JP5518235B2 - 分割環冷却構造およびガスタービン - Google Patents
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Description
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、燃焼ガスの流れ方向(図11の紙面上で左側から右側の方向)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。
すなわち、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、前記分割体の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、前記分割体は、前記車室の外部より供給された冷却空気を吹き出させ、前記分割体の本体をインピンジメント冷却する小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体より囲まれた冷却空間と、前記分割体の回転軸の軸方向に沿った側端部のうち、少なくとも一方の側端部に沿って回転軸の軸方向に配置され、前記冷却空間よりインピンジメント冷却後の冷却空気を受入れる第1キャビティと、一端が前記第1キャビティに連通し、他端が前記側端部に配列された開口より燃焼ガス中に冷却空気を吹き出す複数の第1冷却流路と、から構成され、複数の前記第1冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって配列され、前記燃焼ガスの前記流れ方向の位置であって、前記回転軸の周方向で隣接する前記タービン動翼間で該タービン動翼の最大翼厚点に対応する位置からスロート点に対応する位置までの間に点が定められ、前記点の上流側では、前記開口の配列ピッチが下流側より小さく又は前記開口の開口面積が大きく、前記点の下流側では、前記開口の配列ピッチが下流側より大きく又は前記開口の開口面積が小さいこと、を特徴とする。
実施例1について、図1〜図6Bおよび図10、図11に基づき以下に説明する。
タービン部は、従来技術の図11および図12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。
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で形成される。分割体11は、背景技術で説明したように、分割体11の本体の内周面12bとタービン動翼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。分割体11は、たとえば耐熱性ニッケル合金等から形成されている。
分割体11の回転軸5の回転方向Rの前方側(以下「前方側」と呼ぶ)の側端部18には、冷却空間35から連絡路22を介して前方側端部キャビティ20(第1キャビティ)に接続して、前方側端部キャビティ20から燃焼ガスFG中に連通する前方側端部冷却流路21(第1冷却流路)が配置されている。前方側端部冷却流路21は、回転軸5の軸方向に略直交する方向に配置されているが、下流側に向かって傾きを備えた傾斜流路であってもよい。
図2に示すように、分割体11には、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上流側端部キャビティ23(第2キャビティ)が配置されている。また、冷却空間35と上流側端部キャビティ23を連結する上流側端部冷却流路24(第2冷却流路)が回転軸5の軸方向に設けられ、上流側端部キャビティ23から下流側の下流側端面17aに開口する本体冷却流路25(第3冷却流路)が、分割体11の本体12を回転軸5の軸方向に貫通するように配置されている。上流側端部キャビティ23は、上流側端部冷却流路24と本体冷却流路25を互いに連通するマニホールドの役割を果たしている。
図5Bにおいて、冷却空気側の熱伝達率αは、点線で示されている。縦軸は、熱伝達率αを示し、横軸は回転軸5の軸方向の長さLを示す。第1領域Z1のうち上流点Cfから前縁点C0までの間では、冷却空気圧と燃焼ガス圧との差圧DP1がほとんど変化しないため、冷却空気側の熱伝達率αは一定となる。燃焼ガスが翼間流路に流入する前縁点C0からスロート点Csまでの間では、差圧DP1が増加して、冷却空気側の熱伝達率αも下流側に向かって次第に大きくなり、スロート点Cs近傍で最大となる。スロート点Csから下流側では、ほぼ冷却空気側の熱伝達率αは最大値で一定となる。
実施例2について、図7Aおよび図7Bを参照して説明する。図7Aは、本実施例に係わる燃焼ガスの圧力分布と分割体の回転軸5の軸方向の長さLの関係を示し、図7Bは、分割体11の側端部18の開口33の配置を示す。
タービン動翼8の形状により、翼間流路を流れる燃焼ガスの圧力が、実施例1より上流側において急激に低下する場合がある。すなわち、実施例1では、燃焼ガス圧が急激に低下する位置がスロート点Csにあるが、本実施例では、燃焼ガス圧が急激に低下する位置が最も上流側に遡った場合を想定して、最大翼厚点Cmにある場合を示している。
実施例3について、図8を参照して以下に説明する。
本実施例は、実施例1と同様に、側端部18、19には、それぞれ前方側端部冷却流路21および後方側端部冷却流路27が設けられ、側端部端面18a、19aには各冷却流路を介して燃焼ガス中に開口する開口33が配列されている。 また、分割体本体12を冷却するため、上流側端部16には上流側端部冷却流路28(第5冷却流路)が設けられ、下流側端部17には下流側端部冷却流路29(第6冷却流路)が設けられる。側端部18,19に設ける開口33の配置は、実施例1、実施例2及び変形例1から4に示す開口の配置が適用できる。
車室67側からの冷却空気の供給方法は、実施例1と同様であり、衝突板14の小孔(図示せず)を介して分割体本体12の上面をインピンジメント冷却する。また、インピンジメント冷却後の冷却空気は、上流側端部16に設けられた上流側端部冷却流路28を介して燃焼ガスの流れ方向の上流側に吹き出す際、上流側端部16を対流冷却する。また、下流側端部17に設けられた下流側端部冷却流路29を介して燃焼ガス中に吹き出す際、下流側端部17が対流冷却される。更に、インピンジメント冷却後の冷却空気の一部は、側端部18,19の前方側端部冷却流路21および後方側端部冷却流路27を介して開口33から燃焼ガス中に吹き出す際、側端部18,19を対流冷却している。
実施例4について、図9を参照して以下に説明する。
本実施例は、実施例1と同様に、側端部18、19には、前方側端部冷却流路21および後方側端部冷却流路27を介して燃焼ガス中に開口する開口33が配置されている。冷却孔の配置は、実施例1、実施例2および変形例1から4と同様な配置を適用できる。
5 回転軸
8 タービン動翼
10、60 分割環
11、61 分割体
12 本体
14、64 衝突板
15、65 小孔
16 上流側端部
17 下流側端部
18、19 側端部
20、31 前方側端部キャビティ(第1キャビティ、第5キャビティ)
21 前方側端部冷却流路(第1冷却流路)
23、30 上流側端部キャビティ(第2キャビティ、第4キャビティ)
24 上流側端部冷却流路(第2冷却流路)
25 本体冷却流路(第3冷却流路)
35、71 冷却空間
67 車室
Z1 第1領域
Z2 第2領域
Z3 第3領域
SP 始点
SP1 第1始点
SP2 第2始点
EP 終点
CA 冷却空気
FG 燃焼ガス
Claims (7)
- 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、前記分割体の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、
前記分割体は、前記車室の外部より供給された冷却空気を吹き出させ、前記分割体の本体をインピンジメント冷却する小孔を備えた衝突板と、
該衝突板と前記分割体の本体より囲まれた冷却空間と、
前記分割体の回転軸の軸方向に沿った側端部のうち、少なくとも一方の側端部に沿って回転軸の軸方向に配置され、前記冷却空間よりインピンジメント冷却後の冷却空気を受入れる第1キャビティと、
一端が前記第1キャビティに連通し、他端が前記側端部に配列された開口より燃焼ガス中に冷却空気を吹き出す複数の第1冷却流路と、から構成され、
複数の前記第1冷却流路の前記開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって配列され、
前記燃焼ガスの前記流れ方向の位置であって、前記回転軸の周方向で隣接する前記タービン動翼間で該タービン動翼の最大翼厚点に対応する位置からスロート点に対応する位置までの間に点が定められ、前記点の上流側では、前記開口の配列ピッチが下流側より小さく又は前記開口の開口面積が大きく、前記点の下流側では、前記開口の配列ピッチが上流側より大きい又は前記開口の開口面積が小さいこと、を特徴とする分割環冷却構造。 - 前記第1冷却流路の開口は、少なくとも回転軸の回転方向の前方側の前記側端部に配置され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。
- 前記側端部は、前記点を境にして前記燃焼ガスの前記流れ方向に沿って2つの領域に分けられ、
上流側の第1領域では、下流側の第2領域より前記第1冷却流路の前記開口の配列ピッチが小さくまたは前記開口の開口面積が大きく、下流側の第2領域では、前記第1領域より前記開口の配列ピッチが大きくまたは前記開口の開口面積が小さい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。 - 前記スロート点に対応する位置に下流側点が定められ、該下流側点よりも前記流れ方向の上流側に前記点としての上流側点が定められ、
前記側端部は、前記流れ方向で前記上流側点よりも上流側の第1領域と、前記流れ方向で前記上流側点と前記下流側点との間の第2領域と、前記流れ方向で前記下流側点よりも下流側の第3領域に分けられ、
前記第1領域では、他の領域より前記開口の配列ピッチが小さくまたは前記開口の開口面積が大きく、前記第3領域では、他の領域より前記開口の配列ピッチが大きくまたは前記開口の開口面積が小さく、前記第2領域では、上流側から下流側に向かって前記開口の配列ピッチが順次大きくなりまたは前記開口の開口面積が順次小さくな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。 - 前記分割体は、分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって前記回転軸の軸方向に直交するように配置された第2キャビティと、
回転軸の軸方向に設けられ前記冷却空間から前記第2キャビティに連通する第2冷却流路と、
回転軸の軸方向に設けられ前記第2キャビティから前記分割体の下流側端部において燃焼ガス中に開口する第3冷却流路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の分割環冷却構造。 - 前記第2冷却流路および前記第3冷却流路は、前記第2キャビティを介し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5に記載の分割環冷却構造。
- 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を備えたガスタービン。
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