JP2015190354A - ガスタービンの分割環の冷却構造及びこれを有するガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】冷却空気を効率よく供給し、分割環を効率よく冷却することができる分割環冷却構造及びこれを有するガスタービンを提供する。
【解決手段】車室のケーシングと分割体の本体により囲まれ、冷却空気が供給されるキャビティと、分割体の本体内の周方向に配置され、一端がキャビティに連通し、他端が分割体の回転方向の前方側及び後方側の側端部に開口する冷却空気が流れる冷却流路と、を有し、冷却流路は、分割体の回転方向の前方側の第１の領域に形成され、冷却空気が回転方向の後方側から前方側に向けて排出される第１冷却流路と、分割体の回転方向の後方側の第２の領域に形成され、冷却空気が回転方向の前方側から後方側に向けて排出される第２冷却流路と、を含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃焼ガスによって回転するガスタービンに関するものである。

従来、回転軸と、回転軸に対して径方向外側に延びるタービン動翼と、タービン動翼から径方向外側に離間して設けられた分割環と、分割環の軸方向に隣接するタービン静翼と、を備えたガスタービンが知られている。タービン静翼及び分割環は、離間して配置されており、タービン静翼と分割環との間には、周方向及び径方向に延びるキャビティが形成されている。このキャビティには、タービン静翼から排出されるシール空気を流し、燃焼ガスの逆流を防止している。

ガスタービンは、径方向外側に形成され、タービン車室又はタービン車室と翼環で囲まれた翼環キャビティから供給される冷却空気を内部に流通させる冷却流路を分割体の内部に形成し、冷却流路に冷却空気を流して、分割環を冷却する分割環冷却構造を備えている（例えば、特許文献１、特許文献２）。なお、冷却空気は、圧縮機出口側の車室空気または圧縮機から抽気される抽気空気を用いるのが一般的である。特許文献１に記載の分割環冷却構造は、分割体の内部に燃焼ガスの流れ方向に冷却空気を流す冷却流路が形成されている。この冷却流路は、燃焼ガスの流れ方向の上流側の端部に冷却空気が供給される開口が形成されている。また、特許文献１に記載の分割環冷却構造は、分割体の回転方向の前方側及び後方側の両端に、回転方向の端部に向けて開口された冷却流路をさらに備えている。

特許文献２に記載の分割環冷却構造は、分割体の内部に周方向（回転軸の回転方向の前方側及び後方側方向）に冷却空気を流す冷却流路が形成されている。また、特許文献２には、回転軸の回転方向の前方側に冷却空気を流す冷却流路と、回転軸の回転方向とは反対方向の後方側に冷却空気を流す冷却流路とが、燃焼ガスの流れ方向において、交互に配置されている。

国際公開２０１１／０２４２４２号 米国特許第５３７５９７３号明細書

特許文献１及び特許文献２に示すように、分割体の回転方向の両端に向けて冷却空気を流す冷却流路を設けることで、分割体の回転方向の端部を冷却することができる。ここで、分割環冷却構造としては、特許文献１及び特許文献２の分割環冷却構造でも、改善の余地がある。特許文献１及び特許文献２の分割環冷却構造は、構造が複雑であり、また、冷却空気の利用効率の向上にも限界がある。

そこで、本発明は、冷却空気を効率よく供給し、冷却空気が使い廻しされて、分割環を効率よく冷却することができる分割環冷却構造及びこれを有するガスタービンを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体を有し、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造であって、前記車室のケーシングと前記分割体の本体により囲まれ、冷却空気が供給されるキャビティと、前記分割体の本体内の周方向に配置され、一端が前記キャビティに連通し、他端が前記分割体の回転方向の前方側及び後方側の側端部に開口する冷却空気が流れる冷却流路と、を有し、前記冷却流路は、前記分割体の回転方向の前方側の第１の領域に形成され、前記冷却空気が前記回転方向の後方側から前方側に向けて排出される第１冷却流路と、前記分割体の回転方向の後方側の第２の領域に形成され、前記冷却空気が前記回転方向の前方側から後方側に向けて排出される第２冷却流路と、を含むこと、を特徴とする。

この構成によれば、第１の領域にキャビティと連通した第１冷却流路を設け、第２の領域にキャビティと連通した第２冷却流路を設けることで、冷却空気が使い廻しされて、簡単な構造で分割体の回転方向の両端を効率よく冷却することができる。これにより、冷却空気を効率よく供給し、冷却空気量が低減されて、分割環を効率よく冷却することができる。

前記キャビティは、前記分割体の径方向の外側に配置された第１キャビティと、前記第１キャビティの径方向内側に配置され、一端が前記第１キャビティに連通し、他端は前記冷却流路の一方の端部と連通する第２キャビティと、を備えることが好ましい。

この構成によれば、冷却空気をより均一に冷却流路に供給することができる。

前記第１キャビティに配置された多数の開口を備えた衝突板を備えることが好ましい。

この構成によれば、分割体が更に冷却される。

前記第２キャビティは、前記回転方向において、前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、冷却空気が回転方向の前方側及び後方側の両側端部から排出されるので、両側の端部冷却が更に強化される。

前記冷却流路は、冷却空気の流れ方向の下流端の一部が、燃焼ガスの流れ方向に向かって傾斜していることが好ましい。

この構成によれば、回転方向の両端における冷却流路の距離をより長くすることができ、回転方向の両端をより冷却することができる。

前記冷却流路は、燃焼ガスの流れ方向の下流側に配置された冷却流路が、燃焼ガスの流れ方向の上流側に配置された冷却流路より小さい配列ピッチで配列されていることが好ましい。

この構成によれば、より冷却する必要がある燃焼ガスの流れ方向の下流側により多くの冷却空気を供給することができる。

上記課題を解決するために本発明は、ガスタービンであって、回転可能なタービン軸に取り付けられた前記タービン動翼と、前記タービン動翼に対し軸方向に対向するように固定されたタービン静翼と、前記タービン動翼を周方向に囲む前記分割環と、前記分割環の外周に配置され、かつ前記タービン静翼を支持する前記車室と、上記のいずれかに記載の分割環冷却構造と、を有する。

この構成によれば、分割環を効率よく冷却することができ、燃焼ガスの流路に排出される冷却空気の量を少なくすることができる。これにより、ガスタービンの効率をより高くすることができる。

本発明によれば、キャビティと連通した第１冷却流路と第２冷却流路とを設けることで、冷却空気の使い廻しがされ、簡単な構造で分割体の回転方向の両端を効率よく冷却することができる。これにより、冷却空気が効率よく供給され、冷却空気量が低減されて、分割環を効率よく冷却することができる。

図１は、実施例１に係るガスタービンの概略構成図である。 図２は、実施例１に係るガスタービンのタービン周りにおける部分断面図である。 図３は、実施例１に係るガスタービンの分割環の近傍の部分拡大図である。 図４は、実施例１に係る分割環の分割体の斜視図である。 図５は、実施例１に係る分割環の分割体の断面図である。 図６は、実施例１に係る分割環を径方向から見た概略断面図で、図５のＡ−Ａ線断面図である。 図７は、実施例１に係る分割環を燃焼ガスの流れ方向から見た概略断面図で、図６のＢ−Ｂ線断面図である。 図８は、実施例１の変形例に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。 図９は、実施例２に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。 図１０は、実施例２に係る分割体を燃焼ガスの流れ方向から見た断面図で、図９のＣ−Ｃ線断面図である。 図１１は、実施例３に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。 図１２は、実施例４に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。 図１３は、実施例５に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。 図１４は、実施例６に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。 図１５は、実施例７に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明について説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１に示すように、実施例１のガスタービン１は、圧縮機５と、燃焼器６と、タービン７とにより構成されている。また、圧縮機５、燃焼器６及びタービン７の中心部には、タービン軸８が貫通して配置されている。圧縮機５、燃焼器６及びタービン７は、タービン軸８の軸心ＣＬに沿って、空気または燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から下流側に向かって順に並設されている。

圧縮機５は、空気を圧縮して圧縮空気とするものである。圧縮機５は、空気を取り込む空気取入口１１を有した圧縮機ケーシング１２内に、複数段の圧縮機静翼１３及び複数段の圧縮機動翼１４が設けられている。各段の圧縮機静翼１３は、圧縮機ケーシング１２に取り付けられて周方向に複数並設され、各段の圧縮機動翼１４は、タービン軸８に取り付けられて周方向に複数並設されている。これら複数段の圧縮機静翼１３と複数段の圧縮機動翼１４とは、軸方向に沿って交互に設けられている。

燃焼器６は、圧縮機５で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給することで、高温・高圧の燃焼ガスを生成するものである。燃焼器６は、燃焼筒として、圧縮空気と燃料を混合して燃焼させる内筒２１と、内筒２１から燃焼ガスをタービン７に導く尾筒２２と、内筒２１の外周を覆い、圧縮機５からの圧縮空気を内筒２１に導く外筒２３とを有している。この燃焼器６は、タービンケーシング３１内に配置され、周方向に複数配置されている。なお、圧縮機で圧縮された空気は、タービンケーシングで囲まれた車室２４に一旦溜められ、その後燃焼器に供給される。

タービン７は、燃焼器６で生成された燃焼ガスにより回転動力を生じるものである。タービン７には、外殻となるタービンケーシング３１内に、複数段のタービン静翼３２及び複数段のタービン動翼３３が設けられている。各段のタービン静翼３２は、タービンケーシング３１に取り付けられて周方向に複数環状に配置され、各段のタービン動翼３３は、タービン軸８の軸心ＣＬを中心とした円盤状のディスクの外周に固定されて周方向に複数環状に配置されている。これら複数段のタービン静翼３２と複数段のタービン動翼３３とは、軸方向に沿って複数交互に設けられている。

タービンケーシング３１の軸方向の下流側には、タービン７に連続するディフューザ部５４を内部に有した排気室３４が設けられている（図１参照）。タービン軸８は、圧縮機５側の端部が軸受部３７により支持され、排気室３４側の端部が軸受部３８により支持されて、軸心ＣＬを中心として回転自在に設けられている。そして、タービン軸８の排気室３４側の端部には、発電機（図示せず）の駆動軸が連結されている。

以下、図２を参照して、タービン７について具体的に説明する。図２に示すように、タービン静翼３２は、外シュラウド５１と、外シュラウド５１から径方向内側に延びた翼形部５３と、翼形部の径方向内側に設けられた内シュラウド（図示していない）とにより一体に形成されている。更に、タービン静翼３２は、遮熱環、翼環を介して、タービンケーシング３１から支持され、固定側となっている。複数段のタービン静翼３２は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン静翼３２ａと、第２タービン静翼３２ｂと、第３タービン静翼３２ｃと、第４タービン静翼３２ｄとを含んで構成されている。第１タービン静翼３２ａは、外シュラウド５１ａと、翼形部５３ａと、内シュラウド（図示していない）とにより一体に形成されている。第２タービン静翼３２ｂは、外シュラウド５１ｂと、翼形部５３ｂと、内シュラウド（図示していない）とにより一体に形成されている。第３タービン静翼３２ｃは、外シュラウド５１ｃと、翼形部５３ｃと、内シュラウド（図示していない）とにより一体に形成されている。第４タービン静翼３２ｄは、外シュラウド５１ｄと、翼形部５３ｄと、内シュラウド（図示していない）とにより一体に形成されている。

複数段のタービン動翼３３は、複数の分割環５２に対向して、径方向の内側にそれぞれ配置されている。各段のタービン動翼３３は、各分割環５２に対して所定の隙間を空けて離間して設けられており、可動側となっている。複数段のタービン動翼３３は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン動翼３３ａと、第２タービン動翼３３ｂと、第３タービン動翼３３ｃと、第４タービン動翼３３ｄとを含んで構成されている。そして、第１タービン動翼３３ａは、第１分割環５２ａの径方向内側に設けられている。同様に、第２タービン動翼３３ｂ、第３タービン動翼３３ｃ及び第４タービン動翼３３ｄは、第２分割環５２ｂ、第３分割環５２ｃ及び第４分割環５２ｄの径方向内側に設けられている。

このため、複数段のタービン静翼３２及び複数段のタービン動翼３３は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン静翼３２ａ、第１タービン動翼３３ａ、第２タービン静翼３２ｂ、第２タービン動翼３３ｂ、第３タービン静翼３２ｃ、第３タービン動翼３３ｃ、第４タービン静翼３２ｄ、第４タービン動翼３３ｄとなるように配置され、それぞれ軸方向に対向するように設けられている。

図２に示すように、タービンケーシング３１は、その径方向内側に配置され、タービンケーシング３１から支持された翼環４５を有している。翼環４５は、タービン軸８廻りに環状に形成され、周方向及び軸方向に複数に分割されて、タービンケーシング３１から支持されている。また、複数の翼環４５は、燃焼ガスの流れ方向（軸方向）ＦＧの上流側から順に、第１翼環４５ａと、第２翼環４５ｂと、第３翼環４５ｃと、第４翼環４５ｄとを含んで構成されている。翼環４５の径方向内側には、遮熱環４６が配設され、タービン静翼３２は、遮熱環４６を介して翼環４５から支持されている。複数の遮熱環４６は、燃焼ガスの流れ方向（軸方向）ＦＧの上流側から順に、第１遮熱環４６ａと、第２遮熱環４６ｂと、第３遮熱環４６ｃと、第４遮熱環４６ｄとを含んで構成されている。

翼環４５の内側には、複数のタービン静翼３２と、複数の分割環５２とが互いに軸方向に隣接して設けられている。

そして、複数のタービン静翼３２及び複数の分割環５２は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側から順に、第１タービン静翼３２ａ、第１分割環５２ａ、第２タービン静翼３２ｂ、第２分割環５２ｂ、第３タービン静翼３２ｃ、第３分割環５２ｃ、第４タービン静翼３２ｄ、第４分割環５２ｄとなるように配置され、それぞれ軸方向に対向するように設けられている。

また、第１タービン静翼３２ａ及び第１分割環５２ａは、第１遮熱環４６ａを介して第１翼環４５ａの径方向内側に取り付けられている。同様に、第２タービン静翼３２ｂ及び第２分割環５２ｂは、第２遮熱環４６ｂを介して、第２翼環４５ｂの径方向内側に取り付けられ、第３タービン静翼３２ｃ及び第３分割環５２ｃは、第３遮熱環４６ｃを介して第３翼環４５ｃの径方向内側に取り付けられ、第４タービン静翼３２ｄ及び第４分割環５２ｄは、第４遮熱環４６ｄを介して第４翼環４５ｄの径方向内側に取り付けられている。

そして、複数のタービン静翼３２の外シュラウド５１及び複数の分割環５２の内周側と、タービン静翼３２の内シュラウド及びタービン動翼３３のプラットフォームの外周側との間に形成された環状の流路が、燃焼ガス流路Ｒ１となり、燃焼ガスは、燃焼ガス流路Ｒ１に沿って流れる。

上記のようなガスタービン１において、タービン軸８を回転させると、圧縮機５の空気取入口１１から空気が取り込まれる。そして、取り込まれた空気は、複数段の圧縮機静翼１３と複数段の圧縮機動翼１４とを通過することにより圧縮されることで、高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気に対し、燃焼器６から燃料が供給され、高温・高圧の燃焼ガスが生成する。この燃焼ガスがタービン７の複数段のタービン静翼３２と複数段のタービン動翼３３とを通過することでタービン軸８が回転駆動する。これにより、タービン軸８に連結された発電機は、回転動力が付与されることで発電を行う。この後、タービン軸８を回転駆動した後の燃焼ガスは、排気室３４内のディフューザ部５４から系外に排出される。

次に、図２及び図３を参照して、分割環と分割環を冷却する分割環冷却構造について説明する。図３は、実施例１に係るガスタービンの分割環の部分拡大図である。ここで、図２では、第２分割環５２ｂの周囲の分割環冷却構造のみを示しているが、他の分割環についても同様の構造を備えている。以下、代表して、第２分割環５２ｂを分割環５２として、説明する。

分割環冷却構造６０に供給される冷却空気は、背景技術で説明したように、タービン車室と翼環４５で囲まれた翼環キャビティ４１から供給される。翼環４５には、供給開口４７が形成されている。遮熱環４６と翼環４５と分割環５２との間には、空間となる第１キャビティ８０が設けられている。第１キャビティ８０は、周方向に亘って環状に設けられている。第１キャビティ８０は、供給開口４７を介して翼環キャビティに４２に連通されている。さらに、分割環５２は、第１キャビティ８０と連通された冷却流路が形成されている。

分割環冷却構造６０の翼環キャビティ４１に供給された冷却空気ＣＡは、供給開口４７を介して第１キャビティ８０に供給される。本実施例の冷却空気ＣＡは、圧縮機出口側の車室空気または圧縮機から抽気される抽気空気を用いる。第１キャビティ８０に供給される冷却空気ＣＡは、分割環５２に供給され、分割環に配設された冷却流路（詳細は後述）を通過させることで、分割環５２を冷却する。

次に、図３に加え、図４から図７を用いて、分割環５２の構造について説明することで、分割環冷却構造６０の冷却流路についてより詳細に説明する。図４は、実施例１に係る分割環の分割体の斜視図である。図５は、実施例１に係る分割環の分割体の断面図である。図６は、実施例１に係る分割環を径方向から見た概略断面図である。図７は、実施例１に係る分割環を燃焼ガスの流れ方向から見た断面図である。ここで、本実施例では、タービン軸８の回転方向（タービン動翼の回転方向）をＲとし、回転方向Ｒは、回転軸の軸方向に直交する方向である。

分割環５２は、タービン軸８の周方向に配設されて環状をなす複数の分割体１００を有する。分割体１００は、分割体１００の内周面１１１ａとタービン動翼３３の先端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５２は、例えば耐熱性ニッケル合金等から形成されている。

分割体１００は、本体１１２と、フック１１３と、を有する。また、分割体１００のフック１１３とフック１１３との間には、衝突板１１４が設けられている。本体１１２は、内部に後述する冷却流路が設けられた板状の部材である。本体１１２は、径方向内側の面が回転方向Ｒに沿って湾曲した曲面となる。また、本体１１２は、冷却流路が形成されている。本体１１２の形状については後述する。

フック１１３は、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側及び下流側の端部で、かつ、本体１１２の径方向外側の面に一体で設けられている。フック１１３は、遮熱環４６に取り付けられている。これにより、分割体１００は、遮熱環４６に支持される。

衝突板１１４は、第１キャビティ８０内に配置されている。具体的には、衝突板１１４は、本体１１２よりも径方向外側に、本体１１２の径方向外側の面１１２ａと間隔を空けて配置されている。また、衝突板１１４は、分割体１００のフック１１３とフック１１３との間に配置され、分割体１００のフック１１３の内壁１１２ｂに固定され、衝突板１１４は、本体１１２の径方向外側の空間を塞いでいる。これにより、本体１１２と、衝突板１１４と、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側及び下流側に配置されたフック１１３と、タービン軸８の軸方向と略直交する方向（タービン軸８の回転方向）の上流側及び下流側に設けられた側端部により囲まれた空間が、冷却空間１２９となる。

衝突板１１４には、インピンジメント冷却用の冷却空気ＣＡが通過する多数の小孔１１５が穿設されている。これにより、第１キャビティ８０内に供給された冷却空気ＣＡは、本体１１２に向かう際に、小孔１１５を通過して、冷却空間１２９に排出する。これにより、冷却空気ＣＡは、小孔１１５から噴出し、本体１１２の面１１２ａをインピンジメント冷却する。

次に、図３から図７を用いて、本体１１２に形成される冷却空気ＣＡを流す流路について説明する。ここで、分割体１００において、回転方向Ｒの後方側とは、矢印の後ろ側（回転する動翼と最初に接する側）、回転方向Ｒの前方側とは、矢印の前側（回転する動翼と最後に接する側）である。

分割体１００は、本体１１２に開口１２０と、第２キャビティ１２２と、第１冷却流路（前方側冷却流路）１２３と、第２冷却流路（後方側冷却流路）１２４と、が形成されている。開口１２０は、本体１１２の第１キャビティ８０側、つまり径方向外側の面に形成されており、第２キャビティ１２２と、第１キャビティ８０（冷却空間１２９）とを連通している。開口１２０は、本体１１２の回転方向Ｒの中央近傍に形成されている。

第２キャビティ１２２は、本体１１２の内部に形成された燃焼ガスの流れ方向ＦＧが長手方向となる閉空間であり、矢印で示すように、冷却空気の流れ方向の上流側が、開口１２０に連通し、下流側が第１冷却流路１２３及び第２冷却流路１２４に連通している。第２キャビティ１２２は、開口１２０と、第１冷却流路１２３及び第２冷却流路１２４と、をつなげる空間であり、開口１２０と、第１冷却流路１２３及び第２冷却流路１２４と、を互いに連結するマニホールドの役割を果たしている。

第１冷却流路１２３は、本体１１２の第１の領域１３１に形成されている。第１の領域１３１は、本体１１２の回転方向Ｒの前方側の領域である。第１の領域１３１には、複数の第１冷却流路１２３が、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された管路であり、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの前方側の端面に開口している。つまり第１冷却流路１２３は、第２キャビティ１２２と燃焼ガス流路Ｒ１とを連通している。

第２冷却流路１２４は、本体１１２の第２の領域１３２に形成されている。第２の領域１３２は、本体１１２の回転方向Ｒの後方側の領域である。ここで、第２の領域１３２の回転方向Ｒの前方側の端部は、第１の領域１３１の回転方向Ｒの後方側の端部よりも後方側にある。つまり、第２の領域１３２は、第１の領域１３１と重複部分がない領域である。第２の領域１３２には、複数の第２冷却流路１２４が、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された管路であり、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの後方側の端面に開口している。つまり第２冷却流路１２４は、第２キャビティ１２２と燃焼ガス流路Ｒ１とを連通している。

ここで、第１冷却流路１２３、第２冷却流路１２４は、種々の方法で形成することができる。例えば、特開２０１３−１３６１４０号公報に記載されている、加工位置を屈曲させつつ、形成した穴の中を移動できる、曲り放電加工方法を用いて形成することができる。この方法を用いることで、板状の部材に切削、放電加工等で必要な加工を行い、分割体１００を作製することができる。

分割体１００には、以上のような冷却空気ＣＡを流す経路が形成されている。上述した分割環冷却構造６０により冷却空間１２９に供給され、分割体の面１１２ａをインピンジメント冷却した後の冷却空気ＣＡは、開口１２０を通過して、第２キャビティ１２２に供給される。第２キャビティ１２２に供給された冷却空気ＣＡは、第２キャビティ１２２内で燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流方向又は下流方向に移動しつつ、第１冷却流路１２３、第２冷却流路１２４に流入する。第１冷却流路１２３に流入した冷却空気ＣＡは、回転方向Ｒの後方側から前方側に流れて、分割体１００の回転方向Ｒの前方側の端部から燃焼ガス流路Ｒ１に排出される。第２冷却流路１２４に流入した冷却空気ＣＡは、回転方向Ｒの前方側から後方側に流れて、分割体１００の回転方向Ｒの後方側の端部から燃焼ガス流路Ｒ１に排出される。

本実施例の分割環冷却構造６０は、以上のような構成であり、冷却空気ＣＡを第１キャビティ８０に供給し、その冷却空気ＣＡを分割体１００の本体１１２に形成した各冷却流路を通過させることで、分割体１００を好適に冷却することができる。

具体的には分割体１００は、第１の領域１３１において回転方向Ｒに伸びた第１冷却流路１２３を複数設け、第２の領域１３２において回転方向Ｒに伸びた第２冷却流路１２４を複数設け、第１冷却流路１２３、第２冷却流路１２４に冷却空気ＣＡを供給することで、分割体１００の内部に冷却空気ＣＡを流通させることができ、分割体１００を好適に冷却することができる。さらに、第１冷却流路１２３、第２冷却流路１２４を回転方向Ｒに伸びた経路とし、回転方向Ｒの端部から冷却空気ＣＡを排出させることで、分割体１００の回転方向Ｒの端部を冷却空気ＣＡにより対流冷却させることができる。これにより、分割体１００及び分割体１００の回転方向Ｒの端部を効率よく冷却することができる。さらに、分割環冷却構造６０は、第１冷却流路１２３、第２冷却流路１２４を通過させることで、同じ冷却空気ＣＡが分割体１００の全体を冷却した後、端部を冷却することができ、冷却空気の使い廻しにより効率良く、分割体１００の冷却ができる。さらに冷却空気ＣＡは、第１キャビティ８０に供給された後、第１冷却流路１２３、第２冷却流路１２４に供給することで、同じ冷却空気ＣＡが第１キャビティ８０の各部品を冷却した後、本体１１２の各部を冷却する。これにより、冷却空気ＣＡを効率よく利用することができる。このように冷却空気ＣＡを効率よく利用できることで、冷却に使用する空気量を少なくすることができる。

また、分割体１００に開口１２０及び第２キャビティ１２２を設けることで、開口１２０の開口面積を変えることにより、第２キャビティ１２２に流入する冷却空気量を調整できる。そのため、各冷却流路にバランスよく冷却空気ＣＡを供給することができる。また、上記実施例では、分割体１００の径方向外側の面を効率よく冷却できるため、衝突板１１４を設けたが、衝突板１１４を設けなくてもよい。

図８は、実施例１の分割体を径方向から見た概略構成図であり、分割体１００に設けた開口１２０の開口面積を変えた変形例を示したものである。この変形例では、第２キャビティ１２０ａは、本体１１２の径方向外周面に溝状に形成され、第１キャビティ８０に対面する側には、遮蔽板が設けられず、径方向外側に向かって開放された構造である。すなわち、図６に示す開口１２０の構造と比較して、回転方向Ｒの開口の幅は変えずに、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの開口１２０の長さを、第１キャビティ８０と略同じ大きさまで拡張した例である。このような構造とすれば、第２キャビティを閉空間として形成する必要がなく、実施例１と比較して加工が容易である。

次に、図９及び図１０を用いて、実施例２に係るガスタービン、分割環冷却構造を説明する。図９は、実施例３に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。図１０は、実施例２に係る分割体を燃焼ガスの流れ方向から見た概略断面図であり、図９のＡ−Ａ線断面図である。実施例３に係るガスタービン、分割環冷却構造は、分割体の構造以外は、実施例１と同様である。以下では、分割体の構造の異なる点を重点的に説明し、同一の構造の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。

分割体１００ｂは、本体１１２に第１冷却流路１２３ａと、第２冷却流路１２４ａと、が形成されている。第１冷却流路１２３ａは、一方の端部が本体１１２の径方向外側の面１１２ａ、つまり第１キャビティ８０と対面する面に形成された開口１４０と繋がっており、他方の端部が回転方向Ｒの前方側の端面に開口している。第１冷却流路１２３ａは、図１０に示すように、回転方向Ｒの後方側の経路が、後方側に向かうにしたがって、本体１１２の径方向外側の面に向かう曲がった管となる。第２冷却流路１２４ａは、一方の端部が本体１１２の径方向外側の面１１２ａ、つまり第１キャビティ８０と対面する面に形成された開口１４１と繋がっており、他方の端部が回転方向Ｒの後方側の端面に開口している。第２冷却流路１２４ａは、図１０に示すように、回転方向Ｒの前方側の経路が、前方側に向かうにしたがって、本体１１２の径方向外側の面に向かう曲がった管となる。また、第１冷却流路１２３ａは、第１の領域１３１に形成され、第２冷却流路１２４ａは、第２の領域１３２に形成されている。また、一部が曲がっている第１冷却流路１２３ａ、第２冷却流路１２４ａは、上述した曲り放電加工で形成することができる。

分割体１００ｂは、以上のように、第２キャビティを設けず、第１冷却流路１２３ａ、第２冷却流路１２４ａが第１キャビティ８０と直接連通した構造としても第１冷却流路１２３ａ、第２冷却流路１２４ａによって、分割体１００ｂの径方向内側の面を好適に冷却し、かつ、回転方向の両端部も好適に冷却することができる。

次に、図１１を用いて、実施例３に係るガスタービン、分割環冷却構造を説明する。図１１は、実施例４に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。実施例３に係るガスタービン、分割環冷却構造は、分割体の構造以外は、実施例１と同様である。以下では、分割体の構造の異なる点を重点的に説明し、同一の構造の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。

分割体１００ｃは、本体１１２に開口１２０と、第２キャビティ１２２と、第１冷却流路１２３ｂと、第２冷却流路１２４ｂと、が形成されている。

第１冷却流路１２３ｂは、本体１１２の第１の領域１３１に形成されている。第１の領域１３１には、複数の第１冷却流路１２３ｂが、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された管路であり、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの前方側の端面に開口している。第１冷却流路１２３ｂは、隣接する第１冷却流路１２３ｂとの間隔が、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が狭くなる。つまり、分割体１００ｃは、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が、第１冷却流路１２３ｂが密に配置されている。

第２冷却流路１２４ｂは、本体１１２の第２の領域１３２に形成されている。第２の領域１３２には、複数の第２冷却流路１２４ｂが、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された管路であり、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの後方側の端面に開口している。第２冷却流路１２４ｂは、隣接する第２冷却流路１２４ｂとの間隔が、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が狭くなる。つまり、分割体１００ｃは、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が、第２冷却流路１２４ｂが密に配置されている。

分割体１００ｃは、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が冷却流路の数を密になるように第１冷却流路１２３ｂ、第２冷却流路１２４ｂを配置することで、分割体１００ｃの燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側をより確実に冷却することができる。これにより、より冷却する必要がある燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側部分により多くの冷却空気ＣＡを流通させることができ、分割体１００ｃをより効率よく冷却することができる。

次に、図１２を用いて、実施例４に係るガスタービン、分割環冷却構造を説明する。図１２は、実施例４に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。実施例４に係るガスタービン、分割環冷却構造は、分割体の構造以外は、実施例１と同様である。以下では、分割体の構造の異なる点を重点的に説明し、同一の構造の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。

分割体１００ｄは、本体１１２に開口１２０と、第２キャビティ１２２と、第１冷却流路１２３ｃと、第２冷却流路１２４ｃと、が形成されている。

第１冷却流路１２３ｃは、本体１１２の第１の領域１３１に形成されている。第１の領域１３１には、複数の第１冷却流路１２３ｃが、燃焼ガスの流れ方向ＦＧに並んで形成されている。第１冷却流路１２３ｃは、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの前方側の端面に開口している。第１冷却流路１２３ｃは、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された平行部１５０と、回転方向Ｒに対して傾斜した傾斜部１５２とを有する。平行部１５０は、第２キャビティ１２２と繋がっている。傾斜部１５２は、平行部１５０と繋がっており、回転方向Ｒの端部（前方側の端部）に開口している。つまり傾斜部１５２は、本体１１２の回転方向Ｒの前方側に形成されている。また傾斜部１５２は、回転方向Ｒの前方側に向かうにしたがって、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側に傾斜する。また、第１冷却流路１２３ｃは、隣接する第１冷却流路１２３ｃとの間隔が、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が狭くなる。つまり、分割体１００ｄは、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が、第１冷却流路１２３ｃが密に配置されている。

第２冷却流路１２４ｃは、本体１１２の第２の領域１３２に形成されている。第２の領域１３２には、複数の第２冷却流路１２４ｃが、燃焼ガスの流れ方向ＦＧに並んで形成されている。第２冷却流路１２４ｃは、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの後方側の端面に開口している。第２冷却流路１２３ｃは、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された平行部１５４と、回転方向Ｒに対して傾斜した傾斜部１５６とを有する。平行部１５４は、第２キャビティ１２２と繋がっている。傾斜部１５６は、平行部１５４と繋がっており、回転方向Ｒの端部（後方側の端部）に開口している。つまり傾斜部１５６は、本体１１２の回転方向Ｒの後方側に形成されている。また傾斜部１５６は、回転方向Ｒの後方側に向かうにしたがって、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側に傾斜する。第２冷却流路１２４ｃは、隣接する第２冷却流路１２４ｃとの間隔が、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が狭くなる。つまり、分割体１００ｄは、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側より下流側の方が、第２冷却流路１２４ｃが密に配置されている。

分割体１００ｄは、第１冷却流路１２３ｃ、第２冷却流路１２４ｃの回転方向Ｒの端面と繋がっている部分側に傾斜部１５２、１５６を設けることで、分割体１００ｄの回転方向Ｒの両端部での冷却流路の長さを大きくして流路表面積を大きくすることができる。これにより、分割体１００ｄの回転方向Ｒの両端部を好適に冷却することができる。

次に、図１３を用いて、実施例５に係るガスタービン、分割環冷却構造を説明する。図１３は、実施例５に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。実施例５に係るガスタービン、分割環冷却構造は、分割体の構造以外は、実施例１と同様である。以下では、分割体の構造の異なる点を重点的に説明し、同一の構造の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。

分割体１００ｅは、本体１１２に開口１２０と、第２キャビティ１２２と、第１冷却流路１６２と、第２冷却流路１６４と、が形成されている。

第１冷却流路１６２は、本体１１２の第１の領域１３１に形成されている。第１の領域１３１には、複数の第１冷却流路１６２が、燃焼ガスの流れ方向ＦＧに並んで形成されている。第１冷却流路１６２は、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された管路であり、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの前方側の端面に開口している。

第２冷却流路１６４は、本体１１２の第２の領域１３２に形成されている。第２の領域１３２には、複数の第２冷却流路１６４が、燃焼ガスの流れ方向ＦＧに並んで形成されている。第２冷却流路１６４は、回転方向Ｒに延び、互いに平行に本体１１２の内部に形成された管路であり、一方の端部が第２キャビティ１２２に開口し、他方の端部が本体１１２の回転方向Ｒの後方側の端面に開口している。

分割体１００ｅは、第１冷却流路１６２の本数よりも第２冷却流路１６４の本数の方が多く形成されている。つまり、分割体１００ｅは、第１冷却流路１６２よりも第２冷却流路１６４の方が、冷却流路の配置密度がより密になっている。これにより分割体１００ｅは、第１冷却流路１６４が設けられている第２の領域１３２により多くの冷却空気ＣＡが供給される。これにより、第１冷却流路１６４が設けられている第２の領域１３２をより冷却することができる。したがって、分割体１００ｅは、回転方向Ｒの前方側の端部より厳しい条件におかれる回転方向Ｒの後方側の端部を的確に冷却することができる。これにより、冷却空気ＣＡを各部に的確に供給することができ、効率よく冷却することができる。これにより、供給する冷却空気ＣＡを少なくしつつ、確実に分割環５２を冷却することができる。

次に、図１４を用いて、実施例６に係るガスタービン、分割環冷却構造を説明する。図１４は、実施例６に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。実施例６に係るガスタービン、分割環冷却構造は、分割体の構造以外は、実施例１と同様である。以下では、分割体の構造の異なる点を重点的に説明し、同一の構造の部分は同一の符号を付し、説明を省略する。

分割体１００ｆは、本体１１２に開口１７０と、第２キャビティ１７２と、第１冷却流路１７３と、第２冷却流路１７４と、が形成されている。分割体１００ｆの開口１７０と、第２キャビティ１７２が、タービン軸８の軸芯ＣＬと平行で本体１１２の回転方向Ｒの中心を通る中心線Ｃｌａよりも回転方向の後方側に形成されている。その結果、開口１７０と第２キャビティ１７２の形成位置が中心線ＣＬａよりも後方側に形成されていることで、第１冷却流路１７３が第２冷却流路１７４よりも流路が長くなっている。なお、開口１７０と、第２キャビティ１７２と、第１冷却流路１７３と、第２冷却流路１７４との接続関係は、分割体１００の開口１２０と、第２キャビティ１２２と、第１冷却流路１２３と、第２冷却流路１２４と同様である。

分割体１００ｆは、開口１７０と第２キャビティ１７２の形成位置を中心線ＣＬａよりも後方側に形成とし、第１冷却流路１７３を第２冷却流路１７４よりも流路を長くすることで、第２冷却流路１７４の回転方向Ｒの後方側の端部に到達した冷却空気ＣＡの温度を第１冷却流路１７３の回転方向前方側の端部に到達した冷却空気ＣＡよりも低くすることができる。したがって、分割体１００ｆは、回転方向Ｒの前方側の端部より厳しい条件におかれる回転方向Ｒの後方側の端部を的確に冷却することができる。これにより、冷却空気ＣＡを各部に的確に供給することができ、効率よく冷却することができる。これにより、供給する冷却空気ＣＡを少なくしつつ、確実に分割環を冷却することができる。

次に、図１５を用いて、実施例７に係るガスタービン、分割環冷却構造を説明する。図１５は、実施例７に係る分割体を径方向から見た概略断面図である。実施例７に係るガスタービン、分割環冷却構造は、分割体の構造以外は、実施例１と同様である。以下では、分割体の構造の異なる点を重点的に説明し、同一の構造の部分は同一の符号を付し、説明を省略する

分割体１００ｇは、本体１１２に開口１８０ａ、１８０ｂと、第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂと、第１冷却流路１８３と、第２冷却流路１８４と、が形成されている。第１冷却流路１８３と、第２冷却流路１８４と、は、第１冷却流路１２３と、第２冷却流路１２４と同様である。

開口１８０ａは、本体１１２の第１キャビティ８０に対面する側、つまり径方向外側の面に形成されており、第２キャビティ１８２ａと、第１キャビティ８０（冷却空間１２９）とを連通している。開口１８０ａは、本体１１２の回転方向Ｒの中央近傍に形成されている。開口１８０ｂは、本体１１２の第１キャビティ８０に対面する側、つまり径方向外側の面に形成されており、第２キャビティ１８２ｂと、第１キャビティ８０（冷却空間１２９）とを連通している。開口１８０ｂは、本体１１２の回転方向Ｒの中央近傍に形成されている。また、開口１８０ｂは、開口１８０ａよりも燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側に配置されている。

第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂは、本体１１２の内部に形成された燃焼ガスの流れ方向に長い閉空間である。第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂは、隔壁１８６により、燃焼ガスの流れ方向の上流側の第２キャビティ１８２ａと下流側の第２キャビティ１８２ｂとに仕切られ、第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂは互いに連通していない。第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂは、一方が開口１８０ａまたは１８０ｂに連通し、他方は第１冷却流路（前方側冷却流路）１８３及び第２冷却流路（後方側冷却流路）１８４に連通している。

このように分割体１００ｇは、第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂが燃焼ガスの流れ方向ＦＧに直列に繋がって設けられている。これにより、複数の第１冷却流路１８３のうち、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側に形成されている第１冷却流路１８３は、第２キャビティ１８２ａと連通し、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側に形成されている第１冷却流路１８３は、第２キャビティ１８２ｂと連通する。複数の第２冷却流路１８４のうち、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの上流側に形成されている第２冷却流路１８４は、第２キャビティ１８２ａと連通し、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの下流側に形成されている第２冷却流路１８４は、第２キャビティ１８２ｂと連通する。

このように、第２キャビティは、１つに限定されず、複数設けられていてもよい。また、第２キャビティは、第１冷却流路１８３、第２冷却流路１８４の両方が連通していればよく、燃焼ガスの流れ方向ＦＧの位置や、回転方向Ｒの位置は特に限定されない。また、第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂが、燃焼ガスの流れ方向に直列に繋がっている場合で説明したが、２つの第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂが互いに分離されていてもよい。すなわち、それぞれのキャビティ１８２ａ、１８２ｂが、それぞれに、冷却空気の流れ方向の上流側が開口１８０ａ、１８０ｂに連通し、下流側は第１冷却流路（前方側冷却流路）１８３及び第２冷却流路（後方側冷却流路）１８４に連通している限り、第２キャビティ１８２ａ、１８２ｂの燃焼ガスの流れ方向の位置や、回転方向Ｒの位置は、互いに異なっていてもよい。

分割体１００ｇは、第２キャビティを複数に分割することで、それぞれのキャビティの開口面積を変えて、各キャビティに流入する冷却空気量を調整できる。そのため、各位置の冷却流路に供給する冷却空気ＣＡの量をより緻密に調整することができる。

１ ガスタービン
５ 圧縮機
６ 燃焼器
７ タービン
８ タービン軸
１１ 空気取入口
１２ 圧縮機ケーシング
１３ 圧縮機静翼
１４ 圧縮機動翼
２１ 内筒
２２ 尾筒
２３ 外筒
２４ 車室
３１ タービンケーシング
３２ タービン静翼
３３ タービン動翼
４１ 翼環キャビティ
４５ 翼環
４６ 遮熱環
５１ 外シュラウド
５２ 分割環
５３ 翼形部
６０ 分割環冷却構造
８０ 第１キャビティ
１００ 分割体
１１２ 本体
１１３ フック
１１４ 衝突板
１１５ 小孔
１２０ 開口
１２２ 第２キャビティ
１２３ 第１冷却流路（前方側冷却流路）
１２４ 第２冷却流路（後方側冷却流路）
１３１ 第１の領域
１３２ 第２の領域
Ｒ１ 燃焼ガス流路
ＣＡ 冷却空気

Claims (7)

1. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体を有し、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造であって、
   前記車室のケーシングと前記分割体の本体により囲まれ、冷却空気が供給されるキャビティと、
   前記分割体の本体内の周方向に配置され、一端が前記キャビティに連通し、他端が前記分割体の回転方向の前方側及び後方側の側端部に開口する冷却空気が流れる冷却流路と、を有し、
   前記冷却流路は、前記分割体の回転方向の前方側の第１の領域に形成され、前記冷却空気が前記回転方向の後方側から前方側に向けて排出される第１冷却流路と、
   前記分割体の回転方向の後方側の第２の領域に形成され、前記冷却空気が前記回転方向の前方側から後方側に向けて排出される第２冷却流路と、を含むこと、
   を特徴とする分割環冷却構造。
2. 前記キャビティは、前記分割体の径方向の外側に配置された第１キャビティと、
   前記第１キャビティの径方向内側に配置され、一端が前記第１キャビティに連通し、他端は前記冷却流路の一方の端部と連通する第２キャビティと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の分割環冷却構造。
3. 前記第１キャビティに配置された多数の開口を備えた衝突板を備えることを特徴とする請求項２に記載の分割環冷却構造。
4. 前記第２キャビティは、前記回転方向において、前記第１の領域と前記第２の領域との間に配置されている請求項２または請求項３に記載の分割環冷却構造。
5. 前記冷却流路は、冷却空気の流れ方向の下流端の一部が、燃焼ガスの流れ方向に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の分割環冷却構造。
6. 前記冷却流路は、燃焼ガスの流れ方向の下流側に配置された冷却流路が、燃焼ガスの流れ方向の上流側に配置された冷却流路より小さい配列ピッチで配列されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の分割環冷却構造。
7. 回転可能なタービン軸に取り付けられた前記タービン動翼と、
   前記タービン動翼に対し軸方向に対向するように固定されたタービン静翼と、
   前記タービン動翼を周方向に囲む前記分割環と、
   前記分割環の外周に配置され、かつ前記タービン静翼を支持する前記車室と、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の分割環冷却構造と、を有することを特徴とするガスタービン。

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