JP3634871B2

JP3634871B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP3634871B2
Application number: JP52645598A
Authority: JP
Inventors: 信也圓島; 学松本; 和彦川池; 隆池口; 隆志町田; 傑関原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: EP0965726A4; EP0965726B1; WO1998023851A1; EP0965726A1; DE69632837T2; DE69632837D1

Description

【技術分野】
本発明は、ガスタービンに関する。
【背景技術】
特開平３−275946号公報では、ロータを構成するディスク，スペーサ内に動翼への冷媒の供給／回収流路を有するガスタービンに関して、ディスク等の中心（軸心）に中心孔を設けない、中実構造のディスクを備えたガスタービンが記載されている。
【特許文献１】
特開平３−275946号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
ロータのメタル温度分布並びにロータに作用する熱応力や熱変位は、ロータ内部の空間やロータ外周面等からの熱の出入りにより、影響を受ける。
一方、特開平３−275946号公報では、ロータにかかる前記影響に対する具体的対策は考慮されていない。
起動時の非定常運転時においては、ロータ外周部はガスタービンの作動ガスからの入熱によって温度上昇は大きい一方、ロータ中心部は温まりにくい。
又、翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有する場合、供給流路と回収流路の間には動翼冷却による温度上昇分の温度差がつくためにクローズド冷却のガスタービンのロータでは熱応力が大きくなり、ロータディスク等に働く熱応力と回転に伴う遠心力とが重なり合いロータの中心（軸心）部では、大きな応力が働く恐れがある。
そこで、本発明の第１の目的は、翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有するロータ部材に流入、流出する熱量を制御することにある。また、本発明の第２の目的は、大きな遠心力と熱応力が作用するロータに長期間の運転による付属部品の脱落、破損の心配がなく、翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有するロータ部材に流入、流出する熱量を制御し、信頼性を向上させたガスタービンを提供することにある。
【課題を解決させるための手段】
本発明の第１の特徴は、燃焼ガスにより駆動される複数の動翼をその外周部に環状に配列した複数個のディスクと、前記ディスク間に配置されるスペーサとを順次軸方向に配置してロータ軸を構成するガスタービンにおいて、該スペーサに面した前記ディスクのロータ軸心側の領域と隣接するスペーサとの間に間隙部を形成し、該スペーサに面した前記ディスクのロータ外周側の領域と隣接するスペーサとの双方に両者が接触する接触面を形成し、動翼冷却用の冷媒を供給する第１の流路及び動翼を経て加熱された冷媒を回収する第２の流路を前記ディスク及び前記スペーサに設け、更に、前記ディスクには、前記間隙部に流体を導く第３の流路と前記第１の流路とを独立に設けたことを特徴とする。
本発明の第２の特徴は、燃焼ガスにより駆動される複数の動翼をその外周部に環状に配列した複数個のディスクと、前記ディスク間に配置されるスペーサとを順次軸方向に配置してロータ軸を構成され、前記動翼は冷却用の冷媒を導入して燃焼ガスにより加熱された該冷媒を導出する流路を備えているガスタービンにおいて、前記スペーサに面した前記ディスクのロータ軸心側の領域と隣接するスペーサとの間に間隙部を形成し、ロータ外周側の領域の前記ディスクと隣接するスペーサとの間に両者が接触する接触面を形成し、前記ディスク及びスペーサの前記接触面を形成した領域でロータ軸方向に貫通して動翼冷却用の前記冷媒を供給する第１の流路及び動翼を経て加熱された冷媒を回収する第２の流路をそれぞれ設け、前記ディスクには、前記間隙部に流体を導く第３の流路と前記第１の流路とを独立に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
本発明の第１の特徴によれば、翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有するロータ部材に流入し、流出する熱量を制御することが可能となる。
本発明の第２の特徴によれば、供給流路及び回収流路の構成流路として、ディスク同士もしくはディスクとスペーサの接触面内から軸方向に、ディスクまたはスペーサを貫通する冷媒の供給流路と回収流路とを設け、ディスク及びスペーサの接触面によって分離することにより、流路の分離に分離管や連結管等の付属部品を用いる必要がないので、大きな遠心力と熱応力が作用するロータに長期間の運転による付属部品の脱落，破損の心配がなく、翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有するロータ部材に流入、流出する熱量を制御し、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施形態による冷媒回収型ガスタービンの概略図である。
第２図は、本発明の一実施形態による冷媒回収型ガスタービンのロータの断面図である。
第３図は、本発明の一実施形態による冷媒回収型ガスタービンのロータの断面図である。
第４図は、本発明の一実施形態による冷媒回収型ガスタービンのロータの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
本実施例のガスタービンにおいては、回収型冷媒のガスタービンを適応することができる。例えば冷媒としては圧縮空気や圧縮窒素なども適応できる。以下の実施例では冷媒回収型のガスタービンの場合は、一例として回収型冷媒を蒸気として説明する。
まず、第１図を用いて説明する。実施例の共通構成は、以下の通りである。
圧縮機１の圧縮機ロータ3aとタービン120のタービンロータ1aは、ディスタントピース2aにより連結されている。大気状態の空気14aは圧縮機ロータ3aの外周部圧縮機空気流路5aにある動静翼により昇圧される。圧縮機１からの昇圧された吐出空気が供給される燃焼器4aを有する。燃焼器4aでは燃料13aと圧縮空気が反応して高温高圧の燃焼ガス15aが生成される。燃焼ガス15aはタービン120のタービンロータ1aの外周部ガス流路6aにある動翼7a,静翼17aを通過して動力を発生する。タービンロータ1aは外周部に動翼7aを有する複数のディスク12aがスペーサ11aを介して軸方向に配置されている。本図は、その内の一組を代表例として記載している。タービンロータ1aとディスク側面にあるスペーサ11aとは外周側で接触されており、該接触面より中心側の中心部を含む領域は隣接するスペーサとの間に間隙部が形成される。
第１の実施例は、前記ディスタを中実構造に形成し、該スペーサに面した前記ディスクのロータ軸心側の領域と隣接するスペーサとの間に間隙部を形成し、該スペーサに面した前記ディスクのロータ外周側の領域と隣接するスペーサとの双方に両者が接触する接触面を形成し、更に、前記ディスクには、前記間隙部に流体を導く中心側連絡流路を設けたものである。
具体的には、前記基本構成に加えて、前記ディスク12aの中心軸を含む中心部は中実構造をなしており、前記ディスク12aとスペーサ11a間に形成される各々の間隙を連絡するように、タービンロータ1a内には蒸気供給流路8aや蒸気回収流路9aとは別の第３の流路である中心側連絡流路10aを有する。例えば、ディスク12aとスペーサ11aを貫通するよう中心側連絡流路10aを設ける。
例えば、圧縮機１の圧縮空気の一部から、この中心側連絡流路10aに流体を供給し、ディスク12aとスペーサ11a間に形成される各々の間隙に前記供給された流体とタービンロータ1a内の部材と熱交換する。熱交換後の流体は、例えば、タービン120の外周側ガス流路6aに排出する。もっとも他の装置・部材へ排出するようにしてもよい。
これにより、中心側連絡流路10aからタービンロータ1aの部材に出入りする熱量を制御できるため、熱応力を低減することができる。よって、熱応力の影響が大きい状態で遠心力が加わってもタービンロータ1aの強度を確保することができる。
特に供給流路と回収流路を備える場合、ロータ内部の流路が蒸気供給流路8aと蒸気回収流路9aのみの場合よりも熱応力を低減することができる。
供給流路と回収流路との間には動翼冷却による温度上昇分の温度差がつくためにクローズド冷却のロータでは熱応力が大きくなる傾向にあり、起動時の非定常運転時においては、ロータ外周側と中心部に大きな温度差が生じる。ロータ外周部はロータ中心部よりも高温で、ロータ外周部はロータ中心部に対して相対的に膨張変位、ロータ中心部はロータ外周部に対して相対的に収縮変位となり、ロータ中心部に半径方向引張りの熱応力が作用することになる。
前記第１の実施例により、この半径方向引張りの熱応力と回転による遠心引張り応力が重なり合い、ロータ中心部に過大な応力が加わることを抑制でき、タービンロータ1aの強度を確保できる。
他の特徴点は、ロータ外周側の領域の前記ディスクと隣接するスペーサとの間に両者が接触する接触面を形成し、前記接触面を形成した領域の前記ディスク及びスペーサをロータ軸方向に貫通して動翼冷却用の前記冷媒を供給する供給流路及び動翼を経て加熱された冷媒の回収流路をそれぞれ設けたものである。
具体的には、前記共通構成に加え、動翼7aは蒸気冷却翼でかつ冷却後の蒸気をガス流路6aに放出することなく回収するクローズド冷却翼である。ディスクとの接触面には冷媒の供給口及び回収口を備えることができる。タービンロータ1aには動翼7aに蒸気を供給するための蒸気供給流路8aと蒸気を回収するための蒸気回収流路9aの両方を備えている。蒸気供給流路8aと蒸気回収流路9aとは、両方とも、ロータ軸方向に前記接触面16aを貫通すると共に、前記ディスク12a及びスペーサ11aを貫通するよう形成される。蒸気供給路8aと蒸気回収流路9aとはディスク12aおよびスペーサ11aの貫通孔の内周（内壁）面及び接触面16aを構成要素としている。両流路の分離は接触面16によってなされている。当該内壁面を接触しながら冷媒が流れる。
ボイラ等のような所定の蒸気発生源より供給される蒸気は、蒸気供給流路8aを経て動翼7a内に供給される。動翼7a内で熱交換した後の蒸気は蒸気回収流路9aを経て回収される。
これにより、蒸気供給流路8aと蒸気回収流路9aの分離のために分離管や連結管などの付属部品を取り付ける必要がない。
軸方向に冷媒を移動させる供給流路と回収流路として、穴に挿入する挿入管やディスク間の連結管等の付属部品を使用する必要がないので、回転により大きな遠心力とメタルの温度差による熱応力が作用するロータでは長期間の運転による付属部品の脱落，破損等の恐れをなくすことができる。また、付属部品が脱落，破損すると回転軸に対して重量アンバランスが生じることを防止でき、ロータの加振源となることもない。
第２図は、４段タービンの場合を例に、一実施例の冷媒回収型ガスタービンのロータの断面図（タービン側断面図）を示している。これは、クローズド蒸気冷却式ガスタービンの場合を示している。
基本的には、前述の第１図に示す実施例の共通構成が適応される。その他の共通構成として以下の構成を備える。
ガスタービンロータは、圧縮機１の圧縮機ロータ3aと、ディスタンントピース16を介して連絡されているタービン120のタービンロータ1aを備えている。
圧縮機ロータ3aは、外周部に圧縮機動翼３を備えられる圧縮機ディスク２とを備える。タービンロー1aはタービン部100及びそれに連結するスタブシャフト17を有する。
タービン部100は、第１段中実ディスク8,第２段中実ディスク9,第３段中実ディスク10,第４段中実ディスク11とそれらの外周部に位置する第１段動翼4,第２段動翼5,第３段動翼6,第４段動翼７を備え、前記ディスク側面には、最も圧縮機１側に中空スペーサ12、そして中実スペーサ13,14,15を有する。スタブシャフト17は、第４段中実ディスク11の側面に位置する。そして、ディスタントピース16とタービン部100とスタブシャフト17はディスク，スペーサ接触面を貫通するように設けられた複数のスタッキングボルト18によって強固に連結されている。
第２の実施例について第１図及び第２図を参照して説明する。
第２実施例は、前記ディスクは軸心部を含む領域が中実構造を形成し、ロータ軸心側の前記ディスク8,9,10,11と隣接するスペーサ13,14,15との間に間隙部を形成すると共に、ロータ外周側の前記ディスク８〜11とスペーサ13,14,15との間に両者が接触する接触面31〜36を形成させ、更に、前記ディスク８〜11に、前記間隙部に流体を導く中心側連絡流路（10a）77,81,85を複数有するものである。
各ディスク８〜11とスペーサ13,14,15との間のキャビティ部にガスタービンの起動時等に、暖機媒体（流体）を供給するための所定の貫通穴を設けるものである。
第１図及び第２図により詳細に説明すると、前記共通構成の他に以下の構成を備える。
各中実ディスクと中実スペーサとの前記接触面の中心部を含む中心側では、ディスクとスペーサと間にキャビティが形成される。キャビティ78は、第1'段中実ディスク８と中実スペーサ13の中心部に形成される。同様に、各ディスクとスペーサとの間に形成されるキャビティを80,82,84,86,88とする。
前記キャビティを連絡する中心側連絡流路10aは、ディスク8,9,10,11及びスペーサ13,14,15を貫通する孔77,79,81,83,85,87を設ける。該孔は、各ディスク等のうち前記接触面のある領域に設け、前記供給流路或いは回収流路より中心側を軸方向に貫通するように設ける。詳細構造を以下に説明する。
内部空間62とキャビティ78とを連絡する、第１段中実ディスク８を軸方向に貫通する孔77を備える。キャビティ78とキャビティ80とを連絡する、中実スペーサ13を軸方向に貫通する孔79を備える。以下同様に中心部にあるキャビティ間を連絡するよう、第２段中実デイスク９を軸方向に貫通する孔81,中実スペーサ14を軸方向に貫通する孔83,第３段中実ディスク10を軸方向に貫通する孔85,中実スペーサ15を軸方向に貫通する孔87を備える。さらに、中実スペーサ15と第４段中実ディスク11の接触面31に半径方向に設けられたスリット89,中実スペーサ15と第４段中実ディスク11で形成されるドーナツ状のキャビティ90,キャビティ90からガスタービンのガス流路につながる孔91を備える。ここで、スリット89は接続面31において供給孔52,53と回収孔24,25に交わらない位置に設けられている。本実施例ではキャビティ62からキャビティ90までの流路は直列で、キャビティ90に流入する全量の空気がキャビティ78,80,82,84,86,88を通過する場合を示しているが、キャビティ78,80,82,84,86,88への流入，流出による圧力損失が問題となる場合は、キャビティ62からキャビティ90に至る流路を複数並列に設け、並列に設けたそれぞれの流路の構成要素にキャビティ78,80,82,84,86,88を振り分けることもできる。
ガスタービンの起動時等のように、タービンロータ1a内部が例えば常温近傍のように冷えている場合に圧縮機１の圧縮空気の一部を前記キャビティ78,80,82,84,86,88に供給する。
圧縮機空気流路5aの空気の一部を圧縮機ディスク２間の間隙を通して内部空間62に流入する。内部空間62に流入した空気は、中空スペーサ12を半径方向外側に伸びるスリットを通り、孔77を流れて、キャビティ78内に供給される。キャビティ78に供給された空気は、第１段中実ディスク８及び第１段中実スペーサ13の中心部を流れる際にディスク８及びスペーサ13の中心部（軸心部）を起動時に暖める。供給された圧縮空気により同ディスク８及びスペーサ13の中心部で熱交換される。中心部を通った圧縮空気は、孔79を通ってキャビティ80に入る。ここで、第１段中実スペーサ13と第２段中実ディスク９の中心部を起動時に暖める。同様に熱交換をすべく、孔81を経てキャビティ82に入り、孔83を経てキャビティ84に入り、孔85を経てキャビティ86に入り、孔87を経てキャビティ88に入る。そして、スリット89を通りキャビティ90を経て、ガス流路6aに排出される。
中実ディスク8,9,10,11及び中実スペーサ13,14,15のロータ外周部はガスタービンの作動ガスからの入熱によって温度は高い一方、起動時にはロータ中心部は温まりにくいためロータ外周側とロータ中心部に大きな温度差が生じる。即ちロータ外周部はロータ中心部よりも高温で、ロータ外周部はロータ中心部に対して相対的に膨張変位、ロータ中心部はロータ外周部に対して相対的に収縮変位となり、ロータ中心部に半径方向引張りの熱応力が作用する。この半径方向引張りの熱応力と回転による遠心引張り応力が重ね合わさり、ロータ中心部に大きな応力が加わる恐れがある。そこで、本実施例を実施することにより、中実ディスクと中実スペーサで形成されるロータ中心部のキャビティ78,80,82,84,86,88を第３の流路の構成要素とし、そこに高温圧縮機から抽気された空気を流すことによりロータ中心部を昇温できる。即ち、ロータ外周側と中心部の温度差は小さくなり中心部の半径方向引張りの熱応力は抑制される。また、第1,第2,第３中実ディスク及び中実スペーサ13,14,15の中心部キャビティの両側面は同じ空気温度雰囲気となるのでディスク中心部に左右非対称の熱変形や熱応力の発生を防ぐことができる。
また、キャビティ間を連絡するために前述のディスク8,9,10に設けられる孔は接触領域31〜37に設けることにより、遠心力の影響を低減することができる。
また、これら中心側冷却流路10aは供給流路及び回収流路から独立しており、適切な温度，圧力の空気を圧縮機中間段から同流路に導入することにより、ロータ部材に流入，流出する熱量を制御することができる。
また、中心側冷却流路10aは供給流路及び回収流路から独立しているので、中心側冷却流路10aに流量調整機構を設け、熱応力の大きい起動時のみに適切な温度，圧力の空気を流すことが考えられる。このことにより定常運転時には中心側冷却流路10aを流れる空気を節約できるので、効率向上につながる。
さらに、中心側連絡流路10aは、第４段中実ディスク11の側面を通ってガスタービンのガス流路につながっており、同流路を通過した空気でディスク側面へのガスの侵入を防ぐことができるので、ディスク側面へのガスの侵入を防ぐシール空気の一部を、中心側連絡流路10aを通過した空気で補うことができ、シール空気量を削減できる。
また、ディスク8,9,10に設けられる孔は、ディスク等の中心部を暖める効果をより発揮させるには、前記隣接するキャビティ間をディスク8,9,10に設けた孔により直接連通する位置に設ける。具体的には、例えば、ディスクの前記接触面31〜37より中心側の隣接するスペーサ等と間隙78,80,82,84,86,88を形成している領域のうち、ディスクの中心軸より外周側である。
本実施例を翼冷却のための蒸気の供給流路及び回収流路を備えたガスタービンに実施することもできる。
他の特徴点は、ロータ軸心側の前記ディスク８〜11と隣接するスペーサ13,14,15との間に間隙部78〜88を形成すると共に、ロータ外周側の前記ディスクとスペーサとの間に両者が接触する接触面31〜37を形成させ、前記接触面を形成した領域の前記ディスク８〜11及びスペーサ13,14,15をロータ軸方向に貫通して冷却用の前記冷媒を供給する供給流路24〜30及び加熱された冷媒の回収流路48〜53をそれぞれ形成するものである。
第１図及び第２図を用いて以下に詳述する。前記共通構成の他に以下の構成を備える。
スタブシャフト17の中心孔に設けられた分離管19の内部の内部流路20から蒸気は供給され、内部流路20の外周側に位置する前記供給された蒸気の回収流路59を備える。
第４段中実ディスク11とスタブシャフト17は外周側で接触されるとともに、その中心側の中心を含む領域は、同ディスグ11とスタブシャフト17で形成される空隙のキャビティ21が形成される。
各ディスク及びスペーサを、軸方向に各接触面にて貫通するよう蒸気供給流路8a（第１の流路）及び蒸気回収流路9a（第２の流路）が形成される。
前記の各々の流路は、各ディスク及びスペーサを貫通する貫通孔の内周面（内壁）及びその接触面を構成要素とする。例えば、蒸気供給流路8aは、各ディスク及びスペーサの前記貫通孔である供給孔24,25,26,27,28,29,30を構成要素とする。蒸気回収流路9aは、各ディスク及びスペーサの前記貫通孔である回収孔48,49,50,51,52,53を構成要素とする。
前記構成要素の前記供給孔及び回収孔は、第４段中実ディスグ11と中実スペーサ15の接触面31,第３段中実ディスク10と中実スペーサ15の接触面32,第３段中実ディスク10と中実スペーサ14の接触面33,第２段中実ディスク９と中実スペーサ14の接触面34,第２段中実ディスク９と中実スペーサ13の接触面35,第１段中実ディスク８と中実スペーサ13の接触面36により接続される。また、第１段中実ディスク８と中実スペーサ12とは接触面37により接続されている。
前記蒸気供給流路8aと蒸気回収流路9aとは前記接触面により分離される。
スタブシャフト17と第４段中実ディスク11との接触面22に前記キャビティ21から第４段中実ディスク11に複数設けられた各供給孔24へ半径方向に連絡するよう形成されたスリット23を形成する。
前記接触面37には、供給孔30と連絡し、供給孔30を流れる蒸気が外周側に各々備えられドーナッツ状に形成されたキャビティ39に半径方向に連絡するようスリット38が設けられる。前述のように前記スリット23から前記キャビティ39までの流路（23,24,25,26,27,28,29,30,38）は周方向に複数存在する。ほぼ均等間隔に配置されることが望ましい。
前記接触面34には、供給孔27或いは28と連絡し、供給孔27或いは28を流れる蒸気が外周側に各々備えられドーナッツ状に形成されたキャビティ42に半径方向に連絡するようスリット41が設けられる。前記接触面33には、供給孔26或いは27と連絡し、供給孔26或いは27を流れる蒸気が外周側に各々備えられドーナッツ状に形成されたキャビティ44に半径方向に連絡するようスリット143が設けられる。
キャビティ39には、１段動翼４の個数分だけ第１段中実ディスク８の内部に各第１段中実動翼４に蒸気を供給する流路40が設けられる。キャビティ42には、２段動翼５の個数分だけ第２段中実ディスク９の内部に各第２段中実動翼５に蒸気を供給する流路43が設けられる。また、キャビティ44には、３段動翼６の個数分だけ第３段中実ディスク10の内部に各第３段中実動翼６に蒸気を供給する流路45が設けられる。
前記各々の動翼内で熱交換して温度が上昇した蒸気は、第１段動翼４から、第１段中実ディスク８の内部に蒸気回収するための流路46が前記動翼の個数分だけ形成されており、流路46は中実スペーサ13と第１段中実ディスク８の接触面36にドーナッツ状に形成されたキャビティ47に連絡されている。
同様に、第２段動翼５から第２段中実ディスク９の内部に蒸気回収するための流路54が形成されており、流路54は中実スペーサ13と第３段中実ディスク９の接触面35にドーナッツ状に形成されたキャビティ55に連絡されている。同様に、第３段動翼６から、第３段中実ディスク10の内部に蒸気回収するための流路56が前記動翼の個数分だけ形成されており、流路56は中実スペーサ15と第３段中実ディスク10の接触面32をドーナッツ状に形成されたキャビティ57に連絡されている。
キャビティ47は、接触面36から軸方向に中実スペーサ13と貫通する回収孔48に連絡されている。キャビティ55は、接触面35から軸方向に中実スペーサ13を貫通する回収孔48に連絡されている。キャビティ57は、接触面32から軸方向に中実スペーサ15を貫通する回収孔52に連絡されている。
また、回収孔52は、回収流路59に流路58により連絡されている。
各ディスク外周部に設けられた動翼へ冷媒を供給／回収するための流路は、このように供給側と回収側に分離されている。
ボイラ等の蒸気発生器からの蒸気は内部流路20によりキャビティ21に導かれた蒸気はスリット23を経由して、接触面22から軸方向に第４段中実ディスク11を貫通する供給孔24に達する。
供給孔25,供給孔26,供給孔27,供給孔28,供給孔29,供給孔30を通過した蒸気は、スリット38を通りキャビティ39に導かれる。キャビティ21に供給された蒸気は各々の供給孔に分配されてからキャビティ39までは並列に蒸気が供給される。キャビティ39から蒸気は、流路40を経由して各第１段動翼４の供給口等に供給されることにより動翼内に供給される。また、供給孔27を通過した蒸気は供給孔28に向かう一方、スリット41を通りキャビティ42に導かれる。キャビティ42から蒸気は、流路43を経由して第２段動翼５に供給される。さらに、供給孔26を通過した蒸気は供給孔27に向かう一方、スリット143を通りキャビティ44に導かれる。キャビティ44から蒸気は、流路45を経由して第３段動翼６に供給される。
次に動翼内に供給された蒸気の回収について以下説明する。
第１段動翼４を冷却し温度上昇した蒸気は、流路46を経由してキャビティ47に導かれ、回収孔48に達する。また、第２段動翼５を冷却し温度上昇した蒸気は、流路54を経由してキャビティ55に導かれ、回収孔48に合流する。さらに、第３段動翼６を冷却し温度上昇した蒸気は、流路56を経由してキャビティ57に導かれ、回収孔52に合流する。
回収孔53に達した蒸気は、スタブシャフト17の内部に設けられた中心向きの流路58を通り、スタブシャフト17と分離管19とで形成される流路59からロータ外に回収される。キャビティ47,55,57からスタブシャフト17と分離管19とで形成される流路59までの流路48,49,50,51,52,53,58は周方向に複数存在し、周方向均等かつ供給流路41,143と交差しないように配置されており、蒸気は並列に回収される。
本実施例ではロータへの蒸気供給口を分離管19の内部流路20,回収口を分離管19の外部流路59としているが、供給口と回収口を逆に、すなわち逆方向の流れとすることもできる。
前記実施例では、前記接触面のある領域のうち、接触する蒸気供給流路の間で、且つ該供給流路より外周側に蒸気回収流路を配置している。これにより、起動時等において、ディスクやスペーサの温度勾配を小さくできる。
また、反対に、隣接する蒸気供給流路の間で、且つ、該供給流路より中心側に、蒸気回収流路を配置する場合は、前記スタブシャフト17を支えるよう配置される、図示していない軸受け部の軸受けメタル等にとっては、より安定な温度にすることができる。
或いは、本実施例のようにスタブシャフト17から供給され、又回収されるようにしなくてもよい。
これにより、供給流路及び回収流路の構成流路として、中実ディスク，スペーサ側面の接触面内から軸方向に、ディスク，スペーサを貫通する蒸気供給を目的とする供給孔24,25,26,27,28,29,30の第１の流路と蒸気回収を目的とする回収孔48,49,50,51,52,53の第２の流路の両方を設け、第１の流路と第２の流路はディスク，スペーサの接触面31,32,33,34,35,36によって分離されている。すなわち、第１の流路と第２の流路の分離に分離管や連結管などの付属部品を必要としないので、高速回転による遠心力と熱応力の作用で付属部品が脱落，損壊する心配がなく、ロータ内の信頼性が飛躍的に向上する。
また、本実施例のディスクは、冷媒の供給或いは回収の何れか一方の流路が接触面31〜37を貫通するように形成された場合に比べて、より広い接触面を備えなければならない。
よって、中実構造のディスクにすることにより、遠心力の影響が大きくなり、中心部に加わる応力が大きくてもより安定なディスクを供給できる。さらには、第３実施例と共に適応するとさらにガスタービンの信頼性を向上させることができる。
一方、ディスク中心（軸心）部に孔を有する中空構造のディスクを備えた、ガスタービンに適応することもできる。
また、他の特徴点は、前記ディスク８〜11とスペーサ13,14,15との間に両者が接触する接触面を形成させ、前記接触面を形成した領域の外周側を通り、前記ディスク及びスペーサをロータ軸方向に貫通して、ガスタービン内を流れる燃焼ガスより低い温度の流体を導く外側流路（110a）65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75等を有するものである。
ロータ内には前記の供給流路や回収流路とは別の第４の流路である外側流路110aを有している。
外側流路110aは、各ディスクのうち、隣接するスペーサとの接触領域の外周側を貫通する孔と隣接するスペーサとの間に形成されるキャビティを構成要素とする。前記接触面より外周側には、ディスタントピース16,第１段中実ディスク8,中空スペーサ12とで形成されるドーナッツ状のキャビティ65を備える。第１段中実ディスク8,中実スペーサ13とで形成されるドーナッツ状のキャビティ67を備える。以下同様に、各ディスクとスペーサとの間でキャビティ71,73,75を備える。
ディスタントピース16と中空スペーサ12の接触面に半径方向に設けたスリット64はキャビティ65につながる。キャビティ65とキャビティ67とを連絡する、第１段中実ディスク８を軸方向に貫通する孔66を備える。以下同様に隣接するキャビティ間を連絡するよう、中実スペーサ13を軸方向に貫通する孔68,第２段中実ディスク９を軸方向に貫通する孔70,中実スペーサ14を軸方向に貫通する孔72,第３段中実ディスク10を軸方向に貫通する孔74を備える。キャビティ75から中実スペーサ15に半径方向に空けられた孔76を経由してガスタービンのガス流路につながる。ここで、流路66,68,70,74は周方向に複数存在し、かつ周方向均等に配置されており、動翼への供給孔40,43,45及び回収孔46,54,56と交差しない位置となっている。
圧縮機空気流路5aの空気の一部を圧縮機ディスク２間のスリット61を通して内部空間62に流入する。内部空間62にある圧縮空気を、ディスタントピース16と中空スペーサ12間を半径方向外側に伸びるスリット64を通り、キャビティ65内に供給される。その後、孔66を経て、キャビティ67に供給される。以下同様に、孔68,キャビティ69,孔70,キャビティ71,孔72,キャビティ73,孔74を順次経て、キャビティ75に供給される。そして、孔76より、ガス流路6aに排出される。
また、ディスクとスペーサで形成されるロータ外周側のキャビティ65,67,69,71,73,75を流れる第４の流路としての外側流路を備え、そこに圧縮機空気を流しているので、ガスタービンガス流路からタービンロータ1a中心部への入熱を遮断することができる。
また、第1,第2,第３中実ディスクの側面キャビティ65,67,69,71,73,75は同じ空気温度雰囲気となるため、ディスク両側面の温度差による左右非対称の熱変形を抑制できる。即ち、ディスクの外周に位置する動翼の傾き変位も小さくなり、その分動翼のチップクリアランスを小さくできる。
さらに、前述の接触面を貫通するように冷媒の供給及び回収経路を備えた特徴と組み合わせることにより、キャビティ78,80,82,84,86,88とキャビティ65,67,69,71,73,75,90に同じ温度レベルの空気が圧縮機より供給されるので、ロータ外周側とロータ中心部との温度差をさらに小さくできロータ中心部に作用する半径方向引張りの熱応力が緩和される。
さらに、外側流路110aは第３段中実ディスク10の側面を通ってガスタービンのガス流路につながる構成にすることにより、外側流路110aを通過した空気でディスク側面へのガスの侵入を防ぐことができる。即ち、ディスク側面へのガスの侵入を防ぐシール空気の一部を、外側流路110aを通過した空気で補うことができ、シール空気量を削減できる。
本実施例は、第３実施例や第４実施例と共に適応するとさらに効果的である。一方、ディスク中心（軸心）部に孔を有する中空構造のディスクを備えた、ガスタービンに適応することもできる。
第３の実施例を第１図及び第３図を参考に説明する。
第３の実施例は、基本的には第２図の構成と同様の基本構成をとることができる。第２図に記載の実施例との主な相違点は、後ろから２段目の動翼である第３動翼６が空気冷却動翼であり、前記中心側連絡流路10a及び外側流路110aが前記第３段動翼６に接続されている点である。
以下に詳述する。前記共通構成の他に以下の構成を備える。
前記キャビティ73を第３段動翼６の空気供給口とを連絡するように第３段中実ディスク10の内部に流路201を備える。第３段動翼10と中実スペーサ15との間に形成されるキャビティ75と前記キャビティ90とを連絡するように、中実スペーサ15を軸方向に貫通する孔203を設ける。また、キャビティ75と第３段動翼６の空気供給口とを連絡するように第３段中実ディスク10の内部に流路202を備える。圧縮機空気流路5aから分岐した空気は、第１は、内部空間62から、スリット64,キャビティ65,孔66,キャビティ67,孔68,キャビティ69,孔70,キャビティ71,孔72を通過してキャビティ73に達する。また、第２は、内部空間62からは孔77,キャビティ78,孔79,キャビティ80,孔81,キャビティ82,孔83,キャビティ84,孔85,キャビティ86,孔87,キャビティ88,スリット89、キャビティ90を通過し、キャビティ90から中実スペーサ15を軸方向に貫通する孔203を経由してキャビティ75に達する。キャビティ73及びキャビティ75に達した空気は、第３段動翼の個数分だけ第３段中実ディスク10の内部に形成された流路201,202を通って第３段動翼６の冷却空気として用いられ、翌冷却後の空気は第３段動翼６からガス流路に放出される。
第３段動翼６からガス流路に放出された空気によりガス温度が下がり、その下流の第４段動翼７での動力回収量が低減、すなわちプラント熱効率が低下するという問題は考えられるが、蒸気冷却翼が少なくなるので必要な冷却蒸気量も減り、蒸気供給設備は小さくできる。すなわち、設備費を抑制することができる。
また本実施例では第3,4の流路を通過した空気の全量を第３段動翼６の冷却に用いているが、第3,4の流路を通過する空気の必要量が第３段動翼６の冷却量以上である場合はその余剰分を第３段中実ディスク10,第４段中実ディスク11側面のシール空気に利用することができる。
第４の実施例を第１図及び第４図を参照して説明する。
第４の実施例は、前記キャビティ78,80,82,84,86,88と翼冷却用の蒸気供給流路24〜30或いは回収流路48〜53とを連絡する流路を配置し、前記供給流路を流れる蒸気がキャビティに導入され、或いはキャビティに導入された蒸気が蒸気回収流路に導入されるよう構成されている。
本実施例は基本的には第２図に記載の実施例の構成と主要部が同様の構成を適応することができる。又、基本的には、第１図及び第２図等に示した共通構成を適応することができる。前記共通構成の他に以下の構成を備える。
詳述すると、前記中心側連絡流路10aは、キャビティ78,80,82,84,86,88と蒸気供給流路8a或いは蒸気回収流路9aとを連絡するよう設けられている。前記蒸気供給流路8aからの動翼の冷却媒体の一部が前記キャビティに供給されると共に、その後前記キャビティにある該媒体が前記蒸気回収流路9aに合流するよう流れる。
蒸気供給を目的とする蒸気供給流路（第１の流路）8aの構成要素である供給孔29からキャビティ78へ蒸気流入するための、接触面33に半径方向中心向きに設けられたスリット103を設ける。キャビティ78から蒸気回収を目的とする蒸気回収流路9aの構成要素である供給孔122に蒸気を回収するための、接触面33に半径方向中心向きに設けられたスリット104を設ける。また、スリット105から、キャビティ80に流入した蒸気が、スリット106を経て回収されるよう設けられる。同様に、スリット107,スリット108,スリット109,スリット110,スリット111,スリット112,スリット113,スリット114を設ける。
そして、これら流路を通過する蒸気は翼冷却することなく回収される。
また、蒸気供給流路8aとして、各ディスク或いはスペーサを貫通する供給孔115,116,117,118,119,120,121を適応する。また、蒸気回収流路9aとして、各ディスク或いはスペーサを貫通する回収孔122,123,124,124,125,126,127を適応する。
供給孔29を流れる蒸気の一部は、スリット103を通りキャビティ78に供給される。供給された蒸気は、第１の中実ディスク８と第１のスリット13の中心近傍を熱交換する。ガスタービン起動時は、蒸気によりディスク及びスペーサを緩めることができる。その後スリット104を経て回収孔122に回収される。
中心近傍のディスク部を暖機できるので、ロータ外周側と中心部の温度差は小さくなり中心部の半径方向引張りの熱応力は抑制される。また、ディスク中心部に左右非対称の熱変形や熱応力の発生を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
本発明により、第１に翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有するロータ部材に流入、流出する熱量を制御することができる。また、第２に大きな遠心力と熱応力が作用するロータに長期間の運転による付属部品の脱落、破損の心配がなく、翼冷却の冷媒の供給流路及び回収流路を有するロータ部材に流入、流出する熱量を制御し、信頼性を向上させたガスタービンを提供することができる。

Claims

燃焼ガスにより駆動される複数の動翼をその外周部に環状に配列した複数個のディスクと、前記ディスク間に配置されるスペーサとを順次軸方向に配置してロータ軸を構成するガスタービンにおいて、
該スペーサに面した前記ディスクのロータ軸心側の領域と隣接するスペーサとの間に間隙部を形成し、
該スペーサに面した前記ディスクのロータ外周側の領域と隣接するスペーサとの双方に両者が接触する接触面を形成し、
動翼冷却用の冷媒を供給する第１の流路及び動翼を経て加熱された冷媒を回収する第２の流路を前記ディスク及び前記スペーサに設け、
更に、前記ディスクには、前記間隙部に流体を導く第３の流路と前記第１の流路とを独立に設けたことを特徴とするガスタービン。
請求項１のガスタービンにおいて、
前記第３の流路は、前記ディスクの該接触面を形成した領域をロータ軸方向に貫通して配置すると共に、前記第３の流路を複数個設けたことを特徴とするガスタービン。
請求項１のガスタービンにおいて、前記第３の流路は、前記ディスクの該間隙部を形成する領域をロータ軸方向に貫通して配置すると共に、前記第３の流路を複数個設けたことを特徴とするガスタービン。
請求項１のガスタービンにおいて、前記動翼は、冷却用の冷媒を導入して、燃焼ガスにより加熱された該冷媒を導出する流路を備えており、
前記ロータのディスク及びスペーサ内に冷却用の前記冷媒を供給する供給流路及び加熱された冷媒回収用の回収流路を設け、
第３の流路は、前記間隙部と前記供給流路或いは前記回収流路とを連絡するように配置されていることを特徴とするガスタービン。
請求項１のガスタービンにおいて、前記間隙部を経た流体を前記ロータの外周側の燃焼ガスが流下するガス流路中に排出する排出流路を前記ディスクとスペーサの少なくとも一方に備えさせたことを特徴とするガスタービン。
請求項１のガスタービンにおいて、前記動翼は、冷却用の冷媒を導入して、燃焼ガスにより加熱された該冷媒を燃焼ガス中に直接導出する内部流路を備えており、前記間隙部を経た流体を前記動翼内の内部流路に連通する流路を備えて、該動翼の冷媒として用いることを特徴とするガスタービン。
請求項１のガスタービンにおいて、
前記ディスク及びスペーサをロータ軸方向に貫通して、ガスタービン内を流れる燃焼ガスより低い温度の流体を導く第４の流路を前記第３の流路より半径方向外方に位置するよう配置したことを特徴とするガスタービン。
燃焼ガスにより駆動される複数の動翼をその外周部に環状に配列した複数個のディスクと、前記ディスク間に配置されるスペーサとを順次軸方向に配置してロータ軸を構成され、前記動翼は冷却用の冷媒を導入して燃焼ガスにより加熱された該冷媒を導出する流路を備えているガスタービンにおいて、
前記スペーサに面した前記ディスクのロータ軸心側の領域と隣接するスペーサとの間に間隙部を形成し、
ロータ外周側の領域の前記ディスクと隣接するスペーサとの間に両者が接触する接触面を形成し、
前記ディスク及びスペーサの前記接触面を形成した領域でロータ軸方向に貫通して動翼冷却用の前記冷媒を供給する第１の流路及び動翼を経て加熱された冷媒を回収する第２の流路をそれぞれ設け、
前記ディスクには、前記間隙部に流体を導く第３の流路と前記第１の流路とを独立に設けたことを特徴とするガスタービン。
請求項８のガスタービンにおいて、
前記回収流路を、前記供給流路より半径方向外側に位置するよう配設したことを特徴とするガスタービン。
請求項８のガスタービンにおいて、
前記回収流路を、前記供給流路より半径方向内側に位置するように配設したことを特徴とするガスタービン。