JP3997559B2

JP3997559B2 - ガスタービン

Info

Publication number: JP3997559B2
Application number: JP34305496A
Authority: JP
Inventors: 雅美野田; 眞一樋口; 隆池口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: JPH10184312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの高効率化に対しては、要素性能の向上とともに作動ガスの高温化が有効である。作動ガスの高温化は、耐熱材料の開発と高温要素部材、特にタービン静・動翼の冷却技術の上に成立するが、材料開発には長期の期間を要することからタービン翼の冷却強化が重要なポイントを占めている。さらに、高温化は、主流ガスのロータ側への洩れ込み現象によるディスクホイールの温度上昇をもたらし、シールに用いるための冷却空気量の増加が必要となる。このように、現在、進められている１５００℃級レベルのガスタービンでは、冷却空気の消費量が増大し過ぎて、高温化に依るサイクル上のメリットを損ない、逆にプラント効率を低下させてしまうところに達してきている。従って、ガスタービンの高温化に際しては、冷却空気の消費量を低減することが必須条件となる。
【０００３】
たとえば、タービン部での主流ガスのロータ側への洩れ込み現象に関しては、完全に防止するという設計から、ディスクホイールの寿命を考慮した許容温度の概念を導入して、ある程度の洩れ込みは許す設計にしてシール空気の消費量を削減させるのが得策である。このような観点から、主流ガスの洩れ込み量を最少化するため、動翼のシャンク部に設けたシールフィンを使ったシール装置が手段として施されている。この種の装置として関連するものに、例えば特開昭58−74801 号公報が挙げられ、シールフィンの材料にバイメタルを用いることにより、冷却空気の消費量を常に一定に保つような改善がためされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
タービン段でのディスクホイールのシール空気流量の削減策は、前述したシール装置が一般的に用いられているが、高温化に対処するためには、更なるシール性能の強化が必要とされ、動翼シールフィンの複数化やシールフィンの対向面にハニカムを装着して、シール性能を向上させる等の改善策が施されている。しかし、これらの手法は、シールフィンの設置数がシャンク長の関係で少数に限定されてしまうと同時に、多数の設置が可能としても動翼形状の複雑化に伴う製作・材料コストの高騰，組立性の問題、更に運転時における接触損傷という信頼性の低下に繋がることになる。
【０００５】
本発明の目的は、簡易にディスクホイールへのシール空気流量を削減し、発電効率の高いガスタービンを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガスタービンでは、回転軸と、該回転軸を軸として回転する複数のディスクホイールと、該複数のディスクホイール間に設置されたスペーサと、前記ディスクホイールの外周に装着された動翼とシャンク部とを有する動翼体と、内径側エンドウォールと内部に冷却通路を備えた静翼とを有する静翼セグメントと、該静翼セグメントの内側半径位置かつ前記スペーサの外側半径位置で前記静翼セグメントに支持される環状のダイアフラムと、前記ディスクホイール、前記スペーサ及び前記ダイアフラムで形成されるホイールスペースとを備えたガスタービンにおいて、前記動翼体は、前記内径側エンドウォールの内半径側との間で協働するシール装置であるシールフィンを有し、前記内径側エンドウォールは、前記静翼セグメントの静翼内部の冷却通路と連通して、前記シールフィンの前記内径側エンドウォールに対する対向面上に向かって冷却空気を噴出する噴出口を前記内径側エンドウォールの内半径側に有し、該噴出口は、前記内径側エンドウォールの周方向上にスリット状に開口し、前記シールフィンの先端部に対して主流側に位置とした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１，図２及び図３により説明する。図３はガスタービンの部分断面図である。ガスタービンは、主としてタービン３２と、このタービン３２に連結され、燃焼用および冷却用の圧縮空気を得る圧縮機３０と、高温高圧燃焼ガスを発生する燃焼器３１により形成されている。
【００１１】
圧縮機３０より吐出された圧縮空気は燃焼器３１に導かれ、燃焼器の燃焼室３３で燃料とともに燃焼し、この燃焼した高温高圧のガスはタービン３２に導かれる。タービン３２に導かれた燃焼ガスは、静翼を経て動翼に噴射されタービンのロータ２２を回転させる。そして、このロータ２２の回転軸２４で結合されている図示しない発電機により発電するように構成されている。
【００１２】
図２には、ガスタービンのタービン部が断面で示されている。図２は、図１で示したガスタービンのタービン部を示したもので、本発明を初段動翼と第２段静翼の間での洩れ込みとして説明するため、初段と第２段の段落を示してある。回転体であるロータ２２は、初段動翼体１１ａ，第２段動翼体１１ｂをそれぞれ植設している初段ディスクホイール１５ａ，第２段ディスクホイール１５ｂ、それにディスクホイール間には、スペーサ２０を備えており、そしてこれらはスタッキングボルト２１によって締結されている。
【００１３】
各ディスクホイール１５ａ，１５ｂの外周には、初段動翼１２ａ，第２段動翼１２ｂと初段動翼シャンク１３ａ，第２段動翼シャンク１３ｂおよび初段動翼ダブテール１４ａ，第２段動翼ダブテール１４ｂから成る初段動翼体１１ａ，第２段動翼体１１ｂが初段動翼ダブテール１４ａおよび第２段動翼ダブテール１４ｂを介して植設されており、そしてシャンク１３ａには、シールフィン１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ、また初段動翼シャンク１３ｂはシールフィン１６ｂ，１８ｂを備えている。
【００１４】
一方、静止側である第２段静翼体１ｂは、初段静翼２ａ，第２段静翼２ｂ，外径側エンドウォール３ｂおよび内径側エンドウォール４ｂで構成され環状に配置されている。静翼体１ｂの内径側にはダイアフラム５が装着され、ダイアフラム５はフィン６ａ，６ｂをシールフィン１７ａ，１６ｂに対向させて備えている。尚、内径側エンドウォール４ｂの内半径側，スペーサ２０の外半径側及びシャンク１３ａ，１３ｂとダブテール１４ａ，１４ｂの間で、静止体と回転体による間隙であるホイールスペース２３が形成されている。
【００１５】
図１には、図２で示した初段動翼体１１ａ，第２段静翼体１ｂおよびスペーサ２０の一部分とダイアフラム５が拡大されて詳細に示されている。シールフィン１６ａは、内径側エンドウォール４ｂとの間で協働するシール装置を形成している。内径側エンドウォール４ｂは、静翼２ｂの内部冷却流路７に連通した、空気通路８を周方向に備えており、その噴出口９はシールフィン１６ａの先端部に対して主流側に且つスリット状に位置して開口している。また、ダイアフラム５は、内部冷却流路７に連通したシール空気孔１０を備えている。
【００１６】
このように構成された本実施例で、ガスタービンの運転とともに、圧縮機３０と燃焼器３１で発生する高温高圧の作動ガスは、タービン３２部の初段の静翼２ａ，動翼１２ａ，第２段の静翼２ｂ，動翼１２ｂを通過する際にホイールスペース内へ流入しようとする。この際、作動ガスは、圧力が約２０ata 、平均温度として１４００から１５００℃程度で初段静翼２ａに導かれるが、この温度はタービン翼の信頼性を確保するための材料の許容温度の限界を越えており、翼を冷却する必要がある。そこで、圧縮機で得られる高圧の空気の一部を抽気して、冷却空気として用いる。ここでは、本発明を簡単にするため、第２段静翼体１ｂ周りのホイールスペース２３に注目して説明する。前述したように、主流ガスは、圧力差によって段間隙２５を通り、破線で示した矢印４０に沿ってホイールスペース２３内に洩れ込もうとする。一方、第２段静翼２ｂの内部冷却流路７を通過する際に翼内面を冷却した冷却空気は、一部を内径側エンドウォール４ｂに設けられた空気通路８を通過して、スリット状の噴出口９から周方向に連続して第２段動翼体１１ｂのシールフィン１６ａに向かって実線で示した矢印４１の方向へ噴出される。噴出される冷却空気は、内径側エンドウォール４ｂとシールフィン１６ａの先端で協働するシール装置、即ち最小間隙部近傍の主流側に位置して噴出される。この時、段間隙２５を通過して主流側に排出されることになるが、洩れ込んでくる主流ガスを希釈して、シール装置近傍の温度低下をもたらす。
【００１７】
更に、冷却空気の一部は、ダイアフラム５に設けられたシール空気孔１０を経由して、ホイールスペース２３を実線で示した矢印４２のように主流側に向かって流れることになり、全体的にホイールスペース２３内の温度を冷却空気レベルに保持することができる。
【００１８】
以上に説明した静翼体の内径側エンドウォールの周方向に冷却空気の噴出し口を設けて動翼体に噴出するガスタービンで、噴出口からの冷却空気は対向する動翼体との間で周方向にエアーカーテンを形成して、主流ガスの洩れ込みを阻止するので、ホイールスペース温度の上昇を防止でき、低級材料によるホイールを製作することができる。更に、噴出口は動翼体に設けたシールフィンの先端よりも主流側に位置しており、最小間隙部近傍にエアーカーテンを形成するため、シール効果が増大するとともに、冷却空気はシールフィンの主流側に噴出すため、逆にこのシールフィンに遮られてホイールスペース側へ流れることができず、主流ガスと混合しながら主流中へ排出されるので、より高いシール性能を発揮できる。また、冷却空気の一部を、ホイールスペース内にシール空気として供給するので、一層の主流ガスの洩れ込みを防止できるとともに、最少のシール空気流量の消費での高い発電効率を得ることができる。
【００１９】
尚、本実施例では、動翼体にシールフィンを有するガスタービンに本発明を適用して説明したが、静翼体の内径側エンドウォールから動翼体のシャンク上部に直接向けて噴出しても構わないのは勿論であり、動翼体に設けたシールフィンが不要となるので動翼体形状の単純化によるコスト低減，タービン組立て時の簡易性、また運転時におけるシールフィンの接触損傷に関る信頼性の高いガスタービンを得ることが期待できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明では、最少のシール空気流量でディスクホイールの温度を管理できるので、最大の発電効率を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービンの構成を示す部分断面図。
【図２】ガスタービンのタービン部を示す断面図。
【図３】ガスタービンの全体を示す部分断面図。
【符号の説明】
４ｂ…内径側エンドウォール、５…ダイアフラム、７…内部冷却流路、８…空気通路、９…噴出口、１３ａ…初段動翼シャンク、１３ｂ…第２段動翼シャンク、１６ａ…シールフィン、２０…スペーサ、２３…ホイールスペース。

Claims

回転軸と、該回転軸を軸として回転する複数のディスクホイールと、該複数のディスクホイール間に設置されたスペーサと、前記ディスクホイールの外周に装着された動翼とシャンク部とを有する動翼体と、内径側エンドウォールと内部に冷却通路を備えた静翼とを有する静翼セグメントと、該静翼セグメントの内側半径位置かつ前記スペーサの外側半径位置で前記静翼セグメントに支持される環状のダイアフラムと、前記ディスクホイール、前記スペーサ及び前記ダイアフラムで形成されるホイールスペースとを備えたガスタービンにおいて、
前記動翼体は、前記内径側エンドウォールの内半径側との間で協働するシール装置であるシールフィンを有し、
前記内径側エンドウォールは、前記静翼セグメントの静翼内部の冷却通路と連通して、前記シールフィンの前記内径側エンドウォールに対する対向面上に向かって冷却空気を噴出する噴出口を前記内径側エンドウォールの内半径側に有し、該噴出口は、前記内径側エンドウォールの周方向上にスリット状に開口し、前記シールフィンの先端部に対して主流側に位置することを特徴とするガスタービン。
請求項１に記載のガスタービンにおいて、
前記ダイアフラムは前記ホイールスペースに空気を供給する空気供給口を備えたことを特徴とするガスタービン。