(57)【要約】【課題】限られたスペースであって、フィルム冷却、中空冷却といった冷却手法を使用することなく、効果的にタービンを冷却することができる、タービンにおける冷却構造を提供する。【解決手段】限られたスペースのタービンの冷却構造であって、冷却空気を用いたフィルム冷却、中空冷却することなく効果的に冷却することができる手法である。すなわち、ここでは、静止部側に設けられた高温気化物噴射部により、タービン回転部、例えば動翼、回転軸またはタービンディスクに対して、高温気化物を噴射塗布して所定の高温以上で気化することで、タービン回転部を冷却することができる。高温気化物としては、例えばアブレーション材が可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体により稼働するタービンに対し、タービン回転部を冷却するタービンにおける冷却構造であって、
前記タービン回転部に対して、高温気化物を噴射することで該高温気化物を気化させて前記タービン回転部を冷却する高温気化物噴射部を具備することを特徴とするタービンにおける冷却構造。
【請求項２】
前記タービン回転部は、回転軸とタービンディスクと動翼とを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のタービンにおける冷却構造。
【請求項３】
前記タービンは前記タービン回転部の周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有する部分送入タービンである、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンにおける冷却構造。
【請求項４】
前記高温気化物噴射部は、前記非送入部に配置したことを特徴とする請求項３に記載のタービンにおける冷却構造。
【請求項５】
前記高温気化物噴射部は、前記タービン回転部の回転方向下流側の送入部近傍の前記非送入部に設けられることを特徴とする請求項４に記載のタービンにおける冷却構造。
【請求項６】
前記高温気化物噴射部は、前記動翼、回転軸またはタービンディスクに対応して、前記高温気化物が噴射されるように、噴射方向を定めた配置構成となっている、ことを特徴とする請求項２に記載のタービンにおける冷却構造。
【請求項７】
前記高温気化物噴射部における高温気化物は、アブレーション材である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のタービンにおける冷却構造。
【請求項８】
前記高温気化物噴射部における高温気化物は、海水である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のタービンにおける冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタービンにおける冷却構造に関し、特には高温環境下で使用されるタービン動翼に関して、冷却によりタービン動翼の強度の維持を図った、タービンにおける冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガスタービンなどの軸流タービンでは、高効率化のために、いわゆる部分送入タービンが主流となっている。
部分送入タービンとは、周方向に作動流体の送入部と非送入部を設けて、作動流体を部分送入する初段ノズルと、該ノズルの下流側に配設したキャビティと、高圧第１段ノズルとを具備するものである。
このような構造において、作動流体は送入部を介して導入され、作動流体の増減にかかわらず、稼働可能な効率を確保するようにしている。
また、タービンでは、例えば水中機械等、高温環境下で使用されるタービンの耐熱性、強度を確保することは、タービンの高効率化と同様、重要な課題となっている。すなわち、タービンは、タービン入口温度の高温化は熱効率の向上に寄与するため、タービン翼、燃焼器など高温部材の冷却は、性能向上の観点から、必要不可欠の技術的課題となっている。
ここで、タービン翼の冷却手段として、冷却効率を高めるために、対流冷却から、インピンジ冷却、ピンフィン冷却、全面フィルム冷却等が提案され、構造を微細化して、トランスピレーション冷却構造という、高い冷却性能を目指している。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ガスタービンの冷却手法として、空気冷却式のガスタービンタービン翼を開示している。すなわち、特許文献１では、タービン翼内にロータの中心部から冷却空気を送入する冷却流路を形成し、この流路を流れて温度上昇した冷却空気の一部を中間室へ導入する流出口を設けるようにしている。
【０００４】
一方、本出願人は、特許文献２のように、エアセパレータとロータの間、及びエアセパレータとディスクの間に形成された一連の円筒状空気流路を備え、同空気流路を経由してタービン翼冷却用の空気を導入するガスタービンタービン翼の冷却装置において、流路の内壁を構成するロータ又はディスクの外面に半径方向外方に突出して設けられた環状凸部、流路の外壁を構成するエアセパレータの内面の環状凸部に向き合う位置において空気流路となる隙間を介して環状凸部を覆うように設けられた環状凹部、及び一端が同環状凹部の奥底部に連なり他端が同エアセパレータ外周側空間に連なる複数個の貫通孔を備えた構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭６３−６４６０１号公報
【特許文献２】特許第３１６０４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１、２はいずれも冷却空気が自由に取り込める環境にあることが前提にあるものであるから、これが、例えば、水中を航走する水中航走体においては、設置スペースも限られていることから上述のガスタービンのような、冷却空気を用いたフィルム冷却、中空冷却といった冷却手法は適用できない。
本発明は以上のような背景から提案されたものであって、限られたスペースで、フィルム冷却、中空冷却といった冷却手法を使用することなく、効果的にタービンを冷却することができる、タービンにおける冷却構造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】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明では、作動流体により稼働するタービンに対し、タービン回転部を冷却するタービンにおける冷却構造であって、タービン回転部に対して、高温気化物を噴射することで該高温気化物を気化させてタービン回転部を冷却する高温気化物噴射部を具備することを特徴とする。
【０００８】
これにより、高温化したタービン回転部に対し、高温気化物噴射部から高温気化物を噴射すると、高温のタービン回転部表面に噴射された高温気化物は、高温で気化し、気化することで気化熱により、タービン回転部を冷却することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の本発明では、タービン回転部は、回転軸とタービンディスクと動翼とを含む、ことを特徴とする。
【００１０】
これにより、回転軸とタービンディスクと動翼とは、作動流体を送入することで直接接触して、高温化するので、回転軸とタービンディスクおよび動翼表面に、高温気化物を噴射することで、噴射された高温気化物が気化して、回転軸とタービンディスクと動翼とを冷却することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の本発明では、タービンは回転部の周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有する部分送入タービンである、ことを特徴とする。
【００１２】
これにより、送入部から作動流体が送入されることで、送入部における段ノズルと段動翼とが高温化する。ここに高温気化物噴射部から高温気化物を噴射することで、効果的に冷却を行うことができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の本発明では、高温気化物噴射部は、非送入部に配置したことを特徴とする。
【００１４】
これにより、送入部における段ノズルと段動翼との組合せ群に対し、非送入部に移行した段ノズルと段動翼とに対し、非送入部に配置した高温気化物噴射部から高温気化物を噴射して、効果的に冷却を行うことができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の本発明では、高温気化物噴射部は、タービン回転部の回転方向下流側の送入部近傍の非送入部に設けられることを特徴とする。
【００１６】
これにより、送入部における段ノズルと段動翼との組合せ群が、タービン回転部の回転によって、送入部から非送入部に移動した直後に、高温気化物噴射部から高温気化物を噴射して、段ノズルと段動翼との組合せ群を効果的に冷却することができる。
【００１７】
また、請求項６に記載の本発明では、高温気化物噴射部は、動翼、回転軸またはタービンディスクに対応して、高温気化物が噴射されるように、噴射方向を定めた配置構成となっている、ことを特徴とする。
【００１８】
これにより、動翼ばかりでなく、高温に晒される回転軸やタービンディスクに対して噴射することで、全体として効果的に冷却を行うことができる。
【００１９】
また、請求項７に記載の本発明では、高温気化物噴射部における高温気化物は、アブレーション材である、ことを特徴とする。
【００２０】
これにより、タービン入口温度が限界を越えるような使用状況であっても、効果的に冷却することができる。
【００２１】
さらに、請求項８に記載の本発明では、高温気化物噴射部における高温気化物は、海水である、ことを特徴とする。
【００２２】
これにより、海水であっても、短時間使用を前提したものの冷却用であれば、十分に冷却用として使用し得る。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高温気化物噴射部から高温気化物をタービン回転部に対し噴射することで、限られたスペースで、フィルム冷却、中空冷却といった冷却手法によらずに、効果的にタービンを冷却することができる、タービンにおける冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる冷却構造を具備するタービンの一例を示す、要部拡大断面説明図である。
【図２】本発明にかかるタービンの冷却構造の第１実施形態の模式的な要部説明図である。
【図３】（ａ）本発明にかかるタービンの冷却構造の第２実施形態の模式的な要部説明図、（ｂ）第２実施形態におけるタービン回転部の中心軸方向に入口側から見たときの、非送入部および送入部を模式的に示した図である。
【図４】本発明にかかるタービンの冷却構造の第３実施形態におけるタービン回転部の中心軸方向に入口側から見たときの、非送入部および送入部を模式的に示した図である。
【図５】第４実施形態の模式的な要部説明図である。
【図６】（ａ）本発明にかかるタービンの冷却構造の第４実施形態におけるタービン回転部の中心軸方向に入口側から見たときの、非送入部および送入部において、高温気化物噴射部の配置パターンの一例を示した模式図、（ｂ）高温気化物噴射部の配置パターンの別例を示した模式図、（ｃ）高温気化物噴射部の配置パターンの別例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかかるタービンの冷却構造についての実施形態を挙げ、添付図に基づいて説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１に、本発明にかかるタービンの冷却構造の第１実施形態を、模式的に示す。
ここでのタービン１は、いわゆる軸流タービンであって、回転軸２外側の静止部３と一体的に固定された作動流体供給管４の供給口４ａに支持され、作動流体（蒸気、燃焼ガス）を送入する初段ノズル５ｎ１と、初段ノズル５ｎ１の直下流側に配置して回転軸２側にタービンディスク２ｄ１を介して固定した初段動翼６ｂ１と、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１の回転軸２の軸方向下流側に順次列設した、複数の段ノズル５ｎとタービンディスク２ｄを介して回転軸２に支持された段動翼６ｂとの組合せ群を具備する構成となっている。
なお、タービン１は、詳細は後述するが、回転軸２の周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有する部分送入タービンである。
【００２７】
かかるタービン１においては、静止部３側に固定支持された作動流体供給管４を経て、供給口４ａ内に流入した作動流体は、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１へ流入し、膨張仕事を行う。次いで作動流体は下流側の段ノズル５ｎおよび段動翼６ｂへ流入し、膨張仕事を行い、回転軸２を回転させる機能を有する。
【００２８】
以上、構成されるタービン１において、本実施形態を説明するためにタービン１を図２に模式化して示す。図２では、静止部３側に固定支持された作動流体供給管４の供給口４ａの下流側先端に支持された初段ノズル５ｎ１とタービン回転部としての回転軸２および回転軸２側に支持された初段動翼６ｂ１とを示している。
すなわち、図２は、タービン１を、作動流体の送入部における模式図として示している。
そして、かかる静止部３の適所には、回転軸２側に支持された初段動翼６ｂ１に向けて、高温気化物を噴射することで該高温気化物を気化させて初段動翼６ｂ１を冷却する高温気化物噴射部１０を設けている。
【００２９】
高温気化物噴射部１０は、高温気化物を噴射するための噴射ヘッド１０ｈを静止部３に搭載している。噴射ヘッド１０ｈは、詳細な構成は示さないが、使用される高温気化物の物性（粘性）に対応し、且つタービン回転部（ここでは初段動翼６ｂ１）に噴射できるように、噴射口の形状、噴射方向が設定されている。
【００３０】
高温気化物としては、高温（ここでは８００℃以上を想定している）で気化する物質で、固体（粒状物）、固液二相流、もしくは液体の状態でタービン回転部に噴射、塗布、または噴霧可能なものであればその組成は適宜である。
例えば、高温気化物としてはアブレータを挙げることができる。アブレータは、例えば炭素繊維やガラス繊維などに合成樹脂を含侵させて作られた繊維強化プラスチック製耐熱材で、３００℃を越えるところで熱分解を始め、熱分解する際に母材から反応熱を奪う。これにより、高温気化物噴射部１０の噴射ヘッド１０ｈから噴射してタービン回転部の初段動翼６ｂ１表面が噴射によって高温気化物の噴射膜が形成され、この噴射膜が、高温時に熱分解を起こさせてタービン回転部から熱を奪い、タービン回転部を冷却するという機能のものである。
【００３１】
以上のような第１実施形態のタービンの冷却構造において、回転軸２、タービンディスク２ｄおよび動翼６ｂは、作動流体を送入することで直接接触して、高温化する。
ここに、静止部３に搭載した高温気化物噴射部１０の噴射ヘッド１０ｈから高温気化物（アブレータ）を噴射することで、高温化した動翼６ｂに噴射膜として形成される。かかる動翼６ｂが８００℃を越えていれば、動翼６ｂ上のアブレータの噴射膜が熱分解して、動翼６ｂの表面から気化して熱を奪い、特に動翼６ｂを含むタービン回転部を冷却することができる。
【００３２】
本発明にかかるタービンの冷却構造は、以下の第２実施形態によっても実施することができる。なお、本実施形態において、前述の第１実施形態と実質的に同一の構成要素については、同符号を付して、その説明は省略する。
（第２実施形態）
図３ａに第２実施形態におけるタービンの冷却構造を実施するためのタービン１の模式的に示す。なお、タービン１自体の構造は、第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
また、第２実施形態のタービン１では、タービン回転部の作動流体導入側に、作動流体を導入可能なエリアである送入部３ａと、作動流体を導入しないように仕切壁が設けられた非送入部３ｂが設けられている（図３ｂ参照）。送入部３ａは、タービン回転部の作動流体導入側の略１／３エリアに、一方、非送入部３ｂは、残りの略２／３のエリアに設定されている。
そして、タービン回転部の作動流体導入側の非送入部３ｂには、複数の高温気化物噴射部１０が非送入部３ｂ全面に亘り、適宜間隔をあけて設けられている。
【００３３】
以上のような第２実施形態において、送入部３ａのエリアから作動流体が送入され、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１へ流入し、次いで下流側の段ノズル５ｎおよび段動翼６ｂへ流入して膨張仕事を行い、タービン１の回転軸２が回転する。
タービン１の回転軸２が回転して、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１、並びに下流側の段ノズル５ｎおよび段動翼６ｂが非送入部３ｂに持ち来たされると、複数の高温気化物噴射部１０から高温気化物が、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１に向けて噴射され、これら表面が高温気化物によって覆われる。
この際、初段動翼６ｂ１は作動流体によって晒されて特に高温化されているので、高温気化物が初段動翼６ｂ１の表面に噴射されると、高温気化物は気化し、吸熱反応により初段動翼６ｂ１を冷却することができる。
タービン１は非送入部３ｂである略２／３のエリアを回転する間、高温気化物噴射部１０から高温気化物が、万遍なく動翼６ｂに対して噴射される。
【００３４】
本発明にかかるタービンの冷却構造は、以下の第３実施形態によっても実施することができる。なお、本実施形態において、前述の第１実施形態と実質的に同一の構成要素については、同符号を付して、その説明は省略する。
（第３実施形態）
図４に第３実施形態におけるタービン１のタービン回転部の作動流体導入側を示す。かかる第３実施形態では、高温気化物噴射部１０は、非送入部３ｂに、部分送入終了直後の位置に設けられる。すなわち高温気化物噴射部１０は、回転部の回転方向下流側の送入部３ａ近傍の非送入部３ｂに設けられる。
【００３５】
以上のような第３実施形態において、タービン１の回転動作時、作動流体が送入される送入部３ａにおいて、送入部３ａから非送入部３ｂに移行する位置において、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１、並びに下流側の段ノズル５ｎおよび段動翼６ｂは、作動流体によって最も高温化している。
したがって、回転部の回転方向下流側の送入部３ａ近傍の非送入部３ｂに設けた高温気化物噴射部１０から高温気化物を、非送入部３ｂに移行直後の初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１、並びに下流側の段ノズル５ｎおよび段動翼６ｂに対し、噴射すれば、初段ノズル５ｎ１および初段動翼６ｂ１、並びに下流側の段ノズル５ｎおよび段動翼６ｂの効果的な冷却が期待できる。
【００３６】
本発明にかかるタービンの冷却構造は、以下の第４実施形態によっても実施することができる。なお、本実施形態において、前述の第１実施形態と実質的に同一の構成要素については、同符号を付して、その説明は省略する。
（第４実施形態）
図５、図６に第４実施形態にかかるタービンの冷却構造を示す。
第４実施形態では、動翼６ｂ、回転軸２またはタービンディスク２ｄに対し、高温気化物噴射部１０の配置構成に応じて噴射塗布するようにしている。
ここでは、タービン回転部の作動流体導入側の非送入部３ｂには、複数の高温気化物噴射部１０が適宜間隔をあけて設けられているが、図６ａ、図６ｂ、図６ｃに示すように、さまざまな配置パターン（噴射方向）で配設することができる。
【００３７】
先ず、図６ａでは、高温気化物噴射部１０は、高温気化物の噴射方向が、回転部のうち、回転軸２のタービンディスク２ｄに取り付けられた動翼６ｂに、高温気化物が噴射されるように、噴射方向が回転軸２を中心とする動翼６ｂ先端までの届く半径の方向に設定している。
これにより、動翼６ｂに対し、高温気化物を重点的に噴射することができ、動翼６ｂの冷却に効果的である。
【００３８】
また、図６ｂでは、高温気化物噴射部１０は、高温気化物の噴射方向が、回転軸２に対して、高温気化物が噴射されるように配置している。
これにより、高温気化物は回転軸２に対し、重点的に噴射され、回転軸２を効果的に冷却することができる。
【００３９】
さらに、図６ｃでは、高温気化物噴射部１０は、高温気化物の噴射方向が、動翼６ｂ、回転軸２またはタービンディスク２ｄに対し、万遍なく届くように、分散させて配置している。
これにより、高温気化物は、回転部である、動翼６ｂ、回転軸２またはタービンディスク２ｄに対し、万遍なく噴射され、回転部全体を効果的に冷却することができる。
【００４０】
以上、本発明にかかるタービンの冷却構造について、第１〜第４実施形態を挙げ、添付図に基づいて説明した。
本発明は、これら第１〜第４実施形態に限られないのは勿論である。例えば、第１〜第４実施形態では、部分送入式のタービンのうち、送入部３ａが、タービン回転部の作動流体導入側の略１／３のエリアに、非送入部３ｂが、残りの略２／３のエリアに設定されている構成のものを挙げたが、送入部と非送入部の配置パターンを変えたものでもよい。
送入部３ａと非送入部３ｂとの配置パターンを変えることで、高温気化物噴射部１０の配置の仕方も変わり、冷却の効率も変わる。
【００４１】
また、高温気化物噴射部１０の高温気化物も、アブレーション材を挙げて説明したが、必要最小限の冷却度で足りる場合には、海水を用いることも可能である。
海水は、特に、タービン１が水中航走体で用いられるものにあっては、海水は入手しやすく、製造コストも抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、空気冷却が不可能な環境での使用が前提のタービンであれば、例えば水中の他、地中などで用いられる地熱式発電装置のタービン用として汎用性が高い。
【符号の説明】
【００４３】
１            タービン
２            回転軸
２ｄ、２ｄ１  タービンディスク
３            静止部
３ａ          送入部
３ｂ          非送入部
４            作動流体供給管
４ａ          供給口
５ｎ１        初段ノズル
６ｂ１        初段動翼
１０          高温気化物噴射部
【図１】
2014202090.tif 000003
【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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