JP3621523B2 - ガスタービンの動翼冷却装置 - Google Patents
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Description
【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１５００℃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９，１０，１１の所定の位置に対応して配置されたスペーサ１２，１３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１４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１２，１３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１６，１７，１８，１９，２０，２１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２２，２３，２４，２５，２６，２７を介して外周側の空間１６，１７，１８，１９，２０，２１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８−１４０６４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、前記流路構成体は前記タービンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、前記冷却媒体供給流路および前記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、かつ前記流路構成体は、前記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に加え、同軸心位置にさらに一つの冷却媒体供給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。
【００１６】
請求項２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、前記流路構成体は前記タービンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、前記冷却媒体供給流路および前記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、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した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。
【００１７】
請求項３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、前記流路構成体は前記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前記タービンロータ内に固定し、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した前記円管に加え、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。
【００１８】
請求項４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、前記流路構成体は前記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前記タービンロータ内に固定し、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した前記円管に加え、同軸心位置にさらに一つの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。
【００１９】
請求項５の発明では、請求項１から４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。
【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構成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４１ａ、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５５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５４外周側部分には、前部ディスク４１ａと第１段動翼４３のディスクス４６との間、各ディスク４６，４７，４８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５６，５７，５８，５９，６０，６１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６２，６３，６４，６５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６６，６７，６８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７０ａ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４３，４４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６７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】
以上の構成によれば、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、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７２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、種々の構成が可能である。
【００４４】
例えば図４は、流路構成体７０の構成例を示している。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の構成例を示している。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の構成例を示している。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４６，４７，４８、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の構成例を示している。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７１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７０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４３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５０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構成例を示す断面図。
【図５】前記実施形態における流路構成体の構成例を示す断面図。
【図６】前記実施形態における流路構成体の構成例を示す断面図。
【図７】前記実施形態における流路構成体の構成例を示す断面図。
【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
【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１５００℃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９，１０，１１の所定の位置に対応して配置されたスペーサ１２，１３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１４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１２，１３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１６，１７，１８，１９，２０，２１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２２，２３，２４，２５，２６，２７を介して外周側の空間１６，１７，１８，１９，２０，２１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８−１４０６４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、前記流路構成体は前記タービンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、前記冷却媒体供給流路および前記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、かつ前記流路構成体は、前記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に加え、同軸心位置にさらに一つの冷却媒体供給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。
【００１６】
請求項２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、前記流路構成体は前記タービンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、前記冷却媒体供給流路および前記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、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した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。
【００１７】
請求項３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、前記流路構成体は前記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前記タービンロータ内に固定し、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した前記円管に加え、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。
【００１８】
請求項４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、前記流路構成体は前記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前記タービンロータ内に固定し、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した前記円管に加え、同軸心位置にさらに一つの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。
【００１９】
請求項５の発明では、請求項１から４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。
【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構成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４１ａ、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５５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５４外周側部分には、前部ディスク４１ａと第１段動翼４３のディスクス４６との間、各ディスク４６，４７，４８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５６，５７，５８，５９，６０，６１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６２，６３，６４，６５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６６，６７，６８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７０ａ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４３，４４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６７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】
以上の構成によれば、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、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７２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、種々の構成が可能である。
【００４４】
例えば図４は、流路構成体７０の構成例を示している。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の構成例を示している。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の構成例を示している。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４６，４７，４８、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の構成例を示している。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７１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７０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４３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５０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構成例を示す断面図。
【図５】前記実施形態における流路構成体の構成例を示す断面図。
【図６】前記実施形態における流路構成体の構成例を示す断面図。
【図７】前記実施形態における流路構成体の構成例を示す断面図。
【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
Claims (5)
- 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、前記流路構成体は前記タービンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、前記冷却媒体供給流路および前記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、かつ前記流路構成体は、前記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に加え、同軸心位置にさらに一つの冷却媒体供給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。
- 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、前記流路構成体は前記タービンロータの軸心上に固定配置した円柱体であり、前記冷却媒体供給流路および前記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、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した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。
- 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、前記流路構成体は前記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前記タービンロータ内に固定し、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した前記円管に加え、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。
- 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、前記流路構成体は前記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前記タービンロータ内に固定し、かつ前記流路構成体は、前記タービンロータの軸心回りに配置した前記円管に加え、同軸心位置にさらに一つの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。
- 請求項１から４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。
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