(57)【要約】【課題】大きな配置スペースを必要とすることなく、冷却用圧縮空気Ａとロータ４１との相対速度を小さくして動力損失を低減するとともに、冷却用圧縮空気の温度を効果的に低下させ、ロータ４１の冷却効率を高めてロータ４１の長寿命化が図れるガスタービンを提供する。【解決手段】圧縮機２と、圧縮機２からの圧縮空気Ａを燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３からの燃焼ガスＧから動力を取り出すタービン４とを備え、さらに、圧縮機２の下流において、ロータ４１の外周を覆って圧縮空気Ａの通路２１の内周壁を形成するインナケーシング２０と、圧縮空気Ａを前記ロータ４１の回転方向に旋回させながら、インナケーシング２０を貫通させてロータ４１の外周に導入する旋回ノズル５とを備え、ロータ４１に、このロータ４１の外周に導入された圧縮空気Ａをロータ４１の中空部６０を経て、タービン動翼４４を有するタービンロータ４１ｒへ向けて流出させる流出孔５５が形成されている。【選択図】  図２
2004197696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスから動力を取り出すタービンとを備えたガスタービンであって、
前記圧縮機とタービンとの間において、ロータの外周を覆って前記圧縮空気の通路の内周壁を形成するインナケーシングと、
前記圧縮空気を、前記ロータの回転方向に回転させながら、インナケーシングを貫通させて前記ロータの外周に導入する旋回ノズルとを備え、
前記ロータに、このロータの外周に導入された圧縮空気を、ロータの中空部を経て、前記タービン動翼を有するタービンロータへ向けて流出させる流出孔が形成されているガスタービン。
【請求項２】
請求項１において、前記インナケーシングの内側に装着されたリング部材を備え、前記旋回ノズルは、前記インナケーシングに形成された径方向に延びる第１導入孔と、前記リング部材に形成されて第１導入孔に連通する径方向に対して傾斜した第２導入孔とを有しているガスタービン。
【請求項３】
請求項２において、前記第２導入孔は、下流側の通路面積が上流側よりも小さい増速通路を形成しているガスタービン。
【請求項４】
請求項１，２または３において、前記圧縮空気の通路は、ディフューザを形成しており、前記ディフューザの径方向内方で前記ディフューザの上流側寄りに位置して、前記インナケーシングとロータとの間にシール部材が設けられ、前記シール部材よりも前記ディフューザの下流側寄りに対応する位置に前記旋回ノズルが配置されているガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋回する冷却空気によりロータの効率的な冷却を行うようにしたガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンにおける燃焼ガスから動力を取り出すタービンは、特に高温となるため、冷却が課題となる。そこで、圧縮機から燃焼器に向かう圧縮空気の一部を、冷却用として、ロータの外周面に向けて径方向内方に噴出し、その後、ロータ内部（中空部）に取り入れて、後部のタービン動翼を持つタービンロータに導入する冷却構造が知られている。しかし、前記冷却構造は、径方向に圧縮空気を噴出するので、噴出される圧縮空気とロータとの相対速度が大きくなる結果、動力損失が大きくなる。また、この動力損失の増大によってロータ周囲の温度上昇および冷却用圧縮空気の温度上昇を招く。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
他方、ロータ後部を形成するタービンロータに向けて斜め軸方向に冷却用の圧縮空気を噴出する軸流型の予旋回ノズルを設けて、このノズルからの空気によりタービンロータを冷却するものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０３４５１９号（段落００２３、００２４、図２、図４）
【０００５】
この冷却構造によれば、冷却用の圧縮空気がタービンロータの外表面に斜め方向から当たるので、ノズル孔での圧力損失は若干低減されるものの、予旋回ノズルから噴出される圧縮空気の速度のうち、軸方向成分はタービンロータに衝突して圧力損失となるので、依然として圧力損失が相当大きい。また、予旋回ノズルの上流では、タービンロータとの相対速度が大きいために、動力損失が発生し、タービンロータ周囲の温度上昇および冷却用圧縮空気の温度上昇を招く。しかも、前記予旋回ノズルを設けるためには、径方向の大きな配置スペースが必要となる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、大きな配置スペースを必要とすることなく、冷却用圧縮空気とロータとの相対速度を小さくして動力損失および圧力損失を低減するとともに、冷却用圧縮空気温度を効果的に低下させて、ロータの冷却効率を高めることによりロータの長寿命化が図れるガスタービンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンは、圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器からの燃焼ガスから動力を取り出すタービンとを備えたものであって、前記圧縮機とタービンとの間において、ロータの外周を覆って前記圧縮空気の通路の内周壁を形成するインナケーシングと、前記圧縮空気を前記ロータの回転方向に回転させながら、インナケーシングを貫通させて前記ロータの外周に導入する旋回ノズルとを備えており、前記ロータに、このロータの外周に導入された圧縮空気を、ロータの中空部を経て、前記タービン動翼を有するタービンロータへ向けて流出させる流出孔が形成されている。
【０００８】
このガスタービンによれば、圧縮機からの圧縮空気が旋回ノズルからロータの外周へと径方向に導入され、この導入された空気によりロータが冷却される。このとき、前記旋回ノズルからロータへと導入された圧縮空気は、旋回流となってロータの回転方向に回転するので、圧縮空気とロータとの相対速度が小さくなって動力損失および圧力損失が低減されるとともに、ロータ周囲の温度上昇および冷却用圧縮空気の温度上昇が抑制されて、ロータの冷却効果が向上する。また、この温度上昇が抑制された圧縮空気がロータの中空部を経てタービンロータに送られるから、タービン動翼を有するタービンロータの冷却効果が向上する。これにより、タービンロータを含むロータ全体の長寿命化が可能となる。さらに、前記旋回ノズルは、前記インナケーシングに設けた径方向の孔によって形成できるので、大きな配置スペースを必要とすることなく、限られたスペースを利用して旋回ノズルの配置が行える。
【０００９】
本発明の実施形態では、前記インナケーシングの内側に装着されたリング部材を備え、前記旋回ノズルは、前記インナケーシングに形成された径方向に延びる第１導入孔と、前記リング部材に形成されて第1 導入孔に連通する径方向に対して傾斜した第２導入孔とを有している。この構成によれば、前記旋回ノズルの形成が容易に行える。つまり、前記リング部材を用いることなく、大きなインナケーシングに、旋回流を形成するための導入孔を径方向に対して傾斜する方向に直接設ける場合は、穴あけ作業に困難を伴う。これに対し、前記インナケーシングに径方向の第１導入孔を形成し、このインナケーシングとは別部材で形成された小さなリング部材に、径方向に対し傾斜方向に延びる第２導入孔を形成して、このリング部材をインナケーシングに組付けることにより、前記旋回ノズルの形成が容易に行える。
【００１０】
本発明の実施形態において、前記第２導入孔は、下流側の通路面積が上流側よりも小さい増速通路を形成している。これにより、圧縮空気をロータの周速度近くまで増速して、圧縮空気の静温度を低下させることができる。
【００１１】
また、本発明の実施形態では、前記圧縮空気の通路がディフューザを形成しており、前記ディフューザの径方向内方でディフューザの上流側寄りに位置して、前記インナケーシングとロータとの間にシール部材が設けられ、前記シール部材よりも前記ディフューザの下流側寄りに対応する位置に前記旋回ノズルが配置されている。この構成によれば、前記インナケーシングとロータとの空間における圧縮空気の温度上昇を抑制して、ロータのより効果的な冷却が行える。つまり、ディフューザの下流側は、ディフューザの上流側よりも圧力が高いので、前記下流側寄りに位置する旋回ノズルを出た圧縮空気が前記空間を逆流してディフューザの上流端とロータとの隙間からディフューザ通路に漏出するのが、前記シール部材により防止される。ここで、シール部材がディフューザの上流側寄りに位置しているので、ロータにおけるシール部材よりも上流側でディフューザの内側に対向する部分の表面積が小さくなる。したがって、この部分における圧縮空気との摩擦損失は小さくなる。他方、ロータにおけるシール部材よりも下流側の表面積は大きくなるが、この部分では，圧縮空気が旋回流となってロータとの相対速度が小さくなっているから、圧縮空気との摩擦に起因するロータの動力損失が抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービンの一部破断した側面図である。同図において、ガスタービン１は、導入空気ＩＡを圧縮機２で圧縮して燃焼器３に導き、ガスまたは液体燃料Ｆを燃焼器３内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスによりタービン４を駆動する。
【００１３】
同図の実施形態では、前記圧縮機２として軸流型のものを用いており、この軸流型圧縮機２は、１軸型ガスタービン１のロータ４１の前部を形成する圧縮機ロータ４１ａの外周面に、多数の動翼２３が配置されており、これら動翼２３と、ハウジング２４の内周面に多数配置された静翼２７との組み合わせにより、吸気筒２８から吸入した空気を圧縮して、その圧縮空気Ａを環状に形成された車室２９に送給する。前記ロータ４１は、ガスタービン１の回転部分を構成するもので、前記圧縮機ロータ４１ａに加えて、後述するカップリングロータ４１ｂ、タービンロータ４１ｒおよび後端軸部４１ｅ（図２）とを有している。
【００１４】
前記燃焼器３は、環状の車室２９にその周方向に沿って複数個が等間隔に配置されており、車室２９に送られた圧縮空気Ａが矢印ａ，ｂで示すように、燃焼筒３１内の燃焼室３２内に導かれるとともに、燃焼器３には、燃料ノズル３４から燃料Ｆが燃焼室３２内に噴射され、この燃料Ｆが圧縮空気Ａと混合されて燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスＧがタービン４に送られる。
【００１５】
前記タービン４は、複数（この例では４つ）のタービンロータ４１ｒと、これの外周囲を覆うタービンケーシング４２とを備え、このタービンケーシング４２の内周部には複数段のタービン静翼４３が所定間隔をおいて設けられ、一方、タービンロータ４１ｒには、前記各段のタービン静翼４３の間に位置するように複数段のタービン動翼４４が設けられている。これらタービンロータ４１ｒと圧縮機ロータ４１ａとは、前記カップリングロータ４１ｂにより連結されている。
【００１６】
各タービンロータ４１ｒは、図２に示すように、ディスク４５の外周にタービン動翼４４を取り付けて構成されている。各段のタービンロータ４１ｒは、そのディスク４５がタービン取付用ボルト４６により相互に連結され、かつ第１段のタービンロータ４１ｒのディスク４５が、前記ボルト４６により、カップリングロータ４１ｂの後部に連結され、さらに、このボルト４６により、最後段のタービンロータ４１ｒのディスク４５に後端軸部４１ｅが連結されている。ロータ４１の全体は、図１のハウジング２４に、前後の軸受６１，６２を介して回転自在に支持されている。前側の軸受６１は圧縮機ロータ４１ａの前部を支持し、後側の軸受６２は、図２の後端軸部４１ｅを支持している。
【００１７】
前記圧縮機２とタービン４との間には、圧縮機ロータ４１ａの後部の外周と、カップリングロータ４１ｂの全体の外周とを覆うインナケーシング２０が設けられ、このインナケーシング２０とハウジング２４との間に、図１に示す圧縮機２から燃焼器３の車室２９へ向かう圧縮空気Ａの通路２１が形成されている。また、前記インナケーシング２０の周壁には、旋回ノズル５が設けられており、この旋回ノズル４により、圧縮空気Ａを、後述するようにロータ４１の回転方向と同一方向に旋回させながら、インナケーシング２０を径方向に貫通させて、カップリングロータ４１ｂの外周に導入する。
【００１８】
この実施形態では、前記旋回ノズル５として、前記インナケーシング２０の周壁に、横断面円形の貫通孔からなる複数の導入孔５１を、周方向に等間隔に形成している。各導入孔５１は、図３に示すように、ロータ４１の軸心Ｏを通って径方向に延びる放射ラインＣに対し、内径側の先端がロータ４１の回転方向Ｒに向かうように所定角度θだけ傾斜している。これら導入孔５１に、前記通路２１内の圧縮空気Ａの一部が、冷却用圧縮空気として導入され、この導入孔５１から、前記インナケーシング２０とロータ４１との間に形成される冷却用空間４０内に、ロータ４１の回転方向に旋回する旋回流Ｄとなって噴出される。
【００１９】
図２に示す圧縮空気Ａの通路２１はディフューザを形成しており、このディフューザ２１の径方向内方に形成される冷却用空間４０の内部で上流側及び下流側位置に、前記インナケーシング２０とロータ４１との間をシールする例えばラビリンスシールのようなシール部材６，７が設けられている。また、冷却用空間４０の内部には、圧縮機ロータ４１ａとカップリング４１ｂとを連結するための径方向外方に向かって突出するフランジ４１ａｆ，４１ｂｆが設けられ、これらフランジ４１ａｆ，４１ｂｆ間をボルトＢとナットＮで締結している。前記フランジ４１ａｆ，４１ｂｆおよびボルトＢ・ナットＮの取付部位の上流位置、すなわち、ディフューザ２１の径方向内方でディフューザ２１の上流側寄りに位置して、インナケーシング２０と圧縮機ロータ４１ａとの間に、前記シール部材６が配置されている。前記下流側のシール部材７は、旋回ノズル５の下流側に配置されている。
【００２０】
前記ロータ４１のカップリングロータ４１ｂには、旋回ノズル５から冷却空間４０に導入された圧縮空気Ａをロータ４１の内方の中空部６０に流出させる流出孔５５が形成されている。さらに、タービンロータ４１ｒのディスク４５には、タービン取付用ボルト４６の径方向内側に位置する空気取入孔４８が、軸方向に貫通して設けられ、各ディスク４５間に前記空気取入孔４８に連通する径方向の連通孔４７が設けられ、さらに、ディスク４５の外周部に、前記連通孔４７からの圧縮空気Ａをタービン動翼４４の根元部４４ａに供給する冷却空気孔４９が形成されている。
【００２１】
次に、以上の構成による作用について説明する。図１の圧縮機２から燃焼器３に向かう圧縮空気Ａの一部が、図２の旋回ノズル５から冷却用空間４０に導入される。このとき、旋回ノズル５からロータ４１へと導入された圧縮空気Ａは、図３に示すように、大きな空間４０から狭い通路の旋回ノズル５へ導入されることで、増速され、図３に示す旋回流Ｄとなってロータ４１の回転方向に旋回する。これにより、圧縮空気Ａとロータ４１との相対速度が小さくなって動力損失が低減されるので、ロータ周囲の温度上昇が抑制される。また、空間４０に導入された圧縮空気Ａの温度上昇も抑制される。これにより、カップリングロータ４１ｂの冷却効率が高められる。また、圧縮空気Ａは、旋回流Ｄとなってロータ４１の外周面に対して斜めに当たるので、圧力損失も小さくなる。さらに、前記旋回ノズル５は、インナケーシング２０に設けられるので、大きな配置スペースを必要とすることなく、限られたスペースを有効利用して旋回ノズル５の配置が可能となる。
【００２２】
また、前記圧縮空気Ａの通路２１をディフューザとし、このディフューザ２１の径方向内方に形成される冷却用空間４０の内部で上流側位置に、前記インナケーシング２０とロータ４１との間をシールするシール部材６が設けられているので、次の理由により、前記ロータ４１の効果的な冷却が行える。つまり、まず、ディフューザ２１の下流側は、ディフューザ２１の上流側よりも圧力が高いので、前記下流側寄りに位置する旋回ノズル５を出た空気が、冷却用空間４０を矢印Ｐ方向に逆流して、ディフューザ２１の上流端とロータ４１との隙間６５からディフューザ２１に漏出するのを、シール部材６により阻止する。ここで、シール部材６はディフューザ２１の上流側寄り、つまり前後中央部よりも前側に位置しているので、ロータ４１におけるシール部材６よりも上流側でディフューザ２１の内側に対向する部分の表面積が小さくなる。したがって、この部分において、前記隙間６５から侵入した圧縮空気Ａとの摩擦損失は小さくなる。他方、ロータ４１におけるシール部材６よりも下流側の表面積は大きくなるが、この部分では，圧縮空気Ａが旋回流Ｄとなってロータ４１との相対速度が小さくなっているから、ロータ４１の動力損失が抑制される。こうして、前後のシール部材６，７間の空間４０では、冷却用の圧縮空気Ａにより、圧縮機ロータ４１ａおよびカップリングロータ４１ｂの外周壁、並びにフランジ４１ａｆ，４１ｂｆが、効果的に冷却される。
【００２３】
前記冷却空間４０に導入された温度上昇が抑制された冷却用の圧縮空気Ａは、流出孔５５からロータ４１の内方の中空部６０に供給されたのち、後方のタービンロータ４１ｒの空気取入孔４８および連通孔４７を経て、冷却空気孔４９からタービン動翼４４の根元部４４ａに供給されて、タービン動翼４４を効果的に冷却する。このとき、前記冷却用空間４０の内部で上流及び下流側位置に、前記インナケーシング２０とロータ４１との間をシールするシール部材６，７が配置されているので、前記冷却空間４０の圧縮空気Ａが流出孔５５から円滑に流出して、タービン動翼４４の冷却に使用される。このように、圧縮機ロータ４１ａ、カップリングロータ４１ｂおよびタービンロータ４１ｒの冷却が効果的に行われるので、ロータ４１全体の長寿命化が実現される。
【００２４】
図４は第２実施形態に係る旋回ノズル５を示す縦断面図、図５はその要部の横断面図である。この実施形態では、前記旋回ノズル５として、前記インナケーシング２０に径方向に延びる円形孔からなる第１導入孔５２を形成し、また、インナケーシング２０の内側にこれとは別部材のリング部材５３を埋め込み状に装着して、このリング部材５３に、前記第１導入孔５２に連通し、かつ、先端がロータ４１の回転方向Ｒに向かって傾斜して、前記第１実施形態の場合と同様に、ロータ４１の周囲に旋回流Ｄとして噴出する第２導入孔５４を形成している。この第２導入孔５４は、上流側（外径側）に対し下流側（内径側）の通路面積が小さくなるように形成されて、増速通路となっている。前記リング部材５３は、例えば周方向に２分割されて、ロータ４１の内周面への嵌め込みを容易化している。
【００２５】
この第２実施形態によれば、前記旋回ノズル５の形成が容易に行える。つまり、図２，図３のように、リング部材５３を用いることなく、先端がロータ４１の回転方向Ｒに指向するように傾斜させた導入孔５２をインナケーシング２０に直接設ける場合、このインナケーシング２０は大きいので、孔あけ作業が面倒である。これに対し、図５に示すインナケーシング２０に径方向の第１導入孔５２を形成し、このインナケーシング２０とは別部材の小さなリング部材５３に前記第２導入孔５４を形成して、これらリング部材５３をインナケーシング２０に組付けることにより、旋回ノズル５を容易に形成できる。
【００２６】
また、前記リング部材５３を用いることにより、第２導入孔５４の傾斜角度θを自由に設定して、旋回流Ｄの旋回速度や冷却用空気温度などの調整が可能となって、ロータ周囲の効果的な冷却が行える。つまり、傾斜角度θを大きくとれることから、圧縮空気Ａの噴出後のロータ４１表面との摩擦による損失が小さくなるとともに、旋回流Ｄの旋回速度（周方向速度成分）が高く保持されるので、小さい圧力損失で効果的に圧縮空気Ａの静温を低下させることができる。また、ノズル流路の主要部を形成する第２導入孔５４は小さなリング部材５３に設けられているから、その加工が容易なので、加工誤差を少なくして、品質の向上が図れる。さらに、図５のように、前記第２導入孔５４を下流側が細くなる先細り形に形成すれば、前記旋回ノズル５からの圧縮空気Ａの噴出速度が増大し、より高速の旋回流Ｄが発生して、圧縮空気Ａの静温を低下させるので、図２に示した圧縮機ロータ４１ａ、カップリングロータ４１ｂおよびタービンロータ４１ｒの冷却効果が一層高められる。
【００２７】
なお、第１実施形態においても、図３の導入孔５１を先細り形に形成することで、空間４０内の冷却用圧縮空気Ａの温度を低下させてロータ４１の冷却効果を高めることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスタービンによれば、大きな配置スペースを必要とすることなく、冷却用圧縮空気とロータとの相対速度を小さくして動力損失を低減するとともに、冷却用圧縮空気の温度を効果的に低下させ、これによりロータの冷却効率を高めて、このロータの長寿命化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンの一部破断した側面図である。
【図２】ガスタービンにおける要部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】その要部の横断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図５】図４の要部の横断面図である。
【符号の説明】
２…圧縮機
３…燃焼器
４…タービン
５…旋回ノズル
２０…インナケーシング
２１…圧縮空気の通路( ディフューザ)
４１…ロータ
４１ｒ…タービンロータ
４４…タービン動翼
６０…中空部
５１…導入孔
５２…第１導入孔
５３…リング部材
５４…第２導入孔
５５…流出孔
Ａ…圧縮空気
Ｄ…旋回流
Ｇ…燃焼ガス
【図１】
2004197696.tif 000003
【図２】
2004197696.tif 000004
【図３】
2004197696.tif 000005
【図４】
2004197696.tif 000006
【図５】
2004197696.tif 000007