JPH03222829A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンの改良に係り、特に燃焼用圧縮空
気の一部を、動翼の冷却空気として用いているガスター
ビンの改良に関するものである。

〔従来の技術〕

従来一般に採用されているこの種ガスタービンは、たと
えば特開昭５７−２６２０６号公報にも記載されている
ように、燃焼用の圧縮空気の一部を抽出し、この抽出し
た空気にて動翼を冷却するようにしているのが普通であ
る。

この構成について第４図及び第５図に基づきもう少し詳
しく説明すると、この図は唖く一般的なガスタービン及
びその回転子の要部を断面して示したもので、ガスター
ビンは大きく分けると、固定側に配置されている燃焼器
ＩＡと、この燃焼器に用いられる圧縮空気を発生させる
圧縮機２Ａと、燃焼器の燃焼ガスにより駆動されるター
ビン３Ａとに分けられる。

圧縮機２Ａはタービン３Ａにて駆動され、高圧空気をつ
くり燃焼空気として燃焼器ＩＡに供給する。燃焼器ＩＡ
はこの空気と燃料とを化学反応させる。すなわち燃焼さ
せる。燃焼による高温のガス（１１００〜１４００℃）
は、タービン３Ａ部に流入し、仕事を行なう。仕事は、
回転エネルギとして取り出され、負荷が例えば発電機で
あれば、電気エネルギに変換される。

タービン部３Ａの燃焼高温ガスを受ける初段動翼１０ａ
、２段動翼１０ｂは、第５図から明らかなようにそれら
の素材の高温強度限界内にて、使用する必要があるため
１通常、軸内を流通してきた空気ａにより冷却される。

その冷却法の一例として、動翼の内部を空洞化し５伝熱
を促進するためのタービュランスプロモータを内部に付
けたリターンフロー形冷却動翼が特開昭６０−１０１２
０２号に記載されている。

ガスタービンにおいては、タービン初段および２段動翼
１０ａ、ｌｏｂ共、圧縮機出口の高い圧力の空気ａを冷
却空気として使用しなければならない。

すなわち初段動翼のこの冷却空気は、動翼の冷却孔より
最終的に高圧の燃焼ガス中へ排出される。

よって、逆流（動翼の外部から内部への流れ）を防ぐた
め圧縮機出口の高圧の冷却空気が必要となるのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

動翼の冷却は、このように圧縮機の一部の高圧空気を、
その表面に設けられている数多くの冷却孔から排出（シ
ヤワ冷却）することにより行なわれるわけであるが、こ
の場合、高速で回転する動翼の表面に数多くの孔がある
ことは、単にそれだけでも表面損失の増大につながるが
、それにも増してこの冷却孔より高圧の空気が噴出され
るので、さらにその損失は増大することになる６すなわ
ち燃焼ガスがこの動翼を通過するとき、前述した動翼か
らの冷却空気の噴出の影響を受け、すなわち外乱のを生
じ、いわゆる動翼の翼形損失が生じてしまうのである。

勿論冷却ガスの温度が非常に低く動翼が充分冷却される
のであれば、動翼に設けられる冷却孔の数も少なくてす
み、その損失は減少するのであるが、この動翼の冷却空
気は前述したように逆流防止の点から圧力が高いことが
条件であり、高圧になればなる程その冷却空気の温度も
上昇することになり、したがって動翼の充分な冷却には
多量の冷却空気を流通させなければならず、動翼表面の
冷却孔の数を減することは非常に難しいことなのである
。

本発明はこれにかんがみなされたものであり、その目的
とするところは、特に特殊な装置や特殊な冷媒を用いる
ことなく動翼の冷却が充分なされ。

かつ動翼の翼形損失の少ないこの種ガスタービンを提供
するにある。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち本発明は、動翼に圧縮冷却空気を供給している
冷却空気供給装置に、この供給冷却空気を冷却する熱交
換手段を設け、この熱交換手段の冷却媒体として、圧縮
機の中段部より抽出した圧縮空気を用いるようになし初
期の目的を達成するようにしたものである。

〔作用〕

すなわちこのようにすると、動翼を冷却している圧縮冷
却空気を、特にガスタービンの形状を変ることなく低温
化させることができ、したがって動翼の表面に設けられ
ている冷却孔の数を減することが可能となって、燃焼ガ
スが動翼を通過するとき冷却空気から受ける外乱が少な
くなり、動翼の翼形損失を減少させることができるので
ある。

〔実施例〕

以下図示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明する
。

第１図及び第２図には、たとえば発電用に使用されるガ
スタービンの要部が断面で示されている。

尚前述した第４図及び第５図と同一の部品には同一符号
を付したのでその説明は省略する。

圧縮機２Ａは、多数の翼２が植設された複数の回転対称
のディスク４から構成されている。この複数のディスク
４は、複数のスルーボルト６により結合されている。圧
縮機に隣接し、同軸上に、タービン３Ａが配置されてい
る。タービンは、多数の冷却翼１０が植設され、かつ回
転対称のスペーサ１２を挾持した３枚の回転対称ホイー
ル１４から構成されている。ホイール１４とスペーサ１
２は、圧縮機同様複数のスルーボルト１６により結合さ
れている。

圧縮機２Ａとタービン３Ａは、夫々その端部で両者に固
接された中空状の回転対称のデイスタントピース２０を
介して結合されている。

圧縮機２Ａの中間段ディスク４ａは、他のディスク４と
異なり、ボアファン（図示せず）が刻設されている（ボ
アファンの詳細については、特開昭５７−２４２８号タ
ービン用冷却空気案内装置参照）。

ボアファンを有する圧縮機ディスク４ｄに、他にディス
ク４が、中心部近傍にて、締り嵌めにて積層され、ディ
スク４の中心孔が、油気の通路２４を形成している。出
口段の前段ディスク４ｂには、タービン３ａ側に、中心
孔を有する延長部２８が存在し、油気通路２４の一部と
なる。円筒３ｏが、中心孔を有するスペーサ１２ａと、
前段ディスク４ｂの延長部２８を、接続し、油気通路２
４（熱交換器の役目もする）は形成される。勿論円筒３
０の両端と接続部品２８．１２ａは接続部分にて充分空
気を密封するように形成される。

この構成において動翼冷却空気の流れは、次のようにな
る。すなわち、圧縮機空気通路３４から、抽気口３４ａ
を介して主流の一部の空気を抽気する。この抽出した空
気は、圧縮機２Ａ軸心の空洞部２４を流れ更に、円筒３
０内を流れ、スペーサ１２ａと２段ホイール１４ｂの狭
窄間を通り、２段冷却動翼１０ｂのダブテイル近傍の冷
却空気孔入口へ到達する。この空気通路を通る空気は、
２段冷却翼１０ｂの冷却にのみ、利用される。

圧縮機２Ａの出口段ディスク４ｃは、他のディスク４と
異なり、ボアファン（図示せず）が刻設されている。

出口段ディスク４ｃには、タービン３Ａ側に、中心孔を
有する延長部４０が存在し、油気通路４２の一部となる
。

前述した円筒３０を、その内部に含む円筒４４が、この
延長部４０と中心孔を有する第１段タービンホイール１
４ａとを接続している。従って、円筒３０と円筒４４が
形成する環状部４６が、圧縮機２Ａの出口抽気の通路と
なる。

また、圧縮機のディスク４ｃおよびタービンホイール１
４ａと円筒４４との接続部は、接続部分にて充分空気を
密封するように形成される。

この圧縮機出口にて抽出された空気の流れは次のように
なる３すなわち、圧縮空気通路３，１から、抽気口３４
ｂを介し、主流の一部分の空気が抽出され、この抽出さ
れた空気は、圧縮！ｆ＆８軸心に近い空洞部４６を流れ
更に円筒３０と円心の円筒４４内を流れて、初段ホイー
ル１４ａとスペーサ１２ａの狭窄間に至り、ここから初
段冷却動翼１０ａのダブテイル近傍の冷却空気孔入口に
到達する。この油気通路を通る空気は、初段冷却動翼１
０ａの冷却にのみ利用される。

本発明のタービンはこのように形成されるが、ここで重
要なことは、前述もしたように、軸心に配置され、抽気
通路を形成している円筒３０が、その内外を流通してい
る抽呂空気の熱交換を行う熱交換器の役目をするという
ことである。

第３図はその熱交換を積極的に行なわせるように形成し
たもので、圧縮機２Ａとタービン３Ａの構成は、第２図
に示したものと同じである。異なる点は圧縮機２Ａ側と
タービン３Ａ側を固接するデイスタンドピース２０内部
の構造である。

デイスタンドピース２０の圧縮機翼側とタービン側には
、それぞれデイスタンドピース２０の内壁に固接された
中心孔を有する端板５０．５２が存在し、この端板５０
，５２間には、デイスタンドピース２０の内壁と一定の
間隙を有するバッファ板５４が存在する。さらに端板５
０．５２間には、中空の多数のチューブ５６が、パンフ
ル板５４を貫通して接続されており、チューブ５６の接
合端部は、端板５０．５２と空気を密封する。

端板５０”の中心孔に、圧縮機出口没前後４ｂの中心孔
を有する延長部２８が接続され、接続部にて、空気を密
封する。

端板５２の中心孔とスペーサ１２ａの中心孔は、円筒３
０ｂにより接続され、両端接続部は、空気を密封する。

前段中心孔を流れる抽気すは、パンフル板５４の圧縮機
空間６２に入り、デイスタンドピース２０の内面近傍の
空間を通って、タービン側空間６４に入り、円筒３０ｂ
を経由して、２段冷却翼１０ｂ冷却空気となる。出口段
の油気は、延長部４ｏの形成する環状部４６を出た後、
端板５ｏに接続されたチューブ５６内に流入し、デイス
タンドピース２Ｑとホィール１４ａ９円１３０ｂにて定
義された空間へ流出し、初段冷却翼１０ａの冷却空気と
なる。

第６図及び第７図には熱交換を積極的に行なわせるさら
に他の実施例が示されている。

すなわち第６図は熱交換を促進させるため、熱交換面積
を増加する効果を有するフィン１００を。

円筒３０の外表面に複数個配設したものである。

このものであると前述の実施例に比較し、部品数や工数
少なくして、すなわち製造容易にして熱交換効率を向上
させることができる。

又第７図は円筒自体に波形３０ａを設けたものであって
、これてあっても前述実施例と同様な効果が得られる。

本発明における初段動翼の冷却効果は、例えば３０ＭＷ
定格出力ガスタービンに適用した場合下記となる。

初段動翼冷却空気流量３ｋｇ／Ｓ、温度３６６℃。

２段動翼冷却空気流量１．５ｋｇ／Ｓ、温度２５０℃、
また、熱交換器の伝熱面積を、５ｒｎ’とすると。

初段動翼冷却空気流量３５ｋｇ／Ｓ、温度３６６℃。

２段動翼冷却空気温度は、３４２℃となり約１２℃低下
する。これ冷却空気を使うと、初段動翼のメタル温度は
、平均約６℃低下し、クリープ破断寿命は、約１．２倍
となる。また、２膜冷却動翼ＬＯｂは、もともと寿命は
十分長く、冷却空気の温度上昇に上る寿命への影響は、
少ない。

尚以上説明してきた実施例において、中間段の油気を圧
縮機の中央部にしているが、この抽気は、２段冷却動翼
１０ｂを冷却し、外部へ排気されるため、２段冷却動翼
１０ｂの外部のガス圧力より高ければよく、この条件を
満たせば抽気段はどの段でも良いことは勿論である。

又、第２図の如く、圧縮機ディスク４外周の断面形状が
、低圧段において、平坦、中圧段において、傾斜を有し
、高圧段において、再度平坦となる圧縮機場合には、中
圧段と高圧段の接続部から抽気するのが最も望ましい。

なぜなら、この部分は、圧縮空気がハクリし流れが不安
定となりやすい。従って、油気を行なえば、ハクリによ
り生じた不安定撹乱を、ある程度除去することが可能と
なり、これは、圧縮機の不安定流動に対する低力を増加
する結果となるからである。

尚初段動翼の冷却空気は圧縮機の最終段より取入れられ
るように説明してきたが、この冷却空気も常にこの部分
から取入れなければならないわけではなく、たとえば第
８図に示すように圧縮機の吐出空気から抽気するように
してもよい。

すなわち、第８図は、圧縮機ロータ２ａとタービンロー
タに挟持されたデイスタンドピース２０の外表面の近傍
に、周方向に複数個の開口部を有するペリフェラルファ
ン１０５を設けたもので、圧縮機吐出空気は一部パッキ
ン間隙からリークし、ペリフェラルファンの近傍に達す
る。ここで、ロータ回転により、デイスタンドピース２
０の外部から内部へ吸引される。吸引された油気はロー
タ中央部の比較的温度が低い抽気熱交換を行ない初段動
翼の冷却空気入口に近ずく。

本例の油気は、前述の例と比較し、空気圧力が高いため
、冷却構造が複雑化した圧損の大きい初段動翼に、使用
すると有効である。

又以上の説明では、圧縮機の中段部より抽出した圧縮空
気を２段目の動翼に供給するように説明したが、たとえ
ば圧縮機後段より抽出した圧縮空気と熱交換したのちガ
スタービンの排気道へ排出させるようにしてもよい。

第９図はその一実施例を示すもので、比較的温度の低い
油気は、圧縮機前段から、ロータ内部へ導入される。こ
の抽気は、ロータの中心部を通過しタービン最終段のス
タブシャフトの孔より、大気へ放出される。この例の特
徴は、熱交換する抽気温度が低いため初段動翼１０ａを
冷却する比較的温度の高い油気が、効果的に冷却される
ことである。

このように圧縮機の中段部より抽出した空気はいずこへ
排出してもよく、要は圧縮機後段より抽出された高圧の
圧縮空気と圧縮機の中段より抽出された圧縮空気（前記
圧縮機後段より抽出された圧縮空気より圧力は低い、又
温度も低い）とを熱交換させることが重要なのである。

すなわち雨音間で熱交換が行なわれることは、最も高い
圧力が必要で、かつ温度が高くなっている初段！ｔｌＪ
翼冷却空気を、圧力は高く保ちながら、かつ温度を低く
てきるので、初段動翼への供給量が少なくてすみ、すな
わち！ｅ］翼表面に設けられている冷却孔を減すること
ができるので、燃焼ガスが動翼を通過するとき冷却空気
から受ける外乱が少なくなり動翼の翼形損失を充分域す
ることができるのである。

〔発明の効果〕

以上種々述へてきたように、本発明のガスタービンによ
れば、初段の動翼を冷却している冷却空気供給部分に、
冷却空気を冷却する熱交換手段を設け、この熱交換手段
の媒体として、圧縮機の中段部より抽出した圧縮空気を
用いるようになしたから、特に他の特殊な冷却媒体や装
置を用いることなく最も高温になりがちな動翼の冷却が
充分なされるので、動翼の冷却のために動翼表面に設け
られているシヤワ冷却孔の数を減することができ。

したがって燃焼ガスが動翼を通過するとき、シヤワ冷却
孔から排出される冷却空気から受ける外乱が少なくなり
、動翼の翼形損傷を減少さ仕ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスタービンの一実施例を示す一部縦
断側面図、第２図はその回転子の一実施例を示す縦断側
面図、第３図は同しく回転子の他の実施例を示す縦断側
面図、第４図は従来のガスタービンの要部断面図、第５
図はその回転子を示す縦断側面図、第６図及び第７図は
本発明の池の実施例を示す回転子要部断面図、第８図及
び第９図は同じくさらに他の実施例を示す回転子断面図
である。 ＩＡ　燃焼器、２Ａ・圧縮機、３Ａ・タービン、２・・
圧縮機翼（圧縮質）、１０・・・動翼、３０　内筒、　
３４　ａ　、　３４　ｂ−抽気口（抽出手段）、４４第 ６ 図 第 図 ２ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて駆動され
   るとともにその表面に冷却孔を有する動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、かつ燃焼器用の圧縮空気
   を発生する圧縮機と、 前記圧縮空気の一部を抽出し、該抽出した空気を前記動
   翼の冷却空気として動翼に供給する冷却空気供給装置と
   、 を備えたガスタービンにおいて、 前記冷却空気供給装置に、前記冷却空気を冷却する熱交
   換手段を設け、 該熱交換手段の冷却媒体として前記圧縮機の中段部より
   抽出した圧縮空気を用いるようにしたことを特徴とする
   ガスタービン。 ２、回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて駆動され
   るとともにその表面に冷却孔を有する動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、かつ燃焼器用の圧縮空気
   を発生する圧縮機と、 前記圧縮空気の一部を抽出し、該抽出した空気を前記動
   翼の冷却空気として動翼に供給する冷却空気供給装置と
   、 を備えたガスタービンにおいて、 前記冷却空気供給装置に、冷却空気を冷却する熱交換手
   段を設けるとともに、 該熱交換手段を回転側に乗置させるようにしたことを特
   徴とするガスタービン。 ３、前記熱交換手段を回転軸心に配置するようにしたこ
   とを特徴とする請求項２記載のガスタービン。 ４、前記熱交換手段を同心二重路に形成し、かつその内
   側路に冷却空気の冷却媒体を流通させるようにしたこと
   を特徴とする請求項２記載のガスタービン。 ５、回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて駆動され
   るとともに、その表面に冷却孔を有する動翼と、 該動翼の駆動により駆動され、かつ燃焼器の燃焼用圧縮
   空気を発生する圧縮機と、 前記燃焼用圧縮空気の一部を抽出し、該抽出空気を前記
   動翼の冷却空気として動翼に供給する冷却空気供給装置
   と、 を備えたガスタービンにおいて、 前記冷却空気供給装置に、前記抽出空気の熱を奪う熱交
   換手段を設け、該熱交換手段の冷却媒体として、圧縮機
   の中段部より抽出した圧縮空気を用いるようにしたこと
   を特徴とするガスタービン。 ６、回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて駆動され
   るとともに、その表面及び内部に冷却孔を有する動翼と
   、 該動翼の駆動により駆動され、燃焼器の燃焼用圧縮空気
   を発生させる圧縮機と、 該圧縮機にて発生した圧縮空気の一部を、前記動翼の冷
   却媒体として、動翼の冷却孔に導びく通風路と、 を備えたガスタービンにおいて、 前記通風路中に、動翼の冷却媒体を冷却する熱交換器を
   設け、かつ前記圧縮機の部分に、前記動翼冷却媒体の圧
   力よりは低い圧力の圧縮空気を抽出する抽出手段を設け
   、該抽出手段にて抽出された圧縮空気を、前記熱交換器
   の冷媒として用いるようにしたことを特徴とするガスタ
   ービン。 ７、燃焼器にて発生した高温高圧ガスにより駆動され、
   高温高圧ガスの噴流エネルギを回転エネルギに変換する
   複数段の動翼と、 該動翼が植設され、かつ回転可能に支持された回転軸と
   、 該回転軸に結合され、前記燃焼器の燃焼用圧縮空気を発
   生する圧縮機と、 を備えた、前記燃焼用圧縮空気の一部を抽出し、該抽出
   した空気にて前記動翼を冷却するようになしたガスター
   ビンにおいて、 前記圧縮空気の一部を抽出するに際し、圧力の異なる複
   数種類の圧縮空気を抽出するとともに、圧力の低い圧縮
   空気と圧力の高い圧縮空気との間で熱交換を行い、かつ
   圧力の高い圧縮空気にて前記動翼の冷却を行うようにし
   たことを特徴とするガスタービン。 ８、前記回転軸内を少なくとも二重の中空軸に形成し、
   夫々の空間に圧力の異なる圧縮空気が流通せしめるとと
   もに、その中空仕切り壁間で内外の圧縮空気の熱交換を
   行なわせるようにしたことを特徴とする請求項３記載の
   ガスタービン。 ９、前記回転軸を二重の中空軸に形成するとともに、そ
   の内側空間を前記圧力の低い抽出空気の流通路となし、
   外側空間を、前記圧力の高い抽出空気の流通路となし、
   かつ両者圧縮空気を仕切つている中空仕切壁を介して両
   者圧縮空気の熱交換を行うようにしたことを特徴とする
   請求項３記載のガスタービン。 １０、燃焼器にて発生した高温高圧ガスにて駆動され、
   かつその表面に冷却孔を有する動翼と、該動翼が植設さ
   れ、かつ回転自在に軸支された回転軸と、 該回転軸上に軸方向に複数段並設され、前記燃焼器の燃
   焼用圧縮空気を発生する圧縮翼と、を備え、 前記圧縮翼により圧縮された燃焼用空気の一部を、前記
   動翼の冷却空気として抽出するようになしたガスタービ
   ンにおいて、 前記圧縮翼の中段部近傍に、圧縮空気の一部を抽出する
   弱圧空気抽出手段を設け、該手段にて抽出された空気に
   より、前記動翼冷却用の空気を冷却するようにしたこと
   を特徴とするガスタービン。 １１、燃焼器にて発生した高温高圧ガスにて駆動され、
   かつ該ガスの噴流方向に複数段並設された動翼と、 該動翼が植設され、かつ回転自在に軸支された回転軸と
   、 該回転軸上に軸方向に複数段並設され、前記燃焼器の燃
   焼用圧縮空気を発生する圧縮翼と、を備え、前記圧縮翼
   により圧縮された燃焼用空気の一部を、前記動翼の冷却
   空気として抽出するようになしたガスタービンにおいて
   、 前記圧縮翼の後段部近傍と中段部近傍とに、夫々圧縮空
   気を抽出する空気抽出手段を設け、後段部の空気抽出手
   段の圧縮空気にて、前記前段部に配置されている動翼を
   冷却し、かつ中段部の空気抽出手段の圧縮空気にて、前
   記後段部の圧縮空気を冷却するとともに、前記中段部に
   配置されている動翼を冷却するようにしたことを特徴と
   するガスタービン。 １２、回転側に配置され、燃焼器の噴出ガスにて駆動さ
   れるとともに、その表面にシヤワ冷却孔を有する動翼と
   、 該動翼の駆動により駆動され、前記燃焼器の燃焼用圧縮
   空気を発生する圧縮機と、 該圧縮機の圧縮室にその一方が連通し、他方が前記動翼
   の冷却孔に連通した冷却空気路と、を備え、 燃焼用圧縮空気の一部にて動翼をシヤワ冷却するように
   なしたガスタービンにおいて、 前記冷却空気路内に、熱交換装置を設けるとともに、前
   記圧縮機の圧縮中段部に、弱圧空気を抽出する抽出手段
   を設け、該抽出手段にて抽出された弱圧空気を、前記熱
   交換装置の熱変換媒体としたことを特徴とするガスター
   ビン。 １３、固定側には、 高温高圧ガスを発生する燃焼器と、 該燃焼器を支持するケーシングとを備え、 回転子側には、 前記燃焼器の高温高圧ガスにて駆動され、かつシヤワ冷
   却孔を有する複数段の動翼と、 前記燃焼器に用いる圧縮空気を発生させる複数段の圧縮
   動翼と、 該圧縮動翼の最終段近傍の空間にその一方端が結合され
   、かつ他方端が前記動翼のシヤワ冷却孔に連通した通風
   筒とを備え、 燃焼用の圧縮空気の一部にて動翼をシヤワ冷却するよう
   になしたガスタービンにおいて、前記通風筒の動翼側端
   部を初段動翼のみに連通させるようになし、かつ、 前記通風筒内に、 一方端が前記圧縮動翼の中段部近傍の空間に結合され、
   他方端が前記二段以降の動翼のシヤワ冷却孔に連通した
   熱伝導良好な内筒を、 設けるようにしたことを特徴とするガスタービン。 １４、前記圧縮動翼の取付部径を、軸方向中段部で不連
   続となるように形成し、該不連続部の空間に前記内筒の
   一方端が連通するように形成したことを特徴とする請求
   項９記載のガスタービン。 １５、前記内筒の内外壁面の少なくとも一方に、壁面の
   表面積を増大させるピンを設けるようにしたことを特徴
   とする請求項１０記載のガスタービン。