JP3444161B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒を用いて動翼
を冷却するガスタービンに係り、特に該冷媒を軸端から
供給し、冷却後の冷媒を回収することを意図した冷媒回
収型ガスタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの動翼は、高温の燃焼ガス
から保護するために、通常ロータの内部を経て供給され
た空気によって冷却されている。空気源としては通常燃
焼用圧縮空気の一部が使用されており、冷却後は燃焼ガ
スの通路（以下、ガスパスと略称する）に放出される。

【０００３】ガスタービンは、燃焼ガスを高温化するほ
ど効率が良くなる。しかし、同温度を高めることによっ
て熱負荷が増大するために、必然的に冷却空気の流量も
増加する。この空気がガスパス中に放出されると燃焼ガ
スの温度が低下するばかりでなく、ガスパスの流れが乱
れてタービンの空力性能を低下する。また、ロータ内の
回転流路を流れる冷媒は半径の２乗に比例する旋回エネ
ルギーを有するが、この冷媒がロータ外周に配置された
動翼から放出されると多大なポンピング動力損失にな
り、損失は冷媒流量に比例して増加する。したがって、
単に燃焼ガスの高温化だけでは有効な効率向上は望めな
い。

【０００４】そこで、更に性能向上を図るには、前記し
た問題点を解決するために翼の冷却に供した空気を回収
する必要がある。

【０００５】このため、例えば、特開昭54−13809 号で
はロータの内部に配管によって冷媒の供給，回収経路を
構成し、また特開平3−275946 号ではロータ構成部材の
内部に穿孔して冷媒の供給，回収経路を構成する方法が
提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】冷媒回収型ガスタービ
ンを構成するには、タービンロータの内部に動翼用の冷
媒を供給するための供給流路と、冷却後の冷媒を回収す
るための回収流路を形成する必要がある。しかしなが
ら、翼を冷却することによって冷媒の温度が上昇するた
め、供給流路と回収流路が混在するロータ構成部材に
は、冷媒の温度差に起因した熱応力が発生する。

【０００７】燃焼ガス温度が１５００℃級のガスタービ
ンでは冷媒の温度が２００〜２５０度上昇するため、流
路の構成次第によっては材料の許容値を超える過大な熱
応力が発生する。したがって燃焼ガスの高温化による高
効率の冷媒回収型ガスタービンを実現するには、ロータ
内部に供給と回収の冷媒流路をいかに熱応力を低減して
構成するかがひとつの大きな課題となる。

【０００８】また、燃焼用圧縮空気の一部を利用して翼
を冷却し、冷却後の空気を燃焼器に回収する空気冷却式
の冷媒回収型ガスタービンでは、回収圧力を少なくとも
圧縮機の吐出圧力以上に高める必要がある。このため供
給前に冷媒をブースト圧縮機で加圧することになるが、
高温化のために冷媒の流量を増えるとブースト圧縮機の
圧縮動力も必然的に増大するため、ガスタービンシステ
ム全体の効率に大きく影響する。したがって期待する高
い効率を得るためには、ロータ内を流れる冷媒の圧力損
失を極力低減し得る流路構成上の工夫が必要である。こ
れらの点についていずれの公知例においても考慮されて
いない。

【０００９】そこで本発明は、ロータ内に熱応力と圧力
損失低減を図り、圧縮機ロータの冷却に好適な冷媒の供
給と回収流路を形成し、効率の良い冷媒回収型ガスター
ビンを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮空気を吐
出する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼
器と、該燃焼器から供給される燃焼ガスにより駆動さ
れ、タービンロータと前記ロータの外周側に配置され冷
媒流路を有する動翼と静翼とを有し、前記圧縮機と連結
するタービンと、を備えたガスタービンにおいて、前記
ロータ内に、軸端から供給され、最上流側に位置する第
１の動翼内に供給する第１の冷媒が流れる第１の冷媒流
路と、前記ロータ内に、前記圧縮機から抽気され、前記
圧縮機と前記タービンとの連結部内及びロータ中心部を
介して供給され、冷媒流路を有する動翼の最も後流側の
動翼内に供給する第２の冷媒が流れる第２の冷媒流路
と、を有することを特徴とする。

【００１１】

【００１２】または、圧縮空気を吐出する圧縮機と、該
圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器から
供給される燃焼ガスにより駆動され、タービンロータと
該ロータの外周側に配置され冷媒流路を有する動翼と静
翼とを有し、前記圧縮機と連結するタービンと、を備え
たガスタービンにおいて、前記ロータの軸端から第１の
冷媒を供給する経路を設け、前記ロータ内に、前記ロー
タの該軸端から導入された第１の冷媒を前記圧縮機端側
に向けて流すと共に、最も上流側動翼に構成された冷媒
流路に連絡する第１の冷媒流路を配置すると共に、前記
動翼を冷却した後の第１の冷媒を前記圧縮機から吐出さ
れる圧縮空気に供給する冷媒回収経路を備え、前記圧縮
機から抽気した第２の冷媒を前記ロータの圧縮機側端に
供給する経路を圧縮機とタービンとの連結部に備え、前
記ロータ内に、圧縮機側端から導入された第２の冷媒を
前記ロータの該軸端側に向けて流すと共に、後流側から
２段目の動翼に構成された冷媒流路に連絡する第２の冷
媒流路を配置すると共に、前記動翼は、供給されて昇温
した第２冷媒を前記燃焼ガス流れの中に放出する放出手
段を、備えることを特徴とする。

【００１３】これにより、更に、流路構成の煩雑化を抑
制することができると共に、圧縮機から吐出される圧縮
空気に供給する高圧の第１の冷媒の流量を低減すること
ができ、全体としての冷媒供給回収に伴う圧力損失を低
く抑えつつ、効率の良い運転ができる。

【００１４】または、圧縮機ロータと該ロータの外周部
に配置される動翼と静翼とを備え圧縮空気を吐出する圧
縮機と、該圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該
燃焼器から供給される燃焼ガスにより駆動され、動翼と
静翼とを有し、前記圧縮機と連結するタービンとを備
え、前記圧縮機ロータは動翼を外周側に備えたディスク
が軸方向に複数配置され、該ディスクは前記ロータの軸
心部を含む領域には隣接するディスクとの間に間隙部を
形成し、前記軸心部を含む領域の外周側に隣接するディ
スクと接触する環状の接触部を形成し、圧縮機を流れる
圧縮空気の一部を前記ロータ内に供給する抽気口を形成
し、該抽気口が形成されたディスクより下流側の複数の
ディスク間には、前記接触部より外周側に複数のキャビ
ティを形成し、該キャビティと前記間隙部を連絡する連
絡流路を形成し、前記ロータの軸心部を含む領域に前記
間隙部を連通する連絡孔を形成し、該抽気口が形成され
たディスクより下流側の複数のディスクには、前記抽気
口から抽気された気体が流れる該複数のキャビティを連
通する連通孔を形成し、前記連絡孔からの抽気をタービ
ンに供給する経路を圧縮機とタービンとの連結部に備
え、前記タービン内に、前記連結部を流れた抽気を前記
タービンの後流側から２段目の動翼に冷却媒体として導
く経路を備え、タービンの下流側端に他の冷媒を供給す
る経路を備え、前記タービン内に、前記他の冷媒を前記
タービンの最も上流側の動翼に冷却媒体として導く経路
を備えることを特徴とする。

【００１５】これにより、異なる冷媒を最適供給或いは
回収することにより、熱応力が少なく抑え、圧力損失を
少なくしつつ良好な冷却が可能となる。さらに、高温と
なる圧縮機の翼列のうち下流側の高圧部のような高温と
なる領域を効率良く冷却できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図１により本発明の一実施
例を詳しく説明する。

【００１７】図１は、クローズド空気冷却型４段ガスタ
ービンの上半部の断面構造を示しており、ケーシング
１、その内部に配置された圧縮機２，燃焼器３，静翼４
と動翼５及びタービンロータ６等を有するタービン１０
０，軸受８及び排気ダクト９を備えている。

【００１８】動翼５はタービンロータ６の外周に支持さ
れており、１〜３段の動翼の内部には、ガスパス９１を
流れる燃焼ガスの熱負荷に耐えるように、熱負荷に応じ
て形状の異なる冷却流路５１が形成されている。

【００１９】タービンロータ６は動翼を植設した４個の
ディスク６１ａ〜６１ｄ，３個のスペーサ６２ａ〜６２
ｃ及び軸６３をハブ部でボルト締結することにより構成
されており、ディスタントピース６４を介して圧縮機２
のロータと連結されている。ディスタントピース６４、
初段と２段のディスク６１ａ，６１ｂ及び軸６３にはそ
れぞれ中心孔６５ａ〜６５ｄが形成されており、３段と
４段のディスクは中実である。

【００２０】ロータのハブ部には、初段ディスクから４
段ディスクまでを軸方向に貫通する複数の供給基幹流路
６６と、ディスタントピース６４，初段ディスク６１ａ
及び１／２スペーサ６２ａを貫通する複数の回収基幹流
路６７が周方向に配置形成されている。供給基幹流路６
６の一端は、４段ディスク６１ｄ後部の内側キャビティ
６８ｂと供給スリット７０ｃを介してロータの下流側の
軸中心孔６５ｄに連通しており、回収基幹流路６７の一
端は、シール３２ａ及び３２ｂで仕切られたホイルスペ
ース３１ａに開口されている。

【００２１】また、ディスタントピース６４と初段ディ
スク６１ａ及び２段ディスク６１ｂと２／３スペーサ６
２ｂのハブ接合部には供給スリット７０ａ及び７０ｂ，
１／２段スペーサハブの両側接合部には回収スリット７
１ａ，７１ｂが形成されており、供給スリット７０の一
端は供給基幹流路６６に、回収スリット７１の一端は回
収基幹流路６７に連通し、他端はハブ外側のキャビティ
６９ａ〜６９ｄ，ディスク外周部の供給孔７２及び回収
孔７３を介して動翼の冷却流路５１に連通している。

【００２２】更に２／３段スペーサと３段ディスクのハ
ブ接合部には、中心孔６５ｃに連絡されたハブの内側キ
ャビティ６８ａと外側キャビティ６９ｅを半径方向に連
通する抽気系スリット７４が形成されている。

【００２３】一方、圧縮機２のロータは外周に動翼２１
を植設した複数のディスク２２で構成されており、中間
段の中から選んだ特定段の動翼の根本には抽気口２３が
形成されている。同抽気口２３より前段側のディスクは
中実で、後段側のディスクにはディスク間の間隙を連通
する連絡孔である中心孔２８が形成されており、抽気口
２３と同中心孔２８がハブの外側キャビティ２４，複数
のスリット２６及び内側キャビティ２７を介して連通さ
れている。また、外側のキャビティ２４は、連絡流路で
ある連通孔２５によってハブの外側で互いに連通されて
いる。

【００２４】図２は図１のＸ−Ｘ矢視図を示しており、
供給基幹流路６６及び回収基幹流路６７はハブの周方向
に複数配置されたボルト孔７５の中間位置に交互に形成
されている。また、ディスク外周部の供給孔７２及び回
収孔は翼と同数形成されていることが分かる。

【００２５】図３は図１のＹ−Ｙ矢視図を示しており、
抽気系スリット７４は周方向に供給基幹流路と交互に配
置されている。

【００２６】そこで、ガスタービンが起動されてタービ
ンロータ６の軸６３端から供給された冷媒は、同軸の中
心孔６５ｄ，４段ディスク後側のキャビティ６８ｂ及び
スリット７０ｃを経て、軸方向にディスクとスペーサを
貫通するようにハブに形成された供給基幹流路６６に導
入される（矢印９２ａ）。

【００２７】供給基幹流路６６に導入された冷媒の一部
は、スリット７０ｂ，キャビティ６９ｄ及びディスク外
周部の供給孔を経て２段動翼に供給され（矢印９２
ｂ）、翼を冷却した後はディスク外周部の回収孔、ディ
スク前側のキャビティ６９ｃ及び回収スリット７１ｂを
経て回収基幹流路６７に導かれ（矢印９２ｃ）、ディス
タントピースハブの放出口７６からホイルスペース３１
ａに放出された後、インナーバレルの回収孔３３を介し
て燃焼器側に回収される（矢印９２ｆ）。そして、圧縮
機吐出空気と共に燃焼器に供給される。

【００２８】２段動翼用を除いた残りの冷媒は、初段デ
ィスク前側の供給スリット７０ａ，キャビティ６９ａ及
び初段ディスク外周部の供給孔７２を経て初段動翼５の
冷却流路５１に供給され（矢印９２ｄ）、翼を冷却した
後は、ディスク後側の回収孔７３，キャビティ６９ｂ及
びハブ接合部の回収スリット７１ａを経て回収基幹流路
６７に導かれ（矢印９２ｅ）、２段動翼の場合と同様
に、放出口７６からホイルスペース３１ａを経て燃焼器
側に回収される。すなわち初段動翼用の冷媒はディスク
外側を一巡するように流れ、ハブには供給と回収の２系
統の冷媒が通過する。

【００２９】一方、圧縮機の中間段部の圧縮機外周部の
抽気口２３から抽気された冷媒は、連通孔２５によって
ハブ外側の下流側のキャビティ２４にほぼ均等に配分さ
れ、その後スリット２６，ハブ内側のキャビティ２７を
経てディスク中心孔２８で合流した後、ディスタントピ
ースの中心孔６５ａを介してタービンロータの中心部に
流入する(矢印９３ａ)。タービンロータ内ではディスク
中心孔６５ｂ，６５ｃ，キャビティ６８ａ，抽気系スリ
ット７４及びハブ外周のキャビティ６９ｅを経て３段動
翼内部の冷却流路に供給され、同翼を冷却した後にガス
パス９１中に放出される（矢印９３ｂ）。

【００３０】以上に示したように、軸端からの冷媒供給
系と圧縮機からの抽気冷媒系をロータ内に構成すること
により、ロータの中間半径に位置するハブを翼冷媒の軸
方向通路とし、これより外径側を翼との連絡通路、内径
側を圧縮機からの抽気冷媒環境として、最終段の中実デ
ィスク６１ｄによりロータ中心部の軸端供給流路68ｂと
抽気流路６８ａを仕切ることにより、供給，回収及び抽
気の３系統の冷媒流路が交差することなくシンプルに構
成できる。

【００３１】また、ディスクや軸等を接合しているハブ
部に動翼用冷媒の供給と回収の基幹流路を形成して、該
供給基幹流路を軸端の供給口に連通し、且つ前記回収基
幹流路を初段側のホイルスペースに開口するとともに、
前記ハブの接合部に、一端が前記供給及び回収基幹流路
のそれぞれに連通するように、供給スリットと回収スリ
ットを形成した。更に、冷媒流路を備えた動翼の最終流
側の３段動翼のある３段ディスクのハブ接合部に前記デ
ィスク中心孔に連通するスリットを形成した。かかる構
成において、前記軸端供給口から供給した冷媒を、前記
供給基幹流路及び供給スリットを経て前記３段より前段
の動翼に供給し、冷却後の冷媒を前記回収スリット及び
回収基幹流路を経て燃焼室側に回収する。また、圧縮機
から前記供給冷媒と回収冷媒の中間温度の圧縮空気を抽
気し、この空気を、前記ディスク中心孔及び３段ディス
クのハブ接合部に形成されたスリットを経て、３段の動
翼に供給する。

【００３２】これによって、ロータの中間半径に位置す
るハブを翼冷媒の軸方向通路とし、これより外径側を翼
との連絡通路、内径側を圧縮機からの抽気冷媒温度環境
として、中実の最終段ディスクによりロータ中心部の軸
端供給流路と抽気流路を仕切ることにより、供給，回収
及び抽気の３系統の冷媒流路を交差させることなくシン
プルに構成できるほか、前述したロータの定常及び非定
常時の熱応力の低減，圧縮機ロータ冷却，冷媒の回収等
がより効果的に発揮できる。

【００３３】またロータ中心孔では、孔流入前の渦の流
れに起因して多大な圧力損失が発生することが知られて
いるが、上記した軸端供給冷媒の流路構成中には中心孔
の流れは含まれていないために圧力損失は少なく、冷媒
のブースト圧縮動力を最小限に抑えることができる。

【００３４】また、経路でリークする部署としては、軸
端供給部、外側キャビティ６９ａ，６９ｂ，６９ｃ，６
９ｄ外周のディスクとスペーサの接合部、ディスクと動
翼のはめ合い部及びホイルスペース３１ａのシール３２
ｂ等が考えられるが、接合部及びはめ合い部からのリー
クは接触面シールによって防止できるほか、シール３２
ｂからリークした冷媒はガスパスからホイルスペース３
１ｂへの燃焼ガス漏れ込み防止用シール空気として活用
できるため、軸端から供給した冷媒の大部分を効率的に
回収できる。

【００３５】更に、放出口７６の回転半径位置は動翼の
半径位置の少なくとも２分の１以下に構成できるため、
冷媒放出に伴うポンピング動力損失を従来の４分の１以
下に低減できる。

【００３６】更に、圧縮機から抽気した冷媒をディスク
の側面に形成した流路２４〜２８を並流させ、ディスタ
ントピース６４を介してタービンロータ６の中心部に導
くことにより、圧縮機高段側のディスクを均一に冷却で
きるほか、外周から回収冷媒によって加熱されるディス
タントピースを内側から冷却できる。このためロータ材
の耐熱性をさほど上げなくとも圧縮機吐出圧力を高める
よう構成することもできる。また、抽気冷媒の温度を軸
端供給冷媒と回収冷媒の中間温度に設定すれば、ハブに
形成された軸端供給基幹流路６６周りの低温部に対して
は加熱，回収基幹流路６７周りの高温部に対しては冷却
が作用してロータ温度分布の高低を緩和する機能が働
き、熱応力が低減する。

【００３７】また、抽気冷媒は回収する必要が無いため
ブースト圧縮動力を節約できるほか、圧縮機の規模を小
型化できる利点が得られる。

【００３８】但しディスク中心孔では、前述した孔流入
前の渦の流れに起因する圧力損失が発生し、損失量は流
量に大きく依存するが、抽気冷媒を複数のディスク間流
路に分流させることによって個々の流路の流量が減少す
るため、これに伴い圧力損失も低減し、３段動翼への供
給圧力を十分確保できる。

【００３９】更に、ガスタービン起動時には点火と同時
に高温の燃焼ガスがガスパス９１を流れるようになるた
め、ガスパスからの熱負荷の影響と伝熱面積の関係でロ
ータ外周側の温度は急速に上昇する。このため、温度上
昇が緩やかなロータ中心部には定常運転時より更に大き
な応力が発生するが、本実施例ではロータ中心部に起動
と同時に圧縮機から抽気した空気が流れて同部が一様に
加熱されるため、起動時の非定常熱応力を低減する上で
も大きな効果が得られる。また、軸端から供給する冷媒
は機外で流量や温度等の状態量が操作できるため、供給
遅延手段等によってロータの非定常熱応力を最小限にコ
ントロールすることも可能である。

【００４０】初段動翼用の冷媒をディスクの前側から供
給するようにしたのは、初段ディスクのハブと前側に低
温の冷媒を流して同部を冷却するためであり、これによ
ってディスタントピース６４及びディスクハブの温度は
供給冷媒と回収冷媒のほぼ平均温度になり、ディスクの
後側から供給してハブには回収冷媒のみが流れる場合に
比べ、温度上昇を低温に維持できる。但しこの影響で１
／２段スペーサ外側の温度が回収温度近くに上昇する
が、軸方向の温度勾配が形成されない上、外周はシール
空気、ハブは初段冷却用の供給冷媒によって冷却されて
おり、また動翼の遠心荷重が負荷されるディスクに比べ
てスペーサの遠心荷重が小さいために、応力はディスク
ほど問題にならない。

【００４１】また、冷媒を動翼の前側から内部の冷却流
路５１に供給することによって、冷媒とガスパス９１を
流れる燃焼ガスの温度差が冷却上有効に形成されるた
め、翼の冷却効率を高める上でも有効である。

【００４２】次に、流路の構成を圧力損失の観点からみ
ると、軸端から動翼の冷却流路を迂回して燃焼室に至る
過程の流路長は極力短縮して形成されており、また、圧
力損失の大きな中心孔流路は回避して構成されている。
このため経路の圧力損失は小さく、冷媒のブースト圧縮
動力を最小限に抑えることができる。

【００４３】但し圧縮機ディスクの中心孔２８では、ハ
ブのスリット２６から流出した冷媒がキャビティ２７を
内向きに流れる過程で渦の旋回速度が増速し、この旋回
速度エネルギーが中心孔の軸流過程で消失して圧力損失
を発生するが、実施例では分流されて個々の流路の流量
が少なくなっているため、キャビティ２７を流れる過程
で壁面の摩擦により旋回成分が減衰する。このため、中
心孔での圧力損失は少ない。したがって、高段側であれ
ば、抽気段によらず３段動翼への供給圧力を十分に確保
できる。

【００４４】なお、圧縮機から抽気しない場合の流路構
成としては、動翼用冷媒全量を回収してガスパスへの冷
媒放出に起因する損失を低減するのが高効率化の上で最
も有効であると考えられるが、この場合は冷媒全量をブ
ースト圧縮する必要がある。これに対して本実施例では
３段動翼の冷媒がガスパスに放出されるため、この分ガ
スタービンの効率が低下することになるが、同冷媒につ
いてはブースト圧縮動力が不要であるために放出損失分
が補充される。

【００４５】本実施例のように形成することにより、圧
縮を要する冷媒を少量に抑えて、必要動力を少なくしつ
つ、良好な冷媒ができる。

【００４６】初段動翼用と２段動翼用の冷媒経路から分
かるように、タービンロータで高温の回収冷媒に曝され
るのは、領域Ａで示したハブより外側且つ２段ディスク
より前側の狭い領域に制限されている。但し領域内の冷
媒ぬれ面の約半分は低温の供給冷媒に曝されている。

【００４７】一方、圧縮機ロータからタービンロータ中
心部の領域Ｂには圧縮機から抽気した冷媒が流れるため
に、同領域に含まれる部材は抽気冷媒の環境に曝され
る。２／３段スペーサ及び３段ディスクの外側からなる
領域Ｃは供給冷媒と抽気冷媒に曝される部署であり、残
り３／４段スペーサより後側の領域Ｄは、主として低温
の供給冷媒によって曝される。

【００４８】そこで、一例として軸端から２３０℃の冷
媒を供給し、圧縮機から３７０℃の圧縮空気を抽気する
と、１５００℃級のガスタービンで翼冷却後の回収温度
は４５０℃〜５００℃に上昇する。これに伴い供給冷媒
と回収冷媒に曝される領域Ａ内の部材の平均温度は、両
冷媒の平均温度の３４０℃〜３６５℃に上昇し、供給冷
媒にのみ曝される領域Ｄ内の部材の温度は供給冷媒の温
度２２０℃近くに上昇する。

【００４９】一方、抽気冷媒が流れる領域Ｂ内の部材温
度は抽気冷媒の温度３７０℃近くに上昇し、領域Ｃ内の
部材温度は抽気冷媒と供給冷媒の平均温度の約３００℃
前後に上昇する。また、ディスタントピースは外周から
回収冷媒，内周から抽気冷媒によって加熱されるため、
両者の平均温度４１０〜４３０℃に上昇する。

【００５０】すなわち翼冷却用の冷媒として２３０℃の
軸端供給冷媒と３７０℃の圧縮機抽気空気を用いれば、
ロータの平均温度を概ね４３０℃以下とするロータ内部
冷媒流路の構成が可能となる。

【００５１】またハブの軸方向温度分布が領域Ａ，Ｃ，
Ｄと下がる方向に変化し、各領域の部分的な変化を含め
ても高低の変化は少ない。このことはハブ接合部の半径
方向の伸び差を極力少なくして、はめ合い部の応力を低
減する上で有効である。

【００５２】然るに、ディスク中心部は高速回転による
最大の遠心応力が発生する部署であるが、同中心部の温
度を外径側より高くすることによって、熱膨張により上
記遠心応力は緩和される。ハブ部の温度は上述によって
概ね供給冷媒と回収冷媒の中間温度になるので、圧縮機
からの抽気温度を同中間温度以上に高くすれば、ロータ
中心部で抽気冷媒によって加熱されてハブより高い温度
となる。したがって抽気温度を適切に選択すれば、同部
の応力を低減する効果が得られる。この際、抽気空気の
温度は抽気口２３の段落位置によって決まるため、ロー
タ内部に形成する冷媒流路の構成に対しては熱応力低減
上最も効果の大きい抽気段を選定すべきである。

【００５３】なお、本実施例では矢印９３ｂの抽気経路
を３段ディスクの前側に形成したが、同ディスクを中心
孔付に形成して後側から３段動翼に供給しても良い。前
側に形成したのは、ディスク間に冷媒が流れないキャビ
ティ６８ｃを形成して、４段ディスク６１ｄの中心部側
面に軸端供給冷媒と抽気冷媒の温度差に起因して発生す
る熱応力を軽減するためであり、ロータ全体の熱応力低
減上、同軸端供給冷媒と抽気冷媒の温度差を少なくでき
る場合には抽気経路を３段ディスクの後側に形成しても
上述となんら変わりなく、同等の効果が得られる。

【００５４】以上に説明した実施例でディスク間にスペ
ーサを介したのは、ディスクハブ及び外周リムの軸方向
スパンを短縮して応力を低減するためであるが、タービ
ンの段落スパンを短く構成できる場合にはスペーサを省
略してもよい。

【００５５】図４は、スペーサを介さない場合に冷却流
路を構成したタービンロータの断面構造を示している。
ロータ１０はディスク１１ａ〜１１ｄ，軸６３で構成さ
れており、初段側でディスタントピース６４を介して圧
縮機ロータに連結されている。初段から３段までのディ
スクは中心孔１９付に、４段ディスクは中実に形成され
ており、ディスクの外周には動翼５が植設され、この内
初段〜３段までの動翼が内部から冷却されている。

【００５６】この場合もハブの供給基幹流路１２と回収
基幹流路１３は前実施例と同様に形成できる。但しスペ
ーサが無いために、供給スリット１４ａ，１４ｂ，回収
スリット１５及び圧縮機からの抽気系スリット１６はデ
ィスク１１間に形成されており、特に回収スリット１５
は初段動翼と２段動翼用冷媒の回収用に共用されてい
る。

【００５７】かかる流路構成において、軸端から供給さ
れて供給基幹流路１２に導入された冷媒の一部は供給ス
リット１４ｂ及び外側ディスク間キャビティ１７ｃを経
て２段動翼に供給され、残りの冷媒は供給スリット１７
ａからディスク前側を経て初段動翼に供給される。そし
てキャビティ１７ｂで合流した後、回収スリット１５及
び回収基幹流路１３を経て燃焼室側に回収される。一
方、圧縮機から抽気された冷媒はディスタントピースを
介してタービンロータの中心孔１９に流入し、内側のキ
ャビティ１８，抽気系スリット１６及び外側キャビティ
１７ｄを経て３段動翼に供給される。

【００５８】この場合においても、定常及び非定常熱応
力や圧力損失の低減、及び圧縮機ロータ冷却等について
は前実施例とほぼ同等の効果が得られるほか、スペーサ
を省略することによってロータ構造自身をシンプルに構
成できる利点がある。

【００５９】また、第３段動翼を中実構造とし、他を中
空構造とすることもできる。

【００６０】図１等と異なるのは、中心孔６５ｄを流れ
る冷媒を、４段ディスク後側のキャビティ６８ｂ，スリ
ット７０ｃを経て供給基幹流路６６に導入するのではな
く、４段ディスクに中心孔を空け、６５ｄを流れた冷媒
を４段ディスク６１ｄの中心孔を通して、第３段ディス
クと第４段ディスク間に形成されたキャビティ６８ｃか
らスリットを経て、供給基幹経路６６に導入するように
するものである。

【００６１】具体的構成は、前記ロータには、以下のよ
うになる。

【００６２】軸端から供給する冷媒の流路（第１の冷媒
流路）は４段ディスクの軸心を貫通するように構成され
る第１の貫通経路としてディスク中心の中心孔を用い
る。また、４段ディスクと隣接する３段ディスクとの間
に形成され、前記中心孔流れる冷媒が外周方向に流れる
よう構成されるキャビティ及びスリット（第１の連絡経
路）を形成する。前記連絡経路を流れる冷媒は供給基幹
経路６６（第２の貫通経路）に供給される。そして、供
給基幹経路６６を流れる冷媒が１段動翼内の冷媒流路に
供給スリット７０ａ（第２の連絡経路）を経て供給され
る。圧縮機からの抽気冷媒の流路（前記第２の冷媒流
路）は、前記ロータの前記圧縮側から軸心をディスクを
貫通するよう構成されるディスク中心孔６５ｂや６５ｃ
等（第３貫通経路）を経て供給され、該中心孔６５ｂや
６５ｃを流れる冷媒を３段動翼を有するディスクに沿っ
て半径方向外側に向けて前記３段動翼内の冷媒流路に連
絡するよう構成される抽気系スリット７４（第３の連絡
経路）に供給され、動翼に冷媒を導入する。

【００６３】かかる場合においても、定常及び非定常の
熱応力を緩和でき、圧力損失の低減をしつつ効率良い冷
却ができる。

【００６４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、タービンロータの内部に熱応力と圧力損失低減及び
圧縮機ロータの冷却に好適な冷媒の供給と回収流路を形
成し、高効率の冷媒回収型ガスタービンを提供する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す冷媒回収型ガスタービ
ンの上半断面図。

【図２】図１のＸ−Ｘ矢視図。

【図３】図１のＹ−Ｙ矢視図。

【図４】本発明による他の実施例。

【符号の説明】

２…圧縮機、３…燃焼器、５…動翼、６，１０…タービ
ンロータ、１４，７０…供給スリット、１５，７１…回
収スリット、１６，７４…抽気系スリット、１９，２
８，６５…中心孔、２２，６１…ディスク、２３…抽気
口、２４，６８，６９…キャビティ、２５…連通孔、２
６…スリット、３１…ホイルスヘーサ、６２…スペー
サ、６３…軸、６４…ディスタントピース、６６…供給
基幹流路、６７…回収基幹流路、７６…放出口、９１…
ガスパス、９２…矢印、９３…矢印、Ａ〜Ｄ領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池口 隆 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 (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 (56)参考文献 特開 平10−47006（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−103004（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−252497（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−277725（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−89086（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−13902（ＪＰ，Ａ) 特許3349056（ＪＰ，Ｂ２) 特許3362643（ＪＰ，Ｂ２) 特許2941748（ＪＰ，Ｂ２) 特許3276276（ＪＰ，Ｂ２) 国際公開98／23851（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01D 1/00 - 11/10 F02C 1/00 - 9/58 F23R 3/00 - 7/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮空気を吐出する圧縮機と、該圧縮空気
   と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器から供給され
   る燃焼ガスにより駆動され、タービンロータと前記ロー
   タの外周側に配置され冷媒流路を有する動翼と静翼とを
   有し、前記圧縮機と連結するタービンと、を備えたガス
   タービンにおいて、 前記ロータ内に、 軸端から供給され、最上流側に位置する第１の動翼内に
   供給する第１の冷媒が流れる第１の冷媒流路と、前記ロータ内に、 前記圧縮機から抽気され、前記圧縮機
   と前記タービンとの連結部内及びロータ中心部を介して
   供給され、冷媒流路を有する動翼の最も後流側の動翼内
   に供給する第２の冷媒が流れる第２の冷媒流路と、 を有することを特徴とするガスタービン。
2. 【請求項２】圧縮空気を吐出する圧縮機と、該圧縮空気
   と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器から供給され
   る燃焼ガスにより駆動され、タービンロータと該ロータ
   の外周側に配置され冷媒流路を有する動翼と静翼とを有
   し、前記圧縮機と連結するタービンと、を備えたガスタ
   ービンにおいて、 前記ロータの軸端から第１の冷媒を供給する経路を設
   け、前記ロータ内に、前記ロータの該軸端から導入され
   た第１の冷媒を前記圧縮機端側に向けて流すと共に、最
   も上流側動翼に構成された冷媒流路に連絡する第１の冷
   媒流路を配置すると共に、前記動翼を冷却した後の第１
   の冷媒を前記圧縮機から吐出される圧縮空気に供給する
   冷媒回収経路を備え、前記圧縮機から抽気した第２の冷
   媒を前記ロータの圧縮機側端に供給する経路を圧縮機と
   タービンとの連結部に備え、前記ロータ内に、圧縮機側
   端から導入された第２の冷媒を前記ロータの該軸端側に
   向けて流すと共に、後流側から２段目の動翼に構成され
   た冷媒流路に連絡する第２の冷媒流路を配置すると共
   に、前記動翼は、供給されて昇温した第２冷媒を前記燃
   焼ガス流れの中に放出する放出手段を、備えることを特
   徴とするガスタービン。
3. 【請求項３】圧縮機ロータと該ロータの外周部に配置さ
   れる動翼と静翼とを備え圧縮空気を吐出する圧縮機と、
   該圧縮空気と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器か
   ら供給される燃焼ガスにより駆動され、動翼と静翼とを
   有し、前記圧縮機と連結するタービンとを備え、 前記圧縮機ロータは動翼を外周側に備えたディスクが軸
   方向に複数配置され、該 ディスクは前記ロータの軸心部を含む領域には隣接す
   るディスクとの間に間隙部を形成し、前記軸心部を含む
   領域の外周側に隣接するディスクと接触する環状の接触
   部を形成し、 圧縮機を流れる圧縮空気の一部を前記ロータ内に供給す
   る抽気口を形成し、 該抽気口が形成されたディスクより下流側の複数のディ
   スク間には、前記接触部より外周側に複数のキャビティ
   を形成し、該キャビティと前記間隙部を連絡する連絡流
   路を形成し、前記ロータの軸心部を含む領域に前記間隙
   部を連通する連絡孔を形成し、該抽気口が形成されたディスクより下流側の複数のディ
   スクには、前記抽気口から抽気された気体が流れる該複
   数のキャビティを連通する連通孔を形成し、 前記連絡孔からの抽気をタービンに供給する経路を圧縮
   機とタービンとの連結部に備え、 前記タービン内に、前記連結部を流れた抽気を前記ター
   ビンの後流側から２段目の動翼に冷却媒体として導く経
   路を備え、 タービンの下流側端に他の冷媒を供給する経路を備え、
   前記タービン内に、前記他の冷媒を前記タービンの最も
   上流側の動翼に冷却媒体として導く経路を備えることを
   特徴とするガスタービン。
4. 【請求項４】請求項１記載のガスタービンであって、 前記第２の冷媒は、前記第１の冷媒より圧力が低いこと
   を特徴とするガスタービン。
5. 【請求項５】請求項１記載のガスタービンであって、 前記第２の冷媒は、前記第１の冷媒より温度が高いこと
   を特徴とするガスタービン。