JP6223111B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンに関するものである。

一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気とする。燃焼器は、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスを得る。タービンは、この燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。

このガスタービンにおけるタービンは、車室内に複数の静翼と動翼が燃焼ガスの流動方向に沿って交互に配設されて構成されており、燃焼器で生成された燃焼ガスが、複数の静翼と動翼を通過することでロータを駆動回転し、このロータに連結された発電機を駆動する。

また、静翼と動翼が配置された高温の燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路（ガス通路）は、静翼の一部を構成する外側シュラウド及び内側シュラウド、並びに、動翼プラットフォーム及び分割環で囲まれた空間で形成されている。動翼プラットフォームは、回転軸線回りにリング状に取付けられ、静翼及び分割環は、回転軸線回りにリング状に配置され、遮熱環及び翼環を介して車室側に支持されている。

翼環は、ロータ回りに２分割され、リング状に配置されている。遮熱環は、翼環の内周側に配置され、翼環から支持されている。静翼及び分割環は、遮熱環の径方向内側に配置され、遮熱環から支持されている。

動翼の先端と分割環の内周面との間は、両者の干渉が生じない範囲で隙間を小さくして燃焼ガスの隙間流を抑え、ガスタービンの性能が低下しない構造としている。

なお、圧縮機の中間段から抽気した冷却空気をタービンの車室に供給し、翼環を介して静翼や分割環に冷却空気を供給し、燃焼ガスによる熱損傷から翼環回りの構成部品（分割環、遮熱環等）を保護している。冷却空気は、最終的に、ガス通路を流動する燃焼ガス中に排出されるため、比較的高圧の抽気空気が用いられるのが、一般的である。

このようなガスタービンとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。

特開平７−５４６６９号公報

上述した従来のガスタービンのタービンにて、例えば、ホット起動時、各動翼は、高速回転することで先端部が径方向における外側に伸張する一方、車室側における翼環回りの構成部品は、低温の冷却空気により冷却されることで、一時的に径方向の内側に収縮する。このとき、ガスタービンの起動後、定格運転に到達するまでの間で、動翼の先端とガス通路を構成する分割環の内壁面との隙間が一時的に減少するピンチポイント（最小隙間）が発生する。そのため、ピンチポイントでも、動翼の先端と分割環の内壁面とが接触しないように、所定隙間を確保する必要がある。一方、ガスタービンは、定常運転に達した際、動翼の先端と分割環の内壁面との隙間が必要以上に大きくなってしまい、タービンによる駆動力の回収効率が低下し、ガスタービン自体の性能が低下してしまうという問題がある。

また、上述した特許文献１に記載されたタービンでは、圧縮機から比較的高温の抽気空気が翼環に供給されるため、翼環及び翼環回りの構成部品を十分に冷却することは困難であり、上述の隙間を低減することには限界がある。抽気空気の温度を下げるためには冷却する必要があるが、抽気空気の冷却は熱損失に繋がり、ガスタービンの性能低下を招くという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、タービン車室側と動翼との隙間を適正量として性能の向上を図るガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記燃焼ガスにより回転軸線回りに回転する回転軸と、を有するガスタービンにおいて、前記タービンは、前記回転軸線回りにリング形状をなすタービン車室と、前記回転軸線回りにリング形状をなして前記タービン車室の内周部に支持されることでリング状の第１キャビティを区画する翼環と、前記回転軸線回りにリング形状をなして前記翼環の内周部に軸方向に所定間隔で支持される複数の遮熱環と、前記回転軸線回りにリング形状をなして前記複数の遮熱環の内周部に支持される複数の分割環と、前記回転軸の外周部に軸方向に所定間隔をあけて複数固定されて前記分割環に径方向に対向して配置される複数の動翼体と、前記複数の動翼体の間で前記回転軸線回りにリング形状をなすシュラウドが隣接する前記遮熱環に固定されることでリング状の第２キャビティを区画する複数の静翼体と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気の一部を前記第２キャビティに供給する第２冷却空気供給経路と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気よりも低温の冷却空気を前記第１キャビティに供給する第１冷却空気供給経路と、前記第１キャビティから冷却空気を排出する冷却空気排出経路と、を有することを特徴とする。

従って、圧縮機から圧縮空気の一部が抽気され、抽気された圧縮空気が第２冷却空気供給経路により第２キャビティに供給されると共に、この圧縮空気よりも低温の冷却空気が第１冷却空気供給経路により第１キャビティ供給され、冷却空気排出経路により第１キャビティから冷却空気を排出する。そのため、遮熱環が圧縮機から圧縮空気により冷却され、翼環が冷却空気により径方向の内側及び外側から冷却されることで、翼環と遮熱環が燃焼ガスから熱を受けて大きく変位することはなく、分割環と動翼との隙間を適正量としてタービンによる駆動力の回収効率が低下を抑制し、ガスタービンの性能を向上することができる。

本発明のガスタービンでは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記燃焼ガスにより回転軸線回りに回転する回転軸と、を有するガスタービンにおいて、前記タービンは、前記回転軸線回りにリング形状をなすタービン車室と、前記回転軸線回りにリング形状をなして前記タービン車室の内周部に連結されることで環状の第１キャビティを区画する翼環と、前記回転軸線回りにリング形状をなして前記翼環の内周部に軸方向に所定間隔で連結される複数の遮熱環と、前記回転軸線回りにリング形状をなして前記複数の遮熱環の内周部に連結される複数の分割環と、前記回転軸の外周部に軸方向に所定間隔をあけて複数固定されて前記分割環に径方向に対向して配置される複数の動翼体と、前記複数の動翼体の間で前記回転軸線回りにリング形状をなすシュラウドが隣接する前記遮熱環に固定されることで環状の第２キャビティを区画する複数の静翼体と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気の一部を前記第２キャビティに供給する第２冷却空気供給経路と、前記翼環に設けられて一端部が前記第１キャビティに連通する冷却空気流路と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気よりも低温の冷却空気を前記冷却空気流路の他端部と前記第１キャビティのいずれか一方に供給する第１冷却空気供給経路と、前記冷却空気流路の他端部と前記第１キャビティのいずれか他方から冷却空気を排出する冷却空気排出経路と、を有することを特徴とするものである。

従って、翼環の内部に冷却空気流路を設けるので、翼環が更に冷却され、動翼の先端と分割環との隙間の管理が一層容易になる。

本発明のガスタービンでは、前記翼環の内周面に遮熱部材が設けられることを特徴としている。

従って、遮熱部材により第２キャビティから翼環への入熱が遮断されることで、翼環を更に冷却することができる。

本発明のガスタービンでは、前記冷却空気流路は、前記回転軸の軸方向に所定間隔をあけて配置される複数のマニホールドと、前記複数のマニホールドを直列に連結する連結通路とを有することを特徴としている。

従って、翼環内にて、複数のマニホールドの間で冷却空気が連結通路を通して流通することで、翼環を効率良く冷却することができる。

本発明のガスタービンでは、前記翼環は、前記回転軸の軸方向に沿う円筒部と、前記円筒部における各端部に設けられる第１外周フランジ部及び第２外周フランジ部を有し、前記複数のマニホールドは、前記第１外周フランジ部及び第２外周フランジ部に空洞部として形成され、前記連結通路は、前記円筒部に複数の連通孔として形成されることを特徴としている。

従って、冷却空気は、複数のマニホールド間を連結通路としての複数の連通孔を通って流動することとなり、冷却空気を翼環の内部全体に流動することで、翼環を効率良く冷却することができる。

本発明のガスタービンでは、前記第１冷却空気供給経路は、送風機により吸引された大気空気を供給することを特徴としている。

従って、第１冷却空気供給経路が大気空気を供給するため、簡単な構成で容易に冷却空気を供給して翼環を冷却することができる。

本発明のガスタービンでは、前記遮熱環は、前記翼環より熱膨張率が大きい材料により構成されることを特徴としている。

従って、遮熱環が燃焼ガスにより加熱されて熱膨張することで、分割環と動翼との隙間を小さく設定することができる。

本発明のガスタービンでは、前記第１冷却空気供給経路は、前記冷却空気を加熱する加熱装置を備えることを特徴とする。

従って、ガスタービンの起動時から定格負荷運転に達する段階において、動翼の先端と分割環の隙間を小さくできるので、ガスタービンの性能低下を抑制できる。

本発明のガスタービンでは、前記冷却空気排出経路は、前記第１キャビティから排出された冷却空気を排気冷却系に導入することを特徴としている。

従って、翼環を冷却した冷却空気を冷却空気排出経路により排気冷却系に導入することで、冷却空気の有効利用を可能とすることができる。

本発明のガスタービンによれば、翼環の内側に区画された第２キャビティに供給される冷却空気より低温の冷却空気を、その外側に区画される第１キャビティに供給するので、起動時から定格運転に到達するまでの間、翼環が常時低温の冷却空気に接触しているので、翼環自体が大きく変位することはない。従って、定格運転時において、分割環と動翼との隙間を適正量に設定でき、タービンによる駆動力の回収効率が低下を抑制し、ガスタービンの性能を向上することができる。

図１は、本実施形態のガスタービンにおける燃焼器の近傍を表す断面図である。 図２は、タービンの翼環の近傍を表す断面図である。 図３は、本実施形態の変形例を表すタービンの翼環の近傍の断面図である。 図４は、本実施形態の変形例を示す第１冷却空気供給経路の図である。 図５は、ガスタービンのホット起動時におけるタービンの構成部材の隙間の挙動を表すグラフである。 図６は、ガスタービンのコールド起動時におけるタービンの構成部材の隙間の挙動を表すグラフである。 図７は、ガスタービンの全体構成を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービンの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図７は、本実施形態のガスタービンの全体構成を表す概略図である。

本実施形態のガスタービンは、図７に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービンは、同軸上に図示しない発電機が連結され、発電可能となっている。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と複数の動翼２４が空気の流動方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。この圧縮機１１は、空気取入口２０から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気とする。

燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された高温・高圧の圧縮空気に対して燃料を供給し、燃焼することで、燃焼ガスを生成する。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と複数の動翼２８が燃焼ガスの流動方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。そして、このタービン車室２６は、下流側に排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に接続する排気ディフューザ３１を有している。このタービンは、燃焼器１２からの燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動する。

圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３は、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（回転軸）３２が配置されている。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持されると共に、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定されると共に、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に発電機の駆動軸が連結されている。

そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。

従って、圧縮機１１にて、空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。タービン１３にて、燃焼器１２で生成された高温・高圧の燃焼ガスＧが、タービン１３における複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、燃焼ガスは、運動エネルギーが排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換されて大気に放出される。

このように構成されたガスタービンにて、タービン１３における各動翼２８の先端とタービン車室２６側との隙間は、動翼２８やタービン車室２６などの熱延びを考慮した隙間（クリアランス）となっており、タービン１３による駆動力の回収効率が低下、しいては、ガスタービン自体の性能の低下の観点から、タービン１３における各動翼２８の先端とタービン車室２６側との隙間をできるだけ小さい隙間にすることが望ましい。

そこで、本実施形態では、動翼２８の先端とタービン車室２６側との初期隙間を大きくすると共に、タービン車室２６側を適正に冷却することで、定常運転時における動翼２８の先端とタービン車室２６側との隙間を小さくし、タービン１３による駆動力の回収効率の低下を防止している。

図１は、本実施形態のガスタービンにおける燃焼器の近傍を表す断面図、図２は、タービンの翼環の近傍を表す断面図である。

タービン１３において、図１及び図２に示すように、タービン車室２６は、円筒形状をなし、燃焼ガスＧの流動方向の下流側に円筒形状をなす排気車室２９が連結されている。この排気車室２９は、燃焼ガスＧの流動方向の下流側に円筒形状をなす排気室３０（排気ディフューザ３１）が設けられ、排気室３０は、燃焼ガスＧの流動方向の下流側に排気ダクト（図示せず）が設けられている。

タービン車室２６は、内周部に燃焼ガスＧの流動方向の前後に所定間隔をあけて内周フランジ部４２ａ，４２ｂが一体に形成され、この内周フランジ部４２ａ，４２ｂには、径方向の内周部にロータ３２回りに２分割されたリング形状をなす翼環４３が固定されている。この翼環４３は、周方向の分割部でボルト締結され、円筒形状の構造物を形成している。翼環４３は、燃焼ガスＧの流動方向（ロータ３２の軸方向）に沿う円筒部４４ａと、円筒部４４ａにおける軸方向の上流側及び下流側の各端部に設けられる第１外周フランジ部４４ｂ及び第２外周フランジ部４４ｃを有している。

翼環４３は、径方向内側の内周部に燃焼ガスＧの流動方向の前後に所定間隔をあけて係止部４５ａ，４５ｂが周方向に沿って一体に形成されている。第１遮熱環４６は、翼環４３の内周部から係止部４５ａを介して支持され、第２遮熱環４７は翼環４３の内周部から係止部４５ｂを介して支持されている。この各遮熱環４６，４７は、ロータ３２の回りにリング形状をなし、第１分割環４９は、係止部４８ａ，４８ｂを介して第１遮熱環４６の内周部に支持され、第２分割環５１は、係止部５０ａ，５０ｂを介して第２遮熱環４７の内周部に支持されている。

また、遮熱環４６、４７及び静翼２７、並びに、分割環４９，５１は、周方向に複数に分割され、一定の隙間を保持しつつリング状に配置されている。

ロータ３２（図７参照）は、外周部に複数のディスク５２が一体に連結されてなり、軸受部３４（図７参照）によりタービン車室２６に回転自在に支持されている。

複数の静翼体５３と複数の動翼体５４は、翼環４３の径方向の内側に燃焼ガスＧの流動方向に沿って交互に配設されている。静翼体５３は、複数の静翼２７が周方向に均等間隔で配置され、径方向内側でロータ３２回りにリング形状をなす内側シュラウド５５に固定され、径方向の外側でロータ３２回りにリング形状をなす外側シュラウド５６に固定されて構成されている。そして、静翼体５３は、外側シュラウド５６が係止部５７ａ，５７ｂを介して遮熱環４６，４７に支持されている。

動翼体５４は、複数の動翼２８が周方向に均等間隔で配置され、基端部がディスク５２の外周部に固定されている。動翼２８の先端部は、径方向の外側で対向して配置された分割環４９，５１側に延出している。この場合、各動翼２８の先端と分割環４９，５１の内周面との間に、所定の隙間（クリアランス）が確保されている。

タービン１３は、分割環４９，５１及び外側シュラウド５６と、内側シュラウド５５との間にロータ３２回りにリング形状をなす燃焼ガスＧが流れるガス通路５８が形成されている。このガス通路５８に複数の静翼体５３と複数の動翼体５４が燃焼ガスＧの流動方向に沿って交互に配設されている。

燃焼器１２は、ロータ３２の径方向の外側に周方向に沿って複数所定間隔で配置され、燃焼器支持部材３８を介してタービン車室２６に支持されている。この燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された高温・高圧の圧縮空気に対して燃料を供給し、燃焼することで、燃焼ガスＧを生成する。燃焼器１２の出口１４（尾筒）は、ガス通路５８に連結されている。

そして、タービン１３においては、第１外周フランジ部４４ｂ及び第２外周フランジ部４４ｃを介して、タービン車室２６の内周フランジ部４２ａ，４２ｂに翼環４３が連結されている。その結果、翼環４３の径方向の外表面に隣接して、タービン車室２６の径方向の内周面と翼環の径方向の外周面で囲まれ、ロータ３２回りにリング状に配置された第１キャビティ６１が区画される。タービン１３は、翼環４３の内周部に遮熱環４６，４７を介して分割環４９，５１が固定されると共に、ロータ３２の軸方向の遮熱環４６，４７の間に静翼体５３の外側シュラウド５６が固定される。その結果、翼環４３の径方向の内周面に隣接して、翼環４３の径方向の内周面と分割環５６の径方向の外周面で囲まれ、ロータ３２回りにリング状に配置された第２キャビティ６２が区画される。

なお、図２に示すように、翼環４３は、第１外周フランジ部４４ｂがタービン車室２６の内周フランジ部４２ａに対してロータ３２の軸方向に固定され、径方向にはスライド可能な構造である。また、内周フランジ部４２ｂは、シール部材８２を介して第２外周フランジ４４ｃに当接し、径方向にスライド可能な構造である。従って、タービン車室２６と翼環４３の軸方向および径方向の変位を吸収しつつ、第１キャビティ６１と軸方向の下流側の空間との間をシール可能な構造となっている。このような構造を有するので、翼環４３の径方向の変位は、タービン車室２６から拘束されることはない。

また、タービン１３は、翼環４３に冷却空気流路６３が設けられている。この冷却空気流路６３は、燃焼ガスＧの流動方向（ロータ３２の軸方向）に所定間隔をあけて配置され、ロータ３２回りにリング状に形成された複数（本実施例では、２個）のマニホールド６４，６５と、この複数のマニホールド６４，６５をロータ３２の軸方向に直列に配置され、両端でマニホールド６４，６５に連結する連結通路６６とを有している。

具体的には、冷却空気流路６３として、第１外周フランジ部４４ｂに空洞部として形成される第１マニホールド６４と、第２外周フランジ部４４ｃに空洞部として形成される第２マニホールド６５とが設けられている。各マニホールド６４，６５は、ロータ３２回りにリング形状をなしており、この第１マニホールド６４と第２マニホールド６５とは、円筒部４４ａに複数の連通孔として形成される連結通路６６により連結されている。この連結通路６６を構成する複数の連通孔は、周方向に均等間隔で配置されている。なお、連結通路６６は、ロータ３２の軸方向からの断面視で、径方向に単列の配置でもよいし、複数列に配置してもよい。

タービン１３は、タービン車室２６の外部からの冷却空気Ａ１を第１キャビティ６１または冷却空気流路６３に供給する第１冷却空気供給経路７１が設けられると共に、第１キャビティ６１または冷却空気流路６３の冷却空気Ａ１を排出する冷却空気排出経路７２が設けられている。冷却空気流路６３は、一端部６３ａが第１キャビティ６１に連通し、他端部６３ｂは第１冷却空気供給経路７１に連結されている。第１冷却空気供給経路７１は、外部からタービン車室２６を貫通する配管７１ａであり、翼環４３に接続する先端部に補助キャビティ７１ｂが設けられている。補助キャビティ７１ｂは周方向に環状をなし、冷却空気流路６３の一端部６３ａに連通している。そして、第１冷却空気供給経路７１は、先端部とは径方向で反対側の基端部がタービン１３（タービン車室２６）の外部に延長され、配管７１ａの上流端にファン（送風機）７３が装着されている。冷却空気排出経路７２も、タービン車室２６の外部からタービン車室２６を貫通する配管７２ａであり、先端部が第１キャビティ６１に連通している。なお、配管７１ａは、翼環４３とタービン車室２６との間にベローズ７１ｃが設けられている。配管７２ａも、図示しないが、同様に翼環４３とタービン車室２６の間にベローズが設けられている。ベローズ７１ｃは、主に軸方向の熱伸びの差を吸収する役目を果たしている。

また、タービン１３は、冷却空気Ａ２を第２キャビティ６２に供給する第２冷却空気供給経路７４が設けられている。この第２冷却空気供給経路７４は、基端部が圧縮機１１の中間段（中圧段または高圧段）の抽気室２５（図７参照）に連結され、先端部が第２キャビティ６２に連通している。第２冷却空気供給経路７４は、タービン車室２６の外部からタービン車室２６を貫通する配管７４ａであり、この配管７４ａは、翼環４３とタービン車室２６の間にベローズ７１ｃが設けられている。ベローズ７４ｃの役割は、ベローズ７１ａと同様である。

この場合、第２冷却空気供給経路７４は、圧縮機１１が圧縮した圧縮空気の一部を冷却空気Ａ２として第２キャビティ６２に供給するものである。冷却空気Ａ２は、主に静翼回りの冷却に用いられる。冷却空気Ａ２は、最終的にはガス通路５８を流動する燃焼ガスＧ中に排出されるため、抽気空気等の比較的高い圧力が必要である。一方、第１冷却空気供給経路７１は、ファン７３により外部の空気を冷却空気Ａ１として冷却空気流路６３に供給するものである。このとき、第１冷却空気供給経路７１は、第２キャビティ６２に供給する冷却空気Ａ２よりも低温の冷却空気Ａ１を冷却空気流路６３に供給する必要がある。

即ち、分割環４９の内周面と動翼２８の先端の隙間を小さくするためには、翼環４３を出来るだけ低い温度に維持することが望ましく、第１冷却空気供給経路７１は、ファン７３で大気空気Ａを吸引した冷却空気Ａ１を第１キャビティ６１または冷却空気流路６３に供給するのが最も好ましい。但し、第１冷却空気供給経路７１は、第２冷却空気供給経路７４よりも低圧の圧縮機１１の低圧段から抽気した圧縮空気を冷却空気Ａ１として第１キャビティ６１または冷却空気流路６３に供給してもよい。なお、この場合でも、抽気温度が大気温度に近い、温度の低い低圧段から抽気するのが好ましい。

冷却空気排出経路７２は、第１キャビティ６１から排出された冷却空気Ａ１を排気冷却系７５に導入する。この排気冷却系７５とは、例えば、排気室３０に設けられる排気ディフューザ３１である。

排気ディフューザ３１では、排気冷却系７５に供給された冷却空気は、ストラット３５や軸受３４を冷却した後、排気ディフューザ３１内を流れる圧力回復前の負圧状態の燃焼ガス中に排出される。ファン７３で加圧され、タービン１３に供給された冷却空気Ａ１は、翼環４３回りを冷却した後、冷却空気排出経路７２を経由して排気ディフューザ３１に供給され、その内部を冷却する。従って、冷却空気Ａ１が使い廻しされ、冷却空気の有効利用が図れる。

また、使い廻しされた冷却空気Ａ１は、排気ディフューザ３１内の負圧状態の燃焼ガス中に排出されるので、大気空気Ａを吸引するファン７３の吐出圧力は、比較的低圧でよい。従って、ファン７３を用いた冷却空気Ａ１を用いる方法は、圧縮機１１の抽気空気を冷却空気Ａ１に用いる場合と比較して、エネルギー損失が小さくて済むので、ガスタービンの性能の低下を抑えることができる。

タービン１３は、翼環４３の第２キャビティ６２側の内周面に、遮熱部材８１が設けられている。遮熱部材８１は、周方向に複数に分割されてリング形状をなし、翼環４３の径方向の内周面を被覆している。

また、翼環４３の第１外周フランジ部４４ｂがロータ３２の軸方向の上流側で接する燃焼器支持部材３８は、燃焼器１２側から翼環４３に入る熱を遮断する遮熱部材８１の役割を果たしている。

また、遮熱環４６，４７は、翼環４３より熱膨張率（熱膨張係数）が大きい材料により構成されている。例えば、遮熱環４６，４７は、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）により形成され、翼環４３は、１２％クロム鋼により形成されている。

従来技術と比較した翼環４３回りの冷却方法の違いについて、以下に具体的に説明する。上述のように、翼環４３は、径方向の外周面を第１キャビティ６１に接し、径方向の内周面を第２キャビティ６２に接している。一方、燃焼ガスＧが流動するガス通路５８に接する分割環４９，５１は、遮熱環４６，４７に支持され、遮熱環４６，４７は翼環４３に支持されている。

第１キャビティ６１には、ファン７３で加圧された冷却空気Ａ１が供給され、第２キャビティ６２には圧縮機１１から抽気された冷却空気Ａ２が供給された場合、翼環４３の温度は、第１キャビティ６１に供給される冷却空気Ａ１の温度と第２キャビティ６２に供給される冷却空気Ａ２の温度の中間温度になる。即ち、ガス通路５８を流れる燃焼ガスＧからの入熱は、分割環４９，５１から遮熱環４６，４７を介して翼環４３に伝達される。一方、翼環４３自体が、燃焼ガスに接しているわけではない。従って、翼環４３の温度は、直接接する第１キャビティ６１の冷却空気Ａ１の温度と第２キャビティ６２の冷却空気Ａ２の温度に支配され、燃焼ガスＧから分割環４９，５１および遮熱環４６，４７を介して伝達される入熱の影響は小さい。

一方、分割環４９，５１は、ガス通路５８から燃焼ガスＧの熱を受ける。従って、分割環４９，５１及び遮熱環４６，４７は、第２キャビティ６２に接して冷却空気Ａ２により冷却されるものの、翼環４３に比較して温度は高くなる。

従って、ガスタービンの負荷が上昇して、燃焼ガスＧの温度が上昇している状態を想定した場合、翼環４３は径方向の外側に変位するが、分割環４９，５１および遮熱環４６，４７は、翼環４３の内周面から径方向の内側方向に支持されているため、相対的に翼環４３に対して径方向の内側へ変位する。そのため、ロータ３２の中心から見た場合、翼環４３の径方向の外側への変位量に比較して、分割環４９，５１の径方向の外側への変位量は小さくなる。一方、上述のように、分割環４９、５１及び遮熱環４６，４７は、翼環４３に比較して燃焼ガスＧ側の熱影響を受け、温度が高くなる。そのため、分割環４９、５１の内周面の径方向外側への変位量は、更に小さくなる。

本実施形態におけるタービン１３の構造の場合、第１キャビティ６１を流れる冷却空気Ａ１の温度は、第２キャビティ６２を流れる冷却空気Ａ２の温度より低く設定する。従って、翼環４３と分割環４９，５１並びに遮熱環４６，４７の間には、温度差による径方向の熱伸びの違いにより、翼環４３の径方向の外側への変位量に比較して、分割環４９，５１の内周面の径方向の外側への変位量が小さい。即ち、第１キャビティ６１に供給する冷却空気Ａ１と第２キャビティ６２に供給する冷却空気Ａ２の間に温度差を設けて、翼環４３を低い温度に保持すれば、動翼の先端と分割環の隙間の管理が容易になり、定格運転時において、適正な隙間量が維持され、ガスタービンの性能が向上する。

更に、翼環４３には、冷却空気流路６３を設けてもよい。冷却空気流路６３を翼環４３内に設けて、冷却空気流路６３に冷却空気Ａ１を供給すれば、翼環４３は更に低い温度に保持できる。即ち、ガスタービンの運転中、ファン７３により大気空気Ａが冷却空気Ａ１として第１冷却空気供給経路７１から冷却空気流路６３に供給され、この冷却空気流路６３から第１キャビティ６１に供給される。即ち、翼環４３では、冷却空気Ａ１が第２マニホールド６５に供給され、連結通路６６を流れて第１マニホールド６４に供給され、第１キャビティ６１に供給される。そのため、翼環４３は、内部を循環される冷却空気Ａ１と、外側（第１キャビティ６１）に供給される冷却空気Ａ１により冷却され、高温化が抑制される。この冷却空気流路６３では、マニホールド６４，６５の通路断面積よりも連結通路６６の通路断面積の方が小さいことから、冷却空気が連結通路６６を通過するときに流速が上昇し、翼環４３が効果的に冷却される。

この場合、翼環４３の内部の冷却空気流路６３に冷却空気Ａ１を供給するので、上述のように、冷却空気流路６３を設けず、翼環４３の外周面および内周面を冷却する実施形態よりも翼環４３の温度を更に低く維持できる。そのため、翼環４３の径方向の外側への変位が更に小さくなり、動翼の先端と分割環の隙間の管理が一層容易である。

一方、圧縮機１１から抽気された圧縮空気の一部が冷却空気Ａ２として第２冷却空気供給経路７４から第２キャビティ６２に供給される。すると、この冷却空気Ａ２は、静翼体５３の静翼２７や各シュラウド５５，５６内を通って、ディスクキャビティ（図示せず）からガス通路５８に排出されることで、静翼体５３を冷却する。

また、翼環４３は、径方向の内周面の第２キャビティ６２側に遮熱部材８１が設けられているため、第２キャビティ６２に供給される冷却空気Ａ２からの熱を受けにくく、高温化が抑制される。即ち、上述のように、翼環４３の温度は、第１キャビティ６１内を流れる冷却空気Ａ１と第２キャビティ６２内を流れる冷却空気Ａ２の中間温度に保持されるが、翼環４３の内周面に遮熱部材８１を設けた場合、第２キャビティ６２側からの入熱が遮断され、翼環４３の温度は第１キャビティ６１の冷却空気Ａ１の温度に近づく。そのため、動翼２８の先端と分割環４９、５１の間の隙間の管理が更に容易になる。

上述した実施形態では、第１冷却空気供給経路７１により冷却空気Ａ１を冷却空気流路６３に供給し、この冷却空気流路６３から第１キャビティ６１に供給することで、翼環４３を冷却している。更に、翼環４３を冷却した第１キャビティ６１の冷却空気Ａ１を冷却空気排出経路７２によりタービン１３の排気冷却系７５に供給している。しかし、冷却空気Ａ１の流れを逆にしてもよい。

図３は、本実施形態の変形例を表すタービンの翼環の近傍の断面図である。この図３に示すように、ファン７３により大気空気Ａを冷却空気Ａ１として第１冷却空気供給経路７１から第１キャビティ６１に供給し、この第１キャビティ６１から冷却空気流路６３に供給する。即ち、翼環４３にて、冷却空気Ａ１が第１キャビティ６１に供給され、この第１キャビティ６１から第１マニホールド６４に供給され、連結通路６６を通して第２マニホールド６５に供給される。この構成でも、翼環４３は、内部を流れる冷却空気Ａ１と、径方向の外側（第１キャビティ６１）に供給される冷却空気Ａ１により冷却され、高温化が抑制される。その後、翼環４３を冷却した冷却空気Ａ１は、冷却空気流路６３から冷却空気排出経路７２によりタービン１３の排気冷却系７５に供給される。

また、図３にて、冷却空気流路６３の他端部６３ｂを第１キャビティ６１に連通し、第１冷却空気供給経路７１と冷却空気排出経路７２の一方を冷却空気流路６３に連結し、他方を第１キャビティ６１に連通してもよい。

次に、図４は、図１、２に示す実施形態および図３に示す変形例に対して、更に、第１冷却空気供給経路７１の変形例を示したものである。図４に示すように、第１冷却空気供給経路７１には、ファン７３の下流側でタービン車室２６に接続される手前の配管経路の途中に、冷却空気Ａ１を加熱する加熱装置７６を設けた構成である。加熱媒体７７としては、ガスタービンから排出される燃焼排ガスまたは圧縮機出口の車室空気またはＧＴＣＣの廃蒸気等が利用できる。

第１冷却空気供給経路７１は、通常は大気空気Ａを取り込み、加熱せずに低温の冷却空気のままガスタービンに供給する。但し、ガスタービンの起動時は、加熱装置７６に加熱媒体７７を供給して冷却空気Ａ１を加熱してもよい。冷却空気Ａ１を加熱すれば、翼環４３の温度が上昇し、起動時の動翼の先端と分割環の隙間を拡げることができるので、起動時に発生し易いピンチポイントを確実に回避できる。

ここで、ガスタービンの起動時におけるタービン１３の構成部材における径方向の変位について説明する。

図５は、ガスタービンのホット起動時におけるタービンの構成部材の隙間の挙動を表すグラフ、図６は、ガスタービンのコールド起動時におけるタービンの構成部材の隙間の挙動を表すグラフである。

従来のガスタービンのホット起動時は、図１及び図５に示すように、時間ｔ１にてガスタービン１を起動する場合、ロータ３２の回転数が上昇し、時間ｔ２にて、ロータ３２の回転数が定格回転数に到達して一定に維持される。この間、圧縮機１１は、空気取入口２０から空気を取り込み、複数の静翼２３及び動翼２４を通過して空気を圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気を生成する。燃焼器１２は、ロータ３２の回転数が定格回転数に達する前に点火され、圧縮空気に燃料を供給して燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスを生成する。タービン１３は、燃焼ガスが複数の静翼２７及び動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転する。そのため、ガスタービンは、時間ｔ３にて、負荷（出力）が上昇し、時間ｔ４にて、定格負荷（定格出力）に到達して一定に維持される。

このようなガスタービンのホット起動時、動翼２８は、高速回転することで径方向における外側に変位（伸張）し、その後、ガス通路５８を通過する高温・高圧の燃焼ガスＧから熱を受けることで更に外側に変位（伸張）する。一方、翼環４３は、停止直後は高温であるが、ガスタービン１の起動直後の一定時間の間は、圧縮機１１から低温の抽気空気（冷却空気Ａ２）が翼環４３に供給され、一旦冷却される。そのため、翼環４３は、一時的に径方向の内側に変位（収縮）し、その後、圧縮機１１からの抽気空気の温度が上昇して、翼環４３の抽気空気による冷却効果が薄れ、再び外側に変位（伸張）する。

このとき、従来のガスタービンにて、図５に点線で表す分割環及び遮熱環は、時間ｔ２付近では、一時的に低温の抽気空気により冷却されることで内側に変位するため、動翼の先端と分割環の内周面との隙間が一時的に大きく減少するピンチポイント（最小隙間）が発生してしまう。その後、分割環、遮熱環、翼環が高温・高圧の燃焼ガス及び抽気空気により加熱されて外側に変位（伸張）する。そして、時間ｔ４後の定格運転にて、分割環、遮熱環、翼環は、外側に大きく変位することで、動翼の先端と翼環の内周面との隙間が必要以上に大きくなってしまう。

一方、本実施形態のガスタービンにて、図５に実線で表す分割環４９，５１は、時間ｔ２にて、低温の冷却空気（冷却空気Ａ１及び冷却空気Ａ２）により分割環４９，５１と遮熱環４６，４７と翼環４３が冷却されることで内側に変位するものの、起動前の動翼２８の先端と分割環４９，５１の内周面との隙間が大きく確保されていることから、動翼２８の先端と分割環４９，５１の内周面との隙間が従来の構造に比較して減少しない。そして、時間ｔ４後の定格運転にて、翼環４３は、第１キャビティ６１及び冷却空気流路６３に供給される冷却空気（冷却空気Ａ１）により冷却されると共に、遮熱部材８１により第２キャビティ６２の圧縮空気からの入熱が抑制される。そのため、翼環４３は、若干外側に変位するものの、動翼２８の先端と分割環４９，５１または遮熱部材８１の内周面との隙間が従来の構造に比較して大きくなることはない。

また、ガスタービンのコールド起動時は、図１及び図６に示すように、ホット起動時と比較して分割環が径方向の内側に変位することはないので、ホット起動時よりも更にピンチポイントの発生の可能性は薄い。

このように本実施形態のガスタービンにあっては、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とを有する。タービン１３として、タービン車室２６と、タービン車室２６の中心部に回転自在に支持されるロータ３２と、タービン車室２６の径方向の内周部に支持され、低温の冷却空気を受け入れるリング状の第１キャビティ６１を区画する翼環４３と、ロータ３２の外周部に軸方向に所定間隔をあけて複数固定されて配置される複数の動翼体５４と、ロータの軸方向で複数の動翼体５４の間に交互に配置され、径方向の外周側にリング状の第２キャビティ６２が形成された複数の静翼体５３と、を有する。また、翼環４３は、翼環４３の径方向の内周部に軸方向に所定間隔をあけて支持される複数の遮熱環４６，４７と、複数の遮熱環４６，４７の径方向の内周部に支持される複数の分割環４９，５１を備える。更に、タービン１３は、第１キャビティ６１から冷却空気を排出する冷却空気排出経路７２と圧縮空気を第２キャビティ６２に供給する第２冷却空気供給経路７４と、を設けている。

従って、圧縮機１１から圧縮空気の一部が抽気され、抽気された圧縮空気を冷却空気Ａ２として第２冷却空気供給経路７４により第２キャビティ６２に供給されると共に、冷却空気Ａ１が第１冷却空気供給経路７１により第１キャビティ６１に供給され、第１キャビティ６１から冷却空気排出経路７２により冷却空気Ａ１を排出する。即ち、冷却空気Ａ２より低温の冷却空気Ａ１が、第１キャビティ６１に供給されるため、翼環の径方向の変位を小さくして、分割環４９，５１の径方向の変位を抑制することができる。その結果、分割環４９，５１と動翼２８との隙間を適正量に維持して、タービン１３による駆動力の回収効率の低下を抑制し、ガスタービンの性能を向上することができる。

本実施形態のガスタービンでは、翼環４３の内周面に遮熱部材８１を設けている。従って、遮熱部材８１により第２キャビティ６２から翼環４３への入熱が遮断されることで、翼環４３の高温化を抑制することができる。

本実施形態のガスタービンでは、冷却空気流路６３として、ロータ３２の軸方向に所定間隔をあけて配置される複数のマニホールド６４，６５と、複数のマニホールド６４，６５を直列に連結する連結通路６６とを設けている。従って、翼環４３内にて、複数のマニホールド６４，６５の間で冷却空気Ａ１が連結通路６６を通して流通することで、翼環４３を効率良く冷却することができる。

本実施形態のガスタービンでは、翼環４３として、ロータ３２の軸方向に沿う円筒部４４ａと、円筒部４４ａにおける軸方向の上流側及び下流側の各端部に設けられる第１外周フランジ部４４ｂ及び第２外周フランジ部４４ｃを設け、複数のマニホールド６４，６５が第１外周フランジ部４４ｂと第２外周フランジ部４４ｃに空洞部として形成される。また、連結通路６６が、円筒部４４ａに複数の連通孔として形成される。従って、冷却空気Ａ１は、複数のマニホールド６４，６５間を連結通路６６としての複数の連通孔を通って流動することとなり、冷却空気Ａ１が翼環４３の内部全体に流動することで、翼環４３を効率良く冷却することができる。

本実施形態のガスタービンでは、第１冷却空気供給経路７１は、ファン７３により大気空気Ａを冷却空気流路６３と第１キャビティ６１に供給している。従って、大気空気Ａが冷却空気流路６３と第１キャビティ６１に供給されるため、簡単な構成で容易に冷却空気Ａ１により翼環４３を冷却することができる。また、大気空気を取り込み、ファン７３により、低温で、且つ低圧の冷却空気Ａ１を第１キャビティ６１に供給できるので、翼環を低い温度に維持して、分割環の隙間の管理が容易になる。更に、低圧の空気が使えるので、ファンの動力も小さくでき、ガスタービンのエネルギー損失を抑制できるという、二重の利点がある。

本実施形態のガスタービンでは、遮熱環４６，４７を翼環４３より熱膨張率が大きい材料により構成している。従って、遮熱環４６，４７が燃焼ガスＧにより加熱されて熱膨張することで、ガスタービンの定格運転時に分割環４９，５１と動翼２８との隙間を更に小さく設定することができる。

本実施形態のガスタービンでは、第１冷却空気供給経路７１に加熱装置７６を設けているので、ガスタービンの起動時のピンチポイントの発生を確実に回避できる。

本実施形態のガスタービンでは、冷却空気排出経路７２は、第１キャビティ６１から排出された冷却空気Ａ１を排気冷却系７５に導入し、排気ディフューザ３１の負圧状態の燃焼ガス中に排出している。従って、翼環４３を冷却した冷却空気Ａ１を冷却空気排出経路７２により排気冷却系７５に導入することで、冷却空気Ａ１は、冷却空気の使い廻しがされ、冷却空気Ａ１の有効利用を可能とすることができる。また、冷却空気Ａ１は、負圧状態の燃焼ガス中に排出されるため、ファン７３の吐出圧力は高圧にする必要がない。

なお、上述した実施形態にて、複数のマニホールド６４，６５と連結通路６６を翼環４３に形成して冷却空気流路６３を構成したが、この構成に限定されるものではない。即ち、マニホールド６４，６５の形状、数、形成位置などは、動翼２８や翼環４３の形状や位置に応じて適宜設定すればよい。

１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２６ タービン車室
２７ 静翼
２８ 動翼
３２ ロータ（回転軸）
４３ 翼環
４４ａ 円筒部
４４ｂ 第１外周フランジ部
４４ｃ 第２外周フランジ部
４６，４７ 遮熱環
４９，５１ 分割環
５３ 静翼体
５４ 動翼体
５６ 外側シュラウド
５８ ガス通路
６１ 第１キャビティ
６２ 第２キャビティ
６３ 冷却空気流路
６４ 第１マニホールド
６５ 第２マニホールド
６６ 連結通路
７１ 第１冷却空気供給経路
７２ 冷却空気排出経路
７３ ファン（送風機）
７４ 第２冷却空気供給経路
７５ 排気冷却系
７６ 加熱装置
７７ 加熱媒体
８１ 遮熱部材
８２ シール部材
Ａ 大気空気
Ａ１，Ａ２ 冷却空気
Ｃ 回転軸線

Claims (9)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
   前記燃焼ガスにより回転軸線回りに回転する回転軸と、
   を有するガスタービンにおいて、
   前記タービンは、
   前記回転軸線回りにリング形状をなすタービン車室と、
   前記回転軸線回りにリング形状をなして前記タービン車室の内周部に支持されることでリング状の第１キャビティを区画する翼環と、
   前記回転軸線回りにリング形状をなして前記翼環の内周部に軸方向に所定間隔で支持される複数の遮熱環と、
   前記回転軸線回りにリング形状をなして前記複数の遮熱環の内周部に支持される複数の分割環と、
   前記回転軸の外周部に軸方向に所定間隔をあけて複数固定されて前記分割環に径方向に対向して配置される複数の動翼体と、
   前記複数の動翼体の間で前記回転軸線回りにリング形状をなすシュラウドが隣接する前記遮熱環に固定されることでリング状の第２キャビティを区画する複数の静翼体と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気の一部を前記第２キャビティに供給する第２冷却空気供給経路と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気よりも低温の冷却空気を前記第１キャビティに供給する第１冷却空気供給経路と、
   前記第１キャビティから冷却空気を排出する冷却空気排出経路と、
   を有することを特徴とするガスタービン。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
   前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
   前記燃焼ガスにより回転軸線回りに回転する回転軸と、
   を有するガスタービンにおいて、
   前記タービンは、
   前記回転軸線回りにリング形状をなすタービン車室と、
   前記回転軸線回りにリング形状をなして前記タービン車室の内周部に連結されることで環状の第１キャビティを区画する翼環と、
   前記回転軸線回りにリング形状をなして前記翼環の内周部に軸方向に所定間隔で連結される複数の遮熱環と、
   前記回転軸線回りにリング形状をなして前記複数の遮熱環の内周部に連結される複数の分割環と、
   前記回転軸の外周部に軸方向に所定間隔をあけて複数固定されて前記分割環に径方向に対向して配置される複数の動翼体と、
   前記複数の動翼体の間で前記回転軸線回りにリング形状をなすシュラウドが隣接する前記遮熱環に固定されることで環状の第２キャビティを区画する複数の静翼体と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気の一部を前記第２キャビティに供給する第２冷却空気供給経路と、
   前記翼環に設けられて一端部が前記第１キャビティに連通する冷却空気流路と、
   前記圧縮機が圧縮した圧縮空気よりも低温の冷却空気を前記冷却空気流路の他端部と前記第１キャビティのいずれか一方に供給する第１冷却空気供給経路と、
   前記冷却空気流路の他端部と前記第１キャビティのいずれか他方から冷却空気を排出する冷却空気排出経路と、
   を有することを特徴とするガスタービン。
3. 前記翼環の内周面に遮熱部材が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記冷却空気流路は、前記回転軸の軸方向に所定間隔をあけて配置される複数のマニホールドと、前記複数のマニホールドを直列に連結する連結通路とを有することを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
5. 前記翼環は、前記回転軸の軸方向に沿う円筒部と、前記円筒部における各端部に設けられる第１外周フランジ部及び第２外周フランジ部を有し、前記複数のマニホールドは、前記第１外周フランジ部及び第２外周フランジ部に空洞部として形成され、前記連結通路は、前記円筒部に複数の連通孔として形成されることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
6. 前記第１冷却空気供給経路は、送風機により吸引された大気空気を供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガスタービン。
7. 前記遮熱環は、前記翼環より熱膨張率が大きい材料により構成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスタービン。
8. 前記第１冷却空気供給経路は、前記冷却空気を加熱する加熱装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のガスタービン。
9. 前記冷却空気排出経路は、前記第１キャビティから排出された冷却空気を排気冷却系に導入することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のガスタービン。

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