JPH1018802A - 冷媒回収型ガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷媒経路からロータ軸体，あるいはロータ部材
への伝熱を構造簡単にして遮蔽することができ、動翼へ
の供給冷媒と回収冷媒の温度差に起因して生ずるロータ
構成部材の熱応力を低減することが可能な冷媒回収型ガ
スタービンを提供する。 【解決手段】動翼２５を冷却する冷却媒体の供給および
回収がロータ部材内に形成さた冷媒流通路を介して行わ
れるように形成されている冷媒回収型ガスタービンにお
いて、前記ロータ部材内に形成されている冷媒流通路内
に、この流路径より小さな径を有する遮熱管６５を装着
するとともに、この遮熱管の内部に動翼冷却用の冷媒を
流通させ、かつ遮熱管の外壁と前記流路内壁の間，すな
わち隙間の流路７０に遮熱管内の冷却媒体とは温度の異
なる冷却媒体を流通させるように形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動翼を冷却した後
の冷却媒体を回収するように形成されている翼冷媒回収
型ガスタービンの改良に係わり、特に冷却媒体を供給お
よび回収する冷媒流通路がタービンロータの内部に形成
されている翼冷媒回収型ガスタービンに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているガスタービン
は、空気（大気）を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧
縮された空気と燃料とを燃やして高温の燃焼ガスを生成
する燃焼器と、動力を発生するタービン部とを有してい
る。燃焼器では、１４００℃級以上の燃焼ガスが生成さ
れ、この温度が高いほど出力を大きくすることができ
る。

【０００３】タービン部は、さらに、燃焼ガスの通路
（以下、ガスパス）、静翼、動翼、およびタービンロー
タからなり、燃焼ガスがガスパスを流れることによって
ロータが高速回転し、動力を発生する。タービンロータ
は、段数と同数のディスクをボルトで締結して構成され
ており、初段側には圧縮機ロータ、最終段側には回転軸
を有する。ディスクの外周には、動翼が翼根元のダブテ
ールを介して固着されている。

【０００４】ロータ内部には、動翼に冷媒を供給する供
給系統と、動翼から冷媒をロータ外に回収する回収系統
が構成されている。供給系統は主としてディスク間の空
間部（以下、キャビティ）を利用して形成され、回収系
統は、主としてディスク等の構成部材に穿孔して冷媒の
流れる範囲を制限するように形成されている。冷媒とし
ては、空気、蒸気、その他のガスが適用されている。

【０００５】ガスタービンにおいて最も高温に曝される
翼は、翼材料の耐熱にも限界があることから充分な冷却
が要求される。翼の冷却手段の一つの例として、翼の内
部に冷媒流路を設け、この冷媒流路に冷却媒体，すなわ
ち冷媒を流通させ、翼を内部から冷却するものがある。
この場合、冷却に供した冷媒を翼の表面から高温の燃焼
ガス中に排出するものと、冷却に供した冷媒を回収する
いわゆるクローズド冷却のものがある。

【０００６】このクローズド冷却（翼冷却冷媒回収）型
ガスタービンにおいて、動翼に冷媒を供給あるいは排出
するには、ロータの内部に冷媒流通路を設け、この冷媒
流通路を経由して行うのが最も簡便であり、現在では最
も多く採用されている。動翼に供した冷媒を回収するこ
とによって、動翼から高温の燃焼ガス中に冷媒を放出す
ることがなくなるために、冷媒を放出した際の希釈によ
る燃焼ガスの温度低下の問題や、ガスの流れを乱すこと
による圧力損失の問題等が回避でき、ガスタービンの効
率向上および特性上非常に有効な手段である。また、こ
の場合ロータの回転軸中心部近傍から回収することによ
って、冷媒の駆動動力を低減することができ、さらにガ
スタービンの効率向上を図ることができる。

【０００７】また、ガスタービンの排熱により蒸気を生
成して蒸気タービンを駆動するコンバインド発電プラン
トにおいては、蒸気の一部を利用してガスタービンの動
翼を冷却することにより、排熱を一層効果的に利用する
ことができ、さらに冷却空気に比べて伝熱的に優れた特
性を活かして翼の冷却効率を高めることにより、燃焼ガ
スを高温化できるためにコンバインドサイクルの効率は
大幅に向上する。

【０００８】この翼冷媒回収型ガスタービンの冷媒給排
路は、一般にはロータの内部，すなわちロータ軸の内部
に配管を設け、この配管によって冷媒の供給、回収経路
を構成したり、またロータ構成部材の内部に穿孔して冷
媒の供給、回収経路を構成するようにしている。なお、
この翼冷媒給排路の形成に関連するものとしては、例え
ば特開昭５４−１３８０９号公報あるいは特開平３−２
７５９４６号公報などが挙げられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このようにロータ軸体
の内部に冷媒流通路を有するガスタービンにおいては、
この冷媒流通路はロータとともに高速で回転することお
よび熱伸縮の関係から、その構造はできるだけ簡素であ
ることが必要であり、また応力集中を避けるためには、
流路の結合および流路の保持に際してねじ締結構造等は
極力避けなければならない。

【００１０】また、作動ガス温度が１４００℃以上のガ
スタービンにおいては、翼を冷却することによって冷媒
の温度上昇は２００度以上にも達するため、回収経路は
供給経路より２００度も高い環境に曝されることにな
り、ロータ軸体に穿孔によって形成した流路の場合には
その配置構成によっては、多大な熱応力が発生する恐れ
がある等、この冷媒の給排路の形成には難しい幾多の問
題点がある。

【００１１】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、冷媒経路からロータ軸体，あるい
はロータ部材への伝熱を構造簡単にして遮蔽することが
でき、動翼への供給冷媒と回収冷媒の温度差に起因して
生ずるロータ構成部材の熱応力を低減することが可能な
この種の冷媒回収型ガスタービンを提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、動翼
を冷却する冷却媒体の供給および回収がロータ部材内に
形成さた冷媒流通路を介して行われるように形成されて
いる冷媒回収型ガスタービンにおいて、前記ロータ部材
内に形成されている冷媒流通路内に、この流路径より小
さな径を有する遮熱管を装着するとともに、この遮熱管
の内部に動翼冷却用の冷媒を流通させ、かつ遮熱管の外
壁と前記流路内壁の間，すなわち隙間の流路に、遮熱管
内の冷却媒体とは温度の異なる冷却媒体を流通させるよ
うに形成し所期の目的を達成するようにしたものであ
る。

【００１３】また、この場合前記遮熱管内を流れる冷却
媒体が、動翼を冷却した後の回収冷媒である場合には前
記隙間流路に供給冷媒を流し、かつ遮熱管内を流れる冷
却媒体が、動翼を冷却する前の供給冷媒である場合には
前記隙間流路に回収冷媒を流すようにしたものである。

【００１４】また、前記隙間流路を形成するに際し、前
記遮熱管の外壁に、前記隙間流路を形成保持する突出リ
ブを設けるようにしたものである。また、この突出リブ
を螺旋状に形成するようにしたものである。

【００１５】すなわちこのように形成されている翼冷媒
回収型ガスタービンであると、ロータ内に動翼への冷媒
供給系統とロータ外に回収する回収系統を構成し、供給
経路をディスク間キャビティに形成する一方、ロータ構
成部材の内部に穿孔して回収経路を形成し、かつ回収流
路内にはリブを有する遮熱管を装着して、遮熱管と孔内
壁間の隙間流路に供給蒸気の一部を流すことにより、デ
ィスク外壁の大部分は供給冷媒に曝されるため、回収経
路から離れた部分はほぼ供給冷媒の温度に近い温度に安
定する。

【００１６】これに対して回収経路の周りは、供給冷媒
より２００℃以上も高温の回収冷媒によって熱が負荷さ
れる。この熱はリブを介して熱伝導によりディスク側に
流れるのと、遮熱管の外壁から隙間流路を流れるガスに
流れるが、部材に穿けた孔の内壁の大部分は低温の供給
冷媒によって保護されているために、回収冷媒からディ
スクに流れる熱は大幅に減少する。

【００１７】これにより、高速回転を伴う遮熱管をリブ
によって支持した状態で、ディスクの回収流路周りに発
生する熱応力が緩和され、ロータ温度分布の比較的均一
なクローズド冷却式のガスタービンの実現が可能とな
り、ひいては高効率のガスタービンとすることができ
る。また、供給経路をロータ部材の内部に形成し、回収
経路をディスク間キャビティに形成した場合において
も、熱の流れ方向は逆になるが、伝熱防止の原理は全く
同様であり、同等の効果が得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその冷媒回収型ガスタ
ービンのロータの要部が断面で示されている。この図
は、４段タービンの場合で、軸の端部に冷媒の供給口と
回収口を有する場合のロータの上半部構造を示してい
る。

【００１９】ロータ軸体１は、４個のディスク１１、１
２、１３、１４と、ディスク間に設けたスペーサ１６、
１７、１８および最終段ディスク１４の側面に配置した
回転支持軸２等の部材によって構成されており、スタッ
キングボルト６によって強固に締結されている。

【００２０】回転支持軸の２の中心部は仕切管３を介し
て２重管構造になっており、軸端には供給口４と回収口
５が配置されている。初段ディスク１１側には、ディス
タントピース７を介して、図示していないが、圧縮機ロ
ータが連結されている。

【００２１】各ディスクの外周には初段から４段までの
動翼２１、２２、２３、２４がダブティル２６を介して
ディスクの外周に植設されており、この中で初段動翼２
１から３段動翼２３までは翼の内部に熱負荷に見合った
構造の冷却流路２５等が形成されている。

【００２２】ダブティル２６部には翼に冷媒を導入する
導入口２７と排出口２８があり、初段ディスク１１の外
周部には、同口に対向してキャビティ３５、３８に連通
する供給孔５１と回収孔５５が形成され、翼と同じ個数
の孔が周方向に配置されている。２段および３段ディス
ク外周部においても、同様にしてキャビティ３６、３７
に連通する供給孔５２、５３、およびキャビティ３９、
４０に連通する回収孔５６、５７が形成されている。

【００２３】スペーサの側面には、ロータ軸体中心部の
キャビティ３１、３２、３３と外周部のキャビティ３
５、３６、３７がそれぞれ連通するように、複数個のス
リット４５、４６、４７が周方向に配置されている。

【００２４】一方、スペーサ１６の外周部からロータ軸
体のスタッキング接合部、回転支持軸２の円錐部にかけ
ては、多数の回収孔５５や５６から流出する冷媒の合流
の役目を担うキャビティ３８、３９、４０の部分を除
き、主としてロータ軸体構成部材に穿孔して回収経路６
１、６２、６３が形成されている。回収経路６２の中間
に位置するスペーサ１２の側面には、同回収経路と外周
側のキャビティ４０を連通する複数のスリット４８が形
成されており、経路の終端は軸端の回収口５に連通して
いる。遮熱管の外壁と孔の内壁間には、隙間流路６８、
６９、７０が形成されている。

【００２５】図２は、回収経路の構造をさらに分かりや
すくするために、図１のＡ部を拡大して示したものであ
る。遮熱管６６の外壁には螺旋状の突出部，すなわちリ
ブ７２が形成されており、その外周はディスクに穿孔し
た孔７１の内壁に接している。また遮熱管の終端近傍に
は、環状のリブ７３が形成されており、図３に示すよう
に、周方向に均等に配置した複数の切欠き溝７５が形成
されている。

【００２６】螺旋状のリブは、前図に示した遮熱管６５
および６７の外壁においても同様に形成されており、ま
た切欠き溝も、遮熱管６５においては切欠き溝７４、遮
熱管６７においては切欠き溝７６が同一目的で形成され
ている。さらに、回転支持軸内の遮熱管６７の中間位置
には、キャビティ３４と隙間流路７０が連通するよう
に、複数の連通孔７７が形成されている。

【００２７】図４は図２のＹ−Ｙ断面を示している。半
径方向に形成したスリット４６と軸方向に形成した回収
流路６２とは同一位相に形成されて交差しているが、遮
熱管６５によって仕切られているために連通することは
無く、また遮熱管の周囲には円形状の迂回路４９が形成
されて、スリット流路面積が確保されている。この構造
は、スペーサ１８のスリット４７部においても、全く同
様に形成されている。

【００２８】そこで図１において、圧縮空気を用いて生
成された燃焼ガス８がガスパス９を膨張しながら流れる
ことによってタービンロータ５が回転し、動力が発生さ
れる。この際、動翼は高温の燃焼ガスに曝されるために
多大な熱が負荷され、燃焼ガスの温度が１５００℃級の
ガスタービンでは、初段動翼でタービン出力の１．５％
（翼材料の許容温度を８５０℃として換算）以上にも達
する。

【００２９】この熱負荷から動翼を保護するために、軸
端の供給口４からロータ内に供給された冷媒は、ディス
ク中心孔１５を経た後、初段動翼２１へは中心部キャビ
ティ３１、スリット４５、外周部キャビティ３５および
供給孔５１、２段動翼２２へはキャビティ３２、スリッ
ト４６、外周部キャビティ３６および供給孔５２、さら
に３段動翼へはキャビティ３３、スリット４７および外
周部のキャビティ３７に至る供給経路を経て供給され
る。

【００３０】そして、初段動翼を冷却した後の冷媒は外
周部キャビティ３８、２段動翼を冷却した後の冷媒はキ
ャビティ３９を経た後に回収経路６１内で合流し、さら
に回収経路６２および６３を経て、軸端の回収経路５か
らロータ外に回収される。また３段動翼冷却後の冷媒は
キャビティ４０およびスリット４８を経た後に、回収経
路６２内で前段回収冷媒と合流して回収される。

【００３１】かかる冷媒の供給、回収経路を構成するこ
とによって、部材内部に形成した回収経路の周囲を除
き、ロータ軸体内部の大部分が供給冷媒に曝されるため
に、同冷媒の温度レベルに保持される。

【００３２】一方、前記した熱負荷によって冷媒の温度
は、比熱の大きい蒸気を用いた場合でも約２００度上昇
する。この冷媒がスタッキング接合部の部材内部を経由
する回収経路を流れることによって遮熱対策を施さない
単に孔のみの回収経路では、孔近傍のディスク内部に温
度勾配が形成されて多大な熱応力が発生する。また、同
部の熱膨張がディスクの中心部に対して引張力を及ぼす
ため、同中心部の応力をも増大ならしむる。

【００３３】これに対して本発明では、遮熱管の外側に
形成した隙間流路の一端が、スリット流路４６、４７の
迂回路および連通孔７７を介して供給経路に、他端が環
状リブに形成した切欠き溝７４、７５、７６を介して回
収経路に連通しているため、供給冷媒と回収冷媒間の差
圧によって隙間流路内に供給冷媒が流入し、螺旋状に形
成したリブ間を旋回しながら流れる。

【００３４】これによってディスクには、リブを介して
供給蒸気から伝わる伝導熱と、隙間流路に流れる冷媒か
らの熱伝達による熱が負荷されるが、ディスクの温度が
上昇すると、ディスクから逆に冷媒側に伝熱するように
なるため、遮熱に対して大きな効果が期待できる。

【００３５】図５は、遮熱管の内径を４０ｍｍ、肉厚１
ｍｍ、リブを幅２ｍｍ、高さ１ｍｍでピッチ２５ｍｍの
２条矩形ネジ状に形成した場合に対して伝熱量を試算し
た結果を示している（冷媒の伝熱による温度変化を考
慮）。冷媒として過熱蒸気を用い、供給温度を３００
℃、回収温度を５００℃として、翼に供給する冷媒の２
％を流した場合のリブからの伝導熱量と、隙間流路を流
れる冷媒からの伝熱量の積算値Ｑ１は、ディスクの温度
が約３５０℃で零になっている。

【００３６】すなわちディスクの温度は３５０℃以上に
高まることはなく、遮熱管を装着しない場合の伝熱量に
比べて大幅に減少していることが分かる。なお図には、
隙間流路の冷媒を流さずに単に遮熱管のみを装着した場
合の計算値Ｑ２も示してあるが、この場合、遮熱管外の
熱伝達率を小さくできるが、反面、遮熱管の温度が上昇
するためにリブからの伝導熱量が増大し、遮熱の効果は
すくない。

【００３７】以上説明してきたように、回収流路に遮熱
管を装着して同遮熱管とロータ部材間の隙間部に僅かの
供給冷媒を流すことにより、回収冷媒からディスクへの
伝熱量は減少して熱応力の発生は大幅に低減する。ま
た、スペーサ１６の側面に、一端が隙間流路６８、他端
がキャビティ４１および４２に連通するスリット８１、
８２を形成し、隙間流路を流れる低温冷媒の一部をキャ
ビティ内に導入すれば、キャビティを形成しているディ
スクおよびスペーサ側面に低温冷媒層が形成されるため
に、ロータの温度はより均一化される。

【００３８】なお、以上の実施例では、部材内部に回収
経路を構成した場合について示しているが、耐高温性、
高強度のロータ材を使用する場合には、部材内部に供給
経路構成してキャビティに回収冷媒を流す高温保持型の
冷却系統を構成することもできる。この場合は、隙間流
路に高温の回収蒸気を流すことによって、部材から遮熱
管内の供給冷媒側への伝熱を遮蔽することによって、前
実施例と同等の効果を得ることができる。

【００３９】また、隙間流路に流すガスとしては隙間流
路専用のガスをロータ外から導入しても良いが、キャビ
ティに供給冷媒を流すことによってディスクの温度は供
給冷媒の温度に強く影響されるため、供給冷媒温度をデ
ィスク設定温度（３００℃〜４００℃で、ロータ材料の
許容温度以下）にして、供給冷媒の一部を利用するのが
簡便で好ましい。

【００４０】冷媒のロータへの冷媒供給口および回収口
は圧縮機ロータ側もしくは回転軸側のいずれに形成して
も良く、特に冷媒として前記圧縮機の圧縮空気を利用す
る場合は圧縮機ロータの中心部から直接供給しても良い
が、冷媒の駆動動力を低減するとの観点から、回収口は
極力回転半径の小さい位置に配置するのが望ましい。

【００４１】なお、ロータ材として許容温度の高い材料
（５００℃）を使用した場合は、前記した供給系統と回
収系統の配置を全く逆にして、供給系統をロータ部材の
内部に形成し、回収系統をディスク間キャビティに形成
しても良い。この場合はロータの温度が回収冷媒の温度
に支配されるために、遮熱管と孔内壁間の隙間流路には
回収冷媒を流す必要がある。

【００４２】なお、タービンの基本仕様やロータの構造
によってロータ内の冷却系統の構成法も変わるが、本発
明は、冷却系統構成および配置等が異なる場合において
も、同一思想に基づいて適用できる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、冷媒経路からロータ部材への伝熱を比較的簡単な構
造で遮蔽し、動翼への供給冷媒と回収冷媒の温度差に起
因してロータ構成部材に発生する熱応力を低減すること
ができ、ひいては効率の良い冷媒回収型ガスタービンを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の翼冷媒回収型ガスタービンのロータの
一実施例を示す縦断側面図である。

【図２】本発明の翼冷媒回収型ガスタービンのロータの
冷媒路を拡大して示す縦断側面図である。

【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

【図４】図２のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。

【図５】冷媒路の遮熱効果を示す特性図である。

【符号の説明】

１…ロータ軸体、２…回転支持軸、３…仕切管、４…供
給口、５…回収口、６…スタッキングボルト、７…ディ
スタントピース、１１〜１４…ディスク、１６，１７，
１８…スペーサ、３１〜４２…キャビティ、４５〜４８
…スリット、６５〜６７…遮熱管、６８…隙間流路、７
０…隙間流路、７４，７５，７６…切欠き溝、７７…連
通孔、８１，８２…スリット。

フロントページの続き (72)発明者 川池 和彦 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に動翼冷却用冷媒流路を有する動翼
   と、この動翼の冷媒流路に連通するとともに、ロータ部
   材の内部に形成されている冷媒流通路とを備え、前記動
   翼を冷却する冷却媒体の供給および回収がこのロータ部
   材内に形成さた冷媒流通路を介して行われるように形成
   されている冷媒回収型ガスタービンにおいて、 前記ロータ部材内に形成されている冷媒流通路内に、こ
   の流路径より小さな径を有する遮熱管を装着するととも
   に、この遮熱管の内部に動翼冷却用の冷媒を流通させ、
   かつ遮熱管の外壁と前記流路内壁の間に、遮熱管内の冷
   却媒体とは温度の異なる冷却媒体を流通させるように形
   成したことを特徴とする冷媒回収型ガスタービン。
2. 【請求項２】 内部に動翼冷却用冷媒流路を有する動翼
   と、この動翼の冷媒流路に連通するとともに、ロータ部
   材の内部に形成されている冷媒流通路とを備え、前記動
   翼を冷却する冷却媒体の供給および回収がこのロータ部
   材内に形成さた冷媒流通路を介して行われるように形成
   されている冷媒回収型ガスタービンにおいて、 前記ロータ部材内に形成されている冷媒流通路内に、こ
   の流路径より小さな径を有する遮熱管を装着して遮熱管
   の外壁と前記流路内壁の間に隙間流路を形成し、かつ前
   記遮熱管の内部には動翼冷却用の冷媒を流通させ、かつ
   前記隙間流路には、遮熱管内の冷却媒体の温度とは異な
   る温度の冷却媒体を流通させるように形成したことを特
   徴とする冷媒回収型ガスタービン。
3. 【請求項３】 前記遮熱管外壁と前記流路内壁間に、ガ
   スタービン定格運転時のディスク設定温度に近いガスを
   流すように形成してなる請求項１または２記載の冷媒回
   収型ガスタービン。
4. 【請求項４】 前記遮熱管内を流れる冷却媒体が動翼を
   冷却した後の回収冷媒である場合には前記隙間流路に供
   給冷媒を流し、かつ遮熱管内を流れる冷却媒体が動翼を
   冷却する前の供給冷媒である場合には前記隙間流路に回
   収冷媒を流すようにした請求項２記載の冷媒回収型ガス
   タービン。
5. 【請求項５】 内部に動翼冷却用冷媒流路を有する動翼
   と、この動翼の冷媒流路に連通するとともに、ロータ部
   材の内部に形成されている冷媒流通路とを備え、前記動
   翼を冷却する冷却媒体の供給および回収がこのロータ部
   材内に形成さた冷媒流通路を介して行われるように形成
   されている冷媒回収型ガスタービンにおいて、 前記ロータ部材内に形成されている冷媒流通路内に、こ
   の流路径より小さな径を有する遮熱管を装着して遮熱管
   の外壁と前記流路内壁の間に隙間流路を形成し、かつ前
   記遮熱管の内部には動翼冷却用の冷媒を流通させ、かつ
   前記隙間流路には、遮熱管内の冷却媒体の温度と前記流
   路壁面温度との中間の温度を有する冷却媒体を流通させ
   るように形成したことを特徴とする冷媒回収型ガスター
   ビン。
6. 【請求項６】 前記遮熱管の外壁に、前記隙間流路を形
   成保持する突出リブを設けてなる請求項２，３，４また
   は５記載の冷媒回収型ガスタービン。
7. 【請求項７】 前記遮熱管の外壁に形成された突出リブ
   を螺旋状に形成してなる請求項６記載の冷媒回収型ガス
   タービン。