JP2004044583A

JP2004044583A - ガスタービン

Info

Publication number: JP2004044583A
Application number: JP2003151568A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yuri; 由里　雅則; Vincent Laurello; ヴィンセント・ロウレロ
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP4031733B2; US6659716B1

Abstract

【課題】運転時における、各動翼と分割環との間のクリアランス寸法を最小限に抑えることができるガスタービンの提供を課題とする。
【解決手段】上流側遮熱環１０１を、下流側翼環２００Ａに対して取り付ける構成を採用した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、運転時における動翼と分割環との間のクリアランス寸法を、最適寸法に確保できるガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラントの概略構造の一例を、図２に示す。同図に示すガスタービンプラントは、圧縮機１０と燃焼器２０とガスタービン３０とを備えて構成されている。このガスタービンプラントによれば、圧縮機１０で圧縮された圧縮空気が、燃焼器２０に供給され、別途供給されてくる燃料と混合して燃焼される。この燃焼によって発生された燃焼ガスは、ガスタービン３０へと供給され、ガスタービン３０に回転駆動力を発生させる。
【０００３】
すなわち、図３に示すように、ガスタービン３０の内部には、ロータ３１（不図示）側に取り付けられた複数枚の動翼３２と、前記ロータ３１周囲の静止側に設けられた複数枚の静翼３３とが、ロータ３１の軸線方向（同図の紙面左右方向）に交互に配置されており、これらを通過する燃焼ガス流路３４が形成されている。このため、ガスタービン３０の内部に供給された燃焼ガスが、燃焼ガス流路３４を流れる際に、各動翼３２を回すことでロータ３１に回転力を付与する。この回転力は、ロータ３１に接続された発電機（図示省略）を回して発電させる。
【０００４】
ところで、このガスタービン３０では、燃焼ガスを内部に導入するため、高温化する構成部品を冷却すべく、図２に示すように、例えば圧縮機１０で圧縮された圧縮空気の一部を抽気して取り込み、各動翼３２及び静翼３３などの冷却に利用する構造が一般的に採用されている。
【０００５】
各動翼３２及び静翼３３は、前記軸線方向に隣接する一対でグループなす、多段構造を構成している。ちなみに、図２では、燃焼ガスが流れ込む上流側から数えて第１段、第２段までの部分を図示しているが、実際には、さらに第３段、第４段、．．．へと続く多段構造となっている。
【０００６】
これら多段構造のうちの、第１段における抽気導入構造の詳細について、図４を参照しながら以下に説明する。なお、同図は、図３のＡ部に相当する拡大図であり、紙面左側が、燃焼ガスの流れ方向上流側であり、紙面右側が下流側となっている。
各動翼３２の外周には、これら動翼３２に対応して設けられたリング形状の分割環３５が設けられており、この分割環３５は、対応する第１段翼環３８の内部に対して、一対の遮熱環３６ａ，３６ｂを介して支持固定されている。各動翼３２の外周縁と分割環３５の内周面との間には、各動翼３２及び分割環３５間の接触を避けるために、所定寸法のクリアランス寸法ｃが設けられている。
【０００７】
第１段翼環３８には、分割環３５に向かって開口する流路３８ａが形成されており、ガスタービン３０に対して外部より取り込まれた抽気ｆが導入されるようになっている。
各遮熱環３６ａ及び３６ｂは、互いに分離した一対の環状部品であり、その外周部分において、第１段翼環３８の内部に対してそれぞれ別々に固定されている。
そして、これら遮熱環３６ａと３６ｂとの間には、リング状のインピンジメント板４０と、分割環３５とが挟み込まれた状態に取り付け固定されている。インピンジメント板３９には、前記流路３８ａを介して取り込んだ抽気ｆを、分割環３５の外周面に対して略均等に分配供給するための貫通孔３９ａが複数穿設されている。
【０００８】
分割環３５の外周面の上流側および下流側には、フランジ３５ａ，３５ｂが形成されており、これらフランジ３５ａ，３５ｂが、各遮熱環３６ａ及び３６ｂに形成された凹部内に嵌合するようになっている。同様に、インピンジメント板３９も、その両端部が、各遮熱環３６ａ及び３６ｂに形成された凹部内に嵌合するようになっている。
分割環３５には、その外周面の上流側から内部を通り、下流側端面に貫通する冷却通路３５ｃが、複数形成されている。
なお、この種の分割環の例としては、下記特許文献１にも開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−８６８０９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明が、前記複数段のうちの第１段の構造であるが、その下流側に位置する第２段以降も、略同様の構造となっている。
ところで、前記クリアランス寸法ｃは、各構成部品間の熱膨張差によって変化するが、あまり大きくなってしまうと、ガスタービン３０の性能を著しく低下させてしまう問題を引き起こすことになる。このような観点から、各構成部品間の熱膨張差を考慮して最適なクリアランス寸法を設計時に採用する必要がある。
【００１１】
しかしながら、実際には、運転時における各部品（例えば第１段翼環３８を始めとする各段の翼環）の熱変形量が、各段毎に異なるため、最適設計することが困難となっていた。すなわち、各段を冷却する抽気ｆの流体条件（温度など）が各段毎に異なっているため、各段毎にクリアランス寸法ｃを運転時の実状に合わせて精度良く設計するのが難しいという問題があった。
【００１２】
その中でも、特に第１段及び第２段間の熱膨張差は顕著であり、例えば、第２段の翼環である第２段翼環３８Ａの部材温度が３６０℃程度であるのに対して、第１段翼環３８では部材温度が４５０℃程度と比較的高いため、第２段よりも第１段の方が、運転時のクリアランス寸法ｃが大きくなる傾向にある。
前記燃焼ガス流路３４は、各段の上流側から下流側に向かって徐々に流路幅寸法が拡がる形状を有するため、例え同一寸法のクリアランス寸法ｃでも、比較的、流路幅の狭い上流側の第１段では、流路幅に対するクリアランス寸法ｃの変化量がガスタービン３０の動力に大きく影響する。このような背景より、運転時のクリアランス寸法ｃが最適となるような構造が望まれていた。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、運転時における、各動翼と分割環との間のクリアランス寸法を最小限に抑えることができるガスタービンの提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載のガスタービンは、ロータの周囲に設けられて当該ロータと共に回転する複数の動翼と、これら動翼の周囲を囲って内部に圧力流路を形成する複数の分割環と、これら分割環の周囲に設けられ、これら分割環を、遮熱環を介して保持する複数の翼環とを有するガスタービンにおいて、前記ロータの軸線方向で見た場合に、前記各分割環のうち、相対的に上流側に位置する分割環を保持する上流側遮熱環が、該上流側遮熱環に対応する前記翼環よりも下流側に位置する下流側翼環に取り付けられていることを特徴とする。
上記請求項１に記載のガスタービンによれば、相対的に上流側に位置する上流側翼環よりも温度の低い下流側翼環の方が、運転時の熱膨張量が小さいので、従来のように、上流側遮熱環を、上流側翼環に取り付ける場合に比較して、上流側遮熱環の熱膨張量を小さく抑えることができる。
【００１５】
請求項２に記載のガスタービンは、請求項１に記載のガスタービンにおいて、前記上流側遮熱環が、前記ロータの軸線を含む断面で見た場合に、前記下流側翼環によって支持された片持ち支持構造であることを特徴とする。
上記請求項２に記載のガスタービンによれば、請求項１に記載の作用を確実に得ることができる。
【００１６】
請求項３に記載のガスタービンは、請求項１または請求項２に記載のガスタービンにおいて、前記上流側遮熱環が、前記燃焼ガスの流れ方向で、相対的に、上流側に位置する第１部材と、該第１部材に対して下流側に位置する第２部材とを有し、前記第１部材が、前記下流側翼環に対して、該下流側翼環との間に前記第２部材を挟み込んだ状態で取り付けられていることを特徴とする。
上記請求項３に記載のガスタービンによれば、上流側遮熱環をメンテナンスする際には、その第１部材を下流側翼環より取り外すだけで、同時に、第２部材の取り外しと、第１部材及び第２部材間の分離が行われる。
【００１７】
請求項４に記載のガスタービンは、請求項３に記載のガスタービンにおいて、前記第１部材と前記第２部材との間には、他の部材が挟み込まれていることを特徴とする。
上記請求項４に記載のガスタービンによれば、上流側遮熱環を、メンテナンスする際には、その第１部材を下流側翼環より取り外すだけで、同時に、第２部材及び他の部材の取り外しと、第１部材及び第２部材間及び他の部材間の分離が行われる。なお、ここで言う、「他の部材」としては、例えば、インピンジメント板とする構成が採用可能である。
【００１８】
請求項５に記載のガスタービンは、請求項４に記載のガスタービンにおいて、前記他の部材が、前記第１部材または前記第２部材のいずれか一方と、一体構造になっていることを特徴とする。
上記請求項５に記載のガスタービンによれば、部品点数を減らすことができるので、製造コストを下げることができるようになる。また、組立工数を削減することもできるようになる。
【００１９】
請求項６に記載のガスタービンは、請求項３または請求項４に記載のガスタービンにおいて、前記第１部材と前記第２部材とが、一体構造になっていることを特徴とする。
上記請求項６に記載のガスタービンによれば、部品点数を減らすことができるので、製造コストを下げることができるようになる。
【００２０】
請求項７に記載のガスタービンは、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、前記上流側遮熱環の周囲を覆う上流側翼環と、前記上流側遮熱環との間には、該上流側遮熱環で保持される前記分割環に向かって供給する冷却用の抽気を流す隙間流路が形成されていることを特徴とする。
上記請求項７に記載のガスタービンによれば、隙間流路を形成することにより、上流側遮熱環で保持される分割環に向かって抽気を供給するための貫通孔を、上流側翼環に形成せずに済む。
【００２１】
請求項８に記載のガスタービンは、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、前記上流側遮熱環で保持される前記分割環を冷却する抽気の、温度または供給流量のいずれか一方もしくは両方を制御する制御部がさらに備えられていることを特徴とする。
上記請求項８に記載のガスタービンによれば、上流側遮熱環で保持される分割環を有するユニット段において、各動翼と分割環との間に形成されるクリアランス寸法を能動的に制御（アクティブコントロール）することができるようになる。すなわち、抽気温度を下げるか、または、抽気流量を上げるかのいずれか一方もしくは両方を行うことにより、前記クリアランス寸法を狭めることができる。逆に、抽気温度を上げるか、または、抽気流量を下げるかのいずれか一方もしくは両方を行うことにより、前記クリアランス寸法を広げることができる。
【００２２】
請求項９に記載のガスタービンは、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、前記上流側遮熱環で保持される前記分割環が、前記ロータの軸線方向で最も上流側に位置する第１段ユニット側に備えられ、前記下流側翼環が、前記第１段ユニットに隣接する第２段ユニット側に備えられていることを特徴とする。
上記請求項９に記載のガスタービンによれば、各ユニット段のうち、各動翼及び分割環間のクリアランス寸法で、ガスタービンの動力ロスに最も大きく影響するのが、最も上流側の第１段ユニットであるため、本発明の効果を最も効果的に発揮することができるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービンの一実施形態を、図１を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。なお、図１は、本実施形態のガスタービンの要部を示す図であって、従来の技術において説明したＡ部に相当する部分拡大図である（すなわち、この図１は、図４に相当する図である。）。
【００２４】
本実施形態のガスタービンは、その概略構成が、前記ロータの周囲に環状配置されて該ロータとともに回転する複数枚の前記動翼３２と、これら動翼３２の周囲を囲って内部に前記燃焼ガス流路３４を形成する前記分割環３５と、該分割環３５を内部に保持する遮熱環（後述の上流側遮熱環１０１など）の周囲を覆う翼環（後述の上流側翼環２００、下流側翼環２００Ａなど）とを備えたユニット段を、前記ロータの軸線方向に多段に有するものであり、特に、分割環３５の保持構造が特徴的となっている。
以下、この特徴点を中心に説明するが、その他については、従来の技術において図３で説明した構造と同様であるとして、同一符号を使用してその説明を省略する。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態のガスタービンは、前記ロータの軸線方向で見た場合に、各分割環３５のうち、相対的に上流側に位置する分割環３５を保持する上流側遮熱環１０１が、該上流側遮熱環１０１に対応する上流側翼環２００よりも下流側に位置する下流側翼環２００Ａに取り付けた点が、特徴点のひとつとなっている。
換言すると、燃焼ガス流路３４内を流れる燃焼ガスの流れ方向（すなわち、紙面左側から紙面右側に向かう方向。以下、同図の紙面左側を上流側、紙面右側を下流側として説明する。）で、相対的に、上流側に位置する第１段ユニット１００の遮熱環である上流側遮熱環１０１を、下流側に位置する第２段ユニット１００Ａの翼環である下流側翼環２００Ａに対して固定した点が特徴点のひとつとなっている。第１段ユニット１００は、前記各ユニット段の最も上流側に位置するユニット段であり、また、第２段ユニット１００Ａは、第１段ユニット１００の下流側に隣接するユニット段である。なお、下流側翼環２００Ａの上流側には、第１段ユニット１００側の翼環である上流側翼環２００が配置されている。
【００２６】
上流側遮熱環１０１は、相対的に、上流側に位置する第１部材１０２と、該第１部材１０２に対して下流側に位置する第２部材１０３とを組み合わせて構成した二分割構造となっている。
【００２７】
第１部材１０２は、第２部材１０３が嵌合する嵌合溝１０２ａと、前記インピンジメント板３９が嵌合する嵌合溝１０２ｂと、分割環３５のフランジ３５ａが嵌合する嵌合溝１０２ｃとを有する環状部品である。さらに、この第１部材１０２には、下流側翼環２００Ａに対してボルト固定するためのフランジ１０２ｄが形成されており、このフランジ１０２ｄには、ボルト１０４を通すための貫通孔１０２ｄ１が複数、前記ロータの軸線を中心として環状配置されている。同様に、下流側翼環２００Ａにも、各貫通孔１０２ｄ１に対応した雌ねじ孔２００Ａ１が複数形成されている。
第２部材１０３は、インピンジメント板３９が嵌合する嵌合溝１０３ａと、分割環３５のフランジ３５ｂが嵌合する嵌合溝１０３ｂとを有する環状部品である。
【００２８】
そして、第１部材１０２は、前記下流側翼環２００Ａに対して、該下流側翼環２００Ａとの間に、第２部材１０３と分割環３５（他の部材）とインピンジメント板３９（他の部材）とを挟み込んで組み付けられた状態で、複数本のボルト１０４により固定されるようになっている。このようにして固定された上流側遮熱環１０１は、前記ロータの軸線を含む断面で見た場合に、下流側翼環２００Ａのみによって支持された片持ち支持構造をなしている。
【００２９】
なお、本実施形態では、分割環３５及びインピンジメント板３９のそれぞれ（他の部材）を、第１部材１０２または第２部材１０３と別部品である場合について説明しているが、これに限らず、これら分割環３５及びインピンジメント板３９のそれぞれ（他の部材）が、第１部材１０２または第２部材１０３と一体構造にする構成も採用可能である。この場合、部品点数を減らすことができるので、製造コストを下げることができるようになる。また、組立工数を削減することもできるようになる。
【００３０】
同様に、本実施形態では、第１部材１０２と第２部材１０３とが別部品である場合について説明しているが、これに限らず、これら第１部材１０２と第２部材１０３を一体構造にする構成も採用可能である。この場合、部品点数を減らすことができるので、製造コストを下げることができるようになる。
【００３１】
上流側遮熱環１０１の周囲を覆う上流側翼環２００の内周面と、上流側遮熱環１０１の外周面との間には、第１段ユニット１００（上流側に位置するユニット段）に向かって供給する冷却用の抽気ｆを流す隙間流路１０６が形成されている。この隙間流路１０６は、上流側遮熱環１０１の上流側に隣接する支持部材３００に形成された貫通孔３０１に連通しており、この貫通孔３０１を介して抽気ｆを導入するようになっている。
このような隙間流路１０６を形成することにより、抽気ｆを供給するための貫通孔を、上流側翼環２００に形成せずに済む。したがって、上流側翼環２００の構造強度の低下を防ぐことが可能となる。
【００３２】
本実施形態のガスタービンは、第１段ユニット１００を冷却する抽気ｆの、温度または供給流量のいずれか一方もしくは両方を制御する制御装置（制御部。図示せず）を備えている。この制御装置は、抽気ｆの温度を調整する冷却装置（図示せず）と、抽気ｆの流量を調整する流量制御装置（図示せず）とを備えている。そして、この制御装置によれば、第１段ユニット１００において、各動翼３２と分割環３５との間に形成されるクリアランス寸法ｃを能動的に制御（アクティブコントロール）することができるようになる。すなわち、抽気温度を下げるか、または、抽気流量を上げるかのいずれか一方もしくは両方を行うことにより、クリアランス寸法ｃを狭めることができる。逆に、抽気温度を上げるか、または、抽気流量を下げるかのいずれか一方もしくは両方を行うことにより、クリアランス寸法ｃを広げることができる。
【００３３】
以上説明の本実施形態のガスタービンによれば、上流側遮熱環１０１を下流側翼環２００Ａに取り付けることで、運転時における上流側遮熱環１０１の熱膨張量（すなわち、分割環３５の熱膨張量）を、小さくすることができる。これにより、各動翼３２と分割環３５との間のクリアランス寸法ｃを最小限に抑えることが可能となっている。
【００３４】
なお、本実施形態のガスタービンでは、本発明を、最上流位置の第１段ユニット１００に対して適用する構成としたが、これに限らず、第２段ユニット１００Ａ以降の下流ユニット段に適用しても良いことは、勿論である。しかしながら、本実施形態のように、本発明を、第１段ユニット１００に対して適用することにより、特に、効果的にガスタービンの動力向上を得ることが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のガスタービンによれば、上流側遮熱環を下流側翼環に取り付けることで、運転時における上流側遮熱環の熱膨張量を、小さくすることができる。これにより、この上流側遮熱環で保持される分割環と各動翼との間のクリアランス寸法を最小限に抑えることが可能となる。
また、請求項２に記載のガスタービンによれば、請求項１に記載の効果を確実に得ることが可能となる。
【００３６】
また、請求項３に記載のガスタービンによれば、上流側遮熱環を、第１部材と第２部材とに分割し、第２部材を、下流側翼環に対して第１部材で挟み込んで取り付ける構成を採用した。このような分割構造を採用したことにより、メンテナンス時に上流側遮熱環を分解することが可能となり、なおかつ、下流側翼環への取り付けも容易となることから、メンテナンス性を向上させることが可能となる。
また、請求項４に記載のガスタービンによれば、第１部材と第２部材との間に他の部材を挟み込ませる構造とすることにより、別途、他の部材を下流側翼環に対して固定するための固定構造が不要となるので、部品点数を削減することができる上に、メンテナンス性を向上させることも可能となる。
【００３７】
また、請求項５に記載のガスタービンによれば、他の部材を、第１部材または第２部材と一体構造にすることにより、部品点数を減らすことができるので、製造コストの削減と、メンテナンス性の向上とが可能となる。
また、請求項６に記載のガスタービンによれば、第１部材と第２部材とを一体構造とすることにより、部品点数を減らすことができるので、製造コストの削減が可能になる。
また、請求項７に記載のガスタービンによれば、抽気供給のための貫通孔を上流側翼環側に形成せずに済むので、上流側翼環の構造強度の低下を防ぐことが可能となる。
【００３８】
また、請求項８に記載のガスタービンによれば、抽気の、温度または供給流量のいずれか一方もしくは両方を制御する制御部を備えることにより、上流側遮熱環で保持される分割環と各動翼との間に形成されるクリアランス寸法を能動的に制御（アクティブコントロール）することが可能となる。
また、請求項９に記載のガスタービンによれば、本発明を、第１段ユニットに対して適用することにより、特に、効果的にガスタービンの動力向上を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの一実施形態を示す図であって、図３のＡ部に相当する部分拡大図である。
【図２】ガスタービンプラントの概略構成を示す説明図である。
【図３】同ガスタービンの燃焼ガス流路を示す図であって、ロータの軸線を含む断面で見た場合の部分断面図である。
【図４】従来のガスタービンを示す図であって、図３のＡ部に相当する部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
３２・・・動翼
３４・・・燃焼ガス流路（圧力流路）
３５・・・分割環（分割環、他の部材）
３９・・・インピンジメント板（他の部材）
１００・・・第１段ユニット
１００Ａ・・・第２段ユニット
１０１・・・上流側遮熱環
１０２・・・第１部材
１０３・・・第２部材
１０６・・・隙間流路
２００・・・上流側翼環（翼環）
２００Ａ・・・下流側翼環（翼環、下流側翼環）
ｆ・・・抽気

Claims

ロータの周囲に設けられて当該ロータと共に回転する複数の動翼と、これら動翼の周囲を囲って内部に圧力流路を形成する複数の分割環と、これら分割環の周囲に設けられ、これら分割環を、遮熱環を介して保持する複数の翼環とを有するガスタービンにおいて、
前記ロータの軸線方向で見た場合に、前記各分割環のうち、相対的に上流側に位置する分割環を保持する上流側遮熱環が、該上流側遮熱環に対応する前記翼環よりも下流側に位置する下流側翼環に取り付けられていることを特徴とするガスタービン。
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記上流側遮熱環は、前記ロータの軸線を含む断面で見た場合に、前記下流側翼環によって支持された片持ち支持構造であることを特徴とするガスタービン。
請求項１または請求項２に記載のガスタービンにおいて、
前記上流側遮熱環は、前記燃焼ガスの流れ方向で、相対的に、上流側に位置する第１部材と、該第１部材に対して下流側に位置する第２部材とを有し、
前記第１部材は、前記下流側翼環に対して、該下流側翼環との間に前記第２部材を挟み込んだ状態で取り付けられていることを特徴とするガスタービン。
請求項３に記載のガスタービンにおいて、
前記第１部材と前記第２部材との間には、他の部材が挟み込まれていることを特徴とするガスタービン。
請求項４に記載のガスタービンにおいて、
前記他の部材が、前記第１部材または前記第２部材のいずれか一方と、一体構造になっていることを特徴とするガスタービン。
請求項３または請求項４に記載のガスタービンにおいて、
前記第１部材と前記第２部材とが、一体構造になっていることを特徴とするガスタービン。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
前記上流側遮熱環の周囲を覆う上流側翼環と、前記上流側遮熱環との間には、該上流側遮熱環で保持される前記分割環に向かって供給する冷却用の抽気を流す隙間流路が形成されていることを特徴とするガスタービン。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
前記上流側遮熱環で保持される前記分割環を冷却する抽気の、温度または供給流量のいずれか一方もしくは両方を制御する制御部がさらに備えられていることを特徴とするガスタービン。
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、
前記上流側遮熱環で保持される前記分割環は、前記ロータの軸線方向で最も上流側に位置する第１段ユニット側に備えられ、
前記下流側翼環は、前記第１段ユニットに隣接する第２段ユニット側に備えられていることを特徴とするガスタービン。