JP4698847B2 - ガスタービン分割環 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンの分割環に関し、詳細には、ガスタービンの運転時（高温時）における動翼先端との間の間隔（チップクリアランス）を適正に確保する分割環に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、ガスタービンのガス通路部分で前段の部分を示す一般的な断面図である。図において、燃焼器３０の取付フランジ３１には、１段静翼（１ｃ）３２の両端を固定してなる外側シュラウド３３および内側シュラウド３４が固定されており、１段静翼３２は、タービンの軸回りの周方向に複数枚が配置されて、静止側の車室に固定されている。
【０００３】
１段静翼３２の下流側には、１段動翼（１ｓ）３５が周方向に複数枚配置されており、この１段動翼３５は、プラットフォーム３６に固定され、プラットフォーム３６は、ロータディスクの周囲に取り付けられており、１段動翼３５はロータと共に回転する。また、１段動翼３５先端が近接する周囲には、複数の分割数からなる円環状の分割環４２が取り付けられ、車室側に固定されている。
【０００４】
１段動翼３５の下流側には、両端が外側シュラウド３８、内側シュラウド３９に固定された２段静翼（２ｃ）３７が、１段静翼３２と同様に、周方向に複数枚が静止側に取り付けられている。また、２段静翼３７の下流側にはさらに、２段動翼（２ｓ）４０がプラットフォーム４１を介してロータディスクに取り付けられ、２段動翼４０の先端が近接する周囲には、同様に複数の分割数をもった円環状の分割環４３が取付けられている。
【０００５】
このような翼の配列を有するガスタービンは例えば４段で構成され、燃焼器３０で燃焼して得られた高温ガス５０は、１段静翼３２から流入し、２段〜４段の各翼間を流れる過程において膨張して、それぞれ各動翼３５，４０等を回転させてロータに回転動力を与えつつ、外部に排出される。
【０００６】
図１１は、１段動翼３５の先端が近接する詳細な分割環４２の断面図である。図において、インピンジメント板６０には、多数の冷却孔６１が貫通して設けられ、このインピンジメント板６０は遮熱環６５に取り付けられている。
【０００７】
分割環４２も、高温ガス５０である主流ガス８０の上下流両側に形成された車室取付用フランジによって遮熱環６５に取り付けられるとともに、内部には、冷却空気が流通する多数の冷却通路６４が、主流ガス８０の流れ方向に穿設され、この冷却通路６４の一方の開口６３は、分割環４２の上流側の外側周面に開口し、他方の開口は、下流側の端面に開口している。
【０００８】
上記構成において、圧縮機から抽気するか、もしくは外部の冷却空気供給源から供給された冷却空気７０は、インピンジメント板６０の冷却孔６１からキャビティ６２内に流入し、キャビティ６２内に流入した冷却空気７０は分割環４２に衝突して分割環４２を強制冷却し、さらに冷却空気７０はキャビティ６２内の開口６３から冷却通路６４内に流入し、分割環４２をさらに内部から冷却し、下流側の開口から主流ガス８０中に放出される。
【０００９】
図１２は、上記分割環４２の斜視図である。図示のように、分割環４２は、タービンの軸回りの周方向に複数個に分割された分割構造部からなり、この分割構造部を複数個、周方向に連接することによって、全体として円環状の分割環４２が形成される。分割環４２の外側（図示において上側）には、インピンジメント板６０が設けれ、このインピンジメント板６０と分割環４２の凹部とによって、キャビティ６２が形成される。
【００１０】
インピンジメント板６０には多数の冷却孔６１が形成されており、冷却空気７０は、冷却孔６１からキャビティ６２内に流入し、分割環４２の外側周面に衝突し、分割環４２を外側周面から冷却し、冷却空気７０は開口６３から冷却通路６４内に流入し、冷却通路６４内を流れて端面から主流ガス８０中へ放出され、この冷却通路６４内流通過程において、分割環４２を内部から冷却している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ガスタービンの分割環は冷却空気によって冷却されているが、ガスタービンの運転時には、分割環の表面は非常に高温の主流ガス８０に晒されるため、周方向および軸方向ともに熱膨張する。
【００１２】
ガスタービンの動翼の先端と分割環の内周面との間隔は、運転時である高温時には、遠心力および熱膨張の影響によって、非運転時である低温時に比べて小さくなるが、通常は、この間隔の変化量を考慮したうえで、チップクリアランスの設計値、管理値が決定される。しかし、実際には、分割環の内周側と外周側との温度差によって、分割環の内周面が、円筒面の一部をなす形状ではない形状に変形してしまう場合が多く、回転する動翼と静止している分割環とが干渉して、両者が損傷するおそれがある。
【００１３】
そこで、本出願人は、この高温時の熱変形を抑えるために、分割環を構成する分割構造部の、２つの車室取付用フランジの間の外側周面に、周方向に延びる周方向リブと、円環状の軸に平行な方向に延びる軸方向リブとを複数列形成して、全体としてワッフル格子状のリブを設けた分割環を提案している（特願２０００−６２４９２号）。この発明によれば、ワッフル格子状のリブが、熱変形を抑制し、適正なチップクリアランスを確保することが可能となる。
【００１４】
しかし、上述した本出願人による提案、すなわちワッフル格子状のリブの形成によっても、分割環の熱変形を必ずしも十分に抑制することはできていない。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ガスタービンの運転時（高温時）における動翼先端との間のチップクリアランスを確保することを可能にした分割環を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、請求項１に記載のガスタービンの分割環は、動翼先端と所定の間隔を保って車室内周面に配設され、高温ガスの上下流両側には、それぞれ周方向に伸びる車室取付用フランジを有してなる分割構造部からなり、前記分割構造部が周方向に複数連接された、全体として円環状の、ガスタービンの分割環において、前記分割構造部の、前記２つの車室取付用フランジの間の外側周面には、前記周方向に延びる周方向リブと、前記円環状の軸に平行な方向に延び、かつ前記周方向リブよりも丈の高い軸方向リブとがそれぞれ複数列形成されていることを特徴とする。すなわちこのガスタービンの分割環は、その外側周面に形成されたワッフル格子状のリブのうち、軸方向リブを、周方向リブよりも高く形成したものである。
【００１７】
このように周方向リブよりも軸方向リブの丈を高くするのは、本願発明者らが、周方向の熱変形よりも軸方向の熱変形の方が、チップクリアランスの減少に大きく寄与していることを、シミュレーションにより見いだしたことに基づいている。また、インピンジメント板の冷却孔を通して供給された冷却空気が、分割環外側周面上に形成された冷却通路入口に流れるのを阻害しないようにする点からも、周方向リブの高さを抑制している。
【００１８】
すなわち、分割環は、前述したように、周方向に複数個の分割構造部を連接して形成されているが、その連接部分には、高温時の熱膨張を予め見込んだ間隙が形成されているため、その間隙部分において熱変形をある程度吸収することができるのに対して、軸方向は、２つの車室取付用フランジが車室に隙なく取り付けられているため、熱変形を吸収することができず、２つの車室取付用フランジ間の周壁部分が動翼側に突出してチップクリアランスを小さくしている。
【００１９】
そこで、この発明に係るガスタービンの分割環によれば、その外側周面に形成されたワッフル格子状のリブのうち、軸方向リブを、周方向リブよりも高く形成することによって、軸方向の断面係数を従来よりも大きくし、周方向の熱変形量よりもチップクリアランスの変動に対して大きく寄与する軸方向についての熱変形量を従来よりも小さくして、温度差によるチップクリアランスの変動を従来よりも抑制することができる。
【００２０】
また請求項２に記載のガスタービンの分割環は、請求項１に記載のガスタービンの分割環において、ガスタービンの運転時における熱変形状態において、前記分割構造部の内側周面と前記動翼先端とが所望の間隔となるような前記熱変形前の形状で形成されたことを特徴とする。すなわち、熱変形後の状態でチップクリアランスが所定のものとなるように、予め熱変形を見込んだ形状で、分割環を形成するものである。
【００２１】
このガスタービンの分割環によれば、軸方向リブを、周方向リブよりも高く形成することによって、軸方向についての熱変形量を従来よりも小さくしつつも、なお生じる熱変形を予め見込んで、熱変形前の分割環の形状を形成することによって、熱変形後のチップクリアランスをさらに適切なものとすることができる。
【００２５】
また請求項３に記載のガスタービンの分割環は、請求項２に記載のガスタービンの分割環において、熱変形前の形状は、前記内側周面と前記動翼との間の間隔が、前記内側周面の略中央部から前記上下流両側に離れるにしたがって小さくなる形状であることを特徴とする。
【００２６】
すなわち、このガスタービンの分割環は、熱変形の見込みを具体的にしたものであり、熱変形後においては、分割環の内側周面の軸方向における略中央部が最も、動翼の先端側に突出するため、熱変形前には、この略中央部におけるチップクリアランスが最も大きくなるように形成し、この略中央部から両車室取付用フランジ側に離れるのにしたがって、チップクリアランスが小さくなるように形成したものである。
【００２７】
このように形成されたガスタービンの分割環によれば、最も熱変形量が大きな分割環の内側周面の軸方向における略中央部も、熱変形後において、チップクリアランスが適切なものとなる。なお、この内側周面の形状はさらに具体的には、樽型内周面の形状や、球殻内周面の形状、断面が放物線となる形状など、種々の形状を適用することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービンの分割環の実施の形態について、図面を用いて具体的に説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１であるガスタービンの分割環１を示し、（１）は断面図、（２）は（１）におけるＡ−Ａ線矢視を示す図である。図１において、分割環１は、円環状の分割環を構成する複数の分割構造部のうち一つを示し、従来の分割構造部と同様に、遮熱環６５に取り付けられ、キャビティ６２内に開口６３を有し、主流ガス８０の下流側の端面に開口する多数の冷却通路６４が設けられている。また、インピンジメント板６０も従来と同様に、遮熱環６５に取り付けられている。分割環１の上下流両端には、周方向に延びる車室取付用フランジ４，５が設けられている。
【００３０】
分割環１の外側周面１ｂには、ワッフル格子状リブ１０が形成されており、このワッフル格子状リブ１０は、周方向に延びる周方向リブ１０ｂと、軸方向に延びる軸方向リブ１０ａとからなる。ここで周方向リブ１０ｂの丈は、３ｍｍであるのに対して、軸方向リブ１０ａの丈は周方向リブ１０ｂよりも高い１２ｍｍに形成されている。
【００３１】
図２は、単一の分割環１の斜視図であり、この分割環１を、動翼３５の先端に近接して適切なチップクリアランスＣを保つように、図示周方向に複数個連接することによって、全体として円環状の分割環１が構成される。連接する数は、円環状の一周分を配列するために、分割環の大きさと配置円周長に応じて決定される（例えば４０個程度）。
【００３２】
上記構成の分割環１において、図１に示すように圧縮機から、あるいは他の供給源から抽気された冷却空気７０は、インピンジメント板６０に形成された多数の冷却孔６１からキャビティ６２内へ流入し、分割環１の外側周面１ｂに衝突し、分割環１をインピンジ冷却すると共に、開口６３から冷却通路６４へ流入し、冷却通路６４を、分割環１内を冷却しながら流れ、下流側端面の開口から主流ガス８０中に放出される。
【００３３】
このように分割環１は、冷却空気７０によって冷却されているものの、従来の分割環１では、高温の燃焼ガスである主流ガス８０に直接晒される内側周面１ａと、主流ガス８０に接しない外側周面１ｂとの温度差によって、熱変形し、動翼３５の先端とのチップクリアランスＣは、図３の破線で示すようにその間隔が小さくなって、所望とするチップクリアランスＣを確保することができなくなり、回転する動翼３５と静止している分割環１の内側周面１ａとが干渉して両者が損傷するおそれがある。
【００３４】
しかし、本実施の形態１である分割環１によれば、外側周面１ｂに形成されたワッフル格子状リブ１０により、周方向および軸方向の熱変形が抑制されるため、上記チップクリアランスＣの減少が抑制される。しかも、チップクリアランスＣの減少に対する寄与度は、軸方向の変形の方が周方向の変形よりも大きいが、この実施の形態１である分割環１は、ワッフル格子状リブ１０のうち、軸方向リブ１０ａの方が、周方向リブ１０ｂよりも、その丈が高く形成され、熱変形を一層抑制することができる。
【００３５】
図４〜７に、高温下における分割環の熱変形状態を、シミュレーションにより求めた比較結果を示す。ここで、各図の（１）は、図２の周方向Ａ，Ｂ，Ｃの各位置における軸方向に沿った、半径方向変位を示す図であり、（２）は、図２の軸方向ＬＥ（Leading Edge：上流側端），ＭＩＤ（中間），ＴＥ（Trailing Edge：下流側端）の各位置における周方向に沿った、半径方向の変位を示す図である。また、図４は、ワッフル格子状リブのない従来の分割環の結果、図５は、軸方向リブおよび周方向リブともに高さ（丈）３ｍｍ（軸方向リブは幅２ｍｍ、ピッチ２０ｍｍ）のワッフル格子状リブを有する分割環の結果、図６および図７は、周方向リブは高さ３ｍｍ、軸方向リブは高さ１２ｍｍ（軸方向リブは幅２ｍｍ、ピッチ２０ｍｍ）のワッフル格子状リブを有する本実施の形態１の分割環の結果をそれぞれ表し、図４〜６は最高メタル温度８８８℃、図７は最高メタル温度１０２０℃のときの結果を表す。
【００３６】
これらの図から解されるように、同一メタル温度においては、図６に示した本実施の形態１の分割環１は、ワッフル格子状リブ無しの分割環や、軸方向および周方向の各リブの高さがともに３ｍｍのワッフル格子状リブを有する分割環に比べて、軸方向および周方向ともに変位量は減少しており、さらに、ＬＥ，ＭＩＤ，ＴＥの各位置における周方向に沿った変位量の分布幅、およびＡ，Ｂ，Ｃの各位置における軸方向に沿った変位量の分布幅も、減少していることが確認された。
【００３７】
また、最高メタル温度が１０２０℃における本実施の形態１の分割環１（図７）においても、最高メタル温度が８８８℃における従来の分割環（図４）や、軸方向および周方向とも同一高さのワッフル格子状リブを有する分割環（図５）よりも変位量が少ないことが確認された。
【００３８】
このように本実施の形態１の、ガスタービンの分割環１によれば、チップクリアランスＣの変動に対して大きく寄与する軸方向についての熱変形量を優先的に従来よりも小さくして、温度差によるチップクリアランスＣの変動を効果的に抑制することができる。
【００３９】
（実施の形態２）
図８は、本発明のガスタービンの分割環の実施の形態２であるガスタービンの分割環１を示す。この分割環１は、従来のワッフル格子状リブを有しない分割環において、動翼３５の先端に対向する内側周面１ａが、常温時（ガスタービンの非運転時の低温時）に、動翼３５に対して凹状に形成されたものである。
【００４０】
この凹状の形状は、詳しくは図９に示すように、ガスタービン運転時（高温時）の熱変形後（図９において二点鎖線で示す）に、動翼３５の先端と内側周面１ａの軸方向略中央部とのチップクリアランスＣが所望の値となるように、熱変形を予め見込んだ常温時における形状（図９において太実線で示す）であり、常温時における、動翼３５との間の間隔が、内側周面１ａの略中央部から上下流両側に離れるにしたがって小さくなる形状である。
【００４１】
図３において説明したように、従来の分割環は、ガスタービンの運転によって、高温時に、動翼３５の先端側に突出するように熱変形を生じ、その内側周面１ａの軸方向略中央部におけるチップクリアランスＣが不足するが、本実施の形態２の分割環１によれば、熱変形後において、チップクリアランスＣが所望とする最適値になり、従来のように不足することがない。
【００４２】
なお、上記実施の形態２の分割環１は、その全体を凹状に形成したものであるが、熱変形後において、少なくとも内側周面１ａと動翼３５の先端との間のチップクリアランスＣが所望とする値になるものであればよいため、分割環１全体を凹状に反らせた形状にするのに代えて、内側周面１ａのみを凹状に形成してもよい。また、内側周面１ａの、タービンの回転軸を含む面による断面の輪郭線形状は、放物線や円の一部等種々の形状を適用することができる。
【００４３】
また、上述したワッフル格子状リブ１０を有する実施の形態１である分割環１についても、この実施の形態２をさらに適用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかるガスタービンの分割環（請求項１）によれば、その外側周面に形成されたワッフル格子状のリブのうち、軸方向リブを、周方向リブよりも高く形成することによって、軸方向の断面係数を大きくし、周方向の熱変形量よりもチップクリアランスの変動に対して大きく寄与する軸方向についての熱変形量を優先的に小さくして、温度差によるチップクリアランスの変動を効果的に抑制することができる。
【００４５】
また本発明にかかるガスタービンの分割環（請求項２）によれば、軸方向リブを、周方向リブよりも高く形成することによって、軸方向についての熱変形量を従来よりも小さくしつつも、なお生じる熱変形を予め見込んで、熱変形前の分割環の形状を形成することによって、熱変形後のチップクリアランスをさらに適切なものとすることができる。
【００４７】
また本発明にかかるガスタービンの分割環（請求項３）によれば、最も熱変形量が大きな、分割環の内側周面の軸方向における略中央部も、熱変形後において、チップクリアランスを適切なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１であるガスタービンの分割環を示す図である。
【図２】図１に示した分割環の斜視図である。
【図３】分割環の熱変形を示す図である。
【図４】分割環の軸方向および周方向の熱変形のシミュレーション結果を示す図（その１）である。
【図５】分割環の軸方向および周方向の熱変形のシミュレーション結果を示す図（その２）である。
【図６】分割環の軸方向および周方向の熱変形のシミュレーション結果を示す図（その３）である。
【図７】分割環の軸方向および周方向の熱変形のシミュレーション結果を示す図（その４）である。
【図８】本発明の実施の形態２であるガスタービンの分割環を示す斜視図である。
【図９】図８に示した分割環の内側周面の形状を示す図である。
【図１０】ガスタービンのガス通路部分を示す一般的な断面図である。
【図１１】１段動翼の先端が近接する、従来の分割環の断面図である。
【図１２】従来の分割環の斜視図である。
【符号の説明】
１ 分割環
１ａ 内側周面
１ｂ 外側周面
１０ ワッフル格子状リブ
１０ａ 軸方向リブ
１０ｂ 周方向リブ

Claims (3)

1. 動翼先端と所定の間隔を保って車室内周面に配設され、高温ガスの上下流両側には、それぞれ周方向に伸びる車室取付用フランジを有してなる分割構造部からなり、前記分割構造部が周方向に複数連接された、全体として円環状の、ガスタービンの分割環において、前記分割構造部の、前記２つの車室取付用フランジの間の外側周面には、前記周方向に延びる周方向リブと、前記円環状の軸に平行な方向に延び、かつ前記周方向リブよりも丈の高い軸方向リブとがそれぞれ複数列形成されていることを特徴とするガスタービンの分割環。
2. 前記ガスタービンの運転時における熱変形状態において、前記分割構造部の内側周面と前記動翼先端とが所望の間隔となるような前記熱変形前の形状で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの分割環。
3. 前記熱変形前の形状は、前記内側周面と前記動翼との間の間隔が、前記内側周面の略中央部から前記上下流両側に離れるにしたがって小さくなる形状であることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンの分割環。

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