(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに直接的若しくは他の静上部材を介して間接的に保持された静翼を有し、前記ケーシングの内周面と静翼外周面との間に円周方向に連通し、かつ、前記静翼及び他の静上部材によって、燃料ガスが通るガスパスとは遮られたキャビティを有するガスタービンにおいて、
前記キャビティの静翼外周面の表面付近に、金属板が径方向に複数重ねられ、該金属板の間で空気層が形成される遮熱シールドが設置されていると共に、前記遮熱シールドは、薄い金属板を折り曲げて二重として内部の空間を前記空気層とし、かつ、前記金属板の内周表面に、任意の方向に伸びる複数の突起を有することを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記突起の高さが、前記遮熱シールドと静翼外周面との空間の径方向距離にほぼ等しいことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガスタービンにおいて、
前記突起は、前記金属板をプレス加工することによって形成されることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のガスタービンにおいて、
前記突起の材料は、低熱伝導体であることを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のガスタービンにおいて、
前記遮熱シールドは、前記キャビティを通るシール空気を静翼内部へ供給する孔を有していることを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービンにおいて、
前記キャビティを通るシール空気を静翼内部へ供給する孔を囲むように、前記突起が設置されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
ケーシングに直接的若しくは他の静上部材を介して間接的に保持された静翼を有し、前記ケーシングの内周面と静翼外周面との間に円周方向に連通し、かつ、前記静翼及び他の静上部材によって、燃料ガスが通るガスパスとは遮られたキャビティを有するガスタービンにおいて、
前記キャビティの静翼外周面の表面付近に、２枚の金属板が径方向にある距離を隔てて重ねた構造で、かつ、その間には空気層が形成されている遮熱シールドが設置されていると共に、前記遮熱シールドは、外周側若しくは内周側金属板の少なくともどちらか一方がプレス加工された２枚の金属板が径方向に隔てた構造であることを特徴とするガスタービン。
【請求項８】
請求項７に記載のガスタービンにおいて、
前記遮熱シールドは、外周側金属板と内周側金属板の間にスペーサーを配置し、その両者の径方向に隔てる空間を前記空気層としたことを特徴とするガスタービン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載のガスタービンにおいて、
前記遮熱シールドは、外表面が表面仕上げされた金属板であることを特徴とするガスタービン
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンに係り、特に、ロータと静止部材との間の空間へ燃焼ガスが流れるのを防止するシール構造を有するものに好適なガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
図２に、一般的な発電用ガスタービンシステムの構成例を示す。該図に示す如く、ガスタービンシステム１は、圧縮機２により圧縮された作動流体に燃焼器３において燃料を加えて燃焼し、燃焼器３で発生した高温高圧の燃焼ガス６によりタービン４を駆動し、例えば発電機５で電力等のエネルギーに変換するものである。
【０００３】
消費された燃料に対して得られる電気エネルギーは、できるだけ多い方が望ましく、周知の如く、ガスタービンシステム１においては、タービン４の入口における燃焼ガス６の高温化、高圧力化による性能向上が期待されている。
【０００４】
図３は、上述したタービン４の部分的な概略構成を示すものである。該図に示す如く、回転体であるタービンホイール９には、動翼８が取り付けられており、動翼８の径方向先端と静止シュラウド１１との間には、半径方向の微小な隙間、所謂動翼先端間隙１８が形成されている。
【０００５】
この動翼先端間隙１８は、タービンホイール９と動翼８の熱膨張及び遠心力による半径方向への伸びと静止部材（ケーシング１０、静止シュラウド１１、静翼１２等）の熱変形との差異により、ガスタービンシステム１の運転状態によって大きさが変化する。そして、動翼先端間隙１８の大きさは、大きすぎるとここを通る空気が増え動翼８の先端漏れ損失の原因となるため、ガスタービン１の高効率化に対しては、動翼先端間隙１８は、極力小さいほうが望ましい。
【０００６】
一方で、この動翼先端間隙１８が小さすぎて動翼８の先端が静止部材に接触すると破壊の原因となるため、一般には、接触を避けるように、設計最小間隙値を下回らない初期の動翼先端間隙１８が決められている。
【０００７】
静止部材の熱変形に大きく影響を及ぼすものの一つは、静止シュラウド１１や静翼１２の高温部材を保持しているケーシング１０の熱膨張である。ケーシング１０は、ケーシング１０自身の内部の熱伝導、高温部材と接触している保持部(例えば、静止シュラウド１１と静翼１２の係合部)からの接触熱伝導、高温部材とケーシング１０間の静翼外キャビティ２０に存在するシール空気１７との熱伝達、静翼１２からの熱放射及びケーシング１０の外周面から外周方向への熱放射、熱伝達など複雑に入熱若しくは放熱しており、軸方向及び円周方向の位置によって温度分布が変化し、過度な熱変形や不均一な変形等望ましくない変形を発生する場合がある。
【０００８】
そこで、ガスタービン運転中におけるケーシング１０への入熱及びケーシング１０からの放熱を制限して、熱変形をより均一にする技術が特許文献１及び２に開示されている。
【０００９】
特許文献１には、タービンの静翼からケーシングの熱放射の遮熱に着目し、ケーシングに保持された密封リングとの間に熱保護シートを備えることにより、ケーシングの断熱を向上させる技術が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には、ケーシングと静翼の間の空間において、ケーシングの内周面にヒートシールドを設置して、ノズルからの熱放射による入熱を防ぐ技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９-１０３１２９号公報
【特許文献２】米国特許第５２０１８４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ガスタービンの高効率化を図るには、動翼先端間隙１８の縮小の他にも、燃焼ガス６がロータと静止部材の間の空間（以降、ホイールスペース２２という）へ流れ込む、漏れ込み防止のためのシール空気１７の流量削減が重要である。
【００１３】
燃料ガス６が通るガスパス内周側においては、ホイールスペース２２へ漏れ込む現象に対応して、様々なシール構造がとられている。更に、タービンホイール９の寿命を考慮した許容温度の概念を導入し、シール空気１７をホイールスペース２２に供給することにより、漏れ空気の温度がホイールスペース２２の許容温度より低くなるようにして、ホイールスペース２２の長期信頼性（長寿命）を確保している。
【００１４】
かかるシール空気１７は、一般に、圧縮機抽気空気７（図２参照）の一部を利用するため、シール空気１７の多量の消費は、ガスタービンの効率の低下をまねく。
【００１５】
従って、ガスタービンの高効率化に際しては、より少ないシール空気１７で燃焼ガス６の漏れ込みを防止することが重要なので、シール空気１７の温度は、できるかぎり低い状態で該当部に供給するのが望ましい。そのためには、シール空気１７の供給経路での入熱を抑える必要がある。
【００１６】
一方、ケーシング１０の内周面と静翼12の外周面、場合によってはその他の静止部材の側面とによって形成される空間の静翼外キャビティ２０は、シール空気１７の供給経路の一つであるが、特に、静翼１２が冷却構造を持たない無冷却部材であった場合、静翼１２のメタル温度は、ガスの温度に依存して高温化するため、シール空気１７への入熱が大きくなると考えられる部分である。従来の技術では、高温部材から静翼外キャビティ２０の内部空気への入熱は考慮されていない。
【００１７】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、静翼外キャビティ内における内部空気の温度上昇を抑え、更なる効率化が可能なガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のガスタービンは、上記目的を達成するために、ケーシングに直接的若しくは他の静上部材を介して間接的に保持された静翼を有し、前記ケーシングの内周面と静翼外周面との間に円周方向に連通し、かつ、前記静翼及び他の静上部材によって、燃料ガスが通るガスパスとは遮られたキャビティを有するガスタービンにおいて、前記キャビティの静翼外周面の表面付近に、金属板が径方向に複数重ねられ、該金属板の間で空気層が形成される遮熱シールドが設置されていると共に、前記遮熱シールドは、薄い金属板を折り曲げて二重として内部の空間を前記空気層とし、かつ、前記金属板の内周表面に、任意の方向に伸びる複数の突起を有するか、
若しくは前記キャビティの静翼外周面の表面付近に、２枚の金属板が径方向にある距離を隔てて重ねた構造で、かつ、その間には空気層が形成されている遮熱シールドが設置されていると共に、前記遮熱シールドは、外周側若しくは内周側金属板の少なくともどちらか一方がプレス加工された２枚の金属板が径方向に隔てた構造であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、静翼外キャビティ内における内部空気の温度上昇を抑えることができるので、動翼先端間隙が縮小され、かつ、シール空気の温度上昇が抑えられシール空気流量を削減することが可能となり、ガスタービンの更なる高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のガスタービンの一実施例を示す部分断面図である。
【図２】一般的なガスタービンシステムの概略構成を示す図である。
【図３】従来のガスタービンの例を示す部分断面図である。
【図４】本発明のガスタービンに採用される遮熱シールドを示す斜視図である。
【図５】図４に示した遮熱シールドを下方から見た状態を示す斜視図である。
【図６】本発明のガスタービンに採用される遮熱シールドの設置例を示す図である。
【図７】本発明のガスタービンに採用される遮熱シールドの他の設置例を示す図である。
【図８】本発明のガスタービンに採用される遮熱シールドの他の例を示す斜視図である。
【図９】図８に示した遮熱シールドを下方から見た状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２１】
以下、図示した実施例に基づき本発明のガスタービンについて説明する。尚、符号は従来と同一のものは同符号を説明し、その詳細説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明のガスタービンの一実施例を示すものである。該図に示す如く、本実施例では、静翼外キャビティ２０内において、静翼１２の外周面付近に遮熱シールド３０が設置されている。他の構成は、図３に示した従来例の構成と略同様である。
【００２３】
上述した静翼外キャビティ２０内の、静翼１２の外周面付近に設置された遮熱シールド３０の詳細について、図４を用いて説明する。
【００２４】
図４に示す如く、本実施例の遮熱シールド３０は、薄い金属板３３の両端に曲面が形成されるように折り曲げ、更に、径方向に金属板３３を重ね、この金属板３３の間の空間で空気層３４が形成される構造となっている。
【００２５】
このような本実施例の構成によれば、静翼外キャビティ２０内の、静翼１２の外周面付近に遮熱シールド３０が設置されているので、シール空気１７が静翼外キャビティ２０の内部を移動するときに、燃焼ガス６によって高温に加熱されている静翼１２と直接接触を避けることが可能となる。
【００２６】
また、遮熱シールド３０は、金属板３３の径方向間の空間で空気層３４が形成されるため、空気の熱伝達による径方向の熱移動を抑えることができる。更に、熱放射の観点からも、放射面（金属板３３の表面及び裏面）が径方向に複数形成されるので、放射面間の温度差を小さくでき、遮熱シールド３０の外周面からケーシング１０への熱放射量を小さくすることができる。
【００２７】
よって、ケーシング１０の温度上昇を抑えることができ、ひいては、ケーシング１０からシール空気１７への熱伝達による入熱を抑えることができる。望ましくは、金属板３３の一面を研磨し、研磨した面が遮熱シールド３０の外表面となるように折り曲げるのがよい。遮熱シールド３０の外表面が研磨されていることで、表面の熱伝達率及び放射率が低下するため、対流及び放射による熱移動をさらに抑えることができる。
【００２８】
また、遮熱シールド３０には、径方向に連通したシール空気通過孔３１が形成されている。このシール空気通過孔３１は、静翼中空部１５へシール空気１７を供給するものであり、静翼中空部１５の外周側に一つ又は複数個形成されている。
【００２９】
図５は、図４に示した遮熱シールド３０を下から見た内周面を示すものである。
【００３０】
該図に示す如く、遮熱シールド３０の内周面側には、突起３２が任意の場所、例えば２つのシール空気通過孔３１の周囲を囲むように、その周囲が囲まれたシール空気通過孔３１間、或いは内周面の端部に設けられている。
【００３１】
この突起３２は、静翼１２との間に、およそ突起３２の高さの空間を静翼１２の表面に形成させることができる。即ち、遮熱シールド３０が有する突起３２の高さは、遮熱シールド３０と静翼１２の外周面との空間の径方向距離に略等しい。更に、突起３２は、その空間におけるシール空気１７の流れを積極的に留める働きをする。この突起３２により、遮熱シールド３０と静翼１２との間にできる空間で、空気の流れの緩慢な空気層３４が形成されるため、静翼１２の表面での空気の熱伝達率を低下させて、静翼外キャビティ２０の内部空気への熱伝達による入熱量をさらに低下させることができる。
【００３２】
上述した突起３２の配置は、望ましくは図５に示すように、静翼中空部１５へと流れ込むシール空気１７と、遮熱シールド３０と静翼１７の間に位置するシール空気１７とを隔てるように、シール空気通過孔３１の周囲に突起３２を配置するのがよい。また、突起３２は、金属板３３をプレス加工することによって、容易に形成することができる。また、金属板３３とは別の部材を突起３２として取り付けてもよく、その場合にはセラミック等の低熱伝導材であるのがよい。
【００３３】
次に、上述した遮熱シールド３０の設置の仕方について説明する。図６は、遮熱シールド３０の設置例の一例である。
【００３４】
該図に示す如く、本例では、遮熱シールド３０を、複数のピン４０によって静翼１２、若しくは静止シュラウド１１に固定している。尚、ピン４０は、遮熱シールド３０の熱変形を許容できる構造、即ち、遮熱シールド３０を完全に固定するのではなく、熱変形した際に多少動ける構造としている。また、ピン４０は、複数である必要はなく、１本で固定しても構わない。
【００３５】
図７に、遮熱シールド３０の設置の仕方の他の例を示す。図７に示す例は、遮熱シールド３０を静翼１２に溶接部４１にて固定している。
【００３６】
上述した遮熱シールド３０の構造、及びその設置の仕方によって、ケーシング１０の温度上昇を抑えて動翼先端間隙１８を縮小し、かつ、シール空気１７の温度上昇を抑えることが可能となり、シール空気１７の流量を削減することでガスタービンの更なる高効率化を図ることが可能となる。
【００３７】
次に、遮熱シールドの他の例を図８を用いて説明する。該図に示す如く、本例の遮熱シールド３５は、外周側金属板３６と内周側金属板３７を径方向に重ねた構造となっており、その間にはスペーサー３８を備えている。
【００３８】
図９は、図８に示した遮熱シールド３５を下から見た内周面を示すものである。
【００３９】
該図に示す如く、遮熱シールド３５の内周面側には、突起３２が任意の場所、例えば２つのシール空気通過孔３１の周囲を囲むように、その周囲が囲まれたシール空気通過孔３１間、或いは内周面の端部に設けられている。
【００４０】
この構造により、外周側金属板３６と内周側金属板３７の間の径方向の空間で空気層３４が形成されるため、図４に示した実施例の遮熱シールド３５とほぼ同じ効果を得ることが可能である。
【００４１】
尚、スペーサー３８は、外周側金属板３６若しくは内周側金属板３７をプレス加工することによって容易に形成することができる。また、外周側金属板３６、内周側金属板３７とは別の部材をスペーサー３８として取り付けてもよく、その場合には、セラミック等の低熱伝導材であるのがよい。
【００４２】
以上説明した本実施例によれば、下記の３つの効果によって、ホイールスペース２２に供給するシール空気１７となる静翼外キャビティ２０の内部空気の温度上昇を抑えることが可能となる。
【００４３】
まず、一つ目に、遮熱シールド３０、３５を静翼外キャビティ２２の内周側（静翼１２側）に配置することによって、静翼外キャビティ２２の内部空気が供給先へと移動する時に、高温の静翼１２と直接に接触して熱伝達により入熱することを防ぐことができる。
【００４４】
次に、遮熱シールド３０、３５を複数枚の薄い金属板３３、外周側金属板３６、内周側金属板３７を径方向に重ねた構造とすることにより、金属板３３間、外周側金属板３６の内周側金属板３７の間の空間で空気層３４が形成されるため、遮熱シールド３０、３５自身の断熱効率を高めることができる。
【００４５】
次に、遮熱シールド３０、３５の内周面側に任意に設けた突起３２で、遮熱シールド３０、３５と静翼１２との間にできる空間で空気の流れを積極的に留めることにより、静翼１２の表面での空気の熱伝達率を低下させて、静翼外キャビティ２０の内部空気への熱伝達による入熱量をさらに低下させることができる。
【００４６】
最後に、高温の静翼１２からケーシング１０への熱放射が遮熱シールド３０、３５によって大きく抑えられるため、ケーシング１０の内周面の温度も低下させることができ、ケーシング１０の内周面から静翼外キャビティ２０の内部空気への入熱も抑えることができる。
【００４７】
これらの効果によって、ケーシング１０の温度上昇を抑えて動翼先端間隙１８を縮小し、かつ、シール空気１７の温度上昇を抑えてシール空気１７の流量を削減することが可能となり、ガスタービンの更なる高効率化を図ることが可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１…ガスタービンシステム、２…圧縮機、３…燃焼器、４…タービン、５…発電機、６…燃焼ガス、７…圧縮機抽気空気、８…動翼、９…タービンホイール、１０…ケーシング、１１…静止シュラウド、１２…静翼、１３…ダイアフラム、１５…静翼中空部、１６…静翼内周孔、１７…シール空気、２０…静翼外キャビティ、２１…ダイアフラムキャビティ、２２…ホイルスペース、２３…ダイアフラムシール空気供給孔、３０、３５…遮熱シールド、３１…シール空気通過孔、３２…突起、３３…金属板、３４…空気層、３６…外周側金属板、３７…内周側金属板、３８…スペーサー、４０…ピン、４１…溶接部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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