JP5291799B2 - 分割環冷却構造およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの分割環の冷却構造およびガスタービンに関する。
本願は、２００９年８月２４日に米国に出願された米国特許出願番号６１／２３６，３１０に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、発電等に用いられるガスタービンは、タービン部を高温高圧の燃焼ガスが通過するため、安定した運転を継続するためには分割環等の冷却が重要となる。特に、近年はガスタービンの熱効率の向上のため、更なる燃焼ガスの高温化が進みつつある。

図１１は、ガスタービンのタービン部に関する内部構造を示す断面図である。ガスタービンは、燃焼器３で発生させた燃焼ガスＦＧをタービン静翼７及びタービン動翼８に供給し、タービン動翼８を回転軸５の廻りに回転させて、回転エネルギーを電力に変換している。タービン静翼７およびタービン動翼８は、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側から下流側に向かって交互に配置されている。また、タービン動翼８は、回転軸５の周方向に複数配置され、回転軸５と一体となって回転している。

また、タービン動翼８の燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側には、タービン静翼７が配置され、タービン動翼８と同様に、回転軸５の周方向に複数配置されている。タービン動翼８の外周側には分割環６０が環状に配置され、分割環６０とタービン動翼８の間には、相互の干渉を避けるため、一定の隙間が設けられている。

図１２は、従来の分割環廻りの断面図である。分割環６０は、複数の分割体６１より形成され、回転軸５の周方向に環状に配置されている。分割体６１は、分割体６１のフック６２および遮熱環６６を介して車室６７に支持されている。また、遮熱環６６から支持される衝突板６４は、複数の小孔６５を備えている。分割体６１には、回転軸５の軸方向に複数の冷却流路６３が配置されている。

分割環６０を冷却するため、圧縮機の抽気空気の一部である冷却空気ＣＡが、車室６７の供給孔６８から分割環６０の各分割体６１に供給される。冷却空気ＣＡは、衝突板６４に開口する小孔６５を介して、衝突板６４と分割体６１で囲まれた空間に噴出し、分割体６１の上面をインピンジメント冷却する。更に、インピンジメント冷却後の冷却空気ＣＡは、冷却流路６３を経由して分割体６１の燃焼ガスの流れ方向（図１１の紙面上で左側から右側方向）の下流端から燃焼ガス空間に噴出する際、冷却流路６３を流れる冷却空気ＣＡにより分割体６１が対流冷却される。

特許文献１には、上述の衝突板を備えた分割環が開示され、インピンジメント冷却した冷却空気が、分割環（分割体）の上面に配置された開口部に供給され、冷却流路（冷却空気孔）を経由して分割環の燃焼ガスＦＧの流れ方向の下流端から燃焼ガス空間に排出する際、分割環を冷却する例が示されている。

特許文献２は、特許文献２を改良した構造であって、インピンジメント冷却した冷却空気の一部を、分割環（分割体）の燃焼ガスの流れ方向の上流端から燃焼ガス空間に噴出する冷却流路（第１流路）が開示され、他の大半のインピンジメント冷却後の冷却空気は、燃焼ガスの流れ方向の下流端から燃焼ガス空間に噴出す冷却流路（第２流路）が開示されている。これにより、分割環の冷却が強化されている。

特開平１１−２２４１１号公報 特開２００４−１００６８２号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、分割環の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部において、冷却流路が配置されていない領域があり、燃焼ガスの高温化が進んだ場合、分割環の上流側端部が高温燃焼ガスによって焼損するという問題点がある。

また、特許文献２に記載の発明では、インピンジメント冷却後の冷却空気の一部が、冷却流路（冷却空気孔）を介して分割環の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部から燃焼ガス空間に排出する際、分割環の上流側端部の冷却を強化している。しかし、分割環の燃焼ガスの流れ方向の上流端側に排出される冷却空気は、上流側端部のみを冷却して燃焼ガス空間に排出されるため、そのまま冷却空気量のロスとなり、冷却空気量が増加して、ガスタービンの熱効率が低下するという問題点がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みなされたもので、燃焼ガスの高温化に伴う分割環の焼損の防止と冷却空気量の低減による熱効率の向上を目的とした分割環の冷却構造およびガスタービンを提供することを目的としている。

本発明は、上記の問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
すなわち、本発明の分割環冷却構造は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、複数の小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、前記回転軸の回転方向の上流側および下流側の側端部を除く前記分割体に配置され、前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、分割環の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部に第１のキャビティを設け、冷却空間の冷却空気は第１の冷却流路を介して第１のキャビティに供給され、更に第２の冷却流路を介して燃焼ガスの流れ方向の下流側端部より燃焼ガス空間に排出されるので、冷却流路全体の長さを長くなり、熱負荷の厳しい分割体の上流側端部の対流冷却が強化される。そのため、高温燃焼ガスによる分割体の上流側端部の焼損が避けられる。

本発明の分割環冷却構造は、第１の冷却流路と第２の冷却流路が、第１のキャビティにおいて、回転軸の軸方向に折り返す構造を備えることが望ましい。

本発明によれば、第１の冷却流路と第２の冷却流路が、第１のキャビティで燃焼ガスの流れ方向に折り返す構造を備えているので、流路長の長い冷却流路の全体が分割体の本体内にコンパクトに納められ、分割環の小型化が図られる。

本発明の分割環冷却構造は、第１の冷却流路と第２の冷却流路が、それぞれが回転軸の回転方向に対して環状に複数配列され、回転軸の径方向に互いに平行となるように配列されていることが望ましい。

本発明によれば、第１の冷却流路と第２の冷却流路が互いに平行となるように配列されているので、隣接する冷却流路間の距離が均一に維持され、上流側端部の温度分布が小さくなり、分割体の上流側端部の冷却性能が向上する。

本発明の分割環冷却構造は、第１の冷却流路が、第２の冷却流路に対して回転軸の軸方向に傾斜して配置されていることが望ましい。

本発明によれば、第１の冷却流路を介して第１のキャビティに供給される冷却空気は、第１のキャビティの底面に向かって噴出し、第１のキャビティの底面をインピンジメント冷却するので、熱負荷の厳しい分割体の上流側端部の冷却に有効である。

本発明の分割環冷却構造は、第１の冷却流路は、第２の冷却流路より長さが短く、第２の冷却流路より分割体の上面側に配置されていることが望ましい。

本発明によれば、第１の冷却流路は上流側端部の上面側に配置され、第２の冷却流路は上流側端部の下面側に配置されているので、分割体の上流側端部の上面側および下面側ともに冷却され、分割体の上流側端部の冷却性能が向上する。

本発明の分割環冷却構造は、第２の冷却流路の孔径が、第１の冷却流路の孔径より小さいことが望ましい。

本発明によれば、第１のキャビティ内の圧力を高く維持することができるので、第２の冷却流路を流れる冷却空気の速度を高くすることができ、分割体の下面側の冷却性能が向上する。

本発明の分割環冷却構造は、第２の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチが第１の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチより小さいことが望ましい。

本発明によれば、第２の冷却流路は、第１の冷却流路と比較して、回転軸の回転方向の孔ピッチが小さいので、第２の冷却流路の冷却効果が高く、分割体の冷却性能が向上する。

本発明の分割環冷却構造は、第３の冷却流路が分割体の回転軸の回転方向の上流側の側端部に配置され、分割体の回転軸の回転方向の上流側の側端部において、前記冷却空間から燃焼ガス空間に連通することが望ましい。

本発明によれば、分割体の回転軸の回転方向の上流側の側端部の対流冷却が強化される。

本発明の分割環冷却構造は、第４の冷却流路が、分割体の回転軸の回転方向の下流側の側端部に配置され、分割体の回転軸の回転方向の下流側の側端部で、前記冷却空間から燃焼ガス空間に連通することが望ましい。

本発明によれば、第４の冷却流路を設けることにより、分割体の回転軸の回転方向の上流側および下流側の両側の側端部を冷却するので、分割体の冷却性能が強化できる。

本発明の分割環冷却構造は、第３の冷却流路または第４の冷却流路が、第２のキャビティまたは第３のキャビティを介して、第１のキャビティに連通していることが望ましい。

本発明によれば、第１のキャビティに供給される高圧の冷却空気の一部が、第２のキャビティまたは第３のキャビティを介して、第３の冷却流路または第４の冷却流路に供給されるので、上流側端部近傍の第３の冷却流路または第４の冷却流路の冷却性能が強化される。
本発明の分割環冷却構造は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、複数の小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、を含み、前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路は、それぞれが回転軸の回転方向に対して環状に複数配列され、径方向に互いに平行となるように配列されていることを特徴とする。
本発明の分割環冷却構造は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、複数の小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、を含み、前記第２の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチが、前記第１の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチより小さいことを特徴とする。
本発明の分割環冷却構造は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、複数の小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、前記分割体の回転軸の回転方向の上流側の側端部に配置され、前記冷却空間から該側端部において燃焼ガス空間に連通する第３の冷却流路と、を含み、前記第３の冷却流路は、第２のキャビティを介して、前記第１のキャビティに連通していることを特徴とする。
本発明の分割環冷却構造は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、複数の小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、前記分割体の回転軸の回転方向の下流側の側端部に配置され、前記冷却空間から該側端部において燃焼ガス空間に連通する第４の冷却流路と、を含み、前記第４の冷却流路は、第３のキャビティを介して、前記第１のキャビティに連通していることを特徴とする。

本発明のガスタービンは、上述の分割環冷却構造を備えていることが望ましい。

本発明によれば、ガスタービンの冷却空気量が低減され、ガスタービンの熱効率が向上する。

上述した本発明によれば、分割環の上流側端部の冷却が強化され、分割環の焼損が回避される。また、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、分割環の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させたガスタービンを提供することができる。従って、ガスタービンの信頼性や運転効率を向上させることができる。

図１は、本発明に係るガスタービンの全体構成を示す。 図２は、第１の実施形態の分割環の要部断面図を示す。 図３は、第１の実施形態の分割体の斜視図を示す。 図４は、第１の実施形態に示す分割体の平面図を示す。 図５は、図４に示す分割体のＡ−Ａ断面図を示す。 図６は、図４に示す分割体のＢ−Ｂ側面図を示す。 図７は、図４に示す分割体のＣ−Ｃ断面図を示す。 図８は、第１の変形例に示す分割体のＣ−Ｃ断面図を示す。 図９は、第２の実施形態に示す分割体の上流側端部の部分断面図を示す。 図１０は、第３の実施形態に示す分割体の平面図である。 図１１は、タービン部の断面構造を示す。 図１２は、従来例に示す分割環の要部断面図を示す。

以下、本発明に係る分割環冷却構造およびガスタービンについて、その実施形態を図１〜図１１に基づいて以下に説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１から図７および図１１に基づき以下に説明する。
図１は、ガスタービンの全体構成図である。ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２から送られてきた圧縮空気に燃料ＦＬを噴射して燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、この燃焼器３の下流側に位置し、燃焼器３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４と、発電機６と、圧縮機２とタービン部４と発電機６を一体に締結する回転軸５を主たる構成要素とする。

タービン部４は、背景技術の図１１で説明した内容と同一の構成であるので、詳細な説明は省略する。共通する部品名称および符号は、同一の名称および符号を使用する。

図２は、ガスタービンの分割環の要部断面を示している。
分割環１０は、車室６７に支持されたタービン部４の構成部材であって、回転軸５の周方向に配設されて環状をなす複数の分割体１１で構成される。分割体１１は、分割体の内周面１１ａと動翼８の先端８ａの間に一定の隙間が確保されるように配置されている。分割環１０は、たとえば耐熱性ニッケル合金等から形成されている。なお、図中の符号７は、タービン部４のタービン静翼である。

分割体１１は、本体（底板）１２と、フック１３と、衝突板１４が、主要な構成要素である。分割体１１は、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側および下流側に設けられたフック１３を介して遮熱環２８に取り付けられ、遮熱環２８を介して車室６７に支持されている。分割体１１は、本体１２と、衝突板１４と、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側および下流側に配置されたフック１３と、回転軸５の軸方向と略直交する方向（回転軸５の回転方向）の上流側及び下流側に設けられた側端部１８，１９（図４参照）により囲まれた冷却空間（以下、「冷却空間」と呼ぶ）２９を備える。冷却空間２９は、分割体１１内に形成され、分割体１１の内周面１１ａから見て裏面（外周面）に位置する本体１２の上面１２ａ側に接する空間である。

冷却空間２９の上部には、衝突板１４が設置されている。衝突板１４には、インピンジメント冷却用の冷却空気ＣＡが通過する多数の小穴１５が穿設されている。衝突板１４の上方には、車室６７内の冷却空気ＣＡが供給孔６８を介して導入される受入空間３０が配置されている。受入空間３０内に供給された冷却空気ＣＡは、全体が略同一圧力に均圧化された状態で小穴１５から噴出し、冷却空間２９の下面（本体１２の上面１２ａ）をインピンジメント冷却する。

図３は、分割体１１の斜視図を示す。燃焼ガスＦＧは紙面上で左側から右側の方向に流れ、回転軸５の回転方向（タービン動翼の回転方向）Ｒは、回転軸の軸方向に直交する方向である。上述のように、分割体１１は、フック１３を介して遮熱環２８に支持されている。また分割体１１の中央には、衝突板１４が分割体１１の本体１２の内壁１２ｂに対して固定されている。

衝突板１４は、中央部１４ａが周辺部１４ｂより凹状に凹んだ形状を備える。すなわち、分割体１１の本体１２は、衝突板１４より高温の状態に置かれるため、回転軸の軸方向および回転軸の回転方向Ｒにおいて、衝突板１４より熱伸びが大きくなる。そのため、衝突板１４は本体１２の内壁１２ｂ側から引っ張られ、衝突板１４には熱応力が発生する。しかし、衝突板１４の中央部１４ａに凹状に凹みを設けることにより、衝突板全体の柔軟性が増し、発生する熱応力が緩和される効果がある。衝突板１４の中央部１４ａが凸状に形成する場合でも、同様の効果がある。なお、本体１２の上面１２ａの全面に渡って、均一にインピンジメント冷却を効かせるため、衝突板１４の中央部１４ａのみならず、周辺部１４ｂにも小孔１５を設けることが望ましい。

図４は、分割体１１の衝突板側から回転軸の方向を見た分割体の平面図である。
本実施形態の分割体１１には、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側の上流側端部１６であって、回転軸５の軸方向に略直交する方向に第１のキャビティ２０が配置されている。また、冷却空間２９と第１のキャビティ２０を連結する冷却流路（第１の冷却流路）２１が回転軸５の軸方向に設けられ、第１のキャビティ２０から燃焼ガスＦＧの流れ方向の下流側の下流側端部１７に開口する冷却流路（第２の冷却流路）２２が回転軸の軸方向に配置されている。第１のキャビティ２０は、第１の冷却流路２１と第２の冷却流路２２を互いに連結するマニホールドの役割を果たしている。

図５は、図４に示す分割体の断面（断面Ａ−Ａ）を示し、図６は側面図（断面Ｂ−Ｂ）を示す。図７は、分割体１１を回転軸５の軸方向から見た断面（断面Ｃ−Ｃ）を示す。

図４から図７により、第１の冷却流路２１および第２の冷却流路２２の構造を説明する。分割体１１に対する燃焼ガスＦＧの流れ方向（図４の紙面上で左側から右側に向かう方向）の上流側の上流側端部１６においては、第１の冷却流路２１および第２の冷却流路２２は、いずれも回転軸５の軸方向に分割体１１の本体１２の断面を貫通するように穿設されている。

また、第１の冷却流路２１および第２の冷却流路２２は、図７に示すように、回転軸５の軸方向から見た断面視で、互いに上下方向（回転軸５の径方向）に１列に並ぶように一定の間隔で平行に配置される。また、第１冷却流路２１および第２の冷却流路２２はともに、回転軸５の回転方向Ｒに対して、所定の孔ピッチで複数の冷却流路２１、２２が環状に配置されている。すなわち、分割体１１の上流側端部１６では、分割体１１の回転方向Ｒの上流側の側端部１８から下流側の側端部１９にかけて、第１の冷却流路２１と第２の冷却流路２２が、上下方向に２列に重なるように配置されている。また、第１の冷却流路２１および第２の冷却流路２２は、隣接する冷却流路同士が、回転軸５の回転方向Ｒに、互いに平行となるように、所定の孔ピッチで配置される。更に、第１の冷却流路２１と第２の冷却流路２２とは、回転軸５の軸方向に互いに平行となるように配置されている。

また、分割体１１の本体１２のうち、上流側端部１６および側端部１８、１９を除く部分には、第１のキャビティ２０から下流側端部１７にかけて、分割体１１の下面１１ａに沿って、回転軸５の軸方向に配置された冷却流路（第２の冷却流路２２）が設けられている。第２の冷却流路２２は、上流側端部１６では、回転軸５の軸方向から見た断面視で、第１の冷却流路２１と上下方向に重なるように配列され、そのまま燃焼ガスの流れ方向の下流側の下流側端部１７まで延設されて、下流側端面１７ａで燃焼ガス空間Ｗに開口している。なお、分割体１１の上流側端部１６とは、分割体１１のうち、上流側端面１６ａと本体１２の上流側の内壁１２ｂで挟まれ、衝突板１４の取り付け高さより下方部分をいう。また、分割体１１の下流側端部１７とは、分割体１１のうち、下流側端面１７ａと本体１２の下流側の内壁１２ｂで挟まれ、衝突板１４の取り付け高さより下方部分をいう。

上述のような第１の冷却流路および第２の冷却流路の構成により、第１の冷却流路２１は、第１のキャビティ２０で折り返して、第２の冷却流路２２に連結する折り返し構造を備えているので、回転軸５の軸方向に対して、流路長の長い冷却流路を選定できる。すなわち、第１の冷却流路２１は、分割体１１の上流側端部１６の上面側に近い分割体１１内に配置されている。一方、第１の冷却流路２１は、第１のキャビティ２０で折り返して、第２の冷却流路２２に接続し、上流側端部１６の第１の冷却流路２１より下面側に近い分割体１１内に配置されて、下流側端面１７ａまで延設されている。その結果、本実施形態の冷却流路は、回転軸５の軸方向において、特許文献１および特許文献２と比較して、最も長い流路長が選定でき、分割体の冷却性能の向上に有効である。

また、第１のキャビティ２０を介して、第１の冷却流路２１と第２の冷却流路２２が回転軸５の軸方向に折り返す構造であるので、流路長の長い冷却流路を、分割体の本体内にコンパクトに納めることができ、分割体を効率よく冷却できる。

次に、分割体１１の側端部１８、１９に設ける冷却流路の構造を説明する。
図４に示すように、分割体１１の回転軸の回転方向Ｒの上流側の側端部１８には、冷却空間２９から燃焼ガス空間Ｗに連通する第３の冷却流路２５が、回転軸に略直交する方向に配列されている。第３の冷却流路２５は、一方側が冷却空間２９に連通し、他方側が燃焼ガス空間Ｗに開口している。また、上流側端部１６および下流側端部１７には、一方側が冷却空間２９に連通し、他方側が回転軸の軸方向に延設して、末端が閉塞された第２のキャビティ２４が形成され、第３の冷却流路２５の一部は第２のキャビティ２４を介して冷却空間２９に連通している。

本実施形態では、分割体１１の回転方向Ｒの下流側の側端部１９における第４の冷却流路２７も、第３の冷却流路２５と同様の構成とすることができる。すなわち、第４の冷却流路２７は、一方側が冷却空間２９に連通し、他方側は燃焼ガス空間Ｗに開口している。また、上流側端部１６および下流側端部１７において、一方側が冷却空間２９に連通し、他方側が回転軸の軸方向に延設して、末端が閉塞された第３のキャビティ２６が形成され、第３の冷却流路２５の一部は第３のキャビティ２６を介して冷却空間２９に連通している。なお、ガスタービンの運転条件によっては、上述した分割体１１の回転方向Ｒの下流側の側端部１９における冷却流路を設けず、側端部１９の対流冷却を省略してもよい。

なお、側端部１８とは、本体１２の回転方向Ｒの上流側の内壁１２ｃと上流側端面１８ａで挟まれ、衝突板１４の取り付け高さより下方部分をいう。また、側端部１９とは、本体１２の回転方向Ｒの下流側の内壁１２ｃと下流側端面１９ａで挟まれ、衝突板１４の取り付け高さより下方部分をいう。

本実施形態における冷却空気の流れについて、以下に説明する。図２に示すように、タービン部４に供給された冷却空気ＣＡの一部は、供給孔６８を経由して、受入空間３０に供給される。冷却空気ＣＡは、衝突板１４に設けられた小穴１５を介して冷却空間２９に噴出し、分割体１１の本体１２の上面１２ａをインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の大半の冷却空気ＣＡは、上流側端部１６に設けられ、分割体１１の本体１２の燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側の内壁１２ａに開口する第１の冷却流路２１に供給され、燃焼ガスＦＧの流れ方向とは逆方向に流れて、主に上流側端部１６の上面側を対流冷却して、一旦第１のキャビティ２０に吹き出す。

第１のキャビティ２０内の冷却空気ＣＡは、第１のキャビティ２０で折り返して、回転軸５の軸方向から見た断面視で、第１の冷却流路２１の下方に配置された第２の冷却流路２２に供給される。さらに、冷却空気ＣＡは、分割体１１の下面１１ａに沿って分割体１１の下流側端部１７に向かって流れ、主に分割体１１の下面側を対流冷却して、下流側端面１７ａより燃焼ガス空間Ｗに排出される。すなわち、上述のような折り返し構造を備えるので、流路長の長い冷却流路を選定でき、分割体の冷却に有効である。

一方、分割体１１廻りの燃焼ガスＦＧは、流れ方向に沿って圧力が変化する。燃焼ガスＦＧ流れ方向の上流側の上流側端面１６ａ付近で最も圧力が高く、下流側の下流側端面１７ａ付近で最も圧力が低くなる。すなわち、特許文献２に示す例では、冷却空間２９からの冷却空気ＣＡは、上流側端部１６内を燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側に向かって流れ、上流側端面１６ａから燃焼ガス空間Ｗに排出されるため、冷却空間２９内の冷却空気ＣＡの圧力と上流側端面１６ａ付近の燃焼ガスの圧力との差圧を大きく取ることができない。従って、上流側端部１６を十分に冷却するためには、第１の冷却流路２１内を流れる冷却空気は、多めに流す必要があり、それだけ冷却空気量の増加の原因となる。

一方、本実施形態の場合は、上流側端部１６を冷却するため、冷却空間２９の冷却空気ＣＡは、第１の冷却流路２１を経由して第１のキャビティ２０に供給され、そのまま上流側端面１６ａから燃焼ガス空間Ｗに排出されずに、第１のキャビティ２０で折り返して、第２の冷却流路２２を経由して下流側端面１７ａに排出される。すなわち、冷却空気ＣＡは、燃焼ガス圧力が最も低い下流側端面１７ａで燃焼ガス空間Ｗに排出するので、冷却空間２９内の冷却空気と下流側端面１７ａ付近の燃焼ガスとの圧力差を最大限に利用できるので、特許文献１および特許文献２の例に比較して、冷却流路内の流速を高くすることができ、冷却空気量を大幅に低減できる。

一方、分割体１１の側端部１８、１９においては、冷却空間２９内でインピンジメント冷却した冷却空気ＣＡの一部が、第３の冷却流路２５、第４の冷却流路２７を介して燃焼ガス空間Ｗに排出される際、側端部１８、１９を対流冷却する。また、側端部１８、１９の一部は、冷却空間２９より導入された冷却空気ＣＡを、一旦第２のキャビティ２４、２６に供給し、第２のキャビティ２４、２６を介して第３の冷却流路２５、２７に供給される。冷却空気ＣＡは、第３の冷却流路２５から燃焼ガス空間Ｗに排出する際、側端部１８，１９を対流冷却する。

なお、図４に示す実施形態では、冷却空間２９から第２のキャビティ２４に供給される冷却空気は、連結路３１を介して供給されているが、第３のキャビティ２６と同様に、冷却空間２９から直接導入する方法でもよい。

側端部１８、１９の対流冷却を目的とした冷却空気は、インピンジメント冷却後の高圧冷却空気を第３の冷却流路２５、第４の冷却流路２７に供給するので、冷却空間２９の冷却空気と側端部端面１８ａ、１９ａ近傍の燃焼ガスとの差圧を利用でき、側端部の冷却に有効である。

本実施形態によれば、回転軸の軸方向に対して、最も長い冷却流路長を採用でき、また冷却空気の差圧を最大限に利用できるので、分割体の冷却に最も有効である。

また、上流側端部では、第１の冷却流路と第２の冷却流路を上下方向に重なるように配置し、上面側に第１の冷却流路を配置され、下面側に第２の冷却流路が配置されているので、上流側端部での冷却性能が向上する。

また、第１の冷却流路と第２の冷却流路は、上下方向（回転軸の径方向）に対して、互いに平行に配置され、回転軸の回転方向Ｒに対して同じ孔ピッチで平行に複数本が配列されているので、冷却流路同士は同じ間隔で配置され、上流側端部内での温度分布が小さくなり、均一な冷却が可能である。

［第１変形例］
図８は、第１の冷却流路および第２の冷却流路に関して、第１の実施形態とは異なる配置例を示す。第１変形例は、第１の実施形態と比較して、回転軸５の回転方向Ｒに対して、同じ孔ピッチで冷却流路を環状に配置する点では同じであるが、第２の冷却流路２２は、第１の冷却流路２１より小さい孔径を採用している点が異なっている。また、第２の冷却流路２２の回転軸５の回転方向Ｒの孔ピッチが、第１の冷却流路２１の回転方向Ｒの孔ピッチより小さい点が異なっている。このような第１の冷却流路２１および第２の冷却流路２２の孔径および孔ピッチを採用すれば、第２の冷却流路に供給される冷却空気は、冷却に十分な量は確保され、第１の実施形態と比較して、分割体の本体（底面）側の冷却性能が向上する。

すなわち、分割体の本体、特に本体１２の上流側端部１６の冷却が最も問題となるが、本体の冷却に最も寄与するのは、第２の冷却流路２２である。分割環の冷却性能を良くするには、冷却流路として小口径の孔径を採用し、孔ピッチを狭くするのが望ましい。本変形例の場合、第１の冷却流路２１は相対的に第２の冷却流路２２より大きな孔径として、第１の冷却流路での圧力損失を小さくして、第１のキャビティ２０内での冷却空気圧を極力高圧としている。一方、第２の冷却流路２２は第１の冷却流路２１より小口径とし、孔ピッチを小さくしている。この結果、第２の冷却流路２２では、小口径のため冷却空気の圧力損失が増大するが、第１のキャビティ２０内の圧力を高圧に維持して、燃焼ガス側との差圧を最大限に利用できるので、第２の冷却流路の全体の冷却効率が向上し、第１の実施形態と比較して、分割体の本体（底面）１２の冷却が強化される。

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に係わる分割体の上流側端部の部分断面を示している。
本実施形態は、第１の実施形態と比較して、第１の冷却流路が、第２の冷却流路に対して回転軸の軸方向に傾きを有する点が異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、第１の実施形態と共通する構成要素は、第１の実施形態と同じ部品名称および符号を使用し、詳細説明は省略する。

図９において、第２の冷却流路４５は、回転軸５の軸方向に対して、分割体１１の下面１１ａに沿って下流側端面１７ａまで配置され、回転軸の回転方向Ｒに対して、同じ孔ピッチで環状に配置されている点は、第１の実施形態と同様である。しかし、第１のキャビティ４３に連通する第１の冷却流路４４は、上流側端面１６ａに向かって回転軸５の軸方向に傾きを備え、第１のキャビティ４３の底面４３ａにおいて、角度αで交差している点が異なっている。なお、第１の冷却流路４４および第２の冷却流路４５ともに、回転軸の回転方向Ｒに対して分割体１１の下面１１ａに沿って複数の冷却流路が環状に配置されている点は、第１の実施形態と同じである。

上述の構成によれば、冷却空間２９から第１の冷却流路４４を介して、第１のキャビティ４３の底面４３ａに吹出した冷却空気ＣＡは、第１のキャビティ４３の底面４３ａに対してインピンジメント冷却空気として作用するので、第１の実施形態と比較して、上流側端部１６の冷却が強化される。

すなわち、冷却空間２９から導入された冷却空気ＣＡは、上流側端面１６ａに向かって下向きの傾きを備えた第１の冷却流路４４を流下して第１のキャビティ４３に到達するが、その間に上流側端部１６の上面側が対流冷却される。更に、冷却空気ＣＡは、第１のキャビティ４３の底面４３ａに衝突して、底面４３ａに対するインピンジメント冷却効果を与えて、上流側端部１６の冷却を強化している。

第１のキャビティ４３から折り返す冷却空気ＣＡは、第２の冷却流路４５を経由して、燃焼ガスＦＧの流れ方向の下流側に向かって流れて、下流側端部１７より燃焼ガス空間Ｗに排出される。つまり、本実施形態の場合、図９に示すように、第１の冷却流路４４内を流れる冷却空気ＣＡは、第１の冷却流路４４が第２の冷却流路４５に対して、回転軸５の軸方向で第１のキャビティ４３の底面４３ａに向かって下向きの傾きを備えることにより、第１の実施形態と比較して、第１のキャビティ４３内でインピンジメント冷却の効果を与える。その結果、分割体１１の回転方向Ｒの全幅に渡り、上流側端部１６の冷却が強化され、分割環の冷却空気量を更に低減できる。

また、本実施形態においても、第１変形例と同じ構成を採用できる。すなわち、第２の冷却流路４５の孔径は、第１の冷却流路４４の孔径より小さくして、第２の冷却流路４５の回転方向Ｒの孔ピッチは、第１の冷却流路４４の回転方向Ｒの孔ピッチより小さくすることができる。

また、第１の冷却流路と第２の冷却流路を流れる冷却空気量がバランスするように、それぞれの冷却流路の孔径および孔ピッチを選定することにより、分割体の本体の冷却効果を高めることができる。その結果、第１の実施形態と比較して冷却空気量を低減できるので、ガスタービンの熱効率が更に向上する。

［第３の実施形態］
図１０は、第３の実施形態に係わる分割体の平面図を示す。
本実施形態は、第１の実施形態と比較して、分割環の分割体の側端部の冷却構造が異なっているが、他の構成は第１の実施形態と同じである。
なお、第１の実施形態と共通する構成要素は、第１の実施形態と同じ部品名称および符号を使用し、詳細説明は省略する。

本実施形態では、第２のキャビティ２４および第３のキャビティ２６が、燃焼ガスの流れ方向の上流側で第１のキャビティ２０に連通し、下流側は第３の冷却流路２５および第４の冷却流路２７に連通している。すなわち、本実施形態では、第３の冷却流路２５および第４の冷却流路２７は、冷却空間２９には直結せず、第１のキャビティ２０、第２のキャビティ２４および第３のキャビティ２６を介して冷却空間２９に繋がっている点が、第１の実施形態と異なっている。

本実施形態の構成によれば、第１の実施形態と比較して、第３の冷却流路２５および第４の冷却流路２７の上流側端部１６近傍の冷却能力が強化される。すなわち、冷却空気ＣＡは冷却空間２９より第１のキャビティ２０に供給され、第１のキャビティ２０から第２のキャビティ２４および第３のキャビティ２６に導入される。更に、冷却空気ＣＡは、第２のキャビティ２４または第３のキャビティ２６から第３の冷却流路２５または第４の冷却流路２７を介して燃焼ガス空間Ｗに排出する際、側端部１８、１９を対流冷却する。

特に、燃焼ガスの流れ方向の上流側にある上流側端部１６は、高温燃焼ガスに曝され易い。側端部１８、１９の冷却能力を強化するためには、側端部１８、１９の上流側端部１６近傍の第３の冷却流路２５または第４の冷却流路２７を流れる冷却空気の圧力を高くして、流速を早くすることが望ましい。

しかし、第１の実施形態の場合、上流側端面１６ａに向かって延設する第２のキャビティ２４または第３のキャビティ２６は、末端が閉塞されているため、キャビティ内の末端圧力は上がりにくい。そのため、第２のキャビティ２４または第３のキャビティ２６に連通する第３の冷却流路２５または第４の冷却流路２７を流れる冷却空気は、その流速を高くするにも限界がある。

一方、本実施形態の場合、第２のキャビティ２４および第３のキャビティ２６は、高圧に保たれた第１のキャビティ２０に直結しているため、上流側端部１６近傍では冷却空気の圧力が高圧に保たれる。従って、これらに連通する上流側端部１６近傍の第３の冷却流路２５または第４の冷却流路２７を流れる冷却空気は、高い流速が維持され、対流冷却が強化される。なお、ガスタービンの運転条件によっては、側端部の冷却は、第２のキャビティを介して第１のキャビティに接続する第３の冷却流路のみを設け、第４の冷却流路を設置しなくてもよい。

上述した本発明の分割環冷却構造によれば、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、分割体１１及びこれを構成要素とする分割環１０の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させることができる。なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明の分割環冷却構造によれば、分割環の上流側端部の冷却が強化され、分割環の焼損が回避される。また、冷却空気の使用量を最小限に抑えるとともに、分割環の冷却効率及び冷却能力をより一層向上させたガスタービンを提供することができる。従って、ガスタービンの信頼性や運転効率を向上させることができる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン部
５ 回転軸
６ 発電機
７ タービン静翼
８ タービン動翼
１０、４０、５０、６０ 分割環
１１、４１、５１、６１ 分割体
１２、４２ 本体
１３ フック
１４、６４ 衝突板
１５、６５ 小孔
１６ 上流側端部（燃焼ガス流れ方向の上流側）
１６ａ 上流側端面（燃焼ガス流れ方向の上流側）
１７ 下流側端部（燃焼ガス流れ方向の下流側）
１７ａ 下流側端面（燃焼ガス流れ方向の下流側）
１８ 側端部（回転方向の上流側）
１８ａ 側部端面（回転方向の上流側）
１９ 側端部（回転方向の下流側）
１９ａ 側部端面（回転方向の下流側）
２０、４３ キャビティ（第１のキャビティ）
２１、４４ 冷却流路（第１の冷却流路）
２２、４５ 冷却流路（第２の冷却流路）
２４ キャビティ（第２のキャビティ）
２５ 冷却流路（第３の冷却流路）
２６ キャビティ（第３のキャビティ）
２７ 冷却流路（第４の冷却流路）
２８ 遮熱環
２９ 冷却空間
３０ 受入空間
３１ 連結路
６６ 遮熱環
６７ 車室
６８ 供給孔
Ｒ 回転軸の回転方向
Ｗ 燃焼ガス空間
ＣＡ 冷却空気
ＦＧ 燃焼ガス
ＦＬ 燃料

Claims (15)

1. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
   複数の小孔を備えた衝突板と、
   該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、
   前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、
   前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、
   前記回転軸の回転方向の上流側および下流側の側端部を除く前記分割体に配置され、前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、
   を含むことを特徴とする分割環冷却構造。
2. 前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路は、前記第１のキャビティにおいて、回転軸の軸方向に折り返す構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の分割環冷却構造。
3. 前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路は、それぞれが回転軸の回転方向に対して環状に複数配列され、径方向に互いに平行となるように配列されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分割環冷却構造。
4. 前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路は、それぞれが回転軸の回転方向に対して環状に複数配列され、前記第１の冷却流路は前記第２の冷却流路に対して回転軸の軸方向に傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分割環冷却構造。
5. 前記第１の冷却流路は、前記第２の冷却流路より長さが短く、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部において、前記第２の冷却流路より前記分割体の本体の上面側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
6. 前記第２の冷却流路の孔径が、前記第１の冷却流路の孔径より小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
7. 前記第２の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチが、前記第１の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチより小さいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
8. 前記分割体の回転軸の回転方向の上流側の側端部に配置され、前記冷却空間から該側端部において燃焼ガス空間に連通する第３の冷却流路を含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
9. 前記分割体の回転軸の回転方向の下流側の側端部に配置され、前記冷却空間から該側端部において燃焼ガス空間に連通する第４の冷却流路を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の分割環冷却構造。
10. 前記第３の冷却流路または前記第４の冷却流路は、第２のキャビティまたは第３のキャビティを介して、前記第１のキャビティに連通していることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の分割環冷却構造。
11. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
    複数の小孔を備えた衝突板と、
    該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、
    前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、
    前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、
    前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、
    を含み、
    前記第１の冷却流路と前記第２の冷却流路は、それぞれが回転軸の回転方向に対して環状に複数配列され、径方向に互いに平行となるように配列されていることを特徴とする分割環冷却構造。
12. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
    複数の小孔を備えた衝突板と、
    該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、
    前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、
    前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、
    前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、
    を含み、
    前記第２の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチが、前記第１の冷却流路の回転軸の回転方向の孔ピッチより小さいことを特徴とする分割環冷却構造。
13. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
    複数の小孔を備えた衝突板と、
    該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、
    前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、
    前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、
    前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、
    前記分割体の回転軸の回転方向の上流側の側端部に配置され、前記冷却空間から該側端部において燃焼ガス空間に連通する第３の冷却流路と、
    を含み、
    前記第３の冷却流路は、第２のキャビティを介して、前記第１のキャビティに連通していることを特徴とする分割環冷却構造。
14. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
    複数の小孔を備えた衝突板と、
    該衝突板と前記分割体の本体により囲まれた冷却空間と、
    前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって、回転軸の軸方向に直交するように配置された第１のキャビティと、
    前記冷却空間から前記第１のキャビティに連通する第１の冷却流路と、
    前記第１のキャビティから前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の下流側端部において燃焼ガス空間に連通する第２の冷却流路と、
    前記分割体の回転軸の回転方向の下流側の側端部に配置され、前記冷却空間から該側端部において燃焼ガス空間に連通する第４の冷却流路と、
    を含み、
    前記第４の冷却流路は、第３のキャビティを介して、前記第１のキャビティに連通していることを特徴とする分割環冷却構造。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の分割環冷却構造を備えたガスタービン。

Images