JP4750987B2 - 中間ディスクキャビティへの高温ガスの進入を低減するバフルを備えたガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却空気が、ステータ対ロータシャフトシールを含む中間ディスクキャビティに導入される、ガスタービンに関する。特に、本発明は、中間ディスクキャビティへの高温の主ガス流の進入を、高温に耐えることができる領域に限定し、ひいては、冷却空気の要求を低減し、これによりタービン効率を向上させる、構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電器を駆動するために使用されるようなガスタービンは、中間ディスクキャビティを形成するようにロータシャフトに沿って軸方向に間隔を置いて配置された多数のロータディスクを有している。ステータの段は、半径方向内方へタービンケーシングから中間ディスクキャビティ内へ延びている。各ステータ段は、タービンケーシングに固定された多数の静翼と、主ガス流が羽根をバイパスしないようにするためにロータシャフトに対してシールするシールアセンブリとを有している。
【０００３】
タービンのステータ区分は、上流のロータディスクと共に、中間ディスクキャビティ内に環状のサブキャビティを形成する。タービン圧縮機から流出される冷却空気は、シールアセンブリを冷却及びシールするために、ステータシャフトから中間ディスクキャビティへ導入される。冷却空気は、サブキャビティを含む中間ディスクキャビティを通って半径方向に流れ、外方へ、リムシールを通って主ガス流内へ進行する。
【０００４】
サブキャビティの出口においてリムシール及び隣接するリムシールキャビティが設けられているにも拘わらず、主ガス流の一部はサブキャビティに進入する。回転部品によって誘起される圧力変化が、サブキャビティ内に再循環を生ぜしめ、ひいては、極めて高温の主ガス流をステータ対ロータシールに向かって吸引する。これらのシールを高温の主ガスの進入から保護するために、十分な冷却ガスが提供されねばならない。このことは、ガスタービンの全体的な効率を低減する。
【０００５】
したがって、効率が向上された改良されたガスタービンが必要とされている。
【０００６】
特に、ガスタービンの中間ディスクキャビティにおける構成部材を冷却するために必要とされる冷却空気の容積を低減する必要がある。
【０００７】
主ガス流が中間ディスクキャビティに進入することによるガスタービンの中間ディスクキャビティ内の加熱を低減する構成が特に必要とされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の課題は、中間ディスクキャビティへの主ガス流の進入を制限して、部材を冷却するために必要な冷却空気の容積が低減されたガスタービンを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの要求及びその他の要求は、高温に耐えることができる中間ディスクキャビティの領域に高温の主ガス流の進入を限定することにより、中間ディスクキャビティを冷却するために必要な冷却空気の容積を低減する、改良されたガスタービンに関する本発明によって満たされる。特に、本発明は、タービンケーシングと、タービンケーシング内で回転するように取り付けられたロータとが設けられており、さらに、ロータシャフトが設けられており、このロータシャフトが、中間ディスクキャビティを形成するようにロータシャフト上で軸方向に間隔を置いて配置された少なくとも第１段及び第２段のロータディスクを備えている、ガスタービンに関する。ステータは、タービンケーシングからロータシャフトに向かって中間ディスク内へ半径方向内方へ延びた少なくとも１つのステータ段を有している。ステータ段は、ロータディスクによって支持された動翼と軸方向で整合した複数の静翼を有しており、半径方向内方で、ロータシャフトに対してシールするシールアセンブリで終わっている。ステータ段は、第１段のロータディスクと共に、中間ディスクキャビティ内に環状のサブキャビティを形成している。ロータシャフト内の冷却システムは、中間ディスクキャビティ内に冷却空気を導入し、この冷却空気は、半径方向外方へ、サブキャビティを含む中間ディスクキャビティを通過し、主ガス流内へ放出される。本発明のガスタービンは、シールアセンブリからサブキャビティを部分的に横切って第１段ロータディスクに向かって延びたバフルをも有している。バフルは、サブキャビティを半径方向内方領域と半径方向外方領域とに分割する。バフルは、主ガス流からの進入を半径方向外方領域に制限するように構成及び配置されている。ひいては、半径方向内方領域は高温の主ガスから保護されている。これにより、冷却ガスの容積が低減され、タービンの効率が向上される。
【００１０】
バフルは、シールアセンブリに固定された環状のフランジである。ステータ段が、シールアセンブリを静翼に結合したボルトを含んでおり、これらのボルトが、サブキャビティ内に軸方向に突出したヘッドを有している場合、バフルはボルト頭の半径方向外方に位置決めされており、これにより、ボルト頭はサブキャビティの半径方向内方領域に位置しており、主ガス流の進入から保護されている。やはり、バフルは、環状のフランジであり、シールアセンブリからボルト頭を越えて延びていると有利である。バフルは、軸方向に、サブキャビティの少なくとも３分の１から３分の２、有利には約２分の１から３分の２だけ横切って延びている。最も有利な構成では、バフルは、サブキャビティを約３分の２だけ横切って延びている。
【００１１】
ガスタービンの付加的な中間ディスクキャビティ内の付加的な下流のサブキャビティに、同様のバフルを設けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面につきさらに詳しく説明する。
【００１３】
図１を参照すると、ガスタービン１はタービン区分３を有しており、タービン区分３にはロータ５が、タービンケーシング７内で回転するように取り付けられている。ロータ５は、ロータシャフト１１に沿って長手方向に間隔を置いて配置された多数のロータディスク９を有しており、これにより、中間ディスクキャビティ１３を形成している。ロータディスク９の詳細は図１に示されておらずかつ本発明に関係ないが、各ディスクは、多数の動翼１５を有しており、これらの動翼１５は、タービンケーシング７に向かって半径方向外方へ、タービン入口１９からタービン出口２１に向かって延びた主ガス流路１７内へ延びている。
【００１４】
ガスタービン１は、多数のステータ段又は区分２５を有するステータ２３をも有しており、各ステータ段又は区分は、タービンケーシング７から半径方向内方へ中間ディスクキャビティ１３内へ延びている。各ステータ区分は、主ガス流路１７において動翼１５と軸方向に整合するようにタービンケーシング３に固定された複数の静翼２７を有している。図２に最もよく示したように、ステータ区分２５は、中間シールハウジング２９及び関連したシールから成るシールアセンブリ２８を有している。中間シールハウジング２９は、クレビス３１を有しており、このクレビスを介して中間シールハウジングは、隙間を形成しながらボルト３５によって静翼のフランジ３３に固定されており、これにより、シールアセンブリは、静翼３５とロータシャフト１１との間で浮動する。中間シールハウジング２９によって支持されたラビリンスシール３７は、ロータシャフト１１に対してシールする。別のラビリンスシール４１は、中間シールハウジング２９と、上流ロータディスクのフランジ４３との間に延びている。環状のシール板４５が、圧縮コイルばね５１によって中間シールハウジング２９のリップ４７と静翼２７のフランジ４９とに対して着座されており、圧縮コイルばねは、ボルト５３によってクレビス３１の上流面に当て付けられかつこの上流面に対して位置決めされている。図示したように、ステータ区分２５は、中間ディスクキャビティ１３を、上流サブキャビティ５５ｕと下流サブキャビティ５５ｄとに分割している。上流及び下流のロータディスクにおけるリムによってサブキャビティの上側端部に形成されたシール５７及び５９によって補助されたシール３７及び４１は、主ガス流１７が静翼をバイパスするのを制限する。
【００１５】
タービン圧縮機（図示せず）から流出された冷却空気は、静翼（図示せず）を介して、中間ディスクキャビティ５５内へ、シールハウジング２９に設けられた冷却空気入口６１を介して導入され、これにより、シールを冷却する。冷却空気は、サブキャビティ５５ｕ及び５５ｄを含む中間ディスクキャビティを通じて半径方向外方へ流れ、外方へ、リムシール５７及び５９を通って主ガス流内へ通過する。
【００１６】
６３においてリムシール５７と、隣接するリムシールキャビティとが設けられているにも拘わらず、主ガス流１７の一部がサブキャビティ５５ｕに進入する。回転部品により誘起される圧力変化が、サブキャビティ内に再循環を生ぜしめ、ひいては、極めて高温のガス流を、ステータ対ロータシール３７及び４１に向かって引き付ける。図４に概略的に示したように、冷却空気の流れは、矢印６５によって示したようにサブキャビティ５５ｕの前方部分において上方へ進行し、矢印６７によって示したように再循環が主としてサブキャビティの後方部分に沿って生じる。シール３７及び４１を高温の主ガスの進入から保護するために、十分な冷却ガスが提供されねばならず、このことは、ガスタービンの全体的効率を低減する。
【００１７】
本発明によれば、環状フランジとして形成されたバフル６９は、シールアセンブリ２８に固定されており、かつサブキャビティ５５ｕを部分的に横切って延びており、ひいては、サブキャビティ５５ｕを半径方向内方領域７１と半径方向外方領域７３とに分割している。バフル６９は、サブキャビティ５５ｕの半径方向外方領域７３への主ガス流の進入を制限するように位置決め及び構成されている。図２に示したように、バフル６９は、ボルト５３のボルト頭５３ｈがサブキャビティ５５ｕの半径方向内方領域７１に位置し、ひいてはシール３７及び４１と共に高温から保護されるように位置決めされている。本発明の典型的な実施例において、バフル６９は、環状シール板４５への溶接等によって固定されている。
【００１８】
このバフルを用いることにより、サブキャビティ５５ｕ内の流れは図５に示したように修正され、これにより、主流れからの進入のほとんどは、サブキャビティ５５ｕの半径方向外方領域７３において再循環させられる。
【００１９】
バフル６９は、シール板４５からボルト５３のボルト頭を越えて軸方向に延びた、周方向に連続的なフランジである。前記のように、バフルは、シール３７，４１及びボルト５３のヘッドが配置されているサブキャビティの半径方向内方領域７１への主ガス流の進入を最小限にする程度にまで、サブキャビティ５５ｕを部分的に横切って延びている。理想としては、バフルは、冷却空気が半径方向外方へ流れるための開口を残しながら、できるだけサブキャビティ５５ｕを横切って延びているが、半径方向に組み立てられる工業用タービンにおいては、バフルの軸方向長さが、ステータ区分が中間キャビティ１３に挿入される時に空けておかねばならない、リムシール５７の軸方向位置によって制限されている。ひいては、後者の場合、バフルは、サブキャビティ５５ｕを少なくとも約３分の１から約３分の２だけ横切って延びており、有利には約２分の１から約３分の２だけ横切って延びている。典型的な実施例では、サブキャビティを約３分の２だけ横切って延びている。
【００２０】
バフル６９を用いることにより、主ガス流の進入が、高温条件に耐えることができるサブキャビティの部分に制限される。ひいては、サブキャビティに供給される二次的な冷却空気の質量流れを低減することができる。今やサブキャビティへ向けられなくてよい冷却空気は、冷却をより必要とする他の領域へ再び割り当てることができる。全体として、本発明は所要の冷却空気量を低減することができ、ひいてはタービン性能を増大することができる。
【００２１】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、開示の全ての教えの範囲において、これらの詳細に対する様々な修正及び変更が発展されることができることは当業者によって認められるであろう。すなわち、開示された特定の構成は例示的でしかないことを意味し、添付の請求項及び請求項の全ての均等物の完全な範囲によって与えられる本発明の範囲を制限しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したガスタービンの部分縦断面図である。
【図２】中間ディスクキャビティを拡大して示す図１の断面図である。
【図３】本発明の一部であるバフルを示す、中間ディスクキャビティの一部の部分断面図である。
【図４】本発明を実施していない場合のタービンの上流中間ディスクキャビティ内の流れを概略的に示す図である。
【図５】本発明を適用することによる流れパターンに対する修正を示す、図４と同様の図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン、 ３ タービン区分、 ５ ロータ、 ７ タービンケーシング、 ９ ロータディスク、 １１ ロータシャフト、 １３ 中間ディスクキャビティ、 １５ 動翼、 １７ 主ガス流路、 １９ タービン入口、 ２１ タービン出口、 ２３ ステータ、 ２５ ステータ段又は区分、 ２７静翼、 ２９ 中間シールハウジング、 ３１ クレビス、 ３３ フランジ、 ３５ ボルト、 ３７，４１ ラビリンスシール、 ４３ フランジ、 ４５ 環状のシール板、 ４７ リップ、 ４９ フランジ、 ５１ 圧縮コイルばね、 ５３ ボルト、 ５５ サブキャビティ、 ５７，５９ リムシール、６１ 冷却空気入口、 ６５，６７ 矢印、 ６９ バフル、 ７１ 半径方向内側の領域、 ７３ 半径方向外側の領域

Claims (6)

1. ガスタービンにおいて、
   タービンケーシングが設けられており、
   該タービンケーシング内で回転するように取り付けられたロータが設けられており、該ロータが、ロータシャフト（１１）と、中間ディスクキャビティ（１３）を形成するようにロータシャフト上で軸方向にずらされた少なくとも第１段及び第２段のロータディスク（９）とを有しており、該第１段及び第２段のロータディスク（９）がそれぞれ、半径方向外方へ主ガス流（１７）内へ延びた複数の動翼（１５）を有しており、
   ステータ（２３）が設けられており、該ステータが、半径方向内方へ中間ディスクキャビティ（１３）内へタービンケーシング（７）からロータシャフト（１１）に向かって延びた少なくとも１つのステータ段（２５）を有しており、該少なくとも１つのステータ段が、主ガス流（１７）において動翼（１５）と軸方向で整合された複数の静翼（１７）を有しており、該静翼が、半径方向内方で、ロータシャフト（１１）に対してシールするシールアセンブリ（２８）によって終わっており、前記少なくとも１つのステータ段が、第１段のロータディスク（９）と共に中間ディスクキャビティ（１３）内に環状のサブキャビティ（５５ｕ）を形成しており、前記少なくとも１つのステータ段（２５）が、ボルト（５３）を有しており、該ボルトが、シールアセンブリ（２８）を静翼（２７）に結合させておりかつ、サブキャビティ内へ軸方向に突出したボルト頭（５３ｈ）を有しており、
   中間ディスクキャビティ（１３）内に冷却空気を導入する冷却空気入口（６１）が設けられており、前記冷却空気が、半径方向外方へ、サブキャビティ（５５ｕ）を含む中間ディスクキャビティ（１３）を通って流れ、主ガス流（１７）内へ放出され、
   バフル（６９）が設けられており、該バフルが、シールアセンブリ（２８）からサブキャビティ（５５ｕ）を部分的に横切って第１段のロータディスク（９）に向かって延びており、これにより、前記サブキャビティ（５５ｕ）を半径方向内方領域（７１）と半径方向外方領域（７３）とに分割しており、前記バフル（６９）が、主ガス流（１７）からの進入を半径方向外方領域（７３）に限定するように構成及び位置決めされており、前記バフル（６９）が、ボルト頭（５３ｈ）より半径方向外方に位置決めされており、これにより、前記ボルト頭が、サブキャビティ（５５ｕ）の半径方向内方領域（７１）に位置しかつ主ガス流（１７）の進入から保護されており、前記バフルがサブキャビティを３分の１から３分の２だけ横切って軸方向に延びていることを特徴とする、ガスタービン。
2. 前記バフル（６９）が、シールアセンブリ（２８）に固定された環状のフランジである、請求項１記載のガスタービン。
3. 前記ロータ（５）が、付加的な中間ディスクキャビティ（１３）を形成するようにロータシャフト（１１）に沿って軸方向に離間された付加的なロータディスク（９）を有しており、前記ステータ（２３）が、付加的なステータ段（２５）を有しており、各ステータ段が、半径方向内方へ付加的な中間ディスクキャビティ（１３）内へ延びておりかつ、ロータシャフト（１１）に対してシールするシールアセンブリ（２８）を有しておりかつ、上流のロータディスク（９）と共に付加的なサブキャビティ（５５ｕ）を形成しており、前記冷却空気入口（６１）が、付加的な中間ディスクキャビティ（１３）内へ冷却空気を導入するようになっており、該冷却空気が、半径方向外方へ、付加的なサブキャビティ（５５ｕ）を含む付加的な中間ディスクキャビティ（１３）を通って流れるようになっており、付加的なバフル（６９）が、付加的なシールアセンブリ（２８）から、付加的なサブキャビティ（５５ｕ）を部分的に横切って延びており、これにより、サブキャビティを半径方向内方領域（７１）と半径方向外方領域（７３）とに分割しており、前記付加的なバフル（６９）が、主ガス流（１７）からの進入を半径方向外方領域（７３）に限定するように構成及び位置決めされている、請求項１記載のガスタービン。
4. 前記バフル（６９）及び付加的なバフル（６９）が、シールアセンブリ（２８）から軸方向に延びた環状のフランジから成っている、請求項３記載のガスタービン。
5. 冷却空気が噴射されるガスタービン（１）中間ディスクキャビティ（１３）における複数の静翼を有するステータ段（２５）のシールアセンブリ（２８）と上流のロータディスク（９）との間のサブキャビティ（５５ｕ）への主ガス流（１７）の進入を低減するための装置において、
   バフル（６９）が設けられており、該バフルが、シールアセンブリ（２８）からサブキャビティ（５５ｕ）を部分的に横切って上流のロータディスク（９）に向かって延びており、これにより、サブキャビティ（５５ｕ）を半径方向内方領域（７１）と半径方向外方領域（７３）とに分割しており、前記バフル（６９）が、主ガス流（１７）からの進入を半径方向外方領域（７３）に限定するように構成及び位置決めされており、
   前記少なくとも１つのステータ段（２５）が、ボルト（５３）を有しており、該ボルトが、シールアセンブリ（２８）を静翼（２７）に結合させておりかつ、サブキャビティ内へ軸方向に突出したボルト頭（５３ｈ）を有しており、前記バフル（６９）が、ボルト頭（５３ｈ）より半径方向外方に位置決めされており、これにより、前記ボルト頭が、サブキャビティ（５５ｕ）の半径方向内方領域（７１）に位置しかつ主ガス流（１７）の進入から保護されており、前記バフルがサブキャビティを３分の１から３分の２だけ横切って軸方向に延びていることを特徴とする、装置。
6. 前記バフル（６９）が、シールアセンブリ（２８）に固定された環状のフランジから成っている、請求項５記載の装置。

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