JP2011001950A - ２軸式ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】コストの増加や信頼性の低下を抑制しつつ、コンパクトで高効率な２軸式ガスタービンを提供する。
【解決手段】２軸式ガスタービンにおいて、主流流路の内周側と外周側の少なくとも一方において、高圧タービン出口が低圧タービン入口よりも低くなるよう構成され、高圧タービン出口と低圧タービン入口をつなぐ流路の外周が、ケーシング１２に支持され高圧タービンの最終段動翼４２の外周側に位置する第一のケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段静翼５１とから構成され、第一のケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段静翼５１の接続位置が高圧タービン最終段動翼出口より低圧タービン初段静翼入口に近いことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軸の異なる複数のタービン、すなわち圧縮機駆動用の高圧タービンと負荷駆動用の低圧タービンとを有する、２軸式ガスタービンに関するものである。

近年のエネルギー需要の増加に伴い、液化天然ガス（ＬＮＧ）の生産に適した機械駆動用のガスタービンに対する需要が増加している。ＬＮＧプラントでは天然ガスをＬＮＧ液化用圧縮機で高圧にすることによって液化を達成している。ＬＮＧ液化用圧縮機の駆動には、２軸式のガスタービンが用いられることが多い。２軸式のガスタービンでは、タービン部分が低圧タービンと高圧タービンに分けられている。低圧タービンがＬＮＧ用圧縮機や発電機等の負荷を駆動し、高圧タービンは圧縮機と接続されている。２軸式のガスタービンには、高圧側，低圧側それぞれのタービンが異なる回転軸を持つという特徴がある。

２軸式ガスタービンは前述のような機械駆動用としてだけでなく、発電機に接続する発電用としても用いられることがある。発電用のガスタービンとしては、圧縮機とタービンが同一軸で回転する１軸式ガスタービンが主流である。構造が簡素で運用しやすいからである。しかし、装置を小型化する場合には、発電機の仕様に合わせた回転数を維持する必要があり、減速機が必要になるという欠点がある。

一方、発電用に２軸式ガスタービンを用いれば、高圧タービンと低圧タービンの回転数を任意に選択できるため、減速機が不要となる。２軸式ガスタービンによると、コンパクトで高効率なガスタービンを提供することができる。

前述の発電用ガスタービンの例を含め、２軸式ガスタービンでは一般的に、接続機器の回転数に制約のない高圧タービン側を小型化する設計がなされる。発電機や被駆動機械と同軸に接続される低圧タービンでは、これらの機器により回転数の制約を受けるからである。そのため、高圧タービンの定格回転数は低圧タービンの定格回転数より高くなる。このとき低圧タービンの初段静翼の内径および外径位置は高圧タービンの最終段動翼に比べて高くなる。これに対応するため、両者の間には中間流路が設けられる。

この中間流路の形成には、中間流路を構成する部品を追加するのが一般的である。特許文献１のように高圧タービン初段静翼を上流側に延長する技術も検討されている。

また、特許文献２や３に記載されているように、高圧タービンと低圧タービンの定格回転数を一致させ、低圧タービンの初段静翼と高圧タービンの最終段動翼の内径および外径位置を一致させることで、部品点数増加を抑制することも試みられている。

特開２００８−８２３２３号公報 特開２００６−１１２３７４号公報 特開２００５−６９１６７号公報

しかし、特許文献２や３のように高圧タービンと低圧タービンの定格回転数を一致させてしまうと、高圧タービンと低圧タービンで定格回転数をほとんど変えられなくなってしまう。そうすると、減速機が必要となったり、コンパクトで高効率なガスタービンとすることが難しくなったりしてしまう。

一方特許文献１の技術では、コンパクト化や減速機の削除は可能であるが、低圧タービン初段動翼を上流側に延長して流路を構成するため、初段静翼が大型・複雑化してしまう。一般に低圧タービン初段静翼は精密鋳造翼である。大型・複雑化した精密鋳造翼を採用すると、金型の増加や複雑形状に対する歩留まりの低下等で製造コストが増加する。さらに低圧タービン初段静翼を上流側で支える支点が静翼から離れるため、静翼と支点で熱伸び差が発生した場合に前縁等の支点にかかる応力が増加し、信頼性が低下するおそれがある。

そこで本発明の目的は、コストの増加や信頼性の低下を抑制しつつ、コンパクトで高効率な２軸式ガスタービンを提供することにある。

本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンから排出されたガスで駆動される低圧タービンとを備え、前記圧縮機と前記高圧タービンの軸である第一の軸と、前記低圧タービンの軸である第二の軸とが別軸である２軸式ガスタービンにおいて、主流流路の内周側と外周側の少なくとも一方において、前記高圧タービン出口が前記低圧タービン入口よりも低くなるよう構成され、前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の外周が、ケーシングに支持され前記高圧タービンの最終段動翼の外周側に位置する第一のケーシングシュラウドと前記低圧タービン初段静翼とから構成され、前記第一のケーシングシュラウドと前記低圧タービン初段静翼の接続位置が前記高圧タービン最終段動翼出口より前記低圧タービン初段静翼入口に近いことを特徴とする。

本発明によれば、コストの増加や信頼性の低下を抑制しつつ、コンパクトで高効率な２軸式ガスタービンを提供することができる。

本発明の第一実施例に関する高圧タービン最終段および低圧タービン初段の子午面断面の概略図。 本発明の第一実施例に関する２軸式ガスタービンのサイクル構成図。 本発明の第二実施例に関する高圧タービン最終段および低圧タービン初段の子午面断面の概略図。 比較例の２軸ガスタービンのタービン側子午面断面の詳細図。 実施例１と実施例２における２軸ガスタービンのタービン側子午面断面の詳細図。 実施例１と実施例２における２軸ガスタービンのタービン側子午面断面の詳細図。

本発明の２軸式ガスタービンでは、高圧タービンと低圧タービンの間の中間流路の外周側を高圧タービン最終段動翼のケーシングシュラウドによって構成することで、特許文献１に比べて簡素な構成で、中間流路を形成することができる。さらに静翼が上流側に延長されないため、前述した応力の増加も起こらず、高い信頼性を維持できる。加えて中間流路の形状が外周側の方が傾きの大きい２つの円錐台形状を備えることで、流路断面積の急激な変化等による流れの剥離や衝撃波の発生を抑制し、空力的にも有利な流路形状とすることが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に本実施例における２軸式ガスタービン高圧タービン最終段と低圧タービン初段の概略の子午面断面図を、図２に本実施例における２軸式ガスタービンのサイクル構成図を示す。

はじめに、図２を用いてサイクルの概要について説明する。２軸式ガスタービン１において、作動流体は軸流圧縮機２に流入して圧縮された後に燃焼器３に流入する。燃焼器３では燃料が噴射されて高温の燃焼ガスを生成する。この高温・高圧ガスは、圧縮機２と第一の軸である軸６によって接続されている高圧タービン４に流入して圧縮機２を駆動した後、低圧タービン５に流入する。低圧タービン５を作動流体が通過する際、第二の軸である軸７によって接続された発電機８が駆動され、これによって発電が実施されている。

次に図１を用いて高圧タービン４の最終段と低圧タービン５の初段近傍の構成について説明する。図１において、高圧タービン最終段は最終段静翼４１，最終段動翼４２，最終段静翼ダイアフラム４３，最終段動翼ケーシングシュラウド４４，高圧タービンロータ４５から構成されている。一方低圧タービン初段は初段静翼５１，初段動翼５２，初段静翼ダイアフラム５３，初段動翼ケーシングシュラウド５４，低圧タービンロータ５５から構成されている。低圧タービンロータ５５と高圧タービンロータ４５は別の回転軸を持ち、それぞれ独立に回転している。また、高圧タービン最終段静翼ダイアフラム４３の内周側にはスペーサ４６が、低圧タービン初段静翼ダイアフラム５３の内周側には板状の隔壁５６が取り付けられている。なお低圧タービン側に取り付けられた隔壁５６によって、流路以外の部分での作動流体の移動が行われないようになっている。ここで前述の流路の構成要素は、周方向に複数個分割されたセグメント構造を想定している。

図１において、高温・高圧の燃焼ガスである主流ガス１１の通る流路は、外周側が高圧タービン最終段静翼４１，最終段動翼ケーシングシュラウド４４，低圧タービン初段静翼５１，初段動翼ケーシングシュラウド５４の順で構成されており、内周側は高圧タービン最終段静翼４１，最終段動翼４２，中間流路部材５７，低圧タービン初段静翼５１，初段動翼５２の順で構成されている。中間流路部材５７は低圧タービン初段静翼ダイアフラム５３にボルト等（図示せず）で接続されている。中間流路部材５７の形状としては、下流方向に拡大した円錐台形状を想定している。また高圧タービン最終段動翼ケーシングシュラウド４４の形状としては、最終段動翼４２の存在する上流側では円筒で、下流側では下流側に拡大した円錐台となる形状を想定している。なお通常、最終段動翼ケーシングシュラウド４４の円筒部分と円錐台部分の間は流路形状が滑らかになるように中間接続領域が存在するが、ここでは図示していない。さらに最終段動翼ケーシングシュラウド４４の円錐台部分の傾きは、前述の中間流路部材５７の円錐台部分の傾きより大きいことが望ましい。そのようにすれば、必然的に流路の断面積が単調増加する形状とできるからである。

また図１において、高圧タービン最終段動翼ケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段動翼ケーシングシュラウド５４は、ケーシング１２によって保持されている。本実施例ではケーシング１２は高圧タービン４と低圧タービン５で共通としているが、外ケーシングを高圧タービン側ケーシングと低圧タービン側ケーシングで分割し、それぞれの外ケーシングに最終段動翼ケーシングシュラウド４４と初段動翼ケーシングシュラウド５４を保持させても構造上は問題ない。そうすると、低圧タービン側にトラブルが発生した場合に、低圧タービン側だけを分解することができる等、交換や点検作業が容易となるメリットがある。この場合外ケーシングの接続部は、軸方向でケーシングシュラウド４４や５４の外周側におさまるようにするのが望ましい。分割部分をシュラウド４４や５４で固定できるからである。ただし、ケーシング１２を分割することによって部品点数が増加するため、コストや運用性の観点からは共通とするほうが有利である。

ここで、本実施例の２軸式ガスタービン１の具体的な動作について説明する。定格運転時、作動流体は軸流圧縮機２と燃焼器３を通過し、高温・高圧の燃焼ガスとして高圧タービン４に流入する。このときの温度は約１３００℃である。高圧タービン４に流入した燃焼ガスは翼に対して仕事をすることでその圧力と温度を低下させ、高圧タービン最終段静翼入口に到達する。到達した主流ガス１１は高圧タービン最終段に流入して高圧タービン最終段動翼４２と低圧タービン初段動翼５２を駆動し、最終的には約５００℃のガスとなって低圧タービン５から排出される。低圧タービン初段動翼５２をはじめとする低圧タービン５の動翼が駆動されることによって、接続された低圧タービンロータ５５および軸７を介して発電機８が回転し、電力が得られている。本実施例では発電機の回転数として、３６００回転（６０Ｈｚ）を想定している。

本実施例のような２軸式ガスタービンでは、全体の大きさをコンパクト化するため、高圧タービンロータ４５の回転数を低圧タービンロータ５５の回転数より大きくしている。この場合に動翼にかかる遠心応力を高圧タービン側と低圧タービン側で同等にするには、主流ガス１１の流路の内周側と外周側の少なくとも一方において、高圧タービン出口が前記低圧タービン入口よりも低くなるようにしなければならない。本実施例において、高圧タービン出口や低圧タービン入口が高い・低いとは、それぞれ回転軸からの径方向距離が遠い・近いことを意味する。本実施例のガスタービンでは、高圧タービン出口の流路高さは低圧タービン入口の流路高さに比べ、内周側，外周側ともに低くしている。

このような２軸式ガスタービンでは、他の隣接する動翼と静翼間と比べ、高圧タービン最終段動翼４２と低圧タービン初段静翼５１間の流路断面積の変化が最も大きくなっている。主流ガス１１の流れ方向とこの流路の外周側壁や内周側壁との成す角を大きくしてしまうと、空力損失が大きくなってしまう。空力損失の増大を抑制するためには、高圧タービン最終段動翼本体部４２ａの重心位置と低圧タービン初段静翼本体部５１ａの重心位置の間の軸方向距離が、他の隣接する動翼と静翼の重心間距離よりも長くすることが望ましい。

なお、本実施例で高圧タービン出口とは、主流ガス１１の流れ方向で高圧タービン最終段動翼本体部４２ａの後縁を意味する。同様に、低圧タービン入口とは、低圧タービン初段静翼本体部５１ａの前縁を意味する。

このとき、高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の外周側の流路の大半を、前述のような円錐台形状を持った高圧タービン最終段動翼ケーシングシュラウド４４によって構成することで、外周側での流れが乱れるのを抑制することができる。さらに前述のような円錐台形状を持った中間流路部材５７を流路の内周側壁に用いることで、内周側での流れの乱れを抑制しつつ、高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の軸方向の流路断面積は単調に増加させることができる。流路断面積を単調に増加させることは、高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の流路に最小断面積となる部分が存在しないことを意味している。流路の、ある部分に最小断面積となる部分が存在すると、そこでマッハ数１を超える流れが発生して衝撃波が発生するおそれがある。すなわち、主流ガス１１の流れ方向で流路断面積を一定または単調増加とすることにより、部分負荷を含めた運転時に、該流路がスロートのあるノズルとして働き、垂直衝撃波が発生して損失が増加する可能性を排除することが可能となる。

また本実施例の２軸式ガスタービンでは、高圧タービン最終段動翼ケーシングシュラウド４４を延長し、高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の外周側の流路を最終段動翼ケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段静翼のみで構成している。このようにすることで、別部品によって高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の外周側の流路を構成する場合に比べ、部品点数増加の抑制や作業工程数の減少を達成し、隙間や段差による流れの漏れを低減することが可能である。

さらに、本実施例の２軸式ガスタービンでは、ケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段静翼５１の接続位置を、高圧タービン最終段動翼出口より低圧タービン初段静翼入口に近い位置としている。そうすることで特許文献１に記載されたガスタービンのように、低圧タービン初段静翼５１の外周側を延長して高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の外周側流路を構成する場合に比べ、初段静翼５１の軸方向の長さを低減し、形状の複雑化を抑制することができる。通常タービン静翼は精密鋳造翼である。本実施例のガスタービンでは、翼の大きさの増加による金型等の精鋳設備の大型化や、形状の複雑化による精鋳精度の低下を抑制することが可能となる。一方最終段動翼ケーシングシュラウド４４には翼が付いていないので、延長による形状の複雑化は最小限に抑えられ、製造コストの上昇が抑制可能である。また初段静翼５１と最終段動翼ケーシングシュラウド４４の接続位置が特許文献１に比べて初段静翼本体部５１ａ側に近くなるので、前記接続位置と初段静翼５１の間に熱伸び差が発生した場合、初段静翼５１の外周側前縁部の応力を低減させることが可能である。

また本実施例の２軸式ガスタービンでは、高圧タービン最終段から低圧タービン初段における流路の構成要素である、ケーシングシュラウド４４や低圧タービン初段静翼５１を、周方向に複数個分割されたセグメント構造としている。そうすると部品間のギャップにより、流路で熱伸びが発生した際の流路全体のひずみが小さくなる。このため流路が不均一になりにくく、流入角の周方向の不均一性によって発生する損失を抑制することが可能となる。

以上述べたように、本実施例の２軸式ガスタービンは、高圧タービン出口と低圧タービン入口をつなぐ主流ガス１１の流路の外周が、ケーシング１２に支持され高圧タービンの最終段動翼４２の外周側に位置するケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段静翼５１とから構成され、ケーシングシュラウド４４と低圧タービン初段静翼５１の接続位置を、高圧タービン最終段動翼出口より前記低圧タービン初段静翼入口に近くなるように構成されている。具体的にいうと、低圧タービン初段静翼５１は、第一のケーシングシュラウドであるケーシングシュラウド４４と、ケーシング１２に支持され低圧タービン初段動翼５２の外周側に位置する第二のケーシングであるケーシングシュラウド５４とに支持されている。このように構成することで、特許文献１に比べて低圧タービン初段静翼５１の製造コストを抑制し、かつ信頼性も向上させることができる。また高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の外周側の流路に別部品を用いる場合と比べると、部品点数や作業工程数の削減と空力性能の向上が可能である。さらに高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の外周側と内周側の流路形状を円錐台形状とし、外周側の傾きを内周側より大きくしているため、流れの乱れを抑制しつつ流路断面積変化を単調増加とし、部分負荷時を含めた空力性能の向上が可能となる。

本実施例の２軸式ガスタービンは、１軸式ガスタービンに比べて減速機を必要とせずにコンパクト化できる。そのため、サイズに制限のあるプラントの更新などの際にも有用である。この場合、既存の１軸式ガスタービンのタービンを、圧縮機と同軸に接続された高圧タービンと、前記高圧タービンの回転軸とは別の軸に接続された低圧タービンとに分割し、主流流路の内周側と外周側の少なくとも一方において、高圧タービン出口を低圧タービン入口よりも低くし、高圧タービン出口と低圧タービン入口をつなぐ流路の外周側形状を、ケーシングに支持され前記高圧タービンの最終段動翼の外周側に位置する第一のケーシングシュラウドと低圧タービン初段静翼とを、高圧タービン最終段動翼出口より低圧タービン初段静翼入口に近い位置で接続することで形成させればよい。

図３に本実施例における２軸式ガスタービン高圧タービン最終段と低圧タービン初段の概略の子午面断面図を示す。実施例１との相違は、高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の内周側流路において中間流路部材５７がなく、低圧タービン初段静翼５１のみで流路が構成されている点である。なお図１と重複する機器については番号を同一とし、詳細な説明は省略する。

図３で示した本実施例の２軸式ガスタービンでは、中間流路部材５７が存在せず、高圧タービン出口と低圧タービン入口をつなぐ流路の内周が、低圧タービン初段静翼５１のみから構成されている。そのため高圧タービン最終段と低圧タービン初段の間の内周側の流路で接合部がなくなり、実施例１に比べてさらに空力損失を低減することが可能となる。
また当然、部品点数の削減によるコストと作業工程数の低減にも寄与する。

一方実施例１のガスタービンと比べると、高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の内周側流路は低圧タービン初段静翼５１から構成されているため、初段静翼５１の精鋳性が低下することが懸念される。ただし、特許文献１に記載されたガスタービンのように高圧タービン最終段出口から低圧タービン入口の流路外周側を初段静翼５１によって構成しているわけではないので、特許文献１のガスタービンに比べて初段静翼５１と最終段動翼ケーシングシュラウド４４の接続位置が初段静翼本体５１ａ側に近くなる。このため実施例１と同様に、前記接続位置と初段静翼５１の間に熱伸び差が発生した場合、初段静翼５１の外周側前縁部の応力を低減させることが可能である。一方内周側の接続部は、外周側のように上流側の部材によって支持されるのではなくダイアフラム５３によって支持されるため、熱伸び差によって静翼前縁部に過大な応力が発生することはない。

以上をまとめると、本実施例のガスタービンは実施例１に比べて精鋳性の低下によるコスト増加の可能性があるものの、簡素化による部品点数の削減や作業工数の低減が期待できる。また中間流路部材５７がないことで、段差等による流れの損失の発生を抑制することが可能となる。信頼性は実施例１と同程度に高い。

ここで、以下の図４，図５、および図６を用いて従来技術との相違を詳細に説明する。図４は比較例の２軸ガスタービンのタービン側子午面断面の詳細図、図５と図６はそれぞれ実施例１と実施例２における２軸ガスタービンのタービン側子午面断面の詳細図である。

まず、図４を用いて２軸ガスタービンの構成について説明する。前述の通り、２軸ガスタービンではタービン部は高圧タービン４と低圧タービン５から構成される。高圧タービン４は初段静翼３１，初段動翼３２，第２段静翼４１，第２段動翼４２，初段動翼シュラウド３４，第２段動翼シュラウド４４，初段ロータ３５，第２段ロータ４５，初段静翼内周側支持部材３６，第２段静翼スペーサ４６，第２段静翼ダイアフラム４３、および高圧タービン軸６から構成される。一方低圧タービン５は第３段静翼５１，第３段動翼５２，第４段静翼６１，第４段動翼６２，第３段動翼シュラウド５４，第４段動翼シュラウド６４，第３段ロータ５５，第４段ロータ６５，第３段静翼内周側支持部材５３，第４段静翼ダイアフラム６３，隔壁５６，第４段静翼スペーサ６６，内周側中間流路部材５７，外周側中間流路部材５８、および低圧タービン軸７から構成される。初段動翼シュラウド３４，第２段動翼シュラウド４４，第３段動翼シュラウド５４，第４段動翼シュラウド６４はそれぞれタービン外ケーシング１２によって支持されており、フック形状のシュラウドをケーシングに引っ掛けて保持する構造となっている。ここで、図４では高圧タービン４と低圧タービン５の段数をそれぞれ２段としているが、それぞれの段数は２段より多くても少なくても問題ない。また、タービン外ケーシング１２は高圧タービン側と低圧タービン側で分割されていても良い。

次に、燃焼ガスの流れについて説明する。燃焼器３を通過した高圧高温のガス１１は初段静翼３１，初段動翼３２，第２段静翼４１，第２段動翼４２，第３段静翼５１，第３段動翼５２，第４段静翼６１，第４段動翼６２，初段動翼シュラウド３４，第２段動翼シュラウド４４，第３段動翼シュラウド５４，第４段動翼シュラウド６４，内周側中間流路部材５７、および外周側中間流路部材５８から構成される流路を通過して動翼を駆動し、排気側ケーシング排気として放出される。

前述の通り、２軸ガスタービンでは一般に低圧タービン５の方が高圧タービン４より回転数が小さいため、高圧タービン最終段動翼、すなわち第２段動翼４２の内周側の径方向位置に比べ、高圧タービン初段静翼、すなわち第３段静翼５１の内周側径方向位置の方が高くなる。このため、両者をつなぐ中間流路が必要となり、高圧タービン最終段動翼〜低圧タービン初段静翼の翼間距離は他の翼間距離よりも離す必要がある。中間流路の距離が短すぎると、中間流路の軸方向の傾き角（以下、フレア角）が大きくなり、流れの損失が大きくなってしまうおそれがあるからである。このフレア角は同種のガスタービンの実績及び流れ解析による剥離の有無の検討結果から、１０°〜３０°の範囲とする必要がある。

従来は上記の中間流路を構成する際、一般的には図４で示す比較例のように、外周側に対して中間流路部材５８を設けていた。シュラウドは流路中の熱の輻射を抑制するための構造であり高級材が用いられることが多く、安価な中間流路部材５８を設けたほうがコストの面で優れているからである。

ただし、この構成にすると２つの課題が発生するという知見に発明者らは想到した。まず１つ目の課題は、第２段動翼シュラウド４４は周方向に分割されたセグメント構造であるのに対し、外周側中間流路部材５８はリング構造もしくは半周分が一体となった半割り構造であることに起因する。異なる構造が共存しているために、熱による伸びの傾向に差が生じ、流路にゆがみが生じる事が課題である。セグメント構造の第２段動翼シュラウドでは主流からの入熱による伸びの方向は周方向に限定され径方向への伸びは発生しない。これに対し、リング構造もしくは半割り構造の外周側中間流路部材では径方向に伸びが発生する。このため、外周側中間流路部材５８と第２段動翼シュラウド４４の間に段差が発生したり、外周側中間流路部材５８によって構成される流路に凹凸が生じて流れが剥離したりする恐れがある。この影響は、特に２軸式ガスタービンで顕著に現れる。２軸式ガスタービンでは高圧タービンと低圧タービンのエネルギーバランスを取るために、圧縮機入口案内翼（Inlet Guide Vane、ＩＧＶ）の開度を変化させることで流量を調整している。タービン中で損失が発生すると、流量が減少してしまい、エネルギーバランスを崩すことになってしまい、出力や効率の低下が大きくなってしまう。なお、タービンが高圧側と低圧側に分割されていない１軸式のガスタービンでは、タービンバランスは崩れにくい。

もう１つの課題は第２段動翼シュラウド４４を保持するフックの強度にある。一般に動翼シュラウドに対しては回転モーメントが発生し、モーメントによって生じる応力をタービン外ケーシングが受け持つことになる。モーメントは上流側と下流側のフック間距離と発生応力の積と考えることができるため、モーメントが一定の場合、フック間距離が短いとケーシングで受け持つ荷重が大きくなる。つまり、フックの強度を確保するには一定の軸方向距離が必要となる。そのため、前述のフレア角の制限を確保するためには軸方向距離を長くする必要がある。

これら二つの課題に対し、図５や図６で示した各実施例のように中間流路部材５８を用いる代わりに第２段動翼シュラウド４４を延長することで、上記２つの問題を解決することが可能である。まず１点目の流路形状の問題については、第２段動翼シュラウド４４がセグメント構造であることにより解決可能である。この構造では径方向の熱伸びはなく、運転時に流れが剥離する可能性を低減することが可能である。

また各実施例では第２段動翼シュラウド４４を延長することになるため、フック間の軸方向距離が大きくなりケーシングにかかる応力を低減することが可能となる。これによって図５や図６で示しているように、第２段動翼４２のすぐ下流側から軸に対して角度を持たせた構造とすることが可能となる。そのため、短い距離でもフレア角の制限を満たすようにすることができ、軸方向距離を最小限にすることが可能となる。なお図４の比較例の構造でも、第２段動翼シュラウド４４を若干延長し、第２段動翼４２のすぐ下流側から軸に対して角度を持たせることは可能である。ところがそうすると、第２段動翼シュラウド４４の形状が図５や図６に示した形状とほぼ同一となる。そのため、中間流路部材５８の分だけ加工上の手間が増加することになり、好ましくないと考えられる。

以上より、本発明を適用した各実施例では、従来の中間流路部材５８を用いた構造に比べて空力性能の低下を抑制しつつ第２段動翼シュラウド４４のフック構造の強度を確保することが可能となる。さらに、空力性能に影響を与えない範囲でのフレア角を確保しつつ、中間流路の軸方向距離を最小とすることができるため、コンパクト化の達成や軸の信頼性向上の効果も高いといえる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ 高圧タービン
５ 低圧タービン
６，７ 軸
８ 発電機
１１ 主流ガス
１２ ケーシング
１３ 排気側ケーシング
１５ 排気側内周部支持部材
３１，４１，５１，６１ 静翼
３２，４２，５２，６２ 動翼
４３，５３，６３ ダイアフラム
３４，４４，５４，６４ ケーシングシュラウド
３５，４５，５５，６５ ロータ
３６ 静翼支持部材
４６，６６ スペーサ
５６ 隔壁
５７， ５８ 中間流路部材

Claims (11)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動される高圧タービンと、前記高圧タービンから排出されたガスで駆動される低圧タービンとを備え、前記圧縮機と前記高圧タービンの軸である第一の軸と、前記低圧タービンの軸である第二の軸とが別軸である２軸式ガスタービンにおいて、
   主流流路の内周側と外周側の少なくとも一方において、前記高圧タービン出口が前記低圧タービン入口よりも低くなるよう構成され、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の外周が、
   ケーシングに支持され前記高圧タービンの最終段動翼の外周側に位置する第一のケーシングシュラウドと前記低圧タービン初段静翼とから構成され、
   前記第一のケーシングシュラウドと前記低圧タービン初段静翼の接続位置が前記高圧タービン最終段動翼出口より前記低圧タービン初段静翼入口に近いこと
   を特徴とする２軸式ガスタービン。
2. 請求項１に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の形状が、流路断面積が一定または単調増加となるよう構成されていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
3. 請求項１または２に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の外周形状が、少なくとも下流側に拡大する円錐台形状を備えていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
4. 請求項１−３に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   ケーシングに支持され前記低圧タービンの初段動翼の外周側に位置する第二のケーシングシュラウドを備え、
   前記低圧タービン初段静翼が、前記第一のケーシングシュラウドと前記第二のケーシングシュラウドに支持されていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
5. 請求項１−４に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記第一のケーシングシュラウドおよび前記低圧タービン初段静翼は、複数のセグメントに分割されたセグメント構造であることを特徴とした２軸式ガスタービン。
6. 請求項１−５に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記ケーシングは低圧タービンケーシングと高圧タービンケーシングとから構成されていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
7. 請求項１−６に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の内周形状が、下流側に拡大する円錐台形状を備えていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
8. 請求項７に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の外周形状が、少なくとも下流側に拡大する円錐台形状を備えており、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の、軸に対する内周側の円錐台部分の傾きが外周側の円錐台部分の傾きより小さいことを特徴とする２軸式ガスタービン設備。
9. 請求項１−８のいずれかに記載の２軸式ガスタービンにおいて、
   前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の内周が、前記低圧タービン初段静翼のみから構成されていることを特徴とする２軸式ガスタービン。
10. 請求項１−９に記載の２軸式ガスタービンにおいて、
    前記高圧タービン最終段動翼の重心位置と前記低圧タービン初段静翼の重心位置の間の軸方向距離が、他の隣接する動翼と静翼の重心間距離よりも長いことを特徴とする２軸式ガスタービン。
11. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えた１軸式ガスタービンの改造方法において、
    前記タービンを、前記圧縮機と同軸に接続された高圧タービンと、前記高圧タービンの回転軸とは別の軸に接続された低圧タービンとに分割し、
    主流流路の内周側と外周側の少なくとも一方において、前記高圧タービン出口を前記低圧タービン入口よりも低くし、
    前記高圧タービン出口と前記低圧タービン入口をつなぐ流路の外周側形状を、
    ケーシングに支持され前記高圧タービンの最終段動翼の外周側に位置する第一のケーシングシュラウドと前記低圧タービン初段静翼とを、前記高圧タービン最終段動翼出口より前記低圧タービン初段静翼入口に近い位置で接続させることで形成することを特徴とする１軸式ガスタービンの改造方法。

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