JP3993349B2 - 蒸気冷却ガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気冷却ガスタービンに関し、特に蒸気冷却ガスタービンのスピンドルボルトのシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの高効率化のために、ガスタービンの燃焼ガスの膨張機入口温度は年々上昇を続けており、近時この温度を１５００°Ｃとしたガスタービンが提案されている。こうした高温の燃焼ガスからガスタービンの静翼および動翼を保護するために、従来の空気による冷却に代えて比較的低温の蒸気にて冷却する所謂蒸気冷却ガスタービンの開発が行われている。こうした蒸気冷却ガスタービンでは、蒸気は、例えば、蒸気源としてコンバインドサイクルの蒸気タービンからの抽気を用いることができ、特にガスタービンの動力を冷却する冷却蒸気は、前記蒸気源からガスタービンのロータ尾端部からロータ内に形成された蒸気通路を経て、ロータディスクに取り付けられた各動翼に供給される。
【０００３】
前記蒸気通路は、ロータ尾端部から軸方向に延びる複数の蒸気供給路と、該蒸気供給路に連通し各ロータディスクに取り付けられた動翼の各々に均一に蒸気を分配するために周方向に形成した蒸気供給室と、動翼からの蒸気を均一に回収する蒸気回収室、および、蒸気回収室から蒸気を蒸気冷却ガスタービン外へ導くための蒸気回収路から成る。
【０００４】
図６を参照すると、従来技術による蒸気冷却ガスタービンのロータの部分断面が示されている。図６には、ロータ１００の第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０が示されており、該第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０は、その周縁部近傍に軸方向に貫通、形成された複数の通孔１１２、１２２が周方向に等間隔に配設されており、該通孔１１２、１２２にスピンドルボルト１０２を挿通、締結することにより、第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０は、他のロータディスクに連結され、一体的に回転するガスタービンロータが形成される。
【０００５】
第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０において、スピンドルボルト１０２を挿通するための通孔１１２、１２２の更に外周部分には動翼を冷却するための蒸気（以下、単に冷却蒸気と記載する）を供給、回収するための複数の蒸気通路１１４、１２４が周方向に等間隔に形成されている。蒸気通路１１４、１２４には、冷却蒸気を供給する蒸気供給路を形成する複数の蒸気供給管１０４と、動翼を冷却した後の冷却蒸気を回収する蒸気回収路を形成する複数の蒸気回収管１０６とが周方向で交互に配設される。また、同様に、第２段ロータディスク１２０と第３段ロータディスク（図示せず）の間には第２段動翼に冷却蒸気を供給するための蒸気供給室１３４が形成されている。
【０００６】
第１段ロータディスク１１０の外側の端面には、第１段動翼（図示せず）に冷却蒸気を均一に分配、供給するための蒸気供給室１３０が形成されており、第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０の間には、第１段および第２段動翼を冷却した後の冷却蒸気を均一に回収するための蒸気回収室１３２が形成されている。
【０００７】
一般的に、蒸気冷却ガスタービンの冷却蒸気の供給源としては蒸気タービンの抽気が用いられる。冷却蒸気供給源からの冷却蒸気は、蒸気冷却ガスタービンのロータに形成された蒸気供給通路を通って蒸気供給管１０４に到達し、次いで蒸気供給管１０４から蒸気供給室１３０、１３４を介して第１段動翼および第２段動翼に供給される。第１段動翼および第２段動翼を冷却した後の冷却蒸気は、蒸気回収室１３２から蒸気回収管１０６を介して回収される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
複数のロータディスクをスピンドルボルトにより互いに連結してロータを組み立てる際の作業性から、通孔１１２、１２４は、特に図６からも理解されるように、スピンドルボルトの直径に対して余裕を持たせて若干大きな内径を有しており、両者間には間隙が形成されている。一方、ロータに形成された冷却蒸気回収室１３２、１３４は通孔１１２、１２２に連通しており、第１段および第２段ロータディスク１１０、１２０と、スピンドルボルト１０２との間の間隙から蒸気が漏洩する。第２段ロータディスク１２０とスピンドルボルト１０２との間から漏洩した蒸気は、冷却蒸気回収室１３２内へ流入し冷却蒸気回収管１０６を介して回収可能であるが、第１段ロータディスク１１０とスピンドルボルト１０２との間から漏洩した蒸気は回収されず、該蒸気冷却ガスタービンを利用するプラントの総合効率を低下させる。
【０００９】
この第１段ロータディスク１１０とスピンドルボルトとの間の蒸気の漏洩を防止するために、例えば、特開平１１−５０８０３号公報等の従来技術では、図６、７に示すように、環状のシール部材１４０およびＣ形止め輪１４２により第１段ロータディスク１１０とスピンドルボルト１０２との間の漏洩蒸気量の低減を図っている。Ｃ形止め輪１４２は第１段ロータディスク１１０に形成された環状溝内にスナップ式に嵌合されているが、ロータが回転すると、遠心力の作用により、Ｃ形止め輪１４２が変形、特に径方向の寸法が縮小する所謂縮径が生じ環状溝１１６から脱落することが危惧される。
【００１０】
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、蒸気冷却ガスタービンのロータを形成のスピンドルボルト貫通部のシール構造において、シール部材およびその保持部材の取付けを確実にすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、冷却蒸気供給源からガスタービンのロータに形成した蒸気供給路、および、該蒸気供給路に連通する蒸気供給室を介して動翼に冷却用蒸気を供給し、ロータに形成した蒸気回収室、および、該蒸気回収室に連通する蒸気回収路を介して冷却蒸気を回収する蒸気冷却ガスタービンにおいて、
前記ロータは、ロータディスクに形成した通孔にスピンドルボルトを挿通し、該スピンドルボルトにより複数のロータディスクを締結することにより形成されて成り、前記通孔において前記蒸気回収室へ開口する端部に、前記通孔の内径よりも大きな内径を有する凹所より成るシール部材収容部を形成し、前記シール部材収容部の側壁から半径方向内側に突出する係合部を設け、前記シール部材収容部内の底面に当接するように環状のシール部材を配設し、前記シール部材収容部内において、前記シール部材の軸方向外側に保持部材を配設し、前記保持部材が、前記シール部材収容部内に形成した係止部に係合する係合部材と、前記係合部材を軸方向両側部から挟持する第１と第２の保持部材とを含んで成る蒸気冷却ガスタービンを要旨とする。
【００１２】
本発明によれば、シール部材は保持部材により挟持され、シール部材収容部内に保持される。従来技術ではシール部材はＣ形止め輪によってのみ保持されているが、Ｃ形止め輪は、ロータが回転したときの遠心力により変形するが、本発明では、係合部材を第１と第２の保持部材により軸方向の両側部から挟持することにより、その変形を可及的に低減される。
【００１３】
好ましくは、前記シール部材は、内周縁部および外周縁部に沿って形成された２つのテーパ面により、前記シール部材の一方の端面に形成されるシール面を有している。
【００１４】
このように、シール部材の内周縁部および外周縁部に沿って２つのテーパ面を形成し、シール部材の一方の端面において２つのテーパ面の間にシール面を形成し、該シール面をシール部材収容部の底面に当接させることにより、シール面に印加される面圧を高めることが可能となり、シール性が向上する。
【００１５】
好ましい実施形態によれば、前記係合部材をＣ形止め輪状部材により形成することができる。更に好ましくは、Ｃ形止め輪状部材の外周縁部に沿って外テーパ面を形成し、前記係止部に前記Ｃ形止め輪状部材の外テーパ面に相補形に係合するテーパ面を設けることができる。
【００１６】
また、好ましくは、前記Ｃ形止め輪状部材の内周縁部に沿って複数の舌部を設け、該舌部に内テーパ面を形成し、前記第１の保持部材に前記Ｃ形止め輪状部材の内テーパ面と係合可能なテーパ面を設ける。
【００１７】
係合部材の変形量は、係合部材に作用する遠心力の大きさに加えて、係合部材と、第１と第２の保持部材の間に作用する摩擦力により決定されるので、第１と第２の保持部材の製造誤差によっては、係合部材と、第１と第２の保持部材の間に作用する摩擦力が不十分で、遠心力により係合部材が変形することも生じ得る。本発明によれば、係合部材の内周縁部に形成されたテーパ面が、係合部材の変形時に、第１の保持部材のテーパ面に当接することにより、係合部材の変形量を低減し、係合部材が係止部から脱落することを防止することができる。
【００１８】
好ましくは、前記第１の保持部材に外ネジを形成し、前記第２の保持部材に前記第１の保持部材の外ネジと係合する内ネジを形成する。そして、第１と第２の保持部材の間に前記係合部材を配置して、前記第１と第２の保持部材の外ネジおよび内ネジを係合させることにより、前記係合部材を第１と第２の保持部材の間に挟持するようにできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、以下の説明では、主として第１段ロータディスクのスピンドルボルト貫通部について記載するが、その余のロータの構成は従来技術のロータと同様となっている。
【００２０】
図１から図４は、第１段ロータディスク１０の部分断面図であり、スピンドルボルト４０を挿通させるための通孔１２を有しており、該通孔１２は、第１のロータディスク１０と第２のロータディスク（図示せず）の間に形成される蒸気回収室５０に連通している。第１段ロータディスク１０の内側の端面、つまり、蒸気回収室５０を形成する端面には、通孔１２の開口部を囲繞するように、環状のシール部材２０を配設するためのシール部材収容部として通孔１２よりも大きな内径を有する座ぐり穴または凹所３０（図４参照）が形成されている。凹所３０内には、環状のシール部材２０と、該シール部材２０を凹所３０内に保持するための保持部材２２、２４、２６が配設される。前記保持部材は、ボルトを形成する第１の保持部材２２と、前記ボルトに係合するナットを形成する第２の保持部材２６と、第１と第２の保持部材２２、２６の間に挟持される係合部材２４を具備して成る。
【００２１】
凹所３０は、その底面３２に連続する側面から形成される第１の収容部３４と、第１の収容部３４に隣接させて形成された環状の凹溝より成る第２の収容部３６と、半径方向内側に突き出した環状の突起より成る係止部１４を挟んで前記第２の収容部３６の軸方向外側に凹所３０の開口部に形成された第３の収容部３８を含んで成る。
【００２２】
シール部材２０は、凹所３０内において最も奥方に形成されている第１の収容部３４内に配設され、凹所３０の底面３２に当接するシール面２０ａを有している。シール面２０ａは、シール部材２０の外周縁部および内周縁部に沿って形成されたテーパ面２０ｂ、２０ｃの間に、シール部材２０の一方の端面から軸方向に隆起した円形の幅の狭い端面として形成されており、このようにシール部材２０を細い円形のシール面２０ａにて凹所３０の底面３２に当接させることにより面圧を高め、底面３２とシール部材２０との間のシール性を高めている。
【００２３】
第１の保持部材２２は、一端に外ネジ２２ｃを有する実質的に円筒状の本体部２２ａと、該本体部２２ａにおいて前記外ネジ２２ｃの反対側の端部に連結する環状の挟持部２２ｂとを有し、本体部２２ａと挟持部２２ｂとの間の連結部にテーパ面２２ｄが形成されている。また、本体部２２ａにおいて外ネジ２２ｃの設けられている側の端面には、第１の保持部材２２を組み付けるときの工具またはジグと係合させるためのすり割り２２ｅが形成されている。
【００２４】
第２の保持部材２６は、第１の保持部材２２の外ネジ２２ｃと係合する内ネジ２６ａを有する環状部材より成り、一方の端面の中心部には軸方向に隆起する挟持部２６ｂが形成されている。また、第２の保持部材２６も同様に、第２の保持部材２６を組み付けるときの工具またはジグと係合させるためのすり割り２６ｃが形成されている。
【００２５】
図５をも参照すると、係合部材２４は所謂Ｃ形止め輪に類似する部材（本明細書では、Ｃ形止め輪状部材と称する）より成り、その内周面に沿って等間隔に配設された複数の舌部２４ａを有している。舌部２４ａには、該係合部材２４をロータディスク１０に組み付けたときに、第１の保持部材２２のテーパ面２２ｄに対面する内テーパ面２４ｂが形成されており、係合部材２４の断面において対角線を挟んで内テーパ面２４ｂの反対側の隅部には、係止部１４のテーパ面１４ａに係合する外テーパ面２４ｃが、係合部材２４の外周縁部に沿って形成される。
【００２６】
以下、本実施形態の作用をシール部材２０の組立工程を順に追いながら説明する。
第１段ロータディスク１０の通孔１２にスピンドルボルト４０を通した後に、シール部材２０をスピンドルボルト４０に通しながら、凹所３０の第１の収容部３４に配置する。次いで、第１の収容部３４に配置されたシール部材２０の軸方向の外側から、第１の保持部材２２をスピンドルボルト４０に通しながら、その挟持部２２ｂがシール部材２０に当接するように凹所３０内に配置する。次いで、係合部材としてのＣ形止め輪状部材２４を第２の収容部３６にはめ込むようにして、第１の保持部材２２の外周面に配置する。次いで、第２の保持部材２６の内ネジ２６ａを第１の保持部材２２の外ネジ２２ｃに係合させ、第２の保持部材２６を第１の保持部材２２に締結する。
【００２７】
第２の保持部材２６を締め込んでゆくと、第２の保持部材２６の挟持部２６ａが係合部材２４に当接して（図２、３参照）、係合部材２４を凹所３０の奥へ押し込む。この間、係合部材２４は、その外周縁部に形成されたテーパ面２４ｃにおいて係止部１４のテーパ面１４ａと係合しながら半径方向に拡がる。第２の保持部材２６を第１の保持部材２２に対して完全に締結すると、係合部材２４は、凹所３０の第２の収容部３６に嵌合すると共に、第１と第２の保持部材２２、２６の各々の挟持部２２ｂ、２６ｂの間に挟持される。これにより、第１の保持部材２２、係合部材２４および第２の保持部材２６は一体の保持部材となり、係合部材２４のテーパ面２４ｃが係止部１４のテーパ面１４ａに係合することにより、前記保持部材が凹所３０内に係止され、シール部材２０が凹所３０の第１の収容部３４内に保持される。このとき、第１と第２の保持部材２２、２６においてすり割り２２ｅ、２６ｃが形成されている端面で、両者をかしめることにより、第１と第２の保持部材２２、２６が互いに緩むことを防止しても良い。
【００２８】
全てのロータディスクをスピンドルボルト４０により締結してロータを形成し、蒸気冷却ガスタービンを作動させると、第１のロータディスク１０の凹所３０は、蒸気回収室５０に連通しているために、蒸気回収室５０内の第１段動翼および第２段動翼を冷却した後の冷却蒸気の圧力により、シール部材２０は凹所３０の底面３２に押圧される。
【００２９】
一般的に、ガスタービンの如く高温となる回転機械では、機械温度が上昇したときの熱膨張を考慮して、各構成要素は遊びを見込んだ寸法にて形成される。本実施形態においても、シール部材２０は内径および外径寸法は、こうした遊びを含んでおり、シール部材２０の外周面および内周面は、凹所３０の第１の収容部３４の内周面やスピンドルボルト４０の外周面に必ずしも接触していない。特に、蒸気冷却ガスタービンが作動してロータが回転すると、スピンドルボルト４０は遠心力により半径方向外側へ変形し、シール部材２０および保持部材２２、２４、２６もまた半径方向外側へ変位する。このとき、シール部材２０が半径方向外側へ変位すると共に、シール部材２０それ自体が蒸気回収室５０内の蒸気圧力により凹所３０の底面３２に押圧されることから、シール部材２０の外周面と第１の収容部３４の内周面との間からの蒸気漏洩が防止される。然しながら、シール部材２０とスピンドルボルト４０との間からの蒸気の漏洩は、シール部材２０により低減することはできるが、完全に防止することはできない。
【００３０】
本実施形態によれば、シール部材２０は保持部材２２、２４、２６により保持される。既述したように、従来技術ではシール部材はＣ形止め輪によってのみ保持されている。Ｃ形止め輪は、ロータ回転したときの遠心力の作用により変形するので、その脱落が危惧されるが、本実施形態によれば、係合部材２４を形成するＣ形止め輪状部材は、第１と第２の保持部材２２、２６により軸方向の両側面から挟持されるために、遠心力により変形しにくくなっている。また、係合部材２４の変形量は、係合部材２４に作用する遠心力の大きさに加えて、係合部材２４と、第１と第２の保持部材２２、２６の間に作用する摩擦力により決定される。従って、第１と第２の保持部材２２、２６の製造誤差によっては、係合部材２４と、第１と第２の保持部材２２、２６の間に作用する摩擦力が不十分で、遠心力により係合部材２４が変形することも生じ得る。この場合でも、本実施形態では、係合部材２４の内周縁部に形成されたテーパ面２４ａが、第１の保持部材２２のテーパ面２４ｄに当接することにより、係合部材２４の変形量を低減し、係合部材２４が係止部１４から脱落することを防止している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態による蒸気冷却ガスタービンのロータディスクのスピンドルボルト貫通部の要部拡大断面図である。
【図２】保持部材の組立を説明するための図１と同様のロータディスクのスピンドルボルト貫通部の要部拡大断面図である。
【図３】図２においてＡで示す部分の更に拡大断面図である。
【図４】本発明実施形態による第１のロータディスクの部分拡大断面図である。
【図５】図３において矢視Ｖ−Ｖの方向に見た、係合部材としてのＣ形止め輪状部材の部分平面図である。
【図６】蒸気冷却ガスタービンのロータの部分断面図である。
【図７】従来技術によるロータディスクのスピンドルボルト貫通部の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０…第１段ロータディスク
１２…通孔
１４…係合部
２０…シール部材
２２…第１の保持部材
２４…係合部材（Ｃ形止め輪状部材）
２６…第２の保持部材
３０…凹所

Claims (14)

1. 冷却蒸気供給源からガスタービンのロータに形成した蒸気供給路、および、該蒸気供給路に連通する蒸気供給室を介して動翼に冷却用蒸気を供給し、ロータに形成した蒸気回収室、および、該蒸気回収室に連通する蒸気回収路を介して冷却蒸気を回収する蒸気冷却ガスタービンにおいて、
   前記ロータは、ロータディスクに形成した通孔にスピンドルボルトを挿通し、該スピンドルボルトにより複数のロータディスクを締結することにより形成されて成り、
   前記通孔において前記蒸気回収室へ開口する端部に、前記通孔の内径よりも大きな内径を有する凹所より成るシール部材収容部を形成し、前記シール部材収容部の側壁から半径方向内側に突出する係合部を設け、前記シール部材収容部内の底面に当接するように環状のシール部材を配設し、前記シール部材収容部内において、前記シール部材の軸方向外側に保持部材を配設し、
   前記保持部材が、前記シール部材収容部内に形成した係止部に係合する係合部材と、前記係合部材を軸方向両側部から挟持する第１と第２の保持部材とを含んで成る蒸気冷却ガスタービン。
2. 前記シール部材の内周縁部および外周縁部に沿って２つのテーパ面を形成し、シール部材の一方の端面において２つのテーパ面の間にシール面を形成した請求項１に記載の蒸気冷却ガスタービン。
3. 前記係合部材がＣ形止め輪状部材により形成される請求項１または２に記載の蒸気冷却ガスタービン。
4. 前記Ｃ形止め輪状部材は、その外周縁部に沿って外テーパ面が形成されており、前記係止部が、前記Ｃ形止め輪状部材の外テーパ面に相補形に係合するテーパ面を有している請求項３に記載の蒸気冷却ガスタービン。
5. 前記Ｃ形止め輪状部材は、その内周縁部に沿って複数の舌部が形成されており、該舌部に内テーパ面が形成されており、前記第１の保持部材が前記Ｃ形止め輪状部材の内テーパ面と係合可能に設けられたテーパ面を有している請求項３または４に記載の蒸気冷却ガスタービン。
6. 前記第１の保持部材が外ネジを有しており、前記第２の保持部材が前記第１の保持部材の外ネジと係合する内ネジを有しており、両者を係合させることにより、前記係合部材を第１と第２の保持部材の間に挟持する請求項１から５の何れか１項に記載の蒸気冷却ガスタービン。
7. 冷却蒸気供給源から動翼に冷却用蒸気を供給し、該動翼を冷却する蒸気冷却ガスタービンの蒸気漏洩防止用のシール装置において、
   前記ガスタービンは、複数のロータディスクをスピンドルボルトにより締結してロータを形成するために形成した通孔と、該通孔の一方の端部に形成した前記通孔の内径よりも大きな内径を有する凹所より成るシール部材収容部と、前記シール部材収容部の側壁から半径方向内側に突出する係合部とを有しており、
   前記シール装置が、前記シール部材収容部内の底面に当接するように配設された環状のシール部材と、
   前記シール部材収容部内において、前記シール部材の軸方向外側に配設された保持部材とを具備して成り、
   前記保持部材が、前記シール部材収容部内に形成した係止部に係合する係合部材と、前記係合部材を軸方向両側部から挟持する第１と第２の保持部材とを含んで成る蒸気冷却ガスタービンのシール装置。
8. 前記シール部材の内周縁部および外周縁部に沿って２つのテーパ面を形成し、シール部材の一方の端面において２つのテーパ面の間にシール面を形成した請求項７に記載の蒸気冷却ガスタービンのシール装置。
9. 前記係合部材がＣ形止め輪状部材により形成される請求項７または８に記載の蒸気冷却ガスタービンのシール装置。
10. 前記Ｃ形止め輪状部材は、その外周縁部に沿って外テーパ面が形成されており、前記係止部が、前記Ｃ形止め輪状部材の外テーパ面に相補形に係合するテーパ面を有している請求項９に記載の蒸気冷却ガスタービンのシール装置。
11. 前記Ｃ形止め輪状部材は、その内周縁部に沿って複数の舌部が形成されており、該舌部に内テーパ面が形成されており、前記第１の保持部材が前記Ｃ形止め輪状部材の内テーパ面と係合可能に設けられたテーパ面を有している請求項９または１０に記載の蒸気冷却ガスタービンのシール装置。
12. 前記第１の保持部材が外ネジを有しており、前記第２の保持部材が前記第１の保持部材の外ネジと係合する内ネジを有しており、両者を係合させることにより、前記係合部材を第１と第２の保持部材の間に挟持する請求項７から１１の何れか１項に記載の蒸気冷却ガスタービンのシール装置。
13. 冷却蒸気供給源から動翼に冷却用蒸気を供給し、該動翼を冷却する蒸気冷却ガスタービンの蒸気漏洩防止用のシール装置の組立方法において、
    前記ガスタービンは、複数のロータディスクをスピンドルボルトにより締結してロータを形成するために形成した通孔と、該通孔の一方の端部に形成した前記通孔の内径よりも大きな内径を有する凹所より成るシール部材収容部と、前記シール部材収容部の側壁から半径方向内側に突出する係合部とを有しており、
    前記組立方法は、
    環状のシール部材を前記シール部材収容部内の底面に当接するように配設する工程と、
    前記シール部材収容部内に配置された前記シール部材の軸方向の外側から、第１の保持部材を前記シール部材に当接するように前記シール部材収容部内に配置する工程と、
    係合部材を前記第１の保持部材と前記係止部の間に配置する工程と、
    前記係合部材を前記係止部に係合させた状態で前記係合部材の外側から第２の保持部材を押入し、前記係合部材と前記第１と第２の保持部材により軸方向に挟持する工程とを含んで成る蒸気冷却ガスタービンのシール装置の組立方法。
14. 前記第１の保持部材が外ネジを有しており、前記第２の保持部材が前記第１の保持部材の外ネジと係合する内ネジを有しており、両者を係合させることにより、前記係合部材が押入され、かつ、第１と第２の保持部材の間に挟持される請求項１３に記載の蒸気冷却ガスタービンのシール装置の組立方法。

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