JP4436650B2 - タービンおよび動翼 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のタービン、特に燃料・空気混合気を燃焼させ、その高温ガスによってエネルギを発生するガスタービンに関する。

ガスタービンは周知である。該タービンでは、環状高温ガス通路内を、高温作動媒体が動翼の羽根を経て流れる。該動翼は、ガスタービンロータ上のタービン円板の外周に、動翼輪として配置される。各動翼はタービン円板に取付けるべく、断面クリスマスツリー状取付け脚を有する。該脚はタービン円板の外周面に対し直角に延びる対応した動翼保持溝にはめ込まれる。動翼の羽根とタービン円板に固定された動翼取付け脚との間に、動翼に対し直角に延びる翼台座が配置される。この台座は、高温ガス通路の半径方向内側面を境界づける。熱的負荷に耐えるべく、動翼の羽根の他に翼台座も冷却流体を供給される。

本発明の課題は、改良された動翼およびタービンを提供することにある。

タービンについての課題は、本発明に基づいて、請求項１に記載のタービンによって解決される。その有利な実施態様はその従属請求項に記載してある。

即ち本発明に基づき、衝突冷却要素は各々互いに無関係に移動可能な２つの半部からなり、タービン運転中に作用する遠心力で衝突冷却要素の両半部を自動的に互いに密着させる手段が設けられる。互いに直接隣接する２つの動翼間に配置される衝突冷却要素を独立した２つの半部に分割することで、各動翼は、各々動翼取付け脚の左側と右側に配置された衝突冷却要素半部と共に、動翼保持溝内にはめ込める。場合により衝突冷却要素の両可動半部間に存在する隙間は、タービン運転中に遠心力が作用する手段によって衝突冷却要素の両半部を互いに密着させることで、自動的に密閉される。

従来一般に、互いに直接隣接する２つの動翼間の翼台座下側面に、単一形衝突冷却要素を配置していた。該要素を固定すべく、翼台座下側面の、動翼取付け脚の両側端面の範囲に、タービン円板の円周方向に延びるストッパを設けている。円周方向に延びる前記ストッパは、動翼保持溝の方向に対し直角に延びている。従って、動翼と衝突冷却要素は、タービン円板に同時に装着せねばならない。まず動翼列の全ての動翼を、幾分か動翼保持溝内に差し込み、続いて全動翼を衝突冷却要素と共に同時にかつ完全に動翼保持溝の中に移動すべく、全ての衝突冷却要素を翼台座の下側に付け加える。本発明によれば、このような動翼の手間のかかる組立と分解がなくなる。

本発明の有利な実施態様では、衝突冷却要素の両半部を互いに押し合わせる手段は、翼台座の動翼取付け脚側の下側面にある傾斜接触滑り面であり、タービン運転中、衝突冷却要素半部に対応して配置された滑り手段が、接触滑り面に接する。該滑り面の傾きは、衝突冷却要素半部が遠心力の作用下で互いに押し合うように選定しておく。かくして互いに接する両半部間に存在する隙間を密閉する。

滑り手段を滑り面として形成し、もって、滑り面が接触滑り面と共に気密曲線を形成するようにするとよい。

本発明の他の有利な実施態様では、接触滑り面および滑り手段が、タービン運転中に冷却流体がほぼ完全に衝突冷却要素を貫流するよう、接触範囲で密閉気密曲線を形成することにより、冷却流体の漏れ損失を減少できる。その結果、冷却流体は、タービン運転中、殆ど完全に衝突冷却要素を通って流れる。

好適には、動翼取付け脚が挿入方向に前部と後部を有し、これら前、後部で傾斜接触滑り面としての翼台座下側面に、各々半径方向内側に突出した突条部が配置され、該突条部が動翼取付け脚から翼台座側縁に向けて、突条部高さを減少しつつ延びる。この結果、接触滑り面に接する衝突冷却要素半部は、遠心力の作用下で互いに接近する。

本発明の有利な実施態様では、動翼長手軸線に対し傾斜した平面が、翼台座に動翼取付け脚に沿い、隣接する傾斜接触滑り面として配置される。この結果同一の作用が起る。

衝突冷却要素の両半部は、各々反対側の半部の側に面し遠心力作用下で互いに密接する接触面を有している。これによって、単純な密封構造が得られる。

動翼に関する課題は、本発明に基づき、請求項８に記載の特徴により解決される。動翼の有利な実施態様は従属請求項に記載してある。

動翼は、その翼台座の動翼取付け脚側下側面に衝突冷却要素の可動半部を備える。タービンの運転中、遠心力の作用で可動半部は翼台座下側面の所定の位置に置かれる。衝突冷却要素半部と動翼との間に存在する隙間は、タービンのロータへの両部品の組立を容易にする。加えて、衝突冷却要素の両半部への２分割構造は、従来のように全ての動翼を取り外す必要なしに、動翼列の動翼を個々に交換することを可能にする。

本発明の有利な実施態様では、動翼は動翼取付け脚の両側に各々半部を備える。従って翼台座の両側を十分に冷却できる。これに伴い、衝突冷却要素は、隣接する２つの動翼の互いに接する２つの半部で形成される。

動翼取付け脚および／又は翼台座下側面が、遠心力作用下で衝突冷却要素半部の滑り手段に接する傾斜接触滑り面を有すると好ましい。タービン運転中に生ずる遠心力の作用下で、衝突冷却要素半部は接触滑り面に沿って、その作動位置に移動する。その際、衝突冷却要素半部は翼台座下側面に密接し、この結果漏れ損失が減少する。

接触滑り面の傾きが、遠心力作用下で、衝突冷却要素の半部が動翼取付け脚から離されるように形成すると特に有利である。これに伴い、互いに直接隣接する２つの動翼の直に接する両可動半部は、遠心力の作用下で互いに押し合い、この結果両半部間に場合によって存在する隙間が密閉される。

以下図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１を一部断面側面図で概略的に示す。ガスタービン１は車室２を有し、その中に回転中心軸線３を中心に回転可能に支持されたロータ４が存在する。図１のロータ左側に吸込み室４ａがあり、該室に、冷却空気５が貫流する圧縮機６が続いている。圧縮機６は冷却空気５を吸い込み圧縮する。環状燃焼器７が圧縮機６に空間的に後置接続されている。環状燃焼器７はその外側端にバーナ８を備える。圧縮機６からの圧縮空気５はバーナ８で燃料と混合され、環状燃焼器７の燃焼室内で燃焼し、高温ガス９を発生する。このガスは、続いて環状高温ガス通路１０に沿い複数のタービン段１１を経て流れる。これら各タービン段は、高温ガス通路１０内に配置された静翼輪と、該静翼輪に後置された動翼輪とからなる。静翼輪の静翼１２はガスタービン１の車室２に、そして動翼輪の動翼１３はロータ４に固着された環状タービン円板１６に各々取付けられている。

高温ガス９のエネルギは、動翼１３でロータ４の回転エネルギに変換される。ロータ４は発電機（図示せず）を駆動する。ロータ４は更に圧縮機６をも駆動する。

図２は、同軸的に軸方向に延びる段部１７を形成するタービン円板１６の一部を斜視図で示す。半径方向に形成された動翼保持溝１８は横断面クリスマスツリー状をなし、外周に対し直角に延びている。動翼保持溝１８に動翼１３が差し込まれ、そのため、動翼１３は動翼保持溝１８に対応する動翼取付け脚１９を有している。

図３は、動翼取付け脚１９の両側に各々衝突冷却要素２２を備えた動翼１３の分解斜視図である。各衝突冷却要素２２は各々２つの半部２０、２１からなる。図３は、動翼取付け脚１９の両側に各々１つの半部２０、２１しか示していない。即ち動翼取付け脚１９の右側で翼台座２３の右下側に、衝突冷却要素２２の左側半部２０を示し、動翼取付け脚１９の左側で翼台座２３の左下側に、衝突冷却要素２２の右側半部２１を示している。動翼１３はその半径方向に延びる長手軸線１４に沿って、動翼取付け脚１９、該脚１９に対し直角に延びる翼台座２３および羽根（翼形部）２４を有している。

翼台座２３の前部２６と後部２７の各翼台座半径方向内側面２５に、半径方向内側に突出した突条部２８、２９があり、該突条部は動翼取付け脚１９から翼台座側縁３０に向いて延びている。両突条部２８、２９は、突出高さが動翼取付け脚１９から翼台座側縁３０に向かい減少するよう傾斜している。この結果、動翼長手軸線１４とロータ４の半径に対し直角に延びる接線１５は、翼台座側縁３０に向かって延びる突条部２８、２９と各々鋭角αを成す。突条部２８、２９のタービン円板１６の側は接触滑り面３１を形成する。

動翼取付け脚１９と翼台座下側面２５との間で、動翼取付け脚１９に沿い、もう１つの接触滑り面３３が延びている。この面３３は動翼長手軸線１４と鋭角βを成している。

動翼取付け脚１９の、図３では見えない側も同じように形成されている。

衝突冷却要素２２の両半部２０、２１は、各々滑り手段３２、３６およびここでは概略的に図示する衝突冷却孔３５を備えた衝突冷却板３４を含む。滑り手段３２、３６は衝突冷却要素半部２０、２１の外周に滑り面として配置されている。

衝突冷却要素２２の、図３において動翼１３の左側に示す右側半部２１は、左側半部２０に対し左右逆に形成されている。

組立状態では、動翼１３と左右の半部２０、２１とは互いに接している。衝突冷却板３４は、翼台座下側面２５で、前方突条部２８と後方突条部２９との間に形成された凹所内に突出している。衝突冷却要素２２の半部２０、２１の滑り手段３２、３６は、各々動翼１３の接触滑り面３１、３３に接している。その際衝突冷却板３４は、各々翼台座下側面２５の輪郭を、間隔を隔てて追従している。

ガスタービン１の運転時、タービン円板１６の動翼１３と共にロータ４が回転する。互いに隣接する２つの動翼１３の翼台座２３の下にある２つの衝突冷却要素半部２０、２１に遠心力が働き、この力が両衝突冷却要素半部２０、２１を半径方向外側に押し付ける。突条部２８、２９は可動的に支持された半部２０、２１に対する接触滑り面３１として働く。突条部２８、２９の傾きに伴い、衝突冷却要素２２の両半部２０、２１は、各々翼台座側縁３０に向けて移動し、相互に接近して押し当てられる。

接触滑り面３３は、衝突冷却要素半部２０、２１の運動を支援する。遠心力の作用下滑り手段３６が半径方向外側に滑り、両半部２０、２１を動翼取付け脚１９から押離す。

タービン運転中、衝突冷却要素２２の対を成す両半部２０、２１は互いに密接する。互いに隣接して直に接する２つの動翼１３の翼台座下側面２５は、閉鎖曲線によって冷却材供給部から分離され、このため冷却材は衝突冷却孔３５を通ってしか翼台座２３に向かって流れない。かくして漏れ損失を十分に防止できる。

その際、閉鎖曲線は、互いに隣接する２つの動翼１３の接触滑り面３１、３３に沿って延びている。衝突冷却要素２２の互いに密接する両半部２０、２１も同様に、滑り手段３２、３６でその接触滑り面３１、３３に接する。

ガスタービンの概略断面図。 断面クリスマスツリー状動翼保持溝付きのタービン円板の部分斜視図。 両側に衝突冷却要素半部が各々配置された動翼の分解斜視図。

符号の説明

１ タービン、４ ロータ、１３ 動翼、１８ 動翼保持溝、１９ 動翼取付け脚、２０、２１ 衝突冷却要素半部、２２ 衝突冷却要素、２４ 羽根、２５ 翼台座下側面、２８、２９ 突条部、３１、３３ 接触滑り面、３２ 滑り手段

Claims (10)

1. 回転可能に支持された回転対称のロータ（４）と動翼（１３）とを備え、ロータ（４）の外周部にその外周に対して直角に延びる動翼保持溝（１８）が等角度間隔で形成され、動翼（１３）が羽根（２４）と動翼保持溝（１８）に対応して形成された動翼取付け脚（１９）とを有し、この動翼取付け脚（１９）が動翼保持溝（１８）にはめ込まれ、動翼取付け脚（１９）と羽根（２４）との間に動翼取付け脚（１９）に対して直角に延びる翼台座（２３）が配置され、互いに隣接する２つの動翼（１３）の間にそれらの翼台座（２３）とロータ（４）との間に衝突冷却要素（２２）が配置され、該要素が翼台座（２３）を衝突冷却するために冷却材流で貫流されるタービン（１）において、衝突冷却要素（２２）が各々互いに無関係に移動可能な２つの半部（２０、２１）からなり、タービン運転中に作用する遠心力により衝突冷却要素（２２）の両半部（２０、２１）を自動的に互いに密に押し合わせる手段を備えることを特徴とするタービン。
2. 衝突冷却要素（２２）の両半部（２０、２１）を互いに押し合わせる手段が、翼台座（２３）の動翼取付け脚（１９）側の下側面（２５）にある傾斜接触滑り面（３１）であり、タービン運転中、衝突冷却要素半部（２０、２１）に対応して配置された滑り手段（３２）がその接触滑り面（３１）に接し、接触滑り面（３１）の傾きが、衝突冷却要素半部（２０、２１）が遠心力の作用で互いに押し合うように選定されたことを特徴とする請求項１記載のタービン。
3. 滑り手段（３２）を滑り面として形成したことを特徴とする請求項２記載のタービン。
4. 接触滑り面（３１）および滑り手段（３２）が、タービン運転中に冷却流体が完全に衝突冷却要素（２２）を貫流するように、接触範囲において密閉気密曲線を形成することを特徴とする請求項２又は３記載のタービン。
5. 動翼取付け脚（１９）が挿入方向において前部（２６）と後部（２７）を有し、これら前部（２６）と後部（２７）において傾斜接触滑り面（３１）としての翼台座下側面（２５）に、各々半径方向内側に突出した突条部（２８、２９）が配置され、該突条部が、動翼取付け脚（１９）から翼台座側縁（３０）に向けて、突条部の高さを減少しながら延びることを特徴とする請求項１から４の１つに記載のタービン。
6. 動翼長手軸線（１４）に対して傾斜された平面が、翼台座（２３）に動翼取付け脚（１９）に沿って隣接して傾斜接触滑り面（３３）として配置されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載のタービン。
7. 衝突冷却要素（２２）の両半部（２０、２１）が、各々反対側の半部（２１、２０）の側に面し遠心力作用で互いに密接する接触面（３３）を有することを特徴とする請求項１から６の１つに記載のタービン。
8. 動翼長手軸線（１４）に沿って、動翼取付け脚（１９）と、動翼長手軸線（１４）に対して直角に延びる翼台座（２３）と、羽根（２４）とを備え、翼台座（２３）を衝突冷却すべく、翼台座（２３）の動翼取付け脚（１９）側下側面（２５）に少なくとも１つの衝突冷却要素（２２）が配置された動翼（１３）において、衝突冷却要素（２２）が少なくとも１つの可動的な半部（２０、２１）を含み、かつ、前記動翼取付け脚（１９）の両側に各々、可動の半部（２０、２１）の１つが配設されたことを特徴とする動翼。
9. 翼台座（２３）の動翼取付け脚（１９）側下側面（２５）および／又は動翼取付け脚（１９）に、傾斜接触滑り面（３１、３３）が設けられ、さらに衝突冷却要素（２２）の半部（２０、２１）に滑り手段（３２、３６）が各々配置され、遠心力の作用で前記滑り手段（３２、３６）が前記接触滑り面（３１、３３）に密接することを特徴とする請求項８記載の動翼。
10. 接触滑り面（３１、３３）の傾きが、遠心力の作用で衝突冷却要素（２２）の半部（２０、２１）が動翼取付け脚（１９）から離されるように形成されたことを特徴とする請求項８又は９記載の動翼。

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