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技術 ガスタービン高温部の冷却装置

出願人 三菱重工業株式会社
発明者 小薮豪通羽田哲
出願日 2008年8月8日 (11年10ヶ月経過) 出願番号 2008-205695
公開日 2010年2月18日 (10年4ヶ月経過) 公開番号 2010-038141
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール タービンの細部・装置 ガスタービン、高圧・高速燃焼室 タービンロータ・ノズル・シール
主要キーワード 分割管 断面角型 冷却手法 外周側表面 インサート管 インサートコア 噴出流量 冷却流れ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年2月18日)のものです。
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図面 (11)

課題

目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低減を削減してガスタービン高温部材を充分に冷却すること。

解決手段

ガスタービン高温部材冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から前記インピンジメント板中に供給した冷却空気噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部冷却装置において、前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた前記ノズル管を所定方向間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に向けて噴出した噴流が、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突後、前記間隙からガスタービンの高温部材の冷却面の反対側へ流れるように構成する。

概要

背景

図10は発電プラントなどで用いられる一般的なガスタービン概略構成を示す概略断面図である。ガスタービン1は圧縮機2、燃焼器3、タービン4の3要素から構成されており、タービン4と同軸に設けられた圧縮機2で圧縮された空気を燃焼器3に供給し、該燃焼器3に燃料を供給して加熱し、該燃焼器3で発生した高温高圧ガスをタービン4の静翼5を経て動翼6に案内し、動翼6を回転駆動させて仕事をさせるように構成されている。

このように構成されたガスタービン1の熱効率を向上させるためには、タービン4入口温度を高くすることが好ましく、そのためにタービン入口温度を上昇させ高温化が図られてきており、実際にタービン入口温度が1500℃程度の運転が行われている。
しかし、現在ガスタービンの高温部品として使用されている耐熱性超合金材料限界温度は、約1000℃と高温であるものの、1500℃というタービン入口温度は前記限界温度を大きく越えている。したがってガスタービンの高温部品を前記限界温度以下まで冷却する必要がある。

前記ガスタービンの高温部品の冷却手法の1つとしてインピンジメント冷却が用いられている。タービン翼を一例に挙げれば、インピンジメント冷却は、中空構造体内空気噴出孔を設けたインサートコア収納し、前記空気噴出孔から前記インサートコア中に供給した冷却空気噴出させ、該噴出させた冷却空気を翼本体の内面衝突させる冷却方式である。このように高速固定壁に衝突する流体は高い熱伝達率を有し、冷却効率が高いことが知られており、インピンジメント冷却は、静翼、燃焼器壁などガスタービンの高温部材の冷却に多用されている。

しかしながらインピンジメント冷却においては、前記インサートコアと翼本体の内面との間に形成される隙間を冷却空気が流れるクロスフローが発生し、該クロスフローによって冷却効果が低減してしまうという問題がある。

そこで、クロスフロー対策として、例えば特許文献1には中空構造の冷却翼本体にインサートコアを収納し、このインサートコアにインピンジメント冷却孔穿設し、この冷却孔から冷却空気を供給して上記冷却翼本体の内面をインピンジメント冷却するタービン冷却翼において、上記インサートコアに上記冷却翼本体側に突出する突起を形成するとともに、この突起に上記インピンジメント冷却孔を穿設したことを特徴とするタービン冷却翼が開示されており、特許文献2には冷却空気が内部の中空部に供給される多孔板インサート被冷却物内面との間の隙間を冷却流れ下流側に向かうにしたがって大きくなるように形成したインピンジメント冷却装置が開示されている。

さらに、翼の冷却手法の1つとしてフィルム冷却も用いられる。フィルム冷却は翼本体に設けたスリットや孔から冷却空気を吹き出し、翼面を覆うような冷却膜を形成して、高温ガスから翼面への熱負荷を低減する技術である。
また、前記インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせて用いることでさらに高い冷却効率を得ることができる。

このようなインピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた技術として、前述の特許文献1には、中空構造の冷却翼本体にインサートコアを収納し、このインサートコアにインピンジメント冷却孔を穿設し、この冷却孔から冷却空気を供給して上記冷却翼本体の内面をインピンジメント冷却するタービン冷却翼において、上記冷却翼本体と上記インサートコアとで形成される空間を複数の隔室に分割するとともに、それぞれの隔室から冷却空気を噴出するフィルム冷却孔を上記冷却翼本体の径方向に複数穿設したタービン冷却翼が開示されている。

特開平7−145702号公報
特開平9−53406号公報

概要

目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低減を削減してガスタービン高温部材を充分に冷却すること。ガスタービンの高温部材の冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から前記インピンジメント板中に供給した冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部冷却装置において、前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた前記ノズル管を所定方向間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に向けて噴出した噴流が、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突後、前記間隙からガスタービンの高温部材の冷却面の反対側へ流れるように構成する。

目的

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、フィルム冷却を用いずインピンジメント冷却を用いることでBFGやIGCCプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低下を抑制してガスタービン入口温度が高温であっても翼などの高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

ガスタービン高温部材冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部冷却装置において、前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた前記ノズル管を所定方向間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に向けて噴出した噴流が、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突後、前記間隙からガスタービンの高温部材の冷却面の反対側へ流れるように構成したことを特徴とするガスタービン高温部の冷却装置。

請求項2

中空構造の高温部材に空気噴出孔を設けたインサートコア収納し、前記空気噴出孔から前記インサートコア中に供給した冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記高温部材の内面に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置であって、前記インサートコアを複数のノズル管で形成し、前記中空構造の高温部材に、空気噴出孔を設けた前記ノズル管を所定方向に間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記高温部材の内面に向けて噴出した噴流が、前記高温部材の内面に衝突後、前記間隙から高温部材の内面の反対側へ流れるように構成したことを特徴とする請求項1記載のガスタービン高温部の冷却装置。

請求項3

前記間隙を介して高温部材内面の反対側への流れた空気が、前記高温部材の後端側へ導かれて排出される流路が高温部材内部に形成されたことを特徴とする請求項2記載のガスタービン高温部の冷却装置。

請求項4

前記ノズル管は、前記タービン径方向に延在して間隙配置されるとともに、前記高温部材の内面と対面する位置に前記空気噴出孔が設けられていることを特徴とする請求項2又は3記載のガスタービン高温部の冷却装置。

請求項5

内部を空気の流通が可能なインサート管を、前記高温部材に前記タービンの径方向に延在して収納し、該インサート管と空気の通流が可能であり、空気噴出孔を設けた複数のノズル管を、前記インサート管に前記タービンの径方向に間隙配置して取り付けたことを特徴とする請求項2又は3記載のガスタービン高温部の冷却装置。

請求項6

前記ノズル管を、前記インサート管よりも前記タービン内流体流れ方向上流側に配置するとともに、前記ノズル管を高温部材前端部の内面形状に沿って配置することを特徴とする請求項5記載のガスタービン高温部の冷却装置。

請求項7

前記ノズル管間の間隙と対向する前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、該ガスタービンの高温部材の冷却面側と直角方向に向け、前記ノズル管とガスタービンの高温部材の冷却面間の距離よりも短いリブを取り付けたことを特徴とする請求項1〜6何れかに記載のガスタービン高温部の冷却装置。

技術分野

0001

本発明は静翼分割環外側シュラウド内側シュラウドなどのガスタービン高温部冷却装置に関するものであり、特にガスタービンの高温部材冷却面側に複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置に関するものである。

背景技術

0002

図10発電プラントなどで用いられる一般的なガスタービンの概略構成を示す概略断面図である。ガスタービン1は圧縮機2、燃焼器3、タービン4の3要素から構成されており、タービン4と同軸に設けられた圧縮機2で圧縮された空気を燃焼器3に供給し、該燃焼器3に燃料を供給して加熱し、該燃焼器3で発生した高温高圧ガスをタービン4の静翼5を経て動翼6に案内し、動翼6を回転駆動させて仕事をさせるように構成されている。

0003

このように構成されたガスタービン1の熱効率を向上させるためには、タービン4入口温度を高くすることが好ましく、そのためにタービン入口温度を上昇させ高温化が図られてきており、実際にタービン入口温度が1500℃程度の運転が行われている。
しかし、現在ガスタービンの高温部品として使用されている耐熱性超合金材料限界温度は、約1000℃と高温であるものの、1500℃というタービン入口温度は前記限界温度を大きく越えている。したがってガスタービンの高温部品を前記限界温度以下まで冷却する必要がある。

0004

前記ガスタービンの高温部品の冷却手法の1つとしてインピンジメント冷却が用いられている。タービン翼を一例に挙げれば、インピンジメント冷却は、中空構造体内に空気噴出孔を設けたインサートコア収納し、前記空気噴出孔から前記インサートコア中に供給した冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を翼本体の内面に衝突させる冷却方式である。このように高速固定壁に衝突する流体は高い熱伝達率を有し、冷却効率が高いことが知られており、インピンジメント冷却は、静翼、燃焼器壁などガスタービンの高温部材の冷却に多用されている。

0005

しかしながらインピンジメント冷却においては、前記インサートコアと翼本体の内面との間に形成される隙間を冷却空気が流れるクロスフローが発生し、該クロスフローによって冷却効果が低減してしまうという問題がある。

0006

そこで、クロスフロー対策として、例えば特許文献1には中空構造の冷却翼本体にインサートコアを収納し、このインサートコアにインピンジメント冷却孔穿設し、この冷却孔から冷却空気を供給して上記冷却翼本体の内面をインピンジメント冷却するタービン冷却翼において、上記インサートコアに上記冷却翼本体側に突出する突起を形成するとともに、この突起に上記インピンジメント冷却孔を穿設したことを特徴とするタービン冷却翼が開示されており、特許文献2には冷却空気が内部の中空部に供給される多孔板インサート被冷却物内面との間の隙間を冷却流れ下流側に向かうにしたがって大きくなるように形成したインピンジメント冷却装置が開示されている。

0007

さらに、翼の冷却手法の1つとしてフィルム冷却も用いられる。フィルム冷却は翼本体に設けたスリットや孔から冷却空気を吹き出し、翼面を覆うような冷却膜を形成して、高温ガスから翼面への熱負荷を低減する技術である。
また、前記インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせて用いることでさらに高い冷却効率を得ることができる。

0008

このようなインピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた技術として、前述の特許文献1には、中空構造の冷却翼本体にインサートコアを収納し、このインサートコアにインピンジメント冷却孔を穿設し、この冷却孔から冷却空気を供給して上記冷却翼本体の内面をインピンジメント冷却するタービン冷却翼において、上記冷却翼本体と上記インサートコアとで形成される空間を複数の隔室に分割するとともに、それぞれの隔室から冷却空気を噴出するフィルム冷却孔を上記冷却翼本体の径方向に複数穿設したタービン冷却翼が開示されている。

0009

特開平7−145702号公報
特開平9−53406号公報

発明が解決しようとする課題

0010

しかしながら、特許文献1に開示された技術はクロスフローの向きを変えることによって、また特許文献2に開示された技術はインサートコアと翼内面との距離を調整することによって、クロスフローによる冷却効率の低下を減少する効果はあるものの、クロスフローそのものを減少させてはおらず根本的な問題の解決にはなっていない。そのため、インサートコアからの冷却空気の噴出量を変更するなど運転条件の変更で冷却効率が低下してしまい、充分に翼を冷却出来ない可能性がある。

0011

また、特許文献1に開示されたインピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた技術においては、フィルム冷却のために翼本体にスリット又は孔を設ける必要があるため、製鉄の際に大量に発生するガスであるBFG(Blast Furnace Gas)を燃料として用いる場合や、石炭ガス化複合発電IGCCプラントでガスタービンを用いる場合には、フィルム孔目詰まりする可能性がある。

0012

即ち、インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた冷却技術を用いると冷却能力は高いもののBFGやIGCCプラントなどで採用するとフィルム目詰まりを起こす可能性があり、そのためフィルム孔(スリット)を設けずにインピンジメント冷却を行うとクロスフローの影響により冷却不充分となる可能性がある。

0013

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、フィルム冷却を用いずインピンジメント冷却を用いることでBFGやIGCCプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低下を抑制してガスタービン入口温度が高温であっても翼などの高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0014

上記課題を解決するため本発明においては、
ガスタービンの高温部材の冷却面側に、複数の空気噴出孔を設けたインピンジメント板を設け、前記空気噴出孔から冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置において、前記インピンジメント板を複数のノズル管で形成し、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、空気噴出孔を設けた前記ノズル管を所定方向間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に向けて噴出した噴流が、前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突後、前記間隙からガスタービンの高温部材の冷却面の反対側へ流れるように構成したことを特徴とする。

0015

ここで、ガスタービンの高温部材の冷却面側とは、ガスタービンの高温部材のうち、燃焼ガス側に接している表面を燃焼ガス側とすれば、該燃焼ガス側表面の裏面であって、冷却空気に接する低温側の表面を意味する。
前記ガスタービンの高温部材としては、タービン翼、分割環、外側シュラウド、内側シュラウドなどが挙げられる。
これにより、ノズル管から噴出されガスタービンの高温部材の冷却面側に衝突した空気は、前記間隙からガスタービンの高温部材の冷却面の反対側へ流れるため、インピンジメント板(ノズル管)とガスタービンの高温部材の冷却面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくい。
そのためインピンジメント冷却であっても充分にガスタービンの高温部材の冷却面の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

0016

また、中空構造の高温部材に空気噴出孔を設けたインサートコアを収納し、前記空気噴出孔から前記インサートコア中に供給した冷却空気を噴出させ、該噴出させた冷却空気を前記高温部材の内面に衝突させてインピンジメント冷却するガスタービン高温部の冷却装置であって、前記インサートコアを複数のノズル管で形成し、前記中空構造の高温部材に、空気噴出孔を設けたノズル管を所定方向に間隙を介して複数延在するとともに、前記ノズル管より前記高温部材内面に向けて噴出した噴流が、前記高温部材内面に衝突後、前記間隙から高温部材内面の反対側へ流れるように構成したことを特徴とする。

0017

これにより、ノズル管から噴出され翼内面(冷却面側)に衝突した空気は、前記間隙から高温部材内面の反対方向へ流れるため、インサートコア(ノズル管)と高温部材内面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくい。
そのためインピンジメント冷却であっても充分に高温部材の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

0018

また、前記間隙を介して高温部材内面の反対側への流れた空気が、前記高温部材後端側へ導かれて排出される流路が高温部材内部に形成されたことを特徴とする。
これにより、クロスフローとならずに高温部材内面の反対側へ流れた空気をスムースに高温部材外へ排出することができる。したがって、前記高温部材内面の反対側へ流れた空気が、再びノズル管と高温部材内面との間に形成される隙間に戻ってクロスフローとなるなどの高温部材の冷却の障害となることはない。

0019

また、前記ノズル管は、前記タービンの径方向に延在して間隙配置されるとともに、前記高温部材の内面と対面する位置に前記空気噴出孔が設けられていることを特徴とする。
これにより、前記ノズル管の高温部材への取り付けが容易になることに加えて、ノズル管から噴出される噴流が高温部材の内面に垂直に衝突するため、衝突後に前記間隙から高温部材内面の反対側へ流れやすくなる。

0020

また、内部を空気の流通が可能なインサート管を、前記高温部材に前記タービンの径方向に延在して収納し、該インサート管と空気の通流が可能であり、空気噴出孔を設けた複数のノズル管を、前記インサート管に前記タービンの径方向に間隙配置して取り付けたことを特徴とする。
これにより、ノズル管長を短くすることができるため、ノズル管中での冷却空気の圧力損失が小さくなる。そのため、ノズル管中での冷却空気の圧力損失に起因する空気噴出孔からの冷却空気の噴出流量噴出速度の減少を防止することができる。さらに、インサート管にのみ外部から冷却空気を供給すればよいため、冷却空気供給のための配管等の系統を簡略化することができる。

0021

また、前記ノズル管を、前記インサート管よりも前記タービン内流体流れ方向上流側に配置するとともに、前記ノズル管を高温部材前端部の内面形状に沿って配置することを特徴とする。
高温部材のうちで、タービン内の約1500℃の高温の流体の熱影響を受けやすい箇所は、タービン内の流体流れ方向上流側(前端部)である。前記ノズル管を、前記インサート管よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置し、ノズル管を高温部材前端の内面形状に沿って配置することで、タービン内の高温の流体の熱影響を受けやすいタービン内の流体流れ方向上流側を確実に冷却することができる。

0022

また、前記ノズル管間の間隙と対向する前記ガスタービンの高温部材の冷却面側に、該ガスタービンの高温部材の冷却面側と直角方向に向け、前記ノズル管とガスタービンの高温部材の冷却面間の距離よりも短いリブを取り付けたことを特徴とする。
リブを設けることにより、ノズル管から噴出される噴流がリブに誘導されて、衝突後に前記間隙からガスタービンの高温部材内面の反対側へ流れやすくなる。

発明の効果

0023

以上記載のごとく本発明によれば、フィルム冷却を用いずインピンジメント冷却を用いることでBFGやIGCCプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低下を抑制してガスタービン入口温度が高温であっても高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置及び方法を提供することができる。
さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0024

まず図3及び図4を用いて本発明のガスタービン高温部の冷却装置の機構について説明し、その後適用例について説明する。

0025

図3は、ガスタービンの高温部材105及びノズル管109の周辺の一部斜視図である。図3におけるガスタービンの高温部材105の下面側を高温ガスが流通する燃焼ガス側とし、上面側を冷却面105a側であるとする。ガスタービンの高温部材105の冷却面105a側には、該ガスタービンの高温部材105と一定間隔を介した位置に、ノズル管109が所定方向に間隙112を介して複数(図3では2本のみ図示)設けられている。
また、前記ノズル管109にはガスタービンの高温部材105の冷却面105aと対向する位置に空気噴出孔109aが設けられており、さらに前記間隙112と対向するガスタービンの高温部105の冷却面105aにはリブ115が取り付けられている。

0026

ガスタービンの高温部材105の冷却時には、まず外部よりそれぞれのノズル管109内に圧縮空気である冷却空気を導入する。該ノズル管109内に導入された冷却空気は、ノズル管109内を流れ、ノズル管109に設けた空気噴出孔109aより、高温部材105の冷却面105aに向かって噴出され、冷却面105aに衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管109の間に形成された間隙112方向へ流れ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管109から噴出された後、図3に示したfの流れで流れる。なお、リブ115は冷却面105aに衝突した冷却空気が前記間隙112方向へ流れることを促進するために設けられており、リブ115を設けることでより多くの空気が前記fの流れで流れるようになる。

0027

このようにして高温部材105を冷却することによって、ノズル管109から噴出され冷却面105aに衝突した空気は、前記間隙112から冷却面105aの反対側へfの流れで流れるため、ノズル管109と冷却面105aとの間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に高温部材105の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。

0028

また、前記ノズル管109は図3においては断面円形状としたが、図4(A)に示したような断面半円状図4(B)に示したような冷却面105aと対向する側にテーパ部109bを設けた断面角型形状など、前記流れfが形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

0029

以上のようなガスタービン高温部の冷却装置は、例えば静翼、分割環、外側シュラウド、内側シュラウドなどの冷却に適用することができる。
以下、図面を参照して図3、4を用いて説明したガスタービン高温部の冷却装置を適用した本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

0030

実施例1においてはガスタービンの静翼について、本発明の技術を適用した例について説明する。ガスタービンの全体構成は図10で説明した従来のガスタービンと同じであるので説明を省略し、図10と同一符号は同一物を表す。
図1は、実施例1におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図であり、図2図1におけるA−A断面図である。

0031

まず図1及び図2を用いて静翼5の構成について説明する。
図1における上側がタービン1の外周側、下側がタービン1の内周側に相当し、5は静翼、7は外側シュラウド、8は内側シュラウドである。図1及び図2に示すように、前記静翼5は中空構造に形成されており、該中空部には複数のノズル管9(図1では2本のみ図示)が収納されている。前記複数のノズル管9は前記外側シュラウド7及び内側シュラウド8を貫通しており、外側シュラウド7のタービン外周側で外側シュラウド7に溶接などによって固定されるとともに、内側シュラウド8のタービン内周側で内側シュラウド8に溶接などによって固定されている。これにより前記ノズル管9は静翼5の内周面と接触することなく静翼5の中空部内に固定される。

0032

また、前記ノズル管9には静翼5の内面と対向する位置に空気噴出孔9aが設けられている。さらに、前記ノズル管9の間にはそれぞれ間隙12が形成されており、静翼5内には後述する翼内面へ衝突後の空気を翼後端部に設けた排出口14へ導く流路13が形成されている。前記間隙12と対向する静翼5の内周面にはそれぞれリブ15が取り付けられている。
また10、11は静翼5内の中空部に設けた突起部であり、静翼5の翼形状を保持するための補強材となるとともに、後述する流路13内を流れる空気の流れ方向を調整するガイド役割も果たす。

0033

このような静翼5を有するガスタービン1を駆動させる際における静翼5の冷却について図1図2及び図3を用いて説明する。なお、図3は、前述の通りガスタービンの高温部材105及びノズル管109の周辺の一部斜視図であり、図3におけるノズル管109、空気噴出孔109a、間隙112、リブ115をそれぞれノズル管9、空気噴出孔9a、間隙12、リブ15と読み替え、さらに図3におけるガスタービンの高温部材105を静翼5と読み替えると、図3図1、2に示した静翼5及びノズル管9の周辺の一部斜視図と同等であるため、図3の符号をそれぞれ上記のように読み替え図3を静翼5及びノズル管9の周辺の一部斜視図とみなして説明する。
静翼5の冷却時には、まず図1に示したようにそれぞれのノズル管9内に圧縮空気である冷却空気を導入する。該ノズル管9内に導入された冷却空気は、ノズル管9内を流れ、ノズル管9に設けた空気噴出孔9aより、静翼5の内面(冷却面)に向かって噴出し、静翼5の内面に衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管9の間に設けられた間隙12方向へ流れ、それぞれの間隙12から流れてきた空気と合流しながら前記流路13内を流れ排出口14から静翼5の外部へ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管9から噴出された後、図2及び図3に示したfの流れで流れる。なお、リブ15は静翼5の内面に衝突した空気が前記間隙12方向へ流れることを促進するために設けられており、リブ15を設けることでより多くの空気が前記fの流れで流れるようになる。

0034

このようにして、静翼5を冷却することによって、ノズル管9から噴出され静翼5の内面に衝突した空気は、前記間隙12から翼内面の反対側へfの流れで流れるため、ノズル管9と翼内面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に静翼5の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。
また前記流路13を形成することにより、クロスフローとならずに翼内面の反対側へfの流れで流れた空気をスムースに静翼5の外へ排出することができる。

0035

また、図1図2及び図3においては断面円形状のノズル管9を用いたが、図4(A)に示したような断面半円状、図4(B)に示したような静翼5の内面と対向する側にテーパ部9bを設けた断面角型形状など、前記流れfが形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

0036

実施例2においてはガスタービンの静翼について、本発明の技術を適用した別の例について説明する。ガスタービンの全体構成は図10で説明した従来のガスタービンと同じであるので説明を省略し、図10と同一符号は同一物を表す。
図5は、実施例2におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図であり、図6図5におけるB−B断面図である。図7は後述するインサート管19とノズル管20の部分斜視図であり、図8図6におけるC−C断面図である。

0037

まず図5図6図7及び図8を用いて静翼5の構成について説明する。
図5における上側がタービン1の外周側、下側がタービン1の内周側に相当し、5は静翼、7は外側シュラウド、8は内側シュラウドである。図5及び図6に示すように、前記静翼5は中空構造に形成されており、該中空部には2つのインサート管19が収納されており、該インサート管19には該インサート管と空気の通流が可能で複数の空気噴出孔20aが設けられた複数のノズル管20が前記タービンの径方向に間隙配置して取り付けられている。また前記ノズル管20は、前記インサート管19よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置されるとともに、前記ノズル管20を翼前端部の内面形状に沿った形状としている。
また、前記インサート管19は前記外側シュラウド7及び内側シュラウド8を貫通しており、外側シュラウド7のタービン外周側で外側シュラウド7に溶接などによって固定されるとともに、内側シュラウド8のタービン内周側で内側シュラウド8に溶接などによって固定されている。これにより前記インサート管19及びノズル管20は静翼5の内周面と接触することなく静翼5の中空部内に固定される。

0038

また、前記ノズル管20には静翼5の内面と対向する位置に空気噴出孔20aが設けられている。さらに、前記ノズル管20の間にはそれぞれ間隙32が形成されており、該間隙32と対向する静翼5の内周面にはそれぞれリブ21が取り付けられている。また、静翼5内には後述する翼内面へ衝突後の空気を翼後端部に設けた排出口へ導く流路23が形成されている。

0039

このような静翼5を有するタービン1を駆動させる際における静翼5の冷却について図5図6図7及び図8を用いて説明する。
静翼5の冷却時には、まず図5に示したようにインサート管19に圧縮空気である冷却空気を導入する。該インサート管19内に導入された冷却空気は、インサート管19内を流れながら、インサート管19に取り付けられた複数のノズル管20それぞれに供給される。そして、ノズル管20に供給された空気は、ノズル管20に設けた空気噴出孔20aより、静翼5の内面(冷却面)に向かって噴出され、静翼5の内面に衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管20の間に設けられた間隙32方向へ流れ、それぞれの間隙32から流れてきた空気と合流しながら前記流路13内を流れ排出口(不図示)から静翼5の外部へ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管20から噴出された後、図8に示したf´の流れで流れる。なお、リブ21は静翼5の内面に衝突した空気が前記間隙32方向への流れることを促進するために設けられており、リブ15を設けることでより多くの空気が前記f´の流れで流れるようになる。

0040

このようにして、静翼5を冷却することによって、ノズル管20から噴出され静翼5の内面に衝突した空気は、前記間隙32から翼内面の反対側へf´の流れで流れるため、ノズル管20と翼内面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に静翼5の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。
また前記流路23を形成することにより、クロスフローとならずに翼内面の反対側へf´の流れで流れた空気をスムースに静翼5の外へ排出することができる。

0041

さらに、インサート管19を設けることでノズル管20の長さを短くすることができるため、ノズル管20中での冷却空気の圧力損失が小さくなり、ノズル管20中での冷却空気の圧力損失に起因する空気噴出孔20aからの冷却空気の噴出流量や噴出速度の減少を防止することができる。さらに、インサート管20にのみ外部から冷却空気を供給すればよいため、冷却空気供給のための配管等の系統を簡略化することができる。

0042

また、静翼5のうちで、タービン内の約1500℃の高温の流体の熱影響を受けやすい箇所は、タービン内の流体流れ方向上流側(前端部)である。前記ノズル管20を、前記インサート管19よりも前記タービン内の流体流れ方向上流側に配置し、ノズル管を翼前端の内面形状に沿って配置することで、タービン内の高温の流体の熱影響を受けやすいタービン内の流体流れ方向上流側を確実に冷却することができる。

0043

なお、本実施例2においても断面円形状のノズル管20を用いたが、実施例1と同様に図4(A)に示したような断面半円状、図4(B)に示したような静翼5の内面と対向する側にテーパ部を設けた断面角型形状など、前記流れf´が形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

0044

実施例3においてはガスタービンの分割環について、本発明の技術を適用した例について説明する。ガスタービンの全体構成は図10で説明した従来のガスタービンと同じであるので説明を省略し、図10と同一符号は同一物を表す。
図9は、実施例3におけるタービン翼環部の構成を示す縦断面図である。

0045

まず図9を用いてタービン翼環部の構成について説明する。
図9における上側がタービン1の外周側、下側がタービン1の内周側に相当する。タービン翼環41には、周方向に複数に分割された遮熱環42と、周方向に複数に分割された分割環43が支持されている。分割環43は、動翼6の先端と対向する内壁となり、分割環43と動翼6との間には所定の間隔が設けられている。また、翼環41と分割環43との間には空間部47が形成されており、翼環41を貫通して空間部47内に冷却空気を導入可能な冷却空気導入管48が設けられている。また、空間部47には分割環43に沿って環状に形成された複数のノズル管49(図9においては3本)が収納されている。ノズル管49は、冷却空気導入管48に支持されることにより、翼環41及び分割管43の何れとも接触することなく空間部47内に固定される。また冷却空気導入管48とノズル管49とは冷却空気の流通が可能となるように構成されている。

0046

また、前記ノズル管49には分割環43の外周側表面と対向する位置に空気噴出孔49aが設けられている。さらに、前記ノズル管49の間にはそれぞれ間隙52が形成されており、分割環43内には後述する分割環43の外周側表面へ衝突後の空気を空間部47外へ導く流路であるマルチホール44が形成されている。前記間隙52と対向する分割環43の外周側表面にはそれぞれリブ55が取り付けられている。

0047

このような分割環43を有するガスタービン1を駆動させる際における分割環43の冷却について図9及び図3を参照して説明する。なお、図3は、前述の通りガスタービンの高温部材105及びノズル管109の周辺の一部斜視図であり、図3におけるノズル管109、空気噴出孔109a、間隙112、リブ115をそれぞれノズル管49、空気噴出孔49a、間隙52、リブ55と読み替え、さらに図3におけるガスタービンの高温部材105を分割環43と読み替えると、図3図9に示した分割環43及びノズル管49の周辺の一部斜視図と同等であるため、図3の符号をそれぞれ上記のように読み替え図3を分割環43及びノズル管49の周辺の一部斜視図とみなして説明する。
分割環43の冷却時には、まず図9に示したようにそれぞれのノズル管49内に冷却空気導入間48を介して圧縮空気である冷却空気を導入する。該ノズル管49内に導入された冷却空気は、ノズル管49内を流れ、ノズル管49に設けた空気噴出孔49aより、分割環43の外周側表面に向かって噴出され、分割環43の外周側表面に衝突してインピンジメント冷却する。前記インピンジメント冷却した空気の大部分は、前記ノズル管49の間に設けられた間隙52方向へ流れ、それぞれの間隙52から流れてきた空気と合流しながらマルチホール44から空間部47の外部へ排出される。即ち冷却空気は前記ノズル管49から噴出された後、図9に示したf´´の流れで流れる。なお、リブ55は分割環43の外周側表面に衝突した冷却空気が前記間隙52方向への流れることを促進するために設けられており、リブ55を設けることでより多くの空気が前記f´´の流れで流れるようになる。

0048

このようにして、分割環43を冷却することによって、ノズル管49から噴出され分割環43の外周側表面に衝突した空気は、前記間隙52から翼内面の反対側へf´´の流れで流れるため、ノズル管49と分割環43の外周側表面との間に形成される隙間でクロスフローが発生しにくくなり、そのためインピンジメント冷却であっても充分に分割環43の冷却が可能となる。さらにクロスフローが発生しにくいため冷却空気量も削減することができ、タービン全体におけるエネルギー効率の向上が可能となる。
またマルチホール44を形成することにより、クロスフローとならずに翼内面の反対側へf´´の流れで流れた空気をスムースに空間部47の外へ排出することができる。

0049

また、図3及び図9においては断面円形状のノズル管49を用いたが、図4(A)に示したような断面半円状、図4(B)に示したような分割環43の外周側表面と対向する側にテーパ部9bを設けた断面角型形状など、前記流れf´´が形成される形状であればノズル形状は他の形状に変更することもできる。

0050

BFGやIGCCプラントで採用しても目詰まりを起こすことがなく、クロスフローによる冷却効率の低減を削減してガスタービン入口温度が高温であっても高温部材を充分に冷却することができるガスタービン高温部の冷却装置及び方法として利用することができる。

図面の簡単な説明

0051

実施例1におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図である。
図1におけるA−A断面図である。
ガスタービンの高温部材及びノズル管の周辺の一部斜視図である。
ノズル形状の変形例を示す図である。
実施例2におけるガスタービンの静翼部の基本構成を示す縦断面図である。
図5におけるB−B断面図である。
実施例2におけるインサート管とノズル管の部分斜視図である。
図6におけるC−C断面図である。
実施例3におけるタービン翼環部の構成を示す縦断面図である。
一般的なガスタービンの概略構成を示す概略断面図である。

符号の説明

0052

4タービン
5静翼
9ノズル管
9a空気噴出孔
12間隙
13流路
15リブ
19インサート管
20 ノズル管
20a 空気噴出孔
23 流路
32 間隙
43分割環
49 ノズル管
49a 空気噴出孔
52 間隙

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