JPS5941011B2 - ガスタ−ビン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はガスタービン機関の高熱部を冷却する構造、
特に、ロータ円板及び翼根部に向けられる冷却空気主流
と、封じ用二次空気流とに分配するための空気箱に静翼
を介して冷却空気を送り、後で二次空気流を冷却空気主
流から分ける流体流路を造るガスタービン機関の構造に
関するものである。

この発明は一般に米国特許第３６０２６０５号及び第３
６４７３１１号明細書に示すように、回転子（ロータ）
及び動翼根部区域に空気又は蒸気のような冷却流体を供
給する構造を提供するものであるが、この発明は特に元
画特許第３９４５７５８号明細書に明らかにした構造の
改良である。

この後者の特許では冷却に主として使用される空気が静
翼を通って、これらの静翼の半径方向での内側に在る空
気箱に送出される。

この際空気は分割され、その一部は隣接するロータ円板
の隣接肩部間に在る内部空所に流入し、他の部分は唇状
封じを経て外側に流れて熱い動力流体が空気箱に流入す
るのを防止し、又一部分が固定子と回転子との間に在る
一列の封じ環を貫流する。

この最後に述べた流れは封じ構造を貫流する時摩擦のた
めに熱せられ、そして、冷却空気流がロータ円板間の空
所に流入する直前に冷却空気流に再導入されて次の下流
側の翼列の翼根部に分配される。

併し封じ空気のか〜る漏洩は下流側のロータ円板に供給
される冷却空気の温度を上昇させ、これによってその冷
却の有効性が減少する。

それ故にこの発明の主な目的は冷却空気をその有効性が
保たれるように不必要に熱せられることなく、冷却空気
を固定子部分から回転子部分に供給する装置を提供する
ことである。

上記目的からこの発明は、半径方向で外側に延びる動翼
をそれぞれ回転出来るように動力ガス路中に支持すると
共に、互いの方向に向かって軸方向に延びる延長部を有
する一対の軸方向で隣接した上流側及び下流側のロータ
円板を含む回転子と、隣接する上記動翼間で動力ガス路
に配置した静翼を含むと共に、上記静翼の半径方向での
内端側に配設された上流側及び下流側の環状封じ保持体
を含む固定子とを備え、上記環状封じ保持体は、その半
径方向での内端にそれぞれ第−封じ環を有していて、上
記上流側及び下流側のロータ円板の延長部沿いに軸方向
で一列の狭い第−封じすき間を上記第−封じ環と上流側
、下流側ロータ円板の延長部との間に造り、上記固定子
の上流側、下流側環状封じ保持体は協働して空気箱を画
定しており、この空気箱には、上記第−封じすき間での
動力ガスの圧力より大きい圧力で冷却空気を受ける入口
と、上記空気箱及び上記第−封じすき開動の間を流体連
通関係に置（第一出口とがあり、上記延長部は、その半
径方向での内側において上記回転子との間に空所を形成
するように且つ延長部間に間隙を形成するように軸方向
に延びており、更に上記空気箱は、冷却空気を上記間隙
を経て上記空所に送り出すように上記間隙と整列する第
二出口を、上流側の環状封じ保持体にある上記第−封じ
環と下流側の環状封じ保持体にある上記第−封じ環との
間に有するガスタービンにおいて、整夕［ルた上記第二
出口及び上記間隙を上流側及び下流側から挾む位置に第
二封じ環を設けて、上記第−封じ環の造る第−封じすき
間と軸方向に整列する第二封じすき間を上記上流側及び
下流側のロータ円板の延長部沿いに上記第二封じ環及び
ロータ円板の間に造り、上記上流側のロータ円板の延長
部沿いに上記第−封じ環及び第二封じ環によって造られ
た第−封じすき間と第二封じすき間との間の−Ｌ流室か
ら、上記下流側のロータ円板の延長部沿いに上記第−封
じ環及び第二封じ環によって造られた第−封じすき間と
第二封じすき間との間の下流室まで流体連通関係にする
流路を設け、上記上流室及び下流室から上記空所に冷却
空気が流入するのを防止するように、上記上流室及び下
流室よりも上記第二出口の送出側での相対圧力を大きく
する寸法に上記空気箱の第−及び第二出口を定めたこと
を特徴とするものである。

従って冷却空気流は隣接するロータ円板間の回転子空所
に進み、その間の封じ空気による汚染がなく、前の冷却
空気の加熱を除去し、冷却空気の使用量が相当に少なく
て良い、信頼出来る冷却空気送出し構造が提供され、従
ってガスタービン機関の性能改善になる。

他の改善として、隣接するロータ円板間の回転子空所に
冷却空気を進める第二出口に角度を付けて接線方向の渦
巻運動を冷却空気に与え、以てその速さ及び方向を冷却
空気が翼根部に流入する点の回転子速度に良く整合させ
て、回転子に対する入口損失及び実効温度上昇を極めて
少なくする。

この発明は添附図面に例示的の意味だけで示す推奨実施
例に関する以下の説明から明らかになるであろう。

次に第１図に就いて説明すれば、圧縮空気のような冷却
流体を静翼１２内の通路１０を経て半径方向で内側の空
気箱１４に送出す。

この空気箱１４は囲い輪を構成する静翼の具合１６と、
上流側の環状側板１８と、上流側の環状封じ保持体２０
と、下流側の環状封じ保持体２２とで造られる。

図示するように、下流側の環状封じ保持体２２は、具合
１６から半径方向で内側に突出するフランジ２６及び下
流側の封じ保持体２２０半径方向で外側に突出する対向
フランジ２２ａ及び２２ｂの下流側フランジ２２ａに設
けた軸方向溝孔を貫通する環状列のピン２４で支持され
る。

かかる取付けのため、タービン運転中に封じ保持体が熱
せられた時半径方向に膨張することが出来る。

上流側のフランジ２２ｂは上流方向に延びるピン２８を
支持し、このピンが次に上流側の側板１８を支持してい
る。

ばね３０は側板１８及びフランジ２２ｂを圧して、具合
１６の環状腕３０ｂに側板１８を封着し、又フランジ２
６にフランジ２２ｂを封着する。

上流側の封じ保持体２０を隣接する直立した唇状部分２
１に入る通しボルト（図示しない）等で下流側の封じ保
持体２２に取付ける。

又上流側の封じ保持体は、側板１８の半径方向での内側
部分をばね３０で押された時に封着関係に受けるため、
半径方向に延びた上流側の肩２０ｄを造っている。

従って、冷却空気を受入れる空気箱１４ば、具合１６と
側板１８とフランジ２２ｂと夫々の封じ保持体２０及び
２２とで造られる。

図面で認められるように、封じ保持体２０及び２２はそ
れ等の半径方向で内側に向く面上に、かしめた複数個の
第−封じ環３２，３４を支持する。

」二流側の封じ保持体２０にある封じ環３２ば、上流側
のロータ円板３８の軸方向に延びる延長部即ち肩部３６
の方へと半径方向で内側に延びており、封じ環３２と肩
部３６との間に狭い第−封じすき間が出来る。

同様に封じ環３４は下流側のロータ円板４２の軸方向に
延びる延長部即ち肩部４０に向かって半径方向の内側に
延び、同様の封じすき間が封じ環３４と肩部４０との間
に出来る。

第−封じ環とロータ円板肩部との向合う封じ構造は一般
にラビリンス状のシールを造る。

更に第１図に就いて説明すれば、隣接するロータ円板３
８及び４２の隣接する肩部３６及び４０は、両口板間の
空所４１に半径方向に連なる軸方向間隙３９で分離され
ている。

更に封じ保持体は一つの構造、即ち下流側の封じ保持体
２２の、一体部分４４を造る。

この一体部分は上流側及び下流側の封じ保持体の封じ環
を支持する部分から軸方向に隔たっており、従って、上
流室４６及び下流室４８を画定していることが認められ
る。

軸方向に延びる流路４７は、下流室４８と流体連通関係
に一体部分４４を通って上流室４６まで延びている。

カーる流路４７は後で封じ漏洩導管と呼ばれるものであ
る。

一体部分４４は間隙３９の真上にあり、そして一体部分
４４及び間隙３９の中心は同一鉛直面上にある。

一体部分４４は肩部３６及び４０附近にまで夫々半径方
向で内側に延びる第二封じ環５０゜５２を支持し、これ
によって空所４１を雨上下流室４６及び４８から封じる
。

第１図に示す半径方向に延びる第二出口（後で予旋回ノ
ズル５４と呼ばれる）は一体部分４４を貫通して空気箱
１４を空所４１と流体連通関係に置く。

又上流側の封じ保持体２０は隣接する封じ環３２間の環
状室５８に連なる半径方向に延びた第一出口５６を造る
。

この第一出口５６は空気箱１４内の冷却流体を共働する
封じ構造に貫流させるように分布させて、ガス主流中の
熱い動力流体流が封じ環３２，３４に流れたり、空気箱
１４に流れ込んだシするのを後述するように防止する。

従って、この発明の構造の冷却流体流を説明するために
、例示的圧力を各種の箱と高圧力室と室とに割当てる。

所望の流れ方向を与えるために、相対的圧力の一例とし
てだけ、カーる圧力を考えなければならない。

又冷却流体は圧縮機から空気で送出されるものと仮定し
、空気箱１４に入る際、圧力はＰｌ と記した必要圧
力に在ると仮定する。

第一出口５６は環状室５８にＰ２ と記した圧力を造る
ような寸法であって、この圧力Ｐ２ばＰｌ より低い
が、最上流側の封じ環の上流端に現われる圧力Ｐ３ よ
り僅かに太きい。

従って最左端における第−封じすき間に於ける冷却流体
の流出量が制限されて作動流体が環状室５８に流入する
のを防止する。

従って冷却流体のこの部分は封じ関係を完全なものにし
、次いで渦運動を行ってガス主流に流入する。

空所４１内の圧力Ｐ４は空気箱内の圧力Ｐ１（即ち例え
ば０．７ ｋｇ／ｃａ−１０ｐｓｉのような）より相当
に低いから、冷却流体の大部分は空気箱から予旋回ノズ
ル５４と間隙３９を経て空所４１に流入する。

下流側のロータ円板４２に在る円板孔６０は空所４１か
ら室６２に連らなる。

第１図の断面図においては、切断位置の関係で室６２以
後の流体連通路が恰も塞がれているかのようであるが、
実際には、室６２は動翼６６の根部領域６４のや又近（
で同根部領域と流体連通関係に在る。

室６２内の圧力Ｐ５は圧力Ｐ４ より若干低いから、
冷却流体は動翼６６の根部に送出され、そこから動翼内
の冷却通路（図示しない）を経てガス主流に流入する。

又圧力Ｐ２の室５８内の冷却流体の一部分は封じ環３２
が造る第−封じすき間を横切って上流室４６へと下流に
流れることが認められる。

この上流室は圧力Ｐ２ より若干低い圧力Ｐ６である。

次いでこの上流室からの流体は封じ漏洩導管４７を経て
下流室４８（圧力Ｐ６ より低い圧力Ｐ７に保たれる
）に流入し、そこから封じ環３４が造る第−封じすき間
を横切り、ラビリンスシールを圧力Ｐ８ で流出する。

この圧力Ｐ８はこの構造で最低圧力であるが、尚静翼１
２の端に於けるガス流の圧力より高い。

こ匁から冷却空気は外側に流れて静翼の下流端でガス主
流に入る。

従って冷却流体のこの部分は封じを完全なものにして作
動流体が封じに入るのを防止する。

一体部分４４０両側に在る上流室４６及び下流室４８は
空所４１の圧力Ｐ４ より低い圧力Ｐ６及びＰ７に在る
ので、封じ構造を貫流して、即ち封じ環３２と肩部３６
との間に造られた第−封じすき間を肩部３６の表面に沿
って上流室４６に流れて加熱された何れの冷却流体が、
冷却流体の主流路、即ち第二出口５４、間隙３９を経て
空所４１へ流れる流路に流入したり、空所４１内へ混入
して、冷却流体を汚染したりするのを防止する。

第二封じ環５０及び５２は冷却流体の主流路から封じ流
体流路に制限した量で漏洩するのを許すげれども、尚そ
の間の圧力差を小さく保って、冷却流体が認め得る程度
に損失しないようにする。

従って二つの別々の流路が設けられ、その一方は封じ構
造を横切る確実な流れを保って作動流体即ち動力ガスが
封じに接触するのを防止し、第二のものはロータ円板と
下流側の動翼に冷却目的で送出す冷却流体の主供給源に
なることが認められる。

而して制限された量の冷却流体が封じ流体に漏洩するこ
とが出来るけれども、封じ流体が冷却流体主流側に混入
したりすることはない。

従って、封じ流体混入により冷却流体主流の温度が上昇
することもな（、空気箱内の温度に保たれるので、動翼
及び翼根部を所望通りに冷却するのに要する冷却空気量
も、封じ流体が混入する場合より少なくてすむ。

次に第２図に就いて説明すれば、予旋回ノズル５４は静
止封じ保持体の一体部分４４を半径方向に貫通するので
はなく、ロータの回転方向に関して上流側の半径方向外
側の面（即ち空気箱に隣接する）から下流側の半径方向
内側の面（即ち間隙３９に隣接する）へと大体円周方向
に向いている。

冷却流体を静止構造から回転系に送出す際には、二つの
重要な因子を考慮しなければならない。

即ち（１）冷却流体温度上昇と（２）入口圧力損失であ
る。

これらの両方を極めて少なくしなげればならない。

理想的には空所４１に入る冷却流体の速度とその流入の
方向は冷却流体が貫流しなければならない円板孔６０へ
の入口６０ａと冷却流体との間の相対速度を零にするよ
うなものでなげればならない。

力ちる場合、ロータに関しては、冷却流体の全温度がノ
ズル送出部でのその静温度と同一であり、更にノズル５
４と円板孔入口との間の圧力降下が最小である。

このようにするために、冷却流体の流入角を、ロータ円
板の回転する円板孔で定められる円形路に対して接線方
向となるようにしなげればならず、又冷却流体の速度を
回転している円板孔の速度に等しくしなければならない
。

接線方向と流体の方向との間及び入口６０ａに於けるロ
ータ円板の速度と冷却流体の速度との間に相違があると
、冷却流体の全温度は静温度に相対速度に相当する温度
を加えたものに等しいと言う根拠の下に冷却流体の全温
度が上昇することになる。

冷却流体のか反る温度上昇で冷却有効性が減少し、入口
損失のか匁る増加で流量係数が減少する。

従って流体とロータの間の相対運動を可能な限り少なく
することが望ましい。

冷却流体が流入しなげればならない円板孔６０が存在す
る場合、上記の理由から、冷却流体の流れ方向と速度を
回転している円板孔６０の入口６０ａの速度ベクトルに
整合させることが好ましい。

予旋回ノズル５４の角度位置を示す第３図に就いて説明
すると、外円６８は下流側の封じ保持体２２の一体部分
４４０半径方向での最外面を表わし、中間円７０は同一
部分の半径方向での内側面を表わしているから、その間
に一体部分４４０半径方向の厚さが定められる。

最内口７２はロータ円板４２が回転する時入口６０ａが
描く円を表わす。

予旋回ノズル５４は最内口γ２に接する（例えば１４で
示す）ように一体部分４４を斜めに通っていることが認
められる。

従って傾斜した予旋回ノズルが冷却流体に与える方向は
冷却流体が貫流しなげればならない円板孔６０に対して
半径方向成分がないようになっているから、冷却流体に
はその流れ方向を変化させる仕事が与えられず温度上昇
がない。

円板孔６０を通る冷却流体の流れはその遠心力による運
動並びに次の翼根部のより低い圧力Ｐ５で助成される。

予旋回ノズル５４の形状は接線方向に向く標準の収斂ノ
ズルに類似している。

丸い入口を設けてそこの圧力損失を最小にすると共に、
流体を尚円板孔６０の入口６０ａに於けるロータ速度に
等しい速度に加速する。

従って第２図を参照すると、ノズル面積が最初の孔５４
ａからそれより小さくて平滑な壁を有する限定的加速部
分５４ｃへと減少している。

それ故に、冷却流体流れの速度ベクトルが円板孔６００
Å口６０ａの速度及び方向に整合する場合、冷却流体に
加えられるのは最少量の熱であり、ロータ円板及び動翼
根部を冷却する主機能を果たす際冷却空気が蓄積する熱
はあるけれども、全温度は比較的一定に保たれる。

第二封じ環５０及び５２ば、冷却流体の主流路即ち第二
出口５４及び間隙３９を経て空所４１へ流れる流路から
封じ流体流路即ち上流室４６及び下流室４８に制限した
量で冷却流体が漏洩するのを許容する。

【図面の簡単な説明】

第１図は隣接段に跨がるガスタービン機関の静翼構造の
断面図であって、この発明の冷却空気流路を示し、第２
図は周辺沿いの一ピッチの構造細部を示す第１図の線■
−■に於ける図、第３図は周辺方向のノズル配置を示す
略図である。 図中、１０は冷却ガスを受ける空気箱の入口（通路）、
１２は静翼、１４は空気箱、１６゜１８．２０及び２２
は囲い輪、３２及び３４は第−封じ環、３８及び４２は
ロータ円板、３６及び４０はロータ円板の軸方向延長部
（肩部）、３９は間隙、４１は空所、４４は流路４γを
造る装置（一体部分）、４６は上流室、４８は下流室、
４７は実質的に限定された流路（封じ漏洩導管）、５０
及び５２は第二封じ環、５４は第二出口（予旋回ノズル
）、５６は第一出口、６６は動翼である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半径方向で外側に延びる動翼６６をそれぞれ回転出
   来るように動力ガス路中に支持すると共に、互いの方向
   に向かって軸方向に延びる延長部３６゜４０を有する一
   対の軸方向で隣接した上流側及び下流側のロータ円板３
   ８，４２を含む回転子と、隣接する動翼６６間で動力ガ
   ス路に配置した静翼１２を含むと共に、上記静翼１２の
   半径方向での内端側に配設された上流側及び下流側の環
   状封じ保持体２０，２２を含む固定子とを備え、上記環
   状封じ保持体２０，２２は、その半径方向での内端にそ
   れぞれ第−封じ環３２，３４を有していて、上記上流側
   及び下流側のロータ円板３８，４２の延長部３６，４０
   沿いに軸方向で一列の狭い第−封じすき間を上記第−封
   じ環及び上流側、下流側ロータ円板の延長部３６，４０
   ０間に造り、上記固定子の上流側、下流側環状封じ保持
   体２０゜２２は協働して空気箱１４を画定しており、こ
   の空気箱には、上記第−封じすき間での動力ガスの圧力
   より大きい圧力で冷却空気を受ける入口１０と、上記空
   気箱及び上記第−封じすき開動の間を流体連通関係に置
   く第一出口５６とがあり、上記延長部３６，４０は、そ
   の半径方向での内側において上記回転子との間に空所４
   １を形成するように且つ延長部間に間隙３９を形成する
   ように軸方向に延びており、更に上記空気箱は、冷却空
   気を上記間隙３９を経て上記空所４１に送り出すように
   上記間隙と整列する第二出口５４を、上流側の環状封じ
   保持体２０にある上記第−封じ環３２と下流側の環状封
   じ保持体２２にある上記第−封じ環３４との間に有する
   ガスタービンにおいて、整夕１ルた上記第二出口及び上
   記間隙を上流側及び下流側から挾む位置に第二封じ環５
   ０，５２を設げて、上記第−封じ環の造る第−封じすき
   間に軸方向に整列する第二封じすき間を上記上流側及び
   下流側のロータ円板の延長部沿いに上記第二封じ環及び
   ロータ円板の間に造り、上記上流側のロータ円板３８の
   延長部３６沿いに上記第−封じ環及び第二封じ環によっ
   て造られた第−封じすき間と第二封じすき間との間の上
   流室４６から、上記下流側のロータ円板４２の延長部４
   ０沿いに上記第−封じ環及び第二封じ環によって造られ
   た第−封じすき間と第二封じすき間との間の下流室４８
   まで流体連通関係にする流路４７を設け、上記上流室及
   び下流室から上記空所に冷却空気が流入するのを防止す
   るように、上記上流室及び下流室よりも上記第二出口の
   送出側での相対圧力を大きくする寸法に上記空気箱の第
   −及び第二出口を定めたことを特徴とするガスタービン
   。