JP2008309059A - タービンケーシングの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、冷却効率を高めることができ、かつ圧損と熱応力を低く抑えることができるタービンケーシングの冷却構造を提供する。
【解決手段】、ガスタービンのタービン部を囲むタービンケーシング２の外側に間隔を隔てて設けられたコアカウル４を有するタービンケーシングの冷却構造。タービンケーシング２の周囲を所定の隙間を隔てて覆い、かつ上流側及び下流側に開口４ａ，４ｂを有するバッフル４と、上流側開口４ａ近傍から下流側開口４ｂ近傍まで螺旋状に延びる複数の螺旋フィン６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンのタービン部を囲むタービンケーシングを冷却し、圧損と熱応力を低く抑えるためのタービンケーシングの冷却構造に関する。

ジェットエンジン等のガスタービンには、タービン部を囲むタービンケーシングと、その外側に設けられた補器類を囲むコアカウルとが設けられる場合がある。タービンケーシングは、ガスタービンの運転中に内部を流れる高温ガスにより加熱されて熱膨張し、内部で回転するタービン動翼の先端部の隙間（チップクリアランス）が増大する。そのため、ガスタービンのタービンケーシングは、発生する熱応力を低減し、或いはチップクリアランスを適正範囲に維持するために冷却する必要がある。

タービンケーシングの冷却手段として、特許文献１〜５が既に提案されている。また、本発明に関連する先行技術として、特許文献６が既に開示されている。

特許文献１の「ジェットエンジンのタービン部冷却構造」は、フランジ部の過冷却を防止し、タービンフレームの熱応力の増大を防止することを目的とする。
そのため、この発明に係るジェットエンジンのタービン部の冷却構造は、図５に示すように、タービンケーシング４２とタービンフレーム４３とを径方向外側に突出するフランジ部４４，４５で接続し、タービンケーシング４２の径方向外側に、タービンケーシング４２との間に冷却空気Ａを導く隙間４７を形成するバッフル４１を設けると共に、上記隙間４７の出口部に、これを所定の開口部４８を残して閉塞する遮風部４６を設け、上記バッフル４１の遮風部４６上流側に、上記隙間４７内の冷却空気Ａを抽出させる抽気穴４９を設けたものである。

特許文献２の「ベイ冷却タービンケーシング」は、タービンケーシングの冷却効率の改善を目的とする。
そのため、この発明において、図６に示すように、タービンケーシング５１は１列のノズル静翼を支持しており、その間を高温燃焼ガスが流れる。バッフル５０はケーシングを取り囲んで冷却ダクトを画成する。ナセル５２はタービンケーシングを取り囲んでおり、ベイ空気を受入れる入口とベイ空気を排出する出口５５とをもつベイ５３を画成する。冷却ダクトは、タービンケーシングに沿って流れてケーシングを選択的に冷却するためのベイ空気を受入れる入口５４を有しているものである。

特許文献３の「ロータ組立体の先端間隙を維持するための方法および装置」は、コスト効果があり信頼性が高い方法でロータ組立体の有効寿命を延ばすことを目的とする。
そのため、この発明において、図７に示すように、ガスタービンエンジンは、少なくとも１つのロータ組立体と、ロータ組立体の周りで周方向に延びるエンジンケーシング６６とを含み、先端間隙がロータ組立体とエンジンケーシングの間に形成される。間隙制御装置は、エンジンの周りで周方向に延びるように連結された複数のパネル６２を含む。間隙制御装置の各パネルは、パネルと一体に形成された周方向供給ダクト６０を含むものである。

特許文献４の「エンジンケース用冷却装置及びガスタービンエンジン」は、冷却空気の流量が少なくても、エンジンケース５の被冷却部５ａ全体を万遍なく十分に冷却することを目的とする。
そのため、この発明は、図８に示すように、各冷却パイプ７１における複数のノズル７３からエンジンケース７５の被冷却部７５ａに吹付けられた冷却媒体がケース軸方向の一方側へ流れにくくする規制板７７をそれぞれ設け、上記冷却媒体が被冷却部７５ａの外周面に沿ってケース軸方向の他方側へ流れ易くする整流板７９をそれぞれ設けてなるものである。

特許文献５の「ジェットエンジン」は、ジェットエンジン１のエンジン重量の増加を抑制しつつ、低圧タービンケース全体を満遍なく容易に冷却することを目的とする。
そのため、この発明は、図９に示すように、バッフル８１がタービンケース８２の外周部を囲むように設けられ、バッフル８１の内周面とタービンケース８２の外周面との間に環状の冷却通路８３が形成され、バッフル８１の外周面に複数の連通孔８４が全周領域に適宜間隔をもって形成され、バッフル８１の後部に排出口８５を有し、冷却チャンバー８６の内部が複数の連通孔８４を介して冷却通路８３に連通し、連絡パイプ８７の一端部がバイパス流路８９に連通し、連絡パイプ８７の他端部が冷却チャンバー８６の内部に連通したものである。

特許文献６の「蒸気タービンの内部ケーシング」は、高温高圧の蒸気タービンで、かつ内外ケーシングを備えた二重ケーシングの蒸気タービンであって、しかも起動停止を頻繁に行う蒸気タービンにおいて、熱応力、熱変形の小さな蒸気タービン内部ケーシングを目的とする。
そのため、この発明は、図１０Ａに示すように、内部ケーシング９３が、蒸気通路の各段落ごとに内部ケーシング９３の内側から外側に貫通する抽気流路９０を設け、主流蒸気の一部を抽気してここに流し、外側を加熱して各部分の内外壁面の温度差を小さくするものである。

特開平１１−６２６２０号公報、「ジェットエンジンのタービン部冷却構造」 特開２０００−２５７４４８号公報、「ベイ冷却タービンケーシング」 特開２００２−３０９９０７号公報、「ロータ組立体の先端間隙を維持するための方法および装置」 特開２００３−１７２１５２号公報、「エンジンケース用冷却装置及びガスタービンエンジン」 特開２００４−３３９９８０号公報、「ジェットエンジン」 特開昭６３−１２４８０７号公報、「蒸気タービンの内部ケーシング」

特許文献２の実施例では、ケーシングの外周上に半径方向外方に延在していて、ケーシングの対流冷却を増進する複数の軸方向に離隔したタービュレータ５６をさらに備え、導入された空気の流れを乱すことによってケーシングの冷却効率を上げている。
しかし、かかるタービュレータ５６は冷却ダクト５７を通過するベイ空気の流れを局所的に加速・妨害するため、強制対流冷却を増進する効果があるが、その反面、冷却ダクト５７を通過する際の圧損が大きい問題点があった。
また、タービュレータ５６は、その内側の支持フックと整合して設けられ、タービュレータ５６と支持フックは周方向に全円リングとして延在するので、この部分の剛性が他の部分より高く、熱膨張の際に局所的に大きな熱応力が発生する問題点があった。

特許文献６の実施例では、図１０Ｂに示すように、タービンケーシングに相当する内部ケーシング９３には主流蒸気を抽気するための抽気流路９０と、抽気蒸気をケーシング周方向に流すための周方向溝９４が設けられ、バッフル９１に抽気蒸気を周方向に流すための旋回案内板９５が設けられている。
この旋回案内板９５により、抽気蒸気を周方向に旋回させて流すことにより、内部ケーシングの内外壁面の温度差を小さくし、熱応力を下げることはできるが、内部ケーシング９３自体は、抽気蒸気で加熱されるため、内部ケーシング９３を冷却することはできない。

さらに、特許文献１の例では、遮風部４６の存在により、隙間４７を流れる冷却空気の圧損が大きく、特許文献３の例ではパネル６２と周方向供給ダクト６０の構造が複雑であり、特許文献４の例では、規制板７７と整流板７９の存在により圧損が大きくかつ構造が複雑であり、特許文献５の例では、タービンケース８２の外面が滑らかであるため冷却効果が低い問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、簡単な構造で、冷却効率を高めることができ、かつ圧損と熱応力を低く抑えることができるタービンケーシングの冷却構造を提供することにある。

本発明によれば、ガスタービンのタービン部を囲むタービンケーシングと、その外側に間隔を隔てて設けられたコアカウルとを有するタービンケーシングの冷却構造であって、
前記タービンケーシングの周囲を所定の隙間を隔てて覆い、かつ上流側及び下流側に開口を有するバッフルと、
前記上流側開口近傍から下流側開口近傍まで螺旋状に延びる複数の螺旋フィンと、を備えたことを特徴とするタービンケーシングの冷却構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記複数の螺旋フィンは、タービンケーシングの外面又はバッフルの内面に一体的に固着されており、その反対側に冷却空気が軸方向に流れる隙間を有する。

また、前記複数の螺旋フィンの軸方向ピッチは、タービンケーシングの熱応力の高い部分で小さく、熱応力の低い部分で大きく設定されている、ことが好ましい。

上記本発明の冷却構造は、それぞれ簡単な構造のバッフル及び螺旋フィンで構成されるため、構造全体も簡単となる。
また、バッフルがタービンケーシングの周囲を所定の隙間を隔てて覆うので、コアカウル内の冷却空気をバッフルの上流側開口から下流側開口まで前記隙間を通して効率よく流すことができ、かつ冷却空気の圧損を低く抑えるように所定の隙間を設定することができる。

さらに、複数の螺旋フィンが上流側開口近傍から下流側開口近傍まで螺旋状に延びるので、螺旋フィンにより伝熱面積を増大させることができ、かつ流路が螺旋状になるため、螺旋フィンで案内される冷却空気の流速を高め、流れを乱流にしてフィン表面及びタービンケーシングの外面における熱伝達率を高めることができる。
また、螺旋フィンは上流側開口から下流側開口まで螺旋状に延びるが、周方向にタービンケーシングを拘束していないので、タービンケーシングは周方向に自由に熱膨張・熱収縮でき、発生する熱応力を低く抑えることができる。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記複数の螺旋フィンは、タービンケーシングの外面又はバッフルの内面に一体的に固着されているので、固着されたタービンケーシング又はバッフルの熱を螺旋フィンを介して放熱し効果的に冷却することができる。
さらに、前記複数の螺旋フィンは、固着部の反対側に冷却空気が軸方向に流れる隙間を有するので、螺旋フィンを乗り越える軸方向の冷却空気により螺旋状に流れる冷却空気の流れを乱すことができ、冷却効率をさらに増大させることができる。

また、前記複数の螺旋フィンの軸方向ピッチは、タービンケーシングの熱応力の高い部分で小さく、熱応力の低い部分で大きく設定されているので、熱応力の高い部分で流速を高め、流れを乱流にして熱伝達率を高めることができ、逆に熱応力の低い部分で流速を低めて、圧損を下げることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のタービンケーシングの冷却構造を備えたジェットエンジンの全体構成図である。本発明のタービンケーシングの冷却構造は、ガスタービンのタービン部を囲むタービンケーシング２と、その外側に間隔を隔てて設けられたコアカウル３とを有する

この図において、コアエンジン１は、コンプレッサ１ａ、燃焼器１ｂ、及びガスタービン１ｃからなり、コンプレッサ１ａで外部から導入した空気を圧縮し、燃焼器１ｂで圧縮した空気中で燃料を燃焼させて高温ガスを発生させ、ガスタービン１ｃで高温ガスを膨張させて動力を回収し、この動力でコンプレッサ１ａを回転駆動するようになっている。なお、ガスタービン１ｃを出た排気ガスはエンジン後方に向けて噴射しジェットエンジンの推進力を発生する。

なお、本発明は上述したジェットエンジンの構成に限定されず、その他の構成のジェットエンジン、あるいはジェットエンジン以外のガスタービンであってもよい。

タービンケーシング２は、ガスタービン１ｃのタービン部を囲んでいる。

コアカウル３は、タービンケーシング２の外側に間隔を隔てて設けられ、タービンケーシング２の外側に設けられた補器類を囲んでいる。なお、コアカウル３の外面形状は、その外側を流れる空気流の流路を形成するように設定されている。
さらに、コアカウル３は、その上流側及び下流側に開口３ａ，３ｂを有し、内部の補器類を冷却するために、上流側開口３ａから冷却空気を導入し、下流側開口３ｂから冷却空気を排気し、内部に所望の空気流を形成するようになっている。

なお、コアカウル３は、この構成に限定されず、タービンケーシング２の外側に間隔を隔てて設けられ、内部に所望の空気流を形成する限りで他の構成であってもよい。

図２は、本発明のタービンケーシングの冷却構造を示す部分断面図である。
この図において、本発明のタービンケーシングの冷却構造は、バッフル４、遮風板５、及び複数の螺旋フィン６を備える。

バッフル４は、タービンケーシング２の周囲を所定の隙間を隔てて覆っている。所定の隙間は、この隙間を通過する際の圧損が十分に低く、コアカウル３の内部を流れる空気流が内部の補器類を冷却するために十分な空気流を形成できるように設定する。
従って、この条件を満たすかぎりで、隙間を狭く設定して空気流の流速を高め、レイノズル数を大きくして流れを乱流化し、熱伝達率を高めることが好ましい。

バッフル４は、その上流側及び下流側に開口４ａ，４ｂを有する。
上流側開口４ａは、タービンケーシング２の冷却を必要とする最上流側よりも上流側に位置し、下流側開口４ｂは、タービンケーシング２の冷却を必要とする最下流側よりも下流側に位置する。また、この例では、下流側開口４ｂは、遮風板５で仕切られたコアカウル３の後流側内部に排気する。
また、開口４ａ，４ｂは、全周にわたりドーナツ状に開口しており、通過する空気流を滑らかに通し、この箇所で圧損を増加させないようになっている。さらに、開口４ａ，４ｂには空気を低抵抗で導入し、低抵抗で排気するために流路面積を滑らかに漸減、漸増させる導入部材７ａと排気部材７ｂを備えている。

なお、本発明は上述したバッフルに限定されず、上流側及び下流側に開口４ａ，４ｂを有する限りで、下流側開口４ｂから外部に直接排気してもよく、開口４ａ，４ｂはドーナツ状以外の形状でもよく、導入部材７ａと排気部材７ｂを省略してもよい。

遮風板５は、コアカウル３内の冷却空気を上流側開口４ａから下流側開口４ｂまでタービンケーシング２とバッフル４の隙間を通して流すように、バッフル４とコアカウル３の間を塞いでいる。
遮風板５は、この例では、バッフル４の上流側とコアカウル３の間を塞ぐ平板であるが、本発明はこの構成に限定されず、バッフル４の下流側に設けてもよく、平板以外の任意の形状であってもよい。
また、遮風板は必ずしも不可欠ではなく、これを省略してもよい。

また、遮風板５に開閉可能な開口、又は開閉可能な弁を設け、この開口又は弁により、タービンケーシング２とバッフル４の隙間を流れる冷却空気量を調節できるようにしてもよい。

図３は、図２のＡ−Ａ線における部分断面図、図４はタービンケーシングの部分斜視図である。
図２〜図４に示すように、複数（この例では８枚）の螺旋フィン６は、タービンケーシング２とバッフル４の隙間内の冷却空気の流れを螺旋状に旋回させるために、上流側開口４ａの近傍（直後）から下流側開口４ｂの近傍（直前）まで螺旋状に延びている。
なお、この例で螺旋フィン６は８枚であるが、周方向に均等に冷却空気を流せる限りで、螺旋フィン６は２枚以上であればよい。また、螺旋の向き、すなわち、螺旋状空気流路は、正面から見て、時計回りと反時計回りのいずれでもよく、コアカウル３の内部に形成される空気流、あるいは排気後のエンジン排気の旋回方向によって、最適な方向に選択するのがよい。

複数の螺旋フィン６は、この例では、タービンケーシング２の外面に溶接又は一体成形により一体的に固着されており、タービンケーシング２の熱を螺旋フィン６の表面から放熱し冷却するようになっている。
しかし、本発明はこの構成に限定されず、逆にバッフル４の内面に螺旋フィン６を一体的に固着させてもよい。この場合、タービンケーシング２を容易に製造でき、かつバッフル４を効果的に冷却できる。

複数の螺旋フィン６は、固着部の反対側（この例ではバッフル４との間）に冷却空気が軸方向に流れる隙間を有する。この構成により、螺旋フィン６を乗り越える軸方向の冷却空気により、螺旋状に流れる冷却空気の流れを乱すことができ、冷却効率をさらに増大させることができる。

複数の螺旋フィン６の軸方向ピッチは、タービンケーシング２の熱応力の高い部分で小さく、熱応力の低い部分で大きく設定するのが好ましい。この構成により、熱応力の高い部分で流速を高め、流れを乱流にして熱伝達率を高めることができ、逆に熱応力の低い部分で流速を低めて、圧損を下げることができる。

なお、本発明は、上述した螺旋フィン６の構成に限定されず、その他の構成であってもよい。例えば、螺旋フィン６は、上流側開口４ａの直後から下流側開口４ｂの直前まで螺旋状に延びている限りで、タービンケーシング２の全周にわたる必要はなく、わずかにねじれたフィンを多数設けてもよい。
また、螺旋フィン６をタービンケーシングの外面およびバッフルの内面のどちらにも固着せず、これらの間に隙間を設けてもよい。
さらに、螺旋フィン６の軸方向ピッチは、一定であってもよい。

上述したように、本発明の冷却構造は、それぞれ簡単な構造のバッフル４、遮風板５及び螺旋フィン６で構成されるため、構造全体も簡単となる。
また、バッフル４がタービンケーシング２の周囲を所定の隙間を隔てて覆い、遮風板５がバッフル４とコアカウル３の間を塞ぐので、コアカウル３内の冷却空気をバッフル４の上流側開口４ａから下流側開口４ｂまで前記隙間を通して効率よく流すことができ、かつ冷却空気の圧損を低く抑えるように所定の隙間を設定することができる。

さらに、複数の螺旋フィン６が上流側開口近傍から下流側開口近傍まで螺旋状に延びるので、螺旋フィン６により伝熱面積を増大させることができ、かつ流路が螺旋状になるため、螺旋フィン６で案内される冷却空気の流速を高め、流れを乱流にしてフィン表面及びタービンケーシングの外面における熱伝達率を高めることができる。
また、螺旋フィン６は上流側開口から下流側開口まで螺旋状に延びるが、周方向にタービンケーシング２を拘束していないので、タービンケーシング２は周方向に自由に熱膨張・熱収縮でき、発生する熱応力を低く抑えることができる。

また、本発明の好ましい実施形態によれば、複数の螺旋フィン６は、タービンケーシング２の外面又はバッフル４の内面に一体的に固着されているので、固着されたタービンケーシング２又はバッフル４の熱を螺旋フィン６を介して放熱し効果的に冷却することができる。
さらに、複数の螺旋フィン６は、固着部の反対側に冷却空気が軸方向に流れる隙間を有するので、螺旋フィン６を乗り越える軸方向の冷却空気により螺旋状に流れる冷却空気の流れを乱すことができ、冷却効率をさらに増大させることができる。

また、複数の螺旋フィン６の軸方向ピッチは、タービンケーシング２の熱応力の高い部分で小さく、熱応力の低い部分で大きく設定されているので、熱応力の高い部分で流速を高め、流れを乱流にして熱伝達率を高めることができ、逆に熱応力の低い部分で流速を低めて、圧損を下げることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のタービンケーシングの冷却構造を備えたジェットエンジンの全体構成図である。 本発明のタービンケーシングの冷却構造を示す部分断面図である。 図２のＡ−Ａ線における部分断面図である。 タービンケーシングの部分斜視図である。 特許文献１の模式図である。 特許文献２の模式図である。 特許文献３の模式図である。 特許文献４の模式図である。 特許文献５の模式図である。 特許文献６の模式図である。

符号の説明

１ コアエンジン、
１ａ コンプレッサ、１ｂ 燃焼器、１ｃ ガスタービン、
２ タービンケーシング、
３ コアカウル、３ａ，３ｂ 開口、
４ バッフル、４ａ，４ｂ 開口、
５ 遮風板、６ 螺旋フィン、
７ａ 導入部材、７ｂ 排気部材

Claims (3)

1. ガスタービンのタービン部を囲むタービンケーシングと、その外側に間隔を隔てて設けられたコアカウルとを有するタービンケーシングの冷却構造であって、
   前記タービンケーシングの周囲を所定の隙間を隔てて覆い、かつ上流側及び下流側に開口を有するバッフルと、
   前記上流側開口近傍から下流側開口近傍まで螺旋状に延びる複数の螺旋フィンと、を備えたことを特徴とするタービンケーシングの冷却構造。
2. 前記複数の螺旋フィンは、タービンケーシングの外面又はバッフルの内面に一体的に固着されており、その反対側に冷却空気が軸方向に流れる隙間を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンケーシングの冷却構造。
3. 前記複数の螺旋フィンの軸方向ピッチは、タービンケーシングの熱応力の高い部分で小さく、熱応力の低い部分で大きく設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンケーシングの冷却構造。

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