JP5502340B2 - タービンの冷却構造およびガスタービン - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。）。

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。

特許第４０８８５５７号公報 特許第４１４６２５７号公報 特開２００７−２９８０２０号公報 特表２００３−５００５８５号公報

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。

ここで、予旋回ノズルなどにより予旋回を与えられた冷却空気の圧力と、タービン動翼およびタービン静翼の周囲を流れる燃焼ガスの圧力との圧力差が大きく、かつ、タービン動翼の冷却流路における流路抵抗と、リムパージに用いられる冷却媒体の流路における流路抵抗との差が大きいため、上述の特許文献１から４に記載の技術では、いわゆるシールディスク構造や、エアセパレータなどが用いられていた。

しかしながら、上述のようにシールディスク構造などを設けると、入口出口圧損が発生したり、Ｆｒｅｅ Ｖｏｌｔｅｘチャンバが形成されなかったりすることから、予旋回ノズルなどの膨張比で損をしており、ガスタービンの性能が低下するおそれがあるという問題があった。
さらに、シールディスク構造などが複雑であるため、製作性が低下するおそれがあるという問題が合った。

その一方で、シールディスク構造などを設けることにより、予旋回ノズル等と、タービン動翼等との間の距離が長くなることから、冷却流体と接触する部分であって、静止部と回転部が向かい合う箇所の濡れぶち（濡れ面積）が大きくなる。
すると、冷却流体におけるドラッグ（せん断）による摩擦ロスが発生し、ガスタービンにおける性能損失を生じるという問題があった。

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、構造を簡略化するとともに、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。

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、前記冷却媒体が外部から供給されるとともに、前記複数の冷却孔と連通された入口空間と、が設けられ、一の動翼における前記冷却流路に対して、前記複数の冷却孔が連通されていることを特徴とする。

本発明によれば、入口空間に供給された冷却媒体は、複数の冷却孔を介して一の動翼内部に形成された冷却流路に供給される。
例えば、一の動翼における冷却流路に対して、一つの冷却孔が連通されている場合と比較して、冷却媒体が流れる流路面積を大きくすることができる。そのため、冷却孔を冷却媒体が流れる際の圧力損失を低減することができ、冷却孔を介して動翼の冷却流路に冷却媒体を供給する際に必要な圧力差を低減することができる。言い換えると、入口空間に供給される冷却媒体の圧力を低下させることができる。

さらに、入口空間における冷却媒体に必要な圧力が低下することにより、入口空間からそれ以外の空間へ冷却媒体が流出することを防止するシール構造を簡略化することができる。
そのため、例えば、シールディスク構造などを設ける必要がなくなり、冷却媒体を供給する際の圧損の発生を抑制することができ、かつ、製作性の悪化を防止することができる。

上記発明においては、前記入口空間を、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入口空間に分割する仕切り部と、該仕切り部に配置され、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、が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、冷却媒体が第１入口空間から第２入口空間に流入する際に、ノズル部によって冷却媒体にタービンディスクにおける回転方向、言い換えると旋回方向の流速成分が与えられる。そのため、第２入口空間から複数の冷却孔に冷却媒体が流入する際に発生するエネルギ損失が抑制される。

さらに、例えば、シールディスク構造などを設けた場合と比較して、ノズル部を複数の冷却孔に接近して配置することができる。そのため、旋回方向の流速成分が与えられた冷却媒体と、シールディスク構造などの静止している部材との接触面積を減らすことができる。つまり、冷却媒体におけるドラッグ（せん断）による摩擦ロスの発生が抑制される。

上記発明においては、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周方向に並んで取り付けられるとともに、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、前記第２入口空間と連通されるとともに、前記タービンディスクに隣接されたリムシール空間と、前記タービンディスクから前記仕切り部に向かって円筒状に延び、前記第２入口空間と前記リムシール空間との間の前記冷却媒体の流れを規制するシール構造を構成する規制部と、が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、第２入口空間に流入した冷却媒体の一部は、第２入口空間から、規制部および仕切り部から構成されるシール構造を通過して、リムシール空間を介して静翼および動翼の隙間から流出する。

例えば、一の動翼における冷却流路に対して、一つの冷却孔が連通されている場合と比較して、入口空間における冷却媒体に必要な圧力が低いため、第２入口空間とリムシール空間との間におけるシール構造に求められるシール性能が低くなる。そのため、タービンディスクから仕切り部に向かって延びる規制部を、エアセパレータなど比較して、小型化することができることから、規制部をタービンディスクと一体に構成することができる。
本発明のタービンの冷却構造は、隔壁流路を介して第１入口空間に接続された空間をリムシール空間に繋ぐジャンパチューブがさらに設けられている。
本発明のタービンの冷却構造は、ジャンパチューブを流れる冷却媒体の流量を調整するプラグ部がさらに設けられている。プラグ部は、前記ジャンパチューブに着脱可能に取り付けられている。

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。

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、タービン部の構造を簡略化するとともに、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。

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、入口空間に供給された冷却媒体は、複数の冷却孔を介して一の動翼内部に形成された冷却流路に供給されるため、構造を簡略化するとともに、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。

本発明の一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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（規制部）３７Ｒと、が設けられている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上記の構成によれば、出口キャビティ４２Ｃに供給された冷却空気は、第１冷却孔３３Ｒおよび第２冷却孔３４Ｒを介して１つの１段動翼２１Ｒ内部に形成された冷却流路２５Ｒに供給される。
そのため、１つの１段動翼２１Ｒにおける冷却流路２５Ｒに対して、１つの冷却孔が連通されている場合と比較して、冷却空気が流れる流路面積を大きくすることができる。その結果、冷却空気が第１冷却孔３３Ｒおよび第２冷却孔３４Ｒを流れる際の圧力損失を低減することができ、第１冷却孔３３Ｒおよび第２冷却孔３４Ｒを介して動翼の冷却流路２５Ｒに冷却空気を供給する際に必要な圧力差を低減することができる。言い換えると、出口キャビティ４２Ｃに供給される冷却媒体の圧力を低下させることができる。

さらに、出口キャビティ４２Ｃにおける冷却空気に必要な圧力が低下することにより、出口キャビティ４２Ｃからそれ以外の空間へ冷却空気が流出することを防止する第３シール部６９Ｓやシールアーム３７Ｒ等のシール構造を小型化し、簡略化することができる。
そのため、例えば、シールディスク構造などを設ける必要がなくなり、冷却空気を供給する際の圧損の発生を抑制することができることから、ガスタービン１の性能の低下を抑制することができる。さらに、ガスタービン１の構造を簡略化して、製作性の悪化を防止することができる。

冷却空気が入口キャビティ４１Ｃから出口キャビティ４２Ｃに流入する際に、ＴＯＢＩノズル６２Ｓによって冷却空気に１段タービンディスク３１Ｒにおける回転方向、言い換えると旋回方向の流速成分が与えられる。そのため、出口キャビティ４２Ｃから第１冷却孔３３Ｒおよび第２冷却孔３４Ｒに冷却空気が流入する際に発生するエネルギ損失が抑制される。

特に、出口キャビティ４２Ｃにおける冷却空気に必要な圧力が低下することにより、入口キャビティ４１Ｃおよび出口キャビティ４２Ｃの間における冷却空気の圧力差を大きくすることができるため、ＴＯＢＩノズル６２Ｓによって冷却空気に与えられる旋回方向の流速成分を大きくすることができる。

さらに、第３シール部６９Ｓやシールアーム３７Ｒ等のシール構造を小型化していることから、シールディスク構造などを設けた場合と比較して、ＴＯＢＩノズル６２Ｓを第１冷却孔３３Ｒおよび第２冷却孔３４Ｒの開口端に接近して配置することができる。そのため、旋回方向の流速成分が与えられた冷却空気と、内側隔壁部６１Ｓや、シールディスク構造などの静止している部材との接触面積を減らすことができる。その結果、冷却空気におけるドラッグ（せん断）による摩擦ロスの発生を抑制でき、ガスタービン１の性能の低下を抑制することができる。

出口キャビティ４２Ｃに流入した冷却空気の一部は、出口キャビティ４２Ｃから、シールアーム３７Ｒおよび内側隔壁部６１Ｓの突出部６８Ｓから構成される第３シール部６９Ｓを通過して、リムシールキャビティ４３Ｃを介して１段静翼１１Ｓおよび１段動翼２１Ｒの隙間から、燃料ガスの流路に流出する。

ここで、１つの１段動翼２１Ｒにおける冷却流路２５Ｒに対して、一つの冷却孔が連通されている場合と比較すると、本実施形態では、出口キャビティ４２Ｃにおける冷却空気に必要な圧力が低いため、出口キャビティ４２Ｃとリムシールキャビティ４３Ｃとの間における第３シール部６９Ｓに求められるシール性能が低くなる。そのため、１段タービンディスク３１Ｒから内側隔壁部６１Ｓに向かって延びるシールアーム３７Ｒを、エアセパレータなど比較して、小型化することができることから、シールアーム３７Ｒを１段タービンディスク３１Ｒと一体に構成することができる。つまり、ガスタービン１の構造を簡略化して、製作性の悪化を防止することができる。

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）
３７Ｒ シールアーム（規制部）
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）
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）
Ｌ 回転軸線（軸線）

Claims (3)

1. 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、
   前記冷却媒体が外部から供給されるとともに、前記複数の冷却孔と連通された入口空間と、
   前記入口空間を、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入口空間に分割する仕切り部と、
   該仕切り部に配置され、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、
   前記複数の動翼を内部に収納するケーシングの内周面に周方向に並んで取り付けられるとともに、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、前記第２入口空間と連通されるとともに、前記タービンディスクに隣接されたリムシール空間と、
   前記タービンディスクから前記仕切り部に向かって円筒状に延び、前記第２入口空間と前記リムシール空間との間の前記冷却媒体の流れを規制するシール構造を構成する規制部と、
   隔壁流路を介して前記第１入口空間に接続された空間を前記リムシール空間に繋ぐジャンパチューブとが設けられ、
   一の動翼における前記冷却流路に対して、前記複数の冷却孔が連通されていることを特徴とするタービンの冷却構造。
2. 前記ジャンパチューブを流れる冷却媒体の流量を調整するプラグ部が設けられ、
   前記プラグ部は、前記ジャンパチューブに着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のタービンの冷却構造。
3. 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請求項１から請求項２のいずれか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。

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