JP4652510B2 - ガスタービン用スクロール - Google Patents
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンのスクロールに係り、具体的には、スクロール冷却のための空気の流路構造が改善されたガスタービンのスクロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示されたように、産業用エンジンとして使用される通常のガスタービンエンジンは、外部の空気（Ａ）を高圧となるように圧縮する圧縮器１０ａ、１０ｂと、前記圧縮器の出口１０ｃから供給される高圧の空気に燃料をノズル１４から噴射し且つ点火させることにより、ライナー１２の内部に高温高圧のガスを発生する燃焼器１３と、及び燃焼器１３において発生された高圧のガスを用いて回転力を発生させるタービン１６を具備する。
【０００３】
一方、前記燃焼器１３において発生されたガスは、複数のノズルベーンを通過して、複数のブレードを有するタービン翼車（図示せず）を回転させるように供給される必要がある。スクロール２０は、かかるガスの流動を適切に導く流路の設計と関連があるものである。
【０００４】
図２を参照すると、前記スクロール２０は、燃焼器と連通した環状のスクロール内部空間２８を形成するスクロール本体２１、及びこのスクロール本体２１の一方の側の開口部に連結され、タービンのブレード側に延在し、前記環状の空間２８に流入する高温高圧の気体が噴射されるノズル２７を形成する案内スクロール２５、２６を具備する。前記スクロール２０の内部では、超高温の燃焼ガスが流動するため、このスクロールを冷却することができる冷却構造が必要である。このため、スクロール本体２１及び案内スクロール２５、２６の外部には、それぞれスクロール本体から所定間隔だけ離隔して設けられたスクロールハウジング２２、２３、２４が設けられ、これにより、スクロール本体とスクロールハウジングとの間に形成された間隙に冷却用空気が流入するようになっている。図２に示すように、前記スクロール２０の周りに流れる冷却用空気がスクロールハウジング２２、２３、２４に形成されたホールを介して前記間隙に入り、これによりスクロールが冷却される。
【０００５】
この種の冷却方式における冷却用空気には、主として圧縮器１０ａ、１０ｂから供給された空気が使用される。図１の矢印は、ガスタービンに流入する外部空気の流れを表す。ここで、外部空気（Ａ）は、圧縮器１０ａ、１０ｂにより圧縮されて圧縮器の出口１０ｃから吐出されると、この空気の大半はライナー１２の外部に形成されている通路を介して燃焼器１３に供給されて燃料と共に燃焼され、その一部のみがスクロール２０の冷却のために使用される。
【０００６】
そこで、前記のように構成された従来のガスタービンのスクロールにおいては、圧縮空気のごく一部のみが冷却用として使用されるため、冷却効率が低下する問題があった。この結果、スクロールの温度上昇を適切に抑えることができず、スクロールの耐久性の低下をもたらしていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、スクロールの冷却効率が向上するように、全ての圧縮空気がスクロールの冷却に使用される構造を有するガスタービンのスクロールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によれば、圧縮空気を発生させる圧縮器、及び前記圧縮空気を供給されて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器を具備するガスタービンに使用するスクロールであって、前記燃焼器から供給された高温の燃焼ガスが流れる所定の空間を形成するスクロール本体、及び前記スクロール本体から所定間隔離隔する形態で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を備え、前記圧縮空気が流動する流路が前記スクロール本体と前記スクロールハウジングとの間に形成され、前記流路の入口端は前記圧縮器の出口と連通し、前記流路の出口端は前記燃焼器側に向けて開放され、前記スクロールハウジングが、前記流路の断面積が実質的に一定になるような、前記スクロール本体に対応する形状を有し、前記流路の断面積が、前記圧縮器の出口の断面積と実質的に同一であることを特徴とするスクロールが提供される。
【００１０】
また、前記流路の入口端は、前記圧縮器と前記スクロール本体とを連結する連結部材、及び前記スクロールハウジングにより形成できる。
【００１２】
さらに、前記流路の出口端は、前記スクロールハウジングが前記スクロール本体の一部を取り囲むように設けられ、且つ前記スクロール本体の前記スクロールハウジングが取り囲んでいない部分に冷却のための補助ハウジングが設けられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
圧縮器の出口から流出される空気は高圧、高速であるのに対し、燃焼器側に流入する空気の流速は、流入する部分の空間が圧縮器の出口に比べて相対的に広い場合には低速になる。冷却効率を最大限にするため、圧縮器の出口からの高圧、高速の空気が直接的にスクロールを冷却できるように、スクロールの外部にハウジングを設けて流路を形成する。そして、空気が流路を流れる過程で次第に流速が落ちて圧縮効率及び冷却効率が低下するのを防止すべく、流路の断面積を一定にする。
【００１４】
図３を参照すると、本発明の一実施例によるガスタービンのスクロール３０が環状に形成されており、そのスクロール内部空間３８に高温高圧の燃焼ガスが流入するスクロール本体３１、及び前記スクロール本体３１に対し所定間隔離隔さ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３２を備える。
【００１５】
前記スクロール本体３１は、その一方の側の開口部が燃焼器と連通し、その他方の側の開口部が案内スクロール３４、３５と連結される。
【００１６】
前記スクロールハウジング３２は、前記スクロール本体３１と同一、または似通った形状、つまり、前記スクロール本体３１の形状に対応する形状に形成される。これによって、スクロールハウジング３２とスクロール本体３１との間に、一定の断面積を持つ流路１００を形成できる。
【００１７】
ガスタービンの圧縮器の出口１０ｃと連通される流路１００の入口端１００ａでは、前記スクロールハウジング３２の圧縮器側端３２ａは、必要に応じて所定の角度曲げられて圧縮器の出口１０ｃに連結される。また、圧縮器の出口１０ｃとスクロール本体３１の所定の部位とを連結するための案内部材３３が設けられる。
【００１８】
前記流路１００を通過する空気は圧縮器を経た高圧の空気であって、燃焼に使用されるべきであり、空気の流動を燃焼器側Ｘに導くため、前記スクロールハウジング３２の燃焼器側端３２ｂはスクロール本体３１の所定部位に設けて流路の終端とする。その結果、前記流路１００の出口端１００ｂはガスタービンの燃焼器側Ｘに向けて開放され、前記流路１００はスクロール本体３１の一部のみを取り囲むことになる。そして、スクロール本体３１の前記流路１００が取り囲んでいない部分３１ａには、冷却のため、スクロール本体から所定間隔離隔した補助ハウジング４０が設けられる。前記補助ハウジング４０と前記スクロール本体３１との間には所定の間隔の間隙が形成され、流路の出口１００ｂから流出した圧縮空気の一部が前記補助ハウジング４０に形成されたホール（図示せず）等に流入し、これにより前記スクロール本体の流路が取り囲んでいない部分３１ａが冷却されることになる。
【００１９】
従って、矢印で示すように、圧縮器の出口１０ｃから流出された全ての圧縮空気は前記流路１００上に流入する。圧縮器１０ａ、１０ｂの出口における圧縮効率及び冷却効率の低下を防止するためには、前記流路１００の断面積は前記圧縮器の出口１０ｃの断面積と実質的に同一にすることが好ましい。そのような形態にすることにより、圧縮器の出口を流路の出口端１００ｂまで延在させる効果がある。また、前記流路１００を通過する空気の流れがスクロールを冷却させると同時に、流動する空気の温度も上昇するので、燃焼器に供給される空気の温度が上がることになり、結果的に燃焼を促進してさらにエンジン効率を向上させる効果もある。
【００２０】
前記スクロール本体３１の出口側の開口部には、案内スクロール３４、３５が設けられる。前記案内スクロール３４、３５は、タービン（図示せず）のノズルベーン側に延在しており、環状のスクロール内部空間３８を流れる高温高圧の気体を噴射可能なノズル３９を形成している。
【００２１】
案内スクロール３４、３５の外側には、それぞれ所定間隔離隔した案内スクロールハウジング３６、３７が設けられて、案内スクロールとの間に形成された間隙に冷却用空気が流入するようになっている。図３に示されたように、前記流路１００の出口端１００ｂから流出した空気の一部が案内スクロールハウジング３６、３７により形成されたホールを介して前記間隙に流入し、これにより案内スクロール３４、３５が冷却される。
【００２２】
結局、上記のようなガスタービンのスクロールにおいては、圧縮器の出口１０ｃから流出した全ての圧縮空気が前記流路１００に流入し、これによりスクロール本体３１が冷却され、前記流路の出口１００ｂから流出した圧縮空気は、大半が燃焼器側Ｘに入り、その一部がスクロール３０の周囲を再度流動しながら案内スクロール３４、３５を冷却することになる。
【００２３】
本発明を、図面に示す一実施例に基づいて説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当業者は、本発明の範囲内で実施形態を様々に改変することが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のガスタービンのスクロールにおいては、スクロールを冷却させるための空気流量が著しく増大することから、スクロールの温度上昇が防止されて冷却効率が向上するとともに、スクロールの耐久性が向上する。さらに、燃焼器に流入する全ての圧縮空気がスクロールの冷却過程で使用されることから、燃焼器に流入する空気の温度が上昇して、燃焼効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のガスタービンの構成を示す図であり、圧縮空気の流れを示す。
【図２】図１のガスタービンのスクロールの断面図である。
【図３】本発明によるガスタービンのスクロールの断面図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ 圧縮器
１０ｃ 圧縮器出口
１２ ライナー
１３ 燃焼器
１４ ノズル
１６ タービン
２０ スクロール
２１ スクロール本体
２２、２３、２４ スクロールハウジング
２５、２６ 案内スクロール
２７ ノズル
２８ スクロール内部空間
３０ スクロール
３１ スクロール本体
３１ａ （スクロール本体の）流路が取り囲んでいない部分
３２ スクロールハウジング
３２ａ （スクロールハウジングの）圧縮器側端
３２ｂ （スクロールハウジングの）燃焼器側端
３３ 案内部材
３４、３５ 案内スクロール
３６、３７ 案内スクロールハウジング
３８ スクロール内部空間
３９ ノズル
４０ 補助ハウジング
１００ 流路
１００ａ 流路入口端
１００ｂ 流路出口端
Ａ 外部空気
Ｘ 燃焼器側
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンのスクロールに係り、具体的には、スクロール冷却のための空気の流路構造が改善されたガスタービンのスクロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示されたように、産業用エンジンとして使用される通常のガスタービンエンジンは、外部の空気（Ａ）を高圧となるように圧縮する圧縮器１０ａ、１０ｂと、前記圧縮器の出口１０ｃから供給される高圧の空気に燃料をノズル１４から噴射し且つ点火させることにより、ライナー１２の内部に高温高圧のガスを発生する燃焼器１３と、及び燃焼器１３において発生された高圧のガスを用いて回転力を発生させるタービン１６を具備する。
【０００３】
一方、前記燃焼器１３において発生されたガスは、複数のノズルベーンを通過して、複数のブレードを有するタービン翼車（図示せず）を回転させるように供給される必要がある。スクロール２０は、かかるガスの流動を適切に導く流路の設計と関連があるものである。
【０００４】
図２を参照すると、前記スクロール２０は、燃焼器と連通した環状のスクロール内部空間２８を形成するスクロール本体２１、及びこのスクロール本体２１の一方の側の開口部に連結され、タービンのブレード側に延在し、前記環状の空間２８に流入する高温高圧の気体が噴射されるノズル２７を形成する案内スクロール２５、２６を具備する。前記スクロール２０の内部では、超高温の燃焼ガスが流動するため、このスクロールを冷却することができる冷却構造が必要である。このため、スクロール本体２１及び案内スクロール２５、２６の外部には、それぞれスクロール本体から所定間隔だけ離隔して設けられたスクロールハウジング２２、２３、２４が設けられ、これにより、スクロール本体とスクロールハウジングとの間に形成された間隙に冷却用空気が流入するようになっている。図２に示すように、前記スクロール２０の周りに流れる冷却用空気がスクロールハウジング２２、２３、２４に形成されたホールを介して前記間隙に入り、これによりスクロールが冷却される。
【０００５】
この種の冷却方式における冷却用空気には、主として圧縮器１０ａ、１０ｂから供給された空気が使用される。図１の矢印は、ガスタービンに流入する外部空気の流れを表す。ここで、外部空気（Ａ）は、圧縮器１０ａ、１０ｂにより圧縮されて圧縮器の出口１０ｃから吐出されると、この空気の大半はライナー１２の外部に形成されている通路を介して燃焼器１３に供給されて燃料と共に燃焼され、その一部のみがスクロール２０の冷却のために使用される。
【０００６】
そこで、前記のように構成された従来のガスタービンのスクロールにおいては、圧縮空気のごく一部のみが冷却用として使用されるため、冷却効率が低下する問題があった。この結果、スクロールの温度上昇を適切に抑えることができず、スクロールの耐久性の低下をもたらしていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、スクロールの冷却効率が向上するように、全ての圧縮空気がスクロールの冷却に使用される構造を有するガスタービンのスクロールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によれば、圧縮空気を発生させる圧縮器、及び前記圧縮空気を供給されて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼器を具備するガスタービンに使用するスクロールであって、前記燃焼器から供給された高温の燃焼ガスが流れる所定の空間を形成するスクロール本体、及び前記スクロール本体から所定間隔離隔する形態で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を備え、前記圧縮空気が流動する流路が前記スクロール本体と前記スクロールハウジングとの間に形成され、前記流路の入口端は前記圧縮器の出口と連通し、前記流路の出口端は前記燃焼器側に向けて開放され、前記スクロールハウジングが、前記流路の断面積が実質的に一定になるような、前記スクロール本体に対応する形状を有し、前記流路の断面積が、前記圧縮器の出口の断面積と実質的に同一であることを特徴とするスクロールが提供される。
【００１０】
また、前記流路の入口端は、前記圧縮器と前記スクロール本体とを連結する連結部材、及び前記スクロールハウジングにより形成できる。
【００１２】
さらに、前記流路の出口端は、前記スクロールハウジングが前記スクロール本体の一部を取り囲むように設けられ、且つ前記スクロール本体の前記スクロールハウジングが取り囲んでいない部分に冷却のための補助ハウジングが設けられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
圧縮器の出口から流出される空気は高圧、高速であるのに対し、燃焼器側に流入する空気の流速は、流入する部分の空間が圧縮器の出口に比べて相対的に広い場合には低速になる。冷却効率を最大限にするため、圧縮器の出口からの高圧、高速の空気が直接的にスクロールを冷却できるように、スクロールの外部にハウジングを設けて流路を形成する。そして、空気が流路を流れる過程で次第に流速が落ちて圧縮効率及び冷却効率が低下するのを防止すべく、流路の断面積を一定にする。
【００１４】
図３を参照すると、本発明の一実施例によるガスタービンのスクロール３０が環状に形成されており、そのスクロール内部空間３８に高温高圧の燃焼ガスが流入するスクロール本体３１、及び前記スクロール本体３１に対し所定間隔離隔さ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３２を備える。
【００１５】
前記スクロール本体３１は、その一方の側の開口部が燃焼器と連通し、その他方の側の開口部が案内スクロール３４、３５と連結される。
【００１６】
前記スクロールハウジング３２は、前記スクロール本体３１と同一、または似通った形状、つまり、前記スクロール本体３１の形状に対応する形状に形成される。これによって、スクロールハウジング３２とスクロール本体３１との間に、一定の断面積を持つ流路１００を形成できる。
【００１７】
ガスタービンの圧縮器の出口１０ｃと連通される流路１００の入口端１００ａでは、前記スクロールハウジング３２の圧縮器側端３２ａは、必要に応じて所定の角度曲げられて圧縮器の出口１０ｃに連結される。また、圧縮器の出口１０ｃとスクロール本体３１の所定の部位とを連結するための案内部材３３が設けられる。
【００１８】
前記流路１００を通過する空気は圧縮器を経た高圧の空気であって、燃焼に使用されるべきであり、空気の流動を燃焼器側Ｘに導くため、前記スクロールハウジング３２の燃焼器側端３２ｂはスクロール本体３１の所定部位に設けて流路の終端とする。その結果、前記流路１００の出口端１００ｂはガスタービンの燃焼器側Ｘに向けて開放され、前記流路１００はスクロール本体３１の一部のみを取り囲むことになる。そして、スクロール本体３１の前記流路１００が取り囲んでいない部分３１ａには、冷却のため、スクロール本体から所定間隔離隔した補助ハウジング４０が設けられる。前記補助ハウジング４０と前記スクロール本体３１との間には所定の間隔の間隙が形成され、流路の出口１００ｂから流出した圧縮空気の一部が前記補助ハウジング４０に形成されたホール（図示せず）等に流入し、これにより前記スクロール本体の流路が取り囲んでいない部分３１ａが冷却されることになる。
【００１９】
従って、矢印で示すように、圧縮器の出口１０ｃから流出された全ての圧縮空気は前記流路１００上に流入する。圧縮器１０ａ、１０ｂの出口における圧縮効率及び冷却効率の低下を防止するためには、前記流路１００の断面積は前記圧縮器の出口１０ｃの断面積と実質的に同一にすることが好ましい。そのような形態にすることにより、圧縮器の出口を流路の出口端１００ｂまで延在させる効果がある。また、前記流路１００を通過する空気の流れがスクロールを冷却させると同時に、流動する空気の温度も上昇するので、燃焼器に供給される空気の温度が上がることになり、結果的に燃焼を促進してさらにエンジン効率を向上させる効果もある。
【００２０】
前記スクロール本体３１の出口側の開口部には、案内スクロール３４、３５が設けられる。前記案内スクロール３４、３５は、タービン（図示せず）のノズルベーン側に延在しており、環状のスクロール内部空間３８を流れる高温高圧の気体を噴射可能なノズル３９を形成している。
【００２１】
案内スクロール３４、３５の外側には、それぞれ所定間隔離隔した案内スクロールハウジング３６、３７が設けられて、案内スクロールとの間に形成された間隙に冷却用空気が流入するようになっている。図３に示されたように、前記流路１００の出口端１００ｂから流出した空気の一部が案内スクロールハウジング３６、３７により形成されたホールを介して前記間隙に流入し、これにより案内スクロール３４、３５が冷却される。
【００２２】
結局、上記のようなガスタービンのスクロールにおいては、圧縮器の出口１０ｃから流出した全ての圧縮空気が前記流路１００に流入し、これによりスクロール本体３１が冷却され、前記流路の出口１００ｂから流出した圧縮空気は、大半が燃焼器側Ｘに入り、その一部がスクロール３０の周囲を再度流動しながら案内スクロール３４、３５を冷却することになる。
【００２３】
本発明を、図面に示す一実施例に基づいて説明したが、これは単なる例示的なものに過ぎず、当業者は、本発明の範囲内で実施形態を様々に改変することが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のガスタービンのスクロールにおいては、スクロールを冷却させるための空気流量が著しく増大することから、スクロールの温度上昇が防止されて冷却効率が向上するとともに、スクロールの耐久性が向上する。さらに、燃焼器に流入する全ての圧縮空気がスクロールの冷却過程で使用されることから、燃焼器に流入する空気の温度が上昇して、燃焼効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常のガスタービンの構成を示す図であり、圧縮空気の流れを示す。
【図２】図１のガスタービンのスクロールの断面図である。
【図３】本発明によるガスタービンのスクロールの断面図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ 圧縮器
１０ｃ 圧縮器出口
１２ ライナー
１３ 燃焼器
１４ ノズル
１６ タービン
２０ スクロール
２１ スクロール本体
２２、２３、２４ スクロールハウジング
２５、２６ 案内スクロール
２７ ノズル
２８ スクロール内部空間
３０ スクロール
３１ スクロール本体
３１ａ （スクロール本体の）流路が取り囲んでいない部分
３２ スクロールハウジング
３２ａ （スクロールハウジングの）圧縮器側端
３２ｂ （スクロールハウジングの）燃焼器側端
３３ 案内部材
３４、３５ 案内スクロール
３６、３７ 案内スクロールハウジング
３８ スクロール内部空間
３９ ノズル
４０ 補助ハウジング
１００ 流路
１００ａ 流路入口端
１００ｂ 流路出口端
Ａ 外部空気
Ｘ 燃焼器側
Claims (4)
- 圧縮空気を発生する圧縮器、及び前記圧縮空気を供給されて高温の燃焼ガスを発生する燃焼器を具備するガスタービンに使用するスクロールであって、
前記燃焼器から供給された高温の燃焼ガスが流動する所定の空間を形成するスクロール本体と、前記スクロール本体に対し所定間隔離隔さ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を備え、
前記スクロール本体と前記スクロールハウジングとの間に、前記圧縮空気が流動する流路が形成され、前記流路の入口端は前記圧縮器の出口と連通し、前記流路の出口端は前記燃焼器側に向けて開放され、
前記スクロールハウジングが、前記流路の断面積が一定になるような、前記スクロール本体に対応する形状を有し、
前記流路の断面積が、前記圧縮器の出口の断面積と同一であることを特徴とするスクロール。 - 前記流路の入口端が、前記圧縮器と前記スクロール本体とを連結する連結部材と、前記スクロールハウジングとにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のスクロール。
- 前記流路の出口端が、前記スクロールハウジングが前記スクロール本体の一部を取り囲むように設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のスクロール。
- 前記スクロール本体の前記スクロールハウジングが取り囲んでいない部分に、冷却のための補助ハウジングが設けられることを特徴とする請求項３に記載のスクロール。
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