JP3034519B1 - Gas turbine with improved cooling structure of turbine rotor - Google Patents

Gas turbine with improved cooling structure of turbine rotor

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JP3034519B1
JP3034519B1 JP11107417A JP10741799A JP3034519B1 JP 3034519 B1 JP3034519 B1 JP 3034519B1 JP 11107417 A JP11107417 A JP 11107417A JP 10741799 A JP10741799 A JP 10741799A JP 3034519 B1 JP3034519 B1 JP 3034519B1
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Abstract

【要約】 【課題】 製造の容易な予旋回ノズルにより、冷却空気
の圧力損失を小さくしてタービンのロータの冷却効果を
上げるガスタービンを提供する。 【解決手段】 空気を圧縮する圧縮機2と、この圧縮機
2からの圧縮空気Aに燃料Fを混合して燃焼させる燃焼
器3と、この燃焼器3からの燃焼ガスGから動力を取り
出すタービン4とを備えたガスタービン1を以下のよう
に構成する。静止した予旋回ノズル37を設け、この予
旋回ノズル37からタービン4のロータ13Aに対し
て、ロータ13Aの回転方向に旋回する冷却空気CAを
供給する。前記予旋回ノズル37には、前記冷却空気C
Aの入口から出口に向かって通路幅が狭くなる円錐形の
ノズル孔39を形成し、これにより、ノズル孔39の入
口で冷却空気CAの圧力損失が小さくなるようにし、ロ
ータ13Aに対する冷却空気CAの相対全温Trel を低
くする。
A gas turbine is provided that reduces the pressure loss of cooling air and increases the cooling effect of a rotor of a turbine by a pre-swirling nozzle that is easy to manufacture. SOLUTION: A compressor 2 for compressing air, a combustor 3 for mixing and burning fuel F with compressed air A from the compressor 2, and a turbine for extracting power from combustion gas G from the combustor 3 4 is configured as follows. A stationary pre-swirl nozzle 37 is provided, and the pre-swirl nozzle 37 supplies cooling air CA swirling in the rotation direction of the rotor 13A to the rotor 13A of the turbine 4. The pre-swirl nozzle 37 is provided with the cooling air C
A conical nozzle hole 39 whose passage width is narrowed from the inlet to the outlet of A is formed so that the pressure loss of the cooling air CA at the inlet of the nozzle hole 39 is reduced, and the cooling air CA for the rotor 13A is reduced. Lower the relative total temperature T rel .

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、予旋回ノズルで予
旋回させた冷却空気によりタービンのロータを冷却する
ようにしたガスタービンに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas turbine in which a rotor of a turbine is cooled by cooling air pre-rotated by a pre-rotation nozzle.

【0002】[0002]

【従来の技術】ガスタービンの熱効率および比出力は、
タービン入口ガス温度と圧縮機の圧力比を高くすること
により改善できるが、タービン翼に使用される金属材料
の耐熱温度には限界があるので、タービン翼を冷却しな
いと性能向上のための前記改善策を採用できない。とこ
ろで、タービン翼の冷却用媒体として、圧縮機からの圧
縮空気の一部が一般的に使用されるが、圧縮機の圧力比
を高くすると、圧縮機からの圧縮空気が高温となるの
で、タービン翼を十分冷却できない。この場合に、冷却
効果を上げるために冷却空気を多量に使用すると、動力
発生に使用する圧縮空気の量が少なくなるので、結果と
して性能向上を図ることができない。
2. Description of the Related Art The thermal efficiency and specific power of gas turbines are:
The improvement can be achieved by increasing the turbine inlet gas temperature and the pressure ratio of the compressor.However, there is a limit to the heat-resistant temperature of the metal material used for the turbine blades. Can't take measures. By the way, a part of the compressed air from the compressor is generally used as a cooling medium for the turbine blades. However, when the pressure ratio of the compressor is increased, the compressed air from the compressor becomes high temperature. Wings cannot be cooled sufficiently. In this case, if a large amount of cooling air is used to enhance the cooling effect, the amount of compressed air used to generate power is reduced, and as a result, performance cannot be improved.

【0003】そこで、このような事態を打開するため
に、タービン各部のうち、高速で回転するロータを効率
良く冷却する方法として、ロータへ供給される冷却空気
の通路に予旋回ノズルを設けるものが知られている。こ
の方法は、冷却空気を予旋回ノズルでロータの回転方向
に向けて予旋回させてからロータに供給し、これにより
ロータに対する冷却空気の相対速度を小さくして、ロー
タに当たる冷却空気の相対全温を低下させるものであ
る。
In order to overcome such a situation, among the various parts of the turbine, as a method of efficiently cooling the rotor rotating at a high speed, a method in which a pre-swirl nozzle is provided in a passage of cooling air supplied to the rotor is known. Are known. In this method, cooling air is pre-swirled by a pre-swirl nozzle in the direction of rotation of the rotor and then supplied to the rotor, whereby the relative speed of the cooling air with respect to the rotor is reduced, and the relative total temperature of the cooling air impinging on the rotor Is to reduce.

【0004】すなわち、タービンのロータに当たる冷却
空気の全温をT、ロータに対する相対全温をTrel とす
ると、相対全温Trel と全温Tとの間には以下の関係式 Trel =T−C2 /(2CP )+W2 /(2CP ) ……(1) ただし、C:冷却空気の絶対速度 W:ロータに対する冷却空気の相対速度 CP :冷却空気の定圧比熱 が成り立つので、前記予旋回ノズルにより冷却空気の相
対速度Wを小さくするほど、タービンのロータに当たる
冷却空気の相対全温Trel を低くすることができる。
That is, assuming that the total temperature of the cooling air impinging on the rotor of the turbine is T, and the total temperature relative to the rotor is T rel , there is a relational expression T rel = T between the relative total temperature T rel and the total temperature T. −C 2 / (2C P ) + W 2 / (2C P ) (1) where C: Absolute velocity of cooling air W: Relative velocity of cooling air with respect to rotor C P : Constant pressure specific heat of cooling air the smaller the relative speed W of the cooling air by the pre-rotation nozzle, it is possible to lower the relative total temperature T rel of cooling air impinges on the turbine rotor.

【0005】前記予旋回ノズルの構成としては、入口か
ら出口にわたって均一孔径とした丸孔状のノズル孔を通
過させることにより、冷却空気を予旋回させてタービン
のロータに供給するようにしたもの(特開昭53−12
5517号公報)や、ロータの回転軸と同心状に配置し
たリング体の周面に複数の翼を周方向に沿って配列した
翼列型の予旋回ノズル(ASME Paper 81-GT-132)が知られ
ている。
The pre-swirl nozzle is configured such that cooling air is pre-swirled and supplied to a rotor of a turbine by passing through a round nozzle having a uniform diameter from an inlet to an outlet. JP-A-53-12
No. 5517) and a cascade type pre-swirl nozzle (ASME Paper 81-GT-132) in which a plurality of blades are arranged along the circumferential direction on the peripheral surface of a ring body arranged concentrically with the rotation axis of the rotor. Are known.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、均一孔径のノ
ズル孔を通過させて冷却空気を予旋回させるものでは、
そのノズル孔の入口が狭いために入口での冷却空気の圧
力損失が大きくなるので、それだけ冷却空気の流速(絶
対速度)が遅くなる。その結果、先の(1)式から明ら
かなように、タービンのロータに当たる冷却空気の相対
全温Trel が高くなり、ロータを十分冷却できない。ま
た、均一孔径のノズル孔の孔開け加工では、刃具の剛性
が低くなり、加工が容易でない。
However, when the cooling air is pre-rotated by passing through a nozzle hole having a uniform hole diameter,
Since the inlet of the nozzle hole is narrow, the pressure loss of the cooling air at the inlet increases, so that the flow velocity (absolute speed) of the cooling air decreases accordingly. As a result, as apparent from the above equation (1), the relative total temperature T rel of the cooling air impinging on the rotor of the turbine increases, and the rotor cannot be sufficiently cooled. Further, in the drilling of a nozzle hole having a uniform hole diameter, the rigidity of the cutting tool is reduced, and the processing is not easy.

【0007】また、翼列型の予旋回ノズルを使用するも
のでは、冷却空気の圧力損失を小さくできるものの、翼
列を精密鋳造や複雑な機械加工で形成する必要があり、
製造が容易でない。
In the case of using a cascade type pre-swirl nozzle, the pressure loss of the cooling air can be reduced, but the cascade must be formed by precision casting or complicated machining.
Not easy to manufacture.

【0008】本発明は、以上の事情に鑑みてなされたも
ので、製造が容易な予旋回ノズルにより、冷却空気の圧
力損失を小さくしてタービンのロータの冷却効果を上げ
ることのできるガスタービンを提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a gas turbine capable of reducing the pressure loss of cooling air and improving the cooling effect of a rotor of a turbine by a pre-swirling nozzle which is easy to manufacture. The purpose is to provide.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明の請求項1に係るガスタービンは、空気
を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気に燃料
を混合して燃焼させる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼
ガスから動力を取り出すタービンとを備えたものであっ
て、前記タービンのロータに、その回転方向に旋回する
冷却空気を供給する静止した予旋回ノズルを有し、前記
予旋回ノズルは、前記冷却空気の入口から出口に向かっ
て通路幅が狭くなる円錐形のノズル孔を有している。
To achieve the above object, a gas turbine according to a first aspect of the present invention comprises a compressor for compressing air, and a fuel mixed with compressed air from the compressor. And a turbine for extracting power from combustion gas from the combustor, wherein the stationary pre-swirl nozzle supplies cooling air to the rotor of the turbine in the direction of its rotation. And the pre-swirl nozzle has a conical nozzle hole whose passage width decreases from the inlet to the outlet of the cooling air.

【0010】前記ガスタービンによれば、予旋回ノズル
のノズル孔が円錐形であるため、そのノズル孔の入口で
の通路面積が大きく冷却空気の流速が低くなって、ノズ
ル孔内での冷却空気の圧力損失が小さくなる。その結
果、予旋回ノズルにより予旋回されてタービンのロータ
に当たる冷却空気の流速(絶対速度)が大きくなり、ロ
ータに当たる冷却空気の相対全温が低下して、タービン
のロータの冷却効果が向上する。また、予旋回ノズルの
円錐形のノズル孔は、円錐状の刃具を用いることにより
容易に加工できる。
According to the gas turbine, since the nozzle hole of the pre-rotation nozzle is conical, the passage area at the inlet of the nozzle hole is large, the flow velocity of the cooling air is low, and the cooling air in the nozzle hole is reduced. Pressure loss is reduced. As a result, the flow velocity (absolute velocity) of the cooling air impinging on the rotor of the turbine after being pre-swirled by the pre-swirling nozzle is increased, and the relative total temperature of the cooling air impinging on the rotor is reduced, thereby improving the cooling effect of the turbine rotor. In addition, the conical nozzle hole of the pre-rotation nozzle can be easily processed by using a conical cutting tool.

【0011】また、本発明の請求項2に係るガスタービ
ンは、請求項1の構成において、前記ノズル孔が前記タ
ービンの周方向に沿って多数設けられている。
Further, in the gas turbine according to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, a large number of the nozzle holes are provided along a circumferential direction of the turbine.

【0012】この構成によれば、冷却空気がタービンの
ロータの全周にわたって均等に供給されるので、ロータ
をより効率よく冷却できる。
According to this structure, the cooling air is uniformly supplied over the entire circumference of the rotor of the turbine, so that the rotor can be cooled more efficiently.

【0013】また、本発明の請求項3に係るガスタービ
ンは、請求項1または2の構成において、前記予旋回ノ
ズルが、ガスタービンの回転軸の外周側に位置し前記圧
縮機から燃焼器へ向かう圧縮空気の通路を形成する内周
壁に支持されている。
According to a third aspect of the present invention, in the gas turbine according to the first or second aspect, the pre-swirl nozzle is located on an outer peripheral side of a rotation shaft of the gas turbine and is provided from the compressor to the combustor. It is supported by an inner peripheral wall that forms a passage for the compressed air to flow.

【0014】この構成によれば、予旋回ノズルを支持す
るための特別な支持部材を設ける必要がなく、ガスター
ビンの全体構造を簡単にできる。
According to this configuration, there is no need to provide a special support member for supporting the pre-swirling nozzle, and the entire structure of the gas turbine can be simplified.

【0015】また、本発明の請求項4に係るガスタービ
ンは、請求項3の構成において、さらに、前記内周壁に
前記圧縮機からの圧縮空気を予旋回ノズルへ導入する導
入孔が形成されている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the gas turbine according to the third aspect, an introduction hole for introducing compressed air from the compressor to a pre-rotation nozzle is formed in the inner peripheral wall. I have.

【0016】この構成によれば、圧縮機で圧縮され燃焼
器へ向かう圧縮空気の一部が前記導入孔から予旋回ノズ
ルへ導入されるので、冷却空気を供給するための通路を
簡単に構成できる。
According to this configuration, a part of the compressed air compressed by the compressor and heading to the combustor is introduced from the introduction hole to the pre-rotation nozzle, so that the passage for supplying the cooling air can be simply configured. .

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。図1は本発明の一
実施形態に係るガスタービン1を含むガスタービン発電
設備の一部を示す概略構成図である。同図において、ガ
スタービン1は、圧縮機2で空気IAを圧縮して燃焼器
3に導くとともに、ガスまたは液体燃料Fを、燃焼器3
内に噴射して燃焼させ、その高温高圧の燃焼ガスのエネ
ルギによりタービン4を駆動する構成になっている。こ
のタービン4は圧縮機2を駆動するとともに、減速機7
およびカップリング8を介して発電機9を駆動する。発
電機9からの発電電力は種々の電力負荷に供給される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a part of a gas turbine power generation facility including a gas turbine 1 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a gas turbine 1 compresses air IA by a compressor 2 and guides the compressed air IA to a combustor 3.
The turbine 4 is driven by the energy of the high-temperature and high-pressure combustion gas. This turbine 4 drives the compressor 2 and reduces the speed of the reduction gear 7.
The generator 9 is driven via the coupling 8. The generated power from the generator 9 is supplied to various power loads.

【0018】図2は、ガスタービン1の一部破断した側
面図を示す。同図には、圧縮機2として軸流圧縮機を備
えたガスタービン1を例示してあるが、本発明は、遠心
型圧縮機を有するガスタービンにも適用できる。この軸
流圧縮機2は、回転軸22の外周面に配置された多数個
の動翼23と、ハウジング24の内周面に複数段に配置
された静翼27との組合せにより、吸気筒28から吸入
した空気を圧縮して、その圧縮空気Aを環状に形成され
た車室29に送給する。
FIG. 2 shows a side view of the gas turbine 1 with a part cut away. Although FIG. 1 illustrates a gas turbine 1 having an axial compressor as the compressor 2, the present invention can be applied to a gas turbine having a centrifugal compressor. The axial-flow compressor 2 is composed of a plurality of moving blades 23 arranged on the outer peripheral surface of the rotating shaft 22 and a plurality of stationary blades 27 arranged on the inner peripheral surface of the housing 24 in a plurality of stages. The compressed air A is supplied to the casing 29 formed in an annular shape.

【0019】燃焼器3は、環状の車室29に、その周方
向に沿って複数個(たとえば6個)が等間隔で配置され
ており、車室29に送給された圧縮空気Aが、矢印a,
bで示すように、燃焼筒31内の燃焼室32内に導かれ
る。一方、燃焼器3には、燃料ノズル34から燃料Fが
燃焼室32内に噴射され、この燃料Fが圧縮空気Aと混
合されて燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスGがタービン
4に送られる。
A plurality (for example, six) of the combustors 3 are arranged at equal intervals along the circumferential direction in the annular casing 29, and the compressed air A supplied to the casing 29 is Arrow a,
As shown by b, it is guided into the combustion chamber 32 in the combustion cylinder 31. On the other hand, fuel F is injected into the combustor 3 from the fuel nozzle 34 into the combustion chamber 32, the fuel F is mixed with the compressed air A and burned, and the high-temperature and high-pressure combustion gas G is sent to the turbine 4. .

【0020】図3に示すように、タービン4には、その
ハウジング11に複数段のタービン静翼15A〜Cが所
定間隔で配置されているとともに、タービンディスク1
4の外周にタービン動翼16を形成した複数段のタービ
ンロータ13A,13Bが、前記回転軸22に連結され
ており、各タービンロータ13A,13Bは、それらの
各タービン動翼16が前記各段のタービン静翼15A〜
C間に位置するように配置されている。また、各タービ
ン動翼16は、ハウジング11の内周側に支持されたシ
ュラウド17,18により覆われている。
As shown in FIG. 3, a plurality of stages of turbine vanes 15A to 15C are arranged at predetermined intervals in a housing 11 of a turbine 4 and a turbine disk 1 is provided.
A plurality of stages of turbine rotors 13A, 13B having turbine blades 16 formed on the outer periphery of the rotor 4 are connected to the rotating shaft 22, and each of the turbine rotors 13A, 13B is connected to each of the turbine rotor blades 16 by the respective stage. Turbine stator blade 15A ~
It is arranged so as to be located between C. Each turbine blade 16 is covered with shrouds 17 and 18 supported on the inner peripheral side of the housing 11.

【0021】前記回転軸22の外周側には、前記圧縮機
2から燃焼器3の車室29へ向かう圧縮空気Aの通路を
形成する内周壁20が形成されている。この通路の外周
は、ハウジング24によって形成されている。また、こ
の内周壁20の内周側には、冷却空気を前記タービンロ
ータ13の回転方向に予旋回させて最上流側の第1段タ
ービンロータ13Aに供給する予旋回ノズル37が、静
止した状態に支持されている。これにより、予旋回ノズ
ル37を支持するための特別な支持部材が不要となり、
ガスタービン1の全体の構造を簡単にできる。
On the outer peripheral side of the rotary shaft 22, there is formed an inner peripheral wall 20 which forms a passage of the compressed air A from the compressor 2 to the casing 29 of the combustor 3. The outer periphery of this passage is formed by the housing 24. On the inner peripheral side of the inner peripheral wall 20, a pre-rotation nozzle 37 for pre-circulating the cooling air in the rotation direction of the turbine rotor 13 and supplying the cooling air to the first-stage first-stage turbine rotor 13A is stationary. It is supported by. This eliminates the need for a special support member for supporting the pre-rotation nozzle 37,
The entire structure of the gas turbine 1 can be simplified.

【0022】前記予旋回ノズル37は内周壁20とは別
体で、周方向に2つ以上に分割した複数のセグメントか
らなり、これらのセグメントは,外周に巻回したバンド
状のばね部材43で締め付けて環状に連結されている。
予旋回ノズル37の内周部と回転軸22の外周部との間
は、予旋回ノズル37側に設けられたラビリンスシール
のようなシール部43によりシールされている。また、
前記内周壁20における前記予旋回ノズル37の支持位
置よりも上流側の位置には、圧縮機2から燃焼器3へ送
給される圧縮空気Aの一部を冷却空気CAとして前記予
旋回ノズル37へ導入する導入孔38が形成されてい
る。これにより、圧縮機2からの圧縮空気Aの一部を予
旋回ノズル37に供給するための通路を簡単に構成でき
る。
The pre-rotation nozzle 37 is separate from the inner peripheral wall 20 and is composed of a plurality of segments divided into two or more in the circumferential direction. These segments are formed by a band-shaped spring member 43 wound around the outer periphery. They are connected in a ring by tightening.
The seal between the inner peripheral portion of the pre-rotation nozzle 37 and the outer peripheral portion of the rotary shaft 22 is sealed by a seal portion 43 such as a labyrinth seal provided on the pre-rotation nozzle 37 side. Also,
At a position upstream of the support position of the pre-swirl nozzle 37 on the inner peripheral wall 20, a part of the compressed air A sent from the compressor 2 to the combustor 3 is used as the cooling air CA as the pre-swirl nozzle 37. An introduction hole 38 for introducing the gas into the air is formed. Thereby, a passage for supplying a part of the compressed air A from the compressor 2 to the pre-rotation nozzle 37 can be simply configured.

【0023】前記予旋回ノズル37は、その周方向に沿
って、多数のノズル孔39が形成されている。これによ
り、予旋回ノズル37からの冷却空気CAを第1段のタ
ービンロータ13Aの全周にわたって均等に供給でき、
タービンロータ13Aをより効率よく冷却できる。これ
らのノズル孔39は、冷却空気CAの入口から出口に向
かって通路幅が狭くなる円錐形とされ、その円錐の頂角
は4°以上とされている。頂角の上限値は特にないが、
隣接するノズル孔39の入口がつながらない程度まで大
きくすることができる。また、図4(A)に示すよう
に、前記ノズル孔39の向きは、タービンロータ13A
〜Cの回転方向Rに対して、所定の傾斜角度θ(15〜
25°)となるように設定されている。なお、予旋回ノ
ズル37の内周面は、図3に示す回転軸22の外周にラ
ビリンスシールを介して対向配置される。
The pre-swirl nozzle 37 has a number of nozzle holes 39 formed along its circumferential direction. Thereby, the cooling air CA from the pre-swirl nozzle 37 can be uniformly supplied over the entire circumference of the first-stage turbine rotor 13A,
The turbine rotor 13A can be cooled more efficiently. These nozzle holes 39 have a conical shape in which the passage width decreases from the inlet to the outlet of the cooling air CA, and the apex angle of the cone is 4 ° or more. Although there is no particular upper limit for the vertical angle,
The size can be increased to such a degree that the entrance of the adjacent nozzle hole 39 cannot be connected. Further, as shown in FIG. 4A, the direction of the nozzle hole 39 is the same as that of the turbine rotor 13A.
A predetermined inclination angle θ (15 to
25 °). Note that the inner peripheral surface of the pre-rotation nozzle 37 is opposed to the outer periphery of the rotating shaft 22 shown in FIG. 3 via a labyrinth seal.

【0024】前記各タービンロータ13のうち、少なく
とも第1段および第2段のタービンロータ13A,13
Bのタービンディスク14には、前記予旋回ノズル37
から供給される冷却空気CAを通過させる複数の通気孔
40が回転軸22の軸方向に向けて貫設されている。こ
れらの通気孔40は、タービンディスク14の周方向に
沿って分散配置される。
Of the turbine rotors 13, at least the first and second stage turbine rotors 13A, 13A
B, the pre-swirl nozzle 37
A plurality of ventilation holes 40 through which the cooling air CA supplied from is passed are provided in the axial direction of the rotating shaft 22. These ventilation holes 40 are distributed along the circumferential direction of the turbine disk 14.

【0025】また、第1段のタービンロータ13のター
ビン動翼16は、膜冷却構造として、図5に断面図で示
すように内部に冷却通路16aが形成され、その翼表面
に前記冷却通路16aの多数の出口16cが設けられ
て、翼表面に膜状に冷却空気CAを流して冷却する。径
方向の内端には、図3に示すように、前記冷却通路16
aの入口16bが設けられる。さらに、第1段のタービ
ンロータ13のタービンディスク14には、前記通気孔
40を通過した冷却空気CAの一部をタービン動翼16
の冷却通路16a内に導入する多数の導入孔41が形成
されている。
The turbine rotor blade 16 of the first stage turbine rotor 13 has a film cooling structure, in which a cooling passage 16a is formed inside as shown in a sectional view of FIG. Are provided, and cooling air CA is flowed in a film form on the blade surface to cool the blade. At the radially inner end, as shown in FIG.
a entrance 16b is provided. Further, a part of the cooling air CA that has passed through the ventilation holes 40 is added to the turbine rotor blades 16 of the turbine disk 14 of the first stage turbine rotor 13.
Are formed in the cooling passage 16a.

【0026】なお、第1段のタービンロータ13Aのタ
ービンディスク14には、前記内周壁20における下流
端部の内周に、ラビリンスシールを介して対向配置され
るリング状のシール部14aが形成されている。これに
より、タービン4における燃焼ガス通路と、前記内周壁
20と前記回転軸22との間に形成される冷却空気通路
との間が遮断される。
In the turbine disk 14 of the first-stage turbine rotor 13A, a ring-shaped seal portion 14a is formed on the inner periphery of the inner peripheral wall 20 at a downstream end portion with a labyrinth seal therebetween. ing. Thereby, the communication between the combustion gas passage in the turbine 4 and the cooling air passage formed between the inner peripheral wall 20 and the rotary shaft 22 is shut off.

【0027】前記構成のガスタービンでは、図2に示す
圧縮機2から燃焼器3に供給される圧縮空気Aの一部
が、冷却空気CAとして内周壁20の導入孔38を経て
予旋回ノズル37に導入され、導入された冷却空気CA
は、予旋回ノズル37のノズル孔39を通過することに
より、図4(A)に示すように、第1段のタービンロー
タ13Aに対して、そのタービンロータ13Aの回転方
向Rに旋回して供給される。すなわち、この場合、ター
ビンロータ13Aの回転方向Rに対して、予旋回ノズル
37のノズル孔39の向きは所定の傾斜角度θ(15〜
25°)とされているので、そのノズル孔39を通過し
てタービンロータ13Aに当たる冷却空気CAの絶対速
度Cおよび相対速度Wと、タービンロータ13の周速度
Uとは、図4(A)に速度ベクトルで示す関係となり、
冷却空気CAの相対速度Wが低く抑えられる。タービン
ロータ13に当たる冷却空気CAの全温Tと相対全温T
relとの間には、先述した(1)式の関係が成り立つの
で、冷却空気CAの相対速度Wが低いほど、タービンロ
ータ13に当たる冷却空気CAの相対全温Trel が低く
なる。
In the gas turbine having the above structure, a part of the compressed air A supplied from the compressor 2 to the combustor 3 shown in FIG. And introduced cooling air CA
As shown in FIG. 4A, is supplied to the first stage turbine rotor 13A by rotating in the rotation direction R of the turbine rotor 13A by passing through the nozzle hole 39 of the pre-rotation nozzle 37. Is done. That is, in this case, with respect to the rotation direction R of the turbine rotor 13A, the direction of the nozzle hole 39 of the pre-swirling nozzle 37 is set at a predetermined inclination angle θ (15 to
25 °), the absolute speed C and the relative speed W of the cooling air CA passing through the nozzle hole 39 and impinging on the turbine rotor 13A, and the peripheral speed U of the turbine rotor 13 are shown in FIG. It becomes the relationship shown by the velocity vector,
The relative speed W of the cooling air CA is kept low. The total temperature T and the relative total temperature T of the cooling air CA impinging on the turbine rotor 13
Since the above-described relationship (1) is established with respect to rel , the lower the relative speed W of the cooling air CA, the lower the relative total temperature Trel of the cooling air CA impinging on the turbine rotor 13.

【0028】また、図4(A)の速度ベクトルにおい
て、前記予旋回ノズル37により予旋回された冷却空気
CAの相対速度Wは、軸方向に近い向きとなるので、軸
方向に向けて形成されたタービンロータ13Aの通気孔
40に冷却空気CAが入りやすくなる。
In the velocity vector of FIG. 4A, the relative speed W of the cooling air CA pre-swirled by the pre-swirling nozzle 37 is close to the axial direction, and is formed in the axial direction. The cooling air CA easily enters the ventilation holes 40 of the turbine rotor 13A.

【0029】冷却空気CAが、タービンロータ13Aに
対して軸方向に供給された場合には、その冷却空気CA
の絶対速度Cおよび相対速度Wと、タービンロータ13
Aの周速度Uとは、図4(B)にベクトルで示す関係と
なり、図4(A)の場合よりも相対速度Wは大きくなる
とともに、相対速度Wの向きが軸方向に対してかなり傾
いた角度となり、タービンロータ13Aの通気孔40に
冷却空気CAが入りにくくなる。
When the cooling air CA is supplied to the turbine rotor 13A in the axial direction, the cooling air CA
Absolute speed C and relative speed W of the turbine rotor 13
The relationship between the peripheral speed U of A and the peripheral speed U is represented by a vector in FIG. 4B. The relative speed W becomes larger than that in the case of FIG. The cooling air CA does not easily enter the ventilation holes 40 of the turbine rotor 13A.

【0030】図3に示す第1段のタービンロータ13A
のタービンディスク14に形成された通気孔40を通過
して、そのタービンロータ13の下流側に突き抜けた冷
却空気CAの一部は、タービンディスク14に形成され
た導入孔41を経て、タービン動翼16の冷却通路16
aに供給される。これにより、第1段のタービンロータ
13のタービン動翼16が、冷却空気CAにより効率良
く冷却される。第1段のタービンロータ13Aの通気孔
40を下流側に通り抜けた冷却空気CAの残りは、さら
に第2段のタービンロータ13Bに送給される。
The first stage turbine rotor 13A shown in FIG.
A portion of the cooling air CA that has passed through the ventilation holes 40 formed in the turbine disk 14 and penetrated to the downstream side of the turbine rotor 13 passes through the introduction holes 41 formed in the turbine disk 14 and 16 cooling passages 16
a. Thereby, the turbine rotor blades 16 of the first stage turbine rotor 13 are efficiently cooled by the cooling air CA. The remainder of the cooling air CA that has passed downstream through the ventilation holes 40 of the first-stage turbine rotor 13A is further supplied to the second-stage turbine rotor 13B.

【0031】本発明においては、さらに、予旋回ノズル
37におけるノズル孔39の入口から出口に向かって通
路が狭くなる円錐形としてあるため、通路面積の大きい
入口での冷却空気CAの流速が低くなり、それだけノズ
ル孔39を通過するときの壁面摩擦による冷却空気CA
の圧力損失を小さくしたままで、冷却空気CAに予旋回
を与えることができる。すなわち、ノズル孔39を通過
して第1段タービンロータ13Aに当たる冷却空気CA
の絶対速度Cは、前記圧力損失が小さい分だけ高くな
る。このことを、先述した(1)式に当てはめると、前
記圧力損失の減少分だけ、タービンロータ13に当たる
冷却空気CAの相対全温Trel がさらに低くなることが
分かる。その結果、冷却空気CAによるタービン動翼1
6の冷却をより効果的に行うことができる。
In the present invention, since the conical shape is such that the passage narrows from the inlet to the outlet of the nozzle hole 39 in the pre-swirling nozzle 37, the flow velocity of the cooling air CA at the inlet having a large passage area decreases. , The cooling air CA due to the wall friction when passing through the nozzle hole 39
The pre-swirl can be given to the cooling air CA while keeping the pressure loss of the cooling air small. That is, the cooling air CA that passes through the nozzle holes 39 and hits the first-stage turbine rotor 13A
Of the absolute velocity C of the motor increases as the pressure loss decreases. When this is applied to the above-described equation (1), it is understood that the relative total temperature T rel of the cooling air CA impinging on the turbine rotor 13 is further reduced by the reduced pressure loss. As a result, the turbine blade 1 using the cooling air CA
6 can be more effectively cooled.

【0032】また、予旋回ノズル37のノズル孔39は
円錐形であるため、円錐状の刃具を使用することによ
り、ノズル孔39の孔開け加工を容易に行うことができ
る。
Since the nozzle hole 39 of the pre-rotation nozzle 37 has a conical shape, the use of a conical blade makes it easy to form the nozzle hole 39.

【0033】なお、この実施形態では、予旋回ノズル3
7で予旋回された冷却空気CAを、タービンディスク1
4の通気孔40を経て第1段のタービンロータ13Aの
下流側に送給し、その一部をタービンディスク14の導
入孔41から導入してタービン動翼16の冷却通路16
aに供給するようにしているが、前記導入孔41の導入
開口を第1段のタービンロータ13Aの上流側に開口さ
せて、予旋回された冷却空気CAを、一旦タービンディ
スク14の下流側に送給することなく、導入孔41から
直接導入してタービン動翼16の冷却通路16aに供給
するようにしてもよい。
In this embodiment, the pre-swirl nozzle 3
The cooling air CA pre-rotated in Step 7 is supplied to the turbine disk 1
4 through the vent hole 40 of the turbine rotor 13A, and a part of it is introduced through the introduction hole 41 of the turbine disk 14 to be cooled by the cooling passage 16 of the turbine blade 16.
a, the introduction opening of the introduction hole 41 is opened on the upstream side of the turbine rotor 13A of the first stage, and the pre-swirled cooling air CA is temporarily supplied to the downstream side of the turbine disk 14. Instead of being fed, it may be introduced directly from the introduction hole 41 and supplied to the cooling passage 16 a of the turbine bucket 16.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上のように、本発明のガスタービンに
よれば、予旋回ノズルにおけるノズル孔の入口での通路
面積が大きくなるので冷却空気CAの流速が低くなっ
て、ノズル孔の入口での冷却空気CAの圧力損失が小さ
くなり、その結果、予旋回ノズルにより予旋回されてタ
ービンのロータに当たる冷却空気CAの流速(絶対速
度)が高くなって、ロータに当たる冷却空気CAの相対
全温が低下し、タービンのロータの冷却効果を向上させ
ることができる。しかも、予旋回ノズルの円錐形のノズ
ル孔は、円錐状の刃具を用いることにより簡単に加工で
きる。
As described above, according to the gas turbine of the present invention, the passage area at the inlet of the nozzle hole in the pre-swirling nozzle increases, so that the flow velocity of the cooling air CA decreases, and The pressure loss of the cooling air CA becomes smaller, and as a result, the flow velocity (absolute speed) of the cooling air CA that is pre-swirled by the pre-swirl nozzle and hits the rotor of the turbine increases, and the relative total temperature of the cooling air CA that hits the rotor is reduced. The cooling effect of the turbine rotor can be improved. Moreover, the conical nozzle hole of the pre-rotation nozzle can be easily processed by using a conical blade.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係るガスタービンを用い
たガスタービン発電設備を示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a gas turbine power generation facility using a gas turbine according to an embodiment of the present invention.

【図2】同ガスタービンを示す一部破断した概略側面図
である。
FIG. 2 is a partially broken schematic side view showing the gas turbine.

【図3】図2のタービン部分を拡大して詳細に示す縦断
面図である。
FIG. 3 is an enlarged longitudinal sectional view showing a turbine portion of FIG. 2 in detail.

【図4】(A)は図3における予旋回ノズルのノズル孔
とタービンロータとの関係を示す周方向に沿った断面
図、(B)は速度ベクトル図である。
4A is a sectional view taken along a circumferential direction showing a relationship between a nozzle hole of a pre-swirling nozzle and a turbine rotor in FIG. 3, and FIG. 4B is a velocity vector diagram.

【図5】図3におけるタービン動翼を示す周方向に沿っ
た断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view along the circumferential direction showing the turbine bucket in FIG. 3;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…ガスタービン、2…圧縮機、3…燃焼器、4…ター
ビン、13A〜C…タービンロータ、20…内周壁、2
2…回転軸、37…予旋回ノズル、38…導入孔、39
…ノズル孔、A…圧縮空気、CA…冷却空気
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas turbine, 2 ... Compressor, 3 ... Combustor, 4 ... Turbine, 13A-C ... Turbine rotor, 20 ... Inner peripheral wall, 2
2 ... rotating shaft, 37 ... pre-rotation nozzle, 38 ... introduction hole, 39
… Nozzle hole, A… Compressed air, CA… Cooling air

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機か
らの圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器と、こ
の燃焼器からの燃焼ガスから動力を取り出すタービンと
を備えたガスタービンであって、 前記タービンのロータに、その回転方向に旋回する冷却
空気を供給する静止した予旋回ノズルを有し、 前記予旋回ノズルは、前記冷却空気の入口から出口に向
かって通路幅が狭くなる円錐形のノズル孔を有している
ガスタービン。
1. A gas turbine comprising: a compressor for compressing air; a combustor for mixing and burning fuel with compressed air from the compressor; and a turbine for extracting power from combustion gas from the combustor. It has a stationary pre-swirl nozzle that supplies cooling air that swirls in the direction of rotation to the rotor of the turbine, wherein the pre-swirl nozzle narrows in passage width from an inlet of the cooling air toward an outlet. A gas turbine having a conical nozzle hole.
【請求項2】 請求項1において、前記ノズル孔は前記
タービンの周方向に沿って多数設けられているガスター
ビン。
2. The gas turbine according to claim 1, wherein a large number of the nozzle holes are provided along a circumferential direction of the turbine.
【請求項3】 請求項1または2において、前記予旋回
ノズルは、ガスタービンの回転軸の外周側に位置し前記
圧縮機から燃焼器へ向かう圧縮空気の通路を形成する内
周壁に支持されているガスタービン。
3. The pre-swirling nozzle according to claim 1, wherein the pre-swirl nozzle is supported on an inner peripheral wall which is located on an outer peripheral side of a rotating shaft of the gas turbine and forms a passage of compressed air from the compressor to the combustor. Gas turbine.
【請求項4】 請求項3において、さらに、前記内周壁
に前記圧縮機からの圧縮空気を予旋回ノズルへ導入する
導入孔が形成されているガスタービン。
4. The gas turbine according to claim 3, further comprising an introduction hole for introducing compressed air from the compressor to a pre-rotation nozzle in the inner peripheral wall.
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