(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン側ロータと圧縮機側ロータとそれらを連結する中間軸を備え、タービン動翼を冷媒を用いて冷却して、その冷媒を回収し、前記回収冷媒を回収する為の回収孔をタービン側ロータ、中間軸内に有し、該中間軸に該回収孔の出口が存在し、該回収孔の出口よりタービン側にタービン側ロータと中間軸を連結するタービンスタッキングボルトを備え、該回収孔出口より圧縮機側に圧縮機側ロータと中間軸を連結する圧縮機スタッキングボルトを備え、前記タービンスタッキングボルトは前記タービン側ロータと前記中間軸との接触面において前記回収孔より外周側に設置されたガスタービンにおいて、該回収孔出口より、圧縮機側およびタービン側に、該回収冷媒が前記タービンスタッキングボルト端部および前記圧縮機スタッキングボルト端部に漏れにくくするようなシール構造を設け、該シール構造部分に冷却空気を流すことを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
タービン側ロータと圧縮機側ロータとそれらを連結する中間軸を備え、タービン動翼を冷媒を用いて冷却して、その冷媒を回収し、前記回収冷媒を回収する為の回収孔をタービン側ロータ、中間軸内に有し、該中間軸に該回収孔の出口が存在し、該回収孔出口よりタービン側にタービン側ロータと中間軸を連結するタービンスタッキングボルトを備え、該回収孔出口より圧縮機側に圧縮機側ロータと中間軸を連結する圧縮機スタッキングボルトを備え、前記タービンスタッキングボルトは前記タービン側ロータと前記中間軸との接触面において前記回収孔より外周側に設置されたガスタービンにおいて、該回収孔出口とタービンスタッキングボルトの間および該回収孔出口と圧縮機スタッキングボルトの間に、該回収冷媒が前記タービンスタッキングボルト端部および前記圧縮機スタッキングボルト端部に漏れないようなシール構造を設け、該シール構造部分に冷却空気を流すことを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、前記中間軸に環状の突出部を外周側に設け、該突出部は中間軸の回収孔出口とタービンスタッキングボルト端部の間にあり、該突出部に前記回収孔から流出する冷媒をシールするシール部材を設け、該タービンスタッキングボルト端部に前記回収冷媒が接触しないようにすることを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
中間軸のシール部に流す冷却空気として、圧縮機内の圧縮空気を取り出して使用することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンのロータ構造に関する。特にタービン動翼を冷却した冷媒を回収する構造を持つガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼温度は、効率向上のために年々高くなる傾向にあり、燃焼器で燃焼した後、そのエネルギを回収するタービン動翼部分は特に高い温度にさらされる。このため通常は圧縮機の中の圧縮空気やコンバインドサイクルの場合は蒸気タービン部の蒸気などを冷媒として用いてタービン動翼部分を冷却することが考えられる。この時、冷却に用いる冷媒は、タービン動翼冷却後は高温となる。この高温となった冷媒を効率向上のために回収する構造を持つものを閉回路冷却構造という。
【０００３】
圧縮機部とタービン部を結合する部分には中間軸が配置されている。中間軸はガスパス上流側の圧縮機中間軸とガスパス下流側のタービン中間軸を軸方向に積み重ねてそれらを連結ボルトで締め付けることによって構成されている。そして、タービン側ロータとタービン中間軸に貫通するようなボルトを通してこのボルトを締め付けることによってタービン側ロータと結合されており、圧縮機側ロータと圧縮機中間軸に貫通するようなボルトを通してこのボルトを締め付けることによって圧縮機側ロータとも結合されている。タービン動翼を冷却した冷媒を回収する閉回路冷却構造を持つガスタービンにおいて、回収冷媒を燃焼器入口に流す構造を持つガスタービンは、タービン中間軸にタービン動翼を冷却した冷媒を回収する回収孔の出口が存在する。
【０００４】
特願平10−216824号に記載のガスタービンは、タービン中間軸にタービン動翼を冷却した冷媒を回収する回収孔の出口が存在しており、タービン動翼を冷却した後の回収冷媒は前記回収孔出口から流出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特願平10−216824号に記載のガスタービンは、中間軸にタービン動翼を冷却した冷媒を回収する回収孔の出口が有り、該回収孔出口から流出する冷媒が直接タービンスタッキングボルト端部に接触する。ここで、タービン動翼を冷却した後の回収冷媒は高温となっているため、タービンスタッキングボルト端部周辺の部材が高温となり、タービンスタッキングボルトの締付力によってクリープ変形を生じ易くなる。中間軸のタービンスタッキングボルト周辺にクリープ変形が生じると、その部分が締付力によって縮むように変形する為、タービンスタッキングボルトの締付力が弱くなり、タービン側ロータの剛性が低下する。
【０００６】
又、中間軸と圧縮機ロータを結合している圧縮機スタッキングボルト端部にも、前記回収孔出口から流出する冷媒が直接接触するため、圧縮機スタッキングボルト周辺の部材も高温となり、圧縮機スタッキングボルトの締付力によってクリープ変形を生じ易くなる。中間軸の圧縮機スタッキングボルト周辺にクリープ変形が生じると、その部分が締付力によって縮むように変形する為、圧縮機スタッキングボルトの締付力が弱くなり、圧縮機側ロータの剛性が低下する。又、中間軸は、圧縮機中間軸とタービン中間軸を軸方向に積み重ねてそれらに貫通する連結ボルトを通して連結ボルトを締め付けることによって構成されているが、連結ボルト周辺にも前記回収孔出口から流出した回収冷媒が直接接触する。このため連結ボルト周辺の部材も高温となり、クリープ変形を生じ易くなる。連結ボルト周辺にクリープ変形が生じると、締付力によって縮むように変形する為、連結ボルトの締付力が低下して、中間軸の剛性が低下する。通常、ロータの曲げ１次危険速度はガスタービンの運転時の回転数よりも高くなければならないため、ロータの曲げ１次危険速度は高くなるように設計する。しかし、ロータの剛性が低下することによって、ロータの曲げ１次危険速度は低下して、軸振動が発生し易くなり、ロータの信頼性が低下すると言う課題があった。
【０００７】
更に、特願平10−216824号に記載のガスタービンでは、前記回収孔出口から流出する冷媒が、タービン動翼とホイールの連結部であるダブティル部にも接触するため、ダブティル部のメタル温度が上昇する。ダブティル部のメタル温度が上昇すると、ダブティル部を構成する部材の強度が低下する。ここで、ダブティル部にはタービン動翼の遠心力が作用する為、大きな応力が発生しており、ダブティル部を構成する部材の強度が低下するとダブティル部が破壊する可能性が高くなり、ダブティル部の信頼性が低下すると言う課題が有った。
【０００８】
本発明の目的は、タービンスタッキングボルト端部周辺および圧縮機スタッキングボルト端部周辺のメタル温度が上昇するのを抑制し、タービンロータおよび圧縮機ロータの剛性低下を抑制することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスタービンは、タービン側ロータと圧縮機側ロータとそれらを連結する中間軸を備え、タービン動翼を冷媒を用いて冷却して、その冷媒を回収し、前記回収冷媒を回収する為の回収孔をタービン側ロータ、中間軸内に有し、該中間軸に該回収孔の出口が存在し、該回収孔の出口よりガスパス下流側にタービン側ロータと中間軸を連結するタービンスタッキングボルトを備え、該回収孔出口よりガスパス上流側に圧縮機側ロータと中間軸を連結する圧縮機スタッキングボルトを備え、前記タービンスタッキングボルトは前記タービン側ロータと前記中間軸との接触面において前記回収孔より外周側に設置されたガスタービンにおいて、該回収孔出口より、ガスパス上流側およびガスパス下流側に、該回収冷媒が前記タービンスタッキングボルト端部および前記圧縮機スタッキングボルト端部に漏れにくくするようなシール構造を設け、該シール構造部分に冷却空気を流すことを特徴とする。
【００１０】
或いは、本発明のガスタービンは、タービン側ロータと圧縮機側ロータとそれらを連結する中間軸を備え、タービン動翼を冷媒を用いて冷却して、その冷媒を回収し、前記回収冷媒を回収する為の回収孔をタービン側ロータ、中間軸内に有し、該中間軸に該回収孔の出口が存在し、該回収孔出口よりガスパス下流側にタービン側ロータと中間軸を連結するタービンスタッキングボルトを備え、該回収孔出口よりガスパス上流側に圧縮機側ロータと中間軸を連結する圧縮機スタッキングボルトを備え、前記タービンスタッキングボルトは前記タービン側ロータと前記中間軸との接触面において前記回収孔より外周側に設置されたガスタービンにおいて、該回収孔出口とタービンスタッキングボルトの間および該回収孔出口と圧縮機スタッキングボルトの間に、該回収冷媒が前記タービンスタッキングボルト端部および前記圧縮機スタッキングボルト端部に漏れないようなシール構造を設け、該シール構造部分に冷却空気を流すことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
タービン側ロータと圧縮機側ロータの間にタービン中間軸と圧縮機中間軸を備え、タービン動翼を冷媒を用いて冷却して、その冷媒を回収し、回収冷媒を回収する為の回収孔をタービン側ロータ、タービン中間軸内に有し、タービン中間軸に回収孔の出口が存在し、回収孔出口よりガスパス下流側にタービン側ロータとタービン中間軸を連結するタービンスタッキングボルトを備え、該回収孔出口よりガスパス上流側に圧縮機側ロータと圧縮機中間軸を連結する圧縮機スタッキングボルトと圧縮機中間軸とタービン中間軸を連結する連結ボルトを備えるガスタービンにおいて、回収孔出口よりもガスパス下流側のタービン中間軸表面に冷却空気を流し、回収孔出口よりもガスパス下流側のガス温度を下げることによって、回収孔出口よりも下流側にあるタービンスタッキングボルト端部周辺のメタル温度及びダブティル部のメタル温度を下げ、又、回収孔出口よりもガスパス上流側のタービン中間軸表面に冷却空気を流し、回収孔出口よりも上流側のガス温度を下げることによって、回収孔出口よりも上流側にある連結ボルト周辺と圧縮機スタッキングボルト端部周辺のメタル温度を下げている。
【００１３】
更に、タービン中間軸の回収孔出口とタービンスタッキングボルト端部の間に、中間軸の回収孔出口から流出する高温の回収冷媒が、タービンスタッキングボルト端部に漏れにくくするようなシール構造を設け、シール構造部分に冷却空気を流して、タービンスタッキングボルト周辺のガス温度上昇を抑制し、タービンスタッキングボルト端部周辺のメタル温度とダブティル部のメタル温度を下げている。又タービン中間軸の回収孔出口と連結ボルトの間に、タービン中間軸の回収孔出口から流出する高温の回収冷媒が連結ボルトと圧縮機スタッキングボルト端部に漏れにくくするようなシール構造を設け、このシール構造部分に冷却空気を流して、連結ボルトと圧縮機スタッキングボルト周辺のガス温度上昇を抑制し、連結ボルトと圧縮機スタッキングボルト周辺のメタル温度を下げている。冷却空気として、圧縮機内の圧縮空気を取り出して用いており、前記圧縮空気の温度が回収冷媒よりも高い時や冷却効果を増大させたい時は、タービン中間軸に送る前に冷却して圧縮空気の温度を下げ、前記圧縮空気の圧力が低い時は、逆流を防ぐ為、圧縮空気の圧力を昇圧機を用いて高くして用いる。
【００１４】
更に、シール構造の下にタービンスタッキングボルト孔やタービンスタッキングボルト孔のざぐり面が存在しない構造として、シール部の強度を確保し、運転時のシール部の変形量を小さくすることで、シール部の間隙を小さくして、シール性能を向上させている。
【００１５】
図７はガスタービンの全体図であり、１０１が圧縮機、１０２が燃焼器及び  １０３がタービンである。ガスタービンとは圧縮機で空気を圧縮してその圧縮空気を燃焼器へ導き、そこで燃料と混合して燃焼させ、そのエネルギをタービンで回収するものである。運転時には、燃焼器では常に作動流体の燃焼が行われており、圧縮機およびタービンは中心線１０４を中心として高速で回転している。又、１０９はタービン側ロータと圧縮機側ロータと各々連結されている中間軸であり、タービン側ロータとは、タービンスタッキングボルト１０７で連結されており、圧縮機側ロータとは圧縮機スタッキングボルト１０８で連結されている。
【００１６】
図４は、本発明におけるガスタービンの冷却空気の系統図である。６１は圧縮機、６２は燃焼器、６３はタービンである。矢印６６は圧縮機から抽気された圧縮空気が流れる経路であり、矢印７１，６９方向へ分岐する。ここで、矢印７１はタービン動翼を冷却するための経路であり、矢印６９は中間軸へ圧縮空気を冷却空気として供給するための経路である。圧縮機から取り出した圧縮空気は高温である為、タービン動翼を冷却する為、プリクーラ６７で冷却されている。又、タービン動翼冷却に充分な圧力を与える為、昇圧機６８で圧力を上昇させている。矢印７１のタービン動翼を冷却した圧縮空気は、中間軸６４へ回収された後、矢印７２を通って燃焼器へ回収される。しかし、中間軸に回収された圧縮空気  （回収冷媒）は矢印７３，７４方向の圧縮側ロータ、タービン側ロータへ漏れを生じる。ここで、タービン動翼を冷却した後の回収冷媒は高温となっており、  ７３，７４方向へ漏れを生じると、圧縮機側ロータ，タービン側ロータのメタル温度が上昇してクリープ変形を生じ易くなる為、矢印６９の圧縮空気を冷却空気として中間軸へ供給して矢印７３，７４と混合させて矢印７３，７４の回収冷媒を減温させている。
【００１７】
図１は、本発明におけるガスタービンの中間軸周辺の断面図である。
【００１８】
１は外周側に１段タービン動翼１０を備える１段ホイールであり、２は１段ホイール１と隣接する１段スペーサであり、７はタービン中間軸であり、３はホイールとスペーサとタービン中間軸に貫通するように通されているタービンスタッキングボルトである。タービンロータは、ホイールとスペーサとタービン中間軸をタービンスタッキングボルトで締め付けて固定することによって形成されている。５は、タービンスタッキングボルト端部である。ここで、本発明におけるボルトとはナットを包含した意味で用いている。このため５はナットである場合を含んでいる。又、４３は圧縮機動翼であり４２は圧縮機静翼であり、４４は外周側に圧縮機動翼４３を備える圧縮機ホイールであり、４５は圧縮機中間軸である。４１は圧縮機ホイールと圧縮機中間軸に貫通するように通されている圧縮機スタッキングボルトである。圧縮機ロータは圧縮機ホイールと圧縮機中間軸を圧縮機スタッキングボルトで締め付けて固定することによって形成されている。１２はタービン中軸間７と圧縮機中間軸４５を連結する連結ボルトである。又、４１は圧縮機スタッキングボルト端部である。４は１段タービン動翼１０を冷却した後の冷媒を回収する回収孔であり、８は１段タービン動翼１０を冷却する冷媒を供給する供給孔である。ここでは１段タービン動翼を冷却する為の冷媒として、図４の矢印７１の圧縮空気を用いている。
【００１９】
図２は、１段ホイールの断面図であり、５３はタービンスタッキングボルト孔、５４は回収孔、５５は供給孔である。回収孔と供給孔は図２に示すように周方向に位相をずらして設けられている。
【００２０】
１段タービン動翼１０を冷却する冷媒は、供給孔８から矢印９の方向に流れて、矢印１１方向へ流れて１段タービン動翼１０を冷却し、矢印１３の方向に回収孔１５へ流れ、前記中間軸の回収孔出口へ矢印１６の方向へ流出する。ここで、１段タービン動翼１０を冷却した回収冷媒は高温となっている。その後、回収冷媒は圧縮機によって圧縮された圧縮空気１４と合流して矢印１７の方向へ流れ、燃焼器へ回収される。ここで、矢印１４の上流側（圧縮機側）がガスパス上流側であり、矢印１４の下流側（タービン側）がガスパス下流側である。
【００２１】
図３は、中間軸７のＡ−Ａ断面である。５１はタービンスタッキングボルト孔であり、５２は図１における回収孔１５である。図３に示すように、タービンスタッキングボルト孔５１と回収孔５２は周方向に位相をずらして配置している。図１の２０は回収孔４から流出した高温回収冷媒が矢印２２方向へ漏れない様にシールをするラビリンスであり、２１は高温回収冷媒が矢印２３方向へ漏れない様にシールをするラビリンスである。ここで、中間軸７は運転時には高速で回転する部材であるが、ラビリンス２０，２１が固定されている２５，２６は静止部材である為、ラビリンス２０，２１の静止側部材と中間軸側部材は間隙を有するように設けられている。このため、ラビリンス２０，２１では矢印２２，２３方向への高温回収冷媒の漏れを完全に防止することはできない。そこで、矢印  ３０，３１方向に冷却空気を流して、高温回収冷媒が矢印２２，２３方向に漏れないようにしている。ここでは矢印３０，３１に用いる冷却空気として、図４の矢印６９の圧縮空気を用いている。又、前記圧縮空気の温度が回収冷媒よりも高い時や冷却空気による冷却効果を増大させたい時は、図５のように中間軸に圧縮空気を送る前にプリクーラ６７で冷却して圧縮空気の温度を下げることが考えられる。又、前記圧縮空気の圧力が回収冷媒よりも低い時は、逆流を防ぐ為、図６のように圧縮空気の圧力を昇圧機６８を用いて高くすることが考えられる。
【００２２】
本実施例では、ラビリンス２０及び冷却空気３０が高温回収冷媒が流出する冷媒回収孔出口とタービンスタッキングボルト端部５の間に有る為、高温空気が冷却空気により減温され、タービンスタッキングボルト端部５に高温回収冷媒が接触しない構造となっている。このため、タービンスタッキングボルト端部周辺のメタル温度が上昇するのを抑制でき、タービンスタッキングボルトの締付力によってクリープ変形が生じるのを抑制できる。その結果、タービンスタッキングボルトの締付力の低下が抑制でき、タービンロータの剛性低下を抑制できる。又、ラビリンス２１及び冷却空気３１が、高温回収冷媒が流出する回収孔出口と連結ボルト端部１２の間に有る為、高温空気が冷却空気により減温され、連結ボルト端部及び連結ボルトよりガスパス上流側にある圧縮機スタッキングボルト端部に高温回収冷媒が接触しない構造となっているため、連結ボルト端部及び圧縮機スタッキングボルト端部周辺のメタル温度の上昇を抑制できる。メタル温度が低ければ、クリープ変形が起こりにくい為、連結ボルト端部及び圧縮機スタッキングボルト端部周辺の中間軸が連結ボルト及び圧縮機スタッキングボルトの締付力によって縮むように変形する事を抑制でき、連結ボルト及び圧縮機スタッキングボルトの締付力が低下する事を抑制できる。このため、中間軸及び圧縮機ロータの剛性低下が抑制され、ロータの曲げ１次危険速度が低下するのを抑制でき、ガスタービンの信頼性が向上する。又、タービンスタッキングボルト端部と回収孔出口の間にシール構造がある為、タービンスタッキングボルト端部よりも更にガスパス下流側にある、タービン動翼とホイールの連結部であるダブティル部４６にも高温の回収冷媒が接触しない構造となっている。このためダブティル部のメタル温度上昇を抑制でき、ダブティルを構成する部材の強度の低下を抑制できるため、ダブティル部の信頼性が向上する。又、ラビリンス２０の下にタービンスタッキングボルト孔やタービンスタッキングボルト孔のざぐり面が存在しない為、ラビリンス部の強度が確保され、運転時の遠心力によるラビリンス部の変形量を小さくすることができる。このため、ラビリンス部の間隙を小さくすることができ、シール性能が向上する。
【００２３】
本実施例によれば、シール構造及び冷却空気が、高温回収冷媒が流出する冷媒回収孔出口とタービンスタッキングボルト端部の間に有る為、高温空気が冷却空気により減温され、タービンスタッキングボルト端部に高温回収冷媒が接触しない構造となっている。このため、タービンスタッキングボルト端部周辺のメタル温度が上昇するのを抑制でき、タービンスタッキングボルトの締付力によってクリープ変形が生じるのを抑制できる。その結果、タービンスタッキングボルトの締付力の低下が抑制でき、タービンロータの剛性低下を抑制できる。又、シール構造及び冷却空気が、高温回収冷媒が流出する回収孔出口と連結ボルト端部の間に有る為、高温空気が冷却空気により減温され、連結ボルト端部及び連結ボルトよりガスパス上流側にある圧縮機スタッキングボルト端部に高温回収冷媒が接触しない構造となっているため、中間軸及び圧縮機ロータの剛性低下も抑制できる。このため、ロータの曲げ１次危険速度が低下するのを抑制でき、ガスタービンの信頼性が向上する。又、タービンスタッキングボルト端部と回収孔出口の間にシール構造がある為、タービンスタッキングボルト端部よりも更にガスパス下流側にある、タービン動翼とホイールの連結部であるダブティル部にも高温の回収冷媒が接触しない構造となっている。このためダブティル部のメタル温度上昇を抑制でき、ダブティル部を構成する部材の強度の低下を抑制できるため、ダブティル部の信頼性が向上する。又、シール部の下にタービンスタッキングボルト孔やタービンスタッキングボルト孔のざぐり面が存在しない為、シール部の強度が確保され、運転時の遠心力によるシール部の変形量を小さくすることができる。このため、シール部の間隙を小さくすることができ、シール性能が向上する。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によると、タービンスタッキングボルト端部周辺および圧縮機スタッキングボルト端部周辺のメタル温度が上昇するのを抑制し、タービンロータおよび圧縮機ロータの剛性低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるタービンロータの実施例の断面図。
【図２】図１で示した１段ホイールの断面図。
【図３】図１で示した中間軸のＡ−Ａ断面図。
【図４】本発明の一実施例であるガスタービンの冷却空気の系統図。
【図５】本発明の一実施例であるガスタービンの冷却空気の系統図。
【図６】本発明の一実施例であるガスタービンの冷却空気の系統図。
【図７】本発明の一実施例であるガスタービンの全体図。
【符号の説明】
１…１段ホイール、２…２段ホイール、５…タービンスタッキングボルト端部、７…中間軸、２０，２１…ラビリンス。
【図１】
0003975609.tif 000002
【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】
0003975609.tif 000008