JP2010053846A - ガスタービン静翼 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン運転時の熱電対保護管に生じる摩耗減肉を抑えることにより、熱電対保護管の運用寿命を延伸し、保守コストの低減化を実現して経済性・信頼性に優れたガスタービン静翼を提供する。
【解決手段】熱電対保護管３外周面においてマニホールド２の貫通穴４内壁面と向かい合う部分には、熱電対保護管３の半径方向に厚みのある肉厚部として、外筒部材５が取り付けられている。外筒部材５は、マニホールド２の構成材料よりも硬度が小さいステンレス系の材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部に冷却構造を有すると共にホイールスペース温度監視用の熱電対を設置したガスタービン静翼に係り、熱電対を収納する熱電対保護管の耐久性向上を図ったガスタービン静翼に関するものである。

ガスタービンは、複合サイクル発電所への設置をはじめとして、広く利用されている。ガスタービンは、運転中、高温の燃焼ガスにさらされるため、静翼内部に冷却構造を設けたものが一般的となっている。このようなガスタービン静翼においては、タービン高温部の運転状態が正常であることを確認する監視作業が重要である。

そこで従来より、ガスタービン静翼に熱電対を取り付け、この熱電対を用いて、高温部であるタービンホイール付近、すなわちホイールスペースの雰囲気温度を計測監視する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。ここで、図５及び図６を用いて、熱電対を備えたガスタービン静翼の従来例について、具体的に説明する。

図５に示すように、ガスタービン静翼１は、内部に冷却空気が流通する中空体であって、内部に冷却空気を保持するマニホールド２が設置されている。これらガスタービン静翼１及びマニホールド２は、コバルト系の耐熱合金材料などから構成されている。

導線を含む熱電対は細いので、外部接触による破損を防止すべく、熱電対保護管３に収納されている。熱電対保護管３はガスタービン静翼１及びマニホールド２を貫通して、感温部（先端部）がガスタービン静翼１内輪に設置されている。このように配置された熱電対を用いることにより、タービン静翼１内輪とタービンホイールとの間にあるホイールスペースの雰囲気温度を、計測監視することが可能であり、タービン高温部の運転状態を把握することができる。

また、熱電対保護管３の構成材料としては、ガスタービン静翼１などを構成する材料よりも硬度の低いもの、具体的にはSUS304等のステンレス系材料などの使用が主流である。
特開２００１−９８９０５号公報 特開２００４−２８０３６号公報

ところで、上記のガスタービン静翼１において、熱電対保護管３は、タービンケーシング側から静翼１の外輪に保持されており、マニホールド２を貫通してガスタービン静翼１内輪に達するので、必然的に、マニホールド２には熱電対保護管３挿入用の貫通孔４が形成されることになる。このとき、ガスタービン静翼１の冷却性能を維持するために、マニホールド２内部の冷却空気が貫通穴４から漏れないように、熱電対保護管３とマニホールド２の貫通孔４とを溶接等で固定してシールすることが考えられる。

しかし、ガスタービン運転中、マニホールド２及び熱電対保護管３は共に熱変形が大きく、しかも、構成材料が異なるため、熱伸び差が大きい。したがって、熱電対保護管３をマニホールド２の貫通孔４に固定してしまうと、固定部分に過大な応力が発生することになり、好ましくない。

そこで実際には、図６の拡大図（図５のＡ部）に示すように、貫通孔４と熱電対保護管３との間にクリアランスを設けておき、両者に対し過度の応力が加わらないような構造となっている。ただし、マニホールド２からの空気漏れは、出来る限り防ぐことが望ましいのは言うまでもない。そのため、貫通孔４内壁面と熱電対保護管３外周面との間隙は、極力小さく設定されている。

ところが、既に述べたように、マニホールド２及び熱電対保護管３は共に熱変形が大きいので、貫通孔４内壁面と熱電対保護管３外周面との間隙が小さいと、ガスタービン運転時の振動によって、両者は互いに接触することは否めない。しかも、熱電対保護管３はいわゆる片持ち支持のため、ガスタービン運転に伴う振動は、端部に近づくほど振幅が大きくなり、熱電対保護管３の外周部が貫通孔４の内壁部と強く擦れ合う。

このとき、熱電対保護管３の構成材料は、マニホールド２の構成材料よりも硬度が低いので、摩耗によって減肉が生じることになる。したがって、減肉が進行し、熱電対保護管３の残肉厚の厚さ寸法が規定値以下になると、交換が余儀なくされる。その結果、ガスタービン静翼１本体に関しては、運転による損傷がまだ小さく、修理や交換が不要な場合であっても、熱電対保護管３を交換するための修理が必要となり、保守コストの増大を招いていた。

ガスタービン静翼１は、信頼性確保の観点から、高頻度でメンテナンスを実施しており、保守コストは相当に高い。したがって、ガスタービン静翼１の修理や交換に先立ち、熱電対保護管３の交換を行うことは、保守コストの負担をさらに重くすることになり、問題となっていた。

本発明は、上記の事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、ガスタービン運転時の熱電対保護管に生じる摩耗減肉を抑えることにより、熱電対保護管の運用寿命を延伸し、保守コストの低減化を実現して経済性・信頼性に優れたガスタービン静翼を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、タービンホイール付近の雰囲気温度を計測するための熱電対が設置されたガスタービン静翼であって、該ガスタービン静翼内部には、内部に冷却媒体を保持するマニホールドと、前記熱電対を収納するための熱電対保護管とが設けられたガスタービン静翼において、前記マニホールドには貫通穴が形成され、前記貫通穴には前記熱電対保護管が挿入され、前記熱電対保護管の外周面における前記貫通穴の内壁面と向かい合う部分には、前記熱電対保護管の半径方向に厚みのある肉厚部が設けられ、前記肉厚部は、その外周面が前記マニホールドの前記貫通穴内壁面に対して所定の間隔を持って設置され、且つ前記熱電対保護管と同一材料または前記マニホールドの構成材料よりも硬度が小さい材料から構成されたことを特徴とするものである。

以上のような構成を有する本発明では、マニホールドの貫通穴内壁面には熱電対保護管の肉厚部が接触するので、ガスタービン運転に伴う熱変形及び振動によって両者が擦れ合ったとしても、摩耗により減肉する部分は、熱電対保護管と同一材料またはマニホールドの構成材料よりも硬度が小さい肉厚部であって、摩耗による減肉が熱電対保護管にまで及ぶことがない。したがって、熱電対保護管の運用寿命が延び、ガスタービン静翼の修理・交換よりも早い段階で、熱電対保護管の修理・交換を行う必要がない。その結果、保守コストの増大を抑制することが可能となる。

本発明のガスタービン静翼によれば、マニホールドの貫通穴内壁面に対向する位置に、熱電対保護管と同一材料またはマニホールドの構成材料よりも硬度が小さい材料からなる肉厚部を設けるといった極めて簡単な構成によって、マニホールドとの摩擦による熱電対保護管の摩耗、減肉を防ぐことができ、熱電対保護管の運用寿命を延ばして、保守コストの低減化を図り、経済性・信頼性の向上に寄与することができる。

（１）第１の実施形態
［構成］
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図５及び図６に示した従来技術と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

まず、図１及び図２を用いて本発明に係る第１の実施形態について述べる。図１は第１の実施形態の要部断面図、図２は図１に示したＩ−Ｉ断面における断面図である。図１及び図２に示すように、熱電対保護管３外周面においてマニホールド２の貫通穴４内壁面と向かい合う部分には、熱電対保護管３の半径方向に厚みのある肉厚部として、外筒部材５が取り付けられている。

外筒部材５は、熱電対保護管３と同じくSUS304等のステンレス系の材料からなり、この材料はマニホールド２の構成材料よりも硬度が小さい。外筒部材５の厚さ寸法は、定期検査と直近の次回定期検査との間の運転期間に生じる予想摩耗量よりも厚くなるように形成されている。

さらに、外筒部材５は、熱電対保護管３とは別部材であって、図２に示すように、周方向に２等分割された分割部材５ａ、５ｂから構成される。外筒部材５は、熱電対保護管３に対し位置決めがなされた後、熱電対保護管３に溶接等で固定される。このとき、外筒部材５の外周面はマニホールド２の貫通穴４内壁面に対して所定の間隔を持って設置されている。

［作用効果］
以上のような構成を有する第１の実施形態の作用効果と次の通りである。すなわち、ガスタービン運転に伴う熱変形及び振動により外筒部材５と貫通孔４内壁が接触する場合、外筒部材５は、マニホールド２の構成材料よりも柔らかい材料からなるので、熱電対保護管３の肉厚部である外筒部材５側が摩耗する。したがって、摩擦力が熱電対保護管３の外周面に及ぶことはなく、熱電対保護管３外周面が摩耗によって減肉されることがない。

しかも、外筒部材５の厚さ寸法を定期検査と直近の次回定期検査との間の運転期間に生じる予想摩耗量よりも厚くしてあるので、ガスタービンの定期点検を実施する際、２つの点検の間の運転期間により外筒部材５が減肉される深さよりも、外筒部材５は厚みがあり、熱電対保護管３がマニホールド２の貫通穴４に接触することがない。

すなわち、定期点検が適切なタイミングで行われる限り、マニホールド２の貫通穴４と熱電対保護管３とは互いに非接触であり、硬度の大きいマニホールド２により熱電対保護管３が減肉される心配がない。これにより、熱電対保護管３は次回定期点検まで修理しないで継続使用可能となる。

さらに、減肉される部材は外筒部材５なので、これを交換している限り、基本的に熱電対保護管３には損傷が生じることがない。したがって、熱電対保護管３は、故障以外は交換の必要がなく、熱電対保護管３の運用寿命は長期化する。その結果、保守コストの大幅な低減が実現すると共に、優れた信頼性を確保することが可能である。

その上、外筒部材５は分割部材５ａ、５ｂに２分割可能であるため、熱電対保護管３を静翼１から取り外すこと無く、外筒部材５だけを取り外すことができる。また、新たな外筒部材５を取り付ける時も熱電対保護管３の先端から嵌め込むこと無く、任意の位置から熱電対保護管３に取り付けることができる。このように、外筒部材５は熱電対保護管３に対する着脱作業が極めて容易であり、保守コスト低減に寄与することができる。

また、外筒部材５の外周面はマニホールド２の貫通穴４内壁面に対し所定の間隔を持つので、貫通孔４と外筒部材５との間にはクリアランスを設けることができる。したがって、ガスタービン運転中でも外筒部材５及びマニホールド２に対し過度の応力が加わることがなく、高い安全性を獲得することが可能である。

（２）第２の実施形態
［構成］
続いて、図３及び図４を用いて本発明に係る第１の実施形態について説明する。図３は第３の実施形態の要部断面図、図４は図３に示したＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。

上記第１の実施形態では、熱電対保護管３に外筒部材５を装着し、この外筒部材５がマニホールド２の貫通穴４と擦れ合っていたのに対して、第２の実施形態では、マニホールド２の貫通穴４側に筒状部材６を嵌着し、この筒状部材６の内壁部分と熱電対保護管３の外周部とが擦れ合うように配置した点に特徴がある。

このとき、筒状部材６は、熱電対保護管３の減肉量を抑えるために、熱電対保護管３と同一材料または熱電対保護管３の構成材料よりも硬度が小さい材料からなる。また、熱電対保護管３の外周面において、筒状部材６と向かい合う部分には耐摩耗コーティング３ａが施されている。

ここで筒状部材６の構成について、より詳しく説明する。すなわち、図３及び図４に示すように、筒状部材６は、マニホールド２の貫通穴４に嵌着された状態で貫通穴４から両端部が突き出る長さ寸法があり、半径方向の厚さ寸法は、定期検査と次の定期検査との間の運転期間に生じる予想摩耗量よりも厚く設けられている。

また、筒状部材６は周方向に２分割される分割部材６ａ、６ｂから構成され、軸方向に挿通孔６ｃが設けられている。挿通孔６ｃの内径寸法は熱電対保護管３の外径寸法よりも大きく、ここに所定の間隔を持って熱電対保護管３が挿入される。さらに、挿通孔６ｃの両端部にはＲ形状部７が設置されている。

［作用効果］
以上のような構成を有する第２の実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、ガスタービン運転に伴う熱変形及び振動により、筒状部材６の挿通孔６ｃ内壁面に対し熱電対保護管３の外周面が接触するが、筒状部材６は、熱電対保護管３の構成材料と同一もしくは熱電対保護管３よりも柔らかい材料からなるので、主に筒状部材６側が摩耗する。しかも、熱電対保護管３外周面は、耐摩耗コーティング３ａを施しているので、その摩耗量を最小限に抑えることができる。

また、筒状部材６の厚さ寸法は、前記外筒部材５のそれと同じく、定期検査と直近の次回定期検査との間の運転期間に生じる予想摩耗量よりも厚いので、ガスタービンの定期点検を実施する際、２つの点検の間の運転期間により筒状部材６が減肉する深さよりも、筒状部材６の方が厚い。

したがって、定期点検が適切なタイミングで行われる限り、熱電対保護管３とマニホールド２の貫通穴４とが直接接触することがなく、硬度の大きいマニホールド２によって熱電対保護管３が減肉される心配がない。その結果、上記第１の実施形態と同じく、熱電対保護管３は次回定期点検まで修理しないで継続使用可能となる。これにより、熱電対保護管３の運用寿命の長期化が可能であり、保守コストの低減と信頼性の向上に寄与することができる。

さらに、第２の実施形態においては、筒状部材６が減肉されるにせよ、硬いマニホールド２の貫通穴４との接触を原因とするのではなく、マニホールド２よりも柔らかい熱電対保護管３との接触による摩耗なので、減肉は穏やかである。したがって、熱電対保護管３の運用寿命の長期化という効果に加えて、熱電対保護管３の耐久性を高める筒状部材６に関しても、マニホールド２と接触していた前記外筒部材５に比べて、寿命の長期化が可能である。

また、筒状部材６は分割部材６ａ、６ｂに２分割可能であり、マニホールド２の貫通穴４から簡単に取り外すことができ、しかも、新たな筒状部材６を取り付ける時も、貫通穴４に嵌め込むだけで済む。したがって、筒状部材６の着脱作業は非常に容易であり、保守コスト低減に寄与することができる。

また、筒状部材６の内壁面は熱電対保護管３外周面に対し所定の間隔を持つので、ガスタービン運転中でも筒状部材６及び熱電対保護管３に過度の応力が加わることがなく、高い安全性を獲得することが可能である。さらに、挿通孔６ｃの両端部にＲ形状部７を設置したので、熱電対保護管３が筒状部材６のエッジ部分との接触による局所的摩耗減肉を防止することが可能となる。

（３）他の実施形態
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、各部材の形状や材料は適宜選択可能であり、例えば、筒状部材６の挿通孔６ｃ両端部に設けたＲ形状部を、面取り部にしてもよく、その設置位置も、挿通孔６ｃ両端部ではなく、ガスタービン静翼１内径側の端部としても構わない。また、外筒部材５もしくは筒状部材６を複数に分割する際の分割数も適宜変更可能である。さらに、熱電対保護管３に対し一体的に肉厚部を形成する実施形態も包含する。

本発明の第１の実施形態の要部断面図。 図１に示したI-I断面における断面図。 本発明の第２の実施形態の要部断面図。 図３に示したII−II断面における断面図。 従来のガスタービン静翼の断面図。 図５のＡ部の詳細説明図。

符号の説明

１…ガスタービン静翼
２…マニホールド
３…熱電対保護管
４…貫通孔
５…外筒部材
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ…分割部材
６…筒状部材
６ｃ…挿通孔
７・・・Ｒ形状部

Claims (8)

1. タービンホイール付近の雰囲気温度を計測するための熱電対が設置されたガスタービン静翼であって、該ガスタービン静翼内部には、内部に冷却媒体を保持するマニホールドと、前記熱電対を収納するための熱電対保護管とが設けられたガスタービン静翼において、
   前記マニホールドには貫通穴が形成され、
   前記貫通穴には前記熱電対保護管が挿入され、
   前記熱電対保護管の外周面における前記貫通穴の内壁面と向かい合う部分には、前記熱電対保護管の半径方向に厚みのある肉厚部が設けられ、
   前記肉厚部は、その外周面が前記マニホールドの前記貫通穴内壁面に対して所定の間隔を持って設置され、且つ前記熱電対保護管と同一材料または前記マニホールドの構成材料よりも硬度が小さい材料から構成されたことを特徴とするガスタービン静翼。
2. 前記肉厚部は、その厚さ寸法が、定期検査の間の運転期間に生じる予想摩耗量よりも厚くなるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン静翼。
3. 前記肉厚部は、前記熱電対保護管とは別部材であって、且つ周方向に分割可能に構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン静翼。
4. タービンホイール付近の雰囲気温度を計測するための熱電対が設置されたガスタービン静翼であって、該ガスタービン静翼内部には、内部に冷却媒体を保持するマニホールドと、前記熱電対を収納するための熱電対保護管とが設けられたガスタービン静翼において、
   前記マニホールドには貫通穴が形成され、
   前記貫通穴には該貫通穴より両端部が突き出るようにして筒状部材が嵌着され、
   前記筒状部材には前記熱電対保護管の外径より大きい内径を有する挿通孔が形成され、
   前記挿通孔には前記熱電対保護管が挿入され、
   前記筒状部材は、前記熱電対保護管と同一材料または前記熱電対保護管の構成材料よりも硬度が小さい材料から構成されたことを特徴とするガスタービン静翼。
5. 前記筒状部材は、半径方向の厚さ寸法が、定期検査の間の運転期間に生じる予想摩耗量よりも厚くなるように形成されたことを特徴とする請求項４に記載のガスタービン静翼。
6. 前記筒状部材の前記挿通孔における両端部又はガスタービン静翼内径側の端部には、Ｒ形状部又は面取り部が形成されたことを特徴とする請求項４又は５に記載のガスタービン静翼。
7. 前記筒状部材は周方向に分割可能に構成されたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のガスタービン静翼。
8. 前記熱電対保護管の外周面には耐摩耗コーティングが施されたことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のガスタービン静翼。

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