b in its current shape, and is averaged in the circumferential direction of the first flange F1.

以上説明した実施形態では、放射状リブ20に加えてリングリブ30を設けたが、放射状リブ20を設けずに、リングリブ30のみを設けた場合にも、熱変形の抑止効果を得ることができる。そのため実施形態では、第1フランジF1にリングリブ30を設けたが、第2フランジF2の周囲の円周面にリングリブ30を設けてもよい。 In the embodiment described above, the ring rib 30 is provided in addition to the radial ribs 20, but the effect of suppressing thermal deformation can also be obtained when only the ring rib 30 is provided without providing the radial ribs 20. Therefore, in the embodiment, the ring rib 30 is provided on the first flange F1, but the ring rib 30 may also be provided on the circumferential surface around the second flange F2.

本実施形態のタービンケース2aによれば、上述したように補強用リブとしてリングリブ30を追加したので、熱と圧力によって発生する応力に起因したタービンケース2aの熱変形を抑制することができるため、次のような効果が得られる。
(1) ガスタービン1の機関性能を安定して維持することができる
(2) 現状で用いられている安価な材料でもタービンケース2aの熱変形が抑えられるため、特に高級な耐熱材料を用いる必要がなくなる。
(3) シュラウドケース9を保持するフランジF1,F2の座面の熱変形を抑制できるため、シュラウドケース9の保持力が向上する。
(4) タービンケース2a及びコンプレッサケース3内にロータ4を保持している軸受5の位置が変わることを抑制できるため、タービンケース2a及びコンプレッサケース3の振動を抑制できる。
(5) タービンケース2aの熱変形を防止できるので、タービン7から受ける熱の遮熱を気にする必要がなくなる
(6) リングリブ30は比較的単純な構造であり、安価に熱変形対策を講ずることが可能である。
(7) タービンケース2aの耐圧力性能が向上するため、タービンケース2aの寿命が延びる。
(8) タービン7のチップクリアランスを一定に保つことによって,タービン7の性能を長期にわたり維持できる。
(9) タービン7とシュラウドケース9が接触することを回避できる。
(10)運転中のチップクリアランスを一定に保つことができ、また運転の前後でのチップクリアランスの差が小さくなる。このため駆動時及び分解後の組み立て時等における性能管理が容易になる。
(11)リングリブ30が冷却フィンの役割を果たすため、外気による冷却性能が向上する。
According to the turbine case 2a of this embodiment, since the ring rib 30 is added as a reinforcing rib as described above, it is possible to suppress thermal deformation of the turbine case 2a caused by stress generated by heat and pressure, thereby obtaining the following effects.
(1) The engine performance of the gas turbine 1 can be stably maintained.
(2) Since thermal deformation of the turbine case 2a can be suppressed even with the inexpensive materials currently used, there is no need to use particularly high-grade heat-resistant materials.
(3) Since thermal deformation of the bearing surfaces of the flanges F1, F2 that hold the shroud case 9 can be suppressed, the holding force of the shroud case 9 is improved.
(4) Since the position of the bearings 5 that hold the rotor 4 inside the turbine case 2a and the compressor case 3 can be prevented from changing, vibration of the turbine case 2a and the compressor case 3 can be suppressed.
(5) Since the thermal deformation of the turbine case 2a can be prevented, there is no need to worry about blocking the heat from the turbine 7.
(6) The ring rib 30 has a relatively simple structure, and measures against thermal deformation can be taken at low cost.
(7) The pressure resistance of the turbine case 2a is improved, thereby extending the life of the turbine case 2a.
(8) By keeping the tip clearance of the turbine 7 constant, the performance of the turbine 7 can be maintained for a long period of time.
(9) Contact between the turbine 7 and the shroud case 9 can be avoided.
(10) The tip clearance during operation can be kept constant, and the difference in tip clearance before and after operation is reduced. This makes it easier to manage performance during operation and when reassembling after disassembly.
(11) The ring ribs 30 function as cooling fins, improving the cooling performance using outside air.

また、本実施形態のタービンケース2aは、舶用、陸用、航空用を含むガスタービン機関や産業用タービンのタービンケースだけでなく、過給機やターボチャージャーのタービンケース、ボイラーなど配管を支持する役目も担う圧力容器の筐体等に採用することができ、これら種々の適用対象において、安価にタービンケース又は筐体の熱変形を抑制することができる。 The turbine case 2a of this embodiment can be used not only for gas turbine engines and industrial turbines, including those for marine, land and aviation use, but also for turbine cases of superchargers and turbochargers, and the housings of pressure vessels that also serve to support piping, such as boilers, and can inexpensively suppress thermal deformation of the turbine case or housing in these various applications.

1…ガスタービン
2…タービンケース
2a…実施形態のタービンケース
2b…現状のタービンケース
7…タービン
9…シュラウドケース
14…缶型燃焼器
20…放射状リブ
30…連続リブとしての円形リブ(リングリブ)
F1…第1フランジ
F2…第2フランジ
T…円形リブの厚さ
Reference Signs List 1 gas turbine 2 turbine case 2a turbine case according to an embodiment 2b current turbine case 7 turbine 9 shroud case 14 can-type combustor 20 radial rib 30 circular rib (ring rib) as continuous rib
F1: First flange F2: Second flange T: Thickness of circular rib

Claims (5)

他の部品が連結されるフランジを有するタービンケースであって、
前記フランジの中心軸線の軸方向から見て前記フランジを取り囲むとともに、前記フランジの座面の外周から前記中心軸線の方向に沿って燃焼ガスが外に排出される向きに膨出した周状の外壁曲面の頂点を結ぶパターンで設けられた連続リブを備えたことを特徴とするタービンケース。
A turbine case having a flange to which other components are connected,
A turbine case comprising: a continuous rib that surrounds the flange when viewed in the axial direction of the central axis of the flange , and is provided in a pattern connecting vertices of a circumferential outer wall curved surface that bulges from the outer periphery of the seating surface of the flange along the direction of the central axis in a direction in which combustion gas is discharged to the outside.
前記フランジを周方向に等間隔で取り囲む複数本の放射状リブを備え、
前記連続リブと前記放射状リブは接続部において直角に交差して接続されており、
前記接続部において前記連続リブと前記放射状リブの間は曲面で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のタービンケース。
A plurality of radial ribs are provided around the flange at equal intervals in the circumferential direction,
The continuous rib and the radial rib are connected to each other at right angles at a connection portion,
2. The turbine case according to claim 1, wherein a curved surface is formed between the continuous rib and the radial rib at the connection portion.
前記連続リブの厚さが、25mm以上であるか又は前記放射状リブの厚さよりも大きいことを特徴とする請求項2に記載のタービンケース。 The turbine case according to claim 2, characterized in that the thickness of the continuous rib is 25 mm or more or is greater than the thickness of the radial rib. 前記タービンケースは、シュラウドケースが接続される第1フランジが一端面に開口するとともに燃焼器が接続される第2フランジが周壁に開口しており、前記第1フランジ中心軸線に関して非対称な構造の円筒形であって、
前記連続リブは、少なくとも、前記中心軸線の軸方向から見て前記第1フランジを取り囲むとともに、前記第1フランジの座面の外周から前記中心軸線の方向に沿って燃焼ガスが外に排出される向きに膨出した周状の外壁曲面の頂点を結ぶパターンで設けられたことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一つに記載のタービンケース。
The turbine case has a first flange to which a shroud case is connected, the first flange having an opening at one end surface, and a second flange to which a combustor is connected, the second flange having an opening at a peripheral wall, the turbine case being cylindrical and asymmetric with respect to a central axis of the first flange ,
4. The turbine case according to claim 1, wherein the continuous rib surrounds the first flange when viewed in the axial direction of the central axis, and is provided in a pattern connecting vertices of a circumferential outer wall curved surface that bulges from an outer periphery of the seating surface of the first flange along the direction of the central axis in a direction in which combustion gas is discharged to the outside .
第1フランジが一端面に開口するとともに、第2フランジが周壁に開口しており、前記第1フランジ中心軸線に関して非対称な構造の円筒形であるタービンケースと、
前記タービンケースに収納されて前記第1フランジに接続されたシュラウドケースと、
前記第2フランジに接続された燃焼器と、
前記タービンケースに収納され、前記燃焼器で生成されて前記シュラウドケースを介して供給された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
少なくとも、前記中心軸線の軸方向から見て前記第1フランジを取り囲むとともに、前記第1フランジの座面の外周から前記中心軸線の方向に沿って燃焼ガスが外に排出される向きに膨出した周状の外壁曲面の頂点を結ぶパターンで前記タービンケースに設けられた連続リブを備えたことを特徴とするガスタービン。
a turbine case having a cylindrical shape with a first flange opening on one end surface and a second flange opening on a peripheral wall, the turbine case being asymmetric with respect to a central axis of the first flange ;
a shroud case housed in the turbine case and connected to the first flange;
a combustor connected to the second flange;
a turbine housed in the turbine case and driven by combustion gas generated in the combustor and supplied through the shroud case;
a continuous rib provided on the turbine case in a pattern that surrounds at least the first flange when viewed in the axial direction of the central axis , and connects vertices of a circumferential outer wall curved surface that bulges from an outer periphery of the seating surface of the first flange along the direction of the central axis in a direction in which combustion gas is discharged to the outside.
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