JP2011153540A

JP2011153540A - 分割環冷却構造およびガスタービン

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Publication number: JP2011153540A
Application number: JP2010014356A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Koyabu; 豪通小薮; Satoru Haneda; 哲羽田; Junichiro Shoda; 淳一郎正田; Keizo Tsukagoshi; 敬三塚越
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: US20110182724A1; KR101280625B1; JP4634528B1; EP2530279B1; EP2530279A1; CN102472169A; EP2530279A4; CN102472169B; KR20120038975A; WO2011092917A1; US8480353B2

Abstract

【課題】分割体の酸化、減肉を防止するとともに、分割体の側端部を冷却する冷却空気量の低減を図り、ガスタービン全体の熱効率を向上させる分割環冷却構造およびガスタービンを提供すること。
【解決手段】回転軸の廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、分割体は、分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、第１領域の冷却流路と第１領域の冷却流路より流路断面積が小さい第２領域の冷却流路から形成される第１冷却流路と、第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向けて冷却空気を吹き出す第２冷却流路を含む構造を備え、第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンに適用される分割環の冷却構造およびガスタービンに関する。

従来、発電等に用いられるガスタービンは、タービン部を高温高圧の燃焼ガスが通過するため、安定した運転を継続するためには分割環等の冷却が重要となる。特に、近年はガスタービンの熱効率の向上のため、更なる燃焼ガスの高温化が進みつつあり、一段の冷却能力の強化が必要とされている。

図６は、ガスタービンの全体構成図を示す。ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２から送られてきた圧縮空気に燃料ＦＬを噴射させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、燃焼器の燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、燃焼器を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４と、発電機６と、圧縮機２とタービン部と発電機を一体に締結する回転軸５で構成されている。

図７は、ガスタービンのタービン部に関する内部構造を示す図である。
ガスタービンは、燃焼器３で発生させた燃焼ガスＦＧをタービン静翼７及びタービン動翼８に供給し、タービン動翼を回転軸の廻りに回転させて、回転エネルギーを電力に変換している。タービン静翼およびタービン動翼は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって交互に配置されている。また、タービン動翼は、回転軸の周方向に複数配置され、回転軸と一体となって回転している。

図８は、従来の分割環の要部断面を示す。分割環４０は、複数の分割体４１で構成され、回転軸の廻りに環状に形成されている。分割体は、フック４２および遮熱環４６を介して車室４７に支持されている。また遮熱環から支持される衝突板４４は、複数の小孔４５を備え、車室へ供給された冷却空気ＣＡが小穴から下方に吹き出して、分割体の本体（底面）の上面をインピンジメント冷却する。また分割体には、燃焼ガスの流れ方向の上流側端面及び下流側端面に向かって回転軸の軸方向に複数の冷却流路５７、５８が設けられている。インピンジメント冷却後の冷却空気は、分割体の本体内で冷却流路５７、５８を介して回転軸の軸方向の上流側及び下流側に流れて、分割体の上流側端部及び下流側端部を対流冷却している。また、タービン動翼の外周側には分割環が配置され、分割環とタービン動翼の先端との間には、相互の干渉を避けるため、一定の隙間が設けられている。

図９に示すように、互いに隣接する分割体４１は、側端部５１、５２同士が互いに対向するように配置されている。また、ガスタービン動翼は、回転軸を中心に図９の紙面上で右方向から左方向に向かって回転している（回転方向Ｒ）。更に、燃焼ガスが側端部の隙間Ｇから車室側に漏れ出すのを防止するため、側端部にシール板５３が回転軸の軸方向に挿入されている。

そのため、シール板の内周側には、タービン動翼の回転により巻き込まれた高温燃焼ガスが滞留して、分割体の外表面温度が上昇し、分割体の角部で酸化減肉が進みやすい。これを回避するため、隣り合う分割体の側端部の両側に冷却流路５５、５６を配置して、互いに冷却空気が対向する側端部に当るように配置している

すなわち、回転軸の回転方向の前方側の側端部５１には、分割体の本体をインピンジメント冷却した後の冷却空気が供給され、キャビティ５４を介して側端部の隙間Ｇの燃焼ガス中に吹き出す冷却流路５５が配設されている。一方、隣接する分割体の回転方向の後方側の側端部５２にも、インピンジメント冷却後の冷却空気を側端部の隙間に吹き出す冷却流路５６が配設されている。両側の側端部５１、５２の冷却流路は、互いに隣接する分割体の側端部の下側の角部に向けて吹き出すように配設されている。前方側の側端部の冷却流路５５と後方側の側端部の冷却流路５６の組み合わせにより、それぞれの側端部が対流冷却されるとともに、側端部の隙間部分の滞留ガスが燃焼ガス中にパージされ、雰囲気ガスを冷却して、分割体の側端部の角部の酸化、減肉が防止される。

特許文献１には、前述した分割環冷却構造の一例が示されている。

特開２００４−１００６８２号公報

しかし、前述した分割体の隙間の冷却構造によれば、分割体の側端部の隙間に滞留した雰囲気ガスが冷却され、分割体の角部の酸化、減肉を防止できるが、パージ用の冷却空気量が増加して、ガスタービンの熱効率を低下させるという問題点があった。

本発明は、上述の問題点に鑑みなされたもので、分割体の酸化、減肉を防止するとともに、分割体の側端部を冷却する冷却空気量の低減を図り、ガスタービン全体の熱効率を向上させる分割環冷却構造およびガスタービンを提供することを目的としている。

本発明は、上記の問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
すなわち、本発明の分割環冷却構造は、回転軸廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、分割体は、分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、第１領域の冷却流路と第１領域の冷却流路より流路断面積が小さい第２領域の冷却流路から形成される第１冷却流路と、第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向かって冷却空気を吹き出す第２冷却流路と、を含む構造を備え、第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されていることを特微とする。

本発明によれば、第１領域の冷却流路の断面積を第２領域の冷却流路より大きくしているので、第１領域の冷却流路の冷却能力が増加して、回転方向の後方側の側端部の冷却が強化され、後方側の側端部から隙間部分の燃焼ガス中に吹き出す冷却空気を省略できる。また、第1 領域の冷却流路を側端部に近接させて側端部を対流冷却しているので、隣接する分割体の側端部から吹き出す冷却空気によるフィルム冷却を補強して、側端部の角部近傍の冷却性能が一層強化される。そのため、分割体、特に側端部の角部の酸化、減肉を防止されるとともに、分割体全体の冷却空気量が低減され、ガスタービンの熱効率が向上する。

本発明は、回転軸廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、分割体は、分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、第１領域の冷却流路と第１領域の冷却流路より配列ピッチが小さい第２領域の冷却流路から形成される第1 冷却流路と、第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向かって冷却空気を吹き出す第２冷却流路と、を含む構造を備え、第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されていることを特微とする。

本発明によれば、第１領域の冷却流路の配列ピッチを第２領域の冷却流路の配列ピッチより大きくしているので、第１領域の冷却流路の冷却能力が増加して、回転方向の後方側の側端部の冷却が強化され、後方側の側端部から隙間部分の燃焼ガス中に吹き出す冷却空気を省略できる。また、第1 領域の冷却流路を側端部に近接させて側端部を対流冷却しているので、隣接する分割体の側端部から吹き出す冷却空気によるフィルム冷却を補強して、側端部の角部近傍の冷却性能が一層強化される。そのため、分割体、特に側端部の角部の酸化、減肉を防止されるとともに、分割体全体の冷却空気量が低減され、ガスタービンの熱効率が向上する。

本発明の第２冷却流路は、少なくとも回転軸の回転方向の前方側の側端部に配設されることが望ましい。

本発明によれば、高温に成り易い回転方向の前方側の側端部が冷却され、前方側の側端部近傍の酸化、減肉が防止できる。

本発明の第２冷却流路は、隣接する分割体の側端部の下側角部に向かって吹き出すような傾きを備えることが望ましい。

本発明によれば、第２冷却流路に下向きの傾きを持たせたので、吹き出した冷却空気が隣接する側端部の下側の角部にあたり、分割体の角部近傍をフィルム冷却するので、高温に曝される角部の酸化、減肉が防止できる。

本発明は、前述の分割環冷却構造を備えたガスタービンであることが望ましい。

本発明によれば、分割環の冷却空気量が減少し、空気量の適正化が図れるので、ガスタービン全体の熱効率が向上する。

前述した本発明によれば、分割環本体の側端部の酸化、減肉を防止でき、側端部の冷却空気量が減少できる。これにより、分割環全体の冷却空気量が低減され、ガスタービン全体の熱効率が向上する。

図１は、実施例１に係わる分割環の要部断面図を示す。図２は、実施例１に係わる分割体の平面断面図を示す。図３は、実施例１に係わる分割体の断面図を示す。図４は、実施例２に係わる分割体の断面図を示す。図５は、分割体の側端部近傍の拡大断面図を示す（図３のＡ部詳細）。図６は、ガスタービンの全体構成を示す。図７は、タービン部の内部構造を示す。図８は、従来の分割体の要部断面図を示す。図９は、従来の分割体の側端部近傍の拡大断面図を示す。

本発明に係る分割環冷却構造およびガスタービンについて、その実施例を図１〜図７に基づいて以下に説明する。

実施例１について、図１〜図３、図５〜図７に基づき以下に説明する。タービン部は、従来技術の図６および図７で説明した内容と同一の構成であるので、詳細な説明は省略する。共通する部品名称および符号は、同一の名称および符号を使用する。

図１は、ガスタービンの分割環の要部断面を示している。
分割環１０は、車室４７に支持されたタービン部の構成部材であって、回転軸の周方向に配設されて環状をなす複数の分割体１１で構成される。分割体は、背景技術で説明したように、分割体の本体（底板）の内周面１２ｂとタービン動翼８の先端８ａの間に一定の隙間が確保されるように配置されている。分割環は、たとえば耐熱性二ツケル合金等から形成されている。

分割体は、本体１２と、フック４２と、衝突板４４が、主要な構成要素である。分割体は、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側および下流側に設けられたフックを介して遮熱環４６に取り付けられ、遮熱環を介して車室に支持されている。分割体は、本体と、衝突板と、フックと、回転軸の軸方向に略直交する方向の前方側及び後方側に設けられた側端部１８、１９（図２参照）により囲まれた冷却空間（以下、「冷却空間」と呼ぶ）３２を備える。冷却空間は、分割体内に形成され、分割体の本体の上面１２ａ側に接する空間である。

冷却空間の上部は、衝突板で仕切られ、衝突板には、冷却空気ＣＡが通過する多数の小穴４５が設けられている。衝突板の上方には、車室内の冷却空気が供給孔４８を介して導入される受入空間３１が配置されている。受入空間内に供給された冷却空気は、全体が略同一の圧力に均圧化された状態で小穴から冷却空間内に吹き出し、分割体の本体の上面１２ａをインピンジメント冷却する。

図２は、車室の外方側から回転軸方向を見た場合の分割体の平面断面図である。図２を参照して分割体の本体の冷却構造を説明する。分割体には、燃焼ガスの流れ方向の上流側の上流側端部１６であって、回転軸の軸方向に略直交する方向に第1 キャビティ２０が配置されている。複数の本体冷却流路（第１冷却流路２１）が、第1 キャビティから分割体の本体を回転軸の軸方向に貫通し、燃焼ガスの流れ方向の下流側の下流側端面１７ａに開口している。

また、図１に示すように、分割体の上流側端部には、冷却空間と第１キャビティを連通する上流端冷却流路（第３冷却流路２６）が配置され、第１キャビティを介して第１冷却流路に連通している。上流側端部では、分割体の本体の上方側に上流端冷却流路（第３冷却流路）を配置し、上流端冷却流路（第３冷却流路）の下方側には本体冷却流路（第１冷却流路２１）を配置している。更に、本体冷却流路（第１冷却流路）と上流端冷却流路（第３冷却流路）は、第１キャビティを介して折り返す構造となり、全体として回転軸の軸方向に直列に繋がった冷却流路が形成され、回転軸の軸方向に配置した冷却流路として冷却流路長が最も長い流路が形成される。第１キャビティは、本体冷却流路（第１冷却流路）と上流端冷却流路（第３冷却流路）を繋ぐマニホールドの役割を果たしている。

図３は、回転軸方向から見た分割体の断面を示す。本体冷却流路（第１冷却流路）は、複数のマルチホール式の冷却流路で形成され、流路断面積が大きい第１領域の冷却流路２４と、第１領域より流路断面積が小さい第２領域の冷却流路２５で形成されている。第１冷却流路は、回転方向の前方側の側端部から後方側の側端部にかけて、第２領域の冷却流路２５、第１領域の冷却流路２４の順に配列される。第１領域の冷却流路は、一本でもよいし、複数本でもよい。第１領域に配列される冷却流路の範囲を領域Ｚ１で表示し、第２領域に配列される冷却流路の範囲を領域Ｚ２で表示する。

第１領域の冷却流路は、回転方向の後方側の側端部１９、特に側端部の下側の角部１９ａに近接させて、側端部に平行に配置されている。第１領域の冷却流路は、第２領域の冷却流路と同様に、回転軸の軸方向であって、一端は第１キャビティに連通し、他端は下流側端面１７ａで燃焼ガス中に開口している。

本体冷却流路（第１冷却流路）は、円形状の流路を備え、燃焼ガスの流れ方向の上流側（上流側端部）から下流側（下流側端部）に向かって同じ配列ピッチで配置するのが望ましい。なお、流路形状は、円形状の他に、楕円形状でもよく、矩形形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。第１領域の冷却流路を除き、各流路の開口面積は同じ断面積である。

次に、分割体の側端部の冷却構造について以下に説明する。
図２に示すように、回転軸の回転方向Ｒの前方側の分割体の側端部１８には、冷却空間３２から連絡路２７を介して第２キャビティ２２に接続され、第２キャビティから燃焼ガス中に連通する側端部冷却流路（第２冷却流路２３）が配置されている。第２冷却流路は回転軸の軸方向に略直交する方向に配置されているが、回転軸の軸方向に対して傾きを備えた冷却流路（傾斜流路）であってもよい。

また、側端部冷却流路（第２冷却流路）は、円形状の流路を備え、同一の孔径で、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって同じ配列ピッチで配置するのが望ましい。また、流路形状は、円形状の他に楕円形状でもよく、矩形形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。

次に、図５を用いて分割体の隙間部分の冷却構造を説明する。
図５は、隣接する分割体の側端部近傍の拡大断面を示している。互いに対向するように配置された分割体の側端部１８、１９には、側端部の間に形成される隙間Ｇから燃焼ガスが車室側に漏れないようにシール板５３が配置されている。また、回転軸の回転方向の前方側の側端部１８には、インピンジメント冷却後の冷却空気が冷却空間３２から連絡路２７を介して第２キャビティ２２に供給され、第２キャビティから側端部の隙間部分の燃焼ガス中に吹き出す側端部冷却流路（第２冷却流路）が配設されている。側端部冷却流路（第２冷却流路）は、吹き出した冷却空気が隣接する分割体の側端部の角部１９ａにあたるように、回転方向の前方側に下向きの傾きを備えている。側端部の角部に吹き付けられた冷却空気ＣＡは、図５の矢印で示す方向に側端部の角部近傍から分割体の下面に沿って流れ、角部近傍をフィルム冷却する役割を果たしている。

一方、隣接する分割体の回転方向の後方側の側端部１９には、前述の特許文献１に示すような隙間部分に直接吹き出す冷却流路は備えず、第１領域の冷却流路２４が後方側の側端部１９の下側の角部に近接させて配置されている。すなわち、分割体の回転方向の後方側の側端部の角部近傍の外表面は、隣接する分割体の側端部の側端部冷却流路（第２冷却流路）から吹き出す冷却空気によりフィルム冷却されるとともに、側端部自体は第１領域の冷却流路により対流冷却される。

なお、図８及び図９に示す特許文献１の冷却構造では、分割体の側端部１９の全長に渡って配置される本発明の本体冷却流路（第１冷却流路）に相当する冷却流路が存在せず、部分的に冷却流路５７及び冷却流路５８が上流側端部及び下流側端部に配置されているにすぎない。また、特許文献１に示す分割体の回転方向の後方側の側端部には、前述のようにインピンジメント冷却後の冷却空気を側端部の隙間Ｇに直接吹き出す冷却流路５６を備え、側端部を対流冷却している。しかし、冷却流路５６を流れる冷却空気は、燃焼ガス中に直接排出されるため、冷却空気量の増加の原因になる。

本実施例における分割環の冷却方法および冷却空気の供給方法を以下に説明する。車室４７からの冷却空気は、供給孔４８を介して各分割体に供給される。冷却空気は、分割体内に配置された衝突板の小穴から冷却空間に吹き出し、分割体本体の上面をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の冷却空気は、上流端冷却流路（第３冷却流路）から第１キャビティに供給される際、上流側端部の上部を対流冷却する。更に、第１キャビティに供給された冷却空気は、分割体の本体を回転軸の軸方向に貫通した本体冷却流路（第１冷却流路）を流れて、下流側端面から燃焼ガス中に排出される際、本体を対流冷却する。第１領域の冷却流路は、第２領域の冷却流路より後方側の側端部に近接し、且つ流路断面積が大きいので、第２領域の冷却流路より冷却能力が大きい。従って、後方側の側端部の角部近傍の冷却効果が大きい。

一方、冷却空間より第２キャビティに供給された冷却空気は、側端部冷却流路（第２冷却流路）に供給され、分割体の隙間部分に排出される際、前方側の側端部を対流冷却するとともに、隙間部分の燃焼ガスをパージして雰囲気ガスを冷却する。また、冷却空気は、下向きの傾きを備えた側端部冷却流路（第２冷却流路）から排出され、隣接する分割体の後方側の側端部の角部に吹き付けられ、角部近傍および下流側の分割体の内周面をフィルム冷却する。

分割体の隙間部分を構成する冷却構造のうち、回転方向の前方側の側端部１８は、側端部冷却流路（第２冷却流路）からの冷却空気により対流冷却される。また、隣接する分割体の対向する後方側の側端部１９は、側端部冷却流路（第２冷却流路）から吹き出した冷却空気による角部近傍のフィルム冷却効果と分割体の後方側の側端部内に配設された第１領域の冷却流路による対流冷却効果が重畳的に組み合わされて、後方側の側端部近傍が効率よく冷却される。すなわち、特許文献１に示すような後方側の側端部１９から隙間Ｇに向けて冷却空気が吹き出す冷却流路を廃止する代わりに、第１領域の冷却流路を側端部に近接させて配置することにより、側端部１９の対流冷却が強化され、特許文献１に示す従来の冷却方法と同程度の冷却能力を維持できる。

すなわち、分割体の隙間部分の側端部冷却流路（第２冷却流路）と隣接する分割体の第１領域の冷却流路の組合せにより、隙間部分の両側の側端部の冷却性能が改善され、冷却空気量が低減される。

更に、分割体が、本体冷却流路（第１冷却流路）と上流端冷却流路（第３冷却流路）の組合せによる回転軸の軸方向に折り返し構造を有する冷却流路を備えた場合には、分割体の冷却性能が更に改善される。すなわち、分割体の周辺を流れる燃焼ガスは、燃焼ガスの流れ方向の上流側にある上流側端部近傍では燃焼ガス圧が最も高く、下流側の下流側端面近傍では燃焼ガス圧が最も低くなる。従って、回転軸の軸方向に、冷却空間から上流端冷却流路（第３冷却流路）を流れて第１キャビティに供給され、更に本体冷却流路（第１冷却流路）を流れて下流側端面から排出される冷却空気は、車室側から供給される冷却空気と下流側端面から排出する冷却空気の差圧を最大限に利用している。

すなわち、回転軸の軸方向に配列された本体冷却流路（第１冷却流路）は、最大差圧を利用し、且つ回転軸の軸方向に最長の冷却流路を形成できるので、冷却性能が高く、従来技術より冷却空気量を低減できる。つまり、本体冷却流路（第１冷却流路）を流れる冷却空気量は、図８に示す分割体の本体内で軸方向に配列した冷却流路５７、５８に比較して、軸方向の流路長を長くして最大限の差圧を利用している分、冷却空気量が低減されている。つまり、本体冷却流路（第１冷却流路）を流れる冷却空気は、分割体の本体をインピンジメント冷却した後、上流側端部および本体を対流冷却し、併せて後方側の側端部近傍を対流冷却するので、限度一杯に冷却空気が使いまわしされ、効率よく分割体の本体を冷却している。

一方、特許文献１に示す冷却流路の場合、上流側端部の冷却流路５７は、燃焼ガス圧の最も高い上流側端面に開口しているため、冷却空気との差圧を十分に利用出来ないまま冷却空気を燃焼ガス中に放出しているため、冷却空気量が増加し、本発明に比較して冷却性能が低下する。

第１領域の冷却流路は、本体冷却流路（第１冷却流路）の一部を構成しており、流路断面積の拡大による冷却能力の強化と、後方側の側端部の冷却能力を補うための使い廻した冷却空気を側端部に近接させて使用することにより、側端部の冷却が強化される。すなわち、後方側の側端部の隙間部分への吹き出し空気の廃止と第１領域の冷却流路を流れる冷却空気に使いまわした空気を使用することで、従来技術と同等の冷却能力を備えながら、分割体の冷却空気量を削減できる。

なお、特許文献１に示す回転方向の後方側の側端部１９の冷却流路５６から側端部の隙間に直接吹き出す冷却空気は、タービン動翼の回転方向とは逆方向に吹き出すため、タービン動翼上の損失の原因になっていたが、本発明では、冷却流路５６を廃止することによりタービン動翼のロスがなくなり、タービンの熱効率が向上するという有利な点がある。

本実施例の構成によれば、側端部の隙間部分の雰囲気ガスがパージされ、雰囲気ガスの温度が低下する。また、前述のように、分割体の側端部の隙間部分の冷却能力が強化され、冷却空気量が低減される。その結果、分割体の側端部近傍の酸化、減肉が防止されるとともに、分割体全体の冷却空気量が減少し、ガスタービンの熱効率が向上する。

実施例２について、図４、図５を参照して以下に説明する。本実施例は、図４に示すように、第１領域の冷却流路の構成が異なる点を除き、実施例１と同じ構成である。すなわち、第１領域の冷却流路は、第２領域の冷却流路と比較して、流路形状は円形状で同一の孔径で配列しているが、配列ピッチを第２領域の冷却流路より小さくして冷却能力を上げている点が異なっている。

第１領域の冷却流路は、複数本であることが望ましい。また、冷却流路の流路形状は、円形状の他に、楕円形状でもよく、矩形形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。第１領域の流路を除き、各流路の開口面積は同じ断面積である。

本実施例では、分割体の第１領域の冷却流路の構成を除き、図５に示す冷却構造を適用できる。

また、第１領域の冷却流路の冷却能力を第２領域の冷却流路より大きくしている点では実施例１と同様であり、本実施例の構成による作用、効果は、実施例１と同様である。

本発明は、前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれる。

１ガスタービン
２圧縮機
３燃焼器
４タービン部
５回転軸
６発電機
７タービン静翼
８タービン動翼
１０、４０分割環
１１、４１分割体
１２本体
１６上流側端部
１７下流側端部
１７ａ下流側端面
１８、１９、５１、５２側端部
２０第１キャビティ
２１本体冷却流路（第１冷却流路）
２２第２キャビティ
２３側端部冷却流路（第２冷却流路）
２４第１領域の冷却流路
２５第２領域の冷却流路
２６上流端冷却流路（第３冷却流路）
２７連絡路
３１受入空間
３２冷却空間
４２フック
４４衝突板
４５小穴
４６遮熱環
４７車室
４８供給孔
５３シール板
５４キャビティ
５５、５６、５７、５８冷却流路

従来、発電等に用いられるガスタービン１は、タービン部を高温高圧の燃焼ガスが通過するため、安定した運転を継続するためには分割環等の冷却が重要となる。特に、近年はガスタービンの熱効率の向上のため、更なる燃焼ガスの高温化が進みつつあり、一段の冷却能力の強化が必要とされている。

特開２００４−１００６８２号公報

本発明の分割体は、分割体の上流側端部の上方側に、冷却空間と第１キャビティを連結する第３冷却流路を備えることが望ましい。

本発明によれば、分割体の上流側端部の上方側に第３冷却流路を備えることにより分割体の冷却が一層強化される。

本発明は、第１冷却流路と第３冷却流路が、第１キャビティを介して回転軸の軸方向に折り返した構造を備え、第１冷却流路は、第１キャビティから分割体の本体を回転軸の軸方向に貫通して、下流側端面に開口するように配置されていることが望ましい。

本発明によれば、第１冷却流路と第３冷却流路が、第１キャビティを介して回転軸の軸方向に折り返した構造を備え、第３冷却流路は分割体本体を軸方向に貫通して末端が下流側端部に開口しているので、回転軸の軸方向に長い冷却流路が形成され、分割体本体が効率よく冷却され、冷却空気量が一層低減できる。

前述した本発明によれば、分割体の本体の側端部の酸化、減肉を防止でき、側端部の冷却空気量が減少できる。これにより、分割環全体の冷却空気量が低減され、ガスタービン全体の熱効率が向上する。

図１は、実施例１に係わる分割環の要部断面図を示す。図２は、実施例１に係わる分割体の平面断面図を示す。図３は、実施例１に係わる分割体の断面図を示す。図４は、実施例２に係わる分割体の断面図を示す。図５は、分割体の側端部近傍の拡大断面図を示す（図３のＡ部詳細）。図６は、ガスタービンの全体構成を示す。図７は、タービン部の内部構造を示す。図８は、従来の分割環の要部断面図を示す。図９は、従来の分割体の側端部近傍の拡大断面図を示す。

図１は、ガスタービンの分割環の要部断面を示している。
分割環１０は、車室４７に支持されたタービン部の構成部材であって、回転軸の周方向に配設されて環状をなす複数の分割体１１で構成される。分割体１１は、背景技術で説明したように、分割体の本体（底板）１２の内周面１２ｂとタービン動翼８の先端８ａの間に一定の隙間が確保されるように配置されている。分割体は、たとえば耐熱性二ツケル合金等から形成されている。

分割体１１は、本体１２と、フック４２と、衝突板４４が、主要な構成要素である。分割体１１は、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側および下流側に設けられたフック４２を介して遮熱環４６に取り付けられ、遮熱環４６を介して車室４７に支持されている。分割体１１は、本体１２と、衝突板４４と、フック４２と、回転軸の軸方向に略直交する方向の前方側及び後方側に設けられた側端部１８、１９（図２参照）により囲まれた冷却空間（以下、「冷却空間」と呼ぶ）３２を備える。冷却空間３２は、分割体内に形成され、分割体の本体の上面１２ａ側に接する空間である。

冷却空間の上部は、衝突板４４で仕切られ、衝突板４４には、冷却空気ＣＡが通過する多数の小穴４５が設けられている。衝突板４４の上方には、車室内の冷却空気が供給孔４８を介して導入される受入空間３１が配置されている。受入空間内に供給された冷却空気は、全体が略同一の圧力に均圧化された状態で小穴４５から冷却空間内に吹き出し、分割体１１の本体１２の上面１２ａをインピンジメント冷却する。

図２は、車室の外方側から回転軸方向を見た場合の分割体の平面断面図である。図２を参照して分割体の本体の冷却構造を説明する。分割体１１には、燃焼ガスの流れ方向の上流側の上流側端部１６であって、回転軸の軸方向に略直交する方向に第1 キャビティ２０が配置されている。複数の本体冷却流路２１（第１冷却流路）が、第1 キャビティ２０から分割体１１の本体１２を回転軸の軸方向に貫通し、燃焼ガスの流れ方向の下流側の下流側端面１７ａに開口している。

また、図１に示すように、分割体の上流側端部１６には、冷却空間３２と第１キャビティ２０を連結する上流端冷却流路２６（第３冷却流路）が配置され、第１キャビティ２０を介して本体冷却流路２１（第１冷却流路）に連通している。上流側端部１６では、分割体１１の本体１２の上方側に上流端冷却流路２６（第３冷却流路）を配置し、上流端冷却流路２６（第３冷却流路）の下方側には本体冷却流路２１（第１冷却流路）を配置している。更に、本体冷却流路２１（第１冷却流路）と上流端冷却流路２６（第３冷却流路）は、第１キャビティ２０を介して折り返す構造となり、全体として回転軸の軸方向に直列に繋がった冷却流路が形成され、回転軸の軸方向に配置した冷却流路として冷却流路長が最も長い流路が形成される。第１キャビティ２０は、本体冷却流路２１（第１冷却流路）と上流端冷却流路２６（第３冷却流路）を繋ぐマニホールドの役割を果たしている。

図３は、回転軸方向から見た分割体の断面を示す。本体冷却流路２１（第１冷却流路）は、複数のマルチホール式の冷却流路で形成され、流路断面積が大きい第１領域の冷却流路２４と、第１領域より流路断面積が小さい第２領域の冷却流路２５で形成されている。本体冷却流路２１（第１冷却流路）は、回転方向の前方側の側端部１８から後方側の側端部１９にかけて、第２領域の冷却流路２５、第１領域の冷却流路２４の順に配列される。第１領域の冷却流路２４は、一本でもよいし、複数本でもよい。第１領域に配列される冷却流路２４の範囲を領域Ｚ１で表示し、第２領域に配列される冷却流路２５の範囲を領域Ｚ２で表示する。

第１領域の冷却流路２４は、回転方向の後方側の側端部１９、特に側端部の下側の角部１９ａ
に近接させて、側端部１９に平行に配置されている。第１領域の冷却流路２４は、第２領域の冷却流路２５と同様に、回転軸の軸方向であって、一端は第１キャビティ２０に連通し、他端は下流側端面１７ａで燃焼ガス中に開口している。

本体冷却流路２１（第１冷却流路）は、円形状の流路を備え、燃焼ガスの流れ方向の上流側（上流側端部）から下流側（下流側端部）に向かって同じ配列ピッチで配置するのが望ましい。なお、流路形状は、円形状の他に、楕円形状でもよく、矩形形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。第１領域の冷却流路を除き、各流路の開口面積は同じ断面積である。

次に、分割体の側端部の冷却構造について以下に説明する。
図２に示すように、回転軸の回転方向Ｒの前方側の分割体の側端部１８には、冷却空間３２から連絡路２７を介して第２キャビティ２２に接続され、第２キャビティ２２から燃焼ガス中に連通する側端部冷却流路２３（第２冷却流路）が配置されている。側端部冷却流路２３（第２冷却流路）は回転軸の軸方向に略直交する方向に配置されているが、回転軸の軸方向に対して傾きを備えた冷却流路（傾斜流路）であってもよい。

また、側端部冷却流路２３（第２冷却流路）は、円形状の流路を備え、同一の孔径で、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって同じ配列ピッチで配置するのが望ましい。また、流路形状は、円形状の他に楕円形状でもよく、矩形形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。

次に、図５を用いて分割体の隙間部分の冷却構造を説明する。
図５は、隣接する分割体の側端部近傍の拡大断面を示している。互いに対向するように配置された分割体１１の側端部１８、１９には、側端部の間に形成される隙間Ｇから燃焼ガスが車室４７側に漏れないように、回転軸の軸方向にシール板５３が配置されている。また、回転軸の回転方向の前方側の側端部１８には、インピンジメント冷却後の冷却空気が冷却空間３２から連絡路２７を介して第２キャビティ２２に供給され、第２キャビティ２２から側端部の隙間部分の燃焼ガス中に吹き出す側端部冷却流路２３（第２冷却流路）が配設されている。側端部冷却流路２３（第２冷却流路）は、吹き出した冷却空気が隣接する分割体１１の側端部１９の角部１９ａにあたるように、回転方向の前方側に下向きの傾きを備えている。側端部１９の角部１９ａに吹き付けられた冷却空気ＣＡは、図５の矢印で示す方向に側端部の角部１９ａ近傍から分割体の下面に沿って流れ、角部近傍をフィルム冷却する役割を果たしている。

一方、隣接する分割体の回転方向の後方側の側端部１９には、前述の特許文献１に示すような隙間部分に直接吹き出す冷却流路は備えず、第１領域の冷却流路２４が後方側の側端部１９の下側の角部１９ａに近接させて配置されている。すなわち、分割体の回転方向の後方側の側端部の角部１９ａ近傍の外表面は、隣接する分割体の側端部の側端部冷却流路２３（第２冷却流路）から吹き出す冷却空気によりフィルム冷却されるとともに、側端部１９自体は第１領域の冷却流路２４により対流冷却される。

本実施例における分割環の冷却方法および冷却空気の供給方法を以下に説明する。車室４７からの冷却空気は、供給孔４８を介して各分割体に供給される。冷却空気は、分割体内に配置された衝突板４４の小穴４５から冷却空間３２に吹き出し、分割体本体１２の上面をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の冷却空気は、上流端冷却流路２６（第３冷却流路）から第１キャビティ２０に供給される際、上流側端部１６の上部を対流冷却する。更に、第１キャビティ２０に供給された冷却空気は、分割体の本体１２を回転軸の軸方向に貫通した本体冷却流路２１（第１冷却流路）を流れて、下流側端面１７ａから燃焼ガス中に排出される際、本体１２を対流冷却する。第１領域の冷却流路２４は、第２領域の冷却流路２５より回転軸の回転方向の後方側の側端部１９に近接し、且つ流路断面積が大きいので、第２領域の冷却流路２５より冷却能力が大きい。従って、後方側の側端部の角部近傍の冷却効果が大きい。

一方、冷却空間３２より第２キャビティ２２に供給された冷却空気は、側端部冷却流路２３（第２冷却流路）に供給され、分割体の隙間部分Ｇに排出される際、前方側の側端部２２を対流冷却するとともに、隙間部分の燃焼ガスをパージして雰囲気ガスを冷却する。また、冷却空気は、下向きの傾きを備えた側端部冷却流路２３（第２冷却流路）から排出され、隣接する分割体の後方側の側端部１９の角部１９ａに吹き付けられ、角部近傍および下流側の分割体の内周面をフィルム冷却する。

分割体の隙間部分を構成する冷却構造のうち、回転方向の前方側の側端部１８は、側端部冷却流路２３（第２冷却流路）からの冷却空気により対流冷却される。また、隣接する分割体の対向する後方側の側端部１９は、側端部冷却流路２３（第２冷却流路）から吹き出した冷却空気による角部１９ａ近傍のフィルム冷却効果と分割体の後方側の側端部内に配設された第１領域の冷却流路２４による対流冷却効果が重畳的に組み合わされて、後方側の側端部１９近傍が効率よく冷却される。すなわち、特許文献１に示すような後方側の側端部１９から隙間Ｇに向けて冷却空気が吹き出す冷却流路を廃止する代わりに、第１領域の冷却流路２４を側端部に近接させて配置することにより、側端部１９の対流冷却が強化され、特許文献１に示す従来の冷却方法と同程度の冷却能力を維持できる。

すなわち、分割体の隙間部分の側端部冷却流路２３（第２冷却流路）と隣接する分割体の第１領域の冷却流路２４の組合せにより、隙間部分の両側の側端部の冷却性能が改善され、冷却空気量が低減される。

更に、分割体が、本体冷却流路２１（第１冷却流路）と上流端冷却流路２６（第３冷却流路）の組合せによる回転軸の軸方向に折り返し構造を有する冷却流路を備えた場合には、分割体の冷却性能が更に改善される。すなわち、分割体の周辺を流れる燃焼ガスは、燃焼ガスの流れ方向の上流側にある上流側端部近傍では燃焼ガス圧が最も高く、下流側の下流側端面近傍では燃焼ガス圧が最も低くなる。従って、回転軸の軸方向に、冷却空間３２から上流端冷却流路２６（第３冷却流路）を流れて第１キャビティ２０に供給され、更に本体冷却流路２１（第１冷却流路）を流れて下流側端面１７ａから排出される冷却空気は、車室側から供給される冷却空気と下流側端面から排出する冷却空気の差圧を最大限に利用している。

すなわち、回転軸の軸方向に配列された本体冷却流路２１（第１冷却流路）は、最大差圧を利用し、且つ回転軸の軸方向に最長の冷却流路を形成できるので、冷却性能が高く、従来技術より冷却空気量を低減できる。つまり、本体冷却流路２１（第１冷却流路）を流れる冷却空気量は、図８に示す分割体の本体内で軸方向に配列した冷却流路５７、５８に比較して、軸方向の流路長を長くして最大限の差圧を利用している分、冷却空気量が低減されている。つまり、本体冷却流路２１（第１冷却流路）を流れる冷却空気は、分割体の本体１２をインピンジメント冷却した後、上流側端部１６および本体１２を対流冷却し、併せて後方側の側端部１９近傍を対流冷却するので、限度一杯に冷却空気が使いまわしされ、効率よく分割体の本体を冷却している。

第１領域の冷却流路２４は、本体冷却流路２１（第１冷却流路）の一部を構成しており、流路断面積の拡大による冷却能力の強化と、後方側の側端部の冷却能力を補うための使い廻した冷却空気を側端部に近接させて使用することにより、側端部の冷却が強化される。すなわち、後方側の側端部の隙間部分への吹き出し空気の廃止と第１領域の冷却流路を流れる冷却空気に使いまわした空気を使用することで、従来技術と同等の冷却能力を備えながら、分割体の冷却空気量を削減できる。

本発明は、上記の問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
すなわち、本発明の分割環冷却構造は、回転軸廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、分割体は、分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、回転方向の後方側の側端部に近接して配設された第１領域の冷却流路と、第１領域の冷却流路より回転方向の前方側に配設され、前記第１領域の冷却流路より流路断面積が小さい第２領域の冷却流路と、から形成される第１冷却流路と、第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向かって冷却空気を吹き出す第２冷却流路と、分割体の上流側端部の第１冷却流路より径方向の外側で回転軸の軸方向に設けられ、分割体の本体と多数の小穴を備えた衝突板に囲まれた冷却空間と上流側端部において回転軸の軸方向に略直交して配設された第１キャビティを連結する第３冷却流路と、を含む構造を備え、第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されていることを特微とする。

本発明によれば、第１領域の冷却流路の断面積を第２領域の冷却流路より大きくしているので、第１領域の冷却流路の冷却能力が増加して、回転方向の後方側の側端部の冷却が強化され、後方側の側端部から隙間部分の燃焼ガス中に吹き出す冷却空気を省略できる。また、第1 領域の冷却流路を側端部に近接させて側端部を対流冷却しているので、隣接する分割体の側端部から吹き出す冷却空気によるフィルム冷却を補強して、側端部の角部近傍の冷却性能が一層強化される。また、分割体の上流側端部の径方向の外側に第３冷却流路を備えることにより分割体の冷却が一層強化される。そのため、分割体、特に側端部の角部の酸化、減肉を防止されるとともに、分割体全体の冷却空気量が低減され、ガスタービンの熱効率が向上する。

本発明は、回転軸廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、分割体は、分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、回転方向の後方側の側端部に近接して配設された第１領域の冷却流路と、第１領域の冷却流路より回転方向の前方側に配設され、第１領域の冷却流路より配列ピッチが大きい第２領域の冷却流路と、から形成される第１冷却流路と、
第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向かって冷却空気を吹き出す第２冷却流路と、
分割体の上流側端部の第１冷却流路より径方向の外側で回転軸の軸方向に設けられ、分割体の本体と多数の小穴を備えた衝突板に囲まれた冷却空間と上流側端部において回転軸の軸方向に略直交して配設された第１キャビティを連結する第３冷却流路と、を含む構造を備え、第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されていることを特微とする。

本発明によれば、第１領域の冷却流路の配列ピッチを第２領域の冷却流路の配列ピッチより小さくしているので、第１領域の冷却流路の冷却能力が増加して、回転方向の後方側の側端部の冷却が強化され、後方側の側端部から隙間部分の燃焼ガス中に吹き出す冷却空気を省略できる。また、第1 領域の冷却流路を側端部に近接させて側端部を対流冷却しているので、隣接する分割体の側端部から吹き出す冷却空気によるフィルム冷却を補強して、側端部の角部近傍の冷却性能が一層強化される。また、分割体の上流側端部の上方側に第３冷却流路を備えることにより分割体の冷却が一層強化される。そのため、分割体、特に側端部の角部の酸化、減肉を防止されるとともに、分割体全体の冷却空気量が低減され、ガスタービンの熱効率が向上する。

冷却空間の上部は、衝突板４４で仕切られ、衝突板４４には、冷却空気ＣＡが通過する多数の小穴４５が設けられている。衝突板４４の径方向の外側には、車室内の冷却空気が供給孔４８を介して導入される受入空間３１が配置されている。受入空間内に供給された冷却空気は、全体が略同一の圧力に均圧化された状態で小穴４５から冷却空間内に吹き出し、分割体１１の本体１２の上面１２ａをインピンジメント冷却する。

また、図１に示すように、分割体の上流側端部１６には、冷却空間３２と第１キャビティ２０を連結する上流端冷却流路２６（第３冷却流路）が配置され、第１キャビティ２０を介して本体冷却流路２１（第１冷却流路）に連通している。上流側端部１６では、分割体１１の本体１２の径方向の外側に上流端冷却流路２６（第３冷却流路）を配置し、上流端冷却流路２６（第３冷却流路）の径方向の内側には本体冷却流路２１（第１冷却流路）を配置している。更に、本体冷却流路２１（第１冷却流路）と上流端冷却流路２６（第３冷却流路）は、第１キャビティ２０を介して折り返す構造となり、全体として回転軸の軸方向に直列に繋がった冷却流路が形成され、回転軸の軸方向に配置した冷却流路として冷却流路長が最も長い流路が形成される。第１キャビティ２０は、本体冷却流路２１（第１冷却流路）と上流端冷却流路２６（第３冷却流路）を繋ぐマニホールドの役割を果たしている。

Claims

回転軸廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、
前記分割体は、
該分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、第１領域の冷却流路と該第１領域の冷却流路より流路断面積が小さい第２領域の冷却流路から形成される第１冷却流路と、
該第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向かって冷却空気を吹き出す第２冷却流路と、を含む構造を備え、前記第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されていることを特微とする分割環冷却構造。
回転軸廻りに環状に配設された複数の分割体と、隣接する該分割体の回転軸方向に沿う対向する側端部の隙間をシールするシール板とから形成されるガスタービンの分割環冷却構造であって、
前記分割体は、
該分割体の本体の回転軸の軸方向に配設され、第１領域の冷却流路と該第１領域の冷却流路より配列ピッチが小さい第２領域の冷却流路から形成される第１冷却流路と、
該第１冷却流路に略直交する方向の一方の側端部に配設され、隣接する分割体の側端部に向かって冷却空気を吹き出す第２冷却流路と、を含む構造を備え、前記第１領域の冷却流路は、隣接する分割体の第２冷却流路に近接して配設されていることを特微とする分割環冷却構造。
前記第２冷却流路は、少なくとも回転軸の回転方向の前方側の側端部に配設されることを特微とする請求項１また請求項２のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
前記第２冷却流路は、隣接する分割体の側端部の下側の角部に向かって吹き出すような傾きを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の分割環冷却構造を備えたガスタービン。