专利名称：分割环冷却结构及燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于燃气轮机的分割环冷却结构及燃气轮机。
背景技术：
以往，在发电等中使用的燃气轮机由于高温高压的燃烧气体通过涡轮部，因此为了继续进行稳定的运转而分割环等的冷却十分重要。尤其是近年来由于燃气轮机的热效率的提高而燃烧气体的高温化进一步不断发展，从而需要冷却能力的进一步强化。图10表示以往的燃气轮机的整体结构图。燃气轮机I包括对燃烧用空气进行压缩的压缩机2 ；向从压缩机2送来的压缩空气喷射燃料FL而使其燃烧，产生燃烧气体的燃烧器3 ;设置在该燃烧器3的燃烧气体的流动方向的下游侧，且由从燃烧器3喷出的燃烧气 体来驱动的涡轮部4 ;发电机6 ;将压缩机2、涡轮部4及发电机6 —体连结的旋转轴5。图11是表示燃气轮机的与涡轮部4相关的内部结构的剖视图。燃气轮机将燃烧器3产生的燃烧气体FG向涡轮静叶7及涡轮动叶8供给，使涡轮动叶8绕着旋转轴5旋转，将旋转能量转换为电力。涡轮静叶7及涡轮动叶8从燃烧气体的流动方向(图11的纸面上的左侧到右侧的方向)的上游侧朝向下游侧而交替配置。而且，涡轮动叶8沿着旋转轴5的周向配置多个，与旋转轴5成为一体而旋转。图12是以往的分割环的主要部分剖视图。分割环60由沿着旋转轴5的周向呈环状地配置的多个分割体61形成，整体形成以旋转轴5为中心的环状体。分割体61经由钩62及隔热环66而支承于车室67。而且,从隔热环66支承的碰撞板64具备多个小孔65,向车室67供给的冷却空气CA从小孔65向下方吹出，对分割体61的主体的上表面进行冲击冷却。而且，在分割体61上沿着旋转轴5的轴向设有多个冷却流路63，冷却空气在分割体61的主体内沿着轴向流动，对分割体61进行对流冷却。而且，分割环60以旋转轴5为中心呈环状地配置在涡轮动叶8的外周侧，在分割环60与涡轮动叶8的前端之间设有规定的间隙，以避免相互的干涉。需要说明的是，燃烧气体的流动方向的下游侧的分割体61的下游侧端面69位于比旋转的涡轮动叶8的后缘端TE更靠燃烧气体的流动方向的下游侧的位置。图13是图12所示的分割环60的立体图。在该例子中，在分割体61的沿着旋转轴5的轴向(图13的纸面上的左下侧到右上侧的方向)的侧端部70排列有开口 33。对分割体61的主体进行了冲击冷却后的冷却空气向设置于侧端部70的冷却流路(未图示)供给，在由开口 33吹出到燃烧气体中之际，对侧端部70进行对流冷却。由于对分割环60进行冷却，因此例如压缩机2的抽取空气的一部分的冷却空气从车室67的供给孔向分割环60的各分割体61供给。冷却空气经由碰撞板64上开口的小孔65,向由碰撞板64和分割体61包围的冷却空间71吹出，对分割体61的主体的上表面(与冷却空间相接的面)进行冲击冷却。冲击冷却后的冷却空气经由冷却流路63从分割体61的燃烧气体的流动方向的下游侧端面吹出到燃烧气体中，利用冷却空气对分割体61的主体进行对流冷却。而且，从沿着侧端部70配置的开口 33将冷却空气的一部分排出到燃烧气体中，由此，对分割体61的侧端部70进行对流冷却。在专利文献I中示出了前述的分割环冷却结构的一例。在先技术文献专利文献专利文献I日本特开2004-100682号公报在涡轮部，通过涡轮静叶及涡轮动叶的外周的燃烧气体将燃烧气体保有的热能转换成旋转能量，且在由燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧流动的过程中，压力逐渐下降。另一方面，在专利文献I公开的发明中，分割体的侧端部将冷却孔沿着侧端部从燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧配置，从冷却孔吹出冲击冷却后的冷却空气，由 此对侧端部进行对流冷却。冷却孔通常以同一孔径及孔间距排列。随着燃烧气体的压力下降，燃烧气体的压力与冷却空间内的空气压力的差压朝向下游侧增大。因此，从冷却孔吹出的冷却空气在下游侧流过冷却所需的空气量以上，从而存在导致冷却空气量的损失这样的问题点。
发明内容
本发明鉴于上述的问题点而作出，目的在于提供一种实现对分割环的侧端部进行冷却的冷却空气量的减少、且实现分割环整体的冷却空气量的适当化和燃气轮机的热效率的提高的分割环冷却结构及燃气轮机。本发明为了解决上述的问题点，而采用下述的方法。S卩，本发明的分割环冷却结构对燃气轮机的分割环进行冷却，所述燃气轮机的分割环由沿着周向配设而呈环状的多个分割体形成，且以分割体的内周面距涡轮动叶的前端保持恒定的距离的方式配设在车室内，所述分割环冷却结构的特征在于，分割体包括碰撞板，其具有将由车室的外部供给的冷却空气吹出而对分割体的主体进行冲击冷却的小孔；冷却空间，其由该碰撞板和分割体的主体包围；第一腔室，其沿着分割体的沿旋转轴的轴向的侧端部中的至少一方的侧端部而配置在旋转轴的轴向上，从冷却空间接纳冲击冷却后的冷却空气；第一冷却流路，其一端与第一腔室连通，另一端将冷却空气由排列在侧端部上的开口吹出到燃烧气体中，第一冷却流路的开口如下排列，即在燃烧气体的流动方向的上游侧，以开口的排列间距比下游侧的开口小或开口的开口面积比下游侧的开口大的方式排列，并且在燃烧气体的流动方向的下游侧，以开口的排列间距比上游侧的开口大或开口的开口面积比上游侧的开口小的方式排列。根据本发明，在分割体的侧端部上排列的第一冷却流路的开口在燃烧气体的流动方向的上游侧以排列间距小或开口面积大的方式排列、且在下游侧以排列间距大或开口面积小的方式排列，因此从分割体的侧端部的下游侧吹出到燃烧气体中的冷却空气量减少，对侧端部进行冷却的冷却空气量实现适当化。而且，由于冷却空气量的减少，而燃气轮机的热效率提闻。本发明的第一冷却流路的开口优选至少配置在旋转轴的旋转方向的前方侧的侧端部。根据本发明，由于侧端部在旋转方向的前方侧比后方侧的热负载高，因此能够防止侧端部的烧损。在本发明的第一冷却流路的开口中，优选的是，第一冷却流路的开口从燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧分成两个区域，在上游侧的第一区域中，以开口的排列间距比下游侧的第二区域小或开口的开口面积比下游侧的第二区域大的方式排列，在下游侧的第二区域中，以开口的排列间距比所述第一区域大或开口的开口面积比所述第一区域小的方式排列。根据本发明，与第一区域相比，第二区域的燃烧气体的压力下降显著，从第二区域的开口吹出到燃烧气体中的冷却空气量受限制，第二区域的冷却空气量减少，因此分割体整体的冷却空气量减少。在本发明的第一冷却流路的开口中，优选的是，第二区域开始的上游侧的位置为起点。
优选的是，本发明的第一冷却流路的开口从燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧分成三个区域，在最上游侧的第一区域中，以开口的排列间距比其他的区域小或开口的开口面积比其他的区域大的方式排列，在最下游侧的第三区域中，以开口的排列间距比其他的区域大或开口的开口面积比其他的区域小的方式排列，在夹于第一区域与第三区域之间的第二区域中，以从上游侧朝向下游侧而开口的排列间距逐渐增大或开口的开口面积逐渐减小的方式排列。根据本发明，第一冷却流路的开口从上游侧朝向下游侧分成三个区域，以从上游侧朝向下游侧而增大各区域的开口的排列间距或减小开口的开口面积的方式进行选定，尤其是在压力下降急剧的第二区域中，从上游侧朝向下游侧而开口的排列间距逐渐增大或开口的开口面积逐渐减小，因此能实现第二区域的冷却空气量的适当化，减少分割体整体的
冷却空气量。在本发明的第一冷却流路的开口中，优选的是，第二区域开始的上游侧的位置为起点，第三区域开始的上游侧的位置为终点。优选的是，所述起点在燃烧气体的流动方向上的从最下游侧的第一起点到最上游侧的第二起点之间变化。根据本发明，由于燃烧气体压的开始急剧下降的位置因叶片形状的不同而在第一起点与第二起点之间变化，因此通过在之间选定起点位置并改变开口的间距或开口面积，就能够选定符合叶片形状的适当的冷却空气量。本发明的分割体优选具备第二腔室，其在分割体的燃烧气体的流动方向的上游侧端部以与旋转轴的轴向正交的方式配置；第二冷却流路，其沿着旋转轴的轴向设置且从冷却空间向第二腔室连通；第三冷却流路，其沿着旋转轴的轴向设置，且从第二腔室在分割体的下游侧端部开口到燃烧气体中。根据本发明，对分割体主体及上游侧端部进行冷却的冷却空气量减少，从而实现分割体整体的冷却空气量的减少。本发明的第二冷却流路及第三冷却流路优选具备经由第二腔室而沿着旋转轴的轴向折回的结构。根据本发明，旋转轴的轴向的冷却流路具备折回结构而将冷却流路串联连接，因此分割体的主体的燃烧气体的流动方向的冷却流路的长度变得最长，能实现主体的冷却空气量的减少。本发明优选为具备前述的分割环冷却结构的燃气轮机。根据本发明，能实现分割环的冷却空气量的适当化，因此燃气轮机的热效率提高。发明效果根据前述的本发明，减少对分割环主体的侧端部进行冷却的冷却空气量，实现分割环整体的冷却空气量的适当化，并提高燃气轮机整体的热效率。
图I表示实施例I的分割环的主要部分剖视图。图2表示实施例I所示的分割体的俯视剖视图。 图3表示图2所示的分割体的纵向剖视图(剖面A-A)。图4表示图2所示的分割体的纵向剖视图(剖面B-B)。图5A表示涡轮动叶的叶片外形。图5B表不燃烧气体的压力分布及冷却空气侧的热传递率的分布与轴向的长度L的关系。图5C表示分割体的侧端部的开口的配置。图6A表示实施例I的侧端部的开口的配置的变形例I。图6B表示实施例I的侧端部的开口的配置的变形例2。图7A表不实施例2的燃烧气体的压力分布及冷却空气侧的热传递率的分布与轴向的长度L的关系。图7B表示实施例2的侧端部的开口的配置。图7C表示实施例2的侧端部的开口的配置的变形例3。图7D表示实施例2的侧端部的开口的配置的变形例4。图8表示实施例3的分割体的俯视剖视图。图9表示实施例4的分割体的俯视剖视图。图10表示燃气轮机的整体结构。图11表示涡轮部的内部结构。图12表示现有例所示的分割环的主要部分剖视图。图13表示现有例所示的分割环的立体图。
具体实施例方式以下，基于图I 图10，说明本发明的分割环冷却结构及燃气轮机的实施例。(实施例I)以下，基于图I 图6B及图10、图11，说明实施例I。涡轮部与现有技术的图11及图12中说明的内容为同一结构，因此省略详细说明。共通的部件名称及符号使用同一名称及符号。图I表示燃气轮机的分割环的主要部分剖面。分割环10是支承于车室67的涡轮部4的结构构件，由沿着旋转轴5的周向配设而呈环状的多个分割体11形成。如背景技术中说明那样，分割体11以在分割体11的主体的内周面12b与涡轮动叶8的前端8a之间确保有规定的间隙的方式配置。分割体11例如由耐热性镍合金等形成。分割体11的主要的结构要素是主体(底板)12、钩13、碰撞板14。分割体11经由设置在燃烧气体FG的流动方向的上游侧(以下称为“上游侧”)及燃烧气体的流动方向的下游侧(以下称为“下游侧”)的钩13而安装于隔热环34，且经由隔热环34而支承于车室67。分割体11具备主体12、碰撞板14、配置在上游侧及下游侧的钩、沿着旋转轴5的轴向设置的侧端部18、19(参照图4)。冷却空间35是形成在分割体11内且由分割体11的主体12及碰撞板14夹着的空间，是与分割体主体12的上表面12a侧相接的空间。冷却空间35的上部由碰撞板14分隔,在碰撞板14设有使冷却空气CA通过的多个小孔15。在碰撞板14的上方配置有将车室67内的冷却空气经由供给孔68导入的接纳空间36。供给到接纳空间36内的冷却空气以整体均压化成大致同一压力的状态从小孔15吹出到冷却空间35内，对分割体11的主体12的上表面12a进行冲击冷却。图2是从车室67侧观察旋转轴5的中心方向时的分割体11的俯视剖视图。参照 图2，说明分割体11的侧端部18、19的冷却结构。在分割体11的旋转轴5的旋转方向R的前方侧(以下称为“前方侧”)的侧端部18配置有前方侧端部冷却流路21 (第一冷却流路)，该前方侧端部冷却流路21从冷却空间35经由联络路22而与前方侧端部腔室20 (第一腔室)连接，且从前方侧端部腔室20连通到燃烧气体FG中。前方侧端部冷却流路21配置在与旋转轴5的轴向大致正交的方向上，但也可以是朝向下游侧具备斜度的倾斜流路。另外，前方侧端部冷却流路21优选设置在前方侧的侧端部18。设置在侧端部端面18a并将冷却空气吹出到燃烧气体中的开口 33具备多个圆形的开口，且为同一孔径。而且，开口 33的排列间距在上游侧(上游侧的上游侧端部16侧)小而在下游侧(下游侧的下游侧端部17侧)大。如图3所示，配置在侧端部端面18a上的开口 33在上游侧的第一区域Zl中的开口 33的排列间距小，在下游侧的第二区域Z2中的开口 33的排列间距大。开口33的配置和燃烧气体压的关系及区域(第一区域Z1、第二区域Z2)的意义后述。如图2所示，分割体11的旋转方向的后方侧(以下称为“后方侧”)的侧端部19也具备与侧端部18同样的冷却结构。即，在侧端部19上，具有与前方侧端部冷却流路21同样的结构的后方侧端部冷却流路27 (第四冷却流路)从上游侧到下游侧配置。后方侧端部冷却流路27的一端与冷却空间连通，另一端从侧端部端面19a的开口 33向燃烧气体中开口。需要说明的是，在后方侧端部冷却流路27的侧端部端面19a上设置的开口 33的孔径及排列间距是与前方侧的侧端部18的开口 33同样的结构。另外，如图2所示，也可以在沿着旋转轴5的轴向设置于侧端部19且将冷却空间35夹于之间的侧端部19的上游侧端部16及下游侧端部17设有后方侧端部腔室26(第三腔室)，后方侧端部腔室26的一侧与冷却空间35连通，另一侧与向燃烧气体中开口的后方侧端部冷却流路27连接。这种情况下，冷却空气从冷却空间35经由后方侧端部腔室26向后方侧端部冷却流路27供给，从开口 33排出到燃烧气体中。根据燃气轮机的运转条件的不同，也可以不设置前述的分割体11的后方侧的侧端部19的后方侧端部冷却流路27，省略后方侧的侧端部19的对流冷却。这种情况下，利用由设置在相邻的分割体11的侧端部18上的开口 33(具备与侧端部18的开口 33相同的功能的前方侧端部冷却流路21的冷却孔)吹出的冷却空气，对后方侧的侧端部19的外表面进行薄膜冷却，从而能够防止侧端部19的损伤。接下来，说明分割体11的主体12的冷却结构。 如图2所示，在分割体11的上游侧的上游侧端部16，沿着与旋转轴5的轴向大致正交的方向配置上游侧端部腔室23 (第二腔室)。而且，将冷却空间35和上游侧端部腔室23连结的上游侧端部冷却流路24 (第二冷却流路)沿着旋转轴5的轴向设置，从上游侧端部腔室23向下游侧的下游侧端面17a开口的主体冷却流路25 (第三冷却流路)以沿着旋转轴5的轴向贯通分割体11的主体12的方式配置。上游侧端部腔室 23起到使上游侧端部冷却流路24与主体冷却流路25相互连通的岐管的作用。图3表示利用包含旋转轴5的平面剖切的前方侧的侧端部18的剖视图(图2的剖面A-A)。开口 33的配置与在图2中说明的开口 33的排列间距同样，在第一区域Zl中，开口 33的排列间距比区域Z2小，在第二区域Z2中，开口 33的排列间距比第一区域Zl大。需要说明的是，各区域所示的开口 33的个数为一例，并未限定为该数目。图4是表示利用包含旋转轴5的平面剖切的分割体11的主体12的冷却结构的纵向剖视图(图2的剖面B-B)。在分割体11的上游侧端部16配置有将冷却空间35与上游侧端部腔室23连接的上游侧端部冷却流路24，将上游侧端部腔室23与下游侧端面17a连接的主体冷却流路25配置在上游侧端部冷却流路24的下方侧(分割体的径向的内方侧)。通过前述的上游侧端部冷却流路24及主体冷却流路25的结构，上游侧端部冷却流路24具备在上游侧端部腔室23中折回而与主体冷却流路25连接的折回结构，因此形成相对于旋转轴5的轴向而冷却流路长度较长的冷却流路。即，上游侧端部冷却流路24配置在接近分割体11的上游侧端部16的上表面12a侧的分割体11内。另一方面，主体冷却流路25配置在比上游侧端部冷却流路24更接近分割体11的主体12的下表面12b的一侧，在上游侧端部腔室23中折回而延伸设置到下游侧端面，通过下游侧端面的开口而吹出到燃烧气体中。其结果是，与现有例相比，本实施例的冷却流路在旋转轴5的轴向上能够形成更长的流路长度，分割体11的冷却性能提高。接下来，通过图5A 图5C，说明本实施例中的涡轮动叶8的叶片外形与燃烧气体的压力分布的关系。图5A表示涡轮动叶8的叶片列的一部分的俯视图。图5B表示涡轮动叶8的前端部附近的燃烧气体流动的压力分布。图5C表示在与涡轮动叶8的旋转轴的轴向正交的方向上从旋转轴5的旋转方向的前方侧观察到的分割体11的侧视图。通常，燃烧气体的压力成为向涡轮动叶8的作功量，因此从涡轮动叶8的前缘端LE到后缘端TE，沿着燃烧气体的流动而压力逐渐下降。S卩，向涡轮动叶8的叶片之间的燃烧气体流路流入的燃烧气体在叶片间的流路截面积从前缘侧朝向后缘侧逐渐减小，燃烧气体流动加速。然后，利用涡轮动叶8来改变燃烧气体的流动方向，涡轮动叶8旋转，将燃烧气体的压力转换成作功量，燃烧气体的压力(静压)及温度下降。在图5A所示的涡轮动叶8的叶片外形中，以前缘端LE为原点Xtl，沿着背侧的叶片外形从前缘端LE到后缘端TE设定坐标轴X。在坐标轴X中的X轴上的任意的点Xi处，朝向相邻的动叶的腹侧叶片面而建立法线，与法线相邻的动叶的腹侧的叶片外形的交点为Yi0法线Xi-Yi相当于叶片间长度Si。叶片间长度Si从前缘端朝向后缘端逐渐小，将X轴上的点Xs和相邻的动叶的后缘端TE的点Ys连结的叶片间长度Ss成为最短长度。将最短的叶片间长度Ss称为狭道长，将形成叶片间长度Ss的法线Xs-Ys称为狭道。叶片间长度Si下的叶片间流路的截面积在将点Xs-Ys连结的法线的位置上成为最小截面积。即，在燃烧气体通过狭道时，燃烧气体的气体流速变得最快。而且，表示涡轮动叶8的最大叶片厚度的X轴上的点为Xm，从点Xm朝向相邻的涡轮动叶8的腹侧叶片面而建立法线，若法线与相邻的动叶的腹侧的叶片外形的交点为Ym，则法线Xm-Ym表示与涡轮动叶8的最大叶片厚度对应的叶片间长度Sm。从燃烧气体接受的分割环11的分割体主体12的内周面12b的压力(静压)伴随着旋转轴5的旋转而规则性地变动。即，当涡轮动叶8的前端通过分割体11的具备开口 33的侧端部18附近时，在腹侧叶片面通过的情况下压力升高，在背侧叶片面通过的情况下压力降低。因此，选取腹侧叶片面通过时的压力与背侧叶片面通过时的压力的平均值，可以将该值近似作为侧端部18附近的压力。即，叶片间流路的沿着中央线CL的压力可认为是前述的腹侧叶片面的压力与背侧叶片面的压力的平均值，因此分割体主体12的侧端部18附近的压力可以近似作为叶片间流路的沿着中央线的压力。基于该考虑方法，分割体11的侧 端部端面18a的开口 33附近的压力分布如图5B所示。在此，叶片间流路的中央线是指将叶片间长度Si的中间点Ci连结的线。若叶片间流路的中央线CL与法线Xi-Yi交叉的位置为点Ci，中央线上的与X轴的原点Xtl对应的位置为前缘点Ctl，表示最大叶片厚度的X轴上的点Xm处的法线Xm-Ym与中央线交叉的位置为最大叶片厚度点Cm，中央线与狭道交叉的位置为狭道点Cs，X轴上的与后缘端对应的位置为后缘点Ce，则中央线CL可以由将点C^Cm、Cs、Ce连结的曲线表示。需要说明的是，若使中央线进一步向上游侧及下游侧延长，上游侧端面16a与中央线的交叉点为上游点Cf，下游侧端面17a与中央线的交叉点为下游点Cd，则中央线Cf-Ctl及中央线Cd-Ce可以近似为中央线Ctl-Ce的前缘点Ctl或后缘点Ce处的各自的切线。即，上游点Cf与下游点Cd之间的中央线由将叶片间长度的中间点连结的中央线和直线状的线Cf-Ctl及线Cd-Ce形成。接下来，使用图5B，说明燃烧气体的压力分布，并同时说明冷却空气侧的热传递率的分布。在图5B中，横轴表示分割体11的旋转轴5的轴向的长度L。而且，在横轴中，表示燃烧气体的从上游点Cf (上游侧端面16a)到下游点Cd (下游侧端面17a)。各点CLQ、CmXsXeXd的旋转轴5的轴向的位置关系对应于图5A及图5C所示的位置。纵轴表示分割体11内的冷却空气CA及在分割体11的内周面流动的燃烧气体的压力P(静压)。分割体11的冷却空间35的冷却空气的压力Pl由双点划线表示，燃烧气体流动的沿着中央线的燃烧气体压P2由实线表示。而且冷却空间35的冷却空气压Pl与设置在分割体11的侧端部18上的开口附近的燃烧气体压P2的差压由DPl表示。冷却空间35内的冷却空气的压力Pl与流路长无关，为大致恒定的压力。需要说明的是，上游点Cf (上游侧端面16a)与狭道点Cs之间由第一区域Zl表示，狭道点Cs与下游点Cd (下游侧端面17a)之间由第二区域Z2表示。在图5B中，在第一区域ZI中的从上游点Cf到前缘点C。之间，燃烧气体压P2不下降。在从燃烧气体向叶片间流路流入的前缘点Ctl到最大叶片厚度点Cm之间，随着朝向下游侧而流路截面积逐渐变窄，因此之间的燃烧气体流速缓慢增加，燃烧气体压P2逐渐下降。此外，从最大叶片厚度点Cm到狭道点Cs之间，叶片间的流路截面积变得更窄，燃烧气体压Pl的下降变大。另一方面，第二区域Z2中的燃烧气体压P2在狭道点Cs的下游侧急剧下降，差压DPl急增。第二区域Z2相对于狭道位置位于下游侧的跟前，因此与第一区域Zl相比，差压DPl的变化大。在狭道点Cs的前后，由于差压DPl急剧变化，因此狭道点Cs表示压力的拐点。接下来，说明在分割体11的冷却流路内流动的冷却空气的热传递率的分布。在图5B中，冷却空气侧的热传递率a由虚线表示。纵轴表示热传递率a，横轴表示旋转轴5的轴向的长度L。在第一区域Zl中的从上游点Cf到前缘点C。之间，冷却空气压与燃烧气体压的差压DPl几乎不变化，因此冷却空气侧的热传递率a恒定。在从燃烧气体向叶片间流路流入的前缘点Ctl到狭道点Cs之间，差压DPl增加，冷却空气侧的热传递率a也朝向下游侧逐渐增大，在狭道点Cs附近成为最大。在狭道点Cs的下游侧，冷却空气侧的热传递率a大致以最大值恒定。 图5C表示与图5A及图5B对应的分割体11的前方侧的侧端部18的开口 33的配置。若在中央线上的与狭道点Cs对应的侧端部18上配置的开口 33 (在从与旋转轴5正交的方向观察时，与狭道点一致或最近的开口)的位置为起点SP (第一起点SPl)，则以起点SP为边界而下游侧的开口 33的排列间距大于上游侧的开口 33的排列间距。即，起点SP表示燃烧气体压在起点SP的前后急剧变化，而且冷却空气侧的热传递率成为最大值，开口 33的间距急剧变化的拐点。需要说明的是，以侧端部18的开口形状为圆形进行了说明，但可以为椭圆形，也可以为矩形形状，还可以为狭缝状的长孔形状。每一个开口 33的开口面积全部相同。根据本实施例，分割体11的下游侧的开口 33的排列间距大于上游侧的开口 33的排列间距，能抑制从下游侧的开口 33吹出的冷却空气量，因此能够减少侧端部18的整体的
冷却空气量。另外，如图2、图4所示，本发明的由上游侧端部腔室23、上游侧端部冷却流路24及主体冷却流路25的组合构成的冷却流路具备折回结构，且各流路具备一连串地连结的冷却结构，因此冷却空间内的空气压与从下游侧端面排出的燃烧气体压的差压成为最大。由于能够利用最大差压，因此分割体11的主体12的冷却性能上的效率最高。即，如图5B所示，在叶片面上流动的燃烧气体的压力在下游侧端面附近变得最低。因此，冷却空间35的冷却空气在上游侧端部冷却流路24中流动而对上游侧端部16的上部进行对流冷却，在上游侧端部腔室23中折回，通过主体冷却流路25对分割体11的主体12进行对流冷却，从下游侧端面被吹出到燃烧气体中。因此，最大限度地利用冷却空气压与燃烧气体压的最大差压，循环使用冷却空气，因此与以往相比，能够减少分割体11的主体12的冷却空气量。图5C所示的实施例I的侧端部18的开口的配置的变形例中，作为变形例I如图6A所示，作为变形例2如图6B所示。变形例I所示的开口 33的比起点SP(第一起点SPl)靠上游侧为矩形形状的开口 33，比起点SP靠下游侧的开口是比上游侧的矩形形状的开口33的截面积小的圆形的开口 33。变形例2为矩形形状的开口 33，且比起点SP (第一起点SPl)靠下游侧的开口 33的截面积小于上游侧的开口 33。变形例I及变形例2所示的开口33的排列间距均相同，是在起点SP(第一起点SPl)附近改变了开口面积的例子。本变形例也是随着燃烧气体的急剧的压力下降而减小开口 33的开口面积来实现冷却空气量的减少，因此能得到与实施例I相同的效果。(实施例2)参照图7A及图7B，对实施例2进行说明。图7A表示本实施例的燃烧气体的压力分布与分割体的旋转轴5的轴向的长度L的关系，图7B表示分割体11的侧端部18的开口33的配置。由于涡轮动叶8的形状的不同，与实施例I相比，在叶片间流路中流动的燃烧气体的压力有时在上游侧会急剧下降。即，在实施例I中，燃烧气体压急剧下降的位置处于狭道点Cs，但在本实施例中，假定燃烧气体压急剧下降的位置追溯到最上游侧的情况，而表示处于最大叶片厚度点Cm的情况。图7A表示本实施例的燃烧气体压P3及冷却空气侧的热传递率a的变化与分割体11的旋转轴5的轴向长度L的关系，燃烧气体压P3与冷却空间35的冷却空气压Pl的差压由DP2表示。而且，以最大叶片厚度点Cm为边界而上游侧由第一区域Zl表示，下游侧 由第二区域Z2表示。与实施例I同样地，冷却空气压Pl由双点划线表示，燃烧气体压P3由实线表示，冷却空气侧的热传递率a由虚线表示。图7B表示与图7A对应的本实施例的侧端部18的开口 33的排列。而且，与最大叶片厚度点Cm对应的分割体的侧端部18的开口的位置显示作为起点SP (第二起点SP2)。本实施例的侧端部18的开口 33的各开口的开口面积相同，但配置在起点SP的下游侧的开口 33的排列间距大于配置在比起点SP(第二起点SP2)靠上游侧的开口 33的排列间距。需要说明的是，图7B所示的开口形状显示为圆形孔，但可以为矩形形状，也可以为椭圆形、狭缝状的长孔形状。根据本实施例，即使在燃烧气体压从最大叶片厚度点Cm急剧下降的情况下，通过从起点SP开始改变开口 33的排列间距，相对于第二区域Z2中的燃烧气体压P3的差压DP2的急增，也能够减小从开口 33排出到燃烧气体中的冷却空气量，从而能实现侧端部18的冷却空气量的减少。而且，在本实施例中，最大叶片厚度点Cm处的冷却空气侧的热传递率成为最大，在该点的下游侧，热传递率成为恒定。即，在第二区域Z2的全部范围内，冷却空气侧的热传递率成为最大，因此能够使侧端部18的开口 33的排列间距比第一区域大而减小第二区域的冷却空气量。需要说明的是，前述的实施例I的起点SPl对应于狭道点Cs，本实施例的起点SP2对应于最大叶片厚度点Cm。如前述那样，表示燃烧气体压及冷却空气的热传递率急剧变化的位置的起点SP根据燃气轮机动叶8的形状而在狭道点Cs与最大叶片厚度点Cm之间变动。相对于实施例2进一步改变了开口 33的配置的例子如图7C(变形例3)及图7D(变形例4)所示。燃烧气体压及冷却空气的热传递率的变化与实施例2的图7A所示的燃烧气体压及热传递率相同。在本变形例中，相对于实施例2，将侧端部18的开口 33分成3个区域。即，最上游侧的区域为第一区域Z1，最下游侧的区域为第三区域Z3，夹在中间的区域为第二区域Z2。如前述那样，根据叶片形状的不同，燃烧气体压P3的产生急剧下降的点(起点)的位置在最大叶片厚度点Cm与狭道点Cs之间可能发生变动。而且，冷却空气侧的热传递率成为最大的点对应于燃烧气体压的产生急剧变化的点。在比该位置靠燃烧气体的流动方向的下游侧，冷却空气侧的热传递率成为恒定。优选对应于这种燃烧气体的压力变化及冷却空气侧的热传递率的变化来选定开口 33的配置。在图7C所示的变形例3中，将实施例2中的第二区域Z2分为2个区域，最大叶片厚度点Cm与狭道点Cs之间为第二区域Z2，狭道点Cs与下游侧端面17a (下游点Cd)之间为第三区域Z3。第一区域Zl中的开口 33的排列与实施例I及实施例2相同，但在第二区域Z2中以排列间距从上游侧朝向下游侧逐渐增大的方式设定，在第三区域Z3中以比其他的区域大的排列间距且相同的排列间距配置。需要说明的是，与第二区域Z2开始的上游侧的最大叶片厚度点Cm对应的开口 33的位置为起点SP (第二起点SP2)，与第三区域Z3开始的上游侧的后缘点Ce相当的开口 33的位置为终点EP。图7D表示列举矩形形状的开口 33为例，对应于燃烧气体压的变化而改变开口 33的开口面积的变形例4。第一区域Z1、第二区域Z2、第三区域Z3的区分与变形例3相同。第一区域Zl的开口 33的开口面积是比其他的区域大的面积，在第二区域Z2中，矩形形状的开口 33的开口面积从上游侧朝向下游侧逐渐减少，在第三区域Z3中，开口 33的开口面积比其他的区域小。开口 33的形状可以为椭圆形，也可以为狭缝状的长孔形状。起点SP(第二起点SP2)及终点EP的选定与实施例3相同。 需要说明的是，在终点EP的位置的上游侧，压力的下降急剧，但在终点的位置的下游侧，燃烧气体压不怎么变化。即，终点EP与起点SP同样地表示燃烧气体压的拐点。对应于终点前后的压力变化，如下进行选定在终点的上游侧，随着朝向下游侧而开口间距逐渐增大或开口面积逐渐减小，但在终点的下游侧，开口间距或开口面积成为恒定。根据本变形例的结构，与实施例2相比，在第二区域Z2中以随着急剧的压力下降而开口 33的排列间距朝向下游侧逐渐增大或开口面积逐渐减小的方式进行设定，因此从开口 33排出的冷却空气量随着燃烧气体压的下降而减小，与实施例2相比，能实现冷却空气量的进一步的削减、适当化。(实施例3)以下，参照图8对实施例3进行说明。本实施例与实施例I同样地，在侧端部18、19分别设置前方侧端部冷却流路21及后方侧端部冷却流路27，在侧端部端面18a、19a上排列有经由各冷却流路而开口到燃烧气体中的开口 33。而且，为了对分割体主体12进行冷却，而在上游侧端部16设置上游侧端部冷却流路28 (第五冷却流路)，在下游侧端部17设置下游侧端部冷却流路29 (第六冷却流路)。设置于侧端部18、19的开口 33的配置可以适用实施例I、实施例2及变形例I至4所示的开口的配置。在前方侧的侧端部18上沿着旋转轴的轴向设有前方侧端部腔室20，前方侧端部腔室的一侧经由联络路22而与冷却空间35连通，另一侧与前方侧端部冷却流路21连接。前方侧端部冷却流路21的末端从开口 33向燃烧气体中开口。另一方面，在后方侧的侧端部19的下游侧端部17上沿着旋转轴5的轴向设有后方侧端部腔室26，后方侧端部腔室26的一方与冷却空间35连通，另一方与后方侧端部冷却流路27连接。而且，后方侧端部冷却流路27的末端经由开口 33而向燃烧气体中开口。在上游侧端部16设有一端与冷却空间35连通且另一端由上游侧端面16a向燃烧气体的流动方向的上游侧开口的上游侧端部冷却流路28。而且，在下游侧端部17设有一端与冷却空间35连通且另一端从下游侧端面17a向燃烧气体的流动方向的下游侧开口的下游侧端部冷却流路29。以下，说明本实施例中的分割体11的冷却方法。来自车室67侧的冷却空气的供给方法与实施例I同样地，经由碰撞板14的小孔(未图示)而对分割体主体12的上表面进行冲击冷却。而且，冲击冷却后的冷却空气在经由设置于上游侧端部16的上游侧端部冷却流路28而向燃烧气体的流动方向的上游侧吹出时，对上游侧端部16进行对流冷却。然后，在经由设置于下游侧端部17的下游侧端部冷却流路29吹出到燃烧气体中时，对下游侧端部17进行对流冷却。进而，冲击冷却后的冷却空气的一部分经由侧端部18、19的前方侧端部冷却流路21及后方侧端部冷却流路27从开口33吹出到燃烧气体中时，对侧端部18、19进行对流冷却。在本实施例中，能够适用与实施例I、实施例2及变形例I至4同样的侧端部18、19的开口的配置，因此能实现侧端部18、19的冷却空气量的减少。而且，上游侧端部16和下游侧端部17通过上游侧端部冷却流路28及下游侧端部冷却流路29进行对流冷却，因此分割体11的整体的冷却性能提高，燃气轮机的冷却效率获得改善。 (实施例4)以下，参照图9，说明实施例4。本实施例与实施例I同样地，在侧端部18、19配置有经由前方侧端部冷却流路21及后方侧端部冷却流路27而开口到燃烧气体中的开口 33。冷却孔的配置能够适用与实施例I、实施例2及变形例I至4同样的配置。另外，在侧端部18、19上沿着旋转轴5的轴向配置有前方侧端部腔室31 (第五腔室)及后方侧端部腔室32 (第六腔室)，其上游侧与配置在与旋转轴5正交的方向上的上游侧端部腔室30 (第四腔室)连通。而且，上游侧端部腔室30在腔室的中央附近经由入口孔37而与冷却空间35连通。而且，在下游侧端部17配置有沿着旋转轴5的轴向贯通的下游侧端部冷却流路29。下游侧端部冷却流路29与实施例2的下游侧端部的冷却流路同样地，一端与冷却空间35连通，另一端由下游侧端面17a向燃烧气体中开口。在本实施例的冷却结构中，冲击冷却后的冷却空气在从设置于下游侧端部17的下游侧端部冷却流路29经由开口吹出到燃烧气体中时，对下游侧端部17进行对流冷却。而且，冲击冷却后的冷却空气CA的一部分经由入口孔而向上游侧端部腔室30流动，在上游侧端部腔室30中流下时，对上游侧端部16进行对流冷却。而且，在上游侧端部腔室30的冷却空气向前方侧端部腔室31及后方侧端部腔室32供给而冷却空气在前方侧端部腔室31及后方侧端部腔室32中流下时，对侧端部18、19进行对流冷却。而且，从前方侧端部腔室31及后方侧端部腔室32经由前方侧端部冷却流路21及后方侧端部冷却流路27而从开口33吹出到燃烧气体中时，对侧端部18、19进行进一步地对流冷却。在本实施例中，与实施例I、实施例2及变形例I至4同样地，能够适用侧端部18、19的开口 33的配置，因此相对于沿着燃烧气体流动的燃烧气体压的下降，通过改变开口间距，来实现侧端部18、19的冷却空气量的减少。而且，在上游侧端部16设置腔室，并利用冷却空气对上游侧端部16进行对流冷却，因此上游侧端部16的冷却能力被强化，能实现分割体11的整体的有效的冷却和冷却空气量的适当化。需要说明的是，本发明并未限定为前述的实施例，能够实现本发明的目的的范围内的变形、改良等也包含在本发明的范围内。
工业实用性根据本发明的分割环冷却结构，对分割环主体的侧端部进行冷却的冷却空气量减少，从而实现分割环整体的冷却空气量的适当化并提高燃气轮机整体的热效率。符号说明I燃气轮机5旋转轴8涡轮动叶10、60 分割环
11,61 分割体12 主体14、64 碰撞板15,65 小孔16上游侧端部17下游侧端部18、19 侧端部20,31前方侧端部腔室(第一腔室、第五腔室)21前方侧端部冷却流路(第一冷却流路)23,30上游侧端部腔室(第二腔室、第四腔室)24上游侧端部冷却流路(第二冷却流路)25主体冷却流路(第三冷却流路)35、71 冷却空间67 车室Zl第一区域Z2第二区域Z3第三区域SP 起点SPl 第一起点SP2 第二起点EP 终点CA冷却空气FG燃烧气体
权利要求
1.一种分割环冷却结构，对燃气轮机的分割环进行冷却，所述燃气轮机的分割环由沿着周向配设而呈环状的多个分割体形成，且以所述分割体的内周面距涡轮动叶的前端保持恒定的距离的方式配设在车室内，所述分割环冷却结构的特征在于， 所述分割体包括 碰撞板,其具有将由所述车室的外部供给的冷却空气吹出而对所述分割体的主体进行冲击冷却的小孔； 冷却空间，其由该碰撞板和所述分割体的主体包围； 第一腔室，其沿着所述分割体的沿旋转轴的轴向的侧端部中的至少一方的侧端部而配置在旋转轴的轴向上，从所述冷却空间接纳冲击冷却后的冷却空气； 第一冷却流路，其一端与所述第一腔室连通，另一端将冷却空气由排列在所述侧端部上的开口吹出到燃烧气体中， 所述第一冷却流路的开口如下排列，即在燃烧气体的流动方向的上游侧，以开口的排列间距比下游侧的开口小或开口的开口面积比下游侧的开口大的方式排列，并且在燃烧气体的流动方向的下游侧，以开口的排列间距比上游侧的开口大或开口的开口面积比上游侧的开口小的方式排列。
2.根据权利要求I所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述第一冷却流路的开口至少配置在旋转轴的旋转方向的前方侧的所述侧端部。
3.根据权利要求I或2所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述第一冷却流路的开口从燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧分成两个区域，在上游侧的第一区域中，以开口的排列间距比下游侧的第二区域小或开口的开口面积比下游侧的第二区域大的方式排列，在下游侧的第二区域中，以开口的排列间距比所述第一区域大或开口的开口面积比所述第一区域小的方式排列。
4.根据权利要求3所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述第二区域开始的上游侧的位置为起点。
5.根据权利要求I或2所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述第一冷却流路的开口从燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧分成三个区域，在最上游侧的第一区域中，以开口的排列间距比其他的区域小或开口的开口面积比其他的区域大的方式排列，在最下游侧的第三区域中，以开口的排列间距比其他的区域大或开口的开口面积比其他的区域小的方式排列，在夹于所述第一区域与所述第三区域之间的第二区域中，以从上游侧朝向下游侧而开口的排列间距逐渐增大或开口的开口面积逐渐减小的方式排列。
6.根据权利要求5所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述第二区域开始的上游侧的位置为起点，所述第三区域开始的上游侧的位置为终点。
7.根据权利要求4或6所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述起点在燃烧气体的流动方向上的从最下游侧的第一起点到最上游侧的第二起点之间变化。
8.根据权利要求I所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述分割体具备第二腔室，其在分割体的燃烧气体的流动方向的上游侧端部以与所述旋转轴的轴向正交的方式配置； 第二冷却流路，其沿着旋转轴的轴向设置且从所述冷却空间向所述第二腔室连通；第三冷却流路，其沿着旋转轴的轴向设置，且从所述第二腔室在所述分割体的下游侧端部开口到燃烧气体中。
9.根据权利要求8所述的分割环冷却结构，其特征在于， 所述第二冷却流路及所述第三冷却流路具备经由所述第二腔室而沿着旋转轴的轴向折回的结构。
10.一种燃气轮机，其具备权利要求I 9中任一项所述的分割环冷却结构。
全文摘要
在对燃气轮机的分割环进行冷却的分割环冷却结构中，分割环的分割体包括碰撞板，其具有吹出冷却空气的小孔；冷却空间，其由该碰撞板和所述分割体的主体包围；第一腔室，其沿着侧端部而配置在旋转轴的轴向上，从所述冷却空间接纳冷却空气；第一冷却流路，其一端与所述第一腔室连通，另一端将冷却空气由排列在所述侧端部上的开口吹出到燃烧气体中，其中，所述第一冷却流路的开口如下排列，即在燃烧气体的流动方向的上游侧，以开口的排列间距比下游侧的开口小或开口的开口面积比下游侧的开口大的方式排列，并且在燃烧气体的流动方向的下游侧，以开口的排列间距比上游侧的开口大或开口的开口面积比上游侧的开口小的方式排列。
文档编号F01D9/04GK102782257SQ201080064950
公开日2012年11月14日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者塚越敬三, 小薮豪通, 正田淳一郎, 羽田哲 申请人:三菱重工业株式会社