JP2004100682A - ガスタービンの分割環 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】隣り合う分割体39を、シール板53と接合面54、55とで2重に接合させる。分割体39に、外周面33から隣り合う分割体39に向く各側縁50、51に貫通し、隣り合う分割体39の側縁50、51に向けて空気を吹き出す吹出口62、64を有する第3の冷却通路59、60を形成する。また、分割体39に、外周面33から上流側の端面に貫通する第1の冷却通路と、外周面33から下流側の端面に貫通する第2の冷却通路とを形成する。内周面55と各側縁50、51の間にそれぞれ面取部56、57を設ける。外周面33に、突起(起伏)45と補強リブとを設ける。
【選択図】 図4
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンにおいて動翼の外周側に配設される環状の分割環に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図8は、ガスタービン(gas turbine)におけるタービン(turbine)の断面図である。タービン1は、燃焼器(combustor)で発生させた高温ガスを、矢印2の方向に供給し、各動翼(moving blade)3、4に吹き付けてこれら動翼3、4を回動させ、熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換して動力を発生させるものである。
【0003】
各動翼3、4は、回転軸の周囲に取り付けられたプラットフォーム5に固定されている。これら動翼3、4は、回転軸の周方向に沿って複数枚が設けられており、上流側(図8において左側)から下流側に流れる高温ガスを受けて、プラットフォーム5と共に回動する。各動翼3、4の上流側には、静翼(stationary blade)6、7が配置されている。これら静翼6、7は、動翼3、4と同様に、回転軸の周方向に沿って複数枚が設けられている。また、各動翼3、4の外周側には、動翼3、4からほぼ一定の隙間fを空けて、分割環8が設けられている。この分割環8は、コバルト合金からなる複数の分割体8a(図10参照)から構成されている。
【0004】
図9は、タービン1の動翼3付近の断面図である。同図に示すように、翼環9(blade ring)には、分割環8(ring segment)に向かって開口する流路11が形成されている。また、翼環9には、遮熱環10(isolation ring)が取り付けられている。流路11には、タービン1の外部に設けられた空気供給源から供給されるか、または圧縮機(図示省略)から抽出された空気が矢印12に示す方向に流される。遮熱環10には、インピンジメント板13と分割環8とが取り付けられている。インピンジメント板13は、翼環9と分割環8との間に配置されており、周面に流路11から吹き出される空気を通すための冷却孔14が複数設けられている。分割環8は、外周面15の上流側及び下流側にそれぞれフランジ16を有しており、これらフランジ16を介して遮熱環10に取り付けられている。分割環8には、外周面15の上流側からこの分割環8の内部を通り下流側の周方向に沿う端面に貫通する冷却通路17が複数設けられている。
【0005】
図10は、分割環8を構成する分割体8aの斜視図である。同図に示すように、各フランジ16は周方向に沿って設けられている。これらフランジ16間の外周面15には、矩形状の凹部19が設けられている。この凹部19の上流側には、冷却通路17の開口部17aが周方向に沿って複数設けられている。また、隣り合う分割体8aに向く各側縁20には、それぞれ溝21が形成されている。分割体8aの外周側には、インピンジメント板13が配置されており、このインピンジメント板13と分割体8aの凹部19とによってキャビティ(cavity)22が形成されている。
【0006】
図11は、分割環8の一部を回転軸の軸方向から断面視した図である。同図に示すように、隣り合う分割体8aは、各側縁20に形成された各溝21間にシール板23が挿入されることで周方向に接合され、全体として環状の分割環8を形成する。シール板23は、各分割体8aを接合させると共に、各分割体8aの隙間eから空気及び高温ガスが漏れるのを防ぐ役割をしている。各分割体8aの薄肉部の厚みは6mm程度とされている。ここでいう薄肉部の厚みとは、凹部19の表面から分割環8の内周面24までの距離(同図中の符号d)のことである。各分割体8aは、タービンの運転時に高温ガスに晒されるため、それぞれ周方向及び軸方向に熱膨張する。周方向への熱膨張による変化量を考慮して、各分割体8aの間には、数mm程度の隙間eが設けられている。
【0007】
次に、ガスタービンの運転時における、高温ガス及び空気の流れについて説明する。
高温ガスは、各動翼3、4を回動させながら矢印2に示す回転軸の軸方向に流れる。また、翼環9からは、分割環8aを冷却するための空気が吹き出される。この空気は、矢印Aに示す方向に流れ、インピンジメント板13の冷却孔14を通過してキャビティ22に流れ込む。キャビティ22に流れ込んだ空気は、分割環8の凹部19に衝突して凹部19から分割環8を冷却した後、矢印Bに示す方向に流れ、開口部17aより冷却通路17に流れ込む。冷却通路17に流れ込んだ空気は、分割環8の内部を冷却しながら冷却通路17を下流側へ流れ、下流側の端面より高温ガス中に放出される。
なお、空気は、冷却通路17から高温ガスが流入しないように、高温ガスよりも高い圧力で吹き出される。このように、空気が高温ガスよりも高い圧力で吹き出されると、シール板23が空気と高温ガスとの圧力差によって溝21の下面25に押圧され、分割環8のシール効果が高められる。これにより、空気及び高温ガスの漏れによるガスタービンの駆動力損失が防止される。
なお、この種の従来のガスタービンの分割環としては、下記特許文献1にも開示されている。
【0008】
【特許文献1】
特開平11−247621号公報(第4頁、図1)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空気が適切な圧力で吹き出されないと、高温ガスが各分割体8a間の隙間eからシール板23と溝21との間に侵入し、内周面24と側縁20とに挟まれた縁部26を、内周面24、側縁20、溝21の下面25の3面から加熱する。加熱された縁部26は、局所的に高温となって、高温酸化を起こして欠損してしまう。また、空気が適切な圧力で吹き出されている場合でも、縁部26は、内周面24を流れる高温ガスと各分割体8a間の隙間eに入り込んだ高温ガスとの両方から加熱されるため、高温酸化し易く、欠損する恐れがある。さらに、シール板23も、その下面が高温ガスに直接晒されるため、熱変形を起こす場合がある。
縁部26またはシール板23に欠損や損傷が生じると、各分割体8a間の隙間eから多量の空気が高温ガス側に流出する。また、空気が適切な圧力で吹き出されない場合では、高温ガスが隙間eを通って分割環8の外周側に流出する。このように、高温ガスまたは空気が漏れると、ガスタービンに駆動力損失が生じて、ガスタービンの性能が低下してしまう。
【0010】
さらに、上記分割環8では、分割体8aの周方向への熱膨張は隙間eによりある程度吸収されるが、軸方向への熱膨張は、各フランジ16が翼環9に隙間なく取り付けられているために吸収されず、各フランジ16間の分割環8の周面が動翼3、4側に突出するように歪んでしまう。
【0011】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、空気による冷却効果が十分に得られ、且つガスタービンの駆動力損失を防ぐことのできる分割環を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載のガスタービンの分割環は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、隣り合う分割体に、回転軸の軸方向に沿う溝が互いに向き合うようにして形成され、この溝に、隣り合う分割体同士をつなぐシール板が挿入され、さらに、隣り合う分割体に、シール板よりも内周側で軸方向及び周方向に幅を有して互いに当接し合う接合面がそれぞれ形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、シール板の損傷箇所から空気が漏れ難くなる。また、隣り合う分割体がシール板と接合面とにより二重に接合され、さらに隣り合う分割体の間が迷路状となるため、各分割環の間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。したがって、空気及び高温ガスの漏れによるガスタービンの駆動力損失を防止することができる。
【0013】
請求項2記載のガスタービンの分割環は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、各分割体に、隣り合う分割体に向けて空気を吹き出す吹出口が設けられていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、吹出口から吹き出される空気によって各分割体の間から高温ガスが追い出されるので、分割体の各側縁の加熱が抑えられて、側縁の高温酸化による欠損が起こり難くなる。したがって、隣り合う分割体の間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0014】
請求項3記載のガスタービンの分割環は、請求項2記載のガスタービンの分割環において、吹出口が、隣り合う分割体間で回転軸の軸方向に交互に形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、各吹出口から吹き出される空気同士が衝突することがなく、空気が円滑に吹き出されるので、隣り合う分割体の間から確実に高温ガスを追い出すことができる。
【0015】
請求項4記載のガスタービンの分割環は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、隣り合う分割体に向く側縁と内周面との間に面取部が形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、側縁から内面にかけての対流冷却効果の小さい縁部(角部)がなくなるためメタル温度が抑えられる。したがって、縁部が、高温酸化による欠損を起こし難くなる。
【0016】
請求項5記載のガスタービンの分割環は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、分割体に、外周面から回転軸の軸方向一方の端面に貫通し、外周面側から供給される空気によって分割体を冷却する第1の冷却通路と、外周面から軸方向他方の端面に貫通し、外周面側から供給される空気によって分割体を冷却する第2の冷却通路とが形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、各冷却通路を流れる空気により、分割環が軸方向両側から冷却される。また、外周面に吹き付けられた空気が、外周面を上流側と下流側とに流れるようになるので、空気と外周面との熱交換が促進され、分割環の外周面が効果的に冷却される。したがって、分割環の温度勾配が緩やかになり、分割環の熱変形による歪みが低減される。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0017】
請求項6記載のガスタービンの分割環は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、分割体に、外周面から隣り合う分割体に向く側縁に貫通し、外周面側から供給される空気によって分割体を冷却する第3の冷却通路が形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、分割体の側縁が第3の冷却通路を通る空気によって冷却されるので、分割環の側縁側と外周側との温度差が小さくなり、分割環の歪みが少なくなる。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。また、分割体の各側縁から吹き出される空気によって各分割体の間から高温ガスが追い出されるので、側縁の温度が抑えられる。したがって、側縁と内周面とに挟まれる縁部の高温酸化による欠損が起こり難くなり、隣り合う分割体の間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0018】
請求項7記載のガスタービンの分割環は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、請求項1記載の溝及びシール板及び接合面、請求項2あるいは3記載の吹出口、請求項4記載の面取部、請求項5記載の第1の冷却通路及び第2の冷却通路、請求項6記載の第3の冷却通路のうち、少なくとも2つを備えていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、請求項1〜5のうち、少なくとも2項と同様の作用を得るので、分割環の歪みがさらに抑えられる。したがって、分割環と動翼との接触が回避される。また、空気と高温ガスとの各漏れ量が少なくなるので、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0019】
請求項8記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜7のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体間の隙間が、ガスタービンの定格運転時に0mm以上1mm以下であることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、分割体間の隙間が狭くなることによって隙間に入り込む高温ガスの流量が少なくなるので、分割体の側縁の加熱が抑えられ、側縁と内周面とに挟まれる縁部の高温酸化による欠損が生じ難くなる。したがって、各分割体間の隙間から漏れる空気と高温ガスとの各流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0020】
請求項9記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜8のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の薄肉部の厚みが、1mm以上4mm以下であることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、分割環の内周側と外周側との温度差が小さくなるので、分割環の内周側と外周側との熱変形量の差による歪みが少なくなる。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0021】
請求項10記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜9のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の外周面に、起伏が形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、外周面に起伏を形成することによって、外周面の伝熱面積が拡大され、各分割体と空気との熱交換が効果的に行われる。また、起伏によって外周面を流れる空気が乱流となるので、空気と外周面との熱交換が促進される。したがって、分割環の温度が抑えられ、分割環の熱変形量が少なくなり、分割環の歪みが低減される。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0022】
請求項11記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜10のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体に、回転軸の軸方向に延在するように形成された複数のスリットを有する車室取付用フランジが設けられていることを特徴としている。
【0023】
請求項12記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜11のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の外周面に、補強リブが設けられていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、分割体の剛性が補強リブにより高められているので、分割環の熱変形が抑えられる。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0024】
請求項13記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜12のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割環がニッケル合金から形成されていることを特徴としている。
このガスタービンの分割環では、分割環がニッケル合金から形成されているので、分割環の疲労強度が向上すると共に、分割環が高温酸化され難くなる。したがって、分割環の高温酸化による欠損が防止され、各分割体の間から漏れる空気及び高温ガスの各流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例に係るガスタービン(gas turbine)の分割環を、図1〜図7を参照しながら説明する。なお、従来と同じ構成要素については、同符号を付して、その説明を省略する。
【0026】
図1は、本実施形態に係るガスタービンの分割環30の断面図である。この分割環30は、ニッケル合金から形成されている。分割環30は、高温ガスの上流側に設けられたフランジ31と、下流側に設けられたフランジ32とによって、遮熱環10に取り付けられている。分割環30には、上流側の外周面33から上流側の端面34に貫通する第1の冷却通路35と、下流側の外周面33から下流側の端面36に貫通する第2の冷却通路37とが設けられている。外周面33から第1の冷却通路35に流れ込んだ空気は、上流方向に向かって流れ、上流側の端面34から高温ガス中に放出される。外周面33から第2の冷却通路37に流れ込んだ空気は、下流側に向かって流れ、下流側の端面36から放出される。
また、分割環30と遮熱環10との間には、下流側と上流側とのそれぞれに、断面視E字型のシール材38が設けられている。このシール材38は、分割環30と遮熱環10との間から高温ガス及び空気が漏れるのを防止するためのものである。
【0027】
図2は、分割環30を構成する分割体39の斜視図である。同図において、右手前が高温ガスの上流側、左奥が下流側である。図3は、図2の分割体39を反対側(矢印Yに示す方向)から見た斜視図であり、同図においては、右前方が下流側、左奥が上流側である。
これら図2、3に示すように、各フランジ31、32には、軸方向に延びるU字型のスリット40がそれぞれ2箇所に形成されている。また、各フランジ31、32の周方向の両端は、スリット40が形成された箇所とほぼ同じ高さになっている。外周面33には、互いに対向するフランジ31、32の各端をつなぐように、軸方向に沿って凸41がそれぞれ形成されている。これら凸部41とフランジ31、32とで囲まれた外周面33には、格子状の補強リブ42が設けられている。この補強リブ42は、周方向に延びる3本の周方向リブ43と、軸方向に延びる3本の軸方向リブ44とから構成されている。また、各凸部41と各フランジ31、32とで囲まれた外周面33には、小さな突起45が多数設けられている。これにより、外周面33の伝熱面積(heating surface area)が拡大される。
【0028】
図2中の符号46は、上流側の端面34に設けられた第1の冷却通路35の吹出口である。この吹出口46は、上流側の端面34に周方向に等間隔を空けて複数設けられている。第1の冷却通路35の吸込口47は、図3に示すように、上流側のフランジ31の下流側に向く壁面下方に位置して、周方向に等間隔を空けて複数設けられている。第2の冷却通路37の吹出口48は、図3に示すように、下流側の端面36に沿って周方向に等間隔を空けて設けられている。第2の冷却通路の吸込口49は、図2に示すように、外周面33の下流側において、下流側のフランジ32の壁面近くに周方向に等間隔を空けて複数設けられている。
【0029】
隣り合う分割体に向く分割体39の各側縁50、51には、それぞれ軸方向に沿って溝50a、51aが形成されている。これら溝50a、51aには、隣り合う分割体をつなぐシール板が挿入される。(隣り合う分割環とシール板とは、共に図4に示す。)
図2、3に示すように、分割体39の各側縁50、51は、互いに異なる形状をしている。各分割体39が周方向に接合されると、一方の側縁50は、隣接する分割体の側縁51と向かい合い、他方の側縁51は、隣接する分割体の側縁50と向かい合うようになっている。
【0030】
図4は、分割体39間の接合部を、回転軸の軸方向周から断面視した図である。同図に示すように、一方の側縁50に形成された溝50aと、他方の側縁51に形成された溝51aとは、互いに向かい合うように形成されている。これら溝50a、51aには、分割体39をつなぐシール板53が挿入される。側縁50は、シール板52より内周側が、他方の分割体39の側縁51に向けて突き出した凸状となっている。側縁51は、シール板53より内周側が凹状にとなっている。そして、これら凸状の側縁50と凹状の側縁51とを合わせることで、隣り合う分割体39に、シール板53よりも内周側で、軸方向及び周方向に幅を有して互いに当接し合う接合面54、55が形成される。
【0031】
側縁50と内周面55との間、及び側縁51と内周面55との間には、それぞれ面取部56、57が形成されている。各フランジ31、32に挟まれ、且つ突起45が設けられていない外周面33から内周面55までの厚み(薄肉部の厚み)hは、1mm以上4mm以下とされている。内周面55及び各面取部56、57には、遮熱コーティング(以下、TBC:Thermal Barrier Coatingと称す)58が施されている。このTBC58は、内周面55と各面取部56、57とを高温ガスから保護し、これらが高温酸化するのを防ぐ働きをする。
【0032】
分割体39には、外周面33から各面取部56、57に貫通する第3の冷却通路59、60がそれぞれ形成されている。一方の側縁50側に形成された第3の冷却通路59は、その吸込口61が、図2に示すように、外周面33と側縁50側の凸部41との境目に沿って設けられ、吹出口62が、図3及び図5(a)に示すように、軸方向に等間隔を空けて複数設けられている。吹出口62から吹き出される冷却空気は、対向する面取部57に向けて吹き出される。他方の側縁51側に形成された第3の冷却通路60は、その吸込口63が、図3に示すように、外周面33と側縁51側の凸部41との境目に沿って設けられ、吹出口64が図2及び図5(b)に示すように、回転軸の軸方向に沿って複数設けられている。吹出口64から吹き出される空気は、対向する面取部56に向けて吹き出される。
【0033】
分割体39,39間の隙間gは、ガスタービンの定格運転時に0mm以上1mm以下となっている。また、各吹出口62、64は、側縁50と側縁51とが互いに突き合わされた際、図6に示すように、軸方向に互い違いになるように形成されている。このようにすると、各吹出口62、64から吹き出される空気が互いに衝突することがなく、空気が円滑に吹き出される。
なお、面取部56、57に施されたTBC58には、各吹出口62、64の形成箇所に孔部が設けられている。
【0034】
図7は、分割体39に形成された第1の冷却通路35、第2の冷却通路37、第3の冷却通路59、60の各冷却通路の形成方向に沿う断面図である。同図に示すように、第1の冷却通路34は、周方向に等間隔を空けて16本設けられている。第2の冷却通路37は、周方向に等間隔を空けて32本設けられている。側縁51側に形成された第3の冷却通路60は、16本が設けられている。側縁50側に形成された第3の冷却通路59は、吸込口61が8個、吹出口62が32個設けられており、吸込口61に向かう流路と吹出口62に向かう流路とが、軸方向に延びる分配路64によってつながれている。したがって、各吸込口61から流入した空気は、軸方向に延びる分配路65に集められた後、この分配路65から各吹出口62に向かう流路に分かれる。これにより、分割体の上下流側まで満遍なく冷却できる。
【0035】
次に、ガスタービンの運転時における、空気の流れについて説明する。
翼環(blade ring)9から供給された空気は、分割環30の外周面33に吹き付けられる。吹き付けられた空気は、この外周面33を上下流側及び周方向両側に向かって流れながら、外周面33を冷却する。このとき、空気は、外周面33に設けられた突起45によって乱流となるため、冷却が効率的に行われる。
外周面33を上流側に向かって流れた空気は、矢印Dに示す方向から第1の冷却通路35の吸込口47に流入し、分割体39を冷却しながら上流側に向かって流れ、上流側の端面34に設けられた吹出口46から矢印Eに示す方向に吹き出される。外周面33を下流側に向かって流れた空気は、矢印Fに示す方向から第2の冷却通路37の吸込口49に流入し、分割環30を冷却しながら下流側に流れ、下流側の端面36に設けられた吹出口48から矢印Gに示す方向に吹き出される。
【0036】
外周面33を側縁50側に流れた空気は、吸込口61から第3の冷却通路59に流入し、分割体39を冷却しながら周方向に流れ、面取部56に設けられた吹出口62から対向する面取部57(矢印Hに示す方向)に向けて吹き出される。外周面33を側縁51側に流れた空気は、吸込口63から第3の冷却通路60に流入し、分割体39を冷却しながら周方向に流れ、面取部57に設けられた各吹出口64から対向する面取部56(矢印Iに示す方向)に向けて吹き出される。これら吹出口62、64から吹き出された空気は、隙間gに入流しようとする高温ガスを内周側に追い出す。
【0037】
上記分割環30によれば、隣り合う分割体39がシール板53と接合面54、55とにより二重に接合され、さらに、隣り合う分割体39の間が迷路状となるため、各分割体39の間から漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。また、シール板53の下面は、直接高温ガスに晒されないので、シール板53が損傷しない。また、従来では局所的に高温となる各側縁50、51と内周面55との縁部は、面取部56、57とされているため、熱抵抗が小さくなり温度が抑えられる。また、各分割体の隙間(吹出口62、64間の隙間)gは、従来と比べて狭くなっており、隙間gに入り込む高温ガスの流量が少なくなる。さらに、隙間gには、各面取部56、57に設けられた吹出口62、64から空気が吹き出されるので、高温ガスが隙間gから追い出される。しかも、対向する吹出口62、64は、軸方向に交互に設けられているので、吹き出される空気同士が衝突することがなく、空気が円滑に吹き出され、高温ガスが確実に隙間gから追い出される。したがって、面取部56、57の加熱が抑えられ、これら面取部56、57の欠損が防止される。また、上記分割環30は、ニッケル合金から形成されているため、分割環30の高温酸化が防止され、分割環30の欠損が生じ難い。これにより、各分割体39の間を通って漏れる空気と高温ガスの流量が低減され、ガスタービンの駆動力損失が抑えられる。
【0038】
また、上記分割環30では、外周面33側から供給される空気が、第1の冷却通路35と、第2の冷却通路36とを通って、上下流両側から吹き出される。したがって、空気が外周面33上を円滑に流れ、空気による外周面33の冷却効果が高められる。この効果は、TAYLOR&FRANCIS社から出版されている「GAS TURBIN HEAT TRANSFER AND COOLING TECHNOLOGY」にも示されている。さらに、外周面33には、小さな突起45が多数設けられているので、外周面33の伝熱面積が拡大される。また、突起45によって空気の流れが乱流となり、空気と外周面33との熱交換が促進される。したがって、外周面33が良く冷却されるようになる。
【0039】
この分割環30では、冷却される外周面33から内周面55までの厚さ(薄肉部の厚さ)hが、従来と比べて薄くなっているので、内周面55側まで良く冷却され、分割環30の内周側と外周側との温度差が小さくなる。また、分割環30は、空気が吹き付けられない外周面33の周部が、第1、第2及び第3の冷却通路34、36、59、60を流れる空気によって冷却されるので、分割体39の中央側と周部側との温度差が小さくなる。したがって、分割体39の各部分の熱膨張量の差が低減される。
さらに、上記分割環30では、各分割体39の剛性が補強リブ44によって高められているので、分割環30の熱変形が抑えられる。
【0040】
このように、本分割環30では、ガスタービンの駆動力損失を抑えるとともに、分割環30と動翼3、4との接触を回避して、ガスタービンの性能が低下するのを防止することができる。
【0041】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のガスタービンの分割環によれば、下記の効果を得ることができる。
請求項1記載のガスタービンの分割環は、隣り合う分割体に、回転軸の軸方向に沿う溝が互いに向き合うようにして形成され、この溝に、隣り合う分割体同士をつなぐシール板が挿入され、さらに、隣り合う分割体に、シール板よりも内周側で軸方向及び周方向に幅を有して互いに当接し合う接合面がそれぞれ形成されている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、シール板の下面が直接高温ガスに晒されないので、シール板の損傷が起こらなくなり、シール板の損傷箇所から空気が漏れなくなる。また、隣り合う分割体がシール板と接合面とにより二重に接合され、さらに、隣り合う分割体の間が迷路状となるため、各分割体の間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。したがって、空気及び高温ガスの漏れによるガスタービンの駆動力損失を防止することができる。
【0042】
請求項2記載のガスタービンの分割環は、分割体に、隣り合う分割体に向けて空気を吹き出す吹出口が設けられている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、吹出口からの空気によって隣り合う分割体の間から高温ガスが追い出されるので、分割体の側縁の加熱が抑えられて、側縁の高温酸化による欠損が起こり難くなる。したがって、各分割体間の隙間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0043】
請求項3記載のガスタービンの分割環は、請求項2記載のガスタービンの分割環において、吹出口が、隣り合う分割体間で回転軸の軸方向に交互に形成されている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、各吹出口から吹き出される空気同士が衝突することがなく、空気が円滑に吹き出されるので、隣り合う分割体間の間から確実に高温ガスを追い出すことができる。
【0044】
請求項4記載のガスタービンの分割環は、隣り合う分割体に向く側縁と内周面との間に面取部が形成されている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、側縁から内面にかけての温度が抑えられる。したがって、縁部が高温酸化による欠損を起こし難くなり、各分割体の間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0045】
請求項5記載のガスタービンの分割環は、分割体に、外周面から回転軸の軸方向一方の端面に貫通し、外周面側から供給される空気によって分割体を冷却する第1の冷却通路と、外周面から軸方向他方の端面に貫通し、外周面側から供給される空気によって分割体を冷却する第2の冷却通路とが形成されている構造を採用した。
【0046】
請求項6記載のガスタービンの分割環は、分割体に、外周面から隣り合う分割体に向く側縁に貫通し、外周面側から供給される空気によって分割体を冷却する第3の冷却通路が形成されている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、分割体の側縁が第3の冷却通路を通る空気によって冷却されるので、分割環の側縁と外周側との温度差が小さくなり、分割環の歪みが少なくなる。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。また、分割体の各側縁から吹き出される空気によって各分割体の間から高温ガスが追い出されるので、側縁の温度が抑えられる。したがって、側縁と内周面とに挟まれる縁部の高温酸化による欠損が起こり難くなり、各分割体の間を通って漏れる空気及び高温ガスの流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0047】
請求項7記載のガスタービンの分割環は、請求項1に記載の溝及びシール板及び接合面、請求項2あるいは3記載の吹出口、請求項4記載の面取部、請求項5記載の第1の冷却通路及び第2の冷却通路、請求項6記載の第3の冷却通路のうち、少なくとも2つを備えている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、請求項1〜5のうち、少なくとも2項と同様の作用を得るので、分割環の歪みがさらに抑えられる。したがって、分割環と動翼との接触が回避される。また、空気と高温ガスの各漏れ量が少なくなるので、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0048】
請求項8記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜7のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の隙間を、ガスタービンの定格運転時に0mm以上1mm以下とした。
このガスタービンの分割環によれば、隣り合う分割体間の隙間が狭くなることによって隙間に入り込む高温ガスの流量が少なくなるので、分割体の側縁の加熱が抑えられ、側縁と内周面とに挟まれる縁部の高温酸化による欠損が生じ難くなる。したがって、各分割体の間から漏れる空気及び高温ガスの各流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【0049】
請求項9記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜8のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の薄肉部の厚みを、1mm以上4mm以下とした。
このガスタービンの分割環によれば、各分割環が薄肉化されているため、内周側まで良く冷却されるようになり、内周側と外周側との温度差が小さくなる。したがって、分割環の内周側と外周側との熱変形量の差による歪みが少なくなる。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0050】
請求項10記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜9のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の外周面に、起伏が形成されている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、外周面に起伏を形成されているので、外周面の伝熱面積が拡大され、各分割体と空気との熱交換が効果的に行われる。また、起伏によって外周面を流れる空気が乱流となるので、空気と外周面との熱交換が促進される。したがって、分割環の温度が抑えられ、分割環の熱変形量が少なくなり、分割環の歪みが低減される。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0051】
請求項11記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜10のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体に、回転軸の軸方向に延在するように形成された複数のスリットを有する車室取付用フランジが設けられている構造を採用した。
【0052】
請求項12記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜11のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割体の外周面に、補強リブが設けられている構造を採用した。
このガスタービンの分割環によれば、分割体の剛性が補強リブにより高められているので、分割環の熱変形が抑えられる。これにより、分割環と動翼との接触を回避することができる。
【0053】
請求項13記載のガスタービンの分割環は、請求項1〜12のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、分割環をニッケル合金から形成した。
このガスタービンの分割環によれば、分割環の疲労強度が向上すると共に、分割環が高温酸化され難くなる。したがって、分割環の高温酸化による欠損が防止され、外周側に漏れる流体の流量、及び内周側に漏れる空気の流量が少なくなる。これにより、ガスタービンの駆動力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るガスタービンの分割環を回転軸の軸線と直交する方向から断面視した図である。
【図2】同実施形態のガスタービンの分割環を構成する分割体の斜視図である。
【図3】同実施形態のガスタービンの分割環を構成する分割体の斜視図である。
【図4】同実施形態のガスタービンの分割環を回転軸の軸方向から断面視した図である。
【図5】(a)、(b)は、共に、同実施形態のガスタービンの分割環を構成する分割体の側面図である。
【図6】同実施形態のガスタービンの分割環を構成する分割体の側面図である。
【図7】同実施形態のガスタービンの分割環に形成された各冷却通路の形成方向に沿う断面図である。
【図8】ガスタービンにおけるタービンを説明するためのタービンの断面図である。
【図9】従来の分割環の断面図である。
【図10】従来の分割環を構成する分割体の斜視図である。
【図11】従来の分割環を回転軸の軸方向から断面視した図である。
【符号の説明】
3、4 動翼
9 翼環
30 分割環
31、32 フランジ(車室取付用フランジ)
33 外周面
34、36 端面
35 第1の冷却通路
37 第2の冷却通路
39 分割体
40 スリット
44 補強リブ
45 突起(起伏)
50、51 側縁
50a、51a 溝
53 シール板
54、55 接合面
55 内周面
56、57 面取部
59、60 第3の冷却通路
62、64 吹出口
g 隙間
h 薄肉部の厚み
Claims (13)
- 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、
隣り合う前記分割体には、回転軸の軸方向に沿う溝が互いに向き合うようにして形成され、
該溝には、隣り合う前記分割体同士をつなぐシール板が挿入され、
さらに、隣り合う前記分割体には、前記シール板よりも内周側で前記軸方向及び前記周方向に幅を有して互いに当接し合う接合面がそれぞれ形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、
前記分割体には、隣り合う前記分割体に向けて空気を吹き出す吹出口が設けられていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項2記載のガスタービンの分割環において、
前記吹出口が、隣り合う前記分割体間で回転軸の軸方向に交互に形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、
隣り合う前記分割体に向く側縁と前記内周面との間に面取部が形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、
前記分割体に、外周面から回転軸の軸方向一方の端面に貫通し、前記外周面側から供給される空気によって前記分割体を冷却する第1の冷却通路と、
前記外周面から前記軸方向他方の端面に貫通し、前記外周面側から供給される前記空気によって前記分割体を冷却する第2の冷却通路とが形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、
前記分割体に、外周面から隣り合う前記分割体に向く側縁に貫通し、前記外周面側から供給される空気によって前記分割体を冷却する第3の冷却通路が形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体からなり、内周面が動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環であって、
請求項1記載の溝及びシール板及び接合面、請求項2あるいは3記載の吹出口、請求項4記載の面取部、請求項5記載の第1の冷却通路及び第2の冷却通路、請求項6記載の第3の冷却通路のうち、少なくとも2つを備えていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項1〜7のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、
前記分割体間の隙間が、ガスタービンの定格運転時に0mm以上1mm以下であることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項1〜8のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、
前記分割体の薄肉部の厚みが、1mm以上4mm以下であることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項1〜9のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、
前記分割体の外周面に、起伏が形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項1〜10のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、
前記分割体に、回転軸の軸方向に延在するように形成された複数のスリットを有する車室取付用フランジが設けられていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項1〜11のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、
前記分割体の外周面に、補強リブが設けられていることを特徴とするガスタービンの分割環。 - 請求項1〜12のいずれか1項記載のガスタービンの分割環において、
分割環が、ニッケル合金から形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。
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