JP4317214B2 - ラジアルタービン及びそのノズルの冷却方法 - Google Patents
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Description
また、冷却空気の流路が複雑であるにもかかわらず、ノズルに向けての冷却孔は流路壁面の片側にしか設けることができず、ノズルの温度分布に偏りが生じ、熱歪を発生する可能性がある。
本発明の目的は、次のいずれかを実現するラジアルタービン発電設備を提供することである。まず、タービンノズル羽根を冷却した空気を利用して、タービン効率を向上することが挙げられる。次に、タービンノズルを均一に冷却し、その熱歪の発生を防止することである。さらに、タービンノズルを効果的に冷却する簡単な構造を提供することである。
本発明の望ましい実施形態においては、ラジアルタービンのタービンノズルを冷却した冷却気の実質的に全てを、タービンガス流路に流入するように構成する。
本発明のより望ましい実施形態においては、燃焼器からタービンシェルへ連なるガス流路の外側に外気との間に実質的に気密に形成された気体流路と、この気体流路内へ外部から気体を取り込む気体取入孔と、この気体流路内へ取り込んだ気体の一部を燃焼器内へ導く噴出孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中のノズルの近傍へ噴出させるシェル貫通孔とを備える。
これらの本発明の望ましい実施形態においては、ラジアルタービン構成要素の中でも特に高温となるタービンノズルを冷却するとともに、この冷却に使用した冷却気の実質的全てが、タービン羽根車を駆動する機械的仕事にも寄与する。
本発明のその他の目的と特徴は以下の実施形態の説明で明らかにする。
第1図は、本発明の第1の実施形態によるラジアルタービンの構造を示す。ラジアルタービンでは、燃焼ガス10〜14が、特に符号13で示す部分においてタービンノズル2を半径方向の外側から内側へ通過し、ロータのタービン羽根車3に噴射される。これにより、羽根車3を回転させ、燃焼ガス14は、回転軸方向へ流出するように構成されている。
この実施形態では、タービンに、二重ケーシング構造を採用している。まず、燃焼ガス10〜14が通過するタービンのガス流路15,16は、タービンスクロール4、タービンシェル5及びディフューザ6で覆われることによって形成されている。
次に、これらのタービンスクロール4、タービンシェル5及びディフューザ6は、その外側を、間隔を置いて、タービンケーシング7で覆われている。このケーシング7は燃焼器外筒8と繋がって、外気と気密が保たれた圧縮空気流路24を形成している。この圧縮空気流路24には、ケーシング7の圧縮空気取入孔71から圧縮空気20が取り入れられる。圧縮空気20は、タービンシェル5とタービンケーシング7による二重ケーシングの間の圧縮空気流路24を流れる圧縮空気21となり、その大部分は、燃焼器ライナ9へ噴射される圧縮空気22となる。
燃焼器ライナ9では、燃料31と圧縮空気22の燃焼反応により、タービンスクロール4に向けて高温・高圧の燃焼ガス10を噴射する。この燃焼ガス10は、ガス流路15,16を通り、燃焼ガス11,12及び13となって、ラジアルタービン羽根車3に噴射され、これを回転させる。
ここで、燃焼ガス流路16のタービンノズル2の直前の位置において、タービンシェル5には、ノズル冷却用の多数のシェル貫通孔51が設けられている。したがって、圧縮空気21の一部は、これらの貫通孔51からガス流路16のノズル2の前縁に向けて圧縮空気23となって噴射される。このノズル冷却用圧縮空気23は、燃焼ガス13よりも低温であり、ノズル2を効果的に冷却する。
次に、この実施形態の作用について詳細に説明する。
ここでは圧縮空気20として説明する作動気体は、所定の圧力を持ち、かつ燃焼室ライナ9で燃料とともに燃焼反応を起こす気体であれば、他のガスであっても構わない。この圧縮空気20は、圧縮機等で加圧され、場合によっては再生器で昇温されタービンケーシング7内の圧縮空気流路24へ取り入れられる。その質量流量をG0、圧力をP0、温度をT0とする。この圧縮空気20は、圧縮空気21となって、タービンシェル5の外周を通過する圧縮空気流路24により燃焼器外筒8へ導かれる。その途中で、圧縮空気21の一部は、タービンシェル5に設けられた貫通孔51を通って、タービンシェル5の内部へノズル冷却用圧縮空気23として分流する。この分流した冷却用圧縮空気23の質量流量をΔG、圧力をP0、温度をT0とする。燃焼器がリターンフロー式となっているため、冷却用圧縮空気23が分流した後の圧縮空気22は、燃焼器外筒8へ導かれ、燃焼器外筒8から燃焼器ライナ9へと流入する。燃焼器ライナ9へ流入する圧縮空気22は、質量流量がG0−ΔG、圧力はP1、温度はT0である。燃焼器ライナ9では、質量流量αの燃料31と前記圧縮空気22を混合燃焼させることにより、高温の燃焼ガス10(質量流量:G0−ΔG+α、圧力:P1、温度:T1)となり、燃焼器ライナ9からタービンスクロール4に向って噴出する。ここでP0>P1となるが、圧力差P0−P1は、タービンケーシング7内の圧縮空気流路24による燃焼器ライナ9までの圧力損失によるものとする。
噴出された燃焼ガス10は、タービンスクロール4を通過する燃焼ガス11,12となり、その後、タービンノズル円形翼列2へ達する。
タービンノズル円形翼列2の入口において、高温の燃焼ガス11,12(質量流量:G0−ΔG+α、圧力:P1、温度:T1)は、圧縮空気流路24からタービンシェル5の冷却用貫通孔51を通って流入してきた冷却用圧縮空気23(質量流量:ΔG、圧力:P0、温度:T0)と合流する。したがって、タービンノズル円形翼列2の入口からラジアルタービン羽根車3に向って噴射する燃焼ガス13は、燃焼ガス10と圧縮空気23の和となる。
また、第1図(B)に示すように、冷却用貫通孔51は、タービンノズル円形翼列2の前縁部近傍の位置に、燃焼ガスの流れの方向へ傾斜角を付けて設けている。したがって、比較的低温の圧縮空気23を、高温のノズル羽根2に直接吹き付けることにより、効果的にノズル羽根2を冷やすとともに、燃焼ガス13全体としての温度低下ΔTを小さくでき、タービン効率の低下を抑制できる。
この実施形態によれば、タービンノズル円形翼列2へ流入する質量流量はG0−ΔG+α+ΔG=G0+αとなり、圧縮空気取入孔71から取り込んだ全流量をタービン羽根車3の回転へ寄与させることができる。したがって、取り込んだ質量流量G0の圧縮空気20には、ラジアルタービン羽根車3を駆動する機械的仕事に寄与しない流量は存在せず、エネルギー効率を向上できる。また、冷却用シェル貫通孔51は、燃焼ガス13の流路を挟むタービンシェル5の両壁に設け、ノズル羽根2を両側から冷却することにより、ノズル羽根2の流路方向の温度分布の偏りを生じ難くし、熱歪を抑えることができる。
ノズル冷却後の高温ガス13(質量流量G0+α、圧力P1、温度T1−ΔT)は、タービンノズル円形翼列2により膨張して加速され、ラジアルタービン羽根車3にエネルギーを与えてこれを駆動し、回転軸方向に燃焼ガス14として流出する。ここで、ラジアルタービン羽根車3の回転軸が発電機と連結されている場合は、このラジアルタービン羽根車3の軸駆動力は発電出力に直結する。
ラジアルタービン羽根車3から回転軸方向へ流出したガス14は、ディフューザ6にて減速され圧力を回復して、排気サイレンサや再生器などに導かれる。
一般のラジアルタービンにおいては、燃焼器ライナ9から噴出した燃焼ガス10をタービンで断熱膨張する際に、タービンシェル5及びディフューザ6のメタル温度は高温となってしまう。しかし、本実施形態においては、ケーシング7でシェル5とディフューザ6を覆うように圧縮空気流路24を形成したことにより、シェル5とディフューザ6を、より低温の圧縮空気21の雰囲気で包み込んだことになり、効果的に冷却することができる。
この実施形態を前記した従来技術と比較すれば、ラジアルタービン羽根車3を駆動する機械的仕事に直接作用することになるタービン冷却後の高温ガス13の質量流量を、ノズル冷却用の圧縮空気23の質量流量ΔGだけ多くすることができる。言い換えれば、タービンへ取り込んだ圧縮空気20の質量流量G0の実質全量を、ノズル冷却後のラジアルタービン羽根車3を駆動する機械的仕事に従事させることより、タービンの効率を向上できる。
第2図は、本発明の第2の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。第1図と異なる点は、シェル貫通孔の配置であり、その他の点は第1図と同一であり、図示及び説明を省略する。
タービンシェル5の両壁に、燃焼ガス13の流れの方向に間隔を置いて、複数の貫通孔51を配置し、ノズル羽根2の前縁部の冷却を強化したものである。
第3図は、本発明の第3の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。この図においても、第1図と異なる点は、シェル貫通孔の配置であり、その他の点は第1図と同一であり、図示及び説明を省略する。
この実施形態では、タービンノズル円形翼列のノズル羽根2の外周全体をフィルム冷却する目的で、図に示すように燃焼ガス流路を形成するシェル5の両壁面とノズル羽根2の外周が接する部分に複数の冷却用のシェル貫通孔51を設けている。これらのシェル貫通孔51は、燃焼ガス13に対する抵抗を小さくするため、燃焼ガス13の流路下流側へ傾斜させている。
第4図は本発明の第4の実施形態による冷却構造の要部を示す側面断面図である。この図においても、第1図と異なる点は、シェル貫通孔の配置であり、その他の点は第1図と同一であり、図示及び説明を省略する。
この実施形態では、ノズル羽根2の内部に一つ又は複数の貫通孔201を設け、燃焼ガス13の流路を挟む圧縮空気流路24の一側から、シェル5の壁面のシェル貫通孔51、ノズルの羽根肉厚部のノズル貫通孔201、及び他側のシェル5の壁面のシェル貫通孔51とにより、圧縮空気流路24の他側へ貫通させる。また、これらのノズル貫通孔201のノズル2の羽根肉厚部から、ノズル2の表面へ通ずる漏洩孔202を設けている。これにより、貫通孔51、201から漏洩孔202を通して、ノズル羽根2の外周壁へ圧縮空気を導き、ノズル羽根2の内外から冷却を促進する構造としている。
さらに、本発明によるラジアルタービンのノズルの冷却構造の他の実施形態として、第1図、第2図、第3図及び第4図のいずれの組み合わせを採用することもできる。これらいずれの組み合わせにおいても、タービンへ取り込んだ圧縮空気20の質量流量の実質的に全量が、ノズル冷却後にタービン羽根車3を回転させる機械的仕事に寄与し、タービンのエネルギー効率を向上することができる。
Claims (20)
- 燃焼器で生成した燃焼ガスをノズルへ導くガス流路を形成するスクロールと、この燃焼ガスを半径方向内側のラジアル羽根車へ噴射するノズルと、このノズル及び前記羽根車を覆い前記ガス流路を形成するシェルを備えたラジアルタービンにおいて、外気との間に実質的に気密に形成された気体流路と、この気体流路内へ外部から気体を取り込む気体取入孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の一部を前記燃焼器内へ導く噴出孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中の前記ノズルの近傍で前記燃焼ガスの流れの方向へ傾斜角を付けて前記ノズルに直接吹き付けるように噴出させる貫通孔とを備えたことを特徴とするラジアルタービン。
- 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように形成されたことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように形成され、前記貫通孔は、前記気体流路と、前記ガス流路のノズルの上流との間を連通するように、前記シェルの壁に形成されたことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記貫通孔は、前記ガス流路を挟むシェル両壁に、前記気体流路からこれらシェル両壁を貫通し前記ガス流路に連なるように形成したことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記貫通孔を、前記ガス流路の流れの方向に沿って複数個並設したことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記ノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面に沿って、それぞれ複数のシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記貫通孔は、前記ガス流路の流れの方向に傾斜して前記シェルの壁面を貫通する貫通孔を含むことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記ノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面部に沿い、かつ前記ガス流路の流れの方向に傾斜した複数のシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 前記ガス流路を挟む前記気体流路の一側から、前記シェルの壁、前記ノズルの羽根肉厚部、及び他側の前記シェルの壁とを貫通し、前記気体流路の他側へ通ずる貫通孔と、この貫通孔の前記ノズルの羽根肉厚部からノズルの表面へ通ずる漏洩孔を設けたことを特徴とする請求項1記載のラジアルタービン。
- 圧縮空気と燃料を混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器で生成した燃焼ガスをタービンノズルへ供給するガス流路を形成するタービンスクロールと、この燃焼ガスを半径方向内側へ加速してラジアルタービン羽根車へ供給するタービンノズルと、前記タービンノズル及び前記ラジアルタービン羽根車を覆うタービンシェルを備えたラジアルタービンにおいて、外気との間に実質的に気密に形成された気体流路と、この気体流路内へ外部から気体を取り込む気体取入孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の一部を前記燃焼器内へ導く噴出孔と、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中の前記ノズルの近傍で前記燃焼ガスの流れの方向へ傾斜角を付けて前記ノズルに直接吹き付けるように噴出させる貫通孔とを備えたことを特徴とするラジアルタービン。
- 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように、かつ外気に対して気密性を保つように、タービンケーシングによって形成したことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記気体流路は、前記燃焼器から前記シェルへ連なる前記ガス流路の外側を覆うように形成され、前記貫通孔は、前記気体流路と前記ガス流路のノズルの上流との間を連通するように前記シェルの壁に形成されたことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記貫通孔は、前記ガス流路を挟むタービンシェル両壁に、前記気体流路からこれらタービンシェル両壁を貫通し前記ガス流路に連なるように形成したことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記貫通孔を、前記ガス流路の流れの方向に沿って複数個並設したことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記タービンノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面部に沿って配列された複数のタービンシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記貫通孔は、前記ガス流路の流れの方向に傾斜して前記タービンシェルの壁面を貫通する貫通孔を含むことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記タービンノズルは、タービン回転軸を中心とする円周上に多数の羽根を列設した円形翼列を備え、前記貫通孔は、前記円形翼列の各羽根の表面部に沿い、かつ前記ガス流路の流れの方向に傾斜した複数のタービンシェル貫通孔を含むことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 前記ガス流路を挟む前記気体流路の一側から、前記シェルの壁、前記ノズルの羽根肉厚部、及び他側の前記シェルの壁とを貫通し、前記気体流路の他側へ通ずる貫通孔と、この貫通孔の前記ノズルの羽根肉厚部からノズルの表面へ通ずる漏洩孔を設けたことを特徴とする請求項10記載のラジアルタービン。
- 燃焼器からの燃焼ガスをスクロールを含むガス流路を通してノズルへ導くステップと、この燃焼ガスを前記ノズルから半径方向内側のラジアル羽根車へ噴射するステップとを備えたラジアルタービンのノズル冷却方法であって、前記ガス流路の外側に外気と実質的に気密に形成された気体流路内へ外部から気体を取り込むステップと、この気体流路内へ取り込んだ気体の一部を前記燃焼器内へ導くステップと、前記気体流路内へ取り込んだ気体の他の一部を前記ガス流路中の前記ノズルの近傍で前記燃焼ガスの流れの方向へ傾斜角を付けて前記ノズルに直接吹き付けるように噴出するステップとを備えたことを特徴とするラジアルタービンのノズル冷却方法。
- 前記ガス流路中の前記ノズルの近傍へ噴出するステップは、前記気体の他の一部を、前記ノズルを形成する羽根の表面に沿って噴出するステップを含むことを特徴とする請求項19記載のラジアルタービンのノズル冷却方法。
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