JP4180452B2 - ガスタービンまたは過給機のバックプレート構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半径流形式のタービンの圧縮空気と燃焼ガスとを仕切るバックプレートの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、燃焼器で生成された高温の燃焼ガスは、ガスタービンのタービンノズルを抜けてタービン翼間の通路に導かれるが、このとき通路を通らない燃焼ガスがあると、その燃焼ガスは仕事をせずにそのまま下流側に排出されるので、タービンで回収されない損失としてエンジンの効率を低下させることになる。そのため、図15に示すように、このような損失を最小限度に抑える上で、タービン翼先端側にシュラウドgが、タービン翼背面側にバックプレートeがそれぞれタービンhに近接して装着されている。
【0003】
このバックプレートeは、コンプレッサにより供給される圧縮空気と、燃焼器で生成された燃焼ガスとを仕切るように設けられている。従って、バックプレートeには、圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差による空気圧荷重、および燃焼ガス側から圧縮空気側に流れる熱負荷が同時に作用しているため、バックプレートe表裏面間の温度差及び圧力荷重によってバックプレートeが弓状(図15に二点鎖線で示す状態)に変形する傾向がある。
【0004】
そこで、図16に示すように、燃焼器からの燃焼ガスを吐出するノズルaに環状のノズル取付フランジbを設け、このノズル取付フランジbをハウジングcに固定するとともに、ノズル取付フランジbの内周端部とハウジングcとの間に隙間を設けて環状溝dを形成し、その環状溝d部分で燃焼ガスの通路を仕切る壁面を形成するバックプレートeの外周端部fを半径方向に摺動可能にかつタービンの回転軸方向に移動不能に挟持することで、燃焼ガスからの熱伝達によりバックプレートeが熱膨張する際に、バックプレートeを半径方向外方には自由に熱膨張させ、タービンの回転軸方向への変形を制限させるようにしたバックプレート構造が従来より知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
また、その他のバックプレート構造としては、高温で強度の高い金属を十分に用いて厚肉で堅牢なバックプレートを機械加工により成形し、燃焼ガスから燃伝達されてもバックプレートが熱膨張し難くなるようにしたものもある。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−342807号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の前者のものでは、バックプレートeが熱膨張する際にバックプレートeを半径方向外方に熱膨張させるように構成されてはいるものの、圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によって、バックプレートがタービン側に弓状に熱変形する問題が解決されないため、依然としてタービン背面側の隙間(バックプレート表面とタービン翼との隙間)が詰まって接触するおそれが残る。
【0008】
一方、上記後者のものでは、高温で強度の高い金属は非常に高価なものであり、それを十分に用いて機械加工により厚肉なバックプレートを成形すれば、材料コストおよび製造コストが非常に高いものとなる。
【0009】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、厚肉で堅牢な構造としなくとも、薄肉のバックプレートでもタービン側への弓状の熱変形を抑制することができる半径流形式のタービンのバックプレート構造を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため,請求項1に係わる発明では,圧縮空気と燃焼ガスとを仕切る環状のバックプレートを備えた半径流形式のタービンを有するガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において,上記バックプレートの圧縮空気側面には,タービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びる複数のリブが凸設されており,この複数のリブは,バックプレートを圧縮空気側に互いに密接する二枚重ねに折り畳むことで一体的にプレス成形されている。
【0011】
この特定事項により,バックプレートの圧縮空気側面に凸設させた複数のリブがタービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びているので,バックプレートの圧縮空気側(裏面側)においてその周方向に相隣なるリブ間に圧縮空気の流通経路が形成されることによって,圧縮空気が円滑に流通経路を通って流れて冷却が促進されるため,バックプレートに作用する熱負荷が軽減されると共に,タービンの回転軸方向(バックプレートの表裏面側)への剛性強度も効果的に高められて,バックプレートに作用する圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン側への弓状の熱変形が抑制されることになり,タービン背面側におけるバックプレート表面とタービン翼との隙間が確実に確保されてタービン翼との接触を防止することが可能となる。しかも,厚肉となるのはリブのみであり,バックプレートの材料コストおよび製造コストを非常に安価なものにすることも可能となる。
その上,前記複数のリブは,バックプレートを圧縮空気側に互いに密接する二枚重ねに折り畳むことで一体的にプレス成形されていることにより,各リブをバックプレートの裏面側(圧縮空気側)に個々に接着などにより設ける必要がなく,バックプレートの成形と同時に各リブが設けられ,各リブを簡単に成形することが可能となる。
【0012】
しかも,請求項1に係る発明では,圧縮空気と燃焼ガスとを仕切る環状のバックプレートを備えた半径流形式のタービンを有するガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において,上記バックプレートの圧縮空気側面には,タービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びる複数のリブが凸設されており,前記複数のリブの先端には,バックプレートに対し各リブの突出量を存して平行に配された補強部材が取り付けられている。
【0019】
この特定事項により、バックプレートの曲げ剛性が補強部材によって効果的に高められる。しかも、バックプレートと補強部材との間の各リブによって仕切られた空間を介して圧縮空気がスムーズに流れ、バックプレートの放熱面積の増加と相俟ってバックプレートの冷却性能を促進させることが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0021】
<第1の実施の形態>
図1は半径流形式のガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。図1において、このガスタービン100では、圧縮空気(図1および図2に破線矢印で表す)が図示しないコンプレッサから供給されており、圧縮空気は燃焼器20の外筒5と内筒6との間に形成された環状空気通路7を経由して内筒6内に流入し、燃料と混合して混合気を生成し、点火プラグ(図示せず)により着火されて燃焼ガス(図1に白抜き矢印で表す)を生成する。この燃焼ガスは、燃焼器20(内筒6)からスクロール9内に入り、ノズル10からタービン翼19に向けて噴射され、回転軸16を中心にタービン13を回転させるようになっている。
【0022】
タービン13は、ハウジング3に設置された図示しない軸受により回転軸16を中心に回転可能に支持されている。
【0023】
図2に示すように、ハウジング3とノズルフランジ12bとの間には隙間22が形成されており、この隙間22には環状のバックプレート1の外径側端部1aが半径方向に摺動可能にかつタービン13の回転軸16方向に移動不能に挟持されている。バックプレート1の内径側端部1bは、ボルト14により貫通されており、このボルト14をハウジング3の内径側窪み部3bに設けられたネジ穴15bに螺合させることにより、内径側端部1bがハウジング3に密着固定されるようになっている。また、ハウジング3には、外径側窪み部3aが設けられている。この場合、バックプレート1の燃焼ガス側面(表面)には燃焼ガスによる熱負荷が作用し、特に直接燃焼ガスに晒される直接領域1cにはより高い熱負荷が作用する一方、圧縮空気側面(裏面)には圧縮空気による空気圧荷重が作用するようになっている。
【0024】
また、ノズルフランジ12とハウジング3とで形成される空間B′と圧縮空気が充填される空間Aとの間には通気性があり、空間B′へは空間Aの圧縮空気の一部が侵入する。
【0025】
そして、図3に示すように、バックプレート1の圧縮空気側面(裏面)には、タービン13の回転軸16に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる複数のリブ4,…が周方向に所定間隔置きに凸設されている。
【0026】
ここで、リブ4,…を設けない場合と、リブ4,…を設けた場合とのバックプレート1の直接領域1cでの表面温度及び裏面温度の推移を図4に基づいて説明する。
【0027】
図4に二点鎖線で示すように、リブ4を設けない場合のバックプレート1の直接領域1cでの表面温度及び裏面温度に比して、図4に実線で示すように、リブ4を設けた場合のバックプレート1の直接領域1cでの表面温度及び裏面温度が何れも大幅に低下していることが判る。
【0028】
これは、バックプレート1の圧縮空気側面に凸設させた複数のリブ4,…がタービン13の回転軸16に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びているために、バックプレート1の圧縮空気側(裏面側)においてその周方向に相隣なるリブ4,4間に圧縮空気の流通経路が形成され、圧縮空気が円滑に流通経路を通って流れて、バックプレート1の燃焼ガス側面の熱伝達(冷却)を促進するからであり、よってバックプレート1の熱負荷、特にタービン13背面にあって直接燃焼ガスに晒される直接領域1cの熱負荷を効果的に低減できる。
【0029】
また、バックプレート1の圧縮空気側から作用する圧力がバックプレート1をタービン13側に押し出し、バックプレート1を弓状に変形させようとする荷重に対し、放射線状に延びる複数のリブ4,…によって、タービン13の回転軸16方向(バックプレート1の表裏面側)への剛性強度も効果的に高めることができる。
【0030】
したがって、上記実施形態では、バックプレート1が熱膨張する際の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン13側への弓状の熱変形が効果的に抑制されることになり、タービン13背面側におけるバックプレート1表面とタービン翼19との隙間が確実に確保されてタービン翼19との接触を防止することができる。
【0031】
しかも、厚肉となるのは各リブ4のみであり、バックプレート1の材料コストおよび製造コストを非常に安価なものにすることもできる。
【0032】
<第2の実施の形態>
次に、本発明の第2の実施形態を図5および図6に基づいて説明する。
【0033】
この実施形態では、バックプレート1の圧縮空気側(裏面側)にサポート部材としてのサポート板2を設けている。
【0034】
すなわち、本実施形態では、図5および図6に示すように、サポート板2はプレス成形されてなり、ハウジング3の外径側窪み部3aのネジ穴に螺合されたボルト24によって外周側端部2aが固着されている。また、サポート板2の内周側端部2bは、バックプレート1の内周側端部1bと共にボルト14によりハウジング3の内径側窪み部3bに固着されている。
【0035】
そして、サポート板2は、外径側窪み部3aと内径側窪み部3bとを最短で結ぶ破線で示す面26よりも中央部分が圧縮空気側(図では左側)に盛り上がるように(凸状となるように)プレス形成されている。この場合、サポート板2には、圧縮空気による空気圧荷重が作用するが、中央部分を圧縮空気側へ突出させていることにより、外径側端部2aおよび内径側端部2b(サポート板2の固定箇所)に作用する応力を低減させて、サポート板2の耐久性が高められるようになっている。また、サポート板2には、圧縮空気による空気圧荷重が作用するが、燃焼ガスによる熱負荷がほとんど作用しないようになっている。
【0036】
空間B′に侵入した空間Aの圧縮空気の一部は、隙間23および隙間22を経てバックプレート1とサポート板2との間に形成された領域B内に流入するようになっている。
【0037】
したがって、上記実施形態では、領域B内に流入した圧縮空気は、バックプレート1の圧縮空気側(裏面側)においてその周方向に相隣なるリブ4,4間の流通経路を通って円滑に流れて、バックプレート1表面の熱伝達(冷却)を促進するため、バックプレート1の熱負荷、特にタービン13背面にあって直接燃焼ガスに晒される領域1cの熱負荷をより効果的に低減できる。更に、バックプレート1の圧縮空気側から作用する圧力がサポート板2によって抑制され、放射線状に延びる複数のリブ4,…と相俟って、タービン13の回転軸16方向(バックプレート1の表裏面側)への剛性強度をより効果的に高めることができる。
【0038】
これにより、バックプレート1が熱膨張する際の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン13側への弓状の熱変形がより効果的に抑制されることになり、タービン13背面側におけるバックプレート1表面とタービン翼19との隙間が確実に確保されてタービン翼19との接触を確実に防止することができる。
【0039】
<第3の実施の形態>
次に、本発明の第3の実施形態を図7ないし図9に基づいて説明する。
【0040】
この実施形態では、各リブをバックプレートと一体的に成形している。
【0041】
つまり,本実施形態では,図7ないし図9に示すように,バックプレート7を圧縮空気側(裏面側)に互いに密接する二枚重ねに折り畳んでタービン13の回転軸16に対し内径側端部7bから外径側端部7aに向かって放射線状に延びる複数のリブ71,…を周方向に所定間隔置きに凸設させるように一体的にプレス成形している。
【0042】
したがって、本実施形態では、各リブ71をバックプレート7の裏面側(圧縮空気側)に個々に接着などにより設ける必要がなく、バックプレート7の成形と同時に各リブ71が設けられ、各リブ71を簡単に成形することができる。
【0043】
<第4の実施の形態>
次に、本発明の第4の実施形態を図10ないし図12に基づいて説明する。
【0044】
この実施形態では、バックプレートに補強部材としての補強プレートを設けている。なお、補強プレートを除くその他の構成は、上記第1の実施形態の場合と同じであり、同じ部分については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0045】
つまり、本実施形態では、図10ないし図12に示すように、複数のリブ4の先端に、バックプレート1に対し各リブ4の突出量を存して平行に配されたドーナツ板状の補強プレート8が取り付けられている。また、バックプレート1と補強プレート8との間には、各リブ4によって仕切られてバックプレート1の半径方向内方から外方に向かって延びる空間D,…が形成され、この各空間Dを介して圧縮空気が流通するようになっている。
【0046】
したがって、上記実施形態では、バックプレート1の曲げ剛性が補強プレート8によって効果的に高めることができる。しかも、バックプレート1と補強プレート8との間の各リブ4によって仕切られた空間D,…を介して圧縮空気がスムーズに流れ、補強プレート8によるバックプレート1の放熱面積の増加と相俟ってバックプレート1の冷却性能をさらに促進させることができる。
【0047】
<その他の実施の形態>
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記各実施形態では、タービン13の回転軸16に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びるリブ4,71を設けたが、図13に示すように、タービン13の回転軸16に対しバックプレート1の半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる線分n,…に対して所定角度傾斜させたリブ5,…が設けられていたり、図14に示すように、タービン13の回転軸16に対しバックプレート1の半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる線分n,…に対して湾曲するリブ6,…が設けられていてもよい。
【0048】
また、上記第4の実施形態では、バックプレート1の半径方向内方から外方に向かって延びる長いリブ4と同様の長さの補強プレート8を各リブ4の先端に取り付けたが、図10に二点鎖線で示すように、各リブ4よりも短い補強プレート8′が各リブ4の先端に取り付けられていてもよく、この場合には、空間D,…内への圧縮空気の流入および流出がよりスムーズに行われ、バックプレート1の冷却性能をより一層促進させることが可能となる。
【0049】
更に、上記各実施形態では、ガスタービンに適用したバックプレート1,7について述べたが、過給機に適用されるバックプレートであってもよいのはもちろんである。
【0050】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項1におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば、バックプレートの圧縮空気側面に凸設させた複数のリブをタービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延ばしていることで、バックプレートの圧縮空気側において相隣なるリブ間の流通経路を通して圧縮空気を円滑に流し、タービンから流入する熱を効果的に取り去って、バックプレートに作用する熱負荷を低減でき、タービンの回転軸方向への剛性強度も効果的に高めることができることから、バックプレートの熱膨張時の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン側への弓状の熱変形を抑制でき、タービン背面側におけるバックプレート表面とタービン翼との隙間を確実に確保してタービン翼との接触を防止することができる。さらに、バックプレートのタービン側への弓状の熱変形を抑制できることから、バックプレートとタービンとの隙間を縮少することができ、タービン翼間を通らない燃焼ガス量を最小化、すなわちタービンの効率を上昇させることができる。しかも、厚肉となるのをリブのみとし、バックプレートの材料コストおよび製造コストを非常に安価なものにすることもできる。
【0054】
更に,本発明の請求項1におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば,バックプレートに対し各リブの突出量を存して平行に配された補強部材を複数のリブの先端に取り付けることで、バックプレートの曲げ剛性を補強部材によって効果的に高めることができる。しかも、バックプレートと補強部材との間の各リブによって仕切られた空間を介して圧縮空気をスムーズに流し、バックプレートの放熱面積の増加と相俟ってバックプレートの冷却性能を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。
【図2】同じくバックプレート設置部付近を詳細に示す拡大断面図である。
【図3】同じく圧縮空気側から見たバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図4】同じくリブの有無によるバックプレートの直接領域での表裏面側温度の推移を説明する説明図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。
【図6】同じくバックプレート設置部付近を詳細に示す拡大断面図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図8】同じく図7のS方向から見たバックプレートの一部を示す側面図である。
【図9】同じくバックプレートの一部を外方から見た斜視図である。
【図10】本発明の第4の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図11】同じく図10のV方向から見たバックプレートの一部を示す側面図である。
【図12】同じくバックプレートの一部を外方から見た斜視図である。
【図13】その他の実施形態に係わる圧縮空気側から見たバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図14】その他の実施形態に係わる圧縮空気側から見たバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図15】従来例に係わるガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。
【図16】同じくバックプレート設置部付近を詳細に示す拡大断面図である。
【符号の説明】
1,7 バックプレート
13 タービン
16 回転軸
2 サポート板(サポート部材)
4,5,6,71 リブ
8 補強プレート(補強部材)
100 ガスタービン
Claims (1)
- 圧縮空気と燃焼ガスとを仕切る環状のバックプレートを備えた半径流形式のタービンを有するガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において,
上記バックプレートの圧縮空気側面には,タービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びる複数のリブが凸設されており,前記複数のリブの先端には,バックプレートに対し各リブの突出量を存して平行に配された補強部材が取り付けられていることを特徴とするガスタービンまたは過給機のバックプレート構造。
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