JPH04234537A - ガスタービン及び同ガスタービンにおける熱膨張差減少方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は、ガスタービンに関し、具体的
には、ガスタービンの翼セグメントにおける熱膨張差、
特に、翼セグメントに冷却空気通路を形成する外部構造
体における熱膨張差を最小にする装置及び方法に関する
ものである。

【０００２】ガスタービンのタービン部における環状ガ
ス流路の一部は、ロータを取り巻いて円周方向に配列さ
れた複数個の翼セグメントにより画成されている。各翼
セグメントは、ガス流路の境界を形成する内側及び外側
の囲い板と、１つ又は２つ以上の翼とから構成されてい
る。

【０００３】翼セグメントを形成する材料が過熱されな
いようにし、それにより、材料の強度を妥協し得る限度
まで維持するために、最近のガスタービンの翼セグメン
トは、圧縮機部から抽気される空気により冷却されてい
る。この冷却空気は、内側及び外側の囲い板双方に向か
って供給されることが屡々あり、該囲い板から、翼セグ
メント全体にわたり分配される。この冷却空気を効果的
に利用するために、冷却空気を閉じ込めて分配する外部
構造体が翼セグメントの囲い板上に形成されている。通
常、このような外部構造体は、タービン部を流れる高温
ガスに露出される表面とは反対側の囲い板の表面に取り
付けられている。本発明は、このような外部構造体の改
良に関するものである。

【０００４】

【従来の技術】上に述べたように、冷却空気を閉じ込め
て該冷却空気を翼セグメント囲い板に分配する構造体は
、通常、タービン部を流れる高温ガスに露出される表面
とは反対側の囲い板の表面に固着されている。この種の
構造体は、翼セグメントの翼状部内部に形成される冷却
空気分配構造と識別するために、“外部”冷却空気構造
と称されている。運転中、囲い板は、それ等の上を高温
ガスが流れる結果として非常に高温になる。しかし、外
部空気冷却構造体は、冷却空気が該構造体上を流れるた
めに、近似的にも、囲い板と同程度には高温にならない
。その結果、囲い板と外部冷却空気構造体との間の熱膨
張差に起因し、外部冷却空気構造体には由々しい熱応力
が生じる。

【０００５】従来技術によれば、上記熱応力は、構造体
を薄板から形成し可能な限り可撓性にすることにより低
減させていた。しかし、当該構造体がその内部の冷却空
気の圧力に耐えるためには、最小限度量の強度及び剛性
が必要である。従って、強度と可撓性との間の妥協のた
め、従来技術では最適な結果は得られてはいない。

【０００６】以上に鑑み、囲い板と、該囲い板に取り付
けられる外部冷却空気構造体との間の熱膨張差を最小に
する装置及び方法を提供することが望ましい。

【０００７】従来、ガスタービンの燃焼部内の高温ガス
流に露出される、例えば燃焼器或は連絡ダクトのような
構成要素は、積層材から形成されていた。該積層材自体
は、２枚の薄板をサンドイッチ状に結合することにより
形成されている。通常、直線状配列或は蛇行状配列で１
つ又は複数の内部通路が積層材を構成する層間に形成さ
れている。これ等の内部通路に冷却空気が流れて、構成
要素を冷却する。本発明によれば、このような積層材が
翼セグメントの外部冷却空気構造体を形成するために新
規に利用されている。しかし、冷却の目的で内部通路を
使用するのではなく、囲い板上を流れる高温ガスを内部
通路に指向させる。この高温ガス流で上記構造体は加熱
され、それにより、該構造体と、それ等が取り付けられ
ている囲い板との間の熱膨張差が最小になる。

【０００８】

【発明の概要】本発明の目的は、ガスタービンのタービ
ン部において、翼セグメントの外部冷却空気構造体と、
それ等が取り付けられている囲い板との間の熱膨張差を
最小にする装置及び方法を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、外部冷却空気構造体
を通して高温ガスを流すことにより意図的に該外部冷却
空気構造体を加熱することにより、上述のような熱応力
を可及的に低減することにある。

【００１０】本発明の更に他の目的は、外部冷却空気構
造体の過熱を回避するために、該構造体を流れる高温ガ
スの温度を調整することにある。

【００１１】上述の目的及び他の目的は、中心に配設さ
れたロータの周囲に円周列として配設された複数個の静
翼セグメントを有するガスタービンのタービン部におい
て達成される。各翼セグメントは内側及び外側囲い板を
有する。冷却空気のための通路を形成する構造体は、各
内側囲い板に固着される。該構造体は、２つの層からな
る積層板から形成される。上記層間には、高温ガス通路
が形成される。内側囲い板上を流れる燃焼部からの高温
ガスは、上記構造体を加熱するように高温ガス通路を通
るように指向され、それにより、上記構造体と、それが
取り付けられている内側囲い板との間の熱膨張差が最小
限度に抑えられる。内側囲い板に形成されている孔から
、冷却空気が、高温ガス通路の入口の上流側で該高温ガ
ス内に放出され、それにより、上記通路に流入する高温
ガスの温度が減少されて、上記構造体の過熱は回避され
る。

【００１２】

【好適な実施例の説明】図１には、ガスタービンが示し
てある。ガスタービンの主たる構成部分は、空気がガス
タービンに流入する入口部３２と、流入空気を圧縮する
圧縮機部（冷却空気供給源）３３と、該圧縮機部からの
圧縮された空気を、燃焼器３８内で燃料を燃焼すること
により加熱して圧縮高温ガスを発生する燃焼部３４と、
該燃焼部からの圧縮高温ガスが膨張して、それにより軸
回転力を発生するタービン部３５と、膨張したガスを大
気に放出する排気部３７とからなる。中心に位置するロ
ータ３６がガスタービンを貫通して延在している。

【００１３】ガスタービンのタービン部３５は、静翼と
動翼の交互する列から構成されている。各翼列は、ロー
タ３６を取り囲む円周列の形態で配設されている。図２
には、１つの翼組立体の近傍におけるタービン部の一部
が示してある。典型的には翼組立体は、多数の翼セグメ
ント１から構成されている。各翼セグメント１は、その
内寄りの端部に形成された内側囲い板（部材）３及び外
寄りの端部に形成された外側囲い板２を有する翼状部７
から構成されている。或は、各翼セグメント１は、共通
の内側及び外側囲い板を有する２枚又は３枚以上の翼状
部により形成することもできる。

【００１４】図２に示すように、翼セグメント１は、羽
根輪とも称される円筒体５７により囲まれている。また
、翼セグメントは、内側の円筒構造体４８を取り巻いて
配置されている。内側円筒構造体は、その後部フランジ
に固定されたリング２１を備えている。ロータ３６の円
板部分６３に固定されている動翼列６４は静翼列の下流
側に配置されている。タービン部は外側の円筒体２２に
より囲まれている。

【００１５】運転中、燃焼部３４からの高温ガス１９は
、ダクト（ガス指向手段）５８により翼セグメント１に
流れるように指向される。この高温ガス１９は、内側囲
い板３の外向きの表面（第１の表面）３０と外側囲い板
２の内向きの表面５０との間に閉じ込められる。

【００１６】冷却空気は燃焼器３８をバイパスするよう
に燃焼部から抽気されて、内側及び外側囲い板に向かい
供給される。

【００１７】冷却空気１０の一部１１は、羽根輪５７に
形成されている孔５を通流し、そこから外側シュラウド
そらせ板と称する外部冷却空気構造体４に形成されてい
る孔６を経て翼セグメント１に流入する。外側そらせ板
４は、外側囲い板２の外向きの表面５１に固定されてい
る。そらせ板４から、冷却空気の一部１１は、翼状部７
を通流して、翼状部の壁に形成されている孔（図示せず
）を介し高温ガス１９内に放出される。

【００１８】冷却空気１０の一部１２は、内側シュラウ
ドそらせ板と称する第２の外部冷却空気構造体８に形成
されている孔５２を通って流れる。内側そらせ板８は、
内側囲い板３の内向きの表面（第２の表面）２４に固定
されている。内側囲い板３の内向き表面２４から突出部
２０が半径方向内向きに突出しており、リング２１に当
接することにより、タービン部への冷却空気１０の漏洩
を阻止する働きをしている。内側そらせ板８には、冷却
空気の一部１２が流れる通路４９が形成されている。こ
の通路４９から、冷却空気は、突出部２０に形成された
開口１６を通流して、閉込めキャップと称される第３の
外部冷却空気構造体（積層構造体）９に流入する。閉込
めキャップ９は、内側囲い板３の内向きの表面２４に固
定されている。図３に示すように、閉込めキャップ９の
内側表面３１及び内側囲い板の内向きの表面２４は、冷
却空気１３（図２）が流れる通路（第１の通路）２３を
形成している。冷却空気１３は、通路２３から内側囲い
板に形成されている孔１５を経て翼状部に流入し、最終
的には翼状部の壁に形成されている孔（図示せず）を通
り高温ガス１９内に放出され、翼状部の後縁に設けられ
ている通路（図示せず）経て排出される。

【００１９】同様に、圧縮機部から抽気される冷却空気
５５はロータ３６を通って流れる。この冷却空気は、円
板６３の上流側の面及び閉込めキャップ９上を流れ、し
かる後に内側囲い板上を流れる高温ガス１９内に放出さ
れる。

【００２０】既に述べたように、燃焼部からの高温ガス
１９は、内側囲い板３の外向きの表面３０及び外側囲い
板２の内向きの表面５０上を流れる。囲い板上を流れる
高温ガスの温度は、典型的に約９００℃である。囲い板
は、高温ガスに露出される表面とは反対側の表面２４及
び５１上で冷却空気１１及び１２にさらされる。この冷
却空気の温度は、典型的に約４００℃である。その結果
、囲い板の平均温度は約７００℃である。

【００２１】囲い板とは対照的に、閉込めキャップ９の
表面３１及び５４のような外部冷却空気構造体の表面は
、それ等の内向き及び外向きの表面の両方で冷却空気に
さらされる。従って、何らかの意図的な加熱がない場合
、この構造体の温度は、近似的に冷却空気の温度、即ち
４００℃である。その結果、囲い板と外部冷却空気構造
体との間には大きな温度差が生じ、そのため、上記２つ
の構成要素間には相当大きな熱膨張差が存在し、大きな
熱応力が生ずる。本発明は、閉込めキャップ９を意図的
に加熱することにより、閉込めキャップ９と内側囲い板
３との間における上記の熱膨張差を最小にする装置及び
方法に関するものである。

【００２２】図３及び図４に示すように、本発明によれ
ば、閉込めキャップ９の第１表面即ち内側表面３１と第
２表面即ち外側表面５４との間に第２の通路（高温ガス
流路）５９が形成される。好適な実施例では、この通路
５９は、ろう付け又は拡散結合によりサンドイッチ状に
表面に沿って結合された薄板の第１、第２の層１７及び
１８を含む積層構造体から閉込めキャップ９を形成する
ことにより生成される。好適な実施例においては、各層
１７、１８は、約０．０７６ｃｍ（０．０３０インチ）
の厚さである。２つの層１７及び１８間には通路５９が
形成される。積層構造体の層１７が、図６の（ａ）及び
（ｂ）に、閉込めキャップ９に成形される以前の状態で
示してある。好適な実施例においては、通路５９は、層
１７を層１８に接合する表面に研削された溝からなる。 通路５９は、図６の（ａ）に示すように、蛇行状配列に
形成することができ、２つの端部４６及び４７を有する
。この蛇行状配列によれば、多重往復流路が得られる結
果、閉込めキャップ９全体にわたり均等な加熱が実現さ
れる。或は、２つ又は３つ以上の蛇行状の通路を板に並
置関係で形成し、それぞれの通路にそれ自身の端部を設
ける構成を採ることもできる。更に、図６の（ｂ）に示
すように、直線状の流路４２、４３を有する積層板４９
を用いることも可能である。この場合、通路４２及び４
３が入口及び出口マニホールドをそれぞれ形成している
。入口及び出口マニホールドは、一連の平行な流路４５
により相互に接続されている。

【００２３】好適な実施例に示すように、通路５９は、
上記積層構造体の外寄りの層１７にのみある溝により形
成されている。しかし、通路は、内寄りの層１８に溝を
形成することにより、或は双方の層に互いに組み合う溝
を形成することにより実現可能であろう。好適な実施例
においては、溝の深さは近似的に層１７の厚さの約２分
の１であり、そして溝のピッチはその幅の約２倍であり
、それにより、閉込めキャップの表面全体にわたり適切
且つ均等な加熱が確保される。

【００２４】図４に示すように、通路（ガス入口指向手
段）２９は内側の囲い板３に形成されている。該通路２
９の入口２７は、内側の囲い板の外向きの表面３０に設
けられ、そして出口３９は、内側の囲い板の突出部２０
の下流側の表面上に設けられている。内側囲い板の外向
きの表面３０上を流れる高温ガス１９の一部（第１の部
分）２６は、入口２７から入って通路２９を流れ、出口
３９で放出される。該出口３９から、高温ガス２６は、
閉込めキャップ９の外側表面５４に固定されている板１
４及び突出部２０により形成される空洞５３内に流入す
る。高温ガスは、該空洞５３から積層構造体の層１８に
形成されている開口４１を通って流れる。該開口４１は
、図６の（ａ）に示してある蛇行状通路の端部４６と整
列しており、従って、該開口４１が通路５９に対する入
口を形成している。層１８には第２の開口４０が形成さ
れており、この開口４０は、蛇行状通路の端部４７と整
列してしており、それにより、通路５９の出口を形成し
ている。高温ガス２６は、通路５９を流れて、開口４０
を通り、内側囲い板の下流側で高温ガス１９内に放出さ
れる。図６の（ｂ）に示してある別の配列もしくは構成
においては、入口４１及び出口４０は、それぞれ、入口
マニホールド４２及び出口マニホールド４３に接続され
る。

【００２５】高温ガス１９の圧力は、タービン部を流れ
る際に該タービン部で受ける膨張の結果として減少する
。図５に見ることができるように、翼セグメントに対す
る出口６２の流れ断面積は、入口６１における流れ断面
積よりも大きい。従って、内側囲い板の上流側部分、即
ち、翼セグメント入口６１近傍の部分上を流れる高温ガ
スの圧力は、囲い板の下流側の部分、即ち、翼セグメン
ト出口６２近傍の部分を流れる高温ガスの圧力よりも大
きい。通路２９に対する開口２７は、内側囲い板の上流
側部分に形成されており、出口４０は、囲い板の下流側
の部分上を流れる高温ガス１９に開口しているので、通
路２９及び５９を経る高温ガス２６の流れを誘起するよ
うな圧力差が存在する。更に、図４に示してあるように
、通路２９の最初の部分は、高温ガスの流れを良好に受
け入れることができるように、軸方向上流側に向かい或
る角度で傾斜している。

【００２６】既に述べたように、内側囲い板の外向きの
表面３０上を流れる高温ガス１９の温度は約９００℃台
であり、他方、内側囲い板の温度は僅かに７００℃台に
過ぎないので、上述の積層構造体を経る高温ガス２６の
流れで、閉込めキャップの温度が過度に上昇する危険が
ある。この閉込めキャップが過度に加熱すると、積層構
造体が弱体化し、それにより、閉込めキャップ内を流れ
る冷却空気１３と関連する圧力に耐える能力が減少する
。加えるに、過度の加熱は、反対の方向に付加的な熱応
力を発生する可能性がある。言い換えるならば、閉込め
キャップは、内側囲い板を更に膨張する傾向を有するこ
とになる。従って、本発明の好適な実施例においては、
通路２９に流入する高温ガス２６の温度を調節している
。この調節は、図４に示すように、通路２６に対する入
口２７の上流側で内側囲い板に形成された孔６５を含む
温度調節機構により達成される。孔６５を含む温度調節
機構は、内側囲い板の内向きの表面から外向きの表面に
延在していて、通路４９を流れる冷却空気１２の一部２
５を、内側囲い板上を流れる高温ガス１９に指向させ、
それにより、通路２９内に流入する高温ガス２６の温度
を減少している。孔６５の寸法を適切に選択することに
より、上記積層構造体を流れる高温ガス２６の温度を、
閉込めキャップ９が、充分な強度を維持し、熱膨張差を
最小にするのに必要な適当な温度範囲内で動作するよう
に調整することができる。

【００２７】図５に示してあるように、翼セグメントの
翼状部７は、凸状表面５６及び凹状表面４４を有してい
る。この形状の結果、これ等の表面は、高温ガス１９の
流れを、翼セグメントを通し方向６６に沿って案内する
。好適な実施例においては、孔６５に対する出口２８は
、入口２７の上流側で、方向６６に沿い通路２９に整列
されている。この構成により、高温ガス２６が入口２７
に流入する前に、冷却空気１２と高温ガス１９との間に
適切な混合が行われる。

【００２８】最後に、本発明のこの好適な実施例におい
ては、当該技術分野で周知のセラミック製のような熱障
壁もしくは熱バリヤ被覆６０が、図３に示すように、閉
込めキャップ９の内側表面３１及び外側表面５４に塗布
されている。この熱バリヤ被覆は層１７、１８から冷却
空気１３、５５への熱伝導を遅延し、それにより、冷却
空気１３の不必要な加熱が回避されると共に、通路５９
を流れる高温ガス２６による閉込めキャップ９の適切な
加熱が保証される。

【００２９】以上、翼セグメントの内側囲い板に設けら
れている閉込めキャップに関連して説明したが、ここに
開示した本発明の原理は、取り付けられている部材より
も温度が低い結果として過度の熱膨張差を受けるガスタ
ービン部材に形成されている他の構造体にも同様に適用
可能である。更に、本発明の好適な実施例に関連して説
明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱すること
なく他の変形や変更が可能であろう。

【００３０】従って、本発明は、タービン環境であるか
否かに関係なく、空気のような冷却媒体が容器を通流し
、該容器の外側が高い温度に加熱されるような閉込め容
器或は通路の構造体にも適用可能である。このような事
例においては、少なくとも第２の要素の一部分を通流す
る通路及び上記容器又は通路の外部に存在する高温ガス
のような加熱媒体の一部を制御可能に上記通路を介して
通流するための手段を設け、それにより、閉込め領域周
囲の温度差を減少もしくは調節する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービンを一部切除して示す斜視図。

【図２】１つの翼列近傍におけるガスタービンのタービ
ン部の一部を示す横断面図。

【図３】内側囲い板に形成されている閉込めキャップを
示す、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図。

【図４】図３の線ＩＶ−ＩＶにおける横断面図。

【図５】２つの隣接する翼セグメントを示す、図４の線
Ｖ−Ｖにおける横断面図。

【図６】閉込めキャップを構成する積層構造体の層間に
形成される高温ガス流路配列の２つの実施例、即ち蛇行
状配列（ａ）及び直線状配列（ｂ）を示す平面図。

【符号の説明】

１　　　　翼セグメント ３　　　　内側囲い板（部材） ９　　　　構造体もしくは積層構造体（閉込めキャップ
）１７　　構造体の第１の層 １８　　構造体の第２の層 ２３　　第１の通路（通路） ２４　　囲い板の第２の表面（内向きの表面）２６　　
高温ガスの第１の部分 ２９　　ガス入口指向手段（通路） ３０　　囲い板の第１の表面（外向きの表面）３１　　
構造体９の第１表面（内側表面）３３　　冷却空気供給
源（圧縮機部） ３４　　燃焼部 ３５　　タービン部 ４０　　通路５９の出口（開口） ４１　　通路５９の入口（開口） ３８　　高温ガス発生手段（燃焼器） ５４　　構造体９の第２表面（外側表面）５８　　高温
ガスを第１の表面に指向させるガス指向手段（ダクト）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　下記の要件ａ）〜ｃ）を備えたガスタ
   ービン。 ａ）高温ガス発生手段を含む燃焼部、ｂ）第１及び第２
   の表面をそれぞれ有する複数の囲い板が内部に配置され
   ると共に、前記高温ガスを前記各第１の表面上を流れる
   ように指向するガス指向手段を有するタービン部、及び
   ｃ）前記各囲い板の前記第２の表面に固着されると共に
   、それぞれが、積層結合された第１及び第２の層と、前
   記第１及び第２の層間に形成された通路とを備え、前記
   各通路は、前記囲い板の前記第１の表面上を流れる前記
   高温ガスと流れ連通関係にある入口及び出口を有する、
   構造体。
2. 【請求項２】　　第１及び第２の表面を有する部材と、
   該部材の前記第１の表面上を流れるように高温ガスを指
   向するガス指向手段と、冷却空気供給源とを有すると共
   に、前記高温ガスが通流するガスタービンにおいて、前
   記冷却空気供給源からの冷却空気を受け入れ分配するた
   めの装置であって、該装置が、ａ）前記部材の前記第２
   の表面に固着されると共に、第１及び第２表面を有する
   構造体と、ｂ）前記構造体の前記第１及び第２表面間に
   配置されると共に、入口を有する高温ガス流路と、ｃ）
   前記部材の前記第１の表面上を流れる前記高温ガスの第
   １の部分を前記高温ガス流路の前記入口に指向するガス
   入口指向手段と、を含むガスタービン。
3. 【請求項３】　　第１及び第２の表面を有する囲い板を
   含む翼セグメントを備え、高温ガスが前記第１の表面上
   を流れ、冷却空気が前記囲い板に供給され、前記翼セグ
   メントが前記囲い板の前記第２の表面に固着された積層
   構造体を有し、該積層構造体が、前記囲い板の前記第２
   の表面上に前記冷却空気のための第１の通路を形成する
   と共に、該積層構造体に第２の通路が形成されている、
   前記高温ガスが通流するガスタービンにおいて、前記積
   層構造体及び前記囲い板間の熱膨張差を減少させる方法
   であって、ａ）前記囲い板の前記第１の表面上を流れる
   前記高温ガスの第１の部分を前記第２の通路に導き、ｂ
   ）前記高温ガスの前記第１の部分を前記第２の通路を通
   るように流し、ｃ）前記第２の通路を流れる前記高温ガ
   スを、前記囲い板の前記第１の表面上を流れる前記高温
   ガスに戻す、諸ステップを含むガスタービンにおける熱
   膨張差減少方法。