JP2017531127A - ロータを冷却するための２つの旋回供給路を伴うガスタービン - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも1つのロータ(2)と、内側筐体部(3)であって、ロータ(2)と内側筐体部(3)との間に環状部(4)を形成するための内側筐体部(3)と、を備えるガスタービン(1)に関する。環状部(4)は、一端において、圧縮機部(5)に流体連結され、他端において、膨張タービン部(6)に流体連結され、環状部(4)は、ガスタービン(1)を運転するとき、ロータ(2)を冷却させる冷却流体(8)が供給されるように設計される。さらに、環状部(4)に冷却流体(8)を供給するように設計される第1の旋回供給路(11)および第2の旋回供給路(12)が提供される。冷却流体(8)は、ロータ(2)の表面に正接の流れ成分を伴って供給され、第1の封止要素(13)が、環状部(4)において、第1の旋回供給路(11)と第2の旋回供給路(12)との間で、流れ抵抗として追加的に提供される。また、排出路(15)が、ロータ(2)において、第1の封止要素(13)と膨張タービン区域(6)との間で提供され、前記排出路は、冷却流体(8)を第2の旋回供給路(12)から受け入れて排出するように設計される。第1の旋回供給路(11)から冷却流体(8)を案内し得るバイパス路が提供されず、その結果、環状部(4)の場所に戻されるようにするために、このようにして案内される冷却流体(8)が第2の旋回供給路(12)の周りに案内される。

Description

本発明は、少なくとも1つのロータを有し、ロータとそれ自体との間に環状部を形成するための内側ケーシング部も有し、環状部は、ガスタービンの運転の間にロータを冷却させることができる冷却流体が供給されるように設計される、ガスタービンに関する。
ガスタービンにおける燃焼運転の間の高いガス温度のため、数多くの機能的構成要素が適切に冷却される必要がある。具体的には、燃焼から生じる燃焼室からの高温ガスが数多くの構成要素と熱的に相互作用するガスタービンの中心区域の領域において、回転するロータの効率的な冷却が必要である。このような冷却は、ロータの長手方向において延伸し、通常は圧縮機空気である冷却流体が導入される環状部を介して、典型的には実行され、これは、環状部から外部に向けてその排出路によって熱エネルギーを消散させるためでもある。
本質的に、2つの機能が、環状部に導入される冷却流体に与えられる。ロータの冷却の機能に加えて、冷却流体は、膨張タービンのロータブレードの冷却にも役立ち、このために、冷却流体は、膨張タービンのロータブレードに向けて、ロータにおける適切な排出路を介して外に案内される。しかしながら、ロータの関連する排出路への冷却流体の移送について、排出路の開口における移送の労力または進入の労力は、できるだけ小さいことが必要である。この理由のため、冷却流体は、ほとんどの場合において、ロータの表面へとロータの運動の方向に正接で冷却流体を相応に加速する予旋回システムを介して、環状部へと導入される。理想的には、冷却流体は、排出路の開口への移送の間に追加的な進入の労力が省かれ得るように、ロータの周囲速度まで持って行かれる。移送については、冷却流体は、典型的には、予旋回システムの適切に形成された旋回供給路から排出し、横方向(ロータの長手方向に垂直である)において環状部にわたって通過し、ロータにおける排出路の開口へと送り込まれる。
ロータの表面に対する正接での冷却流体の流れの条件付けのため、熱を発生する機械的なロータの動力の冷却流体への伝達が、概ね低減されることにもなる、または、妨げられさえする。そのため、旋回供給路から排出するとき、冷却流体は、冷却されるロータの表面における熱消散に特に適している熱的に条件付けられた状態に自然となり、そのため、冷却流体への熱の伝達は、著しい悪影響を伴うロータと流体との摩擦によって冷却流体が加熱することなく、局所的な温度低下のおかげで効率的に実行され得る。対応する熱伝達の後に外部へのロータの熱損失を適切に消散することができるようにするために、環状部からの冷却流体を制御された手法で排出することができるようにすることが必要である。
ロータを冷却するための、さらに、冷却流体をロータの入口通路へと進めるためのこのような環状部システムは、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されているのは、冷却流体が2つの旋回供給路から各々の状況において環状部へと流れる環状部、または冷却流体がロータにおける冷却流体排出路の対応する入口開口へと移送する環状部である。両方の旋回供給路は環状部に冷却流体を供給するように設計されており、冷却流体は、ロータの表面に対して正接の方向の流れ成分によって作用を受け、第1の旋回供給路および第2の旋回供給路は、複数の封止要素を用いて互いに流体的に切り離されている。しかしながら、第2の旋回供給路からロータの排出路の入口開口への冷却流体の意図された移送を妨げないために、先行技術による発明は、環状部における冷却流体に第2の旋回供給路を迂回させることができるバイパス路を設置することを提供している。バイパス路の結果として、比較的小さい攪乱する横方向の流れが、冷却流体のロータへの効率的な移送が実行され得るように、第2の旋回供給路とロータにおける排出路の入口開口との間の交差する区域の領域に生じる。
しかしながら、先行技術から知られているこの実施形態の欠点は、第一に、バイパス路がガスタービンの内部ケーシング部品に組み込まれる必要があることによる、かなりの大きな技術的コストである。さらに、先行技術から知られている解決策の場合、第1の旋回供給路と第2の旋回供給路との間に形成され、ロータの冷却が第一に冷却流体の対流運搬によって実行されるデッドスペースの発生もある。しかしながら、これは、デッドスペースを画定するロータの区域において不十分な冷却しか確保せず、そのため、回避することが必要であるにも係わらず、特定の領域でロータの大きな加熱をもたらしてしまう。
欧州特許第1537296号明細書
そのため、先行技術からのこれらの欠点との関連で、技術的な要件が、先行技術から知られている欠点を回避できるガスタービンを提案するために生じる。具体的には、提案されるガスタービンは、大きな技術的出費を必要としないが、環状部を画定する構成要素の有利な冷却を可能にするものである。何よりも、特定の領域を異なる冷却速度にする原因を与える環状部におけるデッドスペースが回避されることになる。
本発明が基づくこれらの目的は、請求項1によるガスタービンを用いて達成される。
本発明が基づく目的は、少なくとも1つのロータと、さらに、ロータと内側ケーシング部との間に環状部を形成するための内側ケーシング部と、を有するガスタービンであって、環状部が、一端において圧縮機区域に流体連結され、他端において膨張タービン区域に流体連結され、環状部が、ガスタービンの運転の間、ロータを冷却させる冷却流体が供給されるように設計され、環状部に冷却流体を供給するように設計される第1の旋回供給路および第2の旋回供給路もまた提供され、冷却流体が、ロータの表面に対して正接の方向の流れ成分によって作用を受け、第1の旋回供給路と第2の旋回供給路との間で、環状部において、流れ抵抗としての第1の封止要素もまた提供され、第1の封止要素と膨張タービン区域との間で、冷却流体を第2の旋回供給路から受け入れて排出するように設計されるロータにおける排出路もまた提供され、環状部の場所に再び送り込まれるようにするために、第2の旋回供給路の周りに冷却流体が案内されるように、第1の旋回供給路から冷却流体を案内し得るバイパス路が提供されない、ガスタービンを用いて特に達成される。
本発明によれば、ロータという用語は、環状部の境界をもたらすガスタービンロータ組立体のすべての回転部品のことを言う。この場合、ガスタービンロータ組立体の円板およびスペーサが、特には同様に含まれる。
そのため、本発明によれば、環状部を、封止要素を用いて互いに流体的に切り離される2つの領域へと分割するようになっており、第1の領域には、第1の例では、第1の旋回供給路を用いて冷却流体が供給され、第2の領域には、第1の例では、第2の旋回供給路を用いて冷却流体が供給される。しかしながら、この場合には、技術的コストが対応するように低減され、環状部を形成する全体表面における冷却流体の冷却機能が確保され得るように、第2の旋回供給路の周りに冷却流体を案内するためのバイパス路が明示的に提供されない。
ロータの回転する表面の効果的な冷却を達成するために、冷却流体は、互いに流体的に分離されるそれぞれの領域への2つの旋回供給路を介して、環状部へと移送される。封止要素を用いて、環状部は、2つの前述の機能を概ね互いに別々に実行できる2つの領域へと分割される。冷却流体を膨張タービンのロータブレードへと進めるためのロータの排出路の入口開口への冷却流体の移送のために提供されない領域では、環状部にロータ表面のための事実上排他的な冷却機能を効率的に提供することが実行され得る。しかしながら、環状部の他の領域では、ロータの排出路の入口開口へと移送される冷却流体の流れと流体的に相互作用する横方向の流れ、すなわち環状体の長手方向における流れが検討される。相互作用は、排出路の入口開口への冷却流体の若干より小さい移送効率をもたらすが、これは、ロータの表面の向上した熱冷却のため受け入れられ得る。さらに、排出路の入口開口へと移送される冷却流体と相互作用する移送流れの量は、好ましくは移送の間に僅かだけの効率の低下が起こり得るように、排出路の入口開口へと移送される冷却流体の量より比較的小さい。
2つの分離された旋回供給路の使用は、環状部のそれぞれの領域における冷却流体の質量流れおよび圧力の別々の調節をさらに可能にする。第1の封止要素の適切な選択によって、これらは、冷却流体のそれぞれの機能にとって本質的に向上された手法で、適切に調節させることもできる。
この時点で、現在記載されているガスタービンが、第1の例では、好ましくは専ら静置したガスタービンであることに言及する。内側ケーシング部は、典型的には、環状部がロータの回転部品とシャフトカバーとの間に形成されるようにシャフトカバーとして構築される。
本発明によれば、第2の旋回供給路を迂回するためのバイパス路が提供されないため、回転部品の表面の冷却が対流冷却によって有効とされるだけであるデッドスペースも形成されない。むしろ、環状部全体が、ロータ表面に対して正接の方向での回転冷却流体の流れを用いて、第1の封止要素によって定められる両方の領域において効率的に冷却される。
同時に、第1の封止要素を用いて分離されるそれぞれの領域の十分な分離は、2つの機能の、明確にはロータ表面の冷却と、冷却流体のロータの排出路の入口開口への移送と、の比較的効率的な切り離しが達成され得るように取り行われ得る。さらに、環状部の長手方向において第2の封止要素を越える流れの結果として、関連する領域におけるロータの移動部品の適切な表面冷却が達成され得る。
第1の特に好ましいとされる実施形態によれば、環状部において、第2の旋回供給路と膨張タービン区域との間に配置される第2の封止要素もまた提供されるようになっている。第2の封止要素は、特にはロータにおける排出路と膨張タービン区域との間に提供される。この場合における第2の封止要素は、膨張タービン区域での冷却流体の損失が概ね最小限とされ得るように、膨張タービン区域の隣接する領域との冷却流体の交換を基本的に防止する。
さらに、第1の封止要素と第2の封止要素との間の領域が、第1の例において、冷却流体をロータにおける排出路の入口開口へと移送するために機能するように、この領域を概ね最小限にすることが、実施形態によれば可能である。第1および第2の封止要素によって定められる環状部のこの領域は、特にはより小さい設計のものとでき、特には第1の封止要素および圧縮機区域によって定められる他の領域よりも、環状体の長手方向の広がりの方向において、5倍だけであり得るか、またはさらには5倍未満であり得る。第1の封止要素と第2の封止要素との間でのロータの表面に対する冷却流体の有利な正接の速度のため、比較的小さな運動エネルギーが冷却流体に加えられる必要があり、その結果、エネルギー伝達の損失が低減され得る。低減されたエネルギー伝達の損失のため、冷却流体の温度は、その領域における冷却能力が比較的大きくもなるように、比較的低い。ガスタービンの効率の向上されたレベルに加えて、より効率的な冷却のレベルという結果にもなる。
この考えの続きによれば、排出路はロータの径方向に配置される。排出路の入口開口は、特にロータの径方向に配置される。結果として、実施形態は、具体的にはより大きな空間要件を典型的には要求する軸方向の実施形態と異なる。軸方向の実施形態、言わば冷却流体を軸方向において第2の旋回供給路からロータの排出路の入口開口へと移送することは、例えば先行技術に関連して引用された文献から知られている。排出路の径方向の配置のため、対流冷却が全体の冷却のうちの大きな割合を有するデッドスペースが、効率的に防止もされ得る。
本発明のさらに好ましいとされる実施形態によれば、第2の旋回供給路の有効流れ断面が第1の旋回供給路の有効流れ断面より大きいようになっている。有効流れ断面は、この場合、中間または平均の流れ断面であり、そのため単位時間あたりの冷却流体の流量を定める。この点において、ロータにおける排出路の入口開口への移送のための第2の旋回供給路からの冷却流体の流れは、ロータの表面に沿う横方向の流れによって、長手方向においては小さな程度までしか影響されないことが確保され得る。さらに、膨張タービン区域の方を向く第1の封止要素における領域が、圧縮機区域の方を向く側にある第1の封止要素における領域より高い静圧を有するような手法で、圧力比が確立され得る。この結果として、第1の旋回供給路を通って環状部へと流れる冷却流体の比較的小さい割合だけが、環状部において圧縮機区域と第1の封止要素との間で還流が圧縮機区域に向かって基本的にもたらされ得るように、第1の封止要素を通って流れる。そのため、還流は、圧縮機に向けて配向される方向で、ガスタービンにおける高温ガスの主流に対して実施される。
本発明のさらに好ましいとされる実施形態によれば、第1の旋回供給路の有効流れ断面と第2の旋回供給路の有効流れ断面との割合が、ガスタービンの運転の間、第1の旋回供給路を通って案内される冷却流体の10%未満が第1の封止要素も通って流れるように選択されるようになっている。この点において、第1の旋回供給路から環状部へと流れる比較的少ない冷却流体が、第2の旋回供給路から環状部へと送り込まれる冷却流体と混合する。この点において、第2の旋回供給路からの冷却流体の正接の流れ成分も、比較的小さい程度だけまで影響される。
圧縮機区域と比較して、第1の旋回供給路の領域ではより高い圧力のため、第1の旋回供給路と圧縮機区域との間で、環状部の長手方向に沿った還流が、環状部を画定する構成要素の効率的な冷却が達成され得るように形成できることが、さらに確保され得る。還されて送り込まれた冷却流体は、この場合、圧縮機区域の領域において圧縮機に再び入ることができ、可能な圧縮の後、圧縮機から再び排出される。
本発明のさらに好ましいとされる実施形態によれば、圧縮機区域と関連付けられる環状部の端部が、ガスタービンの運転の間、冷却流体が圧縮機の最後のロータブレード列の領域へと移動され得るように設計されるようになっている。この結果として、第1の旋回供給路を用いて環状部へと導入される冷却流体は、本質的に循環が形成され得るように、圧縮機へと再び移送される。冷却流体は、具体的には再び圧縮された形態で、圧縮機から排出され、第1の旋回供給路へと再び送り込まれ得る。このような循環の流れの形成によって、冷却流体の損失が効率的に防止され、その結果として、ガスタービンの効率が運転の間に比較的高く維持されもし得る。
本発明のさらに特に好ましいとされる実施形態によれば、第1の旋回供給路と第2の旋回供給路とが共に内側ケーシング部において提供されるようになっている。
本発明のさらに特に好ましいとされる実施形態によれば、第1の旋回供給路と第2の旋回供給路とが共に、同じ圧力で冷却流体を供給するための同じプレナムと流体連通しているようになっている。そのため、両方の旋回供給路は、環状部のそれぞれの領域における圧力設定が、それぞれの旋回供給路および封止要素の適切な形状によって容易に取り行われ得るように、同じ冷却流体貯留部から送り込まれる。
本発明は、図を参照して以下で詳細に記載されている。この場合、図は概略的に理解すべきものにすぎず、これは、本発明の実行可能性に関する限定を表してはいないことに言及する。
同じ符号で提供されている図に示したすべての技術的特徴は、同一の技術的効果を有するものである。
さらに、本発明が基づいている目的を達成することが可能である限り、後述の技術的特徴の任意選択の組み合わせが本件において特許請求されることになることに言及する。
本発明によるガスタービンの長手方向におけるガスタービンの環状部を貫く断面図である。
ここでの図は、本発明によるガスタービン1の環状部4に沿う長手方向においての断面図を示している。環状部4は、この場合には、圧縮機区域5によって、および膨張タービン区域6にもよって、端部においてそれぞれ画定されており、典型的にはシャフトカバーとして形成される内側ケーシング部3と、ロータ2と、の間に配置されている。ロータ2の構成要素は、静止した内側ケーシング部3に対して動くように(紙面から出る、または紙面へと入る)、ガスタービン1の運転の間、回転移動を実行する。
この領域に広がる高温のため、内側ケーシング部3およびロータ2の冷却が、これらの領域において対応するように熱を消散することができるようにするために必要である。冷却は、この場合には、圧縮機空気10である冷却流体8を用いて取り行われ、圧縮機空気10は、圧縮機出口22の領域において排出され、ディフューザ23の領域において減速される。減速のため、比較的高い静圧が確立され、それを用いて、圧縮機空気10は、ケーシングにおいてさらなる開口7を通過した後、適切なプレナム9へと移送され得る。プレナム9は、環状部4と流体連通している2つの旋回供給路11および12に冷却流体8(圧縮機空気10)を供給するために、圧縮機空気10のための貯留部として機能する。
2つの旋回供給路11および12は、各々の場合において第1の封止要素13を用いて分離される環状部4の領域へと冷却流体8の移送を可能にし、そのときに2つの機能が基本的に冷却流体8によって実施される。一方では、冷却流体8は、環状部4を画定する構成要素からの熱の最上面消散のために機能し、他方では、冷却流体8は、ロータ2における通路システム28へと至る符号が与えられていない入口開口を有する排出路15への移送のために機能する。通路システム28は、結果として、冷却流体8を冷却の目的のために膨張タービンの第1のロータブレード列26へと送り込ませることができる。
第2の旋回供給路12から排出路15の入口開口への冷却流体8のできるだけ効率的な移送のために、冷却流体8は、第2の旋回供給路12からの排出の後、冷却流体8を、第2の旋回供給路12によって作用を受け、基本的にロータ表面の周方向に流すことができる正接の移動成分を伴う。この結果として、ロータ自体の排出路15の入口開口への移送の間対応する移動構成要素によって作用を受けることになる冷却流体8の影響は、その結果としてロータ2が回転エネルギーを対応するように奪われることになるが、概ね回避される。第2の旋回供給路12と関連付けられる環状部4の領域は、各々の場合で、封止要素13および14を用いて端部において封止されている。この点において、第2の旋回供給路12を介して送り込まれるより高い割合の冷却流体8が排出路15へと移送され得ることも、確保され得る。しかしながら、より小さい割合が、環状部4の長手方向において第2の封止要素14を越えて膨張タービン区域6へと流れる。そこから、冷却流体8は、膨張タービンにおいて膨張されるガスタービン1からの高温ガスと共に排出される。
さらに、冷却流体8は、第1の旋回供給路11を介して環状部へと送り込まれる。冷却流体8は、この場合、第1の封止要素13と圧縮機区域5との間の領域へと流れ、冷却流体の流れが環状部4において第1の旋回供給路11から圧縮機に向かって流れるように、還流が形成される。この冷却流体の流れは、環状部4のこの領域を画定する構成要素から熱を輸送するために専ら機能する。圧縮機区域5への冷却流体8の移送の後、冷却流体8は再び圧縮させられ、圧縮機空気10として圧縮機出口22を介してディフューザ23へと再び送り込まれる。この点において、循環の流れが、圧縮機区域5と第1の旋回供給路11との間に確立でき、環状部4のそれぞれ関連付けられる領域からの熱が効率的に消散され得る。
第1の旋回供給路11または第2の旋回供給路12の流れ断面の設定に依存して、および第1の封止要素13または第2の封止要素14の封止効果に依存して、第1の封止要素13を用いて分離されている環状部4の2つの領域における流れの割合は、例えば圧縮機区域5に向かう冷却流体8の還流も確立され得るように、有利に確立され得る。
さらなる実施形態は、従属請求項から推測される。
1 ガスタービン
2 ロータ
3 内側ケーシング部
4 環状部
5 圧縮機区域
6 膨張タービン区域
7 開口
8 冷却流体
9 プレナム
10 圧縮機空気
11 第1の旋回供給路
12 第2の旋回供給路
13 第1の封止要素
14 第2の封止要素
15 排出路
22 圧縮機出口
23 ディフューザ
26 膨張タービンの第1のロータブレード列
28 通路システム

Claims (9)

  1. 少なくとも1つのロータ(2)と、ケーシング内側部(3)であって、ロータ(2)と内側ケーシング部(3)との間に環状部(4)を形成するためのケーシング内側部(3)と、を有するガスタービン(1)であって、前記環状部(4)が、一端において圧縮機区域(5)に流体連結され、他端において膨張タービン区域(6)に流体連結され、前記環状部(4)が、前記ガスタービン(1)の運転の間、前記ロータ(2)を冷却させることが可能な冷却流体(8)が供給されるように設計され、前記環状部(4)に前記冷却流体(8)が供給されるように設計される第1の旋回供給路(11)および第2の旋回供給路(12)もまた提供され、前記冷却流体(8)が、前記ロータ(2)の表面に正接の方向の流れ成分によって作用を受け、前記第1の旋回供給路(11)と前記第2の旋回供給路(12)との間で、前記環状部(4)において、流れ抵抗としての第1の封止要素(13)もまた提供され、前記第1の封止要素(13)と前記膨張タービン区域(6)との間で、前記冷却流体(8)が前記第2の旋回供給路(12)から受け入れられて排出されるように設計される前記ロータ(2)内に排出路(15)もまた提供され、
    前記環状部(4)の場所に再び供給されるようにするために、前記第2の旋回供給路(12)の周りに前記冷却流体(8)が案内されるように、前記第1の旋回供給路(11)から前記冷却流体(8)を案内し得るバイパス路が提供されないことを特徴とする、ガスタービン(1)。
  2. 前記環状部(4)において、前記第2の旋回供給路(12)と前記膨張タービン区域(6)との間に配置される第2の封止要素(14)もまた提供されることを特徴とする、請求項1に記載のガスタービン。
  3. 前記排出路(15)が前記ロータ(2)内に径方向に配置されることを特徴とする、請求項2に記載のガスタービン。
  4. 前記第2の旋回供給路(12)の有効流れ断面が前記第1の旋回供給路(11)の有効流れ断面より大きいことを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のガスタービン。
  5. 前記第1の旋回供給路(11)の有効流れ断面と前記第2の旋回供給路(12)の有効流れ断面との割合が、前記ガスタービン(1)の運転の間、前記第1の旋回供給路(11)を通って案内される前記冷却流体(8)の10%未満が前記第1の封止要素(13)を通って流れるように選択されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のガスタービン。
  6. 前記ガスタービン(1)の運転の間、前記環状部(4)に向かう前記第1の旋回供給路(11)の出口における静圧が、前記圧縮機区域(5)での前記環状部(4)における静圧より高いことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のガスタービン。
  7. 前記圧縮機区域(5)と関連付けられる前記環状部(4)の端部が、前記ガスタービン(1)の運転の間、前記冷却流体(8)が圧縮機(20)の最後のロータブレード列(21)の領域へと移動され得るように設計されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のガスタービン。
  8. 前記第1の旋回供給路(11)と前記第2の旋回供給路(12)とが共に前記内側ケーシング部(3)において設けられていることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載のガスタービン。
  9. 前記第1の旋回供給路(11)と前記第2の旋回供給路(12)とが共に、同じ圧力で前記冷却流体(8)を供給するための同じプレナム(9)と流体連通していることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のガスタービン。
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