JP5683573B2 - 分割環冷却構造およびガスタービン - Google Patents
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Description
ガスタービンは、燃焼器3で発生させた燃焼ガスFGをタービン静翼7及びタービン動翼8に供給し、タービン動翼8を回転軸5の廻りに回転させて、回転エネルギーを電力に変換している。タービン静翼7およびタービン動翼8は、燃焼ガスの流れ方向(図11の紙面上で左側から右側の方向)の上流側から下流側に向かって交互に配置されている。また、タービン動翼8は、回転軸5の周方向に複数配置され、回転軸5と一体となって回転している。
すなわち、本発明の分割環冷却構造は、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、分割体の内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、分割体は、車室の外部より供給された冷却空気を吹き出させ、分割体の本体をインピンジメント冷却する小孔を備えた衝突板と、衝突板と分割体の本体より囲まれた冷却空間と、分割体の回転軸の軸方向に沿った側端部のうち、少なくとも一方の側端部に沿って回転軸の軸方向に配置され、冷却空間よりインピンジメント冷却後の冷却空気を受入れる第1キャビティと、一端が第1キャビティに連通し、他端が側端部に配列された開口より燃焼ガス中に冷却空気を吹き出す第1冷却流路と、前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって前記回転軸の軸方向に直交するように配置された第2キャビティと、前記軸方向に設けられ前記冷却空間から前記第2キャビティに連通する第2冷却流路と、前記第2キャビティから前記軸方向に長く形成され、内部を通過する冷却空気により前記分割体を対流冷却し、前記分割体の下流側端部において燃焼ガス中に開口する中空の第3冷却流路と、から構成され、前記第2冷却流路として、前記分割体の一方の前記側端部に沿った第2冷却流路と、前記分割体の他方の前記側端部に沿った第2冷却流路とを含む複数の第2冷却流路を備え、前記第3冷却流路として、前記分割体の一方の前記側端部に沿った第3冷却流路と、前記分割体の他方の前記側端部に沿った第3冷却流路とを含む複数の第3冷却流路を備え、前記第2キャビティは、前記一方の前記側端部に沿った前記第2冷却流路及び前記第3冷却流路の上流側端から、前記軸方向に直交する方向に、前記他方の前記側端部に沿った前記第2冷却流路の上流端及び前記第3冷却流路の上流側端まで延び、複数の前記第2冷却通路の全て及び複数の前記第3冷却通路の全てに連通し、第1冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側では下流側の開口より開口の配列ピッチが小さくまたは開口の開口面積が大きくなるように配列され、燃焼ガスの流れ方向の下流側では上流側の開口より開口の配列ピッチが大きくまたは開口の開口面積が小さくなるように配列されていること、を特徴とする。
実施例1について、図1〜図6Bおよび図10、図11に基づき以下に説明する。
タービン部は、従来技術の図11および図12で説明した内容と同一の構成であるので、詳細な説明は省略する。共通する部品名称および符号は、同一の名称および符号を使用する。
分割環10は、車室67に支持されたタービン部4の構成部材であって、回転軸5の周方向に配設されて環状をなす複数の分割体11で形成される。分割体11は、背景技術で説明したように、分割体11の本体の内周面12bとタービン動翼8の先端8aの間に一定の隙間が確保されるように配置されている。分割体11は、たとえば耐熱性ニッケル合金等から形成されている。
分割体11の回転軸5の回転方向Rの前方側(以下「前方側」と呼ぶ)の側端部18には、冷却空間35から連絡路22を介して前方側端部キャビティ20(第1キャビティ)に接続して、前方側端部キャビティ20から燃焼ガスFG中に連通する前方側端部冷却流路21(第1冷却流路)が配置されている。前方側端部冷却流路21は、回転軸5の軸方向に略直交する方向に配置されているが、下流側に向かって傾きを備えた傾斜流路であってもよい。
図2に示すように、分割体11には、上流側の上流側端部16であって、回転軸5の軸方向に略直交する方向に上流側端部キャビティ23(第2キャビティ)が配置されている。また、冷却空間35と上流側端部キャビティ23を連結する上流側端部冷却流路24(第2冷却流路)が回転軸5の軸方向に設けられ、上流側端部キャビティ23から下流側の下流側端面17aに開口する本体冷却流路25(第3冷却流路)が、分割体11の本体12を回転軸5の軸方向に貫通するように配置されている。上流側端部キャビティ23は、上流側端部冷却流路24と本体冷却流路25を互いに連通するマニホールドの役割を果たしている。
図5Bにおいて、冷却空気側の熱伝達率αは、点線で示されている。縦軸は、熱伝達率αを示し、横軸は回転軸5の軸方向の長さLを示す。第1領域Z1のうち上流点Cfから前縁点C0までの間では、冷却空気圧と燃焼ガス圧との差圧DP1がほとんど変化しないため、冷却空気側の熱伝達率αは一定となる。燃焼ガスが翼間流路に流入する前縁点C0からスロート点Csまでの間では、差圧DP1が増加して、冷却空気側の熱伝達率αも下流側に向かって次第に大きくなり、スロート点Cs近傍で最大となる。スロート点Csから下流側では、ほぼ冷却空気側の熱伝達率αは最大値で一定となる。
実施例2について、図7Aおよび図7Bを参照して説明する。図7Aは、本実施例に係わる燃焼ガスの圧力分布と分割体の回転軸5の軸方向の長さLの関係を示し、図7Bは、分割体11の側端部18の開口33の配置を示す。
タービン動翼8の形状により、翼間流路を流れる燃焼ガスの圧力が、実施例1より上流側において急激に低下する場合がある。すなわち、実施例1では、燃焼ガス圧が急激に低下する位置がスロート点Csにあるが、本実施例では、燃焼ガス圧が急激に低下する位置が最も上流側に遡った場合を想定して、最大翼厚点Cmにある場合を示している。
実施例3について、図8を参照して以下に説明する。
本実施例は、実施例1と同様に、側端部18、19には、それぞれ前方側端部冷却流路21および後方側端部冷却流路27が設けられ、側端部端面18a、19aには各冷却流路を介して燃焼ガス中に開口する開口33が配列されている。 また、分割体本体12を冷却するため、上流側端部16には上流側端部冷却流路28(第5冷却流路)が設けられ、下流側端部17には下流側端部冷却流路29(第6冷却流路)が設けられる。側端部18,19に設ける開口33の配置は、実施例1、実施例2及び変形例1から4に示す開口の配置が適用できる。
車室67側からの冷却空気の供給方法は、実施例1と同様であり、衝突板14の小孔(図示せず)を介して分割体本体12の上面をインピンジメント冷却する。また、インピンジメント冷却後の冷却空気は、上流側端部16に設けられた上流側端部冷却流路28を介して燃焼ガスの流れ方向の上流側に吹き出す際、上流側端部16を対流冷却する。また、下流側端部17に設けられた下流側端部冷却流路29を介して燃焼ガス中に吹き出す際、下流側端部17が対流冷却される。更に、インピンジメント冷却後の冷却空気の一部は、側端部18,19の前方側端部冷却流路21および後方側端部冷却流路27を介して開口33から燃焼ガス中に吹き出す際、側端部18,19を対流冷却している。
実施例4について、図9を参照して以下に説明する。
本実施例は、実施例1と同様に、側端部18、19には、前方側端部冷却流路21および後方側端部冷却流路27を介して燃焼ガス中に開口する開口33が配置されている。冷却孔の配置は、実施例1、実施例2および変形例1から4と同様な配置を適用できる。
5 回転軸
8 タービン動翼
10、60 分割環
11、61 分割体
12 本体
14、64 衝突板
15、65 小孔
16 上流側端部
17 下流側端部
18、19 側端部
20、31 前方側端部キャビティ(第1キャビティ、第5キャビティ)
21 前方側端部冷却流路(第1冷却流路)
23、30 上流側端部キャビティ(第2キャビティ、第4キャビティ)
24 上流側端部冷却流路(第2冷却流路)
25 本体冷却流路(第3冷却流路)
35、71 冷却空間
67 車室
Z1 第1領域
Z2 第2領域
Z3 第3領域
SP 始点
SP1 第1始点
SP2 第2始点
EP 終点
CA 冷却空気
FG 燃焼ガス
Claims (9)
- 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、前記分割体の内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
前記分割体は、前記車室の外部より供給された冷却空気を吹き出させ、前記分割体の本体をインピンジメント冷却する小孔を備えた衝突板と、
該衝突板と前記分割体の本体より囲まれた冷却空間と、
前記分割体の回転軸の軸方向に沿った側端部のうち、少なくとも一方の側端部に沿って回転軸の軸方向に配置され、前記冷却空間よりインピンジメント冷却後の冷却空気を受入れる第1キャビティと、
一端が前記第1キャビティに連通し、他端が前記側端部に配列された開口より燃焼ガス中に冷却空気を吹き出す第1冷却流路と、
前記分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって前記回転軸の軸方向に直交するように配置された第2キャビティと、
前記軸方向に設けられ前記冷却空間から前記第2キャビティに連通する第2冷却流路と、
前記第2キャビティから前記軸方向に長く形成され、内部を通過する冷却空気により前記分割体を対流冷却し、前記分割体の下流側端部において燃焼ガス中に開口する中空の第3冷却流路と、から構成され、
前記第2冷却流路として、前記分割体の一方の前記側端部に沿った第2冷却流路と、前記分割体の他方の前記側端部に沿った第2冷却流路とを含む複数の第2冷却流路を備え、
前記第3冷却流路として、前記分割体の一方の前記側端部に沿った第3冷却流路と、前記分割体の他方の前記側端部に沿った第3冷却流路とを含む複数の第3冷却流路を備え、
前記第2キャビティは、前記一方の前記側端部に沿った前記第2冷却流路及び前記第3冷却流路の上流側端から、前記軸方向に直交する方向に、前記他方の前記側端部に沿った前記第2冷却流路の上流端及び前記第3冷却流路の上流側端まで延び、複数の前記第2冷却通路の全て及び複数の前記第3冷却通路の全てに連通し、
前記第1冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側では下流側の開口より開口の配列ピッチが小さくまたは開口の開口面積が大きくなるように配列され、燃焼ガスの流れ方向の下流側では上流側の開口より開口の配列ピッチが大きくまたは開口の開口面積が小さくなるように配列されていること、を特徴とする分割環冷却構造。 - 前記第1冷却流路の開口は、少なくとも回転軸の回転方向の前方側の前記側端部に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の分割環冷却構造。
- 前記第1冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって2つの領域に分けられ、上流側の第1領域では下流側の第2領域より開口の配列ピッチが小さくまたは開口の開口面積が大きくなるように配列され、下流側の第2領域では前記第1領域より開口の配列ピッチが大きくまたは開口の開口面積が小さくなるように配列されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の分割環冷却構造。
- 前記第2領域が開始する上流側の位置が、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって前記開口の配列ピッチまたは前記開口の開口面積が変化する始点であることを特徴とする請求項3に記載の分割環冷却構造。
- 前記第1冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって3つの領域に分けられ、最も上流側の第1領域では他の領域より開口の配列ピッチが小さくまたは開口の開口面積が大きくなるように配列され、最も下流側の第3領域では他の領域より開口の配列ピッチが大きくまたは開口の開口面積が小さくなるように配列され、前記第1領域と前記第3領域の間に挟まれた第2領域では上流側から下流側に向かって開口の配列ピッチが順次大きくなるようにまたは開口の開口面積が順次小さくなるように配列されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の分割環冷却構造。
- 前記第2領域が開始する上流側の位置が、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって前記開口の配列ピッチまたは前記開口の開口面積が変化する始点であり、前記第3領域が開始する上流側の位置が、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって前記開口の配列ピッチまたは前記開口の開口面積が変化する終点であることを特徴とする請求項5に記載の分割環冷却構造。
- 前記始点は、燃焼ガスの流れ方向で最も下流側の第1始点から最も上流側の第2始点の間で変化することを特徴とする請求項4または請求項6のいずれか1項に記載の分割環冷却構造。
- 前記第2冷却流路および前記第3冷却流路は、前記第2キャビティを介して回転軸の軸方向に折り返す構造を備えていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の分割環冷却構造。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の分割環冷却構造を備えたガスタービン。
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