JP3475838B2 - タービンロータ及びタービンロータのタービン動翼冷却方法 - Google Patents

タービンロータ及びタービンロータのタービン動翼冷却方法

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JP3475838B2 JP04411899A JP4411899A JP3475838B2 JP 3475838 B2 JP3475838 B2 JP 3475838B2 JP 04411899 A JP04411899 A JP 04411899A JP 4411899 A JP4411899 A JP 4411899A JP 3475838 B2 JP3475838 B2 JP 3475838B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンのタ
ービンロータ及びタービンロータのタービン動翼冷却方
法に関する。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る。特に、燃焼器３０２
で燃焼した後、そのエネルギを回収するタービン動翼部
分は高い温度にさらされる。このため、通常は圧縮機３
０１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。この閉回路冷却構造を用
いるタービンロータでは、タービン動翼を冷却した冷媒
を回収する冷媒回収経路は、翼を出た直後は少なくとも
翼枚数と同数存在する。このため、回収した高温冷媒を
１個所又は数箇所に集めるための回収キャビティがロー
タ内に存在する。
【０００３】タービン部分のロータは、外周部にタービ
ン動翼を取り付ける円盤状の複数のホイールと前記ホイ
ールに交互に挟まれるように配置されるスペーサを軸方
向に積み重ね、それらに貫通するようにボルトを通し、
そのボルトで締め付けることによってそれらを固定して
形成されている。この時、ボルト穴周辺のボルトによっ
て締め付けられてホイールとスペーサが密着している部
分をスタッキング面という。ホイールとスペーサの近辺
には回収冷媒を集める前記回収キャビティが存在してい
るため、メタル温度が高くなるのが通常である。メタル
温度が高くなると、許容応力が低くなり、強度が低下す
る。ここに、ホイールには外周部に動翼が取り付けられ
ているため、強い遠心力が作用している。
【０００４】又、ＰＣＴ／ＵＳ９７／０４３６８に記載
のタービンも閉回路冷却構造を有しており、タービンロ
ータは外周部にタービン動翼を固定する円盤状のホイー
ルを積み重ねるように複数配置して、それらを貫通する
ようにボルトを通してそのボルトを締め付けることによ
ってこれらのホイールを固定してロータを形成してお
り、前記ホイールのうち隣接する２つのホイールにおい
て片側のホイールに部材をボルトによって固定すること
によって取り付け、逆側のホイールにも部材をボルトに
よって固定することによって取り付け、これらの部材の
間にこれらの部材によるキャビティを形成することによ
って、ホイールに高温回収冷媒が直接接触しないような
構造としている。
【０００５】更に、特開平9−13902号に記載のタービン
も閉回路冷却構造を有しており、タービンロータは外周
部にタービン動翼が取り付けられている円盤状のホイー
ルと、ホイールに挟まれるように交互に円盤状のスペー
サを配置し、更にホイールとスペーサの間に円盤状のス
ペーサ板を配置して、それらを積み重ねてそれらに貫通
するようにボルトを通し、そのボルトで締め付けること
によって形成されている。この公知例では、スペーサと
スペーサ板によってタービン動翼を冷却する冷媒の供給
キャビティと回収キャビティを形成することによって、
ホイールに高温回収冷媒が直接接触しないような構造と
している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】タービンロータは外周
部にタービン動翼が取り付けられている円盤状のホイー
ルと、ホイールに挟まれるように交互に配置される円盤
状のスペーサを積み重ねてそれらに貫通するようにボル
トを通し、ボルトで締め付けることによって形成され
る。ここでホイールには外周部にタービン動翼を取り付
けているため、その分の遠心力が作用しており、スペー
サよりも高い応力が作用しているのが通常である。
【０００７】従来のタービンロータは、ロータを形成す
るホイールとスペーサの間にタービン動翼を冷却して高
温となった回収冷媒を集める回収キャビティが形成され
ていたため、高温回収冷媒が直接ホイールに接触してホ
イールのメタル温度が上昇して、ホイールの許容応力が
低下して強度が低下するという問題点があった。
【０００８】そこで、ホイールに直接高温ガスが接触し
ないような様々な工夫がなされている。
【０００９】ＰＣＴ／ＵＳ９７／０４３６８に記載のタ
ービンロータは外周部にタービン動翼を固定する円盤状
のホイールを積み重ねるように複数配置して、それらを
貫通するようにボルトを通してそのボルトを締め付ける
ことによってこれらのホイールを固定してロータを形成
しており、前記ホイールのうち隣接する２つのホイール
において片側のホイールに部材をボルトによって固定す
ることによって取り付け、逆側のホイールにも部材をボ
ルトによって固定することによって取り付け、これらの
部材の間にこれらの部材によるキャビティを形成するこ
とによって、ホイールに高温回収冷媒が直接接触しない
ような構造としている。運転時にはホイールは高温とな
るが、隣接する左右のホイールに温度差が生じると左右
のホイールの温度上昇による熱膨張量にも違いが生じ
て、左右のホイールに熱伸び差が生じる。
【００１０】ここで、キャビティを形成するスペーサは
一方は片側のホイールに固定されており、他方は逆側の
ホイールに固定されているため、左右のホイールに熱伸
び差が生じると、キャビティを形成している２つの部材
にも、それぞれを固定しているホイールに連動して異な
る変位が生じる。ここで、運転時にキャビティを形成す
る２つの部材に大きな変位差が生じても２つのスペーサ
板のキャビティのシール部分が接触して、シール部分に
大きな接触応力が発生しないようにするには、組立て時
にシール部分に大きな隙間を開けておく必要がある。し
かし、キャビティのシール部分に大きな隙間があると、
キャビティのシールが困難となり、回収冷媒が漏れると
いう問題がある。回収冷媒がキャビティで漏れを生じる
と、回収できる冷媒の量が減少するためサイクル効率が
低下するという問題がある。又、隣接する２つのホイー
ルの間の２つのスペーサ板に低温である供給冷媒と高温
である回収冷媒が接触しているためスペーサ板に大きな
温度分布が生じて、大きな熱応力や変形が生じるという
問題点もある。
【００１１】更に、特開平9−13902号に記載のタービン
ロータは、外周部にタービン動翼が取り付けられている
円盤状のホイールと、ホイールに挟まれるように交互に
円盤状のスペーサを配置し、更にホイールとスペーサの
間に円盤状のスペーサ板を配置して、それらを積み重ね
てそれらに貫通するようにボルトを通し、そのボルトで
締め付けることによって形成されている。この公知例で
は、スペーサとスペーサ板によってタービン動翼を冷却
する冷媒の供給キャビティと回収キャビティを形成する
ことによって、ホイールに高温回収冷媒が直接接触しな
いような構造としている。ここで、スペーサ板のキャビ
ティ側は高温回収冷媒と直接接触するため高温となる。
しかし、スペーサ板のキャビティと逆側の側面がホイー
ルに接触しているため、熱伝導によってホイールにスペ
ーサ板の熱が伝わってホイールが高温となることが考え
られる。また、スペーサ板はホイールに焼き嵌又は冷し
嵌されることによって固定されている。運転時にホイー
ル及びスペーサが高温になった時に、スペーサ板の片側
に隣接するホイールとこのスペーサ板の逆側に隣接する
スペーサに温度差が生じるとホイールとスペーサの温度
上昇による熱膨張量にも違いが生じて、ホイールとスペ
ーサに熱伸び差が生じる。ここでキャビティを形成する
スペーサ板とスペーサのうち、スペーサ板はホイールに
固定されているためホイールの熱変形に連動して変位す
る。このため、ホイールとスペーサに温度上昇による熱
膨張量に違いが生じた時、キャビティを形成するスペー
サとスペーサ板にも変位差が生じる。ここで、キャビテ
ィを形成するスペーサとスペーサ板に大きな変位差が生
じても、キャビティのシール部分が接触してシール部分
に大きな接触応力が発生しないようにするには、組立て
時にシール部分に大きな隙間を開けておく必要がある。
しかし、キャビティのシール部分に大きな隙間がある
と、キャビティのシールが困難となり、回収冷媒が漏れ
るという問題がある。又、スペーサとスペーサ板に低温
供給冷媒と高温回収冷媒が直接接触しているため、先に
延べた大きな熱応力や変形が生じるという問題点もあっ
た。更に、スペーサ板はホイールとスペーサの間の限ら
れた間隙に配置されるため、ホイールやスペーサに比べ
て軸方向に薄い部材となり、強度が弱くなるのが通常で
あるが、該公知例では更にスペーサ板に冷媒供給孔や冷
媒回収孔やボルト穴などが空いているため、応力集中が
発生する原因となり、ますます強度が弱くなるという課
題もある。又、ロータの危険速度を考えた時、ある場所
にスタッキング面が存在するとその場所にスタッキング
面が存在しない時に比べて、ロータが曲がることによっ
て発生するロータの曲げ１次危険速度は低下する。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、通常はロータの曲げ
１次危険速度は高くなるように設計する。しかし、該公
知例ではホイールとスペーサの間にスペーサ板を設ける
ことによってスペーサ板が存在しない状態に比べてスタ
ッキング面が増えている。このため、ロータの曲げ１次
危険速度が低下するという課題が残る。
【００１２】本発明の目的は、スタッキング面を増やす
ことなく、構造部材としての強度を維持し、ホイールに
発生する熱応力を低減することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明のタービンロータ
は、冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形成したタービ
ン動翼と、外周部に複数の前記タービン動翼を環状に配
設してタービンロータを構成する複数のホイールと、前
記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に配設され
る環状部材と、前記環状部材の側面に位置する該ホイー
ルの側面に設けられた耐熱性部材とを備え、前記タービ
ン動翼にて熱交換され該冷媒経路を通過して流下する加
熱された冷媒の流路を、前記環状部材と前記耐熱性部材
との間に位置するよう構成し、前記環状部材に面するよ
うにしたことを特徴とする。
【００１４】或いは、本発明のタービンロータは、冷媒
が流れる冷媒経路をその内部に形成したタービン動翼
と、外周部に複数の前記タービン動翼を環状に配設して
タービンロータを構成する複数のホイールと、前記複数
のホイールのうち隣り合うホイール間に配設される環状
部材と、前記環状部材の側面に位置する該ホイールの側
面に設けられた耐熱性部材とを備え、該タービン動翼に
て熱交換され該冷媒経路を通過して流下する加熱された
冷媒の流路を、前記環状部材と前記耐熱性部材との間に
位置するよう構成し、前記環状部材に面するように配置
し、該耐熱性部材と前記環状部材との間に空間部を形成
したことを特徴とする。
【００１５】或いは、本発明のタービンロータは、冷媒
が流れる冷媒経路をその内部に形成したタービン動翼
と、外周部に複数の前記タービン動翼を環状に配設して
タービンロータを構成する複数のホイールと、前記複数
のホイールのうち隣り合うホイール間に配設されるスペ
ーサ部材と、前記スペーサ部材の側面に面したホイール
の側面に仕切り部材を設置し、前記冷媒経路を通過して
該タービン動翼から流下する冷媒の流路を、前記スペー
サ部材と前記仕切り部材との間に位置するよう構成し、
前記冷媒を導く経路で前記仕切り部材と該スペーサ部材
の間に空間を形成するようにしたことを特徴とする。
【００１６】或いは、本発明のタービンロータは、冷媒
が流れる冷媒経路をその内部に形成したタービン動翼
と、外周部に複数の前記タービン動翼を環状に配設して
ガスタービンのタービンロータを構成する複数のホイー
ルと、前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に
配設されるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の側面に
面したホイールの側面に仕切り部材を設置し、前記冷媒
経路を通過して該タービン動翼から流下する冷媒の流路
を、前記スペーサ部材と前記仕切り部材との間に位置す
るよう構成し、前記冷媒を導く経路で前記仕切り部材と
該スペーサ部材の間に空間を形成し、前記スペーサ部材
の側面に面したホイールと該仕切り部材との間に空間を
形成するようにしたことを特徴とする。
【００１７】或いは、本発明のタービンロータは、外周
部にタービン動翼を固定する第一及び第二のホイール
と、前記第一のホイールと前記第二のホイールとに挟ま
れるように配置されたスペーサとを備え、前記第一及び
第二のホイールのうち少なくとも一方と該スペーサとの
間に仕切り部材を設け、該タービン動翼を冷却する冷媒
が流れる冷媒経路を該タービン動翼内に設け、前記冷媒
経路を通過して該タービン動翼から排出される冷媒の流
路を、前記スペーサと前記仕切り部材との間に位置する
よう構成し、前記冷媒の回収経路中に前記仕切り部材と
該スペーサとで形成されるキャビティを設けることを特
徴とする。
【００１８】
【００１９】
【００２０】或いは、本発明のタービンロータのタービ
ン動翼冷却方法は、外周部に複数の前記タービン動翼を
環状に配設してタービンロータを構成する複数のホイー
ルと、前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に
配設される環状部材とを備えたタービンロータのタービ
ン動翼冷却方法であって、前記環状部材の側面に位置す
る該ホイールの側面に耐熱性部材を設け、該タービン動
翼内部に形成した冷媒経路に冷媒を流し、該タービン動
翼にて熱交換され該冷媒経路を通過して流下する加熱さ
れた冷媒の流路を、前記環状部材と前記耐熱性部材との
間に位置するよう構成し、前記環状部材に面するように
流すことを特徴とする。
【００２１】或いは、本発明のタービンロータのタービ
ン動翼冷却方法は、外周部にタービン動翼を固定する第
一及び第二のホイールと、前記第一のホイールと前記第
二のホイールとに挟まれるように配置されたスペーサと
を備えたタービンロータのタービン動翼冷却方法におい
て、前記第一及び第二のホイールのうち少なくとも一方
と該スペーサとの間に仕切り部材を設け、該タービン動
翼内に設けられた冷媒経路に該タービン動翼を冷却する
冷媒を通過させ、該タービン動翼から流れてくる冷媒の
流路を、前記スペーサと前記仕切り部材との間に位置す
るよう構成し、前記冷媒を前記仕切り部材と該スペーサ
とで形成されるキャビティを介して排出することを特徴
とする。
【００２２】或いは、本発明のタービンロータのタービ
ン動翼冷却方法は、外周部にタービン動翼を固定する第
一及び第二のホイールと、前記第一のホイールと前記第
二のホイールとに挟まれるように配置されたスペーサと
を備えたタービンロータのタービン動翼冷却方法におい
て、前記第一及び第二のホイールのうち少なくとも一方
と該スペーサとの間で該スペーサに仕切り部材を該ホイ
ールと該スペーサとがロータ軸方向で接触するスタッキ
ング面が増加しないように設け、該タービン動翼内に設
けられた冷媒経路に該タービン動翼を冷却する冷媒を通
過させ、該タービン動翼から流れてくる冷媒の流路を、
前記スペーサと前記仕切り部材との間に位置するよう構
成し、前記冷媒を前記仕切り部材と該スペーサとで形成
されるキャビティを介して排出することを特徴とする。
【００２３】或いは、本発明のタービンロータを備えた
ガスタービンは、冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形
成したタービン動翼と、外周部に複数の前記タービン動
翼を環状に配設してタービンロータを構成する複数のホ
イールと、前記複数のホイールのうち隣接するホイール
間に配設され、前記タービン翼を流下する液体の侵入を
防止する環状部材と、前記環状部材の側面に位置する該
ホイールの側面に設けられた耐熱性部材とを備え、前記
タービン動翼にて熱交換され該冷媒経路を通過して流下
する加熱された冷媒の流路を、前記環状部材と前記耐熱
性部材との間に位置するよう構成し、前記環状部材に面
するようにしたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態では、２つの
ホイールに挟まれるように配置されるスペーサ等に低温
供給冷媒と高温回収冷媒の両方が同時に接触しないよう
な構造とすることによって、上に述べたスペーサ内の大
きな温度分布の発生を抑え大きな熱応力の発生を抑制し
ている。
【００２５】更に、キャビティ（空間）がホイールに直
接触れない構造とするため、ホイールとスペーサの間に
スペーサ板を配置してスペーサとスペーサ板によって回
収キャビティを形成している。ここで、スペーサ板は、
仕切り部材の役割を果たすものであり、その形状は、環
状であり、環状部材である。
【００２６】ホイールに高温回収冷媒が直接接触しない
ため、ホイールに軸方向の温度分布がつきにくく、ホイ
ールの熱変形量や熱応力が軽減される。この時、スペー
サ板は高温回収冷媒と直接接触するため高温となるが、
スペーサ板とホイールの間にもキャビティを設けること
によってスペーサ板とホイールが広範囲で直接接触しな
いような構造としてスペーサ板の熱がホイールに伝わり
にくいようにしている。又、スペーサ板をスペーサに焼
き嵌又は冷し嵌することによってスペーサ板をスペーサ
に固定して、スペーサ板がスペーサと連動して動く構造
を考案することによって、回収キャビティを形成するス
ペーサとスペーサ板の変位差を少なくしている。この変
位差を少なくすることによって、シール構造が容易とな
り回収キャビティからの漏れ量を軽減することができ
る。又、スペーサ板を設けてもスタッキング面が増えな
い構造とすることによって、ロータ振動の曲げ１次危険
速度が低下しないような構造としている。
【００２７】又、別の形態として、スペーサ板に冷媒回
収孔や冷媒供給孔を開けない構造とすることによってス
ペーサ板の強度低下を防いでいる。
【００２８】更に、別の形態として、スペーサにも冷媒
回収孔を開けない構造とすることによって、スペーサの
強度低下を防いでいる。
【００２９】（実施例）以下、本発明の実施の形態を図
面を用いて説明する。図２４にガスタービンの全体図、
図２５にガスタービンのタービン部分の拡大断面図を示
す。
【００３０】図２４に示すように、ガスタービンは、圧
縮機３０１，燃焼器３０２及びタービン３０３とを備え
ている。ガスタービンでは、圧縮機３０１で空気を圧縮
し、その圧縮空気を燃焼器３０２へ導く。燃焼器３０２
で圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させて、そのエネル
ギをタービン３０３で回収してタービン３０３を回転す
るものである。ガスタービン運転時に、燃焼器３０２で
は、常に作動流体の燃焼が行われている。圧縮機３０１
及びタービン３０３は軸３０４を中心として高速で回転
している。
【００３１】また、図２５に示すように、タービン３０
３は、外周部に複数のタービン動翼を環状に配設してタ
ービンロータを構成する複数のホイールである１段ホイ
ール３１１，２段ホイール３１２，３段ホイール３１３
等を備えている。複数のホイールのうち隣り合うホイー
ル間に配設されるスペーサ部材として、１段スペーサ３
１４，２段スペーサ３１５等のスペーサを備えている。
ボルト３３４は、これらのホイールやスペーサに貫通す
るように通されている。タービンロータには、ホイール
やスペーサがボルト３３４によって締め付け固定されて
いる。ここで、ボルト３３４によって締め付けられてホ
イールとスペーサが接触している部分をスタッキング面
と称する。このスタッキング面はロータ軸方向でホイー
ルとスペーサとが接触する面である。
【００３２】更に、タービン３０３は、燃焼器３０２で
燃焼された作動流体が有するエネルギを取り出す１段タ
ービン動翼３１７，２段タービン動翼３１８及び３段タ
ービン動翼３１９を備えている。ここで、作動流体は、
図２５中で矢印３１６で示すように流れる。つまり、高
温の作動流体の流れ方向は、タービン動翼の１段側から
３段側に向かう方向である。
【００３３】それぞれのタービン動翼には、タービン動
翼を冷却する冷却経路を含む機構が設けられている。つ
まり、タービン動翼内に冷却の供給冷媒を通過させる経
路を備えている。例えば、１段タービン動翼３１７で
は、供給冷媒を供給する供給孔３２４と、この供給孔３
２４から供給キャビティ３２０まで供給冷媒を導く供給
母管３２５と、供給冷媒を集める供給キャビティ３２０
と、１段タービン動翼３１７内の冷却通路と、回収冷媒
を集める回収キャビティ３２２と、この回収キャビティ
３２２から回収孔３２６まで回収冷媒を導く回収母管３
２７と、回収孔３２６とを備えている。また、２段ター
ビン動翼３１８では、供給冷媒を供給する供給孔３２４
と、この供給孔３２４から供給キャビティ３２１まで供
給冷媒を導く供給母管３２５と、供給冷媒を集める供給
キャビティ３２１と、２段タービン動翼３１８内の冷却
通路と、回収冷媒を集める回収キャビティ３２３と、こ
の回収キャビティ３２３から回収孔３２６まで回収冷媒
を導く回収母管３２７と、回収孔３２６とを備えてい
る。
【００３４】１段タービン動翼３１７と２段タービン動
翼３１８とは、燃焼器３０２に近いため、特に高温にさ
らされる。このため、１段タービン動翼３１７と２段タ
ービン動翼３１８は、特に冷媒によって冷却される。矢
印３２８は１段タービン動翼３１７を冷却する冷媒の流
れる方向、矢印３２９は２段タービン動翼３１８を冷却
する冷媒の流れる方向である。
【００３５】ここで、ロータを形成するホイールとスペ
ーサの数、又、冷却をされるタービン動翼の数やそれに
伴うキャビティの数等がこれと違ってもよいことを承知
されたい。
【００３６】また、ここで使用されている冷媒には圧縮
機３０１から取り出された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から取り出された蒸気を用い
ることが考えられる。タービン動翼を冷却する前の冷媒
は低温であり、タービン動翼を冷却した後の冷媒は高温
である。
【００３７】このようなガスタービンでは、２段スペー
サ３１５には低温である冷媒供給キャビティ３２１しか
存在せず、１段スペーサ３１４には高温である冷媒回収
キャビティ３２２，３２３しか存在しない。つまり、１
つのスペーサに低温供給冷媒と高温回収冷媒が同時に接
触しないように形成されている。
【００３８】本実施例では、ロータ軸方向で１段タービ
ン動翼３１７内の冷却方向と２段タービン動翼３１８内
の冷却方向を逆方向としている。そのため、１段スペー
サ３１４の一方の側には、１段タービン動翼３１７内を
通過した高温の冷媒が接触し、１段スペーサ３１４の他
方の側には、２段タービン動翼３１８内を通過した高温
の冷媒が接触することになり、１段スペーサ３１４の両
側において、あまり温度差が発生しない。
【００３９】このため、１つのスペーサに温度分布（温
度勾配）がつきにくく、温度分布（温度差）による熱応
力の発生や熱変形が抑制される。但し、回収キャビティ
３２２及び回収キャビティ３２３の中の高温回収冷媒が
ホイール側面部３３０及びホイール側面部３３１に直接
接触しているため、ホイールのメタル温度が上昇してホ
イールの許容応力が低下して強度が弱くなるという課題
が残る。
【００４０】更に、ホイール側面部３３２やホイール側
面部３３３には、供給キャビティ３２０や供給キャビテ
ィ３２１の中の低温供給冷媒が接触しているため、ロー
タ軸方向でホイールに温度分布が生じて温度差による熱
応力発生や熱変形が生じるという課題が残る。
【００４１】次に、ロータ軸方向でホイールの温度分布
が生じることを抑制又は防止する機構について、図２６
を用いて説明する。図２６は、１段タービン動翼３１７
付近の拡大断面図を示す。
【００４２】図２６に示す本実施例では、供給キャビテ
ィ３２０と回収キャビティ３２２をつなぐように、１段
ホイール３１１内でロータ軸方向に貫通している穴３４
０を設けている。本実施例では、低温冷媒を集める供給
キャビティ３２０と高温冷媒を集める回収キャビティ３
２２が穴３４０でつながっているため、供給キャビティ
３２０内の低温冷媒と回収キャビティ３２２内の高温冷
媒とが混合する。そして、この両者の温度差が減少す
る。つまり、１段ホイール３１１の供給キャビティ３２
０側と回収キャビティ３２２側の温度差が減少する。こ
のため、ロータ軸方向における１段ホイール３１１内の
温度差による熱応力の発生が抑制され、ホイールの熱変
形を抑制又は防止することができる。従って、ホイール
の信頼性を向上することができる。
【００４３】但し、本実施例では、供給キャビティ３２
０内の低温冷媒が回収キャビティ３２２側へ漏れるた
め、タービン動翼を冷却するための冷媒が不足すること
が考えられる。この不足分を補うため、あらかじめター
ビン動翼を冷却するための冷媒を多くする必要がある。
しかし冷媒の量を増加させると、その分の損失が増大す
るため、効率が低下するという問題が生じる。
【００４４】図１は、本発明におけるタービンの実施例
である。このタービンは、１段ホイール１，２段ホイー
ル２，３段ホイール３等のホイールを備え、環状の１段
スペーサ４，２段スペーサ５等のスペーサを備えてい
る。
【００４５】本実施例では、仕切り部材としてスペーサ
板１５及びスペーサ板１６をスペーサ部材の側面に面し
たホイールの側面に設けている。このスペーサ板１５及
びスペーサ板１６は、環状の耐熱性の部材であり、それ
ぞれホイールとスペーサの間に挟まれるように配置され
る。このような耐熱性の仕切り部材をタービン動翼から
排出する冷媒の冷却通路中に設けることで、加熱された
冷媒がホイールに直接に触れないため、ホイールに発生
する熱応力を低減することができる。また、スタッキン
グ面を増加させないように配置される。例えば、スペー
サ板の内周部の直径（リング状のスペーサ板）がスタッ
キング面の外径よりも大きいスペーサ板を設ける。スタ
ッキング面を増加させないように配置することで、構造
部材としての強度を維持することができる。
【００４６】図２９に、図１のタービンロータの環状部
材であるスペーサ４を１段動翼側から見た部分図を示
す。冷媒は、供給孔２２から１段タービン動翼７内に送
り込まれる。そして、１段タービン動翼７内を冷却して
流れてくる冷媒は、１段タービン動翼にて熱交換されて
加熱されて冷却回収通路３８を通過する。冷却回収通路
３８から流れてくる加熱された冷媒は、矢印５０９のよ
うに、環状の空間である回収キャビティ９へ導かれる。
その後、冷媒は、回収キャビティ９から回収母管７１を
通り回収孔２３に導かれる。最終的には、この冷媒はタ
ービンロータ外へ排出される。加熱された冷媒が集中す
る環状空間である回収キャビティ９付近では、多くの熱
量を持った冷媒が存在して、周辺の部材に与える熱影響
が多く、この部分での熱影響を抑制することで周辺部材
の熱変形等を顕著に抑制することができる。なお、スペ
ーサ板１５と１段ホイール１との間に環状の空間を設け
ることで、ホイールへの熱影響を更に低減することがで
きる。
【００４７】ここで、５０７は、スペーサ板１５とホイ
ール１が隣接する面、５０８は、１段スペーサ４とホイ
ール１が隣接するスタッキング面を示す。
【００４８】スペーサ板１５及びスペーサ板１６の外周
部であるスペーサ板外周部１１及びスペーサ板外周部１
２は、スペーサ突出部１３及びスペーサ突出部１４の内
周側に接触する。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は
翼の下部の１段ホイール１の中でＬ字型に１段スペーサ
４の方向に曲がって、スペーサ内の冷媒回収通路３８を
通って、回収キャビティ９へ導かれる。
【００４９】また、２段タービン動翼８を冷却した冷媒
は翼の下部の２段ホイール２の中でＬ字型に１段スペー
サ４の方向へ曲がって、スペーサ内の冷媒回収通路３９
を通って回収キャビティ１０へ導かれる。
【００５０】図２は前記スペーサ板１５，１６を軸方向
から見たものの１部である。これらのスペーサ板にはタ
ービン動翼を冷却した冷媒を回収するための冷媒回収通
路は存在しない。このため、スペーサ板に冷媒回収通路
などの穴が空いていることによる応力集中が発生しない
ため、スペーサ板に発生する応力が低減されスペーサ板
の信頼性が向上する。
【００５１】又、スペーサ板は高温回収冷媒に直接接触
するため、耐熱材を用いることが望ましい。例えば、Ｊ
ＩＳ(ＳＵＨ）やＮｉ基合金（非時効硬化型，Ｃ：０.０
５重量％，Ｓｉ：０.１重量％，Ｍｎ：０.１重量％，Ｃ
ｒ：１９重量％，Ｍｏ：３重量％，Ｃｏ：０.５重量
％，Ｆｅ：１８.５重量％，残部Ｎｉ）等があげられ
る。仕切り部材であるスペーサ板に耐熱鋼を用いること
によりスペーサ板の寿命が延長し信頼性が向上する。
【００５２】次に、スペーサ板１５及びスペーサ板１６
の取り付け方法について説明する。このスペーサ板１５
及びスペーサ板１６のスペーサ板外周部１１及びスペー
サ板外周部１２がスペーサ４のスペーサ突出部１３及び
スペーサ突出部１４の内周部に接触するように取り付け
る必要がある。その手順の一例として、まず、スペーサ
４を加熱してスペーサ板外周部１１及びスペーサ板外周
部１２が接触するスペーサ突出部１３及びスペーサ突出
部１４の内周の直径を熱膨張によって増大させた後、ス
ペーサ板１５及びスペーサ板１６をスペーサ４に軸方向
に組み込む。
【００５３】このような方法を焼き嵌と呼ぶ。このよう
にすると、スペーサ４の温度が低下するとスペーサ４の
熱膨張がなくなるため、スペーサ板外周部１１及びスペ
ーサ板外周部１２と接触するスペーサ突出部１３及びス
ペーサ突出部１４の内周の直径が減少してスペーサ板外
周部１１及びスペーサ板外周部１２と密着するようにな
る。
【００５４】又、別の方法として、スペーサ板１５及び
スペーサ板１６を冷やしてスペーサ板外周部１１及びス
ペーサ板外周部１２の直径を収縮させた後、スペーサ４
に軸方向に組み込む。つまり、冷し嵌めを行う。スペー
サ板１５及びスペーサ板１６の温度が上昇すると、スペ
ーサ板外周部１１及びスペーサ板外周部１２の直径が増
加してスペーサ突出部１３及びスペーサ突出部１４の内
周側と密着する。
【００５５】また、タービンロータには、ホイールやス
ペーサがボルト２１によって締め付け固定されている。
ここで、ボルト２１によって締め付けられてホイールと
スペーサが接触している部分をスタッキング面と称す
る。
【００５６】更に、このタービンは、作動流体が有する
エネルギを取り出す１段タービン動翼７，２段タービン
動翼８を備えている。そして、１段タービン動翼７で
は、供給冷媒を供給する供給孔２２と、この供給孔２２
から供給キャビティ２８まで供給冷媒を導く供給母管２
７と、供給冷媒を集める供給キャビティ２８と、１段タ
ービン動翼７内の冷却通路と、回収冷媒を集める回収キ
ャビティ９と、この回収キャビティ９から回収孔２３ま
で回収冷媒を導く回収母管７１と、回収孔２３とを備え
ている。
【００５７】また、２段タービン動翼８では、供給冷媒
を供給する供給孔と、この供給孔から供給キャビティ２
６まで供給冷媒を導く供給母管２４と、供給冷媒を集め
る供給キャビティ２６と、２段タービン動翼８内の冷却
通路と、回収冷媒を集める回収キャビティ１０と、この
回収キャビティ１０から回収孔２３まで回収冷媒を導く
回収母管７１と、回収孔２３とを備えている。
【００５８】この回収キャビティ９及び回収キャビティ
１０は、各々その内部の回収冷媒が１段ホイール１又は
２段ホイール２に接触しないように形成されている。そ
のため、１段ホイール１又は２段ホイール２は、回収冷
媒の温度影響を受けづらい。ホイールが局部的に高温と
なることが抑制される。
【００５９】更に、本実施例では、スペーサ板１５と１
段ホイール１との間やスペーサ板１６と２段ホイール２
の間に、回収キャビティ９及び回収キャビティ１０とは
別のキャビティが存在する。例えば、スペーサ板１５と
１段ホイール１のホイール側面２９が直接接触しておら
ず、この間に空気層が存在している。
【００６０】同様に、スペーサ板１６と２段ホイール２
のホイール側面３０が直接接触しておらず、この間に空
気層が存在している。スペーサ板１５及びスペーサ板１
６とホイール側面２９及びホイール側面３０との間に、
空気層が存在すると、空気は熱伝導率が低いため、熱が
１段ホイール１や２段ホイール２に伝わりにくくなる。
このため、高温回収冷媒が１段ホイール１と２段ホイー
ル２に直接接触せず、更に、スペーサ板とホイール側面
の間に空気層が存在することによって熱伝導によるスペ
ーサ板１５等から１段ホイール１等への熱の移動が起こ
りにくいため、更に、ホイールが局部的に高温となるこ
とが抑制される。
【００６１】そして、１段ホイール１と２段ホイール２
との温度分布では温度勾配が生じづらく、温度差による
熱応力や熱変形の発生を軽減できる。
【００６２】ここで、２６ａは、１段タービン動翼７を
冷却する冷媒が流れる方向を示したものであり、２７ａ
は、２段タービン動翼８を冷却する冷媒が流れる方向を
示したものである。ここに、タービン動翼を冷却した後
に回収する回収冷媒は高温となっている。
【００６３】また、ホイール外周部にはタービン動翼が
取り付けられているため、ホイールにはその分の遠心力
が作用しており、ホイールには大きな応力が作用してい
る。ここで、高温となっている回収冷媒がホイールに直
接接触するとホイールのメタル温度が上昇してホイール
の許容応力が低下し、ホイールの強度が低下する。この
ホイール強度の低下を防ぐために、本発明の回収キャビ
ティ９，１０は高温回収冷媒がホイール側面部２９，３
０に直接接触しないように形成されている。
【００６４】又、重量が大きいタービン動翼を取り付け
た時は、ホイールには特に大きな応力が発生する。ここ
でスペーサ板１５，１６の遠心力はスペーサ４のスペー
サ突出部１３，１４に作用するため、１段ホイール１，
２段ホイール２にはスペーサ板による遠心力が作用しな
い。このため、スペーサ板を設けたことによってホイー
ルに作用する遠心力が増加して、ホイールの信頼性が低
下することを防止できる。
【００６５】又、回収キャビティから回収冷媒が漏れる
と回収できる冷媒の量が減少してガスタービンの効率が
低下する。このため隙間１７，１８部分には、回収キャ
ビティ内の回収冷媒が漏れないようにするためシール構
造を設ける。図２７はシール構造の１例である。
【００６６】３４２はスペーサ４の隙間１７付近であ
り、３４１はスペーサ板１５の隙間１７付近であり、３
４３はホイールである。スペーサ３４２部分には図のよ
うに溝が設けられており、スペーサ板１５部分にも図の
ように溝が設けられている。３４５はこの溝内部に挿入
されているシールプレートである。このように溝内部に
シールプレート３４５を挿入することによって、矢印３
４６方向に回収キャビティ内から漏れようとする回収冷
媒の流れを止めることによってシールをすることが考え
られる。このようなシール構造においては、スペーサ板
３４１とスペーサ３４２に変位差が生じて、スペーサ板
３４１の溝とスペーサ３４２の溝に大きなずれが生じる
とシールが困難となる。本発明における回収キャビティ
９，１０は前述のようにスペーサ４とスペーサ板１５，
１６によって形成されている。
【００６７】そして、スペーサ板１５，１６をスペーサ
４に焼き嵌又は冷し嵌してスペーサ板１５，１６をスペ
ーサ４に固定しているため、スペーサ４が温度上昇によ
る熱膨張変形したとき、スペーサ板１５，１６はスペー
サ４の変形量に連動して動く。このため、回収キャビテ
ィを形成するスペーサ４とスペーサ板１５，１６の間の
変位差は常に少なくなるため隙間１７，１８のシールが
容易となり、回収キャビティ９，１０からの回収冷媒の
漏れ量が減少して、回収できる冷媒の量が増加して、ガ
スタービンの効率が向上する。
【００６８】また、回収キャビティ９，１０の隙間量１
７，１８の周方向分布も少なくなるため、回収冷媒の局
所的な漏れも減少して、スペーサ４，ホイール１，２に
周方向温度分布がつきにくくなり、スペーサ４とホイー
ル１，２が接触しているスタッキング面に周方向に温度
分布がつき、温度上昇による軸方向の熱膨張量が周方向
位置によって変化することによって起こるスタッキング
面の凹凸が生じにくくなり、スタッキング面の平面度が
高くなってスタッキング面の密着度が向上する。
【００６９】このため、スタッキング面の摩擦力の低下
を抑制でき、スタッキング面の滑りを抑制でき、ホイー
ルとスペーサを固定しているボルト３３４に大きなせん
断力が作用することを防止できる。
【００７０】又、ロータの危険速度を考えた時、ある場
所にスタッキング面が存在するとその場所にスタッキン
グ面が存在しない時に比べて、ロータが曲がることによ
って発生するロータの曲げ１次危険速度は低下する。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ことが多いため、通常は
ロータの曲げ１次危険速度は少しでも高くなるように設
計する。本発明によるタービンロータではスペーサ板１
５を１段スペーサ４と１段ホイール１の間に配置し、ス
ペーサ板１６を１段スペーサ４と２段ホイール２の間に
配置しているにもかかわらず、スタッキング面は増加し
ていない。このため、ロータの曲げ１次危険速度が低下
することも抑制できる。
【００７１】図３は、図１で示した実施例のホイール
１，２、スペーサ４、スペーサ板１５，１６の変形例で
ある。
【００７２】５１は１段ホイール、５２は１段ホイール
５１と隣接する１段スペーサ、５３は１段ホイール５１
と１段スペーサ５２に挟まれるように配置されるスペー
サ板、５４は冷媒回収通路である。このスペーサ板５３
は５５の位置で外周部がスペーサ突出部５６の内周部に
接触するようにスペーサに焼き嵌又は冷し嵌されてい
る。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部の１
段ホイール５１の中でＬ字型に１段スペーサ５２の方向
に曲がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を通り、その
後、スペーサ内の冷媒回収通路を通って、回収キャビテ
ィ９へ導かれる。図４は、このスペーサ板５３を軸方向
から見た１部分の図である。このスペーサ板には冷媒を
回収するための冷媒回収通路５７が存在する。この実施
例では、冷媒回収通路の近傍５８，５９において、ホイ
ールとスペーサの間にスペーサ板が挟まれているため、
この部分が遮熱される。このため、冷媒回収通路の近傍
５８と５９の間に温度差が生じても、これらの温度差に
よって冷媒回収通路近傍に大きな熱応力が発生すること
を抑制できる。
【００７３】又、図５は図３で示した実施例のスペーサ
５２の変形例である。
【００７４】６０はスペーサ、６１は冷媒回収通路であ
る。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部の１
段ホイール５１の中でＬ字型にスペーサ６０の方向に曲
がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を通って、回収キ
ャビティ９へ導かれる。この実施例では、スペーサに冷
媒を回収するための冷媒回収通路が存在しない。このた
め、スペーサに冷媒回収通路による応力集中が発生しな
いため、スペーサ内の発生応力が軽減され、スペーサの
信頼性が向上する。
【００７５】図６は本発明によるタービンロータの別の
形態を示す。
【００７６】１０１は１段ホイール、１０２は２段ホイ
ール、１３３は１段スペーサである。１３１，１３２は
それぞれホイールとスペーサの間に挟まれるように配置
され、その下端の突出部の外周側１３４，１３５がスペ
ーサ肩部の突出部１３６，１３７の内周側に接触してい
るスペーサ板である。１段タービン動翼７を冷却した冷
媒は翼の下部の１段ホイール１０１の中でＬ字型に１段
スペーサ１３３の方向に曲がって、スペーサ内の冷媒回
収通路１４１を通って、回収キャビティ144へ導かれ
る。また２段タービン動翼８を冷却した冷媒は翼の下部
の２段ホイール１０２の中でＬ字型に１段スペーサ１３
３の方向へ曲がって、スペーサ内の冷媒回収通路１４２
を通って回収キャビティ１４５へ導かれる。図７は前記
スペーサ板１３１，１３２を軸方向から見たものの１部
である。このスペーサ板にはタービン動翼を冷却した冷
媒を回収するための冷媒回収通路は存在しない。このた
め、スペーサ板に冷媒回収通路などの穴が空いているこ
とによる応力集中が発生しないため、スペーサ板に発生
する応力が低減されスペーサ板の信頼性が向上する。ス
ペーサ板１３１，１３２の内周部の突出部の外周側１３
４，１３５が、スペーサ肩部の突出部１３６，１３７の
内周側に接触するように取り付ける方法として、焼き嵌
又は冷し嵌を用いる。また２１はホイールとスペーサを
固定するためのボルト３３４が通るボルト穴であり、２
２は冷媒を供給するための供給孔、２３は冷媒を回収す
るための回収孔である。１４４は１段スペーサ１３３と
スペーサ板１３１によって形成される１段タービン動翼
７を冷却して高温となった冷媒を集めるための回収キャ
ビティであり、１４５は１段スペーサ１３３とスペーサ
板１３２によって形成される２段タービン動翼８を冷却
して高温となった冷媒を集めるための回収キャビティで
ある。回収キャビティ１４４，１４５はキャビティ内の
高温回収冷媒が１段ホイール１０１又は２段ホイール１
０２に接触しないように形成されていることが理解され
よう。このため、１段ホイール１０１と２段ホイール１
０２に高温回収冷媒が直接接触しないため、１段ホイー
ル１０１と２段ホイール１０２に温度分布がつきにく
く、温度分布による熱応力や熱変形の発生を軽減でき
る。又、２４，２７は供給孔２２から供給キャビティ２
６，２８まで冷媒を導く供給母管であり、２５は回収キ
ャビティ１４４，１４５から回収孔２３まで冷媒を導く
回収母管である。２６ａは１段タービン動翼７を冷却す
る冷媒が流れる方向を示したものであり、２７ａは２段
タービン動翼８を冷却する冷媒が流れる方向を示したも
のである。ここで、タービン動翼を冷却した後に回収さ
れる回収冷媒は高温となっている。又、回収キャビティ
内の回収冷媒が漏れないようにするため隙間１４６には
シール構造を設ける。図２８は隙間146部分のシール構
造の１例である。３５１はスペーサ１３３の隙間１４６
付近、３５２はスペーサ板１３１の隙間１４６付近であ
る。３５２部分には溝が設けられている。３５３はこの
溝内部に挿入されているシールワイヤである。このよう
にシールワイヤ３５３を挿入して矢印３５５方向に回収
キャビティ内から漏れようとする回収冷媒の流れを止め
ることによってシールをすることが考えられる。このよ
うなシール構造においては、スペーサ板３５２とスペー
サ３５１に変位差が生じて、スペーサ板３５２の溝とス
ペーサ３５４の間に大きな隙間が生じるとシールが困難
となる。本実施例ではスペーサ板１３１，１３２が１段
スペーサ１３３に焼き嵌又は冷し嵌され、スペーサ板１
３１，１３２が１段スペーサ133に固定されているた
め、本実施例における回収キャビティ１４４，１４５を
形成する１段スペーサ１３３とスペーサ板１３１，１３
２も連動して動く構造となっている。このため、隙間１
４６，１４７は常に小さくなるため、１４６，１４７の
シール構造が容易となる。更にスペーサ板１３１，１３
２の遠心力はスペーサ肩部の突出部１３６，１３７の内
周側に作用する構造となっている。このためホイールに
スペーサ板１３１，１３２の遠心力は作用しない構造と
なっているため、ホイールに発生する応力を抑制するこ
とができる。更にスペーサ板１３１，１３２を配置して
もスタッキング面が増加しない構造となっているため、
曲げ１次危険速度の低下を抑制できる。
【００７７】図８は、図６で示した実施例のスペーサ１
３３、スペーサ板１３１，１３２の変形例である。
【００７８】１５１は１段ホイール１０１と隣接する１
段スペーサ、１５２は１段ホイール１０１と１段スペー
サ１５１に挟まれるように配置されるスペーサ板、１５
３は冷媒回収通路である。このスペーサ板１５２は図６
の実施例と同じく、１５４の位置でスペーサに焼き嵌又
は冷し嵌されている。１段タービン動翼７を冷却した冷
媒は翼の下部の１段ホイール１０１の中でＬ字型に１段
スペーサ１５１の方向に曲がって、スペーサ板内の冷媒
回収通路を通り、その後、スペーサ内の冷媒回収通路を
通って、回収キャビティ１４４へ導かれる。図９は、こ
のスペーサ板１５２を軸方向から見た１部分の図であ
る。このスペーサ板には冷媒を回収するための冷媒回収
通路１５５が存在する。この実施例では、冷媒回収通路
の近傍１５７，１５８において、ホイールとスペーサの
間にスペーサ板が挟まれているため、この部分が遮熱さ
れる。このため、冷媒回収通路の近傍１５７と１５８の
間に温度差が生じても、これらの温度差によって冷媒回
収通路近傍に大きな熱応力が発生することを抑制でき
る。
【００７９】又、図１０は図８で示した実施例のスペー
サ１５１の変形例である。
【００８０】１７１はスペーサ、１７２は冷媒回収通路
である。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部
の１段ホイール１０１の中でＬ字型にスペーサ１７１の
方向に曲がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を通っ
て、回収キャビティ１４４へ導かれる。この実施例で
は、スペーサに冷媒を回収するための冷媒回収通路が存
在しない。このため、スペーサに冷媒回収通路による応
力集中が発生しないため、スペーサ内の発生応力を軽減
され、スペーサの信頼性が向上する。
【００８１】又、図１１は図１０で示した実施例のスペ
ーサ板１５２の変形例である。
【００８２】１８１はスペーサ板、１８２は冷媒回収通
路である。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下
部の１段ホイール１０１の中でＬ字型にスペーサ１７１
の方向に曲がって、回収キャビティ１４４へ導かれる。
この実施例では、スペーサ板１８１にも冷媒回収通路が
ないため、冷媒回収通路による応力集中がなくなり、ス
ペーサ板１８１の内部の発生応力が軽減され、スペーサ
板の信頼性が向上する。
【００８３】図１２は本発明によるタービンロータの別
の形態を示す。
【００８４】２０１は１段ホイール、２０２は２段ホイ
ール、２０３は１段スペーサである。２０４，２０５は
それぞれホイールとスペーサの間に挟まれるように配置
され、その突出部２０６，２０７がホイール突出部２０
８，２０９の内周側に接触するスペーサ板である。本実
施例ではタービン動翼の下部が半径方向下側に長くなっ
ており、１段タービン動翼７を冷却した冷媒が通る冷媒
回収通路２１０は翼の内部でＬ字型に１段スペーサ２０
３の方向に曲がって、スペーサ内の冷媒回収通路を通っ
て、回収キャビティ２１３へ導かれる。また２段タービ
ン動翼８を冷却した冷媒が通る冷媒回収通路２１１も翼
の内部でＬ字型に１段スペーサ２０３の方向へ曲がっ
て、スペーサ内の冷媒回収通路を通って回収キャビティ
２１４へ導かれる。このような構造とすることによっ
て、高温回収冷媒が回収キャビティに到達するまでホイ
ールに接触しないようにすることができる。図１３は前
記スペーサ板２０４，２０５を軸方向から見たものの１
部である。このスペーサ板にはタービン動翼を冷却した
冷媒を回収するための冷媒回収通路は存在しない。この
ため、スペーサ板に冷媒回収通路などの穴が空いている
ことによる応力集中が発生しないため、スペーサ板に発
生する応力が低減されスペーサ板の信頼性が向上する。
スペーサ板２０４,２０５の突出部２０６,２０７が、ホ
イールの突出部２０８，２０９の内周側に接触するよう
に取り付ける方法として、焼き嵌又は冷し嵌を用いる。
また２１はこれらを固定するためのボルト３３４が通る
ボルト穴であり、２２は冷媒を供給するための供給孔、
２３は冷媒を回収するための回収孔である。２１３は１
段スペーサ２０３とスペーサ板２０４によって形成され
る１段タービン３０３動翼７を冷却して高温となった冷
媒を集めるための回収キャビティであり、２１４は１段
スペーサ２０３とスペーサ板２０５によって形成される
２段タービン動翼８を冷却して高温となった冷媒を集め
るための回収キャビティである。回収キャビティ２１
３，２１４はキャビティ内の高温回収冷媒が１段ホイー
ル２０１又は２段ホイール２０２に接触しないように形
成されていることが理解されよう。このため、１段ホイ
ール２０１と２段ホイール２０２に高温回収冷媒が直接
接触しないため、１段ホイール２０１と２段ホイール２
０２に温度分布がつきにくく、温度分布による熱応力や
熱変形の発生を軽減できる。又、２４，２７は供給孔２
２から供給キャビティ２６，２８まで冷媒を導く供給母
管であり、２５は回収キャビティ２１３，２１４から回
収孔２３まで冷媒を導く回収母管である。２６ａは１段
タービン動翼７を冷却する冷媒が流れる方向を示したも
のであり、２７ａは２段タービン動翼８を冷却する冷媒
が流れる方向を示したものである。ここで、タービン動
翼を冷却した後に回収される回収冷媒は高温となってい
る。又、スペーサ板２０４，２０５はホイール２０１，
２０２に焼き嵌又は冷し嵌されてホイール２０１，２０
２に固定されているため、本実施例における回収キャビ
ティ２１３を形成する１段ホイール２０１とスペーサ板
２０４は連動して動く構造となっており、回収キャビテ
ィ２１４を形成する２段ホイール２０２とスペーサ板２
０５も連動して動く構造となっている。このため、隙間
２２０，２２１は常に小さくなるため、回収冷媒が漏れ
ないための隙間２２０，２２１のシール構造が容易とな
り、回収キャビティ２１３，２１４からの冷媒の漏れ量
を軽減でき、効率の低下を抑制できる。またスペーサ板
２０４，２０５の遠心力はホイール突出部２０８，２０
９の内周側に作用する構造となっている。このためスペ
ーサにスペーサ板２０４，２０５の遠心力は作用しない
構造となっているため、スペーサに発生する応力を抑制
することができる。翼重量が小さくてホイールに発生す
る効力が低く、スペーサに発生する応力のほうが高い時
は、このようにスペーサ板による遠心力をホイールに作
用させることによってスペーサの信頼性向上を図ること
ができる。更にスペーサ板２０４，２０５を配置しても
スタッキング面が増加しない構造となっているため、曲
げ１次危険速度の低下を抑制できる。
【００８５】図３０は図１２で示した実施例のスペーサ
板２０４の変形例であり、２０４ａはスペーサ板であ
る。図１２に示した変形例では、スペーサ板２０４の重
心がスペーサ板の固定面である２０８よりも、２段動翼
側に偏っている。そのため、運転時に遠心力により固定
面に曲げ力が作用して、スペーサ板２０４がホイール２
０１から外れる可能性がある。図３０に示した実施例で
は、スペーサ板204ａの軸方向重心位置がスペーサ板２
０４ａの固定面位置に近いため、運転時にも遠心力によ
る曲げ力が固定面にあまり作用しない。このため、スペ
ーサ板２０４ａがホイール２０１から外れる可能性が低
く、ロータの信頼性が向上する。
【００８６】図１４は図１２で示した実施例のスペーサ
２０３の変形例である。
【００８７】２３１はスペーサ、２３２は冷媒回収通路
である。１段タービン３０３動翼７を冷却した冷媒は翼
の下部の１段ホイール２０１の中でＬ字型にスペーサ２
３１の方向に曲がって、回収キャビティ２１３へ導かれ
る。この実施例では、スペーサ２３１にも冷媒回収通路
がないため、冷媒回収通路による応力集中がなくなり、
スペーサ２３１に発生する応力が軽減され、スペーサの
信頼性が向上する。
【００８８】図１５は、図１２で示した実施例のスペー
サ２０３，スペーサ板２０４，205の変形例である。
【００８９】２４１は１段ホイール２０１と隣接するス
ペーサ、２４２はホイール２０１とスペーサ２４１に挟
まれるように配置されるスペーサ板、２４３は冷媒回収
通路である。このスペーサ板２４２は図１２の実施例と
同じく、２０８の位置でスペーサに焼き嵌又は冷し嵌さ
れている。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下
部の１段ホイール２０１の中でＬ字型に１段スペーサ２
４１の方向に曲がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を
通り、その後、スペーサ内の冷媒回収通路を通って、回
収キャビティ２１３へ導かれる。図１６は、このスペー
サ板２４２を軸方向から見た１部分の図である。このス
ペーサ板には冷媒を回収するための冷媒回収通路２４６
が存在する。この実施例では、冷媒回収通路の近傍２４
７，248において、ホイールとスペーサの間にスペーサ
板が挟まれているため、この部分が遮熱される。このた
め、冷媒回収通路の近傍２４７と２４８の間に温度差が
生じても、これらの温度差によって冷媒回収通路近傍に
大きな熱応力が発生することを抑制できる。
【００９０】又、図１７は図１５で示した実施例のスペ
ーサ２４１の変形例である。
【００９１】２５１はスペーサ、２５２は冷媒回収通路
である。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部
の１段ホイール２０１の中でＬ字型にスペーサ２５１の
方向に曲がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を通っ
て、回収キャビティ２１３へ導かれる。この実施例で
は、スペーサに冷媒を回収するための冷媒回収通路が存
在しない。このため、スペーサに冷媒回収通路による応
力集中が発生しないため、スペーサ内の発生応力が軽減
され、スペーサの信頼性が向上する。
【００９２】図１８は本発明によるロータの別の形態を
示す。
【００９３】２６１は１段ホイール３１１、２６２は２
段ホイール３１２、２６３は１段スペーサである。２６
４，２６５は、その下端の突出部の外周側２６６，２６
７がホイール肩部の突出部２６８，２６９の内周側に接
触しているスペーサ板である。１段タービン動翼７を冷
却した冷媒は翼の下部の１段ホイール２６１の中でＬ字
型に１段スペーサ２６３の方向に曲がって、冷媒回収通
路２７０を通って、回収キャビティ２７２へ導かれる。
また２段タービン動翼８を冷却した冷媒は翼の下部の２
段ホイール２６２の中でＬ字型に１段スペーサ２６３の
方向へ曲がって、冷媒回収通路２７１を通って回収キャ
ビティ２７３へ導かれる。図１９は前記スペーサ板２６
４，２６５を軸方向から見たものの１部である。このス
ペーサ板にはタービン動翼を冷却した冷媒を回収するた
めの冷媒回収通路は存在しない。このため、スペーサ板
に冷媒回収通路などの穴が空いていることによる応力集
中が発生しないため、スペーサ板に発生する応力が低減
されスペーサ板の信頼性が向上する。スペーサ板２６
４，２６５の突出部が、ホイール肩部の突出部２６８，
２６９の内周側に接触するように取り付ける方法とし
て、焼き嵌又は冷し嵌を用いる。また２１はこれらを固
定するためのボルト３３４が通るボルト穴であり、２２
は冷媒を供給するための供給孔、２３は冷媒を回収する
ための回収孔である。２７２は１段スペーサ２６３とス
ペーサ板２６４によって形成される１段タービン動翼７
を冷却して高温となった冷媒を集めるための回収キャビ
ティであり、２７３は１段スペーサ２６３とスペーサ板
２６５によって形成される２段タービン動翼８を冷却し
て高温となった冷媒を集めるための回収キャビティであ
る。回収キャビティ２７２，２７３はキャビティ内の高
温回収冷媒が１段ホイール２６１又は２段ホイール２６
２に接触しないように形成されていることが理解されよ
う。このため、１段ホイール２６１と２段ホイール２６
２に高温回収冷媒が直接接触しないため、１段ホイール
２６１と２段ホイール２６２に温度分布がつきにくく、
温度分布による熱応力や熱変形の発生を軽減できる。
又、２４，２７は供給孔２２から供給キャビティ２６，
２８まで冷媒を導く供給母管であり、２５は回収キャビ
ティ２７２，２７３から回収孔２３まで冷媒を導く回収
母管である。２６ａは１段タービン動翼７を冷却する冷
媒が流れる方向を示したものであり、２７ａは２段ター
ビン動翼８を冷却する冷媒が流れる方向を示したもので
ある。ここで、タービン動翼を冷却した後に回収される
回収冷媒は高温となっている。又、スペーサ板２６４，
２６５はホイール２６１，２６２に焼き嵌又は冷し嵌さ
れ、スペーサ板２６４，２６５がホイール２６１，２６
２に固定されているため、本実施例における回収キャビ
ティ２７２を形成する１段ホイール２６１とスペーサ板
２６４は連動して動く構造となっており、回収キャビテ
ィ２７３を形成する２段ホイール２６２とスペーサ板２
６５も連動して動く構造となっている。このため、隙間
２７５，２７６は常に小さくなるため、回収冷媒が漏れ
ないための隙間２７５，２７６のシール構造が容易とな
り、回収キャビティ２７２，２７３からの冷媒の漏れ量
を軽減でき、効率の低下を抑制できる。またスペーサ板
２６４，２６５の遠心力はホイール突出部２６８，２６
９の内周側に作用する構造となっている。このためスペ
ーサにスペーサ板２６４，２６５の遠心力は作用しない
構造となっているため、スペーサに発生する応力を抑制
することができる。更にスペーサ板２６４，２６５を配
置してもスタッキング面が増加しない構造となっている
ため、曲げ１次危険速度の低下を抑制できる。
【００９４】図２０は図１８で示した実施例のスペーサ
２６２の変形例である。
【００９５】２８１はスペーサ、２８２は冷媒回収通路
である。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部
の１段ホイール２６１の中でＬ字型にスペーサ２８１の
方向に曲がって、回収キャビティ２７２へ導かれる。こ
の実施例では、スペーサ281に冷媒回収通路がないた
め、冷媒回収通路による応力集中がなくなり、スペーサ
２８１に発生する応力が軽減され、スペーサの信頼性が
向上する。
【００９６】図２１は、図１８で示した実施例のホイー
ル２６１，スペーサ２６３，スペーサ板２６４，２６５
の変形例である。
【００９７】２９１はスペーサ２９２と隣接するホイー
ル、２９３はホイール２９１とスペーサ２９２に挟まれ
るように配置されるスペーサ板、２９４は冷媒回収通路
である。このスペーサ板２９３は図１８の実施例と同じ
く、２６８の位置でスペーサに焼き嵌又は冷し嵌されて
いる。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部の
１段ホイール２９１の中でＬ字型にスペーサ２９２の方
向に曲がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を通り、そ
の後、スペーサ内の冷媒回収通路を通って、回収キャビ
ティ２７２へ導かれる。図２２は、このスペーサ板２９
３を軸方向から見た１部分の図である。このスペーサ板
には冷媒を回収するための冷媒回収通路２９５が存在す
る。この実施例では、冷媒回収通路の近傍２９６，２９
７において、ホイールとスペーサの間にスペーサ板が挟
まれているため、この部分が遮熱される。このため、冷
媒回収通路の近傍２９６と２９７の間に温度差が生じて
も、これらの温度差によって冷媒回収通路近傍に大きな
熱応力が発生することを抑制できる。
【００９８】又、図２３は図２１で示した実施例のスペ
ーサ２９２の変形例である。
【００９９】２９８はスペーサ、２９９は冷媒回収通路
である。１段タービン動翼７を冷却した冷媒は翼の下部
の１段ホイール２９１の中でＬ字型にスペーサ２９８の
方向に曲がって、スペーサ板内の冷媒回収通路を通っ
て、回収キャビティ２７２へ導かれる。この実施例で
は、スペーサに冷媒を回収するための冷媒回収通路が存
在しない。このため、スペーサに冷媒回収通路による応
力集中が発生しないため、スペーサ内の発生応力が軽減
され、スペーサの信頼性が向上する。
【０１００】本実施例によれば、タービン動翼を冷却し
て高温となった回収冷媒を集めるための回収キャビティ
がホイールに接触しないように形成されるため、ホイー
ルのメタル温度の上昇が抑制されてホイールの強度低下
を抑制でき、ホイールに高温回収冷媒が直接接触しない
ためホイールに温度分布がつきにくく、温度分布による
熱応力や熱変形の発生を軽減できる。又、回収キャビテ
ィを形成するスペーサとスペーサ板が連動して動くた
め、回収キャビティからの回収冷媒の漏れが抑制されて
ガスタービンの効率低下を抑制できる。
【０１０１】更に、スペーサ板をホイールとスペーサの
間に配置してもスタッキング面が増加しない構造として
いるためロータの曲げ１次危険速度の低下を抑制でき、
ロータの曲げ１次危険速度がガスタービンの運転時の回
転数よりも低くなることを防止できる。
【０１０２】更に良い実施例によれば、ホイールとスペ
ーサの間の比較的小さな部材であるスペーサ板に穴が空
いていないため、スペーサ板の強度低下を防止できる。
【０１０３】更に良い実施例によれば、スペーサ板にも
穴が空いていないため、スペーサの強度低下も防止でき
る。
【０１０４】
【発明の効果】本発明によると、スタッキング面を増や
すことなく、構造部材としての強度を維持し、ホイール
に発生する熱応力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるタービンロータの実施例の断面
図。
【図２】図１で示した本発明におけるスペーサ板を軸方
向から見た正面図。
【図３】図１で示した本発明におけるタービンロータの
変形例の断面図。
【図４】図３で示したスペーサ板を軸方向から見た正面
図。
【図５】図３で示した本発明におけるタービンロータの
変形例の断面図。
【図６】本発明によるタービンロータの別の形態の断面
図。
【図７】図６で示したスペーサ板を軸方向から見た正面
図。
【図８】図６で示したタービンロータの変形例の断面
図。
【図９】図８で示したスペーサ板を軸方向から見た正面
図。
【図１０】図８で示したタービンロータの変形例の断面
図。
【図１１】図１０で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図１２】本発明によるタービンロータの別の形態の断
面図。
【図１３】図１２で示したスペーサ板を軸方向から見た
正面図。
【図１４】図１２で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図１５】図１２で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図１６】図１５で示したスペーサ板を軸方向から見た
正面図。
【図１７】図１５で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図１８】本発明によるタービンロータの別の形態の断
面図。
【図１９】図１８で示したスペーサ板を軸方向から見た
正面図。
【図２０】図１８で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図２１】図１８で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図２２】図２１で示したスペーサ板を軸方向から見た
正面図。
【図２３】図２１で示したタービンロータの変形例の断
面図。
【図２４】従来のタービンロータの断面図。
【図２５】従来のタービンロータの断面図。
【図２６】ホイールの軸方向に温度分布が生じることを
防止する実施例。
【図２７】シール構造の１例。
【図２８】シール構造の１例。
【図２９】図１のタービンロータのスペーサ４を１段動
翼側から見た部分図。
【図３０】本発明によるタービンローラの別の形態の断
面図。
【符号の説明】
１，３１１…１段ホイール、２，３１２…２段ホイー
ル、３，３１３…３段ホイール、４，３１４…１段スペ
ーサ、５，３１５…２段スペーサ、７，３１７…１段タ
ービン動翼、８，３１８…２段タービン動翼、９，１
０，３２２，３２３…回収キャビティ、１１，１２…ス
ペーサ板外周部、１３，１４…スペーサ突出部、１５，
１６…スペーサ板、１７，１８…隙間、２１，３３４…
ボルト、２２，３２４…供給孔、２３，３２６…回収
孔、２４，２７，３２５…供給母管、２５…回収母管、
２６，３２０，３２１…供給キャビティ、２６ａ…１段
動翼を冷却する冷媒が流れる方向、２７ａ…２段動翼を
冷却する冷媒が流れる方向、３０１…圧縮機、３０２…
燃焼器、３０３…タービン、３０４…軸、３１６…矢
印、３１９…３段タービン動翼。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 学 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (56)参考文献 特開 平７−26903（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−189739（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−14064（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−18802（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−220201（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−119405（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−42302（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／044569（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 5/08,5/18,11/00 F02C 7/24 F01K 23/10

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形成し
    たタービン動翼と、外周部に複数の前記タービン動翼を
    環状に配設してタービンロータを構成する複数のホイー
    ルと、前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に
    配設される環状部材と、前記環状部材の側面に位置する
    該ホイールの側面に設けられた耐熱性部材とを備え、前
    記タービン動翼にて熱交換され該冷媒経路を通過して流
    下する加熱された冷媒の流路を、前記環状部材と前記耐
    熱性部材との間に位置するよう構成し、前記環状部材に
    面するようにしたことを特徴とするタービンロータ。
  2. 【請求項２】冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形成し
    たタービン動翼と、外周部に複数の前記タービン動翼を
    環状に配設してタービンロータを構成する複数のホイー
    ルと、前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に
    配設される環状部材と、前記環状部材の側面に位置する
    該ホイールの側面に設けられた耐熱性部材とを備え、該
    タービン動翼にて熱交換され該冷媒経路を通過して流下
    する加熱された冷媒の流路を、前記環状部材と前記耐熱
    性部材との間に位置するよう構成し、前記環状部材に面
    するように配置し、該耐熱性部材と前記環状部材との間
    に空間部を形成したことを特徴とするタービンロータ。
  3. 【請求項３】冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形成し
    たタービン動翼と、外周部に複数の前記タービン動翼を
    環状に配設してタービンロータを構成する複数のホイー
    ルと、前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に
    配設されるスペーサ部材と、前記スペーサ部材の側面に
    面したホイールの側面に仕切り部材を設置し、前記冷媒
    経路を通過して該タービン動翼から流下する冷媒の流路
    を、前記スペーサ部材と前記仕切り部材との間に位置す
    るよう構成し、前記冷媒を導く経路で前記仕切り部材と
    該スペーサ部材の間に空間を形成するようにしたことを
    特徴とするタービンロータ。
  4. 【請求項４】冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形成し
    たタービン動翼と、外周部に複数の前記タービン動翼を
    環状に配設してガスタービンのタービンロータを構成す
    る複数のホイールと、前記複数のホイールのうち隣り合
    うホイール間に配設されるスペーサ部材と、前記スペー
    サ部材の側面に面したホイールの側面に仕切り部材を設
    置し、前記冷媒経路を通過して該タービン動翼から流下
    する冷媒の流路を、前記スペーサ部材と前記仕切り部材
    との間に位置するよう構成し、前記冷媒を導く経路で前
    記仕切り部材と該スペーサ部材の間に空間を形成し、前
    記スペーサ部材の側面に面したホイールと該仕切り部材
    との間に空間を形成するようにしたことを特徴とするタ
    ービンロータ。
  5. 【請求項５】外周部にタービン動翼を固定する第一及び
    第二のホイールと、前記第一のホイールと前記第二のホ
    イールとに挟まれるように配置されたスペーサとを備
    え、前記第一及び第二のホイールのうち少なくとも一方
    と該スペーサとの間に仕切り部材を設け、該タービン動
    翼を冷却する冷媒が流れる冷媒経路を該タービン動翼内
    に設け、前記冷媒経路を通過して該タービン動翼から排
    出される冷媒の流路を、前記スペーサと前記仕切り部材
    との間に位置するよう構成し、前記冷媒の回収経路中に
    前記仕切り部材と該スペーサとで形成されるキャビティ
    を設けることを特徴とするタービンロータ。
  6. 【請求項６】請求項５に記載のタービンロータにおい
    て、 前記タービンロータは、ガスタービンのタービンロータ
    であることを特徴とするタービンロータ。
  7. 【請求項７】外周部に複数の前記タービン動翼を環状に
    配設してタービンロータを構成する複数のホイールと、
    前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間に配設さ
    れる環状部材とを備えたタービンロータのタービン動翼
    冷却方法であって、前記環状部材の側面に位置する該ホ
    イールの側面に耐熱性部材を設け、該タービン動翼内部
    に形成した冷媒経路に冷媒を流し、該タービン動翼にて
    熱交換され該冷媒経路を通過して流下する加熱された冷
    媒の流路を、前記環状部材と前記耐熱性部材との間に位
    置するよう構成し、前記環状部材に面するように流すこ
    とを特徴とするタービンロータのタービン動翼冷却方
    法。
  8. 【請求項８】外周部にタービン動翼を固定する第一及び
    第二のホイールと、前記第一のホイールと前記第二のホ
    イールとに挟まれるように配置されたスペーサとを備え
    たタービンロータのタービン動翼冷却方法において、前
    記第一及び第二のホイールのうち少なくとも一方と該ス
    ペーサとの間に仕切り部材を設け、該タービン動翼内に
    設けられた冷媒経路に該タービン動翼を冷却する冷媒を
    通過させ、該タービン動翼から流れてくる冷媒の流路
    を、前記スペーサと前記仕切り部材との間に位置するよ
    う構成し、前記冷媒を前記仕切り部材と該スペーサとで
    形成されるキャビティを介して排出することを特徴とす
    るタービンロータのタービン動翼冷却方法。
  9. 【請求項９】外周部にタービン動翼を固定する第一及び
    第二のホイールと、前記第一のホイールと前記第二のホ
    イールとに挟まれるように配置されたスペーサとを備え
    たタービンロータのタービン動翼冷却方法において、前
    記第一及び第二のホイールのうち少なくとも一方と該ス
    ペーサとの間で該スペーサに仕切り部材を該ホイールと
    該スペーサとがロータ軸方向で接触するスタッキング面
    が増加しないように設け、該タービン動翼内に設けられ
    た冷媒経路に該タービン動翼を冷却する冷媒を通過さ
    せ、該タービン動翼から流れてくる冷媒の流路を、前記
    スペーサと前記仕切り部材との間に位置するよう構成
    し、前記冷媒を前記仕切り部材と該スペーサとで形成さ
    れるキャビティを介して排出することを特徴とするター
    ビンロータのタービン動翼冷却方法。
  10. 【請求項１０】冷媒が流れる冷媒経路をその内部に形成
    したタービン動翼と、外周部に複数の前記タービン動翼
    を環状に配設してタービンロータを構成する複数のホイ
    ールと、前記複数のホイールのうち隣り合うホイール間
    に配設される環状部材と、前記環状部材の側面に位置す
    る該ホイールの側面に設けられた耐熱性部材とを備え、
    前記タービン動翼にて熱交換され該冷媒経路を通過して
    流下する加熱された冷媒の流路を、前記環状部材と前記
    耐熱性部材との間に位置するよう構成し、前記環状部材
    に面するようにしたことを特徴とするタービンロータを
    備えたガスタービン。
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