JP4040773B2 - ガスタービンプラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントに係り、特に空気圧縮機で生成された高圧空気を冷却用として中間軸を介してガスタービン軸に供給する際、圧力損失を少なくさせたガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービンプラントは、図２０に示すように、空気圧縮機１、ガスタービン燃焼器２、ガスタービン３を備え、空気圧縮機軸４とガスタービン軸５とを内筒軸６に同心的に配置した外筒軸７を備えた中間軸８で接続する構成になっている。
【０００３】
また、空気圧縮機１は、空気圧縮機動翼９、空気圧縮機静翼１０を軸方向に沿って複数備え、吸込んだ空気を圧縮して高圧空気にし、高圧空気の一部をガスタービン燃焼器２に酸化剤として供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをガスタービン３のガスタービン静翼１１、ガスタービン動翼１２に供給して膨張仕事をさせるようになっている。
【０００４】
また、空気圧縮機１は、高圧空気の残りの一部を圧縮機軸４と中間軸８の外筒軸７との隙間部１３、空間部１４を介してガスタービン軸５に供給し、ガスタービン動翼１２およびその植込み部（図示せず）を冷却させるようになっている。
【０００５】
ガスタービン動翼１２およびその植込み部を冷却させた高圧空気は、通路１５、隙間部１６、中心孔１７を介して次段落のタービン動翼に供給するようになっている。
【０００６】
一方、空気圧縮機軸４およびガスタービン軸５は、ともに、図２１および図２２に示すように、円盤状のディスク１８として形成され、ディスク１８を軸方向に沿って積層状に積み重ね、ボルト孔１９にタイロッド（図示せず）を挿通させて円盤軸として形成されている。また、空気圧縮機軸４およびガスタービン軸５は、図２２に示すようにディスク１８の端縁に数条の凹凸を形成した翼植込み部２０を形成し、この翼植込み部２０に空気圧縮機動翼９およびガスタービン動翼１２を植設する構成になっている。
【０００７】
このように、従来のガスタービンプラントは、空気圧縮機軸４およびガスタービン軸５を円盤状のディスク１８に形成し、ディスク１８を軸方向に沿って積み重ねて円盤軸に形成して重量を軽くし、ＧＤ2 を比較的少なくさせて安定した高速回転を行っていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近のガスタービンプラントは、単機あたりの出力を高出力化するために高温化する傾向があり、このため材料の強度を保証する関係から冷却空気も多量に必要とされる。ところが、従来構造のガスタービンプラントでは、図２０に示すように、空気圧縮機動翼９から抽気した高圧空気を冷却用として隙間部１３および空間部１４を介してガスタービン軸５に供給する際、旋回流が発生し、発生する旋回流の要因で高圧空気の流れが悪くなって圧力損失を増加させ、設計値どおりの対流冷却を発揮させることができない不都合・不具合が確認されている。特に、最近のように、単機容量の増加と相まって限られた高圧空気を冷却用として効果的に活用しようとしても、圧力損失の増加に伴って対流冷却が充分に活用することができず、高温化に際し、ガスタービン軸５の局部的に過度な熱応力の発生やガスタービン動翼の融損等の心配がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、空気圧縮機から抽気した高圧空気を中間軸を介してガスタービン軸に供給して冷却させる際、その高圧空気の圧力損失を少なくさせて効果的な冷却を行わせるガスタービンプラントを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、空気圧縮機に収容され、ディスクを軸方向に沿って積み重ねて構成した空気圧縮機軸と、ガスタービンに収容され、ディスクを軸方向に沿って積み重ねて構成したガスタービン軸と、上記空気圧縮機軸と上記ガスタービン軸との間に中間軸を備えたガスタービンプラントにおいて、上記空気圧縮機軸のディスクおよび上記ガスタービン軸のディスクの少なくとも一方に滑らかに先細の突状に形成された隆起部を設けるとともに、上記ディスクのそれぞれに一体に形成した段状の平坦部に前記隆起部と接し、時計廻りまたは反時計廻りに向かって曲げられて形成された案内流路を設けたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を示す上半部分断面組立図である。
【００２７】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機２１、ガスタービン燃焼器２２、ガスタービン２３を備えて構成される。
【００２８】
空気圧縮機２１は、空気圧縮機ケーシング２４の中央に収容され、ジャーナル軸受２５で支持された空気圧縮機軸２６を備えるとともに、空気圧縮機軸２６に植設した空気圧縮機動翼２７と空気圧縮機ケーシング２４に固設した空気圧縮機静翼２８とで空気圧縮機段落２９を構成し、吸気口３０から吸込んだ空気を空気圧縮機段落２９で圧縮し、高圧空気を生成するようになっている。
【００２９】
ガスタービン燃焼器２２は、その内部に燃焼器ライナ３１とトランジションピース３２とを収容し、空気圧縮機２１から供給された高圧空気に燃料を加え、燃焼器ライナ３１で燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをトランジションピース３２を介してガスタービン２３に供給するようになっている。
【００３０】
ガスタービン２３は、ガスタービンケーシング３３の中央に収容され、ジャーナル軸受３４で支持されたガスタービン軸３５を備えるとともに、ガスタービンケーシング３３に固設したガスタービン静翼３６とガスタービン軸３５に植設したガスタービン動翼３７とでガスタービン段落３８を構成し、上記トランジションピース３２から供給された燃焼ガスをガスタービン段落３８で膨張仕事をさせ、発電機等の被駆動機（図示せず）を駆動するようになっている。
【００３１】
空気圧縮機軸２６とガスタービン軸３５との間には、中間軸３９が設けられている。この中間軸３９は、同心的に配置した内筒軸４０と外筒軸４１とで構成し、空気圧縮機段落２９から抽気した高圧空気の一部を冷却空気として外筒軸空間部４２を介してガスタービン軸３５に植設したガスタービン動翼３７に供給してガスタービン動翼３７の植込み部を冷却するとともに、残りの高圧空気を内筒軸空間部４３、ガスタービン軸３５のバランス孔４４を介して次段落のガスタービン動翼３７の植込み部を冷却するようになっている。
【００３２】
一方、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５は、ともに円盤状に形成したディスク４５，４６を軸方向に沿って積み重ね、積み重ねたディスク４５，４６のそれぞれをタイボルト４７，４８で連結させ、回転体とする構成になっている。
【００３３】
また、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５は、ともに、図２に示すように、円盤状に形成したディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面から半径方向に向って延びる釣鐘状の隆起部４９ａ，４９ｂを備えている。そして、隆起部４９ａ，４９ｂは、空気圧縮機段落２９から抽気した冷却用としての高圧空気を中間軸３９の外筒軸空間部４２および内筒軸空間部４３のそれぞれに良好に案内できるようにするとともに、中間軸３９の外筒軸空間部４２および内筒軸空間部４３のそれぞれからガスタービン軸３５のディスク４６に供給される冷却用として高圧空気を良好に案内させるようになっている。
【００３４】
従来、回転するディスク４５，４６に沿って流れる冷却用として高圧空気は、回転中に発生する遠心力により半径方向（放射方向）に向って吹き出されるため、必然的にこの吹き出される流体量を補う流れがディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬ方向に向って発生する。この場合、ディスク４５，４６とこれに対向する静止部分としての壁との距離が大きいと、例えば文献「Baundary-Layer Theory (7th Edition, PP 102, H.Schlicting, 1979) 」に記載されているように、回転中心線ＲＣＬの流体が軸方向に向って流れる。逆に、ディスク４５，４６とこれに対向する静止部分としての壁との距離が狭いと、流体は壁に沿ってディスク４５，４６と平行に回転方向に向って流れ、上述の軸方向に向う流れと組み合わされて複雑な三次元流れになる。もっとも、空気圧縮機２１およびガスタービンプラント２３のそれぞれは、拘束壁の多い複雑な内部構造になっており、ディスク４５，４６に沿う流体の流れも上述よりも複雑になっているものの、それでもディスク４５，４６に案内部分を設けると、流体の流れが良好になることが実験により確認されている。
【００３５】
本実施形態は、このような点に着目したもので、ディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面から半径方向に向って延びる釣鐘状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けたものである。
【００３６】
このように、本実施形態は、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５のそれぞれのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に隆起部４９ａ，４９ｂを設け、空気圧縮機段落２９から抽気した高圧空気を隆起部４９ａを介して中間軸３９に良好に案内できるようにするとともに、中間軸３９からの高圧空気を隆起部４９ｂを介してガスタービン軸３５のディスク４６に良好に案内できるようにしたので、回転中に発生する遠心力に抗して高圧空気の流れを良好にして圧力損失を少なくすることができ、限られた高圧空気の流量でもガスタービン軸３５のディスク４６を充分に対流冷却させることができ、ガスタービン軸３５のディスク４６の強度を高く維持させてガスタービンプラントの高温化に対処させることができる。なお、本実施形態では、ディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に釣鐘状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けたが、これに限らず、例えば図３に示すように、台形状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けても良い。
【００３７】
図４および図５は、本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態を示す図である。なお、図４はディスクの側断面図、図５は図４のＢ−Ｂ矢視方向から見た正面図をそれぞれ示している。また、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００３８】
本実施形態は、第１実施形態と同様に、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５のそれぞれのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に、釣鐘状または台形状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けるとともに、円盤状のディスク４５，４６と一体形成の段状平坦部５０ａ，５０ｂに、図５に示すように、回転中心線ＲＣＬを基準に半径方向（放射方向）に向って直線状に延びる案内流路５１ａ，５１ｂを設けたものである。なお、符号５２ａ，５２ｂは、軸方向に沿って積み重ねたそれぞれのディスク４５，４６をタイボルトにより固定するボルト孔である。
【００３９】
このように、本実施形態は空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５のそれぞのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面の段状平坦部５０ａ，５０ｂに案内流路５１ａ，５１ｂを形成し、空気圧縮機段落２９から空気圧縮機軸２６のディスク４５を介して抽気した冷却用としての高圧空気に旋回流を与えることなく中間軸３９に案内するとともに、案内された中間軸３９からの高圧空気に旋回流を与えることなくガスタービン軸３５のディスク４６に供給させたので、高圧空気の圧力損失と低く抑えることができ、ディスク４５，４６を充分に対流冷却させてガスタービンプラントの高温化に際し、その強度を高く維持させることができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、ディスク４５，４６の段状平坦部５０ａ，５０ｂに案内流路５１ａ，５１ｂを形成したが、案内流路５１ａ，５１ｂの内径側を例えば、図７に示すように反時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５３ａ，５３ｂにしても良く、図８に示すように、案内流路５１ａ，５１ｂの外径側を、時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５４ａ，５４ｂにしても良く、さらに図９に示すように、案内流路５１ａ，５１ｂのうち、内径側を反時計方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５３ａ，５３ｂにし、外径側を時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５４ａ，５４ｂにし、中間部分を直線で結んでも良く、さらにまた、図１０および図１１に示すように、案内流路５１ａ，５１ｂの内径側から外径側に向って時計廻り方向側に凸状曲面を形成しても良く、さらにまた、図１２および図１３に示すように、ディスク４５，４６と一体形成の段状平坦部５０ａ，５０ｂに別体で作製した流路用部材５５ａ，５５ｂを被着させて直線状（放射状）の案内流路５１ａ，５１ｂを形成しても良い。
【００４１】
図１４および図１５は、本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態を示す図である。なお、図１４はディスクの側断面図、図１５は図１４のＦ−Ｆ矢視方向から見た正面図をそれぞれ示している。また、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４２】
本実施形態は、空気圧縮機軸３６およびガスタービン軸３５のそれぞれのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に設けた釣鐘状または台形状の隆起部４９ａ，４９ｂに対峙する中間軸３９の内筒軸４０および外筒軸４１の少なくとも一方の通路５６ａ，５６ｂの端面に突出し片５７ａ，５７ｂを環状に設け、図１５に示すように突出し片５７ａ，５７ｂの内径側から外径側に向って直線状（放射状）の案内流路５８ａ，５８ｂを形成したものである。
【００４３】
このように、本実施形態は、回転中に発生する遠心応力がディスク４５，４６に較べて低い中間軸３９の内筒軸４０および外筒軸４１の少なくとも一方の通路５６ａ，５６ｂの端面に突出し片５６ａ，５７ｂを環状に設け、環状に設けた突出し片５７ａ，５７ｂに内径側から外径側（半径方向）に向って直線状の案内流路５８ａ，５８ｂを形成し、冷却用としての高圧空気の流れを良好にさせたので、ディスク４５，４６の強度を高く維持させることと相まって冷却用としての高圧空気の圧力損失を低く抑えることができる。
【００４４】
なお、本実施形態は、突出し片５７ａ，５７ｂに、その内径側から外径側に向って直線状の案内流路５８ａ，５８ｂを形成したが、これに限らず例えば図１６に示すように、案内流路５８ａ，５８ｂの内径側を時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５９ａ，５９ｂにしても良く、また、図１７に示すように、案内流路５８ａ，５８ｂのうち、内径側を時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５９ａ，５９ｂにし、外径側を反時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路６０ａ，６０ｂにし、中間部分を直線に結んでも良く、さらに図１８および図１９に示すように、案内流路５８ａ，５９ｂの内径側から外径側に向って時計廻り方向側に凸状曲面を形成しても良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機軸とガスタービン軸とのそれぞれのディスクおよび空気圧縮機軸とガスタービン軸とを互いに接続させる中間軸の少なくとも一方に、空気圧縮機段落から抽気し、ガスタービン軸に冷却用として供給する高圧空気の圧力損失を少くさせて良好に案内する手段を備えたので、限られた高圧空気の流量でもガスタービン軸のディスクを充分に対流冷却させることができ、ガスタービン軸のディスクの強度を高く維持させて高温化に対処させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を示す上半部分断面組立図。
【図２】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第１実施形態を示す概略側断面図。
【図３】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第１実施形態の変形例を示す概略側断面図。
【図４】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態を示す概略側断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ矢視方向から見た正面図。
【図６】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第１変形例を示す概略側断面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た正面図。
【図８】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第２変形例を示す概略側断面図。
【図９】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第３変形例を示す概略側断面図。
【図１０】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第４変形例を示す概略側断面図。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ矢視方向から見た正面図。
【図１２】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第５変形例を示す概略側断面図。
【図１３】図１２のＥ−Ｅ矢視方向から見た正面図。
【図１４】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態を示す概略側断面図。
【図１５】図１４のＦ−Ｆ矢視方向から見た正面図。
【図１６】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態における第１変形例を示す概略側断面図。
【図１７】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態における第２変形例を示す概略側断面図。
【図１８】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態における第３変形例を示す概略側断面図。
【図１９】図１８のＣ−Ｃ矢視方向から見た正面図。
【図２０】従来のガスタービンプラントを示す概略部分断面図。
【図２１】従来のガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクを示す概略側断面図。
【図２２】図２１のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
２ ガスタービン燃焼器
３ ガスタービン
４ 空気圧縮機軸
５ ガスタービン軸
６ 内筒軸
７ 外筒軸
８ 中間軸
９ 空気圧縮機動翼
１０ 空気圧縮機静翼
１１ ガスタービン静翼
１２ ガスタービン動翼
１３ 隙間部
１４ 空間部
１５ 通路
１６ 隙間部
１７ 中心孔
１８ ディスク
１９ ボルト孔
２０ 翼植込み部
２１ 空気圧縮機
２２ ガスタービン燃焼器
２３ ガスタービン
２４ 空気圧縮機ケーシング
２５ ジャーナル軸受
２６ 空気圧縮機軸
２７ 空気圧縮機動翼
２８ 空気圧縮機静翼
２９ 空気圧縮機段落
３０ 吸気口
３１ 燃焼器ライナ
３２ トランジションピース
３３ ガスタービンケーシング
３４ ジャーナル軸受
３５ ガスタービン軸
３６ ガスタービン静翼
３７ ガスタービン動翼
３８ ガスタービン段落
３９ 中間軸
４０ 内筒軸
４１ 外筒軸
４２ 外筒軸空間部
４３ 内筒軸空間部
４４ バランス孔
４５ ディスク
４６ ディスク
４７ タイボルト
４８ タイボルト
４９ａ，４９ｂ 隆起部
５０ａ，５０ｂ 段状平坦部
５１ａ，５１ｂ 案内流路
５２ａ，５２ｂ ボルト孔
５３ａ，５３ｂ 折り曲げ案内流路
５４ａ，５４ｂ 折り曲げ案内流路
５５ａ，５５ｂ 流路用部材
５６ａ，５６ｂ 通路
５７ａ，５７ｂ 突出し片
５８ａ，５８ｂ 案内流路
５９ａ，５９ｂ 折り曲げ案内流路
６０ａ，６０ｂ 折り曲げ案内流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントに係り、特に空気圧縮機で生成された高圧空気を冷却用として中間軸を介してガスタービン軸に供給する際、圧力損失を少なくさせたガスタービンプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスタービンプラントは、図２０に示すように、空気圧縮機１、ガスタービン燃焼器２、ガスタービン３を備え、空気圧縮機軸４とガスタービン軸５とを内筒軸６に同心的に配置した外筒軸７を備えた中間軸８で接続する構成になっている。
【０００３】
また、空気圧縮機１は、空気圧縮機動翼９、空気圧縮機静翼１０を軸方向に沿って複数備え、吸込んだ空気を圧縮して高圧空気にし、高圧空気の一部をガスタービン燃焼器２に酸化剤として供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをガスタービン３のガスタービン静翼１１、ガスタービン動翼１２に供給して膨張仕事をさせるようになっている。
【０００４】
また、空気圧縮機１は、高圧空気の残りの一部を圧縮機軸４と中間軸８の外筒軸７との隙間部１３、空間部１４を介してガスタービン軸５に供給し、ガスタービン動翼１２およびその植込み部（図示せず）を冷却させるようになっている。
【０００５】
ガスタービン動翼１２およびその植込み部を冷却させた高圧空気は、通路１５、隙間部１６、中心孔１７を介して次段落のタービン動翼に供給するようになっている。
【０００６】
一方、空気圧縮機軸４およびガスタービン軸５は、ともに、図２１および図２２に示すように、円盤状のディスク１８として形成され、ディスク１８を軸方向に沿って積層状に積み重ね、ボルト孔１９にタイロッド（図示せず）を挿通させて円盤軸として形成されている。また、空気圧縮機軸４およびガスタービン軸５は、図２２に示すようにディスク１８の端縁に数条の凹凸を形成した翼植込み部２０を形成し、この翼植込み部２０に空気圧縮機動翼９およびガスタービン動翼１２を植設する構成になっている。
【０００７】
このように、従来のガスタービンプラントは、空気圧縮機軸４およびガスタービン軸５を円盤状のディスク１８に形成し、ディスク１８を軸方向に沿って積み重ねて円盤軸に形成して重量を軽くし、ＧＤ2 を比較的少なくさせて安定した高速回転を行っていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近のガスタービンプラントは、単機あたりの出力を高出力化するために高温化する傾向があり、このため材料の強度を保証する関係から冷却空気も多量に必要とされる。ところが、従来構造のガスタービンプラントでは、図２０に示すように、空気圧縮機動翼９から抽気した高圧空気を冷却用として隙間部１３および空間部１４を介してガスタービン軸５に供給する際、旋回流が発生し、発生する旋回流の要因で高圧空気の流れが悪くなって圧力損失を増加させ、設計値どおりの対流冷却を発揮させることができない不都合・不具合が確認されている。特に、最近のように、単機容量の増加と相まって限られた高圧空気を冷却用として効果的に活用しようとしても、圧力損失の増加に伴って対流冷却が充分に活用することができず、高温化に際し、ガスタービン軸５の局部的に過度な熱応力の発生やガスタービン動翼の融損等の心配がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、空気圧縮機から抽気した高圧空気を中間軸を介してガスタービン軸に供給して冷却させる際、その高圧空気の圧力損失を少なくさせて効果的な冷却を行わせるガスタービンプラントを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービンプラントは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、空気圧縮機に収容され、ディスクを軸方向に沿って積み重ねて構成した空気圧縮機軸と、ガスタービンに収容され、ディスクを軸方向に沿って積み重ねて構成したガスタービン軸と、上記空気圧縮機軸と上記ガスタービン軸との間に中間軸を備えたガスタービンプラントにおいて、上記空気圧縮機軸のディスクおよび上記ガスタービン軸のディスクの少なくとも一方に滑らかに先細の突状に形成された隆起部を設けるとともに、上記ディスクのそれぞれに一体に形成した段状の平坦部に前記隆起部と接し、時計廻りまたは反時計廻りに向かって曲げられて形成された案内流路を設けたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を示す上半部分断面組立図である。
【００２７】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機２１、ガスタービン燃焼器２２、ガスタービン２３を備えて構成される。
【００２８】
空気圧縮機２１は、空気圧縮機ケーシング２４の中央に収容され、ジャーナル軸受２５で支持された空気圧縮機軸２６を備えるとともに、空気圧縮機軸２６に植設した空気圧縮機動翼２７と空気圧縮機ケーシング２４に固設した空気圧縮機静翼２８とで空気圧縮機段落２９を構成し、吸気口３０から吸込んだ空気を空気圧縮機段落２９で圧縮し、高圧空気を生成するようになっている。
【００２９】
ガスタービン燃焼器２２は、その内部に燃焼器ライナ３１とトランジションピース３２とを収容し、空気圧縮機２１から供給された高圧空気に燃料を加え、燃焼器ライナ３１で燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスをトランジションピース３２を介してガスタービン２３に供給するようになっている。
【００３０】
ガスタービン２３は、ガスタービンケーシング３３の中央に収容され、ジャーナル軸受３４で支持されたガスタービン軸３５を備えるとともに、ガスタービンケーシング３３に固設したガスタービン静翼３６とガスタービン軸３５に植設したガスタービン動翼３７とでガスタービン段落３８を構成し、上記トランジションピース３２から供給された燃焼ガスをガスタービン段落３８で膨張仕事をさせ、発電機等の被駆動機（図示せず）を駆動するようになっている。
【００３１】
空気圧縮機軸２６とガスタービン軸３５との間には、中間軸３９が設けられている。この中間軸３９は、同心的に配置した内筒軸４０と外筒軸４１とで構成し、空気圧縮機段落２９から抽気した高圧空気の一部を冷却空気として外筒軸空間部４２を介してガスタービン軸３５に植設したガスタービン動翼３７に供給してガスタービン動翼３７の植込み部を冷却するとともに、残りの高圧空気を内筒軸空間部４３、ガスタービン軸３５のバランス孔４４を介して次段落のガスタービン動翼３７の植込み部を冷却するようになっている。
【００３２】
一方、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５は、ともに円盤状に形成したディスク４５，４６を軸方向に沿って積み重ね、積み重ねたディスク４５，４６のそれぞれをタイボルト４７，４８で連結させ、回転体とする構成になっている。
【００３３】
また、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５は、ともに、図２に示すように、円盤状に形成したディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面から半径方向に向って延びる釣鐘状の隆起部４９ａ，４９ｂを備えている。そして、隆起部４９ａ，４９ｂは、空気圧縮機段落２９から抽気した冷却用としての高圧空気を中間軸３９の外筒軸空間部４２および内筒軸空間部４３のそれぞれに良好に案内できるようにするとともに、中間軸３９の外筒軸空間部４２および内筒軸空間部４３のそれぞれからガスタービン軸３５のディスク４６に供給される冷却用として高圧空気を良好に案内させるようになっている。
【００３４】
従来、回転するディスク４５，４６に沿って流れる冷却用として高圧空気は、回転中に発生する遠心力により半径方向（放射方向）に向って吹き出されるため、必然的にこの吹き出される流体量を補う流れがディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬ方向に向って発生する。この場合、ディスク４５，４６とこれに対向する静止部分としての壁との距離が大きいと、例えば文献「Baundary-Layer Theory (7th Edition, PP 102, H.Schlicting, 1979) 」に記載されているように、回転中心線ＲＣＬの流体が軸方向に向って流れる。逆に、ディスク４５，４６とこれに対向する静止部分としての壁との距離が狭いと、流体は壁に沿ってディスク４５，４６と平行に回転方向に向って流れ、上述の軸方向に向う流れと組み合わされて複雑な三次元流れになる。もっとも、空気圧縮機２１およびガスタービンプラント２３のそれぞれは、拘束壁の多い複雑な内部構造になっており、ディスク４５，４６に沿う流体の流れも上述よりも複雑になっているものの、それでもディスク４５，４６に案内部分を設けると、流体の流れが良好になることが実験により確認されている。
【００３５】
本実施形態は、このような点に着目したもので、ディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面から半径方向に向って延びる釣鐘状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けたものである。
【００３６】
このように、本実施形態は、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５のそれぞれのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に隆起部４９ａ，４９ｂを設け、空気圧縮機段落２９から抽気した高圧空気を隆起部４９ａを介して中間軸３９に良好に案内できるようにするとともに、中間軸３９からの高圧空気を隆起部４９ｂを介してガスタービン軸３５のディスク４６に良好に案内できるようにしたので、回転中に発生する遠心力に抗して高圧空気の流れを良好にして圧力損失を少なくすることができ、限られた高圧空気の流量でもガスタービン軸３５のディスク４６を充分に対流冷却させることができ、ガスタービン軸３５のディスク４６の強度を高く維持させてガスタービンプラントの高温化に対処させることができる。なお、本実施形態では、ディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に釣鐘状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けたが、これに限らず、例えば図３に示すように、台形状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けても良い。
【００３７】
図４および図５は、本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態を示す図である。なお、図４はディスクの側断面図、図５は図４のＢ−Ｂ矢視方向から見た正面図をそれぞれ示している。また、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００３８】
本実施形態は、第１実施形態と同様に、空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５のそれぞれのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に、釣鐘状または台形状の隆起部４９ａ，４９ｂを設けるとともに、円盤状のディスク４５，４６と一体形成の段状平坦部５０ａ，５０ｂに、図５に示すように、回転中心線ＲＣＬを基準に半径方向（放射方向）に向って直線状に延びる案内流路５１ａ，５１ｂを設けたものである。なお、符号５２ａ，５２ｂは、軸方向に沿って積み重ねたそれぞれのディスク４５，４６をタイボルトにより固定するボルト孔である。
【００３９】
このように、本実施形態は空気圧縮機軸２６およびガスタービン軸３５のそれぞのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面の段状平坦部５０ａ，５０ｂに案内流路５１ａ，５１ｂを形成し、空気圧縮機段落２９から空気圧縮機軸２６のディスク４５を介して抽気した冷却用としての高圧空気に旋回流を与えることなく中間軸３９に案内するとともに、案内された中間軸３９からの高圧空気に旋回流を与えることなくガスタービン軸３５のディスク４６に供給させたので、高圧空気の圧力損失と低く抑えることができ、ディスク４５，４６を充分に対流冷却させてガスタービンプラントの高温化に際し、その強度を高く維持させることができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、ディスク４５，４６の段状平坦部５０ａ，５０ｂに案内流路５１ａ，５１ｂを形成したが、案内流路５１ａ，５１ｂの内径側を例えば、図７に示すように反時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５３ａ，５３ｂにしても良く、図８に示すように、案内流路５１ａ，５１ｂの外径側を、時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５４ａ，５４ｂにしても良く、さらに図９に示すように、案内流路５１ａ，５１ｂのうち、内径側を反時計方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５３ａ，５３ｂにし、外径側を時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５４ａ，５４ｂにし、中間部分を直線で結んでも良く、さらにまた、図１０および図１１に示すように、案内流路５１ａ，５１ｂの内径側から外径側に向って時計廻り方向側に凸状曲面を形成しても良く、さらにまた、図１２および図１３に示すように、ディスク４５，４６と一体形成の段状平坦部５０ａ，５０ｂに別体で作製した流路用部材５５ａ，５５ｂを被着させて直線状（放射状）の案内流路５１ａ，５１ｂを形成しても良い。
【００４１】
図１４および図１５は、本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態を示す図である。なお、図１４はディスクの側断面図、図１５は図１４のＦ−Ｆ矢視方向から見た正面図をそれぞれ示している。また、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４２】
本実施形態は、空気圧縮機軸３６およびガスタービン軸３５のそれぞれのディスク４５，４６の回転中心線ＲＣＬの少なくとも一側面に設けた釣鐘状または台形状の隆起部４９ａ，４９ｂに対峙する中間軸３９の内筒軸４０および外筒軸４１の少なくとも一方の通路５６ａ，５６ｂの端面に突出し片５７ａ，５７ｂを環状に設け、図１５に示すように突出し片５７ａ，５７ｂの内径側から外径側に向って直線状（放射状）の案内流路５８ａ，５８ｂを形成したものである。
【００４３】
このように、本実施形態は、回転中に発生する遠心応力がディスク４５，４６に較べて低い中間軸３９の内筒軸４０および外筒軸４１の少なくとも一方の通路５６ａ，５６ｂの端面に突出し片５６ａ，５７ｂを環状に設け、環状に設けた突出し片５７ａ，５７ｂに内径側から外径側（半径方向）に向って直線状の案内流路５８ａ，５８ｂを形成し、冷却用としての高圧空気の流れを良好にさせたので、ディスク４５，４６の強度を高く維持させることと相まって冷却用としての高圧空気の圧力損失を低く抑えることができる。
【００４４】
なお、本実施形態は、突出し片５７ａ，５７ｂに、その内径側から外径側に向って直線状の案内流路５８ａ，５８ｂを形成したが、これに限らず例えば図１６に示すように、案内流路５８ａ，５８ｂの内径側を時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５９ａ，５９ｂにしても良く、また、図１７に示すように、案内流路５８ａ，５８ｂのうち、内径側を時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路５９ａ，５９ｂにし、外径側を反時計廻り方向に向って折り曲げた折り曲げ案内流路６０ａ，６０ｂにし、中間部分を直線に結んでも良く、さらに図１８および図１９に示すように、案内流路５８ａ，５９ｂの内径側から外径側に向って時計廻り方向側に凸状曲面を形成しても良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機軸とガスタービン軸とのそれぞれのディスクおよび空気圧縮機軸とガスタービン軸とを互いに接続させる中間軸の少なくとも一方に、空気圧縮機段落から抽気し、ガスタービン軸に冷却用として供給する高圧空気の圧力損失を少くさせて良好に案内する手段を備えたので、限られた高圧空気の流量でもガスタービン軸のディスクを充分に対流冷却させることができ、ガスタービン軸のディスクの強度を高く維持させて高温化に対処させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンプラントの実施形態を示す上半部分断面組立図。
【図２】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第１実施形態を示す概略側断面図。
【図３】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第１実施形態の変形例を示す概略側断面図。
【図４】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態を示す概略側断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ矢視方向から見た正面図。
【図６】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第１変形例を示す概略側断面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た正面図。
【図８】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第２変形例を示す概略側断面図。
【図９】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第３変形例を示す概略側断面図。
【図１０】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第４変形例を示す概略側断面図。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ矢視方向から見た正面図。
【図１２】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第２実施形態における第５変形例を示す概略側断面図。
【図１３】図１２のＥ−Ｅ矢視方向から見た正面図。
【図１４】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態を示す概略側断面図。
【図１５】図１４のＦ−Ｆ矢視方向から見た正面図。
【図１６】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態における第１変形例を示す概略側断面図。
【図１７】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態における第２変形例を示す概略側断面図。
【図１８】本発明に係るガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクの第３実施形態における第３変形例を示す概略側断面図。
【図１９】図１８のＣ−Ｃ矢視方向から見た正面図。
【図２０】従来のガスタービンプラントを示す概略部分断面図。
【図２１】従来のガスタービンプラントの空気圧縮機軸およびガスタービン軸として適用するディスクを示す概略側断面図。
【図２２】図２１のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
２ ガスタービン燃焼器
３ ガスタービン
４ 空気圧縮機軸
５ ガスタービン軸
６ 内筒軸
７ 外筒軸
８ 中間軸
９ 空気圧縮機動翼
１０ 空気圧縮機静翼
１１ ガスタービン静翼
１２ ガスタービン動翼
１３ 隙間部
１４ 空間部
１５ 通路
１６ 隙間部
１７ 中心孔
１８ ディスク
１９ ボルト孔
２０ 翼植込み部
２１ 空気圧縮機
２２ ガスタービン燃焼器
２３ ガスタービン
２４ 空気圧縮機ケーシング
２５ ジャーナル軸受
２６ 空気圧縮機軸
２７ 空気圧縮機動翼
２８ 空気圧縮機静翼
２９ 空気圧縮機段落
３０ 吸気口
３１ 燃焼器ライナ
３２ トランジションピース
３３ ガスタービンケーシング
３４ ジャーナル軸受
３５ ガスタービン軸
３６ ガスタービン静翼
３７ ガスタービン動翼
３８ ガスタービン段落
３９ 中間軸
４０ 内筒軸
４１ 外筒軸
４２ 外筒軸空間部
４３ 内筒軸空間部
４４ バランス孔
４５ ディスク
４６ ディスク
４７ タイボルト
４８ タイボルト
４９ａ，４９ｂ 隆起部
５０ａ，５０ｂ 段状平坦部
５１ａ，５１ｂ 案内流路
５２ａ，５２ｂ ボルト孔
５３ａ，５３ｂ 折り曲げ案内流路
５４ａ，５４ｂ 折り曲げ案内流路
５５ａ，５５ｂ 流路用部材
５６ａ，５６ｂ 通路
５７ａ，５７ｂ 突出し片
５８ａ，５８ｂ 案内流路
５９ａ，５９ｂ 折り曲げ案内流路
６０ａ，６０ｂ 折り曲げ案内流路
Claims (1)
- 空気圧縮機に収容され、ディスクを軸方向に沿って積み重ねて構成した空気圧縮機軸と、ガスタービンに収容され、ディスクを軸方向に沿って積み重ねて構成したガスタービン軸と、上記空気圧縮機軸と上記ガスタービン軸との間に中間軸を備えたガスタービンプラントにおいて、上記空気圧縮機軸のディスクおよび上記ガスタービン軸のディスクの少なくとも一方に滑らかに先細の突状に形成された隆起部を設けるとともに、上記ディスクのそれぞれに一体に形成した段状の平坦部に前記隆起部と接し、時計廻りまたは反時計廻りに向かって曲げられて形成された案内流路を設けたことを特徴とするガスタービンプラント。
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