JP3977780B2 - gas turbine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動流体からタービンロータの回転動力を得るガスタービンに係り、特にタービンロータを冷却する冷却空気、及びタービンロータと静翼との間をシールするシール空気の流路構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、ガスタービン等のタービンロータは、一般に外周部に複数の動翼を有するタービンディスクとスペーサとを重ね合わて構成されるが、その熱伸縮や熱応力は中心部の温度環境に大きく影響を受ける。タービンロータ中心部の雰囲気温度が不確定であると、タービンの定常運転時や起動時、或いは停止時のタービンロータ中心部のメタル温度を見積もることが困難となる。そして、場合によっては、タービンロータと静止部(静翼やケーシング等)とが接触したり、タービンディスクとスペーサとの嵌合が緩んだり、反対に嵌め合いがきつくなり許容応力以上の熱応力が発生してしまう等の恐れがある。
【0003】
そこで、従来より、タービンロータ内に、圧縮機ロータとの連結軸を介して中心部に導いた圧縮機からの圧縮空気を、冷却空気やホイールスペースのシール空気として各段に分流させる冷却流路を設けたものがある(例えば、特許文献1等参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−14064号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、同軸に連結された圧縮機ロータから連結軸を介して圧縮空気を導入する場合、タービンロータに中心孔を設け回転中心を流通する圧縮空気を各段に分流させるのが通常であるが、中心孔を設けると、外周に設けた動翼が受ける遠心力の作用により、タービン運転時に中心孔への応力集中が発生する。そのため、中心孔周りに特殊な方法で熱処理を施し、その残留応力により運転時の遠心力が相殺されるように、タービンディスクの製作段階でオーバスピンと呼ばれる工程を行わなければならない。しかしながら、このオーバスピン工程には、多大なコストを要する。また、中心孔があると、熱応力や熱伸縮の評価が複雑化し、必要であれば、補強のためにタービンディスクを厚肉化しなければならない場合もある。
【0006】
また、各段において、タービンディスクやスペーサを冷却した圧縮空気をガスパスに放出する場合、高温高圧の作動流体が逆流することを防止するために、放出する圧縮空気の流量や圧力を、各所のガスパス圧力に応じて調整する必要がある。そのため、タービンロータの回転中心から分流し各段に導かれる圧縮空気は、スリットの設定等でそれぞれ放出前に圧力や流量を調整されるようになっているが、各段で放出される圧縮空気を精度良く流量配分するのは難しい。ある箇所で想定値以上に圧縮空気が放出されてしまった場合、他の箇所で作動流体がタービンロータ内に侵入する可能性がある。したがって、タービンロータへの作動流体の逆流を防止するために、圧縮空気流量の変動を大きめに想定する必要性が生じ、ガスタービンの性能を低下させる要因にもなる。
【0007】
そこで、本発明は、タービンディスクに中心孔を設けることなく、タービンロータの適所に適正な圧力及び流量の冷却空気及びシール空気を配分することができるガスタービンを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明は、ケーシング内周側に取付けた静翼と、中心孔を有するスペーサを複数の動翼が取り付けられたタービンディスク間に介設して成るタービンロータと、前記静翼及び前記スペーサの間隙をシールするシールとを備えたガスタービンにおいて、前記スペーサとその前後に配置された前記タービンディスクとの間にそれぞれ形成された第1及び第2のキャビティと、これら第1及び第2のキャビティのうちの一方に、前記静翼内に導かれた前記ケーシング外からの圧縮空気を、前記シールを介して導入する圧縮空気導入孔と、前記スペーサの中心孔を介して第1及び第2のキャビティのうちの他方に導かれた前記圧縮空気導入孔からの圧縮空気を、前記スペーサ及び前記タービンディスク間のホイールスペースのシール空気として噴出する噴出スリットとを備えたことを特徴とする。
【0009】
上記構成により、まず、静翼より導入した圧縮空気、若しくは静翼の冷却に使用された圧縮空気を、シールを介することで前後のホイールスペースへのリークを防止しつつ、圧縮空気導入孔を介してスペーサと例えばその前側のタービンディスクとの間に形成された第1のキャビティに導入する。そして、第1のキャビティに導入された圧縮空気は、径方向内側に流れ第1のキャビティを区画形成するスペーサ及びタービンディスクの側面を冷却(起動時には暖機)しつつ、スペーサの中心孔を介して、例えば後側のタービンディスクとの間に形成された第2のキャビティに回り込み、径方向外側に流れる際に第2のキャビティを区画形成するスペーサ及びタービンディスクを冷却(起動時には暖機)する。この第2のキャビティを通過した圧縮空気は、静翼とのホイールスペースへの作動流体の侵入を防止すべく、最終的にシール空気として、噴出スリットを介しガスパスに放出される。
【0010】
このように、静翼側からタービンロータ内に圧縮空気を導くことにより、スペース的余裕のあるケーシング外側の空間を通して圧縮機から適正圧力の圧縮空気を各段に独立した系統を介して直接導入することができる。また、タービンロータ中心孔を介さずに各段に適正圧力の圧縮空気を導入することができるので、タービンディスクの中心孔を省略することができる。そして、こうした構成の流路を各段に独立して形成することにより、最終的にシール空気としてガスパスに放出されるまでに流路を複雑に分岐させる必要がないので、シール空気の流量や圧力も容易かつ高精度に調整することができる。
【0011】
(2)上記(1)において、好ましくは、前記スペーサに、前記第1又は第2のキャビティを流れる圧縮空気を径方向にガイドするガイドを設ける。
【0012】
(3)上記(1)又は(2)において、また好ましくは、前記静翼は、前記スペーサに対向配置された静翼ダイヤフラムを備えており、この静翼ダイヤフラムは、前記圧縮空気導入孔に流入する圧縮空気を導出する圧縮空気導出孔と、前記スペーサ及びその前後の前記タービンディスクとのホイールスペースのうち、前記噴出スリットからの圧縮空気が放出されるホイールスペースと反対側のホイールスペースに連通するオリフィスとを備える。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービンの実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
本発明のガスタービンは、圧縮機からの圧縮空気を燃焼器にて燃料とともに燃焼して得た高温高圧の燃焼ガスをタービンに供給し、燃焼ガスによってタービンロータの回転動力を得るようになっている。得られた回転動力は、例えばタービンロータと同軸に連結された発電機ロータに伝えられ、電気エネルギーに変換される。
【0014】
図1は本発明のガスタービンの第1実施形態の要部であるタービンの詳細構造を表す軸方向断面図、図2は図1に示されたタービンロータの1つの段落を拡大して表す図、図3は図1中のIII矢視によるスペーサ(後述)の径方向断面図である。なお、以下において、図1及び図2における「左」「右」に相当する位置関係を『前』『後』、「左右方向」を『軸方向』とする。
これら図1〜図3において、本実施形態のガスタービンに備えられたタービン1は、ケーシング10と、このケーシング10の内周側に設けた静翼20と、ケーシング10内に回転自在に設けたタービンロータ30とを備えている。
【0015】
ケーシング10は、概略円筒形状の周壁11と、この周壁11の内周部に軸方向に所定の間隔で設けたシュラウド12とを備えている。軸方向に隣り合うシュラウド12,12には、静翼20の外輪21が支持されており、静翼外輪21、軸方向に隣接するシュラウド12,12及びケーシング周壁11によって、キャビティ13が区画形成されている。ケーシング周壁11には、各キャビティ13に接続する複数の空気導入孔14が設けられている。各空気導入孔14は、圧縮機(図示せず)の圧縮空気流路中の所要圧力の抽気段に設けた抽気スリット等に対し、それぞれ独立した配管(図示せず)を介して接続している。
【0016】
静翼外輪21には、キャビティ13と静翼内通路22とを連通する開口23が設けられている。また、各段の静翼20は、周方向に所定の間隔で複数設けられて1段の静翼翼列を構成しており、内周側を連結する静翼内輪24を介して支持された静翼ダイヤフラム25を備えている。静翼内輪24には、静翼内通路22と静翼ダイヤフラム25内のキャビティ26とを連通する開口27が設けられている。また、静翼ダイヤフラム25の前側側壁にはオリフィス28が、内周側側壁には圧縮空気導出孔29が設けられている。
【0017】
タービンロータ30は、複数の動翼31を有するタービンディスク32を、中心孔33を有するスペーサ34を介して軸方向に重ね合わせて構成されている。タービンディスク32及びスペーサ34は、スタッキングボルト35(図3参照)によって一体に締結されている。各タービンディスク32に取付けられた動翼31は、タービンディスク32の外周部に周方向に所定の間隔を持って放射状に複数固定され、1段の動翼翼列を構成している。
【0018】
各段の動翼翼列の前側には、それぞれ同段落の静翼翼列が位置している。各段の静翼20の静翼ダイヤフラム25とそれに対向するスペーサ34との間隙は、シール36,37によってシールされており、これらシール36,37によって静翼ダイヤフラム25及びスペーサ34間にキャビティ38が区画形成されている。なお、シール36,37としては、静翼20前後へのシール空気のリークが極力抑制されるよう、例えばハニカムパッキンやブラシパッキン等といったシール効果の高い接触型のパッキン等を用いることが好ましい。
【0019】
スペーサ22とその前後のタービンディスク32との間には、それらスペーサ22及び前後のタービンディスク32とによって、キャビティ39,40が区画形成されている。本実施形態においては、前側のタービンディスク32との間に形成されたキャビティ39を第1のキャビティ39、後側のタービンディスク32との間に形成されたキャビティ40を第2のキャビティ40と記載する。静翼ダイヤフラム25の圧縮空気導出孔29に対向するスペーサ34の外周面には、第1のキャビティ39と前述したスペーサ外周側のキャビティ38とを連通する圧縮空気導入孔41が、図3に示すように周方向に複数設けられており、この圧縮空気導入孔41を介し、静翼ダイヤフラム25内周側からの圧縮空気が第1のキャビティ39に導入されるようになっている。
【0020】
また、スペーサ34の前後のタービンディスク32との対向側面には、第1及び第2のキャビティ39,40内に周方向に環状の突出部42が設けられている。この突出部42には、図3に示すように径方向を向いた複数のスリット43が周方向に複数設けられている。各スリット43は、スタッキングボルト35と干渉しないように、スタッキングボルト35の挿通孔と周方向に位置をずらして配置されている。また、スペーサ34の外周部には、後側に隣接するタービンディスク32との間のホイールスペースと第2のキャビティ40とを連通する噴出スリット44が、周方向に複数設けられている。このとき、噴出スリット44の開口面積は、対応箇所のガスパスの圧力を考慮して、要求量のシール空気が噴出されるように設定する。
【0021】
上記構成のガスタービンを運転すると、図2及び図3に点線矢印で示したように、例えば圧縮機(図示せず)から抽気された圧縮空気が、ケーシング10の外周から、それぞれ独立した配管を介して空気導入孔14に導かれ、静翼20の外周側のキャビティ13に導入される。キャビティ13内の圧縮空気は、静翼外輪21に設けた開口23を介して静翼内通路22内に導入され、静翼20を冷却する。静翼20を通過した圧縮空気は、静翼20の内周側に設置される静翼ダイヤフラム25内のキャビティ26に導入される。静翼ダイヤフラム25内に導入された圧縮空気の一部は、前側に設けたオリフィス28から噴出し、前側のタービンディスク32とのホイールスペースをシールする。
【0022】
一方、キャビティ26内に導入された圧縮空気の他の一部は、静翼ダイヤフラム25内周側に設けた圧縮空気導出孔29を介し、ダイヤフラム25とスペーサ34間のキャビティ38に導出され、シール36,37によりシールされることによりリークを防止されつつ、圧縮空気導入孔41介しスペーサ34及び前側のタービンディスク32により形成された第1のキャビティ39に流入する。第1のキャビティ39内の圧縮空気は、スペーサ34前側のスリット43を通って径方向内側に流れる際、第1のキャビティ39を形成するタービンディスク32及びスペーサ34の側壁を冷却(起動時には暖機)し、その後、スペーサ34の中心孔33を介してスペーサ34の後側の第2のキャビティ40に回り込む。
【0023】
第2のキャビティ40内の圧縮空気は、スペーサ34後側のスリット43を通って径方向外側に流れる際、第2のキャビティ40を形成するタービンディスク32及びスペーサ34の側壁を冷却(起動時には暖機)する。そして、最終的に、スペーサ34及びその後側のタービンディスク32の側壁を冷却した圧縮空気は、噴出スリット44を介して、ダイヤフラム25とその後側のタービンディスク32との間のホイールスペースをシールするシール空気としてガスパスに放出される。
【0024】
ここで、本実施形態との比較例として、タービンロータ30の冷却空気を静止側、すなわち静翼20からではなく、図示しない圧縮機との連結軸を介してタービンロータ30内に導入する場合の構成例を図4及び図5に示した。これら図4及び図5は、それぞれ先の図1及び図2に対応する図であり、同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
【0025】
圧縮機からの圧縮空気を、圧縮機ロータ(図示せず)との連結軸(図示せず)を介してタービンロータ3内に導く場合、図4及び図5に示したように、一般にタービンディスク32に中心孔45を設け、タービンロータ30の回転中心に圧縮空気を流通させる。タービンロータ30の回転中心を流れる圧縮空気は、図5に点線矢印で示したように、各段のスペーサ34前後の第1及び第2のキャビティ39,40を径方向外側に流れ、それぞれスペーサ34及びタービンディスク32の側壁を冷却して、最終的にスペーサ34の外周部の前後部分に設けた噴出スリット46,47を介して、対応箇所のガスパスにシール空気として放出される。
【0026】
一方、ケーシング10外から静翼20内に導かれた圧縮空気は、静翼内通路22を流れて静翼20を冷却した後、静翼ダイヤフラム25内のキャビティ26に流入し、静翼ダイヤフラム25の前後に設けたオリフィス48,49を介し、対応箇所のガスパスにシール空気として放出される。
【0027】
このように、同軸に連結された圧縮機ロータから連結軸を介して圧縮空気を導入する場合、回転するタービンロータ30内では遠心力により圧縮空気は径方向外側に流れ易いため、タービンロータ30の回転中心に圧縮空気の主流を通し、各段に分流させるのが通常である。また、このような構成では、圧縮機からタービンロータ30内に圧縮空気を導入するための流路を多数確保することも難しいため、回転中心に形成した主流からタービンロータ30内で複雑に流をを分岐させ、各段に分配せざるを得なくなる。
【0028】
しかしながら、タービンディスク32に中心孔45を設けると、遠心力の作用によりタービン運転時に中心孔45の内壁付近にフープ応力が集中する。そのため、常温時に中心孔45付近に応力が残留し、その残留応力により運転時に作用するフープ応力が相殺されるように、タービンディスク32を定格回転以上で回転させた状態で中心孔45周りに熱処理を施すオーバスピンと呼ばれる工程を施行しなければならない。ところが、このオーバスピン工程は、多大なコストを要するため、製造コストを押し上げる要因となる。また、中心孔があると、熱応力や熱伸縮の評価が複雑化するし、必要であればタービンディスク32を厚肉化して補強しなければならない場合もあり、中心孔の加工自体にも費用がかかる。
【0029】
また、各段において、タービンディスク32やスペーサ34を冷却した圧縮空気をガスパスに放出する場合、高温高圧の作動流体がタービンロータ30内に逆流することを防止するために、放出する圧縮空気の流量や圧力を、各所のガスパス圧力に応じて調整する必要がある。この調整は、スリット46,47の絞りの設定等でそれぞれ放出前に圧力や流量を調整されるが、本比較例とように多分岐流路である場合、スリット46,47の絞り調整だけでは、各段で放出される圧縮空気を精度良く流量配分するのは難しい。ある箇所で想定値以上に圧縮空気が放出されてしまった場合、他の箇所で作動流体がタービンロータ30内に侵入してしまう可能性がある。したがって、タービンロータ30への作動流体の逆流を防止するためには、圧縮空気流量の変動を大きめに想定して十分に高圧の圧縮空気をタービンロータ30内に導く必要性が生じ、それだけ圧縮機にて空気を圧縮するために要するエネルギーをロスすることになり、ガスタービンの性能を低下させる要因にもなる。
【0030】
それに対し、本実施形態においては、上記で説明したように、静翼20側からタービンロータ30内に圧縮空気を導くことにより、スペース的余裕のあるケーシング10外側の空間を通る独立した系統を介して、圧縮機から適正圧力の圧縮空気を、タービンロータ30の各段にそれぞれ直接導入することができる。そして、ロータ中心孔を介さずにタービンロータ30の各段に適正圧力の圧縮空気を導入することができるので、タービンディスク32の中心孔を省略することができる。また、中心孔を設けずに済むので、ロータ中心温度の評価もそれだけ容易化することができ、しかも、上記構成の独立した流路を各段に形成することにより、最終的にシール空気としてガスパスに放出されるまでにタービンロータ30内で各流路を複雑に分岐させる必要もないので、シール空気の流量や圧力も容易かつ高精度に調整することができる。したがって、高いエネルギー効率を確保することができ、ガスタービンの高性能化或いは小型化を図ることが可能となり、信頼性を向上させることができる。更に、タービンディスク32の中心孔を省略し、なおかつ圧縮空気の流路を簡略化できるので、タービンロータ30の構造をシンプル化し強度を向上させることができ、強度面においても信頼性を向上させることができる。
【0031】
図6は本発明のガスタービンの第2実施形態の要部であるタービンの詳細構造を表す軸方向断面図、図7は図6中のVII矢視によるスペーサの径方向断面図である。これら図6及び図7は、第1実施形態の図1及び図3に対応した図であり、図1及び図3と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
【0032】
図6及び図7に示すように、本実施形態おいて、スペーサ34の前後のタービンディスク32との対向側面には、第1及び第2のキャビティ39,40内に周方向に並ぶ複数のガイド50が突出して設けられており、これらガイド50間には、径方向に内側に向かって縮径する複数のガイド流路51が形成されている。各ガイド流路51は、スタッキングボルト35と干渉しないように、スタッキングボルト35の挿通孔と周方向に位置をずらして配置されている。その他の構成は、前述した第1実施形態と同様である。
【0033】
本実施形態においても、圧縮空気の流れは第1実施形態とほぼ同様であるが、図7に点線矢印で示したように、静翼20を介して第1のキャビティ39内に流入した圧縮空気は、ガイド50にガイドされ積極的に周方向速度成分を抑制されつつ、ガイド流路51を通って径方向内側に流れる。中心孔33を介し第2のキャビティ40内に流入した圧縮空気も、ガイド50にガイドされ周方向速度成分を抑制されつつ、ガイド流路51を通って径方向外側に流れる。したがって、前述した第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0034】
また、スペーサ34の内径が比較的大きい場合、中心孔33までの経路がそれだけ長くなり、第1のキャビティ39内で圧縮空気が自由渦を形成してしまい、中心孔34に近づくにつれ圧縮空気の周方向速度成分が大きくなる。その結果、第1のキャビティ39の内周側の領域では、流通する圧縮空気に逆流を伴う流れが発生し、圧力損失が大きくなる恐れがある。これは、スペーサ34の径を極力小さくすることによりある程度解決するが、本実施形態においては、上記のように、スペーサ34の径をなるべく小径化するとともに、ガイド50で第1のキャビティ39内の圧縮空気を径方向にガイドし、その周方向速度成分の成長を積極的に抑えることで、圧力損失をより効果的に低減することができる。
【0035】
なお、上記第2実施形態において、ガイド50をスペーサ34の前後両面に設けた状態を図示したが、ガイド50は少なくとも第1のキャビティ39内に設けられていれば良く、場合によっては、第2のキャビティ40内のガイド50は省略、若しくは第1実施形態で説明した突出部42に代えても良い。この場合も同様の効果を得る。
【0036】
また、以上においては、静翼20を介した圧縮空気を第1のキャビティ39に導く構成としたが、場合によっては、第2のキャビティ40に導く構成としても良い。要するに、第1及び第2のキャビティ39,40のうちの一方に、静翼20内に導かれたケーシング10外からの圧縮空気を、シール36,37を介して導入するように圧縮空気導入孔41が設けられていれば良い。そして、噴出スリット44は、スペーサ34の中心孔33を介して第1及び第2のキャビティ39,40のうちの他方に導かれた圧縮空気導入孔41からの圧縮空気を、スペーサ34及びタービンディスク32間のホイールスペースのシール空気として噴出するように設ければ良い。したがって、静翼20から第2のキャビティ40に圧縮空気を導入する場合、噴出スリット44は、スペーサ34の外周部前側に設ければ良い。但し、静翼ダイヤフラム25の前後側壁のうち、噴出スリット44からのシール空気が噴出されない側にシール空気噴出用のオリフィス28を設ける。すなわち、オリフィス28は、スペーサ34及びその前後のタービンディスク32とのホイールスペースのうち、噴出スリット44からの圧縮空気が放出されるホイールスペースと反対側のホイールスペースに内部のキャビティ26が連通するように、静翼ダイヤフラム25に設けてあれば良い。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【0037】
また、図1〜図7において、一体に回転するタービンロータ30を図示説明したが、回転軸が分割されたいわゆる二軸式のタービンにも本発明は適用可能である。特に、二軸式タービンにおいては、高圧タービンロータと低圧タービンロータとの間が隔壁で遮断されることが多く、高圧タービンロータから低圧タービンロータへの圧縮空気の導入は困難であるため、本発明を適用することは有効である。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、タービンディスクの中心孔を省略することができるので、製作コストを低減してそれだけ安価なガスタービンを提供することができる。加えて、タービンロータ内で複雑に流路を分岐させることなく、タービンロータ各段に独立系統により圧縮空気を直接供給することにより、流量配分を容易化することもできるので、信頼性を向上させることができる。更に、タービンディスクの中心孔を省略し流路を簡略化できるので、タービンロータの構造をシンプル化し強度を向上させることができ、強度面においても信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスタービンの第1実施形態の要部であるタービンの詳細構造を表す軸方向断面図である。
【図2】図1に示されたタービンロータの1つの段落を拡大して表す図である。
【図3】図1中のIII矢視によるスペーサの径方向断面図である。
【図4】本実施形態との比較例として、タービンロータ中心孔を設けた場合の構成例を表した図である。
【図5】本実施形態との比較例として、タービンロータ中心孔を設けた場合の構成例を表した図である。
【図6】本発明のガスタービンの第2実施形態の要部であるタービンの詳細構造を表す軸方向断面図である。
【図7】図6中のVII矢視によるスペーサの径方向断面図である。
【符号の説明】
10 ケーシング
20 静翼
25 静翼ダイヤフラム
28 オリフィス
29 圧縮空気導出孔
30 タービンロータ
31 動翼
32 タービンディスク
33 中心孔
34 スペーサ
36,37 シール
39 第1のキャビティ
40 第2のキャビティ
41 圧縮空気導入孔
44 噴出スリット
50 ガイド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine that obtains rotational power of a turbine rotor from a working fluid, and more particularly to cooling air that cools the turbine rotor and seal air flow path structure that seals between the turbine rotor and the stationary blades.
[0002]
[Prior art]
For example, a turbine rotor such as a gas turbine is generally configured by stacking a turbine disk having a plurality of moving blades on the outer peripheral portion and a spacer, and its thermal expansion and contraction and thermal stress are greatly affected by the temperature environment in the center. . If the atmospheric temperature in the center of the turbine rotor is uncertain, it is difficult to estimate the metal temperature in the center of the turbine rotor during steady operation, start-up, or stop of the turbine. In some cases, the turbine rotor and the stationary part (stator blades, casing, etc.) contact each other, the fitting between the turbine disk and the spacer is loosened, or the fitting is tight and the thermal stress exceeding the allowable stress is applied. There is a risk that it will occur.
[0003]
Therefore, conventionally, a cooling flow path in which compressed air from a compressor guided to the center through a connecting shaft with the compressor rotor is divided into each stage as cooling air or wheel space seal air in the turbine rotor. (For example, refer to Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-14064
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when compressed air is introduced from a compressor rotor connected coaxially through a connecting shaft, it is usual to provide a central hole in the turbine rotor and divert the compressed air flowing through the rotation center to each stage. However, when the center hole is provided, stress concentration in the center hole occurs during turbine operation due to the action of the centrifugal force received by the moving blade provided on the outer periphery. Therefore, a process called “overspin” must be performed at the stage of manufacturing the turbine disk so that the center hole is heat treated by a special method and the centrifugal force during operation is offset by the residual stress. However, this overspin process is very expensive. Also, the presence of the central hole complicates the evaluation of thermal stress and thermal expansion and contraction, and if necessary, the turbine disk may have to be thickened for reinforcement.
[0006]
In each stage, when compressed air that has cooled the turbine disk and spacers is discharged to the gas path, the flow rate and pressure of the compressed air to be discharged are changed to the gas paths at various locations to prevent the high-temperature and high-pressure working fluid from flowing backward. It is necessary to adjust according to the pressure. Therefore, the compressed air that is diverted from the rotation center of the turbine rotor and guided to each stage is adjusted in pressure and flow rate before being released by setting slits or the like. It is difficult to distribute the flow rate accurately. If compressed air is released more than expected at a certain location, the working fluid may enter the turbine rotor at another location. Therefore, in order to prevent the backflow of the working fluid to the turbine rotor, it becomes necessary to assume a large fluctuation in the compressed air flow rate, which becomes a factor of reducing the performance of the gas turbine.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas turbine capable of distributing cooling air and sealing air having an appropriate pressure and flow rate to appropriate positions of the turbine rotor without providing a center hole in the turbine disk.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
(1) In order to achieve the above object, the present invention provides a turbine in which a stationary blade attached to the inner peripheral side of a casing and a spacer having a central hole are interposed between turbine disks to which a plurality of moving blades are attached. A gas turbine comprising a rotor and a seal that seals a gap between the stationary blade and the spacer, and first and second cavities formed between the spacer and the turbine disk disposed in front of and behind the spacer, respectively. A compressed air introduction hole for introducing compressed air from outside the casing guided into the stationary blade into one of the first and second cavities through the seal, and the center of the spacer Compressed air from the compressed air introduction hole led to the other of the first and second cavities through the hole is used as a wheel between the spacer and the turbine disk. Characterized in that a jet slit for ejecting a sealing air pace.
[0009]
With the above configuration, first, the compressed air introduced from the stationary blade or the compressed air used for cooling the stationary blade is prevented from leaking to the front and rear wheel spaces through the seal, and the compressed air is introduced through the compressed air introduction hole. And introduced into a first cavity formed between the spacer and, for example, the front turbine disk. The compressed air introduced into the first cavity flows inward in the radial direction, cools the side surfaces of the spacer and the turbine disk that define the first cavity and warms up the side surface of the turbine disk, while passing through the central hole of the spacer. For example, the spacer and the turbine disk that divides into the second cavity formed between the rear-side turbine disk and divides the second cavity when flowing outward in the radial direction are cooled (warmed up at startup). . The compressed air that has passed through the second cavity is finally discharged as a seal air to the gas path through the ejection slit in order to prevent the working fluid from entering the wheel space with the stationary blade.
[0010]
In this way, by introducing the compressed air from the stationary blade side into the turbine rotor, the compressed air of the appropriate pressure is directly introduced from the compressor through the independent system through the space outside the casing with sufficient space. Can do. Further, since compressed air having an appropriate pressure can be introduced into each stage without going through the turbine rotor center hole, the center hole of the turbine disk can be omitted. In addition, by forming the flow path of such a configuration independently at each stage, it is not necessary to branch the flow path in a complicated manner until it is finally released to the gas path as seal air. Can be adjusted easily and with high accuracy.
[0011]
(2) In the above (1), preferably, the spacer is provided with a guide for guiding the compressed air flowing through the first or second cavity in the radial direction.
[0012]
(3) In the above (1) or (2), preferably, the stationary blade includes a stationary blade diaphragm disposed to face the spacer, and the stationary blade diaphragm flows into the compressed air introduction hole. Of the wheel space between the compressed air outlet hole for extracting compressed air and the spacer and the turbine disk before and after the spacer, the wheel space communicates with the wheel space opposite to the wheel space from which the compressed air from the ejection slit is discharged. And an orifice.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a gas turbine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
The gas turbine according to the present invention supplies high-temperature and high-pressure combustion gas obtained by burning compressed air from a compressor together with fuel in a combustor to the turbine, and obtains rotational power of the turbine rotor by the combustion gas. Yes. The obtained rotational power is transmitted to, for example, a generator rotor that is coaxially connected to the turbine rotor, and converted into electrical energy.
[0014]
FIG. 1 is an axial sectional view showing a detailed structure of a turbine which is a main part of a first embodiment of a gas turbine of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view showing one paragraph of the turbine rotor shown in FIG. 3 is a radial cross-sectional view of a spacer (described later) as viewed in the direction of arrow III in FIG. In the following, the positional relationship corresponding to “left” and “right” in FIGS. 1 and 2 is referred to as “front” and “rear”, and “left-right direction” is referred to as “axial direction”.
1 to 3, the
[0015]
The
[0016]
The stationary blade
[0017]
The
[0018]
The stationary blade cascade of the same paragraph is located on the front side of each stage blade cascade. The gap between the
[0019]
[0020]
Further,
[0021]
When the gas turbine having the above-described configuration is operated, as indicated by dotted arrows in FIGS. 2 and 3, for example, compressed air extracted from a compressor (not shown) passes through independent pipes from the outer periphery of the
[0022]
On the other hand, the other part of the compressed air introduced into the
[0023]
When the compressed air in the
[0024]
Here, as a comparative example with the present embodiment, the cooling air of the
[0025]
When the compressed air from the compressor is guided into the
[0026]
On the other hand, the compressed air guided from the outside of the
[0027]
As described above, when the compressed air is introduced from the compressor rotor connected coaxially through the connecting shaft, the compressed air easily flows radially outward due to the centrifugal force in the
[0028]
However, if the
[0029]
Further, in each stage, when the compressed air that has cooled the
[0030]
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the compressed air is guided from the
[0031]
FIG. 6 is an axial sectional view showing the detailed structure of the turbine which is the main part of the second embodiment of the gas turbine of the present invention, and FIG. 7 is a radial sectional view of the spacer as viewed from the arrow VII in FIG. 6 and FIG. 7 correspond to FIG. 1 and FIG. 3 of the first embodiment, and the same parts as those in FIG. 1 and FIG.
[0032]
As shown in FIGS. 6 and 7, in the present embodiment, a plurality of guides arranged in the circumferential direction in the first and
[0033]
Also in this embodiment, the flow of compressed air is substantially the same as that of the first embodiment, but the compressed air that has flowed into the
[0034]
Further, when the inner diameter of the
[0035]
In the second embodiment, the state in which the
[0036]
In the above description, the compressed air via the
[0037]
1 to 7 illustrate the
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the center hole of the turbine disk can be omitted, it is possible to provide a gas turbine that is less expensive and can be manufactured at a lower cost. In addition, flow distribution can be facilitated by directly supplying compressed air to each stage of the turbine rotor by an independent system without complicatedly branching the flow path in the turbine rotor, thus improving reliability. be able to. Furthermore, since the center hole of the turbine disk can be omitted and the flow path can be simplified, the structure of the turbine rotor can be simplified and the strength can be improved, and the reliability can also be improved in terms of strength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an axial sectional view showing a detailed structure of a turbine that is a main part of a first embodiment of a gas turbine of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view showing one paragraph of the turbine rotor shown in FIG. 1;
3 is a radial cross-sectional view of the spacer as viewed in the direction of arrow III in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example when a turbine rotor central hole is provided as a comparative example with the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example when a turbine rotor central hole is provided as a comparative example with the present embodiment.
FIG. 6 is an axial sectional view showing a detailed structure of a turbine that is a main part of a second embodiment of the gas turbine of the present invention.
7 is a radial cross-sectional view of the spacer as viewed in the direction of arrow VII in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
10
Claims (3)
前記スペーサとその前後に配置された前記タービンディスクとの間にそれぞれ形成された第1及び第2のキャビティと、
これら第1及び第2のキャビティのうちの一方に、前記静翼内に導かれた前記ケーシング外からの圧縮空気を、前記シールを介して導入する圧縮空気導入孔と、
前記スペーサの中心孔を介して第1及び第2のキャビティのうちの他方に導かれた前記圧縮空気導入孔からの圧縮空気を、前記スペーサ及び前記タービンディスク間のホイールスペースのシール空気として噴出する噴出スリットと
を備えたことを特徴とするガスタービン。A stationary blade attached to the inner peripheral side of the casing, a turbine rotor having a spacer having a center hole interposed between turbine disks to which a plurality of moving blades are attached, and a seal for sealing a gap between the stationary blade and the spacer In a gas turbine with
First and second cavities respectively formed between the spacer and the turbine disk disposed before and after the spacer;
A compressed air introduction hole for introducing compressed air from outside the casing guided into the stationary blade into one of the first and second cavities through the seal;
Compressed air from the compressed air introduction hole led to the other of the first and second cavities through the central hole of the spacer is ejected as seal air for the wheel space between the spacer and the turbine disk. A gas turbine comprising an ejection slit.
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