JP4343645B2 - タービン駆動装置とその冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン軸上に互いに並置して複数のタービン円板が配置され、それらの各タービン円板に多数の動翼が星状に取り付けられ、該動翼がその内部の冷却材通路を経て流れる冷却材で冷却されるタービン駆動装置に関する。本発明は、タービン駆動装置の冷却方法にも関する。

タービン駆動装置は多くの分野で利用され、主に航空機産業におけるエンジンとしておよびエネルギを得るために利用されている。エネルギを得る際、ガスタービンと蒸気タービンは区別される。これらは、通常発電機を駆動すべく所謂ガス・蒸気複合タービン設備で同時に利用される。以下で考察するガスタービンでは、燃料・空気混合気を燃焼室で点火し、その際に生ずる作動媒体を、動翼に向けてこれに仕事をさせながら膨張させる。作動媒体のエネルギは、動翼により運動エネルギに変換され、そのエネルギはタービン軸の回転で発電機に伝達される。

燃料・空気混合気は、通常１２００〜１３００℃の温度で、有害成分の発生が少ない状態で燃焼され、高い効率を生む。一般にその効率は、燃焼温度の増大に伴い一層高まる。

このように作動媒体の燃焼温度を高める場合、媒体と接触するタービン駆動装置の構成要素に、耐熱性、機械強度および寿命について厳しい要件が課せられる。個々の構成要素の運転危険性と経済性を考慮に入れ、最高効率を得るようにせねばならない。

タービン駆動装置の動翼に対しても、耐熱性、長寿命および信頼性が要求される。作動媒体の流れ方向に見て最初の動翼列の動翼が最も大きな熱負荷に耐えるようにすべく、動翼を公知のように冷却する。そのため通常、動翼を空洞で貫通させ、該空洞に冷却材が流れる分岐通路系を形成している。冷却材として、圧縮空気や蒸気又は両方を同時に利用する。蒸気は圧縮空気より良好な冷却特性を有する。尤も、冷却系統全体の密封性に厳しい要求が課せられ、これは、冷却材の案内に関し高い経費がかかることを意味する。

動翼を空気および／又は蒸気冷却することは公知である。空気冷却は開放形並びに閉鎖形冷却として行われるが、蒸気冷却は閉鎖形冷却系の場合しか意味がない。タービン駆動装置の動翼を冷却する際、作動媒体と冷却材との間のかなり大きな圧力差は、技術的に高価な手段でしか維持できない。漏れ損失を小さくし、もって効果的な冷却を保証すべく圧力が異なる範囲を遮断するため、冷却材の案内経路にわたり高価なシール装置が必要となる。その結果、必要な経済的および技術的経費が極めて増大する欠点があり、その上、複雑な技術のため、運転安全性と信頼性が低下する。

種々の動翼列における個々の動翼への冷却材の導入は、関連する個々の構成要素の配置に基づき非常に困難であり、冷却材系の必要な密封と少ない運転危険性を保証すべく高い経費を必要とする。

本発明の課題は、経済的に是認できる経費でタービン駆動装置の効率を高め、同時に運転危険性を減らし、構成要素の寿命とタービン駆動装置の信頼性を高めることにある。

この課題は本発明によれば、冒頭に述べた形式のタービン駆動装置において、互いに隣接して配置されたタービン円板間に、半径方向にわたり分布した複数の中空室が封じ込まれ、該各中空室が夫々タービン軸を円周方向に包囲し、各中空室の内部に冷却材が異なる圧力でかかり、冷却材が各中空室に夫々供給および排出されることで解決される。

本発明は、運転危険性を動翼への冷却材導入の単純化により減少できるという考えから出発する。それに伴いシール長を短縮した状態におけるシール数の減少が、運転安全性を高め、故障の蓋然性を減少し、冷却材の漏れ損失を減少する。それに加えて、単純なシール装置を利用でき、その結果運転危険性も低下する。隣接するタービン円板間の個々の中空室に、異なる性質の複数の冷却材が流入する。該冷却材は、動翼に導入される新鮮空気および／又は生蒸気のような「新鮮」冷却材および／又は動翼から出る使用済み空気および／又は使用済み蒸気のような「使用済み」冷却材である。冷却材の単純且つ確実な準備は、冷却材の効果的な投入を許し、従って作動媒体に曝される部品が高温に耐えるので、効率を向上できる。

本発明の実施に際し、半径方向に隣接する中空室を遠心シールで互に密封すると特に好ましい。半径方向に隣接する範囲の最も確実な密封方式は、冷却材の漏れ損失を減らす。

同一のタービン円板に配置された各動翼の一体形成冷却材通路が、相互に隣接するタービン円板で封じ込まれた同一の中空室に、半径方向孔或いは貫通路を経て連通されていることによって、絶対的な密封安全接続が、有利に得られる。

少なくとも１つの中空室が冷却材供給又は排出装置に連通しているとよい。

請求項１から４の１つに記載のタービン駆動装置を冷却する方法において、中空室を貫流する冷却材の圧力は、本発明に基づいて、その中空室より半径方向外側に位置する中空室を貫流する冷却材の圧力より大きくされている。その結果、非常に丈夫な遠心シールが最悪の場合に故障した際、或る圧力段から次の圧力段に向かって、即ち、或る中空室からその半径方向外側にある中空室に向かってしか漏れ損失は生じない。

本発明に基づくタービン駆動装置の動翼を冷却する方法の有利な実施態様において、半径方向最内側中空室内を新鮮蒸気が、その半径方向外側に位置する中空室内を使用済み蒸気が、半径方向最外側中空室内を新鮮空気が流れる。ガスタービンは通常、（ガス・蒸気複合タービン設備として）多段蒸気タービンと共に運転される。その多段蒸気タービンは作動媒体として異なった圧力の蒸気を必要とする。高圧蒸気タービンの作動媒体蒸気から一部が抽気され、その抽気蒸気がガスタービンの部品の冷却に利用される。その抽気蒸気はここでは新鮮蒸気と呼び、約４０バールの圧力を有している。高温ガスに曝される部品の冷却後に存在する圧力約３０バールの使用済み蒸気は、中圧蒸気タービンに作動媒体として導入される。従って、その冷却材蒸気は、数回にわたって利益を得て利用される。欠陥時に存在する新鮮蒸気の漏れは、圧力勾配のために、使用済み蒸気の方向にしか生ぜず、その使用済み蒸気と混合する。使用済み蒸気はそれから中圧蒸気タービンに導入され、そのようにして、漏れによって生ずる損失が減少される。使用済み蒸気の一部は漏れによって低い圧力の方向に流れ、新鮮空気と混合されるとき、その漏れ使用済み蒸気は、冷却のためにさらに利用される。新鮮空気が流れる範囲とガスタービンの作動媒体の流路との間に漏れが生じた時にしか、冷却材は失われない。

従って本発明は、異なった圧力がかかり相互に遮蔽された範囲の半径方向多重シール装置を提供する。その場合、半径方向内側から外側に見て圧力勾配が存在する。最高圧力は新鮮蒸気によって引き起こされ、隣接するタービン円板間における半径方向に見て最内側中空室内にかかり、その半径方向外側の次の中空室内に、使用済み蒸気によって引き起こされる次に高い圧力がかかり、その半径方向外側の最外側中空室に、新鮮空気によって最も低い圧力が引き起こされ、タービン軸とステータとの間に配置された流路の中に、作動媒体によって引き起こされる最も低い圧力が存在する。タービン円板間において円周方向に延びるシール長を短くでき、同時にその数を少なくでき、異なった圧力の冷却材を層状に配列して、漏れ流を部分的に再利用して利益を得ることが有利にできる。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、ガスタービン７をタービン軸１の回転軸線２に沿った断面図で示す。タービン軸１に複数のタービン円板３、４、５を互いに並置して配置している。これら各タービン円板３、４、５に夫々第１、第２、第３タービン段の動翼１４を動翼輪１６の形で取り付けている。各タービン段は、ステータ１８に設けられた静翼輪により、作動媒体Ａの流れ方向に見てその静翼輪に後置した動翼輪１６と関連して形成している。静翼１５にも、外部供給装置（図示せず）を経て、流れ矢印１０で示すように、新鮮空気を供給する。

ガスタービン１７の部分的に示す燃焼器１９は作動媒体Ａの流路１１に開口している。ガスタービン１７の運転中、作動媒体Ａは燃焼器１９から出て流路１１を経て流れる。作動媒体Ａは静翼１５を流れ過ぎて、動翼１４に仕事をさせる。

相互に隣接してタービン1に配置した複数のタービン円板３、４、５は、それらのタービン円板間に中空室８、９、２０を封じ込めている。これら中空室８、９、２０はタービン軸１を環状に包囲している。その内側中空室８は中間中空室９に対し半径方向内側に位置している。外側中空室２０が中間中空室９を半径方向外側において包囲している。内側中空室８は中間中空室９に対し遠心シール６により密封され、同様に、中間中空室９は外側中空室２０に対し遠心シールにより密封されている。図示しないが、シールワイヤからなる遠心シールは、互いに隣接するタービン円板にある面取り部に当てられ、確実に位置が固定されている。内側中空室８は、動翼１４の一体形成冷却材通路の供給口に連通する孔或いは貫通路７を有している。この結果、内側中空室８は動翼１４に冷却材を供給すべく使われる。中間中空室９も同様に、冷却材を供給するために動翼１４の一体形成冷却材通路の供給口に連通する孔７を有している。

第２タービン段２２を参照して冷却材の流れを説明する。流れ矢印１２で示す新鮮蒸気が、冷却材源からタービン軸１に沿って軸方向に、タービン円板３、４により形成された内側中空室８迄流れる。その蒸気は、タービン円板４内を半径方向に延びる孔７を通り、第２タービン段２２の動翼１４の供給口に導かれる。その動翼１４において新鮮蒸気は冷え、排出口を経て排出される。該排出口に設けた孔７は、流れ矢印１３で示すように、使用済み蒸気を、タービン円板４、５で封じ込まれた中間中空室９に案内する。使用済み蒸気は、そこから軸方向通路を経て別の中空室２３に到達し、そこから搬出される。

新鮮空気１０は新鮮空気源（図示せず）から静翼１５を経て、中間中空室９より一層半径方向外側に配置された外側中空室２０に導かれる。新鮮空気はこの外側中空室２０から動翼１４に導入される。動翼１４の後縁から噴出する新鮮空気は、ガスタービンの作動媒体Ａと混合する。

本発明に基づき各タービン円板３、４、５間に、同軸的に且つ半径方向に互いに間隔を隔てた複数の中空室８、９、２０を形成し、それら中空室８、９、２０を遠心シールで単純に且つ確実に密封することで、利益のある配置構造が生ずる。また本発明の方法に関連して、中空室８、９、２０に異なった性質で異なる圧力の冷却材を供給し、その圧力を内側から外側に向けて下げることで、従来に比べ大幅な改善が達成される。

本発明に基づくガスタービンの一部概略断面図。

符号の説明

１ タービン軸、３、４、５ タービン円板、８、９、２０ 中空室、１４ 動翼、１７ タービン、

Claims (4)

1. タービン軸（１）上に互いに並置して複数のタービン円板（３，４，５）が配置され、それら各タービン円板に複数の動翼（１４）が星状に取り付けられ、該動翼が、その内部の冷却材通路を通って流れる冷却材（１０，１２，１３）により冷却されるガスタービンにおいて、
   互いに隣接して配置されたタービン円板（３，４，５）間に、半径方向にわたり分布した複数の中空室（８，９，２０）が封じ込まれ、これら各中空室が、夫々タービン軸（１）を円周方向に包囲し、各中空室の内部に冷却材（１０，１２，１３）が異なった圧力でかかり、冷却材（１０，１２，１３）が各中空室に夫々供給および排出されるべく構成され、さらに、半径方向に隣接する中空室（８，９，２０）が、隣接するタービン円板（３，４，５）のそれぞれの面取り部に当てがわれて遠心力でシール作用が働く遠心シール（６）により相互に密封されたことを特徴とするガスタービン。
2. 同一タービン円板（３，４，５）に配置された各動翼（１４）の一体形成冷却材通路が、相互に隣接するタービン円板（３，４，５）で封じ込まれた同一の中空室（８，９，２０）に、半径方向孔或いは貫通路（７）を経て連通することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 少なくとも１つの中空室（８，９，２０）が、冷却材供給又は排出装置に連通していることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 請求項１記載のガスタービンにおける動翼（１４）を冷却する方法であって、
   タービン軸（１）を貫流する冷却材（１０，１２，１３）が異なった圧力でかかり、中空室（８、９）を流れる冷却材（１２，１３）の圧力がこれらの中空室より半径方向外側に位置する中空室（９、２０）を流れる冷却材（１３，１０）の圧力より大きく、また、半径方向最内側の中空室（８）内に冷却材として新鮮蒸気（１２）、その半径方向外側に位置する中空室（９）内に冷却材として使用済み蒸気（１３）、半径方向最外側の中空室（２０）内に冷却材として新鮮空気（１０）を各々流すことを特徴とする冷却方法。
   

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