JPS58122302A - ガスタ−ビンロ−タへの冷却空気導入方法及びその装置 - Google Patents

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】 本発明は、ガスタービンロータへの冷却空気の導入方法
及びそれに用いる装置に関する。

従来、外部から冷却空気を導入してガスタービンの回転
部分を冷却する技術としては５例えば第１図に示すもの
が採用されている。この従来例においては、冷却空気７
をロータの一方の軸方向側壁に設けられた貫通孔２から
取入れ、中空にし丸軸中心部１′を通して各段に配分す
る方式が採られている。これには第１図に示すように、
タービンロータの軸方向両端に位置するスタブシャフト
ＩＣ）間に、動翼４が外周に植込まれたロータディスク
３とスペーサ５が複数ずつタイボルト６で締結されて一
体になるという基本構造の中で、各段への冷却流路を形
成するため、一方のスタブシャ７ト１の側壁に複数の貫
通孔２を設け、各ロータディスク３の軸中心部を中空に
して軸方向の貫通流路とし、さらにロータディスタ３と
スベーナ５の間に半径方向流路を設ける設計がなされる
。冷却空気７は前記の流路を順に流れ、動翼４の内部の
冷却や回転・静止体間のすき間のシールを行つ九後、ガ
ス流路内に吹出されて高温ガス８と混合するのであるが
、この方式では回転数の上昇に伴って導入過程前半の流
動損失が増大し、タービンの各段の圧力差が変動し異く
、従って各段への冷却空気流量配分の設計が難しいとい
う欠点がある。

この問題点を、第２図を用いて明らかにする。

すなわち、従来技術において回転に伴い流動損失が増大
することは、第２図に示すロータ内部の各位置での冷却
空気の流れの状況を分析すれば理解できる。図ではロー
タに固定した視点から見え流線を矢印のついた実線と破
線とで示し、各位置麿〜ｆではそれぞれの位１１におけ
ゐ軸・半径方向の合成速度を実線の矢印で示し、さらに
周方向速度をらせん状の破線の矢印で各々示しである。

とζろ・で第３図は、モデルロータでの導入過程の圧力
分布データを示すものである。横軸にタービンＯ軸方向
位置１〜ｆ（第２図参照）ｔとシ。

たて軸に圧力（ａｔｅ）をとる。非回転時の圧力分布を
実線で示し１回転時（６５ＯＯｒｉ）ｍ）の圧力分布を
破線にて示す。この図かられかるように。

毫デルロータの非回転時には実線で示す圧力分布データ
のとお）１通中で流路の急拡大・急縮小に伴う流動損失
は発生するものの、全体の損失は少ない、しかし１回転
数の上昇とともに損失が増え、ｑ＃に位置１〜６間とｄ
　−、ｅ間での流動損失の増加が原著になって来る。第
３図の破線で示すとおりである。

ζＯような流動損失の発生について、第２図に戻ってそ
の原因を検討して見る。まず位置暑〜ｂ関Ｏ過鴨では、
低速でほとんど周方向速度をも九ない冷却空気７を、ロ
ータの強度上の制約から中学ＷｋＫ位置している貫通孔
２から大きな周方向速度差の１１敗入れる丸め、流入後
に流れの乱れ９が着しく増幅され、非回転時よシ大きな
損失を発生する。流入した冷却空気７は位置ｂ−＋ｃ→
ｄと進むにつれ周方向速度を増してゆき、ロータディス
ク３の中心の軸方向の貫通流路では内周面よりかなシ大
きな周方向速度をもつようになる。このような状況では
、ロータディスク３の内周面近傍の流れは不安定になシ
やすい丸め、曲）なから流入する際に生ずる流れの乱れ
９の成長が助長され。

ここでも回転時には損失が大きくなる。

以上の説明かられかるとおプ、このような流動損失の増
加は、導入時に冷却空気７に付与された周方向速度成分
がロータ内部の流路で乱れ９の発生を助長することが原
因となっている。従って。

それを減らす対策としては、付与される周方向速度を小
さくするか、乱れが増幅されないように流れを制御すれ
ばよいことになる。

本発明の目的は、上記したような中空ロータへの冷却空
気導入のための基本構造は変えずに、よって従来のもの
に簡単な改良を施すだけで得ることができ、しかも回転
時にも冷却空気導入過程での流動損失の少ない、有利な
ガスタービンロータへの冷却空気導入方法及びその装置
ｆを提供することにある。

この目的を達成するため１本発明においては。

回転中のガスタービンの中空ロータ内へ冷却空気を導入
してその回転部分を冷却するに際し、外部から導入する
冷却空気を流路によってロータ中央部近傍に導く方法を
採る。

このような流路によシ流れを制御することができ、乱れ
を増幅しないようにできるので、流動損失を小ならしめ
得る。

このような流路を採用する方法を実施するのには、ロー
タに簡易な構造物を付加することによって得られる装置
を用いることができる。

すなわち、ロータａｍに貫通孔を設け、ロータ内部の中
空の軸中心部に冷却空気を導く流路を構成する構造物を
その貫通孔を介してロータに付加することによシ、この
冷却装置導入装置を構成することができる。

以下、本発明の一実施例について＃Ｅ４図にょシ説明す
る。

これは１回転中のガスタービンの中空ロータ内へ冷却空
気７を導入してその回転部分を冷却する丸めに、ロータ
側壁に貫通孔２を設け、ロータ内部の中空の軸中心部１
′に冷却空気７を導く流路を構成するダク）１０を貫通
孔２を介してロータに付加して構成したものである。

ロータに付加して設置されたこのダクト１０は。

本例においてはその人口１１はロータの外壁を構成する
スタブシャフト１の中半径位置に設けられた貫通孔２の
位置に開口し、出口１２はロータ内部の中空の軸中心部
に開口している。途中の経路は両者を結ぶように任意表
ものを選んでよく、ダクト１０は支持部材１３などによ
シスタブシャフト１に固定される。ロータ内に取入れた
冷却空気７をこのようなダクト１０で導く形式にすれば
。

従来のように途中の径路で急拡大・急縮小を伴うことも
ないし、流れは回転管内に限られるため周方向速度差に
起因する乱れの増幅も抑制され、冷却空気７に最終的に
付与される周方向速度も小さいものとなる。

よって冷却空気導入過程前半での流動損失は抑えること
ができる。これに伴い、タービン各段の圧力差の変動も
生じに〈〈、各段への冷却空気流量配分の設計も容易と
なる。導入過程両生での圧損が小さくなるから、各段へ
冷却空気を配分する際の入口圧力が設定値からあまりず
れないからである。（出口圧力の方は定まっている）。

また。

従来技術では第１段よ）冷却が必要な奥の第２段（蒸気
を先に受ける方）の冷却効が小さくなってい九のが１本
構成ではほぼ均一に冷却でき、冷却効率が良い。

なお本例装置では、ダクトの入口１１が出口１２よシも
外周にあるため、ダクト内の冷却空気７に働く遠心力が
全体として流れを押戻す作用をするという問題がある。

しかしこれも通常の形状・寸法の範囲では小さい。例え
ば、第３図のモデルロータの場合、遠心力によシ流れを
押戻す作用は圧力差で約０．１５ａｔａであるに対し、
ダクトの付加によシ、従来の軸中心部までの導入過梅で
の全損失２ａｔａは半分ないしそれ以下になるため、全
体の損失は前者の効果を差引いても少なくなる。

また本実施例において、ダク）１０内の整流効果を高め
るため、仕切シ板や格子を設けてもよい。

第５図０）〜に）に略示するとおシである。同図（イ）
（ロ）は断面円形のダクト１０に各々格子１０１．横仕
切り１０２を設けたものであり、（ハ）に）は断面角形
のダクトｌＯに各々格子１０１．７’ｔて仕切シ１０３
を設けたものであるが、その他種々の形態を採）得るこ
とは言うまでもない。この整流作用によシ流れが制御さ
れ、特に入口１１における旋回成分が無くなるから、そ
のような渦発生による圧損が効果的に除去される。

さらに、第６図の如く、途中で複数のダクト１０４を合
流させる形式にしてもよい。

以上のようにこの実施例では、ａ−夕内に取入れられた
冷却空気がダクト内を流れることによシ。

大きな乱れを発生しないため、導入過程での流動損失を
少なくできる。

上記実施例の変形例として、ダクトをロータ外にまで延
長し、ダクトの入口を冷却空気の取入れ易い形状にする
構成例がある。第７図はその一例で、ダク）１０の入口
１１はロータ外部の内周寄シに開口しているため、取入
れる冷却空気７との周方向速度差が小さくて、効果的に
取入れることが可能である。また別の例として、ダクト
の入口の向きを周方向の冷却空気と正対させて、周方向
速度差によシ押込み作用が働くようにしてもよい。

例えば第８図に略示する如く、ダクト１０を周方向に曲
げて、その開口１１を周方向の空気流れと対向させるよ
うにする。この例ではダクト入口での冷却空気の取入れ
が効果的に行われる。かつロータ内部のダクトについて
は繭記の例と同様の効果が期待できるため、導入過程で
の流動損失が少なくなる。

上記各側では流路を構成する構造物としてダクトを採用
したが、その地回様の作用を呈する構成のものを用い得
ることは言うまでもない。

上述の如く本発明のガスタービンロータへの冷却空気導
入技術は、外部から導入する冷却空気を流路によってロ
ータ中央部近傍に導いて成るものであるので、従来から
の基本構造は変える必要がなく、従って従来のものに簡
単な改良を施すだけで得ることができる。かつ回転時に
は冷却空気導入過程での流動損失が少ないので、冷却効
果上有利である。また、流動損失が少ないため、タービ
ン各段への冷却空気量配分設計も容易になるという効果
もある。

なお、轟然のことではあるが、本発明は図示し九実施例
にのみ限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の全体断面図である。第２図は線側にお
ける冷却空気導入過程での流動状態を示すための部分拡
大断面図である。第３図は該導入過程での圧力変化を示
すグラフである。第４図は本発明の一実施例を示す部分
断面図である。第５示す部分断面図である。 １・・・ロータ（スタブシャフト）、２・・・貫通孔＆
３・・・ロータ（ロータディスク）、７・・・冷却空気
。 １０・・・（流路を構成する）構造物（ダクト）。 １１・・・構造物（ダクト）の入口、１２・・・構造物
（ダクト）の出口。 代理人　弁理士　秋本正実 第２Ｉ２］ 第３図 第４０ ”ｉ　ｓ　　［］ （４）　　　　　　　　　　（ロ） （ハン　　　　　　　　　　　（ニ） 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転中のガスタービンの中空ロータ内へ、冷却空気
   を導入してその回転部分を冷却する方法において、外部
   から導入する冷却空気を流路によってロータ中央部近傍
   に導いたことを特徴とするガスタービンルータへの冷却
   空気導入方法。 ２　回転中のガスタービンの中空ロータ内へ、冷却空気
   を導入してその回転部分を冷却する構成のガスタービン
   冷却空気導入装置において、ロータ側壁に貫通孔を設け
   、ロータ内部の中空の軸中心部に冷却空気を導く流路を
   構成する構造物を、咳貫通孔を介してロータに付加して
   構成し九ことを特徴とするガスタービンロータへの冷却
   空気導入装置。 １　構造物の冷却空気入口は、はぼ貫通孔のある場所に
   位置する本のである特許請求の範囲第２項に記載のガス
   タービンロータへの冷却空気導入装置。 也　構造物の冷却空気入口は、貫通孔よりも外側に位置
   することを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載のガ
   スタービンロータへの冷却空気導入装置。