JPH11294104A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービンのシュラウドの内周側面の円滑な
冷却を確保し、高効率に運転できるガスタービンを提供
する。 【解決手段】ガスタービンの動翼の外周側に流路を形成
するシュラウドを備えたガスタービンにおいて、内部に
冷却媒体が導かれるキャビティと、シュラウドのキャビ
ティの第１動翼の下流側の軸方向位置から前記キャビテ
ィに導かれた冷却媒体が取り込まれる取り入れ口と、該
取り入れ口から取り込まれた冷却媒体が流れシュラウド
の第１動翼より上流側の軸方向位置に出口を備え、シュ
ラウドの内周面に沿った対流冷却流路を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン設備に
係わり、特に動翼を囲むように周方向に配置され、冷媒
の流路を有するシュラウドを備えたガスタービン設備に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの動翼の外周側に形成さ
れ、燃焼ガス流路壁を形成し、冷却媒体の流路を備える
シュラウドの構造に関して、例えば特開昭63−234301号
公報には、シュラウドセグメント２１の内周側に遮熱板
２５を設け、シュラウドセグメント２１に多数設けた空
気冷却孔から噴出された空気がセグメント２１と遮熱板
２５との間隙からガス流路部へ流れる構造が記載されて
おり、前記間隙の間隔を調整して熱伝達による流入熱量
を調整して冷却効果の向上を図ることが記載されてい
る。

【０００３】また、特開昭62−153504号公報にはシュラ
ウドのキャビティからの空気が供給され、シュラウドキ
ャビティと動翼の上流側に連通する冷却路が設けられて
おり、少量の冷却空気で熱効率良く例訳できる旨が記載
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、ガスタービン設
備の熱効率向上のため、作動ガスの高温・高圧化が進め
られている。このように、作動ガス温度や圧力が高くな
るとガスタービン構成部材の温度環境が厳しくなる。

【０００５】このような高温ガスタービン設備において
は、設備の信頼性を確保するためにタービン翼や作動ガ
ス流路壁など高温部の冷却が不可欠である。タービン翼
および作動ガス流路壁の冷却媒体として、ガスタービン
設備を構成している圧縮機から空気を一部抽出し、これ
を充てている場合が多い。

【０００６】高温・高圧の作動流体が流れるガスタービ
ンであっても高効率で運転するには、作動ガス温度の低
下を抑制することが望まれる。シュラウドにおいては、
シュラウドに対応する動翼の上流側と下流側とでは温度
差が大きくなる傾向にあり熱応力が大きくなるため、シ
ュラウド部の冷却を円滑に行う必要がある。

【０００７】しかし、特開昭63−39301 号公報の構造で
は、軸方向に渡って多数の冷却孔から空気を噴出してシ
ュラウド内周側面の冷却を図る構造とすると、セグメン
ト２１と遮熱板２５との間に形成される間隙の出口に近
い領域にある冷却孔と遠い領域にある冷却孔とでは流れ
の偏りを抑制することは困難で、シュラウドの内周側面
の一部領域の冷却が円滑に行かなくなる恐れがある。ま
た、特開昭62−153504号公報でも、同様である。

【０００８】そこで、高温の作動流体が流れるガスター
ビン設備であっても、シュラウドの内周側面の円滑な冷
却を確保し、高効率に運転できるガスタービン設備を提
供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機と、前
記圧縮器から吐出された空気が供給されて燃料を燃焼す
る燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼排ガスが供給される
ガスタービンとを備え、前記ガスタービンの動翼の外周
側に位置し、作動ガス流路の外周壁を形成するシュラウ
ドを備えたガスタービン設備において、前記シュラウド
の内部に形成され、内部に冷却媒体が導かれるキャビテ
ィと、前記キャビティに開口し、キャビティの下流側の
軸方向位置から前記キャビティに導かれた冷却媒体が取
り込まれる取り入れ口と、前記取り入れ口から取り込ま
れた冷却媒体が流れ、対向する動翼の先端の上流端より
上流の軸方向位置に出口を備え、シュラウドの内周面に
沿った対流冷却流路を備えることを特徴とする。

【００１０】または、動翼の外周側に位置し、燃焼ガス
の流路壁を形成するシュラウドと、シュラウド内に形成
され、冷却媒体が供給されるキャビティと、対応する動
翼先端の軸方向位置より上流側に位置する出口と、キャ
ビティの下流側の軸方向位置に設置される入口とを備
え、前記一対の出口と入口とを連絡する連絡流路とを備
えることを特徴とする。

【００１１】これにより、高温・高圧型のガスタービン
設備であっても、少量の冷却空気で受熱部を効率良く冷
却できる。

【００１２】このため、高効率の運転ができる。また、
第１段動翼部では上流側と下流側の温度差が大きくなっ
ても円滑な冷却が可能となり、熱応力を緩和することが
できる。

【００１３】また、前記ガスタービン設備において、前
記出口がシュラウドの上流側側面に設置されることを特
徴とする。

【００１４】また、前記ガスタービン設備において、前
記対流冷却流路は軸方向に複数設置されることを特徴と
する。

【００１５】また、前記ガスタービン設備において、前
記シュラウドと隣接する静翼の根本部には前記出口から
噴出した冷媒をガスタービンの動作ガスの流れる流路に
導く凹部を備えることを特徴とする。

【００１６】また、前記ガスタービン設備において、前
記キャビティには、キャビティに導かれた冷却媒体をキ
ャビティの内周側面に向けて噴出するインピンジプレー
トが設置されることを特徴とする。

【００１７】具体的には、例えば、シュラウドの内周側
面とほぼ同じ高さに形成され、動翼下流側を入口にし
て、シュラウド上流側側面を出口とし、前記内周側面に
沿って軸方向に流れる連絡流路を備える。

【００１８】また、言い換えれば、インピンジプレート
を経た空気を取り込み排ガスの流れる作動ガス流路に排
出する一対の出入り口を備え、シュラウドの内周面に沿
って形成される対流冷却経路を有する。

【００１９】高温の作動ガスが流れる場合、その分、信
頼性を確保するために高温部の冷却を強化する必要があ
る。強化手段の一つとして単に冷却空気量の割り増すよ
うにすると、冷却空気量の増加は圧縮機から抽出する空
気量の増加することになる。このため、タービンを通過
する作動ガス流量が減少する。また、冷却空気の作動ガ
ス中への放出は、作動ガス温度の低下や混合損失の増大
を招く。特に高温ガスタービン設備に見られるように作
動ガス温度が１５００℃に近い場合等には、冷却空気量
増大に起因するこれらデメリットも大きくなる傾向にあ
る。

【００２０】しかし、以上記載した本発明により、部材
の円滑な冷却を図りつつ、冷却空気量が増大することを
抑制できるので、動作ガスに放出される冷却ガスも抑制
でき、冷却空気増大に起因する損失を抑制して高効率の
ガスタービン設備を形成することができる。

【００２１】尚、本発明は、タービンに入る作動ガス温
度が１４００℃或いは１５００℃以上になるような高温
高圧の環境で使用されるガスタービン設備に適用するこ
とが好ましい。しかし、必ずしもこれに限られる訳では
なくより低温の作動流体が導入されるガスタービン設備
に適用することもできる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。

【００２３】図５は本発明を適用したガスタービン設備
の回路図である。本ガスタービン設備は、主として圧縮
機１２，燃焼器１３およびガスタービン１４により構成
されている。ガスタービンはロータとその外周に、周方
向に多数動翼が設置され、軸方向に多段の段落を形成す
る。圧縮機１２は大気１５を吸い込み、所定の圧縮比１
６まで圧縮する。例えば、２０ata 程度にする。圧縮さ
れた空気は燃焼器１３に導かれ、燃料１６とともに燃焼
せしめられる。生成された１４００℃を超える高温・高
圧の燃焼ガス１９は、ガスタービン１４に導かれ、静翼
と動翼とを具備する段落構造の翼列を通過する際に膨張
し、軸動力を発生させる。発生した軸動力は発電機１に
より電力に変換される。また、冷却空気が圧縮機１２よ
り抽気され高圧冷却空気流路６１ｎ，中圧冷却空気流路
６２ｎ，低圧冷却空気流路６３ｎおよび動翼冷却空気流
路６１ｂを経てタービン翼や作動ガス流路壁などの高温
部に供給される。

【００２４】仕事をして圧力と温度が低下した燃焼ガス
は、排気ガス１７としてガスタービン１４より排出され
る。さらに、図４を追加して冷却空気の経路について詳
しく説明する。図４は図５に示したガスタービン１４の
詳細な断面図である。

【００２５】第１段静翼４１ｎ，第２段静翼４２ｎおよ
び第３段静翼４３ｎはケーシング７１に固定されてお
り、これら静翼４１ｎ，４２ｎおよび４３ｎとケーシン
グ７１の間には、それぞれケーシングキャビティ８１，
８２および８３が周方向ドーナツ状に形成されている。
これらケーシングキャビティ８１，８２および８３にそ
れぞれ高圧冷却空気供給流路６１ｎ，中圧冷却空気供給
流路６２ｎおよび低圧冷却空気供給流路６３ｎが接続し
ており、冷却空気が供給される。また、第１段動翼４１
ｂを囲むように第１段動翼シュラウド４１ｓが周方向に
配置されており、該シュラウド４１ｓの外周側にケーシ
ング部材とシュラウド部材間に構成されるシュラウドキ
ャビティ４１ｃが形成されている。該シュラウドキャビ
ティ４１ｃには、図示していないがケーシングキャビテ
ィ８１から高圧冷却空気が供給されるようにすることが
できる。

【００２６】尚、シュラウドキャビティ４１ｃは必ずし
もケーシング７１との間に間隙が形成されるものでなく
とも、ケーシングとシュラウドとの間に中間部材等が配
置され、当該中間部材とシュラウドとの間で形成される
ものであってもよい。

【００２７】ガスタービン１４の高温部の冷却媒体とし
て圧縮機１２から一部の空気が抽出され、これに充てら
れる。本実施例では圧力が５ata ，８ata および１６at
a の異なる３個所から抽出している。ここでは、これら
の異なる圧力の空気をそれぞれ高圧空気，中圧空気およ
び低圧空気と表現することにする。抽出された冷却空気
は、高圧冷却空気流路６１ｎ，中圧冷却空気流路６２
ｎ，低圧冷却空気流路６３ｎおよび動翼冷却空気流路６
１ｂを経て、それぞれ第１段ケーシングキャビティ８
１，第２段ケーシングキャビティ８２，第３段ケーシン
グキャビティ８３および第１段動翼４１ｂと第２段動翼
４２ｂに供給される。供給された冷却空気は、それぞれ
第１段静翼４１ｎ，第２段静翼４２ｎおよび第３段静翼
４３ｎに備えられた冷却空気流路に導かれ、各静翼およ
び作動ガス流路壁を冷却した後、作動ガス流路中に噴出
される。第１段動翼４１ｂと第２段動翼４２ｂに供給さ
れた冷却空気も同様に、これらの動翼に備えられた冷却
空気流路に導かれ動翼を冷却した後、作動ガス流路中に
噴出される。また、図示していないが、第１段ケーシン
グキャビティ８１からシュラウドキャビティ４１ｃへ冷
却空気が供給される。図１を用いて第１の実施例を詳述
する。

【００２８】シュラウド４１ｓの内周側面(ガス流路側
面)を構成する部材のほぼ同じ半径位置にガスタービン
軸方向に対流冷却流路４１ｄが形成されている。その開
口端の片方は冷却媒体出口である冷却空気の噴出口４１
ｅがシュラウド４１ｓの対応する動翼の先端の上流側端
より上流側に設置される。例えば、図１のようにシュラ
ウド上流側側面４１ｇ部に形成される。もう片方はシュ
ラウドキャビティ４１ｃ内の冷却媒体を取り入れる取り
入れ口に連絡する。取り入れ口は、シュラウドキャビテ
ィ４１ｃの内周側面の少なくとも下流側領域に配置され
る。好ましくは、シュラウドキャビティ４１ｃの下流側
端部付近に形成されるようにしてもよい。シュラウドキ
ャビティ４１ｃ側からシュラウド内周面４１ｆ側を見る
と、シュラウド内周面の下流側に取り入れ口が形成され
る領域があり、当該領域より上流側には取り入れ口が存
在せず、対流冷却流路４１ｄを形成している領域がある
ようになっていてもよい。また、対流冷却流路４１ｄは
周方向に隣接して多数備えることが好ましい。

【００２９】また、或いはシュラウドキャビティ４１ｃ
の内周面(シュラウド内周面４１ｆ)を構成する部材は、
下流側に肉厚の薄い領域と該領域の上流に肉厚のより厚
い領域が形成され、肉厚の厚い領域には対流冷却流路４
１ｄを構成している。肉厚の厚い領域の下流側の端部に
取り入れ口を配置することが好ましい。また、シュラウ
ド内周面４１ｆからほぼ同じ高さに取り入れ口及び噴出
口４１ｅを構成することが好ましい。

【００３０】シュラウドキャビティ４１ｃにはインピン
ジプレート４１ｐが設置される。インピンジプレート４
１ｐを通った冷却媒体はシュラウド内周面に吹き付けら
れる。

【００３１】インピンジプレート４１ｐを通過した冷却
空気が作動ガス流路を形成している部分のシュラウドキ
ャビティ４１ｃの内周面（ガス流路側面）に衝突してこ
の部分を冷却している。具体的には、インピンジプレー
ト４１ｐを通過した冷却空気は、まず、対流冷却流路４
１ｄを形成している同内周面に衝突してこの部分を冷却
している。

【００３２】そして、インピンジプレート４１ｐから噴
出された冷却媒体は、シュラウドキャビティ４１ｃに開
口している対流冷却流路４１ｄの取り入れ口から取り込
まれ、対流冷却流路４１ｄを経て噴出口４１ｅから作動
ガス流路中に噴出される。対流冷却流路４１ｄを冷却空
気が通過して、作動ガス流路を形成しているシュラウド
部分の冷却ができる。

【００３３】一般にインピンジプレートに対向している
被冷却部の温度分布は、冷却空気が衝突している部分が
特に低くなっている。

【００３４】例えば、作動ガス流路を形成している側の
シュラウドの内周側部材を単にインピンジ冷却するもの
の場合、この部分の温度分布はインピンジプレートに形
成された孔の位置に対応した温度分布がある。インピン
ジプレート４１ｐに形成される孔は周方向および流れ方
向の両方向について互い違いになるように配置されてい
るため、インピンジ冷却されている作動ガス流路を形成
しているシュラウド部分は周方向および流れ方向に温度
分布がある。その規模は冷却空気温度、すなわち、ここ
ではシュラウドキャビティ４１ｃに供給される温度と作
動ガス温度に依る。本実施例におけるシュラウドキャビ
ティ４１ｃへ供給される冷却空気温度は例えば約４００
℃であり、作動ガス温度は約１４００℃である。すなわ
ち、作動ガス流路を形成するシュラウド部分の温度分布
には、周方向と流れ方向に非常に大きな変化があり、大
きな熱応力が発生している。一方、本実施例において
は、作動ガス流路を形成するシュラウド部分の冷却は、
対流冷却流路４１ｄを冷却空気が通過することによりな
されており、周方向には対流冷却流路４１ｄの位置に対
応した温度分布があるが、下流側に設置された取り入れ
口から入った冷却媒体が軸方向上流側へ流れて行くた
め、流れ方向の温度分布が大きくつくことを抑制でき
る。また、対流冷却流路４１ｄを流れる冷却空気はイン
ピンジ冷却後の空気であるので、作動ガスとの温度差
が、緩和される。総じてシュラウド４１ｓに作用する熱
応力が緩和される。

【００３５】また、高温・高圧型のガスタービンで、第
１段動翼部では上流側と下流側の温度差が大きくなって
も円滑な冷却が可能となり、係る点からも熱応力を緩和
することができる。

【００３６】このため、高温・高圧流体が流れるガスタ
ービンであっても効率良い運転が可能となる。

【００３７】また、噴出口をシュラウド上流側側面４１
ｇに設置することにより、作動ガス流路に直接面する側
に孔等の部材を設けないので、亀裂等の発生を抑制し、
信頼性を高めることができる。また、隣接する静翼根本
部の冷却ができる。

【００３８】また、上流側に隣接する静翼の根本部に
は、噴出口４１ｅに対向する位置に噴出された冷却空気
用ガイド（凹形の溝）４１ｈが形成されていることが好
ましい。本凹形の溝４１ｈがない場合、噴出口４１ｅか
ら噴出された冷却空気は、対向する位置にほぼ垂直に衝
突して拡散する。一方、本溝４１ｈを有する場合、冷却
空気は、噴出口４１ｅに対向する位置に形成された凹形
溝４１ｈにより比較的なめらかに流れが反転する。よっ
て、シュラウド内周面４１ｆにフィルム状冷却空気層を
形成しやすくなる。フィルム状冷却空気層は、作動ガス
が直接シュラウド内周面４１ｆに接触するのを防止す
る。つまり、より効率良い冷却を実現できる。また、噴
出口４１ｅに対向する部品に形成された凹形溝により、
該部品が噴出された冷却空気と接触する面積が増大す
る。これにより前記部品の冷却が強化される。

【００３９】また、本実施例の構造を採用し、動翼を通
過する作動ガス流量を増大させると、ガスタービン出力
が増加し、熱効率を向上させることができる。また、冷
却空気噴出口数の低減，冷却空気噴出口のシュラウド上
流側側面への移動，インピンジ冷却と対流冷却の併用に
よりクラック発生の危険性を低減させ、熱応力を低減さ
せることができる。これにより、ガスタービンの信頼性
を向上させることができる。

【００４０】本発明は高温高圧の作動流体が流れるガス
タービン設備について説明したが、これに限られる訳で
はない。

【００４１】図２を用いて第２の実施例を説明する。

【００４２】図２は基本的には図１と同様であるが、図
１に示した実施例においてインピンジプレート４１ｐを
除去した点で相違する。インピンジ冷却の効果がなくな
るが、シュラウドキャビティ４１ｃに面するシュラウド
内周面の下流側端に開口し、対向する動翼の先端の上流
側端より上流側に噴出口を有する（図では、シュラウド
上流側側面４１ｇに噴出口を配置）する対流冷却流路４
１ｄを有するため、実施例１で前述した同流路による効
果が得られる。また、本実施例ではシュラウド４１ｓ内
の構造が簡単になるため、組立やメンテナンスが容易と
なる。また、図１に示した実施例よりも低い温度の作動
ガスが流れる段落に使用することが好ましい。また、図
１に示した構造のガスタービン設備より低いガス温度の
ガスタービン設備に適用することもできる。

【００４３】図３を用いて第３の実施例を説明する。

【００４４】本実施例は基本的には図１と同様である
が、シュラウドキャビティ４１ｃにシュラウド内周面側
とを隔てる流路板４１ｔを有する。流路板４１ｔは、シ
ュラウドキャビティ４１ｃに供給される冷却媒体をシュ
ラウド内周面側に導く取り入れ口をシュラウドキャビテ
ィ４１ｃの下流側位置に設置する。また、前記流路板４
１ｔで形成されたシュラウド内周面側空間に供給される
冷却媒体を、対向する動翼４１ｂの先端の上流側端より
上流側に噴出する噴出口を備える流路４１ｕを構成す
る。本図では流路４１ｕはシュラウド上流側側面４１ｇ
に噴出口を配置している。前記取り入れ口や噴出口は前
記周方向に沿って多数配置されていることができる。ま
た、好ましくは前記流路板４１ｔに軸方向に多数の仕切
板を設けて、取り入れ口から導入されたシュラウドキャ
ビティ４１ｃからの冷却媒体を作動ガスの下流側から上
流側への軸方向に安定して流れるようにすることが好ま
しい。

【００４５】これにより、図１と同様の効果を奏するこ
とができる。本構造にすると、組立部材は図１の構造よ
り多くなるが、対流冷却流路４１ｄの形成が容易とな
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明によって、ガスタービン設備の、
シュラウドの内周側面の円滑な冷却を確保し、高効率に
運転できるガスタービン設備が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すガスタービンのシュラ
ウドの断面図である。

【図２】本発明の一実施例を示すガスタービンのシュラ
ウドの断面図である。

【図３】本発明の一実施例を示すガスタービンのシュラ
ウドの断面図である。

【図４】本発明一実施例のガスタービン設備のガスター
ビンの断面図である。

【図５】本発明一実施例のガスタービン設備の回路図で
ある。

【符号の説明】

４１ｂ…冷却媒体流路を備えた第１段動翼、４１ｃ…シ
ュラウドキャビティ、４１ｄ…対流冷却流路、４１ｅ…
冷却空気の噴出口、４１ｆ…シュラウド内周面、４１ｇ
…シュラウド上流側側面、４１ｈ…噴出された冷却空気
用ガイド、41ｐ…インピンジプレート、４１ｓ…シュラ
ウド。

フロントページの続き (72)発明者 川池 和彦 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機と、前記圧縮器から吐出された空気
   が供給されて燃料を燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から
   の燃焼排ガスが供給されるガスタービンとを備え、前記
   ガスタービンの動翼の外周側に位置し、作動ガス流路の
   外周壁を形成するシュラウドを備えたガスタービン設備
   において、 前記シュラウドの内部に形成され、冷却媒体が導かれる
   キャビティと、 前記キャビティに開口し、キャビティの下流側の軸方向
   位置から前記キャビティに導かれた冷却媒体が取り込ま
   れる取り入れ口と、 該取り入れ口から取り込まれた冷却媒体が流れ、対向す
   る動翼の先端の上流端より上流の軸方向位置に出口を備
   え、シュラウドの内周面に沿った対流冷却流路を備え
   る、ことを特徴とするガスタービン設備。
2. 【請求項２】請求項１のガスタービン設備において、 前記出口がシュラウドの上流側側面に設置されることを
   特徴とするガスタービン設備。
3. 【請求項３】請求項１のガスタービン設備において、 前記対流冷却流路は軸方向に複数設置されることを特徴
   とするガスタービン設備。
4. 【請求項４】請求項１のガスタービン設備において、 前記シュラウドと隣接する静翼の根本部には前記出口か
   ら噴出した冷媒をガスタービン設備の作動ガスの流れる
   流路に導く凹部を備えることを特徴とするガスタービン
   設備。
5. 【請求項５】請求項１のガスタービン設備において、 前記キャビティには、キャビティに導かれた冷却媒体を
   キャビティの内周側面側に向けて噴出するインピンジプ
   レートが設置されることを特徴とするガスタービン設
   備。