(57)【要約】【課題】圧縮機吐出空気を不必要に用いることなく、タービン冷却に各段に合った圧縮機抽気空気を用いることで、損失を低減し、サイクル効率の向上が図れるガスタービン冷却装置を提供する。【解決手段】空気圧縮機１の吐出空気および中間段抽気によってタービン静翼４〜７を冷却するようにしたガスタービンにおいて、前記空気圧縮機１の中間段抽気を前記タービン静翼５，６を経てタービン動翼１３，１４に供給し、冷却する冷却系Ａ，Ｂを設けた。【選択図】　図１
2004036513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機の吐出空気および中間段抽気によってタービン静翼を冷却するようにしたガスタービンにおいて、前記空気圧縮機の中間段抽気を前記タービン静翼を経てタービン動翼に供給し、冷却する冷却系を設けたことを特徴とするガスタービン冷却装置。
【請求項２】
前記冷却系は、前記タービン静翼の各翼内部を縦に貫通して前記中間段抽気を通すシールチューブと、該シールチューブと連通して前記各翼内側に設けられたボックス部材と、該ボックス部材に明けられて同ボックス部材内に供給された前記中間段抽気の一部をシール用としてボックス部材上流側に供給する通孔と、同ボックス部材の内側を嵌装してタービンロータの外周面に気密的に嵌合するリング部材と、該リング部材を貫通して一端が前記ボックス部材内部に気密的に連通し他端が前記タービン静翼後段のタービン動翼の各翼の冷却流路が開口した前記タービン静翼とタービン動翼間の密閉空間に通じる冷却流路とを具えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン冷却装置。
【請求項３】
前記タービン静翼の各翼内部に冷却用サーペンタイン通路を形成するリブの少なくとも一部を断面くの字に形成したことを特徴とする請求項２記載のガスタービン冷却装置。
【請求項４】
前記リング部材の冷却流路は前記タービン動翼の回転方向にひねられていることを特徴とする請求項２又は３記載のガスタービン冷却装置。
【請求項５】
前記リング部材と前記タービン動翼との間に前記密閉空間を形成すべく第１シール部を設けると共に、前記各翼のシュラウド部と前記タービン動翼との間に第２シール部を設けたことを特徴とする請求項２、３又は４記載のガスタービン冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバインドサイクルプラント（以下、単にプラントという）を構成するガスタービンにおいて、圧縮機から吐出された高圧空気と供給された燃料との燃焼により発生する、高温、高圧の燃焼ガス中で作動する動翼および静翼等の冷却を行うガスタービン冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種ガスタービンの冷却装置として、従来、例えば図７に示すようなものがある。
図７において、軸流式の空気圧縮機１とタービン２が一体に形成されたガスタービンは、一対の軸受３で支えられている。また、タービンの内車室には、第１段静翼４、第２段静翼５、第３段静翼６、第４段静翼７が順次設けられており、タービンディスク８、９、１０、１１に設けられた第１段動翼１２、第２段動翼１３、第３段動翼１４、第４段動翼１５がそれぞれ静翼と交互に配置されている。尚、図７は系統図のため、タービンの構造等については、要部のみを概略的に示している。
【０００３】
そして、空気圧縮機１からの吐出空気の一部は、配管１６を通して第１段静翼４へ供給され、これを冷却している。また、空気圧縮機１の中間段抽気は、それぞれ外部配管１７、１８、１９を通して第２段静翼５、第３段静翼６、第４段静翼７へ供給され、各段の静翼をそれぞれ冷却している。更に、空気圧縮機１からの吐出空気の他の一部は外部に導かれ、空気濾過器２０および空気冷却器２１を経て再びタービンへ流入し、タービンディスク８、９、１０、１１や各動翼１２、１３、１４、１５を冷却する。これらタービンを冷却した空気は、主ガスに合流する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ガスタービンの高効率化（高温化）に伴いタービン入口温度は、１５００℃にも達しており、適切な冷却を行う必要がある。上述したように、通常タービンディスク８、９、１０、１１や各動翼１２、１３、１４、１５等のロータ（回転系）の冷却空気は、車室より抽気して空気冷却器２１で温度を下げた後ロータに供給している。この際、冷却が必要な動翼は、４段タービンのガスタービンで、１段から３段までである。
【０００５】
ところが、１段タービン（第１段動翼１２）の圧力レベルは高いので、車室抽気の高温・高圧の冷却空気が必要となるが、２段、３段タービン（第２段動翼１３、第３段動翼１４）は圧力レベルが低いにもかかわらず、高温・高圧の車室抽気空気を使用するため、損失が大きく、サイクル効率が悪いという問題点があった。
【０００６】
本発明は、前述した状況に鑑みてなされたもので、圧縮機吐出空気を不必要に用いることなく、タービン冷却に各段に合った圧縮機抽気空気を用いることで、損失を低減し、サイクル効率の向上が図れるガスタービン冷却装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成するための本発明に係るガスタービン冷却装置は、空気圧縮機の吐出空気および中間段抽気によってタービン静翼を冷却するようにしたガスタービンにおいて、前記空気圧縮機の中間段抽気を前記タービン静翼を経てタービン動翼に供給し、冷却する冷却系を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記冷却系は、前記タービン静翼の各翼内部を縦に貫通して前記中間段抽気を通すシールチューブと、該シールチューブと連通して前記各翼内側に設けられたボックス部材と、該ボックス部材に明けられて同ボックス部材内に供給された前記中間段抽気の一部をシール用としてボックス部材上流側に供給する通孔と、同ボックス部材の内側を嵌装してタービンロータの外周面に気密的に嵌合するリング部材と、該リング部材を貫通して一端が前記ボックス部材内部に気密的に連通し他端が前記タービン静翼後段のタービン動翼の各翼の冷却流路が開口した前記タービン静翼とタービン動翼間の密閉空間に通じる冷却流路とを具えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記タービン静翼の各翼内部に冷却用サーペンタイン通路を形成するリブの少なくとも一部を断面くの字に形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、前記リング部材の冷却流路は前記タービン動翼の回転方向にひねられていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記リング部材と前記タービン動翼との間に前記密閉空間を形成すべく第１シール部を設けると共に、前記各翼のシュラウド部と前記タービン動翼との間に第２シール部を設けたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン冷却装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
［第１実施例］
図１は本発明の第１実施例を示すガスタービン冷却装置の系統図、図２は同じくタービンの冷却系を示すタービンの要部断面図、図３は同じくタービン静翼の各翼の断面図及びその中子型の説明図、図４は同じくボックス部材間のシール構造の説明図、図５は同じくリング部材の冷却流路の説明図である。
【００１４】
図１に示すように、空気圧縮機１からの吐出空気の一部は、配管１６を通して第１段静翼４へ供給され、これを冷却している。また、空気圧縮機１の中間段抽気は、それぞれ外部配管１７、１８、１９を通して第２段静翼５、第３段静翼６、第４段静翼７へ供給され、各段の静翼をそれぞれ冷却すると共に、第２段静翼５と第３段静翼６からは矢印で示す冷却系Ａ、Ｂにより第２段動翼１３と第３段動翼１４にそれぞれ中間段抽気が供給され、これらを冷却している。
【００１５】
一方、空気圧縮機１からの吐出空気の他の一部は外部に導かれ、空気濾過器２０および空気冷却器２１を経て再びタービンへ流入し、タービンディスク８を含む第１段動翼１２を冷却する。尚、第４段動翼１５はタービンディスク１１とともに特に冷却しない。また、図１においてその他の構成は図７と同様なので、図７と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００１６】
前記冷却系Ｂ（冷却系Ａも同様の構成である）は、図２に示すように、前記第３段静翼６の各翼の羽根部６ａ内を縦に貫通して前記配管１８と連通することにより中間段抽気を通すシールチューブ３０と、該シールチューブ３０と連通して前記各翼の羽根部６ａ内側にシュラウド部６ｂを介して一体的に設けられたボックス部材３１と、該ボックス部材３１に明けられて同ボックス部材３１内に供給された前記中間段抽気の一部をシール用としてボックス部材３１上流側に供給する通孔３２と、同ボックス部材３１の内側（内周部）を嵌装してタービンロータ３３の外周面にシールプレート３４を介して気密的に嵌合する断面凹型のリング部材３５と、該リング部材３５を貫通して一端がシールパイプ３６を介して前記ボックス部材３１内部に気密的に連通し他端が前記第３段静翼６後段の第３段動翼１４の各翼の冷却流路３７が開口した前記第３段静翼６と第３段動翼１４間の密閉空間イに口金３８を介して開口した冷却流路３９とから構成される。
【００１７】
前記シールチューブ３０は、図３に示すように、各翼の羽根部６ａ内を１本宛貫通されて前記第３段動翼１４の冷却用と第３段静翼６上流側の各部シール用の中間段抽気を十分な流量で供給できるようになっている。また、各翼の羽根部６ａ内に当該羽根部６ａ自体を冷却するためのサーペンタイン通路（折れ曲がり通路）を形成するリブ４０の一つ（又は全部）が断面くの字に形成され、これにより前記シールチューブ３０を貫通させるための通路断面積が確保されると共に、当該羽根部６ａの鋳造の際における中子型４１ａ〜４１ｄを用いての中子Ｗの成形が容易となる。
【００１８】
前記リング部材３５は半割り等の分割で製作されて組み立ててリングになる。このリング部材３５の外周に複数個嵌装される前記ボックス部材３１の、隣接する相互間のシールは、図４に示すように、ラビリンスシール４２等のシール構造が採用されている。従って、従来のようにリング部材４３のリング溝４４に嵌合した各翼に対応したシールプレート４５の、隣接する相互間のシールを同じく一枚のシールプレート４６で行う場合よりはるかにシール性が良い。つまり、図４中矢印で示すようなシールプレート４６の下端とリング溝４４の底面との隙間を通る中間段抽気の漏れは抑制できるのである。勿論、ラビリンスシール４２に代えて、従来用いたシールプレート４６を多重に配置しても良い。
【００１９】
前記リング部材３５の周方向に所定間隔離間して複数本形成される冷却流路３９は、図５に示すように、第３段動翼１４の回転方向（図５中矢印方向）にひねられて中間段抽気のポンピングロスを可及的に減らすようになっている。また、中間段抽気の流量が多ければ冷却流路３９を翼形に形成しても良い。
【００２０】
また、図２に示すように、前記リング部材３５と前記第３段動翼１４側との間に、前記密閉空間イを形成すべく第１シール部４７が設けられると共に、前記シュラウド部６ｂと前記第３段動翼１４側との間には第２シール部４８が設けられている。前記第１シール部４７は羽根等を有して中間段抽気を常に上流側に戻すような自律型に構成すると好適である。
【００２１】
このように構成されるため、ガスタービンの稼働時には、空気圧縮機１からの高温・高圧の吐出空気の一部は、配管１６を通して圧力レベルの高い第１段静翼４へ供給され、これを冷却すると共に、空気圧縮機１の比較的低温・低圧の中間段抽気は、それぞれ外部配管１７、１８、１９を通して比較的圧力レベルの低い第２段静翼５、第３段静翼６、第４段静翼７へ各段の圧力レベルに合わせて供給され、各段の静翼をそれぞれ冷却するのは従前通りである。
【００２２】
また、空気圧縮機１からの高温・高圧の吐出空気の他の一部は外部に導かれ、空気濾過器２０および空気冷却器２１を経て再びタービンへ流入し、圧力レベルの高いタービンディスク８を含む第１段動翼１２を冷却するのも従前通りである。
【００２３】
一方、第１段動翼１２と比較して圧力レベルの低い第２段動翼１３と第３段動翼１４には、前記第２段静翼５と第３段静翼６に供給された空気圧縮機１の中間段抽気が冷却系Ａ、Ｂにより各段の圧力レベルに合わせて供給されてそれぞれ冷却される（以上図１参照）。
【００２４】
例えば、冷却系Ｂにおいては、外部配管１８により第３段静翼６部に供給された中間段抽気は、シールチューブ３０を介してボックス部材３１内に供給され、ここからその一部が通孔３２よりシール用として第３段静翼６上流側に供給される。一方、他の一部は冷却用としてシールパイプ３６を介してリング部材３５の冷却流路３９を流れて第３段静翼６と第３段動翼１４間の密閉空間イに供給され、ここから第３段動翼１４の各翼の冷却流路３７に供給される（以上図２参照）。
【００２５】
この際、本実施例では、シールチューブ３０、ボックス部材３１部におけるラビリンスシール４２等のシール構造、シールパイプ３６及び第１シール部４７と第２シール部４８の二段シール構造等により、中間段抽気の漏れは確実に防止される。また、前記リング部材３５が熱膨張して拡径しても周方向へ複数個に分割されたシールプレート３４が内方へ熱膨張してタービンロータ３３の外周面との隙間を埋めるので当該部の気密性は保持される。
【００２６】
このようにして本実施例では、空気圧縮機１の吐出空気を不必要に用いることなく、空気圧縮機１の抽気空気を効果的に各段に合ったタービン冷却に用いることができるので、損失を低減し、サイクル効率の向上が図れる。
【００２７】
また、本実施例では、リング部材３５における冷却流路３９の開口部に口金３８を備えるので、ガスタービンの設置場所に応じて口径の異なる口金３８を変更することで、流量調整が簡単に行える。
【００２８】
［第２実施例］
図６は本発明の第２実施例を示すタービン静翼のボックス部材部の断面図である。
【００２９】
これは、第１実施例におけるシールパイプ３６を廃止して第３段静翼６のシュラウド部６ｂと一体に形成されたボックス部材３１Ａの下面とリング部材３５の上面との間に、ボックス部材３１Ａの切欠き孔５０とリング部材３５の冷却流路３９との連通部の下流側に位置してリング部材３５を取り巻く帯状のシール（ガスケット等）５１を介装した例である。
【００３０】
これによれば、第１実施例と同様の作用・効果に加えて第３段静翼６とリング部材３５との組付けが容易となる利点がある。
【００３１】
尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、ボックス部材やリング部材の形状変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の請求項１に係る発明は、空気圧縮機の吐出空気および中間段抽気によってタービン静翼を冷却するようにしたガスタービンにおいて、前記空気圧縮機の中間段抽気を前記タービン静翼を経てタービン動翼に供給し、冷却する冷却系を設けたので、圧縮機吐出空気を不必要に用いることなく、タービン冷却に各段に合った圧縮機抽気空気を用いることができ、依って損失を低減してサイクル効率の向上が図れる。
【００３３】
本発明の請求項２に係る発明は、前記冷却系は、前記タービン静翼の各翼内部を縦に貫通して前記中間段抽気を通すシールチューブと、該シールチューブと連通して前記各翼内側に設けられたボックス部材と、該ボックス部材に明けられて同ボックス部材内に供給された前記中間段抽気の一部をシール用としてボックス部材上流側に供給する通孔と、同ボックス部材の内側を嵌装してタービンロータの外周面に気密的に嵌合するリング部材と、該リング部材を貫通して一端が前記ボックス部材内部に気密的に連通し他端が前記タービン静翼後段のタービン動翼の各翼の冷却流路が開口した前記タービン静翼とタービン動翼間の密閉空間に通じる冷却流路とを具えるので、冷却用の中間段抽気をタービン静翼からタービン動翼へ漏れを防いで十分な流量で確実に供給することができる。
【００３４】
本発明の請求項３に係る発明は、前記タービン静翼の各翼内部に冷却用サーペンタイン通路を形成するリブの少なくとも一部を断面くの字に形成したので、シールチューブを貫通させるための通路断面積をリブの本数を減らすことなく効果的に確保できる一方で、羽根部の鋳造の際における中子型を用いての中子の成形が容易となる。
【００３５】
本発明の請求項４に係る発明は、前記リング部材の冷却流路は前記タービン動翼の回転方向にひねられているので、中間段抽気のポンピングロスを可及的に減らすことができ、タービン動翼への十分な流量が確保できる。
【００３６】
本発明の請求項５に係る発明は、前記リング部材と前記タービン動翼との間に前記密閉空間を形成すべく第１シール部を設けると共に、前記各翼のシュラウド部と前記タービン動翼との間に第２シール部を設けたので、前記密閉空間のシール性がより一層高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すガスタービン冷却装置の系統図である。
【図２】同じくタービンの冷却系を示すタービンの要部断面図である。
【図３】同じくタービン静翼の各翼の断面図及びその中子型の説明図である。
【図４】同じくボックス部材間のシール構造の説明図である。
【図５】同じくリング部材の冷却流路の説明図である。
【図６】本発明の第２実施例を示すボックス部材部の断面図である。
【図７】従来のガスタービン冷却装置の系統図である。
【符号の説明】
１　空気圧縮機
２　タービン
３　軸受
４　第１段静翼
５　第２段静翼
６　第３段静翼
６ａ　羽根部
６ｂ　シュラウド部
７　第４段静翼
８〜１１　タービンディスク
１２　第１段動翼
１３　第２段動翼
１４　第３段動翼
１５　第４段動翼
１６　配管
１７〜１９　外部配管
２０　空気濾過器
２１　空気冷却器
３０　シールチューブ
３１，３１Ａ　ボックス部材
３２　通孔
３３　タービンロータ
３４　シールプレート
３５　リング部材
３６　シールパイプ
３７　第３段動翼１４の各翼の冷却流路
３８　口金
３９　リング部材の冷却流路
４０　リブ
４１ａ〜４１ｄ　中子型
４２　ラビリンスシール
４３　リング部材
４４　リング溝
４５，４６　シールプレート
４７　第１シール部
４８　第２シール部
５０　切欠き孔
５１　シール
Ａ，Ｂ　冷却系
Ｗ　中子
【図１】
2004036513.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004036513.tif 000007
【図６】
2004036513.tif 000008
【図７】
2004036513.tif 000009