JP3768271B2 - 軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法と装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はタービンロータの流出側の支承を排気ケーシング構造の内部で行い、シールのためにラビリンスシールとグランドブシュとを使用し、その際、軸シールのために、排気通路内の排気の圧力に比して高い圧力の遮蔽空気をグランドブシュ内へ、次いで排気通路内へ誘導し、その際、ロータ冷却空気を圧縮機段から抽出して、導管を介して排気側の軸端を通してロータ内へ供給する形式の熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法とこの方法を実施するための装置とに関する。
【0002】
【従来の技術】
熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンは公知技術によれば主として羽根を備えたロータと、タービンケーシング内に装備され案内羽根を備えた羽根支持体とから成っている。タービンケーシングに続いて排気ケーシングが設けられており、この排気ケーシングは現代のターボ機械ではタービンケーシングに結合されていて、主としてハブ側の環状の内部分と、排気ディフューザを形成している環状の外部分とから成っている。内部分及び外部分は周囲にわたり均一に分配された半径方向の複数のフローリブにより互いに結合されている。内部分の内部、要するにディフューザ構造自体の内側の中空室内にはタービンロータの流出側の支承部が配置されている。
【0003】
排気ケーシングをロータが貫通している箇所の無接触式のシールを行うと共に漏れを効果的な量に軽減するために軸シール(ラビリンスシール、グランドブシュ)が存在する。
【0004】
熱い排気が軸受室内に侵入するのを阻止するために、従来では圧縮機空気が圧縮機の所定の圧縮段から抽出され、別個の導管を介して排気ケーシングへ誘導され、遮蔽空気として排気側のグランドブシュ内に直に供給される。空気の一部はシールを通って軸受室内に流出し、残りの空気は軸板に沿って熱ガス通路内に流入する。
【0005】
ガスタービンにおいて1つ又は複数の可変の案内羽根を備えた圧縮機が使用され、この案内羽根が部分負荷範囲内で所定量だけ閉鎖されると、これにより遮蔽空気の抽出箇所に全負荷時の圧力に対比して低い圧力が生じる。この運転状態で充分な遮蔽空気を発生させるためには、常時高い圧力を生じている高圧段から空気を抽出するか、又は種々異なる段の間で切換えを行わなければならない。
【0006】
高圧段からの空気の取出しの欠点とするところは、全負荷時に著しく圧縮された空気が出力のために役立つことなく、むだに消費されてしまい、これにより不都合にガスタービンの効率が低下することにある。これに対して、種々の段の間で切換えが行われる場合には、圧縮機における抽出箇所と切換弁とが多く必要であり、その結果、コストが増大する。
【0007】
排気側の軸端を通して冷却空気をロータ内へ供給しようとする場合には、遮蔽空気の他にロータ冷却空気を所定の圧縮段から抽出して、特別な導管を介してロータ内へ供給しなければならない。その場合、導管からロータへの移行箇所はラビリンスシールによりシールされなければならない。ラビリンスシールの漏れ空気は軸受の周囲に達して軸受室を加熱してしまう。このことは、計器、軸受オイルの存在とインスペクションの可能性とに基づき軸受温度が制限されているので不都合である。
【0008】
遮蔽空気とロータ冷却空気との漏れが生じる他に、軸受室が絶縁体もしくは支持構造を通る排気流からの熱の流れにより加熱される。軸受室の冷却は多くのターボ機械では自然対流で行われる。排気ディフューザ内の開口を通して流入して排気ケーシングのライニングとリブとの間の隙間を通って流出する冷却空気により軸受室の冷却が行われることも公知である。しかし、この解決手段では排気ケーシングの支持構造は周囲にわたって均一な温度を有しておらず、このことにより、熱応力の発生及び又は軸受の同軸位置が失われるおそれを生じる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
これらのすべての欠点を回避すべく本発明の課題とするところは、熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンにおいて、排気側での遮蔽兼冷却機構を改良して、わずかな製作費及び運転費用で軸受室内への排気の侵入を阻止し、軸受室内への空気漏れを可能な限りわずかとし、比較的簡単に軸受室温度を充分低く保持することができ、排気ケーシングの支持構造が周囲にわたって均一な温度を有するようにすることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の方法によれば、タービンロータの流出側の支承を排気ケーシング構造の内部で行い、シールのためにラビリンスシールとグランドブシュとを使用し、その際、軸シールのために、排気通路内の排気の圧力に比して高い圧力の遮蔽空気をグランドブシュ内へ、次いで排気通路内へ誘導し、その際、ロータ冷却空気を圧縮機段から抽出して、導管を介して排気側の軸端を通してロータ内へ供給する形式の熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法において、ロータ冷却空気の漏れの一部をラビリンスシールの一部の後方で分岐して遮蔽空気として使用し、かつ、軸受室内へ周囲空気を冷却空気として供給し、グランドブシュを介して、遮蔽空気から分離して周囲に均一に分配し、排気ディフューザ内を貫通する通路を通して外部へ搬送する。
【0011】
上記方法を実施するため本発明装置によれば、冷却されるロータの排気側端部のところのラビリンスシールが分割されており、かつ、この分割箇所のところに、グランドブシュへ通じた少なくとも1つの導管を備えた少なくとも1つの中間タップが遮蔽空気のために配置されており、グランドブシュに達する別の導管が、冷却空気として作用する周囲空気のために軸受室内に配置されており、グランドブシュが遮蔽空気と冷却空気とのための2つの同軸的な環状室に分割されており、かつ冷却空気のための環状室が孔を介して軸受室に接続されており、かつ、軸受室が上部ではフードにより、かつ下部ではオイルドリッププレートにより分割されている。
【0012】
本発明の利点とするところは、遮蔽空気のために圧縮機に別個の抽出箇所を設ける必要がなく、従って別個の遮蔽空気供給も不要であり、これにより、軸受室内への漏れ空気量が最小となり、支持構造、軸受及びオイルワイパのために周囲にわたる均一な冷却が達成され、従って、装置の効率が向上することにある。
【0013】
遮蔽空気の量と圧力とを、ラビリンスシールの数の変化とラビリンスシールのそのつどのギャップ寸法の変化により最適に調整すると特別効果的である。それというのは、このようにすれば、軸受室内に流入する漏れ空気を比較的低いレベルに保持することができ、ひいては軸受の不所望な加熱を排除することができるからである。
【0014】
さらに、支持構造と排気ケーシングの内部の絶縁体との間でフローリブに沿って、有利にはこのフローリブの両側でその脚のところに、軸方向で延びる冷却通路が設けられ、この冷却通路がそのタービン側の入口で孔を介してグランドブシュの冷却空気のための環状通路に接続され、かつその出口で別の孔を介して軸受室に接続されていて、冷却空気のための環状通路からの冷却空気により貫流されると有利である。このように冷却通路内に冷却空気を通流することにより、空気が節約され、大きな熱伝導率が得られる。流れの障害物が存在せず、従って内側のケーシング支持構造の周囲にコンスタントな温度が得られる。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に図1から図6までの図面につき本発明の実施例を1軸式の軸流ガスタービンに基づいて説明する。
【0016】
図面には本発明の理解にとって重要な部分だけが示されている。装置のうち、例えばガスタービンの入口部分及び圧縮機全体は図示されていない。作動媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【0017】
図1は1軸式の軸流ガスタービンのうちのタービンの排気側とタービンの最終段の部分縦断面を示す。
【0018】
細部のより良き理解のために、図2には排気系内の軸受領域が、図3にはラビリンスシールの領域が拡大図示されている。
【0019】
図1から判るように、軸流ガスタービンは主として回転羽根1を備えたロータ2と、案内羽根3を備えた羽根支持体4とを備えており、この羽根支持体4はタービンケーシング5内に配置されている。タービンケーシング5には排気ケーシング6が結合されており、この排気ケーシング内には周囲にわたり均一に分配された複数のフローリブ12が配置されている。図2から判るように、フローリブ12は絶縁体11により囲われた支持リブ20を囲んでいる。排気ケーシング6には排気ディフューザ9が結合されている。
【0020】
ロータ2の流出側の支承部(軸受ケーシング14,軸受15)が排気ケーシング構造の内部に配置されている。軸受ケーシング14と排気ケーシング6の環状の内部分7との間には軸受室16が延びており、この軸受室16はタービン側で排気通路32に対してはグランドブシュ18を介して、かつロータ冷却空気に対してはラビリンスシール17を介してシールされている。
【0021】
ロータ2の冷却のために、図示されていない圧縮機からロータ冷却空気Rが抽出されて、圧縮機から出発して排気系の端部に位置する通路8を通して案内されていて延長された機械軸線の領域内で排気側の軸端へ達している導管19を介して、ロータの排気側の軸端を通ってロータ2内へ供給される。この導管19と回転するロータ2との間の隙間21内にこのロータ冷却空気の漏れLが生じ、この漏れは従来の技術では、すべて軸受室16内へ流出して軸受15の周囲に達する。この箇所は一般にはラビリンスシール17によりシールされている。
【0022】
図3に示されているように、本発明によれば、ラビリンスシール17が、ギャップ幅s1を有していてn1個のシールストリップを備えたラビリンスシール17.1と、ギャップ幅s2を有していてn2個のシールストリップを備えたラビリンスシール17.2とに分割されている。両方のラビリンスシール17.1と17.2との間には遮蔽空気Sのための導管22が配置されており、この導管は軸受ケーシング14の脇を通ってグランドブシュ18へ通じている。要するにロータ冷却空気の漏れLの一部が遮蔽空気Sとして使用される。遮蔽空気Sが所要の圧力を有することができるように、この遮蔽空気Sはラビリンスシールの一部の後方から抽出される。この抽出により、残りのラビリンスシールを通る漏れ空気量が減少し、その結果、空気損失が最小となり、ひいては効率損失が最低となり、軸受室の周囲がわずかにしか加熱されない。
【0023】
勿論、本発明はただ1つの遮蔽空気のための導管22を配置することに制約されない。有利には、2つ又はそれ以上のこの種の導管を軸受ケーシングの周りの任意の可能な箇所に配置することができる。
【0024】
図4は分割されたラビリンスシールにおける質量流れ比(ロータ冷却空気漏れ量L1全体の質量流れm1/実際に軸受室16内へ流入する漏れ空気量L2の質量流れm2)と、シールストリップの数の比(n2/n1)もしくはギャップ幅の大きさの比(s1/s2)との依存性を示す。質量流れ比m1/m2はn2/n1及びs1/s2の増大に伴って増大している。要するに、遮蔽空気Sの量(m1−m2)及びその圧力はラビリンスシールのシールストリップの数の変化と、ギャップ寸法の変化とにより変化することができる。
【0025】
本発明解決手段の著しい付加的な利点とするところは、圧縮機からの別個の遮蔽空気供給が不要であり、遮蔽空気Sのための別個の抽出箇所を圧縮機に設ける必要がないことにある。
【0026】
軸受室16が漏れ空気により、かつ絶縁体11と、ハブ31及び支持リブ20を含む支持構造10とを通る排気流Aからの熱の流れにより著しく加熱されることがないように軸受室が冷却される(図2参照)。その場合、軸受室16内に流入した熱は、ベンチレータ23からグランドブシュ18へ通じている導管24を通して供給される周囲空気により、排気ディフューザ9を貫通した通路8を通して外部へ搬出される。
【0027】
グランドブシュ18は2つの同軸的な環状室25,26に分割されており、その場合、環状室25は遮蔽空気Sのために、かつ環状室26は軸受室冷却空気Kのために役立てられる。空気はグランドブシュ18を通って均一に周囲に分配される。
【0028】
軸受室16は上部では軸受ケーシング14と支持構造10との間に支持構造10に対してほぼ平行に配置されたフード27により、かつ下部ではオイルドリッププレート28により2つの室に分割されており、その場合、グランドブシュ18内の冷却空気のための環状室26内に適宜設けられた孔29を介して、軸受室16の両方の部分内の所要の冷却空気量が規定される。これにより、支持構造10が所期のとおりかつ周囲にわたり均一に冷却される。それと同時に、軸受ケーシング14の周囲と、フード27内に配置された計器とが別個に冷却される。さらに、フード27は計器と軸受ケーシング14とへの熱放射を阻止する役目を有している。
【0029】
上部及び下部において、冷却空気のための環状室26から所期の冷たい空気がオイルワイパ13の近くへもたらされる。これにより、常時わずかな負圧を受けるべき軸受15内に冷たい空気だけが侵入することができる。
【0030】
本発明は上述した実施例に限定されないのは勿論である。図5及び図6には本発明の別の実施例が示されている。上述の実施例に対して付加的にこの場合には冷却通路30も支持構造10内に配置されている。この冷却通路30は支持リブ20の脚のところに位置しており、孔29を介して冷却空気のための環状室26から空気の供給を受ける。この冷却通路30はそれぞれ有利には支持リブ20の両側でその脚のところに配置されて、排気流からの熱をハブ31内もしくは内部スペース内への侵入前に排出するのに役立てられる。
【0031】
この手段により、支持リブの脚のところの正確な熱伝達率を得ることができ、このことが、すべてのフローリブ12における正確な熱排出もしくは均一な温度を保証する。その他の利点とするところは、冷却通路内への冷却空気の所期の使用により空気を節約することができると共に、空気が冷却通路内を流れ、これにより流れの障害が存在しないために大きな熱伝達率を得ることができる。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく組合わされた遮蔽兼冷却機構の利点とするところは、確実な熱排出が保証されること、支持構造、軸受本体及びオイルワイパのための周囲にわたる均一な冷却が得られること、冷却空気のための環状室内の孔の大きさ及び数の選択により、冷却空気の流れを所期のとおり調整することができること、かつ、組合わされたグランドブッシュの使用によりコストの節約が可能であることにある。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガスタービンの排気系の縦断面図である。
【図2】ガスタービンの排気系の軸受領域の部分縦断面図である。
【図3】図2のラビリンスシールとロータ冷却空気通路とを拡大した図である。
【図4】中間タップを備えた分割されたラビリンスシールにおける質量流れ比とシールストリップの数の比並びにラビリンスシールのギャップ幅の比との関係を示す図である。
【図5】軸受領域の部分縦断面図である。
【図6】図5のフローリブの領域を部分的に断面した図である。
【符号の説明】
1 回転羽根、 2 ロータ、 3 案内羽根、 4 羽根支持体、 5 タービンケーシング、 6 排気ケーシング、 7 内部分、 8 通路、 9 排気ディフューザ、 10 支持構造、 11 絶縁体、 12 フローリブ、13 オイルワイパ、 14 軸受ケーシング、 15 軸受、 16 軸受室、 17 ラビリンスシール、 18 グランドブシュ、 19 ロータ冷却空気のための導管、 20 支持リブ、 21 導管とロータとの隙間、 22遮蔽空気のための導管、 23 ベンチレータ、 24 軸受室冷却空気のための導管、 25 遮蔽空気のための環状室、 26 軸受室冷却空気のための環状室、 27 フード、 28 オイルドリッブプレート、 29 孔、 30 冷却通路、 31 ハブ、 32 排気通路、 A 排気、 K 軸受室冷却空気、 L ロータ冷却空気の漏れ、 R ロータ冷却空気、 S 遮蔽空気、 m1 ロータ冷却空気の漏れ全体の質量流れ、 m2 ロータ冷却空気の実際の漏れの質量流れ、 m1−m2 遮蔽空気の質量流れ、 n1 第1のラビリンスシールのシールストリップの数、 n2 第2のラビリンスシールのシールストリップの数、 s1 第1のラビリンスシールのギャップ幅、 s2 第2のラビリンスシールのギャップ幅
Claims (6)
- タービンロータ(2)の流出側の支承を排気ケーシング構造の内部で行い、シールのためにラビリンスシール(17)とグランドブシュ(18)とを使用し、その際、軸シールのために、排気通路(32)内の排気(A)の圧力に比して高い圧力の遮蔽空気をグランドブシュ(18)内へ、次いで排気通路(32)内へ誘導し、その際、ロータ冷却空気(R)を圧縮機段から抽出して、導管(19)を介して排気側の軸端を通してロータ(2)内へ供給する形式の熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法において、ロータ冷却空気の漏れの一部をラビリンスシールの一部の後方で分岐して遮蔽空気(S)として使用し、かつ、軸受室(16)内へ周囲空気を冷却空気(K)として供給し、グランドブシュ(18)を介して、遮蔽空気(S)から分離して周囲に均一に分配し、排気ディフューザ(9)内を貫通する通路(8)を通して外部へ搬送することを特徴とする軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法。
- 遮蔽空気(S)の量と圧力とを、ラビリンスシール(17.1,17.2)のシールストリップの数(n1,n2)の変化とラビリンスシール(17.1,17.2)のそのつどのギャップ寸法(s1,s2)の変化により調整する請求項1記載の方法。
- グランドブシュ(18)の冷却空気室(26)からの空気を支持リブ(20)の冷却のために使用する請求項1記載の方法。
- 請求項1記載の方法を実施する装置において、冷却されるロータ(2)の排気側端部のところのラビリンスシール(17)が分割されており、かつ、この分割箇所のところに、グランドブシュ(18)へ通じた少なくとも1つの導管(22)を備えた少なくとも1つの中間タップが遮蔽空気(S)のために配置されており、グランドブシュ(18)に達する別の導管(24)が、冷却空気(K)として作用する周囲空気のために軸受室内に配置されており、グランドブシュ(18)が遮蔽空気(S)と冷却空気(K)とのための2つの同軸的な環状室(25,26)に分割されており、かつ冷却空気のための環状室(26)が孔(29)を介して軸受室(16)に接続されており、かつ、軸受室(16)が上部ではフード(27)により、かつ下部ではオイルドリッププレート(28)により分割されていることを特徴とする軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための装置。
- 支持構造(10)と排気ケーシング(6)の内部の絶縁体(11)との間で支持リブ(20)に沿って軸方向に延びる冷却通路(30)が配置されており、この冷却通路(30)が、そのタービン側の入口で孔(29)を介してグランドブシュ(18)の冷却空気のための環状通路(26)に、かつその出口で別の孔(29)を介して軸受室(16)に接続されている請求項4記載の装置。
- 冷却通路(30)が支持リブ(20)の両側でその脚のところに設けられている請求項5記載の装置。
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