JP4067709B2

JP4067709B2 - ロータ冷却空気供給装置

Info

Publication number: JP4067709B2
Application number: JP23535099A
Authority: JP
Inventors: 卓一柳
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2019-08-23
Also published as: CA2316576C; EP1079067A3; US6379117B1; DE60018861T2; CA2316576A1; DE60018861D1; EP1079067B1; JP2001059401A; EP1079067A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はロータ冷却空気供給装置に関し、例えばガスタービンロータ等の空気冷却を必要とするロータに適用可能なロータ冷却空気供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンロータ等のように高温の流体と接触するロータを有する装置では、ロータに空気等の冷却気体を供給することによりロータ高温部の冷却を行っている。
例えば、ガスタービンロータでは高温燃焼ガスと接触する動翼に冷却空気を供給して動翼を冷却することにより動翼の耐久性を向上させている。動翼に供給される冷却空気は、通常ロータ軸内にロータ軸軸線方向に設けられた冷却空気通路を介して動翼に供給される。
【０００３】
図５は、一般的な冷却空気通路の概略を示す図である。
図５において、１０はガスタービンのタービンロータ全体、１１はタービンロータ１０のロータ軸、１３はロータ軸に一体に取付けられた複数のタービンディスクである（図５にはそのうちの１つのタービンディスクのみを示す）。タービンディスク外周には高温の燃焼ガスのエネルギをロータ１０の回転動力に変換する動翼１５が設けられている。
【０００４】
図５に示すように、ロータ軸１１周囲には冷却空気通路３０を形成する円筒状スリーブ３１が固定されている。円筒状スリーブ３１は、タービンディスク１３側面に取付けられた、ロータ軸１１とともに回転する。円筒状スリーブ３１内径はロータ軸１１外径より大きな値に設定されており、これによりスリーブ３１内周とロータ軸１１外周との間には冷却空気通路３０として機能する環状空隙が形成される。冷却空気通路３０のタービンディスク１３と反対側の端部は冷却空気室２０に開放され、冷却空気通路入口３３を形成している。
【０００５】
冷却空気室２０は、ロータ１０を収容するケーシング５０内に設けられ、円筒状スリーブ３１の開放端側（すなわち冷却空気通路入口３３側）部分でロータ軸１１周囲を囲む環状空間として形成される。冷却空気室２０のロータ軸軸線方向両端にはラビリンスシール５１、５３が設けられており、静止部材であるケーシング５０と回転部材であるロータ軸１１（円筒状スリーブ３１）との間からの冷却空気の洩れを防止している。
【０００６】
冷却空気は、例えばガスタービンのコンプレッサ（図示せず）の吐出側から冷却空気配管２３を通って冷却空気室２０に供給され、冷却空気室２０からロータ軸１１周りに開口する冷却空気通路入口３３を通って軸線方向冷却空気通路３０に流入する。この冷却空気は、冷却空気通路３０内をロータ軸線方向に流れてタービンディスク１３に到達する。タービンディスク１３に到達した冷却空気の一部は、タービンディスク１３に半径方向に穿設された複数の半径方向通路１３ａを通ってディスク１３外周の各動翼１５の翼根部に供給され、翼根部から動翼１５内に形成された翼内冷却空気通路（図示せず）に流入する。この冷却空気は、翼内冷却空気通路を通り動翼を冷却した後、動翼前縁や後縁に設けられた出口から外部に排出される。また、タービンディスク１３では半径方向通路１３ａに流入しなかった冷却空気はタービンディスク１３にロータ軸線方向に穿設された軸線方向通路１３ｂを通って下流側のタービンディスク（図示せず）に供給され動翼の冷却を行う。
【０００７】
ところで、冷却空気通路３０に流入した冷却空気は高速で回転するロータ軸１１外周面と接触しロータ軸１１外周接線方向に回転しながららせん状に冷却空気通路３０内をタービンディスク１３に向かって流れる。一方、冷却空気室２０内では冷却空気はロータ軸１１外周接線方向速度を有していない。このため、ロータ軸１１は冷却空気通路入口３３に流入する冷却空気に接線方向速度成分を付与する仕事をすることになる。従って、運転中ロータ１０には冷却空気通路入口３３から流入する冷却空気に付与した接線方向速度成分の運動エネルギに相当する動力損失を生じるようになる。
【０００８】
このように冷却空気への接線方向速度成分付与により生じるロータの動力損失を低減するために、一般に冷却空気通路入口３３部分にノズルを設けて予め流入する冷却空気にロータ外周接線方向速度を持たせる接線方向ノズルが使用される場合がある。
接線方向ノズルは、通常冷却通路入口３３部分のロータ軸１１周囲に翼型断面を有する多数のノズル部材を放射状に配置し、翼型ノズル部材間に形成される通路によりノズルを形成する。接線方向ノズルは、ノズル内で冷却空気を膨張させロータ軸外周接線方向に向けて噴射するものであり、ノズル内の空気の膨張により接線方向速度成分を生じさせるものである。ノズルにより冷却空気に付与される接線速度成分の大きさはほぼロータ軸１１の周速に等しくなるようにノズル前後の圧力差（冷却空気室２０と冷却空気通路入口３３部分における冷却空気の圧力差）が設定される。このように接線方向ノズルを設けることにより、冷却空気は冷却空気通路入口３３部分でロータ軸１１周速にほぼ等しい速度を持ってロータ軸１１外周接線方向に噴射されるため、ロータ軸１１外周面と冷却空気流との接線方向速度差がなくなりロータ１０の動力損失が生じることが防止される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような翼型ノズル部材を用いてノズルを構成する場合には問題が生じる。
すなわち、翼型ノズル部材を用いてノズルを構成する場合には、まずそれぞれの翼型ノズル部材を個々に製作し、これらのノズル部材をロータ軸の周囲を囲むように周方向に配置して溶接、或いはロウ付け等により冷却空気室内の静止部材に固定する方法や翼型ノズル部材を円環状に配列した形状のノズルを一体に鋳造する方法、或いは円環状の部材に放電加工や機械加工等により翼型ノズル部材を残して空気通路を形成する方法等がとられる。ところが、これらの方法はいずれも工数がかかるためノズルの製造コストが高くなる問題がある。更に、溶接、ロウ付け等によりノズルを組み立てるとノズルに熱歪みが残留する場合があり、ノズルの冷却空気噴射方向に誤差が生じる場合がある。
【００１０】
しかも、翼型ノズル部材を用いたノズルでは、ロータ軸接線方向に冷却空気を噴射するためには、それぞれのノズル部材は半径方向に対して接線方向に傾けて配置する必要が生じ、特にノズル出口がロータ表面に近い場合にはノズル部材の傾斜が大きくなるため上記いずれの方法によってもノズルの製作が更に困難になる問題を生じる。
【００１１】
また、接線方向ノズルではロータ軸外周接線方向に冷却空気を噴射するようにしているため、ロータ軸の軸線方向の速度成分を持っていない。ところが、ノズルから噴射された冷却空気は冷却空気通路に流入して軸線方向に流れるため、冷却空気通路に流入する際に冷却空気流はロータ軸軸線方向に流れ方向を変えることになる。このため、接線方向ノズルを用いた場合には冷却空気通路に流入する際に軸線方向への流れ方向変化により冷却空気の圧力損失が生じるようになり、ノズル入口への冷却空気供給圧力を高く設定する必要が生じる。前述したように通常冷却空気はガスタービンコンプレッサの吐出又は中間段から供給されるため、冷却空気供給圧力を高く設定するとコンプレッサの圧縮仕事が増大し、ガスタービン全体としての動力損失が増大する問題が生じる。
【００１２】
この冷却空気流れ方向変更による動力損失の増大を防止するためには、ノズルから供給される冷却空気に接線方向速度成分とともに予めロータ軸軸線方向速度を付与しておくことが考えられる。このためには、ノズルからの冷却空気噴射方向をロータ外周接線方向に傾斜させるとともに軸線方向にもある程度傾斜させる必要がある。しかし、従来のような翼型ノズル部材をロータ周囲に配列して構成するノズルではノズルをロータ軸線方向に傾斜させて配列することは困難なため、冷却空気流にロータ軸線方向速度成分を付与することは困難であった。
【００１３】
本発明は、上述した翼型ノズル部材を用いた接線方向ノズルの問題を解決し、低コストでかつ高精度にノズルを形成可能であり、しかも冷却空気流の軸線方向への流れ方向変化による動力損失を低減可能なロータ冷却空気供給装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、回転するロータに冷却空気を供給するロータ冷却空気供給装置であって、ロータ軸外周に入口を有するとともに、ロータ軸内に軸線方向に設けられた冷却空気通路と、前記冷却空気通路入口部分のロータ軸外周の周囲を囲んで形成され、加圧空気源に接続される環状の冷却空気室と、該冷却空気室内の加圧空気を前記冷却空気通路に噴射する冷却空気ノズルとを備え、前記冷却空気ノズルは、前記冷却空気室と前記冷却空気通路入口との間にロータ軸周囲を囲んで配置された環状の静止部材に穿設され前記冷却空気室と前記冷却空気通路入口近傍とに開口する円形断面の複数の直線状空気通路として形成され、前記直線状空気通路は、冷却空気噴流が、ロータ軸周速に略等しいロータ軸外周接線方向速度成分と、前記冷却空気通路内の冷却空気流速の軸線方向成分に略等しいロータ軸軸線方向速度成分とを持ってノズルから噴射されるようにロータ軸外周接線方向に対して軸線方向に角度を持って配置され、かつ、前記直線状空気通路は、ロータ周面の外周に設けられた前記冷却空気通路の円筒状スリーブ開放端に向けて冷却空気を噴射するように配置されていることを特徴とするロータ冷却空気供給装置が提供される。
【００１５】
すなわち、請求項１の発明では冷却空気ノズルはロータ軸冷却空気通路入口周囲に設けられた環状静止部材に穿設された円形断面の複数の直線状空気通路として形成されるため、機械加工により容易に空気通路を形成することが可能となる。このため、冷却空気ノズルを容易かつ高精度に形成することが可能となり冷却空気ノズルの製造コストと工数とを大幅に低減可能となる。
【００１７】
また、冷却空気ノズルの直線状空気通路はロータ軸外周接線方向に対して軸線方向に角度を持って配置されており、ノズルから噴射された冷却空気がロータ軸周速に略等しいロータ軸外周接線方向速度成分だけでなく、冷却空気通路内の冷却空気流速の軸線方向成分に略等しい軸線方向速度成分を持つようにされ、かつ、直線状空気通路は、ロータ周面の外周に設けられた冷却空気通路の円筒状スリーブ開放端に向けて冷却空気を噴射するように配置されている。このため、冷却空気ノズルから噴射された冷却空気は速度と流れ方向とが変化することなくロータ軸内の冷却空気通路内に流入するようになり、冷却空気通路入口付近での圧力損失が生じない。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、前記ロータはガスタービンのロータである請求項１に記載のロータ冷却空気供給装置が提供される。
すなわち、請求項２の発明では、請求項１のロータ冷却空気供給装置はガスタービンロータ用の冷却空気装置として使用される。このため、ガスタービン全体の製造コストと工数とを低減することが可能となるとともに、冷却空気の圧力損失低減によりガスタービンコンプレッサの損失仕事を低減し、ガスタービン全体の効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明のロータ冷却空気供給装置をガスタービンロータに適用した場合の実施形態の概略構成を説明する断面図である。
図１において、図５と同じ参照符号は同様な要素を示すものとする。
【００２０】
図１のロータ冷却空気供給装置では、図５と同様にガスタービンロータ１０のディスク１３には円筒状スリーブ３１が取付けられ、ロータ軸１１外周とスリーブ３１内周との間に環状の軸線方向冷却空気通路３０が形成されている。
本実施形態では、タービンディスク１３側のラビリンスシール５１は円筒状スリーブ３１開放端３３を越えて冷却空気室２０内に延設されており、円筒状スリーブ３１及びロータ軸１１外周とを冷却空気室２０から隔離している。また、ラビリンスシール５１内周の円筒状スリーブ３１開放端（冷却空気通路入口）３３部分には、環状のノズル部材７０が嵌装着されている。環状ノズル部材７０はほぼ四角形の横断面を有しており、冷却空気ノズルとして機能する円形断面の直管状の空気通路７１が周方向に等間隔に穿設されている。
【００２１】
また、ラビリンスシール５１には、ノズル部材７０の空気通路７１に相当する位置にそれぞれ開口５５が設けられている。本実施形態では、冷却空気通路３０の入口３３はラビリンスシール５１により冷却空気室２０から隔離されているため、冷却空気室２０内の冷却空気はラビリンスシール５１外周の開口から環状ノズル部材７０のそれぞれの空気通路（冷却空気ノズル）７１のみを通って冷却空気通路入口３３に流入する。
【００２２】
次に、本実施形態の冷却空気ノズル７１について説明する。
図２は、図１の環状ノズル部材７０のロータ軸線に垂直な平面に沿った断面図、図３は図２の矢印Ｘで示す方向（ロータ軸１１半径方向）の矢視図である。図２に示すように、環状ノズル部材７０には周方向に複数の冷却空気ノズル７１が形成されている。冷却空気ノズル７１は、円形断面の略直管形状の噴孔７１ａと、同様に円形断面の略直管形状のノズル入口通路７１ｂと、大径のノズル入口通路７１ｂを小径の噴孔７１ａに滑らかに接続する縮径部７１ｃとから構成される。
【００２３】
図２に示すように、各冷却空気ノズル７１はその中心軸線７２がロータ軸線に垂直な平面上ではロータ軸１１外周接線方向を向くように配置されている。また、図３に示すように、各冷却空気ノズル７１中心軸線７２は図２に直角な平面上ではロータ軸外周接線方向に対して、タービンディスク１３側に向かって角度θだけ傾斜するように配置されている。すなわち、各冷却空気ノズル７１の中心軸線７２は、ロータ軸１１外周接線方向を指向すると同時に、ロータ軸１１軸線方向に角度を持って配置されている。
【００２４】
図４は、各冷却空気ノズル７１から噴射される冷却空気の速度ベクトル線図である。図４に示すように、冷却空気ノズル７１はロータ軸外周接線方向に対して角度θだけ軸線方向に傾斜しているため、ノズル７１から速度Ｖで噴射された冷却空気は、ロータ軸外周接線方向の速度成分ＶＴ（ＶＴ＝Ｖ×ＣＯＳθ）とともにロータ軸線方向の速度成分ＶＡ（ＶＡ＝Ｖ×ＳＩＮθ）を有するようになる。
【００２５】
本実施形態では、上記ロータ軸外周接線方向速度成分ＶＴは定格回転速度におけるロータ軸周速に、軸線方向速度成分ＶＡはガスタービン定格運転時における冷却空気通路３０内の冷却空気流速の軸線方向速度にほぼ等しくなるように角度θと冷却空気ノズル噴射速度Ｖとが設定されている。
すなわち、ガスタービン定格運転におけるロータ軸周速ＶＴは設計値として与えられる。また、ガスタービン定格運転における冷却空気通路３０内の軸線方向流速ＶＡは、所要冷却空気流量から決定される。従って、ノズル７１からの噴射速度ＶはＶ＝（（ＶＴ）²＋（ＶＡ）²）^1/2として算出される。また、角度θは、θ＝ＴＡＮ^-1（ＶＡ／ＶＴ）として求められる。更に、冷却空気ノズル７１の孔径は、噴射速度Ｖと冷却空気流量とが定まれば公知の方法で決定可能である。
【００２６】
このように、冷却空気ノズル７１から噴射される冷却空気流にロータ軸周速とほぼ等しいロータ軸外周接線方向速度成分ＶＴと、冷却空気通路３０内の冷却空気流の軸線方向速度とほぼ等しいロータ軸接線方向速度成分ＶＡとを持たせるようにしたことにより、冷却空気ノズル７１から噴射された冷却空気はほとんど流れ方向を変えることなく冷却空気通路入口３３に流入するようになる。このため、本実施形態では冷却空気流に接線方向速度を付与するためのロータ軸１１の損失仕事や、冷却空気流の方向が軸線方向に変化する際の圧力損失を大幅に低減することが可能となり、ロータの損失仕事やコンプレッサの圧縮仕事を低減しガスタービン全体の効率を向上させることが可能となっている。
【００２７】
また、本発明では各冷却空気ノズル７１はノズル部材７０に穿設した円形断面の直管状空気通路として形成される。このように冷却空気ノズル７１を円形断面の直管状空気通路としたことにより、冷却空気ノズル７１はノズル部材７０を機械加工することにより容易に形成することが可能となり、翼型ノズル部材を配列して形成する場合に較べて大幅にノズル製作工数が低減されるようになる。
【００２８】
また、本実施形態では冷却空気ノズル加工の際に溶接やロウ付け等の工程が必要とされないため、熱歪みが発生することがなく、ノズルの形状精度を極めて高くすることが可能となる。
なお、上記のように円形断面の直管状ノズルを用いた場合には、理論的には翼型ノズル部材を用いた場合に較べてノズルにおける冷却空気流の圧力損失が増大するが、例えばガスタービンロータの冷却空気流の場合には、ノズル出口における流速は比較的低く（例えば１００ｍ／ｓから２００ｍ／ｓ程度）、ノズル前後の圧力比も小さくなっている（例えば圧力比で最大でも１．２程度）。このため、実際には円形断面ノズルを使用した場合の翼型ノズル部材を用いた場合に対する圧力損失の増大は無視できる程度となっている。従って、冷却空気流に軸線方向速度成分を容易に付与することができる円形断面ノズルを用いた場合の方が、全体として冷却空気流の圧力損失は小さくなり、全体としてガスタービンの効率を向上させることが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ロータ冷却空気ノズルを容易に、しかも高精度に製作することができ、ロータ冷却空気供給装置の製作コストと工数を大幅に低減可能となり、ロータの損失仕事とロータ冷却空気の圧力損失とを同時に低減することが可能となる効果を奏する。また、冷却空気ノズルから噴射された冷却空気は速度と流れ方向とが変化することなくロータ軸内の冷却空気通路内に流入するようになり、冷却空気通路入口付近での圧力損失が生じない。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１のロータ冷却空気供給装置はガスタービンロータ用の冷却空気装置として使用されるため、ガスタービン全体の製造コストと工数とを低減することが可能となるとともに、冷却空気の圧力損失低減によりガスタービンコンプレッサの損失仕事を低減し、ガスタービン全体の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロータ冷却空気供給装置をガスタービンロータに適用した場合の実施形態の概略構成を説明する断面図である。
【図２】ロータ冷却空気ノズルの形状と配置を示す断面図である。
【図３】ロータ冷却空気ノズルのロータ軸線方向への傾斜配置を示す図である。
【図４】ロータ冷却空気ノズルからの冷却空気噴流の速度成分を説明する図である。
【図５】従来の一般的なロータ冷却空気供給装置の概略構成を説明する図１と同様な断面図である。
【符号の説明】
１０…ガスタービンロータ
１１…ロータ軸
１３…タービンディスク
２０…冷却空気室
３０…冷却空気通路
３１…円筒状スリーブ
３３…冷却空気通路入口
５１、５３…ラビリンスシール
７０…環状ノズル部材
７１…冷却空気ノズル（空気通路）

Claims

回転するロータに冷却空気を供給するロータ冷却空気供給装置であって、
ロータ軸外周に入口を有するとともに、ロータ軸内に軸線方向に設けられた冷却空気通路と、
前記冷却空気通路入口部分のロータ軸外周の周囲を囲んで形成され、加圧空気源に接続される環状の冷却空気室と、
該冷却空気室内の加圧空気を前記冷却空気通路に噴射する冷却空気ノズルとを備え、
前記冷却空気ノズルは、前記冷却空気室と前記冷却空気通路入口との間にロータ軸周囲を囲んで配置された環状の静止部材に穿設され前記冷却空気室と前記冷却空気通路入口近傍とに開口する円形断面の複数の直線状空気通路として形成され、
前記直線状空気通路は、冷却空気噴流が、ロータ軸周速に略等しいロータ軸外周接線方向速度成分と、前記冷却空気通路内の冷却空気流速の軸線方向成分に略等しいロータ軸軸線方向速度成分とを持ってノズルから噴射されるようにロータ軸外周接線方向に対して軸線方向に角度を持って配置され、
かつ、前記直線状空気通路は、ロータ周面の外周に設けられた前記冷却空気通路の円筒状スリーブ開放端に向けて冷却空気を噴射するように配置されていることを特徴とするロータ冷却空気供給装置。
前記ロータはガスタービンのロータである請求項１に記載のロータ冷却空気供給装置。