(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの排気ガスを外部へ排出する煙道部に、二重円筒状に形成された排気ディフューザと、該排気ディフューザの内外周壁を連結する中空状のエアフォイルとを備え、前記エアフォイルの中空部にガスタービン冷却用の冷却空気が流通するように形成されているガスタービン設備において、
前記エアフォイルの後縁部に、エアフォイルより漏れた冷却空気を拡散する空気拡散手段を設けたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
前記空気拡散手段が、前記エアフォイルの後縁部円弧面に沿うように湾曲し、かつ後縁部外壁面と間隔をもって配置され、かつ前記エアフォイルに固着された円弧状の遮蔽板である請求項１記載のガスタービン設備。
【請求項３】
前記遮蔽板のエアフォイルへの固着は、遮蔽板の固着端部がエアフォイルの後縁頂部と一致しないように固着されたものである請求項２記載のガスタービン設備。
【請求項４】
前記円弧状の遮蔽板が、前記エアフォイルの長手方向に所定の隙間をもって複数個配置されたものである請求項２または３記載のガスタービン設備。
【請求項５】
前記隣接遮蔽板の設置間隔が、前記二重円筒状の排気ディフューザの内外壁面に近い部位程大きく形成されたものである請求項４記載のガスタービン設備。
【請求項６】
前記エアフォイルの後縁部と遮蔽板との間隔が、前記二重円筒状の排気ディフューザの内外壁面に近い部位程大きく形成されたものである請求項４または５記載のガスタービン設備。
【請求項７】
前記遮蔽板の円弧径が、前記エアフォイルの後縁部円弧径より大きく形成されたものである請求項２〜６いずれかの項に記載のガスタービン設備。
【請求項８】
前記遮蔽板に複数個の希釈孔が設けられたものである請求項２〜７いずれかの項に記載のガスタービン設備。
【請求項９】
前記エアフォイルの前縁部に、エアフォイルの前縁部の円弧に沿う円弧状の補強板をエアフォイルの径方向に複数個設置してなる請求項１〜８いずれかの項に記載のガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン設備に係わり、特にガスタービンの排気ガスを外部へ排出する煙道部が二重円筒状に形成されているガスタービン設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に採用されているこの種のガスタービン設備の煙道部，すなわちガスタービンの排気ガスを外部へ排出する煙道部は、図１２に示されているように二重円筒状の排気フード２，３および排気ディフューザ４，５を備えているのが普通である。すなわち、この図はエアフォイル６を含む排気フードおよび排気ディフューザの構造を示すもので、エアフォイル６は、燃焼ガス（排気ガス）１１の流路上に設置されており、流れに対する抵抗を小さくするために、その断面形状は流線型をなしている。
【０００３】
なお、この種ガスタービン設備の煙道部に関連するものとしては、例えば実開平３−４５４３０号公報あるいは特開平１−１２１５２０号公報などが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように形成されている煙道部であると、エアフォイル６の内部には、別置の圧縮機からの冷却空気（約３００℃）１３が流入し、エアフォイル６の内面はこの冷却空気に曝され、また外面は約６５０℃の排気ガス１１に曝されることから、このエアフォイル６には内外温度差に起因した熱応力が発生し、この熱応力がガスタービンの起動・停止により繰り返され、エアフォイル６は熱疲労損傷を生ずる。特にこの損傷は、エアフォイル６の前縁部および後縁部で半径方向に肉圧を貫通する大きな亀裂の発生となる。
【０００５】
これらの亀裂は冷却空気１３の漏洩を誘起し、特に後縁部の亀裂は排気ディフューザの後流側に配置されている温度検出器の温度出力を著しく低下させる場合があり、警報が発せられる。本来、温度検出器の目的は燃焼装置の異常を検知することであるが、この場合、エアフォイル６の亀裂発生という別の事象で警報を発し、ガスタービンを停止させて分解点検することになる。
【０００６】
エアフォイル６の亀裂は点検ごとに溶接補修することで運用上は問題なく、ガスタービンを停止させるべき事象ではない。このようなエアフォイルの亀裂に起因した警報により、しばしばガスタービンを停止・分解することになり、プラントの信頼性、経済性に対し非常に問題となる。
【０００７】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、たとえ排気ディフューザのエアフォイルに亀裂が生じ、エアフォイルから冷却空気が漏洩しても、その後流に位置する温度検出器が確実に燃焼装置の異常のみを検出できる排気ディフューザおよびエアフォイルを有するこの種のガスタービン設備を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、ガスタービンの排気ガスを外部へ排出する煙道部に、二重円筒状に形成された排気ディフューザと、該排気ディフューザの内外周壁を連結する中空状のエアフォイルとを備え、前記エアフォイルの中空部にガスタービン冷却用の冷却空気が流通するように形成されているガスタービン設備において、前記エアフォイルの後縁部に、エアフォイルより漏れた冷却空気を拡散する空気拡散手段，例えばエアフォイルの後縁部円弧面に沿うように湾曲し、かつ後縁部外壁面と間隔をもって配置された円弧状の遮蔽板を設け、所期の目的を達成するようにしたものである。
【０００９】
またこの場合、遮蔽板のエアフォイルへの固着を、遮蔽板の固着端部がエアフォイルの後縁頂部と一致しないように固着し、また前記エアフォイルの長手方向に所定の隙間をもって複数個配置するようにしたものである。また、前記隣接遮蔽板の設置間隔を、前記二重円筒状の排気ディフューザの内外壁面に近い部位程大きく形成するようにしたものである。
【００１０】
また、前記エアフォイルの後縁部と遮蔽板との間隔を、前記二重円筒状の排気ディフューザの内外壁面に近い部位程大きく形成するようにしたものである。また、前記遮蔽板の円弧径を、前記エアフォイルの後縁部円弧径より大きく形成したものである。また、前記遮蔽板に複数個の希釈孔を設けるようにしたものである。また、前記エアフォイルの前縁部に、エアフォイルの前縁部の円弧に沿う円弧状の補強板をエアフォイルの径方向に複数個設置するようにしたものである。
【００１１】
すなわちこのように形成されたガスタービン設備であると、エアフォイルの後縁部に、エアフォイルより漏れた冷却空気を拡散する空気拡散手段，すなわちエアフォイルの後縁部に遮蔽板が設けられていることから、エアフォイルの後縁部から熱応力に起因した半径方向の貫通亀裂が発生しても、亀裂発生部から漏洩する冷却空気は複数個の遮蔽板を介して、拡散された状態で排気ディフューザ内に流入するので、遮蔽板がない場合に比べ、その後流側にある温度検出器の温度低下を抑えることができ、温度検出器は確実に燃焼装置の異常のみを検出できる。これより、エアフォイルの亀裂発生などの軽微な異常によってガスタービンを停止・分解する必要がなくなり、プラントの信頼性・経済性の向上が図れる。
【００１２】
また、遮蔽板は遮熱効果も期待でき、エアフォイルの後縁部の外面温度を低下させ、内外温度差に起因した熱応力を低減できる。これより、温度検出器の異常警報を発する原因であるエアフォイルの後縁部の亀裂そのものを抑制でき、プラントの信頼性の向上が図れる。
【００１３】
さらに、遮蔽板の端部がエアフォイルの後縁頂部と一致しないように溶接などで設置することにより、後縁頂部と溶接部の応力集中の一致を避けることができ、エアフォイルの後縁頂部に発生する熱応力が分散して軽減され、これより、温度検出器の異常警報を発する原因であるエアフォイルの後縁部の亀裂そのものを抑制でき、プラントの信頼性の向上が図れるのである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１にはそのガスタービン施設の概要が断面で示されている。ガスタービンは、タービンケーシング１の内部に、中心に回転軸（ロータ）５５と、回転軸の周囲に設置される動翼５１とケーシング側に支持される静翼５０を有するタービン部５２を備えている。また、このタービン部５２に連結され、大気を吸い込み、燃焼用および冷却媒体用の圧縮空気を得る圧縮機５３と、圧縮機５３からの圧縮空気と図示しない燃料が供給されて燃焼させ高温高圧燃焼ガスを発生する燃焼装置５４とより形成されている。
【００１５】
燃焼装置５４の１３００℃程度の燃焼ガスＨがタービン部５２に供給される。また、ガスタービンは、タービン部５２を駆動した燃焼ガスＨを６５０℃程度の排気ガス１１としてガスタービン外部へと導く、二重円筒状の排気フード２、３および排気ディフューザ４、５を有する排気系統部５６をも有する。
【００１６】
圧縮機５３より吐出された圧縮空気の一部は、燃焼装置５４のライナや翼（５０、５１）の冷却空気として用いられるようにすることができる。
【００１７】
燃焼装置５４にて発生した高温高圧の燃焼ガスＨは、静翼５０を経て動翼５１に噴射されてタービン部５２を駆動し、排気ガス１１として煙道部（排気系統部）５６を介して外部へ放出される。そして図示はしていないが、一般的には回転軸５５に結合されている発電機により発電するよう構成されている。
【００１８】
煙道部５６の要部構成が図１１に示されている。一般に瓦斯他前記文の煙道部５６は、回転軸５５と同心をなす二重円筒状の外側排気フード２と内側排気フード３およびこれら両者の間に同心円状に間に設置され、排気ガス１１の流路となる二重円筒状の外側ディフューザ４と内側ディフューザ５を備えている。外側排気ディフューザ４と内側排気ディフューザ５は周方向に複数個設置された中空板状のエアフォイル６と連結しており、外側排気フード２と内側排気フード３２は、中空板状のエアフォイル６の中空内部を貫通させた板状の排気フードストラッド７により固定されている。
【００１９】
外側排気フード２には冷却空気流入孔９が周方向に複数個設けてあり、別置の圧縮機から複数個の調整弁８を介して冷却空気１３が流入される。この冷却空気１３は外側排気フード２と外側排気フード２と外側排気ディフューザ４の間を流れ、排気フードストラッド７とエアフォイル６の空間を介して内側フード３と内側ディフューザ５の間に流入し、これらの部品を冷却した後、上流側のタービン部５１を冷却して高温ガス中に排出される。
【００２０】
外側排気ディフューザ４と内側排気ディフューザ５間の排気ガス１１の流路のエアフォイル６より後流側には周方向に複数個（例えば２７本）の温度検出器１０が設置されており、上流側の燃焼装置５４の燃焼異常を排気ガス温度で検出している。通常、この部位の排気ガス温度は６５０℃程度であるが、周方向で７０℃以上の温度偏差が生じると警報が発せられる。
【００２１】
本発明の第１の実施例に係るエアフォイル６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図１の（ｂ）および図２に示す。エアフォイル６は燃焼ガス（排気ガス）１１の流路上に設置されており、流れに対する抵抗を小さくするために、その断面形状は流線型上をなしている。本発明ではエアフォイル６の後縁部に断面が円弧状の遮蔽板１４を複数個設け、エアフォイル６の後縁部と遮蔽板１４の間に空間を設けた。遮蔽板１４の構造を図２（ｂ）に示し、遮蔽板１４を取外した状態の図１のＡ矢視図を図３に示す。
【００２２】
エアフォイル６の内面は別置の圧縮機からの冷却空気１３（約３００℃）が弁８を介して流入され、外面は約６５０℃野排気ガス１１に曝されることから、エアフォイル６には内外温度差に起因した熱応力が発生し、この熱応力がガスタービンの起動・停止により繰り返され、熱疲労損傷によりエアフォイル６の前縁部および後縁部には半径方向に肉厚を貫通する大きな亀裂が発生し易い。これらの亀裂は冷却空気の漏洩を誘起し、特に後縁部の亀裂は後流部にある一部の温度検出器１０の温度出力を著しく低下させ、周方向のその他の温度検出器との偏差が７０℃を超えると警報が発せられる（前縁部の亀裂は温度検出器の出力を大きく変化させるには至らない）。本来、温度検出器１０の目的は燃焼装置５４の以上を検知することであるが、この場合、エアフォイル６の亀裂発生という別の事象で警報を発し、ガスタービンを停止させて分解点検することになる。エアフォイル６の亀裂は点検毎に溶接補修することで運用上は問題無く、ガスタービンを停止させるべき事象ではない。
【００２３】
本発明のように、遮蔽板１４をエアフォイル６の後縁部に設けて、エアフォイル６の後縁部を二重構造とした排気ディフューザ４，５であると、エアフォイル６の後縁部に熱応力に起因した半径方向の貫通亀裂が発生しても、亀裂発生部から漏洩する冷却空気１３は複数個の遮蔽板１４を介して、拡散された状態で内外側排気ディフューザ４，５間に流入するので、遮蔽板１４がない場合に比べ、温度検出器１０の温度低下を抑えることができ、本実施例では温度偏差を警報値である７０℃以下に抑えることができた。
【００２４】
以上のように本発明のようなエアフォイル６の構造を有する排気ディフューザ４，５であると、温度検出器１０は確実に燃焼装置５４の異常のみを検知し、エアフォイル６の亀裂発生などの軽微な異常でガスタービンを停止・分解する必要がなくなり、信頼性・経済性の向上が図れた。
【００２５】
また、遮蔽板１４は遮熱効果も期待でき、エアフォイル６の後縁部の外面温度を低下させ、内外温度差に起因した熱応力を低減できる。これより、温度検出器１０の異常警報を発する原因であるエアフォイル６後縁部の亀裂そのものを抑制できた。
【００２６】
さらに、遮蔽板１４の端部がエアフォイル６の後縁頂部と一致しないように溶接などで設置することにより、後縁頂部と溶接部の応力集中の一致を避けることができ、エアフォイル６の後縁頂部に発生する熱応力が分散して軽減された。これより、温度検出器１０の異常警報を発する原因であるエアフォイル６後縁部の亀裂そのものを抑制できた。
【００２７】
本発明の第２の実施例に係るエアフォイル６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図４に示す。本実施例は、基本的には第１の実施例と同様であるが、本実施例では遮蔽板１４に希釈孔１５を複数個設けている。第２の実施例の遮蔽板１４の構造を図５に示す。
【００２８】
このように遮蔽板１４に複数個の希釈孔１５を設けることにより、たとえ、エアフォイル６の後縁部から亀裂が発生し、冷却空気１３が漏洩しても、希釈孔１５の希釈効果により、冷却空気１３は拡散して流れるため、後流側の温度検出器１０の温度低下を抑制でき、温度差は警報値である７０℃以下に抑えられた。
【００２９】
本発明の第３の実施例に係るエアフォイル６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図６に示す。本実施例は、基本的には第１の実施例と同様であるが、本実施例では遮蔽板１４をガスタービン径方向に大きくし、遮蔽板１４単体でエアフォイル６の後縁部に設置した。なお、エアフォイル６の後縁部の内外面には遮蔽板１４とラップしない領域を設けた。
【００３０】
燃焼ガス（排気ガス）１１は内側排気ディフューザ５と外側排気ディフューザ４間の流路のほぼ中間径が最大温度になるように流れており、排気ディフューザの内側５と外側４付近の排気ガス１１の温度は低くなっている。
【００３１】
本実施例はこの低温の排気ガス１１が流れる排気ディフューザの５と外側４に、なるべく沿って、エアフォイル６の後縁亀裂から漏洩した冷却空気１３を流し、排気ガス１１の主流を避けて拡散させることを目的としている。
【００３２】
このような遮蔽板１４の構造であると、エアフォイル６の後縁部から亀裂が発生した場合でも、亀裂から漏洩した冷却空気１３は外側排気ディフューザ４および内側排気ディフューザ５に沿って流れるため、排気ガス１１の主流を避けて拡散されるため、後流側の温度検出器１０の温度偏差を警報値である７０℃以下に抑えることができた。
【００３３】
本発明の第４の実施例に係るエアフォイル６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図７に示す。本実施例は、基本的には第１，第３の実施例と同様であるが、本実施例では遮蔽板１４をエアフォイル６の後縁に設置する径方向のピッチを内側排気ディフューザ５および外側排気ディフューザ４に近づくにつれて大きくした。
【００３４】
このような遮蔽板１４の構造であると、エアフォイル６の後縁部から亀裂が発生した場合でも、亀裂から漏洩した冷却空気１３は外側排気ディフューザ４および内側排気ディフューザ５に近い程多く流れるため、排気ガス１１の主流を避けて拡散されるため、後流側の温度検出器１０の温度偏差を警報値である７０℃以下に抑えられた。
【００３５】
本発明の第５の実施例に係るエアフォイル６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図８に示す。本実施例は、基本的には第１，第３，第４の実施例と同様であるが、本実施例では遮蔽板１４とエアフォイル６の後縁の空間を内側排気ディフューザ５および外側排気ディフューザ４に近づくにつれて大きく設置した。本実施例の遮蔽板１４の構造を図９に示す。
【００３６】
このような遮蔽板１４の構造であると、エアフォイル６の後縁部から亀裂が発生した場合でも、亀裂から漏洩した冷却空気１３は外面排気ディフューザ４および内面排気ディフューザ５に近い程、多く流れるため、排気ガス１１の主流を避けて拡散されるため、後流側の温度検出器１０の温度低下を警報値である７０℃以下に抑えられた。
【００３７】
本発明の第６の実施例に係るエアフォイル６を含む排気ディフューザ４，５の構造を図１０に示す。本実施例は、基本的には第１の実施例と同様であるが、本実施例では補強板１６をエアフォイル６の前縁部に設置した例である。前述のように、エアフォイル６は内外面の温度差に起因した熱応力の起動・停止による繰返しで、前縁部および後縁部に熱疲労亀裂が発生する。前縁部からの冷却空気１３の漏洩は温度検出器１０の温度出力には殆ど影響しないが、亀裂発生対策として補強板１６を設置した。
【００３８】
補強板１６は遮蔽効果が期待でき、エアフォイル６の前縁部の外面温度を低下させ、内外温度差に起因した熱応力を低減できる。これより、エアフォイル６前縁部の亀裂そのものを抑制できた。
【００３９】
さらに、補強板１６の端部がエアフォイル６の前縁頂部と溶接部の応力集中の一致を避けることができ、エアフォイル６の前縁頂部に発生する熱応力が分散して軽減され、これよりエアフォイル６の前縁部の亀裂そのものを抑制することができるのである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、たとえ排気ディフューザのエアフォイルに亀裂が生じ、エアフォイルから冷却空気が漏洩しても、その後流に位置する温度検出器が確実に燃焼装置の異常のみを検出でき、プラントの信頼性および経済性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン設備の一実施例を示す縦断側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図および本発明のガスタービン設備に用いられる遮蔽板単品を示す斜視図である。
【図３】ガスタービン設備の排気ディフューザ部の正面図である。
【図４】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。
【図５】本発明のガスタービン設備に用いられる遮蔽板の他の実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。
【図７】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。
【図８】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ部の他の実施例を示す縦断側面図である。
【図９】本発明のガスタービン設備に用いられる遮蔽板の他の実施例を示す斜視図である。
【図１０】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ部の他の実施例を示す縦断側面図および断面図である。
【図１１】本発明のガスタービン設備の排気ディフューザ部の他の実施例を示す縦断側面図である。
【図１２】従来のガスタービン設備の排気ディフューザ部を示す縦断側面図である。
【符号の説明】
１…タービンケーシング、２…外側排気フード、３…内側排気フード、４…外側排気ディフューザ、５…内側排気ディフューザ、６…エアフォイル、７…排気フードストラッド、８…弁、９…冷却空気流入孔、１０…温度検出器、１１…排気ガス、１３…冷却空気、１４…遮蔽板（空気拡散手段）、１５…希釈孔、１６…補強板。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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