(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に並置された複数のディスクをスリーブによりキャビティ位置で同キャビティを経て軸方向に連通して形成される流体通路をディスクの周方向に間隔をおいて複数設けて同流体通路の或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、ロータの排気側端部に二重管を配設し、排気側ディスクの排気側端部に設けた冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔と回収を受け持つラジアル孔を介して前記二重管の一方の管路を前記流体通路の或るものに、同二重管の他方の管路を前記流体通路の他のものに連通し、連通された一方の通路を冷却媒体の供給通路とし、連通された他方の通路を同冷却媒体の回収通路としたことを特徴とするガスタービンの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディスクおよびブレードの冷却に供する冷却媒体を移送するための流体通路を組入れたガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービンに於ける冷却構造は、タービンディスクに冷却構造としての孔を設けるようなことはなく、圧縮機出口または車室外部から冷却空気をタービンの第１ディスク上流側に導入し、これに続く各ディスクに冷却空気の通路孔を設け、この孔を通して冷却空気を後流側へ順次流通し、各ディスク及びブレードの冷却を行い、最後にこの冷却空気を回収せずにガスパス中に放出するようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように従来のものでは、ディスクおよびブレードの冷却に使用した空気は回収できず、そのままガスパス中に放出しているので、高温のディスクおよびブレードの冷却に使われて折角高温に加熱された空気を外部に取出して活用することができないという無駄が有った。
【０００４】
本発明は、従来のものにおけるこのような無駄を排除し、ディスクやブレードを冷却して高温に加熱された冷却媒体をタービンの外部に取出して有効活用できるようにしたものを提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決するべくなされたもので、軸方向に並置された複数のディスクをスリーブによりキャビティ位置で同キャビティを経て軸方向に連通して形成される流体通路をディスクの周方向に間隔をおいて複数設けて同流体通路の或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、ロータの排気側端部に二重管を配設し、排気側ディスクの排気側端部に設けた冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔と回収を受け持つラジアル孔を介して前記二重管の一方の管路を前記流体通路の或るものに、同二重管の他方の管路を前記流体通路の他のものに連通し、連通された一方の通路を冷却媒体の供給通路とし、連通された他方の通路を同冷却媒体の回収通路としたガスタービンの冷却装置を提供するものである。
【００１２】
即ち軸方向に隣接並置されたディスク間に形成されるキャビティの位置でスリーブを用い、同キャビティを経て軸方向に延びる流体通路を形成し、かつこの流体通路は周方向に互に隔して複数設けて或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、夫々の流体通路を排気側ディスクの排気側端部において中心から放射状に延びてそれぞれ冷却媒体の供給、又は回収を受け持つラジアル孔に連絡し、このラジアル孔をロータの排気側端部の二重管に連通したことにより、ロータの位置の二重管の一方及び他方の管路を冷却媒体の供給と回収で夫々独立したラジアル孔を経てキャビティの位置で冷却媒体の供給と回収を独立とした流体通路に連通でき、冷却媒体の供給通路と回収通路を独立して構成し、冷却媒体の確実な供給と回収を実行し得るようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の理解を容易にするために複数の参考例を採用し、先ず参考例１を図１に基づいて説明する。
【００１６】
１は第１段タービンディスク、２は第２段タービンディスク、３は第３段タービンディスク、４は第４段タービンディスクで、上流から下流にかけてこの順番に並置されている。
【００１７】
１ａは第１段タービンブレード、２ａは第２段タービンブレード、３ａは第３段タービンブレード、４ａは第４段タービンブレードであり、各タービンブレード１ａ〜４ａは前記タービンディスク１〜４の夫々に対応し同タービンディスク上に配設されている。
【００１８】
１ｂ，１ｃは第１段タービンディスク１に設けられた冷却孔で、冷却孔１ｂは第１段タービンディスク１の上流側に開口して第１段タービンブレード１ａの内部に通じ、冷却孔１ｃは第１段タービンブレー１ａの内部から第１，第２段タービンディスク１，２が形成するキャビティ１２へ通じている。
【００１９】
１０は排気側端部１１からタービンの内方に向けて延びた二重管で、同二重管１０の内方の管路は冷却媒体の供給通路１０ｃを、また、外方の管路は冷却媒体の回収通路１０ｄを構成している。
【００２０】
そして前記冷却媒体の供給通路１０ｃは第１段タービンディスク１の上流側に開口し、また、冷却媒体の回収通路１０ｄは第１段、第２段タービンディスク１，２で区画するディスク間隙１８に開口している。従って冷却媒体は前記供給通路１０ｃから第１段タービンディスク１の上流側、次いで冷却孔１ｂと経由して第１段タービンブレード１ａに至り、これを冷却した後冷却孔１ｃ、キャビティ１２、ディスク間隙１８を経て回収通路１０ｄに至る経路が形成される。
【００２１】
なお、１０ａ，１０ｂはそれぞれグランドシールを示す。また１０ｅは二重管１０のフランジで、このフランジ１０ｅを図示省略のボルトで排気側端部１１に締めつけることにより、二重管１０はロータ（タービンディスク）と一体構造になる。
【００２２】
更にまた、１６はスピンドルボルトで、前記第１段〜第４段タービンディスク１〜４を貫通して設けられ、これを一体的に締付け結合し、ロータを構成している。
【００２３】
本参考例は前記したように構成されているので、冷却媒体は、二重管１０の内側に設けた供給通路１０ｃから入って第１段タービンディスク１の上流側で開放され、半径方向に流れて同第１段タービンディスク１の冷却孔１ｂから第１段タービンブレード１ａ内に導入され、図示省略の冷却流路を経て同第１段タービンブレード１ａを冷却する。
【００２４】
この冷却の結果として、冷却媒体自体は加熱され、熱エネルギを与えられるが、その状態で第１段タービンディスク１の後流側の冷却孔１ｃに入り、第１段タービンディスク１と第２段タービンディスク２の間に形成されたキャビティ１２、更にディスク間隙１８と経由して前記二重管１０の外側通路である回収通路１０ｄを経て図示省略の回収部に至る。
【００２５】
このようにして本参考例においては、空気又は蒸気等の冷却媒体を用いてタービンブレード１ａを冷却し、その結果として得られる熱分を確実に回収して有効に活用することができるものである。
【００２６】
なお、ここでは、二重管１０の内方の通路を冷却媒体の供給通路１０ｃとし、外方の通路を回収通路１０ｄとした例で説明したが、内方を回収系に、外方を供給系に逆にして使うことも勿論可能である。
【００２７】
これは即ち、より冷却したい位置を特定して最適位置に冷却媒体を供給する考え方に通じるものであり、このような思想を具体化したものを本参考例の部分変形例として以下、図２，図３により説明する。
【００２８】
なお、図２，図３のものは基本的形態は前記図１のものとほとんど同一であるので、同一部分については図中と同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【００２９】
即ち、図２のものは第１段タービンブレード１ａを冷却した後の冷却媒体で第２段タービンブレード２ａを冷却し、その冷却媒体を第２，第３段タービンディスク２，３の間のディスク間隙１８から回収するようにしたものであり、この為第２段タービンディスク２には、その上流側のキャビティ１２に開口して第２段タービンディスク２ａに至る冷却孔２ｂと、同第２段タービンディスク２ａから第２段タービンディスク２の後流側のキャビティ１２に開口する冷却孔２ｃを設け、かつ、前記二重管１０の外側の通路である回収通路１０ｄを第２，第３段タービンディスク２，３の間に形成されるディスク間隙１８に開口している。
【００３０】
このように図２のものでは、第１段及び第２段タービンブレード１，２を順次冷却するのに過適の配列、構造をとったものである。
【００３１】
また図３に示す変形例は、二重管１０における冷却媒体の供給通路１０ｃの途中で、第２，第３段タービンディスク２，３で形成するディスク間隙１８に相当する位置で途中開口１０ｆを増設したものである。
【００３２】
これにより冷却媒体は、供給通路１０ｃの先端から流出して冷却孔１ｂから第１段タービンブレード１ａに至り、冷却孔１ｃを経て第１段及び第２段タービンディスク２，３間のキャビティ１２に至る経路と、この途中開口１０ｆから出て第２段及び第３段タービンブレード２，３の間のキャビティ１２から冷却孔２ｃを経て第２段タービンブレード２ａを冷却し、冷却孔２ｂから出て前記第１，第２段タービンディスク２，３間のキャビティ１２で合流する経路が形成されることになる。
【００３３】
即ち、同図３のものは、第１段タービンブレード１ａと第２段タービンブレード２ａとを同等程度に冷却することを最適とした配列形態に係るものである。
【００３４】
次に本発明の参考例２を図４に基づいて説明する。なお、前記した参考例１と同一の部分については、図中同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【００３５】
本参考例では、二重管１０はディスク端部１７の位置まで延ばすに止め、供給通路１０ｃ、回収通路１０ｄは同ディスク端部１７に設けたラジアル通路１７ａ，１７ｂに連通している。
【００３６】
第１〜第４段タービンディスク１〜４については、スピンドルボルト１６のボルト孔の位置に、スピンドルボルト１６の外径より大きい内径のスリーブ１５を嵌合し、スピンドルボルト１６がスリーブ１５に遊嵌して両者の間に流体流路を形成する間隔が得られるように構成され、このスリーブ１５は前記ラジアル孔１７ａに通じている。
【００３７】
従って、二重管１０の内側通路である冷却媒体の供給通路１０ｃから、ラジアル孔１７ｂ、スリーブ１５を経て第１段タービンディスク１の上流側の冷却孔１ｂに至る冷却媒体の供給系路が形成される。
【００３８】
また、第２，第３段タービンディスク３，４の各キャビティ１２の位置には、同キャビティ１２を経て前記ラジアル孔１７ｂに至る他の流体通路１３が設けられており、第２タービンディスク２の冷却孔２ｃからこの他の流体通路１３を経てラジアル孔１７ｂ、二重管１０の回収通路１０ｄに至る冷却媒体の回収系路が形成される。
【００３９】
即ち、本参考例ではディスクの中心部を避け、ディスクには十分に強度を確保させた状態下で、第１段タービンブレード１ａ、次いで第２段タービンブレード２ａと順次冷却を行うことを狙いとしたものである。
【００４０】
なお、スリーブ１５を含む系統と、流体通路１３を含む系統を供給、回収互に逆の経路として使いうることも勿論可能である。
【００４１】
また、図ではスリーブ１５が１本示されるのみであるが、同スリーブ１５は中心軸まわりに、即ち周方向で間隔をおいて複数本配列されているので、例えばラジアル孔１７ａ，１７ｂを１本おきにスリーブ１５と連通し、かつスリーブ１５の長手方向開口位置を選択することにより、流体通路１３を不要として複数のスリーブ１５で供給、回収系統をそれぞれ形成することも可能である。
【００４２】
なお図５は本参考例の部分変形を示し、図４のものが長い１本のスリーブ１５を用いていたのに対し、短いスリーブ１５ａを複数本用い、各タービンディスク間に形成されるディスク間隙１８の間をこの短いスリーブ１５ａで連絡したものである。
【００４３】
即ち、１本の長いスリーブ１５で形成する系路を複数本の短いスリーブ１５ａとタービンディスクのボルト孔とで協働して受け持つものであり、作用、効果、そして変形、応用の余地等前記図４のものと同一であるので、重複する説明は省略する。
【００４４】
次に本発明の参考例３について図６に基づいて説明する。なお、前記した参考例１，参考例２と同一の部分については図中に同一の符号を付して示し重複する説明は省略する。
【００４５】
本参考例は基本的に中央に配した二重管１０と、スピンドルボルト１６の貫通孔とを利用するものである。即ち、二重管１０の外側の管路を冷却媒体の供給通路１０ｃとし、同供給通路１０ｃは第２，第３段又は第３，第４段タービンディスク２，３又は３，４間のディスク間隙１８から、第２，第３段タービンディスク２，３の形成するキャビティ１２を経て第２段タービンブレード２ａの冷却孔２ｃに連通し、また、別のルートが第１，第２段タービンディスク１，２間のボルト孔に配した短いスリーブ１５ａ内を経て、第１段タービンディスク１の上流側から第１段タービンブレード１ａの冷却孔１ｂに至るように構成されている。
【００４６】
従って、第１段タービンブレード１ａと第２段タービンブレード２ａとをほぼ同等の温度条件で冷却し、その冷却媒体は第１，第２段タービンブレード１ａ，２ａの冷却孔１ｃ，２ｂからこれ等が開口するキャビティ１２に至り、二重管１０の内方通路の回収通路１０ｄから回収されるものである。
【００４７】
本参考例は、このようにして狙いとする第１，第２段タービンブレード１ａ，２ａを好適に冷却し、かつ、その冷却により得た熱を確実に回収するようにしたものである。
【００４８】
次に本発明に係る実施の形態を図７に基づいて説明する。なお前記した参考例１〜参考例３と同一の部分については、図中に同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【００４９】
前記参考例１〜参考例３と対比すれば、本実施の形態は、冷却媒体の供給系統と回収系統とを構成するスリーブ１５を周方向に配列された相互間で使い分けるようにしたものである。
【００５０】
即ち、図面では１断面の為に１本のスリーブ１５が示されるに止るが、同スリーブ１５はタービン軸を中心として回転するとそれに従って複数のスリーブ１５が順次現れるように、周方向に間隔をおいて配列されており、そのうち或るものを供給系統に、また他のものを回収系統にと区分して用いるものである。
【００５１】
従って第４段タービンディスク４の排気側端部１１に設けたラジアル孔１７ａ，１７ｂも、同一の軸断面上で見ると交互に配列された供給系統と回収系統が重なり合って表示されている。
【００５２】
なお、本実施の形態もその細部において種々の変形を組み入れ得るものであり、その一例を図８，図９により説明する。
【００５３】
即ち図８のものは冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔１７ａと回収を受け持つラジアル孔１７ｂとを、同一の軸直角断面に置かずに軸方向で前後にずれた断面に設けるようにして、これらラジアル孔１７ａ，１７ｂを設置する部位の強度を必要以上に低下させないようにしたものである。
【００５４】
また、図９に示すものは、前記したラジアル孔１７ａ，１７ｂ、更に二重管１０等を第４段タービンディスク４に直接設けず、同第４段タービンディスク４と別体の端部材２０を設け、同端部材２０にこれ等を形成することにより、加工、工作の容易化を図るようにしたものである。
【００５５】
更に本発明の参考例４について図１１に基づいて説明する。なお、前記した参考例１〜参考例３、及び本発明の実施の形態と同一の部位については図中に同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【００５６】
本参考例は二重管１０の内側の管路を冷却媒体の供給管路１０ｃとして用い、同内側の部分のみを第４段タービンディスク４から第１段タービンディスク１まで、その中央部で延長して貫通させ、同第１段タービンディスク１の上流側で開放している。
【００５７】
他方、回収系統については、第１，第２段タービンブレード１ａ，２ａを冷却孔１ｂ，１ｃ，及び２ｂ，２ｃを経て冷却した冷却媒体を、キャビティ１２を経てその位置で第３，第４段ディスク３，４を通して設けた流体通路１３へ流し、ラジアル孔１７ｂを経て回収通路１０ｄへ回収するように構成している。
【００５８】
即ち、このように供給通路１０ｃから、発し、第１，第２段タービンブレード１ａ，２ａで所定の冷却を行って回収通路１０ｄへと戻るルートにより、冷却媒体を確実に供給して所期の冷却を行い、冷却後熱エネルギーを得た冷却媒体を確実に回収するようにしたものである。
【００５９】
また、図１１には、本参考例の一部を変形したものを示す。同図１１に示すものは、二重管１０の内側の延長は第４段タービンディスク４で止め、これをタービンディスク中心部に設けた孔に連通し、各タービンディスク相互間のディスク間隙１８はシールブロック２１で塞いで冷却媒体の供給系路を形成したものである。
【００６０】
即ちシールブロック２１によりディスク間隙１８との間をシールして、タービンディスク中心に設けた孔と協働させて冷却媒体の供給系統を形成し、図１０に示した冷却媒体の供給通路１０ｃに替えたものである。
【００６１】
なお、ここで示したシールブロック２１は、前後に配置される各タービンディスクのシール部分の加工形状と共に種々の形態が選択できるものであり、いくつかの実例を図１２に示す。
【００６２】
図１２（ａ）は断面平坦状の環状シールブロック２１ａを示す。
図１２（ｂ）は断面Ｔ字状にした環状シールブロック２１ｂを示す。
図１２（ｃ）は一方のタービンディスクに突起部を形成して他方のタービンディスクとの間で断面方形のシールブロック２１ｃを挟みつけるようにしたものを示す。
【００６３】
図１２（ｄ）は一方のタービンディスクにボルトで止め、断面をほぼＵ字状にしてボルト止めの他端で他方のタービンディスクとの間をシールしたシールブロック２１ｄを示す。
【００６４】
図１２（ｅ）には相隣接するタービンディスクに軸方向で向き合って突出して半径方向で対峙する突起部を形成し、その対峙面に断面方形のシールブロック２１ｅを介在させたものを示す。
【００６５】
図１２（ｆ）は前記図１２（ｅ）と同様の対峙面に、シールブロック２１ｆと並んで止め輪２２を配置し、シールブロック２１ｆの安定性を向上させたものを示す。
【００６６】
以上、参考例１〜参考例４と関連付けて本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００６７】
【発明の効果】
以上本発明によれば、軸方向に並置された複数のディスクをスリーブによりキャビティ位置で同キャビティを経て軸方向に連通して形成される流体通路をディスクの周方向に間隔をおいて複数設けて同流体通路の或るものを冷却媒体の供給系統に、他のものを回収系統に区分し、ロータの排気側端部に二重管を配設し、排気側ディスクの排気側端部に設けた冷却媒体の供給を受け持つラジアル孔と回収を受け持つラジアル孔を介して前記二重管の一方の管路を前記流体通路の或るものに、同二重管の他方の管路を前記流体通路の他のものに連通し、かくして形成された連通された一方の通路を冷却媒体の供給通路とし、連通された他方の通路を同冷却媒体の回収通路としたことにより、二重管の一方の管路、ラジアル孔、キャビティ位置でのスリーブを含む流体通路と経て冷却媒体を供給し、所定の冷却を行った後前記供給をした流体通路に並置した他の流体通路からラジアル孔、二重管の他方の管路と回収を行い、以って冷却媒体の供給及び回収を確実かつ適切に行い、熱エネルギーの有効活用を図ることができるようにしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例１に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図２】図１に示すものの一部変形例を概略的に示す説明図。
【図３】図１に示すものの他の部分変形例を概略的に示す説明図。
【図４】  本発明の参考例２に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図５】図４に示すものの一部変形例を概略的に示す説明図。
【図６】  本発明の参考例３に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図７】  本発明の実施の形態に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図８】図７に示すものの部分変形例を概略的に示す説明図。
【図９】図７に示すものの他の部分変形例を概略的に示す説明図。
【図１０】  本発明の参考例４に係るガスタービンの断面を概略的に示す説明図。
【図１１】図１０に示すものの一部変形例を概略的に示す説明図。
【図１２】図１１の要部に当るシールブロックを示し（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）それぞれ異る応用例の概略説明図。
【符号の説明】
１        第１段タービンディスク
１ａ      第１段タービンブレード
１ｂ      冷却孔
１ｃ      冷却孔
２        第２段タービンディスク
２ａ      第２段タービンブレード
２ｂ      冷却孔
２ｃ      冷却孔
３        第３段タービンディスク
３ａ      第３段タービンブレード
４        第４段タービンディスク
４ａ      第４段タービンブレード
１０      二重管
１０ａ    グランドシール
１０ｂ    グランドシール
１０ｃ    供給通路
１０ｄ    回収通路
１０ｅ    フランジ
１１      排気側端部
１２      キャビティ
１３      流体通路
１５      スリーブ
１５ａ    短スリーブ
１６      スピンドルボルト
１７      ディスク端部
１７ａ    ラジアル孔
１７ｂ    ラジアル孔
１８      ディスク間隙
２０      端部材
２１      シールブロック
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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