JP2008144617A - ガスタービン車室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】車室ケーシングにおける、温度分布の偏差をなくし、オーバル変形の発生を防止する。
【解決手段】車室ケーシング１０１の内部にはロータ１０６が配置される。車室ケーシング１０１は、上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３とからなり、フランジ１０２ａ，１０３ａをボルト１０４により締結して連結されている。フランジ１０２ａ，１０３ａには、空気通路１２０，１３０，１４０が形成され、この空気通路１２０，１３０，１４０内にも高温のガスが入り込む。このため、フランジ接続部（γ部分）は、車室ケーシング１０１の他の部分（α，β部分）と同様な温度追従性により、昇温・硬温して温度分布の偏差がなくなり、オーバル変形の発生を防止することができる。よって、オーバル変形を考慮することなくギャップクリアランスを狭く設定することができ、ガスタービンの効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービン車室構造に関し、車室ケーシングにおける温度分布の偏差に起因するオーバル変形（楕円型変形）等の変形を防止するように工夫したものである。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮した高圧空気に燃料を混合して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃焼器内で燃焼させて高温・高圧の燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをタービンに吹き付けてタービンを回転させることにより駆動力を得る原動機である。
ガスタービンは起動特性が良く、起動から定常運転（定常回転数）になるまでの時間が短い。したがって、ガスタービンの車室ケーシングは、起動時には、常温から高温（例えば４００°Ｃ）にまで短時間で温度上昇する。

ここでガスタービンの一般的な車室構造を、模式図である図７を参照して説明する。同図に示すように、円筒状をなす車室ケーシング１は、上車室ケーシング２と下車室ケーシング３をボルト４によりフランジ接続して構成されている。つまり、車室ケーシング１は、その周方向の２箇所において軸方向に沿い分割されている。
換言すると、上車室ケーシング２は、円筒状の車室ケーシング１の上部円弧面を形成するように湾曲した板状部材であり、下車室ケーシング３は、円筒状の車室ケーシング１の下部円弧面を形成するように湾曲した板状部材である。

上車室ケーシング２の両端部（周方向の両端部）にはフランジ２ａが形成されている。このフランジ２ａは、車室ケーシング１の軸方向（図７では紙面に垂直方向）に沿って延在している。また下車室ケーシング３の両端部（周方向の両端部）にはフランジ３ａが形成されている。このフランジ３ａは、車室ケーシング１の軸方向（図７では紙面に垂直方向）に沿って延在している。

そして、フランジ２ａの接続面（図７では下側の面）と、フランジ３ａの接続面（図７では上側の面）とが接触した状態で、ボルト４により、フランジ２ａとフランジ３ａを締結することにより、上車室ケーシング２と下車室ケーシング３とが連結されて、円筒状の車室ケーシング１が形成されている。

なお、図８に拡大して示すように、フランジ２ａの接続面と、フランジ３ａの接続面には、それぞれ、ヌスミ（凹部）２ｂ，３ｂが形成されており、フランジ接続の接続信頼性を向上させている。なお、ヌスミ２ｂ，３ｂは、車室ケーシング１の軸方向（図７では紙面に垂直方向）に沿って形成されており、両ヌスミ２ｂ、３ｂが合わさって円筒状の空間となっている。

車室ケーシング１（上車室ケーシング２と下車室ケーシング３）の内周面には、静翼５が設けられている。
車室ケーシング１の内部にはロータ６が回転可能に配置されており、ロータ６の外周面には動翼７が設けられている。
なお、車室ケーシング１の軸芯及びロータ６の軸芯が水平状態となるように、車室ケーシング１及びロータ６が設置される。

ガスタービンでは、動翼７の先端と、車室ケーシング１の内周面との距離（チップクリアランス）が狭いほど、洩れるガス量を減らすことができ、効率が向上する。

この場合、車室ケーシング１は温度によって熱膨張・熱収縮することを考慮して、チップクリアランスを設定する必要がある。更に、車室ケーシング１が熱膨張・熱収縮する際に、温度分布に偏差があるため、車室ケーシング１の位置によって膨張量・収縮量が異なることも考慮して、チップクリアランスを設定する必要がある。

車室ケーシング１が熱膨張・熱収縮する際に、温度分布の偏差に起因して、車室ケーシング１の膨張量・収縮量が位置により異なり、車室ケーシング１がオーバル変形することを、図９を参照して説明する。なお、図９では、静翼及び動翼は図示省略して示している。

図９において、破線はオーバル変形前の車室ケーシング１を示し、実線はオーバル変形後の車室ケーシング１を示している。
車室ケーシング１を形成する上下車室ケーシング２，３のうちフランジ２ａ，３ａが位置する部分は、肉厚が厚いため他の部分よりも熱容量が大きくなっている。

ガスタービンが起動すると、車室ケーシング１内を流通するガス温度が短時間で上昇し、車室ケーシング１の温度も上昇する。

このとき、上下車室ケーシング２，３の両端部、即ち、フランジ２ａ，３ａが位置する部分（図９においてγで示す部分）は、上車室ケーシング２のうち中央部分（図９においてαで示す部分）や下車室ケーシング３の中央部分（図９においてβで示す部分）に比べて、熱容量が大きいため温度上昇が遅れる。
したがって、起動時には、例えば、上下車室ケーシング２，３の中央部分（α，β部分）が４００°Ｃに達していても、上下車室ケーシング２，３の両端部分（γ部分）はまだ３００°Ｃとなっていることがある。

このように車室ケーシング１の温度分布に偏差があると、α，β部分の熱膨張が、γ部分の熱膨張よりも大きくなり、車室ケーシング１は楕円型に変形（オーバル変形）してしまう（例えば、特許文献１参照）。
なお、起動期間が過ぎ、定格運転状態になると、車室ケーシング１は全体が略同じ温度（例えば４００°Ｃ）となり、オーバル変形はなくなる。

定常運転状態から停止状態に移行する停止時には、車室ケーシング１の温度が低下していくが、α，β部分は、γ部分よりも先に温度低下するため、このときにも、オーバル変形が生じる。

前述したチップクリアランスを設定する際には、かかるオーバル変形が生じることも考慮して、チップクリアランスを設定する必要がある。つまり、オーバル変形が生じたとしても、動翼７が車室ケーシング１に接触しない程度の余裕度をもって、チップクリアランスを設定しなければならない。

特開２００１−２７１６０６

前述したように従来の車室ケーシング１では、ガスタービンの起動時や停止時に、車室ケーシング１にオーバル変形が生じるため、オーバル変形を見越してチップクリアランスを設定している結果、チップクリアランスをある限度以上に狭くすることができなかった。
このようにチップクリアランスを狭くするのに限界があることが、ガスタービンの効率アップの阻害原因の一つとなっていた。

本発明は、上記従来技術に鑑み、車室ケーシングのフランジ接続部分での温度追従性を、車室ケーシングの他の部分の温度追従性に合わせることにより、オーバル変形等の変形の発生を防止し、もって、ガスタービンの効率を向上させることができるガスタービン車室構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、
円筒状をなす車室ケーシングと、この車室ケーシングの内部に回転可能に配置されたロータを備え、
しかも、前記車室ケーシングはその周方向の複数箇所において軸方向に沿い分割され、
更に、分割されたそれぞれの分割車室ケーシングには、その周方向の両端部に軸方向に伸びるフランジが形成され、隣接する分割車室ケーシングどうしは、フランジをボルトにより締結して連結されているガスタービンの車室構造であって、
前記各フランジには、車室ケーシングの内部空間に連通すると共に前記車室ケーシングの半径方向に伸びる空気通路が形成されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
円筒状をなす車室ケーシングと、この車室ケーシングの内部に回転可能に配置されたロータを備え、
しかも、前記車室ケーシングはその周方向の複数箇所において軸方向に沿い分割され、
更に、分割されたそれぞれの分割車室ケーシングには、その周方向の両端部に軸方向に伸びるフランジが形成され、隣接する分割車室ケーシングどうしは、フランジをボルトにより締結して連結されているガスタービンの車室構造であって、
前記各フランジの接続面には、車室ケーシングの軸方向に伸びるヌスミが形成され、
前記各フランジには、内周端が車室ケーシングの内部空間に連通し外周端が閉塞すると共に前記車室ケーシングの半径方向に伸びる空気通路と、内周端が前記車室ケーシングの内部空間に連通し外周端が前記ヌスミに連通すると共に前記車室ケーシングの半径方向に伸びる空気通路とが形成されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記空気通路は、車室ケーシングの半径方向に伸びつつ、内周端側から外周端側に向かうに従い軸方向位置が次第にズレていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記空気通路は、直線状に伸びる筒状空間であることを特徴とする。

本発明によれば、車室ケーシングのフランジに空気通路を形成したため、車室ケーシングの内部空間を流れるガスが空気通路に流れ込む。このため、ガス温度が上昇または下降したときに、車室ケーシングのフランジ部分は、車室ケーシングの他の部分と略同様な温度追従特性となって、ガス温度に応じて昇温・降温する。
このため、ガスタービンの起動時や停止時であっても、車室ケーシングに温度分布の偏差がなくなり、オーバル変形などの変形の発生を防止することができる。この結果、オーバル変形などを考慮することなく、チップクリアランスをより狭く設定することができ、ガスタービンの効率が向上する。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の実施例１に係るガスタービンの車室構造を、模式図である図１、フランジ接続部を拡大して示す図２、及び図２のIII-III断面である図３を参照して説明する。

図１に示すように、円筒状をなす車室ケーシング１０１は、上車室ケーシング（分割車室ケーシング）１０２と下車室ケーシング（分割車室ケーシング）１０３をボルト１０４によりフランジ接続して構成されている。つまり、車室ケーシング１０１は、その周方向の２箇所において軸方向に沿い分割されている。
換言すると、上車室ケーシン１０グ２は、円筒状の車室ケーシング１０１の上部円弧面を形成するように湾曲した板状部材であり、下車室ケーシング１０３は、円筒状の車室ケーシング１０１の下部円弧面を形成するように湾曲した板状部材である。

上車室ケーシング１０２の両端部（周方向の両端部）にはフランジ１０２ａが形成されている。このフランジ１０２ａは、車室ケーシング１０１の軸方向（図１では紙面に垂直方向）に沿って延在している。また下車室ケーシング１０３の両端部（周方向の両端部）にはフランジ１０３ａが形成されている。このフランジ１０３ａは、車室ケーシング１０１の軸方向（図１では紙面に垂直方向）に沿って延在している。

そして、フランジ１０２ａの接続面（図１では下側の面）と、フランジ１０３ａの接続面（図１では上側の面）とが接触した状態で、ボルト１０４により、フランジ１０２ａとフランジ１０３ａを締結することにより、上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３とが連結されて、円筒状の車室ケーシング１０１が形成されている。

フランジ１０２ａの接続面と、フランジ１０３ａの接続面には、それぞれ、ヌスミ（凹部）１０２ｂ，１０３ｂが形成されており、フランジ接続の接続信頼性を向上させている。なお、ヌスミ１０２ｂ，１０３ｂは、車室ケーシング１０１の軸方向（図１では紙面に垂直方向）に沿って形成されており、両ヌスミ１０２ｂ、１０３ｂが合わさって、車室ケーシング１０１の軸方向に伸びる円筒状のヌスミ空間１１０が形成されている。

車室ケーシング１０１（上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３）の内周面には、静翼１０５が設けられている。
車室ケーシング１の内部にはロータ１０６が回転可能に配置されており、ロータ１０６の外周面には動翼１０７が設けられている。
なお、車室ケーシング１０１の軸芯及びロータ１０６の軸芯が水平状態となるように、車室ケーシング１０１及びロータ１０６が設置される。

更に本実施列では、
（１）上車室ケーシング１０２のフランジ１０２ａに空気通路１２０が形成され、
（２）下車室ケーシング１０３のフランジ１０３ａに空気通路１３０が形成され、
（３）フランジ１０２ａ、１０３ａの接続面に、空気空路１４０が形成されている。
各空気通路１２０，１３０，１４０は、直線状に伸びる筒状空間であり、車室ケーシング１０１の半径方向に沿い伸びている。

そして、空気通路１２０，１３０は、その内周端が車室ケーシング１０１の内部空間に連通し、その外周端が閉塞している。
空気通路１４０は、その内周端が車室ケーシング１０１の内部空間に連通し、その外周端がヌスミ空間１１０に連通している。

このように、フランジ接続部に、空気通路１２０，１３０，１４０を形成したため、車室ケーシング１０１の内部空間を流れるガスが、この空気通路１２０，１３０，１４０やヌスミ空間１１０内にも流れ込む。このため、フランジ１０２ａ，１０３ａが位置する部分（図１においてγで示す部分）は、従来に比べると、ガス温度の変化に対して迅速に追従して温度変化する。
このため、流通するガスの温度変化に合わせて、フランジ１０２ａ，１０３ａが位置する部分（図１においてγで示す部分）も、上下車室ケーシング１０２，１０３のうち中央部分（図１においてα，βで示す部分）は、ほぼ同じ状態で温度変化する。

したがって、ガスタービンの起動時や停止時において、車室ケーシング１０１の内部空間を流れるガスの温度が変化していった場合であっても、フランジ１０２ａ，１０３ａが位置する部分（図１においてγで示す部分）における熱膨張量・熱収縮量と、上下車室ケーシング１０２，１０３のうち中央部分（図１においてα，βで示す部分）における熱膨張量・熱収縮量がほぼ等しくなり、オーバル変成は生じない。

このように、オーバル変形の発生を防止することができるので、オーバル変形を見越してチップクリアランスを設定する必要がなくなるため、チップクリアランスを従来よりも狭く設定することができる。このようにチップクリアランスを従来よりも狭くすることができるので、ガスタービンの効率を向上させることができる。

次に本発明の実施例２を、図４を参照しつつ説明する。

実施例２では、空気通路１２０，１３０，１４０を斜めに配置している（なお、図４では空気通路１２０のみが表れている）。
つまり、各空気通路１２０，１３０，１４０は、車室ケーシング１０１の半径方向に伸びつつ、内周端側から外周端側に向かうに従い軸方向位置が次第にズレている。このため、空気通路１２０，１３０，１４０を長くすることができ、流通するガスの温度に対して、フランジ１０２ａ，１０３ａが位置する部分（図１においてγで示す部分）の温度追従性が良くなる。

この結果、フランジ１０２ａ，１０３ａが位置する部分（図１においてγで示す部分）における熱膨張量・熱収縮量と、上下車室ケーシング１０２，１０３のうち中央部分（図１においてα，βで示す部分）における熱膨張量・熱収縮量の差を、より少なくすることができる。

なお、上述した各実施例は、車室ケーシングが、その周方向の２箇所で分割され、分割部分をフランジ接続したタイプのガスタービン車室構造であったが、車室ケーシングが、その周方向の３箇所以上（例えば４箇所や８箇所）で分割され、分割部分をフランジ接続したタイプの車室ケーシングにも本発明を適用することができる。
４分割タイプや８分割タイプの従来の車室ケーシングでは、温度分布に偏差があると、いわば、花びら状に変形することがあるが、本願発明を適用すれば、このような花びら状の変形も防止することができる。

図５は本発明の実施例４に係るガスタービンの車室構造に用いる車室ケーシング１０１を示す。
この車室ケーシング１０１では、上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３の両端部に、ホゾ２０１とホゾ溝２０２を形成している。そして、ホゾ２０１とホゾ溝２０２を嵌合し、ボルト２０３をホゾ２０１及びホゾ溝２０２に貫通させて、上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３を連結して車室ケーシング１０１を形成している。

実施例４では、車室ケーシング１０１に、熱容量の大きなフランジがなく、車室ケーシング１０１の周方向に亘すべての部分で肉厚が略等しくなるため、車室ケーシング１０１が昇温・降温した場合であっても、温度分布の偏在がなくなり、オーバル変形は生じない。

図６は本発明の実施例５に係るガスタービンの車室構造に用いる車室ケーシング１０１を示す。
この車室ケーシング１０１では、上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３の両端部に、アリ３０１とアリ溝３０２を形成している。そして、アリ３０１とアリ溝３０２を嵌合し、ボルト３０３をアリ３０１及びアリ溝３０２に貫通させて、上車室ケーシング１０２と下車室ケーシング１０３を連結して車室ケーシング１０１を形成している。

実施例５では、車室ケーシング１０１に、熱容量の大きなフランジがなく、車室ケーシング１０１の周方向に亘すべての部分で肉厚が略等しくなるため、車室ケーシング１０１が昇温・降温した場合であっても、温度分布の偏在がなくなり、オーバル変形は生じない。

本発明の実施例１に係るガスタービンの車室構造を模式的に示す断面図。 実施例１のフランジ接続部を拡大して示す断面図。 図２のIII-III断面を示す断面図。 本発明の実施例２に係るガスタービンの車室構造のフランジ接続部を拡大して示す断面図。 本発明の実施例４に係るガスタービンの車室構造に用いる車室ケーシングを示す断面図。 本発明の実施例５に係るガスタービンの車室構造に用いる車室ケーシングを示す断面図。 従来のガスタービンの車室構造を模式的に示す断面図。 従来のフランジ接続部を拡大して示す断面図。 オーバル変形を示す説明図。

符号の説明

１０１ 車室ケーシング
１０２ 上車室ケーシング
１０３ 下車室ケーシング
１０２ａ，１０３ａ フランジ
１０４ ボルト
１２０，１３０，１４０ 空気通路

Claims (4)

1. 円筒状をなす車室ケーシングと、この車室ケーシングの内部に回転可能に配置されたロータを備え、
   しかも、前記車室ケーシングはその周方向の複数箇所において軸方向に沿い分割され、
   更に、分割されたそれぞれの分割車室ケーシングには、その周方向の両端部に軸方向に伸びるフランジが形成され、隣接する分割車室ケーシングどうしは、フランジをボルトにより締結して連結されているガスタービンの車室構造であって、
   前記各フランジには、車室ケーシングの内部空間に連通すると共に前記車室ケーシングの半径方向に伸びる空気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車室構造。
2. 円筒状をなす車室ケーシングと、この車室ケーシングの内部に回転可能に配置されたロータを備え、
   しかも、前記車室ケーシングはその周方向の複数箇所において軸方向に沿い分割され、
   更に、分割されたそれぞれの分割車室ケーシングには、その周方向の両端部に軸方向に伸びるフランジが形成され、隣接する分割車室ケーシングどうしは、フランジをボルトにより締結して連結されているガスタービンの車室構造であって、
   前記各フランジの接続面には、車室ケーシングの軸方向に伸びるヌスミが形成され、
   前記各フランジには、内周端が車室ケーシングの内部空間に連通し外周端が閉塞すると共に前記車室ケーシングの半径方向に伸びる空気通路と、内周端が前記車室ケーシングの内部空間に連通し外周端が前記ヌスミに連通すると共に前記車室ケーシングの半径方向に伸びる空気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車室構造。
3. 請求項１または請求項２おいて、
   前記空気通路は、車室ケーシングの半径方向に伸びつつ、内周端側から外周端側に向かうに従い軸方向位置が次第にズレていることを特徴とするガスタービンの車室構造。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   前記空気通路は、直線状に伸びる筒状空間であることを特徴とするガスタービンの車室構造。

Images