JPH05240065A - 高温ケーシング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、８００°Ｃ以上の高温の燃焼ガスが
導入されるガスタービン等において、タービンケーシン
グを冷却する必要がなく、圧縮機の負担を軽減しガスタ
ービンの駆動効率を向上させることができるようにす
る。 【構成】ケーシング３内部に燃焼ガスＧを導入して動力
を発生させるガスタービン等を対象とし、燃焼ガスＧに
晒されるタービンケーシング３内壁側を断熱壁２０で覆
い、断熱壁２０表面に耐熱板２１を取り付けたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン等のター
ビンケーシング適用される高温ケーシングに係り、特
に、８００°Ｃ以上の高温の燃焼ガス（１１００〜１３
００°Ｃ）が導入されるガスタービンのタービンケーシ
ング等に好適な高温ケーシングに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービンは、タービンに導
入される燃焼ガス温度を上昇させるとタービン効率が向
上することが知られており、大型のガスタービン発電プ
ラント等ではタービン入口温度が１１００°Ｃ級のガス
タービン発電プラントに対し、タービン入口温度が１３
００°Ｃ級のガスタービン発電プラントが実用化されつ
つある。

【０００３】ガスタービンは、大気中の空気を圧縮する
圧縮機と、圧縮機からの圧縮空気を燃料と混合して燃焼
させる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを導入して動力
を発生させるタービンとを備える。タービンはタービン
ケーシング内にタービンシャフトが回転自在に支持さ
れ、タービンシャフトの一側には圧縮機が、他側には発
電機がそれぞれ設けられる。

【０００４】ガスタービンは、圧縮機の作動により圧縮
空気が燃焼器に送られ、燃焼器で燃焼された燃焼ガスは
タービンに導かれる。燃焼ガスはタービン静翼とタービ
ン動翼とから構成されるタービン段落に案内されてター
ビン動翼を回転させ、タービンロータとともにタービン
シャフトが回転駆動され、発電機を駆動させて発電を行
うようになっている。

【０００５】ところが、タービン入口温度を８００°Ｃ
以上に上昇させた場合、ガスタービンの入口部周辺の温
度が上昇して材料強度が低下し、タービン機器の寿命に
悪影響を及ぼす恐れがある。このため、タービンの材料
強度を保持するため、圧縮機から吐出される空気の一部
は、タービン内部に導かれ冷却空気として用いられる。

【０００６】冷却空気はタービンケーシングおよびター
ビンロータやタービン動翼に穿設された冷却空気流路を
経由して案内され、タービン入口部周辺を冷却し、ター
ビンを効果的に冷却している。冷却空気はタービン入口
部の周辺を順次冷却した後、タービン段落を通過する主
流燃焼ガス中に流出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、タービン入
口温度の高温化に伴い、ケーシングを冷却する冷却空気
の必要量が増大するため、圧縮機の負担が増し、タービ
ンの駆動により発生する動力が圧縮機の駆動に用いられ
る割合が増加し、タービン入口温度の高温化による効率
向上の効果が減少してしまうという問題がある。

【０００８】また、タービンケーシングの冷却効果を高
めようとすると、タービンケーシングに形成される冷却
空気流路の形状が複雑化し、冷却空気流路の数も増加さ
せなければならず、タービンケーシングの製造に手間が
かかるという問題がある

【０００９】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、ケーシングを冷却する必要がなく、ガスタービ
ン等の駆動効率向上に大きく寄与できる高温ケーシング
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガスタービ
ンのタービンケーシングは、上述した課題を解決するた
めに、ケーシング内壁側が高温に晒される高温ケーシン
グにおいて、ケーシング内壁側に断熱壁を設け、この断
熱壁の内表面側の略全面を覆うようにして、その断熱壁
に対して間隙をあけて、複数枚のユニットからなる耐熱
板を取り付けたことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明に係る高温ケーシングを例えばガスター
ビンのタービンケーシングに適用する場合、燃焼ガスに
晒されるタービンケーシング内壁側を断熱壁で覆い、し
かも断熱壁の内表面に耐熱板を取り付けるようにする。
したがって、タービンケーシングに高温の燃焼ガスが導
入されると、耐熱板が直接燃焼ガスに晒され、断熱壁を
燃焼ガスから保護し、断熱壁により燃焼ガスとタービン
ケーシングとが熱的に遮断され、タービンケーシングの
温度上昇が抑制される。

【００１２】

【実施例】以下図１ないし図５を参照して本発明に係る
高温ケーシングをガスタービンのタービンケーシングに
ついての実施例により説明する。

【００１３】図１はガスタービンのタービンケーシング
を備えたガスタービン発電プラントのタービン系統を示
す概略図、図２は図１のタービンケーシング内部を概略
的に示す縦断面概略図、図３は図１のIII-III 線に沿っ
た縦断面図、図４は図１のIV-IV 線に沿った縦断面図、
図５は図３のタービンケーシングの要部を拡大して示す
拡大断面図である。

【００１４】ガスタービン１は、図１に示すように、大
気中の空気を圧縮する圧縮機５と、圧縮機５からの圧縮
空気Ａを燃料Ｆと混合して燃焼させる燃焼器７と、燃焼
器７からの燃焼ガスＧを導入して動力を発生させるター
ビン２とを備える。

【００１５】タービン２は、ステンレス鋼板製のタービ
ンケーシング３内にタービンシャフト４が回転自在に支
持される。タービンシャフト４の両側には圧縮機５と発
電機６とがそれぞれ設けられる。タービンシャフト４に
は、図２に示すように、タービンロータ８がタービンシ
ャフト４と一体あるいは一体的に軸装される。

【００１６】タービン２は、タービン静翼９がタービン
ケーシング３に周設される一方、このタービン静翼９に
対向してタービン動翼１０がタービンロータ８上に植設
される。タービン静翼９とタービン動翼１０とによりタ
ービン段落が構成される。

【００１７】圧縮機５は大気中の空気を圧縮し、圧縮空
気Ａを燃焼器７とタービン２とに供給する。燃焼器７は
圧縮機５とタービン２との間に周方向に複数設けられ、
図示しない燃料供給制御機構から供給される燃料Ｆを圧
縮空気Ａと混合して燃焼し、燃焼ガスＧをタービン２に
供給する。

【００１８】タービンロータ８とタービン動翼１０の内
部には、図２に示すように、冷却空気流路１１がそれぞ
れ穿設される。冷却空気流路１１には、圧縮機５から吐
出された圧縮空気Ａの一部が冷却空気Ａｃとして案内さ
れる。冷却空気Ａｃは、冷却空気流路１１を通過する間
にタービンロータ８およびタービン動翼１０を冷却し図
示しない吹出口から主流燃焼ガスＧ中に流出する。

【００１９】タービン２は、圧縮機５および燃焼器７の
作動により燃焼ガスＧがタービン段落に案内されてター
ビン動翼１０が回転され、タービンロータ８とともにタ
ービンシャフト４が回転駆動されると、発電機６を駆動
させ発電を行うようになっている。

【００２０】ところで、タービン２は、図３に示すよう
に、タービンケーシング３の内側、すなわち燃焼ガスＧ
が導入される側にコンクリート状の断熱壁（例えばキャ
スタブル耐火物）２０が覆着される。断熱壁２０は燃焼
ガスＧとタービンケーシング３とを熱的に遮断する。

【００２１】そして、断熱壁２０の表面には、耐熱板２
１が断熱壁２０と所定の間隙をおいて断熱壁２０の全面
を覆って設けられ、断熱壁２０を燃焼ガスＧから保護す
るようになっている。耐熱板２１を断熱壁２０の保護材
として設けるのは、断熱壁２０がキャスタブル耐火物で
構成される場合、キャスタブル耐火物は主流燃焼ガスＧ
の流れに直接当たったり、タービン動翼１０の回転によ
り発生する乱流によって損傷を受けやすいからである。
このようにタービン２は、ケーシング側がタービンケー
シング３、断熱壁２０および耐熱板２１の３層構造を有
して構成される。

【００２２】耐熱板２１は、図４に示すように、多数の
ユニットであるセグメント（金属片）３０に分割され、
これらセグメント３０を互いに連ねて構成される。各セ
グメント３０は互いに周縁が重なり合い、ピン３１が断
熱壁２０を貫通してタービンケーシング３に取り付けら
れ固定される。各セグメント３０は断熱壁２０側に突出
部３０Ａ（図８参照）が形成され、断熱壁２０とセグメ
ント３０との間には所定の間隙が設けられる。

【００２３】セグメント３０は、耐熱合金（例えばハス
テロイ、インコネル等）で製作され、燃焼ガスＧに晒さ
れた場合燃焼ガスの温度が８００°Ｃ以上の高温（１１
００°Ｃ〜１３００°Ｃ）に耐えられるようになってい
る。

【００２４】各セグメント３０は、図５に示すように、
周縁が互いに重なり合いしかもピン３１がタービンケー
シング３に固定されているため、高温の燃焼ガスＧに晒
されると熱伸びにより互いに周縁が外方に膨出して熱伸
びを逃がし、応力の発生を抑えるようになっている。セ
グメント３０は、図３および図６に示すように、断熱壁
２０の表面形状に合わせて扇形等の適切な形に形成され
る。

【００２５】セグメント３０の端部には、重合部３０Ｂ
あるいは受入部３０Ｃが形成される。重合部３０Ｂは、
図７に示すように、セグメント３０の一側端部を折曲
し、セグメント３０の上面から下方に所定の落差ｌ２を
設けて平坦に形成される。落差ｌ２はセグメント３０の
肉厚ｌ１とほぼ同じに設定される（ｌ２＝ｌ１）。重合
部３０Ｂには他のセグメント３０の一側端部が重り合う
ようになっており、セグメント３０は熱伸びにより全体
が膨脹すると、それぞれの周縁部が互いに規制を受ける
ことなく外方に膨出し、セグメント３０に応力が発生す
るの防ぐ。

【００２６】また、受入部３０Ｃは、図９に示すよう
に、セグメント３０の一側端部に折曲された板体３２が
固着され、内部に空隙Ｓが形成される。受入部３０Ｃの
空隙Ｓはセグメント３０の肉厚ｌ１とほぼ同じ幅ｌ３
（ｌ３＝ｌ１）を有する。受入部３０Ｃの空隙Ｓには、
他のセグメント３０の一側端部が熱伸び方向に所定の逃
げ部を有して摺動自在に嵌合される。このため、セグメ
ント３０の周縁部が熱伸びにより外方に膨出すると、受
入部３０Ｃの内側に摺動しセグメント３０に応力が発生
するの防ぐ。

【００２７】また、突出部３０Ａは、セグメント３０と
断熱壁２０との間隙を最適に保つだけでなく、セグメン
ト３０が熱伸びに対し動きやすくするとともにセグメン
トの剛性を向上させる。次にタービン２のタービンケー
シング３の作用について説明する。

【００２８】圧縮機５はタービンシャフト４の回転によ
り駆動され、圧縮機５で圧縮された圧縮空気Ａは、大部
分が燃焼器７に案内され、燃焼器７内で燃料Ｆを燃焼さ
せる。

【００２９】燃料Ｆの燃焼により発生した燃焼ガスＧ
は、燃焼器７からタービンケーシング３内の第１段のタ
ービン段落に案内される。燃焼ガスＧは、続いて各段の
タービン段落を通る間に仕事をし、タービン動翼１０を
回転させてタービンロータ８とともにタービンシャフト
４を回転駆動させ、発電機６を駆動させる。

【００３０】また、圧縮空気Ａの一部は、冷却空気Ａｃ
として圧縮機５からタービンケーシング３に導かれ、冷
却空気流路１１を通過し、図示しない吹出口から主流燃
焼ガスＧ中に流出する。冷却空気Ａｃは、冷却空気流路
１１を通過する間にタービンロータ８およびタービン動
翼１０を冷却する。高温の燃焼ガスＧ（１１００°Ｃ〜
１３００°Ｃ）が、燃焼器７からタービンケーシング３
内に導入されると、耐熱板２１が高温の燃焼ガスＧに晒
される。

【００３１】耐熱板２１は、高温の燃焼ガスＧの流れが
断熱壁２０に当たるのを阻止し、断熱壁２０を燃焼ガス
Ｇの流れから守る。耐熱板２１を構成する各セグメント
３０は周縁部が熱伸びにより外方に膨出すると、重合部
３０Ｂあるいは受入部３０Ｃで熱伸び分を逃がす。この
ため、耐熱板２１には熱伸びによる応力が発生せず、耐
熱板２１と断熱壁２０との間は所定の間隙が確保され
る。

【００３２】また、耐熱板２１は、主流燃焼ガスＧ中に
タービン動翼１０の回転に伴って乱流が発生すると、乱
流が断熱壁２０に当たるのを阻止し、断熱壁２０を乱流
から保護する。

【００３３】断熱壁２０は、キャスタブル耐火物で構成
されているため高温の燃焼ガスＧとタービンケーシング
３とを熱的に遮断し、タービンケーシング３の温度上昇
を抑制する。このため、タービンケーシング３は、冷却
を行わなくとも温度上昇が抑えられる。従って、タービ
ンケーシング３の内部に冷却空気を導いてタービンケー
シング３を冷却する必要がなくなる。なお、本発明によ
る高温ケーシングは、ガスタービンケーシング以外の高
温に晒される各種機器のケーシングとして適用できるこ
とは勿論である。

【００３４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る高温
ケーシングは、タービンケーシング等に適用する場合、
ケーシングを冷却する必要がなくなり、圧縮機の負担を
軽減させることができるので、ガスタービンの駆動効率
を向上させ、発電コストを低減化させることができる。
また、ケーシング内部に冷却空気流路を設ける必要がな
くなるので、ケーシングを小形化することができるとと
もに製造を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にの一実施例であるガスタービンのター
ビンケーシングを備えたガスタービン発電プラントの系
統概略図。

【図２】図１のタービンケーシング内部を概略的に示す
縦断面概略図。

【図３】図２のIII-III 線に沿う縦断面図

【図４】図２のIV-IV 線に沿う縦断面図

【図５】図３のタービンケーシングの要部を拡大して示
す拡大断面図。

【図６】セグメントの一例を示す平面図。

【図７】図６のVII-VII 線に沿う縦断面図。

【図８】図６のVIII-VIII 線に沿う縦断面図。

【図９】図５のIX-IX 線に沿う縦断面図。

【符号の説明】

２ ガスタービン ３ タービンケーシング ２０ 断熱壁 ２１ 耐熱板 Ｇ 燃焼ガスＧ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内壁側が高温に晒される高温
   ケーシングにおいて、ケーシング内壁側に断熱壁を設
   け、この断熱壁の内表面側の略全面を覆うようにして、
   その断熱壁に対して間隙をあけて、複数枚のユニットか
   らなる耐熱板を取り付けたことを特徴とする高温ケーシ
   ング。