JP2017057838A - ガスタービン冷却構造およびガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】リムシール空間に燃焼ガスが流入して構成部品が損傷することを抑制できるとともに、タービン効率の低下を抑制できるガスタービン冷却構造を提供する。
【解決手段】実施の形態によるガスタービン冷却構造４０は、冷却媒体が供給される圧縮機出口空間４１と、圧縮機出口空間４１から冷却媒体が供給される冷却空気入口空間４２と、を備えている。冷却孔４６は、冷却媒体を、タービン動翼３３内の動翼内流路４７に供給する。タービン静翼３２とタービン動翼３３との間の空間に、リムシール空間４８が連通している。リムシール空間４８は、冷却空気入口空間４２に静翼側シール装置５０を介して連通している。静翼内周側静止部３７に、圧縮機出口空間４１内の冷却媒体をリムシール空間４８に供給するリムシール連通孔４９が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン冷却構造およびガスタービンに関する。

一般的に、ガスタービンは、外部から空気を取り入れて圧縮する空気圧縮機と、空気圧縮機において圧縮された高圧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、燃焼器において生成された燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部と、を備えている。

最近のガスタービンプラントでは、上述したタービン部の入口における燃焼ガス温度を１３００℃〜１５００℃またはそれ以上に高温化させて、熱効率の向上を図る開発が行われている。しかしながら、このように入口燃焼ガス温度を高温化させると、タービン部の各構成部材の温度が上昇し、許容限界温度（例えば８００℃〜９００℃）を超える可能性が生じる。このため、タービンロータ、タービン静翼およびタービン動翼等を冷却して、各構成部材の温度上昇を抑制している。各構成部材の冷却には、空気圧縮機において圧縮された高圧空気を冷却空気として用いることが一般的である。

図９を用いて、タービン部の第１タービン段落とその周辺の構成について説明する。図９に示す例では、空気圧縮機、燃焼器およびタービン部を収容したケーシングに、タービンディスク１００を有するタービンロータ１０１が回転可能に設けられている。タービンディスク１００の外周側部に、周方向に配列された複数のタービン動翼１０２が設けられている。タービン動翼１０２の上流側に、ケーシングに支持された静翼外周側静止部１０３および静翼内周側静止部１０４が設けられている。静翼外周側静止部１０３と静翼内周側静止部１０４との間に、周方向に配列された複数のタービン静翼１０５が設けられている。このようなタービン静翼１０５とタービン動翼１０２とが、タービン段落として互いに隣り合って設けられていることにより、燃焼ガスが仕事を行い、タービンロータ１０１が回転力を得るようになっている。

第１タービン段落１０６には、ガスタービン冷却構造が設けられている。より具体的には、静翼内周側静止部１０３の上流側に、圧縮機において圧縮された高圧空気が冷却空気として供給される圧縮機出口空間１０７が設けられている。また、静翼内周側静止部１０４と、これに隣り合うタービンディスク１００との間に、冷却空気入口空間１０８が設けられている。この冷却空気入口空間１０８には、冷却空気流路１０９を介して圧縮機出口空間１０７から冷却空気が供給される。タービンディスク１００には、半径方向に延びる複数の冷却孔１１０が設けられている。複数の冷却孔１１０は、周方向に配列されており、冷却空気入口空間１０８に供給された冷却空気は、各冷却孔１１０から、各タービン動翼１０２内に設けられた動翼内流路１１１に供給され、各タービン動翼１０２が冷却されるようになっている。また、静翼内周側静止部１０４とタービンディスク１００との間には、リムシール空間１１２が設けられている。リムシール空間１１２は、冷却空気入口空間１０８よりも外周側に形成されており、シール装置１１３を介して冷却空気入口空１０８間に連通している。このことにより、冷却空気入口空間１０８に供給された冷却空気が、シール装置１１３を通過してリムシール空間１１２にシール空気として供給されるようになっている。リムシール空間１１２は、燃焼ガスが流れる燃焼ガス通路１１４に連通しており、リムシール空間１１２に供給されたシール空気は、燃焼ガス通路１１４を流れる燃焼ガスがリムシール空間１１２に流入することを防止している。

特許第５１３４５７０号公報

このように、リムシール空間は燃焼ガス通路に連通しており、燃焼ガスがリムシール空間に流入することを防止するために、リムシール空間にシール空気を一定量以上供給し続けることが好適である。すなわち、リムシール空間に供給されるシール空気の流量が少ないと、燃焼ガスがリムシール空間に流入し、タービンディスク等の構成部材が高温の燃焼ガスに曝されて損傷するリスクが高まる。一方、シール空気の流量が多いと、燃焼ガス通路を流れる燃焼ガスに混入されるシール空気の混入量が増大し得る。この場合、シール空気はタービンに対して実質的に仕事を行わないため、タービン効率が低下し得る。このようなことから、リムシール空間に流入するシール空気の流量を適切に制御することが望まれる。

しかしながら、冷却空気入口空間からリムシール空間に流入するシール空気は、静翼内周側静止部とタービンディスクとの間に設けられたシール装置を通過する。より具体的には、シール装置のシールフィンが、対向するタービンディスクの面に所定のクリアランスを介して配置されており、このクリアランスをシール空気が通過するようになっている。ガスタービン運転中には、シールフィンが、対向するタービンディスクの面に接触する場合があり、この場合にはシールフィンの先端が摩耗し、初期時のクリアランスが維持されずに、その結果としてクリアランスが大きくなるリスクがある。クリアランスが大きくなると、シール空気の流量が増大し、タービン性能の低下を招くおそれがある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、リムシール空間に燃焼ガスが流入して構成部品が損傷することを抑制できるとともに、タービン効率の低下を抑制できるガスタービン冷却構造およびガスタービンを提供することを目的とする。

実施の形態によるガスタービン冷却構造は、ケーシングにタービン静翼を介して支持された静翼内周側静止部の上流側に設けられ、冷却媒体が供給される圧縮機出口空間と、静翼内周側静止部と、静翼内周側静止部に隣り合うタービンディスクとの間に設けられ、圧縮機出口空間から冷却媒体が供給される冷却空気入口空間と、を備えている。タービンディスクに、冷却孔が設けられ、冷却孔は、冷却空気入口空間に供給された冷却媒体を、タービンディスクに設けられたタービン動翼内の動翼内流路に供給する。静翼内周側静止部とタービンディスクとの間に、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間の空間に連通したリムシール空間が設けられている。リムシール空間は、冷却空気入口空間に静翼側シール装置を介して連通している。静翼内周側静止部に、圧縮機出口空間内の冷却媒体をリムシール空間に供給するリムシール連通孔が設けられている。

また、実施の形態によるガスタービンは、媒体を圧縮して、その一部を圧縮機出口空間に冷却媒体として供給する圧縮機と、圧縮機において圧縮された媒体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器において生成された燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部と、を備えている。タービン部に、上述したガスタービン冷却構造が設けられている。

本発明によれば、リムシール空間に燃焼ガスが流入して構成部品が損傷することを抑制できるとともに、タービン効率の低下を抑制できる。

図１は、第１の実施の形態におけるガスタービンの構成を示す模式断面図である。 図２は、図１のガスタービン冷却構造を示す子午面断面図である。 図３は、第２の実施の形態において、図２のＢ−Ｂ線断面を示す図である。 図４は、第３の実施の形態におけるガスタービン冷却構造を示す子午面断面図である。 図５は、第４の実施の形態におけるガスタービン冷却構造を示す子午面断面図である。 図６は、第５の実施の形態におけるガスタービン冷却構造を示す子午面断面図である。 図７は、第６の実施の形態におけるガスタービン冷却構造を示す子午面断面図である。 図８は、第７の実施の形態において、図２のＢ−Ｂ線断面を示す図である。 図９は、一般的なガスタービン冷却構造を示す子午面断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

（第１の実施の形態）
図１および図２を用いて、第１の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。ここでは、まず、図１を用いて、ガスタービンについて説明する。

図１に示すように、ガスタービン１は、外部から取り入れられる空気（媒体）を圧縮する空気圧縮機１０と、空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲと燃料とを燃焼させて燃焼ガスＦＧ（ガスタービン駆動ガス）を生成する燃焼器２０と、燃焼器２０において生成された燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部３０と、を備えている。このうち空気圧縮機１０とタービン部３０とは一体に結合されている。すなわち、これら空気圧縮機１０とタービン部３０とはケーシング２に収容されており、ケーシング２に、圧縮機ロータ１１（圧縮機軸）およびタービンロータ３１（タービン軸）が回転可能に設けられている。圧縮機ロータ１１とタービンロータ３１とが一体に軸結合されている。

ケーシング２内には、圧縮機静翼１２が固設され、圧縮機ロータ１１に圧縮機動翼１３が植設されている。圧縮機静翼１２と、当該圧縮機静翼１２に下流側で隣り合う圧縮機動翼１３とによって圧縮機段落が構成されている。空気圧縮機１０は、このような圧縮機段落を複数有しており、複数の圧縮機段落は、圧縮機ロータ１１の軸方向に配列されている。このような構成により、外部から取り込まれた空気は、各圧縮機段落を順に通過して、燃焼器２０に供給される。この間、空気が、回転する圧縮機ロータ１１に植設された圧縮機動翼１３によって圧縮され、高圧空気ＡＲとなる。

燃焼器２０は、空気圧縮機１０とタービン部３０との間に配置されており、周方向に複数の燃焼器２０が配列されている。空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲは、燃焼器２０に流入し、供給された燃料とともに燃焼して高温の燃焼ガスＦＧが生成される。生成された燃焼ガスＦＧは、燃焼器２０から流出して、トランジションピース２１を通過してタービン部３０に流入する。

また、ケーシング２内には、図１および図２に示すように、タービン静翼３２が固設され、タービンロータ３１にはタービン動翼３３が植設されている。タービン静翼３２とタービン動翼３３は、燃焼ガスＦＧが流れる燃焼ガス通路３４内に配置されており、タービン静翼３２と、当該タービン静翼３２に下流側で隣り合うタービン動翼３３とによってタービン段落が構成されている。タービン部３０は、このようなタービン段落を複数有しており、複数のタービン段落は、タービンロータ３１の軸方向に配列されている。最も上流側のタービン段落は、第１タービン段落３５といい、第１タービン段落３５の下流側に隣り合うタービン段落は、第２タービン段落という。最も下流側のタービン段落は、最終段落という。

このような構成により、燃焼ガスＦＧは、図２の矢印Ａで示すように第１タービン段落３５に流入し、各タービン段落を順に通過して、タービン部３０から排出される。この間、タービン静翼３２で膨張した燃焼ガスＦＧをタービン動翼３３で受けて、燃焼ガスＦＧの速度エネルギがタービンロータ３１の回転エネルギに変換され、タービンロータ３１が回転駆動される。このことにより、タービンロータ３１に回転トルクが発生し、タービンロータ３１に連結された発電機（図示せず）において発電が行われる。

図２に示すように、ケーシング２（図１参照）には、静翼外周側静止部３６が設けられている。この静翼外周側静止部３６の内周側に、静翼内周側静止部３７が設けられている。静翼外周側静止部３６と静翼内周側静止部３７との間に、上述したタービン静翼３２が複数設けられている。複数のタービン静翼３２は、周方向に配列されている。このようにして、ケーシング２に静翼外周側静止部３６およびタービン静翼３２を介して静翼内周側静止部３７が支持されている。静翼内周側静止部３７は、上流側（空気圧縮機１０の側）に向って延びるように形成されている。

タービンロータ３１にはタービンディスク３８が設けられており、タービンディスク３８の外周側部に、上述したタービン動翼３３が複数植設されている。複数のタービン動翼３３は、周方向に配列されている。

このように構成されたタービン部３０の第１段落３５に、本実施の形態によるガスタービン冷却構造４０が設けられている。以下に、図２を用いて、ガスタービン冷却構造４０について説明する。

ガスタービン冷却構造４０は、第１タービン段落３５の静翼内周側静止部３７の上流側に設けられた圧縮機出口空間４１と、冷却空気入口空間４２と、を備えている。このうち圧縮機出口空間４１は、環状に形成されており、空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲの一部が冷却空気（冷却媒体）として供給される。

冷却空気入口空間４２は、静翼内周側静止部３７と、当該静翼内周側静止部３７に隣り合うタービンディスク３８との間に設けられており、環状に形成されている。静翼内周側静止部３７に、圧縮機出口空間４１と冷却空気入口空間４２とを連通する冷却空気流路４３が設けられている。圧縮機出口空間４１内の冷却空気の圧力は比較的高いため、圧縮機出口空間４１から冷却空気入口空間４２に冷却空気が供給されるようになっている。冷却空気流路４３は、静翼内周側静止部３７に複数設けられており、周方向に間隔を開けて配列されていることが好適である。このことにより、冷却空気入口空間４２内の冷却空気の圧力および温度を周方向に均一化させることができる。

冷却空気流路４３の出口に、予旋回ノズル４４が設けられていてもよい。この場合、冷却空気入口空間４２に供給する冷却空気の流れに、タービンロータ３１の回転方向に沿う旋回成分を与えることができる。このことにより、冷却空気の周方向の速度成分と、タービンロータ３１の回転速度との差を低減することができ、冷却空気入口空間４２内の冷却空気の温度を周方向に均一化させて、冷却性能を向上させることができる。なお、圧縮機出口空間４１から冷却空気入口空間４２への冷却空気の供給は、冷却空気流路４３を通過する場合に限られることはない。例えば、冷却空気入口空間４２の上流側（空気圧縮機１０の側）に設けられた圧縮機側シール装置４５の上流側の空間を、圧縮機出口空間４１と連通して、この圧縮機側シール装置４５を通過させて冷却空気入口空間４２に冷却空気を供給するようにしてもよい。さらには、この圧縮機側シール装置４５の上流側の空間に、空気圧縮機１０の途中の圧縮機段落から空気を抽出して、抽出した空気を冷却空気として冷却空気入口空間４２に供給するようにしてもよい。なお、図２に示す圧縮機側シール装置４５は、静翼内周側静止部３７の内周面に設けられており、タービンロータ３１に対向している。

タービンディスク３８には、半径方向に延びる冷却孔４６が設けられている。この冷却孔４６は、冷却空気入口空間４２に供給された冷却空気を、タービン動翼３３内の動翼内流路４７に供給するためのものである。タービンディスク３８には、複数の冷却孔４６が周方向に間隔を開けて配列されており、各冷却孔４６は、対応するタービン動翼３３の動翼内流路４７に連通している。このような構成により、冷却空気入口空間４２に供給された冷却空気は、各冷却孔４６から、各タービン動翼３３の動翼内流路４７に供給され、各タービン動翼３３が冷却される。なお、タービン動翼３３内の動翼内流路４７に供給された冷却空気は、タービン動翼３３を冷却した後、図示しない排出口から燃焼ガス通路３４または他の部分に排出されるようになっている。

静翼内周側静止部３７とタービンディスク３８との間には、リムシール空間４８が設けられている。このリムシール空間４８は、環状に形成されており、冷却空気入口空間４２よりも外周側に形成されている。

図２に示すように、静翼内周側静止部３７には、リムシール連通孔４９が設けられている。このリムシール連通孔４９は、圧縮機出口空間４１内の冷却空気を、リムシール空間４８に供給するようになっている。図２に示す形態では、リムシール連通孔４９は、静翼内周側静止部３７のうち、後述する静翼側シール装置５０より外周側の部分に設けられており、図２に示すような子午面断面で見たときに、タービンロータ３１の軸方向に延びるように形成されている。なお、図示しないが、図２のＢ−Ｂ線断面で見たときには、リムシール連通孔４９は、タービンロータ３１の軸方向に延びるように形成されていてもよい。

リムシール連通孔４９は、静翼内周側静止部３７に複数設けられて、周方向に間隔を開けて配列されていてもよい。この場合、リムシール空間４８内の冷却空気の圧力および温度を周方向に均一化させることができる。

リムシール連通孔４９を通過してリムシール空間４８に供給されるシール空気の流量は、リムシール連通孔４９の流路断面積やリムシール連通孔４９の個数を増やすことにより、大きくすることができる。そして、リムシール連通孔４９を通過するシール空気の流量は、後述する静翼側シール装置５０を通過してリムシール空間４８に供給されるシール空気の流量より、大幅に大きくなっていることが好適である。このことにより、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量を、リムシール連通孔４９を通過するシール空気の流量で制御することができる。

なお、リムシール連通孔４９の流路断面積は、加工性を考慮して、入口から出口にわたって略一定となっていてもよい。また、リムシール連通孔４９の流路断面形状は、円形状、楕円形状等、特に限られることはなく、リムシール連通孔４９を通過する冷却空気の流れやすさや、加工性などを考慮して適宜選択することができる。

また、リムシール空間４８は、燃焼ガス通路３４のうちのタービン静翼３２とタービン動翼３３との間の空間に連通している。このことにより、リムシール空間４８に供給されたシール空気は、燃焼ガス通路３４の当該空間に排出され、燃焼ガス通路３４を流れる燃焼ガスＦＧがリムシール空間４８に流入することを防止している。

図２に示すように、冷却空気入口空間４２とリムシール空間４８との間に、静翼側シール装置５０が設けられている。言い換えると、リムシール空間４８は、この静翼側シール装置５０を介して、冷却空気入口空間４２に連通している。シール装置５０は、環状に形成されている。

静翼側シール装置５０は、例えばタービンディスク３８の面に対向する複数のシールフィンを有しており、各シールフィンが、対向するタービンディスク３８の面と所定のクリアランスを介して配置されている。図２に示す形態では、タービンディスク３８は、タービンロータ３１の軸方向に延びる突出部３８ａを含んでおり、静翼内周側静止部３７は、この突出部３８ａに対向する対向面３７ａを有している。上述した静翼側シール装置５０は、この対向面３７ａに設けられており、静翼側シール装置５０のシールフィンが、タービンディスク３８の突出部３８ａに対向するようになっている。このような構成により、冷却空気入口空間４２からリムシール空間４８に供給されるシール空気の流量は、リムシール連通孔４９を通過してリムシール空間４８に供給されるシール空気の流量より大幅に小さくなっている。なお、図２に示す静翼側シール装置５０は、静翼内周側静止部３７に設けられているが、これに限られることはなく、タービンディスク３８に設けられていてもよい。また、静翼側シール装置５０は、通過するシール空気の流量を小さくすることができる構成を有していればよいが、例えばラビリンスシール、アブレイダブルシール、ブラシシールなどの構成を有していることが好適である。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

ガスタービン１の運転中、外部から空気が取り入れられて空気圧縮機１０において圧縮される。空気圧縮機１０において圧縮された高圧空気ＡＲは、燃焼器２０に供給されるが、一部の高圧空気ＡＲは、冷却空気として圧縮機出口空間４１に供給される。

圧縮機出口空間４１に供給された冷却空気は、冷却空気流路４３を通過して冷却空気入口空間４２に流入する。そして、冷却空気入口空間４２に流入した冷却空気は、冷却孔４６を通過して、タービン動翼３３内の動翼内流路４７に供給される。このことにより、燃焼ガス通路３４を流れる燃焼ガスＦＧによって加熱されているタービン動翼３３が冷却される。

また、圧縮機出口空間４１に供給された冷却空気の一部は、シール空気として、リムシール連通孔４９を通過してリムシール空間４８に、（好適には吹き出すように）流入する。このことにより、圧縮機出口空間４１内のシール空気を、静翼側シール装置５０を通過することなく直接的にリムシール空間４８に供給することができる。このため、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量を、リムシール連通孔４９を通過するシール空気の流量によって制御することができ、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量を確保することができる。この結果、燃焼ガス通路３４から燃焼ガスＦＧがリムシール空間４８に流入することを防止できる。また、リムシール空間４８に流入するシール空気は、空気圧縮機１０によって圧縮された高圧空気ＡＲの一部となっている。このことにより、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を、燃焼ガス通路３４を流れる燃焼ガスＦＧの圧力よりも高くすることができ、燃焼ガス通路３４から燃焼ガスＦＧがリムシール空間４８に流入することを防止できる。

一方、ガスタービン１の運転中、冷却空気入口空間４２からも、冷却空気の一部がシール空気としてリムシール空間４８に供給される。しかしながら、この冷却空気入口空間４２から供給されるシール空気は、静翼側シール装置５０を通過しているため、当該シール空気の流量は、リムシール連通孔４９を通過してリムシール空間４８に供給されるシール空気の流量よりも小さく、わずかである。このことにより、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量は、リムシール連通孔４９を通過するシール空気の流量によって制御することができる。

このように本実施の形態によれば、静翼内周側静止部３７に設けられたリムシール連通孔４９が、圧縮機出口空間４１に供給された高圧空気ＡＲを、シール空気としてリムシール空間４８に直接的に供給することができる。このことにより、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量を確保することができ、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することを抑制できる。このため、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することを抑制でき、これらの構成部材の損傷するリスクを低減できる。

また、本実施の形態によれば、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量は、リムシール連通孔４９の流路断面積やリムシール連通孔４９の個数を調整することによって、適切な流量に容易に調整することができる。すなわち、シール空気の流量が多いと、燃焼ガス通路３４を流れる燃焼ガスＦＧに混入されるシール空気の混入量が増大して、タービン効率が低下し得る。しかしながら、シール空気の流量を適切な流量に調整することにより、燃焼ガスＦＧに混入されるシール空気の混入量が増大することを抑制でき、タービン効率の低下を抑制できる。

また、本実施の形態によれば、静翼内周側静止部３７に、周方向に配列された複数のリムシール連通孔４９が設けられている。このことにより、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができる。このため、周方向にわたって、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することを防止でき、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。また、リムシール空間４８内のシール空気の温度を周方向に均一化させることができ、このことによっても、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。この結果、タービンディスク３８等の構成部材が損傷するリスクをより一層低減できる。

（第２の実施の形態）
次に、図３を用いて、第２の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

図３に示す第２の実施の形態においては、リムシール連通孔が、圧縮機出口空間からリムシール空間に向って、タービン動翼の回転方向に傾斜している点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図３において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図３に示すように、リムシール連通孔４９は、圧縮機出口空間４１からリムシール空間４８に向って、タービン動翼３３の回転方向Ｐに傾斜している。このことにより、リムシール空間４８に流入するシール空気の流れに、回転方向Ｐに沿う旋回成分を与えることができる。

図３に、リムシール空間４８に流入するシール空気の速度ベクトルを示す。図３では、図２のＢ−Ｂ線断面で見たときにリムシール連通孔４９がタービンロータ３１の軸方向に延びている場合において、リムシール空間４８に流入するシール空気の絶対速度をｃ、当該シール空気を、回転するタービンディスク３８から見たときの相対速度をｗで示している。また、図３では、図３に示すリムシール空間４８に流入するシール空気の絶対速度をｃ’、当該シール空気を、回転するタービンディスク３８から見たときの相対速度をｗ’で示している。図３に示されているように、リムシール連通孔４９を上述のように傾斜させることにより、リムシール空間４８に流入するシール空気の相対速度ベクトルを、タービンロータ３１の軸方向に向けることができる。

リムシール空間４８に流入したシール空気は、上述したように、燃焼ガス通路３４を流れる燃焼ガスＦＧに混入されて、タービン動翼３３に流入する。燃焼ガスＦＧに流入したシール空気の相対速度ベクトルは、図３に示すようにタービンロータ３１の軸方向に向いている。このことにより、シール空気が混入された燃焼ガスＦＧがタービン動翼３３に流入する際の相対流入角度と、タービン動翼３３の上流縁（入口縁）の幾何学的な羽根角度とのずれを小さくすることができ、当該燃焼ガスＦＧを、タービン動翼３３の上流縁に沿うようにタービン動翼３３に流入させることができる。

このように本実施の形態によれば、リムシール連通孔４９は、圧縮機出口空間４１からリムシール空間４８に向って、タービン動翼３３の回転方向Ｐに傾斜している。このことにより、リムシール空間４８に流入するシール空気の流れに、回転方向Ｐに沿う旋回成分を与えることができる。このため、リムシール空間４８から流出したシール空気が混入した燃焼ガスＦＧが、タービン動翼３３に流入する際の相対流入角度を、タービン動翼３３の上流縁に沿わせることができる。このため、流体損失を低減して、タービン効率が低下することを抑制できる。

（第３の実施の形態）
次に、図４を用いて、第３の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

図４に示す第３の実施の形態においては、リムシール連通孔に、オリフィスが着脱可能に設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図４に示すように、リムシール連通孔４９に、オリフィス５１が着脱可能に設けられている。オリフィス５１は、所望のオリフィス径を有しており、このオリフィス５１を通過可能なシール空気の流量が、オリフィス５１が設けられていない場合のリムシール連通孔４９を通過可能なシール空気の流量以下となっている。そして、リムシール空間４８に供給されるシール空気の流量に応じて、適切なオリフィス径を有するオリフィス５１をリムシール連通孔４９に取り付けることが好適である。なお、図４に示す形態では、オリフィス５１は、リムシール連通孔４９の入口に設けられているが、出口に設けられるようにしてもよい。

このように本実施の形態によれば、リムシール連通孔４９に、オリフィス５１が着脱可能に設けられている。このことにより、オリフィス５１を、例えばタービン停止時等に、短時間で所望のオリフィス径を有するオリフィス５１に交換することができる。このため、リムシール空間４８に流入するシール空気の流量を容易に調整することができ、燃焼ガスＦＧに混入されるシール空気の混入量の増大を抑制できるとともに、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することを抑制できる。

（第４の実施の形態）
次に、図５を用いて、第４の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

図５に示す第４の実施の形態においては、リムシール空間内の冷却空気の圧力が圧力計測器によって計測される点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図５に示すように、リムシール空間４８内のシール空気の圧力が圧力計測器５２によって計測されるようになっている。図５に示す形態においては、圧力計測器５２は、静翼内周側静止部３７に埋設された圧力センサを有しており、この圧力センサによって、リムシール空間４８内のシール空気の圧力が計測されるようになっている。しかしながら、圧力計測器５２は、このような構成に限られることはない。例えば、図示しないが、ガスタービン１の外部に圧力センサを設けて、この圧力センサとリムシール空間４８とが、連通孔および／または配管によって連通されているようにしてもよい。この場合においても、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を計測することができる。

このように本実施の形態によれば、リムシール空間４８内のシール空気の圧力が、圧力計測器５２によって検出される。このことにより、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を計測することができ、リムシール空間４８に流入するシール空気の流量を評価することができる。とりわけ、図４に示すオリフィス５１がリムシール連通孔４９に着脱可能に取り付けられている場合には、計測されたリムシール空間４８内のシール空気の圧力に応じて、適切なオリフィス径を有するオリフィス５１に交換することができ、リムシール空間４８に流入するシール空気の流量を適切な流量に調整することができる。このため、燃焼ガスＦＧに混入されるシール空気の混入量の増大をより一層抑制することができるとともに、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することをより一層抑制することができる。

（第５の実施の形態）
次に、図６を用いて、第５の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

図６に示す第５の実施の形態においては、タービンディスクに、リムシール連通孔の出口に対向するディスク側凹部が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図６に示すように、タービンディスク３８に、リムシール連通孔４９の出口に対向するディスク側凹部５３が設けられている。より具体的には、リムシール連通孔４９の出口の半径方向位置と同程度の半径方向位置に、ディスク側凹部５３が設けられている。

リムシール連通孔４９の出口から流出したシール空気は、ディスク側凹部５３に達して減速し、ディスク側凹部５３の形状に沿って、周囲に拡散すると推測され得る。この場合、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができ、互いに隣り合うリムシール連通孔４９同士の間に、燃焼ガス通路３４から燃焼ガスＦＧが流入し得るシール空気の圧力が低下する領域が形成されることを抑制できる。なお、ディスク側凹部５３は、図６に示すように、湾曲状に形成されていることが好適である。このことにより、シール空気の圧力を周方向により一層均一化することが可能となる。

このように本実施の形態によれば、タービンディスク３８に、リムシール連通孔４９の出口に対向するディスク側凹部５３が設けられている。このことにより、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができる。このため、周方向にわたって、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することを防止でき、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。また、リムシール空間４８内のシール空気の温度を周方向に均一化させることができ、このことによっても、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。この結果、タービンディスク３８等の構成部材が損傷するリスクをより一層低減できる。

（第６の実施の形態）
次に、図７を用いて、第６の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

図７に示す第６の実施の形態においては、静翼内周側静止部に、リムシール連通孔の出口が位置付けられた静翼側凹部が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図７に示すように、静翼内周側静止部３７に、リムシール連通孔４９の出口が位置付けられた静翼側凹部５４が設けられている。より具体的には、リムシール連通孔４９の出口は、静翼側凹部５４の底部に連通している。

リムシール連通孔４９の出口から流出したシール空気は、静翼側凹部５４の形状に沿って周囲に拡散しながら、対向するタービンディスク３８の面に達して減速すると推測され得る。この場合、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができ、互いに隣り合うリムシール連通孔４９同士の間に、燃焼ガス通路３４から燃焼ガスＦＧが流入し得るシール空気の圧力が低下する領域が形成されることを抑制できる。なお、静翼側凹部５４は、図７に示すように、湾曲状に形成されていることが好適である。このことにより、シール空気の圧力を周方向に均一化させるという効果を高めることができると考えられる。

このように本実施の形態によれば、静翼内周側静止部３７に、リムシール連通孔４９の出口が位置付けられた静翼側凹部５４が設けられている。このことにより、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができる。このため、周方向にわたって、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することを防止でき、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。また、リムシール空間４８内のシール空気の温度を周方向に均一化させることができ、このことによっても、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。この結果、タービンディスク３８等の構成部材が損傷するリスクをより一層低減できる。

また、本実施の形態によれば、静翼側凹部５４が静翼内周側静止部３７に設けられているため、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させるという効果を得るために、タービンディスク３８にディスク側凹部５３を設けることを不要とすることができる。このため、タービンディスク３８の強度を確保することができる。

（第７の実施の形態）
次に、図８を用いて、第７の実施の形態におけるガスタービン冷却構造およびガスタービンについて説明する。

図８に示す第７の実施の形態においては、リムシール連通孔が、圧縮機出口空間からリムシール空間に向って、断面積が増大している点が主に異なり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、図８に示すように、リムシール連通孔４９の流路断面積が、圧縮機出口空間４１からリムシール空間４８に向って増大している。すなわち、この流路断面積は、シール空気の流れの損失を低減するために、入口から出口に向って徐々に増大していることが好適である。この場合、シール空気の流量は、流路断面積が最も小さい入口によって規定される。そして、リムシール連通孔４９の出口の流路断面積が大きくなっているため、リムシール連通孔４９から吹き出されるシール空気を拡散させることができ、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができる。

このように本実施の形態によれば、リムシール連通孔４９の流路断面積が、圧縮機出口空間４１からリムシール空間４８に向って増大している。このことにより、リムシール空間４８内のシール空気の圧力を周方向に均一化させることができる。このため、周方向にわたって、燃焼ガス通路３４からリムシール空間４８に燃焼ガスＦＧが流入することを防止でき、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。また、リムシール空間４８内のシール空気の温度を周方向に均一化させることができ、このことによっても、タービンディスク３８等の構成部材の温度が、燃焼ガスＦＧに曝されて上昇することをより一層防止できる。この結果、タービンディスク３８等の構成部材が損傷するリスクをより一層低減できる。

以上述べた実施の形態によれば、リムシール空間に燃焼ガスが流入して構成部品が損傷することを抑制できるとともに、タービン効率の低下を抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：ガスタービン、２：ケーシング、１０：空気圧縮機、２０：燃焼器、３０：タービン部、３２：タービン静翼、３３：タービン動翼、３４：燃焼ガス通路、３７：静翼内周側静止部、３８：タービンディスク、４０：ガスタービン冷却構造、４１：圧縮機出口空間、４２：冷却空気入口空間、４６：冷却孔、４７：動翼内流路、４８：リムシール空間、４９：リムシール連通孔、５０：静翼側シール装置、５１：オリフィス、５２：圧力計測器
５３：ディスク側凹部、５４：静翼側凹部

Claims (9)

1. ケーシングにタービン静翼を介して支持された静翼内周側静止部の上流側に設けられ、冷却媒体が供給される圧縮機出口空間と、
   前記静翼内周側静止部と、当該静翼内周側静止部に隣り合うタービンディスクとの間に設けられ、前記圧縮機出口空間から前記冷却媒体が供給される冷却空気入口空間と、
   前記タービンディスクに設けられ、前記冷却空気入口空間に供給された前記冷却媒体を、当該タービンディスクに設けられたタービン動翼内の動翼内流路に供給する冷却孔と、
   前記静翼内周側静止部と前記タービンディスクとの間に設けられ、前記タービン静翼と前記タービン動翼との間の空間に連通したリムシール空間であって、前記冷却空気入口空間に静翼側シール装置を介して連通したリムシール空間と、
   前記静翼内周側静止部に設けられ、前記圧縮機出口空間内の前記冷却媒体を前記リムシール空間に供給するリムシール連通孔と、を備えたことを特徴とするガスタービン冷却構造。
2. 前記リムシール連通孔は、前記圧縮機出口空間から前記リムシール空間に向って、前記タービン動翼の回転方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン冷却構造。
3. 前記リムシール連通孔に着脱可能に設けられたオリフィスを更に備えた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冷却構造。
4. 前記リムシール空間内の前記冷却媒体の圧力を計測する圧力計測器を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスタービン冷却構造。
5. 前記タービンディスクに、前記リムシール連通孔の出口に対向するディスク側凹部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスタービン冷却構造。
6. 前記静翼内周側静止部に、前記リムシール連通孔の出口が位置付けられた静翼側凹部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスタービン冷却構造。
7. 前記リムシール連通孔の流路断面積は、前記圧縮機出口空間から前記リムシール空間に向って増大していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスタービン冷却構造。
8. 前記静翼内周側静止部に、周方向に配列された複数の前記リムシール連通孔が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスタービン冷却構造。
9. 媒体を圧縮して、その一部を前記圧縮機出口空間に前記冷却媒体として供給する圧縮機と、
   前記圧縮機において圧縮された前記媒体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器において生成された前記燃焼ガスを用いて回転力を得るタービン部と、を備え、
   前記タービン部に、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の前記ガスタービン冷却構造が設けられていることを特徴とするガスタービン。

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