(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方に尾筒出口周囲のフランジが嵌合した溝を有し、他方にガスタービンのガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合する溝を有するシール部材により前記尾筒出口と前記ガスタービンのガス通路の入口部とを接続すると共に、同シール部材の周囲には前記ガス通路の外側から前記シール部材の壁を貫通して前記ガス通路内に開口し冷却空気を同ガス通路内に流出させる複数の冷却穴を有してなるガスタービン燃焼器の尾筒シール構造において、前記シール部材の冷却穴に隣接した後流側の周方向には、前記ガス通路の外側からガス流れ方向に向って前記シール部材のガス通路側の壁を斜めに貫通し、前記ガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合する側の同シール部材の下流側端面において前記ガス通路内へ開口する複数の傾斜冷却穴を設け、前記シール部材に接続する前記フランジ端部に続く前記ガス通路の入口部の内壁面には前記傾斜冷却穴から流出する空気がガス流れ方向に沿う滑らかに傾斜する傾斜面が形成されていることを特徴とする燃焼器の尾筒シール構造。  
【請求項２】
前記傾斜冷却穴は丸形もしくは楕円形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器の尾筒シール構造。
【請求項３】
前記傾斜冷却穴は細長穴であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器の尾筒シール構造。
【請求項４】
燃焼器の尾筒出口とガスパス入口との接続部には前記請求項１から請求項３記載のいずれかの燃焼器の尾筒シール構造を適用してな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】
本発明はガスタービン燃焼器の尾筒シール構造に関し、尾筒シールにおける冷却効果を向上させ、又冷却空気量を減少することにより空気量を削減し、圧縮機の負担を減少させてガスタービンの性能を向上させる構造としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６はガスタービンの燃焼器の一般的な構成図であり、図において、８０は燃焼器であり、車室８１内に固定されている。８２はパイロット燃料ノズルであり、パイロット燃料が供給され、点火用に用いられる。８３はメイン燃料ノズルであり、中心のパイロット燃料ノズル８２を中心として円周状に複数本、例えば８本が配列されている。８４は円筒、８５は尾筒であり、高温燃焼ガス２００を尾筒出口８６へ導く。８７はバイパス管、８８はバイパス弁であり、負荷変動により燃焼用空気が不足状態となると、バイパス弁を開き、車室内の空気を燃焼器８０内へ導く流路となる。８９はシール部であり、後述するように尾筒出口８６の周端部に設けられ、ガスタービンのガス通路（以下、「ガスパス」という）１００との接続部をシールするものである。このような燃焼器８０は車室８１内でロータの周囲に複数個、例えば１６個が配置され、それぞれガスパス１００へ高温の燃焼ガスを供給し、燃焼ガスがガスパス１００内で膨張することにより仕事をしてロータを回転させる。
【０００３】
上記構成の燃焼器において、メイン燃料ノズル８３からの燃料は周囲から吸込んだ空気と混合し、パイロット燃料ノズル８２からのパイロット燃料の火炎によって点火され、燃焼して高温燃焼ガス２００となり、内筒８４、尾筒８５を通って尾筒出口８６からガスパス１００へ供給される。燃焼器８０の内筒８４と尾筒８５の壁面は絶えず高温燃焼ガス２００に接しているので、壁内部には冷却用通路を設け、冷却空気を流して冷却している。又、尾筒出口８６はシール部８９を介してガスパス１００の入口周囲に接続しているので、このシール部８９も空気によって冷却される構造となっている。
【０００４】
図７は図６におけるＹ部の拡大断面図であり、従来の尾筒シールの構造を示している。図において、８９は前述のシール部全体を示し、尾筒出口８６には周囲にフランジ８６ａが形成されており、尾筒８５の壁内部には図示していない多数の冷却用空気が流れる通路が形成されており、尾筒の壁は高温の燃焼ガス２００、例えば１５００℃程度にも達する高温ガスに晒されるので空気で冷却している。又、尾筒出口８６周囲にも冷却空気用の溝９０が形成されており、冷却空気を流して冷却する構造である。
【０００５】
尾筒出口８６はガスパス１００に尾筒シール（シール部材）６１を介して接続されている。尾筒シール６１には一端がＵ字状の溝６１ａを有し、この溝に尾筒出口８６の周囲フランジ８６ａが嵌入され、他端にはコの字状の溝６１ｂを有し、この溝６１ｂに、ガスパス１００の入口部を形成する１段静翼１０１の外側シュラウド１０２、内側シュラウド１０３のフランジ端部１０２ａ，１０３ａがそれぞれ嵌合し、尾筒出口８６とガスパス１００の入口部との接続部をシールする構造である。
【０００６】
上記の尾筒シール６１も前述のように高温燃焼ガス２００に晒されているので、尾筒シール６１の周囲にはガスパス１００の入口部のガス流れ方向に直交するように多数の冷却穴６１ｃが穿設されており、車室内の燃焼器周囲からの高圧の空気９１が流入し、尾筒シール６１の壁面を冷却し、冷却後の空気はガスパス１００内に流入するようにしている。なお、この尾筒シール６１の冷却空気量は圧縮機が吐出する圧縮空気量の約１〜２％の量が必要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来のガスタービンの燃焼器の尾筒シールには、ガスパス１００の入口部のガス流れ方向に直交する多数の冷却空気用の穴６１ｃを設け、冷却空気９１を内部に流して尾筒シール６１の周面を冷却しているが、この冷却用の穴６１ｃのみでは、穴６１ｃ周辺は冷却されるものの、ガスパス１００側と接続する尾筒シール６１の溝６１ｂ側が充分に冷却されず、ガスパス側の外側シュラウド１０２、内側シュラウド１０３のフランジ端部１０２ａ，１０３ａの熱伸びにより開口部である溝６１ｂとの接合面が摩耗し、尾筒シール６１の性能劣化をまねていた。
【０００８】
又、更に、尾筒シール６１の冷却に要する空気量は圧縮機の吐出する圧縮空気全体の約１〜２％程度であるが、この空気量をできるだけ少くすることにより圧縮機の効率を高め、ガスタービンの性能を向上させることができるので、このような改善が望まれていたが、未だ具体的に実現していないのが現状である。
【０００９】
そこで、本発明は、ガスタービンの燃焼器の尾筒シールの冷却構造を改良して、冷却効果を高めると共に、少い空気量で冷却を行って空気量を削減し、ガスタービン全体の性能アップに貢献できるような燃焼器の尾筒シール構造を提供することを課題としてなされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）乃至（４）の手段を提供する。
【００１１】
（１）一方に尾筒出口周囲のフランジが嵌合した溝を有し、他方にガスタービンのガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合する溝を有するシール部材により前記尾筒出口と前記ガスタービンのガス通路の入口部とを接続すると共に、同シール部材の周囲には前記ガス通路の外側から前記シール部材の壁を貫通して前記ガス通路内に開口し冷却空気を同ガス通路内に流出させる複数の冷却穴を有してなるガスタービン燃焼器の尾筒シール構造において、前記シール部材の冷却穴に隣接した後流側の周方向には、前記ガス通路の外側からガス流れ方向に向って前記シール部材のガス通路側の壁を斜めに貫通し、前記ガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合する側の同シール部材の下流側端面において前記ガス通路内へ開口する複数の傾斜冷却穴を設け、前記シール部材に接続する前記フランジ端部に続く前記ガス通路の入口部の内壁面には前記傾斜冷却穴から流出する空気がガス流れ方向に沿う滑らかに傾斜する傾斜面が形成されていることを特徴とする燃焼器の尾筒シール構造。  
【００１２】
（２）前記傾斜冷却穴は丸形もしくは楕円形のいずれかであることを特徴とする（１）に記載の燃焼器の尾筒シール構造。
【００１３】
（３）前記傾斜冷却穴は細長穴であることを特徴とする（１）に記載の燃焼器の尾筒シール構造。
【００１４】
（４）燃焼器の尾筒出口とガスパス入口との接続部には前記（１）から（３）記載のいずれかの燃焼器の尾筒シール構造を適用してなることを特徴とするガスタービン。
【００１５】
本発明の（１）においては、冷却穴を流れる冷却空気がその周囲のシール部材を冷却することに加えて、複数の傾斜冷却穴へは車室内の空気が流入し、斜めにシール部材のガス通路側の壁内を通りシール部材の下流側端面からガスタービンのガス通路内に流出し、ガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合するシール部材の溝のガス通路に接する壁を冷却するので、この部分の冷却が強化される。この冷却により、従来問題となっていたシール部材の嵌合部（溝）と、嵌合されるガス通路の入口部のフランジ端部との熱伸び差に起因する摩耗が低減され、尾筒シール構造の信頼性が向上する。又、傾斜冷却穴から流出する空気がガス通路の入口部の内壁面に沿って流れやすくする滑らかに傾斜する曲面が形成されているので、フィルム冷却効果が高まり、ガス通路の入口部のフランジ端部の冷却が一層効果的になされる。
【００１６】
（２）の発明では、上記（１）の発明の傾斜冷却穴の形状が丸形もしくは楕円形とし、形式や燃焼器の構造に応じて穴形状を選び、又（３）の発明では細長穴として穴の数を減少させることができ、燃焼器の形状や大きさ、ガス通路側の大きさ、等に合せて最も適した形状の傾斜冷却穴が採用できるので、設計の幅が広がり、最適設計に貢献するものである。
【００１７】
本発明の（４）では、上記に説明の（１）〜（３）の尾筒シール構造の中から、ガスタービンの容量や、形式により最も適した尾筒シール構造を選び、これを採用することにより、尾筒シールにおける冷却効果の向上や、冷却空気量の削減により性能と信頼性を向上したガスタービンの実現が可能となるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態、及び本発明に係り本発明者が検討した検討例について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係り本発明者が検討した検討例のガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の断面図で、内側部分（内側シュラウド１０３との接続部分）のみ図示している。図において、尾筒出口８６側は従来と同様に周囲に冷却溝９０が設けられており、空気で冷却されており、尾筒出口８６の周囲フランジ８６ａとガスタービンのガス通路（以下、「ガスパス」という）側とは尾筒シール（シール部材）１の溝１ａ，１ｂを介して接続されている。
【００１９】
尾筒シール１の形状は基本的には図７に示す従来の尾筒シール６１と同じであるが、異なる部分は冷却用穴１ｄを設けた部分にある。冷却穴１ｃは図７に示す従来の冷却穴６１ｃと同じ位置にあり、尾筒シール１の接続部の内壁面へガス通路の外部から空気９１を流出させ、この周囲を冷却するが、本検討例においては、更に尾筒シール１の溝１ｂのガス通路側の壁に斜めに穿設されてガス通路側に開口する傾斜した冷却穴（傾斜冷却穴）１ｄを設けている。
【００２０】
この冷却穴１ｄへはガス通路の外部から冷却空気９２が流入し、尾筒シール１のコの字状の溝１ｂの高温ガス通路側の壁面に斜めに空気９２を吹き出し、この部分を冷却し、ガスパスの入口部のフランジ端部１０３ａが嵌合される溝１ｂの部分を冷却し、尾筒シールとフランジ端部１０３ａとの熱伸び差による嵌合部への影響をやわらげ、尾筒シール１とフランジ端部１０３ａとの摩耗を減少させ、信頼性が向上するものである。
【００２１】
図２は本発明の実施の第１形態に係るガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の断面図で、内側部分（内側シュラウド１０３との接続部分）のみ示している。図において、尾筒出口８６側の構造は基本的には図１に示すものと同じであり、尾筒出口８６とガスパス側は尾筒シール（シール部材）１１で接続され、周囲をシールしている。尾筒シール１１の形状は基本的には図１に示す尾筒シール１と同じであるが、異なる部分は冷却穴１１ｄとガスパスの入口部のフランジ斜面１２の部分にある。
【００２２】
尾筒シール１１は、冷却穴１１ｃが図１に示す冷却穴１ｃと同じ位置にあり、内側のガス通路の壁面へ空気９１を流出させ、この部分の周囲を冷却するが、本実施の第１形態においては、更に尾筒シール１１の溝１１ｂのガス通路側の壁に斜めに傾斜して穿設され尾筒シール１１の下流側端面でガス通路側に開口する冷却穴（傾斜冷却穴）１１ｄを設け、更に溝１１ｂに嵌合しているフランジ端部１０３ａのガス通路側内壁面に溝１１ｂ出口から滑らかにガス流れ方向に上昇して傾斜するフランジ傾斜面１２を設けた構造としている。
【００２３】
上記に説明の実施の第１形態によれば、尾筒シール１１の接続入口側は従来と同じく冷却穴１１ｃから流出する空気９１により冷却され、更に溝１１ｂのガス通路側の壁は傾斜した冷却穴１１ｄを流れる冷却空気９３により冷却され、図１に示す検討例と同様に溝１１ｂと、これに嵌合するガスパスの入口部のフランジ端部１０３ａとの熱伸び差による摩耗を低減させる。
【００２４】
更に、本実施の第１形態では、冷却穴１１ｄから流出する空気９３はガスパス側の滑らかに傾斜するフランジ斜面１２に沿ってガスパス側に流出し、フランジ端部１０３ａ及びこれに連続するフランジ斜面１２をフィルム冷却し、尾筒シール１１の溝１１ｂとガスパスの入口部との熱伸び差をなくして上部溝１１ｂの冷却効果を一層向上させることができる。  
【００２５】
図３は本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の内側断面図で、内側部分（内側シュラウド１０３との接続部分）のみ示している。図において、尾筒出口８６の構造、尾筒シール（シール部材）５１の形状は図２に示す実施の第１形態のものと基本的には同じであり、本実施の第２形態の特徴部分は図４に示す冷却穴５１ｄの形状、配置にある。
【００２６】
図３において尾筒シール５１は一方にはＵ字状の溝５１ａが設けられ、フランジ８６ａが嵌入され、他方には溝５１ｂを有し、フランジ端部１０３ａが嵌入されてシール部を構成している。又、冷却穴５１ｃからは内側のガス通路の壁面へ空気９１を流出させ、この部分の周囲を冷却し、更に溝５１ｂのガス通路側の壁に斜めに傾斜した冷却穴（傾斜冷却穴）５１ｄを設け、更に、又溝５１ｂに嵌合しているフランジ端部１０３ａのガス通路側内壁面に溝５１ｂ出口から滑らかにガス流れ方向に上昇して傾斜するフランジ傾斜面１２を設けた構造であり、基本的には図２と同じである。
【００２７】
従って、本実施の第２形態によれば、尾筒シール５１の接続入口側は従来と同じく冷却穴５１ｃから流出する空気９１により冷却され、更に溝５１ｂのガス通路側の壁面は傾斜した冷却穴５１ｄを流れる冷却空気９３により冷却され、図２に示す実施の第１形態と同様に溝５１ｂと、これに嵌合するガスパスの入口部のフランジ端部１０３ａとの熱伸び差による摩耗を低減させる。
【００２８】
又、本実施の第２形態では、冷却穴５１ｄから流出する空気９３はガスパスの入口部の滑らかなフランジ斜面１２に沿ってガスパス側に流出し、フランジ端部１０３ａ及びこれに連続するフランジ斜面１２をフィルム冷却し、尾筒シール５１の溝５１ｂとガスパスの入口部のフランジ端部１０３ａとの熱伸び差をなくして溝５１ｂの上部壁の冷却効果を図２に示す実施の第１形態と同様に高めることができる。
【００２９】
図４は図３におけるＸ−Ｘ矢視図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はその応用例を示し、（ｄ），（ｅ），（ｆ）はそれぞれそれらの側面図を示している。これら図において、冷却穴５１ｄは（ａ），（ｄ）の例では丸穴、（ｂ），（ｅ）の例では楕円形状の穴、（ｃ），（ｆ）の例では細長の穴をそれぞれ穿設したものである。具体的な好ましい寸法の一例としては、丸穴や楕円穴では２ｍｍの丸穴又は２ｍｍ径相当の楕円穴、細長穴では長さ４〜８ｍｍ、幅０．８〜１．５ｍｍ、穴ピッチ２１ｍｍ程度がふさわしい。
【００３０】
図５はガスタービン燃焼器の尾筒シールとして、上記に説明した実施の第１または第２形態の尾筒シールのいずれかを適用したガスタービンの全体構成図である。図において、車室８１内の尾筒８５の尾筒出口８６とガスパス１００とは尾筒シール（シール部材）３０１を介して接続され、シールされている。尾筒シール３０１は上記に説明した実施の第１または第２形態の尾筒シールのいずれかを適用するもので代表して符号３０１で示している。
【００３１】
ガスタービンのガスパス１００には静翼１０１ｓ，１０２ｓ，１０３ｓ，１０４ｓの４段、１０１Ｍ，１０２Ｍ，  １０３Ｍ，１０４Ｍの４段の動翼から構成され、高温の燃焼ガス２００は燃焼器の尾筒８５から尾筒出口８６を通り、ガスパス１００に導かれ、膨張することにより仕事をし、ロータを回転させる。尾筒シール３０１はガスタービンの形式により燃焼器出口部の構造、ガスパス１００の入口構造により適宜ふさわしい形状のものを採用し、尾筒シールの冷却効果を増大させ、又尾筒シールの冷却空気量を削減させ、ガスタービン全体の性能向上に貢献することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の燃焼器の尾筒シール構造は、（１）一方に尾筒出口周囲のフランジが嵌合した溝を有し、他方にガスタービンのガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合する溝を有するシール部材により前記尾筒出口と前記ガスタービンのガス通路の入口部とを接続すると共に、同シール部材の周囲には前記ガス通路の外側から前記シール部材の壁を貫通して前記ガス通路内に開口し冷却空気を同ガス通路内に流出させる複数の冷却穴を有してなるガスタービン燃焼器の尾筒シール構造において、前記シール部材の冷却穴に隣接した後流側の周方向には、前記ガス通路の外側からガス流れ方向に向って前記シール部材のガス通路側の壁を斜めに貫通し、前記ガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合する側の同シール部材の下流側端面において前記ガス通路内へ開口する複数の傾斜冷却穴を設け、前記シール部材に接続する前記フランジ端部に続く前記ガス通路の入口部の内壁面には前記傾斜冷却穴から流出する空気がガス流れ方向に沿う滑らかに傾斜する傾斜面が形成されていることを特徴としている。
このような構造により、冷却穴を流れる冷却空気がその周囲のシール部材を冷却することに加えて、複数の傾斜冷却穴へは車室内の空気が流入し、斜めにシール部材のガス通路側の壁内を通りシール部材の下流側端面からガスタービンのガス通路内に流出し、ガス通路の入口部のフランジ端部が嵌合するシール部材の溝のガス通路に接する壁を冷却するので、この部分の冷却が強化される。この冷却により、従来問題となっていたシール部材の嵌合部（溝）と、嵌合されるガス通路の入口部のフランジ端部との熱伸び差に起因する摩耗が低減され、尾筒シール構造の信頼性が向上する。
【００３３】
又、傾斜冷却穴から流出する空気がガス通路の入口部の内壁面に沿って流れやすくする滑らかに傾斜する曲面が形成されているので、フィルム冷却効果が高まり、ガス通路の入口部のフランジ端部の冷却が一層効果的になされる。  
【００３４】
（２）の発明では、上記（１）の発明の傾斜冷却穴の形状が丸形もしくは楕円形とし、形式や燃焼器の構造に応じて穴形状を選び、又（３）の発明では細長穴として穴の数を減少させることができ、燃焼器の形状や大きさ、ガス通路側の大きさ、等に合せて最も適した形状の傾斜冷却穴が採用できるので、設計の幅が広がり、最適設計に貢献するものである。
【００３５】
本発明の（４）は、燃焼器の尾筒出口とガスパス入口との接続部には前記（１）から（３）記載のいずれかの燃焼器の尾筒シール構造を適用してなることを特徴とするガスタービンであり、上記に説明の（１）〜（３）の尾筒シール構造の中から、ガスタービンの容量や、形式により最も適した尾筒シール構造を選び、これを採用することにより、尾筒シールにおける冷却効果の向上や、冷却空気量の削減により性能と信頼性を向上したガスタービンの実現が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係り本発明者が検討した検討例のガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の部分断面図である。
【図２】  本発明の実施の第１形態に係るガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の部分断面図である。
【図３】  本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の部分断面図である。
【図４】  図３における矢視図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はその応用例を示すＸ−Ｘ矢視図、（ｄ），（ｅ），（ｆ）はそれらの側面図である。
【図５】  本発明の実施の第１または第２形態の尾筒シール構造を適用したガスタービンの全体構成図である。
【図６】  ガスタービン燃焼器の一般的な構成図である。
【図７】  従来のガスタービン燃焼器の尾筒シール構造の断面図である。  
【符号の説明】
１，１１，５１，６１，３０１        尾筒シール（シール部材）
１ａ，１１ａ，５１ａ    溝
１ｂ，１１ｂ，５１ｂ    溝
１ｃ，１１ｃ，５１ｃ  冷却穴
１ｄ，１１ｄ，５１ｄ  傾斜冷却穴
１２          フランジ斜面  
８５          尾筒
８６          尾筒出口
８６ａ        フランジ
１００        ガスパス（ガス通路）
１０２        外側シュラウド
１０３        内側シュラウド
１０３ａ      フランジ端部  
２００        高温燃焼ガス
【図１】
0004031590.tif 000002
【図２】
0004031590.tif 000003
【図３】
0004031590.tif 000004
【図４】
0004031590.tif 000005
【図５】
0004031590.tif 000006
【図６】
0004031590.tif 000007
【図７】
0004031590.tif 000008