JP2001059401A - ロータ冷却空気供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータ冷却空気ノズルを安価かつ高精度に製
作可能とする。 【解決手段】 ガスタービンロータ１０のロータ軸１１
内に形成された軸線方向の環状冷却空気通路３０に冷却
空気ノズル７１から冷却空気を供給する。冷却空気ノズ
ルは環状冷却空気通路の入口周囲を囲んで配置された環
状ノズル部材７０に等間隔に穿設された複数の円形断面
の略直管状の空気通路として形成される。これにより、
冷却空気ノズルが機械加工で高精度かつ容易に製造可能
となる。また、各冷却空気ノズルは噴射された冷却空気
流が、ロータ軸周速に略等しいロータ軸外周接線方向速
度成分と、冷却空気通路内の冷却空気流速の軸線方向成
分に略等しいロータ軸軸線方向速度成分とを持つように
ロータ軸外周接線方向に対して軸線方向に角度を持って
配置されている。これにより、冷却空気の方向変化によ
る圧力損失が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロータ冷却空気供給
装置に関し、例えばガスタービンロータ等の空気冷却を
必要とするロータに適用可能なロータ冷却空気供給装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンロータ等のように高温の流
体と接触するロータを有する装置では、ロータに空気等
の冷却気体を供給することによりロータ高温部の冷却を
行っている。例えば、ガスタービンロータでは高温燃焼
ガスと接触する動翼に冷却空気を供給して動翼を冷却す
ることにより動翼の耐久性を向上させている。動翼に供
給される冷却空気は、通常ロータ軸内にロータ軸軸線方
向に設けられた冷却空気通路を介して動翼に供給され
る。

【０００３】図５は、一般的な冷却空気通路の概略を示
す図である。図５において、１０はガスタービンのター
ビンロータ全体、１１はタービンロータ１０のロータ
軸、１３はロータ軸に一体に取付けられた複数のタービ
ンディスクである（図５にはそのうちの１つのタービン
ディスクのみを示す）。タービンディスク外周には高温
の燃焼ガスのエネルギをロータ１０の回転動力に変換す
る動翼１５が設けられている。

【０００４】図５に示すように、ロータ軸１１周囲には
冷却空気通路３０を形成する円筒状スリーブ３１が固定
されている。円筒状スリーブ３１は、タービンディスク
１３側面に取付けられた、ロータ軸１１とともに回転す
る。円筒状スリーブ３１内径はロータ軸１１外径より大
きな値に設定されており、これによりスリーブ３１内周
とロータ軸１１外周との間には冷却空気通路３０として
機能する環状空隙が形成される。冷却空気通路３０のタ
ービンディスク１３と反対側の端部は冷却空気室２０に
開放され、冷却空気通路入口３３を形成している。

【０００５】冷却空気室２０は、ロータ１０を収容する
ケーシング５０内に設けられ、円筒状スリーブ３１の開
放端側（すなわち冷却空気通路入口３３側）部分でロー
タ軸１１周囲を囲む環状空間として形成される。冷却空
気室２０のロータ軸軸線方向両端にはラビリンスシール
５１、５３が設けられており、静止部材であるケーシン
グ５０と回転部材であるロータ軸１１（円筒状スリーブ
３１）との間からの冷却空気の洩れを防止している。

【０００６】冷却空気は、例えばガスタービンのコンプ
レッサ（図示せず）の吐出側から冷却空気配管２３を通
って冷却空気室２０に供給され、冷却空気室２０からロ
ータ軸１１周りに開口する冷却空気通路入口３３を通っ
て軸線方向冷却空気通路３０に流入する。この冷却空気
は、冷却空気通路３０内をロータ軸線方向に流れてター
ビンディスク１３に到達する。タービンディスク１３に
到達した冷却空気の一部は、タービンディスク１３に半
径方向に穿設された複数の半径方向通路１３ａを通って
ディスク１３外周の各動翼１５の翼根部に供給され、翼
根部から動翼１５内に形成された翼内冷却空気通路（図
示せず）に流入する。この冷却空気は、翼内冷却空気通
路を通り動翼を冷却した後、動翼前縁や後縁に設けられ
た出口から外部に排出される。また、タービンディスク
１３では半径方向通路１３ａに流入しなかった冷却空気
はタービンディスク１３にロータ軸線方向に穿設された
軸線方向通路１３ｂを通って下流側のタービンディスク
（図示せず）に供給され動翼の冷却を行う。

【０００７】ところで、冷却空気通路３０に流入した冷
却空気は高速で回転するロータ軸１１外周面と接触しロ
ータ軸１１外周接線方向に回転しながららせん状に冷却
空気通路３０内をタービンディスク１３に向かって流れ
る。一方、冷却空気室２０内では冷却空気はロータ軸１
１外周接線方向速度を有していない。このため、ロータ
軸１１は冷却空気通路入口３３に流入する冷却空気に接
線方向速度成分を付与する仕事をすることになる。従っ
て、運転中ロータ１０には冷却空気通路入口３３から流
入する冷却空気に付与した接線方向速度成分の運動エネ
ルギに相当する動力損失を生じるようになる。

【０００８】このように冷却空気への接線方向速度成分
付与により生じるロータの動力損失を低減するために、
一般に冷却空気通路入口３３部分にノズルを設けて予め
流入する冷却空気にロータ外周接線方向速度を持たせる
接線方向ノズルが使用される場合がある。接線方向ノズ
ルは、通常冷却通路入口３３部分のロータ軸１１周囲に
翼型断面を有する多数のノズル部材を放射状に配置し、
翼型ノズル部材間に形成される通路によりノズルを形成
する。接線方向ノズルは、ノズル内で冷却空気を膨張さ
せロータ軸外周接線方向に向けて噴射するものであり、
ノズル内の空気の膨張により接線方向速度成分を生じさ
せるものである。ノズルにより冷却空気に付与される接
線速度成分の大きさはほぼロータ軸１１の周速に等しく
なるようにノズル前後の圧力差（冷却空気室２０と冷却
空気通路入口３０部分における冷却空気の圧力差）が設
定される。このように接線方向ノズルを設けることによ
り、冷却空気は冷却空気通路入口３３部分でロータ軸１
１周速にほぼ等しい速度を持ってロータ軸１１外周接線
方向に噴射されるため、ロータ軸１１外周面と冷却空気
流との接線方向速度差がなくなりロータ１０の動力損失
が生じることが防止される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な翼型ノズル部材を用いてノズルを構成する場合には問
題が生じる。すなわち、翼型ノズル部材を用いてノズル
を構成する場合には、まずそれぞれの翼型ノズル部材を
個々に製作し、これらのノズル部材をロータ軸の周囲を
囲むように周方向に配置して溶接、或いはロウ付け等に
より冷却空気室内の静止部材に固定する方法や翼型ノズ
ル部材を円環状に配列した形状のノズルを一体に鋳造す
る方法、或いは円環状の部材に放電加工や機械加工等に
より翼型ノズル部材を残して空気通路を形成する方法等
がとられる。ところが、これらの方法はいずれも工数が
かかるためノズルの製造コストが高くなる問題がある。
更に、溶接、ロウ付け等によりノズルを組み立てるとノ
ズルに熱歪みが残留する場合があり、ノズルの冷却空気
噴射方向に誤差が生じる場合がある。

【００１０】しかも、翼型ノズル部材を用いたノズルで
は、ロータ軸接線方向に冷却空気を噴射するためには、
それぞれのノズル部材は半径方向に対して接線方向に傾
けて配置する必要が生じ、特にノズル出口がロータ表面
に近い場合にはノズル部材の傾斜が大きくなるため上記
いずれの方法によってもノズルの製作が更に困難になる
問題を生じる。

【００１１】また、接線方向ノズルではロータ軸外周接
線方向に冷却空気を噴射するようにしているため、ロー
タ軸の軸線方向の速度成分を持っていない。ところが、
ノズルから噴射された冷却空気は冷却空気通路に流入し
て軸線方向に流れるため、冷却空気通路に流入する際に
冷却空気流はロータ軸軸線方向に流れ方向を変えること
になる。このため、接線方向ノズルを用いた場合には冷
却空気通路に流入する際に軸線方向への流れ方向変化に
より冷却空気の圧力損失が生じるようになり、ノズル入
口への冷却空気供給圧力を高く設定する必要が生じる。
前述したように通常冷却空気はガスタービンコンプレッ
サの吐出又は中間段から供給されるため、冷却空気供給
圧力を高く設定するとコンプレッサの圧縮仕事が増大
し、ガスタービン全体としての動力損失が増大する問題
が生じる。

【００１２】この冷却空気流れ方向変更による動力損失
の増大を防止するためには、ノズルから供給される冷却
空気に接線方向速度成分とともに予めロータ軸軸線方向
速度を付与しておくことが考えられる。このためには、
ノズルからの冷却空気噴射方向をロータ外周接線方向に
傾斜させるとともに軸線方向にもある程度傾斜させる必
要がある。しかし、従来のような翼型ノズル部材をロー
タ周囲に配列して構成するノズルではノズルをロータ軸
線方向に傾斜させて配列することは困難なため、冷却空
気流にロータ軸線方向速度成分を付与することは困難で
あった。

【００１３】本発明は、上述した翼型ノズル部材を用い
た接線方向ノズルの問題を解決し、低コストでかつ高精
度にノズルを形成可能であり、しかも冷却空気流の軸線
方向への流れ方向変化による動力損失を低減可能なロー
タ冷却空気供給装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、回転するロータに冷却空気を供給するロータ冷
却空気供給装置であって、ロータ軸外周に入口を有する
とともに、ロータ軸内に軸線方向に設けられた冷却空気
通路と、前記冷却空気通路入口部分のロータ軸外周の周
囲を囲んで形成され、加圧空気源に接続される環状の冷
却空気室と、該冷却空気室内の加圧空気を前記冷却空気
通路に噴射する冷却空気ノズルとを備え、前記冷却空気
ノズルは、前記冷却空気室と前記冷却空気通路入口との
間にロータ軸周囲を囲んで配置された環状の静止部材に
穿設され前記冷却空気室と前記冷却空気通路入口近傍と
に開口する円形断面の複数の直線状空気通路として形成
されることを特徴とするロータ冷却空気供給装置が提供
される。

【００１５】すなわち、請求項１の発明では冷却空気ノ
ズルはロータ軸冷却空気通路入口周囲に設けられた環状
静止部材に穿設された円形断面の複数の直線状空気通路
として形成されるため、機械加工により容易に空気通路
を形成することが可能となる。このため、請求項１の発
明では冷却空気ノズルを容易かつ高精度に形成すること
が可能となり冷却空気ノズルの製造コストと工数とを大
幅に低減可能となる。

【００１６】請求項２に記載の発明によれば、前記冷却
空気ノズルの前記直線状空気通路は、冷却空気噴流が、
ロータ軸周速に略等しいロータ軸外周接線方向速度成分
と、前記冷却空気通路内の冷却空気流速の軸線方向成分
に略等しいロータ軸軸線方向速度成分とを持ってノズル
から噴射されるようにロータ軸外周接線方向に対して軸
線方向に角度を持って配置されている請求項１に記載の
ロータ冷却空気供給装置が提供される。

【００１７】すなわち、請求項２の発明では冷却空気ノ
ズルの直線状空気通路はロータ軸外周接線方向に対して
軸線方向に角度を持って配置されており、ノズルから噴
射された冷却空気がロータ軸周速に略等しいロータ軸外
周接線方向速度成分だけでなく、冷却空気通路内の冷却
空気流速の軸線方向成分に略等しい軸線方向速度成分を
持つようにされている。このため、冷却空気ノズルから
噴射された冷却空気は速度と流れ方向とが変化すること
なくロータ軸内の冷却空気通路内に流入するようにな
り、冷却空気通路入口付近での圧力損失が生じない。

【００１８】請求項３に記載の発明によれば、前記ロー
タはガスタービンのロータである請求項１または請求項
２に記載のロータ冷却空気供給装置が提供される。すな
わち、請求項３の発明では、請求項１または請求項２の
ロータ冷却空気供給装置はガスタービンロータ用の冷却
空気装置として使用される。このため、ガスタービン全
体の製造コストと工数とを低減することが可能となると
ともに、冷却空気の圧力損失低減によりガスタービンコ
ンプレッサの損失仕事を低減し、ガスタービン全体の効
率を向上させることが可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は本発明のロータ冷却
空気供給装置をガスタービンロータに適用した場合の実
施形態の概略構成を説明する断面図である。図１におい
て、図５と同じ参照符号は同様な要素を示すものとす
る。

【００２０】図１のロータ冷却空気供給装置では、図５
と同様にガスタービンロータ１０のディスク１３には円
筒状スリーブ３１が取付けられ、ロータ軸１１外周とス
リーブ３１内周との間に環状の軸線方向冷却空気通路３
０が形成されている。本実施形態では、タービンディス
ク１３側のラビリンスシール５１は円筒状スリーブ３１
開放端３３を越えて冷却空気室２０内に延設されてお
り、円筒状スリーブ３１及びロータ軸１１外周とを冷却
空気室２０から隔離している。また、ラビリンスシール
５１内周の円筒状スリーブ３１開放端（冷却空気通路入
口）３３部分には、環状のノズル部材７０が嵌装着され
ている。環状ノズル部材７０はほぼ四角形の横断面を有
しており、冷却空気ノズルとして機能する円形断面の直
管状の空気通路７１が周方向に等間隔に穿設されてい
る。

【００２１】また、ラビリンスシール５１には、ノズル
部材７０の空気通路７１に相当する位置にそれぞれ開口
５５が設けられている。本実施形態では、冷却空気通路
３０の入口３３はラビリンスシール５１により冷却空気
室２０から隔離されているため、冷却空気室２０内の冷
却空気はラビリンスシール５１外周の開口から環状ノズ
ル部材７０のそれぞれの空気通路（冷却空気ノズル）７
１のみを通って冷却空気通路入口３３に流入する。

【００２２】次に、本実施形態の冷却空気ノズル７１に
ついて説明する。図２は、図１の環状ノズル部材７０の
ロータ軸線に垂直な平面に沿った断面図、図３は図２の
矢印Ｘで示す方向（ロータ軸１１半径方向）の矢視図で
ある。図２に示すように、環状ノズル部材７０には周方
向に複数の冷却空気ノズル７１が形成されている。冷却
空気ノズル７１は、円形断面の略直管形状の噴孔７１ａ
と、同様に円形断面の略直管形状のノズル入口通路７１
ｂと、大径のノズル入口通路７１ｂを小径の噴孔７１ａ
に滑らかに接続する縮径部７１ｃとから構成される。

【００２３】図２に示すように、各冷却空気ノズル７１
はその中心軸線７２がロータ軸線に垂直な平面上ではロ
ータ軸１１外周接線方向を向くように配置されている。
また、図３に示すように、各冷却空気ノズル７１中心軸
線７２は図２に直角な平面上ではロータ軸外周接線方向
に対して、タービンディスク１３側に向かって角度θだ
け傾斜するように配置されている。すなわち、各冷却空
気ノズル７１の中心軸線７２は、ロータ軸１１外周接線
方向を指向すると同時に、ロータ軸１１軸線方向に角度
を持って配置されている。

【００２４】図４は、各冷却空気ノズル７１から噴射さ
れる冷却空気の速度ベクトル線図である。図４に示すよ
うに、冷却空気ノズル７１はロータ軸外周接線方向に対
して角度θだけ軸線方向に傾斜しているため、ノズル７
１から速度Ｖで噴射された冷却空気は、ロータ軸外周接
線方向の速度成分ＶＴ（ＶＴ＝Ｖ×ＣＯＳθ）とともに
ロータ軸線方向の速度成分ＶＡ（ＶＡ＝Ｖ×ＳＩＮθ）
を有するようになる。

【００２５】本実施形態では、上記ロータ軸外周接線方
向速度成分ＶＴは定格回転速度におけるロータ軸周速
に、軸線方向速度成分ＶＡはガスタービン定格運転時に
おける冷却空気通路３０内の冷却空気流速の軸線方向速
度にほぼ等しくなるように角度θと冷却空気ノズル噴射
速度Ｖとが設定されている。すなわち、ガスタービン定
格運転におけるロータ軸周速ＶＴは設計値として与えら
れる。また、ガスタービン定格運転における冷却空気通
路３０内の軸線方向流速ＶＡは、所要冷却空気流量から
決定される。従って、ノズル７１からの噴射速度ＶはＶ
＝（（ＶＴ）²＋（ＶＡ）²）^1/2として算出される。ま
た、角度θは、θ＝ＴＡＮ^-1（ＶＡ／ＶＴ）として求め
られる。更に、冷却空気ノズル７１の孔径は、噴射速度
Ｖと冷却空気流量とが定まれば公知の方法で決定可能で
ある。

【００２６】このように、冷却空気ノズル７１から噴射
される冷却空気流にロータ軸周速とほぼ等しいロータ軸
外周接線方向速度成分ＶＴと、冷却空気通路３０内の冷
却空気流の軸線方向速度とほぼ等しいロータ軸接線方向
速度成分ＶＡとを持たせるようにしたことにより、冷却
空気ノズル７１から噴射された冷却空気はほとんど流れ
方向を変えることなく冷却空気通路入口３３に流入する
ようになる。このため、本実施形態では冷却空気流に接
線方向速度を付与するためのロータ軸１１の損失仕事
や、冷却空気流の方向が軸線方向に変化する際の圧力損
失を大幅に低減することが可能となり、ロータの損失仕
事やコンプレッサの圧縮仕事をを低減しガスタービン全
体の効率を向上させることが可能となっている。

【００２７】また、本発明では各冷却空気ノズル７１は
ノズル部材７０に穿設した円形断面の直管状空気通路と
して形成される。このように冷却空気ノズル７１を円形
断面の直管状空気通路としたことにより、冷却空気ノズ
ル７１はノズル部材７０を機械加工することにより容易
に形成することが可能となり、翼型ノズル部材を配列し
て形成する場合に較べて大幅にノズル製作工数が低減さ
れるようになる。

【００２８】また、本実施形態では冷却空気ノズル加工
の際に溶接やロウ付け等の工程が必要とされないため、
熱歪みが発生することがなく、ノズルの形状精度を極め
て高くすることが可能となる。なお、上記のように円形
断面の直管状ノズルを用いた場合には、理論的には翼型
ノズル部材を用いた場合に較べてノズルにおける冷却空
気流の圧力損失が増大するが、例えばガスタービンロー
タの冷却空気流の場合には、ノズル出口における流速は
比較的低く（例えば１００ｍ／ｓから２００ｍ／ｓ程
度）、ノズル前後の圧力比も小さくなっている（例えば
圧力比で最大でも１．２程度）。このため、実際には円
形断面ノズルを使用した場合の翼型ノズル部材を用いた
場合に対する圧力損失の増大は無視できる程度となって
いる。従って、冷却空気流に軸線方向速度成分を容易に
付与することができる円形断面ノズルを用いた場合の方
が、全体として冷却空気流の圧力損失は小さくなり、全
体としてガスタービンの効率を向上させることが可能と
なる。

【００２９】

【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、ロータ
冷却空気ノズルを容易に、しかも高精度に製作すること
ができ、ロータ冷却空気供給装置の製作コストと工数を
大幅に低減可能となる共通の効果を奏する。また、請求
項２に記載の発明によれば、更にロータの損失仕事とロ
ータ冷却空気の圧力損失とを同時に低減することが可能
となる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロータ冷却空気供給装置をガスタービ
ンロータに適用した場合の実施形態の概略構成を説明す
る断面図である。

【図２】ロータ冷却空気ノズルの形状と配置を示す断面
図である。

【図３】ロータ冷却空気ノズルのロータ軸線方向への傾
斜配置を示す図である。

【図４】ロータ冷却空気ノズルからの冷却空気噴流の速
度成分を説明する図である。

【図５】従来の一般的なロータ冷却空気供給装置の概略
構成を説明する図１と同様な断面図である。

【符号の説明】

１０…ガスタービンロータ １１…ロータ軸 １３…タービンディスク ２０…冷却空気室 ３０…冷却空気通路 ３１…円筒状スリーブ ３３…冷却空気通路入口 ５１、５３…ラビリンスシール ７０…環状ノズル部材 ７１…冷却空気ノズル（空気通路）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転するロータに冷却空気を供給するロ
   ータ冷却空気供給装置であって、 ロータ軸外周に入口を有するとともに、ロータ軸内に軸
   線方向に設けられた冷却空気通路と、 前記冷却空気通路入口部分のロータ軸外周の周囲を囲ん
   で形成され、加圧空気源に接続される環状の冷却空気室
   と、 該冷却空気室内の加圧空気を前記冷却空気通路に噴射す
   る冷却空気ノズルとを備え、 前記冷却空気ノズルは、前記冷却空気室と前記冷却空気
   通路入口との間にロータ軸周囲を囲んで配置された環状
   の静止部材に穿設され前記冷却空気室と前記冷却空気通
   路入口近傍とに開口する円形断面の複数の直線状空気通
   路として形成されることを特徴とするロータ冷却空気供
   給装置。
2. 【請求項２】 前記冷却空気ノズルの前記直線状空気通
   路は、冷却空気噴流が、ロータ軸周速に略等しいロータ
   軸外周接線方向速度成分と、前記冷却空気通路内の冷却
   空気流速の軸線方向成分に略等しいロータ軸軸線方向速
   度成分とを持ってノズルから噴射されるようにロータ軸
   外周接線方向に対して軸線方向に角度を持って配置され
   ている請求項１に記載のロータ冷却空気供給装置。
3. 【請求項３】 前記ロータはガスタービンのロータであ
   る請求項１または請求項２に記載のロータ冷却空気供給
   装置。