JP3354824B2 - 蒸気冷却用ガスタービンロータ - Google Patents

蒸気冷却用ガスタービンロータ

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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンに関
し、特にガスタービン動翼を蒸気冷却するためのロータ
の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４に従来のガスタービンの代表的冷却
系統を概念的に示している。ガスタービンは、空気圧縮
機１、燃焼器部３及びタービン５を主要構成要素として
有しており、空気圧縮機１の中間段抽気７ａ，７ｂ，７
ｃ及び一部の圧縮機吐出空気９は、タービン５の静翼に
導かれ、これらを冷却する。又空気圧縮機１の吐出空気
の一部が燃焼器車室抽気１１としてタービン５の動翼翼
根１３に導かれ、動翼１５を冷却する。図５に動翼１５
の従来の冷却構造が示されている。図５において、ター
ビンロータは、軸方向に並べられ対向面のカップリング
歯が噛み合うと共にスピンドルボルト１９が挿通された
タービン円板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを有し、
それらのタービン円板１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ
の外周端に動翼１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが取り
付けられている。タービンロータの開口２１から流入し
た冷却用燃焼器車室抽気１１は、タービン円板１７ａ〜
１７ｃの軸方向穴２３ａ〜２３ｃを通って軸方向に流れ
ると共に半径方向穴を通して動翼根部１３ａ〜１３ｄに
至る。動翼根部１３ａ〜１３ｄから動翼１５ａ〜１５ｄ
の内部冷却穴に流入した抽気即ち圧縮空気は、動翼１５
ａ〜１５ｄを内部から冷却し、最終的に主流の燃焼ガス
中に放出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述のような圧縮機か
らの抽出空気を用いてタービン部を冷却する技術も、相
応の効果を発揮してきたのであるが、ガスタービンに対
する高出力化、高効率化の要求は留まることを知らず、
これに応えるべく燃焼ガスのタービンの入口温度を上げ
ることが提案されている。この場合、従来の圧縮空気を
用いた冷却では、タービン動翼の温度を許容値以下にす
ることが極めて困難なので、冷却媒体として蒸気を使用
することが提案されているが、蒸気は従来の圧縮空気の
ように作動ガス中に放出することはできない。従って、
本発明はこのような蒸気を用いてタービン動翼を冷却す
るに適した構造を持つ蒸気冷却用ガスタービンロータを
提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】如上の課題を解決するた
め、本発明によれば、少なくとも２個のタービン円板が
軸方向に重ね合わせられ軸方向に貫通したスピンドルボ
ルトにより締結されて構成されたガスタービンロータに
おいて、動翼の冷却用蒸気循環流路は、ロータの１軸端
に開口しそのロータの中心部を延びる中心軸穴と、この
中心軸穴内に同軸状に配設され該中心軸穴の内周面との
間に冷却蒸気用環状通路を画成する蒸気給排管と、前記
タービン円板の対向側面間に画成され前記蒸気給排管に
連通した第１の蒸気空間と、そのタービン円板の非対向
側面部にそれぞれ形成され前記環状通路に連通した第２
及び第３の蒸気空間と、タービン円板をその中心軸から
離れて軸方向に貫いて形成されると共に前記第１蒸気空
間を貫通する区画管を含んで第２及び第３蒸気空間を連
絡する軸方向蒸気穴と、第１、第２及び第３の蒸気空間
のそれぞれから動翼取り付け部に向かって延びる半径方
向蒸気穴とから形成されている。前記環状通路は冷却用
蒸気の供給通路として、前記蒸気給排管の内部は冷却用
蒸気の回収通路として形成されていることが好ましい
が、その反対に前記環状通路が冷却用蒸気の回収通路と
して形成され、前記蒸気給排管の内部が冷却用蒸気の供
給通路として形成されてもよい。更に前記軸方向蒸気穴
はタービン円板に独立して形成してもよいが、タービン
円板を軸方向に貫通して一体化するスピンドルボルトの
貫通孔を兼用しても良い。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下添付の図面を参照して本発明
の実施形態を説明する。図１及び図２を参照するに、タ
ービンロータ３０は図示しない左（図面において、以下
同じ。）端において圧縮機のロータ軸に連結されている
が、複数の第１段動翼３１、第２段動翼３３、第３段動
翼３５及び第４段動翼３７がそれぞれ円周方向に並んで
取り付けられると共に軸方向に並んで一体的に連結され
たタービン円板４１，４３，４５，４７を有する。ター
ビン円板４７は一体的に形成された延長支持軸４９を有
し、これは軸受５１を介してケーシング５３に回転自在
に支持されている。延長支持軸４９の右端には更にシー
ルスリーブ５５が連結され、これはシールハウジング５
７に囲まれ、冷却用蒸気の入口プレナム５９が画成され
ている。タービン円板４１，４３，４５は、先端面にカ
ップリング歯を備えた係合突起４１ａ，４３ａ，４５ａ
を右側面に有し、他方タービン円板４３，４５，４７
は、先端面にカップリング歯を備えた係合突起４３ｂ，
４５ｂ，４７ｂを左側面に有し、これら係合突起４１
ａ，４３ａ，４５ａと係合突起４３ｂ，４５ｂ，４７ｂ
とが係合しあって円周方向の相対変位を防止すると共
に、タービン円板４１，４３，４５，４７のそれぞれの
複数の軸方向穴６１，６３，６５，６７に挿通されたス
ピンドルボルト６９によって軸方向に締め付けられてい
る。軸方向穴６３とスピンドルボルト６９の配置関係は
図２に明らかであるが、その他の軸方向穴６１，６５，
６７の配置も同様である。
【０００６】次に冷却用蒸気の循環流路の構造について
説明する。タービン円板４１，４３，４５，４７には、
それぞれ中心部を軸方向に延びる中心軸穴７１，７３，
７５，７７が形成され、図示から明らかなように中心軸
穴７１の径が一番小さく、次に中心軸穴７３の径が大き
く、中心軸穴７５，７７の径はほぼ等しく一番大きい。
タービン円板４３，４５，４７の中心軸穴７３，７５，
７７にはシールハウジング５７の部分から延びる蒸気給
排管７９が同軸状に延び、その外側に入口プレナム５９
に連通した環状通路８１が形成されている。又、タービ
ン円板４１の中心軸穴７１は、その右側面との間に隙間
（誇張して図示されている。）を残す円板状カバー８３
によって覆われ、同様にタービン円板４３の左側面との
間に隙間（誇張して図示されている。）を残す環状のカ
バー８５が給排管７９の左端を支持している。このよう
なカバー８３，８５は半径方向に延びた連結板８７によ
り連結されている（特に図２参照）。
【０００７】更にタービン円板４１、４３のそれぞれの
対向側面には、外周端部近くに封止環４１ｃ，４３ｄが
突出形成されて蒸気空間８９ａを画成し、これは係合突
起４１ａ、４３ｂの内側の蒸気空間８９ｂに連通してい
る。カップリング歯の係合部分には、通常半径方向に延
びる放射隙間が形成されるが、場合によっては係合突起
４１ａ及び／又は係合突起４３ｂに特別に連通穴を貫設
してもよい。同様に、タービン円板４３，４５の間及び
タービン円板４５，４７の間には、それぞれ蒸気空間９
１ａ，９１ｂ，９３ａ，９３ｂが画成されている。この
ような蒸気空間９１ｂ，９３ｂは、環状通路８１に連絡
し、蒸気空間９１ａ，９３ａは、タービン円板４５の軸
方向通路９５により互いに連絡し、更に蒸気空間９１ａ
は、タービン円板４３の半径方向通路９７によって動翼
３３の根部の蒸気出入口に連絡している。又、前述した
ような軸方向穴６１，６３，６５は、スピンドルボルト
６９の外径より大きい内径を有しているので、蒸気用の
軸方向通路６１ａ，６３ａ，６５ａが形成され、軸方向
通路６１ａ，６３ａは、蒸気空間８９ｂを貫く区画管９
９により連絡されている。この軸方向通路６１ａは、タ
ービン円板４１の左側の蒸気空間１０１及びタービン円
板４１の半径方向通路１０３ａ，１０３ｂを介して、動
翼３１の根部の蒸気出入口に連絡している。一方、蒸気
空間８９ａは、タービン円板４１の半径方向通路１０５
及びタービン円板４３の半径方向通路１０７を介してそ
れぞれ動翼３１，３３の根部の蒸気出入口に連絡してい
る。
【０００８】以上のような構成において、冷却用蒸気は
矢印に示すように入口プレナム５９から環状通路８１を
流れ、蒸気空間９１ｂ，９３ｂに流入する。蒸気空間９
３ｂに流入した蒸気は二つに分かれ、一方は軸方向通路
６５ａを通って蒸気空間９１ｂに入り、他方は蒸気空間
９３ａ及び軸方向通路９５を通って蒸気空間９１ａに入
る。 蒸気空間９１ｂ内の蒸気も、矢印に示すように二
手に分かれて流れる。一方は蒸気空間９１ａに流入し、
蒸気空間９３ａからの蒸気と合流する。この合流蒸気は
半径方向通路９７を通って動翼３３の根部に入り、ここ
から図示しない動翼３３内の冷却通路を流れて動翼３３
を蒸気冷却する。冷却を終えて昇温した蒸気は半径方向
通路１０７を通って蒸気空間８９ａに入る。他方は、軸
方向通路６３ａ，区画管９９及び軸方向通路６１ａを順
次流れて蒸気空間１０１に入り、更に半径方向通路１０
３ａ，１０３ｂを流れて動翼３１の根部に至る。そし
て、ここから図示しない動翼３１内の冷却通路を流れて
動翼３１を蒸気冷却する。冷却を終えて昇温した蒸気は
半径方向通路１０５を通って蒸気空間８９ａに入る。こ
のようにして動翼３１，３３の冷却を終えて蒸気空間８
９ａに戻った蒸気は、蒸気空間８９ｂを通り、更にカバ
ー８５，８７の間を通り、最終的に蒸気給排管７９の内
部を流れてタービンから流出する。このことから判るよ
うに本実施形態においては、蒸気空間８９ａ，８９ｂ，
蒸気給排管７９等は、冷却用蒸気の回収通路として機能
する。反対に前述の環状通路８１、蒸気空間９１ａ，９
１ｂ，９３ａ，９３ｂ，１０１等は、冷却用蒸気の供給
通路として機能する。なお、中心軸穴７１，７３内も少
量の冷却用蒸気が流れ、カバー８３，８５の裏側の隙間
を通って、タービン円板４１，４３を回収蒸気の高温か
ら保護する。
【０００９】尚前述の実施形態において、例えば環状通
路８１を冷却用蒸気の供給通路とし、蒸気給排管７９の
内部を冷却用蒸気の回収通路としたが、図３に示すよう
に蒸気の流れ方向を逆方向としても良い。この場合、蒸
気給排管７９の内部、これに連通した蒸気空間８９ａ，
８９ｂ等は、冷却用蒸気の供給通路となり、環状通路８
１及びこれに連通した蒸気空間９１ａ，９１ｂ，９３
ａ，９３ｂ，１０１等は回収通路となる。図３におい
て、図１のものと同一の部分には同一の符号を付した
が、タービン円板４３の右側面にカバー１８３、タービ
ン円板４５の左右両側面及びタービン円板４７の左側面
にカバー１８５が設けられている。カバー１８３，１８
５の取付け状況は、前述のカバー８３，８５の場合と同
様である。そして、冷却用蒸気の流れが、前述の図１の
実施形態の場合と逆方向である以外作用は変わらないの
で、当業者は前述の説明を考慮すれば、格別の説明を付
加しなくてもこの改変実施形態の構造及び作用効果を容
易に理解できるであろう。
【００１０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
タービン円板の中心軸穴に蒸気給排管を設けて同軸状に
２つの通路を画成し、これによりて蒸気の供給通路と回
収通路を形成し、更に隣り合うタービン円板の間に画成
される空間を蒸気の供給通路と回収通路に分けるので、
冷却用蒸気の回収通路が確保されて、ガスタービンの冷
却を十分に行うことができるから、ガスタービン入口ガ
ス温度の上昇を許容し、これによりガスタービンの高効
率化を実現化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う部分横断面図である。
【図３】前記実施形態の一部を改変した改変実施形態の
部分断面図である。
【図４】従来のガスタービンの概略冷却系統図である。
【図５】従来のガスタービンの部分縦断面図である。
【符号の説明】
３０ タービンロータ ３１ 第１段動翼 ３３ 第２段動翼 ３５ 第３段動翼 ３７ 第４段動翼 ４１，４３，４５，４７ タービン円板 ４１ａ，４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂ，４７ｂ 係
合突起 ４９ 延長支持軸 ５１ 軸受 ５３ ケーシング ５５ シールスリーブ ５７ シールハウジング ５９ 入口プレナム ６１，６３，６５，６７ 軸方向穴 ６１ａ，６３ａ，６５ａ 軸方向通路 ６９ スピンドルボルト ７１，７３，７５，７７ 中心軸穴 ７９ 蒸気給排管 ８１ 環状通路 ８３，８５ カバー ８７ 連結板 ８９ａ，８９ｂ，９１ａ，９１ｂ，９３ａ，９３ｂ 蒸
気空間 ９５ 軸方向通路 ９７ 半径方向通路 ９９ 区画管 １０１ 蒸気空間 １８３，１８５ カバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 5/08 F02C 7/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも２個のタービン円板が軸方向
    に重ね合わせられ軸方向に貫通したスピンドルボルトに
    より締結されて構成されたガスタービンロータであっ
    て、 前記ロータの１軸端に開口し同ロータの中心部を延びる
    中心軸穴と、 同中心軸穴内に同軸状に配設され該中心軸穴の内周面と
    の間に冷却蒸気用環状通路を画成する蒸気給排管と、 前記タービン円板の対向側面間に画成され前記蒸気給排
    管に連通した第１の蒸気空間と、 前記タービン円板の非対向側面部にそれぞれ形成され前
    記環状通路に連通した第２及び第３の蒸気空間と、 前記タービン円板を中心軸から離れて軸方向に貫いて形
    成されると共に前記第１蒸気空間を貫通する区画管を含
    んで前記第２及び第３蒸気空間を連絡する軸方向蒸気穴
    と、 前記第１、第２及び第３の蒸気空間のそれぞれから動翼
    取り付け部に向かって延びる半径方向蒸気穴とからなる
    冷却用蒸気循環流路が形成されていることを特徴とする
    蒸気冷却用ガスタービンロータ。
  2. 【請求項２】 前記環状通路が冷却用蒸気の供給通路と
    して形成され、 前記蒸気給排管の内部が冷却用蒸気の回収通路として形
    成されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気冷却
    用ガスタービンロータ。
  3. 【請求項３】 前記環状通路が冷却用蒸気の回収通路と
    して形成され、 前記蒸気給排管の内部が冷却用蒸気の供給通路として形
    成されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気冷却
    用ガスタービンロータ。
  4. 【請求項４】 前記軸方向蒸気穴が前記スピンドルボル
    トの貫通孔を兼用していることを請求項１乃至請求項３
    のいずれか一に記載の蒸気冷却用ガスタービンロータ。
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