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JPH10103004A - ガスタービンの動翼冷却装置 - Google Patents

ガスタービンの動翼冷却装置

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Publication number
JPH10103004A
JPH10103004A JP8253274A JP25327496A JPH10103004A JP H10103004 A JPH10103004 A JP H10103004A JP 8253274 A JP8253274 A JP 8253274A JP 25327496 A JP25327496 A JP 25327496A JP H10103004 A JPH10103004 A JP H10103004A
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JP
Japan
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flow path
cooling
cooling medium
gas turbine
moving blade
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JP8253274A
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Yoshitaka Fukuyama
佳孝 福山
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Priority to KR1019970048136A priority patent/KR100259553B1/ko
Priority to CN97119582A priority patent/CN1108441C/zh
Priority to US08/937,516 priority patent/US6094905A/en
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Priority to US09/487,490 priority patent/US6195979B1/en
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    • F02C7/12Cooling of plants
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    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
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Abstract

(57)【要約】 【課題】強度的な負担が少なく、かつシール設計等が容
易に行える好ましい状態で、並列冷却および閉ループ冷
却の方式を取入れたガスタービンの動翼冷却装置の実現
化を図る。 【解決手段】タービンロータ55の軸心位置に、軸方向
に沿う冷却媒体供給流路71および冷却媒体回収流路7
2を並列的に有する流路構成体70を設ける。流路構成
体70の冷却媒体供給流路71に、空間66,68を介
して動翼43,44の内部流路の冷却媒体入口43a,
44a側に連通する冷却媒体供給口73を形成する。流
路構成体70の冷却媒体回収流路72に、空間67を介
して動翼43,44の内部流路の冷却媒体出口43b,
44b側に連通する冷却媒体回収口74を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラント等に
適用されるガスタービンの動翼を冷却するガスタービン
の動翼冷却装置に係り、特に複数段落を構成する各動翼
にタービンロータの内部から冷却媒体を並列的に供給し
て冷却効率を高めるとともに、冷却に供した冷却媒体を
回収してエネルギ効率を高めるようにした閉ループ冷却
方式の動翼冷却装置の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、発電プラント等に適用されるガス
タービンにおいては、燃焼に供する燃料の供給量低減と
いう経済的側面、ならびにCO2 やNOx排出量の低減
という環境的側面の両面から、運転効率の向上が特に重
要となっている。
【0003】これまで最も効率の高い発電システムとさ
れているのは、高温ガスタービンと蒸気タービンとで構
成するコンバインドサイクル発電システムであるが、こ
のコンバインドサイクル発電では、ガスタービン入口温
度の高温化が発電熱効率の向上に直接結びつくため、現
状でさえ金属材料の融点を越える1300℃に達してい
るガスタービン入口の燃焼ガス温度を、将来的には15
00℃以上に上昇することを目標とする等の技術開発が
進められている。
【0004】このような高温ガスタービンでは従来、高
温ガスに曝される部分を空気圧縮機から抽気した高圧空
気の流通によって冷却することが一般的に行われてい
る。特にタービンロータに固定され、強大な遠心力場に
おかれる動翼では、タービンロータの中心部に形成した
冷却空気流路から複数段の動翼内部に冷却空気を導入
し、動翼内部を対流冷却した後、冷却に供した空気を主
流燃焼ガス中に噴出する、いわゆる開ループ冷却が採用
されている。
【0005】図12はこのような開ループ冷却技術を採
用した従来のガスタービンの冷却装置の一例を示したも
のである。図示の例では、前部シャフト1と一体の前部
ディスク1aと、これと別体の後部ディスク2との間
に、例えば第1段〜第3段の動翼3,4,5がそれぞれ
植設された複数のディスク6,7,8を、静翼9,1
0,11の所定の位置に対応して配置されたスペーサ1
2,13とともに軸心と平行な複数のタイボルト14に
よって結合することにより、タービンロータ15が構成
されている。このタービンロータ15内のタイボルト1
4外周側部分には、前部ディスク1と第1段動翼のディ
スクス6との間、各ディスク6,7,8と各スペーサ1
2,13との間、および後部ディスク2と第3段ディス
ク8との間に、それぞれ空間16,17,18,19,
20,21が形成されており、これらの空間16,1
7,18,19,20,21は、タイボルト14による
連結部分の溝22,23,24,25,26,27を介
してその内周側の空間28,29,30,31に連通し
ている。
【0006】そして、ガスタービン運転時には、図示し
ない空気圧縮器から供給される燃焼用空気の一部が冷却
媒体として使用され、その冷却媒体としての冷却空気
(矢印a)が、前部シャフト1の内部から内周側の空間
28,29,30,31に順次に導かれ、各溝22,2
3,24,25,26,27を介して外周側の空間1
6,17,18,19,20,21に半径方向外向きに
流動し、動翼の内部冷却流路(図示しないが蛇行流路等
とされている)、または最終段(第3段)のディスク8
とこれを挟むスペーサ13および後部ディスク2との間
の隙間に流入し、その内部流路内等での流動により対流
冷却を行った後、主流燃焼ガス(矢印b)中に噴き出さ
れるようになっている。
【0007】ところが、このような開ループ冷却方式の
ガスタービンでは、冷却に使用する低温の空気aを高温
の主流ガスb中に噴き出して混合させるため、主流ガス
bの温度の低下、混合に起因する流れの損失の増大、回
転場での冷却空気aに対する仕事であるポンピング動力
損失等が生じ、冷却によるタービン出力を低下させるこ
とになる。このタービン出力の低下は、発電効率の低下
につながり、また同一サイズの空気圧縮機を使用して
も、冷却空気aの増加は燃焼用空気の減少をもたらすこ
とになって、結局ガスタービン出力の低下を招くことに
なる。
【0008】このような事情のもとで将来、ガスタービ
ンの高温化が進んだ場合、さらに多量の翼冷却空気を必
要とすることが考えられ、高温化によりもたらされるべ
き効率向上幅が冷却のために大幅に減少する状況、ある
いは低NOx燃焼器に使用すべき燃焼用空気量の不足の
ため、ガス温度の向上が不可能となる等の状況が想定さ
れる。
【0009】この点を解決する手段として、これまでに
空気冷却式のガスタービンを改良する提案、あるいは冷
却媒体として水蒸気等を使用し、これを冷却使用後に回
収する、いわゆる閉ループ冷却方式の蒸気冷却ガスター
ビンの提案等がなされている。例えば特開平8−140
64号では、空気または蒸気を冷却媒体として使用する
とともに、冷却後の冷却媒体を回収することにより熱効
率の低下を防止する技術が開示されている。また、特開
平7−301127号では、主として蒸気を冷却媒体と
して利用し、冷却後の冷却媒体を回収することで、ガス
タービン効率の向上に寄与する技術が開示されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来技術における閉ループ冷却方式のガスタービン冷却装
置では、複数の冷却要素、例えば複数の段落が順次に冷
却される、いわゆる直列冷却構造となっている。このよ
うな直列冷却構造では、上流側の空気との接触部位で高
冷却効果が得られるのみで、下流側となるに従って冷却
効果が低下する傾向がある。例えば、翼のサイズの小さ
い部分である翼後縁部分の冷却が、必ずしも十分に行わ
れず、また不均一となる等、冷却困難な事例が知られて
いる。
【0011】そこで、複数の段落に冷却媒体を並列的に
冷却する冷却構造が考えられるが、その場合には冷却媒
体の流れの制御部材をどのように構成するかが課題とな
る。例えばタービンロータは高速回転するので、タービ
ンロータ内に流れの制御部材を設けた場合には非常に大
きい遠心力が作用するため構造的強度が問題となる。す
なわち、従来構造の延長線上でディスク等を利用するこ
とが想定し得るが、そのような構成ではディスクの周縁
部位に大きい負荷が作用することになる。また、高速回
転部分と静止部分とで摺動等が必要となることから、冷
却媒体のシール部の設計等についても課題が残る。
【0012】従来、これらの諸点までも考慮して閉ルー
プ冷却を採用して並列的な冷却を行う装置構成は知られ
ておらず、特に多段落の並列冷却構成及び蒸気冷却や空
気冷却との併用技術等に関しては、好ましい技術が見当
たらない。
【0013】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、強度的な負担が少なく、かつシー
ル設計等が容易に行える好ましい状態で、並列冷却およ
び閉ループ冷却の方式を取入れたガスタービンの動翼冷
却装置の実現化を図ることにある。
【0014】また、他の目的は、並列冷却および閉ルー
プ冷却と組合せて、ガスタービンの動翼の後縁部分等、
閉ループ対流冷却が困難な部分の冷却について空気噴き
出しを伴う冷却を併用する等、簡便な手段で効率的な冷
却が行えるようにすることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項1の発明では、外周側に動翼が植設された
複数のディスク間に、静翼位置に対応する配置でスペー
サを連結してタービンロータを構成し、前記動翼内に前
記タービンロータの内部と出入口が連通する冷却媒体流
動用の内部流路を形成するとともに、前記ディスクと前
記スペーサとの間に冷却媒体を半径方向に流通させる空
間を形成し、タービンロータ内で前記動翼の内部流路へ
の冷却媒体の供給および回収を行うようにした閉ループ
冷却式のガスタービンの動翼冷却装置において、前記タ
ービンロータの軸心位置に、軸方向に沿う冷却媒体供給
流路および冷却媒体回収流路を並列的に有する流路構成
体を設け、この流路構成体の冷却媒体供給流路に、前記
空間を介して動翼の内部流路の冷却媒体入口側に連通す
る冷却媒体供給口を形成するとともに、前記流路構成体
の冷却媒体回収流路に、前記空間を介して動翼の内部流
路の冷却媒体出口側に連通する冷却媒体回収口を形成し
たことを特徴とするガスタービンの動翼冷却装置を提供
する。
【0016】請求項2の発明では、請求項1記載のガス
タービンの動翼冷却装置において、流路構成体はタービ
ンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、冷却媒
体供給流路および冷却媒体回収流路は前記円柱体内の軸
心回りに間隔的に穿設した複数の孔によって形成したこ
とを特徴とするガスタービンの動翼冷却装置を提供す
る。
【0017】請求項3の発明では、請求項2記載のガス
タービンの動翼冷却装置において、流路構成体は、ター
ビンロータの軸心回りに配置した冷却媒体供給流路また
は冷却媒体回収流路に加え、同軸心位置にさらに一つの
冷却媒体供給流路または冷却媒体回収流路を有すること
を特徴とするガスタービンの動翼冷却装置を提供する。
【0018】請求項4の発明では、請求項1記載のガス
タービンの動翼冷却装置において、流路構成体はタービ
ンロータの軸心回りに間隔的に配置した複数本の円管で
あり、これらの円管はタービンロータ構成用のディス
ク、スペーサ、またはタービンロータ内に設けた位置決
め装置によってタービンロータ内に固定したことを特徴
とするガスタービンの動翼冷却装置を提供する。
【0019】請求項5の発明では、請求項4記載のガス
タービンの動翼冷却装置において、流路構成体は、ター
ビンロータの軸心回りに配置した円管に加え、同軸心位
置にさらに一つの冷却媒体供給流路または冷却媒体回収
流路を形成する円管を有することを特徴とするガスター
ビンの動翼冷却装置を提供する。
【0020】請求項6の発明では、請求項1から5まで
のいずれかに記載のガスタービンの動翼冷却装置におい
て、流路構成体の冷却媒体供給流路または冷却媒体回収
流路を形成する孔または円管の半径は、大小の分布を持
つことを特徴とするガスタービンの動翼冷却装置を提供
する。
【0021】請求項7の発明では、請求項1から6まで
のいずれかに記載のガスタービンの動翼冷却装置におい
て、流路構成体の冷却媒体供給流路には、種類、温湿
度、圧力または速度等が異なる2以上の供給条件で冷却
媒体が流通する設定としたことを特徴とするガスタービ
ンの動翼冷却装置を提供する。
【0022】請求項8の発明では、請求項1から7まで
のいずれかに記載のガスタービンの動翼冷却装置におい
て、上流段動翼の上流側に位置する空間と、下流段動翼
の下流側に位置する空間とに冷却媒体供給口を配置する
一方、上流段動翼の下流側に位置する空間と、下流段動
翼の上流側に位置する空間とに冷却媒体回収口を配置
し、上下段動翼を並列的に閉ループ冷却するようにした
ことを特徴とするガスタービンの動翼冷却装置を提供す
る。
【0023】請求項9の発明では、請求項1から8まで
のいずれかに記載のガスタービンの動翼冷却装置におい
て、タービンロータ構成用ディスクまたはスペーサの少
なくともーつをタービンロータ軸心部まで延在させ、そ
の延在した部分で流路構成体の一部を構成し、これに独
立した1本または複数本の流路構成体を連結したことを
特徴とする冷却ガスタービンの動翼冷却装置を提供す
る。
【0024】請求項10の発明では、請求項1から9ま
でのいずれかに記載のガスタービンの動翼冷却装置にお
いて、タービンロータ構成用スペーサを流路構成体に接
する位置までロータ軸心側に延在させ、このスペーサを
挟む1対のタービンロータ構成用ディスク間の空間を軸
方向に2分割したことを特徴とするガスタービンの動翼
冷却装置を提供する。
【0025】請求項11の発明では、請求項1から10
までのいずれかに記載のガスタービンの動翼冷却装置に
おいて、高温高圧段落の動翼を植設したタービンロータ
構成用ディスクの下流側に位置するスペーサをタービン
ロータの軸心位置まで延在するディスク状とし、前記高
温高圧段落の動翼が配置するタービンロータ内の空間を
前記スペーサによって他の段落から仕切り、前記高温高
圧段落の動翼には圧縮機からの吐出空気を冷却媒体とし
て供給して開ループ冷却を行わせる一方、他の段落の動
翼には流路構成体を介して別の冷却媒体を供給して閉ル
ープ冷却を行わせるようにしたことを特徴とするガスタ
ービンの動翼冷却装置を提供する。
【0026】請求項12の発明では、外周側に動翼が植
設された複数のディスク間に、静翼位置に対応する配置
でスペーサを連結してタービンロータを構成し、前記動
翼内に前記タービンロータの内部と出入口が連通する冷
却媒体流動用の内部流路を形成するとともに、前記ディ
スクと前記スペーサとの間に冷却媒体を半径方向に流通
させる空間を形成し、タービンロータ内で前記動翼の内
部流路への冷却媒体の供給および回収を行うようにした
閉ループ冷却式のガスタービンの動翼冷却装置であっ
て、静翼の内周側端部から前記ディスクの外周面に向け
てシール空気を供給するようにしたものにおいて、前記
ディスクおよびスペーサで囲まれる前記タービンロータ
の軸心位置に、軸方向に沿う冷却媒体供給流路および冷
却媒体回収流路を並列的に有する流路構成体を設け、こ
の流路構成体の冷却媒体供給流路に、前記空間を介して
動翼の内部流路の冷却媒体入口側に連通する冷却媒体供
給口を形成するとともに、前記流路構成体の冷却媒体回
収流路に、前記空間を介して動翼の内部流路の冷却媒体
出口側に連通する冷却媒体回収口を形成し、かつ前記シ
ール空気を供給する静翼の上流側に位置する動翼の後縁
部に、シール空気の一部を動翼内に回収してその冷却空
気として流通させるシール空気回収冷却部を設けたこと
を特徴とするガスタービンの動翼冷却装置を提供する。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスタービン
の動翼冷却装置の実施形態を図1〜図11を参照して説
明する。
【0028】第1実施形態(図1〜図7) 図1は本実施形態によるガスタービンの動翼冷却装置を
示す全体断面図であり、図2は図1に示した流路構成体
を拡大して示す側面図であり、図3は図2のA−A線断
面図である。図4〜図7はそれぞれ流路構成体の変形例
を示す断面図である。
【0029】本実施形態では図1に示すように、前部デ
ィスク41aを有する前部シャフト41と、これに対向
する後部ディスク42と、外周側に例えば第1段〜第3
段の動翼43,44,45がそれぞれ植設された複数の
ディスク46,47,48と、静翼49,50,51の
所定の位置に対応して配置されるスペーサ52,53と
が備えられている。そして、これら前部ディスク41
a、ディスク46,47,48、スペーサ52,53お
よび後部ディスク42が、軸心と平行な複数のタイボル
ト54によって結合され、これによりタービンロータ5
5が構成されている。
【0030】このタービンロータ55内のタイボルト5
4外周側部分には、前部ディスク41aと第1段動翼4
3のディスクス46との間、各ディスク46,47,4
8と各スペーサ52,53との間、および後部ディスク
42と第3段ディスク48との間に、それぞれ空間5
6,57,58,59,60,61が形成されている。
そのうち、前者の4つの空間56,57,58,59
は、タイボルト54による連結部分の溝62,63,6
4,65を介してその内周側の空間66,67,68に
連通している。ただし、第3段ディスク48とその上流
側のスペーサ53および後部ディスク42との間の外周
側の空間60,61は、その内周側の空間68,69に
連通していない。
【0031】なお、前部シャフト41は図示しない圧縮
機に一体回転可能に連結されている。また、前部シャフ
ト41は中空状のものであるが、前記の内周側空間6
6,67,68に面する部位にフランジ部41bが形成
されており、このフランジ部41bによって内周側空間
66,67,68が圧縮機側から隔離された状態となっ
ている。
【0032】このような構成のもとで本実施形態では、
内周側空間66,67,68内におけるタービンロータ
55の軸心位置に、閉ループ冷却用の蒸気等の冷却媒体
を流動させるための流路構成体70が設けられている。
この流路構成体70はタービンロータ55の軸心上に配
置した円柱体70aで構成されており、この円柱体70
aが各ディスク46,47,48によって固定支持さ
れ、タービンロータ55と一体回転するようになってい
る。
【0033】この円柱体70aに、図2および図3にも
示す如く、冷却媒体を動翼43,44,45に供給する
ための冷却媒体供給流路71と、冷却に供した後の冷却
媒体を回収するための冷却媒体回収流路72とが並列的
に形成されている。即ち、冷却媒体供給流路71および
冷却媒体回収流路72は、円柱体70a内の軸心回りに
間隔的に穿設した複数の円形孔で構成されており、これ
らの冷却媒体供給流路71と冷却媒体回収流路72と
が、円柱体70aの周方向に沿って交互に配置してい
る。冷却媒体供給流路71は例えば図1の右方に配置さ
れる図示しない冷媒導入部にシール部を介して接続さ
れ、また冷却媒体回収流路72は図1の右方に配置され
る図示しない冷媒排出部に同様に接続されている。な
お、円柱体70aの先端、つまり図1における左端は前
部シャフト41のフランジ部41bに当接し、これによ
り冷却媒体供給流路71および冷却媒体回収流路72の
先端は閉塞状態となっている。
【0034】そして、円柱体70aには、それぞれ異な
る軸方向位置で、冷却媒体供給流路71の一部を外周側
に開口させる冷却媒体供給口73と、冷却媒体回収流路
72の一部を外周側に開口させる冷却媒体回収口74と
が形成されている。例えば冷却媒体供給口73は図1に
示すように、タービンロータ55の軸方向で離間する2
つの内周側空間66,68に開口している。これによ
り、冷却媒体供給流路71と両内周側空間66,68と
が連通し、冷却媒体供給流路71を介して図1の右方か
ら供給される冷却媒体は、両内周側空間66,68内に
噴き出されるようになっている。また、冷却媒体回収口
74は、両内周側空間66,68の間の別の内周側空間
67に開口し、冷却に供された冷却媒体がこの内周側空
間67から冷却媒体回収口74を介して冷却媒体回収流
路72に入り、回収されるようになっている。
【0035】次に作用を説明する。
【0036】冷却媒体供給流路71内を図1の右方から
流れてきた冷却媒体cは、冷却媒体供給口73から上記
の2つの内周側空間66,68で半径方向外向きに流
れ、タイボルト54部位の溝62,65を通過した後、
それぞれ連通する外周側空間56,59を経て、第1段
動翼43および第2段動翼44の冷却媒体入口43a,
44aから内部流路に流入し、それぞれ各動翼43,4
4内部を対流冷却する。冷却に供された冷却媒体cはこ
の後、各動翼43,44の冷却媒体出口43b,44b
から第1,第2段ディスク46,47とその間に位置す
るスペーサ52との間の外周側空間57,58にそれぞ
れ排出され、タイボルト54部位の溝63,64を今度
は半径方向内向きに流通して、中間位置の内周側空間6
7に入り、その後冷却媒体回収口74を経て最終的に冷
却媒体回収流路72に流入する。冷却媒体cは図1の右
方に流れ、ガスタービン外部に導かれる。
【0037】以上の第1実施形態によれば、複数の冷却
要素である第1段動翼43と第2段動翼44とに個別に
冷却媒体cが供給されて並列的に冷却される。したがっ
て、燃焼ガスに対して上流側および下流側に位置する各
動翼に対し、冷却効果が従来のものに比して向上し、例
えば動翼サイズの小さい部分である翼後縁部分の冷却等
についても十分な冷却が行われ、しかも均一な冷却が行
われる。
【0038】また、本実施形態では、流路構成体70を
タービンロータ55の軸心位置に設けたことにより、そ
のタービンロータ55の高速回転に拘らず、遠心力が最
小の状態で作用するのみとなり、これにより大きい負荷
が作用することを防止でき、構造強度上の問題を解消す
ることができる。また、高速回転部分と静止部分とで必
要となる摺動部における冷却媒体のシール設計等につい
ても、流路構成体70をタービンロータ55の軸心位置
に設けたことで構成がコンパクトで、かつ軸心位置で回
転速度も比較的小さい部位であることにより容易に行え
るようになる。
【0039】したがって、本実施形態によれば、強度的
な負担が少なく、かつシール設計等が容易に行える好ま
しい状態で、並列冷却および閉ループ冷却の方式を取入
れてガスタービンの動翼冷却が効果的に行えるようにな
り、ガスタービン高温化に有効に対処できるようにな
る。
【0040】なお、本実施形態では3段タービンの第
1、2段を冷却する場合を示したが、第3段も同様に冷
却する構成としてもよく、またそれ以上の多段落動翼に
ついても同様に適用することができる。
【0041】また、本実施形態では図2および図3に示
したように、流路構成体70を円柱体70aとし、その
内部に周方向に複数、例えば合計8個の円形孔を穿設し
てこれらを冷却媒体供給流路71と冷却媒体回収流路7
2とに分けて使用する構成としたが、これらの数につい
ても任意に設定することができる。さらに、本実施形態
では図3に示したように、冷却媒体供給流路71と冷却
媒体回収流路72とを例えば45°ずれた配置とした
が、その角度は任意に変更することが可能である。
【0042】また、これら冷却媒体供給流路71および
冷却媒体回収流路72をタービンロータ55の内周側空
間66,67,68に連通させるための冷却媒体供給口
73および冷却媒体回収口74の形状については、例え
ば図2に示した如く円形、長円形等、任意に選定するこ
とができ、その数や開口面積も任意に設定することがで
きる。
【0043】このように、本発明の流路構成体70では
冷却媒体供給流路71、冷却媒体回収流路72、冷却媒
体供給口73、冷却媒体回収口74等の形状や配置、数
量、大きさ等について任意に設定する等、種々の変形が
可能である。
【0044】例えば図4は、流路構成体70の第1の変
形例を示している。この例では、流路構成体70を円柱
体70aで構成し、その内部に穿設した冷却媒体供給流
路71および冷却媒体回収流路72としての円形孔の形
を種々異ならせた構成としている。このような構成によ
れば、被冷却部に応じて冷却媒体の供給量および回収量
等に差を設けることができ、冷却性を場所に応じて種々
設定することができる。なお、この場合、各円形孔の径
差は、流路構成体70の回転が安定的に行えるようにバ
ランスよく設定することが望ましい。
【0045】図5は流路構成体70の第2の変形例を示
している。この例では、流路構成体70を円柱体70a
で構成するとともに、タービンロータ55の軸心回りに
配置した冷却媒体供給流路71または冷却媒体回収流路
72に加え、そのタービンロータ55の軸心位置にさら
に一つの冷却媒体供給流路71または冷却媒体回収流路
72を有する構成としている。例えば外周部分の円形孔
を冷却媒体供給流路71とし、中心部分の1つの円形孔
を冷却媒体回収流路72としている。このような構成に
よれば、冷却媒体回収流路72が1本であるため円柱体
70aの内部に形成する流路構成が簡素となり、また冷
却媒体供給流路71の半径よりも冷却媒体回収流路72
の半径が小さいため、ポンピング動力の回収の効果が高
い。
【0046】図6は流路構成体70の第3の変形例を示
している。上記の各例では流路構成体70を円柱体に複
数の円形孔を穿設して構成したが、この図6の例では流
路構成体70を複数の円管の集合として構成している。
即ち、流路構成体70を構成する円管70bをタービン
ロータ55の軸心回りに間隔的に配置し、これらの円管
70bをタービンロータ55構成用のディスク46,4
7,48、スペーサ52,53、またはタービンロータ
55内に設けた他の位置決め装置(図示せず)によって
タービンロータ55内に固定するようにしている。
【0047】このような構成によれば、流路構成体70
が図2〜図5までのいずれかに示したものに比較して軽
量化でき、構成部材も安価な円管を使用することができ
る等の利点が得られる。また、流路構成体70が複数の
互いに分離配置された円管70bからなるため、各円管
70b内を流通する冷却媒体の温度が異なる場合に熱伝
達が生じない利点もある。さらに、冷却媒体供給口73
および冷却媒体回収口74を各円管70bの周方向に亘
って複数形成することが可能となるとともに、タービン
ロータ55構成用ディスク46,47,48間の冷却媒
体の流れを考慮して冷却媒体供給口73および冷却媒体
回収口74を最適な方向に選定することが可能となる等
の効果も奏される。
【0048】図7は流路構成体70の第4の変形例を示
している。この例でも図6と同様に流路構成体70を円
管の集合体として構成したものであるが、タービンロー
タ55の軸心回りに配置した円管70bに加え、同軸心
位置にさらに一つの冷却媒体供給流路71または冷却媒
体回収流路72を形成する円管70cを有する構成とし
ている。例えば軸心回りに配置した複数の円管70bで
冷却媒体供給流路71を形成し、軸心位置の大径な一つ
の円管70cで冷却媒体回収流路72を形成している。
このような構成によれば、図6に示した複数円管構成の
長所と、図5に示した冷却媒体回収流路72を1本とす
る構成の長所とを合せ持つものとなり、例えば冷却媒体
回収流路72を短縮することが可能となり、圧力損失が
低減する等の利点を得ることが期待できる。
【0049】なお、ガスタービン段落では高圧段から低
圧段に向かうに従って主流ガス温度、圧力等が分布を持
っており、それに従つて冷却媒体の温度や圧力を変化さ
せた方が冷却性が良好な場合もある。そこで、以上の本
実施形態で示した流路構成体70の冷却媒体供給流路7
1に種類、温湿度、圧力または速度等が異なる2以上の
供給条件で冷却媒体が流通する設定とすることも可能で
ある。
【0050】第2実施形態(図8) 図8は本実施形態によるガスタービンの冷却装置の第2
実施形態を示す断面図である。本実施形態が第1実施形
態と異なる点は、タービンロータ構成用ディスクまたは
スペーサの少なくともーつをタービンロータ軸心部まで
延在させ、その延在した部分で流路構成体の一部を構成
し、これに独立した1本または複数本の流路構成体を連
結した構成にある。
【0051】即ち、本実施形態では図8に示すように、
流路構成体70の主部となる円柱体70aを図8の左方
から第1段ディスク46の下流側位置までの長さとし、
その上流側には別部材からなる円柱体70dと、第1段
ディスク46のタービンロータ軸心位置に形成した円柱
部70eとを連結し、これにより流路構成体70の全体
が構成してある。なお、この流路構成体70の分割構成
を第2段以降のディスクに適用することも可能である。
他の構成については、第1実施形態と略同様であるか
ら、図8の対応部分に図1と同一の符号を付して説明を
省略する。
【0052】このような第2実施形態の構成によれば、
前記第1実施形態と同様の効果に加えて、流路構成体7
0の構成部品が縮小できる等の効果が奏される。
【0053】第3実施形態(図9) 図9は本実施形態によるガスタービンの冷却装置の第3
実施形態を示す断面図である。本実施形態が第1実施形
態と異なる点は、タービンロータ構成用スペーサを流路
構成体に接する位置までロータ軸心側に延在させ、この
スペーサを挟む1対のタービンロータ構成用ディスク間
の空間を軸方向に2分割した構成にある。
【0054】即ち、本実施形態では図9に示すように、
第1段ディスク46と第2段ディスク47との間に位置
するスペーサ52を流路構成体の外周位置まで延長した
構成とし、これにより第1段ディスク46と第2段ディ
スク47との間の空間67を2つの空間67a,67b
に区分してある。そして、冷却媒体供給口73は第1段
ディスク46の上流側の空間66、およびスペーサ52
と第2段ディスク47との間の空間67bにそれぞれ開
口させてある。また、冷却媒体回収口73は、第1段デ
ィスク46とスペーサ52との間の空間67a、および
第2段ディスク47の下流側の空間68に開口させてあ
る。これにより、第1段動翼43および第2段動翼44
における冷却媒体cの流れ方向が燃焼ガスbの流動方向
に沿うようにしてある。つまり第1段動翼43では冷却
媒体が第1実施形態と同様の方向に流れるが、第2段動
翼44では第1実施形態と逆になっている。他の構成に
ついては、第1実施形態と略同様であるから、図9の対
応部分に図1と同一の符号を付して説明を省略する。
【0055】このような第3実施形態の構成によれば、
第1実施形態と同様の効果に加えて、第1,第2段動翼
43,44における高温側である前縁側から冷却媒体が
供給されるので、冷却性をさらに向上することができ
る。ただし、冷却媒体の流通方向については必要に応じ
て本実施形態と逆方向としてもよい。
【0056】第4実施形態(図10) 図10は本実施形態によるガスタービンの冷却装置の第
4実施形態を示す断面図である。本実施形態が第1実施
形態と異なる点は、閉ループ冷却と開ループ冷却とを併
用する構成とした点にある。
【0057】即ち、本実施形態では高温高圧段落である
第1段動翼43を植設したタービンロータ構成用ディス
ク46の下流側に位置するスペーサ52をタービンロー
タ55の軸心位置まで延在するディスク状とし、第1段
動翼43が配置するタービンロータ55内の空間56,
57,66,および67の一部を、スペーサ52によっ
て他の段落から仕切り、第1段動翼43には圧縮機から
の吐出空気aを冷却媒体として供給して開ループ冷却を
行わせる一方、第2段動翼44には流路構成体70を介
して蒸気等の別の冷却媒体cを供給して閉ループ冷却を
行わせるようにした構成にある。他の構成については、
第1実施形態と略同様であるから、図10の対応部分に
図1と同一の符号を付して説明を省略する。
【0058】このような第4実施形態の構成によれば、
第1実施形態と同様の効果に加えて、高温部位を開ルー
プ冷却によって効果的に冷却できる効果が奏される。つ
まり、第1段動翼43は特に熱的に厳しい条件に曝され
ており、内部対流冷却だけを適用することが困難で膜冷
却を必要とする場合も考えられる。そこで、閉ループ冷
却構成をタービン低圧段だけに適用しても熱効率の向上
効果が十分高く、従来の空気ガスタービンに比較して効
率向上が見込まれるので、本実施形態では第1段動翼4
3は圧縮機吐出空気を利用した対流および膜冷却翼と
し、スペーサ52により流路を区分することで低圧段側
の閉ループ化が図れるものである。なお、図10では、
第2段動翼44のみを閉ループ冷却構造としたが、第3
段動翼45(それより多段の場合は第3段以降の動翼)
についても段落の閉ループ冷却が可能である。
【0059】第5実施形態(図11) 図11は本実施形態によるガスタービンの冷却装置の第
5実施形態を示す断面図である。本実施形態が第1実施
形態と異なる点は、流路構成体70を持つ閉ループ冷却
に加え、第1段動翼43の後縁に静翼50のシール空気
dを利用した冷却を併用する、いわばハイブリッド冷却
構造とした点にある。
【0060】即ち、前述したように厳しい熱的条件に曝
される第1段動翼43では、特に後縁部分の内部対流冷
却が困難であり、さらに冷却の均一性にも問題がある。
そこで本実施形態では、この点を解決すべく、第1段動
翼43に閉ループ冷却を採用する一方、回転体と静止部
分との間に高温ガスが流入することを防ぐために静翼5
0を通して供給されるシール空気dの−部を、第1段動
翼43の植え込み部分の後方に設置したシール空気回収
冷却部75により、その第1段動翼43の後縁側に取り
込み、翼後縁から噴き出すようにしてある。
【0061】このような第5実施形態の構成によれば、
各動翼43,44の大部分は閉ループ冷却により冷却で
き、閉ループ冷却後の冷却媒体は回収するが、冷却の最
も困難な第1段動翼43の後縁部分は空気による開ルー
プ冷却によって効果的に、かつ均一に冷却することがで
きるようになり、厳しい熱的条件に曝される第1段動翼
43の後縁部分の内部対流冷却が困難であるという問題
点の解決が図れる。
【0062】
【発明の効果】以上で詳述したように、本発明によれ
ば、強度的な負担が少なくかつシール設計等が容易に行
える好ましい状態で、多段の動翼を並列的に閉ループ冷
却することが可能となり、ガスタービンおよび発電効率
の向上に多大な効果が奏される。また、並列冷却および
閉ループ冷却と組合せて、閉ループ冷却のみでは十分な
冷却効果が困難と考えられる部分に対し、空気噴き出し
による開ループ冷却を併用することで、幅広い条件の高
温ガスタービンの冷却技術として、簡便な手段で効率的
な冷却が行える等の効果も奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガスタービンの冷却装置の第1実
施形態を示す断面図。
【図2】図1に示す流路構成体の一部を拡大して示す断
面図。
【図3】図2のA−A線断面図。
【図4】前記実施形態における流路構成体の第1変形例
を示す断面図。
【図5】前記実施形態における流路構成体の第2変形例
を示す断面図。
【図6】前記実施形態における流路構成体の第3変形例
を示す断面図。
【図7】前記実施形態における流路構成体の第4変形例
を示す断面図。
【図8】本発明に係るガスタービンの冷却装置の第2実
施形態を示す断面図。
【図9】本発明に係るガスタービンの冷却装置の第3実
施形態を示す断面図。
【図10】本発明に係るガスタービンの冷却装置の第4
実施形態を示す断面図。
【図11】本発明に係るガスタービンの冷却装置の第5
実施形態を示す断面図。
【図12】従来例のガスタービンの冷却装置を示す断面
図。
【符号の説明】
41 前部シャフト 41a 前部ディスク 42 後部ディスク 43,44,45 動翼 46,47,48 ディスク 49,50,51 静翼 52,53 スペーサ 54 タイボルト 55 タービンロータ 56,57,58,59,60,61 外周側の空間 62,63,64,65 溝 66,67,68,69 内周側の空間 70 流路構成体 70a 円柱体 71 冷却媒体供給流路 72 冷却媒体回収流路 73 冷却媒体供給口 74 冷却媒体回収口 70b,70c 円管 70d 円柱体 70e 円柱部 67a,67b 空間 75 シール空気回収冷却部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02C 7/18 F02C 7/18 E

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外周側に動翼が植設された複数のディス
    ク間に、静翼位置に対応する配置でスペーサを連結して
    タービンロータを構成し、前記動翼内に前記タービンロ
    ータの内部と出入口が連通する冷却媒体流動用の内部流
    路を形成するとともに、前記ディスクと前記スペーサと
    の間に冷却媒体を半径方向に流通させる空間を形成し、
    タービンロータ内で前記動翼の内部流路への冷却媒体の
    供給および回収を行うようにした閉ループ冷却式のガス
    タービンの動翼冷却装置において、前記タービンロータ
    の軸心位置に、軸方向に沿う冷却媒体供給流路および冷
    却媒体回収流路を並列的に有する流路構成体を設け、こ
    の流路構成体の冷却媒体供給流路に、前記空間を介して
    動翼の内部流路の冷却媒体入口側に連通する冷却媒体供
    給口を形成するとともに、前記流路構成体の冷却媒体回
    収流路に、前記空間を介して動翼の内部流路の冷却媒体
    出口側に連通する冷却媒体回収口を形成したことを特徴
    とするガスタービンの動翼冷却装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のガスタービンの動翼冷却
    装置において、流路構成体はタービンロータの軸心上に
    固定配置した円柱体であり、冷却媒体供給流路および冷
    却媒体回収流路は前記円柱体内の軸心回りに間隔的に穿
    設した複数の孔によって形成したことを特徴とするガス
    タービンの動翼冷却装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のガスタービンの動翼冷却
    装置において、流路構成体は、タービンロータの軸心回
    りに配置した冷却媒体供給流路または冷却媒体回収流路
    に加え、同軸心位置にさらに一つの冷却媒体供給流路ま
    たは冷却媒体回収流路を有することを特徴とするガスタ
    ービンの動翼冷却装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のガスタービンの動翼冷却
    装置において、流路構成体はタービンロータの軸心回り
    に間隔的に配置した複数本の円管であり、これらの円管
    はタービンロータ構成用のディスク、スペーサ、または
    タービンロータ内に設けた位置決め装置によってタービ
    ンロータ内に固定したことを特徴とするガスタービンの
    動翼冷却装置。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のガスタービンの動翼冷却
    装置において、流路構成体は、タービンロータの軸心回
    りに配置した円管に加え、同軸心位置にさらに一つの冷
    却媒体供給流路または冷却媒体回収流路を形成する円管
    を有することを特徴とするガスタービンの動翼冷却装
    置。
  6. 【請求項6】 請求項1から5までのいずれかに記載の
    ガスタービンの動翼冷却装置において、流路構成体の冷
    却媒体供給流路または冷却媒体回収流路を形成する孔ま
    たは円管の半径は、大小の分布を持つことを特徴とする
    ガスタービンの動翼冷却装置。
  7. 【請求項7】 請求項1から6までのいずれかに記載の
    ガスタービンの動翼冷却装置において、流路構成体の冷
    却媒体供給流路には、種類、温湿度、圧力または速度等
    が異なる2以上の供給条件で冷却媒体が流通する設定と
    したことを特徴とするガスタービンの動翼冷却装置。
  8. 【請求項8】 請求項1から7までのいずれかに記載の
    ガスタービンの動翼冷却装置において、上流段動翼の上
    流側に位置する空間と、下流段動翼の下流側に位置する
    空間とに冷却媒体供給口を配置する一方、上流段動翼の
    下流側に位置する空間と、下流段動翼の上流側に位置す
    る空間とに冷却媒体回収口を配置し、上下段動翼を並列
    的に閉ループ冷却するようにしたことを特徴とするガス
    タービンの動翼冷却装置。
  9. 【請求項9】 請求項1から8までのいずれかに記載の
    ガスタービンの動翼冷却装置において、タービンロータ
    構成用ディスクまたはスペーサの少なくともーつをター
    ビンロータ軸心部まで延在させ、その延在した部分で流
    路構成体の一部を構成し、これに独立した1本または複
    数本の流路構成体を連結したことを特徴とする冷却ガス
    タービンの動翼冷却装置。
  10. 【請求項10】 請求項1から9までのいずれかに記載
    のガスタービンの動翼冷却装置において、タービンロー
    タ構成用スペーサを流路構成体に接する位置までロータ
    軸心側に延在させ、このスペーサを挟む1対のタービン
    ロータ構成用ディスク間の空間を軸方向に2分割したこ
    とを特徴とするガスタービンの動翼冷却装置。
  11. 【請求項11】 請求項1から10までのいずれかに記
    載のガスタービンの動翼冷却装置において、高温高圧段
    落の動翼を植設したタービンロータ構成用ディスクの下
    流側に位置するスペーサをタービンロータの軸心位置ま
    で延在するディスク状とし、前記高温高圧段落の動翼が
    配置するタービンロータ内の空間を前記スペーサによっ
    て他の段落から仕切り、前記高温高圧段落の動翼には圧
    縮機からの吐出空気を冷却媒体として供給して開ループ
    冷却を行わせる一方、他の段落の動翼には流路構成体を
    介して別の冷却媒体を供給して閉ループ冷却を行わせる
    ようにしたことを特徴とするガスタービンの動翼冷却装
    置。
  12. 【請求項12】 外周側に動翼が植設された複数のディ
    スク間に、静翼位置に対応する配置でスペーサを連結し
    てタービンロータを構成し、前記動翼内に前記タービン
    ロータの内部と出入口が連通する冷却媒体流動用の内部
    流路を形成するとともに、前記ディスクと前記スペーサ
    との間に冷却媒体を半径方向に流通させる空間を形成
    し、タービンロータ内で前記動翼の内部流路への冷却媒
    体の供給および回収を行うようにした閉ループ冷却式の
    ガスタービンの動翼冷却装置であって、静翼の内周側端
    部から前記ディスクの外周面に向けてシール空気を供給
    するようにしたものにおいて、前記タービンロータの軸
    心位置に、軸方向に沿う冷却媒体供給流路および冷却媒
    体回収流路を並列的に有する流路構成体を設け、この流
    路構成体の冷却媒体供給流路に、前記空間を介して動翼
    の内部流路の冷却媒体入口側に連通する冷却媒体供給口
    を形成するとともに、前記流路構成体の冷却媒体回収流
    路に、前記空間を介して動翼の内部流路の冷却媒体出口
    側に連通する冷却媒体回収口を形成し、かつ前記シール
    空気を供給する静翼の上流側に位置する動翼の後縁部
    に、シール空気の一部を動翼内に回収してその冷却空気
    として流通させるシール空気回収冷却部を設けたことを
    特徴とするガスタービンの動翼冷却装置。
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