特許 5743865 軸流式のガスタービン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5743865

(24)【登録日】2015年5月15日

(45)【発行日】2015年7月1日

(54)【発明の名称】軸流式のガスタービン

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/18 20060101AFI20150611BHJP

   F01D 9/02 20060101ALI20150611BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/18 E

   F01D9/02 102

   F02C7/18 A

【請求項の数】6

【外国語出願】

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-260781(P2011-260781)

(22)【出願日】2011年11月29日

(65)【公開番号】特開2012-117537(P2012-117537A)

(43)【公開日】2012年6月21日

【審査請求日】2013年12月25日

(31)【優先権主張番号】2010148728

(32)【優先日】2010年11月29日

(33)【優先権主張国】RU

(73)【特許権者】

【識別番号】503416353

【氏名又は名称】アルストム テクノロジー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＬＳＴＯＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(74)【代理人】

【識別番号】100112793

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 佳大

(74)【代理人】

【識別番号】100114292

【弁理士】

【氏名又は名称】来間 清志

(74)【代理人】

【識別番号】100128679

【弁理士】

【氏名又は名称】星 公弘

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100143959

【弁理士】

【氏名又は名称】住吉 秀一

(74)【代理人】

【識別番号】100156812

【弁理士】

【氏名又は名称】篠 良一

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(74)【代理人】

【識別番号】100167852

【弁理士】

【氏名又は名称】宮城 康史

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(72)【発明者】

【氏名】アレクサンダー アナトリエヴィチ ハーニン

(72)【発明者】

【氏名】ヴァレリー コステゲ

【審査官】 寺町 健司

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００８１０２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００５−５１３３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４８−０２６０８６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００７−２７０８３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ５／０６−０８，１２−１８，２２−２４，２８−３２

Ｆ０１Ｄ ９／００−１１／１０

Ｆ０２Ｃ ７／１８

Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸流式のガスタービン（３０）であって、該ガスタービン（３０）は、ロータとステータとを有しており、ロータは、空冷式の動翼（３６）の列と、空冷式のロータ遮熱体の列とを交互に備え、ステータは、静翼支持体（３１）に取り付けられた空冷式の静翼（３３）の列と、空冷式のステータ遮熱体（３８）の列とを交互に備えており、ステータはロータを同軸的に取り囲んでいて、ロータとの間に高温ガス路（３２）を画定しており、動翼（３６）の列とステータ遮熱体（３８）の列とが互いに関連付けられ、かつ静翼（３３）の列とロータ遮熱体の列とが互いに関連付けられており、静翼（３３）の１つの列と下流方向に位置する次の動翼（３６）の列とが、タービン段（ＴＳ）を形成している形式のものにおいて、１つのタービン段（ＴＳ）の内部に、タービン段（ＴＳ）の静翼（３３）のエーロフォイルを冷却するために既に使用された冷却空気を、静翼（３３）の下流側における前記タービン段（ＴＳ）のステータ遮熱体（３８）を冷却するために、再利用するための手段（３９〜４４）が設けられており、再利用のための前記手段は、静翼（３３）からの使用済みの冷却空気を捕集するための第１の手段（３９，４０，４４）と、捕集された使用済みの冷却空気を、静翼（３３）の下流側における前記タービン段（ＴＳ）のステータ遮熱体（３８）に、該ステータ遮熱体（３８）を冷却するために導く第２の手段（４１，４２，４４）とを有しており、再利用のための前記手段は、さらに、捕集された使用済みの冷却空気を、静翼（３３）の下流側における前記タービン段（ＴＳ）の動翼（３６）の外側プラットホーム（３７）に、該外側プラットホーム（３７）を冷却するために導くための第３の手段（４１，４３，４４）を有しており、前記第１の手段は、静翼（３３）の外側プラットホーム（３４）の上側において静翼のエーロフォイルの冷却空気の出口に配置された、各静翼（３３）のための第１の中空室（３９）を有しており、前記第２の手段は、周方向に延在していて前記第１の中空室（３９）に接続されている第２の中空室（４１）を有しており、周方向に均一に分配配置されていて軸方向に延びる複数の第１の孔（４２）が設けられていて、該第１の孔（４２）は、使用済みの冷却空気を第２の中空室（４１）から、タービン段（ＴＳ）の隣接したステータ遮熱体（３８）の外側に、該ステータ遮熱体（３８）を冷却するために導くことを特徴とする、軸流式のガスタービン。

【請求項2】

タービン段（ＴＳ）の静翼（３３）はそれぞれ外側プラットホーム（３４）を有していて、再利用のための前記手段（３９〜４４）は、静翼（３３）の外側プラットホーム（３４）の直ぐ外側に組み込まれている、請求項１記載のガスタービン。

【請求項3】

周方向に均一に分配配置されていて軸方向に延びる複数の第２の孔（４３）が設けられていて、該第２の孔（４３）は、使用済みの冷却空気を第２の中空室（４１）から、タービン段（ＴＳ）の隣接した動翼（３６）の外側プラットホーム（３７）の外側に、該外側プラットホーム（３７）を冷却するために導く、請求項１記載のガスタービン。

【請求項4】

タービン段（ＴＳ）の動翼（３６）の外側プラットホーム（３７）はそれぞれ、周方向に延びる前側の歯（５０）を有していて、タービン段（ＴＳ）の静翼（３３）は、該静翼（３３）の外側プラットホーム（３４）の後壁に設けられた、周方向に延在していて下流側に張り出した突出部（４７）で、前記前側の歯（５０）と重なっており、下流側に張り出した各突出部（４７）は、前側の歯（５０）に対向して位置するハニカム体（５１）を備えている、請求項３記載のガスタービン。

【請求項5】

第１の中空室（３９）は、静翼（３３）の外側プラットホーム（３４）の上側におけるフレームの形のリブ（４０）によって形成されていて、該フレームの形のリブ（４０）は、シーリングスクリーン（４４）によって覆われている、請求項１記載のガスタービン。

【請求項6】

第２の中空室（４１）は、静翼（３３）の外側プラットホーム（３４）の後壁に設けられた切欠きによって形成されていて、該切欠きは、シーリングスクリーン（４４）によって覆われている、請求項１記載のガスタービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービンの技術に関する。本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式のガスタービン、すなわち軸流式のガスタービンであって、該ガスタービンは、ロータとステータとを有しており、ロータは、空冷式の動翼の列と、空冷式のロータ遮熱体の列とを交互に備え、ステータは、静翼支持体に取り付けられた空冷式の静翼の列と、空冷式のステータ遮熱体の列とを交互に備えており、ステータはロータを同軸的に取り囲んでいて、ロータとの間に高温ガス路を画定しており、動翼の列とステータ遮熱体の列とが互いに関連付けられ、かつ静翼の列とロータ遮熱体の列とが互いに関連付けられており、静翼の１つの列と下流方向に位置する次の動翼の列とが、タービン段を形成している形式のものに関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、例えば図５に示されているような、軸流式のガスタービンに関する。図５に示したガスタービン１０は、シーケンシャル燃焼の原理によって運転される。ガスタービン１０は圧縮機１と、複数のバーナ３及び第１の燃料供給部２を備えた第１の燃焼器４と、高圧タービン５と、第２の燃料供給部６を備えた第２の燃焼器７と、交互に配置された静翼１３，３３及び動翼１６，３６の列とを有しており、これらの静翼１３，３３及び動翼１６，３６は、機械軸線９に沿って配置された複数のタービン段に配置されている。

【0003】

図５に示したガスタービン１０は、ステータとロータとから成っている。ステータは、内部に静翼１３，３３を備えたハウジングを有しており、これらの静翼１３，３３は、燃焼器７内において発生した高温ガスが貫流される成形された通路を形成するために必要である。所望の方向において流れるガスは、ロータ軸に設けられたスリットに取り付けられた動翼１６，３６に衝突して、タービンロータを回転させる。動翼１６，３６の上を流れる高温ガスに対してステータハウジングを保護するために、互いに隣接した静翼列の間に設けられたステータ遮熱体が、使用されている。高温タービン段は、静翼、ステータ遮熱体及び動翼内に供給される冷却空気を必要とする。

【0004】

ガスタービン１０の典型的に冷却されるガスタービン段ＴＳの１区分が、図１に示されている。ガスタービン１０のタービン段ＴＳの内部には、１列の静翼１３が静翼支持体１１に取り付けられている。静翼１３の下流側には、１列の回転する動翼１６が設けられており、各動翼１６はその先端に外側のプラットホーム１７を有している。動翼１６の先端に向かい合って、ステータ遮熱体１８が静翼支持体１１に取り付けられている。静翼１３はそれぞれ１つの外側プラットホーム１４を有している。それぞれ外側プラットホーム１４，１７を有する静翼１３及び動翼１６は、高温ガス路１２を画成しており、この高温ガス路１２を通って、燃焼器からの高温ガスが流れる。

【0005】

長期に亘る耐用寿命を有するこのような高温ガスタービン１０の運転を保証するために、高温ガス路１２を形成するすべての部材は、効果的に冷却されることが望まれている。従って冷却空気２３は、各冷却孔２１，２２を通ってプレナム２０から、ステータ遮熱体１８と静翼１３及び動翼１６の高温の外側のプラットホーム１７に導かれる。しかしながら図１に示された公知のタービン構成は、ステータ遮熱体１８及び外側の動翼プラットホーム１７を冷却するために、ステータ遮熱体１８の背側における中空室１９内に供給される十分な量の付加的な冷却空気２３を必要とする。このことは、公知の構成の欠点と見なすことができる。他の欠点としては、公知形式のステータ遮熱体固定部が挙げられ、このステータ遮熱体固定部では、静翼１３とステータ遮熱体１８との間に間隙が存在し（図１の囲まれた領域Ａ参照）、冷却空気の一部が中空室１９から前記間隙を通ってタービン流路つまり高温ガス路１２に流入する（領域Ａの矢印参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の課題は、公知の冷却構造における欠点を排除し、かつタービン段内部における冷却空気の消費量を著しく減じることができる、タービン段冷却方式を備えたガスタービンを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式のガスタービンにおいて、請求項１の特徴部記載のように、すなわち１つのタービン段の内部に、タービン段の静翼を、特に静翼のエーロフォイルを冷却のために既に使用された冷却空気を、静翼の下流側における前記タービン段のステータ遮熱体を冷却するために、再利用するための手段が設けられているようにした。

【発明の効果】

【0008】

本発明の別の構成では、再利用のための前記手段は、静翼からの使用済みの冷却空気を捕集するための第１の手段と、捕集された使用済みの冷却空気を、静翼の下流側における前記タービン段のステータ遮熱体に、該ステータ遮熱体を冷却するために導く第２の手段とを有している。

【0009】

有利には、再利用のための前記手段は、さらに、捕集された使用済みの冷却空気を、静翼の下流側における前記タービン段の動翼の外側プラットホームに、該外側プラットホームを冷却するために導くための第３の手段を有している。

【0010】

本発明のさらに別の構成では、タービン段の静翼はそれぞれ外側のプラットホームを有していて、再利用のための前記手段は、静翼の外側プラットホームの直ぐ上に組み込まれている。

【0011】

本発明の別の構成では、使用済みの冷却空気を捕集する手段は、静翼の外側プラットホームの上側において静翼冷却空気の出口に配置された、各静翼のための第１の中空室を有しており、使用済みの冷却空気を導く手段は、周方向に延在していて前記第１の中空室に接続されている第２の中空室を有しており、周方向に均一に分配配置されていて軸方向に延びる複数の第１の孔が設けられていて、該第１の孔は、使用済みの冷却空気を第２の中空室から、タービン段の隣接したステータ遮熱体の外側に、該ステータ遮熱体を冷却するために導く。

【0012】

本発明のさらに別の構成では、周方向に均一に分配配置されていて軸方向に延びる複数の第２の孔が設けられていて、該第２の孔は、使用済みの冷却空気を第２の中空室から、タービン段の隣接した動翼の外側プラットホームの外側に、該外側プラットホームを冷却するために導く。

【0013】

有利には、タービン段の動翼の外側プラットホームはそれぞれ、周方向に方向付けられた前側の歯を有していて、タービン段の静翼は、該静翼の外側プラットホームの後壁に設けられた、周方向に延在していて下流側に張り出した突出部で、前記前側の歯と重なっており、下流側に張り出した各突出部は、前側の歯に対向して位置するハニカム体を備えている。

【0014】

本発明の別の構成では、第１の中空室は、静翼の外側プラットホームの上側におけるフレームの形のリブによって形成されていて、該フレームの形のリブは、シーリングスクリーンによって覆われている。

【0015】

本発明のさらに別の構成では、第２の中空室は、静翼の外側プラットホームの後壁に設けられた切欠きによって形成されていて、該切欠きは、シーリングスクリーンによって覆われている。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】先行技術によるガスタービンのタービン段の冷却構造を示す図である。

【図2】本発明の１実施形態によるガスタービンのタービン段の冷却構造を示す図である。

【図3】本発明の１実施形態による、図２に示した静翼の外側プラットホームの構造を、すべてのスクリーンを取り外した状態で示す斜視図である。

【図4】図３に示した静翼の外側プラットホームの構造を、すべてのスクリーンを取り付けた状態で示す斜視図である。

【図5】本発明を実施するために使用することができる、シーケンシャル燃焼式のガスタービンの公知の基本構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

【0018】

図２には、提案された高温タービン段設計の１実施形態が示されており、この高温タービン段では冷却空気は、タービン段の静翼において使用された空気を利用することによって部分的に節減される。図２に示されたガスタービン３０は、１列の静翼３３と該静翼に後置された１列の動翼３６とを備えたタービン段ＴＳを有している。動翼３６はロータ（図示せず）に装着されている。静翼３３は静翼支持体３１に装着されていて、この静翼支持体３１は、高温ガス路３２を画定するためにロータを取り囲んでいる。静翼支持体３１にはさらに、動翼３６の先端における外側プラットホーム３７に向かい合ってステータ遮熱体３８が装着されている。外側プラットホーム３７は、その外側に複数の歯を備えており、これらの歯はそれぞれ周方向に延びている。複数の歯のうちの１つの歯であって、前側の歯は符号５０で示されている。

【0019】

静翼３３において使用された空気は、静翼の翼部分つまりエーロフォイル（airfoil）から外側プラットホーム３４を通って小さな中空室３９内に流入し、この中空室３９は、リブ４０によって基本の（外側の）プラットホーム３４から隔てられている（図２及び図３参照）。空気は次いで中空室３９から、周方向に延在している隣接した中空室４１内に流れ、さらに互いに平行な２つの孔列を成している複数の第１の孔４２と第２の孔４３内に分配され、これらの孔４２，４３はそれぞれ周方向において均一に間隔をおいて配置されている（図２及び図３参照）。第１の孔４２は、使用された冷却空気の噴流をステータ遮熱体３８の他方の側に導く。第２の孔４３は、使用された冷却空気の噴流を外側の動翼プラットホーム３７の前側の歯５０に導く。中空室３９，４１は、共通のシーリングスクリーン４４によって閉鎖されている（図４）。他の（穿孔された）スクリーン４５は、外側プラットホーム３４の残っている最大部分の上に載置されており、プラットホーム表面を冷却するため及び静翼エーロフォイルの内部に流入するための空気は、スクリーン４５に設けられた孔を通過する。

【0020】

上に述べた使用済み空気の効果的な利用によって、ステータ遮熱体３８及び動翼シュラウド又は外側のプラットホーム３７に新鮮冷却空気を付加的に供給することを、回避することができる。

【0021】

図２に示された実施形態の重要な他の構成は、外側の静翼プラットホーム３４の後壁に突出部４７が設けられていることにある（図２〜図４）。この突出部４７はその下側にハニカム体５１を備えている。外側の動翼プラットホーム３７の前側の歯５０は、突出部４７の下に配置されており、この歯５０は、使用済み空気が外側プラットホーム３７とステータ遮熱体３８との間における中空室４６からタービン流路３２内に付加的に漏れることを阻止する。

【0022】

図２に示された外側の静翼プラットホーム３４の構成を、図１に示された外側の静翼プラットホーム１４の構成と比較すると、付加的な間隙（図１の領域Ａ参照）の存在しないことに基づいて漏れが最小になっていることは明らかである。従って使用済み空気は、ロス無しに第１の孔４２を通って、ステータ遮熱体３８と外側の動翼プラットホーム３７との間における中空室４６内に流入する。この空気は外側の動翼プラットホーム３７の熱状態を大幅に改善し、かつステータ遮熱体３８を冷却するための付加的な空気の供給を回避することができる。

【0023】

使用済み空気はまた、静翼支持体３１とステータ遮熱体３８との間における中空室５２にも、静翼支持体３１とステータ遮熱体３８との結合部における間隙を通って流入する。第２の孔４３を通って流れる使用済み空気は、外側の動翼プラットホーム３７の前側の歯５０を保護するために働く。

【0024】

本発明によって下記の利点が得られる：
１. 静翼において使用された空気は次いで他の部材を冷却するために使用される。
２. ステータ遮熱体を冷却するために付加的な空気を導入する必要がない。
３. 後壁に付加的な突出部４７を備えた外側の静翼プラットホームの構成によって、図１に示された領域Ａにおいて示された間隙を通る、付加的な冷却空気漏れを回避することができる。
４. 使用済み空気が中空室５２（図２参照）を満たし、過熱に対して静翼支持体３１を保護する。

【0025】

従って、外側プラットホーム３４に突出部４７を備えた静翼と、使用済み空気のための別体の捕集室（中空室３９）とを組み合わせること、並びに非冷却式のステータ遮熱体３８と３つの突出した歯を備えた外側の動翼プラットホーム３７と、ステータ遮熱体３８と動翼プラットホーム３７との間に形成された中空室４６とを組み合わせることによって、今日の高性能タービンを形成することができる。

【符号の説明】

【0026】

１ 圧縮機、 ２，６ 燃料供給部、 ３ バーナ、 ４，７ 燃焼器、 ５ 高圧タービン、 ８ 低圧タービン、 ９ 軸線、 １０，３０ ガスタービン、 １１，３１ 静翼支持体、 １２，３２ 高温ガス路、 １３，３３ 静翼、 １４，３４ 外側の静翼プラットホーム、 １５，３５ 中空室、 １６，３６ 動翼、１７，３７ 外側の動翼プラットホーム、 １８，３８ ステータ遮熱体、 １９ 中空室、 ２０ プレナム、 ２１，２２ 冷却孔、 ２３ 冷却空気、 ３９，４１，４６，５２ 中空室、 ４０ リブ、 ４２ 孔、 ４３ 孔、 ４４ シーリングスクリーン、 ４５ スクリーン、 ４７ 突出部、 ４８，４９ フック、 ５０ 前側の歯、 ５１ ハニカム体、 ＴＳ タービン段

【図3】

【図4】

【図5】

【図1】

【図2】