(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスを尾筒から噴出する燃焼器と、
前記尾筒から前記燃焼ガスが供給されるタービンと、を備え、
前記タービンは、
前記タービンの周方向に間隔を隔てて複数設けられた静翼と、
前記尾筒の下流側に位置し、且つ、前記静翼を前記タービンの内周側と外周側とで支持する静翼シュラウドと、を含み、
前記尾筒の前記静翼シュラウド側の端部、および、前記尾筒と前記静翼シュラウドとの間に設けられるシール部材の前記静翼シュラウドに近接する部分の少なくともいずれか一方に、それぞれの前記静翼の上流側において前記尾筒の内側に向けて突出する凸部と、互いに隣接する前記静翼どうしの中間部の上流側において前記尾筒の外側に向けて突出する凹部とが形成されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記静翼シュラウドにおいて、少なくとも前記尾筒または前記シール部材に近接する部分に、それぞれの前記静翼の上流側において前記燃焼ガスの流路側に向けて突出する静翼シュラウド側凸部と、互いに隣接する前記静翼どうしの中間部の上流側において前記燃焼ガスの流路とは反対側に向けて突出する静翼シュラウド側凹部とが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
前記凸部および前記凹部と、前記静翼シュラウド側凸部および前記静翼シュラウド側凹部との間に、外部から前記燃焼ガスの流路内にシール空気を導入するためのクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
【請求項４】
燃焼ガスを尾筒から噴出する燃焼器と、
前記尾筒から前記燃焼ガスが供給されるタービンと、を備え、
前記タービンは、
前記タービンの周方向に間隔を隔てて複数設けられた静翼と、
前記尾筒の下流側に位置し、且つ、前記静翼を前記タービンの内周側と外周側とで支持する静翼シュラウドと、を含み、
前記尾筒、または前記尾筒と前記静翼シュラウドとの間に設けられるシール部材において、少なくとも前記静翼シュラウドに近接する部分に、それぞれの前記静翼の上流側において前記尾筒の内側に向けて突出する凸部と、互いに隣接する前記静翼どうしの中間部の上流側において前記尾筒の外側に向けて突出する凹部とが形成され、
前記静翼シュラウドにおいて、少なくとも前記尾筒または前記シール部材に近接する部分に、それぞれの前記静翼の上流側において前記燃焼ガスの流路側に向けて突出する静翼シュラウド側凸部と、互いに隣接する前記静翼どうしの中間部の上流側において前記燃焼ガスの流路とは反対側に向けて突出する静翼シュラウド側凹部とが形成されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
前記凸部および前記凹部と、前記静翼シュラウド側凸部および前記静翼シュラウド側凹部との間に、外部から前記燃焼ガスの流路内にシール空気を導入するためのクリアランスが形成されていることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関し、特に、燃焼器の尾筒と静翼シュラウドとの接合部に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃焼器の尾筒の後端（下流側の端）と、その下流側に設けられるタービンの第１段静翼の静翼シュラウドとの間には、熱膨張を逃がすための間隙が設けられる。しかし、この間隙は、燃焼ガスがガス流路から漏れ出す経路にもなり得る。燃焼ガスがガス流路から漏れ出すとガスタービンの焼損を招くため、燃焼ガスのガス流路からの漏洩は、防止されなくてはならない。
【０００３】
そこで、燃焼ガスのガス流路からの漏洩を防止するために、車室内の圧縮空気の圧力（即ち、ガス流路の外側の圧力）をガス流路の圧力よりも高くすることで、燃焼器および静翼シュラウドの外部から空気（以下、この空気をシール空気と適宜称する）を取り込み、これによって燃焼ガスがガス流路から漏れ出すことを抑制することが行われている。また、尾筒と静翼シュラウドとの間隙に、シール部材を設けることも行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４３８１２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来に提案されている構造は、燃焼器の尾筒と静翼シュラウドとの間隙のシールが完全ではない。これは、ガスタービンの周方向に配列された静翼列における、燃焼ガスの圧力が均一でないことに起因する。
図９に示すように、ガスタービンの周方向に沿って間隔を隔てて配列された複数の静翼１０２、１０２、…に燃焼ガス１０５が静翼１０２に吹き付けられると、各静翼１０２の前縁の近傍には、圧力が高い淀み点１０２ａが現れる。そして、燃焼ガス１０５の圧力は、隣接する静翼１０２の淀み点１０２ａの中間の位置において、淀み点１０２ａの近傍よりも低くなる。
このような圧力分布により、シール空気が、燃焼器の尾筒１０１および静翼シュラウド１０３の周方向において不均一に流れることになる。
【０００６】
このため、図１０に示すように、燃焼ガス１０５の圧力が低い部分からは、必要以上のシール空気がガス流路に入り込むこともあり、シール空気量が増大してしまうという問題がある。
【０００７】
また、上記の圧力分布により、図１１に示すように、互いに隣接する静翼１０２、１０２間においては、一方の静翼１０２の腹（正圧面）側１０２ｂから他方の静翼１０２の背（負圧面）側１０２ｃへと流れ（これを２次流れと言う）が生じ、これによって、シール空気が、燃焼器の尾筒１０１および静翼シュラウド１０３の周方向において不均一に流れるという傾向はますます顕著になる。
【０００８】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、シール空気の圧力分布を均一化し、シール空気量を低減することのできるガスタービン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】
【０００９】
かかる目的のもとになされた本発明のガスタービンは、燃焼ガスを尾筒から噴出する燃焼器と、尾筒から燃焼ガスが供給されるタービンと、を備え、タービンは、タービンの周方向に間隔を隔てて複数設けられた静翼と、尾筒の下流側に位置し、且つ、静翼をタービンの内周側と外周側とで支持する静翼シュラウドと、を含む。そして、尾筒の静翼シュラウド側の端部、および、尾筒と静翼シュラウドとの間に設けられるシール部材の静翼シュラウドに近接する部分の少なくともいずれか一方に、それぞれの静翼の上流側において尾筒の内側に向けて突出する凸部と、互いに隣接する静翼どうしの中間部の上流側において尾筒の外側に向けて突出する凹部とが形成されていることを特徴とする。
このように、尾筒またはシール部材に凹部と凸部とを形成すると、凸部により、静翼の上流側における燃焼ガスの流速が高まり圧力が低下し、凹部により、互いに隣接する静翼同士の中間部における燃焼ガスの流速が凸部の部分よりも低くなり、圧力が高くなる。これにより、静翼列の部分において、燃焼ガスの圧力分布を均一化できる。
【００１０】
ここで、静翼シュラウドにおいて、少なくとも尾筒またはシール部材に近接する部分に、それぞれの静翼の上流側において燃焼ガスの流路側に向けて突出する静翼シュラウド側凸部と、互いに隣接する静翼どうしの中間部の上流側において燃焼ガスの流路とは反対側に向けて突出する静翼シュラウド側凹部とを形成することもできる。
【００１１】
また、凸部および凹部と、静翼シュラウド側凸部および静翼シュラウド側凹部との間に、外部から燃焼ガスの流路内にシール空気を導入するためのクリアランスを形成してもよい。
そして、本発明のガスタービンは、燃焼ガスを尾筒から噴出する燃焼器と、尾筒から燃焼ガスが供給されるタービンと、を備え、タービンは、タービンの周方向に間隔を隔てて複数設けられた静翼と、尾筒の下流側に位置し、且つ、静翼をタービンの内周側と外周側とで支持する静翼シュラウドと、を含む。そして、尾筒、または尾筒と静翼シュラウドとの間に設けられるシール部材において、少なくとも静翼シュラウドに近接する部分に、それぞれの静翼の上流側において尾筒の内側に向けて突出する凸部と、互いに隣接する静翼どうしの中間部の上流側において尾筒の外側に向けて突出する凹部とが形成され、静翼シュラウドにおいて、少なくとも尾筒またはシール部材に近接する部分に、それぞれの静翼の上流側において燃焼ガスの流路側に向けて突出する静翼シュラウド側凸部と、互いに隣接する静翼どうしの中間部の上流側において燃焼ガスの流路とは反対側に向けて突出する静翼シュラウド側凹部とを形成することを特徴とする。
また、凸部および凹部と、静翼シュラウド側凸部および静翼シュラウド側凹部との間に、外部から燃焼ガスの流路内にシール空気を導入するためのクリアランスを形成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、尾筒またはシール部材に凹部と凸部とを形成することにより、静翼列の部分において、燃焼ガスの圧力分布を均一化できる。
また、互いに隣接する静翼の間で燃焼ガスの流れが偏るのを防いで温度差が生じるのを抑えることができ、この点からも、燃焼ガスの圧力分布を均一化することができる。
このようにして圧力分布の均一化を図ることで、燃焼器と静翼シュラウドとの隙間において、燃焼ガスの圧力が低い部分からシール空気が必要以上に入り込むのを抑えることができ、シール空気量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施の形態におけるガスタービンの全体構成を示す半断面図である。
【図２】燃焼器の尾筒と静翼シュラウドの接続部分の構成を示す断面図である。
【図３】尾筒を燃焼ガスの流れ方向に直交する図２における断面Ａ−Ａからみた図である。
【図４】尾筒に形成した凹凸と静翼との位置関係を示す図である。
【図５】尾筒と静翼シュラウドとの接続部分にシール部材を設けた場合の断面図である。
【図６】凹凸と静翼シュラウドとの位置関係の複数例を示す図である。
【図７】静翼シュラウドに凹凸を形成した場合の例を示す図である。
【図８】尾筒の凹凸と静翼シュラウドの凹凸との間にクリアランスを形成した場合の例を示す図である。
【図９】従来の尾筒と静翼シュラウドとの接続部分において、燃焼ガスが静翼前縁で淀み点を生じることを示す図である。
【図１０】静翼の周囲で圧力分布が生じ、シール空気が不均一に押し込まれることを示す図である。
【図１１】静翼の周囲の流れの様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施形態］
図１は、本実施の形態におけるガスタービン（流体機械）２０の概略構成を説明するための図である。
この図１に示すように、ガスタービン２０には、空気の流れの上流側から下流側に向かって吸込ケーシング２１、圧縮機２２、燃焼器２３、タービン２４が設けられている。
吸込ケーシング２１から取り込まれた空気は圧縮機２２によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器２３へ送り込まれる。燃焼器２３では、この圧縮空気に天然ガス等のガス、或いは軽油や軽重油等の油を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン２４に噴射され、タービン２４内で膨張してタービン２４を回転させる。タービン２４の回転エネルギーにより、ガスタービン２０の主軸２５に連結された図示しない発電機等が駆動される。
【００１５】
図２に示すように、ガスタービン２０は、圧縮空気１ａを生成する圧縮機２２（一部のみ図示）と、生成された圧縮空気１ａが供給される車室２とを備えている。車室２の内部には、燃焼ガス３ａを生成する燃焼器２３が設けられている。燃焼器２３は、ガスタービン２０の周方向に複数が設けられている。
【００１６】
各燃焼器２３の後端には、上流側の略円筒から下流側の略矩形に遷移する断面形状を有する筒状の尾筒４が設けられている。ガスタービン２０のタービン２４は、その尾筒４の下流側に設けられている。より具体的には、尾筒４の下流側には、第１段の静翼５と、静翼５を支持する内周側および外周側の静翼シュラウド６とが設けられており、これらに囲まれるように燃焼ガス３ａが流れるガス流路３ｂが形成されている。静翼５の下流には、動翼７が設けられている。ガス流路３ｂを流れる燃焼ガス３ａは、尾筒４を介して静翼５に導入され、静翼５によって方向が変えられて動翼７に噴射される。
【００１７】
ここで、図３に示すように、ガスタービン２０の周方向に沿って、複数の燃焼器２３の尾筒４が互いに隣接して配置されることで、全体として環状に配置されている。したがって、各尾筒４は、円環を周方向に分割してなる内周壁４ａおよび外周壁４ｂと、これら内周壁４ａおよび外周壁４ｂを連結する両側の側壁４ｃ、４ｄとを有している。
【００１８】
一方、図４に示すように、静翼シュラウド６は、円環状で、ガスタービン２０の内周側に位置する内周壁６ａと、その外周側に位置する外周壁６ｂとを有し、その間に、第１段の静翼５が両端を支持されて配置されている。第１段の静翼５は、ガスタービン２０の周方向に沿って間隔を隔てて複数が設けられている。本実施形態においては、第１段の静翼５は、尾筒４の数の２倍が設けられている。そして、第１段の静翼５は、側壁４ｃ、４ｄの燃焼ガス流れ方向下流側の位置と、これら側壁４ｃ、４ｄの中間部の位置とに配置されている。
【００１９】
図５は、燃焼器２３の尾筒４と、静翼シュラウド６との接合部の拡大図である。燃焼器２３の尾筒４には、燃焼ガス３ａが流れるガス流路３ｂと反対の側（外側）にフランジ８が接合されている。同様に、静翼シュラウド６には、燃焼ガス３ａが流れるガス流路３ｂと反対の側にフランジ９が設けられている。フランジ８、９の間に尾筒シール１１が介設され、尾筒シール１１によって尾筒４と静翼シュラウド６とが連結される。
なお、この尾筒シール１１は必須の構成ではない。
【００２０】
さて、図４に示したように、本実施形態においては、上記の尾筒４において、静翼シュラウド６に近接する部分に、尾筒４の内周壁４ａ、外周壁４ｂに、周方向に連続する波形の凹凸３０が形成されている。この凹凸３０は、側壁４ｃ、４ｄの位置と、側壁４ｃ、４ｄの中間部の位置とに、尾筒４の内側（ガスタービン２０の径方向に沿ってガス流路３ｂ側）に向けて突出する凸部３０ａが形成され、互いに隣接する凸部３０ａ、３０ａの中間部において尾筒４の外側（ガスタービン２０の径方向に沿ってガス流路３ｂとは反対側）に向けて突出する凹部３０ｂが形成されている。
ガスタービン２０の周方向における、これら凸部３０ａの位置は、後流側の第１段の静翼５、５、５に対応した位置である。これら凸部３０ａ、凹部３０ｂの周方向における位置は、第１段の静翼５、５、５周辺の静圧分布に応じて適宜設定すれば良い。
【００２１】
なおここで、図６に、凹凸３０の静翼シュラウド６に対する位置関係の複数例を示す。なお、図６においては、静翼シュラウド６の内周壁６ａ側のみを図示しているが、外周壁６ｂ側も、図示したのとはほぼ上下対称な構成を有している。
凸部３０ａと凹部３０ｂは、静翼シュラウド６の内周壁６ａ、外周壁６ｂに対し、図６（ａ−１）、（ａ−２）に示すように、凸部３０ａを内周壁６ａ、外周壁６ｂよりもガス流路３ｂ側に向けて突出させて位置させ、凹部３０ｂを内周壁６ａ、外周壁６ｂよりもガス流路３ｂとは反対側に向けて突出させて位置させることができる。
また、図６（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、凸部３０ａを内周壁６ａ、外周壁６ｂよりもガス流路３ｂ側に向けて突出させて位置させ、凹部３０ｂを内周壁６ａ、外周壁６ｂの延長線上に位置させることができる。
さらに、図６（ｃ−１）、（ｃ−２）に示すように、凸部３０ａを内周壁６ａ、外周壁６ｂの延長線上に位置させ、凹部３０ｂを内周壁６ａ、外周壁６ｂよりもガス流路３ｂとは反対側に向けて突出させて位置させることができる。
なお、凹凸３０は尾筒４の内周壁４ａのみ、または、外周壁４ｂのみに形成してもよいが、内周壁４ａおよび外周壁４ｂのどちらにも形成することが望ましい。
【００２２】
このように燃焼器２３の尾筒４の内周壁４ａ、外周壁４ｂに、周方向に連続する波形の凹凸３０を形成することによって、尾筒４から静翼シュラウド６に送り込まれる燃焼ガス３ａは、凸部３０ａの部分において流速が高まり凹部３０ｂの部分に比較して圧力が低くなる。一方は、凹部３０ｂの部分においては、凸部３０ａの部分に比較して流速が低く圧力が高い。そして、凸部３０ａを経た圧力が低い燃焼ガス３ａが第１段の静翼５の前縁１５に当たり、凹部３０ｂを経た圧力の高い燃焼ガス３ａが互いに隣接する第１段の静翼５、５の中間部に送り込まれる。これにより、第１段の静翼５、５、…の周辺における燃焼ガス３ａの圧力分布を均一化することができる。
圧力分布の均一化を図ることで、燃焼ガス３ａの圧力が低い部分からシール空気が必要以上に入り込むのを抑えることができ、シール空気量を抑えることができる。
また、圧力分布の均一化を図ることで、第１段の静翼５の背側と、隣接する第１段の静翼の腹側との間でシール空気の流れが偏るのを防ぐことができる。
【００２３】
（変形例）
なお、上記実施形態では、尾筒４の内周壁４ａ、外周壁４ｂに凹凸３０を形成するようにしたが、尾筒シール（シール部材）１１を備える場合、尾筒シール１１にも尾筒４と同様の凹凸３０を連続して形成してもよいし、尾筒シール１１のみに凹凸３０を形成するようにしてもよい。
【００２４】
また、上記第一の実施形態の構成に加え、図７に示すように、静翼シュラウド６の内周壁６ａ、外周壁６ｂの尾筒４に近接する部分にも、尾筒４の内周壁４ａ、外周壁４ｂの凹凸３０（凸部３０ａおよび凹部３０ｂ）に連続するよう、周方向に連続する波形の凹凸４０（静翼シュラウド側凸部および静翼シュラウド側凹部）を形成することもできる。
３０
【００２５】
［第二の実施形態］
次に、本発明に係る第二の実施形態について説明する。なお、以下においては、上記第一の実施形態と異なる構成を中心に説明を行い、上記第一の実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、尾筒４、および尾筒シール１１を備える場合は尾筒シール１１に、凹凸３０を形成する。
一方、尾筒４の下流側に位置する静翼シュラウド６の内周壁６ａ、外周壁６ｂの尾筒４に近接する部分に、凹凸３０よりも静翼シュラウド６に対してガス流路３ｂとは反対側に位置して静翼シュラウド側凸部と静翼シュラウド側凹部を有する凹凸５０を形成する。これにより、尾筒４側の凹凸３０と、静翼シュラウド６側の凹凸５０との間に、ガスタービン２０の径方向に沿ったクリアランス６０が形成され、このクリアランスからシール空気１００を取り込みやすくすることができ、また、凹凸３０の後端部と静翼シュラウド６の前縁との段差によって燃焼ガス３ａの流れに２次流れが発生するのを防ぐことができる。
【００２６】
なお、図８（ａ）、（ｂ）においては、凹凸３０の凸部３０ａを内周壁６ａ、外周壁６ｂよりもガス流路３ｂ側に向けて突出させて位置させ、凹部３０ｂを内周壁６ａ、外周壁６ｂよりもガス流路３ｂとは反対側に向けて突出させて位置させ、この凹凸３０に対してクリアランス６０を確保できるような位置に凹凸５０を形成している。これ以外にも、図６（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｃ−１）、（ｃ−２）に示したような位置に凹凸３０を形成した場合にも、凹凸３０との間にクリアランス６０を確保できるように凹凸５０を形成すれば良い。また、図８（ｃ）に示すように、凸部３０ａよりも径方向における突出高さを小さくしてクリアランス６０を確保できるように凹凸５０を形成してもよい。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、ガスタービン２０の周方向に複数の尾筒４を設けるようにしたが、燃焼器２３の尾筒を、周方向に連続した環状の流路を有するアニュラ型燃焼器とし、その後流側に、周方向に複数が配列された静翼５を設けるようにしてもよい。その場合も、周方向に連続する尾筒（燃焼器）の内周壁部と外周壁部とに、上記と同様に凹凸３０を形成すれば良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００２８】
３ａ   燃焼ガス
３ｂ   ガス流路
４     尾筒
４ａ   内周壁
４ｂ   外周壁
４ｃ   側壁
４ｄ   側壁
５     静翼
６     静翼シュラウド
６ａ   内周壁
６ｂ   外周壁
７     動翼
８     フランジ
９     フランジ
１１   尾筒シール（シール部材）
２０   ガスタービン
２１   吸込ケーシング
２２   圧縮機
２３   燃焼器
２４   タービン
２５   主軸
３０   凹凸
３０ａ 凸部
３０ｂ 凹部
４０   凹凸
５０   凹凸
６０   クリアランス
１００ シール空気
【図１】
0005725929.tif 000002
【図２】
0005725929.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005725929.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005725929.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005725929.tif 000011
【図１１】
0005725929.tif 000012