JP4319087B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機からの圧縮空気を燃焼器で燃料と燃焼し、燃焼ガスによってタービンの軸動力を得るガスタービンに関する。

ガスタービンでは、高温高圧の燃焼ガスによりタービンロータの軸動力を得るので、例えば動翼等を始めとするタービンロータの各所を冷却する必要がある。しかし、タービンロータは回転体であるため、タービンロータに対し外周側から冷却空気を導入することは一般的に難しい。そこで、タービンロータに対する冷却空気導入構造の一例として、燃焼器に供給される圧縮空気の一部を圧縮機主流路から抽気して、圧縮機ロータとタービンロータとを連結する連結軸の中心孔を介してタービンロータに対し内周側から冷却空気を導入するものがある（例えば、特許文献１等参照）。

特許第２７６８７８９号公報

一般に、タービンロータ内の冷却空気の流れは複雑であるため、通常、計画段階で冷却空気流路内の圧力損失量や温度上昇量を精度良く見積もることは難しい。そのため、冷却空気流量が計画通りとならず、動翼の冷却効果や燃焼ガスのシール効果等に過不足が生じる場合がある。また、冷却空気流量が計画通りであっても、仕様変更に伴って冷却空気流量等を調整しなければならない場合もある。こうした状況下において冷却空気流量を調整するには、従来、例えば動翼内の冷却空気流路に設けたオリフィスプレートを付替えたり、タービンロータ内の冷却空気流路そのもの（例えばタービンホイール間のスペーサに設けたスリット等）を再加工したりしなければならなかった。そのため、据付後に冷却空気流量を調整する際には、配管や燃焼器を取外してケーシングを開放し、さらにタービンロータを吊り出して分解しなければならず、多大な労力及び時間を要し大きなコストが発生する。

本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的は、煩わしい分解組立作業を伴うことなく、据付後であっても、タービンロータを冷却する冷却空気の流量や圧力を容易に調整することができるガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のガスタービンは、燃焼器に供給される圧縮空気の一部を冷却空気として抽気して、圧縮機ロータ及びタービンロータの連結軸に設けた中心孔を介してタービンロータに導く冷却空気流路の入口部に、冷却空気の流量もしくは圧力を調整する調整手段を着脱可能に設けた。

本発明によれば、燃焼器への圧縮空気を抽気してタービンロータに導く冷却空気の入口部に冷却空気の流量や圧力を調整する調整手段を設けているので、据付後であっても調整手段を簡単に交換することができ、煩わしい分解組立の作業を伴うことなくタービンロータを冷却する冷却空気の流量や圧力を容易に調整することができる。

以下、本発明のガスタービンの第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のガスタービンの第１実施形態を表す断面図である。
図１において、本実施形態のガスタービンは、圧縮機１０からの圧縮空気を燃料とともに燃焼器２０で燃焼し、燃焼ガスによってタービン３０で軸動力を得るようになっている。

圧縮機１０は、外周部に複数の動翼１１を取り付けた圧縮機ホイールを軸方向に積み重ねて形成した圧縮機ロータ１２と、この圧縮機ロータ１２を覆う圧縮機ケーシング１３とを備えている。特に図示していないが、圧縮機ケーシング１３の内周側には、動翼１１と軸方向に交互に静翼が固定されている。これにより、圧縮機ロータ１２と圧縮機ケーシング１３との間の圧縮機主流路１４内で動翼１１及び静翼を通過させて吸気（外気）を圧縮し、燃焼器２０に圧縮空気を供給するようになっている。

タービン３０は、外周部に複数の動翼３１〜３３をそれぞれ取り付けたタービンホイール３４〜３６とスペーサ３７，３８とを軸方向に交互に積み重ねて形成したタービンロータ３９と、このタービンロータ３９を覆うタービンケーシング４０とを備えている。タービンケーシング４０の内周側には、それぞれリテーナリング４１、シュラウド４２〜４４を介し、動翼３１〜３３と軸方向に交互に静翼４５〜４７が固定されている。静翼４６，４７の内周側先端部にはダイヤフラム４８，４９が取り付けられており、これらダイヤフラム４８，４９とスペーサ３７，３８との間は、それぞれパッキン５０，５１によってシールされている。これにより、タービンロータ３９とタービンケーシング４０との間のガスパス５２内を流れる燃焼器２０からの燃焼ガスが動翼３１〜３３及び静翼４５〜４７を通過することで、タービンロータ３９の軸動力が得られるようになっている。

なお、特に図示していないが、タービン３０の静止体側には、圧縮機１０から抽気されタービンケーシング４０の外周側より導かれた圧縮空気が供給され、静翼４５〜４７の冷却空気や各ホイールスペースのシール空気として利用される。

ここで、圧縮機ロータ１２とタービンロータ３９は、互いに連結軸６０を介して連結されている。この連結軸６０は、インナーケーシング６１によって間隙を介して外周を覆われている。インナーケーシング６１は、ストラット６２等を介し圧縮機ケーシング１３等に固定されており、その内周側には、圧縮機ロータ１２との間隙から圧縮機主流路１４を流れる圧縮空気の一部が流入する。インナーケーシング６１の内周側に流入した圧縮空気は、後述するタービン３０の初段動翼３１の前側ホイールスペースやタービンロータ３９の内部に導かれ、それぞれシール空気や冷却空気として用いられる。

本実施形態のガスタービンでは、上記のような構成にあって、連結軸６０を介して冷却空気をタービンロータ３９に導く冷却空気流路７０が設けられている。この冷却空気流路７０の入口部７１は、内径部にネジが形成されており、圧縮機主流路１４のディフューザ部１５において、インナーケーシング６１に対し周方向に所定間隔で複数（例えば４箇所）設けられている。また、この入口部７１は、連結軸６０とインナーケーシング６１との間隙に連通している。連結軸６０とインナーケーシング６１との間には、入口部７１を挟むようにして軸方向に２箇所のパッキン７２，７３が設けられており、これらパッキン７２，７３によって冷却空気流路７０の途中に冷却空気の圧力及び流量を均一化するためのキャビティ７４が区画形成されている。

また、キャビティ７４は、連結軸６０に設けた導入口７６によって連結軸６０の中心孔７５に連通している。導入口７６は、径方向に伸びており、周方向に所定間隔で複数（例えば４箇所）設けられている。冷却空気流路７０の入口部７１と導入口７６の軸方向位置が一致していると、回転する導入口７６にキャビティ７４を介し流入する冷却空気に脈動が生じる可能性があるため、脈動防止のために入口部７１と導入口７６の軸方向位置はずらしてある。連結軸６０の中心孔６１は、タービンロータ３９の中心孔５３に接続しており、スペーサ３７，３８の前後にそれぞれ設けたスリット５４〜５７を介して動翼３１，３２の内部やガスパス５２に導かれる。

以上のように、本実施形態における冷却空気流路７０は、入口部７１、キャビティ７４、導入口７６、中心孔７５で形成されており、燃焼器３０に供給される圧縮空気の一部を抽気し、入口部７１→キャビティ７４→導入口７６→中心孔７５の経路でタービンロータ３９に冷却空気として導入する。

このとき、冷却空気流路７０の入口部７１には、冷却空気流路７０を流れる冷却空気の流量もしくは圧力を調整する調整手段としてのオリフィスプラグ８０が設けられている。このオリフィスプラグ８０の一構成例の斜視図を図２に表す。

図２に示すように、オリフィスプラグ８０は、内径寸法がＤの冷却空気導入口８１を有している。特に図示していないが、オリフィスプラグ８０の外周部にはネジが形成されており、冷却空気流路７０の入口部７１に螺着させて容易に着脱できるようになっている。このオリフィスプラグ８０は、冷却空気導入口８１の内径寸法Ｄが異なる複数種類のものが予め用意されている。

また、圧縮機ケーシング１３には、冷却空気流路７０の入口部７１、言い換えればオリフィスプラグ８０と位置が対応するようにメンテナンス口９０が設けられている。さらに、このメンテナンス口９０を開閉する開閉蓋９１が圧縮機ケーシング１３に設けられている。開閉蓋９１の構成に特別な限定はないが、例えばネジを設けてメンテナンス口９０に螺着する構成でも良いし、ピンやボルト等で固定する構成でも良い。この構成により、開閉蓋９１を開けてメンテナンス口９０を開放することで、このメンテナンス口９０を介してオリフィスプラグ８０を容易に着脱できるようになっている。

以上のように構成された本実施形態のガスタービンにおいては、圧縮機１０により吸い込み空気が圧縮され、圧縮機主流路１４から燃焼器２０へと圧縮空気が供給される。燃焼器２０では、圧縮空気が燃料とともに燃焼されて燃焼ガスが精製され、この燃焼ガスがタービン３０に供給されることにより、タービンロータ３９の軸動力が得られる。タービンロータ３９の軸動力は、連結軸６０を介し圧縮機ロータ１２に伝達され圧縮機１０の駆動力となる。また、タービンロータ３９に例えば発電機やポンプ等といった負荷機器の駆動軸を接続する場合には、タービンロータ３９の軸動力は負荷機器の駆動力ともなる。

一方、タービンロータ３９を冷却する冷却空気の流れについて説明すると、燃焼器２０に供給される圧縮空気の一部は、インナーケーシング６１に設置され冷却空気流路入口部７１のオリフィスプラグ８０を介しキャビティ７４内に導かれる。キャビティ７４は、パッキン７２，７３により外部の系から遮断され、パッキン７２の上流側及びパッキン７３の下流側の圧力の影響を受け難い状態となっている。キャビティ７４内は、計画されたタービンロータ３９内の冷却空気流量を流すために必要な圧力となるようにオリフィスプラグ８０により調整する。これにより、上記冷却空気流路７０（入口部７１→キャビティ７４→導入口７６→中心孔７５）を介し、燃焼器３０に供給される圧縮空気の一部が適正な圧力及び流量となってタービンロータ３９の冷却空気またはホイールスペースのシール空気としてタービンロータ３９に導入される。

ここで、図３にタービンロータに冷却空気を導入する冷却空気流路の従来構成の一例を表す。但し、図３において、先の図１と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図３に示すように、従来では、燃焼器２０に供給される圧縮空気の一部が、圧縮機ロータ１２とインナーケーシング６１の間隙から流入し、インナーケーシング６１の内周側に導かれる。インナーケーシング６１の内周側に流入した圧縮空気の一部は、パッキン７３を介して流量を絞られ、タービン初段の静翼４５及び動翼３１の間のホイールスペースをシールするシール空気としてガスパス５２に放出される。インナーケーシング６１の内周側に流入した圧縮空気の他の分は導入口７６より連結軸６０の中心孔７５に流入し、その後、タービンロータ３９内に導入され、例えば所定のタービン動翼の冷却空気や各ホイールスペースのシール空気として用いられる。

このとき、タービン動翼（冷却翼、図３の例では動翼３１，３２）における冷却空気流路の入口部には、タービン動翼への冷却空気流量を調整するためのオリフィスプレート１が設けられている。このオリフィスプレート１は、一般に、各タービン動翼における冷却空気流路の入口部に溶接されている。したがって、動翼３１，３２内への冷却空気の流量や圧力を調整するためには、オリフィスプレート１を能力の適したものに交換する、若しくは動翼３１，３２内の冷却空気流路構造を変更する必要がある。また、冷却翼ではないタービン動翼（図３の例では動翼３３）に対する冷却空気の供給量は、スペーサ３８（若しくはタービンホイール３６）に設けたスリット５７により調整されるため、調整のためにはスリット５７を再加工しなければならない。

本来であれば、精密鋳造により製作された動翼をそのまま使用できることが望ましいが、通常、翼内の冷却流路の入口部付近は広さに余裕をもたせた設計で精密鋳造を行い、図３に示したように、この部分にオリフィスプレートを溶接し冷却空気流量を調整するのが一般的である。試作機を製作した後に要求される冷却仕様が確定され、オリフィスプレートを不要化するために精密鋳造翼自体を設計変更する場合もあるが、この場合には、新たな翼の金型が必要となり製作コストが高騰する一因となる。また、ある程度成熟し仕様が確定しているガスタービンであっても、性能向上のために燃焼温度を上げる場合や翼の材料を変更する場合等は冷却空気流量を変更する必要がある。

したがって、計画流量との誤差が後で判明した場合や仕様を変更する場合、例えば図３に示したガスタービンにおいては、その都度、オリフィスプレート１もしくは動翼内部の冷却構造、或いはスリット５７の再加工をしなければならない。しかしながら、動翼そのものを再設計する場合は勿論のこと、オリフィスプレート１を交換するにしてもスリット５７を再加工するにしても、いずれにしても配管（図示せず）や燃焼器２０を取外して圧縮機ケーシング１３、タービンケーシング４０、インナーケーシング６１等を開放し、さらに圧縮機ロータ１２と一体構成のタービンロータ３９を吊り出して分解しなければならない。このような作業には、多大な労力及び時間を要し大きなコストが発生する。

それに対し、本実施形態によれば、タービンロータ３９に冷却空気を導く冷却空気流路７０の入口部７１に、冷却空気流路７０を流れる冷却空気の流量や圧力を調整するオリフィスプラグ８０を着脱可能に設けてある。すなわち、冷却空気流路７０は燃焼器２０への圧縮空気の一部を抽気するものであるため、その入口部７１は圧縮機ケーシング１３のすぐ内周側に配置することができる。したがって、この入口部７１に位置を対応させて圧縮機ケーシング１３にメンテナンス口９０を設ければ、ケーシング類やロータ類を分解組立する煩わしい作業を行わなくとも、メンテナンス口９０を介してオリフィスプラグ８０を容易に交換することができる。

よって、本実施形態によれば、冷却空気導入口８１の内径寸法Ｄの異なる複数のオリフィスプラグ８０を予め用意しておくことにより、据付後であっても冷却空気流路７０を流れる冷却空気の流量や圧力に過不足があるようであれば、所望の内径寸法Ｄの冷却空気導入口８１を有するオリフィスプラグ８０と交換し、タービンロータ３９を冷却する冷却空気の流量や圧力を容易に調整することができる。これにより、ガスタービンの効率を向上させることができ、ガスタービンの燃焼温度や、翼の材料を変更して効率向上を図る場合においても、同じ型の翼を用いることができ、仕様の変更に伴うコストの発生を小さくすることができる。また、動翼３１〜３３にオリフィスプレートを設置する必要がなく、それだけコストを削減することができ、さらに、オリフィスプレートの交換作業に伴う時間や労力を削減することもできる。

図４は本発明のガスタービンの第２実施形態の要部構造を表す断面図、図５は図４中のＡ−Ａ断面による断面図である。これらの図において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施形態が前述した本発明のガスタービンの第１実施形態と相違する点は、オリフィスプラグ８０の下流側に、冷却空気の圧力及び流量を均一化するためのガイド９５を設けたことにある。

ガイド９５は、外周側が開放され断面がほぼＵ字型のリング状の部材で形成されており、インナーケーシング６１の内周側に固定されている。ガイド９５の内周部には、入口部７１よりも多数（本例では１２箇所）の開口９６が所定間隔で形成されている。各開口９６の軸方向位置は、オリフィスプラグ８０及び導入口７６とずらされており、本例ではオリフィスプラグ８０及び導入口７６の間に位置している。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

冷却空気流路７０の入口部７１は、オリフィスプラグ８０の交換作業の労力を考慮すると、あまり周方向に多数設けることができない。この場合、仮にオリフィスプラグ８０と連結軸６０に設けた導入口７６の軸方向位置が一致しているとすると、導入口７６に流入する冷却空気に脈動が生じる可能性がある。先の第１実施形態では、前述したようにオリフィスプラグ８０（入口部７１）と導入口７６の軸方向位置をずらすことで冷却空気の脈動を抑制していた。

本実施形態においては、冷却空気の脈動をより確実に防止するためにガイド９５を設けている。すなわち、オリフィスプラグ８０を介しガイド９５内に流入した冷却空気は、インナーケーシング６１及びガイド９５で覆われた空間内で流れの周方向分布が一様化され、さらに開口９６を通過することで流速が小さくされる。これにより、開口９６を介しキャビティ７４に流入した冷却空気の周方向分布、すなわち圧力及び流量も第１実施形態に比してより均一化され、導入口７６に流入する冷却空気の脈動がより確実に防止される。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもないが、それに加えて冷却空気の流れを円滑化し冷却効果を向上させることができる。

図６は、本発明のガスタービンの第３実施形態の要部構造を表す断面図である。この図において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施形態においては、メンテナンス口９０及び開閉蓋９１を圧縮機ケーシング１３から省略し、オリフィスプラグ８０の軸方向位置、すなわち冷却空気流路７０の入口部７１の軸方向位置を燃焼器２０の内周側位置にしてある。これに伴い、キャビティ７４及び導入口７６の軸方向位置も、第１実施形態に比して下流側に変更してある。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

このような構成であっても、タービンケーシング４０や圧縮機ロータ１２、タービンロータ３９等を取外し分解することなく、単に燃焼器２０を取外すことによって容易にオリフィスプラグ８０を交換することができ、タービンロータ３９を冷却する冷却空気の流量や圧力を容易に調整することができる。

また、本実施形態によれば、圧縮機主流路１４のディフューザ部１５よりも下流側から冷却空気を抽気しているので、より高圧の圧縮空気を抽気することができることも冷却空気流路７０を設計する上で有利な点である。さらに、通常、圧縮機主流路１４は、タービン３０の静止側に冷却空気を供給する冷却空気流路の抽気位置となっており、流路構成が煩雑になり易い位置でもある。本実施形態においては、この流路構成が煩雑になり易い位置を避けて冷却空気流路７０の入口部７１が設けられることもメリットである。

図７は、本発明のガスタービンの第４実施形態の要部構造を表す断面図である。この図において、先の各図と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
本実施形態においては、冷却空気流路７０の入口部７１が、回転体である圧縮機ロータ１２に設けられている。すなわち、本実施形態における冷却空気流路７０は、インナーケーシング６１やキャビティ７４（図１参照）を経由せず、その入口部７１は、圧縮機ロータ１２に設けた導入口７６を介して連結軸６０の中心孔７５に接続している。そして、圧縮機ケーシング１３には、冷却空気流路７０の入口部７１に軸方向位置を対応させてメンテナンス口９０及びその開閉蓋９１が設けてある。その他の構成は、前述した第１実施形態とほぼ同様である。

本実施形態においても、メンテナンス口９０を介し容易にオリフィスプラグ８０を交換することができるので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、回転体である圧縮機ロータ１２にオリフィスプラグ８０を取り付けているので、メンテナンス時、圧縮機ロータ１２を回転させてオリフィスプラグ８０の周方向位置をメンテナンス口９０に合わせることができ、メンテナンス口９０を圧縮機ケーシング１３の周方向１箇所に設ければ足りる点も大きなメリットである。また、キャビティ７４（図１参照）を省略できるので、これを区画形成するためのパッキンの数を削減できることや、冷却空気流路７０がキャビティ７４を介さないので、導入口７６の入口圧力がパッキンの間隙に影響を受けないこと等も利点である。

なお、以上においては、１軸式のガスタービンを例に挙げて図示説明したが、圧縮機駆動用の高圧タービンと負荷機器駆動用の低圧タービンを有するいわゆる２軸式ガスタービンにも、上述した各実施形態は適用可能である。これらの場合も上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のガスタービンの第１実施形態を表す断面図である。 本発明のガスタービンに備えられた調整手段の一構成例の斜視図である。 タービンロータに冷却空気を導入する冷却空気流路の従来構成の一例を表す断面図である。 本発明のガスタービンの第２実施形態の要部構造を表す断面図である。 図４中のＡ−Ａ断面による断面図である。 本発明のガスタービンの第３実施形態の要部構造を表す断面図である。 本発明のガスタービンの第４実施形態の要部構造を表す断面図である。

符号の説明

１０ 圧縮機
１２ 圧縮機ロータ
１３ 圧縮機ケーシング
２０ 燃焼器
３０ タービン
３９ タービンロータ
６０ 連結軸
６１ インナーケーシング
７０ 冷却空気流路
７１ 入口部
７２ パッキン
７３ パッキン
７４ キャビティ
７５ 中心孔
８０ オリフィスプラグ（調整手段）
９０ メンテナンス口
９１ 開閉蓋
９５ ガイド
Ｄ 内径寸法

Claims (7)

1. 圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼器で燃焼し、燃焼ガスによってタービンで軸動力を得るガスタービンにおいて、
   前記燃焼器に供給される圧縮空気の一部を冷却空気として抽気し、圧縮機ロータとタービンロータとを連結する連結軸に設けた中心孔を介して冷却空気を前記タービンロータに導く冷却空気流路と、
   この冷却空気流路の入口部に着脱可能に設けられ、前記冷却空気流路を流れる冷却空気の流量もしくは圧力を調整する調整手段と、
   この調整手段の下流側に設けられ、冷却空気の圧力及び流量を均一化するためのガイドと
   を備えたことを特徴とするガスタービン。
2. 圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼器で燃焼し、燃焼ガスによってタービンで軸動力を得るガスタービンにおいて、
   前記燃焼器に供給される圧縮空気の一部を冷却空気として抽気し、圧縮機ロータとタービンロータとを連結する連結軸に設けた中心孔を介して冷却空気を前記タービンロータに導く冷却空気流路と、
   この冷却空気流路の入口部に着脱可能に設けられ、内径寸法の異なる他のものと交換することにより前記冷却空気流路を流れる冷却空気の流量もしくは圧力を調整可能な調整手段と、
   この調整手段の下流側に設けられ、冷却空気の圧力及び流量を均一化するためのガイドと
   を備えたことを特徴とするガスタービン。
3. 圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼器で燃焼し、燃焼ガスによってタービンで軸動力を得るガスタービンにおいて、
   前記燃焼器に供給される圧縮空気の一部を冷却空気として抽気し、圧縮機ロータとタービンロータとを連結する連結軸に設けた中心孔を介して冷却空気を前記タービンロータに導く冷却空気流路と、
   この冷却空気流路の入口部に着脱可能に設けられ、前記冷却空気流路を流れる冷却空気の流量もしくは圧力を調整する調整手段とを備え、
   前記冷却空気流路の入口部を前記圧縮機ロータに設けたことを特徴とするガスタービン。
4. 圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼器で燃焼し、燃焼ガスによってタービンで軸動力を得るガスタービンにおいて、
   前記燃焼器に供給される圧縮空気の一部を冷却空気として抽気し、圧縮機ロータとタービンロータとを連結する連結軸に設けた中心孔を介して冷却空気を前記タービンロータに導く冷却空気流路と、
   この冷却空気流路の入口部に着脱可能に設けられ、内径寸法の異なる他のものと交換することにより前記冷却空気流路を流れる冷却空気の流量もしくは圧力を調整可能な調整手段とを備え、
   前記冷却空気流路の入口部を前記圧縮機ロータに設けたことを特徴とするガスタービン。
5. 請求項１−４のいずれかに記載のガスタービンにおいて、前記冷却空気流路の入口部と位置が対応するように設けたメンテナンス口と、このメンテナンス口を開閉する開閉蓋とを前記圧縮機のケーシングに設けたことを特徴とするガスタービン。
6. 請求項１−４のいずれかに記載のガスタービンにおいて、前記連結軸とこの連結軸を覆うインナーケーシングとの間に設けられ、前記冷却空気流路の途中に冷却空気の圧力及び流量を均一化するためのキャビティを区画形成するパッキンを設けたことを特徴とするガスタービン。
7. 請求項１−４のいずれかに記載のガスタービンにおいて、前記冷却空気流路の入口部の軸方向位置を前記燃焼器の内周側位置としたことを特徴とするガスタービン。

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