JP5222057B2 - ガスタービン高温部の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は静翼、分割環、外側シュラウド、内側シュラウドなどのガスタービン高温部の冷却装置に関するものであり、特にガスタービンの高温部材の冷却面側に複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置に関するものである。

図１０は発電プラントなどで用いられる一般的なガスタービンの概略構成を示す概略断面図である。ガスタービン１は圧縮機２、燃焼器３、タービン４の３要素から構成されており、タービン４と同軸に設けられた圧縮機２で圧縮された空気を燃焼器３に供給し、該燃焼器３に燃料を供給して加熱し、該燃焼器３で発生した高温高圧のガスをタービン４の静翼５を経て動翼６に案内し、動翼６を回転駆動させて仕事をさせるように構成されている。

このように構成されたガスタービン１の熱効率を向上させるためには、タービン４入口温度を高くすることが好ましく、そのためにタービン入口温度を上昇させ高温化が図られてきており、実際にタービン入口温度が１５００℃程度の運転が行われている。
しかし、現在ガスタービンの高温部品として使用されている耐熱性超合金材料の限界温度は、約１０００℃と高温であるものの、１５００℃というタービン入口温度は前記限界温度を大きく越えている。したがってガスタービンの高温部品を前記限界温度以下まで冷却する必要がある。

前記ガスタービンの高温部品の冷却手法の１つとしてインピンジメント冷却が用いられている。タービン翼を一例に挙げれば、インピンジメント冷却は、中空構造の翼本体内に空気噴出孔を設けたインサートコアを収納し、前記空気噴出孔から前記インサートコア中に供給した冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を翼本体の内面に衝突させる冷却方式である。このように高速で固定壁に衝突する流体は高い熱伝達率を有し、冷却効率が高いことが知られており、インピンジメント冷却は、静翼、燃焼器壁などガスタービンの高温部材の冷却に多用されている。

しかしながらインピンジメント冷却においては、前記インサートコアと翼本体の内面との間に形成される隙間を冷却空気が流れるクロスフローが発生し、該クロスフローによって冷却効果が低減してしまうという問題がある。

そこで、クロスフロー対策として、例えば特許文献１には中空構造の冷却翼本体にインサートコアを収納し、このインサートコアにインピンジメント冷却孔を穿設し、この冷却孔から冷却空気を供給して上記冷却翼本体の内面をインピンジメント冷却するタービン冷却翼において、上記インサートコアに上記冷却翼本体側に突出する突起を形成するとともに、この突起に上記インピンジメント冷却孔を穿設したことを特徴とするタービン冷却翼が開示されており、特許文献２には冷却空気が内部の中空部に供給される多孔板のインサートと被冷却物内面との間の隙間を冷却流れ下流側に向かうにしたがって大きくなるように形成したインピンジメント冷却装置が開示されている。

さらに、翼の冷却手法の１つとしてフィルム冷却も用いられる。フィルム冷却は翼本体に設けたスリットや孔から冷却空気を吹き出し、翼面を覆うような冷却膜を形成して、高温ガスから翼面への熱負荷を低減する技術である。
また、前記インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせて用いることでさらに高い冷却効率を得ることができる。

このようなインピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた技術として、前述の特許文献１には、中空構造の冷却翼本体にインサートコアを収納し、このインサートコアにインピンジメント冷却孔を穿設し、この冷却孔から冷却空気を供給して上記冷却翼本体の内面をインピンジメント冷却するタービン冷却翼において、上記冷却翼本体と上記インサートコアとで形成される空間を複数の隔室に分割するとともに、それぞれの隔室から冷却空気を噴出するフィルム冷却孔を上記冷却翼本体の径方向に複数穿設したタービン冷却翼が開示されている。

特開平７−１４５７０２号公報 特開平９−５３４０６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術はクロスフローの向きを変えることによって、また特許文献２に開示された技術はインサートコアと翼内面との距離を調整することによって、クロスフローによる冷却効率の低下を減少する効果はあるものの、クロスフローそのものを減少させてはおらず根本的な問題の解決にはなっていない。そのため、インサートコアからの冷却空気の噴出量を変更するなど運転条件の変更で冷却効率が低下してしまい、充分に翼を冷却出来ない可能性がある。

また、特許文献１に開示されたインピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた技術においては、フィルム冷却のために翼本体にスリット又は孔を設ける必要があるため、製鉄の際に大量に発生するガスであるＢＦＧ（Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｇａｓ）を燃料として用いる場合や、石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）プラントでガスタービンを用いる場合には、フィルム孔が目詰まりする可能性がある。

即ち、インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた冷却技術を用いると冷却能力は高いもののＢＦＧやＩＧＣＣプラントなどで採用するとフィルム目詰まりを起こす可能性があり、そのためフィルム孔（スリット）を設けずにインピンジメント冷却を行うとクロスフローの影響により冷却不充分となる可能性がある。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、フィルム冷却を用いずインピンジメント冷却を用いることでＢＦＧやＩＧＣＣプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低下を抑制してガスタービン入口温度が高温であっても翼などの高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
ガスタービンの高温部材の冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置において、
前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、
前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた複数の前記ノズル管が互いに間隙を空けて並ぶように前記ノズル管を前記冷却面に沿って延在させるとともに、
前記ノズル管より前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に向けて噴出した噴流が、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突後、隣接する前記ノズル管の間の前記間隙を介して、前記ノズル管を挟んで前記冷却面とは反対側のスペースへ流れるように構成したことを特徴とする。

ここで、ガスタービンの高温部材の冷却面側とは、ガスタービンの高温部材のうち、燃焼ガス側に接している表面を燃焼ガス側とすれば、該燃焼ガス側表面の裏面であって、冷却空気に接する低温側の表面を意味する。
前記ガスタービンの高温部材としては、タービン翼、分割環、外側シュラウド、内側シュラウドなどが挙げられる。
これにより、ノズル管から噴出されガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突した空気は、前記間隙からガスタービンの高温部材の冷却面の反対側へ流れるため、インピンジメント板（ノズル管）とガスタービンの高温部材の冷却面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくい。
そのためインピンジメント冷却であっても充分にガスタービンの高温部材の冷却面の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

また、中空構造の高温部材に空気噴出孔を設けたインサートコアを収納し、前記空気噴出孔から前記インサートコア中に供給した冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記高温部材の内面に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置であって、前記インサートコアを複数のノズル管で形成し、前記中空構造の高温部材に、空気噴出孔を設けたノズル管を所定方向に間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記高温部材内面に向けて噴出した噴流が、前記高温部材内面に衝突後、前記間隙から高温部材内面の反対側へ流れるように構成したことを特徴とする。

これにより、ノズル管から噴出され翼内面（冷却面側）に衝突した空気は、前記間隙から高温部材内面の反対方向へ流れるため、インサートコア（ノズル管）と高温部材内面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくい。
そのためインピンジメント冷却であっても充分に高温部材の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

また、前記間隙を介して高温部材内面の反対側への流れた空気が、前記高温部材後端側へ導かれて排出される流路が高温部材内部に形成されたことを特徴とする。
これにより、クロスフローとならずに高温部材内面の反対側へ流れた空気をスムースに高温部材外へ排出することができる。したがって、前記高温部材内面の反対側へ流れた空気が、再びノズル管と高温部材内面との間に形成される隙間に戻ってクロスフローとなるなどの高温部材の冷却の障害となることはない。

また、前記ノズル管は、前記タービンの径方向に延在して間隙配置されるとともに、前記高温部材の内面と対面する位置に前記空気噴出孔が設けられていることを特徴とする。
これにより、前記ノズル管の高温部材への取り付けが容易になることに加えて、ノズル管から噴出される噴流が高温部材の内面に垂直に衝突するため、衝突後に前記間隙から高温部材内面の反対側へ流れやすくなる。

また、内部を空気の流通が可能なインサート管を、前記高温部材に前記タービンの径方向に延在して収納し、該インサート管と空気の通流が可能であり、空気噴出孔を設けた複数のノズル管を、前記インサート管に前記タービンの径方向に間隙配置して取り付けたことを特徴とする。
これにより、ノズル管長を短くすることができるため、ノズル管中での冷却空気の圧力損失が小さくなる。そのため、ノズル管中での冷却空気の圧力損失に起因する空気噴出孔からの冷却空気の噴出流量や噴出速度の減少を防止することができる。さらに、インサート管にのみ外部から冷却空気を供給すればよいため、冷却空気供給のための配管等の系統を簡略化することができる。

また、前記ノズル管を、前記インサート管よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置するとともに、前記ノズル管を高温部材前端部の内面形状に沿って配置することを特徴とする。
高温部材のうちで、タービン内の約１５００℃の高温の流体の熱影響を受けやすい箇所は、タービン内の流体流れ方向上流側（前端部）である。前記ノズル管を、前記インサート管よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置し、ノズル管を高温部材前端の内面形状に沿って配置することで、タービン内の高温の流体の熱影響を受けやすいタービン内の流体流れ方向上流側を確実に冷却することができる。

また、前記ノズル管間の間隙と対向する前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、該ガスタービンの高温部材の冷却面側と直角方向に向け、前記ノズル管とガスタービンの高温部材の冷却面間の距離よりも短いリブを取り付けたことを特徴とする。
リブを設けることにより、ノズル管から噴出される噴流がリブに誘導されて、衝突後に前記間隙からガスタービンの高温部材内面の反対側へ流れやすくなる。

以上記載のごとく本発明によれば、フィルム冷却を用いずインピンジメント冷却を用いることでＢＦＧやＩＧＣＣプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低下を抑制してガスタービン入口温度が高温であっても高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置及び方法を提供することができる。
さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

まず図３及び図４を用いて本発明のガスタービン高温部の冷却装置の機構について説明し、その後適用例について説明する。

図３は、ガスタービンの高温部材１０５及びノズル管１０９の周辺の一部斜視図である。図３におけるガスタービンの高温部材１０５の下面側を高温ガスが流通する燃焼ガス側とし、上面側を冷却面１０５a側であるとする。ガスタービンの高温部材１０５の冷却面１０５ａ側には、該ガスタービンの高温部材１０５と一定間隔を介した位置に、ノズル管１０９が所定方向に間隙１１２を介して複数（図３では２本のみ図示）設けられている。
また、前記ノズル管１０９にはガスタービンの高温部材１０５の冷却面１０５ａと対向する位置に空気噴出孔１０９ａが設けられており、さらに前記間隙１１２と対向するガスタービンの高温部１０５の冷却面１０５ａにはリブ１１５が取り付けられている。

ガスタービンの高温部材１０５の冷却時には、まず外部よりそれぞれのノズル管１０９内に圧縮空気である冷却空気を導入する。該ノズル管１０９内に導入された冷却空気は、ノズル管１０９内を流れ、ノズル管１０９に設けた空気噴出孔１０９ａより、高温部材１０５の冷却面１０５ａに向かって噴出され、冷却面１０５ａに衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管１０９の間に形成された間隙１１２方向へ流れ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管１０９から噴出された後、図３に示したｆの流れで流れる。なお、リブ１１５は冷却面１０５ａに衝突した冷却空気が前記間隙１１２方向へ流れることを促進するために設けられており、リブ１１５を設けることでより多くの空気が前記ｆの流れで流れるようになる。

このようにして高温部材１０５を冷却することによって、ノズル管１０９から噴出され冷却面１０５ａに衝突した空気は、前記間隙１１２から冷却面１０５ａの反対側へｆの流れで流れるため、ノズル管１０９と冷却面１０５ａとの間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に高温部材１０５の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

また、前記ノズル管１０９は図３においては断面円形状としたが、図４（Ａ）に示したような断面半円状、図４（Ｂ）に示したような冷却面１０５ａと対向する側にテーパ部１０９ｂを設けた断面角型形状など、前記流れｆが形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

以上のようなガスタービン高温部の冷却装置は、例えば静翼、分割環、外側シュラウド、内側シュラウドなどの冷却に適用することができる。
以下、図面を参照して図３、４を用いて説明したガスタービン高温部の冷却装置を適用した本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

実施例１においてはガスタービンの静翼について、本発明の技術を適用した例について説明する。ガスタービンの全体構成は図１０で説明した従来のガスタービンと同じであるので説明を省略し、図１０と同一符号は同一物を表す。
図１は、実施例１におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。

まず図１及び図２を用いて静翼５の構成について説明する。
図１における上側がタービン１の外周側、下側がタービン１の内周側に相当し、５は静翼、７は外側シュラウド、８は内側シュラウドである。図１及び図２に示すように、前記静翼５は中空構造に形成されており、該中空部には複数のノズル管９（図１では２本のみ図示）が収納されている。前記複数のノズル管９は前記外側シュラウド７及び内側シュラウド８を貫通しており、外側シュラウド７のタービン外周側で外側シュラウド７に溶接などによって固定されるとともに、内側シュラウド８のタービン内周側で内側シュラウド８に溶接などによって固定されている。これにより前記ノズル管９は静翼５の内周面と接触することなく静翼５の中空部内に固定される。

また、前記ノズル管９には静翼５の内面と対向する位置に空気噴出孔９ａが設けられている。さらに、前記ノズル管９の間にはそれぞれ間隙１２が形成されており、静翼５内には後述する翼内面へ衝突後の空気を翼後端部に設けた排出口１４へ導く流路１３が形成されている。前記間隙１２と対向する静翼５の内周面にはそれぞれリブ１５が取り付けられている。
また１０、１１は静翼５内の中空部に設けた突起部であり、静翼５の翼形状を保持するための補強材となるとともに、後述する流路１３内を流れる空気の流れ方向を調整するガイドの役割も果たす。

このような静翼５を有するガスタービン１を駆動させる際における静翼５の冷却について図１、図２及び図３を用いて説明する。なお、図３は、前述の通りガスタービンの高温部材１０５及びノズル管１０９の周辺の一部斜視図であり、図３におけるノズル管１０９、空気噴出孔１０９ａ、間隙１１２、リブ１１５をそれぞれノズル管９、空気噴出孔９ａ、間隙１２、リブ１５と読み替え、さらに図３におけるガスタービンの高温部材１０５を静翼５と読み替えると、図３は図１、２に示した静翼５及びノズル管９の周辺の一部斜視図と同等であるため、図３の符号をそれぞれ上記のように読み替え図３を静翼５及びノズル管９の周辺の一部斜視図とみなして説明する。
静翼５の冷却時には、まず図１に示したようにそれぞれのノズル管９内に圧縮空気である冷却空気を導入する。該ノズル管９内に導入された冷却空気は、ノズル管９内を流れ、ノズル管９に設けた空気噴出孔９ａより、静翼５の内面（冷却面）に向かって噴出し、静翼５の内面に衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管９の間に設けられた間隙１２方向へ流れ、それぞれの間隙１２から流れてきた空気と合流しながら前記流路１３内を流れ排出口１４から静翼５の外部へ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管９から噴出された後、図２及び図３に示したｆの流れで流れる。なお、リブ１５は静翼５の内面に衝突した空気が前記間隙１２方向へ流れることを促進するために設けられており、リブ１５を設けることでより多くの空気が前記ｆの流れで流れるようになる。

このようにして、静翼５を冷却することによって、ノズル管９から噴出され静翼５の内面に衝突した空気は、前記間隙１２から翼内面の反対側へｆの流れで流れるため、ノズル管９と翼内面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に静翼５の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。
また前記流路１３を形成することにより、クロスフローとならずに翼内面の反対側へｆの流れで流れた空気をスムースに静翼５の外へ排出することができる。

また、図１、図２及び図３においては断面円形状のノズル管９を用いたが、図４（Ａ）に示したような断面半円状、図４（Ｂ）に示したような静翼５の内面と対向する側にテーパ部９ｂを設けた断面角型形状など、前記流れｆが形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

実施例２においてはガスタービンの静翼について、本発明の技術を適用した別の例について説明する。ガスタービンの全体構成は図１０で説明した従来のガスタービンと同じであるので説明を省略し、図１０と同一符号は同一物を表す。
図５は、実施例２におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図であり、図６は図５におけるＢ−Ｂ断面図である。図７は後述するインサート管１９とノズル管２０の部分斜視図であり、図８は図６におけるＣ−Ｃ断面図である。

まず図５、図６、図７及び図８を用いて静翼５の構成について説明する。
図５における上側がタービン１の外周側、下側がタービン１の内周側に相当し、５は静翼、７は外側シュラウド、８は内側シュラウドである。図５及び図６に示すように、前記静翼５は中空構造に形成されており、該中空部には２つのインサート管１９が収納されており、該インサート管１９には該インサート管と空気の通流が可能で複数の空気噴出孔２０ａが設けられた複数のノズル管２０が前記タービンの径方向に間隙配置して取り付けられている。また前記ノズル管２０は、前記インサート管１９よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置されるとともに、前記ノズル管２０を翼前端部の内面形状に沿った形状としている。
また、前記インサート管１９は前記外側シュラウド７及び内側シュラウド８を貫通しており、外側シュラウド７のタービン外周側で外側シュラウド７に溶接などによって固定されるとともに、内側シュラウド８のタービン内周側で内側シュラウド８に溶接などによって固定されている。これにより前記インサート管１９及びノズル管２０は静翼５の内周面と接触することなく静翼５の中空部内に固定される。

また、前記ノズル管２０には静翼５の内面と対向する位置に空気噴出孔２０ａが設けられている。さらに、前記ノズル管２０の間にはそれぞれ間隙３２が形成されており、該間隙３２と対向する静翼５の内周面にはそれぞれリブ２１が取り付けられている。また、静翼５内には後述する翼内面へ衝突後の空気を翼後端部に設けた排出口へ導く流路２３が形成されている。

このような静翼５を有するタービン１を駆動させる際における静翼５の冷却について図５、図６、図７及び図８を用いて説明する。
静翼５の冷却時には、まず図５に示したようにインサート管１９に圧縮空気である冷却空気を導入する。該インサート管１９内に導入された冷却空気は、インサート管１９内を流れながら、インサート管１９に取り付けられた複数のノズル管２０それぞれに供給される。そして、ノズル管２０に供給された空気は、ノズル管２０に設けた空気噴出孔２０ａより、静翼５の内面（冷却面）に向かって噴出され、静翼５の内面に衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管２０の間に設けられた間隙３２方向へ流れ、それぞれの間隙３２から流れてきた空気と合流しながら前記流路１３内を流れ排出口（不図示）から静翼５の外部へ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管２０から噴出された後、図８に示したｆ´の流れで流れる。なお、リブ２１は静翼５の内面に衝突した空気が前記間隙３２方向への流れることを促進するために設けられており、リブ１５を設けることでより多くの空気が前記ｆ´の流れで流れるようになる。

このようにして、静翼５を冷却することによって、ノズル管２０から噴出され静翼５の内面に衝突した空気は、前記間隙３２から翼内面の反対側へｆ´の流れで流れるため、ノズル管２０と翼内面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に静翼５の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。
また前記流路２３を形成することにより、クロスフローとならずに翼内面の反対側へｆ´の流れで流れた空気をスムースに静翼５の外へ排出することができる。

さらに、インサート管１９を設けることでノズル管２０の長さを短くすることができるため、ノズル管２０中での冷却空気の圧力損失が小さくなり、ノズル管２０中での冷却空気の圧力損失に起因する空気噴出孔２０ａからの冷却空気の噴出流量や噴出速度の減少を防止することができる。さらに、インサート管２０にのみ外部から冷却空気を供給すればよいため、冷却空気供給のための配管等の系統を簡略化することができる。

また、静翼５のうちで、タービン内の約１５００℃の高温の流体の熱影響を受けやすい箇所は、タービン内の流体流れ方向上流側（前端部）である。前記ノズル管２０を、前記インサート管１９よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置し、ノズル管を翼前端の内面形状に沿って配置することで、タービン内の高温の流体の熱影響を受けやすいタービン内の流体流れ方向上流側を確実に冷却することができる。

なお、本実施例２においても断面円形状のノズル管２０を用いたが、実施例１と同様に図４（Ａ）に示したような断面半円状、図４（Ｂ）に示したような静翼５の内面と対向する側にテーパ部を設けた断面角型形状など、前記流れｆ´が形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

実施例３においてはガスタービンの分割環について、本発明の技術を適用した例について説明する。ガスタービンの全体構成は図１０で説明した従来のガスタービンと同じであるので説明を省略し、図１０と同一符号は同一物を表す。
図９は、実施例３におけるタービン翼環部の構成を示す縦断面図である。

まず図９を用いてタービン翼環部の構成について説明する。
図９における上側がタービン１の外周側、下側がタービン１の内周側に相当する。タービン翼環４１には、周方向に複数に分割された遮熱環４２と、周方向に複数に分割された分割環４３が支持されている。分割環４３は、動翼６の先端と対向する内壁となり、分割環４３と動翼６との間には所定の間隔が設けられている。また、翼環４１と分割環４３との間には空間部４７が形成されており、翼環４１を貫通して空間部４７内に冷却空気を導入可能な冷却空気導入管４８が設けられている。また、空間部４７には分割環４３に沿って環状に形成された複数のノズル管４９（図９においては３本）が収納されている。ノズル管４９は、冷却空気導入管４８に支持されることにより、翼環４１及び分割管４３の何れとも接触することなく空間部４７内に固定される。また冷却空気導入管４８とノズル管４９とは冷却空気の流通が可能となるように構成されている。

また、前記ノズル管４９には分割環４３の外周側表面と対向する位置に空気噴出孔４９ａが設けられている。さらに、前記ノズル管４９の間にはそれぞれ間隙５２が形成されており、分割環４３内には後述する分割環４３の外周側表面へ衝突後の空気を空間部４７外へ導く流路であるマルチホール４４が形成されている。前記間隙５２と対向する分割環４３の外周側表面にはそれぞれリブ５５が取り付けられている。

このような分割環４３を有するガスタービン１を駆動させる際における分割環４３の冷却について図９及び図３を参照して説明する。なお、図３は、前述の通りガスタービンの高温部材１０５及びノズル管１０９の周辺の一部斜視図であり、図３におけるノズル管１０９、空気噴出孔１０９ａ、間隙１１２、リブ１１５をそれぞれノズル管４９、空気噴出孔４９ａ、間隙５２、リブ５５と読み替え、さらに図３におけるガスタービンの高温部材１０５を分割環４３と読み替えると、図３は図９に示した分割環４３及びノズル管４９の周辺の一部斜視図と同等であるため、図３の符号をそれぞれ上記のように読み替え図３を分割環４３及びノズル管４９の周辺の一部斜視図とみなして説明する。
分割環４３の冷却時には、まず図９に示したようにそれぞれのノズル管４９内に冷却空気導入間４８を介して圧縮空気である冷却空気を導入する。該ノズル管４９内に導入された冷却空気は、ノズル管４９内を流れ、ノズル管４９に設けた空気噴出孔４９ａより、分割環４３の外周側表面に向かって噴出され、分割環４３の外周側表面に衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管４９の間に設けられた間隙５２方向へ流れ、それぞれの間隙５２から流れてきた空気と合流しながらマルチホール４４から空間部４７の外部へ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管４９から噴出された後、図９に示したｆ´´の流れで流れる。なお、リブ５５は分割環４３の外周側表面に衝突した冷却空気が前記間隙５２方向への流れることを促進するために設けられており、リブ５５を設けることでより多くの空気が前記ｆ´´の流れで流れるようになる。

このようにして、分割環４３を冷却することによって、ノズル管４９から噴出され分割環４３の外周側表面に衝突した空気は、前記間隙５２から翼内面の反対側へｆ´´の流れで流れるため、ノズル管４９と分割環４３の外周側表面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に分割環４３の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。
またマルチホール４４を形成することにより、クロスフローとならずに翼内面の反対側へｆ´´の流れで流れた空気をスムースに空間部４７の外へ排出することができる。

また、図３及び図９においては断面円形状のノズル管４９を用いたが、図４（Ａ）に示したような断面半円状、図４（Ｂ）に示したような分割環４３の外周側表面と対向する側にテーパ部９ｂを設けた断面角型形状など、前記流れｆ´´が形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

ＢＦＧやＩＧＣＣプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低減を削減してガスタービン入口温度が高温であっても高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置及び方法として利用することができる。

実施例１におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 ガスタービンの高温部材及びノズル管の周辺の一部斜視図である。 ノズル形状の変形例を示す図である。 実施例２におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図である。 図５におけるＢ−Ｂ断面図である。 実施例２におけるインサート管とノズル管の部分斜視図である。 図６におけるＣ−Ｃ断面図である。 実施例３におけるタービン翼環部の構成を示す縦断面図である。 一般的なガスタービンの概略構成を示す概略断面図である。

符号の説明

４ タービン
５ 静翼
９ ノズル管
９ａ 空気噴出孔
１２ 間隙
１３ 流路
１５ リブ
１９ インサート管
２０ ノズル管
２０ａ 空気噴出孔
２３ 流路
３２ 間隙
４３ 分割環
４９ ノズル管
４９ａ 空気噴出孔
５２ 間隙

Claims (11)

1. ガスタービンの高温部材の冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置において、
   前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、
   前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた複数の前記ノズル管が互いに間隙を空けて並ぶように前記ノズル管を前記冷却面に沿って延在させるとともに、
   前記ノズル管より前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に向けて噴出した噴流が、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突後、隣接する前記ノズル管の間の前記間隙を介して、前記ノズル管を挟んで前記冷却面とは反対側のスペースへ流れるように構成したことを特徴とするガスタービン高温部の冷却装置。
2. 前記高温部材は、前記ガスタービンの中空構造のブレードであり、
   複数の前記ノズル管は、前記ブレードの内部空間において前記ガスタービンの径方向に沿って延在しており、前記ブレードの圧力面側の内面に対向する第１の管列と、前記ブレードの吸込面側の内面に対向する第２の管列とを含み、
   前記冷却面としての前記ブレードの内面に衝突した前記冷却空気の噴流は、前記間隙を介して、前記第１の管列と前記第２の管列との間に形成された前記スペースに導かれることを特徴とする請求項１記載のガスタービン高温部の冷却装置。
3. 前記冷却空気は、前記ブレードの前端側から後端側に向かって前記スペース内を流れ、
   前記ブレードの後端側には、前記スペース内の前記冷却空気を排出するための流路が設けられていることを特徴とする請求項２記載のガスタービン高温部の冷却装置。
4. 前記高温部材は、前記ガスタービンの分割環であり、
   複数の前記ノズル管は、前記分割環と前記ガスタービンの翼環との間の空間部に収納されるとともに、前記分割環の外周側表面に対向して設けられており、
   前記冷却面としての前記分割環の前記外周側表面に衝突した前記冷却空気は、前記間隙を介して前記空間部内における前記スペースに導かれ、前記空間部に連通するマルチホールによって排出されることを特徴とする請求項１記載のガスタービン高温部の冷却装置。
5. 前記冷却面には、前記間隙に沿って前記ノズル管の長手方向に延在し、前記高温部材の冷却面側に衝突した後の前記冷却空気の噴流を前記間隙に向かう流れに変向させるリブが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のガスタービン高温部の冷却装置。
6. 前記高温部材は中空構造であり、複数の前記ノズル管を含むインサートコアが前記高温部材の内部に収納されており、
   前記インサートコアの前記ノズル管から噴出された前記冷却空気の噴流が、前記冷却面としての前記高温部材の内面に衝突後、前記間隙から高温部材の内面の反対側へ流れるように構成したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン高温部の冷却装置。
7. 前記間隙を介して高温部材内面の反対側への流れた空気が、前記高温部材の後端側へ導かれて排出される流路が高温部材内部に形成されたことを特徴とする請求項６記載のガスタービン高温部の冷却装置。
8. 前記ノズル管は、前記タービンの径方向に延在して間隙配置されるとともに、前記高温部材の内面と対面する位置に前記空気噴出孔が設けられていることを特徴とする請求項６又は７記載のガスタービン高温部の冷却装置。
9. ガスタービンの高温部材の冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置において、
   前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、
   前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた前記ノズル管を所定方向に前記間隙を介して複数延在させるとともに、
   前記高温部材は中空構造であり、複数の前記ノズル管を含むインサートコアが前記高温部材の内部に収納されており、
   空気の流通が可能なインサートコアを、前記高温部材内において、前記ガスタービンの径方向に沿って延在させ、
   空気噴出孔を設けた複数のノズル管を、前記ガスタービンの径方向に間隙を空けて前記インサートコアに配置して、
   前記インサートコアの前記ノズル管から噴出された前記冷却空気の噴流が、前記冷却面としての前記高温部材の内面に衝突後、前記間隙から高温部材の内面の反対側へ流れるように構成されたことを特徴とするガスタービン高温部の冷却装置。
10. 前記ノズル管を、前記インサートコアよりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置するとともに、
    前記ノズル管を高温部材前端部の内面形状に沿って配置することを特徴とする請求項９記載のガスタービン高温部の冷却装置。
11. 前記ノズル管間の間隙と対向する前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、該ガスタービンの高温部材の冷却面側と直角方向に向け、前記ノズル管とガスタービンの高温部材の冷却面間の距離よりも短いリブを取り付けたことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のガスタービン高温部の冷却装置。

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