JP2000328963A - ガスタービン設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】排気ディフューザのエアフォイルに亀裂が生
じ、エアフォイルから冷却空気が漏洩しても、その後流
に位置する温度検出器が確実に燃焼装置の異常のみを検
出できるガスタービン設備を提供する。 【解決手段】ガスタービンの排気ガスを外部へ排出する
煙道部に、二重円筒状に形成された排気ディフューザ
２，３と、該排気ディフューザの内外周壁を連結する中
空状のエアフォイル６とを備え、前記エアフォイル６の
中空部にガスタービン冷却用の冷却空気が流通するよう
に形成されているガスタービン設備において、前記エア
フォイル６の後縁部に、エアフォイルより漏れた冷却空
気を拡散する空気拡散手段，例えばエアフォイルの後縁
部円弧面に沿うように湾曲し、かつ後縁部外壁面と間隔
をもって配置された円弧状の遮蔽板１４を設けた。

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、特にガスタービンの排気ガスを外部へ排出する
煙道部が二重円筒状に形成されているガスタービン設備
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種のガス
タービン設備の煙道部，すなわちガスタービンの排気ガ
スを外部へ排出する煙道部は、図１２に示されているよ
うに二重円筒状の排気フード２，３および排気ディフュ
ーザ４，５を備えているのが普通である。すなわち、こ
の図はエアフォイル６を含む排気フードおよび排気ディ
フューザの構造を示すもので、エアフォイル６は、燃焼
ガス（排気ガス）１１の流路上に設置されており、流れ
に対する抵抗を小さくするために、その断面形状は流線
型をなしている。

【０００３】なお、この種ガスタービン設備の煙道部に
関連するものとしては、例えば実開平３−４５４３０号
公報あるいは特開平１−１２１５２０号公報などが挙げ
られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように形成されて
いる煙道部であると、エアフォイル６の内部には、別置
の圧縮機からの冷却空気（約３００℃）１３が流入し、
エアフォイル６の内面はこの冷却空気に曝され、また外
面は約６５０℃の排気ガス１１に曝されることから、こ
のエアフォイル６には内外温度差に起因した熱応力が発
生し、この熱応力がガスタービンの起動・停止により繰
り返され、エアフォイル６は熱疲労損傷を生ずる。特に
この損傷は、エアフォイル６の前縁部および後縁部で半
径方向に肉圧を貫通する大きな亀裂の発生となる。

【０００５】これらの亀裂は冷却空気１３の漏洩を誘起
し、特に後縁部の亀裂は排気ディフューザの後流側に配
置されている温度検出器の温度出力を著しく低下させる
場合があり、警報が発せられる。本来、温度検出器の目
的は燃焼装置の異常を検知することであるが、この場
合、エアフォイル６の亀裂発生という別の事象で警報を
発し、ガスタービンを停止させて分解点検することにな
る。

【０００６】エアフォイル６の亀裂は点検ごとに溶接補
修することで運用上は問題なく、ガスタービンを停止さ
せるべき事象ではない。このようなエアフォイルの亀裂
に起因した警報により、しばしばガスタービンを停止・
分解することになり、プラントの信頼性、経済性に対し
非常に問題となる。

【０００７】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、たとえ排気ディフューザのエアフ
ォイルに亀裂が生じ、エアフォイルから冷却空気が漏洩
しても、その後流に位置する温度検出器が確実に燃焼装
置の異常のみを検出できる排気ディフューザおよびエア
フォイルを有するこの種のガスタービン設備を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ガス
タービンの排気ガスを外部へ排出する煙道部に、二重円
筒状に形成された排気ディフューザと、該排気ディフュ
ーザの内外周壁を連結する中空状のエアフォイルとを備
え、前記エアフォイルの中空部にガスタービン冷却用の
冷却空気が流通するように形成されているガスタービン
設備において、前記エアフォイルの後縁部に、エアフォ
イルより漏れた冷却空気を拡散する空気拡散手段，例え
ばエアフォイルの後縁部円弧面に沿うように湾曲し、か
つ後縁部外壁面と間隔をもって配置された円弧状の遮蔽
板を設け、所期の目的を達成するようにしたものであ
る。

【０００９】またこの場合、遮蔽板のエアフォイルへの
固着を、遮蔽板の固着端部がエアフォイルの後縁頂部と
一致しないように固着し、また前記エアフォイルの長手
方向に所定の隙間をもって複数個配置するようにしたも
のである。また、前記隣接遮蔽板の設置間隔を、前記二
重円筒状の排気ディフューザの内外壁面に近い部位程大
きく形成するようにしたものである。

【００１０】また、前記エアフォイルの後縁部と遮蔽板
との間隔を、前記二重円筒状の排気ディフューザの内外
壁面に近い部位程大きく形成するようにしたものであ
る。また、前記遮蔽板の円弧径を、前記エアフォイルの
後縁部円弧径より大きく形成したものである。また、前
記遮蔽板に複数個の希釈孔を設けるようにしたものであ
る。また、前記エアフォイルの前縁部に、エアフォイル
の前縁部の円弧に沿う円弧状の補強板をエアフォイルの
径方向に複数個設置するようにしたものである。

【００１１】すなわちこのように形成されたガスタービ
ン設備であると、エアフォイルの後縁部に、エアフォイ
ルより漏れた冷却空気を拡散する空気拡散手段，すなわ
ちエアフォイルの後縁部に遮蔽板が設けられていること
から、エアフォイルの後縁部から熱応力に起因した半径
方向の貫通亀裂が発生しても、亀裂発生部から漏洩する
冷却空気は複数個の遮蔽板を介して、拡散された状態で
排気ディフューザ内に流入するので、遮蔽板がない場合
に比べ、その後流側にある温度検出器の温度低下を抑え
ることができ、温度検出器は確実に燃焼装置の異常のみ
を検出できる。これより、エアフォイルの亀裂発生など
の軽微な異常によってガスタービンを停止・分解する必
要がなくなり、プラントの信頼性・経済性の向上が図れ
る。

【００１２】また、遮蔽板は遮熱効果も期待でき、エア
フォイルの後縁部の外面温度を低下させ、内外温度差に
起因した熱応力を低減できる。これより、温度検出器の
異常警報を発する原因であるエアフォイルの後縁部の亀
裂そのものを抑制でき、プラントの信頼性の向上が図れ
る。

【００１３】さらに、遮蔽板の端部がエアフォイルの後
縁頂部と一致しないように溶接などで設置することによ
り、後縁頂部と溶接部の応力集中の一致を避けることが
でき、エアフォイルの後縁頂部に発生する熱応力が分散
して軽減され、これより、温度検出器の異常警報を発す
る原因であるエアフォイルの後縁部の亀裂そのものを抑
制でき、プラントの信頼性の向上が図れるのである。

【００１４】

【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。図１にはそのガスタービン施設
の概要が断面で示されている。ガスタービンは、タービ
ンケーシング１の内部に、中心に回転軸（ロータ）５５
と、回転軸の周囲に設置される動翼５１とケーシング側
に支持される静翼５０を有するタービン部５２を備えて
いる。また、このタービン部５２に連結され、大気を吸
い込み、燃焼用および冷却媒体用の圧縮空気を得る圧縮
機５３と、圧縮機５３からの圧縮空気と図示しない燃料
が供給されて燃焼させ高温高圧燃焼ガスを発生する燃焼
装置５４とより形成されている。

【００１５】燃焼装置５４の１３００℃程度の燃焼ガス
Ｈがタービン部５２に供給される。また、ガスタービン
は、タービン部５２を駆動した燃焼ガスＨを６５０℃程
度の排気ガス１１としてガスタービン外部へと導く、二
重円筒状の排気フード２、３および排気ディフューザ
４、５を有する排気系統部５６をも有する。

【００１６】圧縮機５３より吐出された圧縮空気の一部
は、燃焼装置５４のライナや翼（５０、５１）の冷却空
気として用いられるようにすることができる。

【００１７】燃焼装置５４にて発生した高温高圧の燃焼
ガスＨは、静翼５０を経て動翼５１に噴射されてタービ
ン部５２を駆動し、排気ガス１１として煙道部（排気系
統部）５６を介して外部へ放出される。そして図示はし
ていないが、一般的には回転軸５５に結合されている発
電機により発電するよう構成されている。

【００１８】煙道部５６の要部構成が図１１に示されて
いる。一般に瓦斯他前記文の煙道部５６は、回転軸５５
と同心をなす二重円筒状の外側排気フード２と内側排気
フード３およびこれら両者の間に同心円状に間に設置さ
れ、排気ガス１１の流路となる二重円筒状の外側ディフ
ューザ４と内側ディフューザ５を備えている。外側排気
ディフューザ４と内側排気ディフューザ５は周方向に複
数個設置された中空板状のエアフォイル６と連結してお
り、外側排気フード２と内側排気フード３２は、中空板
状のエアフォイル６の中空内部を貫通させた板状の排気
フードストラッド７により固定されている。

【００１９】外側排気フード２には冷却空気流入孔９が
周方向に複数個設けてあり、別置の圧縮機から複数個の
調整弁８を介して冷却空気１３が流入される。この冷却
空気１３は外側排気フード２と外側排気フード２と外側
排気ディフューザ４の間を流れ、排気フードストラッド
７とエアフォイル６の空間を介して内側フード３と内側
ディフューザ５の間に流入し、これらの部品を冷却した
後、上流側のタービン部５１を冷却して高温ガス中に排
出される。

【００２０】外側排気ディフューザ４と内側排気ディフ
ューザ５間の排気ガス１１の流路のエアフォイル６より
後流側には周方向に複数個（例えば２７本）の温度検出
器１０が設置されており、上流側の燃焼装置５４の燃焼
異常を排気ガス温度で検出している。通常、この部位の
排気ガス温度は６５０℃程度であるが、周方向で７０℃
以上の温度偏差が生じると警報が発せられる。

【００２１】本発明の第１の実施例に係るエアフォイル
６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図１の（ｂ）
および図２に示す。エアフォイル６は燃焼ガス（排気ガ
ス）１１の流路上に設置されており、流れに対する抵抗
を小さくするために、その断面形状は流線型上をなして
いる。本発明ではエアフォイル６の後縁部に断面が円弧
状の遮蔽板１４を複数個設け、エアフォイル６の後縁部
と遮蔽板１４の間に空間を設けた。遮蔽板１４の構造を
図２（ｂ）に示し、遮蔽板１４を取外した状態の図１の
Ａ矢視図を図３に示す。

【００２２】エアフォイル６の内面は別置の圧縮機から
の冷却空気１３（約３００℃）が弁８を介して流入さ
れ、外面は約６５０℃野排気ガス１１に曝されることか
ら、エアフォイル６には内外温度差に起因した熱応力が
発生し、この熱応力がガスタービンの起動・停止により
繰り返され、熱疲労損傷によりエアフォイル６の前縁部
および後縁部には半径方向に肉厚を貫通する大きな亀裂
が発生し易い。これらの亀裂は冷却空気の漏洩を誘起
し、特に後縁部の亀裂は後流部にある一部の温度検出器
１０の温度出力を著しく低下させ、周方向のその他の温
度検出器との偏差が７０℃を超えると警報が発せられる
（前縁部の亀裂は温度検出器の出力を大きく変化させる
には至らない）。本来、温度検出器１０の目的は燃焼装
置５４の以上を検知することであるが、この場合、エア
フォイル６の亀裂発生という別の事象で警報を発し、ガ
スタービンを停止させて分解点検することになる。エア
フォイル６の亀裂は点検毎に溶接補修することで運用上
は問題無く、ガスタービンを停止させるべき事象ではな
い。

【００２３】本発明のように、遮蔽板１４をエアフォイ
ル６の後縁部に設けて、エアフォイル６の後縁部を二重
構造とした排気ディフューザ４，５であると、エアフォ
イル６の後縁部に熱応力に起因した半径方向の貫通亀裂
が発生しても、亀裂発生部から漏洩する冷却空気１３は
複数個の遮蔽板１４を介して、拡散された状態で内外側
排気ディフューザ４，５間に流入するので、遮蔽板１４
がない場合に比べ、温度検出器１０の温度低下を抑える
ことができ、本実施例では温度偏差を警報値である７０
℃以下に抑えることができた。

【００２４】以上のように本発明のようなエアフォイル
６の構造を有する排気ディフューザ４，５であると、温
度検出器１０は確実に燃焼装置５４の異常のみを検知
し、エアフォイル６の亀裂発生などの軽微な異常でガス
タービンを停止・分解する必要がなくなり、信頼性・経
済性の向上が図れた。

【００２５】また、遮蔽板１４は遮熱効果も期待でき、
エアフォイル６の後縁部の外面温度を低下させ、内外温
度差に起因した熱応力を低減できる。これより、温度検
出器１０の異常警報を発する原因であるエアフォイル６
後縁部の亀裂そのものを抑制できた。

【００２６】さらに、遮蔽板１４の端部がエアフォイル
６の後縁頂部と一致しないように溶接などで設置するこ
とにより、後縁頂部と溶接部の応力集中の一致を避ける
ことができ、エアフォイル６の後縁頂部に発生する熱応
力が分散して軽減された。これより、温度検出器１０の
異常警報を発する原因であるエアフォイル６後縁部の亀
裂そのものを抑制できた。

【００２７】本発明の第２の実施例に係るエアフォイル
６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図４に示す。
本実施例は、基本的には第１の実施例と同様であるが、
本実施例では遮蔽板１４に希釈孔１５を複数個設けてい
る。第２の実施例の遮蔽板１４の構造を図５に示す。

【００２８】このように遮蔽板１４に複数個の希釈孔１
５を設けることにより、たとえ、エアフォイル６の後縁
部から亀裂が発生し、冷却空気１３が漏洩しても、希釈
孔１５の希釈効果により、冷却空気１３は拡散して流れ
るため、後流側の温度検出器１０の温度低下を抑制で
き、温度差は警報値である７０℃以下に抑えられた。

【００２９】本発明の第３の実施例に係るエアフォイル
６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図６に示す。
本実施例は、基本的には第１の実施例と同様であるが、
本実施例では遮蔽板１４をガスタービン径方向に大きく
し、遮蔽板１４単体でエアフォイル６の後縁部に設置し
た。なお、エアフォイル６の後縁部の内外面には遮蔽板
１４とラップしない領域を設けた。

【００３０】燃焼ガス（排気ガス）１１は内側排気ディ
フューザ５と外側排気ディフューザ４間の流路のほぼ中
間径が最大温度になるように流れており、排気ディフュ
ーザの内側５と外側４付近の排気ガス１１の温度は低く
なっている。

【００３１】本実施例はこの低温の排気ガス１１が流れ
る排気ディフューザの５と外側４に、なるべく沿って、
エアフォイル６の後縁亀裂から漏洩した冷却空気１３を
流し、排気ガス１１の主流を避けて拡散させることを目
的としている。

【００３２】このような遮蔽板１４の構造であると、エ
アフォイル６の後縁部から亀裂が発生した場合でも、亀
裂から漏洩した冷却空気１３は外側排気ディフューザ４
および内側排気ディフューザ５に沿って流れるため、排
気ガス１１の主流を避けて拡散されるため、後流側の温
度検出器１０の温度偏差を警報値である７０℃以下に抑
えることができた。

【００３３】本発明の第４の実施例に係るエアフォイル
６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図７に示す。
本実施例は、基本的には第１，第３の実施例と同様であ
るが、本実施例では遮蔽板１４をエアフォイル６の後縁
に設置する径方向のピッチを内側排気ディフューザ５お
よび外側排気ディフューザ４に近づくにつれて大きくし
た。

【００３４】このような遮蔽板１４の構造であると、エ
アフォイル６の後縁部から亀裂が発生した場合でも、亀
裂から漏洩した冷却空気１３は外側排気ディフューザ４
および内側排気ディフューザ５に近い程多く流れるた
め、排気ガス１１の主流を避けて拡散されるため、後流
側の温度検出器１０の温度偏差を警報値である７０℃以
下に抑えられた。

【００３５】本発明の第５の実施例に係るエアフォイル
６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図８に示す。
本実施例は、基本的には第１，第３，第４の実施例と同
様であるが、本実施例では遮蔽板１４とエアフォイル６
の後縁の空間を内側排気ディフューザ５および外側排気
ディフューザ４に近づくにつれて大きく設置した。本実
施例の遮蔽板１４の構造を図９に示す。

【００３６】このような遮蔽板１４の構造であると、エ
アフォイル６の後縁部から亀裂が発生した場合でも、亀
裂から漏洩した冷却空気１３は外面排気ディフューザ４
および内面排気ディフューザ５に近い程、多く流れるた
め、排気ガス１１の主流を避けて拡散されるため、後流
側の温度検出器１０の温度低下を警報値である７０℃以
下に抑えられた。

【００３７】本発明の第６の実施例に係るエアフォイル
６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図１０に示
す。本実施例は、基本的には第１の実施例と同様である
が、本実施例では補強板１６をエアフォイル６の前縁部
に設置した例である。前述のように、エアフォイル６は
内外面の温度差に起因した熱応力の起動・停止による繰
返しで、前縁部および後縁部に熱疲労亀裂が発生する。
前縁部からの冷却空気１３の漏洩は温度検出器１０の温
度出力には殆ど影響しないが、亀裂発生対策として補強
板１６を設置した。

【００３８】補強板１６は遮蔽効果が期待でき、エアフ
ォイル６の前縁部の外面温度を低下させ、内外温度差に
起因した熱応力を低減できる。これより、エアフォイル
６前縁部の亀裂そのものを抑制できた。

【００３９】さらに、補強板１６の端部がエアフォイル
６の前縁頂部と溶接部の応力集中の一致を避けることが
でき、エアフォイル６の前縁頂部に発生する熱応力が分
散して軽減され、これよりエアフォイル６の前縁部の亀
裂そのものを抑制することができるのである。

【００４０】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、たとえ排気ディフューザのエアフォイルに亀裂が生
じ、エアフォイルから冷却空気が漏洩しても、その後流
に位置する温度検出器が確実に燃焼装置の異常のみを検
出でき、プラントの信頼性および経済性を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン設備の一実施例を示す縦
断側面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図および本発明のガ
スタービン設備に用いられる遮蔽板単品を示す斜視図で
ある。

【図３】ガスタービン設備の排気ディフューザ部の正面
図である。

【図４】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ
部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。

【図５】本発明のガスタービン設備に用いられる遮蔽板
の他の実施例を示す斜視図である。

【図６】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ
部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。

【図７】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ
部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。

【図８】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ
部の他の実施例を示す縦断側面図である。

【図９】本発明のガスタービン設備に用いられる遮蔽板
の他の実施例を示す斜視図である。

【図１０】本発明のガスタービン設備の排気ディフュー
ザ部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図であ
る。

【図１１】本発明のガスタービン設備の排気ディフュー
ザ部の他の実施例を示す縦断側面図である。

【図１２】従来のガスタービン設備の排気ディフューザ
部を示す縦断側面図である。

【符号の説明】

１…タービンケーシング、２…外側排気フード、３…内
側排気フード、４…外側排気ディフューザ、５…内側排
気ディフューザ、６…エアフォイル、７…排気フードス
トラッド、８…弁、９…冷却空気流入孔、１０…温度検
出器、１１…排気ガス、１３…冷却空気、１４…遮蔽板
（空気拡散手段）、１５…希釈孔、１６…補強板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 落合 健二 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンの排気ガスを外部へ排出す
   る煙道部に、二重円筒状に形成された排気ディフューザ
   と、該排気ディフューザの内外周壁を連結する中空状の
   エアフォイルとを備え、前記エアフォイルの中空部にガ
   スタービン冷却用の冷却空気が流通するように形成され
   ているガスタービン設備において、 前記エアフォイルの後縁部に、エアフォイルより漏れた
   冷却空気を拡散する空気拡散手段を設けたことを特徴と
   するガスタービン設備。
2. 【請求項２】 前記空気拡散手段が、前記エアフォイル
   の後縁部円弧面に沿うように湾曲し、かつ後縁部外壁面
   と間隔をもって配置され、かつ前記エアフォイルに固着
   された円弧状の遮蔽板である請求項１記載のガスタービ
   ン設備。
3. 【請求項３】 前記遮蔽板のエアフォイルへの固着は、
   遮蔽板の固着端部がエアフォイルの後縁頂部と一致しな
   いように固着されたものである請求項２記載のガスター
   ビン設備。
4. 【請求項４】 前記円弧状の遮蔽板が、前記エアフォイ
   ルの長手方向に所定の隙間をもって複数個配置されたも
   のである請求項２または３記載のガスタービン設備。
5. 【請求項５】 前記隣接遮蔽板の設置間隔が、前記二重
   円筒状の排気ディフューザの内外壁面に近い部位程大き
   く形成されたものである請求項４記載のガスタービン設
   備。
6. 【請求項６】 前記エアフォイルの後縁部と遮蔽板との
   間隔が、前記二重円筒状の排気ディフューザの内外壁面
   に近い部位程大きく形成されたものである請求項４また
   は５記載のガスタービン設備。
7. 【請求項７】 前記遮蔽板の円弧径が、前記エアフォイ
   ルの後縁部円弧径より大きく形成されたものである請求
   項２〜６いずれかの項に記載のガスタービン設備。
8. 【請求項８】 前記遮蔽板に複数個の希釈孔が設けられ
   たものである請求項２〜７いずれかの項に記載のガスタ
   ービン設備。
9. 【請求項９】 前記エアフォイルの前縁部に、エアフォ
   イルの前縁部の円弧に沿う円弧状の補強板をエアフォイ
   ルの径方向に複数個設置してなる請求項１〜８いずれか
   の項に記載のガスタービン設備。