JP3685985B2

JP3685985B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP3685985B2
Application number: JP2000250272A
Authority: JP
Inventors: 宣明木塚; 信也圓島; 学松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2020-08-21
Also published as: JP2002061518A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンに係り、特に、冷却媒体をロータディスク内の流路を通してタービン動翼に供給及び回収している構造のものに適用するに好適なガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、圧縮機で圧縮した作動流体に燃料を加えて燃焼し、高温高圧の作動流体を得てタービンを駆動するように構成されている。タービンの回転エネルギーは、例えば、タービンに結合されている発電機により電気エネルギーに変換される。
【０００３】
最近、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルの効率向上に大きな期待が寄せられており、その一手段として作動流体の温度のより高温及び高圧力比化が図られている。さらに、高温化と併せて、これまで主流ガス中に放出してきたガスタービン高温部の冷却媒体を、例えば，燃焼器入口等に回収することにより、熱エネルギーを有効に利用してさらに効率向上を図るクローズド冷却方式を採用したガスタービンの開発も進んでいる。
【０００４】
一般に、動翼の冷却媒体は、スタッキングボルトにより一体に組まれるロータディスクや下流側ディスクの内部に形成された流路を通して、動翼に供給される。クローズド冷却方式を採用するガスタービンにおいては、翼冷却後の冷却媒体を全て主流ガス中に放出する従来のオープン冷却方式のものに比べ、高い圧力でロータディスク内部の流路に供給される。そのため、ロータディスク内部と外部の圧力差が大きいことにより、それぞれの接触部等の少しの隙間からでも多量の冷却媒体が漏れることになる。そこで、例えば、特開平１０−３０４０５号公報に記載されているように、互いに接触し合うロータディスク間接触部にシール溝を設け、そのシール溝にシールばねを挿入し、冷却媒体の漏れを防止する構造が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスタービンの起動から運転状態において、シール溝の円周長さは、熱伸び及び遠心力により、大きく変化し、シールばねの円周方向伸びがシール溝円周方向伸びに追従しないと偏りが生じてしまい、シールばねが変形あるいは破損し、十分なシール効果が得られないという問題がある。また、ガスタービンの起動から運転状態において、ロータディスクと下流側ディスクの接触部の間隙は、スラスト，熱伸び，遠心力などの種々の影響により大きく変化する。この間隙の変動分は設計条件にもよるが、約＋０．５ｍｍにも達する。このような場合に、直径６．４ｍｍ金属Ｃシールの弾性変形でこれらの変動分を吸収しようとしても弾性変形の範囲は、０．４ｍｍであり変動分を十分に吸収できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、シール溝周方向長さや互いに向き合うロータディスクと下流側ディスク間接触部の間隙がガスタービン起動から運転時に大きく変化しても、間隙からの冷却媒体の漏れを防止し、冷却媒体の漏れによるプラント効率低下やガスタービン自体の信頼性低下を招くことのないガスタービンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、内部に冷却媒体流通路を有する動翼を保持するロータディスクと、このロータディスクに接触するとともに、上記冷却媒体流通路に連通する流通路を有するディスクとを有するガスタービンにおいて、上記ロータディスクと上記ディスクの外周側接触面の少なくとも一方に形成された環状のシール溝と、この環状のシール溝に挿入されるとともに、円形断面をもつ環状の金属製ワイヤーとを備え、上記環状ワイヤーは、周方向に係合部を有し、この係合部の一端は断面が半月状であり、上記係合部の他端も断面が半月状であり、上記係合部の一端の半月状形成部と他端の半月状形成部同士を互いにオーバーラップさせて環状を形成するようにしたものである。
かかる構成により、ガスタービン運転時には、環状ワイヤーは、回転による遠心力とロータディスク内部の冷却媒体の圧力が外部雰囲気の圧力より大きいことにより、半径外側方向に力を受け、しかも係合部はワイヤーの周方向伸びを拘束しないため、シール溝壁に密着し、ロータディスク間の隙間を塞ぎ、冷却媒体の漏れを防止し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部と、他端の半月状形成部とをオーバーラップさせる面が、ロータディスク接触面に対して垂直となるように設置したものである。
かかる構成により、係合部における漏れ面積を最小限とし、この領域からのリーク量を低減し得るものとなる。
【０００９】
（３）上記（１）において、好ましくは、上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従い、一定深さ部を有した後、浅くなるように形成したものである。
かかる構成により、運転時に環状ワイヤーが外周側に移動するに際に、シール溝壁がガイドとなり、よりロータディスク間隙間を塞ぎやすい構造とし得るものとなる。
【００１０】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従い次第に浅くなるように形成したものである。
かかる構成により、運転時に環状ワイヤーが外周側に移動するに際に、シール溝壁がガイドとなり、よりロータディスク間隙間を塞ぎやすい構造とし得るものとなる。
【００１１】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部に設けられた凹型のレール溝と、他端の半月状形成部に設けられた凸型のレールを備え、上記レール溝に上記レールを挿入するようにして形成したものである。
かかる構成により、係合部においてワイヤー同士の中心軸ずれを防止することができ、より確実な漏れ防止を行い得るものとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態によるガスタービンの構造について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造を示す断面図である。
【００１３】
動翼１は、ロータディスク２に保持されている。上流側ディスク３，ロータディスク２及び下流側ディスク４は、スタッキングボルト５により一体化され、回転体を形成している。上流側ディスク３とロータディスク２との間には、動翼１に冷却媒体を供給するためのキャビティ１０が形成されている。一方、ロータディスク２と下流側ディスク４との間には、動翼１を冷却した冷却媒体を回収するためのキャビティ１１が形成されている。
【００１４】
このように形成された構造において、冷却媒体１２は、ロータディスク内に設けられた流路６よりキャビティ１０に供給される。さらに、冷却媒体１２は、ロータディスク２に設けられた冷却媒体供給流路２０により、動翼１のダブテイル８に設けられた冷却媒体供給口２２に供給される。一方、動翼１の冷却を終えた冷却媒体１２は、動翼１のダブテイル８に設けられた冷却媒体回収口２３からロータディスク２の冷却媒体回収流路２１を通りキャビティ１１に集められる。さらに、流路７により回収され、最終的には上流側の燃焼器入口に回収される。
【００１５】
このように冷却媒体を回収するクローズド冷却方式を採用するシステムにおいては、翼冷却媒体を最終的に圧力が最も高い燃焼器入口に回収できるように、外部に設けたブースト圧縮機等により昇圧して供給しているため、ロータディスク内部の冷却媒体圧力とロータディスク外部の雰囲気圧力との間には、大きな圧力差がある。この圧力差により、間隙からの冷却媒体が漏れ、冷却媒体の漏れによるプラント効率低下やガスタービン自体の信頼性低下が生じることになる。
【００１６】
そこで、本実施形態においては、ロータディスク２と上流側ディスク３の接触面間隙に、円形断面をもつ中実の金属製環状ワイヤー４０が挿入している。また、同様に、ロータディスク２と下流側ディスク４の接触面間隙に、円形断面をもつ中実の金属製環状ワイヤー４０が挿入している。環状ワイヤー４０の挿入構造の詳細については、図２〜図４を用いて、後述する。
【００１７】
次に、図２を用いて、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細な構造について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００１８】
ロータディスク２と上流側ディスク３の接触面間隙３０には、上流側ディスク３側にシール溝３３が設けられている。シール溝３３には、半径外側方向に先窄まりとなるように勾配を持たせた壁３６が形成されている。シール溝３３には、円形断面をもつ中実の金属製環状ワイヤー４０が挿入されている。
【００１９】
ここで、図３〜図５を用いて、本実施形態によるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤー４０の構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態によるによるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤー４０の構成を示す斜視図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面図であり、図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００２０】
図３に示すように、環状ワイヤー４０には、分割部７０が設けられている。分割部７０の一方の端部７１は、図面において断面が半月状となるように、上半分をカットした形状に形成されている。また、分割部７０の他方の端部７２は、断面が半月状となるように、下半分をカットした形状に形成されている。そして、環状ワイヤー４０は、分割部７０において、ワイヤー端７１の平面部７３とワイヤー端７２の平面部７４とが重なり合うように構成されている。すなわち、ワイヤー端部７１とワイヤー端部７２は、重なり面７５を円周方向９３に自由に移動し、ワイヤー周長を設計の範囲内で変化させることが可能なように形成されている。また、重なり面７５はロータディスク端面３２に垂直となるように形成されている。
【００２１】
ここで、図２に示すように、ガスタービン運転時には、ロータディスク２及び上流側ディスク３共に回転による遠心力６０及び６１が作用し、また同時にそれぞれ熱膨張するため、ロータディスク２と上流側ディスク３との接触面３０は半径外側方向に移動する。また、このとき、動翼１を保持するロータディスク２に作用する遠心力６０と上流側ディスク３に作用する遠心力６１とでは大きさが異なるため、それぞれの変形量が異なり、接触面３０は半径方向にスライドする。このとき、シール溝３３は、上流側ディスク３の熱膨張により半径方向外側に移動し、その分周長が長くなる。また、接触面隙間３１は、運転時の高温状態での熱伸び量を考慮して設定されるため、回転軸方向の熱伸びを逃がすために起動時には隙間をある程度大きくとって設計される。
【００２２】
このような場合、クローズド冷却方式を採用するガスタービンにおいては、冷却媒体１２の圧力はロータディスク外側雰囲気圧力よりも格段に高いため、この隙間３１からの多量の冷却媒体１２が漏れるのを防止することが必要である。なぜなら、冷却媒体１２はブースト圧縮機により昇圧された媒体であるため、漏れが発生するとブースト圧縮機の動力分が損失となり、プラント全体効率を大幅に下げる結果となる。また、漏れにより動翼１に十分な冷却媒体１２を供給できなければ、冷却不足により動翼１が破損する恐れがある。
【００２３】
そこで、本実施形態においては、図３〜図５に示したような環状ワイヤー４０を用いて、冷却媒体の漏れを防止するようにしている。即ち、本実施形態では、上流側ディスク３に作用する遠心力と熱変形によりシール溝の周長が変化しても、シール溝３３内の環状ワイヤー４０が回転半径外方向に遠心力と圧力差による力６２をうけ、分割部７０を有しているために円周方向に設計範囲内で自由に伸びることが可能である。また、運転時の接触面隙間３１の変動内においては、環状ワイヤー４０はシール溝３３の勾配壁３６とロータディスク２の端面３２に密着し、隙間３１を塞ぐ作用をする。
【００２４】
また、図３に示すように、分割部７０の重なり面７５がロータディスク端面に垂直であるため、ワイヤー端部７１及び７２が重なり合わない領域７６及び７７からの漏れを考えるた時、領域７６においては、図４に示すように、半月状ワイヤーのエッジ７８がロータディスク端面３２に接触するため、漏れ面積は、シール溝３３とワイヤー端部７１の間の領域９０のみとなり、漏れ９１を微量に抑えることができる。さらに、領域７７においては、図５に示すように、半月状ワイヤーのエッジ７９がロータディスク端面３２に接触し、円弧部の８０が勾配壁３６に接触するため、漏れを防止することができ、全体として漏れを最小限とすることが可能である。
【００２５】
なお、以上の説明では、ロータディスク２と上流側ディスク３で構成される冷却媒体供給キャビティ１０からの冷却媒体１２の漏れ防止方法について説明してきたが、ロータディスク２と下流側ディスク４とで構成される冷却媒体回収キャビティ１１からの冷却媒体の漏れについても同様の方法で防止することが可能である。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ガスタービンの起動から負荷運転状態，さらには停止に至るまでのすべての運転状態において、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れを防止することができ、ガスタービンの性能低下防止と共に信頼性の向上を図ることができる。
【００２７】
次に、図６を用いて、本発明の第２の実施形態によるガスタービンの構造について説明する。なお、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造は、図１及び図２に示したものと同様である。本実施形態では、特に、環状ワイヤーの構成に特徴があるものであり、以下、図６を用いて、本実施形態による環状ワイヤーの構成について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態によるによるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤー４０ｂの構成を示す斜視図である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。
【００２８】
環状ワイヤー４０ｂのワイヤー端部７１ｂの平面部７３ｂには、レール溝８１を設けている。また、他方のワイヤー端部７２ｂの平面部７４ｂには、レール８２を設けている。そして、環状ワイヤー４０ｂは、レール８２がレール溝８１内をスライドするように形成する。
【００２９】
本実施形態による構造を備えることにより、ワイヤー端部７１ｂとワイヤー端部７２ｂのそれぞれの中心軸がずれるのを防止することが可能となる。したがって、ワイヤー端部７１ｂがふらついたりしてエッジ７８ｂがロータディスク端面３２から離れることを防ぎ、より確実な漏れ防止が可能である。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れをより確実に防止することができ、ガスタービンの性能低下防止と共に信頼性の向上を図ることができる。
【００３１】
次に、図７を用いて、本発明の第３の実施形態によるガスタービンの構造について説明する。なお、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造は、図１に示したものと同様である。本実施形態では、特に、シール部構造に特徴があるものであり、以下、図７を用いて、本実施形態によるシール部構造について説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。
【００３２】
ロータディスク２と上流側ディスク３の接触部隙間３１において、両側にシール溝３３ｂ及び３２ｂを設けている。シール溝３３ｂ及び３２ｂの外周側のシール溝壁３６ｂ及び３５ｂには勾配を設けており、ハの字型を形成している。
【００３３】
このような構造においても、図３〜図５若しくは図６に示したような構成の環状ワイヤー４０，４０ｂを用いることにより、ガスタービン運転時にシール溝３３ｂと３２ｂに半径方向段ずれが生じても、環状ワイヤー４０，４０ｂが遠心力と圧力差による力６２により外周側に持ち上げられ、シール溝壁３６ｂ及び３５ｂに密着し、接触部の隙間３１を塞ぎ、冷却媒体が外部に漏れるのを防止することができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れを防止することができ、ガスタービンの性能低下防止と共に信頼性の向上を図ることができる。
【００３５】
次に、図８を用いて、本発明の第４の実施形態によるガスタービンの構造について説明する。なお、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造は、図１に示したものと同様である。本実施形態では、特に、シール部構造に特徴があるものであり、以下、図８を用いて、本実施形態によるシール部構造について説明する。
図８は、本発明の第４の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。
【００３６】
ロータディスク２と上流側ディスク３の接触部隙間３１において、両側にシール溝３３ｃ及び３２ｃを設けている。シール溝３３ｃ及び３２ｃの外周側のシール溝壁３６ｃ及び３５ｃには勾配を設けており、なめらかな形状のハの字型を形成している。
【００３７】
このような構造においても、図３〜図５若しくは図６に示したような構成の環状ワイヤー４０，４０ｂを用いることにより、ガスタービン運転時にシール溝３３ｃと３２ｃに半径方向段ずれが生じても、環状ワイヤー４０，４０ｂが遠心力と圧力差による力６２により外周側に持ち上げられ、外周側のシール溝壁３５ｂ及び３６ｂにより安定して密着して接触部の隙間３１を塞ぐため、シール効果の信頼性が向上する。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れを防止することができ、ガスタービンの性能低下防止と共に信頼性の向上を図ることができる。
【００３９】
なお、以上の各実施形態における冷却媒体としては、蒸気を用いる場合について説明してきたが、空気，水，窒素，ヘリウムなど様々な冷却媒体にも適用可能である。そして、いずれの場合においても、信頼性の高い冷却媒体回収型ガスタービンを得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、シール溝周方向長さや互いに向き合うロータディスクと下流側ディスク間接触部の間隙がガスタービン起動から運転時に大きく変化しても、間隙からの冷却媒体の漏れを防止し、プラント効率を向上し、また、ガスタービンの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態によるによるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤー４０の構成を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態によるによるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤー４０ｂの構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１…動翼
２…ロータディスク
３…上流側ディスク
４…下流側ディスク
５…スタッキングボルト
６…冷却媒体流路
７…冷却媒体流路
８…動翼ダブテイル
１０…冷却媒体供給キャビティ
１１…冷却媒体回収キャビティ
１２…冷却媒体
２０…冷却媒体供給流路
２１…冷却媒体回収流路
２２…冷却媒体供給口
２３…冷却媒体回収口
３０…ロータディスク接触面
３１…ロータディスク接触面隙間
３２，３２ｂ，３３ｂ，３３ｃ…シール溝
３５，３５ｂ，３６ｂ…外周側シール溝壁
３６…シール溝勾配壁
４０，４０ｂ…ワイヤー
７０…ワイヤー分割部
７１，７１ｂ，７２，７２ｂ…ワイヤー端部
７３，７３ｂ，７４，７４ｂ…ワイヤー端部平面部
７５…ワイヤー端部重なり面
７６，７７…ワイヤー端部否重なり面
７８，７８ｂ，７９…ワイヤー端部エッジ
８０…ワイヤー円弧部
８１…レール溝
８２…レール

Claims

内部に冷却媒体流通路を有する動翼を保持するロータディスクと、このロータディスクに接触するとともに、上記冷却媒体流通路に連通する流通路を有するディスクとを有するガスタービンにおいて、
上記ロータディスクと上記ディスクの外周側接触面の少なくとも一方に形成された環状のシール溝と、
この環状のシール溝に挿入されるとともに、円形断面をもつ環状の金属製ワイヤーとを備え、
上記環状ワイヤーは、周方向に係合部を有し、この係合部の一端は断面が半月状であり、上記係合部の他端も断面が半月状であり、上記係合部の一端の半月状形成部と他端の半月状形成部同士を互いにオーバーラップさせて環状を形成することを特徴とするガスタービン。
請求項１記載のガスタービンにおいて、
上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部と、他端の半月状形成部とをオーバーラップさせる面が、ロータディスク接触面に対して垂直となるように設置されていることを特徴とするガスタービン。
請求項１記載のガスタービンにおいて、
上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従い、一定深さ部を有した後、浅くなるように形成されていることを特徴とするガスタービン。
請求項１記載のガスタービンにおいて、
上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従い次第に浅くなるように形成されていることを特徴とするガスタービン。
請求項１記載のガスタービンにおいて、
上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部に設けられた凹型のレール溝と、他端の半月状形成部に設けられた凸型のレールを備え、上記レール溝に上記レールを挿入するようにして形成したことを特徴とするガスタービン。