JPH06159099A - 軸流流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸流流体機械の信頼性を低下させることな
く、回転部と静止部との間隙量を定格出力点で最適化す
る。 【構成】 防熱セグメント１５は、動翼６の先端６ａに
対向する本体１５ａと、この本体１５ａから突出する一
対の湾曲形状アーム１５ｂとから構成され、これらのア
ーム１５ｂは線膨張係数が変化する傾斜機能材料から作
られている。アーム１５ｂは冷却空気７が昇温すると、
傾斜機能材料の作用によって湾曲の曲率半径が大きくな
るように熱変形する。このアーム１５ｂの熱変形によっ
て、動翼先端６ａと防熱セグメント１５の表面３０との
間のチップクリアランス２１が、ガスタービンの出力定
格点で最小に保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は軸流流体機械に係り、特
に動翼先端と防熱セグメントとの間の間隙量や動翼と静
翼内輪との間の間隙量を最適値に調整することができる
ガスタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電プラントに使用されているガス
タービンは、図６に示したようにタービン軸１には圧縮
機軸２が一体に設けられ、この圧縮機軸２の駆動によっ
て空気が圧縮される。この圧縮された空気は燃焼器３で
燃料を燃焼させ、この燃焼による高温の燃焼ガスはトラ
ンジションピース４を介して静翼５に流入し、この静翼
５に案内されて動翼６に流入し、この動翼６を回転駆動
する。このような構成のガスタービンは、熱効率の向上
のためにタービン入口温度の高温化が行われ、このター
ビン入口温度の高温化により、燃焼器３やトランジショ
ンピース４や静翼５や動翼６などは耐熱性の超合金材料
が使用されている。

【０００３】ところが、現在ガスタービンの高温部材と
して使用されている耐熱性超合金材料は使用限界温度が
８００〜９００°Ｃであるのに対し、タービン入口温度
は約１３００°Ｃに達するため、耐熱性超合金材料の部
品を使用限界温度以下に冷却する冷却構造が採用されて
いる。

【０００４】図７はこの冷却構造の一例を示したもの
で、冷却空気７は図６の燃焼器３をバイパスした圧縮機
出口の空気が使用され、この冷却空気７は、静翼５の外
径側キャビティー部８に供給されケーシング９を冷却し
た後に、その一部が静翼５の内部に流入して静翼５を冷
却し、燃焼器３からの高温主流ガス１０の流通路１１に
放出される。外径側キャビティー部８に供給された冷却
空気７の残部は、シュラウドセグメント１２の外径側に
形成されたシュラウドセグメントキャビティー部１３に
導入され、ケーシング９とシュラウドセグメント１２と
を冷却した後に、更に防熱セグメントキャビティー部１
４に流入して防熱セグメント１５を冷却した後に、流通
路１１に放出される。

【０００５】また、ホイールスペース１６に導入された
シール空気１７は、動翼フィン１８とこれに対向する静
翼５及び静翼内輪１９との間の間隙、即ち動翼フィンク
リアランス２０を通過して流通路１１に放出され、これ
によって高温主流ガス１０がホイールスペース１６に流
入することを防止している。なお、このシール空気１７
は冷却空気７と同様に、燃焼器３をバイパスした圧縮機
出口の空気が使用される。

【０００６】このような構成にあっては、ガスタービン
の熱効率を向上するために、動翼６の先端６ａと防熱セ
グメント１５との間の間隙、即ちチップクリアランス２
１をできるだけ小さくして、チップクリアランス２１か
らの高温主流ガス１０の漏出を最小にすることが必要で
あり、同様に、動翼フィンクリアランス２０をできるだ
け小さくして、このクリアランス２０を流通するシール
空気１７を増速し、これによってホイールスペース１６
への高温主流ガス１０の流入を最小にすることが必要で
ある。このようなチップクリアランス２１及び動翼フィ
ンクリアランス２０の間隙量は、ガスタービンが最も高
い熱効率を要求されるガスタービンの定格出力時に、最
小となることが望ましい。しかしながら、これは以下の
理由によって達成することが困難である。

【０００７】図８は横軸がガスタービンの起動時点から
の時間経過であり、縦軸が回転数２２、圧縮機出口空気
温度２３、タービン入口主流ガス温度２４及びガスター
ビン出力２５である。なお、これらの回転数２２、圧縮
機出口空気温度２３、タービン入口主流ガス温度２４及
びガスタービン出力２５は夫々出力定格点での値に対す
る割合で示されている。

【０００８】図８から分かるように、起動点から着火点
までは、回転数２２が徐々に上昇すると、これに伴い圧
縮機出口空気温度２３及びタービン入口主流ガス温度２
４も暫増する。この間は燃焼器３での温度上昇はないの
で、タービン入口主流ガス温度２４は圧縮機出口空気温
度２３に等しい。回転数２２が２０％程度に達すると、
燃焼器３に燃料を吹き込み着火を行う。この着火によっ
て、タービン入口主流ガス温度２４はステップ状に急激
に上昇する。

【０００９】このタービン入口主流ガス温度２４のステ
ップ上昇によって、ガスタービンの出力が急増し、圧縮
機を駆動するのに必要な動力を上回るため、回転数２２
が着火点から急上昇し、これに伴い圧縮機出口空気温度
２３も急上昇する。回転数２２が１００％になると、発
電機を送電系統に投入するための回転数２２の微調整を
行うために、いったんガスタービンで発生する動力と圧
縮機を駆動するのに必要な動力とを一致させる。このた
め、回転数定格無負荷点において、ガスタービン入口主
流ガス温度２４が回転上昇中の時よりもステップ状に降
下する。発電機が送電系統に投入されると、ガスタービ
ン出力２５を増加させるために再びタービン入口主流ガ
ス温度２４は上昇し、ガスタービン出力２５が定格出力
点に達する。ただし、この間は回転数２２は一定である
ため、圧縮機出口空気温度２３も一定である。

【００１０】図９は、横軸がガスタービンの起動点から
の時間経過であり、縦軸が動翼先端６ａの半径方向の移
動量２６及び防熱セグメント１５の表面の半径方向の移
動量２７である。これらの半径方向の移動量２６、２７
は出力定格点での移動量に対する割合で示されている。
また、図１０は横軸がガスタービンの起動点からの時間
経過であり、縦軸がチップクリアランス２１の間隙量２
８である。動翼先端６ａの半径方向の移動量２６は、タ
ービン入口主流ガス温度２４による熱膨張と回転数２２
による遠心力とに夫々起因するが、後者の遠心力による
伸びは前者の熱膨張による伸びに比べて非常に小さい。
従って、移動量２６は、図８及び図９から分かるように
タービン入口主流ガス温度２４の変化とほとんど同一傾
向を示す。

【００１１】他方、防熱セグメント１５の表面の半径方
向の移動は、圧縮機出口空気温度２３によってほとんど
決定される。これは以下の理由による。即ち、防熱セグ
メント１５の表面は高温主流ガス１０にさらされるが、
防熱セグメント１５の残部及び防熱セグメント１５を保
持するシュラウドセグメント１２やケーシング９が冷却
空気７によって冷却されているため、これらの防熱セグ
メント１５やシュラウドセグメント１２やケーシング９
は圧縮機出口空気温度２３に等しい冷却空気７の温度に
応じて熱膨張する。

【００１２】以上の理由によって、図９に示したよう
に、防熱セグメント１５の表面の半径方向移動量２７は
起動点から回転数定格無負荷点までは徐々に増加し、そ
れ以降はほとんど変化しないのに対して、動翼先端６ａ
の半径方向移動量２６は着火点でステップ状に急変化
し、その後に回転数定格無負荷点までは僅かに増加し、
回転数定格無負荷点で小さな変化を起して、その後に出
力定格点まで暫増する。従って、図１０に示したように
チップクリアランスの間隙量２８は着火点で最小になっ
た後、再び増加し、出力定格点でかなり大きな値となっ
てしまう。動翼フィンクリアランス２０に関しても全く
同一である。

【００１３】そこで、出力定格点でのチップクリアラン
ス２１と動翼フィンクリアランス２０の間隙量を充分に
小さくする手段が知られている。これは、図７に示した
ように動翼先端６ａに対向する防熱セグメント１５の表
面と、及び動翼フィン１８に対向する静翼５や静翼内輪
１９とに夫々被削コーティング２９を被覆するものであ
る。動翼先端６ａ及び動翼フィン１８はガスタービンの
着火時に被削コーティング２９を切削し、着火時の間隙
量を零にし、これによって定格出力時にチップクリアラ
ンス２１の間隙量及び動翼フィンクリアランス２０の間
隙量をできるだけ小さくする。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の被削
コーティングの被覆によるチップクリアランス及び動翼
フィンクリアランスの間隙量の最小化は、短時間ではあ
るが、動翼先端及び動翼フィンが被削コーティングに衝
突しそれを切削するので、ガスタービンの信頼性の低下
を招来すると共に、被削コーティングの材料は耐熱性に
乏しいため高温ガスに長時間さらされると、変質し剥離
や減肉が生じ間隙量が増大するといった問題がある。

【００１５】更に、チップクリアランス及び動翼フィン
クリアランスの間隙量は、着火点では確かに零になる
が、しかしながら出力定格点ではそれよりも大きくなる
ので、出力定格点で間隙量を最小化することができな
い。そこで、本発明の目的は、軸流流体機械の信頼性を
低下させることなく、回転部と静止部との間隙量を定格
出力点で最適化することができる軸流流体機械を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、対向部分を有する回転部と、上記回転部の
対向部分に間隙をもって対向する対向部分を有する静止
部とを具備し、上記回転部と上記静止部との一方はほぼ
一定の温度の高温流体にさらされ、上記回転部と上記静
止部との他方は徐々に温度上昇する昇温流体にさらされ
る軸流流体機械において、上記他方の上記対向部分の少
なくとも一部は、位置に応じて線膨張係数が変化する傾
斜機能材料から構成され、上記傾斜機能材料は上記昇温
流体の温度上昇にも拘らず上記間隙をほぼ所定の値に保
持するように熱変形することを特徴とするものである。

【００１７】この構成にあっては、上記一方は上記回転
部であり、この回転部の上記対向部分は動翼先端であ
り、上記他方は上記静止部であり、この静止部の上記対
向部分は防熱セグメントであり、この防熱セグメントは
上記動翼先端に対向する本体とこの本体から突設され、
上記傾斜機能材料から構成された複数のアームとから構
成されることが望ましい。また、上記一方は上記回転部
であり、この回転部の上記対向部分は動翼フィンであ
り、上記他方は上記静止部であり、この静止部の上記対
向部分は静翼内輪であることが好ましい。

【００１８】

【作用】回転部と静止部との一方は、ほぼ一定の温度の
高温流体にさらされ、急激に所定量だけ熱膨張する。こ
れに対して、回転部と静止部との他方は、徐々に温度上
昇する昇温流体にさらされる。しかしながら、この他方
の少なくとも一部を構成する傾斜機能材料は、昇温流体
の温度に応じて熱変形し、回転部の対向部分と静止部の
対向部分との間隙量をほぼ所定の値に保持する。このよ
うに回転部の対向部分と静止部の対向部分との間隙量は
傾斜機能材料の熱変形によって制御されるので、回転部
と静止部との間隙量を軸流流体機械の定格出力点で最適
化することができる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明をガスタービンに適用した一実
施例を図６乃至図１０と同部分には同一符号を付して示
した図１乃至図５を参照して説明する。図１及び図２に
おいて、防熱セグメント１５は、動翼先端６ａに対向し
た本体１５ａと、この本体１５ａから突出した一対のア
ーム１５ｂ，１５ｂとから構成されている。これらのア
ーム１５ｂ，１５ｂは互いに向い合う面が凸になる、換
言すると内側に凸になる湾曲形状であり、線膨張係数の
低い材料と線膨張係数の高い材料とを複合化した傾斜機
能材料が使用されている。この傾斜機能材料はｘが大き
くなるにつれて線膨張係数も大きくなるように定められ
ている。図３はこの膨張係数の変化を示したものであ
る。

【００２０】また、動翼フィン１８も、アーム１５ｂと
同様の傾斜機能材料が使用され、この傾斜機能材料はｘ
が大きくなるにつれて、即ち半径方向外側から内側に向
って線膨張係数が大きくなるように定められている。図
５はこの膨張係数の変化を示したものである。なお、傾
斜機能材料は、上述のように線膨張係数の低い材料と線
膨張係数の高い材料とを複合化したものであり、この線
膨張係数の低い材料としては静翼５や動翼６や防熱セグ
メント１５に用いられている耐熱性超合金流体を使用す
ることができ、線膨張係数の高い材料としてはシュラウ
ドセグメント１２に用いられているオーステナイト系ス
テンレスを使用することができ、焼結溶浸法によって製
造することができるその他の構成は図７と実質的に同一
である。

【００２１】次に、この実施例の作用を説明する。この
ガスタービンが起動されて出力定格点に達するまでの回
転数２２、圧縮機出口空気温度２３、タービン入口主流
ガス温度２４及びガスタービン出力２５の関係は、図８
に示した関係と同一である。従って、着火点において高
温主流ガス１０が流入すると、動翼先端６ａが図９の移
動量２６に示したように移動し、図１０に示したように
チップクリアランス２１の間隙量３２が非常に小さくな
る。

【００２２】冷却空気７は燃焼器をバイパスさせた圧縮
機出口の空気を使用しているため、図８のように着火点
から圧縮機出口空気温度２３が徐々に上昇すると、冷却
空気７も徐々に昇温し、これに伴い、冷却空気７に接触
したケーシング９とシュラウドセグメント１２と防熱セ
グメント１５の温度は、圧縮機出口空気温度２３と同じ
ように上昇する。これによって、ケーシング９とシュラ
ウドセグメント１２は半径方向外側に移動する。しかし
ながらこの時、防熱セグメント１５のアーム１５ｂは傾
斜機能材料の作用によって湾曲部分の曲率半径が大きく
なり、図２の実線で示した形状から破線に示した形状に
変形し、流通路１１に面した防熱セグメント１５の表面
３０とシュラウドセグメント１２に支持される支持面３
１との間隔がＤ１からＤ２へと大きくなる。

【００２３】この間隔Ｄ１からＤ２への増大は、傾斜機
能材料の種類やアーム１５ｂの長さや湾曲部の曲率半径
などによって調整することができる。従って、圧縮機出
口空気温度の上昇による防熱セグメント１５の支持面３
１の半径方向外側への移動にも拘らず、防熱セグメント
１５の表面３０の半径方向の位置をほとんど不変とする
ことができる。これによって、本実施例のチップクリア
ランス２１の間隙量は、図１０に線３２で示したよう
に、着火点から回転数定格無負荷点までほぼ一定とする
ことができ、この結果、出力定格点で最小にすることが
できる。

【００２４】また、動翼フィン１８は、その傾斜機能材
料の作用によって圧縮機出口空気温度２３の温度上昇に
伴い、図４に示したように実線位置３３から破線位置３
４に変形し、これにより、静翼内輪１９や静翼５に対向
するクリアランス面３５が半径方向外側に移動する。従
って、動翼フィンクリアランス２０を出力定格点で最小
にすることができる。以上では、本発明をガスタービン
の実施例に基づき説明した。しかしながら、本発明はこ
れに限らず、任意の軸流流体機械に適用することができ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、回転部の対向部分と静止部の対向部分との間隙
量は、傾斜機能材料の熱変形によって制御されるので、
軸流流体機械の定格出力点で最適化することができる。
更に、従来のガスタービンに使用された被削コーティン
グを動翼先端などで切削することがないので、軸流流体
機械の信頼性を低下させることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による軸流流体機械の実施例を示した断
面図。

【図２】上記実施例の防熱セグメントを拡大して示した
正面図。

【図３】上記実施例の防熱セグメントに使用した傾斜機
能材料の線膨張係数を示したグラフ。

【図４】上記実施例の動翼フィンを拡大して示した正面
図。

【図５】上記実施例の動翼フィンの傾斜機能材料の線膨
張係数を示したグラフ。

【図６】一般のガスタービンの構造を概略的に示した部
分断面図

【図７】従来のガスタービンの一部を拡大して示した断
面図。

【図８】ガスタービンの運転開始からの時間経過と、回
転数や圧縮機出口空気温度やガスタービン入口主流ガス
温度などとの関係を示したグラフ。

【図９】ガスタービンの運転開始からの時間経過と、動
翼先端及び防熱セグメントの表面の半径方向移動量との
関係を示したグラフ。

【図１０】ガスタービンの運転開始からの時間経過とチ
ップクリアランスとの関係を示したグラフ。

【符号の説明】

５ 静翼（静止部） ６ 動翼（回転部） ７ 冷却空気（昇温流体） １０ 高温主流ガス（高温流体） １５ 防熱セグメント（静止部） １７ シール空気（昇温流体） １８ 動翼フィン（回転部） １９ 静翼内輪（静止部） ２０ 動翼フィンクリアランス（間隙） ２１ チップクリアランス（間隙）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向部分を有する回転部と、上記回転部の
   対向部分に間隙をもって対向する対向部分を有する静止
   部とを具備し、上記回転部と上記静止部との一方はほぼ
   一定の温度の高温流体にさらされ、上記回転部と上記静
   止部との他方は徐々に温度上昇する昇温流体にさらされ
   る軸流流体機械において、上記他方の上記対向部分の少
   なくとも一部は、位置に応じて線膨張係数が変化する傾
   斜機能材料から構成され、上記傾斜機能材料は上記昇温
   流体の温度上昇にも拘らず上記間隙をほぼ所定の値に保
   持するように熱変形することを特徴とする軸流流体機
   械。