JP4874458B2

JP4874458B2 - ガスタービン用蒸気冷却システム

Info

Publication number: JP4874458B2
Application number: JP2000253666A
Authority: JP
Inventors: デビットウィルソンイアン; ジョゼフバーブケビン; チェンリーミン; マリーハイドスーザン; チャールズマーシートーマス; リチャードウエゾリックロナルド; チャールズグリンクリストファー; シー．ヘムズワースマーティン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: KR20010021011A; EP1079069B1; JP2001073802A; EP1079069A3; DE60026236D1; ATE318994T1; US20010006601A1; DE60026236T2; US6464461B2; KR100437584B1; EP1079069A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にタービンに関し、特に、高温ガス構成要素を冷却し、例えば複合サイクルシステムで使用される熱回収蒸気発生器のような帰路に使用済みの冷却蒸気を戻す、閉路蒸気冷却通路を使用する陸上設置の発電用ガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービンのバケットのような高温ガス通路構成要素の蒸気冷却が過去において提案されており、陸上設置の発電プラントで有効であることが確認されている。ガスタービンは一般的に空冷式であり、例えばジェットエンジンは高温ガス構成要素を冷却するために圧縮機放出空気を使用するが、蒸気を冷却材として使用することに伴なう損失が、圧縮機抽気空気を冷却のために抽出することによって生じる損失ほどには大きくないので、蒸気冷却の方が効率がよい。さらに、複合サイクル動作においては、蒸気がガスタービン構成要素を冷却する時に蒸気に付与される熱エネルギーが、複合サイクル動作で蒸気タービンを駆動するための有効な仕事として回収されるので、蒸気冷却は特に有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の譲受人と共通である譲受人の米国特許第５，５９３，２７４号には、例えばバケットのようなロータの高温ガス構成要素に冷却蒸気を供給しかつ使用済みの冷却蒸気を帰路に戻す、同心の蒸気通路を有するガスタービンが開示されている。しかし、冷却蒸気の供給と戻りにおける様々な改良と改善とが本発明によって実現される。
【０００４】
本発明は、ガスタービンのロータの高温ガス経路構成要素を冷却しかつ使用済みの冷却蒸気を帰路に戻す閉路蒸気冷却システムを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一般的に、このシステムは、ガスタービンロータの軸線に概ね沿って冷却蒸気が通過するように冷却入口渦巻形ケーシングから冷却蒸気を受け取る穿孔管アセンブリを含む。供給された冷却蒸気は、後部軸ディスク内の管を通過して流れてロータのリムの付近に冷却蒸気を搬送するように、概ね半径方向に流れの向きを変えられる。冷却蒸気は、ガスタービンロータを構成する積み重ねられたホイールとスペーサの中の開口を通って延びる複数の供給通路または供給管によって、ロータのリムに沿って軸方向に供給される。供給通路または供給管の各々は供給マニホルドセグメントに冷却蒸気を供給し、複数の供給マニホルドはロータの周りに円周方向に互いに間隔をおいて配置されている。各供給マニホルドセグメントは、バケットを冷却するためにガスタービンの第１段または第２段であることが好ましい各タービンホイールの第１および第２のバケットの各々に冷却蒸気を供給する、複数の出口ポートと供給通路とを含む。使用済みの冷却蒸気は、バケットから、戻り通路と入口ポートとを経由して、ロータのリムの周囲に円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の戻りマニホルドセグメントに戻される。各戻りマニホルドセグメントは、ロータのリムに沿って後部軸ディスクに延びる軸方向の戻り管に接続されている。戻り管に沿って軸方向に流れる使用済みの冷却蒸気は、後部ディスク内を延びる半径方向の管に送り込まれ、穿孔管アセンブリに戻され、帰路、例えば、複合サイクルシステムの熱回収蒸気発生器に送り出される。
【０００６】
上記で一般的に説明した冷却蒸気システムの様々な態様が特に重要である。例えば、供給熱媒体と戻り熱媒体の流れがロータのリムにおいて半径方向と軸方向との間で向きを変える。流れの向きを変えるために、新規の構成と用途のエルボが、軸方向の管と半径方向の管とに連通する後部ディスク内の半径方向に開口するスロット内に設けられている。例えば、半径方向から軸方向に供給蒸気の流れの向きを変える、ロータのリムに沿った蒸気供給管に連通する半径方向の供給管を相互に接続するエルボが設けられる。同様に、エルボは、使用済み冷却媒体の流れの方向を軸方向から半径方向に変えるために、軸方向の戻り管を半径方向の管に相互に接続する。こうしたエルボは、後部ディスクのスロット内に容易に組み込まれる一体的に鋳造された部品であることが好ましい。
【０００７】
本発明の別の態様では、冷却蒸気供給マニホルドと使用済み冷却蒸気戻りマニホルドの各々は、円周方向に互いに間隔をおいて配置されたマニホルドセグメントに設けられている。供給マニホルドセグメントおよび戻りマニホルドセグメントも、軸方向に互いに間隔をおいて配置されている。各マニホルドは１対のホイールのバケットと連通している。例えば、各供給マニホルドは、軸方向に両側に隣接するホイールの特定のバケットと連通している。同様に、戻りマニホルドセグメントは、同様に戻りマニホルドセグメントの両側に位置している特定のバケットからの使用済み冷却蒸気を受け取る。供給マニホルドセグメントと戻りマニホルドセグメントとをバケット内の個々の通路に相互に接続するためにスプールが使用される。本発明の他の様々な態様が、下記の詳細な説明と図面とを参照することによってさらに明らかになるだろう。
【０００８】
本発明による好ましい一実施様態では、軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールを取り付けているバケットと、ホイールの間のスペーサとを有するタービンロータにおけるバケット冷却システムであって、ロータのリムの周囲に、かつこのリムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の冷却媒体供給通路と、ロータのリムの周囲に、かつこのリムに隣接して円周方向に互いに間隔を置いて配置されている複数の使用済み冷却媒体戻り通路と、ロータのリムの周囲にかつ隣接して円周方向に互いに間隔を置いて配置されており、冷却媒体を受け入れるために供給通路の少なくとも１つと各々が連通しており、かつ、軸方向に互いに間隔を置いて配置されているホイールのタービンバケットのための冷却媒体入口と供給マニホルドセグメントとを接続する複数の供給ポートを各々が有する複数の供給マニホルドセグメントと、ロータのリムの周囲にかつこのリムに隣接して円周方向に互いに間隔を置いて配置されており、使用済み冷却媒体を受け入れるために戻り通路の少なくとも１つと各々が連通しており、かつ、軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールのタービンバケットのための使用済み冷却媒体出口と戻りマニホルドセグメントとを接続する複数の戻りポートを各々が有する複数の戻りマニホルドセグメントとを有するバケット冷却システムが提供される。
【０００９】
本発明による別の好ましい一実施様態では、軸方向に互いに間隔を置いて配置されているホイールを取り付けているバケットと、ホイールの間のスペーサとを有するタービンロータにおけるバケット冷却システムであって、ロータのリムの周囲に、かつこのリムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されている、概ね軸方向に延びる複数の冷却媒体供給通路と、ロータのリムの周囲に、かつこのリムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されている、概ね軸方向に延びる複数の使用済み冷却媒体戻り通路と、冷却媒体を軸方向の冷却媒体供給通路に供給する、第１の組の概ね半径方向に延びる複数の通路と、使用済み冷却媒体を軸方向の使用済み冷却媒体戻り通路から戻す、第２の組の概ね半径方向に延びる複数の通路と、ロータの一部分を形成しかつ軸方向に延びるスロットを周囲に有する後部ディスクと、軸方向に延びる通路と半径方向に延びる通路とを相互に接続し、かつ概ね軸方向の方向と概ね半径方向の方向との間で流れの向きを変えるための通路を有する、スロット内に配置されている複数の流れ向き変更部材とを有するバケット冷却システムが提供される。
【００１０】
本発明によるさらに別の好ましい一実施様態では、軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールを取り付けているバケットと、ホイールの間のスペーサとを有するタービンロータにおけるバケット冷却システムであって、ロータのリムの周囲に、かつこのリムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されており、かつバケットと連通している概ね軸方向に延びる複数の冷却媒体搬送通路と、熱媒体を搬送する、軸方向の通路と連通している概ね半径方向に延びる複数の通路と、ロータの一部分を形成しかつ軸方向に延びるスロットを周囲に有する後部ディスクと、軸方向に延びる通路と半径方向に延びる通路とを相互に接続し、かつ概ね軸方向の方向と概ね半径方向の方向との間で流れの向きを変えるための通路を有する、スロット内に配置されている複数の流れ向き変更部材とを有するバケット冷却システムが提供される。
【００１１】
本発明によるさらに別の好ましい実施様態では、軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールを取り付けているバケットと、ホイールの間のスペーサとを有するタービンロータにおけるバケット冷却システムであって、ロータに沿って概ね軸方向に延びる冷却媒体供給通路と、ロータに沿って概ね軸方向に延びる冷却媒体戻り通路と、供給通路に連通しており、かつ、軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールのタービンバケットのための冷却媒体入口と供給マニホルドとを接続する複数の供給ポートを有する、ロータのリムに隣接し冷却媒体を受け取る供給マニホルドと、戻り通路に連通し、かつ、軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールのタービンバケットのための使用済み冷却媒体出口と戻りマニホルドとを接続する複数の戻りポートを有する、ロータのリムに隣接し、使用済み冷却媒体を受け取る戻りマニホルドと、供給マニホルドと冷却媒体入口との間と、戻りマニホルドと使用済み冷却媒体出口との間とに配置されている球面形の端部部分を有する薄肉のスプールとを有するバケット冷却システムが提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１を参照すると、この図には、本発明の好ましい実施形態を組み込んだ、全体が参照番号１０で示されるタービン部分が示されている。タービン部分１０は、タービンロータＲを囲むタービンハウジング１２を含む。ロータＲは、この例では、ホイール１４、１６、１８，２０を含む４つの連続する段を含み、これらのホイールの１４、１６、１８、２０は、円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数のバケットすなわちブレード２２、２４、２６、２８を支持している。ホイール１４、１６、１８、２０はスペーサ３０、３２、３４の間に交互に配置されている。スペーサ３０、３２、３４の外側リムは、複数のステータブレードまたはノズル３６、３８、４０と半径方向に整合しており、第１の組のノズル４２が第１のバケット２２の前方に位置している。したがって、この図には、第１の段がノズル４２とバケット２２とを含み、第２の段がノズル３６とバケット２４とを含み、第３の段がノズル３８とバケット２６とを含み、最後に、第４の段がノズル４０とバケット２８とを含む４段のタービンが示されていることが理解できるだろう。ロータホイールとスペーサは、互いに整合しているホイール穴とスペーサ穴とを通過する円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数のボルト４４によって互いに固定されている。複数の燃焼器（その１つを参照番号４５で概略的に示す）がタービン部分の周囲に配置されており、この燃焼器は、ノズルとバケットを含むタービン部分の高温ガス通路を通して高温の燃焼ガスを供給してロータを回転させる。ロータは、後部軸を形成する穿孔管アセンブリ（全体として参照番号４８で示されている）と一体的に形成されている後部ディスク４６も含む。
【００１３】
好ましくは最初の２つの段の少なくとも一方の組のバケットまたは好ましくは両方の組のバケット２２、２４に、冷却蒸気であることが好ましい、冷却用の熱媒体が供給される。冷却蒸気は穿孔管アセンブリ４８を通して供給され、戻される。図１と図２を参照すると、好ましい一実施形態では、穿孔管アセンブリ４８は、後部ディスク４６内に設けられている半径方向に延びる複数の管５４に冷却蒸気が流れるように蒸気プレナム５２から冷却蒸気が供給される環状の通路５０を含む。管５４は、第１段のバケットと第２段のバケット中の冷却通路と連通している、円周方向に互いに間隔をおいて配置されている軸方向に延びる熱媒体供給管５６と連通している。高温度の使用済み冷却蒸気、すなわち戻り冷却蒸気は、第１段のバケットと第２段のバケットとから、円周方向に互いに間隔をおいて配置されている軸方向に延びる複数の戻り管５８を通って流れる。戻り管５８は、その後端部において、後部ディスク４６内の半径方向に内方に延びる戻り管６０と連通している。戻り管６０から、使用済み冷却蒸気は、冷却蒸気供給源に戻るか、または、複合サイクルシステムで使用される熱回収蒸気発生器に流れるために、穿孔管アセンブリ４８の中央孔８８の中に流れ込む。
【００１４】
軸方向に延びる供給管５６と戻り管５８はそれぞれロータのリムに隣接してかつロータの周囲に位置しており、供給管と戻り管の各々は、軸方向に重ねられたホイールとスペーサを貫通する軸方向に整合した開口を通って延びているということが、上述の説明から理解できるだろう。例えば、第４段のホイール２０とスペーサ３４との整合した穴６２、６４が図４に示されている。同様の整合した穴が、第１段と第２段と第３段の各々のホイールとスペーサとの中に設けられている。
【００１５】
図４に示すように、冷却媒体供給管５６と冷却媒体戻り管５８をそれぞれに支持するブシュが、ホイール穴とサポート穴の中の様々な位置に設けられている。例えば、ブシュ６６とブシュ６８が、スペーサ３４を貫通する開口６４の両端部の付近に配置されている。同様のブシュが、第３段のスペーサ３２の両端部の付近に配置されている。ブシュ７３がホイール１６の前部の開口に設けられており、ブシュ７５がスペーサ３０の後部の開口に設けられている。同様のブシュが供給管の整合した開口の中に設けられている。
【００１６】
図４を参照すると、この図には、戻り管５８が詳細に示してある。しかし、ロータのリムの周りに互いに間隔をおいて配置されている供給管と戻り管は、本発明に関連する諸側面において互いに類似しているので、特に指摘しない限り、その一方の説明をするだけで十分であり、他方の説明は不要であることが理解されるだろう。さらに、供給管５６と戻り管５８は、ロータの軸線Ａ（図４）から等しい半径位置に中心を有し、円周方向に互いに等しい間隔を置いて配置されている。これらの各管は、その管の長さに沿った軸方向に互いに間隔をおいた位置に複数の隆起したランド７０を有する薄肉の構造を有する。ランド７０の軸方向の位置は、ホイールとスペーサとを貫通する開口中のブシュの位置に一致している。各々のランド７０の間には薄肉の管部分７２がある。ランド７０の外側の外部表面が薄肉部分７２の外部表面から半径方向に外側にあることを理解されたい。移行部分７４が、各々のランド７０とこれらに隣接した薄肉部分７２との間に設けられている。この移行部分は、ランドの外側表面から薄肉部分の外側表面へと半径方向に内方に移行する円弧状の外側表面を有する。膨らんだランドすなわちフランジ７６が、各々の管の後部部分に隣接して設けられている。供給管と戻り管、ロータ内にこれらの管を保持する方法、および、これらの管のためのシールに関するさらに詳細な説明に関しては、本明細書に各々の開示内容が引例として組み入れられている１９９９年６月１６日付で出願された米国特許出願番号０９／３３４，１８７（代理人摘要番号５１ＤＶ−９８１７，８３９−５６１）と、１９９９年５月３日付で出願された米国特許出願番号０９／３０４，２０２（代理人摘要番号５１ＤＶ−９８５６，８３９−５８１）と、１９９９年６月１４日付で出願された米国特許出願番号０９／３３２，３３０（代理人摘要番号５１ＤＶ−９８５８，８３９−５８３）とを参照されたい。
【００１７】
次に、図５から図７を参照すると、これらの図では、穿孔管アセンブリ４８は、ロータの一部分を形成し、かつ、ロータ軸線Ａを中心に回転するように取り付けられている。穿孔穴アセンブリ４８は後部ディスク４６を含み、例えば蒸気のような冷却媒体の流れをタービンバケットに供給し、使用済みの冷却媒体の流れを帰路に送るための通路を提供する。前述のように、冷却システムは、複合サイクルシステムの閉路蒸気冷却供給および戻りシステムの一部分として、すなわち、高圧蒸気タービン排気からの分流として実現されてもよく、または、既存のプラント内供給から供給されてもよい。穿孔管アセンブリ４８は、外側の管８２と、ロータ軸の回転軸の周囲の外側管８２と同心である内側の管８４とを含む。外側の管８２と内側の管８４はそれぞれに環状の冷却蒸気供給通路８６を形成し、一方、内側の管８４は使用済み冷却蒸気通路８８を形成する。図６を特に参照すると、蒸気グランド９０が穿孔管アセンブリ４８の周囲に配置されており、プレナム５２を形成する。蒸気グランド９０は固定されておりかつ穿孔管アセンブリ４８がロータ軸線Ａを中心に回転することが理解されるだろう。蒸気プレナム５２は適切な供給源（図示されていない）からの蒸気供給に接続されており、かつ、外側の管８２と内側の管８４との間の通路８６に冷却蒸気を供給する、外側の管８２を貫いて形成されている蒸気入口９４と連通している。図６を参照すると、この図では、ばねで偏倚されていることが好ましいラビリンス型のシール９６、９８が、外側の管８２の周囲を密閉するために、蒸気グランド９０の両側に設けられている。この構造の変形として、ラビリンスシールの代わりにブラシシール（ｂｒｕｓｈｓｅａｌ）を使用してもよく、または、ラビリンスシールとブラシシールとの組合せを使用してもよい。蒸気グランド９０の後端部は、使用済みの冷却蒸気を受け取るために、帰路Ｒによって概略的に示されている定置蒸気管に接続されている。蒸気グランドは、さらに、蒸気が後部の主軸受１０４（図６）に外方に流れないように、ラビリンスシールを通過して漏れる蒸気を捕集する漏出蒸気プレナム１００、１０２も含む。軸受１０４は従来通りの軸受であり、後部ディスク４６と一体の後部軸１０６を含む。したがって、軸１０６は、穿孔管アセンブリ８０と共に回転することが可能である。
【００１８】
図５を参照すると、穿孔管アセンブリ４８の前端部は、全体として参照番号１０８で示されている末端キャップアセンブリを含む。末端キャップ１０８は、熱媒体供給通路８６からの熱媒体を半径方向の管５４に連通させる通路と、半径方向の戻り管６０からの使用済み冷却蒸気を戻り通路８８に戻す通路とを含む。末端キャップアセンブリ１０８の詳細な説明に関しては、本明細書に引例として組み入れてある１９９８年１２月１８日付で出願された米国特許出願番号０９／２１６，３６３（代理人摘要番号５１ＤＶ−９８０２；８３９−５４０）を参照されたい。
【００１９】
次に、図８と図９を参照すると、冷却媒体供給管５６の各々が、全体として参照記号ＳＭで示すマニホルドに冷却媒体を供給することが理解されるであろう。マニホルドＳＭは、スペーサ３０の後面と第２段のホイール１６の前面との間に位置していることが好ましい、円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の供給マニホルドセグメント１２０（図１３）を含む。供給マニホルドセグメント１２０が各々の供給管５６に対して設けられており、半径方向に内方に延びる形でぶら下がっている中央の突起１２４を有する円弧状のリム１２２（図１３）を含む。突起１２４は、冷却媒体供給管５６と接続する、軸方向に後方に開口する入口ポート１２６を有する。図９を参照して、さらに明確に述べると、スプール１２８が、冷却媒体供給管５６の前端部と入口ポート１２６とを相互接続している。このスプールは、球面形の端部部分を有する短い管を含む。例えば、スプール１２８は、冷却媒体供給管５６の端部の環状の内側表面に係合する球面形の端部部分１３０を有する。同様に、スプール１２８の反対側の端部は、マニホルドセグメント１２０の入口ポート１２６の環状の内側表面に係合する球面形の端部部分１３２を有する。本明細書で開示する全てのスプールの端部の球面形形状が、スプールとこれに関連した接続部品または接続通路との間の相対的な動きを吸収する。この特定の場合、軸方向の熱膨張と遠心荷重とに起因する各スプール１２８と供給管５６とマニホルドセグメント１２０との間の相対的な動きが吸収される。
【００２０】
マニホルドセグメント１２０は、その軸方向の端面の各々に沿って、マニホルドセグメント１２０内のプレナム１３８（図９）と連通している複数の出口ポート１３４、１３６も含む。この例では、マニホルドセグメント１２０は、例えば第２段のホイール１６のバケットのような隣接するホイールのバケットに冷却媒体を供給する、軸方向に後方に開口している６個の出口ポート１３４を有する。これに加えて、マニホルドセグメント１２０は、軸方向に前方に開口している６個の出口ポート１３６（図９）を含む。各々の出口ポート１３６は、第１段のホイール１４と第２段のホイール１６との間のスペーサ３０を貫通する通路１４０と軸方向に整合する。
【００２１】
さらに明確に述べると、スプール１４２が、後方の出口ポート１３４の各々とホイール１６のバケット２４の一体的な前方延長部分１４４との間に配置されている。一体的な延長部分１４４はバケットと一体的に鋳造されて、第２段のバケットのための冷却媒体入口を形成することが好ましい。バケットの鳩尾鋳造部品（ｂｕｃｋｅｔｄｏｖｅｔａｉｌｃａｓｔｉｎｇｓ）と中実ブロックの形に鋳造延長部分１４４を一体的に鋳造すれば、この延長部分１４４がより低コストで得られることがわかった。延長部分ブロックを鋳造した後に、この延長部分ブロックを機械加工し、すなわち、スプール１４２を収容する軸方向の入口開口を備えるように穿孔する。こうしたブロックの形に最初に一体的に鋳造することによって、バケット鳩尾内の開口の正確な位置の精度が向上する。しかし、スプール１４２を収容するために、バケット鳩尾内の予め穿孔した穴の中に、別々の中空管を蝋付けすることも可能であるということを理解されたい。スプール１４２はスプール１２８と同様のタイプであり、すなわち、出口ポート１３４の一部分と延長部分１４４の一部分との中に嵌りこむ球面形の端部部分を有する。
【００２２】
通路１４０の各々には、供給マニホルドセグメント１２０からの軸方向に前向きの出口ポート１３６に別のスプール１４８を介して連通する供給連絡管１４６が設けられている。したがって、各々の連絡管１４６の後端部は、スプール１４８の前方球面形部分を受け入れる環状の座を有し、一方、これと同様に、出口ポート１３６の各々は、スプール１４８の後方球面形部分を受け入れる環状の座を有する。図９に示すように、各々の連絡管１４６は、直径方向に膨らんだランド１５０をその連絡管の後方端部の付近に有し、直径方向に膨らんだランド１５２をその連絡管の長さの中間に有する。各々の連絡管１４６は、スペーサ３０を通過する開口１４０の前端部の面取り部１５６上に載る半径方向に膨らんだフランジ１５４を拡大部分１５２の前端部に含む。各々の連絡管１４６は第１段のホイール１４に向かって前方に延び、これに加えて、管１４６の片持ち梁状に突出した前端部分上に保持スリーブ隆起部を形成する軸方向に互いに間隔をおいて配置されている１対のフランジ１５８、１６０を有する。連絡管１４６の前端部はスプール１６２に接続されており、スプール１６２の反対側の端部は、第１段のホイールのバケットの後方延長部分１６４に接続されている。したがって、延長部分１６４は、第１段のバケットのための冷却媒体入口を形成する。連絡管１４６は、スペーサ３０の表面に対するフランジ１５４の係合によって、軸方向に後向きに（すなわち、図９では左から右に）移動しないように固定されている。第１段のホイールの各バケットの後方延長部分１６４の各々を、延長部分１４４と同様に、機械加工された軸方向の開口を有するブロックの形にバケット鳩尾と一体的に鋳造することが好ましい。
【００２３】
保持スリーブ１６６が連絡管１４６のフランジ１５８、１６０の上に載っており、各スリーブは、フランジ１５４に係合している後端部を有する。各保持管の反対側の端部は１６８において外開きに広がっており、連絡管１４６の軸方向延長部分を収容するために第１段のバケットの後方表面から僅かな距離だけ離れている。連絡管と保持スリーブの詳細に関しては、本明細書に開示内容を引例として組み込んでいる１９９９年５月１４日付で出願された同時係属中の特許出願番号０９／３１２，３３４を参照されたい。
【００２４】
供給マニホルドは、さらに、そのマニホルドの翼部の先端と後面とに窪み１２７も含む（図１３）。スペーサ３０の後面上の円周方向に互いに間隔をおいて配置されている半径方向内向きのフランジがこの窪みの中に係合して、供給マニホルドを供給管と接続した状態に保持する。
【００２５】
要約すると、円周方向に互いに間隔をおいて配置されている軸方向に延びる冷却媒体供給管５６は、冷却媒体（好ましくは冷却蒸気）を、ロータの周囲に配置されている供給マニホルドセグメント１２０のプレナム１３８に供給する。冷却媒体は出口ポート１３４内を通って軸方向に後方に向かって流れ、第２段のホイール１６のバケット２４に冷却媒体を供給する。冷却媒体は、出口ポート１３６を経由して軸方向に前方に供給され、連絡管１４６内を通過して第１段のホイール１４のバケット２２の中に流れ込む。第２段のバケット２４を通過する流れの経路が図４と図８に示してあるが、第１段のホイールのバケットと第２段のホイールのバケットとの中の流れは本発明の一部を形成しない。
【００２６】
次に、図１０を参照すると、第１段のホイールのバケットと第２段のホイールのバケットとからの使用済み冷却媒体は、全体として参照記号ＲＭによって示してある戻りマニホルドに戻り、戻りマニホルドは使用済み冷却蒸気を戻り管５８に供給する。戻りマニホルドＲＭは、スペーサ３０の前面と第１段のホイール１４の後面との間に位置していることが好ましい円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の戻りマニホルドセグメント１７０（図１２）を含む。図１２を参照すると、各々の戻りマニホルドセグメントが半径方向に外側のリム１７２と内方に延びる突起１７４とを有し、リム１７２と突起１７４とがプレナム１７６を形成する。各々の突起１７４は、マニホルドセグメント１７０からスプール１８０を経由して戻り管１５８に戻り蒸気を流す、軸方向に後方に開口する出口ポート１７８を有する。出口、すなわち出口ポート１７８は、スプール１８０の球面形端部部分１８２と嵌め合い係合する概ね環状の座を有する。スプール１８０の反対側の端部は、戻り管５８の前端部の環状の座１８６に係合する同様の球面形部分１８４を有する。
【００２７】
各々の戻りマニホルドセグメント１７０のリム１７２は、後方に開口する複数（例えば６個）の入口ポート１８８と、前方に開口する複数（例えば６個）の入口ポート１９０とを含む。第１段のバケット２２からの使用済み冷却媒体をマニホルドセグメント１７０に送るために、延長部分９２が第１段のバケット２２のバケット鳩尾の各々の後面上に一体的に鋳造され、そのバケットのための冷却媒体出口を形成することが好ましい。球面形の端部部分を両端に有するスプール１９４が、各々の延長部分１９２の端部の環状部分と各々の入口ポート１９０の端部の環状部分とに嵌りこむ。したがって、使用済み冷却媒体は、第１段のバケット２２から、延長部分１９２とスプール１９４と入口ポート１９０とを経由して、円周方向に配置されたマニホルドプレナム１７６の中に流れ込む。
【００２８】
使用済み冷却蒸気を第２段のバケット２４から戻りマニホルドプレナム１７６に送るために、複数の戻り連絡管１９６が、介在スペーサ３０を貫通して軸方向に延びる穿孔穴１９８の中を通る形で設けられている。戻り連絡管１９６の各々は、穿孔穴１９８と係合するランド２００、２０２、２０４を有する。直径が大きいフランジ２０６が、スペーサ３０を貫通する開口１９８の縁に当たって載っており、それによって、戻り連絡管１９６の軸方向の前方移動を阻止する。保持スリーブ２０８がフランジ２０６と一方の端部で係合し、第２段のバケットの前面と共に小さな軸方向の間隙を形成する反対側のフレア形端部を有する。したがって、連絡管１９６は、スペーサ３０の後面に対してそのフランジ２０６が係合することによって、前方へ軸方向移動しないように固定されており、かつ第２段のバケットの前面に対して保持スリーブのフレア形の端部が係合し、かつスリーブ２０８の前端部がフランジ２０６に突き当たることによって、後方への軸方向移動が制限されている。
【００２９】
上述の実施形態のように、スプール２１０は、第２段のバケットの（好ましくは一体的に鋳造されている）前方への延長部分２１２を連絡管１９６の後端部と相互に接続し、延長部分２１２は第２段のバケット用の冷却媒体出口を形成する。同様に、スプール２１４が、戻り連絡管１９６の前端部と戻りマニホルドセグメント１７０の入口ポート１８８との間を相互に接続する。スプール２１０とスプール２１４は上述の構造と同様の構造であり、すなわち、隣接する部品の環状表面内に嵌りこむ球面形部分を両端部に有する。
【００３０】
図１０に示しているように、連絡管１９６は、軸方向に隣接しておりかつ半径方向に挿入されている供給マニホルドセグメント１２０の上を通過することを理解されたい。しかし、再び図８と図９を参照すると、供給マニホルドセグメント１２０と第１段のバケット２２とを相互に接続し、かつ供給マニホルドセグメントのリム１２２の両端部または両先端に位置している少なくとも１対の供給連絡管１４６は、戻りマニホルドセグメント１７０の中央部分内に同じ円周方向の位置に形成されている開口２２０（図８、図１０）の中を通るいうことが理解されるだろう。供給マニホルドセグメント１２０からの残りの供給連絡管１４６は、円周方向に互いに隣接している戻りマニホルドセグメント１７０のリム１７２の外側翼部の下を通る。さらに、図８の考察から、供給マニホルドセグメント１２０は、戻りマニホルドセグメント１７０の内方に半径方向に互いに間隔をおいて配置されているだけでなく、セグメント１２０とセグメント１７０とが円周方向に互い違いに配置されているということにも留意されたい。
【００３１】
戻りマニホルドセグメントの各々は、このマニホルドセグメントの翼部先端と前面とに窪み１７５も含む。スペーサ３０の前面上の円周方向に互いに間隔をおいて配置されており、かつ半径方向に内方に向いているフランジ１７７（図９）が窪み１７５に嵌りこみ、戻りマニホルドセグメントを戻り管と共に所定の位置に保持する。
【００３２】
第１段のバケットと第２段のバケットとのための戻り冷却システムを要約して説明すると、使用済み冷却媒体（例えば冷却蒸気）は第１段のバケット２２から鳩尾形の延長部分１９２とスプール１９４とを通って後方に流れ、入口ポート１９０を経由して戻りマニホルドセグメントのプレナム１７６の中に流れ込む。第２段のバケット２４からの使用済み冷却蒸気はバケットの鳩尾形延長部分２１２からスプール２１０と連絡管１９６とスプール２１４とを経由して前方に流れ、入口ポート１８８を経由して戻りマニホルドセグメントプレナム１７６の中に流れ込む。使用済み冷却蒸気は関連するエルボと半径方向の管と軸方向の通路８８とを経由して戻り管へと流れるためにプレナム１７６からスプール１８０を経由して戻り管５８の中に流れ込む。
【００３３】
接続部品は環状の座を有してもよいが、動作中における離脱および／または圧潰とを防止するために、薄肉のスプールの球面形の端部部分１３２は、嵌め合い部品上の球面形の座と係合し合ってもよいということを理解されたい。遠心荷重による半径方向の動きを防止するために、球面形の座はスプールの半径方向の方向配置が特に重要である。スプール端部における締まりばめが漏れを防止し、遠心荷重に打勝つのに十分な予荷重を与え、動作中の自己整合を実現する。スプールの球面形の端部はＴｒｉｂａｌｌｏｙ８００で被覆されていることが好ましい。スプールの球面形端部部分とその球面形の座の一例を図１９に示してある。スプール２５０は、球面形の端部部分２５２を有するスプール１２８、１４２、１４８、１６２、１９４、２１０、２１４または１７０のいずれか１つを含んでよい。隣接する部品２５４が、図に示すように環状の座または球面形の座２５６を有してよい。
【００３４】
次に、図２、図５、および図１４−１８を参照すると、供給熱媒体と戻り熱媒体との流れの向きを軸方向と半径方向との間で移行させるための後部ディスク４６内の相互接続部（例えばエルボ）を説明する。図２を参照すると、後部ディスク４６は、円周方向に互いに間隔をおいて配置されており、かつ半径方向に開口する複数の概ね鳩尾形のスロット２００を含む。スロット２００は、供給相互接続部と戻り相互接続部、例えばエルボ２０２とエルボ２０４とをそれぞれ受け入れる。これらのエルボの各々は、スロット２００の中に軸方向にエルボを挿入することができるように、かつ、半径方向に外方に移動しないようにエルボを保持することができるように、後部ディスク４６の周りの鳩尾に対して概ね相補形の形状の外側表面を有する。図１４を参照すると、この図には供給エルボ２０６が示してある。供給エルボ２０６は鋳造材料で形成されており、かつ、図に示すように９０°の角度に曲がっている移行穴２１２を経由して互いに連通している、縦方向に延びる穴部分２０８と半径方向に延びる穴部分２１０とを有することが好ましい。エルボ２０６の後端部は、半径方向に内向きに開いている溝２１４を含む。
【００３５】
図１５を参照すると、この図には戻りエルボ２１６が示してある。戻りエルボ２１６は軸方向に延びる穿孔開口２１８と、半径方向に延びる穿孔開口２２０とを含み、この穿孔開口２１８と穿孔開口２２０は、９０°の角度に曲がっている移行穴２２２を経由して互いに連通している。戻りエルボ２１６の後端部は、半径方向に内向きに開口する溝２２４も含む。供給エルボ２０６の半径方向に開口する穴２１０と、戻りエルボ２１６の半径方向に開口する穴２２０の両方は、円周方向かつ半径方向に片寄っている供給管５４と戻り管６０とに各々に適合するように、円周方向と半径方向とにおいて相互に片寄っているということを理解されたい。
【００３６】
供給エルボ２０６の軸方向に延びる穴２０８と戻りエルボ２１６の軸方向に延びる穴２１８は、上述のスプールと同様に構成されているスプールを経由して、軸方向に延びる供給管５６と戻り管５８とに相互に接続している。戻りエルボ２１６と軸方向に延びる戻り管５８とを相互に接続するスプール２２６の例を図４に示す。同様のスプールが供給エルボ２０６と供給管５６を相互に接続する。
【００３７】
図１６を参照すると、供給管５４の半径方向外側の端部と戻り管６０の半径方向外側の端部の各々はつば２３０を有する。エルボと半径方向の管との間の流体連通を達成するために、このつばの外側端部は、関連のエルボの半径方向に延びる穴２１０または穴２２０とのフレア式の嵌め合い係合を実現するようにフレア形になっている。半径方向の管とエルボとを相互に接続するために、図１７に示すスプリングクリップ２３２が設けられている。このスプリングクリップ２３２は、円周方向に互いに間隔をおいて配置されており、かつ半径方向に外向きに向けられているボス２３６を含む半径方向部分２３４を有するアングルを含み、このボス２３６は開口２３８を有する。スプリングクリップ２３２の概ね軸方向に延びる部分２４０は１対の軸方向に延びる脚部２４１を有し、これらの脚部２４１は概ね半円形の穴２４２を形成し、かつ、その末端部に隣接した半径方向に外方に突き出す１対のボス２４４の形で終端する。図１６に示しているように、スプリングクリップ２３２は、つば２３０の下に位置する軸方向部分２４０の腕部を有するボルト２４３によって、関連するエルボ２０６またはエルボ２１６にボルト止めされている。特に、ボス２４４は、つば２３０の下側に係合する。
【００３８】
図５に示しているように、スロット２００の相互間の後部ディスク４２の後面４２は、半径方向内向きに開いている溝２４６を有する。エルボ２０６、２１６はスロット２００内に軸方向に挿入される時には、半径方向に外向きにばねで押されていてもよい円周方向に延びるバンドまたはワイヤ２４８が、溝２１４、２２４、２４６の中に挿入され、それによって、エルボは軸方向に後方に移動しないように保持され、溝２４６とバンド２４８はエルボに対する軸方向の止め子を形成する。エルボ２０６の後部フランジ２５０とエルボ２１６の後部フランジ２５２はそれぞれに後部ディスク４６の後面に突き当たり、ロータに対するこれらのエルボの相対的な軸方向の前方移動を阻止する。図１８は、後部ディスク４６の対応するスロット２００内の供給エルボおよび戻りエルボを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい一実施形態による冷却システムの各部分を組み入れているタービンセクションを示す、ガスタービンの一部分の断面図である。
【図２】図解を容易にするために一部が切取断面図の形である、タービンロータの一部分の部分斜視図である。
【図３】図４、図５、図６、図７の関係を示すブロック図である。
【図４】熱媒体戻り管を示している、ロータのリムを示す部分断面図である。
【図５】半径方向の供給管と戻り管と、これらの管と穿孔管アセンブリとの連通を示す、ロータのリムに隣接したロータの後部部分の拡大断面図である。
【図６】図５に示されている穿孔管アセンブリの延長部分を形成する拡大断面図である。
【図７】穿孔管アセンブリの後端部の拡大断面図である。
【図８】供給マニホルドセグメントと戻りマニホルドセグメントとによって各々に相互接続されている供給管と戻り管とを示す、一部が切取断面図の形である部分斜視図である。
【図９】供給マニホルドセグメントと、隣接するホイールのバケットに冷却媒体を搬送する様々な通路とを示す、図８の線５−５に概ね沿った拡大部分断面図である。
【図１０】軸方向に隣接したバケットから戻り管に使用済み冷却媒体を戻すための戻りマニホルドセグメントを示す、図８の線６−６に概ね沿った部分断面図である。
【図１１】供給マニホルドセグメントと戻りマニホルドセグメントの間の関係を示す縮小断面図である。
【図１２】戻りマニホルドセグメントの斜視図である。
【図１３】供給マニホルドセグメントの斜視図である。
【図１４】冷却媒体の流れの向きを軸方向と半径方向との間で変える供給エルボの断面図である。
【図１５】冷却媒体の流れの向きを軸方向と半径方向との間で変える戻りエルボの断面図である。
【図１６】後部ディスクの半径方向に延びる熱媒体搬送管とエルボとの間の接続を示す、一部が断面図の形の部分側面図である。
【図１７】エルボと半径方向の管との間の接続を行うためのスプリングクリップの斜視図である。
【図１８】前向きの方向で後部ディスクを見た部分立面図である。
【図１９】断面図の形で示されている隣接部品の球面形の座の中に係合している球面形の端部部分を有する、典型的なスプールの部分立面図である。
【符号の説明】
１０タービン部分
１２タービンハウジング
１４、１６、１８、２０ホイール
２２、２４、２６，２８ブレードまたはバケット
３０、３２、３４スペーサ
３６、３８、４０、４２ステータブレードまたはノズル
４４ボルト
４５燃焼器
４６後部ディスク
４８穿孔管アセンブリ
５０環状通路
５２蒸気プレナム
５４管
５６熱媒体供給管
５８、６０戻り管
６２、６４穴
６６、６８、７３、７５ブシュ
７０ランド
７２薄肉の管部分
７４移行部分
７６ランドまたはフランジ
８０穿孔管アセンブリ
８２外側の管
８４内側の管
８６環状の冷却蒸気供給通路
８８中央孔、使用済み冷却蒸気通路
９０蒸気グランド
９４蒸気入口
９６、９８ラビリンスシール
１００、１０２漏出蒸気プレナム
１０４後部主軸受
１０６後部軸
１０８端部キャップアセンブリ
１２０供給マニホルドセグメント
１２２、１７２リム
１２４、１７４突起
１２６、１８８、１９０入口ポート
１２７、１７５窪み
１２８、１４２、１４８、１６２、１８０、１９４、２１０、２１４、２２６スプール
１３０、１３２端部部分
１３４、１３６、１７８出口ポート
１３８、１７６プレナム
１４０通路
１４４延長部分
１４６供給連絡管
１５０、１５２、２０２、２０４ランド
１５４、１５８、１６０、１７７、２０６フランジ
１５６面取り部
１５８戻り管
１６４延長部分
１６６、２０８保持スリーブ
１６８保持スリーブ端部
１７０戻りマニホルドセグメント
１８２球面形の端部部分
１８４球面形部分
１８６環状の座
１９２、２１２鳩尾形の延長部分
１９６戻り連絡管
１９８穿孔穴
２００スロット
２０２、２０４エルボ
２１０半径方向に延びる穿孔部分
２１２移行穴、延長部分
２１４、２２４、２４６溝
２１６戻りエルボ
２１８、２２０穿孔穴
２２２移行穴
２３０つば
２３２スプリングクリップ
２３４半径方向部分
２３６、２４４ボス
２３８穴
２４０概ね軸方向に延びる部分
２４１軸方向に延びる脚部
２４２概ね半円形の穴
２４３ボルト
２４８バンドまたはワイヤ
２５０、２５２後部フランジ
２５４隣接部品
２５６球面形の座
Ａロータの回転軸線
Ｒロータ、帰路
ＲＭ戻りマニホルド
ＳＭ供給マニホルド

Claims

軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイール（１４、１６、１８、２０）に取り付けられているバケット（２２、２４、２６、２８）と、前記ホイールの間のスペーサ（３０、３２、３４）とを有するタービンロータ（Ｒ）におけるバケット冷却システムであって、当該バケット冷却システムが、
前記ロータのリムの周囲に、かつ前記リムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の冷却媒体供給通路（５６）と、
前記ロータの前記リムの周囲に、かつ前記リムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の使用済み冷却媒体戻り通路（５８）であって、前記冷却媒体供給通路（５６）と円周方向に互いに等しい間隔を置いて配置されている使用済み冷却媒体戻り通路（５８）と、
前記ロータの前記リムの周囲に、かつ前記リムに隣接して円周方向に互いに間隔を置いて配置されている複数の供給マニホルドセグメント（１２０）であって、各々は、前記冷却媒体を受け入れるために前記冷却媒体供給通路（５６）の少なくとも１つに連通しており、かつ、この供給マニホルドセグメントと前記軸方向に互いに間隔をおいて配置されているホイールの前記タービンバケットのための冷却媒体入口（１４４、１６４）とを接続する複数の供給ポート（１３４、１３６）を有する複数の供給マニホルドセグメント（１２０）と、
前記ロータの前記リムの周囲に、かつ前記リムに隣接して円周方向に互いに間隔をおいて配置されている複数の戻りマニホルドセグメント（１７０）であって、各々は、使用済み冷却媒体を受け入れるために前記使用済み冷却媒体戻り通路（５８）の少なくとも１つに連通しており、この戻りマニホルドセグメントと前記軸方向に互いに間隔をおいて配置されている前記ホイールの前記タービンバケットのための使用済み冷却媒体入口（１９２、２１２）とを接続する複数の戻りポート（１８８、１９０）を有する複数の戻りマニホルドセグメント（１７０）と
を有しており、
前記供給マニホルドセグメント（１２０）が円弧状のリム（１２０）と半径方向内方に延びる突起（１２４）とを含んでいて、該突起が、前記冷却媒体供給通路（５６）の１つに連通し、冷却媒体を前記冷却媒体供給通路（５６）の１つから受けとる入口ポート（１２６）を有しており、
前記戻りマニホルドセグメント（１７０）が円弧状のリム（１７２）と半径方向内方に延びる突起（１７４）とを含んでいて、該突起が、前記冷却媒体戻り通路（５８）の１つに連通し、使用済み冷却媒体を前記冷却媒体戻り通路（５８）の１つから受けとる出口ポート（１７８）を有している、
バケット冷却システム。
前記冷却媒体を前記ホイールの１つのホイール（１６）上の１組のバケット（２４）に供給する、前記供給マニホルドセグメントの各々のための第１の組の前記複数の供給ポート（１３４）と、前記冷却媒体を前記ホイールの別のホイール（１４）上の第２の組のバケット（２２）に供給する、前記供給マニホルドセグメントの各々のための第２の組の前記複数の供給ポート（１３６）とを含む、請求項１に記載の冷却システム。
前記第１および第２の組の供給ポートの各々と、前記１つのホイールと前記別のホイールの各組のバケットとを相互に接続する少なくとも１つのスプール（１４２、１６２）を含む、請求項２に記載の冷却システム。
前記使用済み冷却媒体を前記ホイールの前記１つのホイール（１６）上の１組のバケット（２４）から戻す、前記戻りマニホルドセグメントの各々のための第１の組の前記複数の戻りポート（１８８）と、前記使用済み冷却媒体を前記ホイールの前記別のホイール（１４）上の１組のバケット（２２）から戻す、前記戻りマニホルドセグメントの各々のための第２の組の前記複数の戻りポート（１９０）とを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却システム。
前記供給マニホルドセグメントと前記戻りマニホルドセグメントは軸方向に互いに間隔をおいて配置され、かつ、円周方向に互い違いに配置されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷却システム。
前記冷却媒体を前記軸方向の冷却媒体供給通路に供給する、第１の組の概ね半径方向に延びる複数の通路（５４）と、
前記使用済み冷却媒体を前記軸方向の使用済み冷却媒体戻り通路から戻す、第２の組の概ね半径方向に延びる複数の通路（５６）と、
前記ロータの一部分を形成し、かつ軸方向に延びるスロット（２００）を周囲に有する後部ディスク（４６）と、
前記軸方向に延びる通路と前記半径方向に延びる通路とを相互に接続し、かつ、概ね軸方向と概ね半径方向との間で流れの向きを変えるための通路（２０８、２１０、２１２、２１８、２２０、２２２）を有する、前記スロット内に配置されている複数の流れ向き変更部材（２０６、２１６）と
を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷却システム。
前記軸方向に延びる通路は、前記ホイールと前記スペーサとを貫通する軸方向に整合する穿孔穴の中を延びる管（５６、５８）を含み、前記半径方向に延びる通路は、前記後部ディスクを貫通する穿孔穴内を延びており、前記流れ向き変更部材の前記通路は、前記軸方向に延びる管と前記半径方向に延びる管とに連通している、請求項６に記載の冷却システム。
前記スロットは軸方向に開口しており、前記部材は前記スロット内に軸方向に収容可能であり、前記部材が後方に軸方向に移動しないように前記部材を前記スロット内に保持する止め子（２４６、２４８）を有する、請求項６又は請求項７に記載の冷却システム。
前記軸方向通路と連通し、前記熱媒体を搬送する、概ね半径方向に延びる複数の通路（５４、５６）と、
前記ロータの一部分を形成し、かつ軸方向に延びるスロット（２００）を周囲に有する後部ディスクと、
前記軸方向に延びる通路と前記半径方向に延びる通路とを相互に接続し、かつ、概ね軸方向と概ね半径方向との間で流れの向きを変えるための通路を有する、前記スロット内に配置されている複数の流れ向き変更部材（２０６、２１６）と
を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷却システム。
前記軸方向に延びる通路は、前記ホイールと前記スペーサとを貫通する軸方向に整合する穿孔穴の中を延びる管（５６、５８）を含み、前記半径方向に延びる通路は、前記後部ディスクを貫通する穿孔穴内を延びる管（５４、６０）を含み、前記流れ向き変更部材の前記通路は、前記軸方向に延びる通路と前記半径方向に延びる通路とに連通しており、前記スロットは軸方向に開口しており、前記部材は、前記スロット内に前記軸方向に収容可能である、請求項９に記載の冷却システム。