CN110388272A

CN110388272A - 燃气轮机系统

Info

Publication number: CN110388272A
Application number: CN201910302749.4A
Authority: CN
Inventors: 青山邦明; 枡谷穰
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: DE102019002712B4; US11199135B2; US20190323432A1; DE102019002712A1; JP7096058B2; CN110388272B; JP2019190284A

Abstract

提供既能抑制效率的下降又能冷却涡轮的燃气轮机系统。该燃气轮机系统的涡轮冷却系统具有：第一叶内流路及第二叶内流路，它们在静叶内沿着径向贯穿；旋转轴内流路，其在旋转轴内将所述第一叶内流路与所述第二叶内流路连接；涡轮外流路，其将所述第一叶内流路与所述第二叶内流路连接；增压压缩机，其使冷却空气依次在所述第一叶内流路、旋转轴内流路、第二叶内流路及涡轮外流路流通；以及冷却部，其对冷却空气进行冷却。

Description

燃气轮机系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机系统。

背景技术

燃气轮机具备：压缩机，其生成高压空气；燃烧器，其使高压空气与燃料的混合气燃烧来生成高温高压的燃烧气体；以及涡轮，其由燃烧气体驱动。在燃气轮机中，涡轮入口处的燃烧气体的温度(涡轮入口温度)越高，则越能够使效率提高。近年来为了实现效率提高，涡轮入口温度的进一步的高温化正在推进。与此相伴，相对于涡轮的冷却性能也需要进一步提高。具体而言，需求对涡轮内的动叶、静叶高效地进行冷却的技术。

作为用于这样地冷却涡轮的技术，例如已经有日本特开平5-86901号公报所记载的燃气轮机。该燃气轮机具备与旋转轴(车轴)设置成同轴的空气升压装置。空气升压装置将来自压缩机的出口的喷出供给空气升压并作为冷却空气而向涡轮的静叶内及动叶内压力输送。

另外，为了提高涡轮的效率，需要抑制静叶的内周侧的端面与旋转轴的外周面之间的余隙及动叶的外周侧的端面与壳体的内周面之间的余隙中的燃烧气体的泄露。为了降低燃烧气体的泄露，在这些余隙中设置有迷宫式密封件等密封装置。

发明要解决的问题

在此，来自压缩机的喷出空气与涡轮内的燃烧气体相比压力非常大。若将这样的喷出空气作为涡轮的冷却空气而使用，则该冷却空气与燃烧气体的差压变大。因此，经由余隙(密封装置)的冷却空气的泄露量变多。其结果是，有时涡轮的效率下降。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供既能抑制效率的下降又能冷却涡轮的燃气轮机系统。

用于解决问题的手段

根据本发明的第一方案，燃气轮机系统具备涡轮和利用冷却空气对该涡轮进行冷却的涡轮冷却系统，所述涡轮具备：旋转轴，其绕轴线旋转；动叶段，其包括在该旋转轴的外周在周向上隔开间隔地设置的多个动叶；壳体，其包围所述旋转轴及多个所述动叶；以及静叶段，其包括固定于所述壳体且在周向上隔开间隔地设置的多个静叶，所述涡轮冷却系统具有：第一叶内流路，其在所述静叶内沿着径向贯穿；第二叶内流路，其在所述静叶内沿着径向贯穿；旋转轴内流路，其形成于所述旋转轴内，且将所述第一叶内流路与所述第二叶内流路的径向内侧的端部连接；以及涡轮外流路，其将所述第一叶内流路的径向外侧的端部与所述第二叶内流路的径向外侧的端部连接。

根据该结构，冷却空气在第一叶内流路及第二叶内流路中流通，从而静叶被冷却。

根据本发明的第二方案，也可以是，所述涡轮冷却系统具有：增压压缩机，其使所述冷却空气依次在所述第一叶内流路、所述旋转轴内流路、所述第二叶内流路及所述涡轮外流路流通；以及冷却部，其设置于所述涡轮外流路，用于对所述冷却空气进行冷却。

根据该结构，冷却空气通过增压压缩机而在第一叶内流路、旋转轴内流路、第二叶内流路及涡轮外流路中循环。因此，通过适当设定增压压缩机的压力比，能够抑制冷却空气与燃烧气体的差压。由此，能够抑制冷却空气向燃烧气体的泄露。

根据本发明的第三方案，也可以是，所述涡轮具备在沿着轴线的主流方向上排列的多个所述静叶段，所述第一叶内流路与所述第二叶内流路分别形成于多个所述静叶段中的互不相同的所述静叶段。

根据该结构，第一叶内流路与第二叶内流路分别形成于互不相同的静叶段。由此，能够通过1个涡轮冷却系统来冷却更多的静叶段。其结果是，削减燃气轮机系统的部件个数、组装的工时，因此能够实现成本降低。

根据本发明的第四方案，也可以是，所述第一叶内流路形成于比形成有所述第二叶内流路的所述静叶段靠所述主流方向的下游侧的所述静叶段，所述增压压缩机设置于所述旋转轴内流路与所述第二叶内流路之间。

在此，在涡轮内随着从主流方向的上游侧朝向下游侧而燃烧气体的压力逐渐变低。在上述的结构中，在相对压力低的下游侧的静叶段形成有第一叶内流路，在相对压力高的上游侧的静叶段形成有第二叶内流路。而且，增压压缩机设置于旋转轴内流路与第二叶内流路之间，即第一叶内流路的下游侧。因此，能够对第一叶内流路供给相对低压的冷却空气，对第二叶内流路供给由增压压缩机升压了的相对高压的冷却空气。其结果是，在第一叶内流路及第二叶内流路这双方处，主流(燃烧气体)与冷却空气的压力差降低，能够使冷却空气向主流中泄漏的可能性进一步降低。

另一方面，例如在第一叶内流路形成于比第二叶内流路靠上游侧的静叶段的情况下，为了防止主流向第一叶内流路内的逆流，需要将比主流(燃烧气体)更高压力的冷却空气向第一叶内流路供给。对第二叶内流路供给该高压的冷却空气。其结果是，有可能冷却空气从第二叶内流路向主流中泄漏，涡轮的热效率会下降。而且，在将上游侧的静叶段冷却时升温了的冷却空气会被向相对低温的下游侧的静叶段供给，所以有可能冷却效果也会下降。然而，根据上述的结构，能够避免这样的事态。

根据本发明的第五方案，也可以是，所述增压压缩机具有：圆盘状的叶轮盘，其与所述旋转轴设置成一体，且以轴线为中心；多个叶片，它们在该叶轮盘的朝向轴线方向的面上呈以轴线为中心的放射状排列；以及叶轮罩，其通过从径向外侧覆盖该叶片而在该叶轮罩与所述叶轮盘之间形成叶轮流路，所述叶轮流路的入口朝向所述旋转轴内流路的出口开口，所述叶轮流路的出口朝向所述第二叶内流路的入口开口。

根据该结构，由于增压压缩机与旋转轴设置成一体，所以与例如将增压压缩机相对于涡轮独立地设置在外部的情况相比，能够实现设备的设置空间的节约。而且，由于增压压缩机被与涡轮同轴地驱动，所以能够降低增压压缩机的驱动所需的动力。另外，该增压压缩机将从旋转轴内流路的出口供给的冷却空气升压并向第二叶内流路供给。在此，从旋转轴内流路供给的冷却空气在第一叶内流路中流通时压力下降。然而，根据上述的结构，能够在由增压压缩机升压了的状态下将冷却空气向第二叶内流路供给。即，能够促进第二叶内流路中的冷却空气的流通。

根据本发明的第六方案，也可以是，所述涡轮具备在沿着轴线的主流方向上排列的多个所述静叶段，所述第一叶内流路与所述第二叶内流路形成于多个所述静叶段中的同一所述静叶段。

根据该结构，第一叶内流路与第二叶内流路形成于同一静叶段，所以例如与这些流路分别形成于互不相同的静叶段的情况相比，能够将为了使冷却空气从第一叶内流路流通到第二叶内流路所需的压力抑制得小。即，能够减小增压压缩机的压缩比，所以能够降低用于驱动该增压压缩机的动力。而且，通过将增压压缩机的压缩比抑制得小，冷却空气与主流(燃烧气体)之间的压力差进一步变小。由此，能够进一步降低冷却空气向主流中泄漏的可能性。

另外，由于通过2个流路(第一叶内流路及第二叶内流路)来冷却同一静叶段，所以能够使各流路各自的冷却负荷下降。尤其是，由于第一叶内流路的冷却负荷下降，从而例如取出通过了第一叶内流路后的冷却空气的一部分进而使用于其他的构成构件的冷却也成为可能。即，能够冷却涡轮内的更广的范围。

根据本发明的第七方案，也可以是，所述增压压缩机具有：圆盘状的叶轮盘，其与所述旋转轴设置为一体，且以轴线为中心；多个叶片，它们在该叶轮盘的朝向轴线方向的面上呈以轴线为中心的放射状排列；以及叶轮罩，其通过从径向外侧覆盖该叶片而在该叶轮罩与所述叶轮盘之间形成作为所述旋转轴内流路的叶轮流路。

根据该结构，增压压缩机与旋转轴设置成一体，所以与例如将增压压缩机相对于涡轮独立地设置在外部的情况相比，能够实现设备的设置空间的节约。而且，增压压缩机被与涡轮同轴地驱动，所以能够降低增压压缩机的驱动所需的动力。另外，该增压压缩机能够将经过第一叶内流路而成为了相对低压的冷却空气升压并向第二叶内流路供给。由此，能够促进第二叶内流路中的冷却空气的流通。

根据本发明的第八方案，也可以是，在所述动叶形成有动叶内流路，该动叶内流路沿着径向贯穿该动叶，并且供通过所述第一叶内流路后的所述冷却空气中的至少一部分流通。

根据该结构，通过第一叶内流路后的冷却空气在动叶内流路中流通，由此除了冷却静叶之外还能够冷却动叶。即，能够通过单个冷却系统(涡轮冷却系统)来有效地冷却静叶及动叶这双方。因此，无需为了进行动叶的冷却而设置其他的装置，能够降低燃气轮机系统的建造成本、维护成本。

根据本发明的第九方案，也可以是，所述燃气轮机系统还具备压缩机，该压缩机通过与所述旋转轴一起旋转来对空气进行压缩而生成所述冷却空气，所述涡轮冷却系统还具有将从所述压缩机抽出的空气向所述涡轮外流路供给的供给流路。

在此，旋转轴及动叶相对于壳体及静叶而相对旋转，所以一般在静叶与旋转轴的外周面之间及动叶与壳体的内周面之间形成一定的余隙。即，在上述的第一叶内流路与旋转轴内流路之间及旋转轴内流路与第二叶内流路之间形成有间隙。由此，冷却空气的一部分随着在涡轮冷却系统中流通而从该间隙一点点地向涡轮内流出。与此相对，根据上述的结构，能够将从压缩机抽出的空气作为冷却空气而向涡轮冷却系统补充。由此，能够常态地维持涡轮冷却系统内的冷却空气的量。

根据本发明，能够提供既能抑制效率的下降又能冷却涡轮的燃气轮机系统。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的燃气轮机系统的结构的示意图。

图2是本发明的第一实施方式的燃气轮机系统的主要部分放大图。

图3是示出本发明的第一实施方式的增压压缩机的结构的剖视图。

图4是示出本发明的第一实施方式的燃气轮机系统的变形例的示意图。

图5是示出本发明的第一实施方式的燃气轮机系统的另一变形例的示意图。

图6是示出本发明的第二实施方式的燃气轮机系统的结构的示意图。

图7是示出本发明的第二实施方式的增压压缩机的结构的剖视图。

附图标记说明：

1…压缩机

2…燃烧器

3…涡轮

6A，6B…密封翅片

11…压缩机转子

12…压缩机动叶段

13…压缩机壳体

14…压缩机静叶段

15…压缩机动叶

16…压缩机静叶

21…燃烧器主体

22…燃料喷嘴

31…涡轮转子

32…涡轮动叶段

33…涡轮壳体

34…涡轮静叶段

35…涡轮动叶

36…涡轮静叶

41…第一外侧护罩

42…第一涡轮静叶主体

43…第一内侧护罩

51…第二外侧护罩

52…第二涡轮静叶主体

53…第二内侧护罩

61…缘板

62…涡轮动叶主体

80…涡轮冷却系统

81…冷却部

82…供给流路

83…增压压缩机

90…燃气轮机主体

91…燃气轮机转子

93…燃气轮机壳体

100…燃气轮机系统

244…环状部主体

245…延长部

283…B增压压缩机

383…C增压压缩机

243A…B内侧护罩基部

243B…B内侧护罩环状部

244A…主体上游面

244B…主体下游面

244C…主体内周面

245A…延长部上游面

245B…延长部下游面

245C…延长部内周面

31S…转子外周面

34A…第一涡轮静叶段

34B…第二涡轮静叶段

36A…第一涡轮静叶

36B…第二涡轮静叶

383A…C叶轮盘

383B…C叶片

383C…C叶轮罩

383D…C叶轮流路

383E…分支流路

43A…第一内侧护罩基部

43B…第一内侧护罩环状部

43S…第一内周面

53A…第二内侧护罩基部

53B…第二内侧护罩环状部

53S…第二内周面

61A…缘板主体

7A…上游侧突出部

7B…下游侧突出部

83A…叶轮盘

83B…叶片

83C…叶轮罩

83D…叶轮流路

Am…轴线

C1…第一叶内流路

C2…第二叶内流路

C21…B第一叶内流路

C22…B第二叶内流路

C3…旋转轴内流路

C4…动叶内流路

C41…B动叶内流路

C5…涡轮外流路

E1…B动叶内流路入口

F1…叶轮入口

F11…C叶轮入口

F2…叶轮出口

F21…C叶轮出口

F31…分支流路出口

Fm…主流

P1…第一连通口

P2…第二连通口

S1…上游面

S2…下游面

V1…第一空间

V2…第二空间。

具体实施方式

(第一实施方式)

针对本发明的第一实施方式，参照图1～图3进行说明。本实施方式的燃气轮机系统100具备燃气轮机主体90和用于冷却燃气轮机主体90的涡轮冷却系统80。如图1所示，燃气轮机主体90具有压缩机1、燃烧器2及涡轮3。压缩机1对从外部取入的空气进行压缩来生成高压的压缩空气。燃烧器2通过对从压缩机1供给的压缩空气混合燃料并使其燃烧来生成高温高压的燃烧气体。涡轮3被从燃烧器2供给的燃烧气体驱动而旋转。涡轮3的旋转力被向与燃气轮机主体90同轴地连接的发电机G传递。

压缩机1具有：压缩机转子11，其能够绕轴线Am旋转；多个压缩机动叶段12，它们在轴线Am方向上隔开间隔地排列；筒状的压缩机壳体13，其从外侧覆盖压缩机转子11及压缩机动叶段12；以及多个压缩机静叶段14，它们设置于压缩机壳体13的内周面。多个压缩机静叶段14在压缩机壳体13的内周面上与压缩机动叶段12在轴线Am方向上交替地排列。各压缩机动叶段12具有多个压缩机动叶15，多个所述压缩机动叶15在压缩机转子11的外周面上在相对于轴线Am而言的周向上隔开间隔地排列。各压缩机静叶段14具有多个压缩机静叶16，多个所述压缩机静叶16在压缩机壳体13的内周面上在相对于轴线Am而言的周向上隔开间隔地排列。从轴线Am方向一侧(以下，也有时称作上游侧。)取入的外部的空气在朝向轴线Am方向另一侧(下游侧)流动的中途交替地通过压缩机动叶段12及压缩机静叶段14而逐渐被压缩而成为高压的压缩空气。

燃烧器2具有：筒状的燃烧器主体21，其在与轴线Am交叉的方向上延伸；以及燃料喷嘴22，其向燃烧器主体21的内部供给燃料。经由燃料喷嘴22对从压缩机1供给的压缩空气混合燃料，由此生成混合气。燃烧器2通过使该混合气燃烧，来生成高温高压的燃烧气体。

涡轮3具有：涡轮转子31(旋转轴)，其能够绕轴线Am旋转；多个涡轮动叶段32(动叶段)，它们在轴线Am方向上隔开间隔地排列；筒状的涡轮壳体33，其从外侧覆盖涡轮转子31及涡轮动叶段32；以及多个涡轮静叶段34(静叶段)，它们设置于涡轮壳体33的内周面。多个涡轮静叶段34在涡轮壳体33的内周面上与涡轮动叶段32在轴线Am方向上交替地排列。各涡轮动叶段32具有多个涡轮动叶35(动叶)，多个所述涡轮动叶35(动叶)在涡轮转子31的外周面上在相对于轴线Am而言的周向上隔开间隔地排列。各涡轮静叶段34具有多个涡轮静叶36(静叶)，多个所述涡轮静叶36(静叶)在涡轮壳体33的内周面上在相对于轴线Am而言的周向上隔开间隔地排列。从上游侧的燃烧器2供给的燃烧气体形成在涡轮壳体33内从上游侧朝向下游侧的气流(主流Fm)。主流Fm在从上游侧朝向下游侧流动的中途与涡轮动叶段32及涡轮静叶段34交替地碰撞。由此，经由涡轮动叶段32对涡轮转子31赋予旋转力。

上述的压缩机转子11和涡轮转子31通过在轴线Am方向上连接成一体且同轴，从而作为整体形成燃气轮机转子91。即，压缩机转子11和涡轮转子31绕轴线Am一体地旋转。压缩机壳体13和涡轮壳体33通过在轴线Am方向上连接成一体且同轴，从而作为整体而形成燃气轮机壳体93(壳体)。

涡轮冷却系统80对上述的涡轮静叶段34(涡轮静叶36)及涡轮动叶段32(涡轮动叶35)进行冷却，保护这些涡轮静叶段34及涡轮动叶段32免受在涡轮3内流通的燃烧气体的热量的影响。对于涡轮冷却系统80的详细的结构在后面叙述。

接着，对于涡轮静叶段34(涡轮静叶36)及涡轮动叶段32(涡轮动叶35)的结构，参照图2进行说明。需要说明的是，图2中仅图示在轴线Am方向上排列的多个涡轮静叶段34及涡轮动叶段32中的彼此相邻的各2个涡轮静叶段34及涡轮动叶段32。在以后的说明中，将这些相邻的2个涡轮静叶段34(涡轮静叶36)中的轴线Am方向另一侧(下游侧)的涡轮静叶段34(涡轮静叶36)称作第一涡轮静叶段34A(第一涡轮静叶36A)，将轴线Am方向一侧(上游侧)的涡轮静叶段34(涡轮静叶36)称作第二涡轮静叶段34B(第二涡轮静叶36B)。

第一涡轮静叶36A具有第一外侧护罩41、第一涡轮静叶主体42及第一内侧护罩43。第一外侧护罩41安装于涡轮壳体33的内周面。第一涡轮静叶主体42从该第一外侧护罩41朝向相对于轴线Am而言的径向内侧延伸。虽然未详细地图示，但从相对于轴线Am而言的径向观察，第一涡轮静叶主体42具有从上游侧朝向下游侧延伸的翼型的截面。

第一内侧护罩43安装于第一涡轮静叶主体42的径向内侧的端部。第一内侧护罩43具有：第一内侧护罩基部43A，其与第一涡轮静叶主体42连接；以及第一内侧护罩环状部43B，其进一步在第一内侧护罩基部43A的径向内侧一体地设置。第一内侧护罩环状部43B呈以轴线Am为中心的圆环状。轴线Am方向上的第一内侧护罩环状部43B的尺寸比轴线Am方向上的第一内侧护罩基部43A的尺寸小。另一方面，径向上的第一内侧护罩环状部43B的尺寸比径向上的第一内侧护罩基部43A的尺寸大。在第一内侧护罩环状部43B的内周面(朝向径向内侧的面：第一内周面43S)上，设置有在轴线Am方向上隔开间隔地排列的多个密封翅片6A。这些密封翅片6A与后述的涡轮动叶35的缘板61对置。

在第一外侧护罩41的内部、第一涡轮静叶主体42的内部及第一内侧护罩43的内部，形成有供从后述的涡轮冷却系统80供给的冷却空气流通的流路(第一叶内流路C1)。第一叶内流路C1在相对于轴线Am而言的径向上贯穿这些第一外侧护罩41、第一涡轮静叶主体42及第一内侧护罩43。需要说明的是，第一叶内流路C1中穿过第一涡轮静叶主体42的部分的结构、形状不限定于图2的例子，能够根据设计、规格而适当变更。

第二涡轮静叶36B具有第二外侧护罩51、第二涡轮静叶主体52及第二内侧护罩53。第二外侧护罩51安装于涡轮壳体33的内周面。第二涡轮静叶主体52从该第二外侧护罩51朝向相对于轴线Am而言的径向内侧延伸。虽然并未详细地图示，但从相对于轴线Am而言的径向观察，第二涡轮静叶主体52具有从上游侧朝向下游侧延伸的翼型的截面。

第二内侧护罩53安装于第二涡轮静叶主体52的径向内侧的端部。第二内侧护罩53具有：第二内侧护罩基部53A，其与第二涡轮静叶主体52连接；以及第二内侧护罩环状部53B，其进一步在第二内侧护罩基部53A的径向内侧一体设置。第二内侧护罩环状部53B呈以轴线Am为中心的圆环状。轴线Am方向上的第二内侧护罩环状部53B的尺寸比轴线Am方向上的第二内侧护罩基部53A的尺寸小。另一方面，径向上的第二内侧护罩环状部53B的尺寸比径向上的第二内侧护罩基部53A的尺寸大。在第二内侧护罩环状部53B的内周面(朝向径向内侧的面：第二内周面53S)，设置有在轴线Am方向上隔开间隔地排列的多个密封翅片6B。这些密封翅片6B与后述的涡轮动叶35的缘板61对置。

在第二外侧护罩51的内部、第二涡轮静叶主体52的内部及第二内侧护罩53的内部形成有供从后述的涡轮冷却系统80供给的冷却空气流通的流路(第二叶内流路C2)。第二叶内流路C2在相对于轴线Am而言的径向上贯穿这些第二外侧护罩51、第二涡轮静叶主体52及第二内侧护罩53。需要说明的是，第二叶内流路C2中的穿过第二涡轮静叶主体52的部分的结构、形状不限定于图2的例子，能够根据设计、规格而适当变更。

接着，对涡轮动叶35的结构进行说明。需要说明的是，在以后，对于多个涡轮动叶35附上相同的附图标记，并且仅针对配置在上述的第一涡轮静叶36A与第二涡轮静叶36B之间的涡轮动叶35代表性地进行说明。涡轮动叶35具有缘板61和涡轮动叶主体62。缘板61具有：缘板主体61A，其从涡轮转子31的外周面(转子外周面31S)朝向相对于轴线Am而言的径向外侧突出；以及一对突出部(上游侧突出部7A、下游侧突出部7B)，它们分别设置于缘板主体61A中的朝向轴线Am方向两侧的面。

下游侧突出部7B从缘板主体61A中的朝向轴线Am方向另一侧(下游侧)的面(下游面S2)朝向轴线Am方向另一侧(下游侧)突出。下游侧突出部7B中的朝向径向外侧的面隔着上述的密封翅片6A而与第一内侧护罩环状部43B对置。由此，下游侧突出部7B与第一内侧护罩环状部43B之间的间隙中的燃烧气体的流动被密封。

上游侧突出部7A从缘板主体61A中的朝向轴线Am方向一侧(上游侧)的面(上游面S1)朝向轴线Am方向一侧(上游侧)突出。上游侧突出部7A中的朝向径向外侧的面隔着上述的密封翅片6B而与第二内侧护罩环状部53B对置。由此，上游侧突出部7A与第二内侧护罩环状部53B之间的间隙中的燃烧气体的流动被密封。

下游侧突出部7B相对于与涡轮动叶35相邻的下游侧的另一涡轮动叶35的上游侧突出部7A在轴线Am方向上隔开间隙(第一连通口P1)而对置。该第一连通口P1与上述的第一叶内流路C1在轴线Am方向上形成于相同的位置。通过这些彼此对置的下游侧突出部7B及上游侧突出部7A、转子外周面31S、上游侧的缘板61的下游面S2、以及下游侧的缘板61的上游面S1，形成了以轴线Am为中心的环状的空间(第一空间V1)。即，第一叶内流路C1经由上述的第一连通口P1而与该第一空间V1连通。

上游侧突出部7A相对于与涡轮动叶35相邻的上游侧的又一涡轮动叶35的下游侧突出部7B在轴线Am方向上隔开间隙(第二连通口P2)而对置。该第二连通口P2与上述的第二叶内流路C2在轴线Am方向上形成于相同的位置。通过这些彼此对置的下游侧突出部7B及上游侧突出部7A、转子外周面31S、上游侧的缘板61的下游面S2以及下游侧的缘板61的上游面S1，形成了以轴线Am为中心的环状的空间(第二空间V2)。即，第二叶内流路C2经由上述的第二连通口P2而与该第二空间V2连通。

在缘板主体61A的内部形成有2个流路(旋转轴内流路C3、动叶内流路C4)。旋转轴内流路C3在轴线Am方向上贯穿缘板主体61A内。即，旋转轴内流路C3的一端在缘板主体61A的下游面S2上开口，另一端在缘板主体61A的上游面S1上开口。上述的第一空间V1与第二空间V2通过该旋转轴内流路C3而连通。动叶内流路C4形成于比旋转轴内流路C3靠径向外侧的位置。动叶内流路C4的一端在缘板主体61A的下游面S2上开口。动叶内流路C4的另一端在涡轮动叶主体62的表面开口。即，动叶内流路C4在从一端侧朝向上游侧(轴线Am方向一侧)延伸后，改变方向而朝向径向外侧延伸。动叶内流路C4形成为为了通过使冷却空气流通而保护涡轮动叶35免受燃烧气体的热量的影响。需要说明的是，动叶内流路C4中的穿过涡轮动叶主体62的部分的结构、形状根据设计、规格而适当变更。

接着，对于涡轮冷却系统80的结构进行说明。涡轮冷却系统80具有上述的第一叶内流路C1、旋转轴内流路C3、第二叶内流路C2、涡轮外流路C5、冷却部81、供给流路82、增压压缩机83及上述的动叶内流路C4。涡轮外流路C5将第一叶内流路C1的入口(径向外侧的端部)与第二叶内流路C2的出口(径向外侧的端部)连接。在涡轮外流路C5上，设置有对在该涡轮外流路C5内流通的空气进行冷却来生成冷却空气的冷却部81。冷却部81在从外部供给的相对低温的冷却介质与涡轮外流路C5内的空气之间进行热交换。

进而，在该涡轮外流路C5连接有供给流路82。供给流路82将涡轮外流路C5与上述的压缩机1连接。更具体而言，供给流路82的一端连接于压缩机1的多个压缩段中的上下游方向上的中途位置的压缩段。即，在供给流路82上，流通有从压缩机1抽出的空气。来自该压缩机的空气设为压力比从压缩机1的出口(最下游)喷出的压缩空气低的中压空气。在此，所谓压缩段，是指彼此相邻的各一个压缩机动叶段12及压缩机静叶段14所形成的构成单位。需要说明的是，在本实施方式中，作为向供给流路82的空气供给源而使用了压缩机1，但作为空气供给源也能够使用压缩机1以外的其他的装置。

增压压缩机83使冷却空气依次在第一叶内流路C1、旋转轴内流路C3、第二叶内流路C2、涡轮外流路C5流通。增压压缩机83在上述的第二空间V2内与涡轮转子31一体设置。详情如图3所示，增压压缩机83具有叶轮盘83A、多个叶片83B及叶轮罩83C。叶轮盘83A呈以轴线Am为中心的圆盘状。在叶轮盘83A的朝向轴线Am方向另一侧(下游侧)的面，设置有以轴线Am为中心而排列成放射状的多个叶片83B。各叶片83B随着从相对于轴线Am而言的径向内侧朝向外侧而从周向一侧朝向另一侧逐渐地弯曲。这些叶片83B被叶轮罩83C从轴线Am方向另一侧(下游侧)覆盖。由叶轮罩83C、叶轮盘83A及彼此相邻的一对叶片83B包围的空间形成为叶轮流路83D。叶轮流路83D随着从轴线Am方向另一侧(下游侧)朝向一侧(上游侧)而逐渐地从径向内侧朝向外侧弯曲。如图2所示，叶轮流路83D的入口(轴线Am方向另一侧的端部：叶轮入口F1)在相对于轴线Am而言的径向上与上述的旋转轴内流路C3相同的位置开口。叶轮流路83D的出口(径向外侧的端部：叶轮出口F2)在轴线Am方向上与上述的第二连通口P2相同的位置开口。

接着，对于本实施方式的燃气轮机系统100的动作进行说明。当使燃气轮机系统100运转时，首先通过外部的驱动源(电动机)来驱动燃气轮机主体90的压缩机1。通过压缩机1驱动，生成高压的压缩空气。燃烧器2通过对该压缩空气混合燃料并使其燃烧，来生成高温高压的燃烧气体。燃烧气体被向涡轮3供给。燃烧气体的气流(主流Fm)在从上游侧朝向下游侧流动的中途，反复进行基于涡轮静叶段34的整流和向涡轮动叶段32的碰撞。通过燃烧气体与涡轮动叶段32碰撞，从而对涡轮转子31赋予旋转力。涡轮转子31的旋转被从轴端取出而利用于发电机的驱动。

另外，在燃气轮机中，涡轮3入口处的燃烧气体的温度(涡轮3入口温度)越高，则越能够提高效率。近年来，为了实现效率提高，涡轮3入口温度的进一步的高温化正在推进。伴随于此，针对涡轮3的冷却性能也需要进一步提高。于是，在本实施方式中，采用了通过涡轮冷却系统80向涡轮静叶段34及涡轮动叶段32供给冷却空气的结构。更具体而言，伴随涡轮转子31的旋转，上述的增压压缩机83旋转。通过增压压缩机83的旋转，第二空间V2内的冷却空气被升压，通过第二连通口P2而向第二叶内流路C2流入。通过冷却空气在第二叶内流路C2中流动，第二涡轮静叶主体52被冷却。从第二叶内流路C2流出的冷却空气在涡轮外流路C5中流通的中途，经过冷却部81中的热交换而成为相对低温。成为了低温的冷却空气从涡轮外流路C5向第一叶内流路C1流入。通过冷却空气在第一叶内流路C1中流动，第一涡轮静叶主体42被冷却。从第一叶内流路C1流出的冷却空气通过第一连通口P1而向第一空间V1内流入。流入第一空间V1内的冷却空气的一部分通过旋转轴内流路C3而从下游侧朝向上游侧流动，再次到达第二空间V2。

另一方面，流入到第一空间V1内的冷却空气的剩余的成分通过在动叶内流路C4内流动来对涡轮动叶主体62进行冷却。在冷却了涡轮动叶主体62后，冷却空气被排出到主流Fm中。即，在该涡轮冷却系统80中，冷却空气依次经由第一叶内流路C1、旋转轴内流路C3、增压压缩机83、第二叶内流路C2及涡轮外流路C5循环。另一方面，冷却空气的流量减少向上述的动叶内流路C4分配的量。该冷却空气的减少量被从作为上述的空气供给源的压缩机1通过供给流路82来进行补充。即，在该涡轮冷却系统80中，冷却空气的流通所需要的压力仅由增压压缩机83生成，所以对于通过供给流路82而供给的来自压缩机1的抽气不要求高的压力。因此，在本实施方式中，采用了如上所述那样从压缩机1的中间的压缩段抽出空气的结构。

如以上所说明那样，根据本实施方式的结构，涡轮冷却系统80具有第一叶内流路C1、旋转轴内流路C3、第二叶内流路C2、涡轮外流路C5、使冷却空气在这些流路流通的增压压缩机83、以及对冷却空气进行冷却的冷却部81。通过冷却空气在第一叶内流路C1及第二叶内流路C2中流通，涡轮静叶36被冷却。而且，冷却空气通过增压压缩机83而在第一叶内流路C1、旋转轴内流路C3、第二叶内流路C2及涡轮外流路C5中循环。因此，通过适当设定增压压缩机83的压力比，能够抑制冷却空气与燃烧气体的差压。由此，能够抑制冷却空气向燃烧气体的泄露，能够提高热效率。

而且，根据上述的结构，第一叶内流路C1和第二叶内流路C2分别形成于互不相同的涡轮静叶段34(涡轮静叶36)。由此，能够通过1个涡轮冷却系统80来对更多的涡轮静叶段34进行冷却。其结果是，削减燃气轮机系统100的部件个数、组装的工时，所以能够实现成本降低。

在此，在涡轮3内，随着从主流Fm方向的上游侧朝向下游侧而燃烧气体的压力逐渐变低。在上述的结构中，在压力相对低的下游侧的第一涡轮静叶段34A形成有第一叶内流路C1，在压力相对高的上游侧的第二涡轮静叶段34B形成有第二叶内流路C2。而且，增压压缩机83设置在旋转轴内流路C3与第二叶内流路C2之间，即第一叶内流路C1的下游侧。因此，能够对第一叶内流路C1供给相对低压的冷却空气，对第二叶内流路C2供给由增压压缩机83升压了的相对高压的冷却空气。其结果是，在第一叶内流路C1及第二叶内流路C2这双方处，降低主流Fm(燃烧气体)与冷却空气的压力差，能够进一步降低冷却空气向主流Fm中泄漏的可能性。尤其是，能够降低上述的上游侧突出部7A及下游侧突出面与第一内周面43S(第二内周面53S)之间的间隙处的冷却空气的泄露。

另一方面，例如在第一叶内流路C1形成于相对上游侧的涡轮静叶段34的情况下，为了防止主流Fm向第一叶内流路C1内的逆流，需要将比主流Fm(燃烧气体)更高压力的冷却空气向第一叶内流路C1供给。在第二叶内流路C2中会被供给该高压的冷却空气。其结果是，冷却空气从第二叶内流路C2向主流Fm中泄漏，涡轮3的热效率有可能会下降。而且，由于在对上游侧的涡轮静叶段34进行冷却时被升温了的冷却空气会被向相对低温的下游侧的涡轮静叶段34供给，所以有可能冷却效果也下降。然而，根据上述结构，能够避免这样的事态。

另外，根据上述结构，增压压缩机83与旋转轴一体设置，所以与例如将增压压缩机83相对于涡轮3独立地设置在外部的情况相比，能够实现设备的设置空间的节约。而且，由于增压压缩机83被与涡轮3同轴地驱动，所以也能够降低增压压缩机83的驱动所需的动力。另外，该增压压缩机83将从旋转轴内流路C3的出口供给的冷却空气升压并向第二叶内流路C2供给。在此，从旋转轴内流路C3供给的冷却空气在第一叶内流路C1中流通时压力会下降。根据上述的结构，能够在由增压压缩机83升压了的状态下将冷却空气向第二叶内流路C2供给。即，能够促进第二叶内流路C2中的冷却空气的流通。

除此之外，根据上述的结构，通过了第一叶内流路C1的冷却空气在动叶内流路C4中流通，由此能够除了冷却涡轮静叶36之外还冷却涡轮动叶35。即，能够通过单个冷却系统(涡轮冷却系统80)来有效地冷却涡轮静叶36及涡轮动叶35这双方。因此，无需为了进行涡轮动叶35的冷却而设置其他的装置，能够降低燃气轮机系统100的建造成本、维护成本。

在此，涡轮转子31及涡轮动叶35由于相对于涡轮壳体33及涡轮静叶36而相对旋转，所以一般在涡轮静叶36与转子外周面31S之间及涡轮动叶35与涡轮壳体33的内周面之间形成一定的余隙。即，在上述的第一叶内流路C1与旋转轴内流路C3之间、以及旋转轴内流路C3与第二叶内流路C2之间形成有间隙。由此，冷却空气的一部分随着在涡轮冷却系统80中流通，从该间隙一点点地向主流Fm中流出。其结果是，冷却空气的流量减少，冷却效果有可能逐渐下降。然而，根据上述的结构，能够将从压缩机1抽出的空气作为冷却空气来进行补充。由此，能够常态地维持涡轮冷却系统80内的冷却空气的量。需要说明的是，从压缩机1抽出的空气的压力比来自该压缩机1的出口的喷出空气低。因此，作为将抽出了的空气导入到涡轮冷却系统80的冷却空气的压力不会大幅上升。

以上，对本发明的第一实施方式进行了说明。需要说明的是，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够对上述的结构实施各种变更、修改。例如，在上述第一实施方式中，对于供给流路82连接于涡轮外流路C5上的冷却部81的上游侧的结构进行了说明。然而，供给流路82的形态不限定于上述，作为其他的例子也能够采用图4所示的结构。在该图的例子中，供给流路82连接于涡轮外流路C5上的冷却部81的下游侧。通过这样的结构也能够得到与上述实施方式同样的作用效果。

而且，在上述实施方式中，对于增压压缩机83一体地设置于涡轮转子31的结构进行了说明。然而，增压压缩机83的形态不限定于上述，作为其他的例子也能够采用图5所示的结构。在该图的例子中，B增压压缩机283并非设置于涡轮转子31，而是设置于涡轮外流路C5上。该B增压压缩机283由外部的驱动源(未图示)驱动。根据该结构，能够使B增压压缩机283的输出相对于燃气轮机主体90的转速(输出)独立地变化。由此，能够更精密地调节向涡轮3冷却系等供给的冷却空气的压力。其结果是，主流Fm与冷却空气的压力差进一步缩小，能够进一步降低冷却空气向主流Fm中的泄漏。

(第二实施方式)

接着，对于本发明的第二实施方式，参照图6和图7进行说明。需要说明的是，对于与上述的第一实施方式同样的结构附上相同的附图标记，省略详细的说明。如图6所示，在本实施方式中，涡轮静叶36的B内侧护罩环状部243B的形状与上述第一实施方式不同。B内侧护罩环状部243B具有：环状部主体244，其安装于B内侧护罩基部243A的径向内侧，并且呈以轴线Am为中心的环状；以及环状的延长部245，其从环状部主体244的内周面进一步朝向径向内侧突出。延长部245的朝向轴线Am方向一侧(上游侧)的面(延长部上游面245A)成为与环状部主体244的朝向轴线Am方向一侧(上游侧)的面(主体上游面244A)共面。轴线Am方向上的延长部245的尺寸比轴线Am方向上的环状部主体244的尺寸小。即，延长部245的朝向轴线Am方向另一侧(下游侧)的面(延长部下游面245B)与环状部主体244的朝向轴线Am方向另一侧(下游侧)的面(主体下游面244B)在轴线Am方向上的位置不同。延长部245的径向内侧的端面(延长部内周面245C)相对于转子外周面31S在径向上隔开间隙地对置。

而且，在本实施方式中，B第一叶内流路C21及B第二叶内流路C22形成于相同的涡轮静叶段34(涡轮静叶36)。B第一叶内流路C21在相对于轴线Am而言的径向上贯穿上述的延长部245、环状部主体244及涡轮静叶36主体。B第一叶内流路C21的径向内侧的端部在延长部下游面245B上开口。B第二叶内流路C22在相对于轴线Am而言的径向上贯穿环状部主体244及涡轮静叶36主体。B第二叶内流路C22的径向内侧的端部在环状部主体244的内周面(主体内周面244C)上开口。即，B第一叶内流路C21形成于比B第二叶内流路C22靠上游侧的位置。

在环状部主体244与转子外周面31S之间且比延长部245靠轴线Am方向另一侧(下游侧)的位置设置有C增压压缩机383。如图7所示，C增压压缩机383与在上述的第一实施方式中说明的增压压缩机83同样地，具有C叶轮盘383A、多个C叶片383B以及C叶轮罩383C。在C叶轮盘383A与C叶轮罩383C之间形成有C叶轮流路383D。C叶轮流路383D随着从轴线Am方向一侧朝向另一侧而逐渐地从径向内侧朝向外侧弯曲。如图6所示，C叶轮流路383D的轴线Am方向一侧的端部(C叶轮入口F11)与B第一叶内流路C21的径向内侧的端部在径向上形成于相同的位置。C叶轮流路383D的径向外侧的端部(C叶轮出口F21)与B第二叶内流路C22的径向内侧的端部在轴线Am方向上形成于相同的位置。

而且，再次如图7所示，在C增压压缩机383的C叶轮盘383A形成有在相对于轴线Am交叉的方向上延伸的流路(分支流路383E)。分支流路383E的一端在C叶轮流路383D上径向的中途位置开口。分支流路383E的另一端(分支流路出口F31)朝向C叶轮盘383A的轴线Am方向另一侧(下游侧)开口。分支流路383E随着从上游侧朝向下游侧而从径向内侧朝向外侧延伸。

如图6所示，在本实施方式中，B动叶内流路C41的结构、形状与上述第一实施方式不同。B动叶内流路C41的一端(B动叶内流路入口E1)与上述的分支流路出口F31在径向上形成于相同的位置。B动叶内流路C41的另一端在涡轮动叶主体62的表面开口。

在上述的结构中，伴随涡轮冷却系统80的动作，向B第一叶内流路C21供给冷却空气。冷却空气在B第一叶内流路C21中通过，从而涡轮静叶36主体的至少一部分被冷却。通过了B第一叶内流路C21的冷却空气由C增压压缩机383升压，向B第二叶内流路C22流入。冷却空气在B第二叶内流路C22中通过，由此涡轮静叶36主体的剩余的部分被冷却。从B第二叶内流路C22流出的冷却空气向涡轮外流路C5流入，经过冷却部81中的热交换而成为相对低温。成为了低温的冷却空气再次向B第一叶内流路C21流入。而且，由C增压压缩机383升压了的冷却空气的一部分经过分支流路383E而向B动叶内流路C41流入。

如以上所说明那样，根据本实施方式的结构，B第一叶内流路C21和B第二叶内流路C22形成于同一涡轮静叶段34(涡轮静叶36)，所以例如与这些流路分别形成于互不相同的涡轮静叶段34(涡轮静叶36)的情况相比，能够将为了使冷却空气从B第一叶内流路C21流通到B第二叶内流路C22所需要的压力抑制得小。即，能够减小对C增压压缩机383要求的压缩比，所以能够降低用于驱动该C增压压缩机383的动力。而且，通过C增压压缩机383的压缩比被抑制得小，从而冷却空气与主流Fm(燃烧气体)之间的压力差进一步变小。由此，能够进一步降低冷却空气向主流Fm中泄漏的可能性。

另外，由于通过2个流路(B第一叶内流路C21及B第二叶内流路C22)来冷却同一涡轮静叶段34(涡轮静叶36)，所以能够使各流路各自的冷却负荷下降。尤其是，由于B第一叶内流路C21的冷却负荷下降，从而例如取出通过了B第一叶内流路C21后的冷却空气的一部分进而使用于其他的构成构件的冷却也成为可能。在本实施方式中，通过如上所述将冷却空气的一部分通过分支流路383E向相邻的涡轮动叶35供给而对其进行冷却。这样，根据上述的结构，能够冷却涡轮3内的更广的范围。

除此之外，根据上述的结构，C增压压缩机383与涡轮转子31设置成一体，所以与例如将C增压压缩机383相对于涡轮3独立地设置于外部的情况相比，能够实现设备的设置空间的节约。而且，C增压压缩机383被与涡轮3同轴地驱动，所以也能够降低C增压压缩机383的驱动所需的动力。另外，该C增压压缩机383能够将经过B第一叶内流路C21而成为了相对低压的冷却空气再次升压并向B第二叶内流路C22供给。由此，能够促进B第二叶内流路C22中的冷却空气的流通。

以上，对本发明的第二实施方式进行了说明。需要说明的是，能够在不脱离本发明的主旨的范围内，对上述的结构施加各种变更、修改。例如，也能够将在上述第一实施方式中作为变形例而说明的图4及图5所示的结构适用于本实施方式的燃气轮机系统100。而且，也能够将本实施方式的涡轮冷却系统80针对每个彼此相邻的涡轮静叶36与涡轮动叶35的对而各设置一个。

Claims

1.一种燃气轮机系统，其中，

所述燃气轮机系统具备涡轮和利用冷却空气对该涡轮进行冷却的涡轮冷却系统，

所述涡轮具备：

旋转轴，其绕轴线旋转；

动叶段，其包括在该旋转轴的外周在周向上隔开间隔地设置的多个动叶；

壳体，其包围所述旋转轴及多个所述动叶；以及

静叶段，其包括固定于所述壳体且在周向上隔开间隔地设置的多个静叶，

所述涡轮冷却系统具有：

第一叶内流路，其在所述静叶内沿着径向贯穿；

第二叶内流路，其在所述静叶内沿着径向贯穿；

旋转轴内流路，其形成于所述旋转轴内，且将所述第一叶内流路与所述第二叶内流路的径向内侧的端部连接；以及

涡轮外流路，其将所述第一叶内流路的径向外侧的端部与所述第二叶内流路的径向外侧的端部连接。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机系统，其中，

所述涡轮冷却系统还具备：

增压压缩机，其使所述冷却空气依次在所述第一叶内流路、所述旋转轴内流路、所述第二叶内流路及所述涡轮外流路流通；以及

冷却部，其设置于所述涡轮外流路，用于对所述冷却空气进行冷却。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机系统，其中，

所述涡轮具备在沿着轴线的主流方向上排列的多个所述静叶段，

所述第一叶内流路与所述第二叶内流路分别形成于多个所述静叶段中的互不相同的所述静叶段。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机系统，其中，

所述第一叶内流路形成于比形成有所述第二叶内流路的所述静叶段靠所述主流方向的下游侧的所述静叶段，

所述增压压缩机设置于所述旋转轴内流路与所述第二叶内流路之间。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机系统，其中，

所述增压压缩机具有：

圆盘状的叶轮盘，其与所述旋转轴设置成一体，且以轴线为中心；

多个叶片，它们在该叶轮盘的朝向轴线方向的面上呈以轴线为中心的放射状排列；以及

叶轮罩，其通过从径向外侧覆盖该叶片而在该叶轮罩与所述叶轮盘之间形成叶轮流路，

所述叶轮流路的入口朝向所述旋转轴内流路的出口开口，所述叶轮流路的出口朝向所述第二叶内流路的入口开口。

6.根据权利要求2所述的燃气轮机系统，其中，

所述第一叶内流路与所述第二叶内流路形成于多个所述静叶段中的同一所述静叶段。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机系统，其中，

所述增压压缩机具有：

圆盘状的叶轮盘，其与所述旋转轴设置为一体，且以轴线为中心；

叶轮罩，其通过从径向外侧覆盖该叶片而在该叶轮罩与所述叶轮盘之间形成作为所述旋转轴内流路的叶轮流路。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃气轮机系统，其中，

在所述动叶形成有动叶内流路，该动叶内流路沿着径向贯穿该动叶，并且供通过所述第一叶内流路后的所述冷却空气中的至少一部分流通。

9.根据权利要求1～7中任一项所述的燃气轮机系统，其中，

所述燃气轮机系统还具备压缩机，该压缩机通过与所述旋转轴一起旋转来对空气进行压缩而生成所述冷却空气，所述涡轮冷却系统还具有将从所述压缩机抽出的空气向所述涡轮外流路供给的供给流路。

10.根据权利要求8所述的燃气轮机系统，其中，