(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータ（２）の流出側の支承を排気ケーシング構造の内部で行い、シールのためにラビリンスシール（１７）とグランドブシュ（１８）とを使用し、その際、軸シールのために、排気通路（３２）内の排気（Ａ）の圧力に比して高い圧力の遮蔽空気をグランドブシュ（１８）内へ、次いで排気通路（３２）内へ誘導し、その際、ロータ冷却空気（Ｒ）を圧縮機段から抽出して、導管（１９）を介して排気側の軸端を通してロータ（２）内へ供給する形式の熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法において、ロータ冷却空気の漏れの一部をラビリンスシールの一部の後方で分岐して遮蔽空気（Ｓ）として使用し、かつ、軸受室（１６）内へ周囲空気を冷却空気（Ｋ）として供給し、グランドブシュ（１８）を介して、遮蔽空気（Ｓ）から分離して周囲に均一に分配し、排気ディフューザ（９）内を貫通する通路（８）を通して外部へ搬送することを特徴とする軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法。
【請求項２】
遮蔽空気（Ｓ）の量と圧力とを、ラビリンスシール（１７．１，１７．２）のシールストリップの数（ｎ１，ｎ２）の変化とラビリンスシール（１７．１，１７．２）のそのつどのギャップ寸法（ｓ１，ｓ２）の変化により調整する請求項１記載の方法。
【請求項３】
グランドブシュ（１８）の冷却空気室（２６）からの空気を支持リブ（２０）の冷却のために使用する請求項１記載の方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法を実施する装置において、冷却されるロータ（２）の排気側端部のところのラビリンスシール（１７）が分割されており、かつ、この分割箇所のところに、グランドブシュ（１８）へ通じた少なくとも１つの導管（２２）を備えた少なくとも１つの中間タップが遮蔽空気（Ｓ）のために配置されており、グランドブシュ（１８）に達する別の導管（２４）が、冷却空気（Ｋ）として作用する周囲空気のために軸受室内に配置されており、グランドブシュ（１８）が遮蔽空気（Ｓ）と冷却空気（Ｋ）とのための２つの同軸的な環状室（２５，２６）に分割されており、かつ冷却空気のための環状室（２６）が孔（２９）を介して軸受室（１６）に接続されており、かつ、軸受室（１６）が上部ではフード（２７）により、かつ下部ではオイルドリッププレート（２８）により分割されていることを特徴とする軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための装置。
【請求項５】
支持構造（１０）と排気ケーシング（６）の内部の絶縁体（１１）との間で支持リブ（２０）に沿って軸方向に延びる冷却通路（３０）が配置されており、この冷却通路（３０）が、そのタービン側の入口で孔（２９）を介してグランドブシュ（１８）の冷却空気のための環状通路（２６）に、かつその出口で別の孔（２９）を介して軸受室（１６）に接続されている請求項４記載の装置。
【請求項６】
冷却通路（３０）が支持リブ（２０）の両側でその脚のところに設けられている請求項５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービンロータの流出側の支承を排気ケーシング構造の内部で行い、シールのためにラビリンスシールとグランドブシュとを使用し、その際、軸シールのために、排気通路内の排気の圧力に比して高い圧力の遮蔽空気をグランドブシュ内へ、次いで排気通路内へ誘導し、その際、ロータ冷却空気を圧縮機段から抽出して、導管を介して排気側の軸端を通してロータ内へ供給する形式の熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法とこの方法を実施するための装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンは公知技術によれば主として羽根を備えたロータと、タービンケーシング内に装備され案内羽根を備えた羽根支持体とから成っている。タービンケーシングに続いて排気ケーシングが設けられており、この排気ケーシングは現代のターボ機械ではタービンケーシングに結合されていて、主としてハブ側の環状の内部分と、排気ディフューザを形成している環状の外部分とから成っている。内部分及び外部分は周囲にわたり均一に分配された半径方向の複数のフローリブにより互いに結合されている。内部分の内部、要するにディフューザ構造自体の内側の中空室内にはタービンロータの流出側の支承部が配置されている。
【０００３】
排気ケーシングをロータが貫通している箇所の無接触式のシールを行うと共に漏れを効果的な量に軽減するために軸シール（ラビリンスシール、グランドブシュ）が存在する。
【０００４】
熱い排気が軸受室内に侵入するのを阻止するために、従来では圧縮機空気が圧縮機の所定の圧縮段から抽出され、別個の導管を介して排気ケーシングへ誘導され、遮蔽空気として排気側のグランドブシュ内に直に供給される。空気の一部はシールを通って軸受室内に流出し、残りの空気は軸板に沿って熱ガス通路内に流入する。
【０００５】
ガスタービンにおいて１つ又は複数の可変の案内羽根を備えた圧縮機が使用され、この案内羽根が部分負荷範囲内で所定量だけ閉鎖されると、これにより遮蔽空気の抽出箇所に全負荷時の圧力に対比して低い圧力が生じる。この運転状態で充分な遮蔽空気を発生させるためには、常時高い圧力を生じている高圧段から空気を抽出するか、又は種々異なる段の間で切換えを行わなければならない。
【０００６】
高圧段からの空気の取出しの欠点とするところは、全負荷時に著しく圧縮された空気が出力のために役立つことなく、むだに消費されてしまい、これにより不都合にガスタービンの効率が低下することにある。これに対して、種々の段の間で切換えが行われる場合には、圧縮機における抽出箇所と切換弁とが多く必要であり、その結果、コストが増大する。
【０００７】
排気側の軸端を通して冷却空気をロータ内へ供給しようとする場合には、遮蔽空気の他にロータ冷却空気を所定の圧縮段から抽出して、特別な導管を介してロータ内へ供給しなければならない。その場合、導管からロータへの移行箇所はラビリンスシールによりシールされなければならない。ラビリンスシールの漏れ空気は軸受の周囲に達して軸受室を加熱してしまう。このことは、計器、軸受オイルの存在とインスペクションの可能性とに基づき軸受温度が制限されているので不都合である。
【０００８】
遮蔽空気とロータ冷却空気との漏れが生じる他に、軸受室が絶縁体もしくは支持構造を通る排気流からの熱の流れにより加熱される。軸受室の冷却は多くのターボ機械では自然対流で行われる。排気ディフューザ内の開口を通して流入して排気ケーシングのライニングとリブとの間の隙間を通って流出する冷却空気により軸受室の冷却が行われることも公知である。しかし、この解決手段では排気ケーシングの支持構造は周囲にわたって均一な温度を有しておらず、このことにより、熱応力の発生及び又は軸受の同軸位置が失われるおそれを生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらのすべての欠点を回避すべく本発明の課題とするところは、熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンにおいて、排気側での遮蔽兼冷却機構を改良して、わずかな製作費及び運転費用で軸受室内への排気の侵入を阻止し、軸受室内への空気漏れを可能な限りわずかとし、比較的簡単に軸受室温度を充分低く保持することができ、排気ケーシングの支持構造が周囲にわたって均一な温度を有するようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明の方法によれば、タービンロータの流出側の支承を排気ケーシング構造の内部で行い、シールのためにラビリンスシールとグランドブシュとを使用し、その際、軸シールのために、排気通路内の排気の圧力に比して高い圧力の遮蔽空気をグランドブシュ内へ、次いで排気通路内へ誘導し、その際、ロータ冷却空気を圧縮機段から抽出して、導管を介して排気側の軸端を通してロータ内へ供給する形式の熱的なターボ機械、特に軸流ガスタービンの排気側での軸シール並びに冷却のための方法において、ロータ冷却空気の漏れの一部をラビリンスシールの一部の後方で分岐して遮蔽空気として使用し、かつ、軸受室内へ周囲空気を冷却空気として供給し、グランドブシュを介して、遮蔽空気から分離して周囲に均一に分配し、排気ディフューザ内を貫通する通路を通して外部へ搬送する。
【００１１】
上記方法を実施するため本発明装置によれば、冷却されるロータの排気側端部のところのラビリンスシールが分割されており、かつ、この分割箇所のところに、グランドブシュへ通じた少なくとも１つの導管を備えた少なくとも１つの中間タップが遮蔽空気のために配置されており、グランドブシュに達する別の導管が、冷却空気として作用する周囲空気のために軸受室内に配置されており、グランドブシュが遮蔽空気と冷却空気とのための２つの同軸的な環状室に分割されており、かつ冷却空気のための環状室が孔を介して軸受室に接続されており、かつ、軸受室が上部ではフードにより、かつ下部ではオイルドリッププレートにより分割されている。
【００１２】
本発明の利点とするところは、遮蔽空気のために圧縮機に別個の抽出箇所を設ける必要がなく、従って別個の遮蔽空気供給も不要であり、これにより、軸受室内への漏れ空気量が最小となり、支持構造、軸受及びオイルワイパのために周囲にわたる均一な冷却が達成され、従って、装置の効率が向上することにある。
【００１３】
遮蔽空気の量と圧力とを、ラビリンスシールの数の変化とラビリンスシールのそのつどのギャップ寸法の変化により最適に調整すると特別効果的である。それというのは、このようにすれば、軸受室内に流入する漏れ空気を比較的低いレベルに保持することができ、ひいては軸受の不所望な加熱を排除することができるからである。
【００１４】
さらに、支持構造と排気ケーシングの内部の絶縁体との間でフローリブに沿って、有利にはこのフローリブの両側でその脚のところに、軸方向で延びる冷却通路が設けられ、この冷却通路がそのタービン側の入口で孔を介してグランドブシュの冷却空気のための環状通路に接続され、かつその出口で別の孔を介して軸受室に接続されていて、冷却空気のための環状通路からの冷却空気により貫流されると有利である。このように冷却通路内に冷却空気を通流することにより、空気が節約され、大きな熱伝導率が得られる。流れの障害物が存在せず、従って内側のケーシング支持構造の周囲にコンスタントな温度が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に図１から図６までの図面につき本発明の実施例を１軸式の軸流ガスタービンに基づいて説明する。
【００１６】
図面には本発明の理解にとって重要な部分だけが示されている。装置のうち、例えばガスタービンの入口部分及び圧縮機全体は図示されていない。作動媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１７】
図１は１軸式の軸流ガスタービンのうちのタービンの排気側とタービンの最終段の部分縦断面を示す。
【００１８】
細部のより良き理解のために、図２には排気系内の軸受領域が、図３にはラビリンスシールの領域が拡大図示されている。
【００１９】
図１から判るように、軸流ガスタービンは主として回転羽根１を備えたロータ２と、案内羽根３を備えた羽根支持体４とを備えており、この羽根支持体４はタービンケーシング５内に配置されている。タービンケーシング５には排気ケーシング６が結合されており、この排気ケーシング内には周囲にわたり均一に分配された複数のフローリブ１２が配置されている。図２から判るように、フローリブ１２は絶縁体１１により囲われた支持リブ２０を囲んでいる。排気ケーシング６には排気ディフューザ９が結合されている。
【００２０】
ロータ２の流出側の支承部（軸受ケーシング１４，軸受１５）が排気ケーシング構造の内部に配置されている。軸受ケーシング１４と排気ケーシング６の環状の内部分７との間には軸受室１６が延びており、この軸受室１６はタービン側で排気通路３２に対してはグランドブシュ１８を介して、かつロータ冷却空気に対してはラビリンスシール１７を介してシールされている。
【００２１】
ロータ２の冷却のために、図示されていない圧縮機からロータ冷却空気Ｒが抽出されて、圧縮機から出発して排気系の端部に位置する通路８を通して案内されていて延長された機械軸線の領域内で排気側の軸端へ達している導管１９を介して、ロータの排気側の軸端を通ってロータ２内へ供給される。この導管１９と回転するロータ２との間の隙間２１内にこのロータ冷却空気の漏れＬが生じ、この漏れは従来の技術では、すべて軸受室１６内へ流出して軸受１５の周囲に達する。この箇所は一般にはラビリンスシール１７によりシールされている。
【００２２】
図３に示されているように、本発明によれば、ラビリンスシール１７が、ギャップ幅ｓ１を有していてｎ１個のシールストリップを備えたラビリンスシール１７．１と、ギャップ幅ｓ２を有していてｎ２個のシールストリップを備えたラビリンスシール１７．２とに分割されている。両方のラビリンスシール１７．１と１７．２との間には遮蔽空気Ｓのための導管２２が配置されており、この導管は軸受ケーシング１４の脇を通ってグランドブシュ１８へ通じている。要するにロータ冷却空気の漏れＬの一部が遮蔽空気Ｓとして使用される。遮蔽空気Ｓが所要の圧力を有することができるように、この遮蔽空気Ｓはラビリンスシールの一部の後方から抽出される。この抽出により、残りのラビリンスシールを通る漏れ空気量が減少し、その結果、空気損失が最小となり、ひいては効率損失が最低となり、軸受室の周囲がわずかにしか加熱されない。
【００２３】
勿論、本発明はただ１つの遮蔽空気のための導管２２を配置することに制約されない。有利には、２つ又はそれ以上のこの種の導管を軸受ケーシングの周りの任意の可能な箇所に配置することができる。
【００２４】
図４は分割されたラビリンスシールにおける質量流れ比（ロータ冷却空気漏れ量Ｌ１全体の質量流れｍ１／実際に軸受室１６内へ流入する漏れ空気量Ｌ２の質量流れｍ２）と、シールストリップの数の比（ｎ２／ｎ１）もしくはギャップ幅の大きさの比（ｓ１／ｓ２）との依存性を示す。質量流れ比ｍ１／ｍ２はｎ２／ｎ１及びｓ１／ｓ２の増大に伴って増大している。要するに、遮蔽空気Ｓの量（ｍ１−ｍ２）及びその圧力はラビリンスシールのシールストリップの数の変化と、ギャップ寸法の変化とにより変化することができる。
【００２５】
本発明解決手段の著しい付加的な利点とするところは、圧縮機からの別個の遮蔽空気供給が不要であり、遮蔽空気Ｓのための別個の抽出箇所を圧縮機に設ける必要がないことにある。
【００２６】
軸受室１６が漏れ空気により、かつ絶縁体１１と、ハブ３１及び支持リブ２０を含む支持構造１０とを通る排気流Ａからの熱の流れにより著しく加熱されることがないように軸受室が冷却される（図２参照）。その場合、軸受室１６内に流入した熱は、ベンチレータ２３からグランドブシュ１８へ通じている導管２４を通して供給される周囲空気により、排気ディフューザ９を貫通した通路８を通して外部へ搬出される。
【００２７】
グランドブシュ１８は２つの同軸的な環状室２５，２６に分割されており、その場合、環状室２５は遮蔽空気Ｓのために、かつ環状室２６は軸受室冷却空気Ｋのために役立てられる。空気はグランドブシュ１８を通って均一に周囲に分配される。
【００２８】
軸受室１６は上部では軸受ケーシング１４と支持構造１０との間に支持構造１０に対してほぼ平行に配置されたフード２７により、かつ下部ではオイルドリッププレート２８により２つの室に分割されており、その場合、グランドブシュ１８内の冷却空気のための環状室２６内に適宜設けられた孔２９を介して、軸受室１６の両方の部分内の所要の冷却空気量が規定される。これにより、支持構造１０が所期のとおりかつ周囲にわたり均一に冷却される。それと同時に、軸受ケーシング１４の周囲と、フード２７内に配置された計器とが別個に冷却される。さらに、フード２７は計器と軸受ケーシング１４とへの熱放射を阻止する役目を有している。
【００２９】
上部及び下部において、冷却空気のための環状室２６から所期の冷たい空気がオイルワイパ１３の近くへもたらされる。これにより、常時わずかな負圧を受けるべき軸受１５内に冷たい空気だけが侵入することができる。
【００３０】
本発明は上述した実施例に限定されないのは勿論である。図５及び図６には本発明の別の実施例が示されている。上述の実施例に対して付加的にこの場合には冷却通路３０も支持構造１０内に配置されている。この冷却通路３０は支持リブ２０の脚のところに位置しており、孔２９を介して冷却空気のための環状室２６から空気の供給を受ける。この冷却通路３０はそれぞれ有利には支持リブ２０の両側でその脚のところに配置されて、排気流からの熱をハブ３１内もしくは内部スペース内への侵入前に排出するのに役立てられる。
【００３１】
この手段により、支持リブの脚のところの正確な熱伝達率を得ることができ、このことが、すべてのフローリブ１２における正確な熱排出もしくは均一な温度を保証する。その他の利点とするところは、冷却通路内への冷却空気の所期の使用により空気を節約することができると共に、空気が冷却通路内を流れ、これにより流れの障害が存在しないために大きな熱伝達率を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく組合わされた遮蔽兼冷却機構の利点とするところは、確実な熱排出が保証されること、支持構造、軸受本体及びオイルワイパのための周囲にわたる均一な冷却が得られること、冷却空気のための環状室内の孔の大きさ及び数の選択により、冷却空気の流れを所期のとおり調整することができること、かつ、組合わされたグランドブッシュの使用によりコストの節約が可能であることにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの排気系の縦断面図である。
【図２】ガスタービンの排気系の軸受領域の部分縦断面図である。
【図３】図２のラビリンスシールとロータ冷却空気通路とを拡大した図である。
【図４】中間タップを備えた分割されたラビリンスシールにおける質量流れ比とシールストリップの数の比並びにラビリンスシールのギャップ幅の比との関係を示す図である。
【図５】軸受領域の部分縦断面図である。
【図６】図５のフローリブの領域を部分的に断面した図である。
【符号の説明】
１  回転羽根、  ２  ロータ、  ３  案内羽根、  ４  羽根支持体、  ５  タービンケーシング、  ６  排気ケーシング、  ７  内部分、  ８  通路、  ９  排気ディフューザ、  １０  支持構造、  １１  絶縁体、  １２  フローリブ、１３  オイルワイパ、  １４  軸受ケーシング、  １５  軸受、  １６  軸受室、  １７  ラビリンスシール、  １８  グランドブシュ、  １９  ロータ冷却空気のための導管、  ２０  支持リブ、  ２１  導管とロータとの隙間、  ２２遮蔽空気のための導管、  ２３  ベンチレータ、  ２４  軸受室冷却空気のための導管、  ２５  遮蔽空気のための環状室、  ２６  軸受室冷却空気のための環状室、  ２７  フード、  ２８  オイルドリッブプレート、  ２９  孔、  ３０  冷却通路、  ３１  ハブ、  ３２  排気通路、  Ａ  排気、  Ｋ  軸受室冷却空気、  Ｌ  ロータ冷却空気の漏れ、  Ｒ  ロータ冷却空気、  Ｓ  遮蔽空気、  ｍ１  ロータ冷却空気の漏れ全体の質量流れ、  ｍ２  ロータ冷却空気の実際の漏れの質量流れ、  ｍ１−ｍ２  遮蔽空気の質量流れ、  ｎ１  第１のラビリンスシールのシールストリップの数、  ｎ２  第２のラビリンスシールのシールストリップの数、  ｓ１  第１のラビリンスシールのギャップ幅、  ｓ２  第２のラビリンスシールのギャップ幅
【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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