JP5602485B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明はガスタービンに関する。

特に、本発明は、静翼列の内壁及び／又は外壁の非軸対称の設計に関する。

ガスタービンは燃焼室を有しており、この燃焼室において燃料が燃焼させられることにより高温のガス流が発生され、この高温のガス流はタービンの１つ又は２つ以上の膨張段において膨張させられる。

各膨張段は、静翼列及び動翼列から成る。作動中、燃焼室において発生した高温ガスは静翼列を通過することにより加速及び変向され、その後、動翼列を通過することにより動翼に機械的な動力を提供する。

組立ての理由から、燃焼室の内壁及び外壁と、静翼列の内壁及び外壁との間には、隙間が設けられており、これらの隙間を通って、燃焼室及び静翼列の内壁及び外壁を冷却するための冷却空気が、高温ガスの通路へ噴出される。

さらに、静翼列及び動翼列の内壁と外壁との間にも隙間が設けられており、これらの隙間を通って冷却空気が供給される。

静翼が高温ガスの通路に延びているので、静翼は、高温ガス流のための妨害部を構成している。

すなわち、静翼は、静翼の前縁の上流のよどみ領域における高い静圧の領域と、その間の領域における低い静圧の領域とを生ぜしめる。

その結果、静翼列の上流における不均一な周方向の静圧分布（頭部波とも呼ばれる）が生じ、この分布は、ほぼ正弦波状に変化している。

この圧力分布は、高温ガスを隙間に進入させる。このことは、隙間に隣接する構造部分を過熱させるので回避されなければならない。

従来、この問題は、高圧（すなわち正弦波状の圧力のピークよりも高い圧力）で隙間を通って供給される付加的な空気（パージ空気）を提供することによって対処されている。

その結果、隙間を通って供給される低温空気の総量（冷却空気とパージ空気との合計）が、高温ガスの流路を形成する部材を冷却するのに必要な量よりも著しく多くなっている。

このような過剰な低温空気は望ましくない。なぜならば、過剰な低温空気は、ガスタービンの全体的な出力及び効率を低下させるからである。

供給されるパージ空気の量を低減するために、米国特許第５４６６１２３号明細書は、静翼と動翼とを有しており、静翼と動翼との内壁及び外壁の間に隙間を備えたガスタービンを開示している。

静翼の内壁は、軸対称の上流ゾーン（静翼の上流のゾーン）と、非軸対称の下流ゾーン（２つの隣接する静翼によって形成された案内羽根流路におけるゾーン）とを有している。

静翼の内壁のこの構成は、静翼の下流のゾーンにおける高温ガスの圧力の不均一（すなわちピーク）を打ち消すが、静翼の上流の高温ガスの圧力には影響しない。

国際公開第２００９／０１９２８２号パンフレットは、燃焼室の下流に静翼（及び動翼）の翼列が配置されたガスタービンを開示している。

燃焼室及び静翼列の内壁及び／又は外壁の間には、隙間が設けられており、この隙間を通って低温空気が供給される。

静翼及び／又は燃焼室の内壁及び／又は外壁の隙間の縁部は、隙間における圧力分布に影響するために協働する段部を有している。

米国特許第５４６６１２３号明細書 国際公開第２００９／０１９２８２号パンフレット

したがって、本発明の技術的課題は、従来技術の前記問題を解決することができるガスタービンを提供することである。

この技術的課題の範囲において、本発明の目的は、高温ガス通路に供給される低温空気が、従来のガスタービンと比較して減少されることができるガスタービンを提供することである。

本発明の別の目的は、効率を高め、動翼ディスクと、この動翼ディスクに隣接する静翼構造の過熱が制限されるガスタービンを提供することである。

前記技術的課題、及びこれらの目的及びその他の目的は、本発明によれば、添付の請求項に記載のガスタービンを提供することによって達成される。

有利には、本発明によるガスタービンは、従来のガスタービンよりも出力を増大させる。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面に非制限的な例として例示された、本発明によるガスタービンの好適な、しかし排他的でない実施形態の説明からより明らかになるであろう。

燃焼室と膨張段とから成る、本発明によるガスタービンの高温区域の概略図である。 本発明による静翼列の一部を示す上面図であり、隆起部による端壁の変更を示すために、等しい半径の輪郭線が使用されている。 ガスタービンを示す概略図である。 本発明による隆起部の詳細図である。 従来のガスタービンにおける、静翼列の上流の領域のすぐ外側における流れ通路に沿った静圧分布（曲線Ａ）と、隙間内の静圧分布（曲線Ｂ）とを示す図である。 本発明によるガスタービンにおける、静翼列の上流の領域のすぐ外側における流れ通路に沿った静圧分布（曲線Ａ）と、隙間内の静圧分布（曲線Ｂ）とを示す図である。

図面を参照すると、全体が参照符号１で示されたガスタービンの高温区域の概略図が示されている。以下では、単純にするために、ガスタービンの高温区域をガスタービンと呼ぶことにする。

ガスタービン１は、内壁３と外壁４とによって形成された環状の燃焼室２を有している。

燃焼室２の下流には、燃焼室２から流れてくる高温ガスを膨張させるための１つ又は２つ以上の膨張段５，６が設けられている。

各膨張段５，６は、複数の静翼１０を収容した、環状の静翼内壁８と環状の静翼外壁９とによって形成された静翼列７によって形成されている。

各静翼列７の下流には、動翼列１１が設けられている。動翼列１１は、複数の動翼１４を収容した、環状の動翼内壁１２と、環状の動翼外壁１３とから形成されている。

燃焼室２の内壁３及び外壁４は、第１の翼列７の静翼内壁８及び静翼外壁９に隣接しているが、内壁３及び外壁４と、静翼内壁８及び静翼外壁９との間には、内側の隙間１５及び外側の隙間１６が設けられている。

これらの隙間１５，１６を通って低温空気が供給される（この場合、低温空気の温度は、高温ガスの温度よりも著しく低く設定されている）。

さらに、静翼内壁８と動翼内壁１２との間、及び静翼外壁９と動翼外壁１３との間にも隙間１７，１８が設けられている。

これらの隙間１７，１８を通っても低温空気が供給される。膨張段５の下流における膨張段６は膨張段５と同じ構成を有しているので、膨張段５の動翼内壁１２及び動翼外壁１３と、膨張段６の静翼内壁及び静翼外壁との間には、内側の隙間１９及び外側の隙間２０が設けられている。

場合によっては、さらなる膨張段が同じ構成を有している。

当然、前記隙間のうちの１つ又は２つ以上が設けられないような異なる組み合わせが可能である。

以下では、特に、燃焼室２のすぐ下流の膨張段５と、静翼内壁８とに関して発明を説明する。同じ考え方が、膨張段５の静翼外壁９や、動翼列の下流の各段の静翼内壁及び／又は静翼外壁（例えば動翼列１１の下流の膨張段６の静翼内壁及び／又は静翼外壁）にも当てはまることがいずれにせよ明らかである。

隙間１５に面した静翼内壁８の縁部２５は、軸対称であり、好適には円形である。高温ガス流を案内し、圧力降下を制限するために、縁部２５は、好適には、燃焼室２の内壁３と整合している。

さらに、隙間１５の下流でかつ静翼１０の上流における静翼内壁８のゾーンは、非軸対称であり、高温ガス流の静圧が最も低い領域に周方向に配置された隆起部２６を提供している。隆起部２６は、隆起部の近くを流れる高温ガスの静圧を局所的に上昇させるために配置されている。

事実、図４に示したように、端壁の近くの高温ガスの流れは、隆起部の上流の流れが減速され、圧力が局所的に上昇されるように案内される。

これにより、静翼列の上流の高温ガスの流れの周方向での圧力分布がより均一になる。なぜならば、より高い圧力を有する領域において、圧力は実質的に不変のままであるが、より低い圧力を有する領域においては圧力が上昇させられるからである。

さらに、隙間の内部の静圧も影響され、特にこの静圧は上昇させられる。

これに関して、図５（従来のガスタービンに関する）は、隙間１５の外側における周方向の静圧分布（曲線Ａ）と、隙間１５の内側における周方向の静圧分布（曲線Ｂ）とを示している。

同様に、図６（本発明によるガスタービンに関する）は、隙間１５の外側における周方向の静圧分布（曲線Ａ）と、隙間１５の内側における周方向の静圧分布（曲線Ｂ）とを示している（図１も参照）。

図５及び図６から、隙間の内側と外側との静圧の差が減じられる、すなわち本発明のガスタービンにおける曲線Ａと曲線Ｂとの差圧のピークが、従来の曲線Ａ及び曲線Ｂのものよりも小さいことが分かる。

隙間内へ向かうこの負の圧力勾配は、高温ガスを隙間に進入させる。

本発明による構成は、圧力勾配を減少させ、ひいては隙間１５に進入する高温ガスの量を最小限にする。

したがって、隙間１５を通って供給される低温空気の量は、従来のガスタービンと比べて減じられることができる。

特に、各隆起部２６は、２つの隣接する静翼１０の間に形成された案内羽根流路２７に面している。

さらに、各隆起部２６は、２つの隣接する静翼１の正圧面２９よりも、負圧面２８により近く、ここでは周方向の圧力分布の最小限の領域が配置されている。

隆起部２６は案内羽根流路２７内へ延びており、案内羽根流路において、隆起部２６は、静翼内壁８の共通の軸対称又は非軸対称の形状に次第に移行していることができる。隆起部のこの下流部分は、隙間領域における流れに影響しないので、個々に選択されることができる（図４、破線）。

図示のように、各隆起部２６は、静翼１０の前側部分を包囲している。

隆起部２６は、隙間１５に面した、周方向で正弦波状の静翼内壁８を形成している。

本発明のガスタービンの運転は、説明及び例示された態様から明らかであり、実質的に以下の通りである。

静翼１０（高温のガスの流れのための妨害部を形成している）は、実質的に周方向で正弦波状の分布を備える静翼１０の上流において、高温ガスの静圧を局所的に増大させる。

燃焼室２から流れてくる高温ガスの流れは、隆起部２６の近くを通過し、静翼列７の上流の領域において静圧を局所的に上昇させ、静翼１０の間に形成された案内羽根流路２７に進入する。

隆起部２６によって生じる圧力上昇は、静翼列７の上流の低圧の領域において生じるので、静翼１０の上流における周方向の圧力分布がより均一になる。さらに、隙間の内側と外側との差圧が縮小される。

これにより、高温ガスの吸込みが低減され、低温空気（冷却空気とパージ空気との合計）の高い流量は必要ない。

この形式で考えられたガスタービンは、多くの変更及び態様が可能であり、その全ては本発明の概念の範囲に含まれる。さらに、全ての細部は、技術的に均等のエレメントに置き換えることができる。実用上、使用される材料及び寸法は、要求に応じて及び技術水準に応じて、意志により選択されることができる。

１ ガスタービン、 ２ 燃焼室、 ３ 内壁、 ４ 外壁、 ５，６ 膨張段、 ７ 静翼列、 ８ 静翼内壁、 ９ 静翼外壁、 １０ 静翼、 １１ 動翼列、 １２ 動翼内壁、 １３ 動翼外壁、 １４ 動翼、 １５ 内側隙間、 １６ 外側隙間、 １７，１８ 隙間、 １９ 内側隙間、 ２０ 外側隙間、 ２６ 隆起部、 ２８ 負圧面、 ２９ 正圧面

Claims (9)

1. ガスタービン（１）であって、
   内壁（３）と外壁（４）とによって形成された環状の燃焼室（２）であって、該燃焼室の下流に少なくとも１つの静翼列（７）が設けられており、該静翼列が、複数の静翼（１０）を収容する、環状の静翼内壁（８）と環状の静翼外壁（９）とによって形成されている、燃焼室（２）と、
   少なくとも１つの動翼列（１１）であって、該動翼列が、複数の動翼（１４）を収容する、環状の動翼内壁（１２）と環状の動翼外壁（１３）とによって形成されており、前記ガスタービン（１）が、静翼内壁（８）及び／又は静翼外壁（９）と燃焼室の内壁（３）及び／又は外壁（４）との間、及び／又は静翼内壁（８）及び／又は静翼外壁（９）と前記静翼列（７）の上流の膨張段の動翼内壁（１２）及び／又は動翼外壁（１３）との間に少なくとも１つの隙間（１５，１６）を有している、少なくとも１つの動翼列（１１）と、を備え、
   隙間（１５，１６）に面した静翼内壁（８）及び／又は静翼外壁（９）の縁部（２５）が、軸対称であり、且つ少なくとも一部が隙間（１５，１６）の外側にあり、
   隙間（１５，１６）の下流でかつ静翼（１０）の上流における、静翼内壁（８）及び／又は静翼外壁（９）の領域が、非軸対称でありかつ隆起部（２６）を形成しており、該隆起部（２６）が、静翼列の静圧の均一性を高めるために前記静翼列を通過する流体の流れの静圧を局所的に上昇させるように配置されていることを特徴とする、ガスタービン。
2. 各隆起部（２６）が、高温ガスの流れの静圧が最も低い領域に配置されている、請求項１記載のガスタービン。
3. 前記隆起部が、円周に沿って配置されている、請求項２記載のガスタービン。
4. 各隆起部（２６）が、２つの隣接する静翼（１０）の間に形成された案内羽根流路（２７）に面している、請求項２記載のガスタービン。
5. 各隆起部が、前記案内羽根流路（２７）を形成する前記２つの隣接した静翼（１０）の正圧面（２９）よりも、負圧面（２８）により近く配置されている、請求項３記載のガスタービン。
6. 各隆起部（２６）が、２つの隣接する静翼（１０）の間に形成された案内羽根流路（２７）内へも延びている、請求項１記載のガスタービン。
7. 各隆起部（２６）が、静翼（１０）の前側部分を包囲している、請求項１記載のガスタービン。
8. 前記隆起部（２６）が、隙間（１５，１６）に面した正弦波状の静翼内壁（８）及び／又は静翼外壁（９）を形成している、請求項１記載のガスタービン。
9. 隙間（１５，１６）に面した静翼内壁（８）及び／又は静翼外壁（９）の前記軸対称の縁部（２５）が、円形である、請求項１記載のガスタービン。

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