JPS63239301A - ガスタ−ビンシユラウド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンシュラウドに係り、特に高温ガ
スタービンに適した空冷式の冷却１１Ｎ！！およびター
ビンｍ翼外周端との間隙制御機構を備えたシュラウドセ
グメントを備えたガスタービンシュラウドに関するもの
である。

（従来の技術） 一般に、ガスタービン発電プラントに設置されるガスタ
ービンでは、タービン動翼やタービン静翼等を収容した
タービンケーシングの内周にシュラウドセグメントが環
状に連設されており、このシュラウドセグメントにより
タービン動翼外周端とタービンケーシングとの間隙がら
の主流ガスの漏洩を低減させるとともに、主流ガスのタ
ービンケーシングへの熱伝達を抑制してタービンケーシ
ングの過度の温度上昇による熱変形を防止している。

このシュラウドセグメントは高温主流ガスに直接さらさ
れるので、タービンの入口温度が高くなる程その冷却に
注意を払う必要があり、また、タービン効率の観点から
主流ガスの漏洩を最小にするために、タービン動翼外周
端とシュラウドセグメントとの間隙は極力小さくする必
要がある。そこで、一般のシュラウドセグメントではこ
の冷却効果の向上を図るとともに、シュラウドセグメン
トとタービン動翼外周端との間隙を極力小さくするため
の種々の工夫がなされている。

第７図は従来のシュラウドセグメントの冷却機構を示し
ており、箱形のシュラウドセグメント１は、タービン動
翼２の外周端と間隙を保持してタービンケーシング３内
周面に環状に連設されている。そしてこのシュラウドセ
グメント１の上流側壁１ａと下流側壁１ｂには夫々開孔
４ａ、４ｂが穿設され、この開孔４ａからシュラウドセ
グメント１の内部空間５に冷却空気Ａを導入し、開孔４
ｂから゛排出することでシュラウドセグメント１を冷却
する構造となっている。

ところがこのようなシュラウドセグメントの冷却機構で
は、内部空間５を流通する冷却空気Ａの流速が遅いため
、シュラウドセグメント１内壁面と冷却空気Ａとの熱交
換率が悪く、主流ガスの温度が高温の場合、シュラウド
セグメント１のメタル温度を所定の温度に保持するため
に大量の冷却空気が必要になるという問題があった。

そこでこの問題を解決するために、第８図に示したよう
に、箱形のシュラウドセグメント６の外側間ロアからシ
ュラウドセグメント６内に箱形のインサート８を半径方
向に挿入し、タービンケーシング３からシュラウドセグ
メント６内に導かれる冷却空気Ａをインサート８の開孔
９からシュラウドセグメント内壁面に吹きつけてインピ
ンジメント冷却を行うとともにその冷却した空気をシュ
ラウドセグメント６の下流側壁６ｂの開孔１０よりシュ
ラウドセグメント外に排出する機構のものがある（特開
昭５７−５９０３０号公報参照）。

一方、タービン＠翼外周端とシュラウドセグメントとの
間隙はタービン効率向上の観点からその間隙調整のため
の機構が備えられており、例えば、シュラウドセグメン
トが固定されているタービンケーシングの温度を冷却空
気により温度制御することにより、熱変形によりシュラ
ウドセグメントとタービン動翼外周端との間隙を制御す
る機構がある。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した従来のシュラウドセグメントに
おける冷却機構では、少量の冷却空気でシュラウドセグ
メント６のメタル温度を所定の温度に保持することはで
きるが、シュラウドセグメント６にインサート８を挿入
するための広い開ロアを設ける必要があるため、シュラ
ウドセグメントが大形化してしまい、またシュラウドセ
グメント６は上流側と下流側に穿設されたフック１１に
より挟んでタービンケーシング３内面に固定されている
ためこのツメ間隔もシュラウドセグメントの大型化にと
もない大きくなり、結果としてタービンケーシング３が
軸方向に大きくなりタービン小形化の障害となるという
問題があった。

また、インサート８を箱形に形成する必要があるのでシ
ュラウドセグメント６が複雑になるという問題もあり、
さらに開ロアを小さくするためにインサート８を２分割
するとインサート８自体の構造が複雑になるという問題
があった。

一方、従来のシュラウドセグメントの間隙調、整機構に
おいては、タービンケーシング全体の温度を制御するた
め、温度調整機構自体が大きくなる欠点があり、また航
空転用を除いた陸用ガスタービンでは、タービンケーシ
ングの肉厚が大きいため、その熱容量も大きく、温度制
御の追従性が悪くなるという欠点がある０、ｔな、他の
間隙調整機構としてレユラウドセグメントに形状記憶合
金やバイメタル等の温度変化により変形する変形部材に
より遮熱板を設け、熱変形作用によりタービン動翼外周
端とシュラウドセグメントとの間隙制御を行う機構もあ
るが、高温環境下における変形部材の経年変化に問題が
あった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、主流ガス温度が高温の場合にも使用できるように高
い冷却効率を有するとともに、タービン動翼外周端とシ
ュラウドセグメントの間隙の調整も可能で、しかも構造
が簡素な空冷式のシュラウドセグメントを提供すること
を目的とする。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明のガスタービンシュラウドは、タービンケーシン
グ内周面にタービン動翼の外周端と間隙を保持して環状
に連設された中空状のシュラウドセグメントと、このシ
ュラウドセグメントのタービンケーシング側の壁面に穿
設されたシュラウドセグメント内に冷却空気を導入する
ための冷却空気導入孔と、この冷却空気導入孔から流入
する冷却空気の流入量を調整するための流量調整弁と、
シュラウドセグメントの内周側の壁面に多数穿設されな
冷却空気吐出孔と、シュラウドセグメントの内周面を全
周にわたって覆うようにこのシュラウドセグメントとタ
ービン動翼の間隙に配置された遮熱板とを備えたガスタ
ービンシュラウドにおいて、上記遮熱板を全周複数分割
に構成するとともに、この遮熱板とシュラウドセグメン
トとの取付は部をシュラウドセグメントの半径方向に移
動可能な柔構造としたことを特徴とするものである。

（作　用） シュラウドセグメントとタービン動翼の外周端との間隙
に全周２分割構造の遮熱板を配置し、かつ遮熱板とシュ
ラウドセグメントの固定部分を柔構造とすることで、主
流ガスからシュラウドセグメントへの熱輻射、熱伝達に
よる流入熱量を減少させて冷却効率を向上させることが
でき、また冷却空気量を流ｉ調整弁により制御すること
で遮熱板の温度が調節でき、このときの遮熱板の熱伸び
量の変化により、タービン動翼外周端とシュラウドセグ
メントとの間隙調整を行うことができる。

（実施例） 以下、本発明によるシュラウドセグメントの一実施例に
ついて第１図ないし第５図を参照にしながら説明する。

第１図において、符号２１は箱形のシュラウドセグメン
トを示しており、このシュラウドセグメント２１は、タ
ービンケーシング２２から突出したフック２３に嵌合し
て固定されている。このシュラウドセグメント２１がタ
ービンケーシング内周に多数円周状に連設されることに
より、タービン動翼２４の外周端と近接するシュラウド
リングが形成されている。

このシュラウドセグメント２１とタービン動翼２４外周
端との間隙には遮熱板２１５が配置されており、この遮
熱板２５は、可撓部材２６によりシュラウドセグメント
２１の下流側壁にボルト２７により固定されている。

一方、シュラウドセグメント２１のタービンケーシング
側壁には冷却空気流入孔２８が、そしてシュラウドセグ
メントの内周側壁には多数の冷却空気孔２９が夫々穿設
されており、冷却空気Ａが冷却空気流入孔からシュラウ
ドセグメントの中空部３０に流入し、冷却空気孔２９を
通って、シュラウドセグメント２１と遮熱板２５の間隙
からガス通路部へと流れる構造となっている。また冷却
空気流入孔２９には調整弁３１が取付けられており、こ
の調整弁３１により冷却空気Ａの流入量を調整すること
ができる。

第２図は第１図を回転軸方向下流側がら見た図で、遮熱
板２５は、上半部２５ａ、下半部２５ｂに２分割されて
おり、夫々シュラウドセグメント２１にボルト２７によ
り可撓部材２６を介して固定されている。

第３図は第１図における円周方Ｂｘ−ｘ断面図で、遮熱
板２５ａ、２５ｂの水平合せ部には夫々水平フランジ３
２ａ、３２ｂが形成されており、該水平フランジ部３２
ａ、３２ｂはシュラウドセグメント２１の水平合せ部３
３に挟み込まれている。そして下半部２５ｂの水平フラ
ンジ３２ｂには、ピン３４が溶接固定されており、この
ビン３４と上半部２５ｂのフランジ部３２ａに穿設され
た六とを嵌合させることにより、上半部２５ａと下半部
２５ｂとが整合される。

第４図は第１図のＹ−Ｙ断面を示す図で、遮熱板２５に
は、シュラウドセグメント２１に形成されなキー溝３う
に嵌挿するキー３６が全周６ケ所に設置されている。こ
れらのキー３６、キー溝３５および水平フランジ３２ａ
、３２１．の挟み込み部により遮熱板２５はシュラウド
セグメント２１に対し位置決めされる。また、キー３６
、キー溝３５のはめ込み部および水平フランジ３２ａ、
３２ｂの挟み込み部は、半径方向の相互の移動が可能な
ように間隙３７ａ、３７ｂが設けられており、温度変化
によるシュラウドセグメント２１と遮熱板２５の半径方
向の熱伸び差を吸収できる構造となっている。

このような構成のシュラウドセグメントでは、冷却空気
Ａは、冷却空気流入孔２８から中空部３０に流入して、
シュラウドセグメント２１の内面を冷却した後、冷却空
気孔２９から吐出して遮熱板２５３インピンジメント冷
却した後、主流ガスＢに混入する。

このように、シュラウドセグメント２１の内周面が高温
の主流ガスＢと直接接触しないように遮熱板２５を配置
し、この遮熱板２５に熱伝達率が高く冷却効率の高いイ
ンビンジメント冷却を施したので、受熱部を効率良く冷
却することができる。

また主流ガスからの輻射熱も遮熱板２５により遮られる
。さらに、遮熱板２５からシュラウドセグメント２１へ
の熱伝導も、板厚の薄い可撓部材２６を通して行われる
ので小さくなり、シュラウドセグメントの温度上昇は主
流ガスＢの温度が上がっても低く抑えることができる。

さて、このようなシュラウドセグメントのタービン動翼
外周端と遮熱板の間隙調整ｉ構について説明する。

一般に、タービン動翼外周端における間隙は、シュラウ
ドセグメント無冷却の場合、第５図の破線で示すように
変化する。この場合、横軸は起動後の時間である。同図
に示したように、起動後、ある時間で間隙が最小になる
箇所があるため、起動初期の間隙は、最小間隙のときに
タービン動翼先端がシュラウドセグメントに接触しない
ように余裕を考慮して設定する必要がある。そのため、
定格運転時のタービン動翼外周端における間隙は大きく
なり、タービン効率の低下を引き起こす。

本例では、遮熱板２５の温度を制御することにより、遮
熱板２５の半径方向の熱伸びを第５図の一点鎖線で示す
ように制御し、定格運転時の間隙を最小にする。即ち、
シュラウドセグメント２１の入口流入孔２８に設けた調
整弁３１を上下動させて冷却空気Ａの流量を制御するこ
とで、遮熱板２５の温度制御を行うことができる。遮熱
板２５の上半部２５ａと下半部２５ｂは、上述したよう
に水平フランジ３２ａ、３２１）の位置決めビン３４に
より固定されており、また、遮熱板２５は半径方向に移
動可能なキー３６によりシュラウドセグメント２１に対
し位置決めされており、さらにシュラウドセグメントへ
の固定は可視部材２６を介して行われている。従って、
遮熱板２５は温度変化に対してロータ回転軸を中心に円
形を保ちながら拡大、縮小を無理なく行うことができ、
タービン動翼外周端の間隙を変化させることができる。

なお、間隙制御はシュラウドセグメント２１に非接触形
クリアランスメータを取付け、この非接触形クリアラン
スメータにより測定された信号から冷却空気調整弁３１
を制御すればよい。

このように本例のシュラウドセグメントを用いれば、冷
却効率が向上するため主流ガス温度をさらに上昇させる
ことが可能になり、また、間隙制御によりタービン動翼
外周端からの主流ガスの漏洩を減少させることができ、
タービン効率の向上を図ることができる。

第６図は本発明の他の実施例を示す図で、遮熱板２５の
上流側に冷却空気孔４１が主流ガス通路に貫通する形で
穿設されている４本例によれば。

遮熱板２５をインビンジメント冷却した冷却空気Ａが遮
熱板２５の上流側に開けられた冷却空気孔４１から主流
ガス通路に噴出し、遮熱板２５とタービン動翼２４外周
端との間隙を流れ、遮熱板２５の主流ガス通路側壁をフ
ィルム冷却する。このため、遮熱板２５の冷却効率をさ
らに上げることができ、また、冷却空気Ａがタービン動
翼２４外周端と遮熱板２５との間隙を流れるため、この
間隙からの主流ガスの漏れも小さく抑えることが可能と
なり、タービン効率を向上させることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のガスタービンシュラウドに
よれば、シュラウドセグメントの冷却効率が向上し、し
かもシュラウドセグメントとタービン動翼との間隙を任
意に調整できる。

従って、主流ガスの間隙からの漏れ量を少なくすること
ができ、さらにタービン主流ガス温度を上げることがで
きるのでガスタービンの全体効率の向上に大きく貢獣す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の断面図、第２図は第１
図を主流ガス下流から見た一部断面図、第３図は第１、
図の水平部におけるｘ−ｘ断面図、第４図は第１図にお
けるＹ−Ｙ断面図、第５図はタービン動翼外周端間隙の
起動後の時間に対する変化を示す図、第６図は他の実施
例を示す断面図、第７図および第８図は従来のシュラウ
ドセグメントを示す断面図である。 ２１・・・・・・・・・シュラウドセグメント２２・・
・・・・・・・タービンケーシング２４・・・・・・・
・・タービン動翼 ２５・・・・・・・・・遮熱板 ２６・・・・・・・・・可撓部材 ２８・・・・・・・・・冷却空気流入孔２９・・・・・
・・・・冷却空気孔 ３１・・・・・・・・・調整弁 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第１図 第２ｒｇ 第３図 第４ｒＩＩＪ 第５＠ 第６図 第７図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タービンケーシング内周面にタービン動翼の外周
   端と間隙を保持して環状に連設された中空状のシュラウ
   ドセグメントと、このシュラウドセグメントのタービン
   ケーシング側の壁面に穿設されたシュラウドセグメント
   内に冷却空気を導入するための冷却空気導入孔と、この
   冷却空気導入孔から流入する冷却空気の流入量を調整す
   るための流量調整弁と、前記シュラウドセグメントの内
   周側の壁面に多数穿設された冷却空気吐出孔と、前記シ
   ュラウドセグメントの内周面を全周にわたつて覆うよう
   に前記シュラウドセグメントとタービン動翼の間隙に配
   置された遮熱板とを備えたガスタービンシュラウドにお
   いて、 前記遮熱板を全周複数分割に構成するとともに、前記遮
   熱板と前記シュラウドセグメントとの取付け部をシュラ
   ウドセグメントの半径方向に移動可能な柔構造としたこ
   とを特徴とするガスタービンシュラウド。
2. （２）遮熱板が、シュラウドセグメントの冷却空気吐出
   孔から吐出した冷却空気を透過させるための多数の孔を
   穿設していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のガスタービンシュラウド。