轉向關節栓的密封結構及燃氣輪機的制作方法

專利名稱：轉向關節栓的密封結構及燃氣輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用蒸氣作為高溫部件的冷卻介質的燃氣輪機，具體講，涉及一種能降低蒸氣泄漏、提高蒸氣使用效率、良好地有效運轉的燃氣輪機及連接轉子盤的轉向關節栓的密封結構。
另外，以往的空氣冷卻是把來自壓縮機的空氣用作氣輪機轉子葉片和靜止葉片的冷卻介質，但是，當利用該壓縮空氣進行冷卻時，氣輪機輸出的功變少。而如果用蒸氣來取代空氣，可以節省轉子葉片和靜止葉片的冷卻空氣，相應地氣輪機可回收的功增多，可以增大氣輪機輸出的功。

圖15是表示以往使用的燃氣輪機的轉子盤說明圖。多個第一段轉子盤500a～d通過轉向關節栓520及螺母510連接起來，構成燃氣輪機的轉子600。轉子盤彼此間的空間550、551及552形成向轉子葉片(未圖示)供給蒸氣的流通通路，從中空的氣輪機主軸560側供給冷卻用蒸氣。該蒸氣流過由上述空間550及551構成的通路，從第一段轉子盤500a和第二段轉子盤500b之間的空間供給轉子葉片。
但是，由于轉子盤側的蒸氣壓力比壓縮機側的空氣壓力高，轉子盤500a側的蒸氣通過設于第一段轉子盤500a的螺栓孔泄漏到壓縮機側。雖然該泄漏量從蒸氣供給量整體看并不多，但近年來開始抑制蒸氣的少量泄漏，盡可能有效地使用冷卻用蒸氣。因此，有必要盡可能地減少該部分的蒸氣泄漏。
本發明涉及的轉向關節栓的密封結構的特征是，在燃氣輪機的氣輪機轉子中的第一段轉子盤和壓縮機側連接部件之間，利用管狀部件覆蓋轉向關節栓的周圍，并且使該管狀部件的端部分別接觸上述第一段轉子盤和壓縮機側連接部件，其中，該燃氣輪機的各轉子盤和壓縮機側連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣通路，該管狀部件垂直于軸方向的截面包含通過上述轉向關節栓的螺栓孔截面。
該轉向關節栓的密封結構是用管狀部件覆蓋轉向關節栓的周圍，利用該管狀部件封堵通過設于第一段轉子盤上的螺栓孔泄漏的蒸氣。因此，可以降低蒸氣泄漏，有效地使用蒸氣，相應地可以降低運轉成本。另外，冷卻用蒸氣是利用燃氣輪機的排氣而形成的，在冷卻轉子葉片后驅動中壓氣輪機等，可以抑制該部分的蒸氣消耗，所以能提高作為燃氣輪機復合設備時的熱效率。本發明中所說的管狀部件，除垂直于軸方向的圓形截面形狀外，也包含三角形和四邊形的多邊形形狀。該管狀部件也可以與轉子盤和壓縮機側的連接部件形成為一體。
本發明涉及的轉向關節栓的密封結構的特征是，將燃氣輪機的氣輪機轉子中的第一環狀部件和配置在該第一環狀部件內側的第二環狀部件配置成以下狀態，即使這些環狀部件的端部接觸第一段轉子盤和上述壓縮機側連接部件，并且使上述轉向關節栓通過上述第一及第二環狀部件之間，其中，該燃氣輪機的各轉子盤和壓縮機側連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣通路。
該轉向關節栓的密封結構在第一段轉子盤和壓縮機側連接部件之間配置外徑不同的兩個環狀部件，使轉向關節栓通過該兩個環狀部件之間，封堵從轉向關節栓貫通的螺栓孔泄漏的蒸氣。因此，可以降低蒸氣泄漏，有效地使用蒸氣，相應地可以降低運轉成本。另外，可以降低制該部分的蒸氣消耗，所以能提高作為燃氣輪機復合設備時的熱效率。本發明中所說的環狀部件，除垂直于軸方向的圓形截面形狀外，也包含三角形和四邊形的多邊形形狀以及星形形狀。該環狀部件也可以與轉子盤和壓縮機側的連接部件形成為一體。
本發明涉及的轉向關節栓的密封結構的特征是，上述轉向關節栓的密封結構在上述管狀部件或上述環狀部件的端部和上述第一段轉子盤之間，或者在上述管狀部件或上述環狀部件的端部和上述壓縮機側連接部件之間的至少一方還具有密封部件。該轉向關節栓的密封結構在上述管狀部件或上述環狀部件的端部設置金屬和陶瓷密封部件，進一步提高對蒸氣的密封性能。因此，可以進一步降低蒸氣泄漏，能更有效地使用蒸氣，提高作為燃氣輪機復合設備時的熱效率。
本發明涉及的轉向關節栓的密封結構的特征是，上述轉向關節栓的密封結構在上述第一段轉子盤或上述壓縮機側連接部件中的至少一方還具有突起或階梯部件，以防止上述管狀部件或上述環狀部件相對轉子盤的徑方向外側而移動。
該轉向關節栓的密封結構在第一段轉子盤等設置階梯部件等，以防止上述管狀部件或上述環狀部件通過離心力向轉子盤的徑方向外側移動。燃氣輪機的轉子盤處于高速運轉狀態，所以轉動系統中的結構部件接受大的離心力。如果管狀部件或環狀部件通過該離心力產生偏心，有可能破壞運轉平衡，加大軸振動，導致燃氣輪機停止工作。該密封結構使階梯部件等和管狀部件接觸，以阻止管狀部件等的移動，所以能抑制管狀部件等的偏心。因此，可以在不破壞運轉平衡的狀態下運轉，也那抑制燃氣輪機的運轉停止。
本發明涉及的燃氣輪機具有周圍配置有轉子葉片的多個轉子盤，通過蒸氣來冷卻上述轉子葉片或上述轉子盤及其他高溫部件，其特征在于，具有把空氣壓縮制作燃燒用空氣的壓縮機；向由該壓縮機制作的燃燒用空氣供給燃料使產生燃燒的燃燒器；和氣輪機轉子，上述各轉子盤和位于上述壓縮機側的連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣的供給通路或回收通路，在第一段上述轉子盤和上述連接部件之間，通過管狀部件覆蓋上述轉向關節栓周圍，并使該管狀部件的兩端分別接觸上述第一段上述轉子盤和壓縮機側連接部件，其中，該該管狀部件垂直于軸方向的截面包含通過上述轉向關節栓的螺栓孔截面。
該燃氣輪機使用具有密封結構的氣輪機轉子，該密封結構是用管狀部件覆蓋轉向關節栓周圍，利用該管狀部件封堵通過設于第一段轉子盤的螺栓孔而泄漏的蒸氣。因此，能夠降低轉向關節栓部的蒸氣泄漏。這樣，該燃氣輪機可以抑制冷卻用蒸氣的浪費，可以提高使用了該燃氣輪機的燃氣輪機復合設備的熱效率。
本發明涉及的燃氣輪機具有周圍配置有轉子葉片的多個轉子盤，通過蒸氣來冷卻上述轉子葉片或上述轉子盤及其他高溫部件，其特征在于，具有把空氣壓縮制作燃燒用空氣的壓縮機；向由該壓縮機制作的燃燒用空氣供給燃料使產生燃燒的燃燒器；和氣輪機轉子，上述各轉子盤和位于上述壓縮機側的連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣的供給通路或回收通路，將第一環狀部件和配置在該第一環狀部件內側的第二環狀部件配置成以下狀態，即使這些環狀部件的端部接觸第一段轉子盤和上述壓縮機側連接部件，并使上述轉向關節栓通過上述第一及第二環狀部件之間。
該燃氣輪機在第一段轉子盤和壓縮機側連接部件之間配置外徑不同的兩個環狀部件。并使用具有密封結構的氣輪機轉子，該密封結構使轉向關節栓通過該兩個環狀部件之間，封堵從轉向關節栓貫通的螺栓孔泄漏的蒸氣。因此，可以降低轉向關節栓部的蒸氣泄漏。結果，該燃氣輪機可以抑制冷卻用蒸氣的浪費，可以提高使用了該燃氣輪機的燃氣輪機復合設備的熱效率。
圖2表示的是該燃氣輪機涉及的轉向關節栓的密封結構的局部放大圖。
圖3表示的是管狀部件的截面和螺栓孔截面的說明圖。
圖4表示的是實施方式1的變形例1涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖5表示的是實施方式1的變形例2涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖6表示的是實施方式1的變形例3涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖7表示的是實施方式2涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖8表示的是環狀部件的實例說明圖。
圖9表示的是實施方式2涉及的變形例1的截面圖。
圖10表示的是實施方式2的變形例2涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖11表示的是本發明的實施方式3涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖12表示的是實施方式3的變形例涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖13表示的是本發明的實施方式4涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。
圖14表示的是高溫部件的冷卻采用蒸氣冷卻的燃氣輪機復合發電設備的概略圖。
圖15表示的是以往使用的燃氣輪機的轉子盤說明圖。
氣輪機15的靜止葉片和轉子葉片通過蒸氣被冷卻，其中冷卻轉子葉片的蒸氣是通過設于氣輪機主軸16內的蒸氣供給流路(未圖示)被供給的。從該蒸氣供給流路供給的蒸氣在轉子盤50前方方向改變90度，被引導到設于轉子盤50的圓周方向上的多個外側蒸氣流路60，并供給轉子葉片。多個轉子盤50通過將該轉子盤50貫穿在軸方向的多個轉向關節栓(未圖示)被固定，構成多段轉子葉片列。
圖2表示的是該燃氣輪機涉及的轉向關節栓的密封結構的局部放大圖。該結構的特征在于，用管狀部件覆蓋連接轉子盤的轉向關節栓，通過該管狀部件來封堵來自從轉向關節栓和螺栓孔的間隙泄漏的高壓側的蒸氣。如圖2所示，第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30通過貫通兩者的轉向關節栓20而連接在一起。在第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30之間，用管狀部件100覆蓋轉向關節栓20。
該管狀部件100的長度L1略大于第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30的間隔L。通過用轉向關節栓20連接第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30，管狀部件收縮并等于間隔L。管狀部件100僅收縮L1-L(參照圖2(b))，利用該收縮部分的彈性能量將第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30按壓住，因此相應地提高了蒸氣的密封性能。
該管狀部件100的端部100a和100b接觸第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30。管狀部件100、第一段轉子盤50a等的該接觸部分均被加工成平滑狀，以盡量減少通過管狀部件100和第一段轉子盤50a等之間的蒸氣。從第一段轉子盤S0a側的螺栓孔25和轉向關節栓20之間泄漏的蒸氣被封閉在該管狀部件100內部，所以能夠抑制蒸氣泄漏。根據該主軸密封結構，可以將以往從第一段轉子盤50a側泄漏到壓縮機側的蒸氣泄漏量控制到很小的程度，所以相應地可以提高蒸氣的使用效率。
這里，說明管狀部件100的截面和螺栓孔25截面的關系。圖3表示的是管狀部件的截面和螺栓孔截面的說明圖。該圖(a)、(c)和(e)表示管狀部件100等的內截面包含螺栓孔25外形的場合。該圖(b)和(d)表示在管狀部件100等的內壁和外壁之間包含螺栓孔25外形的場合。無論哪種場合，都適合于本發明所說的“管狀部件垂直于軸方向的截面包含螺栓孔截面”的關系。如同該圖所明確的那樣，管狀部件100的截面形狀不限定于圓形，也包含該圖(c)和(e)所示的四邊形和六邊形等多邊形。另外，雖然未圖示，但也包含橢圓形和外形或內徑中任一方為圓形其他邊為多邊形的形狀。(變形例1)圖4表示的是實施方式1的變形例1涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該轉向關節栓的密封結構的特征在于，在上述管狀部件和壓縮機側連接部件等之間具有密封部件。在該密封結構中使用的管狀部件101的端部設有階梯部件130，密封部件120被嵌入該階梯部件130。在燃氣輪機運轉過程中，第一段轉子盤50a等處于高溫狀態，所以要求該密封部件120具有耐熱性。另外，該密封部件120也需要具有彈性，以吸收管狀部件101和弧齒盤125等的拉伸。為滿足這種要求，該密封部件120優選使用以金屬制密封件和陶瓷為材料的密封部件。
該實例是在管狀部件101上設置密封部件120，也可以在壓縮機側連接部件30和第一段轉子盤50a等上設置密封部件120。該場合時，如果在壓縮機側連接部件30等的轉向關節栓貫通的螺栓孔25處設置锪孔，使密封部件120嵌入該孔，可以抑制密封部件錯位，發揮穩定的密封性能，所以是理想狀況。另外，該密封部件120也可以按圖4所示，僅設在壓縮機側連接部件30上，為了發揮更好的密封性能，如圖4所示，優選將該密封部件120設在管狀部件101a的兩端。
組合第一段轉子盤50a和壓縮機側連接部件30時，使上述管狀部件100通過轉向關節栓20后，緊固螺母24(參照圖2)進行裝配。緊固螺母24時，設于管狀部件101上的密封部件120由于螺母24的緊固力而向其軸方向收縮，所以能夠封堵從第一段轉子盤50a的螺栓孔25泄漏的蒸氣。(變形例2)圖5表示的是實施方式1的變形例2涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該轉向關節栓的密封結構的特征在于，在壓縮機側連接部件或第一段轉子盤上進行锪孔等加工，并形成階梯部件，將上述管狀部件的端部嵌入該孔，以防止該管狀部件向轉子盤的徑方向外側移動。在該密封結構使用的壓縮機側連接部件31上設有轉向關節栓20用的螺栓孔25。該螺栓孔25的出口被加工成锪孔，形成階梯部件31a。如圖5(a)所示，管狀部件102的端部嵌入該階梯部件31a。該管狀部件102也可以使用具有上述變形例1說明的密封部件120(參照圖4)的管狀部件。這樣，可以進一步提高密封性能，減少蒸氣泄漏。
壓縮機側連接部件31通過燃氣輪機的運轉而運轉，管狀部件102也隨之轉動，并接受因此轉動產生的離心力。壓縮機側連接部件31和第一段轉子盤50a處于3000或3600rpm的高速運轉狀態，所以作用于管狀部件102的離心力也很大。結果，管狀部件102向壓縮機側連接部件31的徑方向外側移動，有時會降低蒸氣的密封性能。該變形例涉及的轉向關節栓的密封結構利用設于壓縮機側連接部件31上的階梯部件31a來阻止管狀部件102的移動，所以在燃氣輪機運轉過程中也能確保蒸氣的密封性能。因此，不論燃氣輪機是否處于運轉狀態，都能發揮穩定的密封性能，將蒸氣泄漏控制在極小狀態。
另外，如果管狀部件102向第一段轉子盤50a的徑方向移動，會破壞轉動系統的平衡，結果，有可能使軸振動超過允許值，導致燃氣輪機停止工作。但是，根據該變形例，可以阻止管狀部件102的移動，所以轉動系統的平衡基本不變。所以，即使設置有管狀部件102時，也可以把軸轉動控制在允許值以內，基本不會導致燃氣輪機停止運轉。
上述實例僅在壓縮機側連接部件31上設置階梯部件31a，如圖5(b)所示，同樣也可以在第一段轉子盤51a的螺栓孔25進行锪孔加工，設置階梯部件51ax。這樣，在管狀部件102的兩端就可以接受該部件的移動，可以更穩定地阻止管狀部件102的移動。圖5(c)表示的是阻止管狀部件102的移動的另一方法的說明圖。如該圖所示，也可以在螺栓孔25的出口設置突起部件80，利用該突起部件80來阻止管狀部件102的移動。(變形例3)圖6表示的是實施方式1的變形例3涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該轉向關節栓的密封結構的特征在于，在壓縮機側連接部件或第一段轉子盤中的至少一方一體形成覆蓋轉向關節栓的管狀部件。圖6(a)表示在第一段轉子盤52a形成管狀部件103的實例，該圖(b)表示在第一段轉子盤53a和壓縮機側連接部件33分別設置管狀部件104及105，使管狀部件104和105的各端面接觸，以封堵來自螺栓孔25的蒸氣泄漏的實例。
該變形例涉及的密封結構除具有實施方式1涉及的密封結構的作用效果外，由于第一段轉子盤52a等和管狀部件103等是一體形成的，所以該管狀部件103不會產生錯位。因此，沒有必要設置防止管狀部件103錯位的部件，所以結構簡單，也可以提高可靠性。另外，由于是一體結構，所以強度也提高，耐久性也能提高。在管狀部件103等和壓縮機側連接部件32等接觸的密封面上也可以設置上述的密封部件。這樣可以進一步提高蒸氣的密封性能，相應地能降低蒸氣泄漏，所以燃氣輪機的熱效率也得到提高。如圖6(c)所示，也可以在管狀體107上設置陽螺紋，在壓縮機側連接部件34等上設置與其相咬合的陰螺紋，旋入該管狀體107來形成管狀部件。這樣，加工變容易，管狀體107出現破損時也容易更換，所以是理想狀態。(實施方式2)圖7表示的是實施方式2涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該密封結構在壓縮機側連接部件和第一段轉子盤之間設置直徑不同的兩個環狀部件，使轉向關節栓貫通于該兩個環狀部件之間，以固定壓縮機側連接部件和第一段轉子盤。因此，其特征是通過上述兩個環狀部件來封堵從設于第一段轉子盤上的螺栓孔泄漏的蒸氣。
在壓縮機側連接部件35和第一段轉子盤54a之間，設置直徑不同的兩個環狀部件108和109。使轉向關節栓20通過直徑小的環狀部件109和直徑大的環狀部件108之間，并連接壓縮機側連接部件35和第一段轉子盤54a。如圖7(c)所示，環狀部件108和109的長度L2略大于壓縮機側連接部件35和第一段轉子盤54a的間隔L，通過連接轉向關節栓20，使得收縮僅發生收縮量Δ＝L2-L。利用該收縮量可以壓縮接觸面，所以不論燃氣輪機是否處于運轉狀態，都能發揮穩定的密封性能。
如實施方式1所述，也可以在環狀部件108和109的端部設置密封部件(未圖示)。通過該密封部件可進一步提高蒸氣的密封性能，與不設置密封部件時比，更能降低蒸氣的浪費，所以是理想狀態。該密封部件的材料也可以使用實施方式1說明的材料。
第一段轉子盤54a側的蒸氣從設于該轉子盤上的螺栓孔25和轉向關節栓20的間隙泄漏到壓縮機側。但是，該蒸氣滯留在形成于直徑不同的環狀部件108和109之間的空間A(圖7中虛線包圍的部分)，不會泄漏到該空間A以外，所以能夠封堵從第一段轉子盤54a側泄漏的蒸氣。因此，能夠更加減少蒸氣浪費，相應地提高燃氣輪機的熱效率。
圖8表示的是環狀部件的實例說明圖。該圖(a)表示八邊形環狀部件108a和109a，該圖(b)表示六邊形環狀部件108b和109b。這樣，環狀部件除包含上述的垂直于軸方向的圓形截面形狀外，還包含垂直于軸方向的截面形狀為八邊形和六邊形等多邊形。另外，如該圖(c)所示，也包含垂直于軸方向的截面形狀約呈星形的環狀部件108c。作為環狀部件的組合，如同圓形和圓形的組合，可以組合相同形狀，也可以進行類似圓形和多邊形的不同形狀的組合。(變形例1)圖9表示的是實施方式2涉及的第一變形例的截面圖。如該圖(a)所示，也可以在第一段轉子盤55a等上設置階梯部件55ax等，利用該階梯部件55ax等來阻止環狀部件108和109向其徑方向移動。另外，如該圖(b)所示，也可以取代階梯部件55ax等，而設置突起部件81來阻止環狀部件108和109等的移動。這樣，可以防止環狀部件108等相對徑方向上的移動，所以能夠發揮穩定的蒸氣密封性能。另外，也可以抑制因環狀部件108等的移動而產生的運轉平衡的變化，所以能夠避免因軸振動的增大而導致的燃氣輪機的運轉停止。因此，能夠將蒸氣泄漏抑制在極小狀態，使燃氣輪機穩定運轉。
此外，如果環狀部件的截面為圓形，作用于該環狀部件上的離心力基本相同，所以與設置實施方式1說明的管狀部件時比，使因離心力造成的移動變小。所以，在設計上即使不設置類似上述階梯部件55ax的移動阻止部件，也能確保上述密封性能，將軸振動控制在允許值以內。(變形例2)圖10表示的是實施方式2的變形例涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該變形例涉及的轉向關節栓的密封結構的特征在于，在壓縮機側連接部件或第一段轉子盤中的至少一方一體形成上述環狀部件。圖10(a)表示在第一段轉子盤55a上形成直徑不同的環狀部件110a和110b的實例，該圖(b)表示在第一段轉子盤56a和壓縮機側連接部件38上分別形成各一個環狀部件111a和111b的實例，該圖(c)表示在第一段轉子盤57a和壓縮機側連接部件39上分別設置直徑不同的環狀部件112a和112b，并使它們的端面接觸以封堵來自螺栓孔25的蒸氣泄漏的實例。
該變形例涉及的密封結構除具有實施方式2涉及的密封結構的作用效果外，由于第一段轉子盤55a等和環狀部件110a等是一體形成的，所以該環狀部件110a等不會產生錯位。因此，沒有必要設置防止環狀部件110a等錯位的部件，所以結構簡單，也可以提高可靠性。另外，由于是一體結構，所以強度也提高，耐久性也能提高。在環狀部件110a等和壓縮機側連接部件37等接觸的密封面上也可以設置上述的密封部件。這樣可以進一步提高蒸氣的密封性能，相應地能降低蒸氣泄漏，所以燃氣輪機的熱效率也得到提高。(實施方式3)圖11表示的是本發明的實施方式3涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該密封結構的特征在于，通過使設于第一段轉子盤上的螺栓孔和轉向關節栓緊密接合，來封堵從該貫通孔泄漏的蒸氣。如圖11(a)所示，在第一段轉子盤58a上設置使轉向關節栓21貫通的螺栓孔26，在該螺栓孔26的開口部形成錐形26a。轉向關節栓21由大徑部分21a和小徑部分21b構成，在大徑部分21a和小徑部分21b之間形成和上述錐形26a相同的錐形21a。為使轉向關節栓21的大徑部分21a通過，在壓縮機側連接部件40上設有大于該大徑部分21a螺栓孔70。
轉向關節栓21被插入設于第一段轉子盤58a上的螺栓孔26中，轉向關節栓21的錐形21c和螺栓孔26的錐形26a接觸。雖然圖11未明確，但轉向關節栓21是從第二段轉子盤貫通到第三段轉子盤。通過從第三段轉子盤外側緊固螺母，可以固定從第一段到第三段的轉子盤。這里，轉向關節栓21的錐形21c通過緊固螺母和設于第一段轉子盤58a上的螺栓孔26的錐形26a緊密接合。
第一段轉子盤58a側的蒸氣通過螺栓孔26和轉向關節栓21的間隙泄漏到壓縮機側。該密封結構由于螺栓孔26的錐形26a和轉向關節栓21的錐形21c緊密接合，所以能夠封堵該部分的蒸氣泄漏。如果在轉向關節栓21和螺栓孔26之間設置密封部件，能夠進一步提高密封性，所以是理想狀態。另外，如圖11(b)所示，即使不作成錐形，也可以通過在第一段轉子盤59a上設置階梯部件59ax，并使其和設于轉向關節栓22上的階梯部件接觸來密封蒸氣。此外，如圖11(c)所示，也可以在轉向關節栓21和螺栓孔26之間設置圓環狀密封部件90，使螺栓孔26的內壁面及轉向關節栓21的外周面和該密封部件線接觸，從而密封蒸氣。采用裝置線接觸，和面接觸比，更能提高蒸氣的密封性能，而且使加工容易進行，所以是理想狀態。該密封結構不需要類似上述密封結構的管狀部件和環狀部件，利用少數目的部件就能封堵蒸氣的泄漏。此外，不使用管狀部件等，所以運轉平衡不易被破壞，也不容易產生因軸振動導致的燃氣輪機的運轉停止，所以能夠實現穩定運轉。(變形例)圖12表示的是實施方式3的變形例涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該密封結構的特征在于，在設于上述密封結構的第一段轉子盤60a上的螺栓孔27的開口部27a設置陰螺紋，在轉向關節栓23上設置和該陰螺紋相咬合的陽螺紋，通過用螺栓孔27的開口部27a連接兩者來密封蒸氣。
第一段轉子盤60a側的蒸氣通過螺栓孔27和轉向關節栓23的間隙而泄漏，但該密封結構是通過螺紋來連接轉向關節栓23和螺栓孔27，所以能夠密封該部分的蒸氣。特別是，該密封結構是用螺紋來密封蒸氣，所以和上述采用面接觸和線接觸的密封方式比，極大地提高了密封性能。因此，基本完全可以抑制蒸氣泄漏，能夠使用蒸氣基本無浪費地冷卻轉子葉片。另外，上述密封結構由于轉向關節栓的熱膨脹，轉向關節栓21和螺栓孔26等的密接性會減弱，結果有可能產生蒸氣泄漏(參照圖11)。但是，該密封結構是使用螺紋來連接轉向關節栓23和螺栓孔27，所以不論轉向關節栓23有無伸縮，都能穩定發揮密封性能。(實施方式4)圖13表示的是本發明的實施方式4涉及的轉向關節栓的密封結構的局部截面圖。該密封結構的特征在于，在轉向關節栓和設于第一段轉子盤上的貫通孔之間設置可以在轉向關節栓的徑方向變形的彈性部件，利用該彈性部件來封堵蒸氣泄漏。在實施方式4涉及的轉向關節栓29a的側面設置球狀強彈性部件94，通過使設于第一段轉子盤61a上的螺栓孔28的內壁和球狀強彈性部件94接觸來密封蒸氣。該球狀強彈性部件94要求有耐熱性和彈性，所以用金屬系材料制作，例如，用鎳基合金等制作。該球狀強彈性部件94通過焊接等被安裝在轉向關節栓29a上。另外，該球狀強彈性部件94也可以設在螺栓孔28側。該場合時，如圖13(b)所示，將安裝有強彈性部件96的管95插入螺栓孔28中，把轉向關節栓29b插入該管95中，這種結構在強彈性部件96出現破損時容易修理和更換，所以是理想狀態。
下面，使用圖13(a)進行說明。轉向關節栓29a被插入到第一段轉子盤61a的螺栓孔28中，該強彈性部件94的側面和螺栓孔28的內壁面接觸。強彈性部件94相對其徑方向可以變形，所以即使轉向關節栓29a在徑方向上移動時，也能吸收該移動以維持蒸氣的密封性能。通過轉向關節栓29a和螺栓孔28的間隙泄漏的蒸氣被該強彈性部件94封堵住，所以蒸氣基本不會泄漏到壓縮機側。該密封結構不使用實施方式1等涉及的密封結構中的管狀部件等，所以基本不會破壞運轉平衡。因此，可以將燃氣輪機的運轉停止抑制到最小限度，將蒸氣泄漏控制在極小狀態。
如圖13(c)所示，也可以在轉向關節栓29c的側面、強彈性部件94的內側設置突起部件97，以限制強彈性部件94相對徑方向的變形。這樣，可以抑制由于強彈性部件94的變形變大而造成的損傷，所以是理想狀態。另外，也可以在螺栓孔28的內壁面實施硬質涂層，保護螺栓孔28的內壁面免遭由于強彈性部件94的接觸造成的微振磨損。這樣，螺栓孔28的內壁面基本不產生磨損，耐久性提高，不需花費時間進行保養檢修，所以是理想狀態。作為硬質涂層，可以利用鍍鉻等、PVD(Physical Vapor Deposition)物理形成TiC和TiN層等。另外，也可以通過表面硬化處理熔覆高碳高鉻鋼、高錳鋼、或Co-Cr-W合金(斯特萊特硬質合金)等。
圖14表示的是高溫部件的冷卻采用蒸氣冷卻的燃氣輪機復合發電設備的概略圖。該燃氣輪機復合發電設備利用HRSG(Heat RecoverySteam Generator排熱回收鍋爐)來回收燃氣輪機的排氣所具有的熱能。利用所回收的燃氣輪機的排氣熱能來制作蒸氣，通過該高溫高壓蒸氣來驅動蒸氣輪機，通過與其相連接的發電機而產生電力。這樣，燃氣輪機復合發電設備可以有效利用燃氣輪機的排熱，所以能提高設備整體的熱效率。
雖然圖14中未明確，但該燃氣輪機900是使用蒸氣來冷卻轉子葉片和靜止葉片和轉子盤這些高溫部件。另外，雖然圖14中未明確，但該燃氣輪機900使用的氣輪機是適用了實施方式1～4中所說明的轉向關節栓的密封結構中的任一個。燃氣輪機900連接第一發電機901，燃氣輪機900驅動該第一發電機901來產生電力。燃氣輪機900的排氣具有幾百度的溫度，所以把該排氣導入HRSG902使產生蒸氣。
由HRSG902產生的蒸氣首先被引導到高壓蒸氣輪機903，并將其驅動。高壓蒸氣輪機的排氣蒸氣被引導到燃氣輪機900，用來冷卻轉子葉片和靜止葉片這些高溫部件。冷卻了燃氣輪機900的高溫部件后的蒸氣被引導到混合器904后，被供給中壓氣輪機905。驅動中壓氣輪機905后的蒸氣被供給低壓氣輪機906，并將其驅動。高壓蒸氣輪機903、中壓蒸氣輪機905及低壓蒸氣輪機906被串聯連接著，并使和它們的輸出軸連接的第二發電機907運轉來產生電力。
驅動中壓蒸氣輪機905及低壓蒸氣輪機906后的蒸氣通過冷凝器908變回水后，通過泵909被供給HRSG902。通過設在HRSG902中的蒸發器(未圖示)再次變成蒸氣后，經由過熱器(未圖示)被過熱后再次被供給高壓蒸氣輪機903，由此反復上述過程。
該燃氣輪機復合發電設中使用著適用了實施方式1～4中所說明的轉向關節栓的密封結構中的任一個的燃氣輪機900。因此，能夠降低通過轉向關節栓和螺栓孔的間隙而泄漏的蒸氣量，有效利用貴重的蒸氣，將損失抑制到最低程度。結果，可以提高燃氣輪機復合發電設備整體的熱效率。
如上所述，本發明的轉向關節栓的密封結構用管狀部件覆蓋轉向關節栓周圍，利用該管狀部件來封堵通過設于第一段轉子盤上的螺栓孔而泄漏的蒸氣。因此，可以降低蒸氣泄漏，有效使用蒸氣，所以相應地能降低運轉成本。冷卻用蒸氣是利用燃氣輪機的排氣而形成的，所以在冷卻轉子葉片后驅動中壓氣輪機等。故降低了該部分的蒸氣泄漏，結果，可以抑制蒸氣輪機的輸出降低，提高燃氣輪機復合發電設備整體的熱效率。
另外，本發明的轉向關節栓的密封結構在第一段轉子盤和壓縮機側連接部件之間設置外徑不同的兩個環狀部件，使轉向關節栓通過該兩個環狀部件之間，以封堵從轉向關節栓貫通的螺栓孔泄漏的蒸氣。因此，可以降低蒸氣泄漏，有效使用蒸氣，所以相應地能降低運轉成本。能夠降低該部分的蒸氣泄漏，提高燃氣輪機復合發電設備整體的熱效率。
此外，本發明的轉向關節栓的密封結構在上述管狀部件或環狀部件的端部設置金屬和陶瓷密封部件，更能提高蒸氣的密封性能。因此，可以進一步降低蒸氣泄漏，更加有效地使用蒸氣，提高燃氣輪機復合發電設備整體的熱效率。
本發明的轉向關節栓的密封結構在第一段轉子盤等上設置階梯部件等，防止上述管狀部件或環狀部件因離心力而向轉子盤的徑方向外側移動。燃氣輪機的轉子盤處于高速運轉狀態，所以轉動系統內的結構部件接受大的離心力。管狀部件或環狀部件如果由于該離心力而發生偏心，有時會破壞運轉平衡，加大軸振動，導致燃氣輪機停止運轉。該密封結構使階梯部件等和管狀部件接觸，阻止管狀部件等的移動，所以能夠抑制管狀部件等的偏心。因此，可以在不破壞運轉平衡的狀態下進行運轉。能夠抑制燃氣輪機的運轉停止。
另外，本發明的燃氣輪機用管狀部件覆蓋轉向關節栓周圍，利用該管狀部件來封堵通過設于第一段轉子盤上的螺栓孔而泄漏的蒸氣。因此，能夠降低轉向關節栓部的蒸氣泄漏，所以該燃氣輪機可以抑制冷卻用蒸氣的浪費，并能提高使用了該燃氣輪機的燃氣輪機復合發電設備的熱效率。
此外，本發明的燃氣輪機在第一段轉子盤和壓縮機側連接部件之間設置外徑不同的兩個環狀部件，使轉向關節栓通過該兩個環狀部件之間，以封堵從轉向關節栓貫通的螺栓孔泄漏的蒸氣。因此，能夠降低轉向關節栓部的蒸氣泄漏，抑制冷卻用蒸氣的浪費，并能提高使用了該燃氣輪機的燃氣輪機復合發電設備的熱效率。發明效果如上所述，本發明涉及的轉向關節栓的密封結構及燃氣輪機，對使用蒸氣作為轉子葉片和轉子盤等高溫部件的冷卻介質的燃氣輪機非常有用，適合降低蒸氣泄漏，提高蒸氣使用效率和工作效率。
權利要求
1.一種轉向關節栓的密封結構，其特征在于，在燃氣輪機的氣輪機轉子中的第一段轉子盤和壓縮機側連接部件之間，利用管狀部件覆蓋轉向關節栓的周圍，并且使該管狀部件的端部分別接觸上述第一段轉子盤和壓縮機側連接部件，其中，該燃氣輪機的各轉子盤和壓縮機側連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣通路；該管狀部件垂直于軸方向的截面包含通過上述轉向關節栓的螺栓孔截面。
2.一種轉向關節栓的密封結構，其特征在于，將燃氣輪機的氣輪機轉子中的第一環狀部件和配置在該第一環狀部件內側的第二環狀部件配置成以下狀態，即，使這些環狀部件的端部接觸第一段轉子盤和上述壓縮機側連接部件，并且使上述轉向關節栓通過上述第一及第二環狀部件之間，其中，該燃氣輪機的各轉子盤和壓縮機側連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣通路。
3.根據權力要求1或2所述的轉向關節栓的密封結構，其特征在于，在上述管狀部件或上述環狀部件的端部和上述第一段轉子盤之間，或者在上述管狀部件或上述環狀部件的端部和上述壓縮機側連接部件之間的至少一方還具有密封部件。
4.根據權力要求1或2所述的轉向關節栓的密封結構，其特征在于，在上述第一段轉子盤或上述壓縮機側連接部件中的至少一方還具有突起或階梯部件，以防止上述管狀部件或上述環狀部件相對轉子盤的徑方向外側而移動。
5.一種燃氣輪機，具有周圍配置有轉子葉片的多個轉子盤，通過蒸氣來冷卻上述轉子葉片或上述轉子盤及其他高溫部件，其特征在于，具有壓縮機，把空氣壓縮并制作燃燒用空氣；燃燒器，向由該壓縮機制作的燃燒用空氣供給燃料使產生燃燒；氣輪機轉子，上述各轉子盤和位于上述壓縮機側的連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣的供給通路或回收通路；在第一段上述轉子盤和上述連接部件之間，利用管狀部件覆蓋上述轉向關節栓周圍，并使該管狀部件的兩端分別接觸上述第一段轉子盤和壓縮機側連接部件，其中，該管狀部件垂直于軸方向的截面包含通過上述轉向關節栓的螺栓孔截面。
6.一種燃氣輪機，具有周圍配置有轉子葉片的多個轉子盤，通過蒸氣來冷卻上述轉子葉片或上述轉子盤及其他高溫部件，其特征在于，具有壓縮機，把空氣壓縮并制作燃燒用空氣；燃燒器，向由該壓縮機制作的燃燒用空氣供給燃料使產生燃燒；氣輪機轉子，上述各轉子盤和位于上述壓縮機側的連接部件通過轉向關節栓組合在一起，并且其內部具有蒸氣的供給通路或回收通路；將第一環狀部件和配置在該第一環狀部件內側的第二環狀部件配置成以下狀態，即，使這些環狀部件的端部接觸第一段轉子盤和上述連接部件，并且使上述轉向關節栓通過上述第一環狀部件及第二環狀部件之間。
全文摘要
一種轉向關節栓的密封結構，其中第一段轉子盤(50a)和壓縮機側連接部件(30)通過貫通兩者的轉向關節栓(20)連接在一起，并且在第一段轉子盤(50a)和壓縮機側連接部件(30)之間，用管狀部件(100)覆蓋轉向關節栓(20)。
文檔編號F02C7/28GK1473236SQ02802950
公開日2004年2月4日 申請日期2002年10月10日 優先權日2001年10月10日
發明者上松一雄, 廣川一晴, 晴 申請人:三菱重工業株式會社