JP5134570B2 - Turbine cooling structure and gas turbine - Google Patents
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Description
本発明は、タービンの冷却構造およびガスタービンに関する。 The present invention relates to a turbine cooling structure and a gas turbine.
近年ガスタービンにおいては、高出力化や高効率化を図るために、タービン静翼およびタービン動翼に導かれる燃焼ガスの温度が高くなる傾向にある。
そのため、タービン静翼およびタービン動翼における耐熱性を確保することを目的として、空気や蒸気などの冷却媒体がタービン静翼およびタービン動翼の内部の冷却流路に供給されている。
In recent years, in gas turbines, the temperature of combustion gas led to turbine stationary blades and turbine rotor blades tends to increase in order to achieve higher output and higher efficiency.
Therefore, a cooling medium such as air or steam is supplied to the cooling flow passages inside the turbine stator blade and the turbine rotor blade for the purpose of ensuring heat resistance in the turbine stator blade and the turbine rotor blade.
上述のように、タービン動翼の冷却流路に冷却媒体、例えば冷却空気を供給するために、静止しているケーシング側に設けられた貯気室から、回転するロータの内部へ冷却空気が導入されている。 As described above, in order to supply a cooling medium, for example, cooling air, to the cooling flow path of the turbine blade, the cooling air is introduced into the rotating rotor from the air storage chamber provided on the stationary casing side. Has been.
単に、静止している貯気室から回転しているロータの内部に冷却空気を導入すると、ロータの回転方向の流速成分を持たない冷却空気がロータの内部に流入する際に、エネルギ損失(ディスクポンピングロス)が発生していた。さらに、冷却空気がロータの内部に流入する入口において入口圧損が発生していた。 Simply introducing cooling air from the stationary air reservoir into the rotating rotor causes energy loss (discs) when cooling air that does not have a flow velocity component in the rotor rotation direction flows into the rotor. Pumping loss) occurred. Furthermore, an inlet pressure loss has occurred at the inlet where the cooling air flows into the rotor.
上述の問題を解決するために、静止している貯気室から回転しているロータの内部に流入する冷却空気に、ロータの回転方向の流速成分を与える予旋回(Pre−swirl)ノズル、または、TOBI(Tangential OnBoard Injection)ノズルを設ける技術が提案されている(例えば、特許文献1から4参照。)。
In order to solve the above-mentioned problem, a pre-swirl nozzle that gives a flow velocity component in the rotation direction of the rotor to the cooling air flowing into the rotor rotating from the stationary reservoir, or A technique of providing a TOBI (Tangential OnBoard Injection) nozzle has been proposed (see, for example,
上述のように、予旋回ノズルまたはTOBIノズルにより冷却空気にロータの回転方向の流速成分を与えることにより、冷却空気における回転方向の流速成分と、ロータの回転速度との差を小さくすることにより、ディスクポンピングロス等の発生を抑制することができた。 As described above, by giving a flow velocity component in the rotation direction of the rotor to the cooling air by the pre-swirl nozzle or the TOBI nozzle, by reducing the difference between the flow velocity component in the rotation direction of the cooling air and the rotation speed of the rotor, The occurrence of disk pumping loss and the like could be suppressed.
上述の特許文献1から4に記載の技術では、予旋回ノズルまたはTOBIノズルにより予旋回を与えられた冷却空気は、タービン動翼の冷却や、1段静翼(1C)と1段動翼(1S)との間のリムパージなどに用いられている。
In the techniques described in
タービン動翼の冷却には、上述のように、予旋回を与えられた冷却空気が用いられる他に、予旋回ノズル以外の経路、つまり、シール部などから流入した予旋回が与えられていない冷却空気も用いられていた。 As described above, cooling air that has been given a pre-swirl is used for cooling turbine blades, and cooling that is not given a pre-swirl that has flowed in from a path other than the pre-swivel nozzle, that is, from a seal portion or the like. Air was also used.
このように、予旋回が与えられた冷却空気に、予旋回が与えられていない冷却空気が混合すると、冷却空気における回転方向の流速成分が減速される。すると、冷却空気における回転方向の流速成分と、ロータの回転速度との差が大きくなり、ディスクポンピングロス等の発生が抑制できないという問題があった。 As described above, when the cooling air not given the pre-swirl is mixed with the cooling air given the pre-swirl, the flow velocity component in the rotation direction in the cooling air is decelerated. Then, the difference between the flow velocity component in the rotation direction of the cooling air and the rotation speed of the rotor becomes large, and there is a problem that the occurrence of disk pumping loss or the like cannot be suppressed.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、性能の低下を抑制することができるタービンの冷却構造およびガスタービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a turbine cooling structure and a gas turbine capable of suppressing a decrease in performance.
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のタービンの冷却構造は、外周部に複数の動翼が周方向に並んで取り付けられるとともに、軸線まわりに回転自在に支持されたタービンディスクと、該タービンディスクの内部を内側から外側に向かって延びるとともに周方向に並んで配置され、前記動翼内部の冷却流路に冷却媒体を供給する複数の冷却孔と、外部から前記冷却媒体が供給される第1入口空間、および、前記複数の冷却孔と連通された第2入口空間を分割する仕切り部と、該仕切り部の内部を前記第1入口空間から前記第2入口空間に向かって、前記タービンディスクの回転方向に傾斜して延びる流路を有するノズル部と、前記タービンディスクに対して前記軸線方向に隣接し、前記複数の動翼を内部に収納するケーシングの内周面に、前記軸線方向に沿って前記複数の動翼と交互に並んで取り付けられる静翼および前記動翼の隙間と連通されるリムシール空間と、前記仕切り部の内部を、前記ノズル部を迂回して前記第1入口空間と前記第2入口空間とを繋ぐ迂回空間から、前記リムシール空間に向かって延びる連通流路と、が設けられていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The turbine cooling structure according to the present invention includes a turbine disk that has a plurality of rotor blades arranged side by side in the circumferential direction on the outer periphery, and is rotatably supported around an axis, and the inside of the turbine disk is directed from the inside to the outside. And a plurality of cooling holes that are arranged side by side in the circumferential direction and supply a cooling medium to a cooling flow path inside the rotor blade, a first inlet space to which the cooling medium is supplied from the outside, and the plurality of the cooling holes A partition portion that divides the second inlet space communicated with the cooling hole, and a flow that extends inside the partition portion from the first inlet space toward the second inlet space so as to be inclined in the rotational direction of the turbine disk. A nozzle section having a passage; and an axially adjacent casing that is adjacent to the turbine disk in the axial direction and accommodates the plurality of rotor blades. A stationary blade that is mounted alternately with the moving blades, a rim seal space that communicates with a gap between the moving blades, and the interior of the partition portion, bypassing the nozzle portion, the first inlet space and the second inlet space. And a communication channel extending toward the rim seal space from a detour space connecting the two.
本発明によれば、第1入口空間から迂回空間に流入した冷却媒体は、連通流路を介してリムシール空間に流入し、動翼および静翼の隙間から流出する、言い換えると、当該冷却媒体はリムシールに用いられる。そのため、迂回空間から第2入口空間へ冷却媒体の流入が抑制され、ノズル部から流出した冷却媒体における回転方向の流速成分の減速を抑制することができる。 According to the present invention, the cooling medium that has flowed into the bypass space from the first inlet space flows into the rim seal space via the communication flow path, and flows out from the gap between the moving blade and the stationary blade, in other words, the cooling medium is Used for rim seals. Therefore, inflow of the cooling medium from the bypass space to the second inlet space is suppressed, and deceleration of the flow velocity component in the rotation direction in the cooling medium flowing out from the nozzle portion can be suppressed.
上記発明においては、前記連通流路を流れる前記冷却媒体の流量を調整する絞りを有し、前記連通流路に対して着脱可能に取り付けられるプラグ部が設けられていることが望ましい。 In the above-described invention, it is desirable that a plug portion that has a throttle for adjusting the flow rate of the cooling medium flowing through the communication channel and is detachably attached to the communication channel is provided.
本発明によれば、連通流路に取り付けられたプラグ部を、絞り径の異なる他のプラグ部に交換することにより、リムシール空間に流入する冷却媒体の流量を変更することができる。そのため、例えば、本発明のタービンの冷却構造を有するガスタービンにおいて、性能向上などを伴う改修を行う場合であって、リムシールに用いられる冷却媒体の流量を変更する必要があるときでも、プラグ部を交換することにより、容易にリムシールに用いられる冷却媒体の流量を変更することができる。 According to the present invention, the flow rate of the cooling medium flowing into the rim seal space can be changed by replacing the plug portion attached to the communication channel with another plug portion having a different throttle diameter. Therefore, for example, in the gas turbine having the turbine cooling structure of the present invention, even when the modification is accompanied by performance improvement and the flow rate of the cooling medium used for the rim seal needs to be changed, the plug portion is By exchanging, the flow rate of the cooling medium used for the rim seal can be easily changed.
本発明のガスタービンは、空気を吸入して圧縮する圧縮部と、圧縮された空気および外部から供給された燃料からなる混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、生成された燃焼ガスから回転駆動力を抽出するタービン部と、が設けられ、前記タービン部には上記本発明に記載のタービンの冷却構造が設けられていることを特徴とする。 The gas turbine of the present invention includes a compression unit that sucks and compresses air, a combustion unit that generates a combustion gas by burning a mixture of compressed air and fuel supplied from the outside, and generated combustion And a turbine section for extracting a rotational driving force from the gas, and the turbine section is provided with the turbine cooling structure according to the present invention.
本発明によれば、本発明のタービンの冷却構造が設けられているため、ガスタービンにおける性能低下を抑制することができる。 According to the present invention, since the turbine cooling structure of the present invention is provided, it is possible to suppress performance degradation in the gas turbine.
本発明のタービンの冷却構造およびガスタービンによれば、連通流路によって、第1入口空間から迂回空間に流入した冷却媒体を、リムシール空間を介して、動翼および静翼の隙間から流出させるため、性能の低下を抑制することができるという効果を奏する。 According to the turbine cooling structure and the gas turbine of the present invention, the communication medium flows out the cooling medium flowing into the bypass space from the first inlet space through the gap between the moving blade and the stationary blade through the rim seal space. There is an effect that a decrease in performance can be suppressed.
この発明の一実施形態に係るガスタービンについて、図1から図5を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るガスタービンの構成を説明する模式図である。
本実施形態では、本願のガスタービン1を、発電機を駆動する用途に用いられるものに適用して説明するが、他の用途に用いるものであってもよく、特に限定するものではない。
ガスタービン1には、圧縮機(圧縮部)2と、燃焼器(燃焼部)3と、タービン部4と、回転軸5と、が主に設けられている。
A gas turbine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the configuration of a gas turbine according to the present embodiment.
In the present embodiment, the
The
圧縮機2は、図1に示すように、外部の空気である大気を吸入して圧縮し、圧縮された空気を燃焼器3に供給するものである。
なお、圧縮機2としては、公知の構成を用いることができ、特にその構成を限定するものではない。
As shown in FIG. 1, the
In addition, as a
燃焼器3は、図1に示すように、圧縮機2により圧縮された空気、および、外部から供給された燃料を混合させ、混合された混合気を燃焼させることにより、高温ガス(燃焼ガス)を生成するものである。
なお、燃焼器3としては、公知の構成を用いることができ、特にその構成を限定するものではない。
As shown in FIG. 1, the
In addition, as a
タービン部4は、図1に示すように、燃焼器3により生成された高温ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、発生した回転駆動力を回転軸5に伝達するものである。
As shown in FIG. 1, the
図2は、図1のタービン部における構成を説明する部分断面視図である。図3は、図2の1段動翼周辺の構成を説明する部分拡大断面視図である。図4は、図3の1段動翼周辺の構成を説明するA−A線矢視断面図である。図5は、図2の内側隔壁部周辺の構成を説明する部分拡大断面視図である。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view for explaining the configuration in the turbine section of FIG. 1. FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view for explaining the configuration around the first stage moving blade in FIG. 2. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA for explaining the configuration around the first stage moving blade in FIG. 3. FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view for explaining the configuration around the inner partition wall of FIG.
タービン部4には、図2から図5に示すように、ケーシング13Sに固定された1段静翼(静翼)11Sと、1段タービンディスク(タービンディスク)31Rに取り付けられた1段動翼(動翼)21Rと、1段動翼21Rの冷却などに用いられる冷却空気(冷却媒体)が供給される入口キャビティ(第1入口空間)41Cおよび出口キャビティ(第2入口空間)42Cと、入口キャビティ41Cおよび出口キャビティ42Cを分割する内側隔壁部(仕切り部)61Sと、1段静翼11Sおよび1段動翼21Rの間に冷却空気を供給するリムシールキャビティ(リムシール空間)43Cと、が主に設けられている。
As shown in FIGS. 2 to 5, the
ここでは理解の容易化のために、燃焼器3の近くに配置され最も冷却が必要な1段静翼11Sおよび1段動翼21Rの周辺のみについて説明するが、タービン部4には、1段静翼11Sおよび1段動翼21Rのほかにも、回転軸5に沿って燃焼ガスの下流側に向かって2段静翼および2段動翼、3段静翼および3段動翼などが、必要に応じて設けられている。
Here, for easy understanding, only the vicinity of the first stage
1段静翼11Sは、図2および図3に示すように、1段動翼21Rとともに燃焼器3により生成された燃焼ガスから回転駆動力を発生させるものである。
1段静翼11Sは、円筒状に形成されたケーシング13Sから、回転軸5を中心とした径方向内側(図2の下側)、言い換えると、燃焼ガスが流れる流路側に延びて配置されるとともに、周方向に等間隔に並んで配置された翼である。
さらに、1段静翼11Sは、1段動翼21Rよりも燃焼器3側(図2の左側)、言い換えると、燃焼ガス流れの上流側に配置されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the first stage stationary blade 11 </ b> S generates a rotational driving force from the combustion gas generated by the
The first stage
Further, the first stage
1段静翼11Sにおける内周側の端部には、内側シュラウド12Sが設けられている。
内側シュラウド12Sは、1段静翼11Sの端部から周方向に延びる板状の部材であり、燃焼ガスが流れる流路の一部を形成するものである。さらに、内側シュラウド12Sは、外側隔壁部51Sに固定されている。
An
The
外側隔壁部51Sは、回転軸5を中心とした筒状に形成された部材であり、内側隔壁部61S等とともに入口キャビティ41Cや、リムシールキャビティ43Cなどの壁面の一部を構成するものである。
The
1段動翼21Rは、図2および図3に示すように、1段静翼11Sとともに燃焼器3により生成された燃焼ガスから回転駆動力を発生させるものである。
1段動翼21Rは、円板状に形成された1段タービンディスク31Rにおける外周面から、径方向外側(図2の上側)、言い換えると、燃焼ガスが流れる流路側に延びて配置されるとともに、周方向に等間隔に並んで配置された翼である。
さらに、1段動翼21Rは、1段静翼11Sよりも燃焼ガス流れの下流側(図2の右側)に配置されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the first stage blade 21 </ b> R generates rotational driving force from the combustion gas generated by the
The
Further, the first
1段動翼21Rには、図3および図4に示すように、翼部22Rと、プラットフォーム23Rと、翼取付部24Rと、冷却流路25Rと、が主に設けられている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the first stage blade 21 </ b> R is mainly provided with a blade portion 22 </ b> R, a platform 23 </ b> R, a blade attachment portion 24 </ b> R, and a cooling channel 25 </ b> R.
翼部22Rは、図3および図4に示すように、燃焼ガスの流れを受けて回転駆動力を発生させる部分である。さらに、翼部22Rは、周方向に沿う断面視において凸状に湾曲した負圧面および凹状に湾曲した正圧面と、燃焼ガス流れにおける上流側の端部である前縁および下流側の端部である後縁から構成された部分である。
As shown in FIGS. 3 and 4, the wing portion 22 </ b> R is a portion that receives a flow of combustion gas and generates a rotational driving force. Further, the
プラットフォーム23Rは、図3および図4に示すように、翼部22Rにおける径方向内側(図3の下側)の端部に配置された部分、言い換えると、翼部22Rおよび翼取付部24Rの間に配置された部分である。プラットフォーム23Rは、径方向に延びるとともに、燃焼ガスの流れる流路の一部を形成するものである。
As shown in FIGS. 3 and 4, the platform 23 </ b> R is a portion disposed at the radially inner end (lower side in FIG. 3) of the wing 22 </ b> R, in other words, between the wing 22 </ b> R and the wing attachment 24 </ b> R. It is a part arranged in. The
翼取付部24Rは、図3および図4に示すように、1段タービンディスク31Rと嵌合される部分、言い換えると、1段動翼21Rにおける径方向内側の端部に配置される部分である。さらに、翼取付部24Rには、径方向に沿う断面視においていわゆるクリスマスツリー形に形成され、1段タービンディスク31Rと嵌合される部分が設けられている。
その一方で、翼取付部24Rにおける径方向内側の端部は、後述する軸方向連通路36Rの壁面の一部を構成している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the blade attachment portion 24 </ b> R is a portion that is fitted to the first stage turbine disk 31 </ b> R, in other words, a portion that is disposed at the radially inner end of the first stage blade 21 </ b> R. . Further, the
On the other hand, the radially inner end of the
冷却流路25Rは、冷却空気を翼部22Rの内部に導き、翼部22Rの冷却を行う流路である。翼取付部24Rにおける軸方向連通路36Rの壁面を構成する面に開口し、翼取付部24Rから翼部22Rに延びて形成された流路である。
なお、翼部22Rの内部における冷却流路25Rの構成は、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
The
Note that the configuration of the
1段タービンディスク31Rは、図2および図3に示すように、円板状に形成された部材であって、回転軸5に回転駆動力を伝達可能に配置されたものである。1段タービンディスク31Rの外周面には、1段動翼21Rが周方向に等間隔に配置されている。
その一方で、1段タービンディスク31Rは、外側隔壁部51Sおよび内側隔壁部61Sとともにリムシールキャビティ43Cの壁面の一部を構成するものでもある。
As shown in FIGS. 2 and 3, the first stage turbine disk 31 </ b> R is a member formed in a disk shape, and is disposed so as to be able to transmit a rotational driving force to the
On the other hand, the first
1段タービンディスク31Rには、図3および図4に示すように、嵌合溝32Rと、第1冷却孔(冷却孔)33Rおよび第2冷却孔(冷却孔)34Rと、周方向連通路35Rと、軸方向連通路36Rと、シールアーム37Rと、が設けられている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the first-
嵌合溝32Rは、図3および図4に示すように、1段動翼21Rの翼取付部24Rが嵌合される部分である。そのため、嵌合溝32Rは翼取付部24Rにおけるいわゆるクリスマスツリー形と噛み合う形状に形成されている。
さらに、嵌合溝32Rは、1段タービンディスク31Rの外周面に等間隔に並んで形成されているとともに、回転軸5に沿って延びるように形成されている。
その一方で、嵌合溝32Rにおける径方向内側の端部は、軸方向連通路36Rを構成する溝と繋がっている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the fitting groove 32 </ b> R is a portion into which the blade attachment portion 24 </ b> R of the first stage moving blade 21 </ b> R is fitted. Therefore, the
Further, the fitting grooves 32 </ b> R are formed on the outer peripheral surface of the first stage turbine disk 31 </ b> R so as to be arranged at equal intervals, and are formed so as to extend along the
On the other hand, the radially inner end of the
第1冷却孔33Rは、図2から図4に示すように、第2冷却孔34Rなどとともに、冷却空気を出口キャビティ42Cから1段動翼21Rの冷却流路25Rに導く孔であって、冷却空気の流路を構成するものである。
第1冷却孔33Rは、1段タービンディスク31Rの内部を径方向に沿って延びる孔であって、1段動翼21Rと同様に、周方向に等間隔に配置されている。言い換えると、第1冷却孔33Rは、周方向において、1段動翼21Rと同じ位置に配置されている。
さらに、第1冷却孔33Rにおける一方の端部は、1段タービンディスク31Rにおける出口キャビティ42Cの壁面を構成する面に開口され、他方の端部は、1段タービンディスク31Rにおける軸方向連通路36Rの壁面を構成する面に開口されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the first cooling hole 33 </ b> R is a hole that guides cooling air from the outlet cavity 42 </ b> C to the cooling passage 25 </ b> R of the first stage blade 21 </ b> R together with the second cooling hole 34 </ b> R. It constitutes an air flow path.
The
Further, one end of the
第2冷却孔34Rは、図2から図4に示すように、第1冷却孔33Rなどとともに、冷却空気を出口キャビティ42Cから1段動翼21Rの冷却流路25Rに導く孔であって、冷却空気の流路を構成するものである。
第2冷却孔34Rは、1段タービンディスク31Rの内部を径方向に沿って延びる孔であって、第1冷却孔33Rの間に配置されている。
さらに、第2冷却孔34Rにおける一方の端部は、1段タービンディスク31Rにおける出口キャビティ42Cの壁面を構成する面に開口され、他方の端部は、1段タービンディスク31Rにおける周方向連通路35Rの壁面を構成する面に開口されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the second cooling hole 34 </ b> R is a hole that guides cooling air from the outlet cavity 42 </ b> C to the cooling passage 25 </ b> R of the first stage blade 21 </ b> R together with the first cooling hole 33 </ b> R. It constitutes an air flow path.
The
Further, one end of the
周方向連通路35Rは、図3および図4に示すように、第2冷却孔34Rを流れた冷却空気を軸方向連通路36Rに導く流路である。
周方向連通路35Rは、1段タービンディスク31Rにおける径方向外側の位置に、周方向に延びて環状に形成された流路であって、第1冷却孔33Rおよび第2冷却孔34Rを繋ぐ流路である。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
The
軸方向連通路36Rは、図3および図4に示すように、回転軸5に沿って延び、第1冷却孔33Rおよび第2冷却孔34Rを流れた冷却空気を1段動翼21Rの冷却流路25Rに導く流路である。
軸方向連通路36Rは、1段タービンディスク31Rにおける径方向外側の位置に配置された通路であって、1段タービンディスク31Rに形成された溝部と、1段動翼21Rの翼取付部24Rとに囲まれた通路である。
As shown in FIGS. 3 and 4, the axial communication path 36 </ b> R extends along the
The
シールアーム37Rは、図2および図3に示すように、1段タービンディスク31Rから内側隔壁部61Sに向かって円筒状に延び、出口キャビティ42Cからリムシールキャビティ43Cに流れる冷却空気の流量を規制するシール構造を構成するものである。
さらに、シールアーム37Rは、出口キャビティ42Cの壁面の一部を構成するものでもある。
2 and 3, the
Further, the
入口キャビティ41Cは、図2および図5に示すように、冷却空気が供給される円筒状の空間であり、冷却空気を後述するTOBIノズル62Sを介して出口キャビティ42Cに供給するものである。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
入口キャビティ41Cは、外側隔壁部51Sおよび内側隔壁部61Sとの間に形成された空間であり、出口キャビティ42Cおよびリムシールキャビティ43Cに対して、燃焼ガス流れの上流側(図2の左側)に形成されている。さらには、入口キャビティ41Cは、出口キャビティ42Cに対して径方向外側(図2に上側)に配置されている一方、リムシールキャビティ43Cに対して径方向内側(図2の下側)に配置されている。
その一方で、入口キャビティ41Cは、冷却空気を供給する供給流路52Sと接続されているとともに、後述するTOBIノズル62Sおよび隔壁流路63Sとも接続されている。
The
On the other hand, the
ここで、入口キャビティ41Cに供給される冷却空気は、圧縮機2から抽気され冷却された空気である。より具体的には、入口キャビティ41Cから1段動翼21Rの冷却流路25Rに冷却空気を供給するために必要な圧力を有する圧縮空気、または、リムシールキャビティ43Cから燃焼ガスの流路に冷却空気を流出させるために必要な圧力を有する圧縮空気を、圧縮機2から抽気している。
Here, the cooling air supplied to the inlet cavity 41 </ b> C is air extracted from the
出口キャビティ42Cは、図2および図5に示すように、冷却空気が供給される円筒状の空間であり、冷却空気の一部を第1冷却孔33Rおよび第2冷却孔34Rに供給するものである。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
出口キャビティ42Cは、内側隔壁部61S、接続ロータ38Rおよび1段タービンディスク31Rの間に形成された空間であり、燃焼ガス流れにおいて、入口キャビティ41Cの下流側(図2の右側)に形成され、リムシールキャビティ43Cと略同じ位置に配置されている。さらには、出口キャビティ42Cは、入口キャビティ41Cおよびリムシールキャビティに対して径方向内側(図2の下側)に配置されている。
The
その一方で、出口キャビティ42Cは、後述するTOBIノズル62Sや、内側隔壁部61Sおよび接続ロータ38Rの間の空間(迂回空間)44Cと接続されているとともに、第1冷却孔33R、第2冷却孔34R、リムシールキャビティ43Cおよびディスク流路39Rとも接続されている。
On the other hand, the
内側隔壁部61Sは、図2,図3および図5に示すように、外側隔壁部51Sの内側に間隔をあけて配置されるとともに、接続ロータ38Rの外側に間隔をあけて配置された円筒状の部材である。内側隔壁部61Sは、外側隔壁部51Sとともに入口キャビティ41Cを形成するともに、接続ロータ38Rおよび1段タービンディスク31Rとともに出口キャビティ42Cを形成し、さらに、外側隔壁部51Sおよび1段タービンディスク31Rとともにリムシールキャビティ43Cを形成するものである。
As shown in FIGS. 2, 3, and 5, the inner
さらに、内側隔壁部61Sは、燃焼ガス流れにおける上流側の回転軸5に沿って延びる円筒状部分と、下流側の径方向にリング板状に延びるツバ状部分と、が設けられている。
Further, the
内側隔壁部61Sには、TOBIノズル(ノズル部)62Sと、隔壁流路63Sと、ジャンパチューブ(連通流路)64Sと、プラグ部65Sと、第1シール部66Sおよび第2シール部67Sと、突出部68Sと、が設けられている。
The inner
TOBIノズル62Sは、図2,図3および図5に示すように、内側隔壁部61Sにおける燃焼ガス流れの下流側に形成された流路であって、入口キャビティ41Cおよび出口キャビティ42Cを繋ぐ流路である。さらに、TOBIノズル62Sは、入口キャビティ41Cから出口キャビティ42Cに向かって延び、回転軸5や1段タービンディスク31Rの回転方向に冷却空気を噴出するノズルでもある。TOBIノズル62Sに形成された流路は、周方向に等間隔に配置されている。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the
隔壁流路63Sは、図2および図5に示すように、内側隔壁部61Sにおける燃焼ガス流れの上流側に形成された流路であって、入口キャビティ41Cと、内側隔壁部61Sおよび接続ロータ38Rの間の空間44Cとを繋ぐ流路である。さらに、隔壁流路63Sは径方向に延びて形成され、周方向に等間隔に配置されている。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
ジャンパチューブ64Sは、図2,図3および図5に示すように、内側隔壁部61Sにおける燃焼ガス流れの下流側に形成された流路であって、内側隔壁部61Sおよび接続ロータ38Rの間の空間44Cと、リムシールキャビティ43Cとを繋ぐ流路である。さらに、ジャンパチューブ64Sは、空間44Cからリムシールキャビティ43Cに向かって、径方向外側に向かって傾斜する流路でもある。ジャンパチューブ64Sは、TOBIノズル62Sに形成された流路の間を、周方向に等間隔に配置されている。言い換えると、ジャンパチューブ64SおよびTOBIノズル62Sに形成された流路は、周方向に交互に配置されている。
2, 3 and 5, the
プラグ部65Sは、図2,図3および図5に示すように、ジャンパチューブ64Sを流れる冷却空気の流量を調整するものであって、ジャンパチューブ64Sにおけるリムシールキャビティ43Cに対する開口部に着脱可能に取り付けられるものである。
プラグ部65Sには、冷却空気が流れる絞りが形成されており、この絞りによりジャンパチューブ64Sを流れる冷却空気の流量が調整される。
The
The
第1シール部66Sは、図2および図5に示すように、内側隔壁部61Sおよび接続ロータ38Rの間の空間44Cであって、隔壁流路63Sの開口部およびジャンパチューブ64Sの開口部の間に配置されたシール部である。言い換えると、隔壁流路63Sから空間44Cに流入した冷却空気であって、燃焼ガス流れの下流側に向かって流れる冷却空気の流れを遮るものである。
As shown in FIGS. 2 and 5, the
第2シール部67Sは、図2および図5に示すように、内側隔壁部61Sおよび接続ロータ38Rの間の空間44Cであって、ジャンパチューブ64Sの開口部および出口キャビティ42Cとの接続部の間に配置されたシール部である。言い換えると、隔壁流路63Sから空間44Cに流入した冷却空気であって、第1シール部66Sを通過して、燃焼ガス流れの下流側に向かって流れる冷却空気の流れを遮るものである。
2 and 5, the
第1シール部66Sおよび第2シール部67Sは、内側隔壁部61Sから接続ロータ38Rに向かって延びるシール部材であり、例えば、リーフシールや、ラビリンスシールや、ブラシシールなどから構成されたものであり、上述のシールを組み合わせたものであってもよく、特に限定するものではない。
The
突出部68Sは、図2,図3および図5に示すように、内側隔壁部61Sにおける燃焼ガス流れの下流端から1段タービンディスク31Rに向かって延びる略円筒状の部材であって、1段タービンディスク31Rのシールアーム37Rよりも径方向外側に配置された部材である。
さらに、突出部68Sには、シールアーム37Rとの間にシール構造を形成する第3シール部69Sが設けられている。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the protrusion 68 </ b> S is a substantially cylindrical member extending from the downstream end of the combustion gas flow in the inner partition wall 61 </ b> S toward the first stage turbine disk 31 </ b> R. It is a member arranged radially outside the
Furthermore, the projecting
第3シール部69Sは、図2,図3および図5に示すように、突出部68Sおよびシールアーム37Rの間に配置されたシール部である。言い換えると、出口キャビティ42Cからリムシールキャビティ43Cに流入する冷却空気の流れを遮るものである。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the third seal portion 69S is a seal portion disposed between the protruding
第3シール部69Sは、突出部68Sからシールアーム37Rに向かって延びるシール部材であり、例えば、リーフシールや、ラビリンスシールや、ブラシシールなどから構成されたものであり、上述のシールを組み合わせたものであってもよく、特に限定するものではない。
The third seal portion 69S is a seal member that extends from the projecting
リムシールキャビティ43Cは、図2および図3に示すように、1段タービンディスク31R,外側隔壁部51Sおよび内側隔壁部61Sにより囲まれた空間である。さらに、リムシールキャビティ43Cは、ジャンパチューブ64S、および、第3シール部69Sから冷却空気が流入する空間であり、1段静翼11Sおよび1段動翼21Rの隙間から、当該冷却空気を燃焼ガスの流路に流出させる空間でもある。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
回転軸5は、図1に示すように、回転軸線(軸線)Lまわりに回転可能に支持される円柱状の部材であり、タービン部4により発生された回転駆動力を圧縮機2や発電機に伝達するものである。
なお、回転軸5としては、公知の構成を用いることができ、特にその構成を限定するものではない。
As shown in FIG. 1, the
In addition, as a
次に、上記の構成からなるガスタービン1における一般的な運転について説明し、その後に1段動翼21Rへの冷却空気の供給方法や、リムシールキャビティ43Cへの冷却空気の供給方法について説明する。
Next, a general operation in the
ガスタービン1は、図1に示すように、圧縮機2が回転駆動されることにより大気(空気)を吸入する。吸入された大気は、圧縮機2により圧縮されるとともに、燃焼器3に向かって送り出される。
As shown in FIG. 1, the
燃焼器3に流入された圧縮された空気は、燃焼器3において外部から供給された燃料と混合される。空気および燃料の混合気は燃焼器3において燃焼され、燃焼熱により高温ガスが生成される。
The compressed air flowing into the
燃焼器3において生成された高温ガスは、燃焼器3から下流のタービン部4に供給される。タービン部4は高温ガスにより回転駆動され、その回転駆動力は回転軸5に伝達される。回転軸5は、タービン部4において抽出された回転駆動力を圧縮機2や発電機に伝達する。
The hot gas generated in the
次に、本実施形態の特徴である1段動翼21Rへの冷却空気の供給方法や、リムシールキャビティ43Cへの冷却空気の供給方法について説明する。
Next, a method for supplying cooling air to the
図1に示すように、圧縮機2で圧縮された空気の一部は、冷却空気として用いるために圧縮機2から抽気されて冷却される。その後、冷却空気は、図2および図5に示すように、供給流路52Sから入口キャビティ41Cに圧力がP0の冷却空気として供給される。
As shown in FIG. 1, a part of the air compressed by the
入口キャビティ41Cに供給された冷却空気の一部は、入口キャビティ41C内の圧力と出口キャビティ42C内の圧力との差圧により、TOBIノズル62Sに流入して出口キャビティ42Cに流入する。このとき、冷却空気には、回転軸5や1段タービンディスク31Rの回転方向の流速成分が与えられ、旋回する流れとなる。
A part of the cooling air supplied to the
ここで、出口キャビティ42Cにおける冷却空気の圧力はP1であり、出口キャビティ42Cに流入した冷却空気には、入口キャビティ41C内の圧力P0と出口キャビティ42C内の圧力P2との差圧(P0−P1)に応じた流速が与えられている。
Here, the pressure of the cooling air in the
出口キャビティ42Cにおける冷却空気の周方向の流速成分は、第1冷却孔33Rおよび第2冷却孔34Rの出口キャビティ42C側の開口における回転速度と等しい、または、近い速度になっているため、冷却空気は第1冷却孔33Rおよび第2冷却孔34Rにエネルギ損失を発生させることなく流入する。
The flow velocity component of the cooling air in the
第1冷却孔33Rに流入した冷却空気は、図3および図4に示すように、径方向外側に向かって流れ、軸方向連通路36Rに流入する。その一方で、第2冷却孔34Rに流入した冷却空気は、径方向外側に向かって流れ、周方向連通路35Rおよび第1冷却孔33Rを介して軸方向連通路36Rに流入する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the cooling air that has flowed into the
軸方向連通路36Rに流入した冷却空気は、回転軸5の延びる方向に流れ、1段動翼21Rの冷却流路25Rに流入する。冷却流路25Rに流入した冷却空気は、1段動翼21Rの翼部22Rを冷却した後、例えば、燃焼ガスの流路に放出される。
The cooling air flowing into the
その一方で、図5に示すように、入口キャビティ41Cに流入した冷却空気は、入口キャビティ41C内の圧力P0と、内側隔壁部61Sと接続ロータ38Rとの間の空間44C内の圧力P3の差圧(P0−P3)に応じて、隔壁流路63Sを介して空間44Cにも流入する。
On the other hand, as shown in FIG. 5, the cooling air that has flowed into the
空間44Cに流入した冷却空気の一部は、燃焼ガス流れの上流側に向かって、言い換えると圧縮機2に向かって流れ、圧縮機2の冷却に用いられる。残りの冷却空気は、空間44C内の圧力(P3)と、出口キャビティ42C内の圧力(P1)との差圧(P3−P1)に応じて第1シール部66S側に向かって流れる。
A part of the cooling air flowing into the space 44 </ b> C flows toward the upstream side of the combustion gas flow, in other words, toward the
第1シール部66Sを通過した冷却空気は、ジャンパチューブ64Sに流入する冷却空気と、第2シール部67Sに向かって流れる冷却空気に分かれる。
ジャンパチューブ64Sに流入した冷却空気は、プラグ部65Sの絞りを通過してリムシールキャビティ43Cに流入する。
The cooling air that has passed through the
The cooling air that has flowed into the
その他に、リムシールキャビティ43Cには、出口キャビティ42Cから第3シール部69Sを通過した冷却空気が流入する。
リムシールキャビティ43C内の圧力P4は、燃焼ガスが流れる流路内の圧力P2よりも高いため、その差圧(P4−P2)に応じて、リムシールキャビティ43C内の冷却空気は1段静翼11Sおよび1段動翼21Rの隙間から燃焼ガスの流路に流出する。
そのため、燃焼ガスはリムシールキャビティ43Cの内部に流入することがない。
In addition, cooling air that has passed through the third seal portion 69S flows into the
Since the pressure P4 in the
Therefore, the combustion gas does not flow into the
上記の構成によれば、入口キャビティ41Cから空間44Cに流入した冷却空気は、ジャンパチューブ64Sを介して壁部61Sおよび接続ロータ38Rの間の空間44Cと、に流入し、1段静翼11Sおよび1段動翼21Rの隙間から燃焼ガスの流路に流出する、言い換えると、冷却空気はリムシールに用いられる。そのため、空間44Cから出口キャビティ42Cへ冷却空気の流入が抑制され、TOBIノズル62Sから流出した冷却空気における回転方向の流速成分の減速を抑制することができ、ガスタービン1における性能の低下を抑制することができる。
According to the above configuration, the cooling air flowing into the
さらに、ジャンパチューブ64Sに取り付けられたプラグ部65Sを、絞り径の異なる他のプラグ部に交換することにより、リムシールキャビティ43Cに流入する冷却空気の流量を変更することができる。そのため、例えば、本実施形態のガスタービン1において、性能向上などを伴う改修を行う場合であって、リムシールに用いられる冷却空気の流量を変更する必要があるときでも、プラグ部65Sを交換することにより、容易にリムシールに用いられる冷却空気の流量を変更することができる。
Furthermore, the flow rate of the cooling air flowing into the
1 ガスタービン
2 圧縮機(圧縮部)
3 燃焼器(燃焼部)
4 タービン部
11S 1段静翼(静翼)
13S ケーシング
21R 1段動翼(動翼)
25R 冷却流路
31R 1段タービンディスク(タービンディスク)
33R 第1冷却孔(冷却孔)
34R 第2冷却孔(冷却孔)
41C 入口キャビティ(第1入口空間)
42C 出口キャビティ(第2入口空間)
44C 空間(迂回空間)
43C リムシールキャビティ(リムシール空間)
61S 内側隔壁部(仕切り部)
62S TOBIノズル(ノズル部)
64S ジャンパチューブ(連通流路)
65S プラグ部
L 回転軸線(軸線)
1
3 Combustor (combustion section)
4
13S Casing 21R 1st stage blade (blade)
25R
33R 1st cooling hole (cooling hole)
34R Second cooling hole (cooling hole)
41C inlet cavity (first inlet space)
42C outlet cavity (second inlet space)
44C space (bypass)
43C Rim seal cavity (rim seal space)
61S Inner partition (partition)
62S TOBI nozzle (nozzle part)
64S jumper tube (communication flow path)
65S plug part L rotation axis (axis)
Claims (3)
該タービンディスクの内部を内側から外側に向かって延びるとともに周方向に並んで配置され、前記動翼内部の冷却流路に冷却媒体を供給する複数の冷却孔と、
外部から前記冷却媒体が供給される第1入口空間、および、前記複数の冷却孔と連通された第2入口空間を分割する仕切り部と、
該仕切り部の内部を前記第1入口空間から前記第2入口空間に向かって、前記タービンディスクの回転方向に傾斜して延びる流路を有するノズル部と、
前記タービンディスクに対して前記軸線方向に隣接し、前記複数の動翼を内部に収納するケーシングの内周面に、前記軸線方向に沿って前記複数の動翼と交互に並んで取り付けられる静翼および前記動翼の隙間と連通されるリムシール空間と、
前記仕切り部の内部を、前記ノズル部を迂回して前記第1入口空間と前記第2入口空間とを繋ぐ迂回空間から、前記リムシール空間に向かって延びる連通流路と、
が設けられていることを特徴とするタービンの冷却構造。 A plurality of rotor blades are attached to the outer periphery side by side in the circumferential direction, and a turbine disk that is rotatably supported around an axis,
A plurality of cooling holes extending from the inside to the outside of the turbine disk and arranged side by side in the circumferential direction, and supplying a cooling medium to a cooling flow path inside the rotor blade;
A first inlet space to which the cooling medium is supplied from the outside, and a partition that divides the second inlet space communicated with the plurality of cooling holes;
A nozzle portion having a flow path that extends in the rotation direction of the turbine disk from the first inlet space toward the second inlet space inside the partition portion;
A stationary blade that is adjacent to the turbine disk in the axial direction and is attached to the inner peripheral surface of a casing that accommodates the plurality of moving blades inside the turbine disk, alternately along with the plurality of moving blades along the axial direction. And a rim seal space communicated with the gap between the rotor blades,
A communication channel extending from the bypass space that bypasses the nozzle portion and connects the first inlet space and the second inlet space to the rim seal space, inside the partition portion;
A cooling structure for a turbine, wherein:
圧縮された空気および外部から供給された燃料からなる混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、
生成された燃焼ガスから回転駆動力を抽出するタービン部と、
が設けられ、
前記タービン部には請求項1または請求項2に記載のタービンの冷却構造が設けられていることを特徴とするガスタービン。 A compression section that sucks and compresses air;
A combustion section that generates a combustion gas by combusting a mixture of compressed air and fuel supplied from the outside;
A turbine section for extracting rotational driving force from the generated combustion gas;
Is provided,
A gas turbine, wherein the turbine cooling structure according to claim 1 or 2 is provided in the turbine section.
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