JP2011137389A - ガスタービンの冷却流路構造、ガスタービンおよびガスタービンの冷却流路構造の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スロート面積の微調整を容易に行うことができるガスタービンの冷却流路構造、ガスタービンおよびガスタービンの冷却流路構造の調整方法を提供する。
【解決手段】冷却媒体をロータアッセンブリの回転方向に導く複数の冷却媒体流路７４と、複数の冷却媒体流路７４の間を仕切る冷却媒体ガイド部７１，７２，７３を有するガスタービンの冷却流路構造６４であって、冷却媒体ガイド部７１，７２，７３およびシュラウド部７５を有する複数のセグメントＳＧにより構成され、少なくとも１つのセグメントＳＧにおける一の冷却媒体ガイド部７１，７２の形状が、他のセグメントＳＧにおける他の冷却媒体ガイド部７３の形状と異なり、一の冷却媒体ガイド部７１，７２と隣接する冷却媒体流路７４における流路断面積が、他の冷却媒体ガイド部７３に挟まれた冷却媒体流路７４における流路断面積と異なることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、ガスタービンのタービン動翼を冷却するガスタービンの冷却流路構造、ガスタービンおよびガスタービンの冷却流路構造の調整方法に関する。

ガスタービンでは、圧縮機により圧縮された圧縮空気を燃焼器に導き、圧縮空気を用いて燃料を燃焼させて高温ガスを発生させ、タービンにおいて高温ガスのエネルギを回転駆動力に変換し、回転駆動力の一部を用いて圧縮機を駆動している。
そして、圧縮空気の一部は、タービンのタービン動翼およびタービン静翼を冷却する冷却空気や、タービン動翼およびタービン静翼の間のシール空気として抽気されている。

具体的には、抽気された圧縮空気である冷却空気等は、冷却器によって冷却される等した後、ケーシングに配置されたタービン静翼の内部に形成された冷却流路や、回転するタービン動翼およびタービン動翼を保持するロータディスクの内部に形成された冷却流路や、タービン動翼およびタービン静翼の間のシール空気流路等に流入する。

ここで、冷却空気等が回転するタービン動翼等の冷却流路に流入する際、冷却空気等には、予旋回ノズルによってタービン動翼等の回転方向に回転する流速成分が与えられる。このようにすることで、冷却空気等に回転する流速成分を与えるために消費される動力であるポンピングロスを抑制することができることが知られている。

予旋回ノズルにおける冷却空気等が流れる流路断面積のうち、特に最も流路断面積が狭いスロート面積は、ロータ冷却空気量を決定する重要なパラメータであり、タービン動翼を所定温度に冷却するために必要な冷却空気等の流量に基づいて定められている。そのため、ガスタービンの設計が変更されてタービン入口温度が変更された場合など、タービン動翼等に必要な冷却空気等の流量が変更された場合においては、予旋回ノズルのスロート面積を変更する必要がある場合がある。

そこで、予旋回ノズルにおける冷却空気等が流入する入口に遮蔽板を設け、予旋回ノズルを流れる冷却空気等の流量を調節する方法、言い換えると、予旋回ノズルのスロート面積を調節する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、一体鋳造されるとともに、冷却空気等が流れる複数の流路を有する予旋回ノズルであって、鋳造時には一部の流路が閉塞された予旋回ノズルを準備し、予旋回ノズルを流れる冷却空気等の流量が所定値になるように、閉塞された流路を切削して開口を形成する方法、言い換えると、予旋回ノズルのスロート面積を調節する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特表２００３−５００５８５号公報 特許第２７４２９９８号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の方法では、入口に設けられた遮蔽板が入口から脱落し、ガスタービンにおける不具合の原因になるおそれがあるという懸念があった。つまり、脱落した遮蔽板は、冷却空気等の流れにより下流側に押し流され、タービンの構成要素に衝突することで、これらの構成要素が損傷するという懸念があった。

その一方で特許文献２に記載された方法では、既に設置されたガスタービンに設けられた予旋回ノズルにおけるスロート面積を調整する場合、新たな予旋回ノズルを製作し、ガスタービンに設けられていた予旋回ノズルと、新たに製作した予旋回ノズルとを交換する必要があった。つまり、容易にスロート面積を調整することができないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、スロート面積の調整を容易に行うことができるガスタービンの冷却流路構造、ガスタービンおよびガスタービンの冷却流路構造の調整方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスタービンの冷却流路構造の調整方法は、ガスタービンのロータアッセンブリを冷却する冷却媒体をステータアッセンブリからロータアッセンブリに向かって導くとともに、ロータアッセンブリの回転方向に導く複数の冷却媒体流路と、該複数の冷却媒体流路の間を仕切るとともに壁面を構成する冷却媒体ガイド部と、該冷却媒体ガイド部の少なくとも一方の端部に配置されたシュラウド部と、を有するガスタービンの冷却流路構造であって、前記冷却媒体ガイド部および前記シュラウド部を有する複数のセグメントにより構成され、少なくとも１つの前記セグメントにおける一の冷却媒体ガイド部の形状が、他の前記セグメントにおける他の冷却媒体ガイド部の形状と異なり、前記一の冷却媒体ガイド部と隣接する前記冷却媒体流路における流路断面積が、前記他の冷却媒体ガイド部に挟まれた前記冷却媒体流路における流路断面積と異なることを特徴とする。

本発明によれば、一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントの数を増減させることにより、複数の冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を調節することができる、言い換えると、冷却媒体流路における流路断面積のうち最も面積が狭いスロート面積を調節することができる。
そのため、形状が異なる冷却媒体ガイド部を少なくとも２種類（一の冷却媒体ガイド部および他の冷却媒体ガイド部）準備することにより、上述のスロート面積を調節することができる。つまり、冷却媒体ガイド部の形状を数多く設計する必要がなく、設計の手間がかからない。

さらに、既存の冷却流路構造についてスロート面積を変更する場合であっても、既存の冷却流路構造に係る冷却媒体ガイド部（他の冷却媒体ガイド部）を有するセグメントの一部を、変更したスロート面積に係る冷却媒体ガイド部（一の冷却媒体ガイド部）を有するセグメントに交換することにより、既存の冷却流路構造に係るスロート面積を変更することができる。言い換えると、冷却流路構造の全体を新たに製造することなく、スロート面積を変更することができる。

その一方で、遮蔽板を冷却流路構造に溶接などの方法で固定し、複数の冷却媒体流路の一部を塞ぐ方法と比較して、脱落した部品（遮蔽板）がロータアッセンブリやステータアッセンブリ等に損傷を与えるリスクを軽減することができる。言い換えると、ガスタービンの信頼性を高めることができる。

上記発明においては、前記他の冷却媒体ガイド部は断面形状が翼型に形成され、前記一の冷却媒体ガイド部は、断面形状が前記翼型における凹状に湾曲した正圧面のみが形成されたもの、および、前記翼型における凸状に湾曲した負圧面のみが形成されたもの、の少なくとも一方であることが望ましい。

本発明によれば、断面形状が翼型を有する冷却媒体ガイド部を採用した場合であっても、１つの翼型を用いて一の冷却媒体ガイド部および他の冷却媒体ガイド部を形成することができる。そのため、冷却媒体ガイド部に用いられる翼型を変更することなく、冷却流路構造におけるスロート面積の調節を行うことができる。

ここで、正圧面のみが形成された一の冷却媒体ガイド部とは、一の冷却媒体ガイド部における負圧面が形成される部分の加工が行われず、一の冷却媒体ガイド部がセグメントの端部まで延びているものをいう。負圧面のみが形成された一の冷却媒体ガイド部も同様に、一の冷却媒体ガイド部における正圧面が形成される部分の加工が行われず、一の冷却媒体ガイド部がセグメントの端部まで延びているものをいう。

例えば、正圧面のみが形成された一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントと、負圧面のみが形成された一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントとを隣接して配置することにより、これら冷却媒体ガイド部の間の冷却媒体流路が閉塞される。そのため、冷却流路構造におけるスロート面積の調節を行うことができる。

さらに、一の冷却媒体ガイド部と、他の冷却媒体ガイド部とを別々の翼型で設計する場合と比較して、同じ翼型で一の冷却媒体ガイド部および他の冷却媒体ガイド部を設計することができるため、冷却流路構造の設計に要する手間を抑えることができる。

上記発明においては、１つのセグメントに１つの前記一の冷却媒体ガイド部または前記他の冷却媒体ガイド部が設けられ、前記冷却媒体流れに対して交差する方向において、前記一の冷却媒体ガイド部が設けられた前記セグメントは、前記他の冷却媒体ガイド部が設けられた前記セグメントより長く、前記一の冷却媒体ガイド部は、前記他の冷却媒体ガイド部よりも厚いことが望ましい。

本発明によれば、１個の一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントによって、少なくとも１つの冷却媒体流路を塞ぐことができる。そのため、複数個の一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントを用いて冷却媒体流路を塞ぐ場合と比較して、容易かつ確実に冷却流路構造におけるスロート面積の調節を行うことができる。

つまり、複数個の一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントを用いて冷却媒体流路を塞ぐ場合には、冷却媒体がこれらセグメントの間の隙間を流れて、冷却流路構造を流れる冷却媒体の流量を正確に調節することができない。そのため、正確な流量調整を期す場合はこれらセグメントの間の隙間を溶接などの方法により塞ぐ必要があり、冷却流路構造におけるスロート面積の調節を容易に行うことができなかった。

これに対して、１個の一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントを用いて冷却媒体流路を塞ぐ場合には、上述の隙間がないため、容易かつ確実に冷却流路構造におけるスロート面積の調節を行うことができる。

上記発明においては、前記一の冷却媒体ガイド部は、前記他の冷却媒体ガイド部と比較して、上流側の端部から下流側の端部までの長さが短いことが望ましい。

本発明によれば、一の冷却媒体ガイド部と隣接する冷却媒体流路における冷却媒体の流量を増やすこと、言い換えると、スロート面積を広げることができる。そのため、冷却流路構造におけるスロート面積の調節を行うことができる。

一般に、流体の流れの向きを偏向する板状のガイド部が列状に並んでいる場合において、当該ガイド部の長さ（上流側の端部から下流側の端部までの寸法）を短くするカットバックを行うと、カットバックを行わない場合と比較して、複数のガイド部の間を流れる流体の流量が増加する。言い換えると、複数のガイド部の間の流路におけるスロート面積が増大する。

そのため、長さが短い一の冷却媒体ガイド部に隣接する冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量が増加する。言い換えると、当該隣接する冷却媒体流路におけるスロート面積が増大する。

本発明のガスタービンは、燃焼に用いられる空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温ガスを生成する燃焼部と、前記高温ガスにより回転駆動されるタービン部と、上記本発明のガスタービンの冷却流路構造と、が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、上記本発明の冷却流路構造が設けられているため、ガスタービンの冷却流路構造におけるスロート面積の微調整を容易に行うことができる。

本発明のガスタービンの冷却流路構造の調整方法は、既設のガスタービンに設けられていたガスタービンの冷却流路構造を、上記本発明のガスタービンの冷却流路構造に交換することを特徴とする。

本発明によれば、上記本発明の冷却流路構造に交換することにより、交換する冷却流路構造の全体を新たに設計する必要がなく、かつ、冷却流路構造の全体を一から製作する必要もない。

例えば、既設のガスタービンを改修したり、アップグレードしたりする場合に、ロータアッセンブリに供給する冷却空気の流量を変更する必要があるときがある。言い換えると、冷却流路構造のスロート面積を調整する必要があるときがある。

このような場合に冷却流路構造を交換することとなるが、上記本発明の冷却流路構造では、一の冷却媒体ガイド部を有するセグメントを交換することで、冷却媒体のスロート面積を調節することができ、冷却流路構造の全体を新たに製作する必要も、全体を一から製作する必要もない。

本発明のガスタービンの冷却流路構造、ガスタービンおよびガスタービンの冷却流路構造の調整方法によれば、少なくとも１つのセグメントにおける一の冷却媒体ガイド部の形状を、他のセグメントにおける他の冷却媒体ガイド部の形状と異ならせて、一の冷却媒体ガイド部と隣接する冷却媒体流路における流路断面積を、他の冷却媒体ガイド部に挟まれた冷却媒体流路における流路断面積と異ならせることにより、スロート面積の微調整を容易に行うことができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。 図１のタービン部および動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。 図２のＴＯＢＩノズルの周辺構成を説明する部分拡大図である。 図３のＴＯＢＩノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。 図４のＴＯＢＩノズルにおける第１ノズル翼、第２ノズル翼および第３ノズル翼の構成を説明する図である。 図４のＴＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。 図４のＴＯＢＩノズルにおける第２ノズル翼、第３ノズル翼を有するセグメント対の配置位置を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係るガスタービンのＴＯＢＩノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。 図８のＴＯＢＩノズルにおける第１ノズル翼および第３ノズル翼の構成を説明する図である。 図８のＴＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るガスタービンのＴＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るガスタービンついて図１から図７を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。
本実施形態に係るガスタービン１は、例えば、発電機などの外部機器に回転駆動力を供給するものである。
ガスタービン１には、図１に示すように、圧縮機２と、燃焼器（燃焼部）３と、タービン部４と、回転軸５と、動翼冷却系統６と、が主に設けられている。

圧縮機２は、燃焼に用いられる空気を外部から吸入して圧縮し、燃焼器３に供給するものである。さらに圧縮機２は、動翼冷却系統６に供給される冷却空気を供給するものでもある。圧縮機２は回転軸５により回転可能に支持されるとともに、回転軸５によって回転駆動されるものである。
なお圧縮機２としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。

燃焼器３は、圧縮機２から供給された圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させるものであって、高温ガスを発生させて燃焼ガスをタービン部４に供給するものである。燃焼器３は、圧縮機２とタービン部４との間に配置されている。
なお燃焼器３としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。

図２は、図１のタービン部および動翼冷却系統の構成を説明する模式図である。
タービン部４は、燃焼器３から供給された高温ガスから回転駆動力を抽出するものである。さらに、タービン部４は回転軸５により回転可能に支持されるとともに、抽出した回転駆動力を回転軸５に伝達するものである。
タービン部４には、ロータディスク４３とともにロータアッセンブリを構成するタービン動翼４１、および、ステータアッセンブリを構成するタービン静翼４２から構成される段が、回転軸５の軸線方向に沿って並んで設けられている。

タービン動翼４１は、回転軸５に設けられた円板状のロータディスク４３の外周面に並んで配置されているものであって、周囲を流れる燃焼ガスによって回転軸５まわりに回転駆動されるものである。タービン静翼４２は、タービン部４を構成するケーシングの内周面から回転軸５に向かって延びるものであって、タービン動翼４１とともに周囲を流れる高温ガスから回転駆動力を抽出するものである。
なおタービン部４の構成としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。

回転軸５は、圧縮機２およびタービン部４を回転可能に支持するものであって、タービン部４により抽出された回転駆動力を圧縮機２や外部機器に伝達するものである。
なお回転軸５としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

動翼冷却系統６は、圧縮機２により圧縮された空気を冷却空気としてタービン動翼４１に供給するものである。
動翼冷却系統６には、系統流路６１と、冷却空気熱交換器６２と、ＴＯＢＩノズル（冷却流路構造）６４が設けられている。

系統流路６１は、圧縮機２により圧縮された空気の一部を冷却空気として抽気し、抽気された冷却空気を、最終的にはタービン動翼４１に導くものである。
系統流路６１の一方の端部は、燃焼器３を覆う車室３１に接続され、他方の端部は、タービン動翼４１のロータディスク４３と対向する位置に配置されている。そのため、系統流路６１の一方の端部には、圧縮機２により圧縮され、燃焼器３に流入する前の圧縮空気が流入する。また、系統流路６１の他方の端部から流出した冷却空気は、ロータディスク４３に形成された冷却空気の流路を介してタービン動翼４１に導かれる。
系統流路６１の途中には、冷却空気熱交換器６２が配置されている。さらに、系統流路６１における他方の端部には、ＴＯＢＩノズル６４が配置されている。

冷却空気熱交換器６２は、系統流路６１に設けられた熱交換器であって、タービン動翼４１に供給される冷却空気の熱を外部に放出させるものである。なお、冷却空気熱交換器６２としては公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではなく、さらに本発明において必ずしも必要な構成ではない。

図３は、図２のＴＯＢＩノズルの周辺構成を説明する部分拡大図である。図４は、図３のＴＯＢＩノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。図５は、図４のＴＯＢＩノズルにおける第１ノズル翼、第２ノズル翼および第３ノズル翼の構成を説明する図である。図６は、図４のＴＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。
ＴＯＢＩノズル６４は、図３に示すように、系統流路６１からタービン動翼４１およびロータディスク４３に流入する冷却空気（冷却媒体）を、膨張させながらタービン動翼４１等の回転方向に加速し、回転方向の流速成分を与えるものである。
ここで、ＴＯＢＩとは（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）の頭文字を取ったものである。

ＴＯＢＩノズル６４には、図４および図５に示すように、円筒状に形成されたプラットフォーム（シュラウド部）７５と、プラットフォーム７５の外周面から径方向外側に延びて配置されるとともに、周方向に並んで配置された第１ノズル翼（一の冷却媒体ガイド部）７１、第２ノズル翼（一の冷却媒体ガイド部）７２および第３ノズル翼（他の冷却媒体ガイド部）７３と、第１ノズル翼７１、第２ノズル翼７２および第３ノズル翼７３の先端に円筒状に形成されたシュラウド７６と、プラットフォーム７５、シュラウド７６、第１ノズル翼７１、第２ノズル翼７２および第３ノズル翼７３に囲まれた複数のノズル流路（冷却媒体流路）７４と、が設けられている。さらにＴＯＢＩノズル６４は、周方向に等間隔に分割された複数のセグメントＳＧから構成されている。セグメントＳＧは、一体に形成されたものである。

第１ノズル翼７１、第２ノズル翼７２および第３ノズル翼７３は、冷却空気がロータディスク４３に向かって流れた際に、タービン動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回するように配置された翼型状に形成されたものである。

第１ノズル翼７１は、図５および図６に示すように、翼型における凹状に湾曲した正圧面（腹側の面）のみが切削加工により形成されたものであって、凸状に湾曲した負圧面側は切削加工が行われず、第１ノズル翼７１がセグメントＳＧの端部まで延びているものである。

第２ノズル翼７２は、翼型における凸状に湾曲した負圧面（背側の面）のみが切削加工により形成されたものであって、凹状に湾曲した正圧面側は切削加工が行われず、第２ノズル翼７２がセグメントＳＧの端部まで延びているものである。
第３ノズル翼７３は、翼型における正圧面および負圧面が切削加工により形成されたものである。

第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧは、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧにおける正圧面側に隣接して配置され、第１ノズル翼７１および第２ノズル翼７２が一体になるように配置されている。言い換えると、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧは、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧにおける負圧面側に隣接して配置されている。

図７は、図４のＴＯＢＩノズルにおける第２ノズル翼および第３ノズル翼を有するセグメントの配置位置を説明する図である。
本実施形態では、図７に示すように、ＴＯＢＩノズル６４に第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの対が周方向に等間隔に４対配置され、その間は第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧで埋められている例に適用して説明する。
なお、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの対の数は、４対よりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。

ノズル流路７４は、図５および図６に示すように、冷却空気が流れる流路であって、冷却空気にタービン動翼４１等が回転する方向に回転する流速成分を与えるものである。
ノズル流路７４の流路断面積はタービン動翼４１に向かって変化し、面積が最も狭い部分をスロート部ＴＨと呼び、スロート部ＴＨにおける流路断面積をスロート面積と呼ぶ。各ノズル流路７４のスロート部ＴＨにおける流路断面積、つまりスロート面積の合計が、ＴＯＢＩノズル６４全体におけるスロート面積となる。

スロート面積は、ガスタービン１が定格運転されている場合にタービン動翼４１の冷却等に必要とされる冷却空気の流量に基づいて定められている。より具体的には、ガスタービン１の運転条件が厳しい状態（高大気温度、かつ、ガスタービン入口温度が高い状態）における定格運転時に、タービン動翼４１のクリープ強度、疲労強度の確保、高温酸化の防止のために必要な翼冷却空気量と、各部の隙間をパージするために必要なシール空気量の合計に基づいて定められる。

なお、本実施形態では系統流路６１を流れる冷却空気に回転する流速成分をＴＯＢＩノズル６４で与える例に適用して説明したが、その他に、ＲＯＢI（Ｒａｄｉａｌ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）ノズルによって回転する流速成分を与えてもよく、特に限定するものではない。

次に、上記の構成からなるガスタービン１の運転について図１などを参照しながら説明する。
回転軸５によって圧縮機２が回転駆動されると、外部の空気が圧縮機２に吸入される。吸入された空気は圧縮機２により圧縮されて高圧の空気となって、燃焼器３に供給される。燃焼器３では、圧縮された空気に対して燃料が噴射され、空気と燃料の混合気が燃焼される。燃焼により発生した高温ガスは、燃焼器３からタービン部４に供給される。

タービン部４では、高温ガスによってタービン動翼４１が回転駆動され、ロータディスク４３を介して回転軸５に回転駆動力が伝達される。回転軸５は回転駆動力の一部を圧縮機２に伝達し、圧縮機２における空気の圧縮に用いられる。その他の回転駆動力は発電機などの外部機器に供給される。

その一方で、圧縮機２により圧縮されて高圧となった空気の一部は、動翼冷却系統６に流入する。つまり、系統流路６１の燃焼器３側の開口端から、上述の圧縮された空気がタービン動翼４１を冷却する空気として流入する。系統流路６１を流れる冷却空気は、冷却空気熱交換器６２においてその熱が外部に放熱されて冷却され、ＴＯＢＩノズル６４に流入する。

ＴＯＢＩノズル６４は、冷却空気に対して、タービン動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に回転する流速成分を与える。具体的には、冷却空気は、ＴＯＢＩノズル６４における第１ノズル翼７１および第３ノズル翼７３の間、第２ノズル翼７２および第３ノズル翼７３の間、第３ノズル翼７３および第３ノズル翼７３の間のノズル流路７４を回転軸５に沿ってロータディスク４３に向かって流れ、タービン動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回する旋回流れとなる。

ＴＯＢＩノズル６４から噴出された冷却空気は、ロータディスク４３に形成された冷却空気の流路を介してタービン動翼４１に導かれる。タービン動翼４１に導かれた冷却空気は、タービン動翼４１を冷却した後、タービン部４の内部、つまり高温ガスが流れる流路に流出し、排気ガスとして外部に放出される。

次に、本実施形態の特徴である既に設置されているガスタービン１におけＴＯＢＩノズル６４の調整方法について説明する。例えば、既設のガスタービン１の能力を向上させる改修（アップグレード）など、タービン動翼４１に供給する冷却空気の流量を変更する場合におけるＴＯＢＩノズル６４の調整方法、より具体的には交換方法について説明する。

ここでは、タービン動翼４１に供給する冷却空気の流量を減少させる場合について説明する。冷却空気の流量を減少させる場合には、ＴＯＢＩノズル６４における冷却媒体が流れる流路断面積を狭くすればよい。そのため、既設のガスタービン１に設けられたＴＯＢＩノズル６４と比較して、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの対の数を増やした新たなＴＯＢＩノズル６４、言い換えると、ノズル流路７４の数を減らしたＴＯＢＩノズル６４を準備する。

なお、既設のガスタービン１に設けられたＴＯＢＩノズル６４に、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの対は設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。

ここで、本実施形態のＴＯＢＩノズル６４は、上述のように、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧ、および、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧから主に構成されている。
そのため、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの対の数を増減させても、ＴＯＢＩノズル６４を構成するこれらセグメントＳＧを新たに設計する必要がない。

既設のガスタービン１に設けられていたＴＯＢＩノズル６４の流量を調節する際には、既設のＴＯＢＩノズル６４に係る、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧの一部を、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧに交換することにより、既存のＴＯＢＩノズル６４に係るスロート面積を変更することにより、ＴＯＢＩノズル６４の調整が終了する。

上記の構成によれば、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの対の数を増減させることにより、複数のノズル流路７４を流れる冷却媒体の流量を調節することができる、言い換えると、ノズル流路７４における流路断面積のうち最も面積が狭いスロート面積を調節することができる。
そのため、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧ、および、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧを準備することにより、上述のスロート面積を容易に調節することができる。つまり、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧ、および、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧ以外のセグメントの設計する必要がない。つまり、設計の手間がかからず、スロート面積の微調整を容易に行うことができる。

さらに、既存のＴＯＢＩノズル６４についてスロート面積を変更する場合であっても、既存のＴＯＢＩノズル６４に係る、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧの一部を、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧに交換することにより、既存のＴＯＢＩノズル６４に係るスロート面積を変更することができる。言い換えると、ＴＯＢＩノズル６４の全体を新たに製造することなく、スロート面積を変更することが容易にできる。

その一方で、遮蔽板を冷却流路構造に溶接などの方法で固定し、複数のノズル流路７４の一部を塞ぐ方法と比較して、脱落した部品（遮蔽板）がタービン動翼４１やロータディスク４３等に損傷を与えるリスクを軽減することができる。言い換えると、ガスタービン１の信頼性を高めることができる。

断面形状が翼型を有するノズル翼を採用した場合であっても、１つの翼型を用いて第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧ、および、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧを形成することができる。そのため、ノズル翼に用いられる翼型を変更することなく、ＴＯＢＩノズル６４におけるスロート面積の調節を行うことができる。

具体的には、翼型における凹状に湾曲した正圧面のみが形成された第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧと、翼型における凸状に湾曲した負圧面のみが形成された第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧとを隣接して配置することにより、これらセグメントＳＧの間のノズル流路７４が閉塞される。そのため、ＴＯＢＩノズル６４におけるスロート面積の調節を行うことができる。

さらに、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧ、および、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧを別々の翼型で設計する場合と比較して、同じ翼型で第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧ、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧ、および、第３ノズル翼７３を有するセグメントＳＧを設計することができるため、ＴＯＢＩノズル６４の設計に要する手間を抑えることができる。

ＴＯＢＩノズル６４の構造を本実施形態の構造にすることにより、交換するＴＯＢＩノズル６４の全体を新たに設計する必要がなく、かつ、ＴＯＢＩノズル６４の全体を一から製作する必要もない。

なお、ＴＯＢＩノズル６４におけるノズル流路７４の面積を拡大させる場合には、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧや、第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧの代わりに、プラットフォーム７５のみで、ノズル翼が設けられていないセグメントＳＧを使用することもできる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図８から図１０を参照して説明する。
本実施形態のガスタービンの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ＴＯＢＩノズルの構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図８から図１０を用いてＴＯＢＩノズルの構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図８は、本実施形態に係るガスタービンのＴＯＢＩノズルの構成を説明する部分拡大斜視図である。図９は、図８のＴＯＢＩノズルにおける第１ノズル翼および第３ノズル翼の構成を説明する図である。図１０は、図８のＴＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態に係るガスタービン１０１のＴＯＢＩノズル（冷却流路構造）１６４には、図８から図１０に示すように、円筒状に形成されたプラットフォーム７５，１７５と、プラットフォーム１７５の外周面から径方向外側に延びて配置された第１ノズル翼（一の冷却媒体ガイド部）１７１と、プラットフォーム７５の外周面から径方向外側に延びて配置されるとともに、周方向に並んで配置された第３ノズル翼７３と、第１ノズル翼１７１および第３ノズル翼７３の先端に円筒状に形成されたシュラウド７６，１７６と、プラットフォーム７５，１７５、シュラウド７６，１７６、第１ノズル翼１７１および第３ノズル翼７３に囲まれた複数のノズル流路７４と、が設けられている。さらにＴＯＢＩノズル１６４は、周方向に分割された複数のセグメントＳＧから構成されている。セグメントＳＧは、一体に形成されたものである。

第１ノズル翼１７１および第３ノズル翼７３は、冷却空気がロータディスク４３に向かって流れた際に、タービン動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回するように配置された翼型状に形成されたものである。

第１ノズル翼１７１は、図８から図１０に示すように、例えば、第１ノズル翼１７１の代わりに第３ノズル翼７３が配置されていたとした場合における隣接する第３ノズル翼７３を包含する形状に形成されたものである。そのため、第１ノズル翼１７１における正圧面および負圧面の形状は、個々に見ると第３ノズル翼７３と同一の形状になっている。その一方で、冷却空気流れと交差する方向（図１０の左右方向）において、第１ノズル翼１７１は、第３ノズル翼７３よりも厚く形成されている。

プラットフォーム１７５は、外周面に第１ノズル翼１７１が設けられたものであって、第３ノズル翼７３が設けられたプラットフォーム７５と比較して、冷却空気流れと交差する方向（図１０の左右方向）において、約２倍の長さに形成されたものである。

上記の構成からなるガスタービン１０１の運転、および、ＴＯＢＩノズル１６４の調整方法については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

上記の構成によれば、１個の第１ノズル翼１７１を有するセグメントＳＧによって、少なくとも１つのノズル流路７４を塞ぐことができる。そのため、第１の実施形態のように、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧを用いてノズル流路７４を塞ぐ場合と比較して、容易かつ確実にＴＯＢＩノズル１６４におけるスロート面積の調節を行うことができる。

つまり、第１の実施形態のように、第１ノズル翼７１を有するセグメントＳＧおよび第２ノズル翼７２を有するセグメントＳＧを用いてノズル流路７４を塞ぐ場合には、冷却空気がこれらセグメントＳＧの間の隙間を流れて、ＴＯＢＩノズル１６４を流れる冷却空気の流量を正確に調節することができない。そのため、これらセグメントＳＧの間の隙間を溶接などの方法により塞ぐ必要があり、ＴＯＢＩノズル１６４におけるスロート面積の調節を容易に行うことができなかった。

これに対して、１個の第１ノズル翼１７１を有するセグメントＳＧを用いてノズル流路７４を塞ぐ場合には、上述の隙間がないため、容易かつ確実にＴＯＢＩノズル１６４におけるスロート面積の調節を行うことができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図１１を参照して説明する。
本実施形態のガスタービンの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ＴＯＢＩノズルの構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図１１を用いてＴＯＢＩノズルの構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１１は、本実施形態に係るガスタービンのＴＯＢＩノズルの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態に係るガスタービン２０１のＴＯＢＩノズル（冷却流路構造）２６４には、図１１に示すように、円筒状に形成されたプラットフォーム７５と、プラットフォーム７５の外周面から径方向外側に延びて配置された第１ノズル翼（一の冷却媒体ガイド部）２７１および第３ノズル翼７３と、プラットフォーム７５、第１ノズル翼２７１および第３ノズル翼７３に囲まれた複数のノズル流路７４と、が設けられている。さらにＴＯＢＩノズル２６４は、周方向に分割された複数のセグメントＳＧから構成されている。セグメントＳＧは、一体に形成されたものである。

第１ノズル翼２７１および第３ノズル翼７３は、冷却空気がロータディスク４３に向かって流れた際に、タービン動翼４１およびロータディスク４３の回転方向に旋回するように配置された翼型状に形成されたものである。

第１ノズル翼２７１は、図１１に示すように、第３ノズル翼７３と同一の翼型であって、後縁ＴＥを切削加工により削り落したものである。言い換えると、翼型の上流側の端部である前縁から、下流側の端部である後縁までの距離を短くしたもの（カットバックしたもの）である。

上記の構成からなるガスタービン２０１の運転、および、ＴＯＢＩノズル２６４の調整方法については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

上記の構成によれば、第１ノズル翼２７１と隣接するノズル流路７４における冷却空気の流量を増やすこと、言い換えると、後縁ＴＥを切削加工により削り落した後のスロート部ＴＨ１における流路断面積（つまりスロート面積）を、後縁ＴＥを切削加工により削り落す前のスロート部ＴＨ０における流路断面積（スロート面積）よりも広げることができる。そのため、ＴＯＢＩノズル２６４におけるスロート面積の調節を行うことができる。

一般に、流体の流れの向きを偏向する板状のガイド部が列状に並んでいる場合において、当該ガイド部の長さ（上流側の端部から下流側の端部までの寸法）を短くするカットバックを行うと、カットバックを行わない場合と比較して、複数のガイド部の間を流れる流体の流量が増加する。言い換えると、複数のガイド部の間の流路におけるスロート面積が増大する。

そのため、長さが短い第１ノズル翼２７１に隣接するノズル流路７４を流れる冷却空気の流量が増加する。言い換えると、当該隣接するノズル流路におけるスロート面積が増大する。

１，１０１，２０１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器（燃焼部）
４ タービン部
４１ タービン動翼（ロータアッセンブリ）
４２ タービン静翼（ステータアッセンブリ）
４３ ロータディスク（ロータアッセンブリ）
６４，１６４，２６４ ＴＯＢＩノズル（冷却流路構造）
７１，１７１，２７１ 第１ノズル翼（一の冷却媒体ガイド部）
７２ 第２ノズル翼（一の冷却媒体ガイド部）
７３ 第３ノズル翼（他の冷却媒体ガイド部）
７４ ノズル流路（冷却媒体流路）
７５ プラットフォーム（シュラウド部）

Claims (6)

1. ガスタービンのロータアッセンブリを冷却する冷却媒体をステータアッセンブリからロータアッセンブリに向かって導くとともに、ロータアッセンブリの回転方向に導く複数の冷却媒体流路と、
   該複数の冷却媒体流路の間を仕切るとともに壁面を構成する冷却媒体ガイド部と、
   該冷却媒体ガイド部の少なくとも一方の端部に配置されたシュラウド部と、
   を有するガスタービンの冷却流路構造であって、
   前記冷却媒体ガイド部および前記シュラウド部を有する複数のセグメントにより構成され、
   少なくとも１つの前記セグメントにおける一の冷却媒体ガイド部の形状が、他の前記セグメントにおける他の冷却媒体ガイド部の形状と異なり、
   前記一の冷却媒体ガイド部と隣接する前記冷却媒体流路における流路断面積が、前記他の冷却媒体ガイド部に挟まれた前記冷却媒体流路における流路断面積と異なることを特徴とするガスタービンの冷却流路構造。
2. 前記他の冷却媒体ガイド部は断面形状が翼型に形成され、
   前記一の冷却媒体ガイド部は、断面形状が前記翼型における凹状に湾曲した正圧面のみが形成されたもの、および、前記翼型における凸状に湾曲した負圧面のみが形成されたもの、の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの冷却流路構造。
3. １つのセグメントに１つの前記一の冷却媒体ガイド部または前記他の冷却媒体ガイド部が設けられ、
   前記冷却媒体流れに対して交差する方向において、
   前記一の冷却媒体ガイド部が設けられた前記セグメントは、前記他の冷却媒体ガイド部が設けられた前記セグメントより長く、
   前記一の冷却媒体ガイド部は、前記他の冷却媒体ガイド部よりも厚いことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンの冷却流路構造。
4. 前記一の冷却媒体ガイド部は、前記他の冷却媒体ガイド部と比較して、上流側の端部から下流側の端部までの長さが短いことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの冷却流路構造。
5. 燃焼に用いられる空気を圧縮する圧縮機と、
   圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼させ、高温ガスを生成する燃焼部と、
   前記高温ガスにより回転駆動されるタービン部と、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービンの冷却流路構造と、
   が設けられていることを特徴とするガスタービン。
6. 既設のガスタービンに設けられていたガスタービンの冷却流路構造を、請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービンの冷却流路構造に変更することを特徴とするガスタービンの冷却流路構造の調整方法。
   

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