JP2659950B2 - ガスタービンシユラウド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンシュラウドに係り、特に高温
ガスタービンに適した空冷式の冷却機構およびタービン
動翼外周端との間隙制御機構を備えたシュラウドセグメ
ントを備えたガスタービンシュラウドに関するものであ
る。

（従来の技術） 一般に、ガスタービン発電プラントに設置されるガス
タービンでは、タービン動翼やタービン静翼等を収容し
たタービンケーシングの内周にシュラウドセグメントが
環状に連設されており、このシュラウドセグメントによ
りタービン動翼外周端とタービンケーシングとの間隙か
らの主流ガスの漏洩を低減させるとともに、主流ガスの
タービンケーシングへの熱伝達を抑制してタービンケー
シングの過度の温度上昇による熱変形を防止している。

このシュラウドセグメントは高温主流ガスに直接さら
されるので、タービンの入口温度が高くなる程その冷却
に注意を払う必要があり、また、タービン効率の観点か
ら主流ガスの漏洩を最小にするために、タービン動翼外
周端とシュラウドセグメントとの間隙は極力小さくする
必要がある。そこで、一般のシュラウドセグメントでは
この冷却効果の向上を図るとともに、シュラウドセグメ
ントとタービン動翼外周端との間隙を極力小さくするた
めの種々の工夫がなされている。

第７図は従来のシュラウドセグメントの冷却機構を示
しており、箱形のシュラウドセグメント１は、タービン
動翼２の外周端と間隙を保持してタービンケーシング３
内周面に環状に連設されている。そしてこのシュラウド
セグメント１の上流側壁1aと下流側壁1bには夫々開孔4
a,4bが穿設され、この開孔4aからシュラウドセグメント
１の内部空間５に冷却空気Ａを導入し、開孔4bから排出
することでシュラウドセグメント１を冷却する構造とな
っている。

ところがこのようなシュラウドセグメントの冷却機構
では、内部空間５を流通する冷却空気Ａの流速が速いた
め、シュラウドセグメント１内壁面と冷却空気Ａとの熱
交換率が悪く、主流ガスの温度が高温の場合、シュラウ
ドセグメント１のメタル温度を所定の温度に保持するた
めに大量の冷却空気が必要になるという問題があった。

そこでその問題を解決するために、第８図に示したよ
うに、箱形のシュラウドセグメント６の外側開口７から
シュラウドセグメント６内に箱形のインサート８を半径
方向に挿入し、タービンケーシング３からシュラウドセ
グメント６内に導かれる冷却空気Ａをインサート８の開
孔９からシュラウドセグメント内壁面に吹きつけてイン
ピンジメント冷却を行うとともにその冷却した空気をシ
ュラウドセグメント６の下流側壁6bの開孔10よりシュラ
ウドセグメント外に排出する機構のものがある（特開昭
57−59030号公報参照）。

一方、タービン動翼外周端とシュラウドセグメントと
の間隙はタービン効率向上の観点からその間隙調整のた
めの機構が備えられており、例えば、シュラウドセグメ
ントが固定されているタービンケーシングの温度を冷却
空気により温度制御することにより、熱変形によりシュ
ラウドセグメントとタービン動翼外周端との間隙を制御
する機構がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した従来のシュラウドセグメント
における冷却機構では、少量の冷却空気でシュラウドセ
グメント６のメタル温度を所定の温度に保持することは
できるが、シュラウドセグメント６にインサート８を挿
入するための広い開口７を設ける必要があるため、シュ
ラウドセグメントが大形化してしまい、またシュラウド
セグメント６は上流側と下流側に穿設されたフック11に
より挟んでタービンケーシング３内面に固定されている
ためこのツメ間隔もシュラウドセグメントの大型化にと
もない大きくなり、結果としてタービンケーシング３が
軸方向に大きくなりタービン小形化の障害となるという
問題があった。

また、インサート８を箱形に形成する必要があるので
シュラウドセグメント６が複雑になるという問題もあ
り、さらに開口７を小さくするためにインサート８を２
分割するとインサート８自体の構造が複雑になるという
問題があった。

一方、従来のシュラウドセグメントの間隙調整機構に
おいては、タービンケーシング全体の温度を制御するた
め、温度調整機構自体が大きくなる欠点があり、また航
空転用を除いた陸用ガスタービンでは、タービンケーシ
ングの肉厚が大きいため、その熱容量も大きく、温度制
御の追従性が悪くなるという欠点がある。また、他の間
隙調整機構としてシュラウドセグメントに形状記憶合金
やバイメタル等の温度変化により変形する変形部材によ
り遮熱板を設け、熱変形作用によりタービン動翼外周端
をシュラウドセグメントとの間隙制御を行う機構もある
が、高温環境下における変形部材の経年変化に問題があ
った。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたも
ので、主流ガス温度が高温の場合にも使用できるように
高い冷却効率を有するとともに、タービン動翼外周端と
シュラウドセグメントの間隙の調整も可能で、しかも構
造が簡素な空冷式のシュラウドセグメントを提供するこ
とを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のガスタービンシュラウドは、タービンケーシ
ング内周面にタービン動翼の外周端と間隙を保持して環
状に連設された中空状のシュラウドセグメントと、この
シュラウドセグメントの内周面を全周にわたって覆うよ
うにシュラウドセグメントとタービン動翼との間隙に配
置され、シュラウドセグメントの半径方向に移動可能に
可撓部材を介してシュラウドセグメントに取り付けられ
た遮熱板と、シュラウドセグメントのタービンケーシン
グ側の壁面に穿設されシュラウドセグメント内に冷却空
気を導入する冷却空気導入孔と、この冷却空気導入孔か
ら導入する冷却空気の流入量を調整する流量調整弁と、
シュラウドセグメントの内周側の壁面に多数穿設されシ
ュラウドセグメントから遮熱板へ冷却空気を吐出する冷
却空気吐出孔とを備えたことを特徴とするものである。

（作 用） シュラウドセグメントとタービン動翼の外周端との間
隙にシュラウドセグメントの内周面を全周にわたって覆
うように遮熱板を配置することにより、主流ガスからシ
ュラウドセグメントへの熱輻射、熱伝達による流入熱量
を減少させてシュラウドセグメントに対する冷却効率を
向上させることができる。また、冷却空気流量を流量調
整弁により制御することで遮熱板の温度を調節すること
ができ、かつこの遮熱板を可撓部材を介してシュラウド
セグメントに取り付けることにより、遮熱板の温度によ
る熱伸び量の変化によって、遮熱板を半径方向に移動さ
せてタービン動翼外周端との間隙調整を行うことができ
る。

（実施例） 以下、本発明によるシュラウドセグメントの一実施例
について第１図ないし第５図を参照にしながら説明す
る。

第１図において、符号21は箱形のシュラウドセグメン
トを示しており、このシュラウドセグメント21は、ター
ビンケーシング22から突出したフック23に嵌合して固定
されている。このシュラウドセグメント21がタービンケ
ーシング内周に多数円周状に連設されることにより、タ
ービン動翼24の外周端と近接するシュラウドリングが形
成されている。

このシュラウドセグメント21とタービン動翼24外周端
との間隙には遮熱板25が配置されており、この遮熱板25
は、可撓部材26によりシュラウドセグメント21の下流側
壁にボルト27により固定されている。

一方、シュラウドセグメント21のタービンケーシング
側壁には冷却空気導入孔28が、そしてシュラウドセグメ
ントの内周側壁には多数の冷却空気吐出孔29が夫々穿設
されており、冷却空気Ａが冷却空気導入孔からシュラウ
ドセグメントの中空部30に流入し、冷却空気吐出孔29を
通って、シュラウドセグメント21と遮熱板25の間隙から
ガス通路部へと流れる構造となっている。また冷却空気
導入孔28には調整弁31が取付けられており、この調整弁
31により冷却空気Ａの流入量を調整することができる。

第２図は第１図を回転軸方向下流側から見た図で、遮
熱板25は、上半部25a,下半部25bに２分割されており、
夫々シュラウドセグメント21にボルト27により可撓部材
26を介して固定されている。

第３図は第１図における円周方向Ｘ−Ｘ断面図で、遮
熱板25a、25bの水平合せ部には夫々水平フランジ32a、3
2bが形成されており、該水平フランジ部32a、32bはシュ
ラウドセグメント21の水平合せ部33に挟み込まれてい
る。そして下半部25bの水平フランジ32bには、ピン34が
溶接固定されており、このピン34と上半部25aのフラン
ジ部32aに穿設された穴とを嵌合させることにより、上
半部25aと下半部25bとが整合される。

第４図は第１図のＹ−Ｙ断面を示す図で、遮熱板25に
は、シュラウドセグメント21に形成されたキー溝35に嵌
挿するキー36が全周６ケ所に設置されている。これらの
キー36、キー溝35および水平フランジ32a、32bの挟み込
み部により遮熱板25はシュラウドセグメント21に対し位
置決めされる。また、キー36、キー溝35のはめ込み部お
よび水平フランジ32a、32bの挟み込み部は、半径方向の
相互の移動が可能なように間隙37a、37bが設けられてお
り、温度変化によるシュラウドセグメント21と遮熱板25
の半径方向の熱伸び差を吸収できる構造となっている。

このような構成のシュラウドセグメントでは、冷却空
気Ａは、冷却空気導入孔28から中空部30に流入して、シ
ュラウドセグメント21の内面を冷却した後、冷却空気吐
出孔29から吐出して遮熱板25をインピンジメント冷却し
た後、主流ガスＢに混入する。

このように、シュラウドセグメント21の内周面が高温
の主流ガスＢと直接接触しないように遮熱板25を配置
し、この遮熱板25に熱伝達率が高く冷却効率の高いイン
ピンジメント冷却を施したので、受熱部を効率良く冷却
することができる。また主流ガスからの輻射熱も遮熱板
25により遮られる。さらに、遮熱板25からシュラウドセ
グメント21への熱伝導も、板厚の薄い可撓部材26を通し
て行われるので小さくなり、シュラウドセグメントの温
度上昇は主流ガスＢの温度が上がっても低く抑えること
ができる。

さて、このようなシュラウドセグメントのタービン動
翼外周端と遮熱板の間隙調整機構について説明する。

一般に、タービン動翼外周端における間隙は、シュラ
ウドセグメント無冷却の場合、第５図の破線で示すよう
に変化する。この場合、横軸は起動後の時間である。同
図に示したように、起動後、ある時間で間隙が最小にな
る箇所があるため、起動初期の間隙は、最小間隙のとき
にタービン動翼先端がシュラウドセグメントに接触しな
いように余裕を考慮して設定する必要がある。そのた
め、定格運転時のタービン動翼外周端における間隙は大
きくなり、タービン効率の低下を引き起こす。本例で
は、遮熱板25の温度を制御することにより、遮熱板25の
半径方向の熱伸びを第５図の一点鎖線で示すように制御
し、定格運転時の間隙を最小にする。即ち、シュラウド
セグメント21の冷却空気導入孔28に設けた調整弁31を上
下動させて冷却空気Ａの流量を制御することで、遮熱板
25の温度制御を行うことができる。遮熱板25の上半部25
aと下半部25bは、上述したように水平フランジ32a、32b
の位置決めピン34により固定されており、また、遮熱板
25は半径方向に移動可能なキー36によりシュラウドセグ
メント21に対し位置決めされており、さらにシュラウド
セグメントへの固定は可撓部材26を介して行われてい
る。従って、遮熱板25は温度変化に対してロータ回転軸
を中心に円形を保ちながら拡大、縮小を無理なく行うこ
とができ、タービン動翼外周端の間隙を変化させること
ができる。なお、間隙制御はシュラウドセグメント21に
非接触形クリアランスメータを取付け、この非接触形ク
リアランスメータにより測定された信号から冷却空気調
整弁31を制御すればよい。

このように本例のシュラウドセグメントを用いれば、
冷却効率が向上するため主流ガス温度をさらに上昇させ
ることが可能になり、また、間隙制御によりタービン動
翼外周端からの主流ガスの漏洩を減少させることがで
き、タービン効率の向上を図ることができる。

第６図は本発明の他の実施例を示す図で、遮熱板25の
上流側に冷却空気孔41が主流ガス通路に貫通する形で穿
設されている。本例によれば、遮熱板25をインピンジメ
ント冷却した冷却空気Ａが遮熱板25の上流側に開けられ
た冷却空気孔41から主流ガス通路に噴出し、遮熱板25と
タービン動翼24外周端との間隙を流れ、遮熱板25の主流
ガス通路側壁をフィルム冷却する。このため、遮熱板25
の冷却効率をさらに上げることができ、また、冷却空気
Ａがタービン動翼24外周端と遮熱板25との間隙を流れる
ため、この間隙からの主流ガスの漏れも小さく抑えるこ
とが可能となり、タービン効率を向上させることができ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のガスタービンシュラウド
によれば、シュラウドセグメントの冷却効率が向上し、
しかもシュラウドセグメントとタービン動翼との間隙を
任意に調整できる。

従って、主流ガスの間隙からの漏れ量を少なくするこ
とができ、さらにタービン主流ガス温度を上げることが
できるのでガスタービンの全体効率の向上に大きく貢献
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の断面図、第２図は第１
図を主流ガス下流から見た一部断面図、第３図は第１図
の水平部におけるＸ−Ｘ断面図、第４図は第１図におけ
るＹ−Ｙ断面図、第５図はタービン動翼外周端間隙の起
動後の時間に対する変化を示す図、第６図は他の実施例
を示す断面図、第７図および第８図は従来のシュラウド
セグメントを示す断面図である。 21……シュラウドセグメント 22……タービンケーシング 24……タービン動翼 25……遮熱板 26……可撓部材 28……冷却空気導入孔 29……冷却空気吐出孔 31……調整弁

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービンケーシング内周面にタービン動翼
   の外周端と間隙を保持して環状に連設された中空状のシ
   ュラウドセグメントと、 このシュラウドセグメントの内周面を全周にわたって覆
   うように前記シュラウドセグメントとタービン動翼との
   間隙に配置され、シュラウドセグメントの半径方向に移
   動可能に可撓部材を介して前記シュラウドセグメントに
   取り付けられた遮熱板と、 前記シュラウドセグメントのタービンケーシング側の壁
   面に穿設されシュラウドセグメント内に冷却空気を導入
   する冷却空気導入孔と、 この冷却空気導入孔から導入する冷却空気流量を調整す
   る流量調整弁と、 前記シュラウドセグメントの内周側の壁面に多数穿設さ
   れ前記シュラウドセグメントから前記遮熱板へ冷却空気
   を吐出する冷却空気吐出孔 とを備えたことを特徴とするガスタービンシュラウド。
2. 【請求項２】流量調整弁が、前記冷却空気導入孔の開度
   を調節するものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のガスタービンシュラウド。