特開 2024-11662 ガスタービンのスクロール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024011662

(43)【公開日】2024-01-25

(54)【発明の名称】ガスタービンのスクロール

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/60 20060101AFI20240118BHJP

   F02C 7/20 20060101ALI20240118BHJP

   F23R 3/42 20060101ALI20240118BHJP

【ＦＩ】

F23R3/60

F02C7/20 B

F23R3/42 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022113862

(22)【出願日】2022-07-15

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】糟谷 宏樹

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 隆

(72)【発明者】

【氏名】伊東 正雄

(72)【発明者】

【氏名】岩井 保憲

(72)【発明者】

【氏名】森澤 優一

(57)【要約】

【課題】変形抑制部材を備えることで、周方向亘ってスクロールの出口の変形を抑制するとともに、変形抑制部材を容易に交換可能なガスタービンのスクロールを提供する。
【解決手段】実施形態のスクロール４０Ａは、燃焼器２０から排出された燃焼ガス２７をタービンロータ３３の軸方向および周方向に流動させてタービンに導く。スクロール４０Ａは、外周壁５０と、外周壁５０と環状通路７０を構成し、外周壁５０のタービンロータ側に外周壁５０と間隙をあけて設けられた内周壁６０と、スクロール４０Ａの出口部の周方向に設けられ、外周壁５０および内周壁６０を径方向に貫通し、一端が外周壁５０に着脱可能に固定され、他端が内周壁６０に着脱可能に固定された複数の変形抑制部材８０とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼器から排出された燃焼ガスをタービンロータの軸方向および前記タービンロータの周方向に流動させてタービンに導くガスタービンのスクロールであって、
外周壁と、
前記外周壁と環状通路を構成し、前記外周壁のタービンロータ側に前記外周壁と所定の間隙をあけて設けられた内周壁と、
前記スクロールの出口部の周方向に設けられ、前記外周壁および前記内周壁を前記タービンロータの径方向に貫通し、一端が前記外周壁に着脱可能に固定され、他端が前記内周壁に着脱可能に固定された複数の変形抑制部材と
を具備することを特徴とするガスタービンのスクロール。

【請求項2】

各前記変形抑制部材は、前記外周壁および前記内周壁にボルトまたはナットによって締結されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンのスクロール。

【請求項3】

各前記変形抑制部材の一端が、前記外周壁における前記径方向の外側の外周面に固定され、
各前記変形抑制部材の他端が、前記内周壁における前記径方向の内側の内周面に固定されていることを特徴とする請求項１または２記載のガスタービンのスクロール。

【請求項4】

前記外周壁の前記外周面には、各前記変形抑制部材の一端を固定する第１の固定座部が形成され、
前記内周壁の前記内周面には、各前記変形抑制部材の他端を固定する第２の固定座部が形成されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービンのスクロール。

【請求項5】

各前記変形抑制部材は、
前記第１の固定座部に前記径方向の外側から当接されてボルトによって締結される固定フランジ部と、
前記固定フランジ部から前記径方向の内側に延び、前記外周壁を貫通して前記内周壁における前記径方向の外側の外周面に当接する本体部と、
前記本体部から前記径方向の内側に延び、前記内周壁を貫通して前記第２の固定座部にナットによって締結される固定ネジ部と
を備えることを特徴とする請求項４記載のガスタービンのスクロール。

【請求項6】

前記本体部は、
前記本体部内に冷却媒体を導入する導入通路と、
前記導入通路に導入された冷却媒体を前記環状通路に排出する排出孔と
を備え、
前記固定フランジ部は、
前記導入通路に連通し、前記スクロールの外側から冷却媒体を前記導入通路に導入する導入孔を備えることを特徴とする請求項５記載のガスタービンのスクロール。

【請求項7】

前記本体部は、
前記本体部内に冷却媒体を導入する筒状部材で構成され、導入された冷却媒体を噴出する噴出孔を有する内筒部と、
前記内筒部を囲むように設けられた筒状部材で構成され、前記噴出孔が形成された位置と対向する位置からずらした位置に形成された、前記噴出孔から噴出された冷却媒体を前記環状通路に排出する排出孔を有する外筒部と
を備え、
前記固定フランジ部は、
前記内筒部の内部に連通し、前記スクロールの外側から冷却媒体を前記内筒部の内部に導入する導入孔を備えることを特徴とする請求項５記載のガスタービンのスクロール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ガスタービンのスクロールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、単缶燃焼器やサイロ型燃焼器を備えるガスタービンが普及されている。これらの燃焼器は、タービンロータの軸方向に対して垂直な方向に配置される。そのため、ガスタービンは、燃焼器から排出された燃焼ガスをタービンロータの軸方向に転向させるとともにタービンロータの周方向に導くスクロールを備える。

【0003】

スクロールは、タービンロータの周囲にタービンロータの軸方向に延びる環状通路を形成する。環状通路は、外周壁と内周壁との間に形成される。そして、燃焼ガスは、環状通路を通りスクロールの出口から初段の静翼（ノズル）に導かれる。

【0004】

スクロールの出口において、周方向に亘って均一な速度で燃焼ガスを噴出するために、外周壁と内周壁との間の間隙は、周方向に亘って所定の幅となるように設定されている。また、スクロールの出口のサイズや形状は、初段の静翼の入口のサイズや形状に対応して設定されている。

【0005】

スクロールの周囲には、スクロールを外部から冷却する圧縮空気などの冷却媒体が流れる。すなわち、スクロール内の環状通路には、高温の燃焼ガスが流れ、スクロールの外周には、燃焼ガスの温度よりも低い冷却媒体が流れる。

【0006】

また、燃焼器の燃焼器ライナ内に冷却媒体の一部を導入可能なように、冷却媒体の圧力は、燃焼ガスの圧力よりも高く設定されている。すなわち、スクロールの外周を流れる冷却媒体の圧力は、スクロール内の環状通路を流れる燃焼ガスの圧力よりも高い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１－１５５１２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記したように、スクロール内の環状通路を流れる燃焼ガスの圧力とスクロールの外周を流れる冷却媒体の圧力との間には圧力差（内外差圧）が生じる。そのため、スクロールは、この内外差圧による力を受ける。この内外差圧は、ガスタービンの高圧化に伴ってさらに増加する。

【0009】

開口端部となるスクロールの出口では、内外差圧によって変形が生じることがある。ここで、スクロールにおいて、外周壁は、内周壁よりも内外差圧によって変形しやすい。例えば、内外差圧によって、水平方向位置の外周壁がタービンロータの中心軸側（内側）に変形し、鉛直方向位置の外周壁がタービンロータの中心軸から離れる側（外側）に変形する。これによって、スクロールの出口のサイズや形状が変化し、初段の静翼に適正に燃焼ガスを噴出することが困難となる。

【0010】

なお、スクロールの外周壁の肉厚を厚くして剛性を高めた場合、燃焼ガスと冷却媒体の温度差によって外周壁に生じる熱応力が増加するという問題が生じる。

【0011】

また、従来のガスタービンのトランジッションピースにおいて、出口の変形を抑制するために、環状通路を形成する外周壁と内周壁の間に支柱を溶接する技術が検討されている。しかしながら、この技術を採用した場合、支柱が劣化した際、容易に支柱を交換することは困難である。

【0012】

本発明が解決しようとする課題は、変形抑制部材を備えることで、周方向に亘ってスクロールの出口の変形を抑制するとともに、変形抑制部材を容易に交換可能なガスタービンのスクロールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

実施形態のガスタービンのスクロールは、燃焼器から排出された燃焼ガスをタービンロータの軸方向および前記タービンロータの周方向に流動させてタービンに導く。ガスタービンのスクロールは、外周壁と、前記外周壁と環状通路を構成し、前記外周壁の前記タービンロータ側に前記外周壁と所定の間隙をあけて設けられた内周壁と、前記スクロールの出口部の周方向に設けられ、前記外周壁および前記内周壁を前記タービンロータの径方向に貫通し、一端が前記外周壁に着脱可能に固定され、他端が前記内周壁に着脱可能に固定された複数の変形抑制部材とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１の実施の形態のスクロールを備えるガスタービンの縦断面を示す図である。

【図2】図１のＡ－Ａ断面を示す図である。

【図3】第１の実施の形態のスクロールにおける出口部の径方向の断面を拡大して示した図である。

【図4】第１の実施の形態のスクロールにおける出口部の固定座部を径方向外側から見たときの平面図である。

【図5】第１の実施の形態のスクロールの変形抑制部材の平面図である。

【図6】図５のＢ－Ｂ断面を示す図である。

【図7】図５のＣ－Ｃ断面を示す図である。

【図8】図５のＤ－Ｄ断面を示す図である。

【図9】第２の実施の形態のスクロールにおける出口部の径方向の断面を拡大して示した図である。

【図10】第２の実施の形態のスクロールの変形抑制部材の平面図である。

【図11】第２の実施の形態のスクロールの変形抑制部材の縦断面を示す図である。

【図12】図１０のＥ－Ｅ断面を示す図である。

【図13】図１１のＦ－Ｆ断面を示す図である。

【図14】図１１のＧ－Ｇ断面を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

【0016】

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のスクロール４０Ａを備えるガスタービン１の縦断面を示す図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面を示す図である。なお、図１には、上半側の構成が示され、図２には、上半側および下半側の構成が示されている。ここでは、燃焼器２０を上半側に備えた一例を示している。

【0017】

図１および図２に示すように、ガスタービン１は、圧縮機１０と、燃焼器２０と、タービン３０と、スクロール４０Ａとを備える。

【0018】

圧縮機１０は、例えば、取り込んだ大気を圧縮して圧縮空気１１を生成する。

【0019】

燃焼器２０は、圧縮空気１１に燃料を供給して燃焼させて高温の燃焼ガス２７を生成する。燃焼器２０は、図１に示すように、例えば、単缶燃焼器で構成される。燃焼器２０は、例えば、ガスタービン１の上部に配置され、鉛直方向、換言すれば、タービン３０のタービンロータ３３の中心軸Ｏに垂直な方向に延びている。

【0020】

なお、ここでは、単缶燃焼器を例示して説明するが、燃焼器はこれに限られない。燃焼器として、例えば、サイロ型燃焼器なども適用できる。すなわち、燃焼器ライナから排出された燃焼ガスをタービンロータ３３の軸方向およびタービンロータ３３の周方向に流動させるスクロールを必要とする燃焼器であれば、本実施の形態の燃焼器に含まれる。

【0021】

ここで、以下においてタービンロータ３３の軸方向を単に軸方向と称する。また、以下においてタービンロータ３３の周方向を単に周方向と称する。

【0022】

燃焼器２０は、燃料と圧縮空気１１を燃焼させる燃焼器ライナ２１と、燃焼器ライナ２１内に燃料を供給する燃料ノズル２２と、燃焼器ライナ２１内に酸化剤として圧縮空気１１を供給する酸化剤供給部２３とを備える。

【0023】

なお、ここでは、酸化剤として圧縮機１０で取り込んだ空気を使用した一例を示すが、酸化剤は空気に限られない。酸化剤として、例えば、酸素または酸素と水蒸気の混合気を使用してもよい。酸化剤として、酸素または酸素と水蒸気の混合気を使用する場合、酸素は、圧縮機１０からの供給ではなく、例えば、外部の別系統から酸化剤供給部２３に供給される。この場合、圧縮機１０から水蒸気を供給してもよい。水蒸気は、後述する希釈媒体や冷却媒体として機能させることができる。また、酸化剤として酸素と水蒸気の混合気を使用する場合、酸化剤供給部２３に圧縮機１０から供給された水蒸気を導入する構成としてもよい。

【0024】

また、酸化剤として、例えば、酸素と二酸化炭素の混合気を使用してもよい。酸素と二酸化炭素の混合気は、例えば、外部の別系統から酸化剤供給部２３に供給される。この場合、例えば、二酸化炭素を燃焼器ケーシング２４内およびケーシング５内に導入して希釈媒体や冷却媒体として機能させることができる。なお、この場合、圧縮機１０は不要となる。

【0025】

燃料は、特に限定されるものではない。燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素、水素、アンモニア、炭化水素と水素の複合燃料、炭化水素とアンモニアの複合燃料などが使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。また、アンモニアを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。

【0026】

燃焼器ライナ２１は、中心軸Ｏに垂直な方向に延びる筒体で構成されている。燃焼器ライナ２１には、例えば、圧縮空気１１を燃焼器ライナ２１内に導入するための複数の導入孔２１ａが形成されている。導入孔２１ａから導入される圧縮空気１１は、例えば、燃焼ガスの希釈媒体として機能する。酸化剤供給部２３は、例えば、燃料ノズル２２の周囲に配置される。

【0027】

燃焼器２０は、燃焼器ケーシング２４によって覆われている。燃焼器ケーシング２４の一端は、ガスタービン１のケーシング５に接続されている。燃焼器ケーシング２４の他端は、平板状の蓋部材２５で封鎖されている。

【0028】

なお、燃料ノズル２２に燃料を供給する燃料供給管２６は、例えば、蓋部材２５を貫通して配管されている。また、圧縮空気１１は、ガイド部材１２によって燃焼器２０側に導かれるとともに、燃焼器ケーシング２４内およびケーシング５内の空間に広がる。

【0029】

スクロール４０Ａは、燃焼器ライナ２１とタービン３０との間に配置される。スクロール４０Ａの一端（入口）は、燃焼器ライナ２１の出口端部に連結されている。スクロール４０Ａの他端（出口）は、タービン３０の初段の静翼３１に対向する位置に配置される。なお、スクロール４０Ａの構成については、後に詳しく説明する。

【0030】

ここで、タービン３０は、周方向に動翼３２が植設されたタービンロータ３３を備える。タービン３０は、複数の動翼３２を周方向に植設することで構成された動翼翼列を軸方向に複数段備えている。

【0031】

タービン３０は、ケーシング５の内周に、複数の静翼３１を周方向に設けることで構成された静翼翼列を軸方向に複数段備えている。静翼翼列は、軸方向に動翼翼列と交互になるように配置されている。そして、静翼翼列とこの静翼翼列の直下流の動翼翼列とで一つのタービン段落を構成する。タービン３０は、ケーシング５内に複数段のタービン段落を備える。

【0032】

次に、スクロール４０Ａの構成について詳しく説明する。

【0033】

図３は、第１の実施の形態のスクロール４０Ａにおける出口部の径方向の断面を拡大して示した図である。なお、図３において、変形抑制部材８０は、断面図で示されていない。図４は、第１の実施の形態のスクロール４０Ａにおける出口部の固定座部５２を径方向外側から見たときの平面図である。図５は、第１の実施の形態のスクロール４０Ａの変形抑制部材８０の平面図である。図６は、図５のＢ－Ｂ断面を示す図である。図７は、図５のＣ－Ｃ断面を示す図である。図８は、図５のＤ－Ｄ断面を示す図である。

【0034】

スクロール４０Ａは、燃焼器２０の燃焼器ライナ２１から排出された燃焼ガス２７を軸方向および周方向に流動させてタービンに導く。

【0035】

スクロール４０Ａは、外周壁５０と、外周壁５０のタービンロータ３３側に設けられた内周壁６０と、変形抑制部材８０とを備える。換言すれば、内周壁６０は、外周壁５０よりもタービンロータ３３の径方向の内側に配置されている。内周壁６０は、外周壁５０と所定の間隙をあけて設けられている。

【0036】

ここで、タービンロータ３３の径方向は、中心軸Ｏに対して垂直な方向である。以下においてタービンロータ３３の径方向を単に径方向と称する。径方向の内側は、径方向で中心軸Ｏに近づく側を意味する。以下において径方向の内側を径方向内側と称する。また、径方向の外側は、径方向で中心軸Ｏから遠ざかる側を意味する。以下において径方向の外側を径方向外側と称する。

【0037】

スクロール４０Ａは、図１および図２に示すように、燃焼器ライナ２１から排出された燃焼ガス２７を軸方向に導く屈曲流路部４１と、軸方向に導かれた燃焼ガス２７を周方向に導く環状流路部４２とを備える。

【0038】

屈曲流路部４１の上流端は、燃焼器ライナ２１の下流端に接続されている。屈曲流路部４１は、軸方向にほぼ９０度屈曲する曲がり流路を構成する。なお、屈曲流路部４１の出口側は、屈曲しながら周方向に広がる構成を有する。すなわち、屈曲流路部４１において、燃焼ガスの流れは、周方向にも広げられる。

【0039】

そして、屈曲流路部４１は、燃焼器ライナ２１から排出された燃焼ガス２７の流れをほぼ９０度偏流する。偏流された燃焼ガス２７の流れは、軸方向に流れる。

【0040】

環状流路部４２は、タービンロータ３３の周囲を覆うように設けられた環状通路７０を構成する。すなわち、スクロール４０Ａの出口４３側に形成される環状流路部４２では、内周壁６０と外周壁５０との間にタービンロータ３３の全周に亘って形成された環状通路７０を備える。

【0041】

環状流路部４２は、屈曲流路部４１から排出された燃焼ガス２７の流れを周方向に広げる。環状流路部４２において、軸方向の速度成分を有する燃焼ガス２７は、周方向に均一に広がる。

【0042】

環状流路部４２（スクロール４０Ａ）の出口４３は、初段の静翼３１に対向する。そして、環状流路部４２内を流れる燃焼ガス２７は、出口４３から初段の静翼３１に向けて噴出される。

【0043】

変形抑制部材８０は、図１－図３に示すように、スクロール４０Ａ（環状流路部４２）の出口部の周方向に複数設けられている。換言すれば、変形抑制部材８０は、出口４３近傍のスクロール４０Ａの周方向に複数設けられている。変形抑制部材８０は、例えば、周方向に等間隔に設けられている。

【0044】

変形抑制部材８０は、環状流路部４２を構成する外周壁５０および内周壁６０を径方向に貫通している。変形抑制部材８０の一端は、外周壁５０に着脱可能に固定されている。変形抑制部材８０の他端は、内周壁６０に着脱可能に固定されている。図３に示すように、変形抑制部材８０は、外周壁５０および内周壁６０にボルト９３またはナット１１１によって着脱可能に締結されている。

【0045】

図３および図４に示すように、外周壁５０における径方向外側の外周面５１には、変形抑制部材８０の一端を固定する固定座部５２が形成されている。また、図３に示すように、内周壁６０における径方向内側の内周面６１には、変形抑制部材８０の他端を固定する固定座部６２が形成されている。なお、固定座部５２は、第１の固定座部として機能し、固定座部６２は、第２の固定座部として機能する。

【0046】

固定座部５２は、外周面５１から径方向外側に突出している。固定座部５２の径方向外側の端面５３は、平面で構成されている。固定座部５２には、後述する変形抑制部材８０の固定フランジ部９０を固定するためのネジ穴５４が形成されている。

【0047】

また、固定座部５２および外周壁５０には、後述する変形抑制部材８０の本体部１００および固定ネジ部１１０を挿入して貫通させるための挿入穴５５が形成されている。この挿入穴５５の形状は、例えば、本体部１００の形状に対応して設定される。すなわち、図４に示すように、固定座部５２は、中央に挿入穴５５を有する環状の突出構造体である。

【0048】

固定座部６２は、内周面６１から径方向内側に突出している。固定座部６２の径方向内側の端面６３は、平面で構成されている。端面６３には、図３に示すように、ナット１１１が当接する。

【0049】

固定座部６２および内周壁６０には、後述する変形抑制部材８０の固定ネジ部１１０を貫通させるための貫通孔６４が形成されている。この貫通孔６４の孔径は、固定ネジ部１１０の外径に対応して設定される。すなわち、固定座部６２は、中央に貫通孔６４を有する環状の突出構造体である。

【0050】

変形抑制部材８０は、図５に示すように、固定フランジ部９０と、本体部１００と、固定ネジ部１１０とを備える。固定フランジ部９０、本体部１００および固定ネジ部１１０は、一体的に形成されてもよい。また、変形抑制部材８０は、それぞれを別個に形成された、固定フランジ部９０、本体部１００、固定ネジ部１１０を接合して構成されてもよい。

【0051】

固定フランジ部９０は、図５および図６に示すように、例えば、円形の平板状部材で構成される。固定フランジ部９０の裏面９１（本体部１００側の面）の外縁は、固定座部５２の端面５３に当接する。そのため、固定フランジ部９０の裏面９１は、端面６３と同様に、平面で構成されている。

【0052】

固定フランジ部９０には、図６に示すように、固定フランジ部９０を固定座部５２に固定するボルト９３を貫通させるための貫通孔９２が形成されている。貫通孔９２は、固定座部５２に形成されたネジ穴５４に対応させた位置に形成される。また、固定フランジ部９０には、本体部１００の導入通路１０３に冷却媒体を導入する導入孔９４が形成されている。この導入孔９４は、本体部１００の導入通路１０３に連通するように、導入通路１０３に対応させた位置に形成されている。

【0053】

固定フランジ部９０は、径方向外側から固定座部５２にボルト９３によって着脱可能に締結される。すなわち、変形抑制部材８０の径方向外側の端部は、ボルト９３によって径方向外側から外周壁５０の外周面５１（固定座部５２）に着脱可能に締結される。

【0054】

本体部１００は、固定フランジ部９０の裏面９１から裏面９１に対して垂直な方向に延びる柱体で構成される。変形抑制部材８０をスクロール４０Ａに固定した際、図３に示すように、固定フランジ部９０の裏面９１から径方向内側に延びる本体部１００は、外周壁５０を貫通し、本体部１００の先端面１０１が内周壁６０における径方向外側の外周面６５に当接する。

【0055】

外周面６５には、例えば、径方向内側に凹んだ凹部６６が形成されている。凹部６６の底面６７は、本体部１００の先端面１０１と当接するために、先端面１０１と同様に、平面で構成される。凹部６６には、先端面１０１を含む先端部１０２の一部が嵌合する。凹部６６を備えることで、本体部１００の先端部１０２は、支持されるともに位置決めされる。

【0056】

ここで、本体部１００の長手方向の長さ（径方向の長さ）は、外周壁５０と内周壁６０と間の予め設定された間隙距離に基づいて設定される。すなわち、先端面１０１を凹部６６の底面６７に当接させて変形抑制部材８０を設置した際、図３に示すように、本体部１００の長手方向の長さ（径方向の長さ）は、固定座部５２の端面５３から凹部６６の底面６７までの径方向の距離と等しい。

【0057】

本体部１００は、円柱などの柱体で構成される。本体部１００は、例えば、図７および図８に示すように、長手方向に垂直な断面が楕円形状の柱体で構成されことが好ましい。この場合、本体部１００は、燃焼ガス２７の流れの上流に向けて配置される前縁１０５と、燃焼ガス２７の流れの下流に向けて配置される後縁１０６を備える。すなわち、図７および図８に示された本体部１００において、燃焼ガス２７は、左側から右側に向かって流れる。このように本体部１００の形状を楕円形状などの流線形状とすることで、燃焼ガス２７の流れにおける圧力損失は小さくなる。

【0058】

本体部１００は、図７および図８に示すように、本体部１００を冷却する冷却構造を備えてもよい。本体部１００は、冷却構造として、例えば、導入通路１０３と、排出孔１０４とを備える。

【0059】

ここで、本体部１００を冷却する冷却媒体として、圧縮機１０からケーシング５内に供給された圧縮空気１１が使用される。この圧縮空気１１は、スクロール４０Ａの周囲に存在する。圧縮空気１１の温度は、環状通路７０を流れる燃焼ガス２７の温度よりも低い。なお、本体部１００の冷却に使用される圧縮空気１１を冷却媒体と称する。

【0060】

導入通路１０３は、固定フランジ部９０の導入孔９４を介してスクロール４０Ａの外側から本体部１００の内部に冷却媒体を導入する。導入通路１０３は、本体部１００の固定フランジ部９０側の端部から本体部１００の先端部１０２に向かって形成されている。導入通路１０３は、例えば、本体部１００の長手方向（径方向）に形成される。なお、導入通路１０３は、先端面１０１には貫通していない。

【0061】

本体部１００には、複数の導入通路１０３が形成されている。導入通路１０３は、例えば、図７および図８に示すように、本体部１００の外側面に近い外周縁部に形成されることが好ましい。これによって、高温となる本体部１００の外側面の冷却を促進することができる。

【0062】

また、複数の導入通路１０３を設けて、一つの導入通路１０３における流路断面積を小さくすることで、導入通路１０３を流れる冷却媒体の流速を上げることができる。これによって、冷却媒体と導入通路１０３の壁面との熱伝達を促進できる。

【0063】

排出孔１０４は、導入通路１０３に導入された冷却媒体を外部に排出する。変形抑制部材８０をスクロール４０Ａに固定した際、排出孔１０４は、冷却媒体を環状通路７０に排出する。

【0064】

図８に示すように、排出孔１０４の一端は、導入通路１０３に連通している。排出孔１０４の他端は、本体部１００における先端部１０２の側部に貫通している。このように、排出孔１０４は、導入通路１０３に連通する貫通孔で構成されている。なお、図３に示すように、先端部１０２を凹部６６に嵌合させた際、排出孔１０４は、外周面６５よりも径方向外側に位置している。

【0065】

ここで、排出孔１０４は、導入通路１０３に導入された冷却媒体を外部に排出する構成であればよい。排出孔１０４は、例えば、図８に示すように、燃焼ガス２７の流れの下流側に傾けて形成されることが好ましい。下流側に傾けて排出孔１０４を形成することで、本体部１００の周囲の燃焼ガス２７の流れと、排出孔１０４から排出される冷却媒体の流れとの干渉を抑制できる。これによって、燃焼ガス２７の流れにおける圧力損失は小さくなる。また、下流側に傾けて排出孔１０４を形成することで、排出孔１０４内への燃焼ガス２７の流入を防止できる。

【0066】

ここで、冷却構造としての、導入通路１０３および排出孔１０４の構成は、上記した構成に限られない。導入通路１０３は、本体部１００を冷却するために冷却媒体を本体部１００の内部に導入できる構成であればよい。また、排出孔１０４は、導入通路１０３に導入された冷却媒体を外部（環状通路７０）に排出できる構成であればよい。

【0067】

固定ネジ部１１０は、図５に示すように、本体部１００の先端面１０１から先端面１０１に対して垂直な方向に延びる棒状のネジ部材で構成される。変形抑制部材８０をスクロール４０Ａに固定した際、図３に示すように、本体部１００の先端面１０１から径方向内側に延びる固定ネジ部１１０は、内周壁６０および固定座部６２を貫通する。

【0068】

固定ネジ部１１０の側面には、ナット１１１と螺合するねじ山１１２が形成されている。固定ネジ部１１０は、ナット１１１によって固定座部６２に固定可能な長さに設定されている。

【0069】

そして、固定ネジ部１１０は、固定座部６２にナット１１１によって着脱可能に締結される。すなわち、変形抑制部材８０の径方向内側の端部は、ナット１１１によって径方向内側から内周壁６０の内周面６１（固定座部６２）に着脱可能に締結される。

【0070】

上記した変形抑制部材８０を固定する際、まず、径方向外側から変形抑制部材８０の固定ネジ部１１０側を挿入穴５５に挿入する。続いて、固定ネジ部１１０を貫通孔６４に貫通させて、本体部１００の先端面１０１を凹部６６の底面６７に当接させる。この際、固定フランジ部９０の裏面９１は、固定座部５２の端面５３に当接する。ここで、裏面９１を端面５３に当接させる際、固定フランジ部９０の貫通孔９２と固定座部５２のネジ穴５４とが連通するように調整される。

【0071】

続いて、貫通孔９２にボルト９３を挿入して、固定フランジ部９０を固定座部５２にボルト締結する。これによって、変形抑制部材８０の固定フランジ部９０は、外周壁５０の固定座部５２に径方向外側から着脱可能に固定される。

【0072】

また、固定座部６２の端面６３から径方向内側に突出した固定ネジ部１１０をナット１１１によって締め付ける。これによって、変形抑制部材８０の固定ネジ部１１０は、内周壁６０に径方向内側から着脱可能に固定される。

【0073】

上記したように、変形抑制部材８０はスクロール４０Ａに着脱可能に設けられる。なお、同様の方法で、複数の変形抑制部材８０は、図２に示すように、周方向に亘って外周壁５０および内周壁６０に着脱可能に設けられている。

【0074】

なお、上記したように、変形抑制部材８０は、本体部１００が外周壁５０を貫通し、固定ネジ部１１０が内周壁６０を貫通して固定されている。そのため、例えば、ボルト９３やナット１１１に損傷が生じた場合でも、変形抑制部材８０が環状通路７０の下流側へ飛ばされることはない。

【0075】

次に、ガスタービン１の作用について説明する。

【0076】

図１に示すように、燃料は、燃料ノズル２２から燃焼器ライナ２１内に供給される。圧縮機１０から排出された酸化剤である圧縮空気１１は、酸化剤供給部２３から燃焼器ライナ２１内に供給される。

【0077】

燃焼器ライナ２１内に導かれた燃料および圧縮空気１１は、燃焼して燃焼ガス２７となる。なお、圧縮空気１１は、例えば、導入孔２１ａからも燃焼器ライナ２１内に導入される。

【0078】

燃焼器ライナ２１から排出された燃焼ガス２７は、スクロール４０Ａに流入する。スクロール４０Ａの屈曲流路部４１に流入した燃焼ガス２７は、軸方向にほぼ９０度偏流される。そして偏流された燃焼ガス２７は、環状流路部４２に流入する。環状流路部４２に流入した燃焼ガス２７は、周方向に広がる。

【0079】

燃焼ガス２７は、環状流路部４２において周方向に均一に広がる。これによって、燃焼ガス２７の流れは、環状流路部４２の環状の流路内においてほぼ均一な速度分布となる。

【0080】

そして、燃焼ガス２７は、スクロール４０Ａの出口４３近傍の周方向に設けられた変形抑制部材８０の間を通過して初段の静翼３１に向けて噴出される。この際、燃焼ガス２７は、環状の出口４３から周方向に亘ってほぼ均一な速度で噴出される。

【0081】

燃焼ガス２７は、初段の静翼３１から初段の動翼３２に噴出される。そして、タービン３０内に導入された燃焼ガス２７は、タービン３０を回動させる。なお、図示しない発電機は、タービン３０の回動によって駆動され、発電する。

【0082】

ここで、スクロール４０Ａ内には、高温の燃焼ガス２７が流れる。スクロール４０Ａの外周には、燃焼ガス２７の温度よりも低い温度の圧縮空気１１が流れる。なお、この圧縮空気１１は、燃焼器ライナ２１やスクロール４０Ａを冷却する冷却媒体としても機能する。

【0083】

また、燃焼器ライナ２１内に圧縮空気１１の一部を導入可能なように、圧縮空気１１の圧力は、燃焼ガス２７の圧力よりも高く設定されている。すなわち、スクロール４０Ａの外周を流れる圧縮空気１１の圧力は、環状流路部４２の環状通路７０を流れる燃焼ガス２７の圧力よりも高い。

【0084】

そのため、環状流路部４２内の燃焼ガス２７の圧力と環状流路部４２の外周の圧縮空気１１の圧力との間には圧力差（内外差圧）が生じる。そのため、環状流路部４２は、この内外差圧による力を受ける。

【0085】

スクロール４０Ａの環状流路部４２において、外周壁５０は、内周壁６０よりも内外差圧によって変形しやすい。また、外周壁５０において、スクロール４０Ａの出口４３近傍の出口部は変形しやすい。内外差圧によって、例えば、水平方向位置の外周壁５０は、径方向内側に変形し、鉛直方向位置の外周壁５０は、径方向外側に変形する。

【0086】

しかしながら、スクロール４０Ａは、変形抑制部材８０を出口４３近傍の出口部に備えることによって、外周壁５０の径方向への変形が抑制される。

【0087】

具体的には、外周壁５０の径方向外側への変形は、ナット１１１によって固定ネジ部１１０を内周壁６０に固定させることおよび固定フランジ部９０を固定座部５２の端面５３に当接させることよって抑制される。また、外周壁５０の径方向内側への変形は、本体部１００の先端面１０１を凹部６６の底面６７に当接させることおよびボルト９３によって固定フランジ部９０を外周壁５０に固定することによって抑制される。

【0088】

ここで、固定フランジ部９０の導入孔９４を介して導入通路１０３内に導入された冷却媒体は、径方向内側に流れながら導入通路１０３の壁面を冷却する。そして、本体部１００を冷却した冷却媒体は、排出孔１０４から環状通路７０に排出される。これによって、環状通路７０を流れる燃焼ガス２７に曝される本体部１００が冷却される。

【0089】

上記したように、第１の実施の形態のスクロール４０Ａによれば、変形抑制部材８０を備えることで、スクロール４０Ａの内部と外部との間に内外差圧が発生する場合においても、スクロール４０Ａの変形を抑制することができる。また、ガスタービンがさらに高圧化されて内外差圧が増加する場合にもいても、変形抑制部材８０を備えることで、スクロール４０Ａの変形を抑制することができる。

【0090】

さらに、変形抑制部材８０を備えることで、外周壁５０の径方向外側への変形および外周壁５０の径方向内側への変形の双方を抑制することができる。そのため、変形抑制部材８０において、配置される位置の変形方向に基づいて構造などを設計変更することなく、一つの構造でスクロール４０Ａの周方向の各位置における変形を抑制することができる。

【0091】

これによって、スクロール４０Ａの出口４３において外周壁５０と内周壁６０との間隙を周方向に亘って所定の間隙に維持することができる。すなわち、スクロール４０Ａの出口４３において、例えば、外周壁５０が適正なサイズおよび形状に維持されるため、初段の静翼に適正に燃焼ガス２７を噴出することができる。

【0092】

変形抑制部材８０は、着脱可能にスクロール４０Ａに備えられているため、変形抑制部材を容易に交換することができる。

【0093】

また、変形抑制部材８０に冷却構造を備えることで、変形抑制部材８０を構成する材料の耐熱温度を超える温度環境下においても、変形抑制部材８０を使用することができる。

【0094】

ここで、第１の実施の形態のスクロール４０Ａにおいて、変形抑制部材８０の構成は、上記した構成に限られない。

【0095】

例えば、環状通路７０を流れる燃焼ガス２７の温度が変形抑制部材８０を構成する材料の耐熱温度よりも低い場合には、変形抑制部材８０は、冷却構造を備えることなく構成されてもよい。この場合、本体部１００において、導入通路１０３、排出孔１０４の構成は不要となる。また、固定フランジ部９０において、導入孔９４の構成は不要となる。冷却構造を備えない変形抑制部材８０において、本体部１００は、例えば、中実の柱体で構成される。

【0096】

（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態のスクロール４０Ｂにおける出口部の径方向の断面を拡大して示した図である。なお、図９において、変形抑制部材１２０は、断面図で示されていない。図１０は、第２の実施の形態のスクロール４０Ｂの変形抑制部材１２０の平面図である。図１１は、第２の実施の形態のスクロール４０Ｂの変形抑制部材１２０の縦断面を示す図である。図１２は、図１０のＥ－Ｅ断面を示す図である。図１３は、図１１のＦ－Ｆ断面を示す図である。図１４は、図１１のＧ－Ｇ断面を示す図である。

【0097】

なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態のスクロール４０Ａと同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

【0098】

第２の実施の形態のスクロール４０Ｂにおいては、変形抑制部材１２０以外は第１の実施の形態のスクロール４０Ａの構成と同じである。具体的には、変形抑制部材１２０におおける冷却構造が、第１の実施の形態のスクロール４０Ａの変形抑制部材８０における冷却構造と異なる。そのため、ここでは、主に変形抑制部材１２０の構成について説明する。

【0099】

図９に示すように、変形抑制部材１２０は、第１の実施の形態の変形抑制部材８０と同様に、環状流路部４２における外周壁５０および内周壁６０を径方向に貫通している。変形抑制部材１２０の一端は、ボルト９３によって外周壁５０に着脱可能に固定されている。変形抑制部材１２０の他端は、ナット１１１によって内周壁６０に着脱可能に固定されている。

【0100】

変形抑制部材１２０は、図１０に示すように、固定フランジ部１３０と、本体部１４０と、固定ネジ部１１０とを備える。固定フランジ部１３０、本体部１４０および固定ネジ部１１０は、一体的に形成されてもよい。また、変形抑制部材１２０は、それぞれを別個に形成された、固定フランジ部１３０、本体部１４０、固定ネジ部１１０を接合して構成されてもよい。

【0101】

固定フランジ部１３０の構成は、本体部１４０内に冷却媒体を導入する導入孔１３３の構成以外は、第１の実施の形態における固定フランジ部９０の構成と同じである。固定フランジ部１３０には、図１２に示すように、固定フランジ部１３０を固定座部５２に固定するボルト９３を貫通させるための貫通孔１３２が形成されている。なお、貫通孔１３２の構成は、第１の実施の形態の固定フランジ部９０の貫通孔９２の構成と同じである。

【0102】

また、固定フランジ部１３０には、本体部１４０の内筒部１５０内に冷却媒体を導入する導入孔１３３が形成されている。この導入孔１３３は、本体部１４０の内筒部１５０内に連通する位置に形成されている。

【0103】

円形の平板状部材で構成された固定フランジ部１３０の裏面１３１（本体部１４０側の面）の外縁は、固定座部５２の端面５３に当接する。固定フランジ部１３０は、径方向外側から固定座部５２にボルト９３によって着脱可能に締結される。

【0104】

本体部１４０は、固定フランジ部１３０の裏面１３１から裏面１３１に対して垂直な方向に延びる。本体部１４０は、図１１、図１３、図１４に示すように、内筒部１５０と、外筒部１６０とを備える。

【0105】

内筒部１５０は、本体部１４０内に冷却媒体を導入する筒状部材で構成されている。外筒部１６０は、内筒部１５０を囲むように内筒部１５０の外側に設けられた筒状部材で構成されている。換言すれば、内筒部１５０は、外筒部１６０との間に所定の間隙をあけて外筒部１６０内に収容されている。

【0106】

すなわち、図１３および図１４に示すように、本体部１４０は、内筒部１５０と外筒部１６０とで構成される二重管構造を有する。これによって、外筒部１６０の内側面１６１と内筒部１５０の外側面１５１との間に空間１７０が形成される。

【0107】

内筒部１５０および外筒部１６０において、図１３および図１４に示すように、長手方向に垂直な断面（径方向に垂直な断面）の形状が楕円形状に構成される。この場合、外筒部１６０の前縁１６２は、燃焼ガス２７の流れの上流に向けて配置され、外筒部１６０の後縁１６３は、燃焼ガス２７の流れの下流に向けて配置される。外筒部１６０の形状を楕円形状などの流線形状とすることで、燃焼ガス２７の流れにおける圧力損失は小さくなる。

【0108】

図１１に示すように、外筒部１６０の一端は、固定フランジ部１３０の裏面１３１に接合されている。外筒部１６０の他端は、封止端壁１６４によって封止されている。なお、外筒部１６０は、例えば、一端が開口し、他端が閉じられた筒体部材で構成されてもよい。この場合は、封止端壁１６４は不要となる。

【0109】

内筒部１５０は、例えば、両端が開口した筒状部材で構成されている。例えば、内筒部１５０の一端は、固定フランジ部１３０の裏面１３１に接続され、内筒部１５０の他端は、封止端壁１６４に当接している。

【0110】

内筒部１５０は、内部に導入された冷却媒体を外筒部１６０の内側面１６１に向けて噴出する複数の噴出孔１５２を備える。噴出孔１５２は、例えば、内筒部１５０の長手方向（径方向）に所定の間隔で設けられる。また、噴出孔１５２は、例えば、前縁１５３から後縁１５４に向かって所定の間隔で設けられる。大部分の噴出孔１５２は、図１４に示すように、後縁１５４側よりも前縁１５３側に設けられる。これによって、高温となる外筒部１６０の前縁１６２側を積極的に冷却することができる。

【0111】

外筒部１６０は、噴出孔１４２から噴出された冷却媒体を外部に排出する複数の排出孔１６５を有する。変形抑制部材１２０をスクロール４０Ｂに固定した際、排出孔１６５は、冷却媒体を環状通路７０に排出する。

【0112】

排出孔１６５は、噴出孔１５２が形成された位置と対向する位置からずらした位置に形成される。すなわち、排出孔１６５は、噴出孔１５２から噴出された冷却媒体が直接排出孔１６５を介して外部に排出されない位置に設けられる。これによって、噴出孔１５２から噴出された冷却媒体は、外筒部１６０の内側面１６１に衝突する。このように、冷却媒体を内側面１６１に衝突させてインピンジメント冷却することで、外筒部１６０の冷却が促進される。

【0113】

大部分の排出孔１６５は、図１０および図１３に示すように、外筒部１６０の前縁１６２側に設けられている。ここで、外筒部１６０において、前縁１６２側は、後縁１６３側よりも高温となる。そのため、前縁１６２側から冷却媒体を排出することで、冷却媒体が燃焼ガス２７と外筒部１６０の外側面１６６との間に存在する領域が形成される。このようなフィルム冷却によって、燃焼ガス２７が直接外側面１６６に接触することが抑制され、外筒部１６０の温度上昇が抑制される。

【0114】

変形抑制部材１２０をスクロール４０Ｂに固定した際、図９に示すように、固定フランジ部１３０の裏面１３１から径方向内側に延びる本体部１４０は、外周壁５０を貫通し、外筒部１６０の封止端壁１６４の端面が内周壁６０における凹部６６の底面６７に当接する。

【0115】

ここで、固定ネジ部１１０は、外筒部１６０の封止端壁１６４から封止端壁１６４の端面に対して垂直な方向に延びる棒状のネジ部材で構成される。なお、固定ネジ部１１０については、前述したとおりである。

【0116】

変形抑制部材１２０をスクロール４０Ｂに固定する工程は、前述した変形抑制部材８０をスクロール４０Ａに固定する工程と同じである。なお、変形抑制部材１２０は、変形抑制部材８０と同様に、スクロール４０Ｂ（環状流路部４２）の出口部の周方向に複数設けられる。

【0117】

上記した変形抑制部材１２０を備えるスクロール４０Ａにおいて、冷却媒体は、固定フランジ部１３０の導入孔１３３を介して内筒部１５０内に導入される。内筒部１５０内に導入された冷却媒体は、内筒部１５０内に広がり、噴出孔１５２から外筒部１６０の内側面１６１に向けて噴出される。

【0118】

噴出孔１５２から噴出された冷却媒体は、内側面１６１に衝突して外筒部１６０を内部から冷却する。このインピンジメント冷却によって、外筒部１６０の冷却が促進される。

【0119】

内側面１６１に衝突した冷却媒体は、排出孔１６５から環状通路７０に排出される。この際、フィルム冷却によって、燃焼ガス２７が直接外筒部１６０の外側面１６６に接触することが抑制され、外筒部１６０の温度上昇が抑制される。

【0120】

第２の実施の形態のスクロール４０Ｂにおいても、第１の実施の形態のスクロール４０Ａと同様に、変形抑制部材１２０によって、外周壁５０の径方向への変形が抑制される。具体的には、外周壁５０の径方向外側への変形は、ナット１１１によって固定ネジ部１１０を内周壁６０に固定させることおよび固定フランジ部１３０を固定座部５２の端面５３に当接させることよって抑制される。また、外周壁５０の径方向内側への変形は、外筒部１６０の先端端面を凹部６６の底面６７に当接させることおよびボルト９３によって固定フランジ部１３０を外周壁５０に固定させることによって抑制される。

【0121】

上記したように、第２の実施の形態のスクロール４０Ｂによれば、変形抑制部材１２０を備えることで、スクロール４０Ｂの変形に関して、第１の実施の形態のスクロール４０Ａと同様の作用効果が得られる。すなわち、変形抑制部材１２０を備えることで、スクロール４０Ｂの内部と外部との間に内外差圧が発生する場合においても、スクロール４０Ｂの変形を抑制することができる。

【0122】

また、変形抑制部材１２０を備えることで、外周壁５０の径方向外側への変形および外周壁５０の径方向内側への変形の双方を抑制することができる。変形抑制部材１２０は、着脱可能にスクロール４０Ｂに備えられているため、変形抑制部材を容易に交換することができる。

【0123】

変形抑制部材１２０に冷却構造を備えることで、変形抑制部材１２０を構成する材料の耐熱温度を超える温度環境下においても、変形抑制部材１２０を使用することができる。また、変形抑制部材１２０の冷却構造では、インピンジメント冷却およびフィルム冷却を機能させることで、変形抑制部材１２０の冷却が促進される。

【0124】

（他の実施の形態）

【0125】

上記した本実施の形態では、上半側に燃焼器２０を備えた一例を示したが、この構成に限られない。燃焼器２０は、下半側に備えられてもよい。この場合、燃焼器２０は、ケーシング５を、例えば、鉛直下方から貫通して配置されている。また、燃焼器２０は、上半側および下半側の双方に備えられてもよい。

【0126】

また、上記した本実施の形態では、ケーシング５を備えた一例を示したが、ケーシングの構造は、内部ケーシングの外周に外部ケーシングを備える二重ケーシング構造であってもよい。

【0127】

以上説明した実施形態によれば、変形抑制部材を備えることで、周方向亘ってスクロールの出口の変形を抑制するとともに、変形抑制部材を容易に交換することが可能となる。

【0128】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0129】

１…ガスタービン、５…ケーシング、１０…圧縮機、１１…圧縮空気、１２…ガイド部材、２０…燃焼器、２１…燃焼器ライナ、２１ａ…導入孔、２２…燃料ノズル、２３…酸化剤供給部、２４…燃焼器ケーシング、２５…蓋部材、２６…燃料供給管、２７…燃焼ガス、３０…タービン、３１…静翼、３２…動翼、３３…タービンロータ、４０Ａ、４０Ｂ…スクロール、４１…屈曲流路部、４２…環状流路部、４３…出口、５０…外周壁、５１、６５…外周面、５２、６２…固定座部、５３、６３…端面、５４…ネジ穴、５５…挿入穴、６０…内周壁、６１…内周面、６４、９２、１３２…貫通孔、６６…凹部、６７…底面、７０…環状通路、８０、１２０…変形抑制部材、９０、１３０…固定フランジ部、９１、１３１…裏面、９３…ボルト、９４、１３３…導入孔、１００、１４０…本体部、１０１…先端面、１０２…先端部、１０３…導入通路、１０４、１６５…排出孔、１０５、１５３、１６２…前縁、１０６、１５４、１６３…後縁、１１０…固定ネジ部、１１１…ナット、１１２…ねじ山、１４２、１５２…噴出孔、１５０…内筒部、１５１、１６６…外側面、１６０…外筒部、１６１…内側面、１６４…封止端壁、１７０…空間、Ｏ…中心軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】