CN105637200B - 燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机，在燃气轮机中设置：与涡轮机室(26)的内周部连结而划分出环状的第一腔室(61)的叶片环(43)；沿轴向以规定间隔与叶片环(43)的内周部连结的多个隔热环(46、47)；与多个隔热环(46、47)的内周部连结的多个分割环(49、51)；沿轴向隔开规定间隔地固定于转子(32)的外周部且配置为与分割环(49、51)在径向上对置的多个动叶片体(54)；固定在多个动叶片体(54)之间且将外侧护罩(56)固定于隔热环(46、47)而划分出环状的第二腔室(62)的多个静叶片体(53)；将压缩空气向第二腔室(62)供给的第二冷却空气供给路径(74)；将比压缩空气低温的冷却空气向第一腔室(61)供给的第一冷却空气供给路径(71)；以及从第一腔室(61)排出冷却空气的冷却空气排出路径(72)，由此使涡轮机室侧与动叶片之间的间隙为适当量而实现性能的提高。

Description

燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种例如对压缩后的高温高压的空气供给燃料使其燃烧，并将产生的燃烧气体向涡轮供给来获得旋转动力的燃气轮机。
背景技术
通常的燃气轮机由压缩机、燃烧器以及涡轮构成。压缩机通过对从空气入口引入的空气进行压缩而使其成为高温高压的压缩空气。燃烧器通过对该压缩空气供给燃料使其燃烧，由此来获得高温高压的燃烧气体。涡轮被该燃烧气体驱动，从而对在同轴上连结的发电机进行驱动。
该燃气轮机中的涡轮通过在机室内沿着燃烧气体的流动方向交替地配设多个静叶片和动叶片而构成，在燃烧器中生成的燃烧气体在多个静叶片与动叶片中通过而驱动转子旋转，从而对与该转子连结的发电机进行驱动。
另外，配置有静叶片和动叶片的、供高温的燃烧气体流动的燃烧气体流路(气体通路)通过由构成静叶片的一部分的外侧护罩及内侧护罩以及动叶片平台及分割环包围的空间形成。动叶片平台绕旋转轴线安装为环状，静叶片及分割环绕旋转轴线配置为环状，且借助隔热环及叶片环而被机室侧支承。
叶片环绕转子分割为两个，且配置为环状。隔热环配置在叶片环的内周侧，受到叶片环的支承。静叶片及分割环配置在隔热环的径向内侧，受到隔热环的支承。
动叶片的前端与分割环的内周面之间采用在两者不产生干涉的范围内减小间隙而抑制燃烧气体的间隙流从而使燃气轮机的性能不降低的结构。
需要说明的是，将从压缩机的中间段抽出的冷却空气向涡轮的机室供给，经由叶片环向静叶片、分割环供给冷却空气，从而保护绕叶片环的构 成部件(分割环、隔热环等)免受燃烧气体产生的热损伤。冷却空气最终向在气体通路中流动的燃烧气体中排出，因此通常使用比较高压的抽气空气。
作为这样的燃气轮机，例如有专利文献1中记载的燃气轮机。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-54669号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在上述的现有的燃气轮机的涡轮中，例如，在热起动时，就各动叶片而言，其前端部由于高速旋转而向径向上的外侧扩张，另一方面，机室侧的绕叶片环的构成部件被低温的冷却空气冷却而暂时向径向的内侧收缩。此时，在燃气轮机的起动后至到达额定运转的期间，会产生动叶片的前端与构成气体通路的分割环的内壁面之间的间隙暂时减小的扭转点(pinch point)(最小间隙)。因此，为了使得即便在扭转点处动叶片的前端与分割环的内壁面也不接触，需要确保规定间隙。另一方面，燃气轮机存在如下问题：在到达了额定运转之际，动叶片的前端与分割环的内壁面之间的间隙增大至必要以上，涡轮产生的驱动力的回收效率降低，燃气轮机自身的性能降低。
另外，在上述的专利文献1所记载的涡轮中，从压缩机向叶片环供给比较高温的抽气空气，因此难以对叶片环及绕叶片环的构成部件进行充分地冷却，在减小上述的间隙方面存在着局限性。为了降低抽气空气的温度而需要冷却，但抽气空气的冷却与热损失相关，存在导致燃气轮机的性能降低这样的问题。
本发明是用于解决上述的技术问题而做成的，其目的在于，提供一种使涡轮机室侧与动叶片之间的间隙成为适当量而实现性能提高的燃气轮机。
用于解决技术问题的方案
为了实现上述的目的，本发明的燃气轮机具有：压缩机，其对空气进 行压缩；燃烧器，其将燃料与所述压缩机压缩后的压缩空气混合而进行燃烧；涡轮，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获得旋转动力；以及旋转轴，其在所述燃烧气体的作用下绕旋转轴线旋转，所述燃气轮机的特征在于，所述涡轮具有：涡轮机室，其绕所述旋转轴线构成为环形状；叶片环，其绕所述旋转轴线构成为环形状，且支承于所述涡轮机室的内周部，由此划分出环状的第一腔室；多个隔热环，该多个隔热环绕所述旋转轴线构成为环形状，且沿轴向以规定间隔支承于所述叶片环的内周部；多个分割环，该多个分割环绕所述旋转轴线构成为环形状，且支承于所述多个隔热环的内周部；多个动叶片体，该多个动叶片体沿轴向隔开规定间隔地固定于所述旋转轴的外周部，且配置为与所述分割环在径向上对置；多个静叶片体，该多个静叶片体固定在所述多个动叶片体之间，且将绕所述旋转轴线构成为环形状的护罩固定于相邻的所述隔热环，由此划分出环状的第二腔室；第二冷却空气供给路径，其将所述压缩机压缩后的压缩空气的一部分向所述第二腔室供给；第一冷却空气供给路径，其将比所述压缩机压缩后的压缩空气低温的冷却空气向所述第一腔室供给；以及冷却空气排出路径，其从所述第一腔室排出冷却空气。
因此，能够从压缩机抽出压缩空气的一部分，并将抽出的压缩空气通过第二冷却空气供给路径向第二腔室供给，并且通过第一冷却空气供给路径向第一腔室供给比该压缩空气低温的冷却空气，通过冷却空气排出路径从第一腔室排出冷却空气。因此，隔热环被来自压缩机的压缩空气冷却，叶片环被冷却空气从径向的内侧及外侧冷却，由此叶片环和隔热环不会因从燃烧气体受到热量而进行较大位移，能够使分割环与动叶片之间的间隙为适当量来抑制涡轮产生的驱动力的回收效率降低，从而提高燃气轮机的性能。
在本发明的燃气轮机中，具有：压缩机，其对空气进行压缩；燃烧器，其将燃料与所述压缩机压缩后的压缩空气混合而进行燃烧；涡轮，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获得旋转动力；以及旋转轴，其在所述燃烧气体的作用下绕旋转轴线旋转，所述燃气轮机的特征在于，所述涡轮具有：涡轮机室，其绕所述旋转轴线构成为环形状；叶片环，其绕所述旋转轴线构成为环形状，且与所述涡轮机室的内周部连结，由此划分出环状的第一 腔室；多个隔热环，该多个隔热环绕所述旋转轴线构成为环形状，且沿轴向以规定间隔与所述叶片环的内周部连结；多个分割环，该多个分割环绕所述旋转轴线构成为环形状，且与所述多个隔热环的内周部连结；多个动叶片体，该多个动叶片体沿轴向隔开规定间隔地固定于所述旋转轴的外周部，且配置为与所述分割环在径向上对置；多个静叶片体，该多个静叶片体固定在所述多个动叶片体之间，且将绕所述旋转轴线构成为环形状的护罩固定于相邻的所述隔热环，由此划分出环状的第二腔室；第二冷却空气供给路径，其将所述压缩机压缩后的压缩空气的一部分向所述第二腔室供给；冷却空气流路，其设置于所述叶片环，且一端部与所述第一腔室连通；第一冷却空气供给路径，其将比所述压缩机压缩后的压缩空气低温的冷却空气向所述冷却空气流路的另一端部和所述第一腔室中的任一方供给；以及冷却空气排出路径，其从所述冷却空气流路的另一端部和所述第一腔室中的另一方排出冷却空气。
因此，由于在叶片环的内部设置冷却空气流路，因此，叶片环被进一步冷却，动叶片的前端与分割环之间的间隙的管理变得更加容易。
本发明的燃气轮机的特征在于，在所述叶片环的内周面设置有隔热构件。
因此，利用隔热构件隔断从第二腔室向叶片环的热量输入，从而能够进一步对叶片环进行冷却。
本发明的燃气轮机的特征在于，所述冷却空气流路具有：沿所述旋转轴的轴向隔开规定间隔地配置的多个歧管；以及将所述多个歧管串联连结的连结通路。
因此，在叶片环内，冷却空气通过连结通路而在多个歧管之间流通，从而能够高效地冷却叶片环。
本发明的燃气轮机的特征在于，所述叶片环具有沿着所述旋转轴的轴向的圆筒部和在所述圆筒部的各端部设置的第一外周凸缘部及第二外周凸缘部，所述多个歧管在所述第一外周凸缘部及第二外周凸缘部形成为空洞部，所述连结通路在所述圆筒部形成为多个连通孔。
因此，冷却空气穿过作为连结通路的多个连通孔而在多个歧管间流动，冷却空气在叶片环的整个内部流动，从而能够高效地冷却叶片环。
本发明的燃气轮机的特征在于，所述第一冷却空气供给路径用于供给由鼓风机吸引来的大气空气。
因此，由于第一冷却空气供给路径供给大气空气，因此能够以简单的结构容易地供给冷却空气而对叶片环进行冷却。
本发明的燃气轮机的特征在于，所述隔热环由热膨胀率比所述叶片环大的材料构成。
因此，隔热环被燃烧气体加热而发生热膨胀，从而能够将分割环与动叶片之间的间隙设定得较小。
本发明的燃气轮机的特征在于，所述第一冷却空气供给路径具备对所述冷却空气进行加热的加热装置。
因此，在从燃气轮机的起动时至到达额定负荷运转的阶段，能够减小动叶片的前端与分割环之间的间隙，因此能够抑制燃气轮机的性能降低。
本发明的燃气轮机的特征在于，所述冷却空气排出路径将从所述第一腔室排出的冷却空气向排气冷却系统导入。
因此，将冷却叶片环后的冷却空气通过冷却空气排出路径向排气冷却系统导入，由此能够实现冷却空气的有效利用。
发明效果
根据本发明的燃气轮机，将比向在叶片环的内侧划分出的第二腔室供给的冷却空气低温的冷却空气向在叶片环的外侧划分出的第一腔室供给，因此，在从起动时至到达额定运转的期间，叶片环始终与低温的冷却空气接触，因此叶片环本身不会进行较大位移。因此，在额定运转时，能够使分割环与动叶片之间的间隙为适当量，能够抑制涡轮产生的驱动力的回收效率降低，从而提高燃气轮机的性能。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃气轮机中的燃烧器的附近的剖视图。
图2是表示涡轮的叶片环的附近的剖视图。
图3是表示本实施方式的变形例的、涡轮的叶片环的附近的剖视图。
图4是表示本实施方式的变形例的、第一冷却空气供给路径的图。
图5是表示燃气轮机的热起动时的涡轮的构成构件的间隙的变化的 曲线图。
图6是表示燃气轮机的冷起动时的涡轮的构成构件的间隙的变化的曲线图。
图7是表示燃气轮机的整体结构的概要图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的燃气轮机的优选实施方式详细进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于该实施方式，另外，在具有多个实施方式的情况下，也包括组合各实施方式而构成的结构。
图7是表示本实施方式的燃气轮机的整体结构的概要图。
如图7所示，本实施方式的燃气轮机由压缩机11、燃烧器12以及涡轮13构成。该燃气轮机在同轴上连结有未图示的发电机，能够发电。
压缩机11具有引入空气的空气入口20，在压缩机室21内配设有入口引导叶片(IGV：Inlet Guide Vane)22，并且，沿空气的流动方向(后述的转子32的轴向)交替地配设有多个静叶片23与多个动叶片24，在其外侧设有抽气室25。该压缩机11通过对从空气入口20引入的空气进行压缩而使其成为高温高压的压缩空气。
燃烧器12通过对由压缩机11压缩后的高温高压的压缩空气供给燃料并使其燃烧，由此来生成燃烧气体。涡轮13在涡轮机室26内沿燃烧气体的流动方向(后述的转子32的轴向)交替地配设有多个静叶片27与多个动叶片28。而且，该涡轮机室26在下游侧隔着排气机室29而配设有排气室30，排气室30具有与涡轮13连接的排气扩散部31。该涡轮被来自燃烧器12的燃烧气体驱动，从而对在同轴上连结的发电机进行驱动。
压缩机11、燃烧器12与涡轮13以贯穿排气室30的中心部的方式配置有转子(旋转轴)32。转子32的压缩机11侧的端部被轴承部33支承为旋转自如，并且，排气室30侧的端部被轴承部34支承为旋转自如。而且，该转子32在压缩机11处重叠并固定有多个供各动叶片24装配的盘状件，并且在涡轮13处重叠并固定有多个供各动叶片28装配的盘状件，在排气室30侧的端部连结有发电机的驱动轴。
而且，就该燃气轮机而言，压缩机11的压缩机室21被腿部35支承， 涡轮13的涡轮机室26被腿部36支承，排气室30被腿部37支承。
因此，在压缩机11中，从空气入口20引入的空气通过入口引导叶片22、多个静叶片23以及动叶片24而被压缩，由此成为高温高压的压缩空气。在燃烧器12中，对该压缩空气供给规定的燃料而使其燃烧。在涡轮13中，由燃烧器12生成的高温高压的燃烧气体G通过涡轮13中的多个静叶片27和动叶片28而驱动转子32旋转，从而对与该转子32连结的发电机进行驱动。另一方面，燃烧气体在通过排气室30的排气扩散部31将动能转换为压力后向大气中放出。
在这样构成的燃气轮机中，涡轮13中的各动叶片28的前端与涡轮机室26侧之间的间隙成为考虑了动叶片28、涡轮机室26等的热延伸的间隙(clearance)，从涡轮13产生的驱动力的回收效率降低、进而燃气轮机自身的性能降低的观点出发，期望使涡轮13中的各动叶片28的前端与涡轮机室26侧之间的间隙成为尽可能小的间隙。
因此，在本实施方式中，通过增大动叶片28的前端与涡轮机室26侧之间的初始间隙，并且适当地冷却涡轮机室26侧，从而减小稳定运行时的动叶片28的前端与涡轮机室26侧之间的间隙，由此来防止涡轮13产生的驱动力的回收效率的降低。
图1是表示本实施方式的燃气轮机中的燃烧器的附近的剖视图，图2是表示涡轮的叶片环的附近的剖视图。
如图1及图2所示，在涡轮13中，涡轮机室26构成为圆筒形状，在燃烧气体G的流动方向的下游侧连结有构成为圆筒形状的排气机室29。该排气机室29在燃烧气体G的流动方向的下游侧设置有构成为圆筒形状的排气室30(排气扩散部31)，排气室30在燃烧气体G的流动方向的下游侧设置有排气管道(未图示)。
涡轮机室26在内周部沿燃烧气体G的流动方向的前后隔开规定间隔而一体地形成有内周凸缘部42a、42b，在该内周凸缘部42a、42b固定有构成为环形状的叶片环43，该叶片环43在径向的内周部被绕转子32分割为两个。该叶片环43在周向的分割部处被螺栓连结，形成圆筒形状的构造物。叶片环43具有沿着燃烧气体G的流动方向(转子32的轴向)的圆筒部44a和在圆筒部44a的轴向的上游侧及下游侧的各端部处设置的 第一外周凸缘部44b及第二外周凸缘部44c。
叶片环43在径向内侧的内周部沿周向一体地形成有卡止部45a、45b，卡止部45a、45b沿燃烧气体G的流动方向的前后隔开规定间隔。第一隔热环46借助卡止部45a而被叶片环43的内周部支承，第二隔热环47借助卡止部45b而被叶片环43的内周部支承。该各隔热环46、47绕转子32而构成为环形状，第一分割环49借助卡止部48a、48b而被第一隔热环46的内周部支承，第二分割环51借助卡止部50a、50b而被第二隔热环47的内周部支承。
另外，隔热环46、47及静叶片27以及分割环49、51沿周向分割为多个，且保持一定间隙地配置为环状。
转子32(参照图7)在外周部一体地连结有多个盘状件52，且利用轴承部34(参照图7)旋转自如地支承于涡轮机室26内。
多个静叶片体53与多个动叶片体54在叶片环43的径向的内侧沿着燃烧气体G的流动方向交替地配设。静叶片体53构成为，沿周向等间隔地配置有多个静叶片27，在径向内侧固定于绕转子32构成为环形状的内侧护罩55，在径向的外侧固定于绕转子32构成为环形状的外侧护罩56。而且，静叶片体53的外侧护罩56借助卡止部57a、57b而被隔热环46、47支承。
动叶片体54沿周向等间隔地配置有多个动叶片28，且基端部固定于盘状件52的外周部。动叶片28的前端部向在径向的外侧对置配置的分割环49、51侧延伸出。在这种情况下，在各动叶片28的前端与分割环49、51的内周面之间能够确保规定的间隙(clearance)。
涡轮13在分割环49、51及外侧护罩56与内侧护罩55之间形成有绕转子32构成为环形状的供燃烧气体G流动的气体通路58。在该气体通路58中，多个静叶片体53与多个动叶片体54沿着燃烧气体G的流动方向交替地配设。
燃烧器12在转子32的径向的外侧沿周向以规定间隔配置有多个，且借助燃烧器支承构件38支承于涡轮机室26。该燃烧器12对由压缩机11压缩后的高温高压的压缩空气供给燃料并使其燃烧，由此生成燃烧气体G。燃烧器12的出口14(尾筒)与气体通路58连结。
并且，在涡轮13中，叶片环43经由第一外周凸缘部44b及第二外周凸缘部44c而与涡轮机室26的内周凸缘部42a、42b连结。其结果是，划分出由涡轮机室26的径向的内周面与叶片环的径向的外周面包围、绕转子32配置为环状的第一腔室61，该第一腔室61与叶片环43的径向的外表面相邻。在涡轮13中，分割环49、51隔着隔热环46、47固定于叶片环43的内周部，并且静叶片体53的外侧护罩56固定在转子32的轴向上的隔热环46、47之间。其结果是，划分出由叶片环43的径向的内周面与分割环49、51的径向的外周面包围、绕转子32配置为环状的第二腔室62，该第二腔室62与叶片环43的径向的内周面相邻。
需要说明的是，如图2所示，叶片环43是第一外周凸缘部44b相对于涡轮机室26的内周凸缘部42a沿转子32的轴向固定、且在径向上能够滑动的结构。另外，内周凸缘部42b是隔着密封构件82与第二外周凸缘44c抵接、且在径向上能够滑动的结构。因此，成为能够吸收涡轮机室26与叶片环43的轴向及径向的位移且能够对第一腔室61与轴向的下游侧的空间之间进行密封的结构。由于具有这样的结构，因此，叶片环43的径向的位移不受涡轮机室26的约束。
另外，涡轮13在叶片环43中设置有冷却空气流路63。该冷却空气流路63具有：多个(在本实施例中为两个)歧管64、65，其在燃烧气体G的流动方向(转子32的轴向)上隔开规定间隔地配置，且绕转子32形成为环状；连结通路66，其将该多个歧管64、65在转子32的轴向上串联配置，且在两端与歧管64、65连结。
具体而言，作为冷却空气流路63，设置有在第一外周凸缘部44b中形成为空洞部的第一歧管64和在第二外周凸缘部44c中形成为空洞部的第二歧管65。各歧管64、65绕转子32而构成为环形状，该第一歧管64与第二歧管65通过在圆筒部44a中形成为多个连通孔的连结通路66相连结。构成该连结通路66的多个连通孔沿周向以等间隔配置。需要说明的是，在从转子32的轴向进行剖视观察时，连结通路66在径向上可以是单列的配置，也可以配置为多列。
涡轮13设置有将来自涡轮机室26的外部的冷却空气A1向第一腔室61或冷却空气流路63供给的第一冷却空气供给路径71，并且设置有将第一腔室61或冷却空气流路63的冷却空气A1排出的冷却空气排出路径72。冷却空气流路63的一端部63a与第一腔室61连通，另一端部63b与第一冷却空气供给路径71连结。第一冷却空气供给路径71是从外部贯通涡轮机室26的配管71a，在与叶片环43连接的前端部设置有辅助腔室71b。辅助腔室71b沿周向构成为环状，与冷却空气流路63的一端部63a连通。而且，第一冷却空气供给路径71的与前端部在径向上相反侧的基端部向涡轮13(涡轮机室26)的外部延长，在配管71a的上游端装配有风扇(鼓风机)73。冷却空气排出路径72也是从涡轮机室26的外部贯通涡轮机室26的配管72a，前端部与第一腔室61连通。需要说明的是，配管71a在叶片环43与涡轮机室26之间设置有波纹管71c。虽未图示，但配管72a也同样地在叶片环43与涡轮机室26之间设置有波纹管。波纹管71c主要发挥吸收轴向的热延伸的差的作用。
另外，涡轮13设置有将冷却空气A2向第二腔室62供给的第二冷却空气供给路径74。该第二冷却空气供给路径74的基端部与压缩机11的中间段(中压段或高压段)的抽气室25(参照图7)连结，前端部与第二腔室62连通。第二冷却空气供给路径74是从涡轮机室26的外部贯通涡轮机室26的配管74a，该配管74a在叶片环43与涡轮机室26之间设置有波纹管74c。波纹管74c的作用与波纹管71c相同。
在这种情况下，第二冷却空气供给路径74将压缩机11压缩后的压缩空气的一部分作为冷却空气A2向第二腔室62供给。冷却空气A2主要用于静叶片周围的冷却。冷却空气A2最终向在气体通路58中流动的燃烧气体G中排出，因此需要抽气空气等的比较高的压力。另一方面，第一冷却空气供给路径71利用风扇73将外部的空气作为冷却空气A1向冷却空气流路63供给。此时，第一冷却空气供给路径71需要将比向第二腔室62供给的冷却空气A2低温的冷却空气A1向冷却空气流路63供给。
即，为了减小分割环49的内周面与动叶片28的前端之间的间隙，优选将叶片环43维持为尽量低的温度，最优选第一冷却空气供给路径71将由风扇73吸引大气空气A而得到的冷却空气A1向第一腔室61或冷却空气流路63供给。但是，第一冷却空气供给路径71也可以将从比第二冷却空气供给路径74低压的压缩机11的低压段抽出的压缩空气作为冷却空气A1向第一腔室61或冷却空气流路63供给。需要说明的是，在这种情况下，也优选从抽气温度接近大气温度的温度低的低压段抽气。
冷却空气排出路径72将从第一腔室61排出的冷却空气A1向排气冷却系统75导入。该排气冷却系统75例如是在排气室30中设置的排气扩散部31。
在排气扩散部31中，供给至排气冷却系统75的冷却空气在对压杆(strut)、轴承34进行冷却之后，向在排气扩散部31内流动的压力恢复前的负压状态的燃烧气体中排出。由风扇73加压并供给至涡轮13的冷却空气A1在对叶片环43周围进行冷却之后，经由冷却空气排出路径72而向排气扩散部31供给并对其内部进行冷却。因此，冷却空气A1被循环使用，能实现冷却空气的有效利用。
另外，被循环使用的冷却空气A1向排气扩散部31内的负压状态的燃烧气体中排出，因此对大气空气A进行吸引的风扇73的排出压力为比较低压即可。因此，使用利用了风扇73的冷却空气A1的方法与将压缩机11的抽气空气用于冷却空气A1的情况相比，能量损失较小即可，因此能够抑制燃气轮机的性能的降低。
涡轮13在叶片环43的第二腔室62侧的内周面设置有隔热构件81。隔热构件81在周向上分割为多个而构成为环形状，且覆盖叶片环43的径向的内周面。
另外，在转子32的轴向的上游侧与叶片环43的第一外周凸缘部44b接触的燃烧器支承构件38发挥对从燃烧器12侧向叶片环43进入的热进行隔断的隔热构件81的作用。
另外，隔热环46、47由热膨胀率(热膨胀系数)比叶片环43大的材料构成。例如，隔热环46、47由奥氏体系不锈钢(SUS310S)形成，叶片环43由12％铬钢形成。
关于与现有技术相比的叶片环43周围的冷却方法的不同，以下进行具体地说明。如上述那样，叶片环43的径向的外周面与第一腔室61接触，径向的内周面与第二腔室62接触。另一方面，与供燃烧气体G流动的气体通路58接触的分割环49、51由隔热环46、47支承，隔热环46、47由叶片环43支承。
在向第一腔室61供给由风扇73加压的冷却空气A1、向第二腔室62供给从压缩机11抽出的冷却空气A2的情况下，叶片环43的温度成为向第一腔室61供给的冷却空气A1的温度与向第二腔室62供给的冷却空气A2的温度的中间温度。即，来自在气体通路58中流动的燃烧气体G的热量输入从分割环49、51经由隔热环46、47向叶片环43传递。另一方面，叶片环43自身并不与燃烧气体接触。因此，叶片环43的温度被直接接触的第一腔室61的冷却空气A1的温度与第二腔室62的冷却空气A2的温度控制，从燃烧气体G经由分割环49、51及隔热环46、47传递的热量输入的影响较小。
另一方面，分割环49、51从气体通路58接受燃烧气体G的热量。因此，分割环49、51及隔热环46、47虽然与第二腔室62接触而被冷却空气A2冷却，但温度比叶片环43高。
因此，在假定了燃气轮机的负荷上升、燃烧气体G的温度上升的状态的情况下，虽然叶片环43向径向的外侧位移，但分割环49、51及隔热环46、47由于被叶片环43的内周面向径向的内侧方向支承，因此，相对于叶片环43而言向径向的内侧位移。因此，在从转子32的中心进行观察的情况下，与叶片环43的向径向的外侧的位移量相比，分割环49、51的向径向的外侧的位移量小。另一方面，如上述那样，分割环49、51及隔热环46、47与叶片环43相比，受到燃烧气体G侧的热影响而温度变高。因此，分割环49、51的内周面的向径向外侧的位移量进一步变小。
在本实施方式中的涡轮13的结构的情况下，在第一腔室61中流动的冷却空气A1的温度设定为比在第二腔室62中流动的冷却空气A2的温度低。因此，在叶片环43与分割环49、51以及隔热环46、47之间，由于温度差引起的径向的热延伸的不同，与叶片环43的向径向的外侧的位移量相比，分割环49、51的内周面的向径向的外侧的位移量较小。即，若在向第一腔室61供给的冷却空气A1与向第二腔室62供给的冷却空气A2之间设置温度差，而将叶片环43保持为较低的温度，则动叶片的前端与分割环之间的间隙的管理变得容易，在额定运转时，能够维持适当的间隙量，燃气轮机的性能提高。
并且，可以在叶片环43中设置冷却空气流路63。若将冷却空气流路 63设置在叶片环43内，并向冷却空气流路63供给冷却空气A1，则能够将叶片环43保持为更低的温度。即，在燃气轮机的运转中，利用风扇73将大气空气A作为冷却空气A1从第一冷却空气供给路径71向冷却空气流路63供给，并从该冷却空气流路63向第一腔室61供给。即，在叶片环43中，将冷却空气A1向第二歧管65供给，流经连结通路66而向第一歧管64供给，并向第一腔室61供给。因此，叶片环43被在内部循环的冷却空气A1和供给至外侧(第一腔室61)的冷却空气A1冷却，从而高温化得到抑制。在该冷却空气流路63中，由于连结通路66的通路截面积比歧管64、65的通路截面积小，因此冷却空气在通过连结通路66时流速上升，叶片环43被有效地冷却。
在这种情况下，向叶片环43的内部的冷却空气流路63供给冷却空气A1，因此，如上述那样，与不设置冷却空气流路63而对叶片环43的外周面及内周面进行冷却的实施方式相比，能够将叶片环43的温度维持得更低。因此，叶片环43的向径向的外侧的位移进一步变小，动叶片的前端与分割环之间的间隙的管理更加容易。
另一方面，将从压缩机11抽出的压缩空气的一部分作为冷却空气A2从第二冷却空气供给路径74向第二腔室62供给。于是，该冷却空气A2在静叶片体53的静叶片27、各护罩55、56内通过，并从盘状件腔室(未图示)向气体通路58排出，由此对静叶片体53进行冷却。
另外，叶片环43在径向的内周面的第二腔室62侧设置有隔热构件81，因此不易受到来自向第二腔室62供给的冷却空气A2的热量，从而高温化得到抑制。即，如上述那样，叶片环43的温度保持为在第一腔室61内流动的冷却空气A1与在第二腔室62内流动的冷却空气A2的中间温度，但在叶片环43的内周面设置有隔热构件81的情况下，来自第二腔室62侧的热量输入被隔断，叶片环43的温度接近第一腔室61的冷却空气A1的温度。因此，动叶片28的前端与分割环49、51之间的间隙的管理变得更加容易。
在上述的实施方式中，通过第一冷却空气供给路径71将冷却空气A1向冷却空气流路63供给，并从该冷却空气流路63向第一腔室61供给，由此对叶片环43进行冷却。进一步，将冷却叶片环43后的第一腔室61 的冷却空气A1通过冷却空气排出路径72向涡轮13的排气冷却系统75供给。然而，也可以使冷却空气A1的流动反向。
图3是表示本实施方式的变形例的、涡轮的叶片环的附近的剖视图。如该图3所示，利用风扇73将大气空气A作为冷却空气A1从第一冷却空气供给路径71向第一腔室61供给，并从该第一腔室61向冷却空气流路63供给。即，在叶片环43处，将冷却空气A1向第一腔室61供给，并从该第一腔室61向第一歧管64供给，通过连结通路66而向第二歧管65供给。在该结构中，叶片环43也被在内部流动的冷却空气A1和供给至径向的外侧(第一腔室61)的冷却空气A1冷却，从而高温化得到抑制。然后，冷却叶片环43后的冷却空气A1从冷却空气流路63通过冷却空气排出路径72向涡轮13的排气冷却系统75供给。
另外，在图3中，也可以将冷却空气流路63的另一端部63b与第一腔室61连通，将第一冷却空气供给路径71和冷却空气排出路径72中的一方与冷却空气流路63连结，而将另一方与第一腔室61连通。
接下来，图4是相对于图1、2所示的实施方式以及图3所示的变形例进一步表示第一冷却空气供给路径71的变形例的图。如图4所示，在第一冷却空气供给路径71中的、在风扇73的下游侧处与涡轮机室26连接的近前的配管路径的中途，设置对冷却空气A1进行加热的加热装置76。作为加热介质77，能够利用从燃气轮机排出的燃烧排气或压缩机出口的机室空气或GTCC的废蒸气等。
第一冷却空气供给路径71通常引入大气空气A，不加热而将低温的冷却空气直接向燃气轮机供给。但是，在燃气轮机的起动时，也可以向加热装置76供给加热介质77而对冷却空气A1进行加热。若对冷却空气A1进行加热，则叶片环43的温度上升，能够扩宽起动时的动叶片的前端与分割环之间的间隙，因此能够可靠地避免起动时容易产生的扭转点。
在此，对燃气轮机的起动时的涡轮13的构成构件中的径向的位移进行说明。
图5是表示燃气轮机的热起动时的涡轮的构成构件的间隙的变化的曲线图，图6是表示燃气轮机的冷起动时的涡轮的构成构件的间隙的变化的曲线图。
在现有的燃气轮机的热起动时，如图1及图5所示，在时间t1起动燃气轮机1的情况下，转子32的转速上升，在时间t2，转子32的转速达到额定转速并维持为恒定。在该期间，压缩机11从空气入口20引入空气，并使空气通过多个静叶片23以及动叶片24而对其进行压缩，由此生成高温高压的压缩空气。燃烧器12在转子32的转速到达额定转速之前被点火，对压缩空气供给燃料而使其燃烧，由此生成高温高压的燃烧气体。涡轮13使燃烧气体通过多个静叶片27以及动叶片28，由此驱动转子32旋转。因此，燃气轮机在时间t3，负荷(输出)上升，在时间t4，达到额定负荷(额定输出)并维持为恒定。
在这样的燃气轮机的热起动时，动叶片28由于高速旋转而向径向上的外侧位移(扩张)，然后，从在气体通路58中通过的高温高压的燃烧气体G接受热量而进一步向外侧位移(扩张)。另一方面，叶片环43虽然在刚刚停止后为高温，但在燃气轮机1刚刚起动后的一定时间的期间内，从压缩机11向叶片环43供给有低温的抽气空气(冷却空气A2)，从而叶片环43被暂时冷却。因此，叶片环43暂时地向径向的内侧位移(收缩)，然后，来自压缩机11的抽气空气的温度上升，叶片环43的抽气空气所带来的冷却效果减弱，叶片环43再次向外侧位移(扩张)。
此时，在现有的燃气轮机中，图5中以虚线表示的分割环及隔热环在时间t2附近暂时地被低温的抽气空气冷却而向内侧位移，因此，产生动叶片的前端与分割环的内周面之间的间隙暂时较大地减少的扭转点(最小间隙)。然后，分割环、隔热环、叶片环被高温高压的燃烧气体及抽气空气加热而向外侧位移(扩张)。并且，在时间t4后的额定运转中，分割环、隔热环、叶片环向外侧较大地位移，从而导致动叶片的前端与叶片环的内周面之间的间隙增大至必要以上。
另一方面，在本实施方式的燃气轮机中，在图5中以实线表示的分割环49、51虽然在时间t2由于分割环49、51、隔热环46、47以及叶片环43被低温的冷却空气(冷却空气A1及冷却空气A2)冷却而向内侧位移，但是由于能够确保起动前的动叶片28的前端与分割环49、51的内周面之间的间隙较大，因此，与现有的结构相比，动叶片28的前端与分割环49、51的内周面之间的间隙不会减少。并且，在时间t4后的额定运转中，叶 片环43能够被向第一腔室61及冷却空气流路63供给的冷却空气(冷却空气A1)冷却，并且通过隔热构件81能够抑制来自第二腔室62的压缩空气的热量输入。因此，叶片环43虽然稍微向外侧位移，但是与现有的结构相比，动叶片28的前端与分割环49、51或隔热构件81的内周面之间的间隙不会变大。
另外，如图1以及图6所示，在燃气轮机的冷起动时，与热起动时相比，分割环不会向径向的内侧位移，因此，与热起动时相比，产生扭转点的可能性更小。
这样，在本实施方式的燃气轮机中，具有压缩机11、燃烧器12以及涡轮13。作为涡轮13，具有：涡轮机室26；转子32，其旋转自如地支承于涡轮机室26的中心部；叶片环43，其由涡轮机室26的径向的内周部支承，并划分出收容低温的冷却空气的环状的第一腔室61；多个动叶片体54，其配置为沿轴向隔开规定间隔地在转子32的外周部固定多个；以及多个静叶片体53，其在转子的轴向上交替地配置在多个动叶片体54之间，且在径向的外周侧形成有环状的第二腔室62。另外，叶片环43具备：沿轴向隔开规定间隔地支承于叶片环43的径向的内周部的多个隔热环46、47；以及支承于多个隔热环46、47的径向的内周部的多个分割环49、51。并且，涡轮13设置有从第一腔室61排出冷却空气的冷却空气排出路径72和将压缩空气向第二腔室62供给的第二冷却空气供给路径74。
因此，能够从压缩机11抽出压缩空气的一部分，并通过第二冷却空气供给路径74将抽出的压缩空气作为冷却空气A2向第二腔室62供给，并且通过第一冷却空气供给路径71将冷却空气A1向第一腔室61供给，通过冷却空气排出路径72从第一腔室61排出冷却空气A1。即，将比冷却空气A2低温的冷却空气A1向第一腔室61供给，因此能够减小叶片环的径向的位移，从而能够抑制分割环49、51的径向的位移。其结果是，能够将分割环49、51与动叶片28之间的间隙维持为适当量，从而抑制涡轮13产生的驱动力的回收效率的降低，提高燃气轮机的性能。
在本实施方式的燃气轮机中，在叶片环43的内周面设置隔热构件81。因此，通过利用隔热构件81隔断从第二腔室62向叶片环43的热量输入，能够抑制叶片环43的高温化。
在本实施方式的燃气轮机中，作为冷却空气流路63设置有：沿转子32的轴向隔开规定间隔地配置的多个歧管64、65；以及将多个歧管64、65串联连结的连结通路66。因此，在叶片环43内，使冷却空气A1通过连结通路66在多个歧管64、65之间流通，由此能够高效地冷却叶片环43。
在本实施方式的燃气轮机中，作为叶片环43，设置沿着转子32的轴向的圆筒部44a和在圆筒部44a的轴向的上游侧及下游侧的各端部设置的第一外周凸缘部44b及第二外周凸缘部44c，多个歧管64、65在第一外周凸缘部44b和第二外周凸缘部44c内形成为空洞部。另外，连结通路66在圆筒部44a内形成为多个连通孔。因此，冷却空气A1穿过作为连结通路66的多个连通孔而在多个歧管64、65间流动，冷却空气A1在叶片环43的整个内部流动，因此能够高效地冷却叶片环43。
在本实施方式的燃气轮机中，第一冷却空气供给路径71利用风扇73将大气空气A向冷却空气流路63和第一腔室61供给。因此，由于将大气空气A向冷却空气流路63和第一腔室61供给，因此能够以简单的结构容易地利用冷却空气A1对叶片环43进行冷却。另外，由于能够引入大气空气，并利用风扇73将低温且低压的冷却空气A1向第一腔室61供给，因此能够将叶片环维持为较低的温度，从而分割环的间隙的管理变得容易。并且，由于能够使用低压的空气，因此也具有能够减小风扇的动力、能够抑制燃气轮机的能量损失这样的双重优点。
在本实施方式的燃气轮机中，隔热环46、47由热膨胀率比叶片环43大的材料构成。因此，隔热环46、47被燃烧气体G加热而发生热膨胀，因此在燃气轮机的额定运转时，能够将分割环49、51与动叶片28之间的间隙设定得更小。
在本实施方式的燃气轮机中，在第一冷却空气供给路径71中设置加热装置76，因此能够可靠地避免燃气轮机的起动时的扭转点的产生。
在本实施方式的燃气轮机中，冷却空气排出路径72将从第一腔室61排出的冷却空气A1向排气冷却系统75导入，并向排气扩散部31的负压状态的燃烧气体中排出。因此，将冷却叶片环43后的冷却空气A1通过冷却空气排出路径72向排气冷却系统75导入，从而冷却空气A1能够实 现冷却空气的循环，能够实现冷却空气A1的有效利用。另外，由于冷却空气A1向负压状态的燃烧气体中排出，因此无需使风扇73的排出压力为高压。
需要说明的是，在上述的实施方式中，将多个歧管64、65和连结通路66形成于叶片环43而构成冷却空气流路63，但不局限于该结构。即，歧管64、65的形状、数量、形成位置等根据动叶片28、叶片环43的形状、位置适当设定即可。
附图标记说明
11 压缩机
12 燃烧器
13 涡轮
26 涡轮机室
27 静叶片
28 动叶片
32 转子(旋转轴)
43 叶片环
44a 圆筒部
44b 第一外周凸缘部
44c 第二外周凸缘部
46、47 隔热环
49、51 分割环
53 静叶片体
54 动叶片体
56 外侧护罩
58 气体通路
61 第一腔室
62 第二腔室
63 冷却空气流路
64 第一歧管
65 第二歧管
66 连结通路
71 第一冷却空气供给路径
72 冷却空气排出路径
73 风扇(鼓风机)
74 第二冷却空气供给路径
75 排气冷却系统
76 加热装置
77 加热介质
81 隔热构件
82 密封构件
A 大气空气
A1、A2 冷却空气
C 旋转轴线。

Claims (14)

1.一种燃气轮机，其具有：
压缩机，其对空气进行压缩；
燃烧器，其将燃料与所述压缩机压缩后的压缩空气混合而进行燃烧；
涡轮，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获得旋转动力；以及
旋转轴，其在所述燃烧气体的作用下绕旋转轴线旋转，
所述燃气轮机的特征在于，
所述涡轮具有：
涡轮机室，其绕所述旋转轴线构成为环形状；
叶片环，其绕所述旋转轴线构成为环形状，且支承于所述涡轮机室的内周部，由此划分出环状的第一腔室；
多个隔热环，该多个隔热环绕所述旋转轴线构成为环形状，且沿轴向以规定间隔支承于所述叶片环的内周部；
多个分割环，该多个分割环绕所述旋转轴线构成为环形状，且支承于所述多个隔热环的内周部；
多个动叶片体，该多个动叶片体沿轴向隔开规定间隔地固定于所述旋转轴的外周部，且配置为与所述分割环在径向上对置；
多个静叶片体，该多个静叶片体固定在所述多个动叶片体之间，且将绕所述旋转轴线构成为环形状的护罩固定于相邻的所述隔热环，由此划分出环状的第二腔室；
第二冷却空气供给路径，其将所述压缩机压缩后的压缩空气的一部分向所述第二腔室供给；
第一冷却空气供给路径，其将比所述压缩机压缩后的压缩空气低温的冷却空气向所述第一腔室供给；以及
冷却空气排出路径，其从所述第一腔室排出冷却空气。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
在所述叶片环的内周面设置有隔热构件。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
所述第一冷却空气供给路径用于供给由鼓风机吸引来的大气空气。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
所述隔热环由热膨胀率比所述叶片环大的材料构成。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
所述第一冷却空气供给路径具备对所述冷却空气进行加热的加热装置。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，
所述冷却空气排出路径将从所述第一腔室排出的冷却空气向排气冷却系统导入。
7.一种燃气轮机，其具有：
压缩机，其对空气进行压缩；
燃烧器，其将燃料与所述压缩机压缩后的压缩空气混合而进行燃烧；
涡轮，其通过所述燃烧器生成的燃烧气体获得旋转动力；以及
旋转轴，其在所述燃烧气体的作用下绕旋转轴线旋转，
所述燃气轮机的特征在于，
所述涡轮具有：
涡轮机室，其绕所述旋转轴线构成为环形状；
叶片环，其绕所述旋转轴线构成为环形状，且与所述涡轮机室的内周部连结，由此划分出环状的第一腔室；
多个隔热环，该多个隔热环绕所述旋转轴线构成为环形状，且沿轴向以规定间隔与所述叶片环的内周部连结；
多个分割环，该多个分割环绕所述旋转轴线构成为环形状，且与所述多个隔热环的内周部连结；
多个动叶片体，该多个动叶片体沿轴向隔开规定间隔地固定于所述旋转轴的外周部，且配置为与所述分割环在径向上对置；
多个静叶片体，该多个静叶片体固定在所述多个动叶片体之间，且将绕所述旋转轴线构成为环形状的护罩固定于相邻的所述隔热环，由此划分出环状的第二腔室；
第二冷却空气供给路径，其将所述压缩机压缩后的压缩空气的一部分向所述第二腔室供给；
冷却空气流路，其设置于所述叶片环，且一端部与所述第一腔室连通；
第一冷却空气供给路径，其将比所述压缩机压缩后的压缩空气低温的冷却空气向所述冷却空气流路的另一端部和所述第一腔室中的任一方供给；以及
冷却空气排出路径，其从所述冷却空气流路的另一端部和所述第一腔室中的另一方排出冷却空气。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，
在所述叶片环的内周面设置有隔热构件。
9.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，
所述冷却空气流路具有：沿所述旋转轴的轴向隔开规定间隔地配置的多个歧管；以及将所述多个歧管串联连结的连结通路。
10.根据权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，
所述叶片环具有沿着所述旋转轴的轴向的圆筒部和在所述圆筒部的各端部设置的第一外周凸缘部及第二外周凸缘部，所述多个歧管在所述第一外周凸缘部及第二外周凸缘部形成为空洞部，所述连结通路在所述圆筒部形成为多个连通孔。
11.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，
所述第一冷却空气供给路径用于供给由鼓风机吸引来的大气空气。
12.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，
所述隔热环由热膨胀率比所述叶片环大的材料构成。
13.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，
所述第一冷却空气供给路径具备对所述冷却空气进行加热的加热装置。
14.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，
所述冷却空气排出路径将从所述冷却空气流路的另一端部和所述第一腔室中的另一方排出的冷却空气向排气冷却系统导入。
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