燃气轮机、燃气轮机的中间轴及燃气轮机压缩机的冷却方法

专利名称：燃气轮机、燃气轮机的中间轴及燃气轮机压缩机的冷却方法技术领域：本发明涉及燃气轮机，更详细而言，涉及燃气轮机、燃气轮机的中间轴及燃气轮机 压缩机的冷却方法，能够降低在将压缩机和涡轮机的转子连结的中间轴上设置的中空部的温度。背景技术：燃气轮机由压缩机、燃烧器及涡轮机构成。压缩机通过压缩从空气取入口取入的 空气而形成高温高压的压缩空气。燃烧器通过向压缩空气供给燃料并使其燃烧而生成高温 高压的燃烧废气。涡轮机构成为在外壳内交替地配设有多个涡轮机静叶及涡轮机动叶，涡 轮机动叶被供给至排气通路的燃烧废气驱动，由此，例如旋转驱动与发电机连结的转子。接 着，驱动涡轮机的燃烧废气利用扩散器变换为静压后排放到大气中。在如上所述的燃气轮机中，近年来随着压缩机的高压力化的进展，处于该压缩机 后段的排出部的空气温度成为500°C以上的高温。因此，在现有的燃气轮机中，已知有如 下进行冷却的燃气轮机，即抽出压缩机的一部分排出空气，并将经由冷却器冷却后的冷却 空气送入在该压缩机的后段设置于将该压缩机与涡轮机的转子连结的中间轴上的中空部 (空腔)内进行冷却(例如参照专利文献1)。专利文献1 日本特开平11-125199号公报但是，在压缩机动叶几乎具有全部的压缩能力的压缩机中，在后段的压缩机静叶 的上游侧和下游侧，压力的变化少。其结果是，冷却空气不会从中间轴的中空部流动到后段 的压缩机动叶和压缩机静叶之间，因此，在中空部内冷却空气难以流动，从而不能有效降低 中空部内的温度。并且，因输送冷却空气的配管中的压力损失，在从中间轴的中空部通向后 段压缩机动叶和压缩机静叶之间的部分中的压力降低，这也成为妨碍冷却空气自中空部流 动的主要原因。发明内容本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种燃气轮机、燃气轮机的中 间轴及燃气轮机压缩机的冷却方法，能够有效降低设置于中间轴的中空部内的温度。为了实现上述目的，在本发明的燃气轮机中，其特征在于，具有冷却通路，该冷却 通路从压缩机的后段经由外部冷却器而与在连结所述压缩机的转子和涡轮机的转子的中 间轴上设置的中空部连通，并从所述中空部而与所述压缩机的后段连通，在所述中空部内 设有离心压缩机构，其随着所述中间轴的旋转而使所述中空部内的空气升压。而且，在本发明的燃气轮机中，其特征在于，所述离心压缩机构具有贯通孔，该贯 通孔相对于在所述中空部内从所述中间轴向径向外侧突出设置的凸缘部，在所述凸缘部的 轴向相反的一侧靠径向内侧开口且在另一侧靠径向外侧开口而将该凸缘部贯通，并且使靠 径向外侧的所述开口朝向所述压缩机的后段侧设置。通过在燃气轮机工作时随着中间轴的旋转而产生的离心力，该燃气轮机使中空部 内的空气升压。在应用压缩机动叶几乎具有全部的压缩能力的压缩机的燃气轮机中，在后 段的压缩机静叶上游侧和下游侧，压力的变化少，冷却空气不会从中间轴的中空部流动到 后段的压缩机动叶和压缩机静叶之间，因此，在中空部内冷却空气难以流动，从而不能有效 降低中空部内的温度。关于这一点，在本发明的燃气轮机中，通过设置于中空部的离心压缩 机构，使中空部内的空气升压，因此，冷却空气从中空部流动到后段的压缩机动叶和压缩机 静叶之间，在中空部内冷却空气流动，所以可以有效降低中空部内的温度。而且，在本发明的燃气轮机中，其特征在于，所述凸缘部的所述一侧的壁面以使所 述贯通孔的开口朝向转子的轴心侧的形态形成。由于在径向上贯通孔的开口缘的位置之差变小，因此，该燃气轮机可以减小由在 该开口缘(特别是径向外侧的开口缘)生成的离心力而产生的应力集中。而且，在本发明的燃气轮机中，其特征在于，在从所述中空部通向所述压缩机的后 段的部分设有自相对方向延伸且前端部相互重合的重叠部。该燃气轮机中，重叠部成为节流部并构成暂时使被升压的中空部内均压的气帘， 所以，从贯通孔喷射的脉冲状的空气不会到达压缩机动叶及压缩机静叶，可以防止这些叶 片的强制振动。而且，在本发明的燃气轮机中，其特征在于，在位于自所述压缩机与燃烧器相连的 压缩空气通路和所述中空部之间的隔壁上设有具有隔热性的隔热部件。由于利用隔热部件隔断从压缩空气通路通过隔壁到达中空部的辐射热，因此，该 燃气轮机可以防止中空部的温度上升，并提高中空部的冷却效率。为了实现上述目的，在本发明的燃气轮机的中间轴中，其特征在于，具有离心压缩 机构，该离心压缩机构在将压缩机的转子和涡轮机的转子连结的中间轴上设有向所述中间 轴的径向外侧突出设置的凸缘部，并且该离心压缩机构具有贯通孔，该贯通孔在所述凸缘 部的轴向相反的一侧靠径向内侧开口且在另一侧靠径向外侧开口而将该凸缘部贯通，并且 使靠径向外侧的所述开口设置成朝向所述压缩机的后段侧，所述离心压缩机构随着所述中 间轴的旋转而从靠径向内侧的开口取入空气并使其升压，并从靠径向外侧的开口将其排 出ο该燃气轮机的中间轴使在燃气轮机工作时随着自身的旋转而产生的离心力作用 于离心压缩机构而使中空部内的空气升压。在应用压缩机动叶几乎具有全部的压缩能力的 压缩机的燃气轮机中，在后段的压缩机静叶的上游侧和下游侧，压力的变化少，冷却空气不 会从中间轴的中空部流动到后段的压缩机动叶和压缩机静叶之间，因此，在中空部内冷却 空气难以流动，从而不能有效降低中空部内的温度。关于这一点，本发明的燃气轮机的中间 轴通过设置于中空部的离心压缩机构，使中空部内的空气升压，因此，冷却空气从中空部流 动到后段的压缩机动叶和压缩机静叶之间，在中空部内冷却空气流动，所以可以有效降低 中空部内的温度。为了实现上述目的，在本发明的燃气轮机压缩机的冷却方法中，其特征在于，包 括从压缩机的后段将压缩空气抽出到燃气轮机的外部的步骤；利用外部冷却器对被抽出 的压缩空气进行冷却的步骤；将被冷却的压缩空气注入在将所述压缩机的转子与涡轮机的 转子连结的中间轴上设置的中空部的步骤；在所述中间轴的旋转的作用下，将被注入的压缩空气离心压缩而使其升压，并供给至从所述中空部通向所述压缩机的后段的冷却通路的步骤。在该燃气轮机压缩机的冷却方法中，在将压缩机的转子和涡轮机的转子连结的中 间轴上设置中空部，根据中间轴的旋转对被注入该中空部的压缩空气进行离心压缩而使其 升压，并供给至通向压缩机的后段的冷却通路，因此，压缩空气从中空部流动到后段的压缩 机动叶和压缩机静叶之间，在中空部内压缩空气流动，因此，可以有效降低中空部内的温度。根据本发明，能够有效降低设置于中间轴的中空部内的温度。图1是本发明的实施方式的燃气轮机的简略结构图。图2是图1所示的燃气轮机的冷却通路的简略结构图。图3是其他结构的离心压缩机构的简略结构图。附图标记说明1压缩机11空气取入口12压缩机外壳13压缩机静叶131后段的压缩机静叶14压缩机动叶141后段的压缩机动叶15压缩空气通路151隔壁2燃烧器3涡轮机4转子41轴承部42轴承部43中间轴5外部冷却器6中空部61后侧中空部62前侧中空部7，7，离心压缩机构71凸缘部711凸缘部711a边缘部712外周部712a钩部72贯通孔721贯通孔722遮挡部73 凹部74 螺栓8重叠部9隔热部件R 轴心具体实施例方式以下参照附图，详细说明本发明的燃气轮机、燃气轮机的中间轴以及燃气轮机压 缩机的冷却方法的优选实施方式。但并非利用该实施方式来限定本发明。图1是本发明的实施方式的燃气轮机的简略结构图，图2是图1所示的燃气轮机 的冷却通路的简略结构图。如图1所示，燃气轮机由压缩机1、燃烧器2和涡轮机3构成。而且，在压缩机1、燃 烧器2及涡轮机3的中心部，转子4贯通而配置。压缩机1、燃烧器2及涡轮机3沿着转子 4的轴心R，从空气或燃烧废气流动的上游侧(前侧)朝向下游侧(后侧)依次排列设置。 另外，在以下的说明中，轴向指的是与轴心R平行的方向、周向指的是以轴心R为中心的圆 周方向、径向指的是与轴心R正交的方向。而且，径向外侧指的是从轴心R离开的方向，径 向内侧指的是靠近轴心R的方向。压缩机1用于将空气压缩以生成压缩空气。压缩机1在具有取入空气的空气取入 口 11的压缩机外壳12内，设置有压缩机静叶13及压缩机动叶14。压缩机静叶13安装于 压缩机外壳12侧并在周向上排列设置有多个。而且，压缩机动叶14安装于压缩机圆盘并 在周向排列设置有多个。这些压缩机静叶13和压缩机动叶14沿轴向交替地设置。燃烧器2是通过向被压缩机1压缩的压缩空气供给燃料使其燃烧而生成高温高压 的燃烧废气的装置。燃烧器2作为燃烧筒而具有将压缩空气与燃料混合并使其燃烧的内 筒21、从内筒21将燃烧废气导入涡轮机3的尾筒22、覆盖内筒21的外周并将来自压缩机 1的压缩空气导入内筒21的外筒23。该燃烧器2相对于燃烧器外壳24在周向上排列设置 有多个(例如16个)。涡轮机3利用在燃烧器2燃烧的燃烧废气产生旋转动力。涡轮机3在涡轮机外壳 31内设置有涡轮机静叶32及涡轮机动叶33。涡轮机静叶32安装于涡轮机外壳31侧且在 周向上排列设置有多个。而且，涡轮机动叶33固定于以转子4的轴心R为中心的圆盘状盘 的外周且在周向上排列设置有多个。这些涡轮机静叶32和涡轮机动叶33沿轴向交替地设 置有多个。而且，在涡轮机外壳31的后侧设置有排气室34，该排气室34具有与涡轮机3连 续的排气扩散器34a。转子4被设置成压缩机1侧的端部被轴承部41支持、排气室34侧的端部被轴承 部42支持，以使其以轴心R为中心自由旋转。而且，在转子4的排气室34侧的端部连结有 发电机(未图示)的驱动轴。如上所述的燃气轮机使从压缩机1的空气取入口 11取入的空气流过多个压缩机静叶13和压缩机动叶14而被压缩，从而形成高温高压的压缩空气。从燃烧器2向该压缩 空气供给燃料并使其燃烧，从而生成高温高压的燃烧废气。接着，该燃烧废气流过涡轮机3 的涡轮机静叶32和涡轮机动叶33，驱动转子4使其旋转，并将旋转动力施加给与该转子4 连结的发电机而进行发电。接着，对转子4进行旋转驱动后的废气利用排气室34的排气扩 散器34a变换成静压后排放到大气中。在如上所述构成的燃气轮机中，在采用高压力的压缩机1的情况下，处于压缩机1 后段的排出部的空气的温度成为500°C以上的高温。于是，如图2所示，在该燃气轮机中， 采用如下结构，即在压缩机1的后侧，自与燃烧器2相连的压缩空气通路15抽出压缩空气， 使其经过设置于燃气轮机外部的外部冷却器5，并再次向在将压缩机1的转子4与涡轮机3 的转子4连结的中间轴43设置的中空部(空腔)6注入。该被冷却的压缩空气从中空部6 供给至与压缩机1后段连通的冷却通路。而且，在中空部6内设置有离心压缩机构7。该离心压缩机构7具有在中空部6内 从中间轴43朝径向外侧突出设置的凸缘部71，并具有贯通该凸缘部71而设置的多个贯通 孔72。凸缘部71形成为朝中间轴43的径向外侧突出且在周向连续。而且，在凸缘部71 径向外侧的壁面与处于压缩空气通路15和中空部6之间的隔壁151之间，配置有设置于隔 壁151的紧固密封件(夕 < 卜* 一 > )(例如刷式密封件)152。因此，中空部6被分成后侧 中空部61和前侧中空部62。贯通孔72在轴向上在凸缘部71的相反的各壁面开口而设置。具体而言，贯通孔 72在凸缘部71的朝向后侧中空部61的一侧，靠径向内侧开口，在凸缘部71的朝向前侧中 空部62的另一侧，靠径向外侧且朝压缩机1的后段侧开口，该贯通孔72沿轴心R的放射方 向贯通而设置。在此，压缩机1的后段侧指的是从前侧中空部62通向压缩机1后段的部分。如上所述的离心压缩机构7由于开口的位置在径向上设置有差，因此，利用在燃 气轮机工作时随着中间轴43的旋转而产生的离心力，使后侧中空部61内的空气到达前侧 中空部62并使其升压。具体而言，作为燃气轮机压缩机的冷却方法，包含如下步骤从压缩机1的后段将 压缩空气抽出到燃气轮机外部的步骤；对被抽出的压缩空气利用外部冷却器5进行冷却的 步骤；将被冷却的压缩空气注入在将压缩机1的转子4和涡轮机2的转子4连结的中间轴 43上设置的后侧中空部61的步骤；在中间轴43的旋转的作用下，对被注入的压缩空气进 行离心压缩而使其升压，并供给至从前侧中空部61通向压缩机1后段的冷却通路的步骤。但是，在应用压缩机动叶14几乎具有全部的压缩能力的压缩机1的燃气轮机中， 在后段的压缩机静叶131的上游侧和下游侧，压力的变化少。其结果是，冷却空气不会从中 间轴43的中空部6流动到后段的压缩机动叶141和压缩机静叶131之间，因此，在中空部 6内冷却空气难以流动，从而不能有效降低中空部6内的温度。并且，因输送冷却空气的冷 却通路的配管中的压力损失，从中间轴43的中空部6通向后段压缩机动叶141和压缩机静 叶131之间的部分的压力降低，这也成为妨碍冷却空气自中空部6流动的主要原因。关于这一点，在本实施方式的燃气轮机、燃气轮机的中间轴以及燃气轮机压缩机 的冷却方法中，通过设置于中空部6的离心压缩机构7，使后侧中空部61内的空气到达前侧 中空部62并使其升压，因此，冷却空气自前侧中空部62流动到后段的压缩机动叶141和压缩机静叶131之间，在中空部6内冷却空气流动，从而可以有效降低中空部6内的温度。并且，即便在应用压缩机静叶13和压缩机动叶14分别具有对等的压缩能力而并 非压缩机动叶14几乎具有全部的压缩能力的压缩机1的情况下，由于利用离心压缩机构7 来补偿输送冷却空气的冷却通路的配管中的压力损失，因此，通过使冷却空气从前侧中空 部62流动到后段的压缩机动叶141和压缩机静叶131之间，使冷却空气流到中空部6内， 从而可以有效降低中空部6内的温度。凸缘部71在轴向上的位置优选为，与从中空部6通向后段的压缩机动叶141和压 缩机静叶131之间的部分接近，且前侧中空部62更窄地形成。即、如果前侧中空部62过于 宽广，则在该处产生不能预测的空气流而导致难以判断冷却效果，但若使前侧中空部62窄 小地形成，则由于能够预测空气流，因此容易判断冷却效果。而且，在本实施方式的燃气轮机及燃气轮机的中间轴上，凸缘部71的一侧的壁面 形成为使贯通孔72的开口朝向转子4的轴心R侧。即、贯通孔72靠径向内侧开口且朝向 后侧中空部61的凸缘部71的壁面，使开口朝向径向内侧而形成。具体而言，在凸缘部71 的朝向后侧中空部61的壁面上形成有凹部73。而且，在该凹部73，在朝向径向内侧的面上 开设有贯通孔72。根据该结构，由于在径向上贯通孔72的开口缘的位置之差h变小，因此，可以减小 由在该开口缘(特别是径向外侧的开口缘)生成的离心力而产生的应力集中。另外，若在 凸缘部71轴向的两壁面形成凹部73，则离心力的平衡变得良好。而且，在本实施方式的燃气轮机及燃气轮机的中间轴中，在自中空部6通向后段 的压缩机动叶141和压缩机静叶131之间的部分，在固定有在轴向上相对的后段压缩机动 叶141的盘与隔壁151之间，至少设置有两组重叠部8，所述重叠部8自盘和隔壁151的相 对方向延伸且前端部彼此重合。当在自中空部6通向后段的压缩机动叶141和压缩机静叶131之间的部分不存在 重叠部8时，在离心压缩机构7中，空气自旋转的贯通孔72呈脉冲状地喷射，并直接自前侧 中空部62流到压缩机1侧，因此，使压缩机动叶14及压缩机静叶13强制振动，所以这种情 况是非优选的。关于这一点，若设置重叠部8，则其成为节流部并暂时使前侧中空部62内均 压以构成气帘，因此，脉冲状的空气不会到达压缩机动叶14及压缩机静叶13，可以防止强 制振动。而且，在本实施方式的燃气轮机及燃气轮机的中间轴上，在位于压缩空气通路15 与中空部6之间的隔壁151上设置有具有隔热性的隔热部件9。具体而言，板状的隔热部件 9设置于隔壁151的中空部6侧。根据该结构，由于利用隔热部件9隔断从压缩空气通路15通过隔壁151到达中空 部6的辐射热，因此，可以防止中空部6的温度上升，并提高中空部6的冷却效率。图3是其他结构的离心压缩机构的简略结构图。图3所示的离心压缩机构7’在自 中间轴43突出的凸缘部711外周，通过螺栓74固定有外周部712，在它们之间设置有贯通 孔721。在该情况下，为了避开由离心力产生的应力，优选使设置于外周部712的钩部712a 在径向上与设置于凸缘部711的边缘部711a卡合。根据该结构，由于在凸缘部711的外周固定外周部712，因此，不仅能够使构成升 压部的贯通孔721沿轴心R的放射方向贯通，而且可以设为各种形态。例如，如图3所示，8在凸缘部711的外周端形成遮挡部722，并通过外周部712将其覆盖，通过上述形态能够提 高升压能力。此外，虽图中未明示，但也能够得到相对于轴心R的放射方向倾斜或弯曲这种 形状的贯通孔721。工业实用性如上所述，本发明的燃气轮机、燃气轮机的中间轴以及燃气轮机压缩机的冷却方 法适用于将设置于中间轴的中空部的温度降低，该中间轴将压缩机和涡轮机的转子连结。权利要求一种燃气轮机，其特征在于，具有冷却通路，该冷却通路从压缩机的后段经由外部冷却器而与在连结所述压缩机的转子和涡轮机的转子的中间轴上设置的中空部连通，并从所述中空部而与所述压缩机的后段连通，在所述中空部内设有离心压缩机构，其随着所述中间轴的旋转而使所述中空部内的空气升压。2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述离心压缩机构具有贯通孔，该贯通孔相对于在所述中空部内从所述中间轴向径向 外侧突出设置的凸缘部，在所述凸缘部的轴向相反的一侧靠径向内侧开口且在另一侧靠径 向外侧开口而将该凸缘部贯通，并且使靠径向外侧的所述开口朝向所述压缩机的后段侧设置。3.如权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于，所述凸缘部的所述一侧的壁面以使所述贯通孔的开口朝向转子的轴心侧的形态形成。4.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，在从所述中空部通向所述压缩机的后段的部分设有自相对方向延伸且前端部相互重 合的重叠部。5.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，在位于自所述压缩机与燃烧器相连的压缩空气通路和所述中空部之间的隔壁上设有 具有隔热性的隔热部件。6.一种燃气轮机的中间轴，其特征在于，具有离心压缩机构，该离心压缩机构在将压缩机的转子和涡轮机的转子连结的中间轴 上设有向所述中间轴的径向外侧突出设置的凸缘部，并且该离心压缩机构具有贯通孔，该 贯通孔在所述凸缘部的轴向相反的一侧靠径向内侧开口且在另一侧靠径向外侧开口而将 该凸缘部贯通，并且使靠径向外侧的所述开口设置成朝向所述压缩机的后段侧，所述离心 压缩机构随着所述中间轴的旋转而从靠径向内侧的开口取入空气并使其升压，并从靠径向 外侧的开口将其排出。7. 一种燃气轮机压缩机的冷却方法，其特征在于，包括从压缩机的后段将压缩空气抽出到燃气轮机的外部的步骤；利用外部冷却器对被抽出的压缩空气进行冷却的步骤；将被冷却的压缩空气注入在将所述压缩机的转子与涡轮机的转子连结的中间轴上设 置的中空部的步骤；在所述中间轴的旋转的作用下，将被注入的压缩空气离心压缩而使其升压，并供给至 从所述中空部通向所述压缩机的后段的冷却通路的步骤。全文摘要本发明提供一种燃气轮机、燃气轮机的中间轴及燃气轮机压缩机的冷却方法。该燃气轮机具有冷却通路，该冷却通路从压缩机的后段经由外部冷却器(5)而与在连结压缩机(1)的转子(4)和涡轮机(3)的转子(4)的中间轴(43)上设置的中空部(6)连通，并从中空部(6)而与压缩机(1)的后段连通，在中空部(6)内设有离心压缩机构(7)，其随着中间轴(43)的旋转而使中空部(6)内的空气升压。因此，由离心压缩机构(7)利用在燃气轮机工作时的随着中间轴(43)的旋转而产生的离心力，使中空部(6)内的空气升压。其结果是，冷却空气从中空部(6)流动到后段的压缩机动叶(141)和压缩机静叶(131)之间，并且在中空部内(6)流动冷却空气，因此，可以有效地降低中空部(6)内的温度。文档编号F04D29/58GK101981275SQ20098011121公开日2011年2月23日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年3月28日发明者桥本真也, 荒濑谦一 申请人:三菱重工业株式会社