JP6432110B2 - ガスタービン - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンに関する。
ガスタービンは、大気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、この圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備えている。タービンは、軸線を中心として回転するタービンロータと、タービンロータを覆うタービン車室と、を有している。タービンロータは、軸線を中心として、軸線が延びる軸方向に延在するロータ軸と、このロータ軸に固定されている複数の動翼列と、を有する。複数の動翼列は、軸方向に並んでいる。動翼列は、軸線を基準とした周方向に並ぶ複数の動翼を有している。
タービンの動翼は、高温の燃焼ガスに接するため、なんらかの方法で冷却することが多い。例えば、以下の特許文献１では、圧縮機から抽気した空気を、動翼の冷却空気として利用している。この特許文献１に記載のロータ軸には、圧縮機からの冷却空気が流れ込む軸方向に長い空洞であるロータボアチューブと、第一段動翼列と第二段動翼列との間の軸方向の位置でロータボアチューブから径方向外側に向かって延びる第一強制渦流発生用通路と、第二段動翼列と第三段動翼列との間の軸方向の位置でロータボアチューブから径方向外側に向かって延びる第二強制渦流発生用通路と、第一強制渦発生用通路を通過した冷却空気を第一段動翼列に導く第一通路と、第二強制渦発生用通路を通過した冷却空気を第二段動翼列に導く第二通路と、が形成されている。
特開２００９−２７５７０５号公報
上記特許文献１に記載の技術では、圧縮機からの冷却空気を供給する複数の動翼列毎に、径方向外側に延びる通路を形成している。このため、上記特許文献１に記載の技術では、ロータ軸が伸長化し、タービンロータの振動特性が低下すると共に、タービンの空力性能が低下する、という問題点がある。
そこで、本発明は、圧縮機からの冷却空気で動翼を冷却しつつも、ロータの振動特性の低下を抑えることができるガスタービンを提供することを目的とする。
前記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービンは、
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、中圧抽気管と、を備え、前記圧縮機は、前記圧縮機の中間段から空気を冷却空気として抽気する抽気ポートを有し、
前記タービンは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に取り付けられた複数の動翼を備えて前記ロータ軸の軸方向に並ぶ複数の動翼列と、複数の前記動翼列毎の軸方向上流側に配置されている複数の静翼列と、を有し、前記中圧抽気管は、前記抽気ポートに接続されている中圧抽気本管と、前記中圧抽気本管に接続されている静翼用中圧抽気管及び動翼用中圧抽気管と、を有し、前記ロータ軸には、前記動翼用中圧抽気管に連通し、前記軸方向に延びる軸方向通路と、前記軸方向通路に接続され、前記軸方向通路との接続部から前記ロータ軸の径方向外側に延びる強制渦通路と、前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第一動翼列に前記冷却空気を導く第一翼列通路と、
前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第二動翼列に前記冷却空気を導く第二翼列通路と、が形成され、複数の前記静翼列のうち、前記軸方向における前記第一動翼列と前記第二動翼列との間の静翼列には、前記静翼用中圧抽気管が接続されている。
当該ガスタービンでは、ロータ軸に形成され、径方向に延びる強制渦通路の数を少なくすることができる。このため、当該ガスタービンでは、強制渦通路の形成に伴うロータ軸の伸長化を抑えることができ、ロータの振動特性の悪化を抑えることができる。また、当該ガスタービンでは、強制渦通路の形成に伴う複数の段間の距離の伸張化を抑えることができ、タービンの空力性能の低下を抑えることができる。
また、前記問題点を解決するための発明に係る第二態様としてのガスタービンは、
前記強制渦通路は、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼例の下流側に形成されてもよい。この場合、前記第一動翼列及び前記第二動翼列は、複数の前記動翼列のうちで最も下流側の第三動翼列よりも上流側に設けられている。
当該ガスタービンでは、全ての段間の距離の伸張化を抑えることができる。また、当該ガスタービンでは、ロータ軸を分解しなくても、強制渦通路の径方向外側端部にアクセスすることができる。よって、当該ガスタービンでは、強制渦通路の径方向外側端部にゴミ等の異物が溜まっても、これを容易に回収することができる。
前記問題点を解決するための発明に係る他の態様としてのガスタービンは、
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備え、前記圧縮機は、前記圧縮機の中間段から空気を冷却空気として抽気する抽気ポートを有し、前記タービンは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に取り付けられた複数の動翼を備えて前記ロータ軸の軸方向に並ぶ複数の動翼列と、を有し、前記ロータ軸には、前記抽気ポートに接続され、前記軸方向に延びる軸方向通路と、前記軸方向通路に接続され、前記軸方向通路との接続部から前記ロータ軸の径方向外側に延びる強制渦通路と、前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第一動翼列に前記冷却空気を導く第一翼列通路と、前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第二動翼列に前記冷却空気を導く第二翼列通路と、が形成されている。さらに、前記抽気ポートと前記軸方向通路とを接続する抽気管と、前記抽気管に接続された抽気分岐管と、前記抽気分岐管に接続され、前記抽気分岐管を流れてきた前記冷却空気に前記ロータ軸の回転方向の速度成分を付与する予旋回ノズルと、を備え、前記ロータ軸には、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼列に前記予旋回ノズルを通過した前記冷却空気を導く第三翼列通路が形成されている。
当該ガスタービンでは、第一動翼列及び第二動翼列を冷却する冷却空気を強制渦通路に流入させて昇圧させているものの、第三動翼列を冷却する冷却空気に関しては、強制渦通路に流入させずに予旋回ノズルを通過させることで旋回させ、タービンロータの回転抵抗を減らしている。よって、当該ガスタービンでは、単一の抽気ポートからの抽気を冷却空気として用いることで冷却空気系統を簡略化しつつ、タービンロータの回転抵抗が小さくなり、ガスタービンの効率を高めることができる。
前記問題点を解決するための発明に係るさらに他の態様としてのガスタービンは、
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備え、前記圧縮機は、前記圧縮機の中間段から空気を冷却空気として抽気する第一抽気ポートと、前記第一抽気ポートよりも、前記圧縮機内の前記空気の流れの上流側における中間段から空気を冷却空気として抽気する第二抽気ポートと、を有し、前記タービンは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に取り付けられた複数の動翼を備えて前記ロータ軸の軸方向に並ぶ複数の動翼列と、を有し、前記ロータ軸には、前記第一抽気ポートに接続され、前記軸方向に延びる第一軸方向通路と、前記第一軸方向通路に接続され、前記第一軸方向通路との接続部から前記ロータ軸の径方向外側に延びる第一強制渦通路と、前記第一強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第一動翼列に前記冷却空気を導く第一翼列通路と、前記第一強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第二動翼列に前記冷却空気を導く第二翼列通路と、前記第二抽気ポートに接続され、前記第一軸方向通路よりも径方向外側で、前記軸方向に延びる第二軸方向通路と、前記第二軸方向通路に接続され、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼列よりも下流側で、前記第二軸方向通路との接続部から径方向外側に延びる第二強制渦通路と、前記第二強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、前記第三動翼列に前記冷却空気を導く第三翼列通路と、が形成されている。
複数の動翼列のうちで最下流に配置されている第三動翼列には、第一動翼列や第二動翼列に供給する冷却空気の圧力よりも低い圧力の冷却空気でも供給することができる。しかも、当該ガスタービンでは、圧縮機から抽気した空気を回転するロータ軸に流入させ、このロータ軸中で冷却空気の強制渦を発生させることで、冷却空気の圧力を高めてから、第三動翼列に空気供給している。このため、当該ガスタービンでは、第一抽気ポートからの空気よりも低圧の空気を第二抽気ポートから冷却空気として抽気し、これを第三動翼列の冷却空気として利用することができる。よって、当該ガスタービンでは、圧縮機で第三動翼列の冷却用の空気の圧縮比を小さくできる結果、圧縮機の駆動力を抑え、ガスタービンの効率を高めることができる。
本発明では、圧縮機からの冷却空気で動翼を冷却しつつも、ロータ軸の伸長化を抑えてロータの振動特性の低下を抑えることができる。
本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンの要部切欠全体側面図である。 本発明に係る第一実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 本発明に係る第一実施形態における冷却空気の流れ及びその状態量を示す説明図である。 強制渦通路が形成されている回転体を示し、同図（Ａ）は回転体の正面図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る第二実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 本発明に係る第二実施形態における予旋回ノズルの要部斜視図である。 本発明に係る第二実施形態における冷却空気の流れ及びその状態量を示す説明図である。 本発明に係る第三実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 図８におけるＶIII線断面図である。 本発明に係る第三実施形態における冷却空気の流れ及びその状態量を示す説明図である。 本発明に係る第三実施形態の変形例におけるガスタービンの要部断面図である。
以下、本発明に係るガスタービンの各種実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
「第一実施形態」
本発明に係るガスタービンの第一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、空気を圧縮する圧縮機１０と、圧縮機１０で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、燃焼ガスにより駆動するタービン３０と、圧縮機１０から抽気した空気を冷却空気としてタービン３０に送る抽気ライン８０と、を備えている。
圧縮機１０は、図１及び図２に示すように、軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を覆う圧縮機車室１５と、複数の静翼列１４と、を有する。なお、以下では、軸線Ａｒが延びる方向を軸方向Ｄａ、この軸方向Ｄａの一方側を上流側、他方側を下流側とする。この上流側は、圧縮機１０内の空気の流れの上流側でもり、タービン内の燃焼ガスの流れの上流側でもある。よって、この下流側は、圧縮機１０内の空気の流れの下流側でもり、タービン３０内の燃焼ガスの流れの下流側でもある。また、この軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとし、軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。圧縮機ロータ１１は、その軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びるロータ軸１２と、このロータ軸１２に取り付けられている複数の動翼列１３と、を有する。複数の動翼列１３は、軸方向Ｄａに並んでいる。各動翼列１３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成されている。複数の動翼列１３の各下流側には、静翼列１４が配置されている。各静翼列１４は、圧縮機車室１５の内側に設けられている。各静翼列１４は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼で構成されている。ロータ軸１２の径方向外周側と圧縮機車室１５の径方向内周側との間であって、軸方向Ｄａで静翼列１４及び動翼列１３が配置されている領域の環状の空間は、空気が流れつつ圧縮される空気圧縮流路１９を成す。すなわち、この圧縮機１０は、軸流多段圧縮機である。圧縮機車室１５で、中間段に対応する位置には中圧抽気ポート１６が形成されている。
タービン３０は、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ３１と、タービンロータ３１を覆うタービン車室３５と、複数の静翼列３４と、を有する。燃焼器２０は、このタービン車室３５の上流側の部分に固定されている。タービンロータ３１は、その軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びるロータ軸３２と、このロータ軸３２に取り付けられている複数の動翼列３３と、を有する。複数の動翼列３３は、軸方向Ｄａに並んでいる。各動翼列３３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成されている。複数の動翼列３３の各上流側には、静翼列３４が配置されている。各静翼列３４は、タービン車室３５の内側に設けられている。各静翼列３４は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼で構成されている。ロータ軸３２の外周側とタービン車室３５の内周側との間であって、軸方向Ｄａで静翼列３４及び動翼列３３が配置されている領域の環状の空間は、燃焼器２０からの燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路３９を成す。
本実施形態のタービン３０の段数は、４段である。このため、本実施形態のタービン３０は、静翼列３４として、第一段静翼列３４ａ、第二段静翼列３４ｂ、第三段静翼列３４ｃ、第四段静翼列３４ｄがある。また、本実施形態のタービン３０は、動翼列３３としては、第一段動翼列３３ａ、第二段動翼列３３ｂ、第三段動翼列３３ｃ、第四段動翼列３３ｄがある。
燃焼器２０は、タービン車室３５の上流側の部分に固定されている。この燃焼器２０は、高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３０の燃焼ガス流路３９内に送る燃焼筒（又は尾筒）２１と、この燃焼筒２１内に圧縮機１０で圧縮された空気と共に燃料を噴射する燃料噴射器２２と、を有する。
圧縮機ロータ１１とタービンロータ３１とは、同一軸線Ａｒ上に位置して互いに連結されてガスタービンロータ１を成す。また、圧縮機車室１５とタービン車室３５とは、互いに連結されてガスタービン車室５を成す。
抽気ライン８０は、中圧抽気管８１と、この中圧抽気管８１に設けられている冷却器８６、空気調節弁８７、空気調節器８４と、を有する。中圧抽気管８１は、圧縮機１０の中圧抽気ポート１６に接続されている中圧抽気本管８２と、中圧抽気本管８２に接続されている静翼用中圧抽気管８３及び動翼用中圧抽気管８５と、を有する。
静翼用中圧抽気管８３は、タービン車室３５で、タービン３０の中間段に対応する位置に接続されている。この静翼用中圧抽気管８３には、ここを通る空気の圧力及び流量を調節するためのオリフィス等の空気調節器８４が設けられている。なお、この空気調節器は、調節弁であってもよい。動翼用中圧抽気管８５は、ロータ軸３２に接続されている。この動翼用中圧抽気管８５に、前述の冷却器８６及び空気調節弁８７が設けられている。冷却器８６は、この動翼用中圧抽気管８５を通る空気を冷却する。空気調節弁８７は、この動翼用中圧抽気管８５を通る空気の流量を調節する。なお、冷却器８６は、中圧抽気本管８２に設けられていてもよい。
タービンロータ３１のロータ軸３２は、図２に示すように、複数のロータディスク４２を有する。複数のロータディスク４２は、軸方向Ｄａに並び、これらを軸方向Ｄａに貫通するスピンドルボルト４１により相互に連結されている。本実施形態のタービン３０は、ロータディスク４２として、第一ディスク４２ａ、第二ディスク４２ｂ、第三ディスク４２ｃ、第四ディスク４２ｄがある。複数のロータディスク４２のそれぞれには、一の動翼列３３が取り付けられている。すなわち、第一ディスク４２ａには第一段動翼列３３ａが取り付けられ、第二ディスク４２ｂには第二段動翼列３３ｂが取り付けられ、第三ディスク４２ｃには第三段動翼列３３ｃが取り付けられ、第四ディスク４２ｄには第四段動翼列３３ｄが取り付けられている。
ロータ軸３２は、軸受７０で支持される小径部４３と、小径部４３の外径よりも大きな外径で外周に複数の動翼列３３が取り付けられている大径部４４と、を有する。小径部４３は、大径部４４の下流側に設けられている。軸受７０は、その外周側が軸受カバー７１で覆われている。この軸受カバー７１の内周側であって、軸受７０よりも上流側にはロータ軸３２の小径部４３との間をシールする上流側シール部材７２ａが設けられ、軸受７０よりも下流側にはロータ軸３２の小径部４３との間をシールする下流側シール部材７２ｂが設けられている。
ロータ軸３２の大径部４４の下流側であって、小径部４３の外周側には、軸線Ａｒを中心として円筒状の内側ディフューザ７７が配置され、この内側ディフューザ７７の外周側には、軸線Ａｒを中心として円筒状の外側ディフューザ７８が配置されている。内側ディフューザ７７及び外側ディフューザ７８は、いずれも、タービン車室３５に直接又は間接的に固定されている。内側ディフューザ７７の外周側と外側ディフューザ７８の内周側との間の環状の空間は、燃焼ガス流路３９から流れ出た燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気流路７９を成す。
ロータ軸３２には、中圧抽気ポート１６からの冷却空気が流入し、軸方向Ｄａに延びる軸方向通路４５と、軸方向通路４５に接続され径方向外側に延びる強制渦通路４６と、強制渦通路４６を通過した冷却空気を第二段動翼列３３ｂ（第一動翼列）に導く第二段翼列通路４７（第一翼列通路）と、強制渦通路４６を通過した冷却空気を第三段動翼列３３ｃ（第二動翼列）に導く第三段翼列通路４８（第二翼列通路）と、強制渦通路４６を通過した冷却空気を第四段動翼列３３ｄ（第三動翼列）に導く第四段翼列通路４９（第三翼列通路）と、が形成されている。軸方向通路４５は、小径部４３の下流端で開口し、大径部４４の下流部の位置まで軸方向Ｄａに延びている。この軸方向通路４５は、軸線Ａｒを中心とした円柱状の通路である。第二段翼列通路４７、第三段翼列通路４８、第四段翼列通路４９、強制渦通路４６は、いずれも、ロータ軸３２の大径部４４に形成されている。強制渦通路４６は、大径部４４中で最下流の第四段動翼列３３ｄよりも下流側の位置に形成されている。第二段翼列通路４７、第三段翼列通路４８、第四段翼列通路４９は、いずれも、強制渦通路４６の径方向外側の端部に接続されている。
なお、本願の明細書及び請求の範囲で「ＡとＢとが接続されている。」とは、ＡからＢへ、又はＢからＡへ空気が流れるように構成されている状態をいう。
また、本願の明細書及び請求の範囲で「強制渦通路（Ｆｏｒｃｅｄ Ｖｏｒｔｅｘ Ｐａｓｓａｇｅ）」とは、回転体に設けられた流体の通路であって、流体を回転体と同じ周速で旋回させながら径方向外側または内側に送る流路をいう。このような流路としては、図４に示すような、ロータディスク等の回転体Ｒの径方向に直線状に設けられて、径方向で異なる位置相互を接続する孔Ｈが一般的である。しかし、強制渦通路はこれに限られるものではなく、孔が湾曲した形状であってもよいし、ディスクに取り付けられて径方向に延びる筒状部材や、遠心圧縮機のようにディスクから軸方向に突出した羽根部材で、強制渦通路を形成してもよい。
ロータ軸３２の大径部４４中の通路について、より詳細に説明する。
第一ディスク４２ａと第二ディスク４２ｂとの間には、第一キャビティ５２ａが形成され、第二ディスク４２ｂと第三ディスク４２ｃとの間には、第二キャビティ５２ｂが形成され、第三ディスク４２ｃと第四ディスク４２ｄとの間には、第三キャビティ５２ｃが形成され、第四ディスク４２ｄ中の下流側の部分には、第四キャビティ５２ｄが形成されている。第一キャビティ５２ａ、第二キャビティ５２ｂ、第三キャビティ５２ｃ及び第四キャビティ５２ｄは、いずれも軸線Ａｒを中心とした環状の空間である。第四キャビティ５２ｄは、軸方向Ｄａで強制渦通路４６が形成されている位置に形成されており、この強制渦通路４６の径方向外側の端部と接続されている。第四ディスク４２ｄには、軸方向Ｄａに延びて第四キャビティ５２ｄと第三キャビティ５２ｃとを連通させる第四ディスク通路５３ｄと、第四キャビティ５２ｄと第四段動翼列３３ｄの取付位置とを連通させる第四段連通路５７とが形成されている。第三ディスク４２ｃには、軸方向Ｄａに延びて、第二キャビティ５２ｂと第三キャビティ５２ｃとを連通させる第三ディスク通路５３ｃと、第二キャビティ５２ｂと第三段動翼列３３ｃの取付位置とを連通させる第三段連通路５６と、が形成されている。第二ディスク４２ｂには、第二キャビティ５２ｂと第二段動翼列３３ｂの取付位置とを連通させる第二段連通路５５が形成されている。
第四段翼列通路４９は、第四キャビティ５２ｄと第四段連通路５７とで形成されている。第三段翼列通路４８は、第四キャビティ５２ｄと第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂと第三段連通路５６とで形成されている。第二段翼列通路４７は、第四キャビティ５２ｄと第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂと第二段連通路５５とで形成されている。
よって、第四キャビティ５２ｄは、第四段翼列通路４９、第三段翼列通路４８、及び第二段翼列通路４７の共通通路を形成する。また、第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂとは、第三段翼列通路４８、及び第二段翼列通路４７の共通通路を形成する。
ロータ軸３２の下流端には、ロータ軸３２と軸方向Ｄａで間隔をあけて対向する軸端フランジ７４が配置されている。この軸端フランジ７４は、軸受カバー７１に固定されている。この軸端フランジ７４には、動翼用中圧抽気管８５の端部が固定されている。この軸端フランジ７４には、動翼用中圧抽気管８５の内部とロータ軸３２に形成されている軸方向通路４５とを連通させるための貫通孔が形成されている。
次に、以上で説明したガスタービンの動作について説明する。
圧縮機１０は、外気を吸い込んでこれを圧縮して圧縮空気を生成する。圧縮機１０が生成した圧縮空気の一部は、燃焼器２０の燃料噴射器２２を介して燃焼筒２１内に噴出される。また、燃焼筒２１内には、燃料噴射器２２からの燃料が噴射される。この燃料は、燃焼筒２１内の圧縮空気中で燃焼する。この燃焼の結果、燃焼ガスＧが生成され、この燃焼ガスＧが燃焼筒２１からタービン３０の燃焼ガス流路３９内に流入する。この燃焼ガスＧが燃焼ガス流路３９を通ることで、タービンロータ３１は回転する。
燃焼ガス流路３９内に配置されているタービン３０の動翼は、高温の燃焼ガスに晒される。このため、本実施形態では、第二段動翼列３３ｂ、第三段動翼列３３ｃ、第四段動翼列３３ｄを構成する動翼に、圧縮機１０から抽気した空気を冷却空気として供給して、動翼を冷却する。さらに、本実施形態では、第三段静翼列３４ｃを構成する静翼にも、冷却空気を供給して、静翼を冷却する。
図３に、ガスタービンにおける例示的な温度及び圧力バランスを示す。圧縮機１０の中圧抽気ポート１６における空気の圧力は１０ａｔａである。また、燃焼ガス流路３９中で第二段静翼列３４ｂと第二段動翼列３３ｂとの間の圧力を８ａｔａ、燃焼ガス流路３９中で第三段静翼列３４ｃと第三段動翼列３３ｃとの間の圧力を６ａｔａ、燃焼ガス流路３９中で第四段静翼列３４ｄと第四段動翼列３３ｄとの間の圧力を２ａｔａとする。
圧縮機１０の中圧抽気ポート１６から抽気された冷却空気は、抽気ライン８０の中圧抽気本管８２を流れ、その一部が静翼用中圧抽気管８３に流れ込み、残りの一部が動翼用中圧抽気管８５に流れ込む。静翼用中圧抽気管８３に流れ込んだ冷却空気は、空気調節器８４を通る過程で、その圧力が７ａｔａになって、第三段静翼列３４ｃを構成する複数の静翼に供給され、これら複数の静翼を冷却する。
動翼用中圧抽気管８５に流れ込んだ冷却空気は、冷却器８６を通過する過程で冷却され、空気調節弁８７により流量調節された後、ロータ軸３２の軸方向通路４５に流入する。軸方向通路４５に流入する直前の冷却空気は、冷却器８６や空気調節弁８７を通過する過程等での圧力損失により、その圧力が８ａｔａ程度にまで低下している。また、軸方向通路４５に流入する直前の冷却空気は、冷却器８６により冷却された結果、その温度が低下している。
軸方向通路４５に流入した冷却空気は、この軸方向通路４５から径方向外側に向かって延びる強制渦通路４６を経て、第四キャビティ５２ｄ内に流入する。冷却空気は、径方向外側に向かって延びる強制渦通路４６を通る過程で、軸線Ａｒを中心として回転するロータ軸３２から遠心力を受けて加圧される。この結果、第四キャビティ５２ｄ内に至った冷却空気の圧力は９ａｔａになる。なお、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気は、加圧により温度が上昇する。
第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の一部は、第四段翼列通路４９の一部を成す第四段連通路５７を経て、第四段動翼列３３ｄを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第四段連通路５７を通る過程で、圧力及び流量が調節される。この結果、第四段連通路５７から第四段動翼列３３ｄの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力が３ａｔａになる。この冷却空気は、第四段動翼列３３ｄを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の残りの一部は、第四ディスク通路５３ｄ、第三キャビティ５２ｃ、第三ディスク通路５３ｃを経て、第二キャビティ５２ｂ内に流入する。第二キャビティ５２ｂ内の冷却空気の圧力は、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の圧力とほぼ同じで９ａｔａである。
第二キャビティ５２ｂ内に流入した冷却空気の一部は、第三段翼列通路４８の一部を成す第三段連通路５６を経て、第三段動翼列３３ｃを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第三段連通路５６を通る過程で、圧力及び流量が調節され、第三段連通路５６から第三段動翼列３３ｃの動翼中に流入する直前には、その圧力がほぼ７ａｔａになる。この冷却空気は、第三段動翼列３３ｃを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
第二キャビティ５２ｂ内に流入した冷却空気の残りの一部は、第二段翼列通路４７の一部を成す第二段連通路５５を経て、第二段動翼列３３ｂを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第二段連通路５５を通る過程で、圧力及び流量が調節される。この結果、第二段連通路５５から第二段動翼列３３ｂの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力がほぼ９ａｔａになる。この冷却空気は、第二段動翼列３３ｂを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
第四キャビティ５２ｄから第四段連通路５７を経て第四段動翼列３３ｄの動翼中に流入する冷却空気、第二キャビティ５２ｂから第三段連通路５６を経て第三段動翼列３３ｃの動翼中に流入する冷却空気、第二キャビティ５２ｂから第二段連通路５５を経て第二段動翼列３３ｂの動翼中に流入する冷却空気は、いずれも、各連通路５７,５６,５５を通る過程で圧力損失する一方で、ロータ軸３２からの遠心力を受けて加圧される。第四キャビティ５２ｄから第四段連通路５７を経て第四段動翼列３３ｄの動翼中に流入する冷却空気は、第四段連通路５７を通る過程で、遠心力による加圧効果よりも、連通路５７を通過するときの圧力損失が高められるため、結果として減圧される。また、第二キャビティ５２ｂから第三段連通路５６を経て第三段動翼列３３ｃの動翼中に流入する冷却空気も、遠心力による加圧効果よりも、連通路５６を通過するときの圧力損失が高められるため、結果として減圧される。一方、第二キャビティ５２ｂから第二段連通路５５を経て第二段動翼列３３ｂの動翼中に流入する冷却空気は、第二段連通路５５を通る過程での圧力損失が抑えられる。
以上のように、本実施形態では、圧縮機１０から抽気した空気により、タービン３０の動翼を冷却することができる。しかも、本実施形態では、圧縮機１０から抽気した空気を回転するロータ軸３２に流入させ、このロータ軸３２中で冷却空気の強制渦を発生させることで、冷却空気の圧力を高めてから、各動翼列３３に空気供給している。このため、本実施形態では、圧縮機１０からは、低い圧力の空気を抽気することができる結果、圧縮機１０の駆動力を抑えることができる。よって、本実施形態では、圧縮機１０から抽気した空気によりタービン３０の動翼を冷却しつつも、ガスタービンの効率の低下を抑えることができる。
また、本実施形態では、圧縮機１０から抽気する空気の圧力を抑えるため、ロータ軸３２中に径方向に延びる強制渦通路４６を形成し、ここに圧縮機１０から抽気した空気を流入させてこの空気を昇圧した後、各動翼列３３の動翼に分配している。ところで、複数の動翼列３３毎に、強制渦通路４６を形成することも可能である。しかしながら、この場合、ロータ軸３２中に、軸方向Ｄａで互いに異なる位置に複数の強制渦通路４６を形成することになり、結果として、軸方向Ｄａのロータ軸３２の長さが長くなり、タービンロータ３１の振動特性が低下する。さらに、タービン３０の段間距離も長くなり、タービン３０の空力性能も低下する。
一方、本実施形態では、前述したように、強制渦通路４６で空気を昇圧した後、これを複数の動翼列３３毎に分配しているので、軸方向Ｄａのロータ軸３２の伸長化が抑えられ、タービンロータ３１の振動特性の悪化を抑えることができる。さらに、強制渦通路４６は、最下流の第四段動翼列３３ｄよりも下流側に形成され、複数の段間のいずれの箇所にも存在しないため、タービン３０の段間距離の伸長化も抑えられ、タービン３０の空力性能の低下も抑えることができる。
また、強制渦通路４６の径方向外側端部には、ここを流れる空気中に含まれているゴミ等の異物が溜まることが予想される。本実施形態では、この強制渦通路４６が最下流の第四段動翼列３３ｄよりも下流側の位置に形成されているため、ロータ軸３２を複数のロータディスク４２に分解しなくても、この強制渦通路４６の径方向外側端部にアクセスすることができる。よって、本実施形態では、強制渦通路４６の径方向外側端部にゴミ等の異物が溜まっても、これを容易に回収することができる。
「第二実施形態」
本発明に係るガスタービンの第二実施形態について、図５〜図７を参照して説明する。
第一実施形態のガスタービンでは、圧縮機１０の中圧抽気ポート１６から抽気した冷却空気を、タービン３０のロータ軸３２中で、第二段動翼列３３ｂ用の空気と第三段動翼列３３ｃ用の空気と第四段動翼列３３ｄ用の空気とに分けている。
本実施形態のガスタービンでは、図５及び図７に示すように、圧縮機１０の中圧抽気ポート１６からの抽気した冷却空気を、タービン３０のロータ軸３２外で、まず、第二及び第三段動翼列３３ｂ，３３ｃ用の空気と第四段動翼列３３ｄ用の空気とに分け、ロータ軸３２中で、第二及び第三段動翼列３３ｂ，３３ｃ用の空気を第二段動翼列３３ｂ用の空気と第三段動翼列３３ｃ用の空気とに分ける。
このため、本実施形態では、ロータ軸３２の下流端に接続されている動翼用中圧抽気管８５には、動翼用中圧抽気管８５を流れてきた冷却空気の一部を第四段動翼列３３ｄ用の空気として第四段動翼列３３ｄに導く抽気分岐管８８が接続されている。この抽気分岐管８８は、ロータ軸３２の大径部４４の下流端に接続されている。
本実施形態のロータ軸３２には、第一実施形態のロータ軸３２と同様、中圧抽気ポート１６からの冷却空気が動翼用中圧抽気管８５を介して流入する軸方向通路４５と、軸方向通路４５に接続された強制渦通路４６と、強制渦通路４６を通過した冷却空気を第二段動翼列３３ｂ（第一動翼列）に導く第二段翼列通路４７（第一翼列通路）と、強制渦通路４６を通過した冷却空気を第三段動翼列３３ｃ（第二動翼列）に導く第三段翼列通路４８（第二翼列通路）と、が形成されている。
ロータ軸３２の大径部４４には、第一実施形態のロータ軸３２の大径部４４と同様、第一キャビティ５２ａ、第二キャビティ５２ｂ、第三キャビティ５２ｃ、第四キャビティ５２ｄが形成されている。第四キャビティ５２ｄは、強制渦通路４６の径方向外側の端部と接続されている。第四キャビティ５２ｄと第三キャビティ５２ｃとは、第四ディスク通路５３ｄで接続され、第三キャビティ５２ｃと第二キャビティ５２ｂとは、第三ディスク通路５３ｃで接続されている。第二キャビティ５２ｂと第三段動翼列３３ｃとは、第三段連通路５６で接続され、第二キャビティ５２ｂと第二段動翼列３３ｂとは、第二段連通路５５で接続されている。
よって、本実施形態でも、第三段翼列通路４８は、第四キャビティ５２ｄと第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂと第三段連通路５６とで形成されている。また、第二段翼列通路４７は、第四キャビティ５２ｄと第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂと第二段連通路５５とで形成されている。
本実施形態のロータ軸３２の大径部４４には、さらに、第四キャビティ５２ｄの径方向外側の位置に、大径部４４の下流側端から上流側に向って凹む第五キャビティ５２ｅが形成されている。この第五キャビティ５２ｅと第四段動翼列３３ｄとは、第四段連通路５７ａで接続されている。よって、本実施形態において、予旋回ノズル６７を通過した冷却空気を第四段動翼列３３ｄに導く第四段翼列通路４９ａ（第三翼列通路）は、第五キャビティ５２ｅと第四段連通路５７ａとを有して形成されている。
大径部４４の下流側には、大径部４４の下流端に対して軸方向Ｄａに間隔をあけて対向し、軸線Ａｒを中心として円板状の軸端板６１が配置されている。軸端板６１の径方向内側端は、軸受カバー７１の上流端に固定されている。この軸端板６１と大径部４４との間には、大径部４４の下流端に対して軸方向Ｄａに間隔をあけて大径部端カバー６２が配置されている。この大径部端カバー６２の径方向内側の端は軸端板６１に固定されている。また、この大径部端カバー６２の径方向外側の端は内側ディフューザ７７の上流端に固定されている。大径部端カバー６２の径方向外側の部分には、大径部４４の下流側の外周面と間隔をあけて対向するシール取付部６３が形成されている。このシール取付部６３には、大径部４４と大径部端カバー６２との間をシールするシール部材６４が設けられている。
大径部端カバー６２と大径部４４との間には、第五キャビティ５２ｅと連通し、軸線Ａｒを中心とした環状の空間である大径部端キャビティ６５が形成されている。また、大径部端カバー６２と軸端板６１との間であって、径方向Ｄｒで第五キャビティ５２ｅが形成されている領域には、軸線Ａｒを中心とした環状の空間である空気受入空間６６が形成されている。この空気受入空間６６は、大径部端カバー６２と軸端板６１で囲まれた空間である。
軸端板６１には、抽気分岐管８８の端部が固定されている。このため、動翼用中圧抽気管８５を流れてきた冷却空気の一部は、抽気分岐管８８を介して、軸端板６１と大径部端カバー６２とで形成されている空気受入空間６６に流入する。大径部端カバー６２で、大径部４４の第五キャビティ５２ｅと対向する位置には、空気受入空間６６に流入した冷却空気にロータ軸３２の回転方向の速度成分を付与する予旋回ノズル６７が設けられている。対径部端カバー６２で、予旋回ノズル６７が設けられている位置よりも径方向内側で、大径部４４と径方向で対向している位置には、大径部４４と大径部端カバー６２との間をシールするシール部材６４ｂが設けられている。
予旋回ノズル６７は、図６に示すように、周方向Ｄｃに並ぶ複数の旋回翼６８を有する。この旋回翼６８は、下流側から上流側に向うに連れて次第にロータ軸３２の回転方向Ｒｒ側に傾いている。この予旋回ノズル６７は、下流側の空気受入空間６６内に流入した冷却空気の圧力の一部を、ロータ軸３２の回転方向Ｒｒへの運動エネルギーに変換して、冷却空気に回転方向Ｒｒの速度成分を付与するノズルである。
次に、以上で説明したガスタービンにおける冷却空気の流れについて説明する。
圧縮機１０の中圧抽気ポート１６から抽気されて動翼用中圧抽気管８５に流れ込んだ冷却空気は、第一実施形態と同様、冷却器８６を通過する過程で冷却され、空気調節弁８７により流量調節された後、その一部がロータ軸３２の軸方向通路４５に流入する。軸方向通路４５に流入する直前の冷却空気は、図７に示すように、その圧力が８ａｔａ程度にまで低下しており、その温度も低下している。
軸方向通路４５に流入した冷却空気は、第一実施形態と同様、この軸方向通路４５から径方向外側に向かって延びる強制渦通路４６を経て、第四キャビティ５２ｄ内に流入する。冷却空気は、径方向外側に向かって延びる強制渦通路４６を通る過程で、軸線Ａｒを中心として回転するロータ軸３２から遠心力を受けて加圧される。この結果、第四キャビティ５２ｄ内に至った冷却空気の圧力は９ａｔａになる。なお、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気は、加圧により温度が上昇する。
第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気は、第四ディスク通路５３ｄ、第三キャビティ５２ｃ、第三ディスク通路５３ｃを経て、第二キャビティ５２ｂ内に流入する。第二キャビティ５２ｂ内の冷却空気の圧力は、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の圧力とほぼ同じで９ａｔａであり、この冷却空気の温度は、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の温度とほぼ同じである。
第二キャビティ５２ｂ内に流入した冷却空気の一部は、第一実施形態と同様、第三段翼列通路４８の一部を成す第三段連通路５６を経て、第三段動翼列３３ｃを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第三段連通路５６を通る過程で、圧力及び流量が調節され、第三段連通路５６から第三段動翼列３３ｃの動翼中に流入する直前には、その圧力がほぼ７ａｔａになる。この冷却空気は、第三段動翼列３３ｃを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
第二キャビティ５２ｂ内に流入した冷却空気の残りの一部は、第一実施形態と同様、第二段翼列通路４７の一部を成す第二段連通路５５を経て、第二段動翼列３３ｂを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第二段連通路５５を通る過程で、圧力及び流量が調節される。この結果、第二段連通路５５から第二段動翼列３３ｂの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力がほぼ９ａｔａになる。この冷却空気は、第二段動翼列３３ｂを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
動翼用中圧抽気管８５を流れる冷却空気の一部は、抽気分岐管８８に流れ込む。抽気分岐管８８に流れ込んだ冷却空気は、その圧力が８ａｔａ程度である。
冷却空気は、抽気分岐管８８から空気受入空間６６に流入した後、予旋回ノズル６７を経て、大径部端キャビティ６５内に流入する。冷却空気は、予旋回ノズル６７を通過する過程で、圧力の一部がロータ軸３２の回転方向Ｒｒへの運動エネルギーに変換されて、回転方向Ｒｒの速度成分が付与される。予旋回ノズル６７を通過した後の冷却空気は、その圧力が５ａｔａ程度まで低下する。また、予旋回ノズル６７を通過した後の冷却空気の軸線Ａｒを基準にした周速度は、ロータ軸３２中の第五キャビティ５２ｅの位置における周速度とほぼ同じになる。すなわち、大径部端キャビティ６５内の冷却空気は、ロータ軸３２中の第五キャビティ５２ｅとほぼ同じ周速度で、環状の大径部端キャビティ６５内を旋回する。このため、大径部端キャビティ６５内の冷却空気は、ロータ軸３２中の第五キャビティ５２ｅ内に流入するにあたり、ロータ軸３２の回転を妨げる抵抗にならない。
第五キャビティ５２ｅ内に流入した冷却空気の圧力は、ほぼ５ａｔａである。
第五キャビティ５２ｅ内の冷却空気は、第四段翼列通路４９ａの一部を成す第四段連通路５７ａを経て、第四段動翼列３３ｄを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第四段連通路５７ａを通る過程で、圧力及び流量が調節される。この結果、第四段連通路５７ａから第四段動翼列３３ｄの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力が３ａｔａになる。この冷却空気は、第四段動翼列３３ｄを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
以上のように、本実施形態でも、第一実施形態と同様、圧縮機１０から抽気した空気により、タービン３０の動翼を冷却することができる。さらに、本実施形態でも、圧縮機１０の駆動力を抑えることができ、ガスタービンの効率の低下を抑えることができる。
また、本実施形態でも、第一実施形態と同様に、最下流の動翼列３３よりも下流側に形成した強制渦通路４６で空気を昇圧した後、これを複数の動翼列３３毎に分配しているので、タービンロータ３１の振動特性の悪化及びタービン３０の空力性能の低下を抑えることができる。
また、第一実施形態では、第二段動翼列３３ｂ及び第三段動翼列３３ｃを冷却する冷却空気の全てを強制渦通路４６に流入させ、ここでタービンロータ３１の回転により生じる遠心力を利用して冷却空気を昇圧させている。一方、本実施形態では、第二段動翼列３３ｂ及び第三段動翼列３３ｃを冷却する冷却空気のみを強制渦通路４６に流入させて昇圧させ、第四段動翼列３３ｄを冷却する冷却空気に関しては、強制渦通路４６に流入させずに予旋回ノズル６７を通過させることで旋回させ、タービンロータ３１の回転抵抗を減らしている。よって、本実施形態では、第一実施形態よりもタービンロータ３１の回転抵抗が小さくなり、ガスタービンの効率を高めることができる。
また、本実施形態では、第四段動翼列３３ｄ用の冷却空気は、ロータ軸３２外に設けられている抽気分岐管８８内を通るので、この抽気分岐管８８に空気調節弁や冷却器を設けることで、この第四段動翼列３３ｄ用の冷却空気の流量、圧力、温度を容易に調節することができる。
「第三実施形態」
本発明に係るガスタービンの第三実施形態について、図８〜図１０を参照して説明する。
第一及び第二実施形態のガスタービンでは、いずれも、圧縮機１０の中圧抽気ポート１６からの抽気した冷却空気を第二、第三及び第四段動翼列３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ用の冷却空気として利用している。
本実施形態のガスタービンでは、図８及び図１０に示すように、圧縮機１０の中圧抽気ポート１６（第一抽気ポート）からの抽気した冷却空気を第二及び第三段動翼列３３ｂ，３３ｃ用の冷却空気として利用し、圧縮機１０の低圧抽気ポート１７（第二抽気ポート）からの抽気した冷却空気を第四段動翼列３３ｄ用の冷却空気として利用する。
本実施形態の圧縮機車室１５の中間段に対応する位置には、中圧抽気ポート１６と低圧抽気ポート１７とが形成されている。低圧抽気ポート１７は、中圧抽気ポート１６が形成されている位置よりも上流側に形成されている。このため、低圧抽気ポート１７から抽気される空気の圧力は、中圧抽気ポート１６から抽気される空気の圧力よりも低く、例えば、６ａｔｍである。
本実施形態の抽気ライン８０ｂは、第一実施形態と同様、中圧抽気管８１と、この中圧抽気管８１に設けられている冷却器８６、空気調節弁８７、空気調節器８４と、を有する。中圧抽気管８１は、第一実施形態と同様に、圧縮機１０の中圧抽気ポート１６に接続されている中圧抽気本管８２と、中圧抽気本管８２に接続されている静翼用中圧抽気管８３及び動翼用中圧抽気管８５と、を有する。静翼用中圧抽気管８３には、前述の空気調節器８４が設けられ、動翼用中圧抽気管８５には、前述の冷却器８６及び空気調節弁８７が設けられている。
本実施形態の抽気ライン８０ｂは、さらに、低圧抽気管９１と、この低圧抽気管９１に設けられている冷却器９６、空気調節弁９７、空気調節器９４と、を有する。低圧抽気管９１は、圧縮機１０の低圧抽気ポート１７に接続されている低圧抽気本管９２と、低圧抽気本管９２に接続されている静翼用低圧抽気管９３及び動翼用低圧抽気管９５と、を有する。
静翼用低圧抽気管９３は、タービン車室３５で、タービン３０の中間段に対応する位置に接続されている。より具体的には、タービン車室３５で、静翼用中圧抽気管８３が接続されている位置よりも下流側に接続されている。この静翼用低圧抽気管９３には、ここを通る空気の圧力及び流量を調節するためのオリフィス等の空気調節器９４が設けられている。動翼用低圧抽気管９５は、ロータ軸３２に接続されている。この動翼用低圧抽気管９５に、前述の冷却器９６及び空気調節弁９７が設けられている。冷却器９６は、この動翼用低圧抽気管９５を通る空気を冷却する。空気調節弁９７は、この動翼用低圧抽気管９５を通る空気の流量を調節する。この動翼用低圧抽気管９５の端部は、軸受カバー７１に固定されている。
本実施形態のロータ軸３２には、第一及び第二実施形態と同様、中圧抽気ポート１６からの冷却空気が流入し、軸方向Ｄａに延びる第一軸方向通路４５と、第一軸方向通路４５に接続され径方向外側に延びる第一強制渦通路４６と、第一強制渦通路４６を通過した冷却空気を第二段動翼列３３ｂ（第一動翼列）に導く第二段翼列通路４７（第一翼列通路）と、第一強制渦通路４６を通過した冷却空気を第三段動翼列３３ｃ（第二動翼列）に導く第三段翼列通路４８（第二翼列通路）と、が形成されている。さらに、本実施形態のロータ軸３２には、低圧抽気ポート１７からの冷却空気が流入し、軸方向Ｄａに延びる第二軸方向通路４５ｂと、第二軸方向通路４５ｂに接続され径方向外側に延びる第二強制渦通路４６ｂと、第二強制渦通路４６ｂを通過した冷却空気を第四段動翼列３３ｄ（第三動翼列）に導く第四段翼列通路４９ｂ（第三翼列通路）と、が形成されている。
ロータ軸３２の大径部４４には、第一及び第二実施形態のロータ軸３２の大径部４４と同様、第一キャビティ５２ａ、第二キャビティ５２ｂ、第三キャビティ５２ｃ、第四キャビティ５２ｄが形成されている。第四キャビティ５２ｄは、第一強制渦通路４６の径方向外側の端部と接続されている。第四キャビティ５２ｄと第三キャビティ５２ｃとは、第四ディスク通路５３ｄで接続され、第三キャビティ５２ｃと第二キャビティ５２ｂとは、第三ディスク通路５３ｃで接続されている。第二キャビティ５２ｂと第三段動翼列３３ｃとは、第三段連通路５６で接続され、第二キャビティ５２ｂと第二段動翼列３３ｂとは、第二段連通路５５で接続されている。
よって、本実施形態でも、第三段翼列通路４８は、第四キャビティ５２ｄと第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂと第三段連通路５６とで形成されている。また、第二段翼列通路４７は、第四キャビティ５２ｄと第四ディスク通路５３ｄと第三キャビティ５２ｃと第三ディスク通路５３ｃと第二キャビティ５２ｂと第二段連通路５５とで形成されている。
第二軸方向通路４５ｂは、図８及び図９に示すように、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びている第一軸方向通路４５の径方向外側の位置に形成されている。第二軸方向通路４５ｂの下流端には、この下流端から径方向外側に延び、小径部４３の外周面で開口する低圧空気受入通路４５ｃが形成されている。
軸受カバー７１中で、軸方向Ｄａで低圧空気受入通路４５ｃの開口と実質的に同じ位置には、外周側から内周側に向かって貫通する貫通孔が形成されている。動翼用低圧抽気管９５の端部は、この貫通孔が形成されている位置に固定されている。軸受カバー７１の内周側と小径部４３の外周側との間であって、軸受カバー７１の貫通孔を基準にして上流側及び下流側のそれぞれはシール部材７２ｂ，７２ｃでシールされている。
大径部４４の下流側であって径方向外側は、大径部端カバー６２ｂで覆われている。この大径部端カバー６２ｂと大径部４４との間には、軸線Ａｒを中心として環状の第五キャビティ５２ｆが形成されている。
第二軸方向通路４５ｂの上流端には、この上流端から径方向外側に延び、第五キャビティ５２ｆに連通する第二強制渦通路４６ｂが接続されている。この第二強制渦通路４６ｂは、大径部４４中で第一強制渦通路４６よりも下流側の位置に形成されている。大径部４４には、第五キャビティ５２ｆと第四段動翼列３３ｄの取付位置とを連通させる第四段連通路５７ｂが形成されている。
よって、本実施形態の第四段翼列通路４９ｂは、第五キャビティ５２ｆと第四段連通路５７ｂとで形成されている。
次に、以上で説明したガスタービンにおける冷却空気の流れについて説明する。
圧縮機１０の中圧抽気ポート１６から抽気されて動翼用中圧抽気管８５に流れ込んだ冷却空気は、第一及び第二実施形態と同様、冷却器８６を通過する過程で冷却され、空気調節弁８７により流量調節された後、ロータ軸３２の第一軸方向通路４５に流入する。第一軸方向通路４５に流入する直前の冷却空気は、図１０に示すように、その圧力が８ａｔａ程度にまで低下しており、その温度も低下している。
第一軸方向通路４５に流入した冷却空気は、第一及び第二実施形態と同様、この第一軸方向通路４５から径方向外側に向かって延びる第一強制渦通路４６を経て、第四キャビティ５２ｄ内に流入する。冷却空気は、径方向外側に向かって延びる強制渦通路４６を通る過程で、軸線Ａｒを中心として回転するロータ軸３２から遠心力を受けて加圧される。この結果、第四キャビティ５２ｄ内に至った冷却空気の圧力は９ａｔａになる。なお、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気は、加圧により温度が上昇する。
第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気は、第四ディスク通路５３ｄ、第三キャビティ５２ｃ、第三ディスク通路５３ｃを経て、第二キャビティ５２ｂ内に流入する。第二キャビティ５２ｂ内の冷却空気の圧力は、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の圧力とほぼ同じで９ａｔａであり、この冷却空気の温度は、第四キャビティ５２ｄ内の冷却空気の温度とほぼ同じである。
第二キャビティ５２ｂ内に流入した冷却空気の一部は、第一及び第二実施形態と同様、第三段翼列通路４８の一部を成す第三段連通路５６を経て、第三段動翼列３３ｃを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第三段連通路５６を通る過程で、圧力及び流量が調節される。この結果、第三段連通路５６から第三段動翼列３３ｃの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力がほぼ７ａｔａになる。この冷却空気は、第三段動翼列３３ｃを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
第二キャビティ５２ｂ内に流入した冷却空気の残りの一部は、第一実施形態と同様、第二段翼列通路４７の一部を成す第二段連通路５５を経て、第二段動翼列３３ｂを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第二段連通路５５を通る過程で、圧力及び流量が調節される。この結果、第二段連通路５５から第二段動翼列３３ｂの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力がほぼ９ａｔａになる。この冷却空気は、第二段動翼列３３ｂを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
圧縮機１０の低圧抽気ポート１７から抽気された冷却空気は、抽気ライン８０ｂの低圧抽気本管９２を流れ、その一部が静翼用低圧抽気管９３に流れ込み、残りの一部が動翼用低圧抽気管９５に流れ込む。静翼用低圧抽気管９３に流れ込んだ冷却空気は、空気調節器９４を通る過程で、その圧力が４ａｔａになって、第四段静翼列３４ｄを構成する複数の静翼に供給され、これら複数の静翼を冷却する。
動翼用低圧抽気管９５に流れ込んだ冷却空気は、冷却器９６を通過する過程で冷却され、空気調節弁９７により流量調節された後、ロータ軸３２の第二軸方向通路４５ｂに流入する。第二軸方向通路４５ｂに流入する直前の冷却空気は、冷却器９６や空気調節弁９７を通過する過程等での圧力損失により、その圧力が４ａｔａ程度にまで低下している。また、第二軸方向通路４５ｂに流入する直前の冷却空気は、冷却器８６により冷却される。
第二軸方向通路４５ｂに流入した冷却空気は、この第二軸方向通路４５ｂから径方向外側に向かって延びる第二強制渦通路４６ｂを経て、第五キャビティ５２ｆ内に流入する。冷却空気は、径方向外側に向かって延びる第二強制渦通路４６ｂを通る過程で、軸線Ａｒを中心として回転するロータ軸３２から遠心力を受けて加圧される。この結果、第五キャビティ５２ｆ内に至った冷却空気の圧力は５ａｔａになる。
第五キャビティ５２ｆ内の冷却空気は、第四段翼列通路４９ｂの一部を成す第四段連通路５７ｂを経て、第四段動翼列３３ｄを構成する複数の動翼中の冷却空気通路内に流入する。この冷却空気は、第四段連通路５７ｂを通る過程で、圧力及び流量が調節される。また、この冷却空気は、燃焼ガス流路３９に近づくに連れて、燃焼ガスの熱との熱交換量が増えて、その温度が徐々に高まる。この結果、第四段連通路５７ｂから第四段動翼列３３ｄの動翼中に流入する直前の冷却空気は、その圧力が３ａｔａになる。この冷却空気は、第四段動翼列３３ｄを構成する複数の動翼中の冷却空気通路を通って、動翼を冷却した後、燃焼ガス流路３９中に排出される。
以上のように、本実施形態でも、第一及び第二実施形態と同様、圧縮機１０から抽気した空気により、タービン３０の動翼を冷却することができる。さらに、本実施形態でも、圧縮機１０での駆動力を抑えることができ、ガスタービンの効率の低下を抑えることができる。
また、本実施形態では、第一及び第二強制渦通路４６，４６ｂを最下流の動翼列３３よりも下流側に形成している上に、第一強制渦通路４６で空気を昇圧した後、これを第二段動翼列３３ｂ及び第三段動翼列３３ｃに分配している。このため、本実施形態でも、ロータ軸３２の長さ及び段間距離の伸長化が抑えられ、ロータの振動特性の悪化及びタービン３０の空力性能の低下を抑えることができる。
本実施形態において、第四段動翼列３３ｄには、第二段動翼列３３ｂや第三段動翼列３３ｃに供給する冷却空気の圧力よりも低い圧力の冷却空気でも供給することができる。しかも、本実施形態では、圧縮機１０から抽気した空気を回転するロータ軸３２に流入させ、このロータ軸３２中で冷却空気の強制渦を発生させることで、冷却空気の圧力を高めてから、第四段動翼列３３ｄに空気供給している。このため、本実施形態では、中圧抽気ポート１６からの空気よりも低圧の空気を低圧抽気ポート１７から冷却空気として抽気し、これを第四段動翼列３３ｄの冷却空気として利用することができる。よって、本実施形態では、圧縮機１０で第四段動翼列３３ｄの冷却用の空気の圧縮比を小さくできる結果、圧縮機１０の駆動力を抑えることができる。よって、本実施形態では、第一実施形態よりもガスタービンの効率を高めることができる。
「第三実施形態の変形例」
第三実施形態の変形例について、図１１を参照して説明する。
第三実施形態では、第一強制渦通路４６の径方向外側の端部が第四キャビティ５２ｄに接続されている。第四キャビティ５２ｄは、第四ディスク通路５３ｄ、第三キャビティ５２ｃ及び第三ディスク通路５３ｃを介して、第二キャビティ５２ｂと接続されている。この第二キャビティ５２ｂは、第二段連通路５５を介して、第二段動翼列３３ｂに接続されていると共に、第三段連通路５６を介して、第三段動翼列３３ｃに接続されている。
本変形例では、スピンドルボルト４１が挿通されるロータ軸３２のボルト孔４１ｃの断面形状を長円形状にし、スピンドルボルト４１が挿通されたボルト孔４１ｃ中の隙間を冷却空気の通路５３ｅとしている。この通路５３ｅは、スピンドルボルト４１と同様に、軸方向Ｄａに延びている。この通路５３ｅの下流端には、第一強制渦通路４６の径方向外側端部が接続されている。また、この通路５３ｅの上流端には、第二キャビティ５２ｂが接続されている。この第二キャビティ５２ｂは、以上の各実施形態と同様、第二段連通路５５を介して、第二段動翼列３３ｂに接続されていると共に、第三段連通路５６を介して、第三段動翼列３３ｃに接続されている。
また、本変形例では、第二強制渦通路４６ｂの径方向外側の端部に第四キャビティ５２ｄが接続されている。この第四キャビティ５２ｄは、第四段連通路５７を介して、第四段動翼列３３ｄと接続されている。
以上のように、強制渦通路と各動翼列とを接続する通路は、タービンロータの構造に応じて、適宜形成してよい。
「その他の変形例」
第一、第二及び第三実施形態の動翼用中圧抽気管８５や、第三実施形態の動翼用低圧抽気管９５には、空気調節弁８７，９７や冷却器８６，９６を設けているが、これらは必須のものではない。よって、これらの抽気管における空気調節弁８７，９７や冷却器８６，９６を適宜省略してもよい。
また、以上の実施形態では、複数の動翼列３３への冷却空気が通る強制渦通路４６を最下流の動翼列３３よりも下流側に配置している。しかしながら、ロータ軸３２の大径部４４におけるいずれかの段間に強制渦通路４６を形成してもよい。この場合においても、強制渦通路４６の径方向外側の端で、この通路４６を複数の動翼列３３毎に分岐させることで、強制渦通路４６の数を少なくでき、結果として、ロータ軸３２の長さの伸長化、複数段の段間距離の伸張化を抑えることができる。但し、強制渦通路４６は、全ての段間距離の伸張化を抑える観点から、以上の実施形態のように、最下流の動翼列３３よりも下流側に形成することが好ましい。
また、以上の実施形態では、いずれも、圧縮機車室１５に抽気ポート１６，１７を形成し、圧縮機車室１５外及びタービン車室３５外に抽気ライン８０を配置している。しかしながら、例えば、圧縮機ロータ１１に抽気ポートを形成し、この抽気ポートに圧縮機ロータ１１及びタービンロータ３１内を軸方向Ｄａに延びる軸方向通路を接続してもよい。
１：ガスタービンロータ、５:ガスタービン車室、１０：圧縮機、１１：圧縮機ロータ、１２:ロータ軸、１３:動翼列、１４:静翼列、１５:圧縮機車室、１６:中圧抽気ポート（第一抽気ポート）、１７:低圧抽気ポート（第二抽気ポート）、１９:空気圧縮流路、２０:燃焼器、３０:タービン、３１:タービンロータ、３２:ロータ軸、３３:動翼列、３３ａ：第一段動翼列、３３ｂ：第二段動翼列（第一動翼列）、３３ｃ：第三段段動翼列（第二動翼列）、３３ｄ：第四段動翼列（第三動翼列）、３４:静翼列、３５:タービン車室、３９：燃焼ガス流路、４３：小径部、４４：大径部、４５:軸方向通路（第一軸方向通路）、４５ｂ：第二軸方向通路、４６:強制渦通路（第一強制渦通路）、４６ｂ：第二強制渦通路、４７：第二段翼列通路（第一翼列通路）、４８：第三段翼列通路（第二翼列通路）、４９，４９ａ，４９ｂ：第四段翼列通路（第三翼列通路）、５２ａ：第一キャビティ、５２ｂ：第二キャビティ、５２ｃ：第三キャビティ、５２ｄ：第四キャビティ、５２ｅ，５２ｆ：第五キャビティ、６５：大径部端キャビティ、６６：空気受入空間、６７：予旋回ノズル、７０：軸受、７１：軸受カバー、８０,８０ｂ：抽気ライン、８１：中圧抽気管、８８：抽気分岐管、９１：低圧抽気管

Claims (7)

  1. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、
    中圧抽気管と、
    を備え、
    前記圧縮機は、前記圧縮機の中間段から空気を冷却空気として抽気する抽気ポートを有し、
    前記タービンは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に取り付けられた複数の動翼を備えて前記ロータ軸の軸方向に並ぶ複数の動翼列と、複数の前記動翼列毎の軸方向上流側に配置されている複数の静翼列と、を有し、
    前記中圧抽気管は、前記抽気ポートに接続されている中圧抽気本管と、前記中圧抽気本管に接続されている静翼用中圧抽気管及び動翼用中圧抽気管と、を有し、
    前記ロータ軸には、
    前記動翼用中圧抽気管に連通し、前記軸方向に延びる軸方向通路と、
    前記軸方向通路に接続され、前記軸方向通路との接続部から前記ロータ軸の径方向外側に延びる強制渦通路と、
    前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第一動翼列に前記冷却空気を導く第一翼列通路と、
    前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第二動翼列に前記冷却空気を導く第二翼列通路と、
    が形成され、
    複数の前記静翼列のうち、前記軸方向における前記第一動翼列と前記第二動翼列との間の静翼列には、前記静翼用中圧抽気管が接続されている、
    ガスタービン。
  2. 請求項１に記載のガスタービンにおいて、
    前記強制渦通路は、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼列の下流側に形成されている、
    ガスタービン。
  3. 請求項１に記載のガスタービンにおいて、
    前記第二翼列通路を通る前記冷却空気の圧力を調節する手段を有する、
    ガスタービン。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンにおいて、
    前記ロータ軸には、前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼列に前記冷却空気を導く第三翼列通路が形成されている、
    ガスタービン。
  5. 請求項４に記載のガスタービンにおいて、
    前記第三翼列通路を通る前記冷却空気の圧力を調節する手段を有する、
    ガスタービン。
  6. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、
    を備え、
    前記圧縮機は、前記圧縮機の中間段から空気を冷却空気として抽気する抽気ポートを有し、
    前記タービンは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に取り付けられた複数の動翼を備えて前記ロータ軸の軸方向に並ぶ複数の動翼列と、を有し、
    前記ロータ軸には、
    前記抽気ポートに接続され、前記軸方向に延びる軸方向通路と、
    前記軸方向通路に接続され、前記軸方向通路との接続部から前記ロータ軸の径方向外側に延びる強制渦通路と、
    前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第一動翼列に前記冷却空気を導く第一翼列通路と、
    前記強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第二動翼列に前記冷却空気を導く第二翼列通路と、
    が形成され、
    さらに、
    前記抽気ポートと前記軸方向通路とを接続する抽気管と、
    前記抽気管に接続された抽気分岐管と、
    前記抽気分岐管に接続され、前記抽気分岐管を流れてきた前記冷却空気に前記ロータ軸の回転方向の速度成分を付与する予旋回ノズルと、
    を備え、
    前記ロータ軸には、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼列に前記予旋回ノズルを通過した前記冷却空気を導く第三翼列通路が形成されている、
    ガスタービン。
  7. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼ガスにより駆動するタービンと、
    を備え、
    前記圧縮機は、前記圧縮機の中間段から空気を冷却空気として抽気する第一抽気ポートと、前記第一抽気ポートよりも、前記圧縮機内の前記空気の流れの上流側における中間段から空気を冷却空気として抽気する第二抽気ポートと、を有し、
    前記タービンは、ロータ軸と、前記ロータ軸の外周に取り付けられた複数の動翼を備えて前記ロータ軸の軸方向に並ぶ複数の動翼列と、を有し、
    前記ロータ軸には、
    前記第一抽気ポートに接続され、前記軸方向に延びる第一軸方向通路と、
    前記第一軸方向通路に接続され、前記第一軸方向通路との接続部から前記ロータ軸の径方向外側に延びる第一強制渦通路と、
    前記第一強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第一動翼列に前記冷却空気を導く第一翼列通路と、
    前記第一強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、複数の前記動翼列のうちの第二動翼列に前記冷却空気を導く第二翼列通路と、
    前記第二抽気ポートに接続され、前記第一軸方向通路よりも径方向外側で、前記軸方向に延びる第二軸方向通路と、
    前記第二軸方向通路に接続され、複数の前記動翼列のうちで、前記軸方向における燃焼ガスの流れの最も下流側に配置されている第三動翼列よりも下流側で、前記第二軸方向通路との接続部から径方向外側に延びる第二強制渦通路と、
    前記第二強制渦通路における径方向外側の端部に接続され、前記第三動翼列に前記冷却空気を導く第三翼列通路と、
    が形成されている、
    ガスタービン。
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