JP5478576B2

JP5478576B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP5478576B2
Application number: JP2011204052A
Authority: JP
Inventors: 傑関原; 靖早坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: JP2013064368A

Description

本発明は、ガスタービンの構成要素であるタービンにかかり、特にケーシングの構造に関する。

ガスタービンは熱流体機械であり、高効率化が重要である。特に回転体と静止体間の間隙は、作動流体のリークに直結するために、接触しないことが優先されつつ十分に小さくする必要がある。一般に停止時には、タービンケーシングと動翼の間には初期間隙が設定されており、起動後にケーシングが十分に昇温するまでの間に、ホイールと動翼の遠心伸びに伴い間隙は最小となり、その後タービンケーシングが昇温するに伴い、間隙はまた徐々に開いていく挙動を示す。したがって、定格運転時の間隙は起動時の最小間隙に依存する。

従来は、上記の熱変形の予測精度を向上することにより、間隙値の最小化を図る手法が一般的であった。また、特開２００４−６０５４４号公報のように、タービンケーシングの外側に熱流体を循環させることにより、タービンケーシングの熱変形を起動時には膨張側、定格時には収縮側に制御することで、間隙最小化をアクティブに行うなどの構造が提案されている。

特開２００４−６０５４４号公報

しかしながら、今後はさらなる高効率化、すなわち間隙最小化が必要になると予想されるとともに、熱流体を用いる場合には取り回し自身をより高効率化することが必要になると予想される。

そこで、本発明の目的は、タービンケーシングの加熱あるいは冷却をより高効率化させたガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のガスタービンは、外周表面に凸状のタービュレンスプロモータを設けたタービンケーシングと、該タービンケーシングを内包し、外部から流体が流入する入口を有する外側部分ケーシングと、前記タービンケーシングと前記外側部分ケーシングにより形成された空間を区画し、複数のインピンジメント孔が形成されたシェルとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、タービンケーシングの加熱あるいは冷却をより高効率化させたガスタービンを提供することができる。

代表的なガスタービンの構造例を示す図である。代表的な変形制御リブを有するケーシングの構造例を示す図である。ガスタービンの全体構造断面図である。インピンジメント孔を備えたシェルの構造例を示す図である。図２の変形例であり、タービュレンスプロモータのタービン回転軸方向の間隔を段階的に変化させた例を示す図である。図２の変形例であり、タービュレンスプロモータのタービン回転軸方向の間隔を連続的に変化させた例を示す図である。図２の変形例であり、タービュレンスプロモータのタービン円周方向の間隔を段階的に変化させた例を示す図である。図２の変形例であり、タービュレンスプロモータのタービン円周方向の間隔を連続的に変化させた例を示す図である。図４の変形例であり、インピンジメント孔のタービン回転軸方向の間隔を段階的に変化させた例を示す図である。図４の変形例であり、インピンジメント孔のタービン回転軸方向の間隔を連続的に変化させた例を示す図である。図４の変形例であり、インピンジメント孔のタービン円周方向の間隔を連続的に変化させた例を示す図である。図４の変形例であり、インピンジメント孔のタービン円周方向の間隔を連続的に変化させた例を示す図である。インピンジ用のシェルと変形制御リブを有するケーシングの他の構造例を示す図である。リブの形状の例を示す図である。リブを位相を併せて配置する例と、交互に配置する礼を示す別の図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施例を説明する前に、先ず、本発明が対象とするガスタービンの全体構造について説明する。図３に一般的なガスタービンの構造断面図を示す。ガスタービンは大きく分けて圧縮機１，燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。

特に、タービンの動翼４については静翼５と交互に配置され、ホイール６の外周側に設けられた植込み用の溝へ固定される構造が一般的である。

図１は、本発明の実施例１であり、ガスタービンの構造例を示す図である。図に示すように、ガスタービンは外周表面に凸状のタービュレンスプロモータ８を有したタービンケーシング７から構成され、さらにタービンケーシング７を内包し、外部からの流体が流入する入口９と流出する出口１０を有する外側部分ケーシング１１と、タービンケーシング７と部分外側ケーシング１１に挟まれて位置し、インピンジメント孔を有するシェル１３からなることを特徴としている。なお、シェル１３の詳細構造は後述する。また、タービンケーシング７は、その内周面側に固定された静翼４と、図示しないホイール６に固定された動翼５を内包する。

外部からの流体が、外側部分ケーシング１１とシェル１３に区画された空間よりインピンジメント孔１２を経て、タービンケーシング７のタービュレンスプロモータ８へ吹き付けられることにより、タービンケーシング７の加熱および冷却を高効率で行うことができ、加熱および冷却プロセス自体を高効率で行うことが期待できる。

ここで、タービンケーシング７に設けられるタービュレンスプロモータ８は、図２に示すように外周表面に加工される。この加工方法は、タービンケーシング７を鋳造する際に鋳型へ加工を行っても良いし、鋳造後に機械加工，レーザ加工などで加工を行っても良い。

シェル１３を図４に示す。シェル１３は、外側部分ケーシング１１の入口９から流入した流体が一旦保持される空間を仕切るための封止壁１４と、インピンジメント孔１３を有する。このインピンジメント孔１３から噴出する流体は、タービンケーシング７の外周面に形成された凸状のタービュレンスプロモータ８と衝突する。

図５から図８に凸状のタービュレンスプロモータ８の配置例を示す。凸状のタービュレンスプロモータ８はタービンケーシング７の軸方向間隔１７は均等に配置する必要はなく、図５に示すように上流側から下流側にかけて段階的に粗密を設けても良い（上流側におけるタービュレンスプロモータ８の軸方向間隙１７＜下流側の軸方向間隙１７′）。これは、特に間隙を最小に制御したい初段動翼先端に相対する部分へタービュレンスプロモータ８を密集させることにより、必要以上に流体を部分外側ケーシング１１へ流入させなくても良いためである。なお、図６に示すように軸方向間隔１７の粗密は連続的でも良い（上流側におけるタービュレンスプロモータ８の軸方向間隙１７＜中間部の軸方向間隙１７′＜下流側の軸方向間隙１７″）。

また、図７に示すように、粗密はタービンケーシング７の周方向間隔１８に対しても段階的に設けても良い。これは、タービンケーシング７は周方向に均一な構造では無いためである。なお、図８に示すように周方向間隔１８の粗密は連続的でも良い。

次に、図９から図１２にシェル１３に形成するインピンジメント孔１２の配置例を示す。図９に示すように、シェル１３に設けたインピンジメント孔１２は、軸方向間隔１７を均等に配置する必要はなく、図に示すように段階的に粗密を設けても良い。なお、図１０に示すように軸方向間隔１７の粗密は連続的でも良い。

また、図１１に示すように、粗密はシェル１３の周方向間隔１８に対して段階的に設けても良い。なお、図１２に示すように周方向間隔１８の粗密は連続的でも良い。

図１３は、本発明の実施例２であるガスタービンの構造例を示す図である。図に示すように、外周表面に凸状のタービュレンスプロモータ８を有したタービンケーシング７を備え、さらにタービンケーシング７を内包し、外部からの流体が流入する入口１０と流出する出口１１を有する部分外側ケーシング１１と、タービンケーシング７と部分外側ケーシング１１に挟まれて位置し、インピンジメント孔１２を有するシェル１３からなることを特徴としている。

ここで、本実施例における部分外側ケーシング１１は、径が異なる二つの筒１５および１５′によって構成されており、これらの筒１５および１５′を連結する中空円板１６からなることを特徴としている。図１３の場合、上流側に径の大きい筒１５を配置している。そして、筒１５′とシェル１３の径方向の高さ（タービン回転軸側のレベル）を同じ位置に揃えている。図１４には、タービュレンスプロモータ８の断面形状の例を示す。形状は円，多角形，Ｖ型などから構成しても良い。

図１５には、タービュレンスプロモータ８の配置の例を示す。配置は並列でも良いし、千鳥状でも良い。

上述した各実施例で説明した手段を採用することで、外部からの流体が、インピンジメント孔を経てタービンケーシングのタービュレンスプロモータへ吹き付けられることにより、タービンケーシングの加熱および冷却を高効率で行うことが可能となり、加熱および冷却自体を高効率で行うことが可能となる。また、インピンジメント孔、或いはタービュレンスプロモータの配置に粗密を設けることで、最も間隙を最小化したい初段動翼に相対する部分の加熱および冷却をさらに高効率で行うことが可能となる。

１圧縮機
２燃焼器
３タービン
４動翼
５静翼
６ホイール
７タービンケーシング
８タービュレンスプロモータ
９入口
１０出口
１１部分外側ケーシング
１２インピンジメント孔
１３シェル
１４封止壁
１５筒
１６中空円板Ｗ
１７軸方向間隔
１８周方向間隔

Claims

外周表面に凸状のタービュレンスプロモータを設けたタービンケーシングと、
該タービンケーシングを内包し、外部から流体が流入する入口を有する外側部分ケーシングと、
前記タービンケーシングと前記外側部分ケーシングにより形成された空間を区画し、複数のインピンジメント孔が形成されたシェルとを備え、
前記タービンケーシングに設けられるタービュレンスプロモータは、鋳造後に機械加工もしくはレーザ加工により形成されたものであることを特徴としたガスタービン。
請求項１において、前記外側部分ケーシングは、径が異なる二つの筒部分を有し、これらの前記筒部分を連結する中空円板を備えたことを特徴とするガスタービン。
請求項１または２において、前記タービンケーシングに設けられるタービュレンスプロモータは、前記タービンケーシングを鋳造する鋳型への加工により形成されたものであることを特徴としたガスタービン。
請求項１から３の何れかにおいて、前記シェルは前記空間を仕切るための封止壁と、インピンジメント孔を有することを特徴としたガスタービン。
請求項１から４の何れかにおいて、前記凸状のタービュレンスプロモータは、タービンケーシングの軸方向に対して粗密を設けて配置したことを特徴とするガスタービン。
請求項１から５の何れかにおいて、前記凸状のタービュレンスプロモータはタービンケーシングの周方向に対して粗密を設けて配置したことを特徴とするガスタービン。
請求項１から６の何れかにおいて、シェルに設けたインピンジメント孔は、軸方向に対して粗密を設けて配置したことを特徴とするガスタービン。
請求項１から７の何れかにおいて、前記シェルに設けたインピンジメント孔は、周方向に対して粗密を設けて配置したことを特徴とするガスタービン。