(57)【要約】【課題】本発明は、ガスタービン設備の設計や分解組立作業が容易に行えるガスタービン設備を提供することにある。【解決手段】本発明は、タービンケーシング５，５Ａ，５Ｂ内に高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとを軸方向に配列すると共に、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路１３を形成したガスタービン設備において、前記作動ガス流路１３を低圧ガスタービンの初段静翼６の構成部材に支持させたのである。【選択図】図１
2009013837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンケーシング内に高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとを軸方向に配列すると共に、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路を形成したガスタービン設備において、前記作動ガス流路を低圧ガスタービンの初段静翼の構成部材に支持させたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
タービンケーシング内に高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとを軸方向に配列すると共に、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路を形成したガスタービン設備において、前記作動ガス流路は同心状の内周壁及び外周壁を有し、これら内周壁と外周壁を低圧ガスタービンの初段静翼の内径側に設けられた内輪と外径側に設けられた外輪とに支持させたことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項３】
ケーシング内に高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとを軸方向に配列すると共に、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路を形成したガスタービン設備において、低圧ガスタービンの初段静翼は、外径側に設けられた外輪と内径側に設けられた内輪とを有し、これら内輪と外輪とで前記作動ガス流路を構成する同心状の内周壁及び外周壁を形成したことを特徴とするガスタービン設備。
【請求項４】
軸方向に沿って配列した高圧ガスタービン及び低圧ガスタービンと、これらのガスタービンを覆うタービンケーシングと、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に同心状に配置された内周壁及び外周壁で形成され高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路と、この作動ガス流路の内周壁及び外周壁を支持する前記低圧ガスタービンの初段静翼の構成部材とを備えたガスタービン設備。
【請求項５】
軸方向に沿って配列した高圧ガスタービン及び低圧ガスタービンと、これらのガスタービンを覆うタービンケーシングと、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路と、この作動ガス流路を構成する内周壁及び外周壁を支持する前記低圧ガスタービンの初段静翼の構成部材と、前記外周壁とタービンケーシングとの間に形成した第１の冷却媒体室と、前記内周壁の内径側に形成した第２の冷却媒体室と、冷却媒体を第１の冷却媒体質から前記初段静翼を経由して第２の冷却媒体室へ導く冷却媒体流路とを備えたガスタービン設備。
【請求項６】
前記初段静翼は周方向に分割された複数の静翼セグメントから構成されており、前記作動ガス流路を構成する内周壁及び外周壁も静翼セグメントと同数の内周壁セグメント及び外周壁セグメントから構成されていることを特徴とする請求項５記載のガスタービン設備。
【請求項７】
前記内周壁セグメント及び外周壁セグメントは、シールキーによって隣接セグメント間の隙間を塞いでいることを特徴とする請求項６記載のガスタービン設備。
【請求項８】
前記外周壁には前記作動ガス流路に冷却媒体を放出する貫通孔が設けられ、前記内周壁には前記作動ガス流路に冷却媒体を放出する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項５記載のガスタービン設備。
【請求項９】
前記第２の冷却媒体室には、前記内周壁の内径側に冷却媒体を放出する貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項５記載のガスタービン設備。
【請求項１０】
前記第２の冷却媒体室からは、前記高圧ガスタービン及び前記低圧ガスタービンのロータ中心部側に冷却媒体を導く冷却媒体供給路が形成されていることを特徴とする請求項５記載のガスタービン設備。
【請求項１１】
前記外周壁の軸方向両端部は、ケーシングシュラウドを介して前記タービンケーシングに支持されており、前記内周壁は前記高圧ガスタービンと低圧ガスタービンを仕切る隔壁に支持されていることを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載のガスタービン設備。
【請求項１２】
前記タービンケーシングは、高圧側タービンの下流側動翼よりも下流側の位置で、高圧側タービンケーシングと低圧側タービンケーシングとに分割されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高圧ガスタービンと低圧ガスタービンを軸方向に配列したガスタービン設備に係り、特に、軸方向に隣接する高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に、高圧ガスタービンから低圧ガスタービンへ作動ガスを導く作動ガス流路を備えたガスタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンを軸方向に配列したガスタービン設備は、特許文献１に示すように、回転部分を軸支する軸受が高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとに夫々設置されているので、隣接部分に比較的大きな軸方向の空間が存在する。そして、このような空間を経由して作動ガスを高圧ガスタービンから低圧ガスタービンへ導くために、特許文献２に示すように、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に作動ガスを導く作動ガス流路（中間ダクト）を設けている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２６３６２３号公報（図１）
【特許文献２】特開２００５−９４４０号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献２に示すガスタービン設備は、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に独立して作動ガス流路（中間ダクト）を設けているために、組立や保守点検時の分解を考慮して作動ガス流路に対向するタービンケーシングを軸方向に分割している。その結果、タービンケーシング及びこれに支持された独立した作動ガス流路の存在により部品数が増加し、ガスタービン設備の設計や分解組立作業を煩雑にしていた。
【０００５】
本発明の目的は、ガスタービン設備の設計や分解組立作業が容易に行えるガスタービン設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために、タービンケーシング内に高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとを軸方向に配列すると共に、高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとの間に高圧ガスタービン側から低圧ガスタービン側へ作動ガスを導く作動ガス流路を形成したガスタービン設備において、前記作動ガス流路を低圧ガスタービンの初段静翼の構成部材に支持させたのである。
【発明の効果】
【０００７】
このように、作動ガス流路を低圧ガスタービンの初段静翼の構成部材に支持させることで、作動ガス流路を支持する専用のタービンケーシングは不要となり、その結果、部品数を低減できるので、ガスタービン設備の設計や分解組立作業を容易に行うことができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下本発明によるガスタービン設備の第１の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
【０００９】
ガスタービン設備は、高圧ガスタービンのロータ１と低圧ガスタービンのロータ２とが軸方向に隣接して配置され、図示しない軸受によって夫々独立して回転自在に軸支されている。ロータ１には高圧ガスタービンの最下流側に位置する終段動翼３が取付けられ、ロータ２には低圧ガスタービンの最上流側に位置する初段動翼４が取付けられている。そして、これら終段動翼３及び初段動翼４を含む高圧ガスタービンと低圧ガスタービンは、水平に上下方向に分割できるタービンケーシング５で覆われている。
【００１０】
高圧ガスタービンの終段動翼３から流出する高温の燃焼ガスＧを低圧ガスタービンの初段動翼４に最適な角度で導入するために、低圧ガスタービンの初段静翼６を初段動翼４の直前に配置している。この初段静翼６は、周方向に所定間隔で複数設置されており、夫々の外径側には外輪７が、内径側には内輪８が備えられている。これら外輪７と内輪８とは、初段静翼６に対して高圧ガスタービン側に延在されており、前記ロータ１，２と同心的となるように形成されている。外輪７は軸方向の両端を、終段動翼３及び初段動翼４に対向するタービンケーシング５の内周側に設けられたケーシングシュラウド９，１０に、係合溝とフックなどの係合機構を介して保持されている。したがって、外輪７は、結果的に、タービンケーシング５へ保持されることになり、この外輪７のタービンケーシング５への保持により、初段静翼６を介して内輪８もタービンケーシング５に支持されることになる。
【００１１】
また、内輪８の内径側にはダイアフラム１１が係合溝とフックなどの係合機構によって取付けられており、このダイアフラム１１の内径側には隔壁１２が設けられて高圧ガスタービンと低圧ガスタービンとを仕切っている。したがって、高圧ガスタービンからの燃焼ガスＧは、終段動翼３を出た後、初段静翼６の外輪７及び内輪８で構成された作動ガス流路１３を通って低圧ガスタービンの初段静翼６に至り、初段動翼４に導入される。
【００１２】
尚、以上の説明は、外輪７と内輪８とで作動ガス流路１３を形成したものであるが、作動ガス流路１３を同心的な外周壁と内周壁とで構成し、これら外周壁と内周壁とを低圧ガスタービン側に延在させて初段静翼６の外径部と内径部とに連結し、初段静翼６の外輪７と内輪８とを兼用するようにしても良い。云い代えれば、作動ガス流路１３を同心的な外周壁と内周壁とで構成し、これを初段静翼６自体あるいは初段静翼６の構成部材である外輪７と内輪８に連結してもよく、初段静翼６の外輪７と内輪８を延在させて作動ガス流路１３の外周壁と内周壁としてもよい。
【００１３】
ところで、前記外輪７と内輪８とは、初段静翼６を含めて周方向に複数に分割されたセグメント構造となっている。そして、一例として内輪８を見ると、図２に示すように、隣接する内輪セグメント８Ａ，８Ｂの対向面には夫々シール溝８Ｇが形成され、これらシール溝８Ｇに板状のシールキー８Ｓを嵌着して隙間を塞いでいる。
【００１４】
また、前記内輪８の上流側は、前記終段動翼３の直まで延在させて接触しないように微小隙間１４Ａを設け、下流側は、前記初段動翼４の直前まで延在させて接触しないように微小隙間１４Ｂを設けている。
【００１５】
上記構成において、高圧ガスタービンの終段動翼３から流出する燃焼ガスＧは、初段静翼６の構成部材である外輪７と内輪８とで構成された作動ガス流路１３に案内され、手段静翼６で整流された後、低圧ガスタービンの初段動翼４に導入される。
【００１６】
この燃焼ガスＧの作動ガス流路１３を通過する際、外輪７がタービンケーシング５側への燃焼ガスＧの漏洩を抑制しているので、高温の燃焼ガスＧがタービンケーシング５に至ることがない。その結果、燃焼ガスＧの温度低下を防止できるので熱効率の低下を防止できると共に、タービンケーシング５の異常過熱を防止しできるのでタービンケーシング５の熱劣化による寿命の低下を防止できる。
【００１７】
また、作動ガス流路１３は、初段静翼６と一体構造になっており、さらにセグメント構造であるので、タービンケーシング５の分割面にセグメント分割面を一致させることで、分解に際しては、タービンケーシング５の分解と同時に分解することができる。そして、タービンケーシング５の分解後に、セグメント構造の初段静翼６を含む外輪７と内輪８の分解を行うことで、分解作業を容易に行うことができる。したがって、組立作業も分解作業と逆の順序で行えばよく、容易に行うことができる。
【００１８】
このほか、本実施の形態は上述のように、初段静翼６の構成部材である外輪７と内輪８とで作動ガス流路１３を構成したので、作動ガス流路１３を支持するために専用のタービンケーシングを追加設置する必要はなくなり、その結果、部品数の低減を行うことができ、ガスタービン設備の設計や分解組立作業を容易に行うことができるのである。
【００１９】
また、作動ガス流路１３を初段静翼の構成部材である外輪７と内輪８で構成したので、作動ガス流路１３を別個に設置していた従来に較べて作動ガスＧが流れる流路全体の隙間や段差が少なくなり、作動ガスＧの乱流を低減することができ、高い空力性能を得ることができる。
【００２０】
さらに、作動ガス流路１３を構成する外輪７と内輪８とがセグメント構造となっているので、仮に、作動ガス流路１３が終段動翼３の直後から初段動翼４の直前までに流路径が大きく変化するような場合でも、環状に一体形成された外輪７及び内輪８に較べて、本実施の形態においてはセグメント分割された湾曲した周壁片の曲率と周方向の幅を変えるだけで容易に対処することができ、加工作業を容易に行うことができる。加えて、周壁片を集合させて外輪７及び内輪８を形成しているので、環状に一体形成された外輪７及び内輪８に較べて、周壁片の肉厚を厚くでき、結果的に外輪７及び内輪８の肉厚を厚くすることが可能となる。そのため、高温酸化、高温腐食、エロージョンによる減肉による外輪７及び内輪８の寿命を環状に一体形成された外輪７及び内輪８に較べて延長することができる。
【００２１】
さらにまた、外輪７及び内輪８を、初段静翼６と同じ高負荷、高応力に耐える高温強度に優れた材料で構成することで、信頼性が高く長寿命の作動ガス流路１３を得ることができる。
【００２２】
次に、本発明によるガスタービン設備の第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。尚、図１及び図２と同符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００２３】
第１の実施の形態と異なる構成は、タービンケーシングを高圧側タービンケーシング５Ａと低圧側タービンケーシング５Ｂとに分割した点である。その分割位置は、終段動翼３の直後に対向する位置で、その位置の高圧側タービンケーシング５Ａと低圧側タービンケーシング５Ｂとにフランジ５ＦＡ，５ＦＢを設けてボルトナットなどの締結手段で締結したのである。
【００２４】
そして、低圧側タービンケーシング５Ｂのフランジ５ＦＢを形成した内径側には、ケーシングシュラウド１５を第１の実施の形態と同じような手段で設け、このケーシングシュラウド１５とケーシングシュラウド１０とに外輪７を第１の実施の形態と同じように取付けたのである。
【００２５】
このように構成することで、外輪７は内輪８よりも軸方向の長さが短くなるが、ケーシングシュラウド１５の内周面１５Ｓと外輪７の内周面とを段差なく連続することで、第１の実施の形態とほぼ同じ大きさの段差のない作動ガス流路１３が形成される。
【００２６】
このように構成することで、第１の実施の形態と同じ効果を奏する外、高圧側タービンケーシング５Ａのみ、あるいは低圧側タービンケーシング５Ｂのみを夫々単独で分解することができ、保守点検性を向上させることができる。
【００２７】
ただ、内輪８の終段動翼３に対向する端部８Ｅを、高圧側タービンケーシング５Ａと低圧側タービンケーシング５Ｂとの分割面よりも僅かに下流側に位置させて、夫々単独で分解する際に、内輪８の端部８Ｅが高圧ガスタービンの構成部材に接触することを避けることが必要である。
【００２８】
図４は、図１の第１の実施の形態に冷却構造を付加した第３の実施の形態を示すもので、図１及び図２と同一符号は同一構成部品を示すので再度の詳細な説明は省略する。
【００２９】
本実施の形態では、タービンケーシング５とケーシングシュラウド９，１０と外輪７とで囲まれた密閉空間を第１の冷却媒体室１６とし、複数の貫通孔１７Ｈを設けたインピンジカバー１７を外輪７の外周側に空間を介して設置し、この第１の冷却媒体室１６に冷却媒体を供給する冷却媒体供給孔５Ｈ，９Ｈ，１０Ｈを夫々タービンケーシング５，ケーシングシュラウド９，１０に設けている。尚、これら冷却媒体供給孔５Ｈ，９Ｈ，１０Ｈは、ガスタービン設備の仕様や機種によって全て設ける必要はなく、選択的に設けても良い。
【００３０】
そして、外輪７には、作動ガス流路１３内に貫通する複数の貫通孔７Ｈ１と、初段静翼６を径方向に貫通し冷却媒体流路を構成する中空部６Ｈに連通する貫通孔７Ｈ２を形成している。
【００３１】
一方、内輪８とダイアフラム１１とで囲まれた密閉空間を第２の冷却媒体室１８とし、複数の貫通孔１９Ｈを設けたインピンジカバー１９を内輪８の内周側に空間を介して設置し、この第２の冷却媒体室１８に前記初段静翼６の中空部６Ｈを経由して冷却媒体を供給するために内輪８に冷却媒体供給孔８Ｈ２を設けている。
【００３２】
さらに、内輪８には、作動ガス流路１３内に貫通する複数の貫通孔８Ｈ１が形成され、ダイアフラム１１には、終段動翼３側に冷却媒体を放出する貫通孔１１Ｈ１と初段動翼４側に冷却媒体を放出する貫通孔１１Ｈ２とを形成している。
【００３３】
上記構成において、第１の実施の形態と同じ効果を奏する外、各部の冷却を行うことができる。具体的には、外部から冷却媒体供給孔５Ｈ，９Ｈ，１０Ｈの全部あるいは一部を経由して冷却媒体である例えば冷却空気が第１の冷却媒体室１６に供給されると、インピンジカバー１７の複数の貫通孔１７Ｈから外輪７の外周部に導入され、そこから一部は貫通孔７Ｈ１から作動ガス流路１３内に放出されて対流冷却及びフィルム冷却によって外輪７の冷却を行い、冷却空気の残る一部は貫通孔７Ｈ２及び初段静翼６の中空部６Ｈを経由して内輪８の内径側の第２の冷却媒体室１８に導入される。第２の冷却媒体室１８に導入され冷却空気の一部はインピンジカバー１９の複数の貫通孔１９Ｈから作動ガス流路１３内に放出されて対流冷却及びフィルム冷却によって内輪８の冷却を行い、冷却空気の残る一部は貫通孔１１Ｈ１，１１Ｈ２から放出されて終段動翼３及び初段動翼４近傍の冷却を行うのである。
【００３４】
このように本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を奏する外、各部の冷却を行うことができる。
【００３５】
図５は、図４の第３の実施の形態を基に、ロータ１，２の冷却構成を主体として構成されたもので、図１及び図４と同一符号は同一構成部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。
【００３６】
タービンケーシング５とケーシングシュラウド９，１０と外輪７とで形成された第１の冷却媒体室１６に供給される冷却媒体を、初段静翼６の中空部６Ｈを経由して内輪８とダイアフラム１１とで形成した第２の冷却媒体室１８に導くように構成されていると共に、ダイアフラム１１は２枚の隔壁１２Ａ，１２Ｂに接続されている。そして、二枚の隔壁１２Ａ，１２Ｂには夫々冷却媒体供給路２０Ａ，２０Ｂが形成されており、この冷却媒体供給路２０Ａ．２０Ｂへ冷却媒体を流す貫通孔１１ＨＡ，１１ＨＢが前記ダイアフラム１１に形成されている。
【００３７】
このように構成することで、第１の冷却媒体室１６内の冷却媒体は、冷却媒体流路となる初段静翼６の中空部６Ｈを経由して内輪８側の第２の冷却媒体室１８に導かれる。第２の冷却媒体室１８に導かれた冷却媒体は、夫々冷却媒体流路２０Ａ，２０Ｂに圧入されて内径側に圧送される。冷却媒体流路２０Ａ，２０Ｂの内径側には、夫々対向するロータ１，２に対向するように冷媒噴出口２０ＡＨ，２０ＢHが軸方向に開口しているので、冷媒噴出口２０ＡＨ，２０ＢHから吹き出された冷却媒体の一部はそのまま進んでロータ１，２の内径部に形成した中心孔１Ｒ,２Ｒに入ってロータ１，２を内径側から冷却し、残る一部は外径方向に進んでロータ表面を冷却するのである。
【００３８】
したがって、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同等の効果を奏する外、ロータ１，２の冷却効果を高めることができる。
【００３９】
ところで、各実施の形態は、夫々単独で実施してもよいが、ガスタービン設備の仕様や用途に応じて各実施の形態の各構成を適宜取り入れて組合せて実施しても良いことは勿論である。
【００４０】
また、第３の実施の形態において、インピンジカバー１７，１９の軸方向の長さは、作動ガス流路１３のほぼ全長に亘って設けてもよく、あるいは高圧ガスタービン寄りに部分的に設けてもよい。さらに、部品点数を低減したいのであればインピンジカバー１７，１９自体は必ずしも設ける必要はない。
【００４１】
また、重要なことは、前記各実施の形態において、初段静翼６の外輪７及び内輪８で作動ガス流路１３を構成したが、初段静翼６の構成部材とは別の部材で作動ガス流路の外周壁と内周壁を形成し、これら内外周壁を初段静翼６の構成部材である外輪７及び内輪８に接続するように構成しても良いことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるガスタービン設備の第１の実施の形態を示す要部縦断側面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。
【図３】本発明によるガスタービン設備の第２の実施の形態を示す要部縦断側面図。
【図４】本発明によるガスタービン設備の第３の実施の形態を示す要部縦断側面図。
【図５】本発明によるガスタービン設備の第４の実施の形態を示す要部縦断側面図。
【符号の説明】
【００４３】
１，２…ロータ、１Ｒ，２Ｒ…中心孔、３…終段動翼、４…初段動翼、５…タービンケーシング、６…初段静翼、７…外輪、８…内輪、８Ａ，８Ｂ…内輪セグメント、８Ｓ…シールキー、９，１０，１５…ケーシングシュラウド、１１…ダイアフラム、１２，１２Ａ，１２Ｂ…隔壁、１３…作動ガス流路、１４Ａ，１４Ｂ…微小隙間、１６，１８…密閉空間、１７，１９…インピンジカバー、７Ｈ１，７Ｈ２，１１Ｈ１，１１Ｈ２，１７Ｈ，１９Ｈ…貫通孔、２０Ａ，２０Ｂ…冷却媒体流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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