JP2001098902A - 蒸気冷却ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蒸気冷却ガスタービンのロータを形成のスピ
ンドルボルト貫通部のシール構造において、シール部材
の保持を確実にすること。 【解決手段】 蒸気冷却ガスタービンにおいて、ロータ
ディスク１０に形成した通孔１２において蒸気回収室５
０へ開口する端部に、通孔１２の内径よりも大きな内径
を有する凹所より成るシール部材収容部３０を形成し、
シール部材収容部３０の側壁から半径方向内側に突出す
る係合部１４を設け、シール部材収容部３０内の底面３
２に当接するように環状のシール部材２０を配設し、シ
ール部材収容部３０内において、シール部材２０の軸方
向外側に保持部材２２、２４、２６を配設した。保持部
材は、シール部材収容部内に形成した係止部１４に係合
する係合部材２４と、係合部材を軸方向両側部から挟持
する第１と第２の保持部材２２、２６により形成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気冷却ガスター
ビンに関し、特に蒸気冷却ガスタービンのスピンドルボ
ルトのシール構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの高効率化のために、ガス
タービンの燃焼ガスの膨張機入口温度は年々上昇を続け
ており、近時この温度を１５００°Ｃとしたガスタービ
ンが提案されている。こうした高温の燃焼ガスからガス
タービンの静翼および動翼を保護するために、従来の空
気による冷却に代えて比較的低温の蒸気にて冷却する所
謂蒸気冷却ガスタービンの開発が行われている。こうし
た蒸気冷却ガスタービンでは、蒸気は、例えば、蒸気源
としてコンバインドサイクルの蒸気タービンからの抽気
を用いることができ、特にガスタービンの動力を冷却す
る冷却蒸気は、前記蒸気源からガスタービンのロータ尾
端部からロータ内に形成された蒸気通路を経て、ロータ
ディスクに取り付けられた各動翼に供給される。

【０００３】前記蒸気通路は、ロータ尾端部から軸方向
に延びる複数の蒸気供給路と、該蒸気供給路に連通し各
ロータディスクに取り付けられた動翼の各々に均一に蒸
気を分配するために周方向に形成した蒸気供給室と、動
翼からの蒸気を均一に回収する蒸気回収室、および、蒸
気回収室から蒸気を蒸気冷却ガスタービン外へ導くため
の蒸気回収路から成る。

【０００４】図６を参照すると、従来技術による蒸気冷
却ガスタービンのロータの部分断面が示されている。図
６には、ロータ１００の第１段および第２段ロータディ
スク１１０、１２０が示されており、該第１段および第
２段ロータディスク１１０、１２０は、その周縁部近傍
に軸方向に貫通、形成された複数の通孔１１２、１２２
が周方向に等間隔に配設されており、該通孔１１２、１
２２にスピンドルボルト１０２を挿通、締結することに
より、第１段および第２段ロータディスク１１０、１２
０は、他のロータディスクに連結され、一体的に回転す
るガスタービンロータが形成される。

【０００５】第１段および第２段ロータディスク１１
０、１２０において、スピンドルボルト１０２を挿通す
るための通孔１１２、１２２の更に外周部分には動翼を
冷却するための蒸気（以下、単に冷却蒸気と記載する）
を供給、回収するための複数の蒸気通路１１４、１２４
が周方向に等間隔に形成されている。蒸気通路１１４、
１２４には、冷却蒸気を供給する蒸気供給路を形成する
複数の蒸気供給管１０４と、動翼を冷却した後の冷却蒸
気を回収する蒸気回収路を形成する複数の蒸気回収管１
０６とが周方向で交互に配設される。また、同様に、第
２段ロータディスク１２０と第３段ロータディスク（図
示せず）の間には第２段動翼に冷却蒸気を供給するため
の蒸気供給室１３４が形成されている。

【０００６】第１段ロータディスク１１０の外側の端面
には、第１段動翼（図示せず）に冷却蒸気を均一に分
配、供給するための蒸気供給室１３０が形成されてお
り、第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０
の間には、第１段および第２段動翼を冷却した後の冷却
蒸気を均一に回収するための蒸気回収室１３２が形成さ
れている。

【０００７】一般的に、蒸気冷却ガスタービンの冷却蒸
気の供給源としては蒸気タービンの抽気が用いられる。
冷却蒸気供給源からの冷却蒸気は、蒸気冷却ガスタービ
ンのロータに形成された蒸気供給通路を通って蒸気供給
管１０４に到達し、次いで蒸気供給管１０４から蒸気供
給室１３０、１３４を介して第１段動翼および第２段動
翼に供給される。第１段動翼および第２段動翼を冷却し
た後の冷却蒸気は、蒸気回収室１３２から蒸気回収管１
０６を介して回収される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】複数のロータディスク
をスピンドルボルトにより互いに連結してロータを組み
立てる際の作業性から、通孔１１２、１２４は、特に図
６からも理解されるように、スピンドルボルトの直径に
対して余裕を持たせて若干大きな内径を有しており、両
者間には間隙が形成されている。一方、ロータに形成さ
れた冷却蒸気回収室１３２、１３４は通孔１１２、１２
２に連通しており、第１段および第２段ロータディスク
１１０、１２０と、スピンドルボルト１０２との間の間
隙から蒸気が漏洩する。第２段ロータディスク１２０と
スピンドルボルト１０２との間から漏洩した蒸気は、冷
却蒸気回収室１３２内へ流入し冷却蒸気回収管１０６を
介して回収可能であるが、第１段ロータディスク１１０
とスピンドルボルト１０２との間から漏洩した蒸気は回
収されず、該蒸気冷却ガスタービンを利用するプラント
の総合効率を低下させる。

【０００９】この第１段ロータディスク１１０とスピン
ドルボルトとの間の蒸気の漏洩を防止するために、例え
ば、特開平１１−５０８０３号公報等の従来技術では、
図６、７に示すように、環状のシール部材１４０および
Ｃ形止め輪１４２により第１段ロータディスク１１０と
スピンドルボルト１０２との間の漏洩蒸気量の低減を図
っている。Ｃ形止め輪１４２は第１段ロータディスク１
１０に形成された環状溝内にスナップ式に嵌合されてい
るが、ロータが回転すると、遠心力の作用により、Ｃ形
止め輪１４２が変形、特に径方向の寸法が縮小する所謂
縮径が生じ環状溝１１６から脱落することが危惧され
る。

【００１０】本発明は、こうした従来技術の問題を解決
することを技術課題としており、蒸気冷却ガスタービン
のロータを形成のスピンドルボルト貫通部のシール構造
において、シール部材およびその保持部材の取付けを確
実にすることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、冷却蒸気供給源からガスタービンのロータに形成し
た蒸気供給路、および、該蒸気供給路に連通する蒸気供
給室を介して動翼に冷却用蒸気を供給し、ロータに形成
した蒸気回収室、および、該蒸気回収室に連通する蒸気
回収路を介して冷却蒸気を回収する蒸気冷却ガスタービ
ンにおいて、前記ロータは、ロータディスクに形成した
通孔にスピンドルボルトを挿通し、該スピンドルボルト
により複数のロータディスクを締結することにより形成
されて成り、前記通孔において前記蒸気回収室へ開口す
る端部に、前記通孔の内径よりも大きな内径を有する凹
所より成るシール部材収容部を形成し、前記シール部材
収容部の側壁から半径方向内側に突出する係合部を設
け、前記シール部材収容部内の底面に当接するように環
状のシール部材を配設し、前記シール部材収容部内にお
いて、前記シール部材の軸方向外側に保持部材を配設
し、前記保持部材が、前記シール部材収容部内に形成し
た係止部に係合する係合部材と、前記係合部材を軸方向
両側部から挟持する第１と第２の保持部材とを含んで成
る蒸気冷却ガスタービンを要旨とする。

【００１２】本発明によれば、シール部材は保持部材に
より挟持され、シール部材収容部内に保持される。従来
技術ではシール部材はＣ形止め輪によってのみ保持され
ているが、Ｃ形止め輪は、ロータが回転したときの遠心
力により変形するが、本発明では、係合部材を第１と第
２の保持部材により軸方向の両側部から挟持することに
より、その変形を可及的に低減される。

【００１３】好ましくは、前記シール部材は、内周縁部
および外周縁部に沿って形成された２つのテーパ面によ
り、前記シール部材の一方の端面に形成されるシール面
を有している。

【００１４】このように、シール部材の内周縁部および
外周縁部に沿って２つのテーパ面を形成し、シール部材
の一方の端面において２つのテーパ面の間にシール面を
形成し、該シール面をシール部材収容部の底面に当接さ
せることにより、シール面に印加される面圧を高めるこ
とが可能となり、シール性が向上する。

【００１５】好ましい実施形態によれば、前記係合部材
をＣ形止め輪状部材により形成することができる。更に
好ましくは、Ｃ形止め輪状部材の外周縁部に沿って外テ
ーパ面を形成し、前記係止部に前記Ｃ形止め輪状部材の
外テーパ面に相補形に係合するテーパ面を設けることが
できる。

【００１６】また、好ましくは、前記Ｃ形止め輪状部材
の内周縁部に沿って複数の舌部を設け、該舌部に内テー
パ面を形成し、前記第１の保持部材に前記Ｃ形止め輪状
部材の内テーパ面と係合可能なテーパ面を設ける。

【００１７】係合部材の変形量は、係合部材に作用する
遠心力の大きさに加えて、係合部材と、第１と第２の保
持部材の間に作用する摩擦力により決定されるので、第
１と第２の保持部材の製造誤差によっては、係合部材
と、第１と第２の保持部材の間に作用する摩擦力が不十
分で、遠心力により係合部材が変形することも生じ得
る。本発明によれば、係合部材の内周縁部に形成された
テーパ面が、係合部材の変形時に、第１の保持部材のテ
ーパ面に当接することにより、係合部材の変形量を低減
し、係合部材が係止部から脱落することを防止すること
ができる。

【００１８】好ましくは、前記第１の保持部材に外ネジ
を形成し、前記第２の保持部材に前記第１の保持部材の
外ネジと係合する内ネジを形成する。そして、第１と第
２の保持部材の間に前記係合部材を配置して、前記第１
と第２の保持部材の外ネジおよび内ネジを係合させるこ
とにより、前記係合部材を第１と第２の保持部材の間に
挟持するようにできる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好ましい実施形態を説明する。なお、以下の説明で
は、主として第１段ロータディスクのスピンドルボルト
貫通部について記載するが、その余のロータの構成は従
来技術のロータと同様となっている。

【００２０】図１から図４は、第１段ロータディスク１
０の部分断面図であり、スピンドルボルト４０を挿通さ
せるための通孔１２を有しており、該通孔１２は、第１
のロータディスク１０と第２のロータディスク（図示せ
ず）の間に形成される蒸気回収室５０に連通している。
第１段ロータディスク１０の内側の端面、つまり、蒸気
回収室５０を形成する端面には、通孔１２の開口部を囲
繞するように、環状のシール部材２０を配設するための
シール部材収容部として通孔１２よりも大きな内径を有
する座ぐり穴または凹所３０（図４参照）が形成されて
いる。凹所３０内には、環状のシール部材２０と、該シ
ール部材２０を凹所３０内に保持するための保持部材２
２、２４、２６が配設される。前記保持部材は、ボルト
を形成する第１の保持部材２２と、前記ボルトに係合す
るナットを形成する第２の保持部材２６と、第１と第２
の保持部材２２、２６の間に挟持される係合部材２４を
具備して成る。

【００２１】凹所３０は、その底面３２に連続する側面
から形成される第１の収容部３４と、第１の収容部３４
に隣接させて形成された環状の凹溝より成る第２の収容
部３６と、半径方向内側に突き出した環状の突起より成
る係止部１４を挟んで前記第２の収容部３６の軸方向外
側に凹所３０の開口部に形成された第３の収容部３８を
含んで成る。

【００２２】シール部材２０は、凹所３０内において最
も奥方に形成されている第１の収容部３４内に配設さ
れ、凹所３０の底面３２に当接するシール面２０ａを有
している。シール面２０ａは、シール部材２０の外周縁
部および内周縁部に沿って形成されたテーパ面２０ｂ、
２０ｃの間に、シール部材２０の一方の端面から軸方向
に隆起した円形の幅の狭い端面として形成されており、
このようにシール部材２０を細い円形のシール面２０ａ
にて凹所３０の底面３２に当接させることにより面圧を
高め、底面３２とシール部材２０との間のシール性を高
めている。

【００２３】第１の保持部材２２は、一端に外ネジ２２
ｃを有する実質的に円筒状の本体部２２ａと、該本体部
２２ａにおいて前記外ネジ２２ｃの反対側の端部に連結
する環状の挟持部２２ｂとを有し、本体部２２ａと挟持
部２２ｂとの間の連結部にテーパ面２２ｄが形成されて
いる。また、本体部２２ａにおいて外ネジ２２ｃの設け
られている側の端面には、第１の保持部材２２を組み付
けるときの工具またはジグと係合させるためのすり割り
２２ｅが形成されている。

【００２４】第２の保持部材２６は、第１の保持部材２
２の外ネジ２２ｃと係合する内ネジ２６ａを有する環状
部材より成り、一方の端面の中心部には軸方向に隆起す
る挟持部２６ｂが形成されている。また、第２の保持部
材２６も同様に、第２の保持部材２６を組み付けるとき
の工具またはジグと係合させるためのすり割り２６ｃが
形成されている。

【００２５】図５をも参照すると、係合部材２４は所謂
Ｃ形止め輪に類似する部材（本明細書では、Ｃ形止め輪
状部材と称する）より成り、その内周面に沿って等間隔
に配設された複数の舌部２４ａを有している。舌部２４
ａには、該係合部材２４をロータディスク１０に組み付
けたときに、第１の保持部材２２のテーパ面２２ｄに対
面する内テーパ面２４ｂが形成されており、係合部材２
４の断面において対角線を挟んで内テーパ面２４ｂの反
対側の隅部には、係止部１４のテーパ面１４ａに係合す
る外テーパ面２４ｃが、係合部材２４の外周縁部に沿っ
て形成される。

【００２６】以下、本実施形態の作用をシール部材２０
の組立工程を順に追いながら説明する。第１段ロータデ
ィスク１０の通孔１２にスピンドルボルト４０を通した
後に、シール部材２０をスピンドルボルト４０に通しな
がら、凹所３０の第１の収容部３４に配置する。次い
で、第１の収容部３４に配置されたシール部材２０の軸
方向の外側から、第１の保持部材２２をスピンドルボル
ト４０に通しながら、その挟持部２２ｂがシール部材２
０に当接するように凹所３０内に配置する。次いで、係
合部材としてのＣ形止め輪状部材２４を第２の収容部３
６にはめ込むようにして、第１の保持部材２２の外周面
に配置する。次いで、第２の保持部材２６の内ネジ２６
ａを第１の保持部材２２の外ネジ２２ｃに係合させ、第
２の保持部材２６を第１の保持部材２２に締結する。

【００２７】第２の保持部材２６を締め込んでゆくと、
第２の保持部材２６の挟持部２６ａが係合部材２４に当
接して（図２、３参照）、係合部材２４を凹所３０の奥
へ押し込む。この間、係合部材２４は、その外周縁部に
形成されたテーパ面２４ｃにおいて係止部１４のテーパ
面１４ａと係合しながら半径方向に拡がる。第２の保持
部材２６を第１の保持部材２２に対して完全に締結する
と、係合部材２４は、凹所３０の第２の収容部３６に嵌
合すると共に、第１と第２の保持部材２２、２６の各々
の挟持部２２ｂ、２６ｂの間に挟持される。これによ
り、第１の保持部材２２、係合部材２４および第２の保
持部材２６は一体の保持部材となり、係合部材２４のテ
ーパ面２４ｃが係止部１４のテーパ面１４ａに係合する
ことにより、前記保持部材が凹所３０内に係止され、シ
ール部材２０が凹所３０の第１の収容部３４内に保持さ
れる。このとき、第１と第２の保持部材２２、２６にお
いてすり割り２２ｅ、２６ｃが形成されている端面で、
両者をかしめることにより、第１と第２の保持部材２
２、２６が互いに緩むことを防止しても良い。

【００２８】全てのロータディスクをスピンドルボルト
４０により締結してロータを形成し、蒸気冷却ガスター
ビンを作動させると、第１のロータディスク１０の凹所
３０は、蒸気回収室５０に連通しているために、蒸気回
収室５０内の第１段動翼および第２段動翼を冷却した後
の冷却蒸気の圧力により、シール部材２０は凹所３０の
底面３２に押圧される。

【００２９】一般的に、ガスタービンの如く高温となる
回転機械では、機械温度が上昇したときの熱膨張を考慮
して、各構成要素は遊びを見込んだ寸法にて形成され
る。本実施形態においても、シール部材２０は内径およ
び外径寸法は、こうした遊びを含んでおり、シール部材
２０の外周面および内周面は、凹所３０の第１の収容部
３４の内周面やスピンドルボルト４０の外周面に必ずし
も接触していない。特に、蒸気冷却ガスタービンが作動
してロータが回転すると、スピンドルボルト４０は遠心
力により半径方向外側へ変形し、シール部材２０および
保持部材２２、２４、２６もまた半径方向外側へ変位す
る。このとき、シール部材２０が半径方向外側へ変位す
ると共に、シール部材２０それ自体が蒸気回収室５０内
の蒸気圧力により凹所３０の底面３２に押圧されること
から、シール部材２０の外周面と第１の収容部３４の内
周面との間からの蒸気漏洩が防止される。然しながら、
シール部材２０とスピンドルボルト４０との間からの蒸
気の漏洩は、シール部材２０により低減することはでき
るが、完全に防止することはできない。

【００３０】本実施形態によれば、シール部材２０は保
持部材２２、２４、２６により保持される。既述したよ
うに、従来技術ではシール部材はＣ形止め輪によっての
み保持されている。Ｃ形止め輪は、ロータ回転したとき
の遠心力の作用により変形するので、その脱落が危惧さ
れるが、本実施形態によれば、係合部材２４を形成する
Ｃ形止め輪状部材は、第１と第２の保持部材２２、２６
により軸方向の両側面から挟持されるために、遠心力に
より変形しにくくなっている。また、係合部材２４の変
形量は、係合部材２４に作用する遠心力の大きさに加え
て、係合部材２４と、第１と第２の保持部材２２、２６
の間に作用する摩擦力により決定される。従って、第１
と第２の保持部材２２、２６の製造誤差によっては、係
合部材２４と、第１と第２の保持部材２２、２６の間に
作用する摩擦力が不十分で、遠心力により係合部材２４
が変形することも生じ得る。この場合でも、本実施形態
では、係合部材２４の内周縁部に形成されたテーパ面２
４ａが、第１の保持部材２２のテーパ面２４ｄに当接す
ることにより、係合部材２４の変形量を低減し、係合部
材２４が係止部１４から脱落することを防止している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態による蒸気冷却ガスタービンの
ロータディスクのスピンドルボルト貫通部の要部拡大断
面図である。

【図２】保持部材の組立を説明するための図１と同様の
ロータディスクのスピンドルボルト貫通部の要部拡大断
面図である。

【図３】図２においてＡで示す部分の更に拡大断面図で
ある。

【図４】本発明実施形態による第１のロータディスクの
部分拡大断面図である。

【図５】図３において矢視Ｖ−Ｖの方向に見た、係合部
材としてのＣ形止め輪状部材の部分平面図である。

【図６】蒸気冷却ガスタービンのロータの部分断面図で
ある。

【図７】従来技術によるロータディスクのスピンドルボ
ルト貫通部の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１０…第１段ロータディスク １２…通孔 １４…係合部 ２０…シール部材 ２２…第１の保持部材 ２４…係合部材（Ｃ形止め輪状部材） ２６…第２の保持部材 ３０…凹所

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年５月２２日（２０００．５．２
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上松 一雄 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 Ｆターム(参考） 3G002 AA05 AA06 AA10 AB01 HA08

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却蒸気供給源からガスタービンのロー
   タに形成した蒸気供給路、および、該蒸気供給路に連通
   する蒸気供給室を介して動翼に冷却用蒸気を供給し、ロ
   ータに形成した蒸気回収室、および、該蒸気回収室に連
   通する蒸気回収路を介して冷却蒸気を回収する蒸気冷却
   ガスタービンにおいて、 前記ロータは、ロータディスクに形成した通孔にスピン
   ドルボルトを挿通し、該スピンドルボルトにより複数の
   ロータディスクを締結することにより形成されて成り、 前記通孔において前記蒸気回収室へ開口する端部に、前
   記通孔の内径よりも大きな内径を有する凹所より成るシ
   ール部材収容部を形成し、前記シール部材収容部の側壁
   から半径方向内側に突出する係合部を設け、前記シール
   部材収容部内の底面に当接するように環状のシール部材
   を配設し、前記シール部材収容部内において、前記シー
   ル部材の軸方向外側に保持部材を配設し、 前記保持部材が、前記シール部材収容部内に形成した係
   止部に係合する係合部材と、前記係合部材を軸方向両側
   部から挟持する第１と第２の保持部材とを含んで成る蒸
   気冷却ガスタービン。
2. 【請求項２】 前記シール部材の内周縁部および外周縁
   部に沿って２つのテーパ面を形成し、シール部材の一方
   の端面において２つのテーパ面の間にシール面を形成し
   た請求項１に記載の蒸気冷却ガスタービン。
3. 【請求項３】 前記係合部材がＣ形止め輪状部材により
   形成される請求項１または２に記載の蒸気冷却ガスター
   ビン。
4. 【請求項４】 前記Ｃ形止め輪状部材は、その外周縁部
   に沿って外テーパ面が形成されており、前記係止部が、
   前記Ｃ形止め輪状部材の外テーパ面に相補形に係合する
   テーパ面を有している請求項３に記載の蒸気冷却ガスタ
   ービン。
5. 【請求項５】 前記Ｃ形止め輪状部材は、その内周縁部
   に沿って複数の舌部が形成されており、該舌部に内テー
   パ面が形成されており、前記第１の保持部材が前記Ｃ形
   止め輪状部材の内テーパ面と係合可能に設けられたテー
   パ面を有している請求項３または４に記載の蒸気冷却ガ
   スタービン。
6. 【請求項６】 前記第１の保持部材が外ネジを有してお
   り、前記第２の保持部材が前記第１の保持部材の外ネジ
   と係合する内ネジを有しており、両者を係合させること
   により、前記係合部材を第１と第２の保持部材の間に挟
   持する請求項１から５の何れか１項に記載の蒸気冷却ガ
   スタービン。