(57)【要約】【課題】タービンの静翼近傍に生じる馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合を防止することができるガスタービンの提供を課題とする。【解決手段】外側シュラウド３６ｂに、翼部３６ａの前縁３６ａ２に対応して、燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって冷却空気ｃを燃焼ガス流路３５内に吹き出す第１冷却空気流路４１を形成する構成を採用した。【選択図】　　　図３
2004138041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ側に設けられて該ロータとともに回転する動翼と、該動翼の周囲を覆って内部に燃焼ガス流路を形成する静止側に設けられ、前記ロータの回転軸線方向に前記動翼と交互に配置される静翼とを備え、
前記静翼が、前記燃焼ガス流路内に配置された翼部と、該翼部の外周端側に設けられた外側シュラウドと、前記翼部の内周端側に設けられた内側シュラウドとを有するガスタービンにおいて、
前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドのいずれか一方、もしくは両方に、前記翼部の前縁に対応して、前記燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって冷却空気を前記燃焼ガス流路内に吹き出す第１の冷却空気流路が設けられている
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、
前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドのいずれか一方、もしくは両方には、前記前縁との接続箇所と、前記第１の冷却空気流路との間の位置に、前記燃焼ガス流路内に冷却空気を吹き出す第２の冷却空気流路が設けられている
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガスタービンにおいて、
前記第１の冷却空気流路は、前記燃焼ガスの流れ方向の最上流位置に配置された静翼である、第１段静翼の外側シュラウドに設けられている
ことを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、燃焼器からの燃焼ガスをタービン内の燃焼ガス流路に導入する際に、タービン内の静翼の冷却を効果的に行うことができるガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えて構成されている（図示略）。このガスタービンによれば、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気が、前記燃焼器に供給され、別途供給されてくる燃料と混合して燃焼される。この燃焼によって発生された燃焼ガスは、前記タービンへと供給され、該タービンに回転駆動力を発生させる。
【０００３】
図４に、前記タービンの内部構造の一例を示す。同図に示すように、タービンの内部には、図示されないロータ側に環状に取り付けられた複数枚の動翼１と、前記ロータ周囲の静止側に設けられた複数枚の静翼２とが、前記ロータの回転軸線方向（同図の紙面左右方向）に交互に配置されており、これらを通過する燃焼ガス流路３が形成されている。このため、前記燃焼器から燃焼ガス流路３内に導入された燃焼ガスは、各動翼１を回して前記ロータに回転力を付与する。この回転力は、前記ロータに接続された発電機（図示省略）を回して発電させる。
【０００４】
各動翼１及び静翼２は、前記回転軸線方向に交互に配置され、多段構造を構成している。ちなみに、図４では、燃焼ガスが流れ込む上流側から数えて第１段、第２段までの部分を図示しているが、実際には、さらに第３段、第４段、．．．へと続く多段構造となっている。また、同図に示す符号４は、前記燃焼器の尾筒を示しており、第１段の上流側部分に接続されている。
【０００５】
このタービンでは、燃焼ガスを内部に導入するため、各静翼２等の構成部品を冷却すべく、例えば前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を抽気して取り込み、各動翼１及び静翼２などの各部の冷却に利用する構造が一般的に採用されている。
この種の冷却構造の一例として、各静翼２の外側シュラウド２ａにおける冷却構造を図５に示す。なお、同図は、図４のＡ部に相当する部分拡大断面図である。同図に示すように、外側シュラウド２ａには、その上流側端縁に沿った周方向に、複数の冷却空気流路２ａ１が穿設されており、外側シュラウド２ａの内周面２ａ２を冷却空気ｃで覆うフィルム冷却が可能となっている。なお、同様の冷却構造については、下記特許文献１にも開示されている。
全ての冷却空気流路２ａ１は、燃焼ガスの流れ方向に合わせて、上流側から下流側に向かって（すなわち、紙面左側から紙面右側に向かって）流されるようになっている。このようにして、上流側端縁より吐出された冷却空気ｃは、内周面２ａ２を覆うため、燃焼ガスｆから外側シュラウド２ａに向かう入熱量を、低減させる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２０５６０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記説明の従来のガスタービンでは、内周面２ａ２の、各静翼２に対応した上流側部分で、フィルム冷却を効果的に発揮できず、外側シュラウド２の壁温が部分的に高くなるという問題を有していた。
すなわち、各静翼２の翼部２ｂの前縁２ｂ１に到達した燃焼ガスｆは、翼部２ｂの圧力面側に向かう流れと、その裏面側である負圧面を流れる流れとに分岐するが、外側シュラウド２ａの近傍部分では、図５に示すように、Ｕ字形状の逆流（流れの形状が馬蹄形状に似ていることから、「馬蹄渦（Ｈｏｒｓｅ　Ｓｈｏｅ　Ｖｏｒｔｅｘ）」と呼ばれる）が発生する。この馬蹄渦は、冷却空気流路２ａ１から吐出される冷却空気ｃの流れ方向に対向するように生じ、冷却空気ｃの流れを妨げて掻き乱し、冷却機能を低下させるので、外側シュラウド２の壁温を、他所に比較して局所的に高めてしまう。
なお、このような馬蹄渦に起因する壁温上昇は、外側シュラウド２ａに限らず、図４に示す内側シュラウド２ｃでも、同様に発生する恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、タービンの静翼近傍に生じる馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合を防止することができるガスタービンの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載のガスタービンは、ロータ側に設けられて該ロータとともに回転する動翼と、該動翼の周囲を覆って内部に燃焼ガス流路を形成する静止側に設けられ、前記ロータの回転軸線方向に前記動翼と交互に配置される静翼とを備え、前記静翼が、前記燃焼ガス流路内に配置された翼部と、該翼部の外周端側に設けられた外側シュラウドと、前記翼部の内周端側に設けられた内側シュラウドとを有するガスタービンにおいて、前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドのいずれか一方、もしくは両方に、前記翼部の前縁に対応して、前記燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって冷却空気を前記燃焼ガス流路内に吹き出す第１の冷却空気流路が設けられていることを特徴とする。
上記請求項１に記載のガスタービンによれば、翼部の前縁に対応して発生する馬蹄渦は、燃焼ガスの流れ方向と逆方向に流れるが、第１の冷却空気流路から吐出する冷却空気も、燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって流すものであるため、従来のように、冷却空気と馬蹄渦の流れ方向が真っ向から対向することがない。これにより、燃焼ガス流路への冷却空気供給が従来よりも容易となる。
【００１０】
請求項２に記載のガスタービンは、請求項１に記載のガスタービンにおいて、前記外側シュラウドまたは前記内側シュラウドのいずれか一方、もしくは両方の、前記前縁との接続箇所と、前記第１の冷却空気流路との間の位置に、前記燃焼ガス流路内に冷却空気を吹き出す第２の冷却空気流路が設けられていることを特徴とする。
上記請求項２に記載のガスタービンによれば、第２の冷却空気流路から吐出される冷却空気により、前縁との接続箇所と、第１の冷却空気流路との間の部分を、対流冷却によって冷却することができる。
【００１１】
請求項３に記載のガスタービンは、請求項１または請求項２に記載のガスタービンにおいて、前記第１の冷却空気流路が、前記燃焼ガスの流れ方向の最上流位置に配置された静翼である、第１段静翼の外側シュラウドに設けられていることを特徴とする。
上記請求項３に記載のガスタービンによれば、馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合は、第１段静翼の外側シュラウドにおいて特に問題となりやすいので、この部分に本発明を適用することにより、本発明の効果を特に効果的に発揮することができるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービンの一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。なお、図１は、本実施形態のガスタービンの概略構成を説明する説明図である。また、図２は、同ガスタービンのタービンに備えられている静翼を示す図であって、圧力面側から見た斜視図である。また、図３は、同静翼の要部を示す図であって、図２のＢ部の縦断面図である（すなわち、この図３は、図５に相当する部分の図である。）。
【００１３】
図１に、本実施形態のガスタービンの概略構成を示す。同図において、符号１０は圧縮機、符号２０は燃焼器、符号３０はタービンである。圧縮機１０は、多量の空気をその内部に取り入れて圧縮するものである。通常、ガスタービンでは、タービン３０で得られる動力の一部が、圧縮機１０の動力として利用される。燃焼器２０は、圧縮機１０で圧縮された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させるものである。タービン３０は、燃焼器２０で発生させた燃焼ガスをその内部に導入して膨張させ、ロータ３２側に設けられた動翼３４間を流れることで燃焼ガスの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換して動力を発生させるものである。
【００１４】
タービン３０には、ロータ３２側に設けられた複数枚の動翼３４の他に、ケーシング３１側（静止側）に設けられた複数枚の静翼３３が備えられており、これら動翼３４と静翼３３とがロータ３２の回転軸線方向に交互に配列されている。各動翼３４は、ロータ３２の回転軸線方向に流れる燃焼ガスの流れによりロータ３２を回転させ、該ロータ３２に与えられた回転エネルギーを軸端から取り出して利用するようになっている。すなわち、ロータ３３に発電機（図示せず）を接続することにより、発電することができる。
ケーシング３１は、各動翼３３及びロータ３２の周囲を覆って内部に燃焼ガス流路３５を形成している。
【００１５】
燃焼器２０は、ロータ３２の回転軸線を中心とする周方向に複数が環状配置されており、その、尾筒２０ａから吐出される燃焼ガスは、タービン３０の燃焼ガス流路３５に対して斜めに導入されるようになっている。したがって、図１及び図２に示すように、燃焼器２０から導入した燃焼ガスは、まず、各静翼３３のうち、燃焼ガスの流れ方向の最上流位置に配置された第１段静翼３６に対して、前記回転軸線を中心とする径方向外側から内側に向かった斜め方向より、入り込むようになっている。
【００１６】
本実施形態のガスタービンは、そのタービン３０における各第１段静翼３６の冷却構造が特に特徴的となっているので、以下、この特徴点を中心に説明を行うものとする。
図２に示すように、各第１段静翼３６は、燃焼ガス流路３５内に配置された翼部３６ａと、該翼部３６ａの外周端側に一体に設けられた外側シュラウド３６ｂと、翼部３６ａの内周端側に一体に設けられた内側シュラウド３６ｃとを備えた概略構造を有している。
【００１７】
翼部３６ａは、翼であり、導入された燃焼ガスを、前記ロータ３２の回転方向に向かって回転する旋回流とする。翼部３６ａの表面には、フィルム冷却のための冷却空気吐出口３６ａ１が、複数、穿設されている。なお、同図の符号３６ａ２は、前縁を示し、符号３６ａ３は、後縁を示している。
【００１８】
外側シュラウド３６ｂは、互いに隣接する各第１段静翼３６間で接続されて環状をなすようになっている。同様に、内側シュラウド３６ｃも、互いに隣接する各第１段静翼３６間で接続されて環状をなすようになっている。そして、これら外側シュラウド３６ｂの内周面と、内側シュラウド３６ｃの外周面との間に、前記燃焼ガス流路３５が形成されるようになっている。
以上説明の点は、第１段静翼３６に限らず、他の静翼３３もほぼ同様の構造となっている。
【００１９】
図２及び図３に示すように、本実施形態の各第１段静翼３６では、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃの両方に、翼部３６ａの前縁３６ａ２に対応して、燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって冷却空気ｃを燃焼ガス流路３５内に吹き出す第１冷却空気流路４１（第１の冷却空気流路）が形成されている。この第１冷却空気流路４１は、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃに各１箇所づつが前縁３６ａ２の上流側位置に形成されている。
【００２０】
外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃの上流側端縁において、前縁３６ａ２の上流側位置以外の各箇所には、従来と同様に、フィルム冷却用の冷却空気孔４０が複数形成されている。そして、これら冷却空気孔４０からの冷却空気は、燃焼ガスの流れ方向上流側から下流側に向かうように、燃焼ガス流路３５内に吐出され、外側シュラウド３６ｂの内周面及び内側シュラウド３６ｃの外周面を覆って冷却するようになっている。
【００２１】
また、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃには、前記前縁３６ａ２との接続箇所と、第１冷却空気流路４１との間の位置に、燃焼ガス流路３５内に冷却空気を吹き出す第２冷却空気流路４２（第２の冷却空気流路）が形成されている。この第２冷却空気流路４２は、前記回転軸線を中心とする半径方向に向かって、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃに各１箇所づつ形成されている。
【００２２】
以上説明の構成を有する本実施形態のガスタービンによれば、そのタービン３０の第１段静翼３６では、翼部３６ａの、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃの近傍部分で馬蹄渦が発生しても、第１冷却空気流路４１から吐出する冷却空気ｃも、燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって流れるものであるため、従来のように、冷却空気ｃと馬蹄渦の流れ方向が真っ向から対向することがない。これにより、燃焼ガス流路３５への冷却空気供給が従来よりも容易となる。したがって、馬蹄渦に逆らうことなく冷却空気ｃを流すことができるので、馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合を防止することができ、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃの上流側端縁のうち、前記前縁３６ａ２の上流側位置に対応した部分の冷却を効果的に行うことが可能となっている。
【００２３】
なおかつ、各段の静翼３３の中でも、特に強い馬蹄渦が生じやすい第１段静翼３６を選定して第１冷却空気流路４１を設けたことにより、特に、馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合を効果的に防止することが可能となっている。
【００２４】
なお、第１冷却空気流路４１の形成箇所としては、第１段静翼３６のみに限るものではなく、全て段の静翼３３に形成するものとしても良い。しかしながら、第１段静翼３６に設けた方が、より効果的である。
さらには、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃのいずれか一方を選んで第１冷却空気流路４１を形成する場合には、外側シュラウド３６ｂを選定するのが好ましい。これは、タービン３０に対する燃焼器２０の配置上の関係によるものである。すなわち、前述のように、燃焼器２０から導入した燃焼ガスは、第１段静翼３６に対して斜め方向より入り込むようになっている。これにより、図２に示すように、内側シュラウド３６ｃと前記前縁３６ａ２との接続箇所に対しては、直接当たるように燃焼ガスが流れ込むため、馬蹄渦が比較的生じにくいが、外側シュラウド３６ｂと前記前縁３６ａ２との接続箇所に対しては、燃焼ガスが直接当たらないので、強い馬蹄渦が生じやすい。このような理由により、第１冷却空気流路４１の形成箇所としては、外側シュラウド３６ｂの方を選定するのが好ましいものとなっている。
【００２５】
また、本実施形態では、第２冷却空気流路４２をさらに設けたことにより、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃと前記前縁３６ａ２との間の接続箇所と、第１冷却空気流路４１との間の部分も、対流冷却によって効果的に冷却することが可能となっている。
なお、この第２冷却空気流路４２の形成箇所も、外側シュラウド３６ｂ及び内側シュラウド３６ｃの双方に限らず、外側シュラウド３６ｂ側のみに設けるものとしても良い。さらには、第１段静翼３６のみに第２冷却空気流路４２を形成するのではなく、第１冷却空気流路４１の形成箇所に合わせて、他の静翼３３に設けるものとしても良い。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のガスタービンによれば、翼部の前縁に対応して、燃焼ガスの流れ方向の下流側から上流側に向かって冷却空気を吹き出す第１の冷却空気流路を設けたことにより、タービンの静翼近傍に生じる馬蹄渦に逆らうことなく、冷却空気を流すことができるので、馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合を防止することが可能となる。
【００２７】
また、請求項２に記載のガスタービンによれば、第２の冷却空気流路を設けたことにより、前縁との接続箇所と、第１の冷却空気流路との間の部分も、効果的に冷却することが可能となる。
【００２８】
また、請求項３に記載のガスタービンによれば、前記第１の冷却空気流路を、第１段静翼の外側シュラウドに設けたことにより、特に、馬蹄渦の発生に起因した冷却不具合を効果的に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの一実施形態を示す図であって、その概略構成を説明する説明図である。
【図２】同ガスタービンのタービンに備えられている静翼を示す図であって、圧力面側から見た斜視図である。
【図３】同静翼の要部を示す図であって、図２のＢ部の縦断面図である。
【図４】ガスタービンのタービンにおける燃焼ガス流路近傍部分の内部構造を示す図であって、ロータの軸線を含む断面で見た部分断面図である。
【図５】同タービンに備えられている従来の静翼の一部を示す図であって、図４のＡ部に相当する部分拡大断面図である。
【符号の説明】
３２・・・ロータ
３３・・・静翼
３４・・・動翼
３５・・・燃焼ガス流路
３６・・・第１段静翼
３６ａ・・・翼部
３６ｂ・・・外側シュラウド
３６ｃ・・・内側シュラウド
３６ａ２・・・前縁
４１・・・第１冷却空気流路（第１の冷却空気流路）
４２・・・第２冷却空気流路（第２の冷却空気流路）
ｃ・・・冷却空気
【図１】
2004138041.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004138041.tif 000006
【図５】
2004138041.tif 000007