JP5738158B2 - 軸流式のガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの技術に関する。本発明は、請求項１の上位概念部に記載の軸流式のガスタービンであって、ロータとステータとが設けられており、ロータが、空気冷却された動翼の列と、ロータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、静翼支持体に組み付けられた、空気冷却された静翼の列と、ステータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、ステータとロータとの間に高温ガス路を画定するためにロータを同軸的に取り囲んでいて、動翼の列と、ステータ遮熱体の列とが、かつ静翼の列と、ロータ遮熱体の列とが、それぞれ互いに向かい合うようになっており、静翼の１つの列と、下流方向で次の動翼の列とが、１つのタービン段を規定しており、動翼が、その先端に外側動翼プラットホームを設けられている形式のものに関する。

より詳細には、本発明は、ガスタービンユニットに用いられる、軸流タービンの段の設計に関する。一般的に、タービンステータは、スロットを備える静翼支持体から成っており、このスロットには、静翼の列と、ステータ遮熱体の列とが次々に組み込まれている。同じ段には、ロータが含まれている。このロータは、スロットを備えた回転するシャフトから成っており、このスロットには、ロータ遮熱体の列と、動翼の列とが次々に組み込まれている。

本発明は、軸流式のガスタービンに関する。軸流式のガスタービンの一例が、図１に示されている。図１に示したガスタービン１０は、連続燃焼の原理にしたがって運転する。ガスタービン１０は、圧縮機１１と、複数のバーナ１３および第１の燃料供給部１２を備えた第１の燃焼器１４と、高圧タービン１５と、第２の燃料供給部１６を備えた第２の燃焼器１７と、交互に設けられた動翼２０および静翼２１の列を備えた低圧タービン１８とを有している。動翼２０および静翼２１の列は、機械軸線２２に沿って配置された複数のタービン段内に配置されている。

図１に示したガスタービン１０は、ステータとロータとを有している。ステータは、静翼２１を備えた静翼支持体１９を有しており、静翼２１はこの静翼支持体１９内に組み付けられている。これらの静翼２１は、燃焼器１７内で発生させられた高温ガスが貫流する、成形された通路を形成するために必要である。要求された方向で高温ガス路２９を貫流するガスは、ロータシャフトのシャフトスリット内に取り付けられた動翼２０に当たり、タービンロータを回転させる。動翼２０上を流れる高温ガスに対してステータケーシングを保護するために、隣り合った複数の静翼列の間に取り付けられたステータ遮熱体が使用される。高温タービン段は、静翼、ステータ遮熱体および動翼内に供給されるべき冷却空気を要求する。

図２には、ガスタービン１０の、典型的には空気冷却されるガスタービン段ＴＳの１区分が示されている。ガスタービン１０のタービン段ＴＳ内では、静翼２１の列が、静翼支持体１９に組み付けられている。静翼２１の下流側に、回転する動翼２０の列が設けられており、各動翼２０は、その先端に外側プラットホーム２４を有している。この外側プラットホーム２４は、上側に配置された複数の歯（図３（Ｂ）の符号５２）を備えている。動翼２０の先端（および歯５２）に向かい合って、ステータ遮熱体２６が静翼支持体１９に組み付けられている。各静翼２１は、外側静翼プラットホーム２５を有している。それぞれの外側プラットホーム２５および２４を備える静翼２１と動翼２０とは、高温ガス路２９を画定する。この高温ガス路２９を通って、燃焼器からの高温ガスが流れる。

長期間の寿命を有する、このような高温ガスタービン１０の運転を保証するためには、その流路２９を形成する全ての部分が効果的に冷却されなければならない。タービン部分の冷却は、上述のガスタービンユニットの圧縮機１１から送られた空気を利用して実現されている。静翼２１を冷却するために、圧縮空気は、プレナム２３から孔２７を通って、静翼支持体１９と外側静翼プラットホーム２５との間に配置された中空室２８内に供給される。次いで冷却空気は、静翼の翼部分もしくはエーロフォイル（airfoil）を通って、エーロフォイルからタービン流路２９内に流出する（図２に示したエーロフォイルの後縁の水平方向矢印を参照のこと）。動翼２０は、動翼シャンクおよびエーロフォイルを垂直（半径）方向に通流し、動翼のエーロフォイルスリットと、外側動翼プラットホーム２４の複数の歯５２の間の開口とを通ってタービン流路２９内に排出される空気を用いて冷却される。ステータ遮熱体２６の冷却は、図２に示された設計では特定されない。なぜならば、ステータ遮熱体２６は、外側動翼プラットホーム２４によって主高温ガス流の有害作用に対して保護されていると考えられているからである。

上記設計の欠点は、第１には、動翼のエーロフォイルを通過する冷却空気が、外側動翼プラットホーム２４のために十分な冷却効果を提供しておらず、したがって外側動翼プラットホーム２４の長期間の寿命も提供しないという事実を含むと考え得ることである。向かい合ったステータ遮熱体２６も、高温ガス路２９からの高温ガスに対して不十分にしか保護されていない。

上記設計の欠点は、第２には、図２に示した領域Ａ内のスリットの存在である。それというのは、静翼２１と、当該静翼２１に続くステータ遮熱体２６との間の接合部で、冷却空気の漏れが発生し、これによりタービン流路２９内へ進入する冷却空気の損失が生じるからである。

本発明の課題は、公知の冷却構造の欠点を排除し、冷却空気質量流量および漏れ量の減少と、タービンに設けられたタービン段内の重要な部分の改善された冷却および効果的な熱保護とを組み合わせるタービン段冷却方式を備えたガスタービンを提供することである。

上記課題を解決するために本発明の構成では、軸流式のガスタービンであって、ロータとステータとが設けられており、ロータが、空気冷却された動翼の列と、ロータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、静翼支持体に組み付けられた、空気冷却された静翼の列と、ステータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、ステータとロータとの間に高温ガス路を画定するためにロータを同軸的に取り囲んでいて、動翼の列と、ステータ遮熱体の列とが、かつ静翼の列と、ロータ遮熱体の列とが、それぞれ互いに向かい合うようになっており、静翼の１つの列と、下流方向で次の動翼の列とが、１つのタービン段を規定しており、動翼が、その先端に外側動翼プラットホームを設けられている形式のものにおいて、ステータ遮熱体を高温ガスに対して保護し、外側動翼プラットホームを冷却するために、１つのタービン段内に、当該タービン段の静翼の特にエーロフォイルを冷却するために既に使用された冷却空気を、外側動翼プラットホームと、該外側動翼プラットホームに向かい合ったステータ遮熱体との間に位置する第１の中空室内に方向付けるために、方向付け手段が設けられているようにした。

本発明によるガスタービンは、ロータとステータとが設けられており、ロータが、空気冷却された動翼の列と、ロータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、静翼支持体に組み付けられた、空気冷却された静翼の列と、ステータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、ステータとロータとの間に高温ガス路を画定するためにロータを同軸的に取り囲んでいて、動翼の列と、ステータ遮熱体の列とが、かつ静翼の列と、ロータ遮熱体の列とが、それぞれ互いに向かい合うようになっており、静翼の１つの列と、下流方向で次の動翼の列とが、１つのタービン段を規定しており、動翼が、その先端に外側動翼プラットホームを設けられている。本発明によれば、ステータ遮熱体を高温ガスに対して保護し、外側動翼プラットホームを冷却するために、１つのタービン段内に、当該タービン段の静翼の特にエーロフォイルを冷却するために既に使用された冷却空気を、外側動翼プラットホームと、該外側動翼プラットホームに向かい合ったステータ遮熱体との間に位置する第１の中空室内に方向付けるために、方向付け手段が設けられている。

本発明の１実施形態によれば、外側動翼プラットホームの外面に、周方向に延びる平行な歯が設けられており、第１の中空室が、平行な歯により画定される。

本発明の別の実施形態によれば、静翼がそれぞれ、外側静翼プラットホームを有しており、方向付け手段が、静翼のエーロフォイルから流出する冷却空気を集めるための第２の中空室を有しており、方向付け手段が、集められた冷却空気を半径方向で前記第１の中空室内に排出するための手段をさらに有している。

有利には、排出手段が、外側静翼プラットホームの後壁に突出部を有しており、突出部が、隣り合う外側動翼プラットホームの、流れ方向で第１の歯にオーバラップしており、排出手段がさらにスクリーンを有しており、該スクリーンが、突出部とスクリーンとの間で冷却空気のためのチャネルが形成されるように、突出部を覆っており、チャネルが、半径方向のスロットで第１の中空室の真上で終わっている。

本発明の別の実施形態によれば、第２の中空室と、排出手段とが、複数の孔により接続されており、該孔が、外側静翼プラットホームの後壁を貫通し、かつ周方向で均等に互いに間隔を置いている。

本発明の調整された別の実施形態では、第２の中空室が、ショルダによって外側静翼プラットホームの残りの部分から分離されており、第２の中空室が、シーリングスクリーンにより閉じられている。

以下に本発明を種々異なる実施形態により、添付された図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明を実施するために使用され得る、連続燃焼を伴うガスタービンのよく知られた基本的な設計を示す図である。 公知先行技術によるガスタービンのタービン段の冷却構造詳細を示す図である。 本発明の１実施形態によるガスタービンのタービン段の冷却構造詳細を示す図である。 本発明の１実施形態による図３に示した静翼の外側プラットホームの構成を、全てのスクリーンを取り除いて示した斜視図である。 図３に示した静翼の外側プラットホームの構成を、全てのスクリーンを設置して示した斜視図である。

本発明の種々異なる実施形態の詳細な説明
図３は、本発明の１実施形態によるガスタービン３０のタービン段の冷却構造詳細を示していて、タービン段ＴＳの提案された設計を示している。この場合、冷却空気は、静翼３１内で使用された空気の利用に基づき節減される。この提案の新規性は、冷却空気の節減だけでなく、高温ガス路３９からの高温ガスに対する、外側動翼プラットホーム３４の効果的な保護にある。高温ガスに対する外側動翼プラットホーム３４の効果的な保護は、タービン段ＴＳ内の動翼３２の外側動翼プラットホーム３４の上側に設けられた平行な複数の歯５２の間の中空室４１内に、スリット（図３（Ｂ）、符号５０）から垂直方向に排出される冷却空気の連続的なシートもしくは幕（sheet）に基づいている。スリット５０は、外側静翼プラットホーム３５の後壁の突出部４４を覆うスクリーン４３により形成されている（図３の領域Ｂおよび図３（B）を参照）。

一般的に、プレナム３３からの冷却空気は、冷却空気孔３７を通って中空室３８内に流入し、多孔スクリーン４９を通過して、静翼のエーロフォイルの内部の冷却チャネルに進入する。静翼３１内で冷却のために使用された冷却空気は、エーロフォイルから、ショルダ４８によって外側静翼プラットホーム３５の基部から仕切られた中空室４６内へと通過する（図４を参照）。次いで、この空気は、中空室４６から周方向で均等に間隔を置いた孔４５の列内に分配される。中空室４６は、シーリングスクリーン４７により閉じられている（図５を参照）。上述のように、多孔スクリーン４９（図５を参照）は、外側静翼プラットホーム３５の残りの最大の部分の上方に位置しており、空気は、プラットホーム表面を冷却し、内側の静翼エーロフォイル中空室（図示せず）に進入するために、このスクリーンの孔を通って供給される。

提案された設計の重要な新規の特徴は、外側静翼プラットホーム３５の後壁に突出部４４を設けることでもある。突出部４４は、その下面にハニカム体５１を備えている（図３〜５を参照）。中空室４１からタービン流路３９内への、使用された空気の付加的な漏れを阻止する、外側動翼プラットホーム３４の複数の歯５２のうち前側の歯は、突出部４４の真下に位置している。この突出部４４の存在により、冷却空気の漏れのための経路を形成する付加的なギャップ（図２、領域Ａを参照）は回避される。

したがって、使用された冷却空気の効果的な利用は、ステータ遮熱体３６、動翼シュラウドまたは外側動翼プラットホーム３４への付加的な冷却空気の供給を省略することを可能にする。なぜならば、使用された空気が中空室４１を効果的に閉じるからである。

要約すると、提案された冷却方式は、以下の利点を有している。
１．静翼３１内で使用された空気が、部品、特に外側動翼プラットホーム３４を冷却するために使用される。
２．ステータ遮熱体３６を冷却するための付加的な空気が不要である。
３．スクリーン４３により覆われた突出部４４が、冷却空気の連続的な空気幕を形成する。この空気幕は、外側動翼プラットホーム３４の前側の歯５２と相俟って、外側動翼プラットホーム３４の外側にある複数の歯５２の間に位置する中空室４１を閉じる。
４．外側静翼プラットホーム３５の突出部４４の提案された形状は、静翼３１とステータ遮熱体３６との間の中間領域（図２のＡを参照）内の付加的な冷却空気の漏れを阻止することを可能にする。
５．使用された空気は、隣り合うステータ遮熱体３６の間のギャップを通って、後側の中空室４２内（図３参照）に進入し、ステータ部分の過熱を防ぐ。

したがって、静翼３１と、突出部４４と、使用された空気のための分離収集部４６、４７，４８との組合せ、ならびに冷却されないステータ遮熱体３６と、外側動翼プラットホーム３４の外側の複数の歯５２の間に形成された中空室４１を備えた、２つの突起部を備える外側動翼プラットホーム３４との組合せは、近代的な高性能タービンを設計することを可能にする。

１０，３０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２，１６ 燃料供給部
１３ バーナ
１４，１７ 燃焼器
１５ 高圧タービン
１８ 低圧タービン
１９，４０ 静翼支持体（ステータ）
２０，３２ 動翼
２１，３１ 静翼
２２ 機械軸線
２３，３３ プレナム
２４，３４ 外側動翼プラットホーム
２５，３５ 外側静翼プラットホーム
２６，３６ ステータ遮熱体
２７，３７ 孔
２８，３８ 中空室
２９，３９ 高温ガス路
４１，４２，４６ 中空室
４３，４７，４９ スクリーン
４４ 突出部
４５ 孔
４８ ショルダ
５０ スリット
５１ ハニカム体
５２ 歯（外側動翼プラットホーム）
ＴＳ タービン段

Claims (5)

1. 軸流式のガスタービン（３０）であって、ロータとステータとが設けられており、ロータが、空気冷却された動翼（３２）の列と、ロータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータが、静翼支持体（４０）に組み付けられた、空気冷却された静翼（３１）の列と、ステータ遮熱体（３６）の列とを交互に備えており、ステータが、ステータとロータとの間に高温ガス路（３９）を画定するためにロータを同軸的に取り囲んでいて、動翼（３２）の列と、ステータ遮熱体（３６）の列とが、かつ静翼（３１）の列と、ロータ遮熱体の列とが、それぞれ互いに向かい合うようになっており、静翼（３１）の１つの列と、下流方向で次の動翼（３２）の列とが、１つのタービン段（ＴＳ）を規定しており、動翼（３２）が、その先端に外側動翼プラットホーム（３４）を設けられている形式のものにおいて、ステータ遮熱体（３６）を高温ガスに対して保護し、外側動翼プラットホーム（３４）を冷却するために、１つのタービン段（ＴＳ）内に、当該タービン段（ＴＳ）の静翼（３１）の特にエーロフォイルを冷却するために既に使用された冷却空気を、外側動翼プラットホーム（３４）と、該外側動翼プラットホームに向かい合ったステータ遮熱体（３６）との間に位置する第１の中空室（４１）内に方向付けるために、方向付け手段（４３−４８）が設けられており、静翼（３１）がそれぞれ外側静翼プラットホーム（３５）を有しており、前記方向付け手段（４３−４８）が、静翼のエーロフォイルから流出する冷却空気を集めるための第２の中空室（４６）を有しており、前記方向付け手段（４３−４８）が、集められた冷却空気を半径方向で前記第１の中空室（４１）内に排出するための排出手段（４３，４４）をさらに有していることを特徴とする、軸流式のガスタービン。
2. 外側動翼プラットホーム（３４）の外側に、周方向に延びる平行な複数の歯（５２）が設けられており、前記第１の中空室（４１）が、前記平行な複数の歯（５２）により画定されている、請求項１記載のガスタービン。
3. 前記排出手段（４３，４４）が、外側静翼プラットホーム（３５）の後壁に突出部（４４）を有しており、突出部（４４）が、隣り合う外側動翼プラットホーム（３４）の、流れ方向で第１の歯（５２）にオーバラップしており、前記排出手段（４３，４４）がさらにスクリーン（４３）を有しており、該スクリーン（４３）が、前記突出部（４４）と該スクリーン（４３）との間で冷却空気のためのチャネルが形成されるように、前記突出部（４４）を覆っており、チャネルが、半径方向のスロットで第１の中空室（４１）の真上で終わっている、請求項１または２記載のガスタービン。
4. 第２の中空室（４６）と、前記排出手段（４３，４４）とが、複数の孔（４５）により接続されており、該孔（４５）が、外側静翼プラットホーム（３５）の後壁を貫通し、かつ周方向で均等に間隔を置いている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスタービン。
5. 第２の中空室（４６）が、ショルダ（４８）により外側静翼プラットホーム（３５）の残り部分から分離されており、第２の中空室（４６）が、シーリングスクリーン（４７）により閉じられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスタービン。