JP2004028036A - ガスタービン静翼及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ホイールスペース温度監視用熱電対プローブを構造上設置し難いクローズドガスタービン静翼において、静翼自体の信頼性を損なわないで設置可能な構造とすることにある。
【解決手段】ガスタービン静翼において、内部に複数の冷却媒体流通パスを設けるとともに、該冷却媒体流通パスの内少なくとも一つの第一の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し冷却後は回収され、他の第二の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後はその一部の冷却媒体が前記主流ガス中に放出されるよう構成し、ホイールスペースの温度を測定する温度測定手段を第二の冷却媒体流通パスを通して配置し、該第二の冷却媒体流通パスより外部へ導き出す部分において該温度測定手段を固定し、入口部で拘束しないよう構成したことを特徴とする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン静翼及びガスタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、冷媒の回収を前提とするクローズド冷却方式を採用するガスタービンの場合、その静翼および静翼周辺の構造は、クローズド冷却媒体を外部に漏らさないようシール性を上げなければならない。このシール構成の点で、冷媒を主流ガス中に放出するオープン冷却方式の構造とは大きく異なってくる。例えば、特開平２００１−９８９０５号公報には、翼内のクローズド冷却流路内にホイールスペース温度監視用熱電対プローブ及び保護管を熱伸びを吸収するために蛇行させて配置した構造が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
クローズド冷却媒体は、昇圧されて翼に供給され周囲雰囲気に比べ高圧であるため、当然のことながら、熱電対プローブ保護管が破損すれば、翼内部のクローズド冷却媒体が外部に多量に漏れ出し、タービン全体性能を低下させるだけでなく、冷却媒体供給不足により翼冷却性能が低下し、翼メタル温度は上昇し、状況次第によっては翼の溶損を引き起こし、タービン部全体の破壊を引き起こす可能性もある。シール機構を損なわずに、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブを設けることが困難であった。
【０００４】
本発明の目的は、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブを構造上設置し難いクローズドガスタービン静翼において、静翼自体の信頼性を損なわないで設置可能な構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ホイールスペースの温度を測定する温度測定手段を冷却媒体流通パスを通して配置し、その冷却媒体流通パスより外部へ導き出す部分において該温度測定手段を固定し、入口部で拘束しないよう構成する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
タービン静翼の内部に冷却媒体流通パスを有するとともに、この冷却媒体流通パスに冷却媒体が流通されて静翼が冷却され、かつ静翼冷却後の冷却媒体が、一部は回収され、かつ一部は主流ガス中に放出されるように形成されており、前記静翼に複数の冷却媒体流通パスを設けるとともに、該冷却媒体流通パスの内少なくとも一つの冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後は再び外部に回収され、かつ他の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後は内周側エンドウォールのキャビティに導かれ、その一部の冷却媒体は内周側エンドウォールを冷却した後前記主流ガス中に放出され、かつ残部の冷却媒体は静翼の内周側に配置されている回転部にシール媒体として供給するように形成しているガスタービン静翼において、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブ及び保護管を前記主流ガス中に放出される冷却媒体流通パス及び前記内周側エンドウォールキャビティを通して配置するようにしたものである。
【０００７】
ホイールスペースの温度を測定する温度測定手段を冷却媒体流通パスを通して配置し、その冷却媒体流通パスより外部へ導き出す部分において該温度測定手段を固定し、入口部で拘束しないよう構成することにより、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブを構造上設置し難いクローズドガスタービン静翼において、静翼自体の信頼性を損なわないで設置可能な構造とすることができる。
【０００８】
また、この場合、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブ保護管が前記内周側エンドウォールキャビティから外部に出る部分にプラグをして溶接等により隙間を封止し、内部の冷却媒体が外部に漏れ出ないようにしたものである。また、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブ保護管を固定するために、外周側エンドウォールの前記主流ガス中に放出される冷却媒体流通パスの入口部にコの字型ブラケットを配置し、前記コの字型ブラケットの穴に前記保護管を通すようにしたものである。また、前記コの字型ブラケットの穴と前記保護管との間に間隙を設け、前記保護管がガスタービン回転中心軸から見て半径方向に伸縮可能となるようにしたものである。
【０００９】
すなわちこのように形成されたガスタービン静翼であると、静翼と保護管とのシール箇所は１箇所のみとすることができ、運転時に保護管と静翼との間に発生する熱伸び差の問題はなくなり、すなわち熱伸び差による発生する応力からくる保護管の破損が防止でき、信頼性を向上させることができる。
【００１０】
さらに、静翼の保護管貫通部において内部にある媒体は、最終的に主流ガスパス中に放出する冷却媒体であるため、内外圧力差は小さく、シール部に多少のクラックが生じても外部に漏れ出す量は少ないため、翼冷却に与える影響は小さく、またガスタービン全体の効率低下に及ぼす影響も小さい。
【００１１】
さらに、保護管が外周側エンドウォール付近でブラケットにより支持されるため、運転時に周囲の冷却媒体の流れに揺さぶられたりして破損するのを防ぐことができる。また、保護管は熱伸び方向に自由に動くことが出来るため、熱伸び差を逃がすことができ、より信頼性の高い構造を提供することが出来る。
【００１２】
（実施例）
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１には、そのガスタービンの要部（翼段落部）が断面で示されている。図中矢印２０が、主流ガスの流れ方向を示しており、１が第１段静翼、３が第２段静翼、また２が第１段動翼、４が第２段動翼、５が第２段静翼ダイヤフラム、６がディスタントピース、７が第１段動翼ロータディスク、８がディスクスペーサ、９が第２段動翼ロータディスクである。
【００１３】
第１段動翼２はロータディスク７に、また第２段動翼４はロータディスク９にそれぞれ固定され、ディスタントピース６とロータディスク７，ディスクスペーサ８，ロータディスク９は、スタブシャフト１０により一体に固定され回転体を形成している。
【００１４】
このように構成されたガスタービンの作動原理について簡単に説明すると、圧縮機と燃焼器により高温・高圧となった作動流体、すなわち主流ガス２０は、第１段静翼１および第２段静翼３によりその高圧のエネルギーを流速のエネルギーに変換し、第１段動翼２および第２段動翼４を回転させる。その回転エネルギーで発電機を回して電気を得るが、一部の回転エネルギーは圧縮機駆動にも用いられる。主流ガス温度は、翼材の許容温度以上であるから高温のガスにさらされる翼部は冷却されなければならない。
【００１５】
ここで、第２段静翼３を例に取ってみると、第２段静翼の冷却媒体には、圧縮機吐出流体を冷却器とブースト圧縮機によりそれぞれ冷却および昇圧された冷媒と圧縮途中段抽気流体の２つがあり、前者がクローズド冷却媒体、後者がオープン冷却媒体である。前者のクローズド冷却媒体２２は、第２段静翼３の外周側に配置された配管３０により供給され、第２段静翼３の冷却を終えた後、外周側の配管３１に回収され、ガスタービンケーシング１１内を通して最終的には燃焼器入口に供給され圧縮機吐出流体に合流する。
【００１６】
一方、後者のオープン冷却媒体２３は、外部配管により第２段静翼３の外周とケーシング１１で形成されるキャビティ１２に供給され、さらにキャビティ１２より第２段静翼３の冷却流路に供給され、第２段静翼３の一部を冷却した後、最終的には主流ガス中に放出されるが、そのオープン冷却媒体２３の一部は、第２段静翼３の内周側に配置されるダイヤフラム５へ導かれ、第１段動翼２のシャンク部１３とダイヤフラム５とのホイールスペース１４ａに放出される。
【００１７】
すなわち、ホイールスペース用シール媒体２３ｂ及び２３ｄとして用いられ、この隙間すなわちホイールスペース１４ａ及び１４ｂに主流ガス２０が進入してくるのを防ぐ。万が一、このホイールスペース１４ａ及び１４ｂに高温の主流ガス２０が進入して雰囲気温度を上昇させるようなことがあると動翼シャンク部１３やダイヤフラム５が高温ガスにより損傷を受けるばかりでなく、ロータディスク７および９やディスクスペーサ８に過剰な熱負荷がかかり、それによる熱応力で寿命の低下を招き、さらには熱変形の発生によりガスタービンの運転を妨げる可能性がある。そこで、ホイールスペース１４ａ及び１４ｂの雰囲気温度を測定するために、周方向の数カ所において、外周のガスタービンケーシング１１よりダイヤフラム５に向けて、保護管付きのホイールスペース温度監視用熱電対プローブ３５ａ及び３５ｂが挿入されており、ガスタービン運転時に常時温度を監視している。
【００１８】
図２に第２段静翼３の軸方向断面図を示し、さらに詳細な構造を示す。第２段静翼３の外周側エンドウォール４０には、カバー４１とクローズド冷却媒体の外周側キャビティ４２が形成され、その外周側キャビティ４２内には複数のインピンジメント冷却孔を有するインピンジプレート５８が配置されている。３０は外周側キャビティ４２にクローズド冷却媒体を供給する配管、３１はクローズド冷却媒体回収配管である。
【００１９】
一方、内周エンドウォール４８には、カバー４９とオープン冷却媒体キャビティ５０が形成され、キャビティ５０内には、複数のインピンジメント冷却孔を有するインピンジプレート５１が配置され、また、内周側エンドウォールの部分には、キャビティ５０と主流ガスパスとを連通する対流冷却孔５２および５３が設けられている。ここで、オープン冷却媒体流路４４は外周側エンドウォールカバー４１の外側とエンドウォールの内周側のキャビティ５０とを連通するように形成されている。
【００２０】
このように構成された静翼において、クローズド冷却媒体２２は、供給配管３０により外周側キャビティ４２に供給され、インピンジプレート５８により外周エンドウォールを冷却する。外周側エンドウォール冷却の後、翼プロファイル部４５を冷却した後に回収５６を通り、回収配管３１に回収される。
【００２１】
一方、オープン冷却媒体２３は、翼の中間部のオープン冷却媒体流路４４に挿入されているコアプラグ６１内に供給され、オープン冷却媒体流路４４をインピンジメント冷却する。オープン冷却媒体流路４４を冷却し終えたオープン冷却媒体２３は、内周側キャビティ５０に導かれる。内周側エンドウォールキャビティ内の一部のシール冷却媒体２３ｂは、インピンジプレート５１により、内周エンドウォール４８をインピンジメント冷却し、さらには内周エンドウォール４８の対流冷却孔５２および５３により内周エンドウォール４８を冷却し、最終的には主流ガス中に放出される。また、内周側キャビティ５０内の一部のシール媒体２３ｃはシール媒体としてホイールスペースに供給される。
【００２２】
ここで、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブ３５を内包する保護管３６は、外周側エンドウォール４０の外より前記翼中間部のオープン冷却媒体流路４４内のコアプラグ６１内及び内周側キャビティ５０内を通り、内周側エンドウォールカバー４９を貫通するように配置され、保護管３６の先端には熱電対プローブ３５の先端感温部保護のために設けられている熱電対ウェル３７が取り付けられる構造となっている。保護管３６の内周側エンドウォールカバー４９には、シールのためにプラグ３８が取り付けられ、キャビティ５０内のオープン冷却媒体が外部に漏れ出さないようになっている。
【００２３】
ホイールスペースの温度を測定する温度測定手段を冷却媒体流通パスを通して配置し、その冷却媒体流通パスより外部へ導き出す部分において該温度測定手段を固定し、入口部で拘束しないよう構成することにより、ホイールスペース温度監視用熱電対プローブを構造上設置し難いクローズドガスタービン静翼において、静翼自体の信頼性を損なわないで設置可能な構造とすることができる。
【００２４】
このように構成された構造であると、外周エンドウォールカバー４１と保護管３６とのシール箇所は無くなり、保護管３６と第２段静翼３との拘束部は内周側エンドウォールカバー４９とのシール部１箇所のみとなり、保護管３６と第２段静翼３との間に発生する熱伸び差の問題はなくなり、すなわち熱伸び差による発生する応力からくる保護管３６あるいはエンドウォールカバー４１破損の可能性は無くなり、信頼性を向上させることができる。
【００２５】
さらに、保護管３６貫通部のシール部は内周側エンドウォールカバー４９側である。本構造において、内周側キャビティ５０内は最終的に主流ガスパス中に放出するオープン冷却媒体であるため、内周側キャビティ５０内と外部雰囲気との圧力差は、クローズド冷却媒体の供給キャビティである外周側キャビティ４２とその外部雰囲気との圧力差に比べはるかに小さい。そのためシール部に多少のクラックが生じても外部に漏れ出す量は少ないため、内周エンドウォール冷却に与える影響は小さく、またガスタービン全体の効率低下に及ぼす影響も小さい。従って、翼全体がクローズド冷却媒体による圧力容器で、外周エンドウォールと内周エンドウォールの両方に保護管貫通部があり、両方ともシールしているような構造と比べると遥かに信頼性の高い構造とすることができる。
【００２６】
以上、本発明の効果を説明してきたが、オープン冷却媒体冷却流路の配置は翼中間部にかかわらず、冷却上成立するならば前縁流路あるいは後縁流路でも問題なく、特に制限されるものではない。また、オープン冷却媒体流路の冷却方法は、コアプラグを用いたインピンジメント冷却方式にかかわらず、冷却上成立するならば対流冷却方式でも問題なく、特に制限されるものではない。さらに、本発明の構造は２連翼に限らず、単翼，３連翼，４連翼等外周及び内周エンドウォール内に翼をいくつも配置するものでも効果に変わりは無く、特に制限されるものではない。
【００２７】
次に図３に示した本発明の発展例について説明する。この図は、第２段静翼３の斜視図を示す。ホイールスペース温度監視用熱電対プローブ３５及び保護管３６を配置しているオープン冷却媒体流路４４の外周側エンドウォール４０側開口部にコの字型固定ブラケット８０を配置し、保護管３６はブラケット８０に設けられた穴８３を貫通するように配置されている。さらに、図４にはＡ−Ａ断面図を示す。翼側から伸びる保護管３６ｃはブラケット８０付近でケーシング側から伸びる保護管３６ｄと分割されており、保護管３６ｃ端部にはスリーブ８１が溶接により固定されていて、ケーシング側から伸びる保護管３６ｄの端部がスリーブ８１に入り固定されるように形成されている。ブラケット８０の穴はスリーブ８１との間に、ギャップ８４をもたせるように形成されている。このように形成されていると、保護管が外周側エンドウォール付近で支持されるため、運転時に周囲のオープン冷却媒体の流れに揺さぶられたりして破損するのを防ぐことができる。このとき、保護管は熱伸び方向である保護管熱変形伸縮方向８５の方向には、ギャップ８４により自由に動くことが出来るため、熱伸び差を逃がすことができ、より信頼性の高い構造を提供することが出来る。
【００２８】
以上本発明の実施例を説明してきたが、本発明の構造は第２段静翼にかかわらず、他の段の静翼にも適用可能かつ適用効果があり、いずれの場合においても、本発明の構造を用いれば、圧力容器構造となるクローズド冷却静翼にホイールスペース温度監視用熱電対プローブを特殊な手段を用いないで信頼性を損なうことなく配置することが可能となり、しいてはクローズド冷却を実施した利点を損なうことが無い信頼性の高いガスタービンとすることができるのである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、構造上ホイールスペース温度監視用熱電対プローブを設置し難いクローズド冷却ガスタービン静翼においても、静翼自体の信頼性を損なわないで設置できる構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静翼を搭載したガスタービンの一実施例を示す要部断面図である。
【図２】本発明のガスタービン静翼の断面図である。
【図３】本発明のガスタービン静翼の外周側から見た斜視図である。
【図４】図３の要部断面図である。
【符号の説明】
１…第１段静翼、２…第１段動翼、３…第２段静翼、４…第２段動翼、５…第２段静翼ダイヤフラム、６…ディスタントピース、７…第１段動翼ロータディスク、８…ディスクスペーサ、９…第２段動翼ロータディスク、１０…スタブシャフト、１１…ガスタービンケーシング、１２…キャビティ、１３…第１段動翼シャンク部、１４ａ，１４ｂ…ホイールスペース、２０…主流ガス、２２…クローズド冷却媒体、２３…オープン冷却媒体、２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…シール媒体、３０…クローズ冷却媒体供給配管、３１…クローズド冷却媒体回収配管、３５…熱電対プローブ、３６，３６ｃ，３６ｄ…保護管、３７…熱電対ウェル、３８…プラグ、４０…外周側エンドウォール、４１…外周側エンドウォールカバー、４２…外周側キャビティ、４４…オープン冷却媒体流路、４８…内周エンドウォール、４９…内周側エンドウォールカバー、５０…内周側キャビティ、５１…内周側インピンジプレート、５２，５３…内周側エンドウォール対流冷却孔、５８…外周側インピンジプレート、６１…コアプラグ、８０…ブラケット、８３…穴、８４…ギャップ、８５…保護管熱変形伸縮方向。

Claims (4)

1. 内部に複数の冷却媒体流通パスを設けるとともに、該冷却媒体流通パスの内少なくとも一つの第一の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後は回収され、かつ他の第二の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後はその一部の冷却媒体が前記主流ガス中に放出されるよう構成し、
   ホイールスペースの温度を測定する温度測定手段を第二の冷却媒体流通パスを通して配置し、
   該第二の冷却媒体流通パスより外部へ導き出す部分において該温度測定手段を固定し、入口部で拘束しないよう構成したことを特徴とするガスタービン静翼。
2. タービン静翼の内部に冷却媒体流通パスを有するとともに、この冷却媒体流通パスに冷却媒体が流通されて静翼が冷却され、かつ静翼冷却後の冷却媒体が、一部は回収され、かつ一部は主流ガス中に放出されるように形成されており、
   前記静翼に複数の冷却媒体流通パスを設けるとともに、該冷却媒体流通パスの内少なくとも一つの冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後は再び外部に回収され、かつ他の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後は内周側エンドウォールのキャビティに導かれ、その一部の冷却媒体は内周側エンドウォールを冷却した後前記主流ガス中に放出され、かつ残部の冷却媒体は静翼の内周側に配置されている回転部にシール媒体として供給するように形成しているガスタービン静翼において、
   ホイールスペース温度監視用熱電対プローブ及び保護管を前記主流ガス中に放出される冷却媒体流通パス及び前記内周側エンドウォールキャビティを通して配置していることを特徴とするガスタービン静翼。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスタービン静翼において、前記保護管がガスタービン回転中心軸から見て半径方向に伸縮可能としていることを特徴とするガスタービン静翼。
4. 静翼内部に複数の冷却媒体流通パスを設けるとともに、該冷却媒体流通パスの内少なくとも一つの第一の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後は回収され、かつ他の第二の冷却媒体流通パスは、外部より供給された冷却媒体が流通して静翼を冷却し、冷却後はその一部の冷却媒体が前記主流ガス中に放出されるよう構成し、
   ホイールスペースの温度を測定する温度測定手段を第二の冷却媒体流通パスを通して配置し、
   該第二の冷却媒体流通パスより外部へ導き出す部分において該温度測定手段を固定し、入口部で拘束しないよう構成したことを特徴とするガスタービン。

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