JP2002061518A

JP2002061518A - ガスタービン

Info

Publication number: JP2002061518A
Application number: JP2000250272A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Kitsuka; 宣明木塚; Shinya Marushima; 信也圓島; Manabu Matsumoto; 学松本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2020-08-21
Also published as: JP3685985B2

Abstract

(57)【要約】【課題】間隙からの冷却媒体の漏れを防止し、冷却媒体
の漏れによるプラント効率低下やガスタービン自体の信
頼性低下を招くことのないガスタービンを提供すること
にある。【解決手段】ロータディスク２とディスク３，４の外周
側接触面に環状のシール溝３３が形成されている。この
環状のシール溝３３には、円形断面をもつ環状の金属製
ワイヤー４０が挿入される。環状ワイヤー４０は、周方
向に係合部を有し、この係合部の一端は断面が半月状で
あり、係合部の他端も断面が半月状であり、係合部の一
端の半月状形成部と他端の半月状形成部同士を互いにオ
ーバーラップさせて環状を形成するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンに係
り、特に、冷却媒体をロータディスク内の流路を通して
タービン動翼に供給及び回収している構造のものに適用
するに好適なガスタービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、圧縮機で圧縮した作動
流体に燃料を加えて燃焼し、高温高圧の作動流体を得て
タービンを駆動するように構成されている。タービンの
回転エネルギーは、例えば、タービンに結合されている
発電機により電気エネルギーに変換される。

【０００３】最近、ガスタービンと蒸気タービンを組み
合わせたコンバインドサイクルの効率向上に大きな期待
が寄せられており、その一手段として作動流体の温度の
より高温及び高圧力比化が図られている。さらに、高温
化と併せて、これまで主流ガス中に放出してきたガスタ
ービン高温部の冷却媒体を、例えば，燃焼器入口等に回
収することにより、熱エネルギーを有効に利用してさら
に効率向上を図るクローズド冷却方式を採用したガスタ
ービンの開発も進んでいる。

【０００４】一般に、動翼の冷却媒体は、スタッキング
ボルトにより一体に組まれるロータディスクや下流側デ
ィスクの内部に形成された流路を通して、動翼に供給さ
れる。クローズド冷却方式を採用するガスタービンにお
いては、翼冷却後の冷却媒体を全て主流ガス中に放出す
る従来のオープン冷却方式のものに比べ、高い圧力でロ
ータディスク内部の流路に供給される。そのため、ロー
タディスク内部と外部の圧力差が大きいことにより、そ
れぞれの接触部等の少しの隙間からでも多量の冷却媒体
が漏れることになる。そこで、例えば、特開平１０−３
０４０５号公報に記載されているように、互いに接触し
合うロータディスク間接触部にシール溝を設け、そのシ
ール溝にシールばねを挿入し、冷却媒体の漏れを防止す
る構造が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスタ
ービンの起動から運転状態において、シール溝の円周長
さは、熱伸び及び遠心力により、大きく変化し、シール
ばねの円周方向伸びがシール溝円周方向伸びに追従しな
いと偏りが生じてしまい、シールばねが変形あるいは破
損し、十分なシール効果が得られないという問題があ
る。また、ガスタービンの起動から運転状態において、
ロータディスクと下流側ディスクの接触部の間隙は、ス
ラスト，熱伸び，遠心力などの種々の影響により大きく
変化する。この間隙の変動分は設計条件にもよるが、約
＋０．５ｍｍにも達する。このような場合に、直径６．
４ｍｍ金属Ｃシールの弾性変形でこれらの変動分を吸収
しようとしても弾性変形の範囲は、０．４ｍｍであり変
動分を十分に吸収できないという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、シール溝周方向長さや互
いに向き合うロータディスクと下流側ディスク間接触部
の間隙がガスタービン起動から運転時に大きく変化して
も、間隙からの冷却媒体の漏れを防止し、冷却媒体の漏
れによるプラント効率低下やガスタービン自体の信頼性
低下を招くことのないガスタービンを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、内部に冷却媒体流通路を有する動
翼を保持するロータディスクと、このロータディスクに
接触するとともに、上記冷却媒体流通路に連通する流通
路を有するディスクとを有するガスタービンにおいて、
上記ロータディスクと上記ディスクの外周側接触面の少
なくとも一方に形成された環状のシール溝と、この環状
のシール溝に挿入されるとともに、円形断面をもつ環状
の金属製ワイヤーとを備え、上記環状ワイヤーは、周方
向に係合部を有し、この係合部の一端は断面が半月状で
あり、上記係合部の他端も断面が半月状であり、上記係
合部の一端の半月状形成部と他端の半月状形成部同士を
互いにオーバーラップさせて環状を形成するようにした
ものである。かかる構成により、ガスタービン運転時に
は、環状ワイヤーは、回転による遠心力とロータディス
ク内部の冷却媒体の圧力が外部雰囲気の圧力より大きい
ことにより、半径外側方向に力を受け、しかも係合部は
ワイヤーの周方向伸びを拘束しないため、シール溝壁に
密着し、ロータディスク間の隙間を塞ぎ、冷却媒体の漏
れを防止し得るものとなる。

【０００８】（２）上記（１）において、好ましくは、
上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部
と、他端の半月状形成部とをオーバーラップさせる面
が、ロータディスク接触面に対して垂直となるように設
置したものである。かかる構成により、係合部における
漏れ面積を最小限とし、この領域からのリーク量を低減
し得るものとなる。

【０００９】（３）上記（１）において、好ましくは、
上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従
い、一定深さ部を有した後、浅くなるように形成したも
のである。かかる構成により、運転時に環状ワイヤーが
外周側に移動するに際に、シール溝壁がガイドとなり、
よりロータディスク間隙間を塞ぎやすい構造とし得るも
のとなる。

【００１０】（４）上記（１）において、好ましくは、
上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従い
次第に浅くなるように形成したものである。かかる構成
により、運転時に環状ワイヤーが外周側に移動するに際
に、シール溝壁がガイドとなり、よりロータディスク間
隙間を塞ぎやすい構造とし得るものとなる。

【００１１】（５）上記（１）において、好ましくは、
上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部
に設けられた凹型のレール溝と、他端の半月状形成部に
設けられた凸型のレールを備え、上記レール溝に上記レ
ールを挿入するようにして形成したものである。かかる
構成により、係合部においてワイヤー同士の中心軸ずれ
を防止することができ、より確実な漏れ防止を行い得る
ものとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図５を用いて、本発
明の第１の実施形態によるガスタービンの構造について
説明する。最初に、図１を用いて、本実施形態によるガ
スタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造につい
て説明する。図１は、本発明の第１の実施形態によるに
よるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺の構造
を示す断面図である。

【００１３】動翼１は、ロータディスク２に保持されて
いる。上流側ディスク３，ロータディスク２及び下流側
ディスク４は、スタッキングボルト５により一体化さ
れ、回転体を形成している。上流側ディスク３とロータ
ディスク２との間には、動翼１に冷却媒体を供給するた
めのキャビティ１０が形成されている。一方、ロータデ
ィスク２と下流側ディスク４との間には、動翼１を冷却
した冷却媒体を回収するためのキャビティ１１が形成さ
れている。

【００１４】このように形成された構造において、冷却
媒体１２は、ロータディスク内に設けられた流路６より
キャビティ１０に供給される。さらに、冷却媒体１２
は、ロータディスク２に設けられた冷却媒体供給流路２
０により、動翼１のダブテイル８に設けられた冷却媒体
供給口２２に供給される。一方、動翼１の冷却を終えた
冷却媒体１２は、動翼１のダブテイル８に設けられた冷
却媒体回収口２３からロータディスク２の冷却媒体回収
流路２１を通りキャビティ１１に集められる。さらに、
流路７により回収され、最終的には上流側の燃焼器入口
に回収される。

【００１５】このように冷却媒体を回収するクローズド
冷却方式を採用するシステムにおいては、翼冷却媒体を
最終的に圧力が最も高い燃焼器入口に回収できるよう
に、外部に設けたブースト圧縮機等により昇圧して供給
しているため、ロータディスク内部の冷却媒体圧力とロ
ータディスク外部の雰囲気圧力との間には、大きな圧力
差がある。この圧力差により、間隙からの冷却媒体が漏
れ、冷却媒体の漏れによるプラント効率低下やガスター
ビン自体の信頼性低下が生じることになる。

【００１６】そこで、本実施形態においては、ロータデ
ィスク２と上流側ディスク３の接触面間隙に、円形断面
をもつ中実の金属製環状ワイヤー４０が挿入している。
また、同様に、ロータディスク２と下流側ディスク４の
接触面間隙に、円形断面をもつ中実の金属製環状ワイヤ
ー４０が挿入している。環状ワイヤー４０の挿入構造の
詳細については、図２〜図４を用いて、後述する。

【００１７】次に、図２を用いて、本実施形態によるガ
スタービンの動翼及びロータディスク周辺の詳細な構造
について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に
よるによるガスタービンの動翼及びロータディスク周辺
の詳細構造を示す要部拡大断面図である。なお、図１と
同一符号は、同一部分を示している。

【００１８】ロータディスク２と上流側ディスク３の接
触面間隙３０には、上流側ディスク３側にシール溝３３
が設けられている。シール溝３３には、半径外側方向に
先窄まりとなるように勾配を持たせた壁３６が形成され
ている。シール溝３３には、円形断面をもつ中実の金属
製環状ワイヤー４０が挿入されている。

【００１９】ここで、図３〜図５を用いて、本実施形態
によるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤー４０の
構成について説明する。図３は、本発明の第１の実施形
態によるによるガスタービンに用いる金属製環状ワイヤ
ー４０の構成を示す斜視図であり、図４は、図３のＡ−
Ａ断面図であり、図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。
なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。

【００２０】図３に示すように、環状ワイヤー４０に
は、分割部７０が設けられている。分割部７０の一方の
端部７１は、図面において断面が半月状となるように、
上半分をカットした形状に形成されている。また、分割
部７０の他方の端部７２は、断面が半月状となるよう
に、下半分をカットした形状に形成されている。そし
て、環状ワイヤー４０は、分割部７０において、ワイヤ
ー端７１の平面部７３とワイヤー端７２の平面部７４と
が重なり合うように構成されている。すなわち、ワイヤ
ー端部７１とワイヤー端部７２は、重なり面７５を円周
方向９３に自由に移動し、ワイヤー周長を設計の範囲内
で変化させることが可能なように形成されている。ま
た、重なり面７５はロータディスク端面３２に垂直とな
るように形成されている。

【００２１】ここで、図２に示すように、ガスタービン
運転時には、ロータディスク２及び上流側ディスク３共
に回転による遠心力６０及び６１が作用し、また同時に
それぞれ熱膨張するため、ロータディスク２と上流側デ
ィスク３との接触面３０は半径外側方向に移動する。ま
た、このとき、動翼１を保持するロータディスク２に作
用する遠心力６０と上流側ディスク３に作用する遠心力
６１とでは大きさが異なるため、それぞれの変形量が異
なり、接触面３０は半径方向にスライドする。このと
き、シール溝３３は、上流側ディスク３の熱膨張により
半径方向外側に移動し、その分周長が長くなる。また、
接触面隙間３１は、運転時の高温状態での熱伸び量を考
慮して設定されるため、回転軸方向の熱伸びを逃がすた
めに起動時には隙間をある程度大きくとって設計され
る。

【００２２】このような場合、クローズド冷却方式を採
用するガスタービンにおいては、冷却媒体１２の圧力は
ロータディスク外側雰囲気圧力よりも格段に高いため、
この隙間３１からの多量の冷却媒体１２が漏れるのを防
止することが必要である。なぜなら、冷却媒体１２はブ
ースト圧縮機により昇圧された媒体であるため、漏れが
発生するとブースト圧縮機の動力分が損失となり、プラ
ント全体効率を大幅に下げる結果となる。また、漏れに
より動翼１に十分な冷却媒体１２を供給できなければ、
冷却不足により動翼１が破損する恐れがある。

【００２３】そこで、本実施形態においては、図３〜図
５に示したような環状ワイヤー４０を用いて、冷却媒体
の漏れを防止するようにしている。即ち、本実施形態で
は、上流側ディスク３に作用する遠心力と熱変形により
シール溝の周長が変化しても、シール溝３３内の環状ワ
イヤー４０が回転半径外方向に遠心力と圧力差による力
６２をうけ、分割部７０を有しているために円周方向に
設計範囲内で自由に伸びることが可能である。また、運
転時の接触面隙間３１の変動内においては、環状ワイヤ
ー４０はシール溝３３の勾配壁３６とロータディスク２
の端面３２に密着し、隙間３１を塞ぐ作用をする。

【００２４】また、図３に示すように、分割部７０の重
なり面７５がロータディスク端面に垂直であるため、ワ
イヤー端部７１及び７２が重なり合わない領域７６及び
７７からの漏れを考えるた時、領域７６においては、図
４に示すように、半月状ワイヤーのエッジ７８がロータ
ディスク端面３２に接触するため、漏れ面積は、シール
溝３３とワイヤー端部７１の間の領域９０のみとなり、
漏れ９１を微量に抑えることができる。さらに、領域７
７においては、図５に示すように、半月状ワイヤーのエ
ッジ７９がロータディスク端面３２に接触し、円弧部の
８０が勾配壁３６に接触するため、漏れを防止すること
ができ、全体として漏れを最小限とすることが可能であ
る。

【００２５】なお、以上の説明では、ロータディスク２
と上流側ディスク３で構成される冷却媒体供給キャビテ
ィ１０からの冷却媒体１２の漏れ防止方法について説明
してきたが、ロータディスク２と下流側ディスク４とで
構成される冷却媒体回収キャビティ１１からの冷却媒体
の漏れについても同様の方法で防止することが可能であ
る。

【００２６】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ガスタービンの起動から負荷運転状態，さらには停
止に至るまでのすべての運転状態において、ロータディ
スク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れを防止すること
ができ、ガスタービンの性能低下防止と共に信頼性の向
上を図ることができる。

【００２７】次に、図６を用いて、本発明の第２の実施
形態によるガスタービンの構造について説明する。な
お、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータデ
ィスク周辺の構造は、図１及び図２に示したものと同様
である。本実施形態では、特に、環状ワイヤーの構成に
特徴があるものであり、以下、図６を用いて、本実施形
態による環状ワイヤーの構成について説明する。図６
は、本発明の第２の実施形態によるによるガスタービン
に用いる金属製環状ワイヤー４０ｂの構成を示す斜視図
である。なお、図１〜図５と同一符号は、同一部分を示
している。

【００２８】環状ワイヤー４０ｂのワイヤー端部７１ｂ
の平面部７３ｂには、レール溝８１を設けている。ま
た、他方のワイヤー端部７２ｂの平面部７４ｂには、レ
ール８２を設けている。そして、環状ワイヤー４０ｂ
は、レール８２がレール溝８１内をスライドするように
形成する。

【００２９】本実施形態による構造を備えることによ
り、ワイヤー端部７１ｂとワイヤー端部７２ｂのそれぞ
れの中心軸がずれるのを防止することが可能となる。し
たがって、ワイヤー端部７１ｂがふらついたりしてエッ
ジ７８ｂがロータディスク端面３２から離れることを防
ぎ、より確実な漏れ防止が可能である。

【００３０】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れ
をより確実に防止することができ、ガスタービンの性能
低下防止と共に信頼性の向上を図ることができる。

【００３１】次に、図７を用いて、本発明の第３の実施
形態によるガスタービンの構造について説明する。な
お、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータデ
ィスク周辺の構造は、図１に示したものと同様である。
本実施形態では、特に、シール部構造に特徴があるもの
であり、以下、図７を用いて、本実施形態によるシール
部構造について説明する。図７は、本発明の第３の実施
形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディス
ク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。なお、
図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。

【００３２】ロータディスク２と上流側ディスク３の接
触部隙間３１において、両側にシール溝３３ｂ及び３２
ｂを設けている。シール溝３３ｂ及び３２ｂの外周側の
シール溝壁３６ｂ及び３５ｂには勾配を設けており、ハ
の字型を形成している。

【００３３】このような構造においても、図３〜図５若
しくは図６に示したような構成の環状ワイヤー４０，４
０ｂを用いることにより、ガスタービン運転時にシール
溝３３ｂと３２ｂに半径方向段ずれが生じても、環状ワ
イヤー４０，４０ｂが遠心力と圧力差による力６２によ
り外周側に持ち上げられ、シール溝壁３６ｂ及び３５ｂ
に密着し、接触部の隙間３１を塞ぎ、冷却媒体が外部に
漏れるのを防止することができる。

【００３４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れ
を防止することができ、ガスタービンの性能低下防止と
共に信頼性の向上を図ることができる。

【００３５】次に、図８を用いて、本発明の第４の実施
形態によるガスタービンの構造について説明する。な
お、本実施形態によるガスタービンの動翼及びロータデ
ィスク周辺の構造は、図１に示したものと同様である。
本実施形態では、特に、シール部構造に特徴があるもの
であり、以下、図８を用いて、本実施形態によるシール
部構造について説明する。図８は、本発明の第４の実施
形態によるによるガスタービンの動翼及びロータディス
ク周辺の詳細構造を示す要部拡大断面図である。なお、
図１〜図５と同一符号は、同一部分を示している。

【００３６】ロータディスク２と上流側ディスク３の接
触部隙間３１において、両側にシール溝３３ｃ及び３２
ｃを設けている。シール溝３３ｃ及び３２ｃの外周側の
シール溝壁３６ｃ及び３５ｃには勾配を設けており、な
めらかな形状のハの字型を形成している。

【００３７】このような構造においても、図３〜図５若
しくは図６に示したような構成の環状ワイヤー４０，４
０ｂを用いることにより、ガスタービン運転時にシール
溝３３ｃと３２ｃに半径方向段ずれが生じても、環状ワ
イヤー４０，４０ｂが遠心力と圧力差による力６２によ
り外周側に持ち上げられ、外周側のシール溝壁３５ｂ及
び３６ｂにより安定して密着して接触部の隙間３１を塞
ぐため、シール効果の信頼性が向上する。

【００３８】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ロータディスク内の冷却媒体の主流ガス側への漏れ
を防止することができ、ガスタービンの性能低下防止と
共に信頼性の向上を図ることができる。

【００３９】なお、以上の各実施形態における冷却媒体
としては、蒸気を用いる場合について説明してきたが、
空気，水，窒素，ヘリウムなど様々な冷却媒体にも適用
可能である。そして、いずれの場合においても、信頼性
の高い冷却媒体回収型ガスタービンを得ることができ
る。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、シール溝周方向長さや
互いに向き合うロータディスクと下流側ディスク間接触
部の間隙がガスタービン起動から運転時に大きく変化し
ても、間隙からの冷却媒体の漏れを防止し、プラント効
率を向上し、また、ガスタービンの信頼性を向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるによるガスター
ビンの動翼及びロータディスク周辺の構造を示す断面図
である。

【図２】本発明の第１の実施形態によるによるガスター
ビンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要
部拡大断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態によるによるガスター
ビンに用いる金属製環状ワイヤー４０の構成を示す斜視
図である。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。

【図６】本発明の第２の実施形態によるによるガスター
ビンに用いる金属製環状ワイヤー４０ｂの構成を示す斜
視図である。

【図７】本発明の第３の実施形態によるによるガスター
ビンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要
部拡大断面図である。

【図８】本発明の第４の実施形態によるによるガスター
ビンの動翼及びロータディスク周辺の詳細構造を示す要
部拡大断面図である。

【符号の説明】

１…動翼２…ロータディスク３…上流側ディスク４…下流側ディスク５…スタッキングボルト６…冷却媒体流路７…冷却媒体流路８…動翼ダブテイル１０…冷却媒体供給キャビティ１１…冷却媒体回収キャビティ１２…冷却媒体２０…冷却媒体供給流路２１…冷却媒体回収流路２２…冷却媒体供給口２３…冷却媒体回収口３０…ロータディスク接触面３１…ロータディスク接触面隙間３２，３２ｂ，３３ｂ，３３ｃ…シール溝３５，３５ｂ，３６ｂ…外周側シール溝壁３６…シール溝勾配壁４０，４０ｂ…ワイヤー７０…ワイヤー分割部７１，７１ｂ，７２，７２ｂ…ワイヤー端部７３，７３ｂ，７４，７４ｂ…ワイヤー端部平面部７５…ワイヤー端部重なり面７６，７７…ワイヤー端部否重なり面７８，７８ｂ，７９…ワイヤー端部エッジ８０…ワイヤー円弧部８１…レール溝８２…レール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本学茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内Ｆターム(参考） 3G002 AA02 AA06 BA02 FA00 HA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に冷却媒体流通路を有する動翼を保持
するロータディスクと、このロータディスクに接触する
とともに、上記冷却媒体流通路に連通する流通路を有す
るディスクとを有するガスタービンにおいて、上記ロータディスクと上記ディスクの外周側接触面の少
なくとも一方に形成された環状のシール溝と、この環状のシール溝に挿入されるとともに、円形断面を
もつ環状の金属製ワイヤーとを備え、上記環状ワイヤーは、周方向に係合部を有し、この係合
部の一端は断面が半月状であり、上記係合部の他端も断
面が半月状であり、上記係合部の一端の半月状形成部と
他端の半月状形成部同士を互いにオーバーラップさせて
環状を形成することを特徴とするガスタービン。
【請求項２】請求項１記載のガスタービンにおいて、上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部
と、他端の半月状形成部とをオーバーラップさせる面
が、ロータディスク接触面に対して垂直となるように設
置されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項３】請求項１記載のガスタービンにおいて、上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従
い、一定深さ部を有した後、浅くな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。
【請求項４】請求項１記載のガスタービンにおいて、上記シール溝は、溝深さが内周から外周に向かうに従い
次第に浅くな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。
【請求項５】請求項１記載のガスタービンにおいて、上記環状ワイヤーは、上記係合部の一端の半月状形成部
に設けられた凹型のレール溝と、他端の半月状形成部に
設けられた凸型のレールを備え、上記レール溝に上記レ
ールを挿入するようにして形成したことを特徴とするガ
スタービン。