JP4021968B2 - ガスタービンの冷却装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はディスクおよびブレードの冷却に供する冷却媒体を移送するための流体通路を組入れたガスタービンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のガスタービンに於ける冷却構造は、タービンディスクに冷却構造としての孔を設けるようなことはなく、圧縮機出口または車室外部から冷却空気をタービンの第1ディスク上流側に導入し、これに続く各ディスクに冷却空気の通路孔を設け、この孔を通して冷却空気を後流側へ順次流通し、各ディスク及びブレードの冷却を行い、最後にこの冷却空気を回収せずにガスパス中に放出するようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように従来のものでは、ディスクおよびブレードの冷却に使用した空気は回収できず、そのままガスパス中に放出しているので、高温のディスクおよびブレードの冷却に使われて折角高温に加熱された空気を外部に取出して活用することができないという無駄が有った。
【0004】
本発明は、従来のものにおけるこのような無駄を排除し、ディスクやブレードを冷却して高温に加熱された冷却媒体をタービンの外部に取出して有効活用できるようにしたものを提供することを課題とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決するべくなされたもので、軸方向に並置された複数のディスクをスリーブによりキャビティ位置で同キャビティを経て軸方向に連通して形成される流体通路をディスクの周方向に間隔をおいて複数設けて同流体通路の或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、ロータの排気側端部に二重管を配設し、排気側ディスクの排気側端部に設けた冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔と回収を受け持つラジアル孔を介して前記二重管の一方の管路を前記流体通路の或るものに、同二重管の他方の管路を前記流体通路の他のものに連通し、連通された一方の通路を冷却媒体の供給通路とし、連通された他方の通路を同冷却媒体の回収通路としたガスタービンの冷却装置を提供するものである。
【0012】
即ち軸方向に隣接並置されたディスク間に形成されるキャビティの位置でスリーブを用い、同キャビティを経て軸方向に延びる流体通路を形成し、かつこの流体通路は周方向に互に隔して複数設けて或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、夫々の流体通路を排気側ディスクの排気側端部において中心から放射状に延びてそれぞれ冷却媒体の供給、又は回収を受け持つラジアル孔に連絡し、このラジアル孔をロータの排気側端部の二重管に連通したことにより、ロータの位置の二重管の一方及び他方の管路を冷却媒体の供給と回収で夫々独立したラジアル孔を経てキャビティの位置で冷却媒体の供給と回収を独立とした流体通路に連通でき、冷却媒体の供給通路と回収通路を独立して構成し、冷却媒体の確実な供給と回収を実行し得るようにしたものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の理解を容易にするために複数の参考例を採用し、先ず参考例1を図1に基づいて説明する。
【0016】
1は第1段タービンディスク、2は第2段タービンディスク、3は第3段タービンディスク、4は第4段タービンディスクで、上流から下流にかけてこの順番に並置されている。
【0017】
1aは第1段タービンブレード、2aは第2段タービンブレード、3aは第3段タービンブレード、4aは第4段タービンブレードであり、各タービンブレード1a〜4aは前記タービンディスク1〜4の夫々に対応し同タービンディスク上に配設されている。
【0018】
1b,1cは第1段タービンディスク1に設けられた冷却孔で、冷却孔1bは第1段タービンディスク1の上流側に開口して第1段タービンブレード1aの内部に通じ、冷却孔1cは第1段タービンブレー1aの内部から第1,第2段タービンディスク1,2が形成するキャビティ12へ通じている。
【0019】
10は排気側端部11からタービンの内方に向けて延びた二重管で、同二重管10の内方の管路は冷却媒体の供給通路10cを、また、外方の管路は冷却媒体の回収通路10dを構成している。
【0020】
そして前記冷却媒体の供給通路10cは第1段タービンディスク1の上流側に開口し、また、冷却媒体の回収通路10dは第1段、第2段タービンディスク1,2で区画するディスク間隙18に開口している。従って冷却媒体は前記供給通路10cから第1段タービンディスク1の上流側、次いで冷却孔1bと経由して第1段タービンブレード1aに至り、これを冷却した後冷却孔1c、キャビティ12、ディスク間隙18を経て回収通路10dに至る経路が形成される。
【0021】
なお、10a,10bはそれぞれグランドシールを示す。また10eは二重管10のフランジで、このフランジ10eを図示省略のボルトで排気側端部11に締めつけることにより、二重管10はロータ(タービンディスク)と一体構造になる。
【0022】
更にまた、16はスピンドルボルトで、前記第1段〜第4段タービンディスク1〜4を貫通して設けられ、これを一体的に締付け結合し、ロータを構成している。
【0023】
参考例は前記したように構成されているので、冷却媒体は、二重管10の内側に設けた供給通路10cから入って第1段タービンディスク1の上流側で開放され、半径方向に流れて同第1段タービンディスク1の冷却孔1bから第1段タービンブレード1a内に導入され、図示省略の冷却流路を経て同第1段タービンブレード1aを冷却する。
【0024】
この冷却の結果として、冷却媒体自体は加熱され、熱エネルギを与えられるが、その状態で第1段タービンディスク1の後流側の冷却孔1cに入り、第1段タービンディスク1と第2段タービンディスク2の間に形成されたキャビティ12、更にディスク間隙18と経由して前記二重管10の外側通路である回収通路10dを経て図示省略の回収部に至る。
【0025】
このようにして本参考例においては、空気又は蒸気等の冷却媒体を用いてタービンブレード1aを冷却し、その結果として得られる熱分を確実に回収して有効に活用することができるものである。
【0026】
なお、ここでは、二重管10の内方の通路を冷却媒体の供給通路10cとし、外方の通路を回収通路10dとした例で説明したが、内方を回収系に、外方を供給系に逆にして使うことも勿論可能である。
【0027】
これは即ち、より冷却したい位置を特定して最適位置に冷却媒体を供給する考え方に通じるものであり、このような思想を具体化したものを本参考例の部分変形例として以下、図2,図3により説明する。
【0028】
なお、図2,図3のものは基本的形態は前記図1のものとほとんど同一であるので、同一部分については図中と同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【0029】
即ち、図2のものは第1段タービンブレード1aを冷却した後の冷却媒体で第2段タービンブレード2aを冷却し、その冷却媒体を第2,第3段タービンディスク2,3の間のディスク間隙18から回収するようにしたものであり、この為第2段タービンディスク2には、その上流側のキャビティ12に開口して第2段タービンディスク2aに至る冷却孔2bと、同第2段タービンディスク2aから第2段タービンディスク2の後流側のキャビティ12に開口する冷却孔2cを設け、かつ、前記二重管10の外側の通路である回収通路10dを第2,第3段タービンディスク2,3の間に形成されるディスク間隙18に開口している。
【0030】
このように図2のものでは、第1段及び第2段タービンブレード1,2を順次冷却するのに過適の配列、構造をとったものである。
【0031】
また図3に示す変形例は、二重管10における冷却媒体の供給通路10cの途中で、第2,第3段タービンディスク2,3で形成するディスク間隙18に相当する位置で途中開口10fを増設したものである。
【0032】
これにより冷却媒体は、供給通路10cの先端から流出して冷却孔1bから第1段タービンブレード1aに至り、冷却孔1cを経て第1段及び第2段タービンディスク2,3間のキャビティ12に至る経路と、この途中開口10fから出て第2段及び第3段タービンブレード2,3の間のキャビティ12から冷却孔2cを経て第2段タービンブレード2aを冷却し、冷却孔2bから出て前記第1,第2段タービンディスク2,3間のキャビティ12で合流する経路が形成されることになる。
【0033】
即ち、同図3のものは、第1段タービンブレード1aと第2段タービンブレード2aとを同等程度に冷却することを最適とした配列形態に係るものである。
【0034】
次に本発明の参考例2を図4に基づいて説明する。なお、前記した参考例1と同一の部分については、図中同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【0035】
参考例では、二重管10はディスク端部17の位置まで延ばすに止め、供給通路10c、回収通路10dは同ディスク端部17に設けたラジアル通路17a,17bに連通している。
【0036】
第1〜第4段タービンディスク1〜4については、スピンドルボルト16のボルト孔の位置に、スピンドルボルト16の外径より大きい内径のスリーブ15を嵌合し、スピンドルボルト16がスリーブ15に遊嵌して両者の間に流体流路を形成する間隔が得られるように構成され、このスリーブ15は前記ラジアル孔17aに通じている。
【0037】
従って、二重管10の内側通路である冷却媒体の供給通路10cから、ラジアル孔17b、スリーブ15を経て第1段タービンディスク1の上流側の冷却孔1bに至る冷却媒体の供給系路が形成される。
【0038】
また、第2,第3段タービンディスク3,4の各キャビティ12の位置には、同キャビティ12を経て前記ラジアル孔17bに至る他の流体通路13が設けられており、第2タービンディスク2の冷却孔2cからこの他の流体通路13を経てラジアル孔17b、二重管10の回収通路10dに至る冷却媒体の回収系路が形成される。
【0039】
即ち、本参考例ではディスクの中心部を避け、ディスクには十分に強度を確保させた状態下で、第1段タービンブレード1a、次いで第2段タービンブレード2aと順次冷却を行うことを狙いとしたものである。
【0040】
なお、スリーブ15を含む系統と、流体通路13を含む系統を供給、回収互に逆の経路として使いうることも勿論可能である。
【0041】
また、図ではスリーブ15が1本示されるのみであるが、同スリーブ15は中心軸まわりに、即ち周方向で間隔をおいて複数本配列されているので、例えばラジアル孔17a,17bを1本おきにスリーブ15と連通し、かつスリーブ15の長手方向開口位置を選択することにより、流体通路13を不要として複数のスリーブ15で供給、回収系統をそれぞれ形成することも可能である。
【0042】
なお図5は本参考例の部分変形を示し、図4のものが長い1本のスリーブ15を用いていたのに対し、短いスリーブ15aを複数本用い、各タービンディスク間に形成されるディスク間隙18の間をこの短いスリーブ15aで連絡したものである。
【0043】
即ち、1本の長いスリーブ15で形成する系路を複数本の短いスリーブ15aとタービンディスクのボルト孔とで協働して受け持つものであり、作用、効果、そして変形、応用の余地等前記図4のものと同一であるので、重複する説明は省略する。
【0044】
次に本発明の参考例3について図6に基づいて説明する。なお、前記した参考例1,参考例2と同一の部分については図中に同一の符号を付して示し重複する説明は省略する。
【0045】
参考例は基本的に中央に配した二重管10と、スピンドルボルト16の貫通孔とを利用するものである。即ち、二重管10の外側の管路を冷却媒体の供給通路10cとし、同供給通路10cは第2,第3段又は第3,第4段タービンディスク2,3又は3,4間のディスク間隙18から、第2,第3段タービンディスク2,3の形成するキャビティ12を経て第2段タービンブレード2aの冷却孔2cに連通し、また、別のルートが第1,第2段タービンディスク1,2間のボルト孔に配した短いスリーブ15a内を経て、第1段タービンディスク1の上流側から第1段タービンブレード1aの冷却孔1bに至るように構成されている。
【0046】
従って、第1段タービンブレード1aと第2段タービンブレード2aとをほぼ同等の温度条件で冷却し、その冷却媒体は第1,第2段タービンブレード1a,2aの冷却孔1c,2bからこれ等が開口するキャビティ12に至り、二重管10の内方通路の回収通路10dから回収されるものである。
【0047】
参考例は、このようにして狙いとする第1,第2段タービンブレード1a,2aを好適に冷却し、かつ、その冷却により得た熱を確実に回収するようにしたものである。
【0048】
次に本発明に係る実施の形態を図7に基づいて説明する。なお前記した参考例1〜参考例3と同一の部分については、図中に同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【0049】
前記参考例1〜参考例3と対比すれば、本実施の形態は、冷却媒体の供給系統と回収系統とを構成するスリーブ15を周方向に配列された相互間で使い分けるようにしたものである。
【0050】
即ち、図面では1断面の為に1本のスリーブ15が示されるに止るが、同スリーブ15はタービン軸を中心として回転するとそれに従って複数のスリーブ15が順次現れるように、周方向に間隔をおいて配列されており、そのうち或るものを供給系統に、また他のものを回収系統にと区分して用いるものである。
【0051】
従って第4段タービンディスク4の排気側端部11に設けたラジアル孔17a,17bも、同一の軸断面上で見ると交互に配列された供給系統と回収系統が重なり合って表示されている。
【0052】
なお、本実施の形態もその細部において種々の変形を組み入れ得るものであり、その一例を図8,図9により説明する。
【0053】
即ち図8のものは冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔17aと回収を受け持つラジアル孔17bとを、同一の軸直角断面に置かずに軸方向で前後にずれた断面に設けるようにして、これらラジアル孔17a,17bを設置する部位の強度を必要以上に低下させないようにしたものである。
【0054】
また、図9に示すものは、前記したラジアル孔17a,17b、更に二重管10等を第4段タービンディスク4に直接設けず、同第4段タービンディスク4と別体の端部材20を設け、同端部材20にこれ等を形成することにより、加工、工作の容易化を図るようにしたものである。
【0055】
更に本発明の参考例4について図11に基づいて説明する。なお、前記した参考例1〜参考例3、及び本発明の実施の形態と同一の部位については図中に同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【0056】
参考例は二重管10の内側の管路を冷却媒体の供給管路10cとして用い、同内側の部分のみを第4段タービンディスク4から第1段タービンディスク1まで、その中央部で延長して貫通させ、同第1段タービンディスク1の上流側で開放している。
【0057】
他方、回収系統については、第1,第2段タービンブレード1a,2aを冷却孔1b,1c,及び2b,2cを経て冷却した冷却媒体を、キャビティ12を経てその位置で第3,第4段ディスク3,4を通して設けた流体通路13へ流し、ラジアル孔17bを経て回収通路10dへ回収するように構成している。
【0058】
即ち、このように供給通路10cから、発し、第1,第2段タービンブレード1a,2aで所定の冷却を行って回収通路10dへと戻るルートにより、冷却媒体を確実に供給して所期の冷却を行い、冷却後熱エネルギーを得た冷却媒体を確実に回収するようにしたものである。
【0059】
また、図11には、本参考例の一部を変形したものを示す。同図11に示すものは、二重管10の内側の延長は第4段タービンディスク4で止め、これをタービンディスク中心部に設けた孔に連通し、各タービンディスク相互間のディスク間隙18はシールブロック21で塞いで冷却媒体の供給系路を形成したものである。
【0060】
即ちシールブロック21によりディスク間隙18との間をシールして、タービンディスク中心に設けた孔と協働させて冷却媒体の供給系統を形成し、図10に示した冷却媒体の供給通路10cに替えたものである。
【0061】
なお、ここで示したシールブロック21は、前後に配置される各タービンディスクのシール部分の加工形状と共に種々の形態が選択できるものであり、いくつかの実例を図12に示す。
【0062】
図12(a)は断面平坦状の環状シールブロック21aを示す。
図12(b)は断面T字状にした環状シールブロック21bを示す。
図12(c)は一方のタービンディスクに突起部を形成して他方のタービンディスクとの間で断面方形のシールブロック21cを挟みつけるようにしたものを示す。
【0063】
図12(d)は一方のタービンディスクにボルトで止め、断面をほぼU字状にしてボルト止めの他端で他方のタービンディスクとの間をシールしたシールブロック21dを示す。
【0064】
図12(e)には相隣接するタービンディスクに軸方向で向き合って突出して半径方向で対峙する突起部を形成し、その対峙面に断面方形のシールブロック21eを介在させたものを示す。
【0065】
図12(f)は前記図12(e)と同様の対峙面に、シールブロック21fと並んで止め輪22を配置し、シールブロック21fの安定性を向上させたものを示す。
【0066】
以上、参考例1〜参考例4と関連付けて本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【0067】
【発明の効果】
以上本発明によれば、軸方向に並置された複数のディスクをスリーブによりキャビティ位置で同キャビティを経て軸方向に連通して形成される流体通路をディスクの周方向に間隔をおいて複数設けて同流体通路の或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、ロータの排気側端部に二重管を配設し、排気側ディスクの排気側端部に設けた冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔と回収を受け持つラジアル孔を介して前記二重管の一方の管路を前記流体通路の或るものに、同二重管の他方の管路を前記流体通路の他のものに連通し、かくして形成された連通された一方の通路を冷却媒体の供給通路とし、連通された他方の通路を同冷却媒体の回収通路としたことにより、二重管の一方の管路、ラジアル孔、キャビティ位置でのスリーブを含む流体通路と経て冷却媒体を供給し、所定の冷却を行った後前記供給をした流体通路に並置した他の流体通路からラジアル孔、二重管の他方の管路と回収を行い、以って冷却媒体の供給及び回収を確実かつ適切に行い、熱エネルギーの有効活用を図ることができるようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考例1に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図2】図1に示すものの一部変形例を概略的に示す説明図。
【図3】図1に示すものの他の部分変形例を概略的に示す説明図。
【図4】 本発明の参考例2に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図5】図4に示すものの一部変形例を概略的に示す説明図。
【図6】 本発明の参考例3に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図7】 本発明の実施の形態に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図8】図7に示すものの部分変形例を概略的に示す説明図。
【図9】図7に示すものの他の部分変形例を概略的に示す説明図。
【図10】 本発明の参考例4に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図11】図10に示すものの一部変形例を概略的に示す説明図。
【図12】図11の要部に当るシールブロックを示し(a),(b),(c),(d),(e),(f)それぞれ異る応用例の概略説明図。
【符号の説明】
1 第1段タービンディスク
1a 第1段タービンブレード
1b 冷却孔
1c 冷却孔
2 第2段タービンディスク
2a 第2段タービンブレード
2b 冷却孔
2c 冷却孔
3 第3段タービンディスク
3a 第3段タービンブレード
4 第4段タービンディスク
4a 第4段タービンブレード
10 二重管
10a グランドシール
10b グランドシール
10c 供給通路
10d 回収通路
10e フランジ
11 排気側端部
12 キャビティ
13 流体通路
15 スリーブ
15a 短スリーブ
16 スピンドルボルト
17 ディスク端部
17a ラジアル孔
17b ラジアル孔
18 ディスク間隙
20 端部材
21 シールブロック

Claims (1)

  1. 軸方向に並置された複数のディスクをスリーブによりキャビティ位置で同キャビティを経て軸方向に連通して形成される流体通路をディスクの周方向に間隔をおいて複数設けて同流体通路の或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、ロータの排気側端部に二重管を配設し、排気側ディスクの排気側端部に設けた冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔と回収を受け持つラジアル孔を介して前記二重管の一方の管路を前記流体通路の或るものに、同二重管の他方の管路を前記流体通路の他のものに連通し、連通された一方の通路を冷却媒体の供給通路とし、連通された他方の通路を同冷却媒体の回収通路としたことを特徴とするガスタービンの冷却装置。
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