JP3725930B2

JP3725930B2 - タービン

Info

Publication number: JP3725930B2
Application number: JP07860996A
Authority: JP
Inventors: ダイエサー・ユーセビオ・カレノ; アルバート・マイヤーズ; ジーン・デイビッド・パーマー; フィリップ・エム・カルソ; イアン・デイビッド・ウィルソン; マーティン・カール・ヘムズワース
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-04-01
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2016-04-01
Also published as: DE69618492T2; KR100415951B1; JPH0913902A; US5593274A; IN186546B; EP0735238B1; EP0735238A1; DE69618492D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は全般的にタービン、特に高温ガス通路部品の閉回路蒸気冷却又は開放又は閉回路空冷の何れをも用いる陸上用ガスタービンに関する。更に具体的に云うと、この発明はタービン回転子を空冷及び蒸気冷却の間で転換することが出来る様にする、タービンの回転部品の閉回路蒸気冷却又は開放或いは閉回路空冷に関する。
【０００２】
【背景】
ガスタービンの高温ガス通路部品は、高い温度に晒される面を冷却する為に空気対流及び空気境膜技術を用いるのが典型的である。普通、高圧空気が圧縮機から抽出され、空気が冷却に使われた後、この空気を圧縮するエネルギが失われる。例えば複合サイクル発電所の熱回収形蒸気発生器並びに／又は蒸気タービン部品から利用し得る蒸気を用いた高温ガス通路部品の蒸気冷却が提案されている。ガスタービン部品に対する冷却材として蒸気が使われる場合、蒸気タービンを駆動するエネルギを供給する代わりに、蒸気を冷却材として使うことに伴う損失を埋め合わせる以上には（典型的には開放サイクル形式で）冷却用に圧縮機抽出空気を抽出しないことによって、利得が実現されるので、正味の効率利得があるのが典型的である。蒸気冷却材が閉回路で得られ、この為、ガスタービン部品を冷却する時に蒸気に加えられた熱エネルギが、蒸気タービンを駆動する上での有効仕事としても回収される時、蒸気冷却は更に有利である。
【０００３】
空気と蒸気の間には熱伝達特性に違いがある為、こう云う冷却媒質を利用する様に設計されたタービン部品が異なる構造であることが予想される。例えば、開放回路の空冷によって冷却される様に設計されたタービン・バケットは、閉回路蒸気によって冷却される様に設計されたタービン・バケットとは実質的に異なると予想される。蒸気冷却の場合、冷却材がタービン・バケットから回収されて、他の場所で有効仕事をする。空冷の場合、典型的には空気はバケットから高温ガス通路に放出される。回転する高温ガス通路部品に対する冷却回路を作る内部通路は、典型的には異なる形に設計されると予想される。
【０００４】
ガスタービンが（以下説明するこの発明の特徴であるが）空気でも蒸気でも冷却出来る融通性を持つ様にする為には、両方の冷却媒質に合う様に冷却回路を設計することが必要である。例えば、単純サイクル・ガスタービン発電所を買う顧客は、別の冷却材の源が利用出来ない場合、タービン部品を空気で冷却する様にする必要がある。しかし、後になって、顧客が自分のプラントを高級な複合サイクル・プラントに拡張する場合、冷却材として蒸気が容易に利用出来る様になり、効率の観点からすれば、タービンを冷却するのにこの蒸気を利用するのが有利であろう。その為、この発明で取り上げる問題は、ガスタービンの回転部品に、冷却媒質として空気又は蒸気の何れを使ってでもこう云う部品を冷却する様に容易に転換することの出来る冷却回路を提供することである。
【０００５】
【発明の開示】
説明の便宜の為、こゝで説明し図示するこの発明のタービンは、内側殻体の中に第１段及び第２段ノズルと第１段及び第２段シュラウドを取付け、外側殻体に第３段及び第４段ノズル及びシュラウドを取付けた４段で構成されると考えることが好ましい。しかし、タービン段の数をこれより多くしても少なくてもよいし、内側及び外側殻体によって支持されるノズル段及びシュラウドの数がこれと違っていてもよいことを承知されたい。空冷タービンを設ける場合、不動部品、例えば第１段及び第２段ノズルに、圧縮機からの高圧空気の一部分として冷却空気が供給されることが理解されよう。冷却空気は開放回路で供給され、第１段及び第２段ノズルの仕切り壁又はベーンを出て境膜冷却をし、高温ガス流の中に入る。同様に、冷却空気は配管によって直接的に外側殻体を通って第３段ノズルに送ることが出来、これに対して第４段ノズルは冷却されないまゝであってもよい。タービンの回転部品、即ちバケットにも、普通の様に空冷の開放回路が設けられる。
【０００６】
タービンに対する閉回路蒸気冷却装置では、内側殻体を通って仕切り壁に結合されると共に、その外側端で外側殻体に解放自在に結合された別々の蒸気供給及び使用済み冷却蒸気出口管によって、第１段及び第２段の各々のノズル仕切り壁に冷却蒸気が供給される。この発明は第１段及び第２段のバケットと、回転子ホィール空所及び回転子のリムに冷却媒質（蒸気又は空気）を送り出す為の、タービン回転子に対する閉回路蒸気冷却供給及び使用済み冷却蒸気戻り導管並びに開放回路空冷導管を特に取り上げるものである。
【０００７】
このタービンの開発状態をまとめて云うと、空冷及び蒸気冷却の間で転換することの出来るタービンの不動部品を支持する為に内側及び外側殻体を使うことが、係属中の米国特許出願通し番号０８／４１４６９８、発明の名称「バケット先端すき間制御を備えた着脱自在の内側タービン殻体」（出願人控え番号８３９−３４６）に記載されている。蒸気冷却バケットの完全な説明については、係属中の米国特許出願通し番号０８／４１４７００、発明の名称「閉回路蒸気冷却バケット」（出願人控え番号８３９−３５２）を参照されたい。固定子ベーン及び関連する外側及び内側壁を含む蒸気冷却の第１段及び第２段ノズルの完全な説明については、係属中の米国特許出願通し番号０８／４１４６９７、発明の名称「組合せ空気及び蒸気冷却回路を持つタービン固定子ベーン・セグメント」（出願人控え番号８３９−３５４）を参照されたい。空冷バケットは周知であり、例えば米国特許第５３４０２７４号、第５２５９７３０号、第５２３２３４３号を参照されたい。従って、個別のタービンで空冷及び蒸気冷却の間で転換を行う為には、タービン回転子に対する冷却回路が、回転子及びタービン・バケットに対する空冷及び蒸気冷却の両方に対処する様に設計されていなければならないことが理解されよう。
【０００８】
この発明では、こう云う目的を達成する為、タービンが、冷却供給用円板モジュール及び後側タービン・ホィール、例えば第４段タービン・ホィールの間の第１の後側ホィール空所に冷却媒質を供給する為に、後側回転子の周りに高圧室を構成するハウジングを有する。（この明細書で云う「後側」と云う言葉は、タービンを通る高温ガス流の下流側に向かう方向にあるタービンの部品を指す。）円周方向に相隔たって軸方向に伸びる複数個の開口又は穿孔がホィール、並びに該ホィールの間のスペーサ円板のリムに設けられ、軸方向に伸びる冷却媒質供給通路とする。こう云う軸方向に伸びる通路の内のあるもの、例えば、好ましくは２４個の通抜けの孔の内の１２個には、管が設けられる。これらの管は別々の流路を構成する様に縦筋をつけることが好ましい。こう云う流路を通る流れが、ホィール空所と直列に、全体的に蛇行通路（流路を含む）として、第１段及び第２段バケットに対する冷却媒質を供給する。この為、管の縦筋と開口の壁の間に構成されたこう云う流路が、隣接したホィールの間にあるホィール円板の両側にある環状空所に冷却媒質を供給し、第１段及び第２段ホィールの間に配置された内側供給高圧室に流れる様にすると共に、更に第１及び第２のバケットに流れる様にする。ホィール及びスペーサ円板のリムに沿った残りの１２個の通路が回転子の略全長にわたって伸びる通抜けの軸方向の穿孔となり、軸方向の通路に沿って直接的に内側供給高圧室に冷却媒質を供給する。冷却媒質を供給する２つの流れ、即ち、軸方向の流れと蛇行の流れが、内側供給高圧室で一緒になって、半径方向外向きに溝孔を通って外側供給高圧室へ流れる。この外側供給高圧室が、第１段及び第２段のバケットに冷却媒質を供給する。
【０００９】
閉回路冷却装置が使われる時、縦筋を設けた管を通る中心通路により、冷却媒質の戻りの流れが作られる。即ち、冷却媒質として蒸気が利用される閉回路冷却装置では、蒸気が後側高圧室から後側ホィール空所へ流れ、軸方向の通路及び蛇行通路を流れる様に分割され、内側供給高圧室で再び一緒になり、半径方向外向きに外側供給高圧室へ、そして第１段及び第２段バケットへ半径方向外向きに流れる。戻り蒸気は第１段及び第２段バケットから、第１段及び第２段ホィールの間にある戻り高圧室へ流れ、この高圧室から溝孔に沿って半径方向内向きに、縦筋を設けた管の中心戻り通路へ流れ、その後回転子の後端で更に半径方向内向きに流れ、同軸の通路を介して吐出される。
【００１０】
空冷では、蒸気冷却装置で使われたのと同じ部品を空冷装置でも使うことが出来る。空冷装置では、蒸気供給回路の場合と同様に、空気がホィール及びディスクのリムと、第１段及び第２段バケットに供給される。即ち、空気が最初は、ホィール及び円板のリムを通る通路に沿った軸方向の流れと、ホィール空所を通る蛇行した流れの通路とに分割され、これらの流れが内側供給高圧室で再び一緒になり、外側供給高圧室へ流れる。空気が、前に説明した蒸気戻り通路で第１段及び第２段バケットに供給される。即ち、管の中心通路と冷却媒質戻り高圧室から、第１段及び第２段バケットに流れる。この為、蒸気冷却回路の戻り通路が空冷回路の供給通路として使われる。
【００１１】
この発明の別の一面では、熱的に不整合になるかも知れない回転部品の隣接部分の間での冷却媒質の移行の為に、冷却回路にスプーリが設けられる。蒸気冷却では、隣接する回転部品の間の漏れ区域を介して蒸気が高温ガス通路へ漏れないことが重要である。典型的には、漏れは、隣接する部品の熱成長率が異なる所で起こる。異なる熱成長率に対処する為、これらの部品の間にスプーリを位置ぎめして、熱的な不整合によって起こり得る漏れを生ぜずに、こう云う移行区域に冷却媒質を流れさせることが出来る様にする。この為、スプーリが、２つの回転部品の間のこう云う移行区域を実効的に密封する。
【００１２】
この発明の好ましい実施例では、軸線を持つと共に、タービン・バケットを取付けるリムを持つ複数個のタービン・ホィール、及びリムを持つスペーサ円板を含み、スペーサ円板がホィールの間に交互に配置されていて、その間にホィール空所を構成し、ホィール及びスペーサ円板が互いに固着されている様な多段回転子と、回転子に冷却媒質を供給する貯蔵槽と、ホィール及びスペーサ円板のリムを通ると共に、冷却媒質を供給する貯蔵槽と連通して、回転子の少なくとも１段のタービン・バケットに冷却媒質を供給する全体的に軸方向に伸びる複数個の通路とを有するタービンが提供される。回転子が冷却媒質を供給する貯蔵槽と連通する通路を持っていて、冷却媒質をホィール空所に供給すると共に、そこから冷却媒質を１段のタービン・バケットに通過させる。
【００１３】
この発明の別の好ましい実施例では、軸線を持つと共に、タービン・バケットを取付けるリムを持つ複数個のタービン・ホィール、及びリムを持つスペーサ円板を含み、スペーサ円板がホィールの間に交互に配置されていてその間にホィール空所を構成し、ホィール及びスペーサ円板が互いに固着されている多段回転子と、この回転子に冷却媒質を供給する貯蔵槽と、冷却媒質を供給する貯蔵槽と連通すると共に、ホィール及びスペーサ円板のリムを軸方向に通抜けて、回転子の少なくとも１段のタービン・バケットに冷却媒質を供給する全体的に軸方向に伸びる複数個の通路と、１段のタービン・バケットと連通していて、使用済みの冷却媒質を軸方向に伸びる戻り通路に流れさせる半径方向内向きの複数個の通路とを有するタービンが提供される。
【００１４】
この発明の更に別の好ましい実施例では、隣接した別々の第１及び第２の部品の整合するポートの間を密封して、これらの部品の間を冷却媒質が流れることが出来る様にする移行集成体が提供される。移行集成体は、第１及び第２の部品の継目で、一端が夫々ポートに密封して固定されて夫々部品の中に入り込み、この一端から離れた場所では、当該ブッシングが夫々ポートの内壁から隔たっている様な筒形ブッシングと、ブッシング内及びブッシングの間を伸びていて、その終端する端がブッシングと係合して、第１及び第２の部品の間の熱的な不整合による応力を減少して、冷却媒質が当該筒形要素を通って部品の間を流れることが出来る様にする封じを形成する同軸の筒形要素とを有する。
【００１５】
従って、この発明の主な目的は、開放回路空気冷却及び閉回路蒸気冷却の間の転換が出来る様な、タービン回転子に対する新規で改良された冷却回路を提供することである。
【００１６】
【この発明を実施する最善の態様】
図１はこの発明を用いた単純サイクル単軸ヘビーデューティ・ガスタービン１０の略図である。このガスタービンは、回転子軸１４を持つ多段軸流圧縮機１２で構成されていると見なすことが出来る。空気が１６の所で圧縮機の入口に入り、軸流圧縮機１２によって圧縮され、その後燃焼器１８に吐出され、そこで天然ガスの様な燃料を燃焼して、タービン２０を駆動する高エネルギ燃焼ガスを発生する。タービン２０では、高温ガスのエネルギが仕事に変換され、その仕事の一部分を使って、軸１４を介して圧縮機１２を駆動し、残りは電力を発生する為に、回転子軸２４を介して発電機２２の様な負荷を駆動する為の有効仕事に利用することが出来る。典型的な単純サイクル・ガスタービンは、燃料入力の３０乃至３５％を軸出力に変換する。残りの１乃至２％を除いた全部は、廃熱の形であり、これが２６の所でタービン２０を出て行く。タービンの排気流のエネルギを別の有効仕事に変換する複合サイクル形式でガスタービン１０を利用することにより、一層高い効率を達成することが出来る。
【００１７】
図２は最も簡単な形の複合サイクルを示す。２６の所でタービン２０を出て行く排ガスが熱回収形蒸気発生器２８に入り、そこでボイラ式に水を蒸気に変換する。こうして発生された蒸気が蒸気タービン３０を駆動し、こゝで別の仕事を抽出して、軸３２を介して、別の電力を発生する第２の発電機３４の様な別の負荷を駆動する。ある形式では、タービン２０、３０が共通の発電機を駆動する。電力だけを発生する複合サイクルは、高級なガスタービンを使うと、熱効率が５０乃至６０％の範囲内である。
【００１８】
図３は、この発明の焦点であり、図２の複合サイクル形式で使うことが好ましいガスタービンを更に詳しく示す。圧縮機１２からの空気が燃焼器１８を構成する燃焼缶に吐出される。燃焼缶が普通の様に、回転子１４の周りに円周方向に配置されていて、この様な１つの「缶」を３６に示してある。燃焼の後、その結果生じた燃焼ガスを使ってタービン部分２０を駆動する。このタービン部分は、この例では、タービン回転子を構成する４つのホィール３８、４０、４２、４４で表した相次ぐ４段を持っており、これらが回転子軸１４に装着されてそれと一緒に回転する。各々のホィールが、羽根４６、４８、５０、５２で夫々表した１列のバケットを担持している。これらの羽根が、夫々ベーン５４、５６、５８、６０で表した固定ノズルの間に交互に配置されている。回転子は、バケット・ホィールの間に交互に配置されたスペーサ円板３９、４１、４３をも含む。従って、４段タービンが示されていることが理解されよう。第１段はノズル５４とバケット４６で構成され、第２段はノズル５６とバケット４８、第３段はノズル５８とバケット５０、第４段はノズル６０とバケット５２で構成される。前に引用した係属中の米国特許出願に於ける様に、第１段及び第２段ノズル５４、５６が、内側殻体７２に取付けられ、この殻体が、第３段及び第４段ノズルを取付けた外側殻体にピン留めされている。外側殻体は、外側殻体をタービン・ハウジング部分７７、７９に夫々ボルト止めしているボルト・フランジ７４、７５の所で取外し自在であり、この為、上側の外側殻体及び内側殻体７２がタービンから取外し自在であって、高温ガス通路部品への接近が出来る。
【００１９】
図４について説明すると、渡り円板７６及び末端円板７８が、タービン回転子の両端に配置されている。冷却供給円板モジュール８０も後端円板７８と第４段ホィール４４の間に配置されている。ホィール及び円板はさねはぎ継ぎで同心に保たれており、タービン回転子集成体の全体が、ホィール及び円板の軸方向に隣接するリムを通抜ける、円周方向に相隔たって軸方向に伸びる一連のボルト８２によってまとめて保持されている。ホィール及びスペーサ円板のリムの間の突合せ継目に封じが設けられていること、並びに各々のスペーサ円板３９、４１、４３の両側には、夫々の隣接するホィールとの間に環状空所８４、８６が形成されていることが理解されよう。
【００２０】
外側軸９０及び同心に配置された内側軸９２を含んでいて、その間に環状通路９４を形成している後側回転子軸集成体８８が、後端円板７８にボルト止めされている。軸９０、９２がタービン回転子と一緒に回転する。タービンの不動部分を形成するハウジング９５が外側軸９０の周りに環状高圧室９６を構成し、夫々軸９０、９２の周りに軸受９７、９８を有する。高圧室９６は、軸９０、９２の間の通路９４、並びに末端円板７８より後方の後側環状高圧室１００に流れる冷却媒質の貯蔵槽となる。高圧室９６に供給される冷却媒質は、タービンの蒸気冷却又は空気冷却のどちらが必要であるかに応じて、蒸気でも空気でもよいことが理解されよう。円周方向に相隔たる複数個の通路１０２が後側高圧室１００と一番後側の空所８６の間を連通させる。
【００２１】
次に図８について説明すると、ホィール３８、４０、４２又は４４のリム１０４の一部分の拡大簡略断面図が示されている。ボルト８２に対するボルト円開口８１が、タービン・ホィール及びスペーサ円板のリムに沿った円周方向に相隔たる開口の外側リングとして示されている。内側の一連の円周方向に相隔たって軸方向に伸びる穿孔１０６が、ホィール４０、４２、４４及びスペーサ円板３９、４１、４３のリムを通って設けられ、回転子の最初のホィール３８の後面に隣接して終端する。即ち、孔１０６は、第１段ホィール３８を除いて、各々のホィールのリム及びスペーサ円板のリムを通抜ける。任意の数の穿孔を使うことが出来るが、２４個の穿孔が好ましい。ある数の穿孔１０６ａ、例えば、２４個の穿孔の内の１２個は、中に何もなく、冷却媒質をホィール及び円板のリムに沿って軸方向に、これから説明する内側冷却媒質供給高圧室まで直接的に通す通抜けの通路を構成する。交互の穿孔１０６ｂは夫々細長い管１１２を持ち、この管は、穿孔の壁に締まりばめで接触していて、管１１２の周りの相隔たる円周方向の場所に半径方向外向きに突出するスポーク又は縦筋１１４を有する。図から判る様に、縦筋１１４が、各々の管１１２の外面の周りに別々の通路１１８を形成する。しかし、円筒形又はその他の断面形の管を使うことが出来ることが以下の説明から明らかになろう。更に、穿孔１０６ａ、１０６ｂの後端が供給円板モジュール８０の前面に形成された半径方向の溝孔を介して、後側空所８６と連通する。
【００２２】
各々のホィール４０、４２、４４はホィールの両側に、穿孔１０６ｂ及び隣接する環状空所８４、８６と連通する全体的に半径方向の入口及び出口を持つ。出口１１０が図８に示されている。即ち、ホィール４４の穿孔１０６ｂがモジュール８０の溝孔と連通していて、後側ホィール空所８６からの冷却媒質をホィール４４のリムに沿って軸方向に供給する。ホィール４４は、穿孔１０６ｂ、及びスペーサ円板４３とホィール４４の間のホィール空所８４と連通する出口１１０をも持っている。同様に、ホィール４２が、穿孔１０６ｂと、円板４３及びホィール４２の間の空所８６と連通する入口１０８、及び穿孔１０６ｂと、ホィール４２及び円板４１の間の空所８４と連通する出口１１０を持っている。同じく、ホィール４０が、穿孔１０６ｂと、円板４１及びホィール４０の間の空所８６と連通する入口、及び穿孔１０６ｂとホィール４０及び円板３９の間の空所８４と連通する出口を持っている。第１段ホィール３８が、円板３９及びホィール３８の間の空所８６と連通する内側冷却媒質環状供給高圧室１０９（図９）を有する。以下の説明から判るが、縦筋が各々の管１１２の外面の周りに別々の通路１１８を形成する。更に具体的に云うと、各々の管１１２の縦筋１１４及び穿孔１０６ｂの内壁の間の通路１１８が、夫々入口及び出口１０８、１１０、及びタービン・ホィール−円板空所８４、８６と直列に冷却媒質を供給するのに専用の供給モジュールの溝孔と連通する軸方向に伸びる通路を構成する。後で説明するが、穿孔１０６ｂ内にある各々の管１１２の中心通路１２０が、タービンが蒸気冷却である時の使用済み冷却媒質の戻り、並びにタービンが空冷である時の冷却空気の供給の為の閉回路戻り通路として作用する。閉回路蒸気冷却では、蒸気供給通路１１８が回転子ホィール及びスペーサ円板のリム構造を、中心通路１２０の中を流れる使用済みの高温の戻り蒸気から隔離することに注意されたい。
【００２３】
通路１１８はスペーサ円板がある軸方向の場所で塞がれ又は閉塞され、この為、最初の後側空所８６から通路１１８へ、そして円板とホィールの間の空所への直列の流れが、図５に蛇行する矢印で示す様に得られることが理解されよう。この為、冷却媒質の蛇行する直列の向きの流れが、高圧室９６から、通路９４、後側高圧室１００及び通路１０２を介してホィール空所８４、８６に供給され、最終的には冷却媒質が回転子ホィール３８と円板３９の間の空所８６に入り、好ましくは第１段ホィール３８とスペーサ円板３９の間にある供給高圧室１０９に流れ込む。ホィール空所に於ける冷却媒質のこの蛇行する流れは、円板にわたる温度勾配があっても、それを最小限に抑え、こうして回転子の歪みを防止する。管１１２は、スペーサ円板３９と第２段ホィール４０の間のスペーサ板１２４（図９）に隣接して終端し、通路１１８が流れを第２段ホィール４０の最後の出口１０８に連通させる。この為冷却媒質はホィール及びスペーサ円板のリムに沿って軸方向に通路又は穿孔１０６ａを介して内側冷却媒質供給高圧室１０９へ流れ（破線の矢印）、これに対して縦筋つきの管１１２及び穿孔１０６ｂによって構成された通路１１８から供給された冷却媒質（実線の矢印）は、ホィール空所に直列に入ったり出たりし、全体的に蛇行する流れ通路を形成し、最終的には一番前側のホィール空所８６に入り、内側冷却媒質供給高圧室１０９へ流れ込む。この為、軸方向の流れ（破線の矢印）及び蛇行する流れ（実線の矢印）が内側冷却媒質供給高圧室１０９で再び一緒になる。
【００２４】
次に図９、１０Ａ及び１０Ｂを参照して、内側冷却媒質供給高圧室１０９から第１段及び第２段バケットへの流れ、及び閉回路冷却形式で戻る時のバケットからの流れの移行について説明する。図９に示す様に、スペーサ板１２２が第１段ホィール３８とスペーサ円板３９の前面の間に配置されている。前に述べた様に、スペーサ板１２４が第２段ホィール４０の前面とスペーサ円板３９の後面の間に配置されている。これらのスペーサ板１２２、１２４は高圧室１０９からの冷却媒質を第１段及び第２段バケットのあり溝に流す前側及び後側冷却媒質入口通路１１１ｆ、１１１ａを有する。更に、スペーサ板１２２、１２４は、閉回路でバケットからの使用済み冷却媒質を戻す前側及び後側出口１１３ｆ、１１３ａを夫々持っている。後で説明するが、バケットのあり溝とスペーサ板の夫々入口並びに出口１１１、１１３の間で流れを移行させる為の「スプーリ」が設けられている。タービン・バケットにある冷却媒質通路について詳しいことは、係属中の米国特許出願通し番号０８／４１４７００、発明の名称「閉回路蒸気冷却バケット」（出願人控え番号８３９−３５２）を参照されたい。
【００２５】
次に図９及び１０について説明すると、スペーサ円板３９の前面は円周方向に相隔たった、半径方向外向きの複数個の溝孔１１５を持ち、これはその半径方向の一番内側の端で内側高圧室１０９と連通し、その外側の端で外側環状冷却媒質供給高圧室１１７と連通している。図９に示す様に、外側高圧室１１７が、スペーサ板１２２を介して入口１１１ｆと連通し、冷却媒質をバケットのあり溝に供給する。スペーサ板１２２がスペーサ円板３９の前面に重なって半径方向の溝孔１１５を閉じ、内側及び外側高圧室１０９、１１７の間の連通が出来る様にしていることが理解されよう。
【００２６】
スペーサ円板３９の後面が図１０Ｂに示されている。図１０Ｂでは、円周方向に相隔たる複数個の開口１１９が、外側供給高圧室１１７と、円板３９の後面に形成された別の外側供給環状高圧室１２１の間を連通させている。外側高圧室１２１が入口１１１ａと連通して、冷却媒質を第２段のバケットのあり溝に供給する。
【００２７】
バケットからの使用済み冷却媒質に対する戻り回路を作る為、スペーサ円板３９の前面は、外側供給高圧室１１７より半径方向内側の場所に、円周方向に相隔たって弓形に伸びる複数個の戻り高圧室セグメント１２３を備えている。スペーサ板１２２にある出口１１３ｆが戻りセグメント１２３と連通する。スペーサ円板３９の後面が、供給高圧室１２１より半径方向内側にあって、スペーサ円板３９のリムを通る円周方向に相隔たった複数個の孔１２７を介して戻り高圧室セグメント１２３と連通する環状高圧室１２５を有する。更に、戻り高圧室１２５が第２段バケットからの出口１１３ａと連通する。円周方向に相隔たって内向きに伸びる複数個の溝孔１２９が戻り高圧室１２５及び縦筋１１２の中心通路１２０と連通し、この為使用済み冷却媒質を回転子のリムに沿って軸方向に戻り部へ通すことが出来る。縦筋つき管１１２の中心通路１２０とスペーサ板１２４にある溝孔１２９の軸方向開口との間の接続部に、これから説明する様なスプーリを設けて、回転する部品の間の移行部を作る。
【００２８】
好ましい実施例では、図９、１０Ａ及び１０Ｂを参照して説明すると、８個の半径方向外向きの溝孔１１５を設けて、高圧室１０９からの冷却媒質を高圧室１１７と連通させる。６４個のバケットを取付けたタービン・ホィールでは、６４個の入口開口１１１ｆを外側環状供給高圧室１１７と連通する様に設ける。円周方向に相隔たる８個の開口１１９が高圧室１１７、１２１の間を連通させる。第２段タービン・ホィールは６４個のバケットを取付けてあるから、６４個の入口通路１１１ａが環状高圧室１２１とこれらのバケットとの間を連通させる。戻り側では、６４個の出口１１３ｆが８個の戻り高圧室セグメント１２３と連通する。各々のセグメント１２３とは８個の出口１１３ｆが連通する。円周方向に相隔たる１６個の孔１２７が戻り高圧室セグメント１２３と環状戻り高圧室１２５の間を連通させる。戻り高圧室セグメント１２５毎に２つの孔１２７がある。半径方向内向きの１２個の溝孔１２９が環状戻り高圧室１２５と縦筋つき管１１２の１２個の中心通路との間を連通させる。
【００２９】
従って、蒸気冷却を必要とする場合、蒸気が高圧室９６から環状通路９４、後側高圧室１００、通路１０２、後側空所８６及び穿孔１０６内の通路を介して供給される。多数の穿孔１０６、即ち穿孔１０６ａ、がホィール及びスペーサ円板のリムに沿って直接的に蒸気を高圧室１０９に供給する。穿孔１０６ｂの縦筋によって作られた通路１１８が蛇行形式で空所８４、８６と直列に蒸気を供給し、この蒸気は最終的には高圧室１０９で通路１０６ａを通った蒸気の流れと一緒になる。高圧室１０９から、冷却蒸気が半径方向外向きの溝孔１１５に沿って高圧室１１７に流れ、軸方向反対向きに流れる。前向きの流れが６４個の入口１１１ｆを通過し、冷却蒸気を各々の第１段バケットに供給する。後向きの流れが８個の開口１１９を介して環状高圧室１２１へ通過し、６４個の入口１１１ａを介して第２段バケットに蒸気を供給する。戻り側では、第１段バケットからの使用済み蒸気が出口１１３ｆを介して戻り高圧室セグメント１２３に通過し、１６個の孔１２７を介して半径方向内側の環状戻り高圧室１２５へ通過する。第２段バケットからの使用済み蒸気が６４個の出口１１３ａを介して戻り高圧室１２５へ通過する。この後、使用済み蒸気が、１２個の溝孔１２９に沿って半径方向内向きに通過し、縦筋つきの管１１２の１２個の中心通路１２０を介して戻る。蒸気の供給によってホィールのリム、ホィール空所及び第１段及び第２段のバケットが冷却されて、閉回路で戻ることが理解されよう。
【００３０】
重要なことは、回転子が蒸気冷却である時、空所８４を半径方向内向きに通り、スペーサ円板の向かい合った側面の間を通過する蒸気の流れが、遠心力によって蒸気の洗浄作用を行い、この為、蒸気の不純物が冷却蒸気から取り去られて、空所内の半径方向外側に沈積することである。即ち、回転子が回転するにつれて、蒸気内の粒子状不純物が遠心力によって半径方向外向きに飛ばされるのに対し、蒸気圧力は、蒸気が空所を全体的に蛇行通路に沿って流れる時、蒸気が半径方向内向き及び外向きに流れる様に強制し、この為、実質的にこう云う不純物のない蒸気が第１段及び第２段バケットに供給される。この過程が３つの空所８４の各々で繰り返され、こうして回転子の内部で蒸気をきれいにする。更に、冷却蒸気の一部分が通路１１８を通る時、こう云う一層低温の通路がホィール及び円板のリム構造を高温の戻り蒸気から絶縁する。
【００３１】
空冷タービンを必要とする場合、蒸気冷却の為に設けられたのと同一の構造を、タービンの回転部品の空冷に使うことが出来る。蒸気冷却の為の供給及び戻り回路の両方を使って、冷却空気を第１段及び第２段バケットに供給する。即ち、空気は、第１段及び第２段タービン・バケットへ流れる蒸気について上に述べた様に、これらのバケットに流れる様に内側高圧室１０９を介して供給することが出来る。空気は、前に述べた蛇行供給通路を介しても高圧室１０９に供給される。更に空気が、縦筋つきの管１１２内の通路１２０、溝孔１２９、高圧室１２５、出口１１３及び１１３ａを介して第１段及び第２段バケットに供給される。空冷回路は開放しており、空気はタービン・バケットへ流れてから、バケットの境膜冷却の為に高温ガス通路へ出て行くので、空気に対して戻り通路は必要ではない。
次に図１１について説明する。スペーサ板１２２、１２４及び第１段並びに第２段バケットの間に軸方向移行部があることが認められよう。これらの部分は、熱成長又は膨張率が異なる為に、相対的な移動が起こることがある。蒸気が高温ガス通路に漏れることによって性能が劣化することがあるので、こう云う移行区域に於ける相対的な熱成長を吸収して、有効な封じを設けることが重要である。図１１には、冷却媒質の流れをスペーサ板１２２、１２４と夫々のバケットの間で渡らせる為の「スプーリ」集成体が示されている。即ち、図１１ではタービン・バケットが１４０に示されており、スペーサ板１２２が示されている。スペーサ板１２２にある冷却供給通路は矢印で示してある。軸方向スプーリは、スペーサ板１２２、バケット１４０にある整合する凹部に受け入れられた１対のブッシング１４４、１４６で構成される。スプーリ装置が、スペーサ板の通路と関連するバケットの各々の継目に使われることを承知されたい。ブッシング１４４、１４６は筒形であって、それらの隣接端は夫々フランジ１４５、１４７が設けられ、対応する溝と締まりばめになっている。ブッシングはフランジを設けた端から半径方向内向きにテーパーがついていて、ブッシングを凹部の壁から隔てゝいる。他の点では、ブッシングはスペーサ板１２２及びバケット１４０に固定されていない。スプーリ１４８は球根状の端１５０、１５２を持つ軸方向に伸びる管で構成されている。球根状の端１５０、１５２が、ブッシング１４４、１４６の夫々の自由端に隣接して締まりばめになり、こうして密封する。ブッシングの目的は、スプリーとその支持構造の間の熱的不整合を最小限に抑え、こうして相対的な摺動による疲労の大きさを減ずることである。スプーリとの界面に於けるブッシングの支持長を同じに近いか又は一層小さいスチフネスにすることにより、スプーリ１４８とブッシングの界面に於ける支承応力も減少する。スプーリ集成体は、遠心荷重によるスプーリ／ブッシングの支承応力を減少する為、並びにスプーリ／構造間の熱的な均衡によるスプーリ／ブッシング界面に於ける疲労を減少する為、出来るだけ可撓性を持つ様に構成される。スプーリ及びブッシングは、ニッケルを基本とした合金で形成することが好ましい。
【００３２】
図１２Ａには、スペーサ板とバケットの間で冷却媒質の流れを移行させ、その間の熱的な不整合があってもそれを補償する別の形のスプーリ集成体が示されている。図１２Ａでは、刃先１５０を持つ円筒形ナイフ１４８が、スペーサ１２２にある凹部内に配置された閉塞リム１５２によって担持されている。刃先１５０が温度に対して抵抗力を持つ軟質金属合金リング１５４の中に埋設され、それと共に封じを形成する。
【００３３】
図１２Ｂのスプーリ集成体では、圧縮ばね１６０がバケット１４０にある凹部の底に接し、他端では膨張リング１６２に接する。リング１６２が、環状密封プラグ１６４の球形面と密封する様に界面接触する平坦なテーパつきの面を有する。密封プラグ１６４が他端に球形密封面１６６を持ち、これがスペーサ板１２２の凹部に取付けられた凸の球形閉塞リング１６８と密封係合する。
【００３４】
図１３には、スペーサ１２２とタービン・バケット１４０の間の移行の為の更に別の形のスプーリ集成体が示されている。この形式では、熱的に平衡したスプーリ及びスリーブ集成体が提供される。即ち、フランジ１７２を持つ筒形ブッシング１７０が、冷却通路の外側端に隣接してスペーサ板１２２に接続され、同様なブッシング１７４がフランジ１７６によってバケット１４０の入口端に接続される。フランジ１７２、１７６が、他の点では支持されていないスプーリ集成体をバケットとスペーサ板の継目で支持する。スリーブ１７８がフランジ１７２から伸びていて、通路及びブッシング１７０の壁の間で隔たっており、その入口端では、一連の開口１８２を持つ半径方向内向きの球根状部分１８０に終端する。フランジ１７２に隣接するスリーブ１７８の端に複数個の開口１８４が設けられる。同じ様に構成されたスリーブ１８４が、バケットの入口端に配置され、ブッシング１７４をバケットの入口の壁から隔てると共に、開口１８８を持つ半径方向内向きの球根状の端１８６で終端する。フランジ１７６に隣接したスリーブ１８４の端に複数個の開口１８９が設けられている。半径方向外向きの球根状の端１９２、１９４を持つ筒形スプーリ１９０がブッシング１７０、１７４の内側に配置され、それに対して締まりばめになっている。この為、矢印で示す様に、冷却媒質がスリーブ１７８の両側を流れ、開口１８２を介して再び主流に入りスリーブ１７８、ブッシング１７０及びスプーリ１９０の前後で熱的な平衡を持たせる。スプーリ集成体の出口端では、冷却媒質がブッシング１７４とスリーブ１８４の間を流れ、開口１８９を通って、ブッシング１８４と入口開口の壁の間の空間に入り、開口１８８から主入口通路へと半径方向内向きに流れる。この為、熱的な不整合によってスペーサ板とタービン・バケットの間の相対的な移動が起こっても、スプーリ集成体によって対処できる。
【００３５】
図１４には、冷却媒質をホィールのリムから半径方向外向きにタービン・バケットへと流れさせ、この媒質に対する戻り通路を作り、そこで蒸気冷却を利用する半径方向スプーリ装置が示されている。タービン・バケットに軸方向延長部１９８を設け、冷却媒質を受入れる半径方向内向きの開口２００を設ける。タービン・バケットの軸方向反対側にも、バケットから出で行く蒸気に対し、又はバケットに空気を供給する為に、同様な開口２０２が設けられる。半径方向スプーリを使う場合、この様なスプーリは、バケットの取付け及び取外しの時、バケット・ホィールに対するタービン・バケットの摺動に対処しなければならないと同時に、取付けの後は、熱的な成長が封じに影響しない様に、２つの部品の間に適当な封じを施すことが必要であることが理解されよう。
【００３６】
この目的の為、図１４及び１５について説明すると、バケット入口２００が外向きにテーパーのついた平坦な密封面２０４に終端する。スプーリ２０６は、その半径方向外側端で密封関係を持って平坦なテーパー面２０４と係合する凸の球面２０８に終端する全体的に筒形の要素で構成される。筒形スプーリ２０６がホィールのリムの開口２１０に入り込み、ばね２１２によって半径方向外向きに移動する様に偏圧される。ばねが密封リング２１４に接し、このリングが筒形スプーリ２０６の外側の縁に沿って形成された相補形の面と係合する密封面２１６を有する。これらの部分が協力して、筒形スプーリ２０６と開口２１０を構成する内壁の間に封じを形成する。ストッパ・リング２２０がスプーリ２０６の半径方向外側の上側部分の周りに配置されて、スプーリの半径方向外側の端をバケットの界面より下方に位置ぎめする為に、筒形スプーリ２０６が半径方向内向きに変位した時に、肩２２２に係合する様にする。突起２２６を持つ２叉状要素２２４がリング２２０の上方に配置され、ばね２１２の偏圧に逆らって筒形スプーリ２０６を半径方向内向きに変位させる道具として作用し、バケットが、バケットとホィールの間の典型的な舌片と溝形の接続部に沿って、スプーリの上を摺動することが出来る様にする。その後、この道具を解放して、スプーリを半径方向外向きに変位させ、球形の支承面２０８をバケットのテーパーつきの密封面２０４と係合させることが出来る。こうして、熱的な不整合による部品の間の動きの影響を実効的になくす半径方向スプーリを使って、バケット・ホィールとバケットの間の封じが施される。
【００３７】
次に図１６及び１７には、別個の配管及び回転子の中心を通る蒸気冷却を使う戻り通路を用いたタービン回転子に対する別の形式の蒸気冷却回路が示されている。更に、ホィール空所は加圧せず、冷却媒質はホィール円板と接触しない。この形式では、後側高圧室１００に、後側スペーサ２４２及び末端円板７８の間を半径方向外向きに伸びる円周方向に相隔たった複数個のパイプ接続部２４０を設ける。パイプ２４０が、前側スペーサ円板２５０内の位置まで、スペーサ円板及びホィールの中を軸方向に通る。パイプは、冷却媒質を第１段及び第２段バケットに軸方向に送り出す為に、略「Ｙ」字形接続部の形に分割される。この後、流れは第１段及び第２段バケット内で半径方向に転じ、バケットに沿った冷却用の流れとなる。軸方向スプーリを使って、冷却パイプとバケットの間の移行にしていることが理解されよう。同様な軸方向戻りスプーリを使って、バケットから戻りパイプ２５２への渡りを行う。戻りパイプ２５２は戻りスプーリと直接的に連通し、使用済みの冷却用の流れを回転子の中心まで半径方向内向きに差し向ける。回転子の中心部分が、機械と同軸の軸方向管２５６によって構成される。この回転子形式では、両方のパイプ２４０、２５２を介して空気を供給することにより、空冷も使うことが出来る。
【００３８】
この発明を最も実際的で好ましい実施例と現在考えられるものについて説明したが、この発明がこゝに例示された実施例に制限されるものではなく、むしろ特許請求の範囲内に含まれる種々の変形及び均等物をカバーするものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に用いられるガスタービンの略図。
【図２】効率を一層高める為にガスタービン及び熱回収形蒸気発生器を使ってこの発明に用いられる複合サイクル装置の略図。
【図３】ガスタービンの一部分の断面図で、その燃焼、圧縮機、及びタービン回転子の各部分を例示する。
【図４】後側回転子装置の部分を含むタービン回転子部分の略図で、タービン回転子に対する冷却回路を示す。
【図５】後側回転子装置の部分を含むタービン回転子部分の略図で、タービン回転子に対する冷却回路を示す。
【図６】後側回転子装置の部分を含むタービン回転子部分の略図で、タービン回転子に対する冷却回路を示す。
【図７】後側回転子装置の部分を含むタービン回転子部分の略図で、タービン回転子に対する冷却回路を示す。
【図８】回転子ホィールのリムの一部分の部分的な拡大断面図。
【図９】回転子の軸平面で切った部分的な拡大断面図で、バケットとの間で冷却媒質を流す為の、第１及び第２のホィール円板の間の冷却媒質供給及び戻り通路を例示している。
【図１０】Ａは、図９の線６Ａ−６Ａで切った部分的な断面図。Ｂは、図９の線６Ｂ−６Ｂで切った部分的な断面図。
【図１１】回転子集成体の隣接部品の間で冷却媒質を移行させる為の軸方向「スプーリ」の実施例の拡大断面図。
【図１２】図Ａ、Ｂは、回転子集成体の隣接部品の間で冷却媒質を移行させる為の軸方向「スプーリ」の実施例の拡大断面図。
【図１３】別の形式の軸方向スプーリの拡大断面図。
【図１４】ホィールのリムに取付けられたバケットの簡略拡大図で、冷却媒質を流す為の半径方向スプーリ装置を示す。
【図１５】図１４に示したスプーリの一部分の拡大断面図。
【図１６】タービン回転子に対する別の形式の冷却回路の簡略拡大図。
【図１７】図１６に示す冷却回路の部分的な拡大端面図。
【主な符号の説明】
１４回転子軸
３８、４０、４２、４４タービン・ホイール
３９、４１、４３スペーサ円板
４６、４８、５０、６２タービン・バケット
８４、８６ホイール空所
９６環状高圧室
１０４リム
１０６ａ穿孔（通路）
１０６ｂ穿孔（通路）
１０８（ホイールにある）入口
１０９内側供給高圧室
１１０（ホイールにある）出口
１１２管
１１７外側供給高圧室
１１８通路
１２０中心通路

Claims

軸線を持つと共に、複数段のタービン・バケットを取付けるリムを持つ複数個のタービン・ホィール(38,40,42,44)、及びリム(104)を持つスペーサ円板(39,41,43)を含み、該スペーサ円板が前記ホィールの間に交互に配置されて、その間にホィール空所(84,86)を限定し、前記ホィール及びスペーサ円板が互いに固着されている多段回転子と、
該回転子に冷却媒質を供給する貯蔵槽(96)と、
前記冷却媒質を供給する貯蔵槽(96)に連通すると共に、ホィール及びスペーサ円板のリムを軸方向に通り抜けて、前記回転子の少なくとも１段のタービン・バケットに冷却媒質を供給する複数個の全体的に軸方向に伸びる通路(106)と、
前記１段のタービン・バケットと連通している複数個の半径方向内向きの溝孔 (129) と、
使用済みの冷却媒質を流すため、前記溝孔 (129) と連通している軸方向に伸びる戻り通路 (120) とを有するタービン。
前記軸方向に伸びる通路が、少なくとも１つのスペーサ円板の両側にあるタービン・ホィールのリムに入口及び出口(108, 110)を含み、該入口及び出口は、前記入口からの冷却媒質を前記１つのスペーサ円板の片側に沿って半径方向内向きに流れさせ、且つ前記出口へ流れる様に、前記スペーサ円板の反対側に沿って半径方向外向きに流れさせる様に位置ぎめされている請求項１記載のタービン。
前記ホィールのリムの間を半径方向外向きに伸びる半径方向外向き溝孔 (115) を有し、半径方向外向き溝孔が前記ホィール空所を介して前記軸方向に伸びる通路と連通し、かつ前記軸方向に伸びる通路と連通して、前記ホィール空所及び軸方向に伸びる通路からの冷却媒質をタービン・バケットに差し向ける請求項１又は請求項２記載のタービン。
前記タービン・ホィールのリムの間に供給高圧室(117)と前記ホィールのリムの間を半径方向外向きに伸びる半径方向外向き溝孔 (115) があり、前記半径方向外向きの溝孔(115)が前記ホィール空所を介して前記軸方向に伸びる通路と連通し、かつ前記軸方向に伸びる通路(106)と連通して、前記ホィール空所及び軸方向通路からの冷却媒質を、前記タービン・バケットへ流れる様に前記供給高圧室へ差し向ける請求項１又は請求項２記載のタービン。
前記タービン・ホィールのリムの間にある戻り高圧室(123, 125)が前記タービン・バケットと連通して、使用済みの冷却媒質を受取り、少なくとも１つの戻り通路が前記回転子によって担持されており、前記溝孔が前記戻り高圧室と連通して、該戻り高圧室からの使用済み冷却媒質を前記戻り通路へ差し向け、前記供給高圧室及び戻り高圧室は、前記タービン・ホィールのリムの間にあるスペーサ円板の両面に形成されている請求項１記載のタービン。
前記タービン・バケットは、燃焼室に一番近い第１及び第２の段のバケットである請求項３，請求項４又は請求項５に記載のタービン。
前記タービン・バケットと組合せて、前記１段を形成する１つのスペーサ円板及びホィールの間にあるスペーサ板が前記軸方向に伸びる通路及び前記軸方向に伸びる通路と連通する複数個の冷却媒質流れポートを持ち、前記バケットは、その中に冷却媒質を通す為に、前記スペーサ板のポートと整合した複数個の冷却媒質ポートを持ち、更に、前記スペーサ板及び前記バケットのポートの間を密封して、冷却媒質がその中を流れることが出来る様にする移行集成体を有し、各々の移行集成体は、バケット及びスペーサ板の継目で、一端が前記整合するポートに密封して固定された一対の筒形ブッシング(144, 146)を含み、前記一端から遠い場所にあるブッシングは前記ポートの内壁から隔たっており、更に、同軸の筒形要素(148)が前記ブッシング内及び該ブッシングの間を伸びて、それが終端する端が前記ブッシングと係合して、前記バケット及びスペーサ板の間の熱的な不整合による応力を減少して、冷却媒質が前記筒形要素を通ってポートを流れることが出来る様にする封じを形成している請求項１記載のタービン。
前記軸方向に伸びる通路が、少なくとも１つのスペーサ円板の両側にある隣接したホィール・リムに円周方向に相隔たる複数個の入口及び出口を含んでおり、前記入口及び出口は、前記入口からの冷却媒質を前記１つのスペーサ円板の片側(84)に沿って全体的に内向きに流れさせると共に、前記１つのスペーサ円板の反対側(86)に沿って全体的に外向きに流れて出口に流れる様にし、こうして前記流路及び前記内向き及び外向きの流れが全体的に蛇行通路を形成している請求項１記載のタービン。
タービン・バケットと組合せて、前記１段のホィールを形成する部分が、前記軸方向に伸びる通路及び前記軸方向に伸びる通路と連通する複数個の冷却媒質流れポートを持ち、前記バケットが、その中に冷却媒質が流れる様にする為に、前記ホィールのポートと整合する複数個の冷却媒質ポートを持ち、前記ホィール及びバケットのポートの間を密封して、その中を冷却媒質が流れることが出来る様にする移行集成体(206)が設けられ、
各々の移行集成体は、バケット及びホィールの接続部に隣接して前記ホィールの整合するポートに摺動自在に且つ密封して固着された筒形ブッシング、該ブッシングを前記バケットに向かって移動する様に偏圧するばね(212)、その一端で前記ブッシングによって担持された球形封じ面(208)、及びその整合するポート内に前記バケットによって担持された座を含んでおり、前記ブッシングは、前記バケットがホィールと摺動係合する時に、前記ばねの偏圧に逆らって、バケットから遠ざかる向きにホィールのポート内で摺動自在であると共に、前記バケットが前記ホィール上に最終的に位置ぎめされたことに応答して、ブッシングの球形面及び前記座を互いに密封する様に前記ばねの偏圧のもとに前記バケットに向かう方向に摺動自在である請求項１記載のタービン。