JPH0629521B2 - ガスタ−ビンロ−タの冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、圧縮機からの圧縮空気の一部をタービンデ
ィスクおよびタービン動翼へ導いてこれらタービン動翼
等を冷却するガスタービンロータの冷却装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、ガスタービンにおいては、その性能および効率
を向上させるために、タービンガス温度を高温化させる
ことが不可欠となっている。一方、このタービンガス温
度の高温化に伴い、ガスタービンの信頼性を向上させる
ため、タービン動翼およびタービンディスクを冷却する
必要がある。

このような冷却装置として、圧縮機の圧縮空気の一部あ
るいは抽気を直接タービンディスクおよびタービン動翼
へ導く第５図に示す装置が従来提案されている（ガスタ
ービン学会誌、１９８１年ＶｏＬ．９，ＮＯ．３３，Ｐ
２２〜Ｐ２９）。

この冷却装置では、圧縮機１からの抽気は回転軸３の中
心孔５に流入し、この中心孔５からタービンロータ初段
ディスク７Ａの中心孔９Ａを通り、一部はタービンロー
タ初段ディスク７Ａとタービンロータ第２段ディスク７
Ｂとの間に流入する。そして、この圧縮空気の一部は冷
却空気としてタービンディスク端面を冷却しながら、ス
ペーサ１１に刻設されたスリット１３を通りタービン動
翼１５Ａへ導かれる。また、タービンロータ初段ディス
ク７Ａの中心孔９Ａへ導かれた他の一部の圧縮空気は、
タービンロータ第２段ディスク７Ｂの中心孔９Ｂからタ
ービンロータ第２段および第３段ディスク７Ｂ，７Ｃ間
を通り、同様にタービンディスク端面を冷却するととも
に、スペーサ１７に刻設されたスリット１９を通ってタ
ービン動翼１５Ｂ，Ｃを冷却する。

しかしながら、この冷却装置では、タービンロータディ
スク７Ａ，Ｂ，Ｃに中心孔９Ａ，Ｂ，Ｃが必要となる。
一般に、回転円盤に中心孔がある場合には、遠心力によ
り生ずる応力が中心孔部分で最大となる。この応力レベ
ルは、中心孔がない回転円盤の最大応力に比べ約２倍に
達する。そのため、タービンロータディスク７Ａ，Ｂ，
Ｃの中心孔９Ａ，Ｂ，Ｃ部分での低サイクル疲労が問題
となり、ガスタービンの信頼性低下の一因となってい
る。そこで、このタービンロータディスク７Ａ，Ｂ，Ｃ
の寿命を延すために、中心孔９Ａ，Ｂ，Ｃ部分に応力緩
和処置を施す必要がある。例えば、予めタービンロータ
ディスクを高速回転させ、遠心力により中心孔部分９
Ａ，Ｂ，Ｃを塑性変形させて残留圧縮応力を生じさせる
等である。さらに、タービンロータディスク７Ａ，Ｂ，
Ｃの中心孔９Ａ，Ｂ，Ｃの内面を傷がないように十分研
磨しておくことも必要となる。

また、タービンディスクおよびタービン動翼を冷却する
他の冷却装置として、圧縮機からの圧縮空気の一部を圧
縮機吐出ケーシングの内筒（第５図における符号２１）
の内側空間に流入させ、ここから直接タービン動翼へ導
くものがある。ところが、この場合には、圧縮空気の一
部たる冷却空気が軸受（第５図における符号２３）周り
の空間内を流動するため、この軸受から漏出した潤滑油
がオイルミストとして混入し、冷却空気が汚染されるこ
とになる。その結果、このオイルミスト等により、ター
ビンディスクからタービン動翼へ冷却空気を導く冷却空
気通路が閉塞されて、ガスタービンの健全性を確保でき
ない虞れがある。

〔発明の目的〕

この発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、
ガスタービンの信頼性を向上させるとともにその健全性
を確保することができるガスタービンロータの冷却装置
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、この発明に係るガスタービ
ンロータの冷却装置は、圧縮器からの圧縮空気の一部を
中間回転軸の中心孔を介してダービンロータディスクお
よびタービン動翼へ冷却空気として導くガスタービンの
冷却装置において、上記中間回転軸に上記ダービンロー
タディスクを覆うロータディスクカバーを設けてタービ
ンロータディスクとの間に冷却通路キャビィティを形成
し、この冷却通路キャビィティに連通し前記タービン動
翼へ到る冷却空気通路孔を上記タービンロータディスク
に形成して、前記中間回転軸の中心孔からの冷却空気を
上記冷却通路キャビィティおよび冷却空気通路孔から上
記タービン動翼へ導く一方、上記ロータディスクカバー
の先端部に対応するタービンロータディスクにロータデ
ィスク張出部を設け、このロータディスク張出部と上記
ロータディスクカバーとの間に間隙が設けられ、このロ
ータディスクカバーの先端部全周に半円弧状の凹部が設
けられ、この凹部に嵌合し且つ上記ロータディスク張出
部と当接する丸棒状のシールピンを設けたものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図および第２図はこの発明に係るガスタービンロー
タの冷却装置の一実施例を示す説明図である。

ガスタービンロータ３１は、タービンロータ３３、圧縮
機ロータ３５および中間回転軸３７から構成される。ま
た、このガスタービンロータ３１は、中間回転軸３７に
設けられたジャーナル軸受３９および圧縮機ロータ３５
の上流側に設けられた同様な軸受により支持される。

中間回転軸３７は中心孔４１を有するものであり、両端
にフランジ部４３Ａ，Ｂが一体に形成される。また、こ
の中間回転軸３７は、圧縮機吐出ケーシング内筒４４に
被冠して設けられる。

一方、タービンロータ３３は、タービンロータディスク
４５が数枚重ね合され、これらがタイボルト４７および
ナット４９により結合されて構成される。また、タービ
ンロータ３３は、中間回転軸３７のフランジ部４３Ａ
に、上記タイボルト４７およびナット６９により一体的
に取り付けられる。さらに、各タービンロータディスク
４５は、中心孔が存在しない円盤形状に形成される。そ
して、各タービンロータディスク４５には、複数のター
ビン動翼５０が周方向に植設される。

他方、圧縮機ロータ３５は、圧縮機ロータディスク５１
が数枚重ね合され、これらがタイボルト５３およびナッ
ト５５により結合して構成される。また、この圧縮機ロ
ータ３５は、上記ボルト５３およびナット５５により中
間回転軸３７のフランジ部４３Ｂに一体的に取り付けら
れる。また、各圧縮機ロータディスク５１には、複数の
圧縮機動翼５６が周方向に植設される。

さて、このガスタービンロータ３１には、圧縮機ロータ
３５からの圧縮空気の一部を、中間回転軸３７の中心孔
４１からタービンロータディスク４５およびタービン動
翼５０へ導く冷却空気通路５７が形成される。この冷却
空気通路５７は、圧縮機最終段動翼部キャビティ６０お
よび冷却通路第１，第２，第３，第４，第５，第６キャ
ビティ６１，６３，６６，６７，７９，８１ならびにス
リット５９，６５、さらに冷却通路孔８３Ａ，Ｂ，Ｃ，
８５から構成される。

まず、スリット５９は、圧縮機最終段ロータディスク５
１Ａと結合するフランジ部４３Ｂに設けられる。このス
リット５９はフランジ部４３Ｂの半径方向に延在し、こ
のフランジ部４３Ｂの周方向全域に亘って放射状に形成
される。したがって、圧縮機最終段ロータディスク５１
Ａ先端部および圧縮機吐出ケーシング内筒４４に囲まれ
た冷却通路第１キャビティ６１とフランジ部４３Ｂおよ
び圧縮機最終段ロータディスク５１基部に囲まれた冷却
通路第２キャビティ６３とが、スリット５９により連通
可能に設けられる。なお、冷却通路第１キャビティ６１
は圧縮機最終段動翼部キャビティ６０と、また冷却通路
第２キャビティ６３は、中間回転軸３７の中心孔４１と
それぞれ連通して形成される。

次に、スリット６５は、中間回転軸３７のフランジ部４
３Ａに結合するタービンロータ初段ディスク４５Ａに刻
設される。このスリット６５はタービンロータ初段ディ
スク４５Ａの半径方向に延在し、このタービンロータ初
段ディスク４５Ａの周方向全域に亘って放射状に形成さ
れる。このスリット６により、タービンロータ初段ディ
スク４５Ａの基部およびフランジ部４３Ｂに囲まれた冷
却通路第３キャビティ６６と冷却通路第４キャビティ６
７とが連通可能に構成される。なお、冷却通路第３キャ
ビティ６６は、中間回転軸３７の中心孔４１と連通状態
に形成される。

ここに、冷却通路第４キャビティ６７は、タービンロー
タ初段ディスク４５Ａの先端部およびロータディスクカ
バー６９に囲まれて形成される。このロータディスクカ
バー６９はリング形状に形成され、フランジ部４３Ａの
先端部全周に一体または一体的に設けられる。また、ロ
ータディスクカバー６９の先端部に対応するタービンロ
ータ初段ディスク４５Ａには、ロータディスク張出部７
１が一体または一体的に設けられる。このロータディス
ク張出部７１とロータディスクカバー６９との先端部
は、第３図に示すように、それぞれ７°の傾斜を有して
形成され、さらに両者７１，６９間に間隙７３が設けら
れる。この間隙７３はロータディスクカバー６９および
ロータディスク張出部７１の熱膨張差および両者の遠心
力による半径方向伸縮差を考慮して設定される。

また、ロータディスクカバー６９の先端部全周には半円
弧状の凹部７５が設けられる。そして、この凹部７５に
丸棒状のシールピン７７が嵌合される。このシールピン
７７は一箇所が切断されたリング形状に形成される。こ
のシールピン７７とロータディスク張出部７１との当接
により、冷却通路第４キャビティ６７からの冷却空気の
漏洩が防止される。

また、タービンロータ初段ディスク４５Ａの動翼植込部
には、第２図に示すように冷却通路第５キャビティ７９
が設けられる。さらに、タービンロータ初段ディスク４
５Ａとタービンロータ第２段ディスク４５Ｂとの間には
冷却通路第６キャビティ８１が形成される。そして、タ
ービンロータ初段ディスク４５Ａの先端部には冷却通路
孔８３Ａ，Ｂが穿設される。これらの冷却通路孔８３
Ａ，Ｂは、冷却通路第５、第６キャビティ７９，８１に
それぞれ連通され、かつ冷却通路第４キャビティ６７に
連通して設けられる。また、タービン初段動翼５０Ａ
に、冷却通路第５キャビティ７９に連通する冷却通路孔
８５が設けられる。したがって、冷却通路第４キャビテ
ィ６７に導かれた冷却空気は、冷却通路孔８３Ａ、冷却
通路第５キャビティ７９および冷却通路孔８５に順次導
かれて、タービン初段動翼５０Ａを冷却可能とする。

また、第１図に示すように、タービンロータ第２段ディ
スク４５Ｂの動翼植込部にも、冷却通路第５キャビティ
７９および冷却通路孔８３Ｃがタービンロータ初段ディ
スク４５Ａと同様に穿設される。また、タービン第２段
動翼５０Ｂにも、冷却通路第５キャビティ７９に連通す
る冷却通路孔８５が設けられる。したがって、冷却通路
第４キャビティ６７内の冷却空気は、冷却通路孔８３
Ｂ、冷却通路第６キャビティ８１、冷却通路孔８３Ｃ、
冷却通路第５キャビティ７９および冷却通路孔８５へ導
かれて、タービン第２段動翼５５Ｂを冷却可能とする。

次に、作用を説明する。

ガスタービンの通常運転中に、圧縮機最終段動翼部キャ
ビティ６０内の圧縮空気の一部は冷却通路第１キャビテ
ィ６１へ導かれ、この冷却通路第１キャビティ６１から
スリット５９を通過し、冷却通路第２キャビティ６３を
経て中間回転軸３７の中心孔４１内へ流入する。中心孔
４１内へ流入した圧縮空気の一部は冷却通路第３キャビ
ティ６６内に流入してタービンロータ初段ディスク４５
Ａを冷却するとともに、スリット６５を経て冷却通路第
４キャビティ６７内へ流入する。冷却通路第４キャビテ
ィ６７に流入した冷却空気は、冷却通路孔８３Ａ，Ｂへ
導かれる。

冷却通路８３Ａへ導かれた冷却空気は、冷却通路第５キ
ャビティ７９から冷却通路孔８５へ流入しタービン初段
動翼５０Ａを冷却する。また、冷却通路孔８３Ｂへ流入
した冷却空気は、冷却通路第６キャビティ８１内へ導か
れてタービン初段動翼５０Ａとタービン第２段動翼５０
Ｂとのシール空気となる。さらに、この冷却通路第６キ
ャビティ８１内へ導かれた冷却空気は、冷却通路孔８３
Ｃおよび冷却通路第５キャビティ７９を経て、冷却通路
孔８５へ流入し、タービン第２段動翼５０Ｂを冷却す
る。

上記実施例によれば、中間回路軸３７の中心孔４１内の
冷却空気を、中間回転軸３７のフランジ４３Ａとタービ
ンロータ初段ディスク４５Ａとで囲まれるケーシング通
路第３キャビティ６６へ導き、ここから冷却通路第４キ
ャビティを経てタービン初段および第２段動翼５０Ａ，
Ｂへ導くようにしたことから、タービンロータディスク
４５Ａ，Ｂに中心孔を設ける必要がない。したがって、
タービンロータディスク５０Ａ，Ｂの回転時において、
このタービンロータディスク５０Ａ，Ｂに生ずる低サイ
クル疲労が低減される。その結果、ガスタービンの信頼
性を向上させることができる。

また、圧縮機最終段動翼部キャビティ６０からの圧縮空
気の一部を中間回転軸３７の中心孔４１を経てタービン
初段および第２段動翼５０Ａ，Ｂに導くようにしたこと
から、冷却空気がジャーナル軸受３９を通過することが
ない。したがって、冷却空気がジャーナル軸受け３９の
潤滑油に基くオイルミストによって汚染されることがな
い。その結果、タービン初段および第２段動翼５０Ａ，
Ｂに穿設された冷却通路孔８３Ａ，Ｂ，Ｃ，８５がオイ
ルミストにより閉塞されることがなく、これらタービン
初段および第２段動翼５０Ａ，Ｂの冷却が好適に行なわ
れて、ガスタービンの健全性を確保することができる。

第４図は、この発明に係るガスタービンの冷却装置にお
ける第２実施例を示す要部拡大図である。この第２実施
例において、第１実施例と同様な部分は同一符号を付す
ことにより説明を省略する。

この第２実施例が第１実施例と異なる点は、ロータディ
スクカバー６９にシールピン７７が設けられず、かつタ
ービンロータ初段ディスク４５Ａにロータディスク張出
部７１が設けられず、ロータディスクカバー６９にシー
ルプレート８７が設けられたことである。このシールプ
レート８７は、ロータディスクカバー６９の全周に一体
または一体的に設けられる。さらに、このシールプレー
ト８７は、タービンロータ初段ディスク４５Ａのタービ
ン動翼植込部８９の側面に対向して配置される。これら
シールプレート８７とタービン動翼植込部８９の側面と
には間隙が設けられる。この間隙は、これら両部材の熱
膨張差および遠心力による伸縮差を考慮してある程度の
滑りが許容できるように設定される。

この第２実施例においても、第１実施例と同様な効果を
奏することができる。さらにこの第２実施例によれば、
シールプレート８７にて冷却通路第４キャビティ６７の
気密が保持されることから、前記第１実施例のシールピ
ン７７に比べ冷却通路第４キャビティ６７からの冷却空
気のリーク量を低減することができ、冷却効率を向上さ
せることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係るガスタービンロータの冷
却装置によれば、中間回転軸にタービンロータディスク
を覆うディスクカバーを設けてタービンロータディスク
との間に冷却通路キャビティを形成し、この冷却通路キ
ャビティに連通しタービン動翼へ到る冷却通路をタービ
ンロータディスクに形成して、中間回転軸の中心孔から
の冷却空気を冷却通路キャビティおよび冷却空気通路孔
からタービン動翼へ導くようにしたことから、タービン
ロータに中心孔を形成する必要がなく、したがってター
ビンロータディスクの低サイクル疲労を低減してガスタ
ービンの信頼性を向上させることができる。と同時に、
タービン動翼へ導かれる冷却空気がオイルミスト等によ
り汚染されることがなく、したがって冷却空気通路孔の
閉塞が防止され、ガスタービンの健全性を確保すること
ができるという効果を奏する。

また、ロータディスク張出部とロータディスクカバーと
の間に間隙が設けられ、このロータディスクカバーの先
端部全周に半円弧状の凹部が設けられ、この凹部に嵌合
し且つ上記ロータディスク張出部と当接する丸棒状のシ
ールピンを設けたことにより、冷却通路キャビティから
の冷却空気の漏洩が防止される一方、ロータディスク張
出部およびロータディスクカバーの熱膨張による伸びを
吸収するとともに、その熱膨張によりシールピンが転が
る際の摩擦抵抗でロータディスク張出部およびロータデ
ィスクカバーの変形を防止することができる。

したがって、タービン動翼に伸び差が発生することがな
いので、ガスの持つエネルギーを十分活用することがで
き、所定の回転トルクを維持し、且つタービン効率を所
望の状態に維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るガスタービンロータの冷却装置
の一実施例を適用したガスタービンロータを示す半断側
面図、第２図は第１図の要部を拡大して示す半断側面
図、第３図は第２図のロータディスクカバー先端部を拡
大して示す断面図、第４図はこの発明に係るガスタービ
ンロータの冷却装置における第２実施例の要部を示す断
面図、第５図は従来のガスタービンロータの冷却装置を
適用したガスタービンロータを示す半断側面図である。 ３１……ガスタービンロータ、３３……タービンロー
タ、３５……圧縮機ロータ、３７……中間回転軸、４１
……中心孔、４５……タービンロータディスク、５０Ａ
……タービン初段動翼、５０Ｂ……タービン第２段動
翼、６５……スリット、６７……冷却通路第４キャビテ
ィ、６９……ロータディスクカバー、８３Ａ，８５……
冷却通路孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮器からの圧縮空気の一部を中間回転軸
   の中心孔を介してダービンロータディスクおよびタービ
   ン動翼へ冷却空気として導くガスタービンの冷却装置に
   おいて、上記中間回転軸に上記ダービンロータディスク
   を覆うロータディスクカバーを設けてタービンロータデ
   ィスクとの間に冷却通路キャビィティを形成し、この冷
   却通路キャビィティに連通し前記タービン動翼へ到る冷
   却空気通路孔を上記タービンロータディスクに形成し
   て、前記中間回転軸の中心孔からの冷却空気を上記冷却
   通路キャビィティおよび冷却空気通路孔から上記タービ
   ン動翼へ導く一方、上記ロータディスクカバーの先端部
   に対応するタービンロータディスクにロータディスク張
   出部を設け、このロータディスク張出部と上記ロータデ
   ィスクカバーとの間に間隙が設けられ、このロータディ
   スクカバーの先端部全周に半円弧状の凹部が設けられ、
   この凹部に嵌合し且つ上記ロータディスク張出部と当接
   する丸棒状のシールピンを設けたことを特徴とするガス
   タービンロータの冷却装置。