JP4088557B2 - ガスタービン及びその抽気方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンと、該ガスタービンに対して例えば圧縮機からの抽気を供給することにより、動翼の冷却ならびに動翼及び静翼間のシールを行う抽気方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラントにおいては、圧縮機からの圧縮空気を燃焼器に導き、燃料とともに燃焼させて発生した高温ガスをガスタービンに導き、該ガスタービンを駆動する。そして、この時、前記圧縮空気の一部を抽気として冷却器に導入し、冷却後の抽気を今度はガスタービン側の静翼及び動翼に導き、これら動翼及び静翼の冷却や、これら動翼及び静翼間のシールに利用する構成が一般的である。従来のガスタービンにおける、静翼及び動翼の第１段ユニットへの抽気構造の一例を、図３を参照しながら以下に説明する。なお、同図は、第１段ユニットへの抽気流路を示す部分断面図であり、紙面左側に図示されない圧縮機がガスタービンと同軸に配置されている。
【０００３】
同図において、符号１は第１段動翼、符号２は第１段静翼を示している。第１段動翼１は、前記圧縮機と同軸をなすロータディスク３の周囲に複数枚が環状配置されており、前記圧縮機からの燃焼ガスを受けることにより、第１段ロータディスク３を回転させるようになっている。また、第１段静翼２は、車室側に、第１段ロータディスク３と同軸をなすように複数枚が環状配置されている。そして、これら第１段動翼１及び第１段ロータディスク３及び第１段静翼３を備えて、第１段ユニット４が構成されている。
【０００４】
さらに、同図の符号５は、前記冷却器からの冷却後の抽気ｆ１を取り込む抽気室であり、該抽気室５内に取り込まれた抽気ｆ１の殆どは、第１段ロータディスク３に形成された冷却流路３ａを介して各第１段動翼１に導かれ、これら第１段動翼１を内側から冷却するものとなっている。
すなわち、冷却流路３ａは、第１段ロータディスク本体３ｂの上流側側面（第１段静翼２に対向する側の面）と、該上流側側面にボルト固定された流路仕切壁３ｃとの間に形成された略Ｌ字形の流路であり、抽気室５から送り出された抽気ｆ１より、第１段ロータディスク３の回転軸線方向に冷却空気ｆ２を取り込んだ後、今度は前記回転軸線を中心とする半径方向に冷却空気ｆ２を送り出すようになっている。
【０００５】
前記流路仕切壁３ｃは、抽気室５からの抽気ｆ１の流れを、前記冷却空気ｆ２とシール空気ｆ３との２つの流れに仕切る環状部品であり、その外周面には、前記第１段静翼２の内側シュラウド２ａの内周側に保持された隔壁２ａ１との間に、ラビリンスシール６が形成されている。
そして、このラビリンスシール６を、抽気ｆ１の一部が前記シール空気ｆ３となって流れ、さらには各第１段動翼１及び各第１段静翼２間に供給されてこれらの間隙Ｃをシールするものとなっている。
なお、この種のガスタービンの抽気構造の例としては、下記特許文献１，２にも開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３１６５６１１号公報
【特許文献２】
特開平７−３２４６３３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来のガスタービンは、以下に説明する問題を有していた。
それは、抽気室５から送り出された抽気ｆ１は、前記回転軸線を中心とする周方向に回る速度成分を殆ど持っておらず、そのままの状態で冷却流路３ａ内に形成されたディスクホール３ａ１（前記回転軸線を中心とする放射状に形成された複数の貫通孔）に入り込むため、動力損失が発生するという問題である。
【０００８】
すなわち、各冷却流路３ａは、回転体である第１段ロータディスク３と共に高速回転するが、この高速回転状態の各第１段ロータディスク３に対して、前記周方向の回転速度成分を殆ど持たない冷却空気ｆ２が流れ込んで通過しようとするため、この冷却空気ｆ２の流れが第１段ロータディスク３の回転動作を抑制するブレーキとなってしまい、ひいては、第１段ロータディスク３を含む回転体の駆動動力が増加してしまうことになる。このような動力ロスは、ガスタービンに接続された発電機（図示せず）の発電能力をも落としてしまうことになるため、この回転力ロスのような働きを極力低減させることが望まれていた。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ロータディスクへの抽気による動力のロスを防止することができるガスタービン、及び、その抽気方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載のガスタービンは、車室側に環状配置された複数枚の静翼と、これら静翼に隣接するロータディスク側に環状配置された複数枚の動翼とを備えたガスタービンにおいて、取り込んだ抽気を、前記ロータディスクと同一回転方向に回転する旋回流としてから、該ロータディスクに供給する旋回流形成部と、前記抽気の一部を、前記旋回流形成部を迂回して、前記静翼及び前記動翼間の間隙に供給するシールガス供給流路とを備え、前記旋回流形成部が、前記ロータディスクの回転軸線を中心として半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が小さくなり、なおかつ前記抽気を前記半径方向外側から前記内側に向かって流す複数のＴＯＢＩノズル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ＯｎＢｏａｒｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｚｚｌｅ）であり、前記シールガス供給流路が、前記各ＴＯＢＩノズル間を通るように形成されていることを特徴とする。
上記請求項１に記載のガスタービンによれば、ロータディスクに向かう抽気は、旋回流形成部を通過することによって旋回流とされてから、ロータディスクに供給されるので、ロータディスクの回転方向における両者の相対速度差を極めて小さくすることができるようになる。しかも、静翼と動翼との間をシールするための抽気は、旋回流形成部内の旋回流に干渉しない、シールガス供給流路内を流れるものとなっている。
よって、ロータディスクに向かう流れを、確実に旋回流とすることができる。さらには、この旋回流の流れを妨げることなく、静翼及び動翼間にシール用の抽気を送ることもできる。
【００１２】
請求項２に記載のガスタービンへの抽気方法は、車室側に環状配置された複数枚の静翼と、これら静翼に隣接するロータディスク側に環状配置された複数枚の動翼とを備えたガスタービンへの抽気方法において、抽気を、前記ロータディスクと同一回転方向に回転する旋回流としてから、該ロータディスクに供給し、前記抽気の一部を、前記旋回流の流れを迂回して、前記静翼及び前記動翼間に供給し、前記旋回流を、前記ロータディスクの回転軸線を中心として半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が小さくなる複数のＴＯＢＩノズル（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ＯｎＢｏａｒｄ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｚｚｌｅ）に、前記抽気を前記半径方向外側から前記内側に向かって流すことで形成し、前記静翼及び前記動翼間に供給する前記抽気の一部を、前記各ＴＯＢＩノズル間を通して供給することを特徴とする。
上記請求項２に記載のガスタービンへの抽気方法によれば、ロータディスクに向かう抽気は、旋回流とされてからロータディスクに供給されるので、ロータディスクの回転方向における両者の相対速度差を極めて小さくすることができるようになる。しかも、静翼と動翼との間をシールするための抽気は、旋回流に干渉しないように迂回して流れるものとなっている。
よって、ロータディスクに向かう流れを、確実に旋回流とすることができる。さらには、この旋回流の流れを妨げることなく、静翼及び動翼間にシール用の抽気を送ることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のガスタービン及びその抽気方法の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれのみに限定解釈されるものでないことは勿論である。ここで、図１は、本実施形態のガスタービンを示す図であって、第１段ユニットへの抽気流路を示す部分断面図である。また、図２は、同ガスタービンの同部分の要部を示す図であって、図１のＡ−Ａ断面図である。
なお、以下の説明においては、抽気の流れ方向上流側（図１の紙面左側）を「上流側」とし、抽気の流れ方向下流側（図１の紙面右側）を「下流側」として説明を行うものとする。また、第１段ロータディスク１３を含む回転体の回転軸線方向（図１の紙面左右方向）を「軸線方向」として説明を行うものとする。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態のガスタービンには、車室側に環状配置された各第１段静翼１１（静翼）と、これら第１段静翼１１に隣接する第１段ロータディスク１３（ロータディスク）と、該第１段ロータディスク１３の周囲に環状配置された各第１段動翼１２（動翼）とを有する第１段ユニット１０が備えられている。なお、この第１段ユニット１０の下流側には、同様の構成を有する第２段ユニット、第３段ユニット等（図示省略）が、同軸に接続されているため、軸線方向に各段の静翼と動翼が交互に配置されるようになっている。
【００１５】
各第１段動翼１２は、第１段ロータディスク１３の周囲に複数枚が配置されており、図示されない燃焼器からの燃焼ガスを受けることにより、第１段ロータディスク１３を回転駆動するようになっている。また、各第１段静翼１１は、車室側の内部に、第１段ロータディスク１３と同軸をなすように複数枚が環状配置されている。
第１段ロータディスク１３を含む各段のロータディスクは、互いに同軸に重ね合わされて１本のロータをなしており、接続ロータ１８を介して、その上流側に配置された圧縮機（図示せず）のロータに対して同軸に接続されている。
【００１６】
同図の符号１５は、前記圧縮機から取り出された抽気を、図示されない冷却器を通して冷却した後に取り込む抽気室であり、各第１段静翼１１の内側シュラウド１１ａの内周側に固定された第１隔壁１６と、該第１隔壁１６のさらに内周側に保持された第２隔壁１７との間に形成された環状空間として形成されている。
第１隔壁１６には、各ロータディスクの回転軸線を中心として複数の抽気導入孔１６ａが形成されており、これら抽気導入孔１６ａを介して前記冷却器からの抽気Ｆ１を抽気室１５内に導入するようになっている。
【００１７】
第２隔壁１７は、第１段ロータディスク１３及び接続ロータ１８の周囲に同軸に配置された環状部品であり、前記第１隔壁１６の内部に静止状態に保持されている。また、この第２隔壁１７の内周面側には、その幅方向（軸線方向）の中央位置に、複数のＴＯＢＩノズル１９ａ（Tangential OnBoard Injection Nozzle。旋回流形成部）が形成されたノズルリング１９が固定されている（その詳細については後述で説明する。）。そして、第２隔壁１７の内周面の、ノズルリング１９の位置よりも上流側には、第１シール部２０（ブラシシール。ラビリンスシールを代わりに用いても良い。）が固定され、さらにその上流側には、抽気室１５内の抽気Ｆ１の一部を接続ロータ１８の外周面に向かって吹き付けるノズル２１が形成されている。一方、第２隔壁１７の内周面の、ノズルリング１９の位置よりも下流側には、一対の第２シール部２２（ラビリンスシール。ブラシシールを代わりに用いても良い。）が固定されている。
【００１８】
第１シール部２０及びノズル２１は、前記圧縮機からの高温空気の流入を防ぐためのシール機構であり、ノズル２１から吐出されるシール空気Ｆ２によって前記高温空気をせき止めるようになっている。そして、このシール空気Ｆ２の一部は、第１段動翼１２及び第１段静翼１１間の間隙Ｃに向かうシール空気Ｆ３となるべく、第１シール部２０の下流側に流れ出る。
【００１９】
抽気室１５内に取り込まれた抽気Ｆ１の殆どは、第１段ロータディスク１３に形成された冷却流路１３ａを介して各第１段動翼１２に導かれ、これら第１段動翼１２を内側から冷却するものとなっている。
冷却流路１３ａは、第１段ロータディスク本体１３ｂの上流側側面（第１段静翼１１に対向する側の面）と、該上流側側面にボルト固定された流路仕切壁１３ｃとの間に形成された略Ｌ字形の流路である。この冷却流路１３ａには、抽気室１５内の抽気Ｆ１が前記各ＴＯＢＩノズル１９ａを通って旋回流状態にされた冷却空気Ｆ４が導入されるようになっており、この冷却空気Ｆ４は、その旋回流状態を保ったまま、第１段ロータディスク１３の回転軸線方向に流れ、その後、今度は前記回転軸線を中心とする半径方向に向きが曲げられるようになっている。
【００２０】
流路仕切壁１３ｃは、前記シール空気Ｆ３と冷却空気Ｆ４との間を仕切る環状部品であり、その外周面と前記第２仕切壁１７の内周面との間に、前記各第２シール部２２が設けられている。そして、これら第２シール部２２を通過した前記シール空気Ｆ３が、流路仕切壁１３ｃの外周面に沿って流れながら、各第１段動翼１２及び各第１段静翼１２間に供給され、これらの間隙Ｃをシールするものとなっている。
【００２１】
そして、本実施形態のガスタービンは、抽気室１５内に取り込んだ抽気Ｆ１を、第１段ロータディスク１３と同一回転方向に回転する旋回流としてから冷却流路１３ａに向かわせる点と、前記シール空気Ｆ３を、旋回流状態の冷却空気Ｆ４を迂回して、各第１段静翼１１及び各第１段動翼１２間の間隙Ｃに供給する点とが特に特徴的となっている。
【００２２】
すなわち、図２に示すように、ノズルリング１９は、前記軸線方向に垂直をなす断面で見た場合の形状が環状をなしており、なおかつ、その中心軸線（すなわち、第１段ロータディスク１３の回転軸線）を中心として、半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が徐々に小さくなる前記各ＴＯＢＩノズル１９ａが、互いに等角度間隔をおいて複数形成されている。そして、このノズルリング１９の周囲（すなわち抽気室１５）からその半径方向中心に向かって各ＴＯＢＩノズル１９ａに入り込んだ抽気Ｆ１は、これらＴＯＢＩノズル１９ａの曲がり形状に沿って徐々に向きを変えるため、ノズルリング１９の内周側から吐出された時点で、第１段ロータディスク１３と同一回転方向に回転する旋回流（冷却空気Ｆ４）となる。
【００２３】
この様にして旋回流とされた冷却空気Ｆ４は、その旋回流状態を保ったまま、冷却流路１３ａ内に形成されたディスクホール１３ａ１（前記回転軸線を中心とする放射状に形成された複数の貫通孔。図１参照）に入り込む。この時の各ディスクホール１３ａ１は、回転体である第１段ロータディスク１３と共に高速回転しているが、ここに入り込む冷却空気Ｆ４も、同様に高速回転しているため、第１段ロータディスク１３の回転方向における両者の相対速度差を極めて小さくすることができ、冷却空気Ｆ４が第１段ロータディスク１３の動力にブレーキをかけることがないようになっている。
そして、各ディスクホール１３ａ１を通過した後の冷却空気Ｆ４は、各第１段動翼１２内に形成された流路を流れてこれら第１段動翼１２を内側から冷却していく。
【００２４】
一方、前記シール空気Ｆ３は、図１及び図２に示すシールガス供給流路１９ｂを通って前記間隙Ｃに向かうため、冷却空気Ｆ４に干渉せずにその旋回流状態を乱さないようになっている。
シールガス供給流路１９ｂは、ノズルリング１９を、その上流側から下流側に向かって軸線方向に貫通する複数のバイパス流路であり、前記各ＴＯＢＩノズル１９ａ間を通過するように形成されている。そして、前記各ノズル２１から第１シール部２０を経て、このシールリング１９の上流側側面に至ったシール空気Ｆ３は、各シールガス供給流路１９ｂを通ってシールリング１９の下流側に流れ出る。この時のシール空気Ｆ３は、前記各ＴＯＢＩノズル１９ａ内を流れる冷却空気Ｆ４に干渉することなく通過していく。さらに、シール空気Ｆ３は、前記各第２シール部２２を経た後、前記流路仕切壁１３ｃの壁面に沿って流れ、ついには各第１段動翼１２の内側シュラウド１２ａと、各第１段静翼１１の内側シュラウド１１ａとの間隙Ｃを通って燃焼ガス流路内に流れ出て、この燃焼ガス流路内を流れる燃焼ガスが、間隙Ｃより外部に漏れ出るのを防いでシールする。
【００２５】
以上説明の本実施形態のガスタービンは、抽気室１５に取り込んだ抽気Ｆ１を、第１段ロータディスク１３と同一回転方向に回転する旋回流としてから、該第１段ロータディスク１３に供給する各ＴＯＢＩノズル１９ａと、抽気Ｆ１の一部を、各ＴＯＢＩノズル１９ａを迂回して各第１段静翼１１及び各第１段動翼１２間の間隙Ｃに供給する各シールガス供給流路１９ｂとを備えた構成を採用した。この構成によれば、第１段ロータディスク１３に向かう冷却空気Ｆ４は、各ＴＯＢＩノズル１９ａを通過することで旋回流とされてから、第１段ロータディスク１３に供給されるので、第１段ロータディスク１３の動力ロスの低減を防止することができるようになる。しかも、各第１段静翼１１と各第１段動翼１２との間をシールするためのシール空気Ｆ３は、各シールガス供給流路１９ｂ内を流すように構成されているため、各ＴＯＢＩノズル１９ａ内を流れる冷却空気Ｆ４の旋回状態に干渉することがない。したがって、第１段ロータディスク１３への抽気による動力のロスを防止することが可能となる。
このように、動力のロスが生じないことから、ガスタービンに接続された発電機（図示せず）の発電能力を低下させる恐れを防ぐことが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のガスタービンは、取り込んだ抽気を、ロータディスクと同一回転方向に回転する旋回流としてから、該ロータディスクに供給する旋回流形成部と、前記抽気の一部を、旋回流形成部を迂回して静翼及び動翼間の間隙に供給するシールガス供給流路とを備えた構成を採用した。この構成によれば、ロータディスクに向かう抽気は、旋回流形成部を通過することで旋回流とされてからロータディスクに供給されるので、ロータディスクの動力ロスの低減を防止することができるようになる。しかも、静翼と動翼との間をシールするための抽気は、シールガス供給流路内を流すように構成されているため、旋回流形成部内を流れる抽気の旋回状態に干渉することがない。したがって、第１段ロータディスクへの抽気による動力のロスを防止することが可能となる。
さらに、このガスタービンでは、前記旋回流形成部が、ロータディスクの回転軸線を中心として半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が小さくなり、なおかつ前記抽気を前記半径方向外側から前記内側に向かって流す複数のＴＯＢＩノズルであり、前記シールガス供給流路が、前記各ＴＯＢＩノズル間を通るように形成されている構成を採用している。この構成によれば、ロータディスクに向かう流れを、確実に旋回流とすることが可能となり、さらには、この旋回流の流れを妨げることなく、静翼及び動翼間に抽気を送ることも可能となる。
【００２８】
本発明の請求項２に記載のガスタービンへの抽気方法は、抽気を、ロータディスクと同一回転方向に回転する旋回流としてから、該ロータディスクに供給し、前記抽気の一部を、旋回流の流れを迂回して、静翼及び動翼間に供給する方法を採用した。この方法によれば、ロータディスクに向かう抽気は、旋回流とされてからロータディスクに供給されるので、ロータディスクの動力の低減を防止することができるようになる。しかも、静翼と動翼との間をシールするための抽気は、前記旋回流に干渉することがない。したがって、第１段ロータディスクへの抽気による動力のロスを防止することが可能となる。
さらに、このガスタービンの抽気方法では、前記旋回流を、前記ロータディスクの回転軸線を中心として半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が小さくなる複数のＴＯＢＩノズルに、前記抽気を前記半径方向外側から前記内側に向かって流すことで形成し、また、前記静翼及び前記動翼間に供給する前記抽気の一部を、前記各ＴＯＢＩノズル間を通して供給する方法を採用している。よって、ロータディスクに向かう流れを、確実に旋回流とすることが可能となり、さらには、この旋回流の流れを妨げることなく、静翼及び動翼間に抽気を送ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のガスタービンの一実施形態を示す図であって、第１段ユニットへの抽気流路を示す部分断面図である。
【図２】 同ガスタービンの同部分の要部を示す図であって、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】 従来のガスタービンの一実施形態を示す図であって、第１段ユニットへの抽気流路を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１１・・・第１段静翼（静翼）
１２・・・第１段動翼（動翼）
１３・・・第１段ロータディスク（ロータディスク）
１９ａ・・・ＴＯＢＩノズル（旋回流形成部，ＴＯＢＩノズル）
１９ｂ・・・シールガス供給流路
Ｆ１・・・抽気

Claims (2)

1. 車室側に環状配置された複数枚の静翼と、これら静翼に隣接するロータディスク側に環状配置された複数枚の動翼とを備えたガスタービンにおいて、
   取り込んだ抽気を、前記ロータディスクと同一回転方向に回転する旋回流としてから、該ロータディスクに供給する旋回流形成部と、
   前記抽気の一部を、前記旋回流形成部を迂回して、前記静翼及び前記動翼間の間隙に供給するシールガス供給流路と
   を備え、
   前記旋回流形成部が、前記ロータディスクの回転軸線を中心として半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が小さくなり、なおかつ前記抽気を前記半径方向外側から前記内側に向かって流す複数のＴＯＢＩノズルであり、
   前記シールガス供給流路が、前記各ＴＯＢＩノズル間を通るように形成されていることを特徴とするガスタービン。
2. 車室側に環状配置された複数枚の静翼と、これら静翼に隣接するロータディスク側に環状配置された複数枚の動翼とを備えたガスタービンへの抽気方法において、
   抽気を、前記ロータディスクと同一回転方向に回転する旋回流としてから、該ロータディスクに供給し、
   前記抽気の一部を、前記旋回流の流れを迂回して、前記静翼及び前記動翼間に供給し、
   前記旋回流を、前記ロータディスクの回転軸線を中心として半径方向外側から内側に向かって旋回しながら流路断面積が小さくなる複数のＴＯＢＩノズルに、前記抽気を前記半径方向外側から前記内側に向かって流すことで形成し、
   前記静翼及び前記動翼間に供給する前記抽気の一部を、前記各ＴＯＢＩノズル間を通して供給する
   ことを特徴とするガスタービンへの抽気方法。

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