JP5118496B2 - ガスタービンの排気部の構造およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの排気部の構造およびガスタービンに関する。

一般に、ガスタービンにおける排気車室には、タービンから排出される高温ガスを効率よく圧力回復させるディフューザと、ロータを回転可能に支持する軸受と、軸受をケーシング等に対して支持するストラット等が設けられている。
さらに、ガスタービンの運転中における振動状態を計測するため、軸受の周辺には振動計などの計装品が配置されている。

近年においては、ガスタービンの高効率化にともなって排気ガス温度が高くなっていることから、ストラットについては、クリープ強度の観点から、適切な温度に冷却する必要が生じている。一方、計装品についても、耐熱温度の観点から、適切な温度に冷却する必要が生じている。
そのため、運転中のガスタービンにおいて、ストラットや計装品を冷却する様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。
特許第２６７５３６１号公報 特開２００３−２３９７０５号公報

特許文献１および２に記載された技術では、ガスタービンのコンプレッサ部から抽気した空気をストラットに供給することにより、ストラットを冷却している。
しかしながら、空気をコンプレッサ部から抽気して冷却に用いるため、空気を抽気した分だけガスタービンの効率が低下するという問題があった。

さらに、例えばコンプレッサ部から抽気した空気を径方向外側から内側に向かって流すことによりストラットを冷却する場合には、コンプレッサ部により圧縮され昇温された抽気空気は、更に昇温されて軸受まわりに流れ込むことになる。たとえコンプレッサ部の低圧段から抽気する場合であっても、抽気した空気の温度は、例えば約２００℃程度の温度になり、ストラットを冷却した後には、例えば約４００℃以上に加熱される場合がある。
一般に、軸受まわりに配置された計装品は高熱に対して耐性が低いため、計装品は、上述の様に例えば約４００℃以上に加熱された空気によって損傷する危険があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ガスタービンの効率を低下させることなく、ストラットを冷却でき、かつ軸受周りの温度を低下させることができるガスタービンの排気部およびガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスタービンの排気部の構造は、内側にガスパス部が形成されるケーシングと、該ケーシングに形成された開口部と、タービン部の回転軸を回転可能に支持する軸受部と、前記ケーシングから内側に延び、前記軸受部を支持するストラットと、該ストラットに沿って延び、前記ストラットとの間に第１の空間を形成するストラットカバーと、前記回転軸の回転軸線に沿って延び、前記軸受部との間に空間を形成する内側ディフューザと、前記開口部から流入した空気を、前記第１の空間、および前記第１の空間と前記軸受部との間に形成される第２の空間を介して、前記タービン部における最終段動翼の下流側において、前記タービン部と前記ガスパス部との間に形成された開口部に導く冷却流路と、前記ケーシングから延び、前記内側ディフューザを支持するとともに、前記ケーシングの外部と前記内側ディフューザの内部とを連通させるホローストラットと、該ホローストラットにおける前記ケーシングに対する開口面積を調整する蓋部と、が設けられている。

本発明によれば、ケーシング外部とガスパス部内との間の圧力差により、ケーシング外部の空気であって、ガスパス部を流れる排気ガスよりも低温の空気は、開口部から冷却流路に流入してガスパス部に導かれる。冷却流路を流れる空気は、ストラットに沿って流れる際にストラットの熱を奪い、ストラットを冷却する。

タービン部における最終段動翼の下流側は、ガスパス部において最も圧力が低い領域の一つであるため、冷却流路における両開口端の間の圧力差が大きくなる。そのため、冷却流路が他の領域に開口している場合と比較して、より多くの低温空気が冷却流路を流れる。

また、本発明によれば、ストラットの周囲に冷却流路が形成されることになり、ストラットと冷却流路を流れる空気との接触面積が広くなる。そのため、冷却流路を流れる空気によるストラットの冷却効果が高くなる。
一方、ストラットとガスパス部との間に冷却流路が形成されるため、ガスパス部を流れる排気ガスの熱がストラットに伝わりにくくなる。

さらに、本発明によれば、ホローストラットを介して冷却流路に流入するガスパス部を流れる排気ガスよりも低温の空気により軸受周りを冷却することが出来る。また、開口面積を調節する蓋部により空気の流量を制限することができ、ストラットを冷却する空気の流量低下が防止される。

本発明のガスタービンは、空気を圧縮するコンプレッサ部と、該コンプレッサ部によって圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスから回転駆動力を取り出すタービン部と、該タービン部から排気された排気ガスが流入する請求項１または２に記載の排気部と、が設けられている。

本発明によれば、上記本発明の排気部を備えることにより、ストラット、軸受部および軸受部の周辺に配置された計装品等は、冷却流路を流れる空気により冷却される。

本発明のガスタービンの排気部の構造およびガスタービンによれば、ケーシング外部とガスパス部内との間の圧力差により、ケーシング外部の空気をストラットに沿って流すことにより、ストラットを冷却することができ、ガスタービンの効率を低下させることなく、また負荷変動の影響を受けることなくストラットや軸受まわりを冷却することができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係るガスタービンについて、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。
本実施形態のガスタービン１には、図１に示すように、空気を圧縮するコンプレッサ部２と、圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスから回転駆動力を取り出すタービン部４と、タービン部４から排気された排気ガスが流入する排気部５と、が設けられている。

コンプレッサ部２は、吸入した空気を圧縮して燃焼器３に供給するものである。
コンプレッサ部２はタービン部４とともに回転軸６に設けられ、タービン部４により回転駆動されるものである。

燃焼器３は、コンプレッサ部２から供給された圧縮空気と燃料とを混合させ、混合気を燃焼させるものである。燃焼により発生した高温の燃焼排ガスは、タービン部４に供給される。

タービン部４は、燃焼器３から供給された燃焼ガスから回転駆動力を取り出し、コンプレッサ部２や、その他の機器に回転駆動力を供給するものである。タービン部４から排出された排気ガスは、排気部５に流入する。

図２は、図１の排気部の構成を説明する部分拡大図である。図３は、図２の排気部の構成を説明するＡ−Ａ断面矢視図である。
排気部５は、タービン部４から排出された排気ガスが流入するガスパス部７が内部に形成されたものである。
排気部５には、図２および図３に示すように、排気部５の外形を構成するケーシング１１と、回転軸６を回転可能に支持する軸受部１２と、軸受部１２の周囲を覆う内側ディフューザ１３と、軸受部１２を支持するストラット１４と、ストラット１４の周囲を覆うストラットカバー１５と、内側ディフューザ１３を支持するホローストラット１６と、が設けられている。
さらに、排気部５には、ケーシング１１の外からストラット１４を冷却する空気を導く冷却流路１７が設けられている。

ケーシング１１は、内側ディフューザ１３との間にガスパス部７を形成するものであって、下流側（図２の右側）に向かってガスパス部７の横断面積が次第に増大するディフューザを形成する。
ケーシング１１の内周面におけるタービン部４側には、ストラット１４が回転軸６に向かって延びるように配置され、ストラット１４の径方向外側の取り付け部には、冷却流路１７が円環状に配置されている。ケーシング１１には、冷却流路１７とケーシング１１の外側とを連通させる開口部１８が配置されている。

本実施形態では、６本のストラット１４により軸受部１２が支持され、６本のストラット１４の間に開口部１８が設けられている例に適用して説明するが、ストラット１４の本数、および、開口部１８が設けられる位置は、特に上述の実施形態に限定されるものではない。

ストラット１４の周囲には、ストラット１４との間に第１の空間を形成しつつ、ストラット１４に沿って径方向に延びるストラットカバー１５が配置されている。ストラット１４とストラットカバー１５との間の第１の空間は冷却流路１７の一部を構成し、ケーシング１１の内周面に配置された冷却流路１７と連通している。

軸受部１２は、回転軸６を回転可能に支持するものであって、ケーシング１１から延びるストラット１４により支持されている。軸受部１２におけるタービン部４側の端部には、シールリング保持部２０が配置されている。

図４は、図２のシールリング保持部の構成を説明する斜視図である。
シールリング保持部２０は、図２および図４に示すように、リング板状の部材である。

シールリング保持部２０には、内側ディフューザ１３側からタービン部４側に空気が通過する流通孔２１が形成されている。流通孔２１は、冷却流路１７の一部を形成するものである。
なお、本実施形態では、８個の流通孔２１がシールリング保持部２０に形成されている例に適用して説明するが、流通孔２１が形成される個数は、８個に限定されるものではなく、８個よりも多くても少なくてもよく、特に限定するものではない。

冷却流路１７は、図２および図３に示すように、ケーシング１１の開口部１８、ケーシング１１の内周面、ストラット１４とストラットカバー１５との間の第１の空間、第１の空間と軸受部１２との間の第２の空間、および、流通孔２１により構成されている。
さらに、冷却流路１７は、タービン部４とガスパス部７との間、言い換えると、タービン部４の最終段動翼の下流側であって、径方向内側の壁面に開口している。

ケーシング１１の内周面におけるストラット１４よりも下流側（図２の右側）には、ホローストラット１６が径方向内側に向かって延びるように配置されている。ホローストラット１６は筒状に形成された部材であって、径方向外側の端部はケーシング１１に接続され、径方向内側の端部は内側ディフューザ１３に接続されている。さらに、ホローストラット１６の内部の空間は、ケーシング１１の外部および内側ディフューザ１３の内部空間と連通され冷却流路２５を形成している。

図５は、図２の蓋部の構成を説明する図である。
ホローストラット１６におけるケーシング１１側の開口部には、図２および図５に示すように、蓋部２２が配置されている。
蓋部２２は、ホローストラット１６を介して内側ディフューザ１３の内部空間に流入する空気の流量を制限するものである。
蓋部２２には、ホローストラット１６を介して軸受部１２と連結された複数の配管２３が挿通される貫通孔２４が形成されている。貫通孔２４は、配管２３よりも大きく形成され、配管２３との間に空気が通過する隙間が形成されている。

次に、上記の構成からなるガスタービン１における排気部５の冷却について説明する。
ガスタービン１の運転が開始されると、図２に示すように、タービン部４から排気ガスが排気部５のガスパス部７に流入する。タービン部４の最終段動翼の下流側であって、径方向内側の領域では、圧力が大気圧よりも低い圧力となる。
言い換えると、冷却流路１７の両端部における圧力に差が生じ、冷却流路１７には、ケーシング１１の外側からガスパス部７に向かう空気流れが発生する。

冷却流路１７内を流れる空気流れは、ストラット１４とストラットカバー１５との間を流れてストラット１４から熱を奪い、内側ディフューザ１３内に流入する。内側ディフューザ１３内に流入した空気は、流通孔２１を通過する。流通孔２１を通過した空気は、タービン部４とガスパス部７との間に形成された開口部からガスパス部７に流入する。

一方、図２および図５に示すように、ホローストラット１６の開口部に配置された蓋部２２の貫通孔２４からも空気がホローストラット１６の内部に流入する。当該空気は、ガスパス部７を流れる排気ガスよりも低温の空気である。ホローストラット１６に流入した空気は、冷却流路２５に流入して軸受周りを冷却した後、上述のストラット１４とストラットカバー１５との間を通過した空気と合流する。
なお、蓋部２２の貫通孔２４の隙間から流入する空気の量は、開口部１８から流入する空気の量よりも少ない。言い換えると、貫通孔２４の隙間の面積は、開口部１８の面積よりも狭い。

上記の構成によれば、ケーシング１１の外部とガスパス部７の内部との間の圧力差により、ケーシング１１外部の空気は、開口部１８から冷却流路１７に流入して軸受周りに導かれる。冷却流路１７を流れる空気は、ストラット１４に沿って流れる際にストラット１４を冷却するため、コンプレッサ部２から圧縮空気を抽気する場合のようにガスタービン１の効率を低下させることなく、ストラット１４を冷却することができる。

冷却流路１７及び冷却流路２５をタービン部４における最終段動翼の下流側に開口させることにより、冷却流路１７及び冷却流路２５における両開口端の間の圧力差が大きくなる。そのため、冷却流路１７及び冷却流路２５が他の領域に開口している場合と比較して、より多くの空気を、冷却流路１７を介してストラット１４や軸受周りに供給することができ、より効果的に冷却することができる。

ストラット１４の周囲に冷却流路１７を形成することにより、ストラット１４と冷却流路１７を流れる空気との接触面積が広くなる。そのため、冷却流路１７を流れる空気によるストラット１４の冷却効果を高くすることができる。
さらに、ストラット１４とガスパス部７との間に冷却流路１７が形成されるため、ガスパス部７を流れる排気ガスの熱をストラット１４に伝わりにくくすることができる。

ホローストラット１６を介して冷却流路２５に、ガスパス部７を流れる排気ガスよりも低温の空気を流入させることにより、軸受周りを冷却することができる。
さらに蓋部２２を設けることにより、ホローストラット１６を介して冷却流路２５に流入する空気の流量を調整することにより、ストラット１４を冷却する空気の流量低下を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。 図１の排気部の構成を説明する部分拡大図である。 図２の排気部の構成を説明するＡ−Ａ断面矢視図である。 図２のシールリング保持部の構成を説明する斜視図である。 図２の蓋部の構成を説明するＢ矢視図である。

１ ガスタービン
２ コンプレッサ部
３ 燃焼部
４ タービン部
５ 排気部
７ ガスパス部
１１ ケーシング
１２ 軸受部
１３ 内側ディフューザ
１４ ストラット
１５ ストラットカバー
１６ ホローストラット
１７ 冷却流路
１８ 開口部
２０ シールリング保持部
２１ 流通孔
２２ 蓋部
２３ 配管
２４ 貫通孔
２５ 冷却流路

Claims (2)

1. 内側にガスパス部が形成されるケーシングと、
   該ケーシングに形成された開口部と、
   タービン部の回転軸を回転可能に支持する軸受部と、
   前記ケーシングから内側に延び、前記軸受部を支持するストラットと、
   該ストラットに沿って延び、前記ストラットとの間に第１の空間を形成するストラットカバーと、
   前記回転軸の回転軸線に沿って延び、前記軸受部との間に空間を形成する内側ディフューザと、
   前記開口部から流入した空気を、前記第１の空間、および前記第１の空間と前記軸受部との間に形成される第２の空間を介して、前記タービン部における最終段動翼の下流側において、前記タービン部と前記ガスパス部との間に形成された開口部に導く冷却流路と、
   前記ケーシングから延び、前記内側ディフューザを支持するとともに、前記ケーシングの外部と前記内側ディフューザの内部とを連通させるホローストラットと、
   該ホローストラットにおける前記ケーシングに対する開口面積を調整する蓋部と、が設けられているガスタービンの排気部の構造。
2. 空気を圧縮するコンプレッサ部と、
   該コンプレッサ部によって圧縮された空気と燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスから回転駆動力を取り出すタービン部と、
   該タービン部から排気された排気ガスが流入する請求項１に記載の排気部と、が設けられているガスタービン。

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