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