(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン静翼と動翼とからなるタービン段を収納するタービン車室の排気ガス流れ方向下流側に接続され、排気ディフューザを収納するガスタービン排気車室であって、
該排気車室の排気ガス流れ方向最下流側端部近傍から冷却空気を導入し、該冷却空気を排気車室壁内を通して燃焼ガス流れ方向上流側に流通させ、タービン車室の排気ガス流れ方向下流側端部から、最下流タービン段の静翼を保持する静翼環とタービン車室壁面との間に形成される最下流段キャビティ内に冷却空気を供給する冷却空気通路を備えたことを特徴とする、冷却型ガスタービン排気車室。
【請求項２】
前記冷却空気は、ガスタービン空気圧縮機の中途段から抽気された加圧空気であり、前記最下流段キャビティから最下流タービン段の静翼内を通過して排気中に放出されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却型ガスタービン排気車室。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンに関し、詳細にはガスタービンの排気車室の壁内に冷却空気通路を備えた冷却型ガスタービン排気車室に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンでは、燃焼器に高圧の燃焼空気と燃料とを供給して燃料を燃焼させ、生成された高温高圧の燃焼ガスを、静翼と動翼との対からなる複数のタービン段を通過させて燃焼ガスのエネルギーを動翼の回転動力に変換する。
燃焼ガスは、タービン車室内に収納された各タービン段を通過して圧力が低下した後、排気車室内に設けられたディフューザ通過時に圧力を回復し、最終的に大気に放出される。
【０００３】
通常、各タービン段の静翼は、タービン車室の車室壁内面から距離を置いて配置された静翼環に保持されており、車室壁と静翼環との間には環状のキャビティが形成されている。このキャビティ内にはガスタービン空気圧縮機から冷却空気が供給され、各タービン段を通過する高温の燃焼ガスにより車室壁と静翼環との温度が上昇することを防止している。また、キャビティは各タービン段毎に軸線方向に区切られており、各キャビティに供給された冷却空気は、静翼環から静翼内に設けられた冷却空気通路に供給され、静翼を冷却後燃焼ガス通路に放出され燃焼ガスと混合する。
【０００４】
一方、タービン車室に接続される排気車室では排気ガス（燃焼ガス）温度は各タービン段で膨張した後であり比較的低くなっている。また、排気車室内にはディフューザが設けられており、排気車室の壁面はディフューザにより排気から遮断されている。このため、排気車室壁面温度は比較的低いことからタービン車室壁のような冷却は行われていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようにタービン車室のキャビティに冷却空気を供給して冷却する冷却方法をとった場合、タービン車室に接続される排気車室の変形や損傷、更にはタービン静翼環の変形、などが生じやすくなる場合があることが判明している。
【０００６】
すなわち、上述したように各タービン段のキャビティに供給された冷却空気は静翼環と静翼とを冷却した後、静翼から各タービン段の燃焼ガス通路に放出され燃焼ガスと混合する。このため、冷却空気圧力は上流側のタービン段になるほど高くする必要がある。通常、冷却空気はガスタービン空気圧縮機の吐出空気または中途段からの抽気を使用するが、上述のように各キャビティでの冷却空気所要圧力が異なるため、例えば上流側タービン段キャビティの冷却空気としては、圧縮機吐出空気または最終段近傍からの高圧の抽気が使用され、中間のタービン段キャビティでは圧縮機中間段からの中圧の抽気が、また、最下流側タービン段キャビティでは圧縮機の入口に近い段からの低圧抽気が使用される。
【０００７】
圧縮機の抽気の温度は圧力ととも上昇するため、各キャビティに供給される冷却空気温度も、上流側タービン段キャビティで最も高くなり、最下流側タービン段キャビティでは最も低くなる。
一方、各タービン段を通過する燃焼ガス温度は下流側タービン段ほど低くなるため、最下流側タービン段近傍では燃焼ガス温度が低く、しかも最も低い温度の冷却空気が供給されるようになり、排気車室との接合部近傍の最下流側タービン段部分ではタービン車室壁面温度は燃焼ガス（排気ガス）温度に較べてかなり低くなる。
【０００８】
ところが、タービン車室の最下流側タービン段付近に接続されている排気車室では冷却がおこなわれていないため、排気と直接接触するディフューザからの輻射熱などにより実際には排気温度近くまで車室壁温度が上昇してしまう。
このため、排気車室接合部近傍でのタービン車室壁温度（低温）と排気車室の壁温度（高温）との間に大きな温度差が生じるようになり、排気車室には比較的大きな熱応力が生じてしまう。通常、このような熱応力が生じても排気車室が直ちに破損するようなことはないが、熱応力が生じた状態で長期間運転を続けた場合、排気車室に低サイクル疲労による亀裂が生じたり、排気車室が変形したりする可能性がある。
【０００９】
また、上述したようにタービン車室の最下流タービン段のキャビティには最も低温の冷却空気が供給されるが、その結果タービン静翼を保持する静翼環ではキャビティ側と燃焼ガスに接する側とで大きな温度差が生じることになる。このため、静翼環自体にも大きな熱応力が発生し極端な場合には歪みや損傷が生じる場合がある。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑み、排気車室やタービン静翼環に温度差による大きな熱応力が生じることを防止可能とする手段を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、タービン静翼と動翼とからなるタービン段を収納するタービン車室の排気ガス流れ方向下流側に接続され、排気ディフューザを収納するガスタービン排気車室であって、該排気車室の排気ガス流れ方向最下流側端部近傍から冷却空気を導入し、該冷却空気を排気車室壁内を通して燃焼ガス流れ方向上流側に流通させ、タービン車室の排気ガス流れ方向下流側端部から、最下流タービン段の静翼を保持する静翼環とタービン車室壁面との間に形成される最下流段キャビティ内に冷却空気を供給する冷却空気通路を備えたことを特徴とする、冷却型ガスタービン排気車室が提供される。
【００１２】
すなわち、請求項１の発明では排気車室壁内には冷却空気通路が設けられている。この冷却空気通路には排気車室最下流側から冷却空気が供給され、排気車室壁内を流れて車室壁を冷却した後の冷却空気が、タービン車室の最下流側タービン段のキャビティに供給される。
このため、排気車室壁の温度が低下してタービン車室との接合部近傍の壁温が従来より低下する。更に、本発明ではタービン車室の最下流側キャビティには排気車室壁を冷却した後の、温度が上昇した冷却空気が供給されるため、タービン車室下流側部分の壁温は逆に従来より高くなる。この結果、接合部近傍でのタービン車室壁と排気車室壁との温度差は大幅に縮小されるため、排気車室壁に発生する熱応力が低減される。
また、キャビティに供給される冷却空気温度が高くなるため、最終タービン段では静翼環のキャビティ側の温度が従来より高くなり、燃焼ガス側温度との差が縮小する。このため、最下流タービン段の静翼環に作用する熱応力が低減される。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記冷却空気は、ガスタービン空気圧縮機の中途段から抽気された加圧空気であり、前記最下流段キャビティから最下流タービン段の静翼内を通過して排気中に放出されることを特徴とする、冷却型ガスタービン排気車室が提供される。
【００１４】
すなわち、請求項２の発明では、排気車室の冷却空気通路に供給される冷却空気はガスタービン空気圧縮機の中途段から供給される。この冷却空気は排気車室冷却後にタービン車室の最下流タービン段キャビティに供給され、静翼環の冷却に使用される。このため、必要とされる冷却空気量は従来のように最下流タービンキャビティに直接冷却空気を供給していた場合とほぼ同一に維持されるようになり、冷却空気をガスタービン空気圧縮機から抽気する場合にも冷却空気量の増大によるガスタービン性能の低下が生じない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１（Ｂ）は、本発明の冷却型排気車室とタービン車室の概略構造を示す断面図である。
図１（Ｂ）において、１はガスタービン全体、３はガスタービンのタービン車室、５はタービン車室３の排気ガス流れ方向下流側に接続される排気車室を示す。
【００１６】
また、図１（Ｂ）において、２１はタービン静翼、２３はタービン動翼を示している。静翼２１と動翼２３とは対になってタービン段を構成しており、各タービン段の静翼２３は、タービン車室３の車室壁３ａから距離をあけて配置された環状の静翼環２５に保持されている。静翼環２５外周と車室壁３ａの内周との間の空間はそれぞれのタービン段毎に区切られており、各タービン段に対応するキャビティが形成されている（図１（Ｂ）では、３つのキャビティ３１、３３、３５が形成された場合を示す）。
【００１７】
排気車室５内には、最下流タービン段を出た排気ガスの通路となるディフューザ７が設けられている。ディフューザ７は、それぞれ薄肉コーン形状の外筒７ａと内筒７ｂからなり、排気は外筒７ａと内筒７ｂとの間の環状通路を通ってながれる。最下流タービン段を出た排気は、ディフューザ７の上記環状通路を通り圧力を回復してから排気通路に導かれる。ディフューザ７外筒７ａは、排気車室５の壁面５ａから距離を保って保持されており、ディフューザ７と排気車室壁５ａとの間には環状の空隙が形成されている。また、ディフューザ７内筒７ｂ内には動翼２３が植え込まれたタービンロータを支持する軸受け９が収納されている。
【００１８】
排気車室５の上流側端はタービン車室３の下流側端に全周にわたってボルトで締結されタービン車室３に接合されている。図１（Ｂ）に１１で示すのは、排気車室５を貫通するストラットである。ストラット１１は断面楕円形のダクトであり、ディフューザ７内筒７ｂ内に設置された軸受９への潤滑油配管等の外部からの配管の通路となっている。
【００１９】
排気車室５の壁内には複数の冷却空気通路２０が軸線方向に穿設されている。冷却空気通路２０は、排気車室５壁内に円周方向に略等間隔に配置されており、図示しない外部冷却空気供給配管と排気車室５の最下流側端部付近で連通している。また、冷却空気通路２０は排気車室上流側端部で、タービン車室３壁内に、同様に円周方向に略等間隔に設けられた冷却空気通路２９を介して、環状の最下流側タービン段キャビティ３５内に連通している。
また、タービン車室３の、上流側タービン段キャビティ３１及び中間タービン段キャビティ３３には、個別に図示しない冷却空気供給配管から冷却空気が供給される。
【００２０】
本実施形態では、上流側タービン段キャビティ３１には、ガスタービン空気圧縮機（図示せず）の吐出空気または高圧段からの高圧の抽気Ｈが供給され、中間タービン段キャビティ３３にはガスタービン空気圧縮機の中圧段からの中圧の抽気Ｍが、それぞれ冷却空気として供給されている。また、排気車室５の壁５ａ内の冷却空気通路２０には、ガスタービン空気圧縮機の低圧段からの低圧の抽気Ｌが冷却空気として供給される。
【００２１】
各キャビティ３１、３３、３５、に供給された冷却空気はそれぞれの段の静翼環２５に設けられた冷却空気入り口から静翼２１内に流入し、静翼内に穿設された冷却空気通路を通って静翼を冷却後、静翼側面に設けられた冷却空気出口から各タービン段の燃焼ガス中に放出される。
【００２２】
次に、本実施形態の排気車室と従来の排気車室との相違について説明する。
図２（Ｂ）は従来のタービン車室と排気車室との概略構造を示す図１（Ｂ）と同様な図である。図２（Ｂ）において、図１（Ｂ）と同一の参照符号は同様な要素を示すものとする。
図２（Ｂ）に示すように、従来構造では排気車室壁５ａ内には冷却空気通路は設けられておらず、排気車室壁５ａの冷却は行われていない。また、上流側タービン段キャビティ３１及び中間タービン段キャビティ３３には、本実施形態と同様にそれぞれガスタービン空気圧縮機の高圧抽気Ｈと中圧抽気Ｍとが冷却空気として供給されているが、最下流側タービン段キャビティ３５には、図示しない冷却空気配管によりガスタービン空気圧縮機の低圧抽気Ｌが直接供給されている点が図１（Ｂ）と相異している。
【００２３】
図２（Ｂ）の従来例では、上流側タービン段キャビティ３１と中間タービン段キャビティ３３とに供給される冷却空気はそれぞれ圧縮機の高圧抽気と中圧抽気とが使用されるため、冷却空気温度も圧力に応じて高くなっており、例えば上流側タービンキャビティ３１に供給される冷却空気温度は約６００度Ｋ程度、中間タービン段キャビティ３３に供給される冷却空気温度は約５５０度Ｋ程度になっている。これに対して、最下流側タービン段キャビティ３５に供給される冷却空気は圧縮機の低圧抽気であり、その温度も、例えば４００度Ｋ程度とかなり低くなっている。
【００２４】
図２（Ａ）は、図２（Ｂ）の各位置におけるタービン車室３ａと排気車室５ａの壁温（メタル温度）の変化の傾向を示す図である。
図２（Ａ）に示すように、図２（Ｂ）の従来構造では、タービン車室壁３ａのメタル温度は、供給される冷却空気の温度に応じて、下流側に向かうほど低下し、最下流側タービン段キャビティ３５近傍では排気温度よりかなり低くなる。
【００２５】
一方、排気車室５は冷却されていないため、車室壁５ａはディフューザ７内を通過する排気の輻射熱を受けて温度が上昇し、壁メタル温度は排気温度（約８５０度Ｋ程度）近傍の高い温度になっている。このため、タービン車室３と排気車室５との接合部近傍では両方の車室壁の温度に大きな差（図２、ΔＴ）が生じるようになる。このため接合部近傍では排気車室５では排気流方向に沿って大きな温度勾配が生じ、比較的大きな熱応力が発生するようにり、長期間の運転ではこの熱応力により排気車室壁５ａに低サイクル疲労による亀裂を生じたり、排気車室壁５ａが変形する場合がある。
【００２６】
また、最下流側タービン段キャビティ３５では、キャビティ内に供給される冷却空気温度（約４００度Ｋ）とタービン段を通過する燃焼ガス温度（約９００度Ｋ）との間に大きな温度差が生じることとなり、静翼環２５にはキャビティ側と燃焼ガス側との温度差により比較的大きな熱応力が発生する。この熱応力ため、長期間の運転で静翼環２５に歪みや亀裂等の損傷が生じたり、静翼環２５の使用寿命が短くなる問題が生じていた。
【００２７】
これに対して、図１（Ｂ）に示す本発明の実施形態では、低温の冷却空気は排気車室５の最下流端近傍から、排気車室壁５ａ内に円周方向に略等間隔に配置された冷却空気通路２０内に流入し、排気流上流側に向かって流れ排気車室壁５ａを冷却する。また、排気車室壁５ａを冷却して比較的高温（例えば約５００度Ｋ程度）になった冷却空気は、冷却空気通路２０からタービン車室壁３ａ内の冷却空気通路２９を通って最下流側タービン段キャビティ３５内に流入する。これにより、従来の無冷却型排気車室（図１（Ｂ））を用いた場合に比べて、タービン車室３と排気車室５との接合部近傍では、排気車室壁５ａの温度は低下し、逆にタービン車室壁３ａ温度は上昇するようになる。
【００２８】
図１（Ａ）は、図１（Ｂ）の各位置における車室壁メタル温度の変化を示す図２（Ａ）と同様な図である。
上述のように、本実施形態では接合部近傍では排気車室壁５ａ温度が低下し、タービン車室壁３ａ温度が上昇した結果、接合部近傍では両方の車室壁温度の差がほとんどなくなり、車室壁温度はタービン車室の最下流側タービン段キャビティ３５部分から排気車室の最下流側端部に向けて緩やかな勾配で低下するようになっている。このため、図２（Ａ）の従来例のように接合部付近の排気車室壁５ａの大きな温度勾配が生じず、排気車室壁５ａにおける大きな熱応力の発生が防止される。
【００２９】
また、本実施形態では、タービン車室３の最下流側タービン段キャビティ３５に供給される冷却空気の温度は図２の従来例に比べて高温（約５００度Ｋ程度）になるため、最下流側タービン段の静翼環２５の内外面温度差は従来に比べて大幅に縮小する。このため、静翼環２５においても発生する熱応力は低減され、静翼環の損傷や歪みが防止されるとともに、長期間の使用に耐えるようになる。
【００３０】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、ガスタービンのタービン車室と排気車室との接合部近傍の車室壁に大きな熱応力が発生することが防止されるとともに、最下流側タービン段静翼環に生じる熱応力が低減され、排気車室の変形や損傷が防止され、同時に静翼環の使用寿命が増大するという共通の効果を奏する。
【００３１】
また、請求項２に記載の発明では、排気車室壁に供給する冷却空気として、従来最下流側タービン段キャビティに供給されていたガスタービン空気圧縮機低圧抽気を用いることにより、冷却空気の消費量増大によるガスタービン熱効率の低下を伴うことなく上記共通の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における車室各部の構造を示す断面図（図１（Ｂ））と、図１（Ｂ）の断面各部分の車室壁温度分布を示す図（図１（Ａ））である。
【図２】従来の車室各部の構造を示す断面図（図２（Ｂ））と、図２（Ｂ）の断面各部における車室壁温度を示す図（図２（Ａ））である。
【符号の説明】
１…ガスタービン
３…タービン車室
５…排気車室
２１…静翼
２３…動翼
２５…静翼環
３１、３３、３５…キャビティ
２０…冷却空気通路
【図１】
0004410425.tif 000002
【図２】
0004410425.tif 000003