JPH09242563A - ガスタービン冷却システム - Google Patents

ガスタービン冷却システム

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JPH09242563A
JPH09242563A JP5288096A JP5288096A JPH09242563A JP H09242563 A JPH09242563 A JP H09242563A JP 5288096 A JP5288096 A JP 5288096A JP 5288096 A JP5288096 A JP 5288096A JP H09242563 A JPH09242563 A JP H09242563A
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JP
Japan
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cooling
spacer
cooling medium
hollow shaft
disk
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Application number
JP5288096A
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English (en)
Inventor
Takashi Sekihara
傑 関原
Takashi Machida
隆志 町田
Manabu Matsumoto
学 松本
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】隣接するスペーサとの当たり面より内周側での
ディスクの表面には、冷却前と冷却後の動翼冷却用媒体
のどちらも触れさせずに、ディスクの内部における温度
勾配を極力低減し、ディスク内で発生する熱応力を低減
する。 【解決手段】ガスタービンは、動翼2,静翼4,各翼間
ガス圧シール用シュラウド5,外周部に動翼2の根元部
に備えられたファーツリー13が、植え込まれて固定さ
れるファーツリー溝14を備えたディスク1を備える。
ディスク1は隣接するスペーサ6との当たり面7にハブ
部15、および径方向への拘束用としてインロー部16
を備え、当たり面7には回転中心軸17からの半径位置
がともに等しいボルト孔8を備える。冷却用媒体の動翼
への供給もしくは回収は、中心部に設けた中空シャフト
22および中心孔表面より半径方向にあけられた孔23
を有するスペーサ26等を用いて行う。

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設備に
係り、特にタービンの冷却システムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のタービン動翼冷却システムは、圧
縮機の任意の段から抽気された空気をタービン内部へ導
くことにより、まずディスクの暖気もしくは冷却を行う
ことでディスクに発生する温度勾配を緩和した後に、動
翼内部に導入して動翼メタル温度を低減し、冷却後の空
気をタービンガス流路中に放出するオープン冷却システ
ムが一般的であった。
【0003】しかし、近年ガスタービン設備では、省エ
ネルギ,環境保全を目的として、システムの高効率化が
求められるようになってきた。高効率化の一手段として
動翼冷却用媒体を、動翼冷却後にタービンガス流路中に
放出せずに回収するクローズド冷却システムが採用され
つつある。
【0004】クローズド冷却システムを採用する場合に
は、動翼冷却後に高温となった冷却用媒体を別途回収す
る必要が生じる。従来のオープン冷却システムでは動翼
冷却後に高温になった冷却用媒体は、タービンガス流路
に放出できたために、タービン冷却システム内でこのよ
うな回収手法は特に問題にはならなかった。しかしクロ
ーズド冷却システムを採用する場合には、冷却効率の面
からこの冷却用媒体を冷却前と冷却後の状態で互いに触
れさせることなく、動翼へ供給して冷却した後に回収す
るシステムが必要となる。
【0005】このような冷却用媒体の供給−回収システ
ムの一例として、横浜国際ガスタービン学会(1995
年)で提案された、蒸気クローズド冷却システムの例が
ある。図1は公知例のタービン部の構造断面図である。
図1は複数枚の動翼が嵌合されるディスクを多段単位で
回転軸方向に重ね合わせるスタックドロータの断面図で
あり、左側が上流前段側,右側が下流後段側である。図
中1はディスク、2は動翼、3はスタッキングボルト、
4は静翼、5はシュラウド、6はスペーサを示す。構成
上ディスク1は、スタッキングボルト3によって隣接す
るスペーサ6との当たり面7にあけられたボルト孔8を
貫通され、両端からスタックされることで締結されてい
る。
【0006】図1のロータディスク1では、隣接するス
ペーサ6との当たり面7に、スタッキングボルト3が貫
通する孔8とは別に冷却用媒体が流れる孔9を設け、動
翼2を冷却する媒体は冷却前および冷却後ともに冷却媒
体用の孔9を別々に通ることにより、互いに隔離された
状態でのクローズド冷却システムを実現している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ガスタービンでは、今
後さらなる高効率化、およびその一手段としてのタービ
ン入口温度の上昇が求められることが予想される。この
要求に応えるために従来技術の延長により、単に冷却用
媒体を冷却前と冷却後で別経路を通すことにより互いに
触れさせない方法を採用した場合には、タービン入口温
度の上昇に伴う動翼冷却後の媒体温度の上昇により、冷
却用媒体の冷却前と冷却後の温度差が大きくなる。した
がってクローズド冷却システムを採用する場合には、こ
の冷却用媒体の冷却前と冷却後の温度差に起因する大き
な熱応力が、単体の遠心応力でも高レベルにあるディス
クの内部でさらに重畳して発生するために、冷却用媒体
の冷却前と冷却後での相互隔離だけでは、さらなる高効
率化,高温化にはディスクの発生応力の面から対処しき
れないという問題がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記解決課題は、冷却用
媒体の動翼への供給もしくは回収を、中心部に設けた中
空シャフトおよび中心孔表面より半径方向にあけられた
孔を有するスペーサを用いて行うことにより解決する。
【0009】本発明のタービン冷却システムは上記解決
手段の構造を備えているので、隣接するスペーサとの当
たり面より内周側でのディスクの表面には、冷却前と冷
却後の動翼冷却用媒体がどちらも触れることがない。し
たがってディスクの内部における温度勾配が極力低減さ
れている。以上の結果ディスク内で発生する熱応力を低
減することを可能とする。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明のロータディスクは、流体
から仕事を受け取る複数枚の動翼と、動翼が植え込まれ
る回転ディスクと、ディスクを複数段貫通して締結する
ためのスタッキングボルトを備えている。動翼はその根
元部にディスクに植え込まれるためのファーツリーを有
し、ディスクの外周表面には回転軸方向もしくは周方向
に任意の角度をもって溝が切られ、動翼のファーツリー
が植え込まれるようになっている。またディスク両側面
には隣接するスペーサとの当たり面として定肉厚のハブ
部が設けられ、ハブ部には回転中心軸からの径位置がと
もに等しく周方向に等間隔にあけられた孔群を有してお
り、複数本のスタッキングボルトにより貫通されて締結
されることによって、複数段のディスクがスタックされ
て軸方向に固定されている。さらにディスクは隣接する
スペーサとの接触部にインロー部を有し、隣接するスペ
ーサと互いに噛み合うことによって、径方向に固定され
る。以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【0011】図2および図3は、本発明のタービン冷却
システムの断面図である。図2は冷却システムの回転軸
方向断面図であり、図3は図2中の4段ディスク10の
構造模式図である。図2中で、2点鎖線は動翼冷却前の
媒体の流れ11を示し、点線が動翼冷却後の媒体の流れ
12である。図2および図3で、動翼2は静翼4および
各翼間ガス圧シール用シュラウド5と、タービンの上流
側から下流側へ向かって交互に配置される。動翼2は根
元部に設けられたファーツリー13をディスク1の外周
部にあけられたファーツリー溝14に植え込まれること
によって固定される。タービン流路断面積は上流から下
流へ増加する傾向にある。ディスク1には隣接するスペ
ーサ6との当たり面7にハブ部15およびインロー部1
6が設けられ、隣接するスペーサ6と互いに噛み合うこ
とによって、径方向に拘束される。さらにディスク1に
隣接するスペーサ6との当たり面7には、回転中心軸1
7からの半径位置が等しいボルト孔8があけられ、そこ
へスタッキングボルト3が貫通し、ナット18および1
8′によりディスタントピース19,スタブシャフト2
0を介して両端を締め付けられることで全段が締結さ
れ、ディスク1が回転軸方向に拘束されている。またス
ペーサ6の外周部には、静翼4の先端に設けられるシュ
ラウド5との間に、ラビリンスシール面21が設けられ
ている。
【0012】さらに本発明のタービン冷却システムで
は、図2に示すようにタービン構造の外から供給された
動翼冷却用媒体は、ディスク1の中心孔内に配置された
中空シャフト22内を冷却前の状態で通り、スペーサ6
に設けられた径方向孔23を介してディスク1の外周側
へ導かれることでまず動翼2を冷却する。そして冷却後
の媒体はディスク1と隣接するスペーサ6およびディス
タントピース19との当たり面7に設けられたスリット
24を通り、ハブ部15に設けられた回転中心軸17か
らの半径位置がともに等しい軸方向孔25へと導かれ
る。冷却後の媒体はその後スタブシャフト20へ導かれ
て、タービン構造の外へ回収されることによって、当た
り面7より内周側でのディスク1の表面には、冷却前と
冷却後の動翼冷却用媒体がどちらも触れることがない。
よってディスク1の内部における温度勾配が極力低減さ
れることで、ディスク1内で発生する熱応力が低減され
る。
【0013】また図4には、図2中における1,2段デ
ィスク間スペーサ26の構造模式図である。1,2段デ
ィスク間スペーサには、動翼冷却前の媒体が通る径方向
孔23と、動翼冷却後の媒体が通る軸方向孔27の2種
類の孔群があけられる。ただしクローズド冷却システム
の前提として、冷却前後の媒体は互いに接触できないた
めに、図4で示すように径方向孔23と軸方向孔27は
交互に配置される。
【0014】図5に示す実施例では、冷却用媒体の流れ
は図2に示す実施例と同じだが、中空シャフト22とス
ペーサ6の間に冷却用媒体の搬送用としてホイール28
を設けている。ただしこのホイール28は、中空シャフ
ト22とスペーサ6の間に半径方向に配置されたパイプ
でも良い。
【0015】図6に示す実施例では、タービン構造の外
から供給された動翼冷却用媒体は、ディスク1の中心孔
内に配置された中空シャフト22内を冷却前の状態で通
り、スペーサ6に設けられた径方向孔23およびディス
タントピース19に設けられた径方向孔29を介してデ
ィスク1の外周側へ導かれることでまず動翼2を冷却す
る。冷却後の媒体はスペーサ6に設けられた軸方向孔2
7および径方向孔23を通り、当たり面7に設けられた
回転中心軸17からの半径位置がともに等しい軸方向孔
25へと導かれる。冷却後の媒体はその後スタブシャフ
ト20へ導かれて、タービン構造の外へ回収されること
によって、当たり面7より内周側でのディスク1の表面
には、冷却前と冷却後の動翼冷却用媒体がどちらも触れ
ることがない。よってディスク1の内部における温度勾
配が極力低減されることで、ディスク1内で発生する熱
応力が低減される。
【0016】図7に示す実施例では、冷却用媒体の流れ
は図6に示す実施例と同じだが、中空シャフト22とス
ペーサ7およびディスタントピース19の間に冷却用媒
体の搬送用としてホイール28を設けている。ただしこ
のホイール28は、中空シャフト22とスペーサ6の間
に半径方向に配置されたパイプでも良い。
【0017】図8に示す実施例では、タービン構造の外
から供給された動翼冷却用媒体は、ディスク1の中心孔
内に配置された中空シャフト22内を冷却前の状態で通
り、スペーサ6に設けられた径方向孔23およびディス
タントピース19に設けられた径方向孔29を介してデ
ィスク1の外周側へ導かれることでまず動翼2を冷却す
る。冷却後の媒体はスペーサ6に設けられた軸方向孔2
7および径方向孔23を通り、中心部に設けられた中空
シャフト22へと導かれ、タービン構造の外へ回収され
ることによって、当たり面7より内周側でのディスク1
の表面には、冷却前と冷却後の動翼冷却用媒体がどちら
も触れることはない。よってディスク1の内部における
温度勾配が極力低減されることで、ディスク1内で発生
する熱応力が低減される。
【0018】図9に示す実施例では、冷却用媒体の流れ
は図8に示す実施例と同じだが、中空シャフト22とス
ペーサ6およびディスタントピース19の間に冷却用媒
体の搬送用としてホイール28を設けている。ただしこ
のホイール28は、中空シャフト22とスペーサ6の間
に半径方向に配置されたパイプでも良い。
【0019】図8および図9の実施例では、動翼冷却用
媒体が冷却前後ともに、ディスク中心孔に配置される中
空シャフト22を通っているが、冷却前後の媒体が互い
に触れることのないように、図10に示すように中空シ
ャフト22内部に仕切板30を設けたり、幾本かの分割
用パイプ31をまとめるなどの構造をとることが可能で
ある。
【0020】ただし以上の各実施例で、冷却用媒体の流
れは図中の矢印と逆方向、すなわち動翼冷却前が点線
で、動翼冷却後が2点鎖線の流れ方向でも良い。
【0021】
【発明の効果】本発明では冷却用媒体の動翼への供給も
しくは回収を、中心部に設けた中空シャフトおよび中心
孔表面より半径方向にあけられた孔を有するスペーサを
用いて行うため、隣接するスペーサとの当たり面より内
周側でのディスクの表面には、冷却前もしくは冷却後の
動翼冷却用媒体のどちらも触れることがない。したがっ
てディスクの内部における温度勾配が低減されている。
その結果ディスク内で発生する熱応力を低減することを
可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のクローズド冷却システムを採用したター
ビンの断面図。
【図2】本発明を最も良く表すタービンの断面図。
【図3】動翼植え込みファーツリー部の説明図。
【図4】1,2段ディスク間スペーサに設けられた各種
孔の配置図。
【図5】冷却用媒体が中空シャフト,ホイールおよびス
ペーサを流れる構造の断面図。
【図6】冷却用媒体が中空シャフト,スペーサおよびデ
ィスタントピースを流れる構造の断面図。
【図7】冷却用媒体が中空シャフト,ホイール,スペー
サおよびディスタントピースを流れる構造の断面図。
【図8】冷却用媒体が冷却前後とも中空シャフトおよび
スペーサを流れる構造の断面図。
【図9】冷却用媒体が冷却前後とも中空シャフト,ホイ
ールおよびスペーサを流れる構造の断面図。
【図10】中心部の中空シャフト内部の領域の説明図。
【符号の説明】
1…ディスク、2…動翼、3…スタッキングボルト、4
…静翼、5…シュラウド、6…スペーサ、7…当たり
面、8…ボルト孔、10…4段ディスク、11…冷却前
の媒体流、12…冷却後の媒体流、15…ハブ部、16
…インロー部、17…回転中心軸、18…ナット、19
…ディスタントピース、20…スタブシャフト、21…
ラビリンスシール面、22…中空シャフト、23…スペ
ーサ径方向孔、24…スリット、25…ディスク軸方向
孔、26…1,2段ディスク間スペーサ、27…スペー
サ軸方向孔。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転ディスクとこれに嵌合される複数枚の
    動翼の組み合わせ体を、複数段スタッキングボルトで締
    結し、前記動翼を冷却するための媒体を前記動翼冷却後
    にタービンガス流路に放出せずに回収するガスタービン
    において、前記冷却用媒体の前記動翼への供給もしくは
    回収を、中心部に設けた中空シャフトおよび中心孔表面
    より半径方向にあけられた孔を有するスペーサを用いて
    行うことを特徴とするガスタービン冷却システム。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記冷却用媒体の前記
    動翼への供給もしくは回収を、中心孔表面より半径方向
    にあけられた孔を有するディスタントピースを用いて行
    うガスタービン冷却システム。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記中空シャ
    フトとスペーサもしくはディスタントピースの間に半径
    方向に孔を有するホイールを介して、前記冷却用媒体を
    前記動翼へ回収,供給することを通るガスタービン冷却
    システム。
  4. 【請求項4】請求項1または2において、前記中空シャ
    フトとスペーサもしくはディスタントピースの間に半径
    方向に設けたパイプを介して、前記冷却用媒体を前記動
    翼へ回収,供給することを通るガスタービン冷却システ
    ム。
  5. 【請求項5】請求項1,2,3または4において、前記
    中空シャフト内を複数の領域に分割するか、もしくは前
    記中空シャフト内に複数本のパイプを配置することによ
    り、前記冷却用媒体の回収,供給を同時に行う機能をも
    たせたガスタービン冷却システム。
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