JP2012225242A - タービン静翼およびサポートリング並びにガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】主流路から内側シュラウドの裏面側への燃焼ガスの漏れをより一層抑制することができると共に、高温高圧な燃焼ガスの漏れに伴う内側シュラウドの裏面側に配置された構成部品や溶接部の破損や割れを抑制することができるタービン静翼を提供する。
【解決手段】本発明のタービン静翼は、外壁を構成する外側シュラウド８ａと、タービン周方向に沿って複数隣接されると共に、主流路の内壁を構成する内側シュラウド８ｂと、内側シュラウド８ｂの表面から突出して主流路の上流側から下流側に向う燃焼ガスの流れを規定する翼本体８ｃと、内側シュラウド８ｂの上流側裏面から突出してタービン周方向に沿って延びるリテーナ８ｄと、内側シュラウド８ｂの下流側裏面から突出してタービン周方向に沿って延びるリブ８ｅと、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、取り込んだ空気から燃焼ガスを生成してロータを回転させるタービン静翼およびサポートリング並びにガスタービンに関する。

従来から、取り込んだ空気から圧縮機を通過する過程で圧縮空気に生成し、その圧縮空気を燃焼器に供給すると共に燃料を燃焼させて燃焼ガスに生成した後、その燃焼ガスを交互に複数段配列されたタービン静翼及びタービン動翼の配列する範囲を燃焼ガスの主流路として通過させることによりロータを回転駆動させるガスタービンが周知である。

図５（Ａ）はこのようなガスタービンの一例を示す要部の断面図、図５（Ｂ）は要部の拡大断面図である（特許文献１参照）。図５において、２１はタービン静翼、２２はタービン動翼、２３はタービン動翼２２が取り付けられたタービンディスク、２４は中間軸カバー、２５は中間軸カバー２４にボルト２６を介して固定されたサポートリングである。尚、以下の説明においては、燃焼器（図示せず）の尾筒２７が接続される最上流側の一段目のタービン静翼（以下、「一段静翼」と称する。）２１と、この一段静翼２１の下流側（図示右方）に隣接する一段目のタービン動翼（以下、「一段動翼」と称する。）２２として説明する。

一段静翼２１は、基本的に同一のセグメントを複数用いてタービン周方向に沿って配列することで円環状とされ、一段静翼２１の外周壁を構成する外側シュラウド２１ａと、一段静翼２１の内周壁を構成する内側シュラウド２１ｂと、外側シュラウド２１ａと内側シュラウド２１ｂとの間に架設された翼本体２１ｃと、内側シュラウド２１ｂの裏面（図示下方）から突出したリテーナ２１ｄと、を備えている。また、一段静翼２１は、リテーナ２１ｄの下流側の面が突き当たるように、中間軸カバー２４にボルト締結されたサポートリング２５にピン２８を介して固定されている。

一段静翼２１の各セグメントの内側シュラウド２１ｂは、図６に示すように、正面視略平行四辺形（菱形）に形成されており、各セグメントはタービン周方向に一辺同士を突き合わせるように接続され、分割面には若干の分割隙間Ｋ１が形成されている。また、翼本体２１ｃは、下流側（図示右側）に向う程に先細りとなるように弧状とされている。さらに、リテーナ２１ｄは、その下流側の面をサポートリング２５に突き当てることにより、翼本体２１ｃにかかる燃焼ガスＧの差圧によるスラスト方向（ロータ軸方向）の荷重を受け止め、一段静翼２１が一段動翼２２に接近する方向に変位することを抑制している。なお、燃焼ガスは、図６の紙上で左側から右側に向かって流れる。

一段動翼２２は、一段動翼２２の内周壁を構成するプラットフォーム２２ａと、プラットフォーム２２ａの表面からタービン径方向（以下、単に「径方向」と称する。）の外側に突出された翼本体２２ｂと、を備え、一段動翼２２の外周側には、一段動翼２２の先端に対向するようにタービンケーシング（図示せず）の内周に位置する分割環２９が配置されている。

これにより、外側シュラウド２１ａ，分割環２９と内側シュラウド２１ｂ，プラットフォーム２２ａとの間には、翼本体２１ｃ，２２ｂが配置されて燃焼ガスＧが通過する主流路Ｒが形成されている。

一方、一段静翼２１の内側シュラウド２１ｂの径方向内側には、圧縮機を出た冷却空気を貯める車室Ｓが存在し、内側シュラウド２１ｂには、燃焼ガスＧが流れる主流路Ｒと車室Ｓを遮断するため、各セグメントの分割面に沿ってロータ軸方向にシール板３１が配置され、リテーナ２１ｄの径方向にはシール板３２が配置されている。通常、車室Ｓ側の空気圧は主流路Ｒの燃焼ガス圧より高く、燃焼ガスＧが車室Ｓ内へ漏れ出すことはない。

特開平１０−２６６８０７号公報

しかし、図５（Ｂ）に示すように、内側シュラウド２１ｂのリテーナ２１ｄの位置から下流側端部までの間の内側シュラウド２１ｂの裏面（径方向の内面）とサポートリング２５との間には、わずかな隙間を形成する環状の空間Ｎが存在する。この空間Ｎは、リテーナ２１ｄとサポートリング２５とで車室側との間が縁切りされているため、一段静翼２１と一段動翼２２との間の段間圧力とほぼ同じ圧力となる。すなわち、空間Ｎの位置に対応する主流路Ｒを流れる燃焼ガスＧの圧力は、空間Ｎより圧力が高いため、燃焼ガスＧが分割隙間Ｋ１からシール板３１に沿って空間Ｎに流れ込みやすい状況になる。つまり、図５（Ｂ）に示すように、分割隙間Ｋ１から燃焼ガスＧの一部のリークガスＬＧが空間Ｎに巻き込まれ、内側シュラウド２１ｂの裏面及びサポートリング２５の上面が焼損する可能性がある。その現象を抑制するためには、リテーナ２１ｄを内側シュラウド２１ｂの下流端に近づけて、リテーナ２１ｄと内側シュラウド２１ｂの下流端との距離をできるだけ短くすることが望ましい。

一方、サポートリング２５及びリテーナ２１ｄは、翼本体２１ｃの差圧を受けて、中間カバー２４で支持される強度部材であるため、所定の厚みｔ１が必要となり、リテーナ２１ｄの位置を下流側に移動できる余地も限られるという問題点があった。

本発明は、内側シュラウドのリテーナおよびサポートリングの厚みを低減して、リテーナと内側シュラウド下流端の間のロータ軸方向の長さを短くして、燃焼ガスの巻き込みを低減するタービン静翼およびサポートリング並びにそれを備えたガスタービンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明のタービン静翼は、タービン周方向に沿って複数隣接されると共に、主流路の外壁を構成する外側シュラウドと、内壁を構成する内側シュラウドと、該内側シュラウドの表面から突出して前記主流路の上流側から下流側に向う燃焼ガスの流れを規定する翼本体と、前記内側シュラウドの上流側裏面から突出してタービン周方向に沿って延びるリテーナと、前記内側シュラウドの下流側裏面から突出してタービン周方向に沿って延びるリブと、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、タービン周方向に沿って延在するリテーナを内側シュラウドの上流側裏面から突出させると共に、タービン周方向に沿って延びるリブを内側シュラウドの下流側裏面から突出させたことにより、主流路から内側シュラウドの裏面側への燃焼ガスの漏れをより一層抑制することができると共に、内側シュラウドの焼損や溶接割れを防止することができる。

また、本発明のタービン静翼は、前記リブは、タービン周方向で隣接する前記翼本体の翼形状に伴う最小内接円の接点間を結ぶスロートラインとタービン周方向で隣接する前記内側シュラウドの分割隙間との交点よりも下流側に配置されていることを特徴とする。

本発明のタービン静翼によれば、タービン周方向で隣接する翼本体によるスロートラインと内側シュラウドの分割隙間との交点よりも下流側にリブを配置したことにより、燃焼ガスの巻き込みを抑制することができる。

本発明のサポートリングは、タービン静翼と中間軸カバーの間に設けられ、前記タービン静翼を前記中間軸カバーに支持するサポートリングであって、前記タービン静翼の内側シュラウドの上流側裏面より径方向内側に突出するリテーナに当接して径方向の外側且つ上流側に配置された上流側突出部と、前記タービン静翼の内側シュラウドの下流側裏面より径方向内側に突出するリブに当接して径方向の外側且つ下流側に配置された下流側突出部と、前記中間軸カバーに固定され径方向の内側に配置された本体固定部を備え、タービン周方向に環状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、サポートリングの上流側突出部をタービン径方向の外側且つ上流側に配置してタービン静翼のリテーナに当接させると共にサポートリングの下流側突出部をタービン径方向の外側且つ下流側に配置してタービン静翼のリブに当接させたことにより、翼本体にかかる差圧の荷重を上流側突出部で受けるので、下流側突出部とリブの合計板厚を低減できる。また、リブの位置をより下流側に移動することができるので、リブと内側シュラウドの下流端部の間の長さを小さくできる。

本発明のサポートリングは、前記下流側突出部の前記リブとの当接側に、シール部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、シール部材を下流側突出部のリブとの当接側に配置したことにより、リブとサポートリングとの接触面の隙間から車室空気が内側シュラウドの裏面側の空間に漏れ出すのを防止できるので、冷却空気量を低減できる。

本発明のガスタービンは、前述のタービン静翼またはサポートリングを備えることが望ましい。

本発明によれば、分割隙間からの燃焼ガスの漏れが低減され、内側シュラウドおよびサポートリングの焼損を防止できるので、ガスタービンの長時間運転が可能となって、ガスタービンの信頼性が向上する。

本発明のタービン静翼およびサポートリング並びにガスタービンは、主流路から分割隙間を経由して内側シュラウドの裏面側への燃焼ガスの巻き込みを抑制することができると共に、高温高圧な燃焼ガスの漏れに伴う内側シュラウドの裏面側に配置された構成部品や溶接部の破損や割れを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るタービン静翼及び支持構造を示し、（Ａ）はタービン静翼及び支持構造の要部の断面図、（Ｂ）はタービン静翼及び支持構造の要部の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るタービン静翼を示し、一段静翼の要部の正面図である。 本発明の第１の実施形態に係るタービン静翼を示し、（Ａ）は図３のＡ−Ａ線に沿う要部の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う要部の拡大断面図である。 従来のタービン静翼を示し、（Ａ）は要部の断面図、（Ｂ）は要部の拡大断面図である。 従来の一段静翼の要部の正面図である。

次に、本発明の第１の実施形態に係るガスタービンについて、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明のガスタービンにおける好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す縦断面図である。図１において、ガスタービン１は、圧縮空気Ｃを生成する圧縮機２と、圧縮機２から供給される圧縮空気Ｃを一旦車室Ｓに貯め、さらに圧縮空気Ｃと燃料とを混合して作動流体である燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器３と、燃焼器３から供給される燃焼ガスＧにより回転動力を発生させるタービン４と、タービン４を通過した燃焼ガスＧを排気する排気室５と、を圧縮空気Ｃ及び燃焼ガスＧの供給・排気方向の上流側から下流側に向けてこの順に備えている。また、ガスタービン１は、軸線Ｏを回転中心としてタービン４の周方向Ｒに回転するロータ６を備えている。

タービン４は、内部にタービン静翼８及びタービン動翼９を備え、ロータ６の軸方向に沿って交互に配置されている。燃焼器３で発生した燃焼ガスＧがロータ６の軸廻りに配設されたタービン動翼９を回転させ、燃焼ガスＧの熱エネルギーが回転エネルギーに変換されて、電力として取り出される。

図２（Ａ）はこのようなガスタービン１のタービン静翼８及びタービン静翼８の支持構造の一例を示す要部の断面図である。尚、以下の説明においては、燃焼器３の尾筒３ａが接続される最上流側（図示左方）の一段目のタービン静翼（以下、「一段静翼」と称する。）８と、この一段静翼８の下流側（図示右方）に隣接する一段目のタービン動翼（以下、「一段動翼」と称する。）９として説明する。

一段静翼８は、基本的に同一のセグメントを複数用いてタービン周方向に沿って配列することで円環状とされ、一段静翼８の外周壁を構成する外側シュラウド８ａと、一段静翼８の内周壁を構成する内側シュラウド８ｂと、外側シュラウド８ａと内側シュラウド８ｂとの間に架設された翼本体８ｃと、内側シュラウド８ｂの上流側の裏面（図示下方）から突出したリテーナ８ｄと、内側シュラウド８ｂの下流側の裏面から突出したリブ８ｅと、を備えている。

また、一段静翼８は、リテーナ８ｄの下流側の面が突き当たるように、サポートリング１０の上流側突出部１０ａにピン１１を介して固定されている。さらに、一段静翼８は、リブ８ｅの下流側の面がサポートリング１０の下流側突出部１０ｂの上流側面に、若干の隙間をあけて対向して配置されている。また、サポートリング１０は、中間軸カバー１２とともにタービン静翼の支持構造の一部を構成し、ボルト１３を介して他端が車室Ｓに支持された中間軸カバー１２の一端にボルト締結されている。

リテーナ８ｄは、タービン周方向に沿って環状に延在しており、その下流側の面を断面略Ｙ字形状のサポートリング１０の上流側突出部１０ａに突き当てることにより、差圧によるスラスト方向（ロータ軸となる軸線Ｏに沿う方向）の荷重を受け止め、一段静翼８が一段動翼９に接近する方向に変位することを抑制している。また、リテーナ８ｄは、燃焼ガスＧの差圧を受ける翼本体８ｃの上流端の径方向の内側方向に配置されており、その翼本体８ｃからの荷重を効率良く受け止めるよう構成されている。なお、本実施形態のリテーナ８ｄは、従来技術で説明したリテーナ２１ｄを上流側に移動したものであり、翼本体８ｃにかかる燃焼ガスの差圧を支持する強度部材としての機能は変わらない。

内側シュラウド８ｂの下流側の裏面から径方向の内側方向に突出して配置されたリブ８ｅは、タービン周方向に沿って環状に配置され、その下流側端面でサポートリング１０の下流側突出部１０ｂの上流側端面に対向している。リブ８ｅは、リテーナ８ｄとは異なり、翼本体８ｃにかかる燃焼ガスＧの差圧を受ける強度部材ではないため、リブ８ｅの板厚はリテーナ８ｄより薄くすることができる。

タービン静翼8をロータ軸方向および周方向に支持するサポートリング１０は、ロータ６の軸廻りに環状に配置され、少なくとも２個以上に分割されている。また、サポートリング１０は、上流側の径方向の外側でピン１１を介してリテーナ８ｄに接合する上流側突出部１０ａと、下流側の径方向の外側でリブ８ｅに当接する下流側突出部１０ｂと、径方向の内側でボルト１３を介して中間軸カバー１２を支持する本体固定部１０ｃと、を備えている。上流側突出部１０ａは、上流側端面でリテーナ８ｄに接合し、下流側突出部１０ｂの径方向の外周側には、タービン周方向断面視でＬ字状の溝部１０ｄが設けられ、リブ８ｅの径方向内周側の端面および下流側端面に当接している。

サポートリング１０は、上流側突出部１０ａと下流側突出部１０ｂと内側の本体固定部１０ｃを備える限り、タービン周方向の断面形状は略Ｙ字形状に限定する必要はない。しかし、径方向外側の上流側突出部１０ａと下流側突出部１０ｂの間の中間部は凹部状の溝形状とし、径方向の内側の本体固定部１０ｃ近傍は、中間部の本体固定部１０ｃを径方向の内側に凸状となるような断面形状とすることが望ましい。このような形状により、サポートリング１０の重量が軽減され、熱容量を小さくすることが出来る。

前述した本実施形態の構成によれば、翼本体８ｃにかかる燃焼ガスＧの差圧は、外側シュラウド８ａと内側シュラウド８ｂとに分担され、内側シュラウド８ｂが分担する荷重はリテーナ８ｄを介してサポートリング１０の上流側突出部１０ａに支持される。すなわち、下流側のリブ８ｅおよびサポートリング１０の下流側突出部１０ｂとの間には、翼本体８ｃにかかる差圧が働かないため、ロータ軸方向にはほとんど荷重がかからず、両者の間に後述するシール溝１０ｅおよびシール部材１６（図２（Ｂ）参照）で構成されるシール面が形成されるに過ぎない。

すなわち、図２（Ａ）に示すように、リブ８ｅとサポートリング１０の下流側突出部１０ｂの合計断面厚みｔ２（ロータ６の軸方向に沿う合計厚み）は、図５の従来の静翼構造に示すリテーナ２１ｄとサポートリング２５の合計厚みｔ１よりも大幅に薄くできる。従って、厚みを薄くできる分、リブ（従来技術のリテーナ）８ｅの位置を内側シュラウド８ｂの下流側端面８ｇに近づけられる。つまり、リブ８ｅと下流側端面８ｇの間の内側シュラウド８ｂの長さを小さくでき、分割隙間Ｋ１から空間Ｎへの燃焼ガスの漏れ込み量を低減できる。

また、ガスタービンの起動時及び停止時には、内側シュラウド８ｂおよびサポートリング１０の間にはロータ６の軸方向に沿う熱伸び差が発生するため、リブ８ｅと下流側突出部１０ｂの間はボルト等で締結せずに、僅かな隙間を設けて、シール部材１６を介して接触させているに過ぎない。そのため、図２（Ｂ）に示すように、下流側突出部１０ｂの溝部１０ｄの垂直面（当接側）にはシール溝１０ｅが設けられ、このシール溝１０ｅの内部にＥリング等のシール部材１６が配置されている。シール部材１６を設けることにより、下流側突出部１０ｂの溝部１０ｄの垂直面とリブ８ｅとの間に隙間が生じた場合でも、車室側の冷却空気が空間Ｎ側に漏れ出すのが防止され、車室空気の損失が低減される。
なお、シール部材１６は、リブ８ｅ側に設けてもよい。すなわち、リブ８ｅのサポートリング１０との当接側にシール溝を設け、当該シール溝にシール部材を配置する構成でもよい。

また、内側シュラウド８ｂは、図３に示すように、１つのセグメントが正面視略平行四辺形（菱形）に形成されており、タービン周方向に一辺同士を突き合わせるように分割面で接続している。また、図４に示すように、隣接する内側シュラウド８ｂの間には、内側シュラウド８ｂのタービン周方向の分割隙間Ｋ１を塞ぐように、隣接する内側シュラウド８ｂの突合せ端面間に跨る横シール板１４が架設され、タービン周方向で隣接するリテーナ８ｄ同士の間には縦シール板１５が配置されている。さらに図２（Ａ）に示すように、隣接するリブ８ｅ同士の間にもリブシール板１８が径方向に配置されている。

このような構成により、一段静翼８の内側シュラウド８ｂのリブ８ｅから下流側端面８ｇまでの長さを小さくできるので、主流路Ｒから分割隙間Ｋ１を経由して空間Ｎに漏れ込む燃焼ガス量を低減でき、内側シュラウド８ｂの裏面およびサポートリング１０の上部の焼損や溶接割れを回避できる。そのため、ガスタービン１の長時間運転が可能となり、ガスタービン１の信頼性が向上する。

しかも、リブ８ｅとサポートリング１０との間にはシール部材１６が介在されていることから、内側シュラウド８ｂの裏面側におけるリブ８ｅとサポートリング１０とで車室Ｓの上流側と下流側とで区画される隔壁機能の気密性が確保され、車室内の冷却空気がリブ８ｅから下流側に漏れ出すことがなく、冷却空気量の損失を抑制できる。

次に、第２の実施形態について、内側シュラウド８ｂのリブ８ｅの位置と翼本体８ｃのスロートラインＰとの関係を踏まえて、以下に説明する。本実施形態では、一段静翼８のリブ８ｅの位置を以下に説明するように、スロートラインＰよりも下流側に配置した点を除き、第１の実施形態と同じ構成である。

すなわち、翼本体８ｃは、下流側（図示右側）に向う程に先細りとなるように弧状とされている。また、本実施の形態においては、一つの内側シュラウド８ｂに対して一つの翼本体８ｃが設けられている。

図３に示すように、リブ８ｅは、隣接する翼本体８ｃの翼形状に伴う最小内接円の接点間を結ぶスロートラインＰと隣接する内側シュラウド８ｂの分割隙間Ｋ２Ｋ１との交点Ｑよりも下流側に配置されている。

このような構成において、翼本体８ｃを通過する主流路Ｒでの燃焼ガスＧの圧力は、スロートラインＰよりも上流側は高圧であるが、スロートラインＰよりも下流側では急激に圧力が低下して、一段静翼８と一段動翼９との間の段間圧力とほぼ同じ圧力となる。

本実施形態では、リブ８ｅが、スロートラインＰと分割隙間Ｋ１との交点Ｑよりも下流側に配置されていることから、スロートラインＰよりも下流側の主流路Ｒの圧力と空間Ｎとの圧力差がほとんどなくなる。そのため、主流路Ｒから分割隙間Ｋ１を経由して空間Ｎに漏れ込む燃焼ガス量が、第１の実施形態よりもさらに低減され、内側シュラウド８ｂの裏面およびサポートリング１０の焼損および溶接割れが一層低減される。その他の構成は、第１の実施形態と同様であり、本実施形態でも同じ効果が得られる。

１…ガスタービン
８…タービン静翼（一段静翼）
８ａ…外側シュラウド
８ｂ…内側シュラウド
８ｃ…翼本体
８ｄ…リテーナ
８ｅ…リブ
１０…サポートリング
１０ａ…上流側突出部
１０ｂ…下流側突出部
１０ｃ…本体固定部
１０ｅ…シール溝（当接側）
１６…シール部材（Ｅリング）
Ｇ…燃焼ガス
Ｎ…空間
Ｐ…スロートライン
Ｑ…交点
Ｒ…主流路
Ｋ１…隙間（分割隙間）

Claims (5)

1. タービン周方向に沿って複数隣接されると共に主流路の外壁を構成する外側シュラウドと、内壁を構成する内側シュラウドと、該内側シュラウドの表面から突出して前記主流路の上流側から下流側に向う燃焼ガスの流れを規定する翼本体と、前記内側シュラウドの上流側裏面から突出してタービン周方向に沿って延びるリテーナと、前記内側シュラウドの下流側裏面から突出してタービン周方向に沿って延びるリブと、
   を備えることを特徴とするタービン静翼。
2. 前記リブは、タービン周方向で隣接する前記翼本体の翼形状に伴う最小内接円の接点間を結ぶスロートラインとタービン周方向で隣接する前記内側シュラウドの分割隙間との交点よりも下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン静翼。
3. タービン静翼と中間軸カバーの間に設けられ、前記タービン静翼を前記中間軸カバーに支持するサポートリングであって、
   前記タービン静翼の内側シュラウドの上流側裏面より径方向内側に突出するリテーナに当接して径方向の外側且つ上流側に配置された上流側突出部と、
   前記タービン静翼の内側シュラウドの下流側裏面より径方向内側に突出するリブに当接して径方向の外側且つ下流側に配置された下流側突出部と、
   前記中間軸カバーに固定され径方向の内側に配置された本体固定部を備え、
   タービン周方向に環状に形成されていることを特徴とするサポートリング。
4. 前記下流側突出部の前記リブとの当接側にシール部材を備えることを特徴とする請求項３に記載のサポートリング。
5. 請求項１または請求項２に記載のタービン静翼と、請求項３に記載のサポートリングと、を備えることを特徴とするガスタービン。

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