(57)【要約】【課題】スタック型のガスタービンにおいて、簡単な構成で冷却及びシールを確実に行う。【解決手段】ガスタービン１００は、圧縮機タービンをディスタントピース７で接続している。ディスタントピースとタービン初段ディスク１は継手部１１とで接続されている。ディスタントピースには突起部７ｃが形成されており、スペーサ８がインロー部７ｄ、８ｄで保持されるとともに、ボルト１０及びナット１０ａで固定される。スペーサは、外径側に薄肉部８ｂが形成されており、タービンディスクのフィン１３とシール部材１４を介して接触している。タービンディスク、ディスタントピース及びスペーサは隔室８ａを形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状のディスクに取付けられた複数の動翼を有するタービンと圧縮機とをディスタントピースを介して接続し、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスの一部を用いて前記タービンの動翼を冷却するガスタービンにおいて、
前記ディスタントピースの軸方向一端部に取付けられ、前記ディスクとの間に圧縮ガスによる冷却路を形成するスペーサ部材を設けたことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
前記スペーサ部材と前記ディスクとの間をシールするシール部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
【請求項３】
円盤状のディスクに取付けられた複数の動翼を有するタービンと圧縮機とをディスタントピースを介して接続し、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスの一部を用いて前記タービンの動翼を冷却するガスタービンにおいて、
前記ディスクは動翼植込部よりも内周側に圧縮機側に延びる円環状のフィンを有し、前記ディスタントピースのタービン側端部にスペーサ部材を配設し、前記フィンとスペーサ部材を接触させて前記ディスタントピースと前記ディスクの間に隔室を形成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
前記ディスクは、周方向に間隔をおいて複数の冷却孔を有し、この冷却孔は前記隔室と前記動翼とに連通することを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
【請求項５】
前記ディスクに、圧縮機で圧縮されたガスの一部を隔室に導く他の冷却孔を設けたことを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
【請求項６】
前記タービンは複数段からなり、前記冷却孔を初段のディスクにのみ設けたことを特徴とする請求項４または５に記載のガスタービン。
【請求項７】
前記動翼に、前記冷却孔に連通する冷却通路を設けたことを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項に記載のガスタービン。
【請求項８】
圧縮機とタービンとを連接するディスタントピースのタービン側端部に固定して取付けられ、ディスタントピースとタービン動翼用ディスクとの間に隔室を形成するスペーサ部材。
【請求項９】
前記タービン動翼用ディスクの動翼植え込み部よりも内周側に形成され、圧縮機側に延在する環状のフィンに端面がシール部材を介して接触するように配置したことを特徴とする請求項８に記載のスペーサ部材。
【請求項１０】
スペーサ部材をディスタントピースに固定したときのタービン側端面が平面であり、タービン動翼用ディスクに形成した環状のフィンとの接触部の軸方向厚さをディスタントピースへの固定部の軸方向厚さより薄くしたことを特徴とする請求項９に記載のスペーサ部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン及びそれに用いるシール部材に係り、特にガスタービンを構成する圧縮機が圧縮したガスの一部をタービン動翼の冷却に利用するガスタービン及びそれに用いるシール部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービンの冷却装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のガスタービンでは、タービン動翼を冷却するために、冷媒を隣接するローターホイールにより形成した隙間に筒状部材を挿入し、動翼のダブテール部に冷媒ガスを導いている。
【０００３】
従来のガスタービンの他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載のガスタービンでは、タービン動翼を冷却するために中間軸から圧縮空気が漏れるのを防止するシール空気をロータディスクの前面に形成されるキャビティに導き、その一部はタービン静翼とタービン動翼間の漏れを防止するシール空気として主流に導かれ、残りは動翼を冷却する動翼空気取り入れ口から動翼に導かれ、その後動翼を冷却して主流と混合される。さらに、動翼に所望量の冷却空気を導くために、中間軸シール空気とは別に流量調整した冷却空気をキャビティに供給している。なお、同様のガスタービンが特許文献３に記載されている。
【特許文献１】
特開２００１−３７０３号公報
【特許文献２】
特開平１１−２２４０３号公報
【特許文献３】
特表２００１−５２７１７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載のガスタービンにおいては、動翼に冷却空気を確実に供給できるが、ガスタービンを小型化するためにディスタントピースとロータディスクを継手部を用いて接続する場合についての考慮が不十分である。つまり、継手部を加工する都合上、ディスタントピースの外周側をタービン側に突き出せないという場合については記載が無い。
【０００５】
また特許文献２に記載のガスタービンでは、主流流ガスに常に僅かではあるがシールガスが漏れこむので、シールガス量が増大する。そのため、シールガスに圧縮機で圧縮された空気を使用するのであれば圧縮機の効率が低下し、延いてはガスタービン全体の出力が低下する。
【０００６】
さらに、特許文献３に記載のガスタービンでは耐遠心力性の向上のために、カバーにフィンを設けて燃焼ガスが軸心側に漏れこむのを防止している。しかしカバーにフィンを設けると、フィン部の大きな遠心応力を緩和しなければならず、カバーの構成が複雑になる。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的はガスタービンのタービン動翼を簡単な構成で冷却することにある。本発明の他の目的はガスタービンのタービン動翼を、効率的に冷却することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴は、円盤状のディスクに取付けられた複数の動翼を有するタービンと圧縮機とをディスタントピースを介して接続し、圧縮機で圧縮された圧縮ガスの一部を用いてタービンの動翼を冷却するガスタービンにおいて、ディスタントピースの軸方向一端部に取付けられ、ディスクとの間に圧縮ガスによる冷却路を形成するスペーサ部材を設けたものである。そしてこの特徴において、スペーサ部材とディスクとの間をシールするシール部材を設けるのが望ましい。
【０００９】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、円盤状のディスクに取付けられた複数の動翼を有するタービンと圧縮機とをディスタントピースを介して接続し、圧縮機で圧縮された圧縮ガスの一部を用いてタービンの動翼を冷却するガスタービンにおいて、ディスクは動翼取付け部よりも内周側に圧縮機側に延びる円環状のフィンを有し、ディスタントピースのタービン側端部にスペーサ部材を配設し、フィンとスペーサ部材を接触させてディスタントピースとディスクの間に隔室を形成したものである。
【００１０】
そしてこの特徴において、ディスクは周方向に間隔をおいて複数の冷却孔を有し、この冷却孔は隔室と動翼とに連通することや、ディスクに圧縮機で圧縮されたガスの一部を隔室に導く他の冷却孔（冷却空気通路）を設けるのがよい。また、タービンが複数段からなるときに、冷却孔を初段のディスクにのみ設けるようにしてもよい。さらに、動翼内部に冷却孔に連通する冷却通路を設けるのがよい。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明のさらに他の特徴は、スペーサ部材が圧縮機とタービンとを連接するディスタントピースのタービン側端部に固定して取付けられ、ディスタントピースとタービン動翼用ディスクとの間に隔室を形成するものである。そしてこの特徴において、タービン動翼用ディスクの動翼植え込み部よりも内周側に形成され、圧縮機側に延在する環状のフィンにスペーサ部材の端面がシール部材を介して接触するように配置するのがよい。また、スペーサ部材をディスタントピースに固定したときのタービン側端面が平面であり、タービン動翼用ディスクに形成した環状のフィンとの接触部の軸方向厚さをディスタントピースへの固定部の軸方向厚さより薄くしてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。図３はガスタービンの模式図である。ガスタービン１００では、高温の燃焼ガスを作動流体としてタービン１６を回転させ、発電機１８を駆動する。圧縮機１５で圧縮された空気を燃焼器１７に導くとともに、この燃焼器１７内に燃料を投入し着火すると、高温の燃焼ガスが得られる。得られた燃焼ガスは流路１９を経て、圧縮機１５と同期して回転するタービン１６に導かれる。燃焼ガスにより回転駆動されたタービン１６が発生する動力は、発電機１８と圧縮機１５を駆動するのに用いられる。
【００１３】
このように構成したガスタービン１００において、タービン翼等を冷却するために圧縮機１５の途中の段落から冷却空気が抽気される。この抽気された冷却空気の一部は、圧縮機１５とタービン１６を連結する回転軸部に形成された流路２０ａを経て、タービン１６に導かれる。冷却空気の残りは、静翼を冷却するために直接タービン１６に流路２０ｂを経て導かれる。本実施例に記載のガスタービンでは、動力伝達のためにタービン１６と圧縮機１５とを一体化している。この両者を締結するのに、ディスタントピースを用いている。この様子を、図１に示す。
【００１４】
図１は、圧縮機１５とタービン１６の締結部近傍の縦断面である。図示しない圧縮機が、ディスタントピース７の一端側に接続されている。ディスタントピース７の軸方向他端側に形成された継手部１１により、ディスタントピース７は円盤状のタービン初段ディスク１に連結されている。タービン初段ディスク１はその圧縮機側である前面側に、環状の突起が２重に形成されている。内径側の環状の突起１ｂの先端は、継手部１１を形成する。外径側の突起はフィン１３であり、後述するスペーサ８と接触する。タービン初段ディスクの背面側にも環状の突起１ｃが形成されており、この環状の突起１ｃの上面にはラビリンスシール１ｄが形成されている。
【００１５】
タービン初段ディスク１の背面側突起１ｃには、タービン２段側ディスク２の前面に形成された環状の突起２ｃと連接するための継手部１ｆ形成されている。この２段側ディスクの突起２ｃの外周面にもラビリンスシール２ｄが形成されている。タービン初段ディスク１及びタービン２段ディスク２の外周側にはそれぞれ複数の翼が周方向ほぼ等間隔に植え込まれている。初段動翼５の軸方向前面側には周方向に間隔をおいて配置された複数の翼がケーシングに固定されて、初段静翼３を形成する。初段動翼５と２段動翼の間には同様に、周方向に間隔をおいて複数の翼がケーシングに固定され、２段静翼６を形成する。
【００１６】
初段静翼３の内周側には、初段静翼３を通過した燃焼ガスが軸心側に漏れるのを防止するシール部を備えた部材７ａが、圧縮機側まで延在している。２段静翼４の内周側には、初段動翼５を通過した燃焼ガスが軸心側に漏れるのを防止するために、タービン初段ディスク１の背面側に形成したシール用突起１ｇと一端がシール部を形成し、他端はタービン初段ディスク１及びタービン２段ディスク２のラビリンス１ｃ、２ｃとの間でシール部を形成するシール板２８（ダイヤフラム）が、２段静翼に固定されている。
【００１７】
ディスタントピース７のタービン側端面には継手部１１が形成されている。この継手部１１よりも軸方向圧縮機側には、外径側に延びるスペーサ取付け部が７ｃが形成されている。この取付け部７ｃにスペーサ８がインロー嵌合されている。スペーサは、ボルト１０とナット１１により、ディスタントピース７に固定されるとともに、スペーサ８のタービン初段ディスク１側端面は、垂直平面を形成する。ディスタントピース７およびタービン初段ディスク１、タービン２段ディスク２、図示しない圧縮機部は、スタッキングボルト９によりその内周側で積み重ねるように固定されている。
【００１８】
ところで、燃焼ガスに直接曝されるタービン動翼は、高温環境となるので形状や強度信頼性を保持する必要がある。ガスタービンの効率向上のためにはガス温度の高い燃焼ガスを用いるのがよい。その結果初段動翼５には、高温の燃焼ガスが流入するので、初段動翼５を構成する各翼の内部には、冷却空気の流路が形成されている。なお、初段動翼を構成するタービン翼は、タービン初段ディスク１に植え込まれているので、タービン初段ディスク１には翼枚数分の冷却空気孔１２が設けられる。冷却空気は、必要な温度と圧力になる圧縮機の適当な段落から抽気される。そして、ディスタントピース７の内周側から、タービン初段ディスク１に導入され、タービン初段ディスク１の冷却孔１２から初段動翼５に至る。冷却空気を各翼に効率的に送り込むために、タービン初段ディスク１の冷却空気導入孔の周辺に隔室を構成する。なお本実施例では、継手部１１を冷却空気の導入孔に兼用している。
【００１９】
スペーサ８周辺の詳細図を、図２に示す。タービン初段ディスク１に冷却空気を導く冷却空気孔１２を、スペーサ８に対向して設ける。上述したようにスペーサ８を、ディスタントピース７にボルト１０締結する。スペーサ８は回転体の一部であるから軸振動に対する信頼性を確保するため、取り付け時にはスペーサ８の回転軸心と動翼５、６を埋め込んだタービンディスク１、２の回転軸心を一致させる。そのため、スペーサ８とディスタントピース７の取り付け面に、インロー構造を採用している。凸側となるスペーサ８のインロー部直径は、凹側となるディスタントピース７側の直径よりわずかに大きい。ロータ組み立て時には、ディスタントピース７側を加熱またはスペーサ８側を冷却して、互いにはめ込む。この位置決めとボルト締結とにより、ディスタントピース７とスペーサ８が強固に一体化され、回転体としての信頼性が向上する。
【００２０】
スペーサ８は、タービン初段ディスク１に植え込まれる翼に冷却空気を効率良く導入する隔室８ａを構成する。隔室８ａを形成するために、タービン初段ディスク１にフィン１３を形成し、スペーサ８と接触させてタービン初段ディスク１の前面とスペーサ８の背面側端面間に隔室８ａを形成する。スペーサ８をディスタントピース７にボルト締結およびインロー７ｄ、８ｄ部で嵌合しているので、タービン初段ディスク１との接触面を有するフィン１３には、シール１４を設けている。このシール１４には、例えばＯ−リングシールを用いる。
【００２１】
冷却空気はディスタントピース７の内周側を通り、継手部１１から隔室８ａに導かれる。隔室８ａに流入した冷却空気は、冷却孔１２を通って初段動翼５の各翼に導かれる。冷却孔１２は、動翼の翼枚数と同じ数だけタービン初段ディスク１に加工される。冷却空気を動翼に送り込むには、隔室８ａ内の圧力を適正な値に保たなければならない。スペーサ８とタービン初段ディスク１との間のシール性が悪いと冷却空気の一部が漏出し、動翼の冷却空気が不足する。
【００２２】
なお、回転体であるロータには、質量と回転速度に応じた遠心力が作用する。つまり、スペーサ８を複雑な形状にすると、このスペーサ８の角部等に多大な応力が作用する。そこで本実施例においては応力集中を避けるために、ディスタントピース７側にスペーサ８を取り付けて、シール性と強度信頼性の確保の双方を実現している。なお、タービン初段ディスク１にシール部材を取り付ける必要がないので、組み立て性も向上する。さらに、タービン初段ディスク１とスペーサ８とを締結しないので、タービン初段ディスク１を分解することがあっても、スペーサ８をディスタントピース７から取り外す必要はなく、メンテナンス性が向上する。また、スペーサ８をディスタントピース７から取り外す必要はほとんど無いから、スペーサ８のティスタントピース７への取り付けも、例えば締まりばめなどの嵌め合いや特殊な構造が不要であり、実績のあるインロー構造でよい。
【００２３】
本実施例では、ディスタントピースとスペーサを別部材としているので、設計段階でインロー部の接触応力やボルト孔の応力を事前に強度評価しなければならない。なお、ディスタントピースとスペーサが同一の部材であれば、この強度評価は不要である。本実施例では、ディスタントピースとロータの接続部に特殊な継手を採用しており、継手の加工上、ディスタントピースとスペーサを別部材とした。
【００２４】
図２に示したようにスペーサ８の縦断面形状（半径方向）を、タービン初段ディスク１に対向する面がタービンの回転軸に垂直になるようにしている。このスペーサ８の断面形状をタービン初段ディスク１側に傾いた形状である円錐状とすると、タービン初段ディスク１に設けたフィン１３は不要となる。ただし、スペーサ８が回転体であるからスペーサ８自体の遠心力により曲げ応力がスペーサ８に作用する。そこで、曲げ応力を小さくするために、ディスタントピース７とのボルト締結部からシール部材１４によるシール面までのタービン軸方向距離を小さくしている。またシール面が形成されたシール部材８の外径側突起部８ｂの板厚を、シール部材１４のこの突起部８ｂより内周側部分の板厚に比べて薄くしている。本実施例に用いるスペーサは中空の回転体であり、遠心応力は中心孔で最大となる。それとともに、ねじ孔の縁における応力も重要となる。外径側の質量が大きいほど、中心孔に作用する遠心応力が大きくなる。そこで本実施例では、外周側の板厚を小さくして遠心応力の低減を図っている。
【００２５】
なお、上記実施例ではタービン初段ディスク、タービン２段ディスク、ディスタントピースや圧縮機のローター部を回転軸の中心でスタッキングしているが、タービンディスクに中心孔が形成されていなくても、本実施例のスペーサを適用できる。その例を、図４に示す。図４は、ディスタントピース１０７とタービン初段ディスク１０１、タービン２段ディスク１０２の連接部の縦断面図であり、主要部のみを示した図である。スペーサ１０８をディスタントピース１０７に取付ける方法は、上記実施例と同じである。隔室１０８ａを形成し、シール部材と接触するフィン１１３がタービン初段ディスク１０１に形成されている。タービン初段ディスク１０１には中心孔が形成されておらず、その半径方向中間部であって周方向複数箇所にスタッキングボルト１０９貫通孔が形成されている。この場合、ボルト位置を遠心応力に基づいて適正に設計しなけらばならない。しかしながら上記実施例と同様に、タービンディスク側にシール部材を取り付ける必要がないので、ロータの組み立て性が向上する。
【００２６】
上記各実施例においては、タービン段を２段有するガスタービンについて説明したが、タービン段が３段以上あっても本スペーサ及び隔室構造を採用できることは言うまでも無い。また、静翼については従来通りの冷却法を用いればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、継手部によりディスタントピースとタービン初段ディスクを接続したガスタービンにおいて、隔室をディスタントピースに固定したスペーサ部材で形成したので、簡素な構造で冷却空気と燃焼ガスのシールを確実に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービンの一実施例の主要部の縦断面図。
【図２】図１の実施例に用いるスペーサの周辺詳細断面図。
【図３】本発明に係るガスタービンの模式図。
【図４】本発明に係るガスタービンの他の実施例の主要部の縦断面図。
【符号の説明】
１…タービン初段ディスク、２…タービン２段ディスク、３…初段静翼、４…２段静翼、５…初段動翼、６…２段動翼、７…ディスタントピース、７ａ…部材、７ｃ…突起部、７ｄ…インロー、８…スペーサ、８ａ…隔室、８ｄ…インロー、９…スタッキングボルト、１０…スペーサ締結用ボルト、１０ａ…ナット、１１…継手部、１２…冷却空気孔、１３…フィン、１４…シール部材、１５…圧縮機、１６…タービン、１７…燃焼器、１８…発電機、１９…燃焼ガス経路、２０ａ，２０ｂ…冷却空気経路、１０１…タービン初段ディスク、１０２…タービン第２段ディスク、１０７…ディスタントピース、１０８…スペーサ、１０９…スタッキングボルト、１１３…フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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