JP5518235B2 - 分割環冷却構造およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに適用される分割環冷却構造およびガスタービンに関する。

従来、発電等に用いられるガスタービンは、タービン部を高温高圧の燃焼ガスが通過するため、安定した運転を継続するためには分割環等の冷却が重要となる。特に、近年はガスタービンの熱効率の向上のため、更なる燃焼ガスの高温化が進みつつあり、一段の冷却能力の強化が必要とされている。

図１０は、従来のガスタービンの全体構成図を示す。ガスタービン１は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２から送られてきた圧縮空気に燃料ＦＬを噴射して燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器３と、この燃焼器３の燃焼ガスの流れ方向の下流側に設けられ、燃焼器３を出た燃焼ガスにより駆動されるタービン部４と、発電機６と、圧縮機２とタービン部４と発電機６を一体に締結する回転軸５とで構成されている。

図１１は、ガスタービンのタービン部４に関する内部構造を示す断面図である。
ガスタービンは、燃焼器３で発生させた燃焼ガスＦＧをタービン静翼７及びタービン動翼８に供給し、タービン動翼８を回転軸５の廻りに回転させて、回転エネルギーを電力に変換している。タービン静翼７およびタービン動翼８は、燃焼ガスの流れ方向（図１１の紙面上で左側から右側の方向）の上流側から下流側に向かって交互に配置されている。また、タービン動翼８は、回転軸５の周方向に複数配置され、回転軸５と一体となって回転している。

図１２は、従来の分割環の要部断面図である。分割環６０は、回転軸５の周方向に環状に配置された複数の分割体６１より形成され、全体として回転軸５を中心とした環状体を形成している。分割体６１は、フック６２および遮熱環６６を介して車室６７に支持されている。また、遮熱環６６から支持される衝突板６４は、複数の小孔６５を備え、車室６７へ供給された冷却空気ＣＡが小孔６５から下方に吹き出して、分割体６１の本体の上面をインピンジメント冷却する。また分割体６１には、回転軸５の軸方向に複数の冷却流路６３が設けられ、冷却空気が分割体６１の本体内を軸方向に流れて、分割体６１を対流冷却している。また、タービン動翼８の外周側には分割環６０が回転軸５を中心に環状に配置され、分割環６０とタービン動翼８の先端との間には、相互の干渉を避けるため、一定の隙間が設けられている。なお、燃焼ガスの流れ方向の下流側にある分割体６１の下流側端面６９は、回転するタービン動翼８の後縁端ＴＥより燃焼ガスの流れ方向の下流側に位置している。

図１３は、図１２に示す分割環６０の斜視図である。この例では、分割体６１の回転軸５の軸方向（図１３の紙面上で左下側から右上側の方向）に沿った側端部７０に開口３３が配列されている。分割体６１の本体をインピンジメント冷却した後の冷却空気は、側端部７０に設けられた冷却流路（図示せず）に供給され、開口３３より燃焼ガス中に吹き出す際、側端部７０を対流冷却している。

分割環６０を冷却するため、例えば、圧縮機２の抽気空気の一部の冷却空気が、車室６７の供給孔から分割環６０の各分割体６１に供給される。冷却空気は、衝突板６４に開口する小孔６５を介して、衝突板６４と分割体６１で囲まれた冷却空間７１に吹き出し、分割体６１の本体の上面（冷却空間に接する面）をインピンジメント冷却する。インピンジメント冷却後の冷却空気は、冷却流路６３を経由して分割体６１の燃焼ガスの流れ方向の下流側端面から燃焼ガス中に吹き出し、冷却空気により分割体６１の本体が対流冷却される。また、側端部７０に沿って配置された開口３３から燃焼ガス中に冷却空気の一部を排出することにより、分割体６１の側端部７０が対流冷却される。

特許文献１には、前述の分割環冷却構造の一例が示されている。

特開２００４−１００６８２号公報

タービン部において、タービン静翼およびタービン動翼の外周を通過する燃焼ガスは、燃焼ガスの保有する熱エネルギーを回転エネルギーに変換しつつ、燃焼ガスの流れ方向の上流側より下流側に向かって流れる過程で、次第に圧力が低下する。

一方、特許文献１に示す発明では、分割体の側端部は、側端部に沿って燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側にかけて冷却孔を配置し、冷却孔からインピンジメント冷却後の冷却空気を吹き出すことにより、側端部を対流冷却している。冷却孔は、通常同一の孔径及び孔ピッチで配列されている。燃焼ガスの圧力低下とともに、燃焼ガスの圧力と冷却空間内の空気圧力の差圧は、下流側ほど大きくなる。従って、冷却孔から吹き出す冷却空気は、下流側では冷却に必要な空気量以上が流れて、冷却空気量の損失を招くという問題点があった。

本発明は、上述の問題点に鑑みなされたもので、分割環の側端部を冷却する冷却空気量の低減を図り、分割環全体の冷却空気量の適正化とガスタービンの熱効率の向上を目的とした分割環冷却構造およびガスタービンを提供することを目的としている。

本発明は、上記の問題点を解決するため、下記の手段を採用した。
すなわち、周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、前記分割体の内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、前記分割体は、前記車室の外部より供給された冷却空気を吹き出させ、前記分割体の本体をインピンジメント冷却する小孔を備えた衝突板と、該衝突板と前記分割体の本体より囲まれた冷却空間と、前記分割体の回転軸の軸方向に沿った側端部のうち、少なくとも一方の側端部に沿って回転軸の軸方向に配置され、前記冷却空間よりインピンジメント冷却後の冷却空気を受入れる第１キャビティと、一端が前記第１キャビティに連通し、他端が前記側端部に配列された開口より燃焼ガス中に冷却空気を吹き出す複数の第１冷却流路と、から構成され、複数の前記第１冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって配列され、前記燃焼ガスの前記流れ方向の位置であって、前記回転軸の周方向で隣接する前記タービン動翼間で該タービン動翼の最大翼厚点に対応する位置からスロート点に対応する位置までの間に点が定められ、前記点の上流側では、前記開口の配列ピッチが下流側より小さく又は前記開口の開口面積が大きく、前記点の下流側では、前記開口の配列ピッチが下流側より大きく又は前記開口の開口面積が小さいこと、を特徴とする。

本発明によれば、分割体の側端部に配列された第１冷却流路の開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側で配列ピッチが小さくまたは開口面積が大きくなるように配列され、下流側で配列ピッチが大きくまたは開口面積が小さくなるように配列されているので、分割体の側端部の下流側から燃焼ガス中に吹き出す冷却空気量が低減され、側端部を冷却する冷却空気量が適正化される。また、冷却空気量の低減により、ガスタービンの熱効率が向上する。

本発明における第１冷却流路の開口は、少なくとも回転軸の回転方向の前方側の側端部に配置されていることが望ましい。

本発明によれば、側端部は回転方向の後方側より前方側で熱負荷が高いので、側端部の焼損を防止できる。

本発明における側端部は、前記点を境にして前記燃焼ガスの前記流れ方向に沿って２つの領域に分けられ、上流側の第１領域では、下流側の第２領域より前記第１冷却流路の前記開口の配列ピッチが小さくまたは前記開口の開口面積が大きく、下流側の第２領域では、前記第１領域より前記開口の配列ピッチが大きくまたは前記開口の開口面積が小さいことが望ましい。

本発明によれば、第２領域では第１領域に比較して燃焼ガスの圧力低下が著しく、第２領域の開口から燃焼ガス中に吹き出す冷却空気量が制限され、第２領域の冷却空気量が低減されるので、分割体全体の冷却空気量が低減される。

本発明における側端部には、前記スロート点に対応する位置に下流側点が定められ、該下流側点よりも前記流れ方向の上流側に前記点としての上流側点が定められ、前記側端部は、前記流れ方向で前記上流側点よりも上流側の第１領域と、前記流れ方向で前記上流側点と前記下流側点との間の第２領域と、前記流れ方向で前記下流側点よりも下流側の第３領域に分けられ、前記第１領域では、他の領域より前記開口の配列ピッチが小さくまたは前記開口の開口面積が大きく、前記第３領域では、他の領域より前記開口の配列ピッチが大きくまたは前記開口の開口面積が小さく、前記第２領域では、上流側から下流側に向かって前記開口の配列ピッチが順次大きくなりまたは前記開口の開口面積が順次小さくなることが望ましい。

本発明によれば、第１冷却流路の開口を上流側から下流側に向かって３つの領域に分け、各領域の開口の配列ピッチを上流側から下流側に向かって大きくなるようにまたは開口の開口面積が小さくなるように選定し、特に圧力低下が激しい第２領域において、上流側から下流側に向かって開口の配列ピッチを順次大きくまたは開口の開口面積を順次小さくしたので、第２領域の冷却空気量の適正化が図られ、分割体全体の冷却空気量が低減される。

本発明の分割体は、分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって回転軸の軸方向に直交するように配置された第２キャビティと、回転軸の軸方向に設けられ冷却空間から第２キャビティに連通する第２冷却流路と、回転軸の軸方向に設けられ第２キャビティから分割体の下流側端部において燃焼ガス中に開口する第３冷却流路と、を備えることが望ましい。

本発明によれば、分割体本体および上流側端部を冷却する冷却空気量が低減され、分割体全体の冷却空気量の低減を図れる。

本発明は、第２冷却流路および第３冷却流路が、第２キャビティを介して回転軸の軸方向に折り返す構造を備えていることが望ましい。

本発明によれば、回転軸の軸方向の冷却流路が折返し構造を備えることによって冷却流路が直列に接続されるので、分割体の本体の燃焼ガスの流れ方向の冷却流路の長さが最長となり、本体の冷却空気量の低減が図れる。

本発明は、前述の分割環冷却構造を備えたガスタービンであることが望ましい。

本発明によれば、分割環の冷却空気量の適正化が図れるので、ガスタービンの熱効率が向上する。

前述した本発明によれば、分割環本体の側端部を冷却する冷却空気量が低減され、分割環全体の冷却空気量の適正化が図れるとともにガスタービン全体の熱効率が向上する。

図１は、実施例１の分割環の要部断面図を示す。 図２は、実施例１に示す分割体の平面断面図を示す。 図３は、図２に示す分割体の縦断面図（断面Ａ−Ａ）を示す。 図４は、図２に示す分割体の縦断面図（断面Ｂ−Ｂ）を示す。 図５Ａは、タービン動翼の翼プロファイルを示す。 図５Ｂは、燃焼ガスの圧力分布及び冷却空気側の熱伝達率の分布と軸方向の長さＬの関係を示す。 図５Ｃは、分割体の側端部の開口の配置を示す。 図６Ａは、実施例１に係わる側端部の開口の配置の変形例１を示す。 図６Ｂは、実施例１に係わる側端部の開口の配置の変形例２を示す。 図７Ａは、実施例２に係わる燃焼ガスの圧力分布及び冷却空気側の熱伝達率の分布と軸方向の長さＬの関係を示す。 図７Ｂは、実施例２に係わる側端部の開口の配置を示す。 図７Ｃは、実施例２に係わる側端部の開口の配置の変形例３を示す。 図７Ｄは、実施例２に係わる側端部の開口の配置の変形例４を示す。 図８は、実施例３の分割体の平面断面図を示す。 図９は、実施例４の分割体の平面断面図を示す。 図１０は、ガスタービンの全体構成を示す。 図１１は、タービン部の内部構造を示す。 図１２は、従来例に示す分割環の要部断面図を示す。 図１３は、従来例に示す分割環の斜視図を示す。

本発明に係る分割環冷却構造およびガスタービンについて、その実施例を図１〜図１０に基づいて以下に説明する。

（実施例１）
実施例１について、図１〜図６Ｂおよび図１０、図１１に基づき以下に説明する。
タービン部は、従来技術の図１１および図１２で説明した内容と同一の構成であるので、詳細な説明は省略する。共通する部品名称および符号は、同一の名称および符号を使用する。

図１は、ガスタービンの分割環の要部断面を示している。
分割環１０は、車室６７に支持されたタービン部４の構成部材であって、回転軸５の周方向に配設されて環状をなす複数の分割体１１で形成される。分割体１１は、背景技術で説明したように、分割体１１の本体の内周面１２ｂとタービン動翼８の先端８ａの間に一定の隙間が確保されるように配置されている。分割体１１は、たとえば耐熱性ニッケル合金等から形成されている。

分割体１１は、本体（底板）１２と、フック１３と、衝突板１４が、主要な構成要素である。分割体１１は、燃焼ガスＦＧの流れ方向の上流側（以下「上流側」と呼ぶ）および燃焼ガスの流れ方向の下流側（以下「下流側」と呼ぶ）に設けられたフック１３を介して遮熱環３４に取り付けられ、遮熱環３４を介して車室６７に支持されている。分割体１１は、本体１２と、衝突板１４と、上流側および下流側に配置されたフックと、回転軸５の軸方向に沿って設けられた側端部１８、１９（図４参照）を備える。冷却空間３５は、分割体１１内に形成され、分割体１１の本体１２および衝突板１４に挟まれた空間であり、分割体本体１２の上面１２ａ側に接する空間である。

冷却空間３５の上部は、衝突板１４で仕切られ、衝突板１４には、冷却空気ＣＡが通過する多数の小孔１５が設けられている。衝突板１４の上方には、車室６７内の冷却空気が供給孔６８を介して導入される受入空間３６が配置されている。受入空間３６内に供給された冷却空気は、全体が略同一の圧力に均圧化された状態で小孔１５から冷却空間３５内に吹き出し、分割体１１の本体１２の上面１２ａをインピンジメント冷却する。

図２は、車室６７側から回転軸５の中心方向を見た場合の分割体１１の平面断面図である。図２を参照して、分割体１１の側端部１８、１９の冷却構造を説明する。
分割体１１の回転軸５の回転方向Ｒの前方側（以下「前方側」と呼ぶ）の側端部１８には、冷却空間３５から連絡路２２を介して前方側端部キャビティ２０（第１キャビティ）に接続して、前方側端部キャビティ２０から燃焼ガスＦＧ中に連通する前方側端部冷却流路２１（第１冷却流路）が配置されている。前方側端部冷却流路２１は、回転軸５の軸方向に略直交する方向に配置されているが、下流側に向かって傾きを備えた傾斜流路であってもよい。

また、前方側端部冷却流路２１は、前方側の側端部１８に設けることが望ましい。側端部端面１８ａに設けられ、冷却空気が燃焼ガス中に吹き出す開口３３は、複数の円形状の開口を備え、同一孔径としている。また、開口３３の配列ピッチは上流側（上流側の上流側端部１６側）で小さく、下流側（下流側の下流側端部１７側）で大きくしている。図３に示すように、側端部端面１８ａに配置された開口３３は、上流側の第１領域Ｚ１では開口３３の配列ピッチは小さく、下流側の第２領域Ｚ２では開口３３の配列ピッチを大きくしている。開口３３の配置と燃焼ガス圧の関係および領域（第１領域Ｚ１、第２領域Ｚ２）の意義は後述する。

図２に示すように、分割体１１の回転方向の後方側（以下「後方側」と呼ぶ）の側端部１９も、側端部１８と同様な冷却構造を備えてもよい。すなわち、側端部１９には、前方側端部冷却流路２１と同様の構成を有する後方側端部冷却流路２７（第４冷却流路）が、上流側から下流側にわたって配置されている。後方側端部冷却流路２７は、一端が冷却空間に連通し、他端は側端部端面１９ａの開口３３から燃焼ガス中に開口している。なお、後方側端部冷却流路２７の側端部端面１９ａに設ける開口３３の孔径及び配列ピッチは、前方側の側端部１８の開口３３と同様の構成である。

また、図２に示すように、側端部１９には、回転軸５の軸方向に設けられ、冷却空間３５を間に挟んで側端部１９の上流側端部１６及び下流側端部１７に、後方側端部キャビティ２６（第３キャビティ）を設け、後方側端部キャビティ２６の一方側が冷却空間３５に連通し、他方側が燃焼ガス中に開口する後方側端部冷却流路２７に接続してもよい。この場合、冷却空気は、冷却空間３５から後方側端部キャビティ２６を介して後方側端部冷却流路２７に供給され、開口３３から燃焼ガス中に排出される。

ガスタービンの運転条件によっては、前述した分割体１１の後方側の側端部１９における後方側端部冷却流路２７を設けずに、後方側の側端部１９の対流冷却を省略してもよい。この場合、隣接する分割体１１の側端部１８に設けた開口３３（側端部１８の開口３３と同じ機能を備えた前方側端部冷却流路２１の冷却孔）より吹き出す冷却空気により、後方側の側端部１９の外面をフィルム冷却して、側端部１９の損傷を防止できる。

次に、分割体１１の本体１２の冷却構造を以下に説明する。
図２に示すように、分割体１１には、上流側の上流側端部１６であって、回転軸５の軸方向に略直交する方向に上流側端部キャビティ２３（第２キャビティ）が配置されている。また、冷却空間３５と上流側端部キャビティ２３を連結する上流側端部冷却流路２４（第２冷却流路）が回転軸５の軸方向に設けられ、上流側端部キャビティ２３から下流側の下流側端面１７ａに開口する本体冷却流路２５（第３冷却流路）が、分割体１１の本体１２を回転軸５の軸方向に貫通するように配置されている。上流側端部キャビティ２３は、上流側端部冷却流路２４と本体冷却流路２５を互いに連通するマニホールドの役割を果たしている。

図３は、回転軸５を含む平面で切った前方側の側端部１８の断面図（図２の断面Ａ−Ａ）を示す。開口３３の配置は、図２で説明した開口３３の配列ピッチと同様であって、第１領域Ｚ１では領域Ｚ２より開口３３の配列ピッチが小さく、第２領域Ｚ２では第１領域Ｚ１より開口３３の配列ピッチを大きくしている。なお、各領域に示す開口３３の数は一例であって、この数に限定されない。

図４は、回転軸５を含む平面で切った分割体１１の本体１２の冷却構造を示す縦断面図（図２の断面Ｂ−Ｂ）である。分割体１１の上流側端部１６には、冷却空間３５と上流側端部キャビティ２３を接続する上流側端部冷却流路２４が配置され、上流側端部キャビティ２３と下流側端面１７ａを接続する本体冷却流路２５が、上流側端部冷却流路２４の下方側（分割体の径方向の内方側）に配置されている。

前述の上流側端部冷却流路２４および本体冷却流路２５の構成により、上流側端部冷却流路２４は、上流側端部キャビティ２３で折り返して、本体冷却流路２５に接続する折り返し構造を備えているので、回転軸５の軸方向に対して、冷却流路長の長い冷却流路が形成される。すなわち、上流側端部冷却流路２４は、分割体１１の上流側端部１６の上面１２ａ側に近い分割体１１内に配置されている。一方、本体冷却流路２５は、上流側端部冷却流路２４より分割体１１の本体１２の下面１２ｂに近い側に配置されて、上流側端部キャビティ２３で折り返して下流側端面まで延設され、下流側端面の開口で燃焼ガス中に吹き出している。その結果、本実施例の冷却流路は、回転軸５の軸方向において、従来例と比較して、より長い流路長が形成でき、分割体１１の冷却性能が向上する。

次に、本実施例におけるタービン動翼８の翼プロファイルと燃焼ガスの圧力分布の関係を、図５Ａ〜図５Ｃにより説明する。図５Ａは、タービン動翼８の翼列の一部の平面図を示す。図５Ｂは、タービン動翼８の先端部近傍の燃焼ガス流れの圧力分布を示す。図５Ｃは、タービン動翼８の回転軸の軸方向に直交する方向で、回転軸５の回転方向の前方側から見た分割体１１の側面図を示す。

通常、燃焼ガスの圧力は、タービン動翼８への仕事量になるので、タービン動翼８の前縁端ＬＥから後縁端ＴＥにかけて、燃焼ガスの流れに沿って次第に圧力が低下する。すなわち、タービン動翼８の翼間の燃焼ガス流路に流入した燃焼ガスは、翼間の流路断面積が前縁側から後縁側に向かって次第に小さくなり、燃焼ガス流が加速される。またタービン動翼８で燃焼ガスの流れ方向が変えられ、タービン動翼８を回転して、燃焼ガスの圧力が仕事量に変換され、燃焼ガスの圧力（静圧）及び温度が低下する。

図５Ａに示すタービン動翼８の翼プロファイルにおいて、前縁端ＬＥを原点Ｘ0として、背側の翼プロファイルに沿って前縁端ＬＥより後縁端ＴＥにかけて座標軸Ｘを設定する。座標軸ＸにおけるＸ軸上の任意の点Ｘiにおいて、隣接する動翼の腹側翼面に向かって法線を立て、法線と隣接する動翼の腹側の翼プロファイルの交点をＹiとする。法線Ｘi―Ｙiは、翼間長Ｓiに相当する。

翼間長Ｓiは、前縁端より後縁端にかけて次第に小さくなり、Ｘ軸上の点Ｘsと隣接する動翼の後縁端ＴＥの点Ｙsを結ぶ翼間長Ｓsが、最短長さとなる。最短の翼間長Ｓsをスロート長と呼び、翼間長Ｓsを形成する法線Ｘs−Ｙsをスロートと呼ぶ。翼間長Ｓiにおける翼間流路の断面積は、点Ｘs―Ｙsを結ぶ法線の位置で最小断面積となる。つまり、燃焼ガスがスロートを通過する際、燃焼ガスのガス流速が最も速くなる。また、タービン動翼８の最大翼厚を示すＸ軸上の点をＸmとし、点Ｘｍから隣接するタービン動翼８の腹側翼面に向かって法線を立て、法線と隣接する動翼の腹側の翼プロファイルの交点をＹｍとすれば、法線Ｘｍ−Ｙｍはタービン動翼８の最大翼厚に対応する翼間長Ｓｍを示している。

燃焼ガスから受ける分割体１１の分割体本体１２の内周面１２ｂの圧力（静圧）は、回転軸５の回転に伴い規則的に変動する。すなわち、タービン動翼８の先端が分割体１１の開口３３を備えた側端部１８近傍を通過する際、腹側翼面が通過する場合は圧力が高くなり、背側翼面が通過する場合は圧力が低くなる。従って、腹側翼面が通過する場合の圧力と背側翼面が通過する場合の圧力の平均値を取り、この値を側端部１８近傍の圧力として近似できる。つまり、翼間流路の中央線ＣＬに沿った圧力は、前述の腹側翼面の圧力と背側翼面の圧力の平均値と考えられるので、分割体本体１２の側端部１８近傍の圧力は翼間流路の中央線に沿った圧力として近似できる。この考え方に基づき、分割体１１の側端部端面１８ａの開口３３近傍の圧力分布を図５Ｂに示している。ここで、翼間流路の中央線とは、翼間長Ｓiの中間点Ｃiを結ぶ線を意味する。

翼間流路の中央線ＣＬと法線Ｘi―Ｙiが交差する位置を点Ｃiとし、中央線上のＸ軸の原点Ｘ０に対応する位置を前縁点Ｃ０、最大翼厚を示すＸ軸上の点Ｘmにおける法線Ｘm―Ｙmと中央線が交差する位置を最大翼厚点Ｃm、中央線とスロートが交差する位置をスロート点Ｃs、Ｘ軸上の後縁端に対応する位置を後縁点Ｃｅとすれば、中央線ＣＬは点Ｃ０、Ｃm、Ｃs、Ｃｅを結ぶ曲線で表示できる。なお、中央線を更に上流側および下流側に延長させ、上流側端面１６ａと中央線との交差する点を上流点Ｃｆとし、下流側端面１７ａと中央線との交差する点を下流点Ｃｄとすれば、中央線Ｃｆ−Ｃ０および中央線Ｃｄ−Ｃｅは中央線Ｃ０―Ｃｅの前縁点Ｃ０または後縁点Ｃｅにおけるそれぞれの接線に近似できる。つまり、上流点Ｃｆと下流点Ｃｄの間の中央線は、翼間長の中間点を繋ぐ中央線と直線状の線Ｃｆ−Ｃ０および線Ｃｄ−Ｃｅから形成される。

次に、図５Ｂを用いて、燃焼ガスの圧力分布を説明し、併せて冷却空気側の熱伝達率の分布を説明する。図５Ｂにおいて、横軸は分割体１１の回転軸５の軸方向の長さＬを示す。また、横軸では燃焼ガスの上流点Ｃｆ（上流側端面１６ａ）から下流点Ｃｄ（下流側端面１７ａ）までを表示している。各点Ｃｆ、Ｃ０、Ｃm、Ｃs、Ｃｅ、Ｃｄの回転軸５の軸方向の位置関係は、図５Ａおよび図５Ｃに示す位置に対応させている。縦軸は分割体１１内の冷却空気ＣＡ及び分割体１１の内周面を流れる燃焼ガスの圧力Ｐ（静圧）を示す。分割体１１の冷却空間３５の冷却空気の圧力Ｐ１は二点鎖線で示され、燃焼ガス流れの中央線に沿った燃焼ガス圧Ｐ２は実線で示される。また冷却空間３５の冷却空気圧Ｐ１と分割体１１の側端部１８に設けた開口近傍の燃焼ガス圧Ｐ２の差圧は、ＤＰ１で示される。冷却空間３５内の冷却空気の圧力Ｐ１は、流路長にかかわらず、略一定の圧力である。なお、上流点Ｃｆ（上流側端面１６ａ）とスロート点Ｃsの間を第１領域Ｚ１で示し、スロート点Ｃsと下流点Ｃｄ（下流側端面１７ａ）の間を第２領域Ｚ２で示している。

図５Ｂにおいて、第１領域Ｚ１のうち上流点Ｃｆから前縁点Ｃ０までの間では、燃焼ガス圧Ｐ２は低下しない。燃焼ガスが翼間流路に流入する前縁点Ｃ０から最大翼厚点Ｃmまでの間では、下流側に向かって流路断面積が漸次狭められるため、その間の燃焼ガス流速はゆるやかに増加し、燃焼ガス圧Ｐ２は漸次低下する。更に、最大翼厚点Ｃmからスロート点Ｃsまでの間は、翼間の流路断面積が更に狭くなり、燃焼ガス圧Ｐ１の低下が大きくなる。

一方、第２領域Ｚ２における燃焼ガス圧Ｐ２は、スロート点Ｃsから下流側において急激に低下し、差圧ＤＰ１が急増する。第２領域Ｚ２は、スロート位置に対して下流側の直近にあるので、第１領域Ｚ１に比較して差圧ＤＰ１の変化が大きい。スロート点Ｃsの前後で、差圧ＤＰ１が急激に変化するので、スロート点Ｃsは圧力の変曲点を表わす。

次に、分割体１１の冷却流路内を流れる冷却空気の熱伝達率の分布を説明する。
図５Ｂにおいて、冷却空気側の熱伝達率αは、点線で示されている。縦軸は、熱伝達率αを示し、横軸は回転軸５の軸方向の長さＬを示す。第１領域Ｚ１のうち上流点Ｃｆから前縁点Ｃ０までの間では、冷却空気圧と燃焼ガス圧との差圧ＤＰ１がほとんど変化しないため、冷却空気側の熱伝達率αは一定となる。燃焼ガスが翼間流路に流入する前縁点Ｃ０からスロート点Ｃsまでの間では、差圧ＤＰ１が増加して、冷却空気側の熱伝達率αも下流側に向かって次第に大きくなり、スロート点Ｃs近傍で最大となる。スロート点Ｃsから下流側では、ほぼ冷却空気側の熱伝達率αは最大値で一定となる。

図５Ｃは、図５Ａおよび図５Ｂに対応する分割体１１の前方側の側端部１８の開口３３の配置を示している。中央線上のスロート点Ｃsに対応する側端部１８に配置された開口３３（回転軸５に直交する方向から見た場合、スロート点に一致または最も近い開口）の位置を始点ＳＰ（第１始点ＳＰ１）とすれば、始点ＳＰを境界として上流側の開口３３の配列ピッチより下流側の開口３３の配列ピッチを大きくしている。つまり、始点ＳＰは、始点ＳＰの前後で燃焼ガス圧が急激に変化し、また冷却空気側の熱伝達率が最大値となり、開口３３のピッチが急激に変わる変曲点を意味する。なお、側端部１８の開口形状は円形状で説明したが、楕円形状でもよく、矩形形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。開口３３一個あたりの開口面積は、全て同一である。

本実施例によれば、分割体１１の上流側の開口３３の配列ピッチより下流側の開口３３の配列ピッチを大きくして、下流側の開口３３から吹き出す冷却空気量を抑制しているので、側端部１８の全体の冷却空気量を低減できる。

また、図２、図４に示すように、本発明は上流側端部キャビティ２３と上流側端部冷却流路２４と本体冷却流路２５の組み合わせからなる冷却流路が折返し構造を備え、各流路がシリーズに繋がった冷却構造を備えているので、冷却空間内の空気圧と下流側端面から排出される燃焼ガス圧の差圧が最も大きくなる。最大差圧を利用できるので、分割体１１の本体１２の冷却性能上最も効率がよい。すなわち、図５Ｂに示すように、翼面を流れる燃焼ガスの圧力は、下流側端面近傍で最も低くなる。従って、冷却空間３５の冷却空気が、上流側端部冷却流路２４を流れて上流側端部１６の上部を対流冷却し、上流側端部キャビティ２３で折り返して、本体冷却流路２５で分割体１１の本体１２を対流冷却して、下流側端面から燃焼ガス中に吹き出している。このため、冷却空気圧と燃焼ガス圧の最大差圧を最大限に利用して、冷却空気を使い廻ししているので、従来よりも分割体１１の本体１２の冷却空気量を低減できる。

図５Ｃに示す実施例１の側端部１８の開口の配置の変形例を、変形例１として図６Ａおよび変形例２として図６Ｂに示す。変形例１に示す開口３３は、始点ＳＰ（第１始点ＳＰ１）より上流側は矩形形状の開口３３とし、始点ＳＰより下流側は上流側の矩形形状の開口３３より断面積が小さい円形状の開口３３としている。変形例２は、矩形形状の開口３３として、始点ＳＰ（第１始点ＳＰ１）より下流側の開口３３は上流側の開口３３より断面積を小さくしている。変形例１および変形例２に示す開口３３の配列ピッチはいずれも同一とし、始点ＳＰ（第１始点ＳＰ１）近傍で開口面積を変えた例である。本変形例も、燃焼ガスの急激な圧力低下とともに開口３３の開口面積を小さくして冷却空気量の低減を図っているので、実施例１と同じ効果が得られる。

（実施例２）
実施例２について、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。図７Ａは、本実施例に係わる燃焼ガスの圧力分布と分割体の回転軸５の軸方向の長さＬの関係を示し、図７Ｂは、分割体１１の側端部１８の開口３３の配置を示す。
タービン動翼８の形状により、翼間流路を流れる燃焼ガスの圧力が、実施例１より上流側において急激に低下する場合がある。すなわち、実施例１では、燃焼ガス圧が急激に低下する位置がスロート点Ｃsにあるが、本実施例では、燃焼ガス圧が急激に低下する位置が最も上流側に遡った場合を想定して、最大翼厚点Ｃmにある場合を示している。

図７Ａは、本実施例に係わる燃焼ガス圧Ｐ３及び冷却空気側の熱伝達率αの変化と分割体１１の回転軸５の軸方向長さＬの関係を示すものであり、燃焼ガス圧Ｐ３と冷却空間３５の冷却空気圧Ｐ１の差圧をＤＰ２で示す。また、最大翼厚点Ｃmを境として上流側を第１領域Ｚ１で示し、下流側を第２領域Ｚ２で示す。実施例１と同様に、冷却空気圧Ｐ１は２点鎖線で示し、燃焼ガス圧Ｐ３は実線で示し、冷却空気側の熱伝達率αは点線で示す。図７Ｂは、図７Ａに対応する本実施例における側端部１８の開口３３の配列を示す。また、最大翼厚点Ｃmに対応する分割体の側端部１８の開口の位置を始点ＳＰ（第２始点ＳＰ２）として表示している。本実施例の側端部１８の開口３３は、各開口の開口面積は同じであるが、始点ＳＰ（第２始点ＳＰ２）より上流側に配置された開口３３の配列ピッチより、始点ＳＰの下流側に配置された開口３３の配列ピッチを大きくしている。なお、図７Ｂに示す開口形状は、円形孔で表示しているが、矩形形状でもよく、楕円形状、スリット状の長孔形状でもよい。

本実施例によれば、最大翼厚点Ｃmから燃焼ガス圧が急激に低下する場合であっても、始点ＳＰから開口３３の配列ピッチを変えることにより、第２領域Ｚ２における燃焼ガス圧Ｐ３の差圧ＤＰ２の急増に対して、開口３３から燃焼ガス中に排出される冷却空気量を絞ることができ、側端部１８の冷却空気量の低減を図られる。また、本実施例では、最大翼厚点Ｃmで冷却空気側の熱伝達率が最大となり、その点から下流側では熱伝達率は一定となる。すなわち、第２領域Ｚ２の全範囲において、冷却空気側の熱伝達率が最大となるので、側端部１８の開口３３の配列ピッチを第１領域より大きくして、第２領域の冷却空気量を絞ることができる。

なお、前述の実施例１の始点ＳＰ１はスロート点Ｃsに対応し、本実施例の始点ＳＰ２は最大翼厚点Ｃmに対応している。前述のように、燃焼ガス圧および冷却空気の熱伝達率が急激に変化する位置を示す始点ＳＰは、ガスタービン動翼８の形状により、スロート点Ｃsと最大翼厚点Ｃmの間で変動する。

実施例２に対して更に開口３３の配置を変えた例を、図７Ｃ（変形例３）および図７Ｄ（変形例４）に示す。燃焼ガス圧および冷却空気の熱伝達率の変化は、実施例２の図７Ａに示す燃焼ガス圧および熱伝達率と変わらない。本変形例では、実施例２に対して、側端部１８の開口３３を３つの領域に分けている。すなわち、最も上流側の領域を第１領域Ｚ１、最も下流側の領域を第３領域Ｚ３とし、中間に挟まれた領域を第２領域Ｚ２としている。

前述のように、翼形状により、燃焼ガス圧Ｐ３の急激な低下が生ずる点（始点）の位置は、最大翼厚点Ｃmとスロート点Ｃsの間で変動する可能性がある。また、冷却空気側の熱伝達率が最大となる点は、燃焼ガス圧の急激な変化を生ずる点に対応している。その位置より燃焼ガスの流れ方向の下流側では、冷却空気側の熱伝達率は一定となる。このような燃焼ガスの圧力変化及び冷却空気側の熱伝達率の変化に対応させて、開口３３の配置を選定することが望ましい。

図７Ｃに示す変形例３では、実施例２における第２領域Ｚ２を２つの領域に分け、最大翼厚点Ｃmとスロート点Ｃsの間を第２領域Ｚ２とし、スロート点Ｃsと下流側端面１７ａ（下流点Ｃｄ）の間を第３領域Ｚ３としている。第１領域Ｚ１における開口３３の配列は実施例１および実施例２と同じであるが、第２領域Ｚ２では上流側から下流側に向かって配列ピッチを漸次大きくなるように設定し、第３領域Ｚ３では他の領域より大きい配列ピッチで、且つ同一の配列ピッチで配置している。なお、第２領域Ｚ２が開始する上流側の最大翼厚点Ｃｍに対応する開口３３の位置を始点ＳＰ（第２始点ＳＰ２）とし、第３領域Ｚ３が開始する上流側の後縁点Ｃｅに相当する開口３３の位置を終点ＥＰとしている。

図７Ｄは、矩形状の開口３３を例に挙げ、燃焼ガス圧の変化に対応させて開口３３の開口面積を変えた変形例４を示す。第１領域Ｚ１、第２領域Ｚ２、第３領域Ｚ３の区分けは、変形例３と同じである。第１領域Ｚ１の開口３３の開口面積は他の領域より大きい面積とし、第２領域Ｚ２では上流側から下流側に向かって矩形状の開口３３の開口面積を漸減し、第３領域Ｚ３では他の領域より開口３３の開口面積を小さくしている。開口３３の形状は、楕円形状でもよく、スリット状の長孔形状でもよい。始点ＳＰ（第２始点ＳＰ２）および終点ＥＰの選定は、実施例３と同様である。

なお、終点ＥＰの位置の上流側では圧力の低下が激しいが、終点の位置の下流側では燃焼ガス圧の変化がほとんどない。すなわち、終点ＥＰは始点ＳＰと同様に、燃焼ガス圧の変曲点を意味する。終点前後の圧力変化に合せて、終点の上流側では下流側に向けて開口ピッチを次第に大きくまたは開口面積を漸減させているが、終点の下流側では開口ピッチまたは開口面積が一定となるように選定している。

本変形例の構成によれば、実施例２と比較して、第２領域Ｚ２において急激な圧力低下とともに開口３３の配列ピッチを下流側に向かって次第に大きくまたは開口面積を次第に小さくなるように設定しているので、開口３３から排出される冷却空気量が燃焼ガス圧の低下とともに絞られ、実施例２より冷却空気量の一層の削減、適正化が図られる。

（実施例３）
実施例３について、図８を参照して以下に説明する。
本実施例は、実施例１と同様に、側端部１８、１９には、それぞれ前方側端部冷却流路２１および後方側端部冷却流路２７が設けられ、側端部端面１８ａ、１９ａには各冷却流路を介して燃焼ガス中に開口する開口３３が配列されている。 また、分割体本体１２を冷却するため、上流側端部１６には上流側端部冷却流路２８（第５冷却流路）が設けられ、下流側端部１７には下流側端部冷却流路２９（第６冷却流路）が設けられる。側端部１８，１９に設ける開口３３の配置は、実施例１、実施例２及び変形例１から４に示す開口の配置が適用できる。

前方側の側端部１８には、回転軸の軸方向に前方側端部キャビティ２０が設けられ、前方側端部キャビティの一方側は連絡路２２を介して冷却空間３５に連通し、他方側は前方側端部冷却流路２１に接続している。前方側端部冷却流路２１の末端は、開口３３から燃焼ガス中に開口している。一方、後方側の側端部１９の下流側端部１７には、回転軸５の軸方向に後方側端部キャビティ２６が設けられ、後方側端部キャビティ２６の一方は冷却空間３５に連通し、他方は後方側端部冷却流路２７に接続している。更に、後方側端部冷却流路２７の末端は、開口３３を介して燃焼ガス中に開口している。

上流側端部１６には、一端が冷却空間３５に連通し、他端は上流側端面１６ａより燃焼ガスの流れ方向の上流側に開口する上流側端部冷却流路２８が設けられている。更に、下流側端部１７には、一端が冷却空間３５に連通し、他端が下流側端面１７ａから燃焼ガスの流れ方向の下流側に開口する下流側端部冷却流路２９が設けられている。

本実施例における分割体１１の冷却方法を以下に説明する。
車室６７側からの冷却空気の供給方法は、実施例１と同様であり、衝突板１４の小孔（図示せず）を介して分割体本体１２の上面をインピンジメント冷却する。また、インピンジメント冷却後の冷却空気は、上流側端部１６に設けられた上流側端部冷却流路２８を介して燃焼ガスの流れ方向の上流側に吹き出す際、上流側端部１６を対流冷却する。また、下流側端部１７に設けられた下流側端部冷却流路２９を介して燃焼ガス中に吹き出す際、下流側端部１７が対流冷却される。更に、インピンジメント冷却後の冷却空気の一部は、側端部１８，１９の前方側端部冷却流路２１および後方側端部冷却流路２７を介して開口３３から燃焼ガス中に吹き出す際、側端部１８，１９を対流冷却している。

本実施例でも、実施例１、実施例２および変形例１から４と同様な側端部１８，１９の開口の配置を適用できるので、側端部１８，１９の冷却空気量の低減が図れる。また、上流側端部１６と下流側端部１７は、上流側端部冷却流路２８および下流側端部冷却流路２９により対流冷却されるので、分割体１１の全体の冷却性能が向上し、ガスタービンの冷却効率が改善される。

（実施例４）
実施例４について、図９を参照して以下に説明する。
本実施例は、実施例１と同様に、側端部１８、１９には、前方側端部冷却流路２１および後方側端部冷却流路２７を介して燃焼ガス中に開口する開口３３が配置されている。冷却孔の配置は、実施例１、実施例２および変形例１から4と同様な配置を適用できる。

また、側端部１８、１９には、回転軸５の軸方向に沿って前方側端部キャビティ３１（第５キャビティ）および後方側端部キャビティ３２（第６キャビティ）が配置され、その上流側は回転軸５に直交する方向に配置された上流側端部キャビティ３０（第４キャビティ）に連通している。更に、上流側端部キャビティ３０は、キャビティの中央付近で入口孔３７を介して冷却空間３５に連通している。また、下流側端部１７には、回転軸５の軸方向に貫通する下流側端部冷却流路２９が配置されている。下流側端部冷却流路２９は、実施例２の下流側端部の冷却流路と同様に、一端が冷却空間３５に連通し、他端は下流側端面１７ａより燃焼ガス中に開口している。

本実施例の冷却構造では、インピンジメント冷却後の冷却空気は、下流側端部１７に設けられた下流側端部冷却流路２９から開口を介して燃焼ガス中に吹き出す際、下流側端部１７を対流冷却する。また、インピンジメント冷却後の冷却空気ＣＡの一部は、入口孔を介して上流側端部キャビティ３０に流れ、上流側端部キャビティ３０を流下する際、上流側端部１６を対流冷却する。更に、上流側端部キャビティ３０の冷却空気は、前方側端部キャビティ３１および後方側端部キャビティ３２に供給され、冷却空気が前方側端部キャビティ３１および後方側端部キャビティ３２を流下する際、側端部１８，１９を対流冷却する。また、前方側端部キャビティ３１および後方側端部キャビティ３２から前方側端部冷却流路２１および後方側端部冷却流路２７を経由して開口３３から燃焼ガス中に吹き出す際、側端部１８、１９を更に対流冷却している。

本実施例においても、実施例１、実施例２および変形例１から４と同様に、側端部１８、１９の開口３３の配置を適用できるので、燃焼ガス流れに沿った燃焼ガス圧の低下に対して、開口ピッチを変えることにより、側端部１８、１９の冷却空気量の低減が図れる。また、上流側端部１６にキャビティを設け、上流側端部１６を冷却空気で対流冷却しているので、上流側端部１６の冷却能力が強化され、分割体１１の全体の効率的な冷却と冷却空気量の適正化が図れる。

なお、本発明は、前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明の範囲に含まれる。

本発明の分割環冷却構造によれば、分割環本体の側端部を冷却する冷却空気量が低減され、分割環全体の冷却空気量の適正化が図れるとともにガスタービン全体の熱効率が向上する。

１ ガスタービン
５ 回転軸
８ タービン動翼
１０、６０ 分割環
１１、６１ 分割体
１２ 本体
１４、６４ 衝突板
１５、６５ 小孔
１６ 上流側端部
１７ 下流側端部
１８、１９ 側端部
２０、３１ 前方側端部キャビティ（第１キャビティ、第５キャビティ）
２１ 前方側端部冷却流路（第１冷却流路）
２３、３０ 上流側端部キャビティ（第２キャビティ、第４キャビティ）
２４ 上流側端部冷却流路（第２冷却流路）
２５ 本体冷却流路（第３冷却流路）
３５、７１ 冷却空間
６７ 車室
Ｚ１ 第１領域
Ｚ２ 第２領域
Ｚ３ 第３領域
ＳＰ 始点
ＳＰ１ 第１始点
ＳＰ２ 第２始点
ＥＰ 終点
ＣＡ 冷却空気
ＦＧ 燃焼ガス

Claims (7)

1. 周方向に配設されて環状をなす複数の分割体から形成され、前記分割体の内周面がタービン動翼の先端から一定の距離を保つようにして車室内に配設されるガスタービンの分割環を冷却する分割環冷却構造において、
   前記分割体は、前記車室の外部より供給された冷却空気を吹き出させ、前記分割体の本体をインピンジメント冷却する小孔を備えた衝突板と、
   該衝突板と前記分割体の本体より囲まれた冷却空間と、
   前記分割体の回転軸の軸方向に沿った側端部のうち、少なくとも一方の側端部に沿って回転軸の軸方向に配置され、前記冷却空間よりインピンジメント冷却後の冷却空気を受入れる第１キャビティと、
   一端が前記第１キャビティに連通し、他端が前記側端部に配列された開口より燃焼ガス中に冷却空気を吹き出す複数の第１冷却流路と、から構成され、
   複数の前記第１冷却流路の前記開口は、燃焼ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって配列され、
   前記燃焼ガスの前記流れ方向の位置であって、前記回転軸の周方向で隣接する前記タービン動翼間で該タービン動翼の最大翼厚点に対応する位置からスロート点に対応する位置までの間に点が定められ、前記点の上流側では、前記開口の配列ピッチが下流側より小さく又は前記開口の開口面積が大きく、前記点の下流側では、前記開口の配列ピッチが上流側より大きい又は前記開口の開口面積が小さいこと、を特徴とする分割環冷却構造。
2. 前記第１冷却流路の開口は、少なくとも回転軸の回転方向の前方側の前記側端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の分割環冷却構造。
3. 前記側端部は、前記点を境にして前記燃焼ガスの前記流れ方向に沿って２つの領域に分けられ、
   上流側の第１領域では、下流側の第２領域より前記第１冷却流路の前記開口の配列ピッチが小さくまたは前記開口の開口面積が大きく、下流側の第２領域では、前記第１領域より前記開口の配列ピッチが大きくまたは前記開口の開口面積が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分割環冷却構造。
4. 前記スロート点に対応する位置に下流側点が定められ、該下流側点よりも前記流れ方向の上流側に前記点としての上流側点が定められ、
   前記側端部は、前記流れ方向で前記上流側点よりも上流側の第１領域と、前記流れ方向で前記上流側点と前記下流側点との間の第２領域と、前記流れ方向で前記下流側点よりも下流側の第３領域に分けられ、
   前記第１領域では、他の領域より前記開口の配列ピッチが小さくまたは前記開口の開口面積が大きく、前記第３領域では、他の領域より前記開口の配列ピッチが大きくまたは前記開口の開口面積が小さく、前記第２領域では、上流側から下流側に向かって前記開口の配列ピッチが順次大きくなりまたは前記開口の開口面積が順次小さくなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分割環冷却構造。
5. 前記分割体は、分割体の燃焼ガスの流れ方向の上流側端部であって前記回転軸の軸方向に直交するように配置された第２キャビティと、
   回転軸の軸方向に設けられ前記冷却空間から前記第２キャビティに連通する第２冷却流路と、
   回転軸の軸方向に設けられ前記第２キャビティから前記分割体の下流側端部において燃焼ガス中に開口する第３冷却流路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の分割環冷却構造。
6. 前記第２冷却流路および前記第３冷却流路は、前記第２キャビティを介して回転軸の軸方向に折り返す構造を備えていることを特徴とする請求項５に記載の分割環冷却構造。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の分割環冷却構造を備えたガスタービン。

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