WO2012160586A1 - ターボ機械のケーシングシュラウド - Google Patents

ターボ機械のケーシングシュラウド Download PDF

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WO2012160586A1
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gas turbine
blade
stage
casing shroud
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樋口　眞一
圓島　信也
雅美 野田
市朗 三好
拓也 武田
Original Assignee
株式会社 日立製作所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/28—Arrangement of seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/11—Shroud seal segments

Definitions

  • the present invention relates to a turbomachine having a rotor blade and a casing shroud facing the rotor blade.
  • a turbomachine having a rotor blade and a casing shroud facing the rotor blade.
  • a turbomachine having a rotor blade and a casing shroud facing the rotor blade.
  • it is related with the shape of the casing shroud which opposes a rotary blade.
  • the turbine of the gas turbine converts the pressure energy of the working gas into kinetic energy by expanding it, and causes the working gas having the increased kinetic energy to work on the moving blades to generate rotational power.
  • Patent Document 1 An example of coating the surface of the working gas flow path of the casing shroud so that the gas turbine components will not be damaged even if contacted. It is shown in Patent Document 1.
  • An object of the present invention is to provide a gas turbine having high energy conversion efficiency of a moving blade.
  • a gas turbine includes a compressor that compresses air, a combustor that is supplied with air discharged from the compressor and burns fuel, and a combustion gas from the combustor.
  • the turbine is provided with a turbine, and the turbine forms a peripheral blade of a stationary blade, a moving blade positioned downstream of the stationary blade, and an outer peripheral wall of the combustion gas channel positioned on the outer peripheral side of the moving blade.
  • the casing shroud includes a coating having a groove on the combustion gas flow path side surface, and the groove is within a range of ⁇ 10 degrees of the outflow angle of the stationary blade from the upstream end of the coating. It is characterized by extending inward.
  • a gas turbine having high energy conversion efficiency of a moving blade can be provided.
  • the gas turbine according to each embodiment described below reduces the amount of the working gas entrained and reduces the scale of the vortex formed, thereby mitigating the increase in the total pressure loss of the gas. Energy conversion efficiency can be improved. Further, by making the angle of the flow of the working gas flowing out of the moving blade along the casing shroud wall surface the same as the inflow angle of the stationary blade arranged downstream, the working gas flows along the stationary blade. The total pressure loss of gas can also be reduced. In addition, the material cost can be reduced by reducing the amount of coating, and the impact acting on the component at the time of contact can be reduced to improve the reliability.
  • FIG. 9 is a schematic circuit diagram of a gas turbine to which the casing shroud according to the first embodiment is applied.
  • the gas turbine mainly includes a compressor 11 that compresses air, a combustor 12 that is supplied with air discharged from the compressor 11 and burns fuel, and a turbine 13 that is supplied with combustion gas from the combustor 12. And a load 15.
  • the load 15 is a generator.
  • the compressor 11, the combustor 12, the turbine 13, and the generator 15 are connected by the same rotating shaft 14.
  • Compressor 11 sucks air A and compresses it to a predetermined pressure.
  • the compressed atmosphere B is guided to the combustor 12 disposed downstream, and is used to burn the fuel C.
  • the high-temperature and high-pressure combustion gas D generated by the combustion is guided to the turbine 13 disposed downstream.
  • the combustion gas D performs expansion work, and rotational power is generated on the rotating shaft 14. A part of the generated power is consumed to drive the compressor 11, and the remaining power excluding the loss is input to the generator 15 and converted into electric power.
  • the combustion gas D is reduced in temperature and pressure due to expansion work to become exhaust gas E, and is released to the atmosphere through a chimney (not shown).
  • FIG. 10 is a partial cross-sectional view of the compressor 11, the combustor 12, and the turbine 13 illustrated in FIG. 9 taken along a plane including the rotating shaft 14.
  • elements with the same reference numerals indicate the same elements.
  • the turbine 13 follows the flow of the combustion gas D in the first stage stationary blade 21n, the first stage stationary blade 21b, the second stage stationary blade 22n, the second stage stationary blade 22b, the third stage stationary blade 23n, the third stage stationary blade 23b, A four-stage stationary blade 24n and a fourth-stage moving blade 24b are provided.
  • the left side of FIG. 10 is referred to as the upstream side
  • the right side is referred to as the downstream side.
  • a plurality of first stage stationary blades 21n are fixed to the casing 25 via appropriate members along the circumferential direction.
  • a plurality of second-stage stationary blades 22n, third-stage stationary blades 23n, and fourth-stage stationary blades 24n are fixed to the casing 25 via appropriate members.
  • first stage moving blades 21b are implanted in the rotating shaft 14 via appropriate members along the circumferential direction.
  • second-stage moving blades 22b, third-stage moving blades 23b, and fourth-stage moving blades 24b are implanted in the rotating shaft 14 through appropriate members.
  • a plurality of first stage casing shrouds 31 are fixed to the casing 25 in an annular shape on the outer peripheral side of the first stage blade 21b.
  • a second-stage casing shroud 32 is provided on the outer peripheral side of the second-stage moving blade 22b
  • a third-stage casing shroud 33 is provided on the outer peripheral side of the third-stage moving blade 23b
  • a fourth stage is provided on the outer peripheral side of the fourth-stage moving blade 24b.
  • a step casing shroud 34 is fixed to the casing 25.
  • These casing shrouds form the outer peripheral wall of the flow path of the combustion gas D. Since the rotor blades 21b to 24b are rotating bodies and the casing shrouds 31 to 34 are stationary bodies, there is a gap in the radial direction between them. In general, the smaller the gap, the better the turbine performance.
  • FIG. 1 shows the first stage stationary blade 21n, the first stage moving blade 21b, the second stage stationary blade 22n, and the first stage casing shroud 31 as viewed from the arrow F in FIG. 1 and 10 are the same elements.
  • Combustion gas D expands and increases in speed when passing through the stationary blades and moving blades.
  • the moving blade is shaped to change the flow direction of the combustion gas D, and the moving blade receives a force from the combustion gas D by changing the flow direction. As a result, rotational power is generated on the rotating shaft 14 in which the moving blade is implanted.
  • FIG. 2 is a partial view of the first-stage casing shroud 31 and the first-stage moving blade 21b as viewed from the direction of the arrow H in FIG. 1 or the direction of the arrow G in FIG. 1, 2, and 10, the elements having the same reference numerals are the same elements.
  • a coating 41 is formed on the inner peripheral mainstream gas flow path surface of the first stage casing shroud 31.
  • the coating 41 is a softer material than the first stage blade 21b. Even if the first stage casing shroud 31 and the first stage blade 21b come into contact with each other during the operation of the gas turbine, the impact force is small. In many cases, it is constructed for the purpose of preventing only the first stage blade 21b and other gas turbine bodies from being damaged. Although the impact force is small, the contact information is detected by a rotary shaft vibrometer provided in the gas turbine. When the vibration is large, the gas turbine can be stopped immediately.
  • a groove 42 is formed in the coating 41 on the inner circumferential side gas path surface of the first-stage casing shroud 31 shown in this embodiment.
  • the depth of the groove is about the same as the radial gap between the first stage casing shroud 31 and the first stage rotor blade 21b. If the depth of the groove is too shallow, the effect is small. Also, it doesn't mean that the deeper the better, and the effect is almost unchanged above a certain depth. If the depth of the groove is the same as the gap length between the rotor blade and the casing shroud, a high effect can be obtained without causing unnecessary deterioration in productivity and cost increase.
  • the upstream part of the groove 42 has the same angle as the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n. Further, the downstream portion has the same angle as the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n.
  • the intermediate part is formed so that the upstream and downstream grooves are smoothly connected.
  • the angle of the groove 42 described above allows a difference of ⁇ 10 degrees. This range is due to the fact that the design of ⁇ 10% is taken as the actual operating range in view of the incidence characteristics of the performance of the gas turbine blade.
  • the combustion gas D that has exited the first stage stationary blade 21n flows into the first stage rotor blade 21b disposed downstream.
  • the angle of the inflowing flow is substantially the same as the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n.
  • the relative speed viewed from the first stage moving blade 21b is also as designed, and flows in at the same angle as the inflow angle 21bi of the first stage moving blade 21b.
  • the flow near the wall surface becomes slow due to the influence of viscosity and forms a boundary layer.
  • the relative speed viewed from the first stage moving blade 21b differs from the design value. That is, gas flows in at an angle different from the inflow angle 21bi of the first stage blade 21b.
  • the total pressure loss increases because the flow does not follow the first stage blade 21b. Further, it is known that when the flow is separated, a larger total pressure loss occurs.
  • the casing shroud 31 includes a coating 41 having a groove 42 on the flow path side surface of the combustion gas D, and this groove 42 is ⁇ 10 degrees of the outflow angle of the first stage stationary blade 21n from the upstream end of the coating 41. Extends within range. Part of the working gas flowing into the gap between the first stage blade 21b and the first stage casing shroud 31 is pushed into the groove 42 formed in the first stage shroud 31, so the first stage blade 21b. The amount of working gas that is entrapped on the inner peripheral side of the cylinder becomes small. The entrained gas forms a vortex as it flows downstream, but this vortex becomes smaller. When the vortex is reduced, the total pressure loss of the first stage blade 21b is reduced. Since the groove 42 has the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n disposed upstream as described above, the flow is easy to be introduced because the flow is along the groove 42.
  • the groove extends to the downstream end of the coating 41 within a range of ⁇ 10 degrees of the inflow angle of the second stage stationary blade 22n. Since the downstream side of the groove 42 is the same as the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n disposed downstream, the working gas flows along the second stage stationary blade 22n, and the total pressure loss can be suppressed low.
  • the range of the coating 41 is smaller than the case where the coating 41 is applied to the entire surface, the impact when the first stage blade 21b comes into contact is reduced, and the reliability of the gas turbine is improved.
  • the amount of the coating agent can be reduced, and the material cost can be reduced.
  • the first groove 42A extending within a range of ⁇ 10 degrees of the outflow angle of the first stage vane 21n as the first vane and the inflow of the second stage vane 22n as the second vane.
  • the productivity of the groove can be improved.
  • the casing shroud 31 of the present embodiment described above can be obtained by remodeling by applying the coating 41 to the gas path surface of the casing shroud 31.
  • a groove is formed in the coating 41 on the basis of the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n or the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n installed upstream and downstream of the first stage blade 21b installed corresponding to the casing shroud 31. It can obtain by providing.
  • the groove may be formed in the coating, or may be formed at the time of coating application using masking.
  • FIG. 3 shows a first-stage casing shroud 31A according to the second embodiment.
  • the first-stage casing shroud 31A can be replaced with the first-stage casing shroud 31 shown in the first embodiment.
  • a coating 41 is formed on the mainstream gas flow path surface of the first stage casing shroud 31A, and a groove 42A is formed in the coating 41.
  • the depth of the groove is approximately the same as the gap between the first stage moving blade 21b and the first stage casing shroud 31A.
  • the groove 42A is formed up to an intermediate position in the axial direction.
  • FIG. 4 shows a cross section J in FIG. As shown in FIG. 4, the depth of the groove 42A gradually decreases in the axial direction, and finally becomes the same as the mainstream gas flow path surface.
  • a wall perpendicular to the bottom of the groove may be provided at the outlet of the groove 42A. If the pressure loss is increased by making the end face of the groove perpendicular to the bottom of the groove, the effect of suppressing leakage at this portion can be obtained.
  • a part of the working gas flowing into the gap between the first stage moving blade 21b and the first stage casing shroud 31A is pushed into the groove 42A formed in the first stage casing shroud 31A.
  • the amount of working gas that gets into the inner peripheral side of the blade 21b is reduced.
  • the entrained gas forms a vortex as it flows downstream, but this vortex becomes smaller.
  • the total pressure loss of the first stage blade 21b is reduced. Since the groove 42A has the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n disposed upstream as described above, the flow is easy to be introduced because the flow is along the groove 42A.
  • the range of the coating 41 is smaller than the case where the coating 41 is applied to the entire surface, the impact when the first stage blade 21b comes into contact is reduced, and the reliability of the gas turbine is improved.
  • the amount of coating agent can be reduced, and the material cost can be reduced.
  • FIG. 5 shows a first-stage casing shroud 31B according to the third embodiment.
  • the first-stage casing shroud 31B can be replaced with the first-stage casing shroud 31 shown in the first embodiment.
  • a coating 41 is formed on the mainstream gas flow path surface of the first stage casing shroud 31B, and a groove 42B is formed in the coating 41.
  • the depth of the groove is approximately the same as the gap between the first stage moving blade 21b and the first stage casing shroud 31B.
  • the groove 42B is formed from the axial intermediate position to the downstream end. The depth of the groove 42B gradually increases from the mainstream gas flow path surface in the axial direction.
  • downstream angle of the groove 42B is the same as the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n disposed downstream, the working gas flows in along the second stage stationary blade 22n, resulting in a total pressure loss. Can be kept low.
  • the range of the coating 41 is smaller than the case where the coating 41 is applied to the entire surface, the impact when the first stage blade 21b comes into contact is reduced, and the reliability of the gas turbine is improved.
  • the amount of coating agent can be reduced, and the material cost can be reduced.
  • FIG. 6 shows a first-stage casing shroud 31C according to the fourth embodiment.
  • the first-stage casing shroud 31C can replace the first-stage casing shroud 31 shown in the first embodiment.
  • the first-stage casing shroud 31C shown in this embodiment has a shape that combines the second and third embodiments described above, and a groove 42A and a groove 42B are formed in the coating 41.
  • the first stage moving is performed.
  • the amount of working gas that gets into the inner peripheral side of the blade 21b is reduced.
  • the entrained gas forms a vortex as it flows downstream, but this vortex becomes smaller.
  • the total pressure loss of the first stage blade 21b is reduced. Since the groove 42A has the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n disposed upstream as described above, the flow is easy to be introduced because the flow is along the groove 42A.
  • downstream side of the groove 42B is made the same as the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n arranged downstream, the working gas flows along the second stage stationary blade 22n, and the total pressure loss can be kept low. it can.
  • the range of the coating 41 is smaller than the case where the coating 41 is applied to the entire surface, the impact when the first stage blade 21b comes into contact is reduced, and the reliability of the gas turbine is improved.
  • the amount of coating agent can be reduced, and the material cost can be reduced.
  • FIG. 7 shows a first-stage casing shroud 31D according to the fifth embodiment.
  • the first stage casing shroud 31D can be replaced with the first stage casing shroud 31 shown in the first embodiment.
  • the first-stage casing shroud 31D shown in the present embodiment has a shape combining the first embodiment and the fifth embodiment described above, and a groove 42 and a groove 42B are formed in the coating 41.
  • the first stage movement is performed.
  • the amount of working gas that gets into the inner peripheral side of the blade 21b is reduced.
  • the entrained gas forms a vortex as it flows downstream, but this vortex becomes smaller.
  • the total pressure loss of the first stage blade 21b is reduced. Since the groove 42A has the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n disposed upstream as described above, the flow is easy to be introduced because the flow is along the groove 42.
  • downstream side of the groove 42B is made the same as the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n arranged downstream, the working gas flows along the second stage stationary blade 22n, and the total pressure loss can be kept low. it can.
  • the range of the coating 41 is smaller than the case where the coating 41 is applied to the entire surface, the impact when the first stage blade 21b comes into contact is reduced, and the reliability of the gas turbine is improved.
  • the amount of coating agent can be reduced, and the material cost can be reduced.
  • FIG. 8 shows a first-stage casing shroud 31E according to the sixth embodiment.
  • the first-stage casing shroud 31E can be replaced with the first-stage casing shroud 31 shown in the first embodiment.
  • the upstream portion of the groove 42E has the same angle as the outflow angle 21ne of the first-stage stationary blade 21n. Further, the downstream portion has the same angle as the inflow angle 42 n of the second stage stationary blade 22. The angle of the groove 42 allows a difference of ⁇ 10 degrees.
  • the intermediate groove 44 which is an intermediate part is formed so as to form an angle of 90 degrees with respect to the upstream groove, and is formed so as to be smoothly connected to the downstream groove.
  • the intermediate groove 44 is provided with a bent portion having a discontinuous change in curvature, the pressure loss at the bent portion can be increased.
  • the pressure loss is increased, an effect of suppressing the leakage at this portion can be obtained.
  • This effect is maximized by setting the angle formed by the grooves before and after the bent portion to 90 degrees.
  • Manufacturability is the highest when the bent portion is 90 degrees.
  • the bent portion refers to a portion where the change in curvature is discontinuous.
  • the first stage movement is performed.
  • the amount of working gas that gets into the inner peripheral side of the blade 21b is reduced.
  • the entrained gas forms a vortex as it flows downstream, but this vortex becomes smaller.
  • the total pressure loss of the first stage blade 21b is reduced. Since the groove 42A has the outflow angle 21ne of the first stage stationary blade 21n disposed upstream as described above, the flow is easy to be introduced because the flow is along the groove 42.
  • downstream side of the groove 42E is the same as the inflow angle 22ni of the second stage stationary blade 22n disposed downstream, the working gas flows in along the second stage stationary blade 22n, and the total pressure loss can be kept low. it can.
  • the range of the coating 41 is smaller than the case where the coating 41 is applied to the entire surface, the impact when the first stage blade 21b comes into contact is reduced, and the reliability of the gas turbine is improved.
  • the amount of coating agent can be reduced, and the material cost can be reduced.

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Abstract

　動翼のエネルギー変換効率の高いガスタービンを提供する。　空気を圧縮する圧縮機と、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ガスが供給されるタービンを備え、前記タービンが、静翼と、前記静翼の下流に位置する動翼と、前記動翼の外周側に位置し前記燃焼ガスの流路の外周壁を形成するケーシングシュラウドを備えたガスタービンにおいて、前記ケーシングシュラウドは、前記燃焼ガスの流路側表面に溝を有するコーティングを備え、前記溝が、前記コーティングの上流端から前記静翼の流出角の±１０度の範囲内に伸びていることを特徴とする。

Description

ターボ機械のケーシングシュラウド
　本発明は、回転翼とそれに対向するケーシングシュラウドを有するターボ機械に係る。例えばガスタービンのタービンにおいて、回転翼に対向するケーシングシュラウドの形状に関する。
　ガスタービンのタービンは、作動ガスが有する圧力エネルギーを膨張させることによって運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーが高まった作動ガスに動翼に対して仕事をさせて回転動力を発生させる。
　一般的に回転軸に固定された動翼とその対向面に設置されたケーシングシュラウドとの間には半径方向に間隙が存在する。可能な限り大量の作動ガスに動翼に対して仕事をさせるためには、この間隙は小さいほど良いとされる。
　しかしながら間隙を小さくしすぎると、動翼とケーシングシュラウドが接触する可能性があるため、接触した場合にもガスタービンの部品が破損しないようにケーシングシュラウドの作動ガス流路表面にコーティングをする例が特許文献１に示されている。
特開２００９－２３５４７６号公報
　ケーシングシュラウド壁面に沿って動翼に流入した作動ガスが、動翼が通過する際にその一部が剥ぎ取られ、動翼の主流側に巻き込まれるという現象がある。この現象の結果、動翼のガスが有する運動エネルギーを回転動力に変換する効率が低下することが懸念される。
　本発明の課題は、動翼のエネルギー変換効率の高いガスタービンを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、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ガスが供給されるタービンを備え、前記タービンが、静翼と、前記静翼の下流に位置する動翼と、前記動翼の外周側に位置し前記燃焼ガスの流路の外周壁を形成するケーシングシュラウドを備えたガスタービンにおいて、前記ケーシングシュラウドは、前記燃焼ガスの流路側表面に溝を有するコーティングを備え、前記溝が、前記コーティングの上流端から前記静翼の流出角の±１０度の範囲内に伸びていることを特徴とする。
　本発明によれば、動翼のエネルギー変換効率の高いガスタービンを提供することができる。
本発明の第１の実施の形態に係るケーシングシュラウドの形状を表す概略図である。 図１を別の矢視から見た概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係るケーシングシュラウドの形状を表す概略図である。 図３中の溝を含む断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るケーシングシュラウドの形状を表す概略図である。 本発明の第４の実施の形態に係るケーシングシュラウドの形状を表す概略図である。 本発明の第５の実施の形態に係るケーシングシュラウドの形状を表す概略図である。 本発明の第５の実施の形態に係るケーシングシュラウドの形状を表す概略図である。 本発明の第１の実施の形態を適用したガスタービンの全体構成を表す回路図である。 本発明の第１の実施の形態を適用したガスタービンの構造を表す概略部分断面図である。
　ガスタービンでは、動翼とそれに対向するケーシングシュラウドとの半径方向の間隙は小さいほど良い。動翼とケーシングシュラウドの間隙を流れる作動ガスの挙動は複雑であり、そのメカニズムを解明するために継続的に研究がされている。
　作動ガスの挙動のひとつとして、ケーシングシュラウド壁面に沿って動翼に流入した作動ガスが、動翼が通過する際にその一部が剥ぎ取られ動翼の主流側に巻き込まれるという現象がある。巻き込まれたガスは渦を形成し下流に流れるに従って成長することが分かっている。この渦によりガスの全圧損失が増大し、動翼のガスが有する運動エネルギーを回転動力に変換する効率が低下する。
　以下説明する各実施例に係るガスタービンは、この巻き込まれる作動ガスの量を低減し、形成される渦の規模を小さくすることによってガスの全圧損失の増大を緩和し、前記した動翼のエネルギー変換効率を向上させることができる。また、ケーシングシュラウド壁面に沿って動翼から流出する作動ガスの流れの角度を、下流に配置された静翼の流入角と同じにすることによって、作動ガスが該静翼に沿って流れることによってガスの全圧損失を低減することもできる。また、コーティングの量を減らすことにより材料費を削減するとともに、接触時に部品に作用する衝撃を小さくして信頼性を向上させることもできる。
（１）第１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。
　図９は第一の実施の形態であるケーシングシュラウドを適用したガスタービンの概略回路図である。本ガスタービンは、主として空気を圧縮する圧縮機１１と、この圧縮機１１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１２と、燃焼器１２からの燃焼ガスが供給されるタービン１３および負荷１５により構成されている。本実施例においては、負荷１５は発電機である。該圧縮機１１，該燃焼器１２，タービン１３および発電機１５は同一回転軸１４で連結されている。
　圧縮機１１は大気Ａを吸い込み、所定の圧力まで圧縮する。圧縮された大気Ｂは下流に配置された燃焼器１２に導かれ、燃料Ｃを燃焼させるために使用される。燃焼によって生成した高温かつ高圧の燃焼ガスＤは、下流に配置されたタービン１３に導かれる。該タービン１３において燃焼ガスＤは膨張仕事をし、回転軸１４に回転動力が発生する。発生した動力の一部が圧縮機１１を駆動するために消費され、損失を除いた残りの動力が発電機１５への入力となり電力に変換される。燃焼ガスＤは膨張仕事により温度と圧力が低下して排ガスＥとなり、煙突（図示せず）を通して大気へ放出される。
　ここで、図１０を用いてタービン１３の動作を詳しく説明する。図１０は、図９に示した圧縮機１１，燃焼器１２及びタービン１３を、回転軸１４を含む平面で切った部分断面図である。図９と図１０において同一符号の要素は同じ要素を指している。
　タービン１３は、燃焼ガスＤの流れに沿って、第１段静翼２１ｎ，第１段動翼２１ｂ，第２段静翼２２ｎ，第２段動翼２２ｂ，第３段静翼２３ｎ，第３段動翼２３ｂ，第４段静翼２４ｎ及び第４段動翼２４ｂを具備している。以後、燃焼ガスＤの流れの方向を基準として、図１０の左側を上流側、右側を下流側とよぶ。
　複数枚の第１段静翼２１ｎが周方向に沿って適当な部材を介してケーシング２５に固定されている。同様に複数枚の第２段静翼２２ｎ，第３段静翼２３ｎ及び第４段静翼２４ｎが適当な部材を介してケーシング２５に固定されている。
　また、複数枚の第１段動翼２１ｂが周方向に沿って適当な部材を介して回転軸１４に植え込まれている。同様に複数枚の第２段動翼２２ｂ，第３段動翼２３ｂ及び第４段動翼２４ｂが適当な部材を介して回転軸１４に植え込まれている。
　第１段動翼２１ｂ外周側には第１段ケーシングシュラウド３１が複数個円環状にケーシング２５に固定されている。同様に第２段動翼２２ｂ外周側には第２段ケーシングシュラウド３２が、第３段動翼２３ｂ外周側には第３段ケーシングシュラウド３３が、第４段動翼２４ｂ外周側には第４段ケーシングシュラウド３４がケーシング２５に固定されている。これらのケーシングシュラウドは、燃焼ガスＤの流路の外周壁を形成している。なお、前記動翼２１ｂから２４ｂは回転体であり、前記ケーシングシュラウド３１から３４は静止体であるため両者の間には半径方向に間隙が存在する。一般的に、この間隙が小さいほどタービン性能が良くなる傾向にある。
　ここで、図１に図１０中の矢視Ｆから見た第１段静翼２１ｎ，第１段動翼２１ｂ，第２段静翼２２ｎ及び第１段ケーシングシュラウド３１を示す。図１と図１０において同一符号の要素は同一要素である。
　燃焼ガスＤは前記した静翼及び動翼を通過する際に膨張し速さが増す。動翼は燃焼ガスＤの流れの向きを変える形状になっており、流れの向きを変えることによって動翼は燃焼ガスＤから力を受ける。その結果、動翼が植え込まれた回転軸１４に回転動力が発生する。
　ここで、更に図２を用い、図１と図２を用いて本発明である第１段ケーシングシュラウド３１について説明する。図２は図１中の矢視Ｈあるいは図１０中の矢視Ｇから見た第１段ケーシングシュラウド３１と第１段動翼２１ｂの部分図である。図１と図２と図１０において同一符号の要素は同一要素である。
　第１段ケーシングシュラウド３１の内周側主流ガス流路面にはコーティング４１が形成されている。一般にこのコーティング４１は第１段動翼２１ｂよりも軟らかい材料であり、ガスタービンの運転中に第１段ケーシングシュラウド３１と第１段動翼２１ｂが接触してもその衝撃力は小さく、コーティング４１のみが削られて第１段動翼２１ｂやその他のガスタービン本体の破損には至らないようにする目的で施工されていることが多い。衝撃力は小さいものの接触したという情報はガスタービンが備えている回転軸振動計によって検出され、振動が大きい場合にはガスタービンをすぐに停止することができる。
　本実施例に示す第１段ケーシングシュラウド３１の内周側ガスパス面のコーティング４１には、溝４２が形成されている。溝の深さは第１段ケーシングシュラウド３１と第１段動翼２１ｂの半径方向間隙と同じ程度である。溝の深さは浅すぎると効果は少ない。また、深ければ深いほど良いということでもなく、ある深さ以上では効果はほとんど変わらなくなってくる。溝の深さを動翼とケーシングシュラウドとの間隙長さと同じであるようにすれば、不必要な製作性の悪化，コストの高騰を起こすことなく、高い効果を得ることができる。
　溝４２の上流部は第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅと同じ角度である。また、下流部は第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉと同じ角度である。中間部は上流部と下流部の溝が滑らかに接続するように形成されている。なお、前記した溝４２の角度は±１０度の違いを許容するものとする。この範囲は、ガスタービン翼の性能についてインシデンス特性を見て±１０％の設計を実際の運用範囲としていることによる。
　以下、本実施例の第１段ケーシングシュラウド３１の動作について説明する。
　第１段静翼２１ｎを出た燃焼ガスＤは、下流に配置された第１段動翼２１ｂに流入する。流入する流れの角度は第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅとほぼ同じである。このガスの速さが設計通りである場合、第１段動翼２１ｂから見た相対速度も設計通りとなり、第１段動翼２１ｂの流入角２１ｂｉと同じ角度で流入することになる。ところで、壁面近くの流れは粘性の影響で速さが遅くなり境界層を形成している。これにより第１段動翼２１ｂから見た相対速度は設計値と異なる。すなわち、第１段動翼２１ｂの流入角２１ｂｉと異なる角度でガスが流入する。流入角２１ｂｉと異なる角度でガスが流入すると第１段動翼２１ｂに流れが沿っていないことが原因で全圧損失が増大する。更に流れが剥離した場合にはさらに大きな全圧損失となることが知られている。
　第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１の間隙に流入した作動ガスは、ガス流路壁面に沿って流れているが、第１段動翼２１ｂが通過する際に流れの一部が剥ぎ取られて、第１段動翼２１ｂガス流路の内周側に巻き込まれる現象が起こることが知られている。巻き込まれた作動ガスは第１段動翼２１ｂガス流路を流れる際に渦を形成し、全圧損失を増大させている。
　本実施例では、ケーシングシュラウド３１が、燃焼ガスＤの流路側表面に溝４２を有するコーティング４１を備え、この溝４２が、コーティング４１の上流端から第１段静翼２１ｎの流出角の±１０度の範囲内に伸びている。このような第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１の間隙に流入した作動ガスの一部が、第１段ケーシングシュラウド３１に形成された溝４２に押しやられるため第１段動翼２１ｂの内周側に巻き込む作動ガス量が小さくなる。巻き込まれたガスは下流に流れるに従って渦を形成するが、この渦が小さくなる。渦が小さくなると第１段動翼２１ｂの全圧損失が低減される。この溝４２は前記したように上流に配置された第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅとしているため流れがこの溝４２に沿っているために導入されやすい。
　また、溝がコーティング４１の下流端へ第２段静翼２２ｎの流入角の±１０度の範囲内に伸びている。溝４２の下流側は下流に配置された第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉと同じにしているため第２段静翼２２ｎに沿って作動ガスが流入することになり全圧損失を低く抑えることができる。
　また、コーティング４１の範囲が全面に施工した場合に比べて小さくなるため、第１段動翼２１ｂが接触した場合の衝撃が小さくなりガスタービンの信頼性が向上する。また、コーティング剤の量を減らすことができ材料費を削減することが可能となる。
　本実施例のように、第一の静翼である第１段静翼２１ｎの流出角の±１０度の範囲内に伸びる第一の溝４２Ａと、第二の静翼である第２段静翼２２ｎの流入角の±１０度の範囲内に伸びる第二の溝４２Ｂとを両方有しても良い。さらに、第一の溝４２Ａと第二の溝４２Ｂとをつなぐ中間溝４４を備えることにより、溝の製作性を向上させることができる。
　以上述べた本実施例のケーシングシュラウド３１は、ケーシングシュラウド３１のガスパス面にコーティング４１を施す改造により得ることができる。この際、ケーシングシュラウド３１に対応して設置される第１段動翼２１ｂの上下流に設置される第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅまたは第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉに基づいてコーティング４１に溝を設けることにより得ることができる。溝は、コーティングに掘ってもよいし、マスキングを利用してコーティング塗布時に形成されるようにしてもよい。
（２）第２の実施の形態
　次に、図示した第２の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
　図３に第２の実施例である第１段ケーシングシュラウド３１Ａを示す。該第１段ケーシングシュラウド３１Ａは、第１実施例に示した第１段ケーシングシュラウド３１と置換し得るものである。
　第１段ケーシングシュラウド３１Ａの主流ガス流路面にはコーティング４１が形成されており、そのコーティング４１に溝４２Ａが形成されている。溝の深さは第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ａの間隙と同程度である。溝４２Ａは軸方向中間位置まで形成されている。図４に図３中の断面Ｊを示す。図４に示すように溝４２Ａの深さは軸方向に従って徐々に浅くなり、最終的には主流ガス流路面と同じになる。このように溝をその終端部に向かって浅くなっていく形状にすると、溝を流れたガスを主流に滑らかに合流させることができる。さらに溝の製作性が良く、コーティングもはがれにくくなる。一方、この部分での圧力損失をあえて高くしたい場合には、溝４２Ａの出口部に溝の底に対して垂直な壁を設けるようにすれば良い。溝の終端面を、溝の底部に垂直であるようにして圧力損失を大きくすれば、この部分でのリークを抑制できる効果が得られる。
　第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ａの間隙に流入した作動ガスは、ガス流路壁面に沿って流れているが、第１段動翼２１ｂが通過する際に流れの一部が剥ぎ取られて、第１段動翼２１ｂガス流路の内周側に巻き込まれる現象が起こることが知られている。巻き込まれた作動ガスは第１段動翼２１ｂガス流路を流れる際に渦を形成し、全圧損失を増大させている。
　本実施例では、第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ａの間隙に流入した作動ガスの一部が、第１段ケーシングシュラウド３１Ａに形成された溝４２Ａに押しやられるため第１段動翼２１ｂの内周側に巻き込む作動ガス量が小さくなる。巻き込まれたガスは下流に流れるに従って渦を形成するが、この渦が小さくなる。渦が小さくなると第１段動翼２１ｂの全圧損失が低減される。この溝４２Ａは前記したように上流に配置された第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅとしているため流れがこの溝４２Ａに沿っているために導入されやすい。
　また、コーティング４１の範囲が全面に施工した場合に比べて小さくなるため、第１段動翼２１ｂが接触した場合の衝撃が小さくなりガスタービンの信頼性が向上する。
　また、コーティング剤の量を減らすことができ材料費を削減することが可能となる。
（３）第３の実施の形態
　次に、図示した第３の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
　図５に第３の実施例である第１段ケーシングシュラウド３１Ｂを示す。該第１段ケーシングシュラウド３１Ｂは、第１実施例に示した第１段ケーシングシュラウド３１と置換し得るものである。
　第１段ケーシングシュラウド３１Ｂの主流ガス流路面にはコーティング４１が形成されており、そのコーティング４１に溝４２Ｂが形成されている。溝の深さは第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ｂの間隙と同程度である。溝４２Ｂは軸方向中間位置から下流端まで形成されている。溝４２Ｂの深さは主流ガス流路面から軸方向に従って徐々に深くなる。
　本実施例では、溝４２Ｂの下流側の角度は下流に配置された第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉと同じにしているため第２段静翼２２ｎに沿って作動ガスが流入することになり全圧損失を低く抑えることができる。
　また、コーティング４１の範囲が全面に施工した場合に比べて小さくなるため、第１段動翼２１ｂが接触した場合の衝撃が小さくなりガスタービンの信頼性が向上する。
　また、コーティング剤の量を減らすことができ材料費を削減することが可能となる。
（４）第４の実施の形態
　次に、図示した第４の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
　図６に第４の実施例である第１段ケーシングシュラウド３１Ｃを示す。該第１段ケーシングシュラウド３１Ｃは、第１実施例に示した第１段ケーシングシュラウド３１と置換し得るものである。
　本実施例に示す第１段ケーシングシュラウド３１Ｃは、前記した第２実施例と第３実施例を組み合わせた形状となっており、コーティング４１に溝４２Ａおよび溝４２Ｂが形成されている。
　本実施例では、第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ｃの間隙に流入した作動ガスの一部が、第１段ケーシングシュラウド３１Ｃに形成された溝４２Ａに押しやられるため第１段動翼２１ｂの内周側に巻き込む作動ガス量が小さくなる。巻き込まれたガスは下流に流れるに従って渦を形成するが、この渦が小さくなる。渦が小さくなると第１段動翼２１ｂの全圧損失が低減される。この溝４２Ａは前記したように上流に配置された第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅとしているため流れがこの溝４２Ａに沿っているために導入されやすい。
　また、溝４２Ｂの下流側は下流に配置された第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉと同じにしているため第２段静翼２２ｎに沿って作動ガスが流入することになり全圧損失を低く抑えることができる。
　また、コーティング４１の範囲が全面に施工した場合に比べて小さくなるため、第１段動翼２１ｂが接触した場合の衝撃が小さくなりガスタービンの信頼性が向上する。
　また、コーティング剤の量を減らすことができ材料費を削減することが可能となる。
（５）第５の実施の形態
　次に、図示した第５の実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
　図７に第５の実施例である第１段ケーシングシュラウド３１Ｄを示す。該第１段ケーシングシュラウド３１Ｄは、第１実施例に示した第１段ケーシングシュラウド３１と置換し得るものである。
　本実施例に示す第１段ケーシングシュラウド３１Ｄは、前記した第１実施例と第５実施例を組み合わせた形状となっており、コーティング４１に溝４２および溝４２Ｂが形成されている。
　本実施例では、第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ｄの間隙に流入した作動ガスの一部が、第１段ケーシングシュラウド３１Ｄに形成された溝４２に押しやられるため第１段動翼２１ｂの内周側に巻き込む作動ガス量が小さくなる。巻き込まれたガスは下流に流れるに従って渦を形成するが、この渦が小さくなる。渦が小さくなると第１段動翼２１ｂの全圧損失が低減される。この溝４２Ａは前記したように上流に配置された第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅとしているため流れがこの溝４２に沿っているために導入されやすい。
　また、溝４２Ｂの下流側は下流に配置された第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉと同じにしているため第２段静翼２２ｎに沿って作動ガスが流入することになり全圧損失を低く抑えることができる。
　また、コーティング４１の範囲が全面に施工した場合に比べて小さくなるため、第１段動翼２１ｂが接触した場合の衝撃が小さくなりガスタービンの信頼性が向上する。
　また、コーティング剤の量を減らすことができ材料費を削減することが可能となる。
（６）第６の実施の形態
　次に、図示した第６の実施例について説明する。図８に第６の実施例である第１段ケーシングシュラウド３１Ｅを示す。該第１段ケーシングシュラウド３１Ｅは、第１実施例に示した第１段ケーシングシュラウド３１と置換し得るものである。
　本実施例に示す第１段ケーシングシュラウド３１Ｅは、溝４２Ｅの上流部は第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅと同じ角度である。また、下流部は第２段静翼２２の流入角４２ｎと同じ角度である。溝４２の角度は±１０度の違いを許容するものとする。
　中間部である中間溝４４は上流部の溝に対して９０度の角度をなすように形成されており、下流部の溝に対しては滑らかに接続するように形成されている。このように中間溝４４に曲率の変化が不連続である屈曲部を設けると屈曲部分での圧力損失を大きくできる。圧力損失を大きくすると、この部分のリークを抑制する効果が得られる。この効果は屈曲部の前後の溝の成す角を９０度にすることで最大となる。屈曲部が９０度であると製作性も最も高くなる。ここで屈曲部とは、曲率の変化が不連続である部分を指すものとする。
　本実施例では、第１段動翼２１ｂと第１段ケーシングシュラウド３１Ｅの間隙に流入した作動ガスの一部が、第１段ケーシングシュラウド３１Ｅに形成された溝４２Ｅに押しやられるため第１段動翼２１ｂの内周側に巻き込む作動ガス量が小さくなる。巻き込まれたガスは下流に流れるに従って渦を形成するが、この渦が小さくなる。渦が小さくなると第１段動翼２１ｂの全圧損失が低減される。この溝４２Ａは前記したように上流に配置された第１段静翼２１ｎの流出角２１ｎｅとしているため流れがこの溝４２に沿っているために導入されやすい。
　また、溝４２Ｅの下流側は下流に配置された第２段静翼２２ｎの流入角２２ｎｉと同じにしているため第２段静翼２２ｎに沿って作動ガスが流入することになり全圧損失を低く抑えることができる。
　また、コーティング４１の範囲が全面に施工した場合に比べて小さくなるため、第１段動翼２１ｂが接触した場合の衝撃が小さくなりガスタービンの信頼性が向上する。
　また、コーティング剤の量を減らすことができ材料費を削減することが可能となる。
　なお、本発明につき、ガスタービンのタービンに適用した例を紹介したが、回転軸に固定されている動翼とそれに対向するケーシングシュラウドを有する回転機械に適用することが可能である。例えば、ガスタービンの圧縮機や蒸気タービンにも適用することが可能であり、同様の効果を得ることが可能である。
１１　圧縮機
１２　燃焼器
１３　タービン
２１ｎ　第１段静翼
２１ｎｅ　第１段静翼流出角
２１ｂ　第１段動翼
２１ｂｉ　第１段動翼流入角
２２ｎ　第２段静翼
２２ｎｉ　第２段静翼流入角
３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅ　ケーシングシュラウド
３１ｉ　溝の上流端流入角
３１ｅ　溝の下流端流出角
４１　コーティング
４１Ａ，４２Ｂ，４２Ｅ　溝

Claims (10)

  1. 　空気を圧縮する圧縮機と、
    　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ガスが供給されるタービンを備え、
    　前記タービンが、静翼と、前記静翼の下流に位置する動翼と、前記動翼の外周側に位置し前記燃焼ガスの流路の外周壁を形成するケーシングシュラウドを備えたガスタービンにおいて、
    　前記ケーシングシュラウドは、前記燃焼ガスの流路側表面に溝を有するコーティングを備え、前記溝が、前記コーティングの上流端から前記静翼の流出角の±１０度の範囲内に伸びていることを特徴とするガスタービン。
  2. 　請求項１のガスタービンにおいて、
    　前記タービンが、第一の静翼と、前記第一の静翼の下流に位置する動翼と、前記動翼の下流に位置する第二の静翼とを有し、
    　前記ケーシングシュラウドが、前記コーティングの上流端から前記第一の静翼の流出角の±１０度の範囲内の角度に伸びる第一の溝と、
    　前記コーティングの下流端へ前記第二の静翼の流入角の±１０度の範囲内に伸びる第二の溝を有することを特徴とするガスタービン。
  3. 　請求項２のガスタービンにおいて、
    　前記第一の溝と前記第二の溝をつなぐ中間溝を有することを特徴とするガスタービン。
  4. 　請求項３のガスタービンにおいて、
    　前記中間溝が、曲率の変化が不連続である屈曲部を有することを特徴とするガスタービン。
  5. 　請求項４のガスタービンにおいて、
    　前記屈曲部の前後の溝が成す角が９０度であることを特徴とするガスタービン。
  6. 　請求項１－５の何れかのガスタービンにおいて、
    　前記溝の深さが、前記動翼と前記ケーシングシュラウドとの間隙長さと同じであることを特徴とするガスタービン。
  7. 　請求項１－６の何れかのガスタービンにおいて、
    　前記溝は、その終端部に向かって浅くなっていく形状であることを特徴とするガスタービン。
  8. 　請求項１－７の何れかのガスタービンにおいて、
    　前記溝の終端面が、溝の底部に垂直であることを特徴とするガスタービン。
  9. 　空気を圧縮する圧縮機と、
    　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ガスが供給されるタービンを備え、
    　前記タービンが、動翼と、前記動翼の下流に位置する静翼と、前記動翼の外周側に位置し前記燃焼ガスの流路の外周壁を形成するケーシングシュラウドを備えたガスタービンにおいて、
    　前記ケーシングシュラウドは、前記燃焼ガスの流路側表面に溝を有するコーティングを備え、前記溝が、前記コーティングの下流端へ前記静翼の流入角の±１０度の範囲内に伸びていることを特徴とするガスタービン。
  10. 　ガスパス面にコーティングを施すケーシングシュラウドの改造方法において、
    　ケーシングシュラウドに対応して設置される動翼の上下流に設置される静翼の流入角または流出角に基づいて前記コーティングに溝を設けることを特徴とするケーシングシュラウドの改造方法。
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