JP4884410B2

JP4884410B2 - 二軸ガスタービン

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Publication number: JP4884410B2
Application number: JP2008053461A
Authority: JP
Inventors: 健治七瀧; 英太郎村田; 宣明木塚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: CN101526031A; EP2098686A3; CN101526031B; JP2009209772A; EP2098686B1; EP2098686A2; US20090223202A1; US8191374B2

Description

本発明は複数の回転軸を有する二軸ガスタービンに関する。

複数の回転軸を有する二軸式ガスタービンでは、一般的に高圧タービン及び低圧タービンの各軸の問を隔壁で隔てている（特許文献１等参照）。

特開２００５−９４４０号公報

二軸ガスタービンでは一般に高圧タービン及び低圧タービン間のホイールスペースとガスパスとを低圧タービン初段静翼の内周壁で隔てているが、静止体である静翼内周壁は、相手回転体すなわち高圧タービン及び低圧タービンのロータとの間に間隙を設けざるを得ない。一般に回転体と静止体に挟まれた領域では風損が発生するが、この風損の発生量は回転体と静止体の間の間隙が大きいほど、また回転体の周速が大きいほど大きくなる。高速回転するガスタービンにあってホイールスペースの外周部における高圧タービン及び低圧タービンの周速は極めて大きく、上記ホイールスペースの外周部には大きな風損が発生する恐れがある。そのため、低圧タービン初段静翼の内周壁と両タービンロータ間の間隙を介してガスパスの高温ガスが上記ホイールスペースに巻き込まれ、これらホイールスペースの外周側が昇温する可能性がある。さらに、ホイールスペース内にはシール部が存在せず外周部からタービンの回転中心に至るまで流体の移動が構造的に妨げられないため、ホイールスペース外周側の昇温に伴って内周側の温度が上昇する恐れもある。

そこで本発明は、高圧タービン及び低圧タービンの間のホイールスペースの温度上昇を抑制することができる二軸ガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、高圧タービンと低圧タービンの間の隔壁の上流側及び下流側のホイールスペースをそれぞれシール部で外周側と内周側に分け、上流側及び下流側のホイールスペースの各内周側に冷却空気を供給し、上流側及び下流側のホイールスペースの各内周側にガスパスに向かう空気の流れを形成する。

本発明によれば、高圧タービン及び低圧タービンの間のホイールスペースの温度上昇を抑制することができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
二軸ガスタービンはタービン内に複数のタービンロータを有し、燃焼器にて圧縮機からの圧縮空気を燃料とともに燃焼して生成した燃焼ガスによって各タービンロータを回転させ回転動力を得るものである。高圧側のタービンロータは圧縮機ロータと連結されて圧縮機を駆動する。一方、低圧側のタービンロータは発電機やポンプ等の負荷機器に連結されて負荷機器を駆動する。低圧側のタービンロータを発電機のロータに連結した場合、低圧タービンで得られた回転動力は電気エネルギーに変換される。このように、複数のタービンロータを設けることにより、圧縮機や発電機等を異なる回転数で回転させることが可能となり、タービンロータを分割しない１軸のガスタービンに比して、エネルギーロスを低減させることができるようになっている。

図１は本発明の二軸ガスタービンの一実施の形態の要部構造を表す側断面図であり、回転中心となる軸心線を含む断面を表している。図２は図１中のII−II断面による断面図である。

図１及び図２に示すように、二軸ガスタービンのタービンは、高圧タービンＨと、高圧タービンＨの下流側に配置された低圧タービンＬを備えている。タービンの回転軸は高圧タービンＨの高圧タービンロータ１と低圧タービンＬの低圧タービンロータ２に分割されており、高圧タービンロータ１と低圧タービンロータ２は各々独立に回転する。高圧タービンロータ１と低圧タービンロータ２には、外周部にそれぞれ動翼３，４が取り付けられている。これら動翼３，４は燃焼器（不図示）からの作動流体である高温ガスが流れる流路部（ガスパス）に臨んでおり、高温ガスの流体エネルギーが動翼３，４で各タービンロータ１，２の回転エネルギーに変換され、高圧タービンＨ及び低圧タービンＬでそれぞれ回転動力が得られる。なお、図１では高圧タービンロータ１の最終段動翼３と低圧タービンロータ２の初段動翼４のみ図示している。

低圧タービン初段動翼４に最適な角度で高温ガスを流入させるため、低圧タービン初段静翼５を低圧タービン初段動翼４の直前（高圧タービン最終段動翼３と低圧タービン初段動翼４の間）に設置している。低圧タービン初段静翼５は、翼部６、翼部６の外周側の外周壁７、翼部６の内周側の内周壁８から構成されている。

低圧タービン初段静翼５の外周壁７の下流端及び上流端の部分にはフック１３，１６が設けられており、外周壁７の外周面の下流端に設けたフック１３が低圧タービン初段のケーシングシュラウド１４に、外周壁７の外周面の上流端に設けたフック１６が高圧タービン最終段のケーシングシュラウド１５にそれぞれ嵌合している。これにより、低圧タービン初段静翼５はケーシングシュラウド１４，１５の内周面に保持されている。ケーシングシュラウド１４，１５は、ケーシング１７の内周面に設けたフック１８，１９を介し、ケーシング１７の内周面に保持されている。

低圧タービン初段静翼５の内周壁８は、その内周側に形成されるタービンロータ１，２間のホイールスペースとガスパスとを隔てる役割を果たしている。但し低圧タービン初段静翼５の内周壁８は静止体であるため、回転体であるタービンロータ１，２との間にそれぞれ適当な隙間２０が介在させてある。また、この内周壁８の内周面にはフック９，１０が設けられており、内周壁８の内周部にはフック９，１０に周方向から嵌め合わせるようにして中空のダイアフラム１１が固定されている。ダイアフラム１１と高圧タービンロータ１及び低圧タービンロータ２の各ホイールとの間隙は極力狭くなるように設定されている。ダイアフラム１１の内周側には円板状の隔壁１２が取り付けられている。

なお、静翼５の外周壁７及び内周壁８は環状のガスパスを構成するが、周方向に複数のセグメントに分割された構造となっている。セグメント間には適当な間隙が介在しており、これによって運転中の熱伸びが許容される。同じように、ケーシングシュラウド１４，１５やダイアフラム１１も周方向に分割されたセグメント構造である。ケーシングシュラウド１４，１５、低圧タービン初段静翼５、ダイアフラム１１の各セグメントは、それぞれケーシング１７、ケーシングシュラウド１４，１５、低圧タービン初段静翼５に対し、周方向から順次組み入れられる。ケーシング１７は上半側と下半側に分割された半割れ構成であり、タービンの組立ての際には、上半側ケーシング・下半側ケーシングにそれぞれケーシングシュラウド１４，１５、低圧タービン初段静翼５、ダイアフラム１１の各セグメントを組みつけておき、下半側の静止体ユニットにタービン１，２及び隔壁１２を組み込み、これに上半側の静止体ユニットを被せる。

先述した隔壁１２は、例えばダイアフラム１１の内周面に設けた溝に嵌まり込んでダイアフラム１１の内周部に保持されており、高圧タービンロータ１と低圧タービンロータ２のホイール間に位置し両タービンロータ１，２間のホイールスペースを上流側スペースと下流側スペースに隔てている。これにより高圧タービンＨと低圧タービンＬが遮断され、上流側ホイールスペースと下流側ホイールスペースとの流体の漏れが抑制され、ホイールスペースの高圧側と低圧側の適正な圧力差が確保される。

このとき、上流側ホイールスペースには上流側スペースシール部４１が設けられており、上流側ホイールスペースは上流側スペースシール部４１によって領域断面を絞られ、ガスパス側の上流側スペース外周部２５及びその内側の上流側スペース内周部２７に分けられている。同じように、下流側ホイールスペースには下流側スペースシール部４２が設けられており、下流側ホイールスペースは下流側スペースシール部４２によって領域断面を絞られ、ガスパス側の下流側スペース外周部２６及びその内側の下流側スペース内周部２８に分けられている。スペースシール部４１，４２はホイールスペース内において外周寄りに位置し、上流側及び下流側のスペース外周部２５，２６が、それぞれ上流側及び下流側のスペース内周部２７，２８に対して狭く仕切られている。

上流側スペースシール部４１は、ダイアフラム１１と、高圧タービンＨの最終段ホイールのダイアフラム１１との対向部とで構成されている。さらに説明すると高圧タービンロータ１では、各段のタービンホイールが軸方向に積層されてスタッキングボルトと呼ばれる複数の通しボルト（不図示）によって締結されている。タービンホイールにはこれら通しボルトを通すボルト挿通部４０が設けられている。ボルト挿通部４０は、タービンホイールの軸方向両側に突出しており、軸方向に隣接するタービンホイール若しくはスペーサのボルト挿通部４０に当接して通しボルトによる締結部の剛性を高めている。高圧タービン最終段においては、図１に示したように最終段ホイールの下流側のボルト挿通部４０が低圧タービンロータ２との間のホイールスペースの上流側に突出している。そこで本実施の形態では、ダイアフラム１１の上流側の部分に内周側に延びる突起部（上流側突起部）３５を設け、この上流側突起部３５の先端部をボルト挿通部４０に近接させている。すなわち、上流側突起部３５と、高圧タービン最終段ホイールのこの上流側突起部３５との対向部であるボルト挿通部４０とで前述した上流側スペースシール部４１を構成している。前述した下流側スペースシール部４２も上流側スペースシール部４１と同様にして、ダイアフラム１１の下流側の部分に内周側に突設した突起部（下流側突起部）３５と、低圧タービン初段ホイールのこの下流側突起部３５との対向部（初段ホイールの上流側のボルト挿通部４０）とで構成されている。

ここで、ケーシング１７、低圧タービン初段静翼５の外周壁７及び内周壁８、ダイアフラム１１はそれぞれ空気孔２９，３０，３１，３２を備えている。ケーシング１７の空気孔２９には、圧縮機（不図示）から抽気した空気を導く圧縮空気導入管（不図示）が接続される。また低圧タービン初段静翼５の翼部６と隔壁１２は中空となっており、それぞれ回転中心に向かって延びる静翼内通路４５、隔壁内通路４６を備えている。また、隔壁１２はタービン中心軸部において上流側に上流側中心孔３３を、下流側に下流側中心孔３４を有しており、隔壁内通路４６は、上流側中心孔３３を介して上流側スペース内周部２７に、下流側中心孔３４を介して下流側スペース内周部２８にそれぞれ連通している。これにより、例えば圧縮機（不図示）から抽気した冷却空気が、空気孔２９→空気孔３０→静翼内通路４５→空気孔３１→空気孔３２→隔壁内通路４６→中心孔３３，３４と繋がる冷却空気導入路を経由してホイールスペースのタービン軸心線付近に導かれる。冷却空気導入路の冷却空気は、リークを除いて全量が中心孔３３，３４を介してホイールスペース内周部２７，２８に供給される。このように低圧タービン初段静翼５及びダイアフラム１１を経由する冷却空気導入路により導かれた冷却空気は、上流側中心孔３３及び下流側中心孔３４を介して上流側スペース内周部２７及び下流側スペース内周部２８にそれぞれ噴出する。その結果、本実施の形態では、上流側及び下流側のスペース内周部２７，２８が昇圧し、上流側及び下流側のスペースシール部４１，４２を介してそれぞれスペース内周部２７，２８からスペース外周部２５，２６に空気が噴出し、上流側及び下流側のスペースシール部２５，２６にガスパスに向かう径方向外向きの空気の流れが形成される。

なお、本実施の形態では隔壁１２に中心孔３３，３４が設けられているので、構造的には中心孔３３，３４を介して上流側スペース内周部２７と下流側スペース内周部２８が連通するが、上流側スペース内周部２７や下流側スペース内周部２８よりも隔壁内通路４６が高圧であるため、中心孔３３，３４を介しての両スペース内周部２７，２８間の流体の移動は実質的に生じない構成となっている。また、ダイアフラム１１は、前述したように周方向に複数のセグメントに分割された構成であるが、図２に示したように各セグメント３５は、周方向に隣り合うセグメント３５の対向面に溝２２，２３を有し、これら溝２２，２３にシールキー２４を組み入れてセグメント３５，３５間の間隙２１をシールしている。

ここで、図５に上流側及び下流側のスペースシール部４１，４２や冷却空気導入路を省略した構成を比較のための構成例として示す。

図５の比較例では、冷却空気導入路が省略されており隔壁１２’に内部の通路や中心孔が設けられていない。ダイアフラム１１’のタービンロータ１，２との間の間隔（スペース外周部２５，２６）も図１の構成に比べて広い。そのため、ホイールスペースの圧力は図１の構成に比べて低く、ホイールスペースの風損も大きいため、ガスパスからホイールスペース外周部２５，２６に高温ガスが巻き込まれ、ホイールスペース外周部２５，２６の温度が上昇し易い。また、ホイールスペース外周部２５，２６はホイールスペース内周部２７，２８と仕切られておらず圧力差が殆どないため、両者間の流体移動が妨げられない。そのため、ホイールスペース外周部２５，２６の温度上昇に伴ってホイールスペース内周部２７，２８の温度が上昇する可能性がある。

それに対し本実施の形態によれば、前述したようにホイールスペースの外周部２５，２６に冷却空気が供給されてスペース２５，２６が昇圧するので、低圧タービン初段静翼５の内周壁８の前後の隙間２０からスペース外周部２５，２６への高温ガスの巻き込みを抑制することができる。また、ホイールスペースの外周部２５，２６はスペース内周部２７，２８に対してスペースシール部４１，４２で仕切られて圧力に差が生じている（スペース内周部２７，２８の方が高圧）ので、運転中、ホイールスペースのスペース外周部２５，２６からスペース内周部２７，２８への流体の移動を抑止することができる。したがって、スペース外周部２５，２６の温度が上昇したとしても、その影響を受けてスペース内周部２７，２８が昇温することを抑制することができる。

このように高圧タービンＨ及び低圧タービンＬの間のホイールスペースにおいて、隔壁１２を挟んだ上流側・下流側ともに全体に中心から径方向外向きに流体の流れを生じさせ、ガスパスから高温ガスが流入し難く温度が上昇し難くすることができる。またタービンロータ１，２とダイアフラム１１との間隙を狭めるほど、上流側及び下流側のホイールスペースの外周部２５，２６の風損が減少し、ホイールスペース外周部２５，２６への高温ガスの巻き込み量を減少させることができる。

また、遠心力に起因してロータ各部に作用する応力は外周側の部分よりも内周側の部分の方が大きくなるので、ホイールスペース内周部２７，２８の温度をスペース外周部２５，２６よりも低下させることによってタービンロータ１，２の信頼性を向上させることができる。

また、前述したように低圧タービン初段静翼５やダイアフラム１１をセグメント構造とした場合、セグメント間の隙間や静翼内周壁８とダイアフラム１１の間の隙間３６、或いは隔壁１２とダイアフラム１１との間からリークが発生し、前述した冷却空気導入路内の空気の温度上昇を招くことも考えられる。これに対しても本実施の形態では、図２のようにダイアフラム１１のセグメント間の隙間２１はシールキー２４によりシールされているので、セグメント間の隙間２１からのリークが抑制されている。また、シールキー２４に対して溝２２，２３の幅や厚みを大き目に設定し溝２２，２３におけるシールキー２４の自由度を確保することにより、ダイアフラム１１の各セグメントの熱伸びにも柔軟に対応することができる。さらに、前述したようにホイールスペースの内周部２７，２８の温度上昇が抑制されるので、冷却空気のリークによる隔壁内通路４６内の空気温度の上昇を抑制することができる。

図３は本発明の二軸ガスタービンの一参考例の要部構造を表す側断面図である。図３において上記実施の形態と同様の部分には図１と同符号を付して説明を省略する。

本参考例は、内部に通路を持たない一枚構造の隔壁５０を用いた例である。この隔壁５０の中心部には、上流側スペース内周部２７と下流側スペース内周部２８とを連通させる中心孔５１が貫通している。また、本参考例におけるダイアフラム５２は、上流側スペース内周部２７に臨む空気孔５３を有しており、冷却空気導入路からの冷却空気は、リーク分を除く全量が空気孔３３を介して上流側スペース内周部２７に供給される。本参考例では、このように空気孔３３を介してダイアフラム５２からの冷却空気を上流側スペース内周部２７に噴出させるとともに、隔壁５０の中心孔５１を介して上流側スペース内周部２７からの冷却空気を下流側スペース内周部２８に噴出させる。その他の構成は上記実施の形態と同様である。

冷却空気導入路をこのような経路としても、隔壁５０の上流側及び下流側のホイールスペースをスペースシール部４１，４２で仕切ることにより、ホイールスペース内周部２７，２８がホイールスペース外周部２５，２６に対して高圧となる。

図４は本発明の二軸ガスタービンの他の参考例の要部構造を表す側断面図である。図４において図３の参考例と同様の部分には図３と同符号を付して説明を省略する。

本参考例は、先の参考例（図３）においてダイアフラム５２に下流側スペース内周部２８に臨む空気孔５４を追加し、隔壁５０の中心孔５１を省略した例である。冷却空気導入路は、ダイアフラム５２の空気孔（上流側空気噴出孔）５３及び空気孔（下流側空気噴出孔）５４を介してダイアフラム５２からの冷却空気を上流側スペース内周部２７及び下流側スペース内周部２８に噴出させる。冷却空気導入路からの冷却空気は、リーク分を除く全量が空気孔３３，３４を介してスペース内周部２７，２８に供給される。その他の構成は図３の参考例と同様である。

なお、上記の実施の形態では、ダイアフラム１１，５２に突起部３５を設け突起部３５をタービンホイールに近付けてスペースシール部４１，４２を構成したが、突起部３５を設けずに、例えばダイアフラムを高圧タービン最終段ホイールと低圧タービン初段ホイールに近接する大きさに形成することにより上流側及び下流側のスペースシール部４１，４２を構成しても良い。

本発明の二軸ガスタービンの一実施の形態の要部構造を表す側断面図である。図１中のII−II断面による断面図である。本発明の二軸ガスタービンの一参考例の要部構造を表す側断面図である。本発明の二軸ガスタービンの他の参考例の要部構造を表す側断面図である。本発明の二軸ガスタービンに対する一比較例を示す図である。

１高圧タービンロータ
２低圧タービンロータ
３高圧タービン最終段動翼
４低圧タービン初段動翼
５低圧タービン初段静翼
６翼部
７外周壁
８内周壁
９，１０フック
１１ダイアフラム
１２隔壁
１３フック
１４，１５ケーシングシュラウド
１６フック
１８，１９フック
２０隙間
２１間隙
２２，２３溝
２４シールキー
２５上流側スペース外周部
２６下流側スペース外周部
２７上流側スペース内周部
２８下流側スペース内周部
２９−３２空気孔
３３上流側中心孔
３４下流側中心孔
３５突起部
３６隙間
４０ボルト挿通部
４１上流側スペースシール部
４２下流側スペースシール部
４５静翼内通路
４６隔壁内通路
５０隔壁
５１中心孔
５２ダイアフラム
５３，５４空気孔
Ｈ高圧タービン
Ｌ低圧タービン

Claims

高圧タービンと、
前記高圧タービンの下流側に配置された低圧タービンと、
前記低圧タービン初段静翼の内周側に固定したダイアフラムと、
前記ダイアフラムの内周側に保持されて前記低圧タービン及び前記高圧タービンのホイール間に位置し、両タービン間のホイールスペースを上流側スペースと下流側スペースに隔てる隔壁と、
前記低圧タービン初段静翼及び前記ダイアフラムを介してケーシング外からの冷却空気を前記ホイールスペースに導く冷却空気導入路と、
前記上流側スペースを絞ってガスパス側の上流側スペース外周部及びその内側の上流側スペース内周部に分け、前記冷却空気導入路から前記上流側スペース内周部に導かれた冷却空気を前記上流側スペース外周部に噴出させ、前記上流側スペース外周部に径方向外向きの空気の流れを形成する上流側スペースシール部と、
前記下流側スペースを絞ってガスパス側の下流側スペース外周部及びその内側の下流側スペース内周部に分け、前記冷却空気導入路から前記下流側スペース内周部に導かれた冷却空気を前記下流側スペース外周部に噴出させ、前記下流側スペース外周部に径方向外向きの空気の流れを形成する下流側スペースシール部とを備え、
前記隔壁は、前記ダイアフラムからタービン中心軸の位置まで延びる隔壁内通路、前記隔壁内通路と前記上流側スペース内周部をタービン中心軸の位置で連通させる上流側中心孔、及び前記隔壁内通路と前記下流側スペース内周部をタービン中心軸の位置で連通させる下流側中心孔を有し、
前記ダイアフラムは、前記隔壁内通路に接続する空気孔、並びに前記隔壁の上流側及び下流側にそれぞれ前記高圧タービンの最終段ホイールと前記低圧タービンの初段ホイールに近接する突起部を有しており、
前記上流側スペースシール部は、前記上流側突起部と、前記高圧タービンの最終段ホイールの前記上流側突起部との対向部とで構成され、
前記下流側スペースシール部は、前記下流側突起部と、前記低圧タービンの初段ホイールの前記下流側突起部との対向部とで構成され、
前記冷却空気導入路は、前記隔壁内通路を介して前記ダイアフラムからの冷却空気をタービン中心軸の位置に導き、前記上流側中心孔及び下流側中心孔を介して前記上流側スペース内周部及び前記下流側スペース内周部に噴出させ、
当該冷却空気導入路は、前記上流側スペース内周部及び前記下流側スペース内周部よりも高圧となり、前記上流側中心孔及び前記下流側中心孔を介する前記上流側スペース内周部及び前記下流側スペース内周部の間の空気の移動を遮断して、前記上流側スペース内周部及び前記下流側スペース内周部の間の圧力差を確保する
ことを特徴とする二軸ガスタービン。
請求項１の二軸ガスタービンにおいて、
前記低圧タービンの初段静翼及びダイアフラムは、周方向に複数のセグメントに分割されていることを特徴とする二軸ガスタービン。
請求項２の二軸ガスタービンにおいて、前記ダイアフラムは、周方向に隣り合うセグメントの対向面に溝を有し、これら溝にシールキーを組み込んでセグメント間の間隙をシールしていることを特徴とする二軸ガスタービン。