(57)【要約】【課題】厚肉で堅牢な構造としなくとも、薄肉のバックプレートでもタービン側への弓状の熱変形を抑制することができるガスタービンのバックプレート構造を提供する。【解決手段】圧縮空気と燃焼ガスとを仕切る環状のバックプレート１を備えた半径流形式のタービン有するガスタービンのバックプレート構造として、バックプレートの圧縮空気側面に、タービンの回転軸１６に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる複数のリブ４，…を周方向所定間隔置きに凸設させる。【選択図】        図２
2005030244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気と燃焼ガスとを仕切る環状のバックプレートを備えた半径流形式のタービンを有するガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において、
上記バックプレートの圧縮空気側面には、タービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びる複数のリブが凸設されていることを特徴とするガスタービンまたは過給機のバックプレート構造。
【請求項２】
上記請求項１に記載のガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において、
バックプレートの圧縮空気側には、そのバックプレートに対する圧縮空気の空気圧荷重を軽減させる環状のサポート部材が設けられていることを特徴とするガスタービンまたは過給機のバックプレート構造。
【請求項３】
上記請求項１または請求項２に記載のガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において、
複数のリブは、ガスタービンの回転軸に対しそれぞれ放射線状に延びて設けられていることを特徴とするガスタービンまたは過給機のバックプレート構造。
【請求項４】
上記請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において、
複数のリブは、バックプレートを圧縮空気側に折り畳んで一体的にプレス成形されてなることを特徴とするガスタービンまたは過給機のバックプレート構造。
【請求項５】
上記請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載のガスタービンまたは過給機のバックプレート構造において、
複数のリブの先端には、バックプレートに対し各リブの突出量を存して平行に配された補強部材が取り付けられていることを特徴とするガスタービンまたは過給機のバックプレート構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半径流形式のタービンの圧縮空気と燃焼ガスとを仕切るバックプレートの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃焼器で生成された高温の燃焼ガスは、ガスタービンのタービンノズルを抜けてタービン翼間の通路に導かれるが、このとき通路を通らない燃焼ガスがあると、その燃焼ガスは仕事をせずにそのまま下流側に排出されるので、タービンで回収されない損失としてエンジンの効率を低下させることになる。そのため、図１５に示すように、このような損失を最小限度に抑える上で、タービン翼先端側にシュラウドｇが、タービン翼背面側にバックプレートｅがそれぞれタービンｈに近接して装着されている。
【０００３】
このバックプレートｅは、コンプレッサにより供給される圧縮空気と、燃焼器で生成された燃焼ガスとを仕切るように設けられている。従って、バックプレートｅには、圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差による空気圧荷重、および燃焼ガス側から圧縮空気側に流れる熱負荷が同時に作用しているため、バックプレートｅ表裏面間の温度差及び圧力荷重によってバックプレートｅが弓状（図１５に二点鎖線で示す状態）に変形する傾向がある。
【０００４】
そこで、図１６に示すように、燃焼器からの燃焼ガスを吐出するノズルａに環状のノズル取付フランジｂを設け、このノズル取付フランジｂをハウジングｃに固定するとともに、ノズル取付フランジｂの内周端部とハウジングｃとの間に隙間を設けて環状溝ｄを形成し、その環状溝ｄ部分で燃焼ガスの通路を仕切る壁面を形成するバックプレートｅの外周端部ｆを半径方向に摺動可能にかつタービンの回転軸方向に移動不能に挟持することで、燃焼ガスからの熱伝達によりバックプレートｅが熱膨張する際に、バックプレートｅを半径方向外方には自由に熱膨張させ、タービンの回転軸方向への変形を制限させるようにしたバックプレート構造が従来より知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、その他のバックプレート構造としては、高温で強度の高い金属を十分に用いて厚肉で堅牢なバックプレートを機械加工により成形し、燃焼ガスから燃伝達されてもバックプレートが熱膨張し難くなるようにしたものもある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３４２８０７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の前者のものでは、バックプレートｅが熱膨張する際にバックプレートｅを半径方向外方に熱膨張させるように構成されてはいるものの、圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によって、バックプレートがタービン側に弓状に熱変形する問題が解決されないため、依然としてタービン背面側の隙間（バックプレート表面とタービン翼との隙間）が詰まって接触するおそれが残る。
【０００８】
一方、上記後者のものでは、高温で強度の高い金属は非常に高価なものであり、それを十分に用いて機械加工により厚肉なバックプレートを成形すれば、材料コストおよび製造コストが非常に高いものとなる。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、厚肉で堅牢な構造としなくとも、薄肉のバックプレートでもタービン側への弓状の熱変形を抑制することができる半径流形式のタービンのバックプレート構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係わる発明では、圧縮空気と燃焼ガスとを仕切る環状のバックプレートを備えた半径流形式のタービンを有するガスタービンまたは過給機のバックプレート構造を前提とする。そして、上記バックプレートの圧縮空気側面（コンプレッサ側面）に、タービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びる複数のリブを凸設させている。
【００１１】
この特定事項により、バックプレートの圧縮空気側面に凸設させた複数のリブがタービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延びているので、バックプレートの圧縮空気側（裏面側）においてその周方向に相隣なるリブ間に圧縮空気の流通経路が形成されることによって、圧縮空気が円滑に流通経路を通って流れて冷却が促進されるため、バックプレートに作用する熱負荷が軽減されると共に、タービンの回転軸方向（バックプレートの表裏面側）への剛性強度も効果的に高められて、バックプレートに作用する圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン側への弓状の熱変形が抑制されることになり、タービン背面側におけるバックプレート表面とタービン翼との隙間が確実に確保されてタービン翼との接触を防止することが可能となる。しかも、厚肉となるのはリブのみであり、バックプレートの材料コストおよび製造コストを非常に安価なものにすることも可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係わる発明では、バックプレートの圧縮空気側に、そのバックプレートに対する圧縮空気の空気圧荷重を軽減させる環状のサポート部材を設けている。
【００１３】
この特定事項により、バックプレートの圧縮空気側（裏面側）から作用する圧縮空気の空気圧荷重がサポート部材によって遮られ、バックプレートに作用する圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差を低減することができるため、タービン側への弓状の変形が効果的に抑制される。
【００１４】
そして、請求項３に係わる発明では、複数のリブを、タービンの回転軸に対しそれぞれ放射線状に延ばして設けている。
【００１５】
この特定事項により、バックプレートの圧縮空気側におけるリブ間において形成された圧縮空気の流通経路での圧縮空気の流通がスムーズに行え、圧縮空気の空気圧荷重がバックプレートの裏面側（圧縮空気側）により作用し難くなって、バックプレートが熱膨張する際の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン側への弓状の熱変形がより効果的に抑制される。
【００１６】
また、請求項４に係わる発明では、バックプレートを圧縮空気側に折り畳んで複数のリブを一体的にプレス成形している。
【００１７】
この特定事項により、各リブをバックプレートの裏面側（圧縮空気側）に個々に接着などにより設ける必要がなく、バックプレートの成形と同時に各リブが設けられ、各リブを簡単に成形することが可能となる。
【００１８】
更に、請求項５に係わる発明では、複数のリブの先端に、バックプレートに対し各リブの突出量を存して平行に配された補強部材を取り付けている。
【００１９】
この特定事項により、バックプレートの曲げ剛性が補強部材によって効果的に高められる。しかも、バックプレートと補強部材との間の各リブによって仕切られた空間を介して圧縮空気がスムーズに流れ、バックプレートの放熱面積の増加と相俟ってバックプレートの冷却性能を促進させることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１は半径流形式のガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。図１において、このガスタービン１００では、圧縮空気（図１および図２に破線矢印で表す）が図示しないコンプレッサから供給されており、圧縮空気は燃焼器２０の外筒５と内筒６との間に形成された環状空気通路７を経由して内筒６内に流入し、燃料と混合して混合気を生成し、点火プラグ（図示せず）により着火されて燃焼ガス（図１に白抜き矢印で表す）を生成する。この燃焼ガスは、燃焼器２０（内筒６）からスクロール９内に入り、ノズル１０からタービン翼１９に向けて噴射され、回転軸１６を中心にタービン１３を回転させるようになっている。
【００２２】
タービン１３は、ハウジング３に設置された図示しない軸受により回転軸１６を中心に回転可能に支持されている。
【００２３】
図２に示すように、ハウジング３とノズルフランジ１２ｂとの間には隙間２２が形成されており、この隙間２２には環状のバックプレート１の外径側端部１ａが半径方向に摺動可能にかつタービン１３の回転軸１６方向に移動不能に挟持されている。バックプレート１の内径側端部１ｂは、ボルト１４により貫通されており、このボルト１４をハウジング３の内径側窪み部３ｂに設けられたネジ穴１５ｂに螺合させることにより、内径側端部１ｂがハウジング３に密着固定されるようになっている。また、ハウジング３には、外径側窪み部３ａが設けられている。この場合、バックプレート１の燃焼ガス側面（表面）には燃焼ガスによる熱負荷が作用し、特に直接燃焼ガスに晒される直接領域１ｃにはより高い熱負荷が作用する一方、圧縮空気側面（裏面）には圧縮空気による空気圧荷重が作用するようになっている。
【００２４】
また、ノズルフランジ１２とハウジング３とで形成される空間Ｂ′と圧縮空気が充填される空間Ａとの間には通気性があり、空間Ｂ′へは空間Ａの圧縮空気の一部が侵入する。
【００２５】
そして、図３に示すように、バックプレート１の圧縮空気側面（裏面）には、タービン１３の回転軸１６に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる複数のリブ４，…が周方向に所定間隔置きに凸設されている。
【００２６】
ここで、リブ４，…を設けない場合と、リブ４，…を設けた場合とのバックプレート１の直接領域１ｃでの表面温度及び裏面温度の推移を図４に基づいて説明する。
【００２７】
図４に二点鎖線で示すように、リブ４を設けない場合のバックプレート１の直接領域１ｃでの表面温度及び裏面温度に比して、図４に実線で示すように、リブ４を設けた場合のバックプレート１の直接領域１ｃでの表面温度及び裏面温度が何れも大幅に低下していることが判る。
【００２８】
これは、バックプレート１の圧縮空気側面に凸設させた複数のリブ４，…がタービン１３の回転軸１６に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びているために、バックプレート１の圧縮空気側（裏面側）においてその周方向に相隣なるリブ４，４間に圧縮空気の流通経路が形成され、圧縮空気が円滑に流通経路を通って流れて、バックプレート１の燃焼ガス側面の熱伝達（冷却）を促進するからであり、よってバックプレート１の熱負荷、特にタービン１３背面にあって直接燃焼ガスに晒される直接領域１ｃの熱負荷を効果的に低減できる。
【００２９】
また、バックプレート１の圧縮空気側から作用する圧力がバックプレート１をタービン１３側に押し出し、バックプレート１を弓状に変形させようとする荷重に対し、放射線状に延びる複数のリブ４，…によって、タービン１３の回転軸１６方向（バックプレート１の表裏面側）への剛性強度も効果的に高めることができる。
【００３０】
したがって、上記実施形態では、バックプレート１が熱膨張する際の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン１３側への弓状の熱変形が効果的に抑制されることになり、タービン１３背面側におけるバックプレート１表面とタービン翼１９との隙間が確実に確保されてタービン翼１９との接触を防止することができる。
【００３１】
しかも、厚肉となるのは各リブ４のみであり、バックプレート１の材料コストおよび製造コストを非常に安価なものにすることもできる。
【００３２】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図５および図６に基づいて説明する。
【００３３】
この実施形態では、バックプレート１の圧縮空気側（裏面側）にサポート部材としてのサポート板２を設けている。
【００３４】
すなわち、本実施形態では、図５および図６に示すように、サポート板２はプレス成形されてなり、ハウジング３の外径側窪み部３ａのネジ穴に螺合されたボルト２４によって外周側端部２ａが固着されている。また、サポート板２の内周側端部２ｂは、バックプレート１の内周側端部１ｂと共にボルト１４によりハウジング３の内径側窪み部３ｂに固着されている。
【００３５】
そして、サポート板２は、外径側窪み部３ａと内径側窪み部３ｂとを最短で結ぶ破線で示す面２６よりも中央部分が圧縮空気側（図では左側）に盛り上がるように（凸状となるように）プレス形成されている。この場合、サポート板２には、圧縮空気による空気圧荷重が作用するが、中央部分を圧縮空気側へ突出させていることにより、外径側端部２ａおよび内径側端部２ｂ（サポート板２の固定箇所）に作用する応力を低減させて、サポート板２の耐久性が高められるようになっている。また、サポート板２には、圧縮空気による空気圧荷重が作用するが、燃焼ガスによる熱負荷がほとんど作用しないようになっている。
【００３６】
空間Ｂ′に侵入した空間Ａの圧縮空気の一部は、隙間２３および隙間２２を経てバックプレート１とサポート板２との間に形成された領域Ｂ内に流入するようになっている。
【００３７】
したがって、上記実施形態では、領域Ｂ内に流入した圧縮空気は、バックプレート１の圧縮空気側（裏面側）においてその周方向に相隣なるリブ４，４間の流通経路を通って円滑に流れて、バックプレート１表面の熱伝達（冷却）を促進するため、バックプレート１の熱負荷、特にタービン１３背面にあって直接燃焼ガスに晒される領域１ｃの熱負荷をより効果的に低減できる。更に、バックプレート１の圧縮空気側から作用する圧力がサポート板２によって抑制され、放射線状に延びる複数のリブ４，…と相俟って、タービン１３の回転軸１６方向（バックプレート１の表裏面側）への剛性強度をより効果的に高めることができる。
【００３８】
これにより、バックプレート１が熱膨張する際の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン１３側への弓状の熱変形がより効果的に抑制されることになり、タービン１３背面側におけるバックプレート１表面とタービン翼１９との隙間が確実に確保されてタービン翼１９との接触を確実に防止することができる。
【００３９】
＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図７ないし図９に基づいて説明する。
【００４０】
この実施形態では、各リブをバックプレートと一体的に成形している。
【００４１】
つまり、本実施形態では、図７ないし図９に示すように、バックプレート７を圧縮空気側（裏面側）に折り畳んでタービン１３の回転軸１６に対し内径側端部７ｂから外径側端部７ａに向かって放射線状に延びる複数のリブ７１，…を周方向に所定間隔置きに凸設させるように一体的にプレス成形している。
【００４２】
したがって、本実施形態では、各リブ７１をバックプレート７の裏面側（圧縮空気側）に個々に接着などにより設ける必要がなく、バックプレート７の成形と同時に各リブ７１が設けられ、各リブ７１を簡単に成形することができる。
【００４３】
＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を図１０ないし図１２に基づいて説明する。
【００４４】
この実施形態では、バックプレートに補強部材としての補強プレートを設けている。なお、補強プレートを除くその他の構成は、上記第１の実施形態の場合と同じであり、同じ部分については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４５】
つまり、本実施形態では、図１０ないし図１２に示すように、複数のリブ４の先端に、バックプレート１に対し各リブ４の突出量を存して平行に配されたドーナツ板状の補強プレート８が取り付けられている。また、バックプレート１と補強プレート８との間には、各リブ４によって仕切られてバックプレート１の半径方向内方から外方に向かって延びる空間Ｄ，…が形成され、この各空間Ｄを介して圧縮空気が流通するようになっている。
【００４６】
したがって、上記実施形態では、バックプレート１の曲げ剛性が補強プレート８によって効果的に高めることができる。しかも、バックプレート１と補強プレート８との間の各リブ４によって仕切られた空間Ｄ，…を介して圧縮空気がスムーズに流れ、補強プレート８によるバックプレート１の放熱面積の増加と相俟ってバックプレート１の冷却性能をさらに促進させることができる。
【００４７】
＜その他の実施の形態＞
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記各実施形態では、タービン１３の回転軸１６に対し半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びるリブ４，７１を設けたが、図１３に示すように、タービン１３の回転軸１６に対しバックプレート１の半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる線分ｎ，…に対して所定角度傾斜させたリブ５，…が設けられていたり、図１４に示すように、タービン１３の回転軸１６に対しバックプレート１の半径方向内方から外方に向かって放射線状に延びる線分ｎ，…に対して湾曲するリブ６，…が設けられていてもよい。
【００４８】
また、上記第４の実施形態では、バックプレート１の半径方向内方から外方に向かって延びる長いリブ４と同様の長さの補強プレート８を各リブ４の先端に取り付けたが、図１０に二点鎖線で示すように、各リブ４よりも短い補強プレート８′が各リブ４の先端に取り付けられていてもよく、この場合には、空間Ｄ，…内への圧縮空気の流入および流出がよりスムーズに行われ、バックプレート１の冷却性能をより一層促進させることが可能となる。
【００４９】
更に、上記各実施形態では、ガスタービンに適用したバックプレート１，７について述べたが、過給機に適用されるバックプレートであってもよいのはもちろんである。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば、バックプレートの圧縮空気側面に凸設させた複数のリブをタービンの回転軸に対し半径方向内方から外方に向かって延ばしていることで、バックプレートの圧縮空気側において相隣なるリブ間の流通経路を通して圧縮空気を円滑に流し、タービンから流入する熱を効果的に取り去って、バックプレートに作用する熱負荷を低減でき、タービンの回転軸方向への剛性強度も効果的に高めることができることから、バックプレートの熱膨張時の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン側への弓状の熱変形を抑制でき、タービン背面側におけるバックプレート表面とタービン翼との隙間を確実に確保してタービン翼との接触を防止することができる。さらに、バックプレートのタービン側への弓状の熱変形を抑制できることから、バックプレートとタービンとの隙間を縮少することができ、タービン翼間を通らない燃焼ガス量を最小化、すなわちタービンの効率を上昇させることができる。しかも、厚肉となるのをリブのみとし、バックプレートの材料コストおよび製造コストを非常に安価なものにすることもできる。
【００５１】
また、本発明の請求項２におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば、バックプレートの圧縮空気側に環状のサポート部材を設けることで、バックプレートの圧縮空気側から作用する圧縮空気の空気圧荷重をサポート部材によって遮って大幅に軽減し、バックプレートの熱膨張時の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差によるタービン側への弓状の熱変形を効果的に抑制することができる。
【００５２】
そして、本発明の請求項３におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば、複数のリブをタービンの回転軸に対しそれぞれ放射線状に延ばして設けることで、バックプレートの圧縮空気側におけるリブ間の流通経路での圧縮空気の流通をスムーズに行え、圧縮空気の空気圧荷重をバックプレートの裏面側により作用し難くして、バックプレートの熱膨張時の圧縮空気と燃焼ガスとの圧力差および温度差によるタービン側への弓状の熱変形をより効果的に抑制することができる。
【００５３】
また、本発明の請求項４におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば、バックプレートを圧縮空気側に折り畳んで複数のリブを一体的にプレス成形することで、バックプレートの成形と同時に各リブを設けることができ各リブを簡単に成形することができる。
【００５４】
更に、本発明の請求項５におけるガスタービンまたは過給機のバックプレート構造によれば、バックプレートに対し各リブの突出量を存して平行に配された補強部材を複数のリブの先端に取り付けることで、バックプレートの曲げ剛性を補強部材によって効果的に高めることができる。しかも、バックプレートと補強部材との間の各リブによって仕切られた空間を介して圧縮空気をスムーズに流し、バックプレートの放熱面積の増加と相俟ってバックプレートの冷却性能を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。
【図２】同じくバックプレート設置部付近を詳細に示す拡大断面図である。
【図３】同じく圧縮空気側から見たバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図４】同じくリブの有無によるバックプレートの直接領域での表裏面側温度の推移を説明する説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。
【図６】同じくバックプレート設置部付近を詳細に示す拡大断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図８】同じく図７のＳ方向から見たバックプレートの一部を示す側面図である。
【図９】同じくバックプレートの一部を外方から見た斜視図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係わるガスタービンのバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図１１】同じく図１０のＶ方向から見たバックプレートの一部を示す側面図である。
【図１２】同じくバックプレートの一部を外方から見た斜視図である。
【図１３】その他の実施形態に係わる圧縮空気側から見たバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図１４】その他の実施形態に係わる圧縮空気側から見たバックプレート裏面の一部を示す裏面図である。
【図１５】従来例に係わるガスタービンのバックプレート設置部付近の断面図である。
【図１６】同じくバックプレート設置部付近を詳細に示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１，７            バックプレート
１３              タービン
１６                        回転軸
２                サポート板（サポート部材）
４，５，６，７１  リブ
８                補強プレート（補強部材）
１００            ガスタービン
【図１】
2005030244.tif 000003
【図２】
2005030244.tif 000004
【図３】
2005030244.tif 000005
【図４】
2005030244.tif 000006
【図５】
2005030244.tif 000007
【図６】
2005030244.tif 000008
【図７】
2005030244.tif 000009
【図８】
2005030244.tif 000010
【図９】
2005030244.tif 000011
【図１０】
2005030244.tif 000012
【図１１】
2005030244.tif 000013
【図１２】
2005030244.tif 000014
【図１３】
2005030244.tif 000015
【図１４】
2005030244.tif 000016
【図１５】
2005030244.tif 000017
【図１６】
2005030244.tif 000018