(57)【要約】【課題】  本発明は、一軸式ガスタービンに変更可能な二軸式ガスタービン及び二軸式ガスタービンの製造方法とその改造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離と、低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離とがほぼ同一であることを特徴とする。【効果】  本発明によれば、一軸式ガスタービンに変更可能な二軸式ガスタービン及び二軸式ガスタービンの製造方法とその改造方法を提供することが可能となる。【選択図】図１
2005256607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、前記高圧タービンのロータと前記低圧タービンのロータとが分離構造である二軸式ガスタービンであって、
前記高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離と、前記低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離とがほぼ同一であることを特徴とする二軸式ガスタービン。
【請求項２】
請求項１記載の二軸式ガスタービンであって、
前記２つのタービンロータを分離する隔壁を支える静翼の内部に前記低圧タービンのタービンロータを冷却する冷却媒体の供給流路を設けることを特徴とする二軸式ガスタービン。
【請求項３】
請求項２記載の二軸式ガスタービンであって、
前記冷却媒体の供給流路を通過した冷媒を前記低圧タービンのロータ内部に導く流路を備えることを特徴とする二軸式ガスタービン。
【請求項４】
請求項３記載の二軸式ガスタービンであって、
前記低圧タービンの最上流側に設置された動翼を固定するタービンホイールを貫通して冷媒を供給する孔を備えることを特徴とする二軸式ガスタービン。
【請求項５】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、前記高圧タービンのロータと前記低圧タービンのロータとが分離構造である二軸式ガスタービンの製造方法であって、
前記高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離と、前記低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離とをほぼ同一に形成して製造することを特徴とする二軸式ガスタービンの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の二軸式ガスタービンの製造方法であって、
前記２つのタービンロータを分離する隔壁を支える静翼内部に冷却媒体の供給流路を形成して製造することを特徴とする二軸式ガスタービンの製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の二軸式ガスタービンの製造方法であって、
前記冷却媒体の供給流路を通過した冷媒を前記低圧タービンのロータ内部に導く流路を形成するように製造することを特徴とする二軸式ガスタービンの製造方法。
【請求項８】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、前記高圧タービンのロータと前記低圧タービンのロータとが分離構造である二軸式ガスタービンであって、
前記高圧タービンのロータと前記低圧タービンのロータとの定格回転数がほぼ同一であることを特徴とする二軸式ガスタービン。
【請求項９】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、前記高圧タービンのロータと前記低圧タービンのロータとが分離構造であり、前記高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離と、前記低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離とがほぼ同一である二軸式ガスタービンの改造方法であって、
前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータとを分離する隔壁、及びスタッキングボルトを取り除き、
任意のスタッキングボルトが、前記高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔と前記低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔とに挿入されることを特徴とする二軸式ガスタービンの改造方法。
【請求項１０】
圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、該燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービンと、該高圧タービンから排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービンとを備え、該低圧タービンの最上流段静翼の内部に冷却空気通路が形成され、前記高圧タービンのロータと前記低圧タービンのロータとが分離構造である二軸式ガスタービンの改造方法であって、
前記冷却空気通路を通して前記低圧タービンロータに空気を供給するように、
任意のスタッキングボルトが、前記高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔と前記低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔とに挿入して、前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータとを一体化することを特徴とする二軸式ガスタービンの改造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の二軸式ガスタービンの改造方法であって、
前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータとの間に少なくとも一つのスペーサを配置したことを特徴とする２軸式ガスタービンの改造方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の二軸式ガスタービンの改造方法であって、
前記高圧タービンロータと前記低圧タービンロータとの間に少なくとも一つのスペーサを配置し、前記スペーサには前記低圧タービンロータに空気を供給する少なくとも一つの冷却流路が形成されていることを特徴とする二軸式ガスタービンの改造方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の二軸式ガスタービンの改造方法であって、
前記低圧タービンにおける最上流側の前記動翼内部に冷却通路を形成し、前記低圧タービンロータに供給した空気の一部により最上流側の前記動翼を冷却するように構成することを特徴とする二軸式ガスタービンの改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二軸式ガスタービン及び二軸式ガスタービンの製造方法とその改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用に使用されるガスタービンには、その用途に応じて２種類存在する。例えば、天然ガスパイプライン等での機械駆動用のガスタービンは、一般にタービン部が高圧タービンと低圧タービンに分かれ、軸が二つに分割された二軸構成が主流となっている。一方、発電用に用いる場合には、回転数を一定で運転するため、高圧タービンと低圧タービンを連結した一軸構成が主流となっている。
【０００３】
そこで、高圧タービンと圧縮機とに接続された第１軸と、出力タービンと発電機とに接続された第２軸とを連結する連結装置を設けた多軸ガスタービンが特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１９３４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１記載の技術では、比較的燃焼温度の低いガスタービンシステムである。最近の高性能化された燃焼温度が比較的高いガスタービンにおいては、冷却システムまで含めて考慮しないと一軸化できない。
【０００６】
そこで本発明は、一軸式ガスタービンに変更可能な二軸式ガスタービン及び二軸式ガスタービンの製造方法とその改造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、高圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第一のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離と、低圧タービンのロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔のロータ回転中心から半径方向の距離とがほぼ同一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、一軸式ガスタービンに変更可能な二軸式ガスタービン及び二軸式ガスタービンの製造方法とその改造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
従来採用されている一軸式ガスタービンは圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃料を加えて混合燃焼し、高温高圧の燃焼ガスでタービンを駆動するように構成されている。駆動されたタービンの回転エネルギーは、タービンに結合されている発電機により電気エネルギーに変換される。
【００１０】
最近において、発電用のみならず、例えば天然ガスパイプライン等での機械駆動用ガスタービンの高性能化についても開発が進んでいる。そして、燃焼ガス温度の高温化および高圧力比化が図られている。このような機械駆動用のガスタービンは、一般にタービン部が高圧タービンと低圧タービンに分かれ、２つのタービンロータが分離構造の二軸構成となっている。圧縮機と燃焼器と高圧タービンとを備えたものをガスジェネレータと称し、圧縮機と高圧タービンとを回転軸で結合させる。そして、ガスジェネレータの回転軸と独立させ、ブースト圧縮機あるいはポンプ等の機械の回転軸と低圧タービンとを回転軸で結合し、ブースト圧縮機あるいはポンプ等の機械を駆動する低圧タービンをパワータービンと称する。ガスジェネレータ側については、構成する圧縮機のサージの問題から、一定回転数で運転することが望ましい。一方、パワータービン側については、ポンプの仕様，運転状態によって回転数を変化させる必要がある。よって、機械駆動用のガスタービンでは、二軸式の方が運用性に優れる。
【００１１】
次に、ガスタービンを発電用に用いる場合、回転数を一定で運転する。そのため、高圧タービンと低圧タービンとを連結した一軸構成の方が、回転変動が少なく運用性に優れる。発電用として用いる場合に問題となるのが、緊急の負荷遮断時である。低圧タービンが独立した二軸構成では、負荷遮断時に低圧タービンの負荷が急に小さくなる。そのため、回転数が急に上昇し、運用上限の回転数を超過しやすい。最悪の場合には、翼，ロータを欠損する恐れがある。これに対し、一軸構成では、タービンは圧縮機と連結されている。そのため、負荷遮断時において、圧縮機が負荷すなわちブレーキとなり、回転数の急上昇は二軸式よりも小さくなる。
【００１２】
このように、一軸式と二軸式のガスタービンは使用用途が異なるとともに、両者の特性も大きく異なる。そのため、ガスタービン製造メーカは顧客の要望に応じて一軸式と二軸式のガスタービンをそれぞれ設計する必要があった。また、ガスタービン製造メーカは一軸式と二軸式それぞれにおいてタービン翼の金型を製作する必要がある。しかし、特にタービン翼は精密鋳造により製作されるため、金型代及び製作コストが高い。また、ガスタービン製造メーカが一軸式と二軸式両方の修理部品を常時保管する必要もあり、ガスタービン製造メーカにコスト面で多大な負担となっていた。そこで、二軸式として開発したガスタービンを、使用用途に応じて一軸式に変更することができれば、開発費の大幅な節約と機械駆動用から発電用までにわたる市場拡大が図れる。また、特にタービン翼は精密鋳造により製作されるため、金型代及び製作コストが高く、翼部のみでも共通化できれば大幅なコスト削減が見込める。
【００１３】
従来技術では、用途により高圧タービン軸と低圧タービン軸を結合あるいは分離することが考えられているが、このようなガスタービンは比較的燃焼温度の低いガスタービンである。最近の高性能化された燃焼温度の比較的高いガスタービンにおいては、冷却システムまで含めて考慮した二軸式ガスタービンが必要である。
【実施例１】
【００１４】
図２に、実施例１におけるガスタービン構成を示す。大気空気を圧縮し圧縮空気を生成する圧縮機１，圧縮空気と燃料とを混合燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器２，燃焼ガスにより回転駆動する高圧タービン３，高圧タービン３から排出された排出ガスにより回転駆動する低圧タービン５、そして駆動しようとする機械６すなわち負荷である。圧縮機１のロータと高圧タービン３のロータとは第一の回転軸である回転軸７により接続されており、ガスジェネレータ９を形成する。また、低圧タービン５のロータは駆動する機械６と第二の回転軸である回転軸８で接続されており、ガスジェネレータ９で発生したエネルギーにより低圧タービン５を回転駆動し、同時に機械６を駆動する。高圧タービン３のロータと低圧タービン５のロータとが分離構造であるため、低圧タービン５の回転数はガスジェネレータ９の回転数とは独立に運転することが可能である。そのため、機械６の負荷に応じて運用範囲内で回転数を選ぶことができる。これに対し、ガスジェネレータ側は、圧縮機１のサージ及び圧縮機翼の振動回避等の問題があり、起動及び停止時を除き一定回転数で運転することが望ましい。
【００１５】
図３には、本実施例の高圧タービン３及び低圧タービン５の要部断面図を示す。本実施例では、高圧タービンを２段、低圧タービンを２段とした場合について説明する。１１が第１段静翼、１２が第１段動翼、１３が第２段静翼、１４が第２段動翼、１５が第３段静翼、１６が第３段動翼、１７が第４段静翼、１８が第４段動翼、１９が第１段ホイール、２０が第２段ホイール、２１が第１段ホイールと第２段ホイールのスペーサ、２２が第３段ホイール、２３が第４段ホイール、２４が第３段ホイールと第４段ホイールのスペーサである。第１段動翼１２はホイール１９に、また第２段動翼１４はホイール２０にそれぞれ固定される。そして、シャフト２５と第１段ホイール１９とスペーサ２１と第２段ホイール２０はスタッキングボルト孔３０により一体に固定されるとともに、高圧タービン側の回転体すなわちロータ９０を形成している。一方、第３段動翼１６はホイール２２に、また第４段動翼１８はホイール２３にそれぞれ固定される。そして、第３段ホイール２２とスペーサ２４と第４段ホイール２３とスタブシャフト２７とはスタッキングボルト孔
３１により一体に固定され、低圧タービン側の回転体すなわちロータ９１を形成している。また、高圧タービンのロータ９０と低圧タービンのロータ９１との間には、隔壁３２が配置され、燃焼ガスがバイパスしないように高圧タービン３と低圧タービン５とを分離している。
【００１６】
ここで、この種の二軸式ガスタービンの特徴として、第３段静翼１５は隔壁３２の上流と下流の差圧による荷重５０を受け持つ。そのため、同出力における一軸式ガスタービンの第３段静翼に比べて第３段静翼１５は大型化されている。なお、本実施例では、高圧タービン３の燃焼器２側を上流側とし、燃焼ガスが低圧タービン５に流れる方向を下流側とする。また、高性能化による燃焼温度の上昇により第３段動翼１６入口の燃焼ガス温度は、二軸式ガスタービンであっても従来の機種より高くなっている。しかし、二軸式ガスタービンの低圧タービン翼は、一般に運用性の面から無冷却の設計としており、低圧タービン動翼の強度の限界内で燃焼温度を高温化している。また、翼材の強度は温度が上昇するにつれて下がるため、翼部の遠心応力が許容値を越える場合には、低圧タービン５の定格回転数を高圧タービン３の定格回転数よりも低下させる必要がある。すなわち低圧タービンの遠心応力を低下させるように設計する。図９に示すように、低圧タービン５の定格回転数を高圧タービン３の定格回転数よりも低下させると、第２段動翼１４と第３段動翼
１５の周方向速度をあわせる必要がある。そのため、低圧タービン入口５５は高圧タービン出口５４よりも半径方向外側への配置となり、高圧タービン３のガスパスと低圧タービン５のガスパスは直接接続できない。したがって、中間ダクト５６等を配置して接続する必要があった。
【００１７】
図１に本実施例における低圧タービン５の要部断面図を示す。本実施例では、低圧タービン５の動翼１６及び１８を無冷却とした場合である。隔壁３２には、第３段静翼ダイヤフラム３５側よりロータ回転中心方向に伸びる冷却流路６０が形成されている。低圧タービンのロータ内部に冷却空気を導く手段である冷却流路６０を隔壁３２に設けることで、低圧タービンロータを冷却可能である。なお、本実施例では低圧タービンを冷却する冷却媒体として空気を用いている。第３段静翼１５の外周側より第３段静翼の冷却空気通路
７０を通して第３段静翼ダイヤフラム３５に導かれた冷却空気８０は、隔壁３２の冷却流路６０により第３段ホイールの中心孔３６まで導かれる。そして、冷却空気８０は第３段ホイール２２と第４段ホイール２３とに囲まれる空間４１に供給され、第３段ホイール
２２と第４段ホイール２３の側面を流れてホイールの温度ムラを小さくする。このように、低圧タービンの最上流側に設置された動翼を固定するタービンホイールを貫通して冷却空気を低圧タービンロータ内に供給する手段である中心孔３６を備えることで、ホイールの温度ムラを小さく、できるだけ均一な温度にできる。したがって、特にガスタービンの起動または停止時のホイールの熱変形を抑制でき、熱応力を低減できる。また、ホイール同士のはめあい部が外れる可能性が小さくなり、信頼性が向上する。さらに第３段ホイール２２とスペーサ２４との間と第４段ホイール２３とスペーサ２４との間にはそれぞれスリット３７及び３８が形成される。スリット３７と３８を通った冷却空気８０ａ及び８０ｂは第４段静翼１７の上流側ホイールスペース４３と下流側ホイールスペース４４のシール空気８１ａ及び８１ｂとしてガスパス中に放出し、燃焼ガス４８が浸入するのを防ぐことが可能である。
【００１８】
図４に第２段ホイール２０のＡ−Ａ断面と第３段ホイール２２のＢ−Ｂ断面を示す。高圧タービン３のロータを形成するタービンホイールである第２段ホイール２０に設けられた第一のスタッキングボルト孔３０のロータ回転中心から半径方向の距離３３ａと、低圧タービン５のロータを形成するタービンホイールに設けられた第二のスタッキングボルト孔３１のロータ回転中心から半径方向の距離３３ｂとをほぼ同一にする。このように、第一のスタッキングボルト孔３０のロータ回転中心から半径方向の距離と第二のスタッキングボルト孔３１のロータ回転中心から半径方向の距離とがほぼ同一であれば、一軸式ガスタービンに設計変更又は改造する場合に容易に２つのロータを連結することが可能である。なお、第一のスタッキングボルト孔３０のロータ回転中心から半径方向の距離３３ａと第二のスタッキングボルト孔３１のロータ回転中心から半径方向の距離３３ｂとは、本実施例の二軸式ガスタービンを一軸化する際にスタッキングボルトが両者に挿入することが可能な程度の寸法であれば構わない。
【００１９】
また、高圧タービン３のスタッキングボルト孔３０同士の周方向における配置間隔34ａと低圧タービン５のスタッキングボルト孔３１同士の周方向における配置間隔３４ｂとを等しくしている。なお、スタッキングボルト孔の配置については、半径方向位置を等しくし、周方向における配列間隔を配置間隔３４ａ又は配置間隔３４ｂどちらか一方が他方の倍数としても連結は可能である。このようにすれば、どちらか一方のホイールに設けるスタッキングボルト孔は少なくて済むため、工数を低減することが可能である。
【００２０】
このように、本実施例のガスタービンは、低圧タービン５のロータを冷却する第３段静翼の冷却空気通路７０，第３段静翼ダイヤフラム３５，隔壁３２の冷却流路６０より低圧タービン５のロータ内に冷却媒体を供給することで、燃焼ガスの温度上昇にも対応することが可能である。したがって、高圧タービン３と低圧タービン５の定格回転数をほぼ同一で設計可能としている。また、一軸式ガスタービンに変更しても翼列配置を変更する必要が無く、高圧タービン３のガスパスと低圧タービン５のガスパスとを中間ダクト等を介することなく接続することができる。
【００２１】
本実施例では、ガスタービン製造メーカが以上の構造を有した二軸式ガスタービンを事前に設計する。そして、事前に設計した二軸式ガスタービンの設計データは、ガスタービン製造メーカが保管しておく。ガスタービン製造メーカは二軸式ガスタービンの購入を希望する顧客にはこの設計データをもとにガスタービンを製造すればよい。また、一軸式ガスタービンの購入を希望する顧客には、設計データを一軸式に設計変更した設計データをもとに一軸式ガスタービンを製造する。以下に、その設計変更の方法について説明する。
【００２２】
図５は、高圧タービン３のロータと低圧タービン５のロータとを接続し、一体化とした場合の要部断面図である。第２段ホイール２０と第３段ホイール２２との間にスペーサ
２９を配置する。そして、スタッキングボルト３０ａにより、シャフト２５，第１段ホイール１９，スペーサ２１，第２段ホイール２０，スペーサ２９，第３段ホイール２２，スペーサ２４，第４段ホイール２３，スタブシャフト２７とを連結し、一体ロータ９２を形成する。一軸化により隔壁が無くなったことで、第３段静翼のダイヤフラム３５は一軸用の第３段静翼ダイヤフラム３５ｂに変更する。
【００２３】
図６は、本実施例の二軸式ガスタービンを一軸式に変更した場合の低圧タービン５の要部断面図である。スペーサ２９には、第３段静翼ダイヤフラム３５ｂ側より回転中心方向に伸びる冷却流路６０ｂが形成されている。第３段静翼１５の外周側より第３段静翼の冷却空気通路７０を通して第３段静翼ダイヤフラム３５ｂに導かれた冷却空気８０は、第３段静翼ダイヤフラムの上流側シールフィン７３ａと下流側シールフィン７３ｂとスペーサ２９とで形成されるキャビティ４６に供給される。そして、冷却空気８０はキャビティ
４６より回転体であるスペーサ２９の冷却流路６０ｂに入り、第３段ホイールの中心孔
３６まで導かれる。また、冷却空気８０は第３段ホイール２２と第４段ホイール２３とに囲まれる空間４１に供給され、第３段ホイール２２と第４段ホイール２３の側面を通ることで、ホイールの温度をできるだけ一定に保つことが可能である。さらに第３段ホイール２２とスペーサ２４との間と第４段ホイールとスペーサ２４との間にはそれぞれスリット３７及び３８が形成されており、冷却空気８０ａ及び８０ｂは第４段静翼１７の上流側ホイールスペース４３と下流側ホイールスペース４４のシール空気８１ａ及び８１ｂとして使用され、燃焼ガスが浸入するのを防ぐことが可能である。
【００２４】
一軸化した場合、第３段静翼１５が支えていた隔壁がなくなる。そのため、第３段静翼１５は隔壁荷重を受けなくなるために強度に余裕が生じ、翼材の許容範囲内において燃焼ガス温度を上昇させることが可能である。また、一軸化することで更にガスタービンの燃焼温度を上昇させたい場合、内部に冷却流路７５を形成した第３段動翼１６に変更すればよい。そして、第３段動翼１６に冷却空気を供給できるように冷却空気流通孔７６を第３段ホイール２２に形成し、ホイールスペース４３のシール空気の一部である冷却空気80ｃを第３段動翼１６に導いて第３段動翼１６を冷却する。このように、二軸式ガスタービンを一軸化することで更に燃焼温度を上昇させたいときでも、第３段動翼１６と第３段ホイール２２の変更に留めることが可能である。そして、第３段動翼１６のメタル温度を下げて強度を確保し、ガスタービンの更なる燃焼温度上昇に対応することが可能となる。
【００２５】
本実施例では、第３段静翼ダイヤフラム３５ｂとスペーサ２９とで形成されるキャビティ４６を形成するために、第３段静翼ダイヤフラムにシールフィン７３ａ及び７３ｂを設置した。しかし、シールフィンはスペーサ２９側に設けてもよく、特に制限をうけるものではない。また、ハニカムとシールフィンの組合せ、またはブラシシール等のシール手段を使用することによってより確実なシールをすれば、キャビティ４６から他へのリークを低減することが可能になる。また、スペーサ２９の冷却流路６０ｂより確実に第３段ホイール２２と第４段ホイール２３とに囲まれる空間４１へ冷却空気を送ることができ、信頼性向上及びリークによる性能低下を防止することができる。
【００２６】
以上のように、二軸式ガスタービンを本実施例のように設計しておくことで燃焼温度がほとんど上昇しない場合には、隔壁３２，第３段静翼ダイヤフラム３５，スタッキングボルト孔３０，３１を変更するだけで済む。また、一軸化により燃焼温度を上昇させたい場合でも、更に第３段ホイール２２と第３段動翼１６を設計変更するだけで済むため、一軸式ガスタービンに容易に変更することが可能となる。一般にタービン翼は精密鋳造で製作されるため、金型代が高く、同じような体格あるいは構造の翼であっても別のものを製作すると大幅なコスト上昇となる。したがって、設計変更する翼を必要最小限にすることで、大幅なコスト低減が可能である。また、ガスタービン自体の需要が減少した場合でも、部品を共用化することができれば、タービン翼の在庫管理の面でも有利となる。
【００２７】
前述のように、天然ガスパイプライン等での圧縮機あるいはポンプ等の機械駆動用として用いられる場合には低圧タービンの回転数を可変にできる二軸式ガスタービンが好まれ、発電用として用いられる場合には回転数変動の小さい一軸式ガスタービンが好まれる。本実施例を用いれば、ガスタービン製造メーカは同じ機種にて、顧客のニーズに合せて二軸式か一軸式のガスタービンを製作することが可能となる。また、二軸式ガスタービンの場合は、駆動する機械の仕様により出力帯は４０ＭＷ以下クラスの中小型が好まれる傾向にあるが、発電用として使用する場合は、同じ体格のガスタービンでは出力が大きい方が、据付スペースが小さくて済むため好まれる。本実施例を用いれば、一軸化して出力増加またはコンバインド効率向上が必要な場合には、第３段動翼を冷却することで、燃焼温度の上昇が可能となり、出力増加をまたはコンバインド効率向上を図ることが可能となる。
【００２８】
次に、ガスタービン製造メーカが顧客に納入した上記構造の二軸式ガスタービンを一軸式ガスタービンに改造する場合を説明する。例えば、顧客が所有している二軸式ガスタービンを発電用に転用する場合、ガスタービン製造メーカはスペーサ２９，第３段静翼ダイヤフラム３５ｂ，スタッキングボルト３０ａを用意し、二軸式ガスタービン内の部品と交換すればよい。即ち、高圧タービンロータと低圧タービンロータに挿入されたスタッキングボルトと、高圧タービンロータと低圧タービンロータを分離する隔壁を取り除き、スペーサ２９，第３段静翼ダイヤフラム３５ｂを取り付ける。そして、１軸用のスタッキングボルト３０ａを高圧タービンロータと低圧タービンロータのスタッキングボルトに挿入すればよい。したがって、一軸式ガスタービンを最初から設計する場合に比べ、ガスタービン製造メーカにとっては製造コストを大幅に低減することが可能である。また、顧客にとっても一軸式ガスタービンを購入しなおす必要がないためコストを抑えることができるとともに、部品交換で済むため短時間で一軸式ガスタービンを得ることが可能である。さらに、既に稼動中のガスタービンを改造するので、改造個所以外の部品は運転実績を積み上げており、実績ベースの改造となる。そのため、信頼性が向上するという効果もある。
【００２９】
なお、本実施例は二軸式ガスタービンが高圧タービン２段，低圧タービン２段で構成されている場合に限らず、高圧タービン１段，低圧タービン２段とした場合でも効果に変わりは無く、高圧タービンと低圧タービンの段数に特に制限をうけるものではない。
【実施例２】
【００３０】
図７には、一軸式ガスタービンに変更する場合の変形例を示す。第２段ホイール２０と第３段ホイール２２との間にスペーサ２９ｂを配置する。そしてスタッキングボルト30ａにより、シャフト２５，第１段ホイール１９，スペーサ２１，第２段ホイール２０，スペーサ２９ｂ，第３段ホイール２２，スペーサ２４，第４段ホイール２３，スタブシャフト２７とを連結させ、一体ロータ９２ｂを形成する。本実施例ではスペーサ２９ｂを中空断面形状とする。また、第３段静翼ダイヤフラム３５ｂ側より第３段ホイール２２とスペーサ２９ｂで形成されるキャビティ７８に通じる冷却流路６０ｃが形成され、さらに第３段ホイール２２とスペーサ２９ｂとの間にはスリット３９が形成されている。冷却空気８０は第３段静翼１５の外周側より第３段静翼１５の冷却空気通路７０を通して第３段静翼ダイヤフラム３５ｂに導かれる。そして、冷却空気８０はスペーサ２９と第３段静翼ダイヤフラム３５ｂの上流側シールフィン７３ａと下流側シールフィン７３ｂとで形成されるキャビティ４６に供給され、キャビティ４６より回転体であるスペーサ２９の冷却流路60ｃに流れる。冷却空気８０はキャビティ７８とスリット３９を通り、第３段ホイールの中心孔３６まで導かれる。中心孔３６を通った冷却空気は、第３段ホイール２２と第４段ホイール２３とに囲まれる空間４１に供給され、第３段ホイール２２と第４段ホイール２３の側面を通り、ホイールの温度をできるだけ一定に保つ。
【００３１】
本実施例のように構成しても、二軸式ガスタービンを一軸式に容易に変更することが可能となり、翼部品の共用化を図れる。また、一軸化して出力増加が必要な場合には、第３段動翼１６の内部に冷却流路７５を形成するとともに、第３段動翼１６に冷却空気が供給できるように第３段ホイール２２に冷却空気流通孔７６を形成する。そして、ホイールスペースのシール空気の一部である冷却空気８０ｃを導いて第３段動翼１６を冷却することで、メタル温度を下げて強度を確保し、燃焼温度の上昇が可能となり、出力増加を図ることが可能となる。
【実施例３】
【００３２】
図８には、一軸式ガスタービンに変更する場合の変形例を示す。第２段ホイール２０と第３段ホイール２２との間にスペーサ２９ｂを配置する。そして、スタッキングボルト
３０ａにより、シャフト２５，第１段ホイール１９，スペーサ２１，第２段ホイール２０，スペーサ２９ｂ，第３段ホイール２２，スペーサ２４，第４段ホイール２３，スタブシャフト２７とを連結させ、一体ロータ９２ｂを形成する。スペーサ２９ｂは中空断面形状とし、第３段静翼ダイヤフラム３５ｂ側より第３段ホイール２２とスペーサ２９ｂとで形成されるキャビティ７８に通ずる冷却流路６０ｃが形成されている。一方、第３段動翼
１６の内部に冷却流路７５を形成し、キャビティ７８から第３段動翼１６に冷却空気80ｄが供給できるように第３段ホイール２２に冷却空気流通孔７６ｂを形成する。冷却空気
８０ｄが第３段動翼１６を冷却するように構成することで、メタル温度を下げて強度を確保し、燃焼温度の上昇が可能となり、出力増加を図ることが可能となる。本実施例では、第３段ホイール２２と第４段ホイール２３の中心部に空気を通さないので、ホイールの温度ムラは大きくなる傾向にあるが、第３段ホイール２２の中心孔を無くすことで、第３段ホイール中心孔部に発生していた応力を低減、さらには製作コストを削減することが可能となる。また、２つの回転軸を分離する隔壁を支える静翼内部に冷却媒体の供給手段である冷却流路７５を備えることで、本実施例のように低圧タービンロータの中心側を冷却しない場合でも、冷却流路７５を流れる冷却空気を直接第３段動翼１６に供給することが可能である。そのため、燃焼温度の高温化に対応可能である。
【００３３】
以上のように、高性能化により燃焼温度を上げた二軸式ガスタービンを開発し、用途に応じて容易に一軸式ガスタービンに変更することが可能となり、また二軸式ガスタービンと一軸式ガスタービンにおいて翼部品共用化が可能で、一つの機種をベースに色々なラインナップを作ることが可能で、ガスタービン生産において有利な展開が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ガスタービンの低圧タービン要部断面図である。
【図２】ガスタービンの構成図である。
【図３】二軸式ガスタービンのタービン部断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂに沿う断面図である。
【図５】二軸式ガスタービンを一軸化した場合のタービン部断面図である。
【図６】二軸式ガスタービンを一軸化した場合の低圧タービン要部断面図である。
【図７】二軸式ガスタービンを一軸化した場合の変形例を示すタービン部断面図である。
【図８】二軸式ガスタービンを一軸化した場合の別の変形例を示す低圧タービン要部断面図である。
【図９】二軸式ガスタービンのタービン部断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…高圧タービン、５…低圧タービン、６…機械、７，８…回転軸、９…ガスジェネレータ、１１…第１段静翼、１２…第１段動翼、１３…第２段静翼、１４…第２段動翼、１５…第３段静翼、１６…第３段動翼、１７…第４段静翼、１８…第４段動翼、１９…第１段ホイール、２０…第２段ホイール、２１，２４，２９…スペーサ、２２…第３段ホイール、２３…第４段ホイール、２５…シャフト、２７…スタブシャフト、３０,３１…スタッキングボルト孔、３２…隔壁、３３ａ,３３ｂ…距離、３４ａ，３４ｂ…配置間隔、３５…第３段静翼ダイヤフラム、３６…中心孔、３７，３８，３９…スリット、４１…空間、４３…上流側ホイールスペース、４４…下流側ホイールスペース、４６，７８…キャビティ、４８…燃焼ガス、５０…荷重、５４…高圧タービン出口、５５…低圧タービン入口、６０，６０ｂ，６０ｃ，７５…冷却流路、７０…冷却空気通路、７３ａ，７３ｂ…シールフィン、７６，７６ｂ…冷却空気流通孔、８０,８０ａ,８０ｂ，８０ｃ…冷却空気、８１ａ，８１ｂ…シール空気、９０，９１…ロータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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