JPH01151725A

JPH01151725A - 軸流ガスタービン

Info

Publication number: JPH01151725A
Application number: JP63273388A
Authority: JP
Inventors: Kuraitomaiaa Furantsu; フランツ・クライトマイアー
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1989-06-14
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: DE3736836A1; JP2656576B2; EP0313826A1; CA1310273C; EP0313826B1; US4910958A; DE3874283D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、タービンロータとその動翼リムの几めの冷却
手段を備える軸流ガスタービンであつで、冷却空気が、
圧縮機から分岐され、そして公知のようにねじり手段に
よって周方向に加速され、それにより、冷却空気用翼格
子に該冷却空気が流入するところの前記タービンロータ
の冷−加窒気孔に対して、該冷却空気の周方向の相対速
度がゼロになるものに関する。

出力密度の高いガスタービンにおいては、翼配列、とり
わけ高温度及びガス圧力の他に遠心力の負荷をも受ける
動翼、並びにロータといった高温にさらされる構成要素
の冷却は特に重装である。これは、例えば効率を考えれ
ば、駆動ガスの導入温度に依存する。最大許容導入温度
は、熱負荷を受ける構成要素の達成すべき寿命によって
制限される。これらの構成要素を冷却しないガスタービ
ンに比べて、同要素を冷却するガスタービンにおいては
、ガス導入温度をより高くすることが許されるのであっ
て、これは、効率及び出力を増大せしめる。

〔従来の技術〕

公知の工業用ガスタービンの場合、冷却空気の誘導、冷
却空気の流れ、そしてタービンロータの長さに沿った冷
却空気の配分は、タービンの個々の段において支配的な
ガス温度に左右される。最も高温にさらされる第１段に
対しては、ロータ本体の周囲を流れる冷却空気から１部
金、当該動翼内にその縦方向に沿って設けられたところ
の冷却通路内へ、分岐させることによって、同動翼全内
側から冷却することが必要になろう。

この動翼の端部において、加熱された冷却空気が実効ガ
ス流内へ流出てる。この冷却された翼のあとに続く段に
おいて、ガス瀧度は丁でに、動翼の内部冷却金省略し得
る１でに低下している。それらの動翼は、ロータ本体の
周囲を同ロータ本体の端部へ向けて流れる空気によって
、翼基部の範囲の冷却だけ紫受ける。この空気は、最後
段の動・風列の基部領域の前後付近で、丁でに十分に減
圧した駆動ガス流内に流出し、同ガス流とともに排気ガ
スデイフユーザ内に到達する。

冷却空気は、圧縮機の最後段のあとで同圧縮機から取り
出され、そして、同圧縮機とタービン間の軸又はドラム
の１部の外表面に沿って、ねじられることなく、一連の
軸方向の孔内に達する。この孔は、タービンの第１段の
前方において、ロータの平らな環状面の周囲に配分され
ている。これらの孔を経て、冷却空気流は、ロータの冷
却通路内に到達し、そして、同ロータの端部において、
最も熱い動翼を冷却するために分岐された分量だけ減じ
られて、駆動ガス流内に流出し、同ガス流とともにデイ
フユーヂ内に到達する〇既に述べたように、ロータへの冷却空気の流入は、本質
的に、ドラムの回転方向へのねじれなしに、つｌり円周
成分を持たずに行われるために、同冷却空気は、ロータ
への途中で、ドラムの外表面における摩擦により、ドラ
ムの円周方向に加速てれる。それでも、周速度との関係
でＣの加速は十分ではなく、そのため前記孔及びロータ
冷却通路への入口において、それらと比べてなお大きな
速度差が存在する。それゆえ、冷却空気は、ロータの周
速度に加速されなければならない。したがって、ドラム
及びロータは、ポンプ作用を実行しなければならない。

その上そのポンプ作用は冷却空気の温度を高める。たと
え大部分が冷却通路を貫流しようとも、このことは損失
要因となる。

その他の損失は最後段の動翼基部において流出する冷却
空気流に関係している。冷却空気流は、半径方向、接線
方向及び軸方向の速度成分をもって、駆動ガス流内に流
入し、そして同ガス流全半径方向に押しのける。その結
果、デイフユーザ入口部のボス境界層は、損失の回復に
とって有害な増厚化を被る。

前記ポンプ損失を回避するため゛に、本出願人の***特
許出願公告第３４　２４　１３９号明細書において、圧
縮機の出口を出た後のロータ用の冷却空気に、本質的に
半径方向に沿った翼ヲ持つ不動のねじシ格子によって、
ロータの冷却通路の周速度と同じ大きはで、かつ同ロー
タの回転方向と同方向の周速度成分全付与することが提
案されている。その結果、冷却空気全ロータの冷却通路
において初めて加速するようなことはない。それによっ
て、前述のポンプ作用及びそれに関係する損失はなくな
る。

鷺配列の冷却及びロータの又取付は溝の部分の冷、却の
他に１．、周囲において互いに溶接された一列のディス
クから構成されているロータにおいては、所望の寿命を
得るために最後段のロータディスクを別に冷却すること
も必要である。

そのため冷却空気は、圧縮機の第１の吐出部から、低圧
かつ低温度の状態で取り出され、そして、軸受ブラケッ
トヲ介して最終段のロータディスクに回かつてロータケ
ーシング内に導入せしめられる。そこから、その冷却空
気の大部分は、半径方向外側へ流れ、そして、最後段の
ロータディスクの周縁と排気ガスデイフユーザの同周縁
に隣接する内表面とにより限定される狭い環状隙間を通
過して、同デイフユーヂ内に流入する。それも、半径方
向外向きの速度成分と、ロータディスクにおける冷却空
気の摩擦に基因する、ロータ回転方向の一周速度成分と
をもって、デイフユーザ内に流入するのである。冷却空
気の内の小量は、軸受ブラケットにおける軸貫通案内部
のラビリンスを封鎖する。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明のＨＫＦｉは、ロータ及び翼用の冷却空気も、ロ
ータディスク用の冷却空気も共に適切に案内することに
よって、ロータ端の流出領域内の同冷却空気を、その速
度ベクトルが、同領域における平均的排気ガス流の速度
ベクトルと、大きさ及び方向に関して本質的に一致する
ように、デイフユーザ内へ誘導することにある。その上
、ロータ用冷却空気の仕事能力は、十分に活用されるこ
とになっている。このような案内によって、最後段の範
囲のロータ外被も、同一のロータ用冷却空気量において
、公知の溝造の場合よりも強力に冷却されるはずである
。したがって、ディスク用冷却空気の世上減少させるこ
とができる。これは、ロータ内部の温度差、したがって
熱応力の減少を意味し、タービンロータの寿命を延長せ
しめる。

本発明の軸流ガスタービンは、最後段の範囲において冷
却空気を案内するべく、通路が設けられておシ、該通路
は、ロータ外被における最後段の静翼リムの範囲と、最
後段の動ｇ　ＩＪムの翼基部の範囲とにおいて延びてお
り、その場合、前記最後段の動翼リムの少なくとも端部
において、タービンロータに固定の冷却空気用Ｋ　ＩＪ
ム内に冷却空気用彌格子が存在しており、該！異格子の
通路の方向づけは、デイフユーザ内に流出する冷却空気
の速度ベクトルが、本質的に、排気ガス流の平均的速度
ベクトルと一致するように為されており、そしてこの場
合、前記デイフユーザ内への冷却空気の吹き出し方につ
いての具体的な制限は、該冷却空気の剥離が回避され、
かつ前記最後段の動翼リムのボス領域において駆動ガス
流が均質化されるように為されていることを特徴として
いる。

本発明の対象は、以下において、図面に示された２〜３
の実施例に基づいてより詳細に説明される。

〔実施例〕

第１図は、タービンロータ１の１部分を示し、同タービ
ンロータは、鍛造さ孔たロータディスク２，３．４から
構成されており、同ロータテイスクは、その端面におい
て共に鍛造されたリングに沿って相互に溶接されている
。動Ｍ　ＩＪムの動翼５〜９は、公知の方法で、その二
重ハンマーヘッド形の基部をもって、対応して成形され
た羽根固定溝内に取り付けられている。２つの隣接する
動’Ｘ　ＩＪム゛の間において、静翼支持体１０内に、
ロータの動翼と類似の方法で、静翼リムの静翼１１〜１
４が固着されている。この点は重要でないので、静翼の
固定に概略的に示唆するに止める。

動翼用の固定溝と熱吸収セグメントヲ備えるロータの最
外域であると考えられるロータ外被の冷却、並びに駆動
ガス温度によって最大の負荷を受ける動Ａの冷却全目的
として、図示されない圧縮機の最終段−ターじンの第１
の動翼リム５の右に存在している。□から、必要な冷却
空気流が取り出される。その後、同冷却空気流には、圧
縮機と第１のタービン段との間に配設された、冒頭に記
載の***特許出願公告第３４　２４　　ｊ３９号明細書
で説明されたねじり翼格子によって、接線方向の速度成
分が与えられる。同速度成分は、ロータの冷却通路の周
速度に等しい。したがって、冷却空気は、タービンロー
タに対して周方向において相対速度０で、速度矢印１６
で示唆されるように本質的に刺１方回に、一連の冷却空
気孔１５を通って、タービンの冷却通路系に流入する。

第１の動嘘リムの前方の円環状の平坦な端面１７に配分
して設けられた多数の冷却空気孔１５を経て、冷却空気
は、周面に回かつて横断面がくさび状に拡大する環状溝
１８内に達し、そしてそこから、第１の動■リム５の前
方及び後続の各々２つの動翼リムの中間にある一連の断
続的な環状間隙１９と、・に基部の通路２０とを通って
、最終的に最後の動翼リム９の翼基部の通路２１内に達
する。

環状間隙１９は、ロータ外被の周面と、非対称熱吸収セ
グメント２２．２３によって区画されており、この熱吸
収セグメントは、各々の２つの動’Ｘ　ＩＪム間に位置
していて、ロータ外被と動翼の基部全駆動ガス流による
過熱から保護している。両弁対称熱吸収セグメントの内
の長い方のセグメントの、駆動ガス流にさらされるシリ
ンダ状の外面は、ガス流の損失全最小限に抑えるために
、静翼１１〜１４のカバーバンドの２つのシール縁と共
に、絞り部ケ構成する。はぼ軸方向に整合された鋸歯状
の基部を有する最終段の動翼に対してハ、翼の前後に配
設された熱吸収セグメン）２２，２３０代わシに、環状
の複数の対称的な熱吸収セグメント２４が、同（の基８
全受容するためのロータ外被内の特有の固定溝と共に用
意されている。この場合、このセグメントのウェブ２５
には、冷却空気用の何らかの通孔２６が設けられるべき
である。

翼基部の通路２０．２１は、望１しくに、隣接する動翼
のそれぞれ２つの周方向で隣り合う側面に設けられた２
つの溝から構成され得るもので、それらは接合されて閉
じた通路を形成する。しかしながら、はぼ軸方向に整列
された憾基部の場合には、前記通路は、最終段の動翼リ
ム９の翼の場合のように、翼の溝そのものに設けること
もできる。

出力密度の高″が３クー１７の場合・一般ｊに、最大の
温度負荷を受ける段、例えば最初の２段の静翼及び動翼
は、空気冷却装置を有する中空翼として構成されている
。動翼に供給する冷却空気は、翼基部に鉛いて前述の冷
却空気流から分岐される。本発明にとって本質ではない
ために、翼冷却装置の要素は、第１図において示されて
いない。

冷却空気は、最後段の動翼リム９の翼基部の通路２１か
も出て、冷却空気用尺リム２７内に達する。この翼リム
は、ロータ本体に固着されるとともに、かろうじてその
周囲の内側に、円錐台形状の動翼格子２８全有する。こ
の動翼格子は、その周囲に一様に配分された冷却空気用
鷺３１全有しており、その冷却空気用翼には、全流通横
断面にわたって配分された、はちの巣状の通路３０から
成るところの整流りング２９が直列的に配設されている
。

第２図は、第１図の丸で囲１れた部分の拡大詳細図を示
し、第３図は、第２図に書き込ｌれた通路中心を通る円
錐殻状の切断面１−１１１の展開図金示す。整流リング
２９の役割は、娼３１によって区画された通路において
可能な限り剥離のない流れ金得るために、最後段の動翼
９の翼基部の通路２１から出る冷却空気の噴流を均質化
することにある。

冷却空気用翼リム２７は、冷却空気流の流線を元の方向
に転換することによって、前書きに示された本発明の課
題の１部金果たすものであって、この方向転換により、
デイフユーザボスの全周囲における流線の速度ベクトル
が、排気ガス流の平均的速度ベクトルと本質的に一致し
て、ディフユーデボスにおけるエネルギの乏しい境界層
にエネルギを供給しその剥離位置を下流へ移動せしめる
ことにより冒頭に記載の損失低減効果を奏する。同時に
ロータ用冷却空気のエネルギは、ロータへのエネルギ放
出のために部分的に消費される。

冷却空気流のこの作用は、本発明の第２の措置によって
支援される。この措置とは、最後段のロータディスク４
の冷却に使用される、圧縮機から分岐した冷却空気もま
た、４冷却空気と同様に、ディフユーデ内に導入されて
流出することにある。ディスク用冷却空気は、外側のタ
ービンケーシング底板３２に設けられた２つのディスク
空気通路３３全通して、同底板３２と内側のタービンケ
ーシング底板３４によって限定された円盤状の中室室３
５内に流入し、速度矢印によって示唆されるように、同
中空室内においてロータ軸線に向けて半径方向内側へ転
向せしめられて、軸線付近に設けられた一連の内側のデ
ィスク空気通路３６全通ってロータディスク４の前方に
到達する。そこにおいて冷却空気の大部分は、上方へ転
向せしめられて、環状間隙３７と環状室３８を経て環状
スリット３９を通ってボス境界層内に吐き出される。本
発明が意図するボス境界層への流入作用には、冷却空気
側翼リム２７の内側の形状の他に、デイ７ユーデポス４
１の凸状に湾曲された流入領域４０も寄与している。こ
の流入領域は、流出するディスク用冷却空気全、反動体
の冷却空気と一緒に、その湾曲面によって吸い込むもの
である。冷却空気側翼リム２７の円錐台形状の外表面６
４は、排気ガス流が最後段の動翼リム９の後方で均等に
分散されるように、ロータ軸に対して傾斜され、かつ長
さが定められている。

通路３６を通過して流入するディスク用冷却空気の内の
小量は、軸受プラ欠ットのラビリンス４１を封鎖する。

第４図及び第５図は、ロータ用冷却空気案内部の第２の
実施形態會示す。冷却空気は、最後から２番目の勤ｉｌ
ｌ　ＩＪム４３の後方で、ロータに固定の中間通路４４
を経て、ロータに固定の異格子リム４６の人格子４５内
に流入し、そしてそこから流出して、静翼に固定の・人
格リム４８の人格子４７内に流入し、更にそこから流出
して、最終通路４９へと方向転換せしめられる。

最終通路の流入部は、ロータに固定の異格子リム５０′
における人格子の前部半体５０、即ち断面鼻形部から成
り、流出領域は冷却空気側翼リム５３における人格子の
後部半体５１から成る。

最終通路４９は、第５図において、ロータ軸に対して平
行に延びたように示されているが、通例では、ロータ軸
に対して斜めに、例えば５〜７°の角度に設定されるで
あろう。次いでロータ端部に流出する冷却空気は、その
ほかに必要なディスク用冷却空気と合流して、ロータ端
部の環状室５２を経て、デイ７ユーデポスの流入領域４
０の表面に沿って排気ガス流内に進入する。

本発明の他の実施形態を第６図が示している。

最後から２番目のＴＪＩＪ４＋７ム４３の後方で、冷却
空気は、本質的には、動翼リム９の端部１で軸方向に案
内され、そしてそこにおいて初めて、冷却空気側翼リム
６３によって、所望の方向をもって排気ガス流内に吐き
出される。最後から２番目の動翼リム４３の後方で、冷
却空気は〜　−第４図に記載の構成と同様に、ロータに
固定の人格子リム５６内の中間通路５４と人格子５５を
通り、静翼に固定の異格子リム５８内の人格子５７ｔ−
通り、次いで最後段の動翼リム９に固定された異格子リ
ム５９を通り抜ける。この異格子リムの人格子６０は、
前部、翼半体により構成され、それに対し後部翼半体は
、冷却空気側翼リム６３における人格子６２を構成して
いる。

第４図に記載の構成と同じく、この両翼格子６０．６１
間で、最終通路６１が、それも好１しくに軸に対しであ
る角度傾斜して、延びている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、翼配列全概略的に表わ丁半分のガスタービン
ロータの縦断面図、第２図及び第３図は、第１図の詳細
図、第４図は、別の実施例を示す図、第５図は、同実施
例の詳細図、第６図は、本発明の第３の実施例を示す。１・・・タービンロータ、５〜９・・・動ＩＥ’Ｊム、
１４・・・静翼リム、１５・・・冷却空気孔、２１・・
・翼基部の通路、２４・・・対称熱吸収セグメント、２
５・・・ウェブ、２６・・・通孔、２７・・・冷却空気
側翼リム、２８・・・冷却空気用翼格子、２９・・・整
流り／グ、３９・・・環状スリット、４０・・・流入領
域、４２・・・デイ７ユーデポス、４４・・・ロータに
固定の中間通路、４５・・・ロータに固定の人格子、４
６・・・ロータに固定の異格子リム、４７・・・静翼に
固定の粱格子、４８・・・静翼に固定の憾格子リム、４
９・・・最終通路、５０・・・人格子の前部半休、５０
′・・・ロータに固定の異格子リム、５１・・・殻格子
の後部半休、５２・・・環状室、５３・・・冷却空気側
翼リム、５４・・・中間通路、５５・・・ロータに固定
の人格子、５６・・・ロータに固定の異格子リム、５７
・・・静翼に固定の人格子、５８・・・静翼に固定の異
格子リム、５９・・・ロータに固定の異格子リム、６０
・・・ロータに固定の人格子、６１・・・最終通路、６
２・・・ロータに固定の冷却空気用翼格子、６３・・・
冷却空気用翼リム、６４・・・冷却空気用翼リムの外表
面２／３３／３

Claims

【特許請求の範囲】１、タービンロータ（１）とその動翼リム（５〜９）の
ための冷却手段を備える軸流ガスタービンであつて、冷
却空気が、圧縮機から分岐され、そして公知のようにね
じり手段によつて周方向に加速され、それにより、冷却
空気案内系内に該冷却空気が流入するところの前記ター
ビンロータ（１）の冷却空気孔（１５）に対して、該冷却空気の周方向の相対速度がゼ
ロになるものにおいて、最後段（９＋１４）の範囲において前記冷却空気を案内するべ
く、通路（２６、２１、２８；４４、４５、４７、５０、４９、５１、５２、３９；５
４、５５、５７、６０、６１、６２）が設けられており
、該通路は、ロータ外被における前記最後段の静翼リム
（１４）の範囲と、同最後段の動翼リム（９）の該翼基
部の範囲とにおいて延びており、その場合、前記最後段
の動翼リム（９）の少なくとも端部において、前記ター
ビンロータ（１）に固定の冷却空気用翼リム（２７；５
３；６３）内に冷却空気用翼格子（２８；５１；６２）
が存在しており、該翼格子の通路の方向づけは、デイフ
ユーザ内に流出する冷却空気の速度ベクトルが、本質的
に、排気ガス流の平均的速度ベクトルと一致するように
為されており、そしてこの場合、前記デイフユーザ内へ
の冷却空気の吹き出し方についての具体的な制限は、該
冷却空気の剥離が回避され、かつ前記最後段の動翼リム
（９）のボス領域において駆動ガス流が均質化されるよ
うに為されていることを特徴とする軸流ガスタービン。２、前記最後段の静翼リム（１４）の範囲内の冷却空気
の通路は、対称の熱吸収セグメント（２４）によつて覆
われた、ロータ本体の環状溝と、該熱吸収セグメント（
２４）のウェブ（２５）の通孔（２６）とにより構成さ
れること、前記最後段の動翼リム（９）の範囲内で冷却
空気を案内するために、翼基部の通路（２１）が設けら
れていること、そして、前記冷却空気用翼リム（２７）
内の前記冷却空気用翼格子（２８）の、流通方向におい
て上流側に、整流リング（２９）が配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の軸流ガスタービン。３、前記最後段の静翼リム（１４）の範囲内の冷却空気
の案内部は、ロータ外被内の中間通路（５４）と、該中
間通路の端部のロータに固定の翼格子（５５）と、該静
翼に固定の翼格子リム（５８）内の翼格子（５７）とか
ら成ること、前記最後段の動翼リム（９）の範囲内の冷
却空気の案内部は、ロータに固定の翼格子リム（５９）
内の翼格子（６０）と、該最後段の動翼リム（９）の翼
基部内の最終通路（６１）と、冷却空気用翼格子（６２
）を持つロータに固定の冷却空気用翼リム（６３）とを有しており、前記翼格子リム（５９）の翼格子（６０）は、翼鼻端を構成する前部翼
半体から成り、前記冷却空気用翼格子は、後部翼半体か
ら成ることを特徴とする請求項１に記載の軸通ガスター
ビン。４、前記最後段の静翼リム（１４）の範囲内の冷却空気
案内部は、ロータに固定の中間通路（４４）と、ロータ
軸線を指向して湾曲した翼格子（４５）を持つロータに
固定の翼格子リム（４６）と、静翼に固定の翼格子リム（４８）内のロータ軸線を指向する翼格子（４７）とを有すること、そして前記最後段の動翼リム
（９）の範囲内の冷却空気案内部は、ロータに固定の翼
格子リム（５０′）内の翼格子（５０）と、該最後段の
動翼リム（９）の翼基部の範囲内の最終通路（４９）と
、冷却空気用具格子（５１）を持つロータに固定の冷却
空気用翼リム（５３）とを有しており、前記翼格子リム
（５０′）の翼格子（５０）は、翼鼻端を構成する前部
翼半体から成り、前記冷却空気用翼格子は、後部翼半体
から成ること、そしてさらに前記冷却空気用翼リム（５３）とデイフユーザボス（４２）との間の環状室（
５２）及び環状スリット（３９）、により特徴づけられ
る請求項１に記載の軸流ガスタービン。５、前記デイフユーザボス（４２）の流入領域（４０）
は、軸方向断面において、流線形に成形されていること
を特徴とする請求項２又は３又は４に記載の軸流ガスタ
ービン。６、前記冷却空気用翼リム（２７；５３；６３）の円錐
台形状の外表面（６４）は、前記排気ガス流が前記最後
段の動翼リム（９）の後方で均質化されるように、前記
ロータ軸線に対して斜めに形成され、かつ限定されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の軸流ガスタービン
。