JP6280880B2

JP6280880B2 - ガスタービン

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Publication number: JP6280880B2
Application number: JP2015018885A
Authority: JP
Inventors: 元春植田; 羽田　哲; 哲羽田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2035-02-02
Also published as: JP2016142186A

Description

本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンに関するものである。

一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスを得る。タービンは、この燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。

このようなガスタービンとしては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。

特開２０１１−２２６４６２号公報特開２０１３−１７４１３４号公報

上述したガスタービンは、運転停止後に、高温のガスが上方に移動することから、車室の上部と下部で温度差が生ずる。すると、温度の高い車室の上部側が膨張し、温度の低い車室の下部側が相対的に収縮するため、車室の変形、所謂、キャットバック現象が発生する。このキャットバック現象が発生すると、動翼の先端とケーシングの内壁面との隙間が一時的に減少する。そのため、このキャットバック現象を考慮して動翼の先端とケーシングの内壁面との隙間を所定隙間以上に確保する必要があり、運用性に支障をきたす可能性がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、ケーシングの変形を抑制して動翼の先端とケーシングの内壁面との隙間を適正量とすることで性能の向上を図るガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のガスタービンは、回転軸と、前記回転軸の外周側でリング形状をなすガス通路を形成する内部ケーシングと、前記回転軸の外周部に軸方向に所定間隔をあけて固定されて前記ガス通路に配置される複数の動翼体と、前記複数の動翼体の間で前記内部ケーシングに固定されて前記ガス通路に配置される複数の静翼体と、前記内部ケーシングの外周側でリング形状をなす空間部を形成する外部ケーシングと、前記空間部を上部空間部と下部空間部とに仕切る仕切部材と、を備えることを特徴とするものである。

従って、内部ケーシングと外部ケーシングとの間に設けられる空間部は、仕切部材により上部空間部と下部空間部とに仕切られることで、ガスタービンの運転停止後、空間部では、高温の流体が上昇するものの、仕切部材により下部空間部の流体が上部空間部へ移動することはなく、上部空間部と下部空間部との温度偏差が減少する。そのため、内部ケーシングは、上部の変形量と下部の変形量との偏差が小さくなり、内部ケーシングの変形を抑制して動翼の先端と内部ケーシングの内壁面との隙間を適正量とすることで、キャットバック変形量を抑制することができる。

本発明のガスタービンでは、前記内部ケーシングは、外周部における左右の側部に第１フランジが設けられ、前記外部ケーシングは、内周部における左右の側部に第２フランジが設けられ、前記第１フランジが前記第２フランジに載置されることで、前記内部ケーシングが前記外部ケーシングに支持され、前記仕切部材は、前記第１フランジの上部に配置されることを特徴としている。

従って、内部ケーシングを左右のフランジを介して外部ケーシングに支持し、仕切部材を第１フランジの上部に配置することで、仕切部材により容易に上部空間部と下部空間部に仕切ることができ、構造の簡素化を図ることができる。

本発明のガスタービンでは、前記空間部は、前記外部ケーシングとしての圧縮機車室と前記内部ケーシングとしての静翼保持環との間に設けられる抽気室であり、前記抽気室は、左右の側部に前記仕切部材が配置されることで、前記上部空間部としての上部抽気室と前記下部空間部としての下部抽気室に仕切られることを特徴としている。

従って、仕切部材により圧縮機の抽気室を上部抽気室と下部抽気室に仕切ることで、ガスタービンの運転停止後、下部抽気室にある高温の空気が上部抽気室へ移動することはなく、抽気室における上下の温度偏差が減少し、静翼保持環の変形を抑制して動翼の先端と静翼保持環の内壁面との隙間を適正量に維持することができる。

本発明のガスタービンでは、前記空間部は、前記外部ケーシングとしてのタービン車室と前記内部ケーシングとしての排気ディフューザとの間に設けられる冷却室であり、前記冷却室は、左右の側部に前記仕切部材が配置されることで、前記上部空間部としての上部冷却室と前記下部空間部としての下部冷却室に仕切られることを特徴としている。

従って、仕切部材によりタービンの冷却室を上部冷却室と下部冷却室に仕切ることで、ガスタービンの運転停止後、下部冷却室にある高温の空気が上部冷却室へ移動することはなく、冷却室における上下の温度偏差が減少し、翼環の変形を抑制して動翼の先端と翼環の内壁面との隙間を適正量に維持することができる。

本発明のガスタービンでは、前記下部空間部における内壁面に断熱部材が設けられることを特徴としている。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部空間部の高温ガスは、内壁面に設けられた断熱部材により保温されることとなり、下部空間部の高温ガスの温度低下を抑制することで、内部ケーシングの変形を抑制することができる。

本発明のガスタービンでは、前記下部空間部を外周空間部と内周空間部に区画する隔壁が設けられることを特徴としている。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部空間部における内部ケーシング側の高温ガスは、隔壁により外部ケーシング側に接触し難くなり、下部空間部の高温ガスの温度低下を抑制することで、内部ケーシングの変形を抑制することができる。

本発明のガスタービンでは、前記上部空間部の流体を排出する排気装置と、前記回転軸の停止時に前記排気装置を作動する制御装置とが設けられることを特徴としている。

従って、制御装置は、回転軸の停止時に排気装置を作動し、上部空間部の流体を排出することで、ガスタービンの運転停止後、上部空間部の高温ガスが外部に排出されて温度低下することとなり、上部空間部の高温ガスの温度低下を促進することで、内部ケーシングの変形を抑制することができる。

本発明のガスタービンでは、前記動翼体を構成する動翼の先端と前記内部ケーシングの内壁面との隙間を計測する隙間センサが設けられ、前記制御装置は、前記隙間センサの計測結果が予め設定された規定隙間を超えると前記排気装置を作動することを特徴としている。

従って、制御装置は、動翼の先端と内部ケーシングの内壁面との隙間が規定隙間を超えると、排気装置を作動して上部空間部の流体を排出することで、動翼の先端と内部ケーシングの内壁面との隙間を常時最適範囲に維持することができる。

本発明ガスタービンによれば、内部ケーシングと外部ケーシングとの間に空間部を設け、この空間部を仕切部材により上部空間部と下部空間部とに仕切るので、内部ケーシングの変形を抑制して動翼の先端と内部ケーシングの内壁面との隙間を適正量とすることで、ガスタービンの性能を向上することができる。

図１は、第１実施形態のガスタービンにおける燃焼器の近傍を表す断面図である。図２は、圧縮機の抽気室を表す図１のII−II断面図である。図３は、仕切部材を表す図２のIII−III断面図である。図４は、ガスタービンの全体構成を表す概略図である。図５は、第２実施形態のガスタービンにおける圧縮機の抽気室を表す断面図である。図６は、第３実施形態のガスタービンにおける圧縮機の抽気室を表す断面図である。図７は、第４実施形態のガスタービンにおける圧縮機の抽気室を表す断面図である。図８は、第５実施形態のガスタービンにおけるタービンの近傍を表す断面図である。図９は、タービンの冷却室を表す図８のIX−IX断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図４は、第１実施形態のガスタービンの全体構成を表す概略図である。

第１実施形態のガスタービンは、図４に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービンは、同軸上に図示しない発電機が連結され、発電可能となっている。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と複数の動翼２４が空気の流動方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。この圧縮機１１は、空気取入口２０から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気を生成し、車室１４に供給される。

燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮され車室１４に溜められた高温・高圧の圧縮空気と燃とが供給され、燃焼することで、燃焼ガスを生成する。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と複数の動翼２８が燃焼ガスの流動方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。そして、このタービン車室２６は、下流側に排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連結する排気ディフューザ３１を有している。このタービン１３は、燃焼器１２からの燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。

圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３は、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（回転軸）３２が配置されている。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持されると共に、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定されている。また、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に発電機の駆動軸が連結されている。

そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。

従って、圧縮機１１にて、空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。タービン１３にて、燃焼器１２で生成された高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３における複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、燃焼ガスは、運動エネルギーが排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換されて減速されてから大気に放出される。

このように構成されたガスタービンの圧縮機１１にて、ガスタービンの運転停止後に、抽気室２５にある高温の空気が上方に移動することから、抽気室２５は、上部と下部で温度差が生ずる。すると、温度の高い抽気室２５の上部内壁部が膨張し、温度の低い抽気室２５の下部内壁部が相対的に収縮するため、キャットバック現象が発生する。そのため、圧縮機１１の下部にて、動翼２４の先端と抽気室２５の内壁面との隙間が一時的に減少してしまう。

そこで、第１実施形態では、圧縮機１１におけるリング形状をなす抽気室２５を上下に分割している。

図１は、第１実施形態のガスタービンにおける燃焼器の近傍を表す断面図、図２は、圧縮機の抽気室を表す図１のII−II断面図、図３は、仕切部材を表す図２のIII−III断面図である。

圧縮機１１において、図１に示すように、本発明の外部ケーシングは、圧縮機車室２１により構成され、内部ケーシングは、静翼保持環４１により構成されている。圧縮機車室２１は、ロータ３２の回転軸線回りに円筒形状をなし、その内側に円筒形状をなす静翼保持環４１が固定されることで、圧縮機車室２１と静翼保持環４１との間に抽気室２５が形成されている。ロータ３２は、外周部に複数のディスク４２が一体に連結されている。複数の静翼体４３と複数の動翼体４４は、静翼保持環４１の内側に圧縮空気Ａの流動方向に沿って交互に配設されている。静翼体４３は、複数の静翼２３が周方向に均等間隔で配置され、ロータ３２側の基端部がリング形状をなす内側シュラウド４５に固定され、静翼保持環４１側の先端部がリング形状をなす外側シュラウド４６に固定されて構成されている。そして、静翼体４３は、外側シュラウド４６を介して静翼保持環４１に支持されている。

動翼体４４は、複数の動翼２４が周方向に均等間隔で配置され、基端部がディスク４２の外周部に固定され、先端部が静翼保持環４１側の内周面に対向して配置されている。この場合、各動翼２４の先端と静翼保持環４１の内周面との間に、所定の隙間（クリアランス）が確保されている。

圧縮機１１は、静翼保持環４１と、内側シュラウド４５の間にリング形状をなす空気通路（ガス通路）４７が形成されており、この空気通路４７に複数の静翼体４３と複数の動翼体４４が圧縮空気Ａの流動方向に沿って交互に配設されている。また、圧縮機１１は、抽気室２５と空気通路４７とを連通する抽気通路４８がリング形状をなして設けられている。

燃焼器１２は、ロータ３２の外側に周方向に沿って複数所定間隔で配置され、タービン車室２６に支持されている。この燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮されて空気通路４７から車室１４に送られた高温・高圧の圧縮空気Ａに対して燃料を供給して燃焼することで、燃焼ガス（排気ガス）Ｇを生成する。

ところで、圧縮機１１にて、図２及び図３に示すように、圧縮機車室２１は、半円形状をなす上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２とから構成されている。上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２は、それぞれ周方向の各端部に連結部５１ａ，５２ａが設けられている。そして、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２は、各連結部５１ａ，５２ａが密着した状態で、締結ボルト５３により一体に連結されている。

一方、静翼保持環４１は、半円形状をなす上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５とから構成されている。上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５は、それぞれ周方向の各端部に連結部５４ａ，５５ａが設けられている。そして、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５は、各連結部５４ａ，５５ａが密着した状態で、締結ボルト５６により一体に連結されている。

また、圧縮機車室２１における下部外ケーシング５２は、連結部５２ａにおける内壁面から径方向の内側に突出する支持フランジ（第２フランジ）５７が設けられている。また、静翼保持環４１における上部内ケーシング５４は、連結部５４ａから径方向の外側に突出する支持フランジ（第１フランジ）５８が設けられている。そして、上部内ケーシング５４の支持フランジ５８が下部外ケーシング５２の支持フランジ５７上に載置されることで、静翼保持環４１が圧縮機車室２１に支持されている。

圧縮機１１は、抽気室２５を上部抽気室（上部空間部）５９と下部抽気室（下部空間部）６０とに仕切る仕切部材６１が設けられている。

各仕切部材６１は、平面視が矩形の板形状をなし、リング形状をなす抽気室２５における左右の側部を閉止するように水平に配置されている。具体的に、各仕切部材６１は、上部外ケーシング５１の内壁面と上部内ケーシング５４における連結部５４ａの外壁面との間に嵌合し、抽気室２５の軸方向長さより長い長さに設定されている。仕切部材６１は、上部内ケーシング５４の支持フランジ５８の上面に配置され、締結ボルト（図示略）により上部外ケーシング５１及び上部内ケーシング５４に固定されている。

そのため、ガスタービンの運転が停止すると、抽気室２５内の空気の温度が低下すると共に、高温の空気が上昇する。このとき、抽気室２５が仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０に仕切られていることから、下部抽気室６０の空気が上部抽気室５９へ移動することはなく、上部抽気室５９と下部抽気室６０における空気は、その部屋内で滞留することとなる。そのため、上部抽気室５９における空気の温度と下部抽気室６０における空気の温度との偏差が減少し、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５との変形量の偏差が小さくなる。その結果、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間が適正量に維持される。

このように第１実施形態のガスタービンにあっては、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とを有している。そして、圧縮機１１にて、ロータ３２と、圧縮機車室２１と、静翼保持環４１と、複数の静翼体４３と、複数の動翼体４４とを設け、圧縮機車室２１と静翼保持環４１との間に設けられた抽気室２５を上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切る仕切部材６１とを設けている。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部抽気室６０から上部抽気室５９への空気の移動が阻止され、上部抽気室５９と下部抽気室６０との温度偏差が減少するため、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を適正量に維持することで、キャットバック変形量を抑制し、ガスタービンの性能を向上することができる。

第１実施形態のガスタービンでは、静翼保持環４１の支持フランジ５８を圧縮機車室２１の支持フランジ５７に載置することで、静翼保持環４１を圧縮機車室２１に支持し、仕切部材６１をこの支持フランジ５８の上部に固定している。仕切部材６１により容易に上部抽気室５９と下部抽気室６０に仕切ることができ、構造の簡素化を図ることができる。

第１実施形態のガスタービンでは、仕切部材６１により圧縮機車室２１と静翼保持環４１との間に設けられた抽気室２５を上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切っている。従って、抽気室２５における上下の温度偏差が減少し、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を適正量に維持することができる。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態のガスタービンにおける圧縮機の抽気室を表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態のガスタービンの圧縮機において、図５に示すように、圧縮機車室２１は、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２とから構成され、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２は、各連結部５１ａ，５２ａが密着した状態で、締結ボルト５３により一体に連結されている。静翼保持環４１は、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５とから構成され、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５は、各連結部５４ａ，５５ａが密着した状態で、締結ボルト５６により一体に連結されている。

圧縮機車室２１における下部外ケーシング５２は、内側に突出する支持フランジ５７が設けられ、静翼保持環４１における上部内ケーシング５４は、外側に突出する支持フランジ５８が設けられている。上部内ケーシング５４の支持フランジ５８が下部外ケーシング５２の支持フランジ５７上に載置されることで、静翼保持環４１が圧縮機車室２１に支持されている。

抽気室２５は、仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切られている。各仕切部材６１は、上部内ケーシング５４の支持フランジ５８の上面に配置され、締結ボルトにより固定されている。そして、下部抽気室６０は、内壁面に断熱部材６５，６６が設けられている。即ち、圧縮機車室２１の下部外ケーシング５２は、内壁面に断熱部材６５が設けられている。また、静翼保持環４１の下部内ケーシング５５は、外壁面に断熱部材６６が設けられている。ここで、断熱部材６５，６６は、板形状をなす断熱材を各ケーシング５２，５５の壁面に貼り付けてもよいし、断熱材を各ケーシング５２，５５の壁面に溶射して断熱層（サーマルバリアコーティング）を形成してもよい。

そのため、ガスタービンの運転が停止すると、抽気室２５内の空気の温度が低下すると共に、高温の空気が上昇する。このとき、抽気室２５が仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０に仕切られていることから、下部抽気室６０の空気が上部抽気室５９へ移動することはなく、上部抽気室５９と下部抽気室６０における空気は、その部屋内で滞留することとなる。このとき、下部抽気室６０の空気の温度は、上部抽気室５９の温度より低いものの、下部抽気室６０は、内壁面に断熱部材６５，６６が設けられているため、下部抽気室６０の空気が保温されて温度低下が抑制される。そのため、上部空間部における空気の温度と下部空間部における空気の温度との偏差が減少し、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５との変形量の偏差が小さくなる。その結果、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間が適正量に維持される。

このように第２実施形態のガスタービンにあっては、仕切部材６１により抽気室２５を上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切り、下部抽気室６０の内壁面に断熱部材６５，６６を設けている。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部抽気室６０から上部抽気室５９への空気の移動が阻止され、また、下部抽気室６０の空気が断熱部材６５，６６により保温され、上部抽気室５９と下部抽気室６０との温度偏差が減少するため、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を適正量に維持することで、ガスタービンの性能を向上することができる。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態のガスタービンにおける圧縮機の抽気室を表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第３実施形態のガスタービンの圧縮機において、図６に示すように、圧縮機車室２１は、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２とから構成され、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２は、各連結部５１ａ，５２ａが密着した状態で、締結ボルト５３により一体に連結されている。静翼保持環４１は、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５とから構成され、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５は、各連結部５４ａ，５５ａが密着した状態で、締結ボルト５６により一体に連結されている。

抽気室２５は、仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切られている。各仕切部材６１は、上部内ケーシング５４の支持フランジ５８の上面に配置され、締結ボルトにより固定されている。そして、下部抽気室６０は、下部内周抽気室６０ａと下部外周抽気室６０ｂに区画する隔壁６７が設けられている。隔壁６７は、半円弧形状をなす板材であって、圧縮機車室２１における下部外ケーシング５２の内壁面と静翼保持環４１における下部内ケーシング５５の外壁面との間に配置されている。隔壁６７は、平面部が圧縮機車室２１における下部外ケーシング５２の内壁面から離間すると共に、静翼保持環４１における下部内ケーシング５５の外壁面から離間し、周方向の各端部が下部外ケーシング５２の支持フランジ５７に固定されている。また、隔壁６７は、所定の位置に排出孔６８が設けられており、各抽気孔６８は、下部外ケーシング５２を貫通して連結された抽気配管（図示略）が連結されている。ここで、隔壁６７は、断熱部材とすることが望ましい。

そのため、ガスタービンの運転が停止すると、抽気室２５内の空気の温度が低下すると共に、高温の空気が上昇する。このとき、抽気室２５が仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０に仕切られていることから、下部抽気室６０の空気が上部抽気室５９へ移動することはなく、上部抽気室５９と下部抽気室６０における空気は、その部屋内で滞留することとなる。このとき、下部抽気室６０における下部内周抽気室６０ａの空気は、下部外ケーシング５２の内壁面に接触し難いことから、熱伝導率が低下して温度低下が抑制される。そのため、上部空間部における空気の温度と下部空間部における空気の温度との偏差が減少し、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５との変形量の偏差が小さくなる。その結果、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間が適正量に維持される。

このように第３実施形態のガスタービンにあっては、上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切り、抽気室２５を隔壁６７により下部内周抽気室６０ａと下部外周抽気室６０ｂに区画している。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部抽気室６０から上部抽気室５９への空気の移動が阻止され、また、下部抽気室６０における下部内周抽気室６０ａの空気が下部外ケーシング５２の内壁面に接触し難くて温度低下が抑制され、上部抽気室５９と下部抽気室６０との温度偏差が減少するため、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を適正量に維持することで、キャットバック変形量を抑制することができる。

［第４実施形態］
図７は、第４実施形態のガスタービンにおける圧縮機の抽気室を表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第４実施形態のガスタービンの圧縮機において、図７に示すように、圧縮機車室２１は、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２とから構成され、上部外ケーシング５１と下部外ケーシング５２は、各連結部５１ａ，５２ａが密着した状態で、締結ボルト５３により一体に連結されている。静翼保持環４１は、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５とから構成され、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５は、各連結部５４ａ，５５ａが密着した状態で、締結ボルト５６により一体に連結されている。

抽気室２５は、仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０とに仕切られている。各仕切部材６１は、上部内ケーシング５４の支持フランジ５８の上面に配置され、締結ボルトにより固定されている。そして、圧縮機は、上部抽気室５９の圧縮空気を排出する排気装置７１と、ロータ３２の停止時に排気装置７１を作動する制御装置７２とが設けられている。

圧縮機車室２１は、上部外ケーシング５１に上部抽気室５９の圧縮空気を排出する複数の排出孔８１が設けられ、下部外ケーシング５２に下部抽気室６０の圧縮空気を排出する複数の排出孔８２が設けられている。上部抽気室５９の各排出孔８１は、冷却空気供給経路８３の基端部が連結され、下部抽気室６０の排出孔８２は、冷却空気供給経路８４の基端部が連結されている。各冷却空気供給経路８３，８４は、先端部がクーラ（図示略）を介してタービンのキャビティに連結されており、圧縮空気をクーラで冷却してタービンのキャビティに供給して冷却可能となっている。

排気装置７１は、上部抽気室５９の冷却空気供給経路８３に対して設けられている。即ち、冷却空気供給経路８３は、三方弁９１を介して２個の分岐ライン９２，９３に分岐され、第１分岐ライン９２にクーラ９４が設けられ、第２分岐ライン９３にファン９５が設けられている。そして、各分岐ライン９２，９３は、下流側で合流し、冷却空気供給経路８３としてタービンに連結される。

また、動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を計測する隙間センサ７３が設けられており、計測結果が制御装置７２に入力される。制御装置７２は、隙間センサ７３の計測結果が規定隙間を超えると排気装置７１を作動する。

そのため、ガスタービンの運転が停止すると、抽気室２５内の空気の温度が低下すると共に、高温の空気が上昇する。このとき、抽気室２５が仕切部材６１により上部抽気室５９と下部抽気室６０に仕切られていることから、下部抽気室６０の空気が上部抽気室５９へ移動することはなく、上部抽気室５９と下部抽気室６０における空気は、その部屋内で滞留することとなる。このとき、制御装置７２は、ロータ３２の回転が停止すると、排気装置７１を作動する。即ち、三方弁９１により冷却空気供給経路８３と第２分岐ライン９３を連通し、ファン９５を作動する。すると、上部抽気室５９における高温の空気が排出されることから、上部抽気室５９の温度と下部抽気室６０の温度との偏差が減少する。

また、制御装置７２は、隙間センサ７３の計測結果に応じて排気装置７１の作動停止を制御する。即ち、隙間センサ７３は、動翼２４の先端と静翼保持環４１における上部内ケーシング５４の内壁面との隙間Ｓ１を計測するすると共に、動翼２４の先端と静翼保持環４１における下部内ケーシング５５の内壁面との隙間Ｓ２を計測している。例えば、制御装置７２は、隙間Ｓ１と隙間Ｓ２の偏差が所定値を超えたら（Ｓ１＞Ｓ２）、排気装置７１を作動する。また、制御装置７２は、隙間Ｓ１が所定値を超えたり、隙間Ｓ２が所定値より小さくなったりすると、排気装置７１を作動する。逆に、制御装置７２は、隙間Ｓ１と隙間Ｓ２の偏差が所定値以下であれば、また、隙間Ｓ１が所定値以下であったり、隙間Ｓ２が所定値より大きくなったりすると、排気装置７１の作動を停止する。

その後、上部内ケーシング５４と下部内ケーシング５５との変形量の偏差が小さくなることから、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間が適正量に維持される。

このように第４実施形態のガスタービンにあっては、上部抽気室５９の空気を排出する排気装置７１と、ロータ３２の停止時に排気装置７１を作動する制御装置７２とを設けている。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部抽気室６０から上部抽気室５９への空気の移動が阻止され、このとき、制御装置７２は、排気装置７１を作動して上部抽気室５９の空気を排出する。すると、上部抽気室５９の高温の空気の温度低下を促進することで、上部抽気室５９と下部抽気室６０との温度偏差が減少するため、静翼保持環４１の変形を抑制して動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を適正量に維持することで、ガスタービンの性能を向上することができる。

また、第４実施形態のガスタービンでは、動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を計測する隙間センサ７３を設け、制御装置７２は、隙間センサ７３の計測結果に基づいて排気装置７１の作動停止を制御する。従って、動翼２４の先端と静翼保持環４１の内壁面との隙間を常時最適範囲に維持することができる。

［第５実施形態］
図８は、第５実施形態のガスタービンにおけるタービンの近傍を表す断面図、図９は、タービンの冷却室を表す図８のIX−IX断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第５実施形態のガスタービンにおいて、図８に示すように、タービン１３にて、本発明の外部ケーシングは、タービン車室２６及び排気車室２９により構成され、内部ケーシングは、排気ディフューザ３１により構成されている。タービン車室２６と排気車室２９は、ロータ３２の回転軸線回りに円筒形状をなし、軸方向に沿って配置されており、締結ボルト１０１により一体に連結されている。タービン車室２６及び排気車室２９は、その内側に円筒形状をなす排気ディフューザ３１が固定されることで、タービン車室２６及び排気車室２９と排気ディフューザ３１との間に冷却室１０２が形成されている。ロータ３２は、外周部に複数のディスク１０３が一体に連結されている。複数の静翼体１０４と複数の動翼体１０５は、排気ディフューザ３１の内側に排気ガスＢの流動方向に沿って交互に配設されている。静翼体１０４は、複数の静翼２７が周方向に均等間隔で配置され、ロータ３２側の基端部がリング形状をなす内側シュラウド１０６に固定され、排気ディフューザ３１側の先端部がリング形状をなす外側シュラウド１０７に固定されて構成されている。そして、静翼体１０４は、外側シュラウド１０７を介して翼環１０８に支持されている。

動翼体１０５は、複数の動翼２８が周方向に均等間隔で配置され、基端部がディスク１０３の外周部に固定され、先端部が翼環１０８側の内周面に対向して配置されている。この場合、各動翼２８の先端と翼環１０８の内周面との間に、所定の隙間（クリアランス）が確保されている。

タービン１３は、タービン車室２６によりガス通路１０９が形成されており、このガス通路１０９に複数の静翼体１０４と複数の動翼体１０５が排気ガスＢの流動方向に沿って交互に配設されている。排気ディフューザ３１は、円筒形状（環状）をなす外側ディフューザ１１１と内側ディフューザ１１２がストラットカバー（ストラットシールド）１１３により連結されて構成されている。ストラットカバー１１３は、円筒形状または楕円筒形状などの中空構造をなし、径方向に対して周方向に所定角度だけ傾斜しており、排気ディフューザ３１の周方向に均等間隔で複数設けられている。排気ディフューザ３１は、外側ディフューザ１１１の径方向の内側に内側ディフューザ１１２が配置されることで、その間にガス流路１０９が形成されている。

なお、ロータ３２は、軸受部３４より回転自在に支持され、軸受部３４はストラット１１４を介して排気車室２９から支持されている。ストラットカバー１１３は、内部にストラット１１４が配設されている。ストラットカバー１１３とストラット１１４の間には、冷却室１０２に連通する冷却ガス通路１１５が形成されている。

排気ディフューザ３１の外側ディフューザ１１１は、前端部がタービン車室２６側に延出され、翼環１０８に当接している。そのため、タービン車室２６と排気車室２９と翼環１０８と外側ディフューザ１１１により冷却室１０２が区画されている。冷却室１０２は、軸方向のストラット１１４に対応する位置で、図示しない冷却空気導入口が複数設けられている。

ところで、タービン１３にて、図９に示すように、タービン車室２６は、半円形状をなす上部外ケーシング１２１と下部外ケーシング１２２とから構成されている。上部外ケーシング１２１と下部外ケーシング１２２は、それぞれ周方向の各端部に連結部１２１ａ，１２２ａが設けられている。そして、上部外ケーシング１２１と下部外ケーシング１２２は、各連結部１２１ａ，１２２ａが密着した状態で、締結ボルト１２３により一体に連結されている。

一方、排気ディフューザ３１の外側ディフューザ１１１は、半円形状をなす上部内ケーシング１２４と下部内ケーシング１２５とから構成されている。上部内ケーシング１２４と下部内ケーシング１２５は、それぞれ周方向の各端部に連結部１２４ａ，１２５ａが設けられている。そして、上部内ケーシング１２４と下部内ケーシング１２５は、各連結部１２４ａ，１２５ａが密着した状態で、締結ボルト１２６により一体に連結されている。

また、タービン車室２６における下部外ケーシング１２２は、連結部１２２ａにおける内壁面から径方向の内側に突出する支持フランジ（第２フランジ）１２７が設けられている。また、外側ディフューザ１１１における上部内ケーシング１２４は、連結部１２４ａから径方向の外側に突出する支持フランジ（第１フランジ）１２８が設けられている。そして、上部内ケーシング１２４の支持フランジ１２８が下部外ケーシング１２２の支持フランジ１２７上に載置されることで、外側ディフューザ１１１がタービン車室２６に支持されている。

タービン１３は、冷却室１０２を上部冷却室（上部空間部）１２９と下部冷却室（下部空間部）１３０とに仕切る仕切部材１３１が設けられている。

各仕切部材１３１は、平面視が矩形の板形状をなし、リング形状をなす冷却室１０２における左右の側部を閉止するように水平に配置されている。具体的に、各仕切部材１３１は、上部外ケーシング１２１の内壁面と上部内ケーシング１２４における連結部１２４ａの外壁面との間に嵌合し、冷却室１０２の軸方向長さより長い長さに設定されている。仕切部材１３１は、上部内ケーシング１２４の支持フランジ１２８の上面に配置され、締結ボルト（図示略）により上部外ケーシング１２１及び上部内ケーシング１２４に固定されている。

そのため、ガスタービンの運転が停止すると、冷却室１０２内の空気の温度が低下すると共に、高温の空気が上昇する。このとき、冷却室１０２が仕切部材１３１により上部冷却室１２９と下部冷却室１３０に仕切られていることから、下部冷却室１３０の空気が上部冷却室１２９へ移動することはなく、上部冷却室１２９と下部冷却室１３０における空気は、その部屋内で滞留することとなる。そのため、上部冷却室１２９における空気の温度と下部冷却室１３０における空気の温度との偏差が減少し、上部内ケーシング１２４と下部内ケーシング１２５との変形量の偏差が小さくなる。その結果、外側ディフューザ１１１の変形を抑制して動翼２８の先端と外側ディフューザ１１１の内壁面との隙間が適正量に維持される。

このように第５実施形態のガスタービンにあっては、タービン１３にて、ロータ３２と、タービン車室２６と、排気ディフューザ３１と、複数の静翼体１０４と、複数の動翼体１０５とを設け、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間に設けられた冷却室１０２を上部冷却室１２９と下部冷却室１３０とに仕切る仕切部材１３１とを設けている。

従って、ガスタービンの運転停止後、下部冷却室１３０から上部冷却室１２９への空気の移動が阻止され、上部冷却室１２９と下部冷却室１３０との温度偏差が減少するため、排気ディフューザ３１の変形を抑制して動翼２８の先端と外側ディフューザ１１１の内壁面との隙間を適正量に維持することで、ガスタービンの性能を向上することができる。

なお、上述した実施形態では、仕切部材により空間部を上部空間部と下部空間部との２個の空間部に仕切ったが、仕切る空間部の数は、２個に限定れるものではなく、３個以上に仕切ってもよい。

１１圧縮機
１２燃焼器
１３タービン
１４車室
２０空気取入口
２１圧縮機車室
２２入口案内翼
２３静翼
２４動翼
２５抽気室
２６タービン車室
２７静翼
２８動翼
２９排気車室
３０排気室
３１排気ディフューザ
３２ロータ（回転軸）
３３，３４軸受部
３５，３６，３７脚部
４１静翼保持環
４２ディスク
４３静翼体
４４動翼体
４５内側シュラウド
４６外側シュラウド
４７空気通路
４８抽気通路
５１，１２１上部外ケーシング
５１ａ，５２ａ，１２１ａ，１２２ａ連結部
５２，１２２下部外ケーシング
５３，５６，１２３，１２６締結ボルト
５４，１２４上部内ケーシング
５４ａ，５５ａ，１２４ａ，１２５ａ連結部
５５，１２５下部内ケーシング
５７，１２７支持フランジ（第２フランジ）
５８，１２８支持フランジ（第１フランジ）
５９上部抽気室（上部空間部）
６０下部抽気室（下部空間部）
６１，１３１仕切部材
６５，６６断熱部材
６７隔壁
６８排出孔
７１排気装置
７２制御装置
７３隙間センサ
８１，８２排出孔
８３，８４冷却空気供給経路
９１三方弁
９２，９３分岐ライン
９４クーラ
９５ファン
１０１締結ボルト
１０２冷却室
１０３ディスク
１０４静翼体
１０５動翼体
１０６内側シュラウド
１０７外側シュラウド
１０８翼環
１０９ガス通路
１１１外側ディフューザ
１１２内側ディフューザ
１１３ストラットカバー
１１４ストラット
１１５冷却ガス通路
１２９上部冷却室（上部空間部）
１３０下部冷却室（下部空間部）

Claims

回転軸と、
前記回転軸の外周側でリング形状をなすガス通路を形成する内部ケーシングと、
前記回転軸の外周部に軸方向に所定間隔をあけて固定されて前記ガス通路に配置される複数の動翼体と、
前記複数の動翼体の間で前記内部ケーシングに固定されて前記ガス通路に配置される複数の静翼体と、
前記内部ケーシングの外周側でリング形状をなす空間部を形成する外部ケーシングと、
前記空間部を上部空間部と下部空間部とに仕切る仕切部材と、
を備え、
前記下部空間部を外周空間部と内周空間部に区画する隔壁が設けられる、
ことを特徴とするガスタービン。
前記内部ケーシングは、外周部における左右の側部に第１フランジが設けられ、前記外部ケーシングは、内周部における左右の側部に第２フランジが設けられ、前記第１フランジが前記第２フランジに載置されることで、前記内部ケーシングが前記外部ケーシングに支持され、前記仕切部材は、前記第１フランジの上部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
前記空間部は、前記外部ケーシングとしての圧縮機車室と前記内部ケーシングとしての静翼保持環との間に設けられる抽気室であり、前記抽気室は、左右の側部に前記仕切部材が配置されることで、前記上部空間部としての上部抽気室と前記下部空間部としての下部抽気室に仕切られることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
前記空間部は、前記外部ケーシングとしてのタービン車室と前記内部ケーシングとしての排気ディフューザとの間に設けられる冷却室であり、前記冷却室は、左右の側部に前記仕切部材が配置されることで、前記上部空間部としての上部冷却室と前記下部空間部としての下部冷却室に仕切られることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
前記下部空間部における内壁面に断熱部材が設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスタービン。
前記上部空間部の流体を排出する排気装置と、前記回転軸の停止時に前記排気装置を作動する制御装置とが設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガスタービン。
前記動翼体を構成する動翼の先端と前記内部ケーシングの内壁面との隙間を計測する隙間センサが設けられ、前記制御装置は、前記隙間センサの計測結果が予め設定された規定隙間を超えると前記排気装置を作動することを特徴とする請求項６に記載のガスタービン。