JP3917618B2 - ガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロール - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのスクロールに関し、詳しくはスクロールの冷却効率に優れた伝熱促進リブ付きスクロールに関する。

従来、ガスタービンのうち、いわゆる単缶燃焼器式ガスタービンは、多缶燃焼器式ガスタービンに比べて、コスト面で有利であるので、中・小型のガスタービンでは広く普及している。しかし、１つの燃焼器から出た燃焼ガスを、初段タービンノズルに対して均一に流れるようにスクロールで周回させなければならない。このため、スクロールは燃焼器より下流の部品としては最も高温の燃焼ガスにさらされ、かつ最も燃焼ガスにさらされる面積の大きい部品である。したがって、スクロールについても、十分な冷却構造が要求される。

このスクロールに対する対流冷却を図ったものの一例として、スクロール冷却のために空気の流路構造を改善したガスタービンのスクロールがある（例えば特許文献１参照）。すなわち、このガスタービンのスクロールは、燃焼器から供給された高温の燃焼ガスが流動する空間を形成するスクロール本体と、このスクロール本体に対し所定間隔離れて前記スクロール本体を取り囲むように設けられたスクロールハウジングとの間に、圧縮機からの圧縮空気が流動する流路が対流冷却に適性な状態で形成されている。
特開平１１−３０３６４８号公報

しかしながら、この対流冷却型のスクロールによってもスクロール本体の十分な冷却は期待できない。

そこで、本発明の目的は、ガスタービンのスクロールに対して簡素な構造を付加するだけで、製作コストを抑えてスクロールに対する高い冷却効率が得られるガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロールを提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロールは、ガスタービンにおける燃焼器からの燃焼ガスを前記ガスタービンの回転軸心の回りに旋回させながらタービンに導くスクロールであって、外表面に熱伝達による冷却を促進する伝熱促進リブが取り付けられている。

この構成によれば、スクロールの外表面を圧縮機からの圧縮空気が流れるとき、スクロールの外表面に設けた伝熱促進リブによって前記圧縮空気の流れに強い乱れが生じる。これにより、スクロール外表面の熱伝達が増大する結果、スクロール外表面から効果的に熱が奪われ、スクロールが冷却される。これにより、スクロールの温度上昇を抑制でき、スクロールの耐久性が向上する。また、スクロールに伝熱促進リブを取り付けるという極めて簡素な構造でスクロールに対する冷却効果が得られるから、既存のガスタービンに対しても容易、かつ安価に適用できる。

本発明の好ましい実施形態では、前記伝熱促進リブは、前記燃焼器との連結部の近傍におけるスクロールの内周面と後面とに、前記回転軸心を含む放射面に沿って設けられる。

この構成によれば、燃焼器からの燃焼ガスの導入により最も高温となるスクロールの内周面と、この内周面に当たった燃焼ガスが変向するためにやはり高温となる後面とに、伝熱促進リブが設けられているので、前記内周面と後面の冷却が効率的に行われる。しかも、前記内周面と後面にはガスタービンの回転軸心回りに流動する圧縮空気が接触するのに対し、前記伝熱促進リブが回転軸心を含む放射面に沿って設けられているので、圧縮空気が伝熱促進リブに直角ないし直角に近い適度な角度で衝突する。これにより、前記内周面と後面の冷却効率が向上する。

本発明の好ましい実施形態では、前記伝熱促進リブは、スクロールの前面における前記燃焼器との連結部の近傍部分に前記回転軸心と同芯の円弧状に設けられている。

スクロールの前面における前記燃焼器との連結部の近傍では、ほぼ放射方向に圧縮空気が流動して燃焼器に向かうのに対し、この構成によれば、伝熱促進リブが前記回転軸心と同芯の円弧状に設けられているので、圧縮空気が前記伝熱促進リブに対して直角ないし直角に近い適度な角度で衝突する。これにより、スクロールの冷却効率が向上する。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記伝熱促進リブは、一端部がスクロールに接合され、他の部分がスクロールに固定された押え片によってスクロールの外表面に押し当てられている。

この構成によれば、伝熱促進リブは一端部が接合され、他端を含む他の部分がフリーの状態であって押え片でスクロールの外表面に押し当てられているにすぎないから、スクロールと伝熱促進リブが異なる材料で形成されていて、スクロールと伝熱促進リブ間に熱膨張差があっても、スクロールからの熱を受けた前記伝熱促進リブがスクロールに対して相対的に熱延びしたときに、逃げがあるから、接合された前記一端部に過大な応力が発生して伝熱促進リブをスクロールから脱落させることがなくなる。

本発明のガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロールによれば、スクロールに伝熱促進リブを取り付けるという簡素な構造でスクロールに対する冷却効果が得られるから、既存のガスタービンに対しても容易、かつ安価に適用できる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロールを備えたガスタービンの主要部の縦断面図である。同図に示すガスタービンは、圧縮空気Ａを生成する遠心式の圧縮機１と、その後方（図１の右方）に設けられ、前記圧縮空気Ａに燃料を供給して燃焼させて高温の燃焼ガスＧを生成する燃焼器２と、前記燃焼ガスＧにより駆動されるタービン３と、前記燃焼器２からの燃焼ガスＧを回転軸心Ｃの回りに旋回させながらタービン３に導くスクロール４とを有している。スクロール４は板材の曲げ加工により製作されており、このスクロール４とスクロールハウジング１５との間の通路に、圧縮機１からの圧縮空気Ａが導入される。前記燃焼器２は、ガスタービンの上部に配置されており、燃焼室を形成する内筒２０が燃焼器ハウジング２２によって覆われて、内筒２０と燃焼器ハウジング２２との間に、圧縮空気Ａを内筒２０に導入するための空気通路２４が形成されている。タービン３は３段式である。圧縮機１の下流（径方向外方）にはディフューザ１２が配置されている。

図２の正面図に示すように、燃焼器２は単缶式であり、ガスタービンの回転軸心Ｃから偏心した位置でガスタービンの上部に配置されて、ほぼ鉛直方向に延びており、燃焼室を形成する内筒２０が燃焼器ハウジング２２によって覆われて、内筒２０と燃焼器ハウジング２２との間に、圧縮空気Ａを内筒２０に導入するための空気通路２４が形成されている。スクロール４の外表面には、前記燃焼器２との連結部４０の近傍における前面４ａ、つまり、圧縮機１（図１）に近い前壁４１の外面に、伝熱促進用のリブ６Ａが設けられている。この伝熱促進リブ６Ａは、回転軸心Ｃと同芯の円弧状に形成されており、この例では１０本設けられている。伝熱促進リブ６Ａは後述するように一端部６０がスクロール４に接合され、他の部分が、放射方向に延びた複数の押え片８によって前面４ａに押し当てられている。また、スクロール４の前面４ａの外周部には、図１のディフューザベース１２ａにスクロール４を支持させるためのフランジ７が取り付けられている。スクロール４の径方向外方と後方は、ガスタービン全体のハウジングの一部分を形成するスクロールハウジング１５により覆われている。

図３に示すように、スクロール４の外表面には、前記燃焼器２との連結部４０の近傍における後面４ｂおよび内周面４ｃ、つまり、後壁４２および内周壁４３の外面にそれぞれ、伝熱促進リブ６Ｂ，６Ｃが設けられている。これら伝熱促進リブ６Ｂ，６Ｃは回転軸心Ｃを含む放射面Ｓ（図２参照）に沿って設けられている。後面４ｂの伝熱促進リブ６Ｂは後面４ｂの曲面に沿って径方向に延びて複数本設けられ、内周面４ｃの伝熱促進リブ６Ｃは、回転軸心Ｃと平行な軸方向に延びて複数本設けられている。伝熱促進リブ６Ｃは一端部６０がスクロール４に接合され、他の部分が、円周方向に延びた複数の押え片８によって内周面４ｃに押し当てられている。図４に示すように、後面４ｂの伝熱促進リブ６Ｂは、燃焼器２との連結部４０に近接した位置で、径方向の最外端となる一端部６０がスクロール４に接合され、他の部分が、図３に示す円周方向に延びた複数の押え片８によって後面４ｂに押し当てられている。

図２の伝熱促進リブ６Ａが設けられている領域は、燃焼器２の軸心Ｃ１、つまり燃焼器２からスクロール４に向かう燃焼ガスＧの流路の中心と、スクロール４の内周壁４３の内面とが交差する位置Ｑを含み、その左右の円周方向に、スクロール４のほぼ１／４円周にわたって延びている。図３の内周面４ｃの伝熱促進リブ６Ｃが設けられている領域も、伝熱促進リブ６Ａとほぼ同一の周方向位置にある。後面４ｂの伝熱促進リブ６Ｂが設けられている領域は、前記交差位置Ｑ（図２）を含み、その左右の円周方向にほぼ１／８円周にわたって延びている。

図２および図３に示す伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃはすべてスクロール４内で高温となる部分であるが、この他、図示しない部分であっても、スクロール４内で高温となる部分であれば、同様にこれらの伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃを設けてもよい。

前記スクロール４の外表面への伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃの取付け方法について、図５を参照しながら、伝熱促進リブ６Ａを代表として説明する。他の伝熱促進リブ６Ｂ，６Ｃの取付け方法も同様である。同図に示すように、断面形状がほぼ四角形（正方形または長方形）の伝熱促進リブ６Ａをスクロール４の外表面の所定位置に配置し、一端部６０のみを溶接Ｗ１によりスクロール４の外表面に接合する。伝熱促進リブ６Ａの他の部分はスクロール４に接合しないフリーの状態としておき、このフリーの部分を複数の押え片８でスクロール４の外表面に押し当てる。この押え片８は細長い板状であり、その長手方向の中央部分が前記伝熱促進リブ６Ａに対する押え付け部１０となっている。押え付け部１０の断面形状はコの字状で、伝熱促進リブ６Ａの断面形状・寸法とほぼ同一である。この押え片８の押え付け部１０を挟んだ両側はいずれも溶接Ｗ２によりスクロール４の外表面に接合されている。各部材の材質は、例えば、スクロール４が高温クリープ強度に優れたコバルト合金で、伝熱促進リブ６Ａおよび押え片８が前記コバルト合金よりも安価なニッケル合金である。

このように伝熱促進リブ６Ａは一端部６０が接合され、他の部分がフリーの状態であって押え片８でスクロール４の外表面に押し当てられているにすぎないから、スクロール４と伝熱促進リブ６Ａが上述のとおり異なる材料で形成されていて、スクロール４と伝熱促進リブ６Ａ間に熱膨張差があっても、スクロール４からの熱を受けた伝熱促進リブ６Ａがスクロール４に対して相対的に矢印Ｂ方向に熱延びしたときに、拘束を受けない。したがって、接合された一端部６０に過大な応力が発生することがなくなり、これにより、伝熱促進リブ６Ａのスクロール４からの脱落を防止できる。また、押え片８のスクロール４に対する熱延びは、コの字状の押え付け部１０の変形により吸収できるので、溶接部Ｗ２に熱膨張による過大な応力が発生することはない。

次に、スクロール４の外表面への伝熱促進リブ６Ａの取り付けに際し最も良好な取付条件について、図６を参照しながら説明する。同図に示すように、スクロール４の外表面に２つの伝熱促進リブ６Ａ，６Ａを前記取付手段によって取り付けた場合、伝熱促進リブの高さをｅとし、伝熱促進リブ６Ａ，６Ａ間の距離をＰとし、スクロール４とスクロールハウジング１５との間の隙間に相当する流路の高さをＨとする。伝熱理論により、伝熱効率の良好な範囲、つまり、冷却効果と流路抵抗の良好な範囲は、Ｐ／ｅ＝７．５〜１０，ｅ／Ｈ＝０．０８〜０．１である。したがって、スクロール４の外表面に伝熱促進リブ６Ａを取り付ける場合には、前記条件に合致させることで、流路抵抗を抑制しながら、伝熱促進リブ６Ａによるスクロール４の大きな冷却効果が得られる。図１〜図４に示した実施形態では、前記条件を満たすように、伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃを設けている。なお、伝熱促進リブとして、容易に入手できる円形断面のワイヤーなどを用いてもよい。また、伝熱促進リブが長くなり、取付が困難となる場合には、長さ方向に沿って複数に分割してもよい。

次に、前記構成の動作について説明する。図１に示すように、圧縮機１で生成された圧縮空気Ａは、ディフューザ１２を経て、スクロールハウジング１５内に流入し、スクロール４の外周壁４４の外周面４ｄに導かれた後に、燃焼器２の空気通路２４へ導入される。一方、前記燃焼器２では、燃料と圧縮空気Ａとが混合されて燃焼し、その高温の燃焼ガスＧがスクロール４内に導かれる。このとき、スクロール４内では燃焼ガスＧがスクロール４の内周壁４３および後壁４２に向かった後に前壁４１に向かうので、スクロール４の外表面のうち、内周面４ｃと後面４ｂと前面４ａとが高温となる。

これら前面４ａ、後面４ｂおよび内周面４ｃに伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃが設けられているので、スクロール４の外表面に沿って流れる圧縮空気Ａの乱れが促進される。これにより、スクロール４の外表面と圧縮空気Ａとの熱伝達が増大する結果、圧縮空気Ａによってスクロール４の外表面から効果的に熱が奪われ、スクロール４が冷却される。

ここで、圧縮機１からディフューザ１２を経て、スクロールハウジング１５内に流入する圧縮空気Ａは、図３に矢印Ａ１で示すように、回転軸心Ｃの回りに流動しているので、スクロール４の後面４ｂと内周面４ｃに、この圧縮空気Ａ１が接触する。これに対し、後面４ｂと内周面４ｃには、伝熱促進リブ６Ｂ，６Ｃが回転軸心Ｃを含む放射面Ｓ（図２）に沿って設けられているので、圧縮空気Ａ１が伝熱促進リブ６Ｂ，６Ｃに直角ないし直角に近い適度な角度θで衝突する。これにより、スクロールの冷却効率が向上する。

他方、スクロール４の前面４ａでは、圧縮空気Ａ１が回り込んで燃焼器２に向かうので、図２に矢印Ａ２で示すように、圧縮空気は燃焼器２との連結部４０の近傍においてほぼ放射方向に流れる。これに対し、前面４ａには、伝熱促進リブ６Ａが回転軸心Ｃと同芯の円弧状に設けられているので、圧縮空気Ａ２が伝熱促進リブ６Ａに対して直角ないし大きな衝突角度θで衝突する。これにより、スクロールの冷却効率が向上する。

こうして、スクロール４における高温部分に設けた伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃによりスクロール４が効果的に冷却される結果、スクロール４の温度上昇を抑制でき、スクロール４の耐久性が向上する。また、スクロール４に伝熱促進リブ６Ａ，６Ｂ，６Ｃを取り付けるという極めて簡素な構造でスクロール４に対する冷却効果が得られるから、既存のガスタービンに対しても容易、かつ安価に適用できる。

本発明に係る伝熱促進リブ付きスクロールを取り付けたガスタービンの縦断面図である。 スクロールの正面図である。 スクロールの後面を斜め下方から見た斜視図である。 スクロールの後面を斜め上方から見た斜視図である。。 スクロールへの伝熱促進リブの取り付けを説明する模式図である。 スクロールに対する伝熱促進リブの最適取付条件を説明するための模式図である。

符号の説明

２ 燃焼器
３ タービン
４ スクロール
５ 連結部
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ 伝熱促進リブ
８ 押え片
９ 溶接部

Claims (4)

1. ガスタービンにおける燃焼器からの燃焼ガスを前記ガスタービンの回転軸心の回りに旋回させながらタービンに導くスクロールであって、
   外表面に熱伝達による冷却を促進する伝熱促進リブが取り付けられているガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロール。
2. 請求項１において、前記伝熱促進リブは、前記燃焼器との連結部の近傍におけるスクロールの内周面と後面とに、前記回転軸心を含む放射面に沿って設けられているガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロール。
3. 請求項１または２において、前記伝熱促進リブは、スクロールの前面における前記燃焼器との連結部の近傍部分に前記回転軸心と同芯の円弧状に設けられているガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロール。
4. 請求項１，２または３において、前記伝熱促進リブは、一端部がスクロールに接合され、他の部分が、スクロールに固定された押え片によってスクロールの外表面に押し当てられているガスタービンの伝熱促進リブ付きスクロール。
   

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