JP2012117540A - 軸流式のガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】極めて効率のよい改善された冷却機構を備えたガスタービンを提供する。
【解決手段】外側の動翼プラットフォーム４５が、その外面に複数の歯４６ａ，４６ｂ，４６ｃを有しており、該歯４６ａ，４６ｂ，４６ｃが、互いに平行に周方向に延びていて、高温ガス流れの方向に相前後して配置されており、前記歯４６ａ，４６ｂ，４６ｃが、第１の歯群４６ａと第２の歯群４６ｂ，４６ｃとに分割されており、該第２の歯群４６ｂ，４６ｃが、第１の歯群４６ａの下流側に位置しており、該第１の歯群４６ａが、タービン段ＴＳの隣り合った静翼２１の下流側の突出部３３に向かい合って位置しており、第２の歯群４６ｂ，４６ｃが、各ステータ遮熱体２７に向かい合って位置している。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンのテクノロジに関する。本発明は、軸流式のガスタービンであって、該ガスタービンが、ロータとステータとを有しており、前記ロータが、交互の列の空冷式の動翼と、複数のロータ遮熱体とを備えており、前記ステータが、交互の列の空冷式の静翼と、複数のステータ遮熱体とを備えており、該ステータ遮熱体が、内側リングに組み付けられており、それぞれ、動翼の列とステータ遮熱体とが、互いに向かい合って位置していて、静翼の列と前記ロータ遮熱体とが、互いに向かい合って位置しているように、前記ステータが、前記ロータを同軸的に取り囲んでおり、これによって、中間に高温ガス路が規定されており、静翼の１つの列と、下流方向における次の動翼の列とが、タービン段を規定しており、動翼が、その先端に外側の動翼プラットフォームを備えている軸流式のガスタービンに関する。

より具体的には、本発明は、ガスタービンユニットに使用される軸流タービンの静翼支持体を保護するステータ遮熱体の構成に関する。

本発明は、軸流式のガスタービンに関する。このガスタービンの一例が、図１に示してある。図１のガスタービン１０は、シーケンシャル燃焼の原理、つまり、再熱の原理により作動させられる。このガスタービン１０は、圧縮機１１と、複数のバーナ１３および第１の燃料供給部１２を備えた第１の燃焼器１４と、高圧タービン１５と、第２の燃料供給部１６を備えた第２の燃焼器１７と、動翼２０および静翼２１の交互の列を備えた低圧タービン１８とを有している。動翼２０および静翼２１は、機械軸線ＭＡに沿って配置された複数のタービン段に配置されている。

図１に示したガスタービン１０は、ステータとロータとを有している。ステータは静翼支持体１９を有している。この静翼支持体１９には、複数の静翼２１が組み付けられている。これらの静翼２１は、燃焼器１７内で発生させられた高温ガスを通流させる所定の輪郭を備えた通路を形成するために必要である。要求された方向に高温ガス路２２を通って流れるガスは、ロータシャフトのシャフトスリットに取り付けられた動翼２０に衝突し、タービンロータを回転させる。動翼２０の上方で流れる高温ガスに対してステータハウジングを防護するためには、互いに隣り合った静翼列の間に取り付けられたステータ遮熱体が使用される。高温タービン段には、静翼、ステータ遮熱体および動翼に供給するための冷却空気が必要となる。

ステータ遮熱体は、ガスタービンハウジング内で動翼列の上方に取り付けられている。ステータ遮熱体は、冷却空気中空室内への高温ガス貫流を阻止し、タービン流路２２の外側の表面を形成している。時には、節約の目的のために、静翼支持体１９とステータ遮熱体との間に設けられた冷却空気供給部が使用されない。しかし、この場合には、ステータ遮熱体が、静翼支持体１９を保護するためにも必要となる。

本発明の課題は、極めて効率のよい改善された冷却機構を備えたガスタービンを提供することである。

この課題を解決するために本発明に係るガスタービンによれば、外側の動翼プラットフォームが、その外面に複数の歯を有しており、該歯が、互いに平行に周方向に延びていて、高温ガス流れの方向に相前後して配置されており、前記歯が、第１の歯群と第２の歯群とに分割されており、該第２の歯群が、第１の歯群の下流側に位置しており、該第１の歯群が、タービン段の隣り合った静翼の下流側の突出部に向かい合って位置しており、第２の歯群が、各ステータ遮熱体に向かい合って位置している。

本発明に係るガスタービンの有利な態様によれば、動翼プラットフォームが、その外面に３つの歯を有しており、前記第１の歯群が、前記下流方向に第１の歯を有しており、前記第２の歯群が、前記下流方向に第２の歯と第３の歯とを有している。

本発明に係るガスタービンの有利な態様によれば、タービン段の隣り合った静翼が、冷却空気で冷却されるようになっており、隣り合った静翼からの使用済み空気が、ステータ遮熱体と、隣り合った静翼との間で高温ガス路内に流出し、ステータ遮熱体と、向かい合った外側の動翼プラットフォームとに沿って流れて、ステータ遮熱体と動翼プラットフォームとを外部から冷却するようになっている。

本発明に係るガスタービンの有利な態様によれば、ステータ遮熱体が、１つの内側リングに組み付けられており、該内側リングが、その一部で静翼支持体に組み付けられており、内側リングと静翼支持体との間に第１の中空室が設けられており、静翼が、静翼支持体に組み付けられており、静翼と静翼支持体との間に第２の中空室が設けられており、該第２の中空室に前記冷却空気が、プレナムから供給されるようになっており、第１の中空室と第２の中空室とからの前記冷却空気の漏れ量が、ステータ遮熱体と、隣り合った静翼の下流側の突出部との間に存在しており、漏れた前記冷却空気が、外側の動翼プラットフォームの外面に沿って前記下流方向に流れるようになっている。

本発明に係るガスタービンの有利な態様によれば、ステータ遮熱体が、該ステータ遮熱体と一体であると共に周方向に延びる前方のフックおよび後方のフックによって熱の作用下で両軸方向にも前記周方向にも自由に伸長する可能性を備えて、それぞれ１つの内側リングに組み付けられており、後方のフックが、それぞれ両端部において、設定された長さにわたって面取りされており、これによって、ステータ遮熱体の高温変形による高い応力集中が減少させられるようになっている。

本発明に係るガスタービンの有利な態様によれば、ステータ遮熱体が、内側リングの周方向溝内に前記軸方向では半径方向突出部によって位置決めされていて、前記周方向では、ばねの作用下で軸方向の溝内に進入するピンによって位置決めされている。

本発明に係るガスタービンは、ロータとステータとを有しており、ロータが、交互の列の空冷式の動翼と、複数のロータ遮熱体とを備えており、ステータが、交互の列の空冷式の静翼と、複数のステータ遮熱体とを備えており、このステータ遮熱体が、静翼支持体に組み付けられており、それぞれ、動翼の列とステータ遮熱体とが、互いに向かい合って位置していて、静翼の列とロータ遮熱体とが、互いに向かい合って位置しているように、ステータが、ロータを同軸的に取り囲んでおり、これによって、中間に高温ガス路が規定されており、静翼の１つの列と、下流方向における次の動翼の列とが、タービン段を規定しており、動翼が、その先端に外側の動翼プラットフォームを備えている。

本発明によれば、外側の動翼プラットフォームが、その外面に複数の歯を有しており、これらの歯が、互いに平行に周方向に延びていて、高温ガス流れの方向に相前後して配置されており、複数の歯が、第１の歯群と第２の歯群とに分割されており、この第２の歯群が、第１の歯群の下流側に位置しており、この第１の歯群が、タービン段の隣り合った静翼の下流側の突出部に向かい合って位置しており、第２の歯群が、各ステータ遮熱体に向かい合って位置している。このように軸方向に「短く」された態様のステータ遮熱体によって、特に隣り合った静翼の個別翼に使用された空気を供給して、同時にステータ遮熱体を保護しかつ外側の動翼プラットフォームを冷却することが可能になる。

本発明の１つの態様によれば、動翼プラットフォームが、その外面に３つの歯を有しており、第１の歯群が、下流方向に第１の歯を有しており、第２の歯群が、下流方向に第２の歯と第３の歯とを有している。

本発明の別の態様によれば、タービン段の隣り合った静翼が、冷却空気で冷却され、隣り合った静翼からの使用済み空気が、ステータ遮熱体と、隣り合った静翼との間で高温ガス路内に流出し、ステータ遮熱体と、向かい合った外側の動翼プラットフォームとに沿って流れて、ステータ遮熱体と動翼プラットフォームとを外部から冷却する。

本発明の更なる態様によれば、ステータ遮熱体が、１つの内側リングに組み付けられており、この内側リングが、その一部で静翼支持体に組み付けられており、内側リングと静翼支持体との間に第１の中空室が設けられており、静翼が、静翼支持体に組み付けられており、静翼と静翼支持体との間に第２の中空室が設けられており、この第２の中空室に冷却空気が、プレナムから供給され、第１の中空室と第２の中空室とからの冷却空気の漏れ量が、ステータ遮熱体と、隣り合った静翼の下流側の突出部との間に存在しており、漏れた冷却空気が、外側の動翼プラットフォームの外面に沿って下流方向に流れる。

本発明の全く別の態様によれば、ステータ遮熱体が、このステータ遮熱体と一体であると共に周方向に延びる前方のフックおよび後方のフックによって熱の作用下で両軸方向にも周方向にも自由に伸長する可能性を備えて、それぞれ１つの内側リングに組み付けられており、後方のフックが、それぞれ両端部において、設定された長さにわたって面取りされており、これによって、ステータ遮熱体の高温変形による高い応力集中が減少させられる。

本発明の別の態様によれば、ステータ遮熱体が、内側リングの周方向溝内に軸方向では半径方向突出部によって位置決めされていて、周方向では、ばねの作用下で軸方向の溝内に進入するピンによって位置決めされている。

本発明を実施するために使用されてよいシーケンシャル燃焼式のガスタービンの公知の基本的な構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るガスタービンの１つのタービン段の組付けおよび冷却の詳細図である。 図２に示した１つのステータ遮熱体の斜視図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図２には、本発明の実施の形態に係るガスタービン３０の１つのタービン段ＴＳの組付けおよび冷却の詳細図が示してある。高温ガス路２２を備えていて、高温ガス２４が軸方向に流れるタービン段ＴＳは、それぞれ先端に外側の動翼プラットフォーム４５を備えた１つの列の動翼２０と、隣り合った１つの列の静翼２１とを有している。この静翼２１は静翼支持体２５に組み付けられている。冷却空気は、プレナム２３から、静翼２１と静翼支持体２５との間に位置する中空室３１に進入する。この中空室３１から、冷却空気は静翼２１の個別翼に供給され、使用済み空気３５が、個別翼および静翼２１から後方のまたは下流側の突出部３３の上方に進出する（図２に示した矢印参照）。

動翼２０の列に向かい合って、分割されたステータ遮熱体２７の環列が位置決めされている。これらのステータ遮熱体２７は、それぞれ内側リング２６に組み付けられている。１つのステータ遮熱体２７が、図３に斜視図で示してある。内側リング２６それ自体は、中空室２９を介在させて静翼支持体２５に組み付けられている。ステータ遮熱体２７と内側リング２６との間には、別の中空室３２が設けられている。この中空室３２を、周方向で隣り合ったステータ遮熱体２７の間でシールするためには、シールプレート２８（図２参照）が各溝４０（図３参照）内に設けられている。

ステータ遮熱体２７は、静翼支持体２５と外側の動翼プラットフォーム４５との構成に応じて種々異なる形状を有していてよい。図２および図３に示した形状は、外側の動翼プラットフォーム４５の外面に３つの歯４６ａ〜４６ｃが配置された１つの動翼２０の上方に位置決めされたステータ遮熱体２７の１つの提案された構成を示している。

このステータ遮熱体２７を支持する内側リング２６は、静翼支持体２５の各溝に組み付けられている。ステータ遮熱体２７は、内側リング２６に設けられた溝に軸方向では半径方向突出部３６（図３参照）によって位置決めされていて、周方向ではピン４４（図２参照）によって位置決めされている。このピン４４は、ステータ遮熱体２７が組み付けられている間、ばね（図２参照）の作用下で（軸方向の）溝３７（図３参照）内に進入している。

したがって、このような組付けのため、ステータ遮熱体２７が熱の作用下で両軸方向にも周方向にも自由に伸長することができる。図２に認めることができるように、本実施の形態のステータ遮熱体２７が、第２の動翼歯４６ｂおよび第３の動翼歯４６ｃに対するハニカム（図３に示した符号４１参照）だけを備えている一方、第１の歯４６ａはステータ遮熱体２７によって覆われていない。第１の歯４６ａに向かい合って、隣り合った静翼２１に設けられた（各ハニカムを備えた）後方のまたは下流側の突出部３３が存在している。

このような構成によって、中空室３２内への、ステータ遮熱体２７を冷却するための付加的な冷却空気供給と、更には、向かい合った外側の動翼プラットフォーム４５を冷却するための冷却空気の、ステータ遮熱体２７の内部の孔を通した搬送とを共に回避することが可能となる。

したがって、非冷却式のステータ遮熱体２７が提案される。さらに、外側の動翼プラットフォーム４５が、静翼の個別翼で使用された空気（使用済み空気３５）によって冷却されるようになっている。こうして、前述した二重の冷却空気使用によって、タービン効率が高められる。

図３に示したように、ステータ遮熱体２７は、周方向に延びる後方のフック３８と前方のフック３９とを有している。上述した冷却機構に相俟って、図３によれば、ステータ遮熱体２７が特殊な面取り部を備えていると有利である。この面取り部は、後方のフック３８の両端において外側の表面にゾーン４２の範囲内で、設定された長さＬにわたって形成されている。面取り部は機械的な一体性（整合性）の観点から役立つ。なぜならば、ステータ遮熱体２７が高温状況下で作業している場合には、後方のフック３８の縁部４３が内側リング２６に対して相対的に半径方向に変位しようとするからである。仮に、長さＬにわたる面取り部が存在しないと、極めて高い応力集中が縁部４３に発生し、ステータ遮熱体２７の寿命が著しく短くなる恐れがある。

他方、前方のフック３９には、面取り部が設けられていない。なぜならば、ステータ遮熱体２７は、外側の動翼プラットフォーム４５の形状に関連して、前方の部分における剛性を高める湾曲を前方のフック３９に備えているからである。

本発明の特徴および利点は以下のように纏めることができる：
１．外側の動翼プラットフォーム４５の後者の２つの歯４６ｂ，４６ｃの上方にハニカムを備えたステータ遮熱体２７の「短く」された形態は、すでに静翼の個別翼に使用された空気をステータ遮熱体２７の保護および外側の動翼プラットフォーム４５（図２参照）の冷却のために同時に使用する可能性を提供する。短くされたステータ遮熱体形状によって、１つのハニカムを、外側の動翼プラットフォーム４５の第１の歯４６ａの上方で静翼突出部３３に配置することが可能となる。この静翼突出部３３は、外側の動翼プラットフォーム４５の第１の歯４６ａの前方への使用済み空気３５の漏れの可能性も排除している。
２．動翼プラットフォーム４５の後者の歯４６ｂ，４６ｃの上方にハニカムを備えたステータ遮熱体２７の短くされた形態は、プラットフォーム４５を付加的に冷却するために中空室２９，３１からの冷却空気漏れ量３４を使用する可能性を提供する。なぜならば、突出部３３が、動翼プラットフォーム４５の第１の歯４６ａの上流側への空気漏れの可能性も排除しているからである。
３．ステータ遮熱体２７の後方のフック３８に設けられた面取り部は、ステータ遮熱体２７における応力レベルを十分に低下させ、ステータ遮熱体２７がガスタービン内で作業している場合に、ステータ遮熱体２７の寿命を著しく延ばす。

同一のステータ遮熱体２７において、応力を減少させる面取り部と、短くされた部分形状とを組み合わせることによって、長期の寿命を備えた非冷却式のステータ遮熱体を形成しかつ、空気節約のため、タービン効率を高めることが同時に可能となる。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃料供給部
１３ バーナ
１４ 燃焼器
１５ 高圧タービン
１６ 燃料供給部
１７ 燃焼器
１８ 低圧タービン
１９ 静翼支持体（ステータ）
２０ 動翼
２１ 静翼
２２ 高温ガス路
２３ プレナム
２４ 高温ガス
２５ 静翼支持体
２６ 内側リング
２７ ステータ遮熱体
２８ シールプレート
２９ 中空室
３０ ガスタービン
３１ 中空室
３２ 中空室
３３ 突出部
３４ 漏れ量
３５ 使用済み空気
３６ 突出部
３７ 溝
３８ 後方のフック
３９ 前方のフック
４０ （シールプレートに対する）溝
４１ ハニカム
４２ ゾーン
４３ 縁部
４４ ピン
４５ 動翼外側プラットフォーム
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ 歯
Ｌ 長さ
ＭＡ 機械軸線
ＴＳ タービン段

Claims (6)

1. 軸流式のガスタービン（３０）であって、該ガスタービン（３０）が、ロータとステータとを有しており、前記ロータが、交互の列の空冷式の動翼（２０）と、複数のロータ遮熱体とを備えており、前記ステータが、交互の列の空冷式の静翼（２１）と、複数のステータ遮熱体（２７）とを備えており、該ステータ遮熱体（２７）が、内側リング（２６）に組み付けられており、それぞれ、動翼（２０）の列とステータ遮熱体（２７）とが、互いに向かい合って位置していて、静翼（２１）の列と前記ロータ遮熱体とが、互いに向かい合って位置しているように、前記ステータが、前記ロータを同軸的に取り囲んでおり、これによって、中間に高温ガス路（２２）が規定されており、静翼（２１）の１つの列と、下流方向における次の動翼（２０）の列とが、タービン段（ＴＳ）を規定しており、動翼（２０）が、その先端に外側の動翼プラットフォーム（４５）を備えている軸流式のガスタービンにおいて、外側の動翼プラットフォーム（４５）が、その外面に複数の歯（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ）を有しており、該歯（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ）が、互いに平行に周方向に延びていて、高温ガス流れの方向に相前後して配置されており、前記歯（４６ａ，４６ｂ，４６ｃ）が、第１の歯群（４６ａ）と第２の歯群（４６ｂ，４６ｃ）とに分割されており、該第２の歯群（４６ｂ，４６ｃ）が、第１の歯群（４６ａ）の下流側に位置しており、該第１の歯群（４６ａ）が、タービン段（ＴＳ）の隣り合った静翼（２１）の下流側の突出部（３３）に向かい合って位置しており、第２の歯群（４６ｂ，４６ｃ）が、各ステータ遮熱体（２７）に向かい合って位置していることを特徴とする、軸流式のガスタービン。
2. 動翼プラットフォーム（４５）が、その外面に３つの歯（４６ａ〜４６ｃ）を有しており、前記第１の歯群が、前記下流方向に第１の歯（４６ａ）を有しており、前記第２の歯群が、前記下流方向に第２の歯（４６ｂ）と第３の歯（４６ｃ）とを有している、請求項１記載のガスタービン。
3. タービン段（ＴＳ）の隣り合った静翼（２１）が、冷却空気で冷却されるようになっており、隣り合った静翼（２１）からの使用済み空気が、ステータ遮熱体（２７）と、隣り合った静翼（２１）との間で高温ガス路（２２）内に流出し、ステータ遮熱体（２７）と、向かい合った外側の動翼プラットフォーム（４５）とに沿って流れて、ステータ遮熱体（２７）と動翼プラットフォーム（４５）とを外部から冷却するようになっている、請求項１または２記載のガスタービン。
4. ステータ遮熱体（２７）が、１つの内側リング（２６）に組み付けられており、該内側リング（２６）が、その一部で静翼支持体（２５）に組み付けられており、内側リング（２６）と静翼支持体（２５）との間に第１の中空室（２９）が設けられており、静翼（２１）が、静翼支持体（２５）に組み付けられており、静翼（２１）と静翼支持体（２５）との間に第２の中空室（３１）が設けられており、該第２の中空室（３１）に前記冷却空気が、プレナム（２３）から供給されるようになっており、第１の中空室（２９）と第２の中空室（３１）とからの前記冷却空気の漏れ量（３４）が、ステータ遮熱体（２７）と、隣り合った静翼（２１）の下流側の突出部（３３）との間に存在しており、漏れた前記冷却空気が、外側の動翼プラットフォーム（４５）の外面に沿って前記下流方向に流れるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスタービン。
5. ステータ遮熱体（２７）が、該ステータ遮熱体（２７）と一体であると共に周方向に延びる前方のフック（３９）および後方のフック（３８）によって熱の作用下で両軸方向にも前記周方向にも自由に伸長する可能性を備えて、それぞれ１つの内側リング（２６）に組み付けられており、後方のフック（３８）が、それぞれ両端部において、設定された長さ（Ｌ）にわたって面取りされており、これによって、ステータ遮熱体（２７）の高温変形による高い応力集中が減少させられるようになっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスタービン。
6. ステータ遮熱体（２７）が、内側リング（２６）の周方向溝内に前記軸方向では半径方向突出部（３６）によって位置決めされていて、前記周方向では、ばねの作用下で軸方向の溝（３７）内に進入するピン（４４）によって位置決めされている、請求項５記載のガスタービン。