涡轮机的冷却结构以及燃气轮机的制作方法

本发明涉及一种涡轮机的冷却结构及使用该冷却结构的燃气轮机，所述涡轮机的冷却结构沿旋转轴线配置有多级与密封盘、盘形转子等动叶片一体旋转的圆盘，并且在所述圆盘上形成有用于将冷却所述动叶片的冷却空气供应给下游侧圆盘的圆盘孔。

背景技术：

在燃气轮机中，将来自压缩机的压缩空气导入燃烧器中，和燃料一同燃烧，产生高温气体，将该高温气体导入涡轮部中，对该涡轮部进行驱动。在涡轮部中，沿其旋转轴线交替地设置有多级静叶片和动叶片，对一部分压缩空气进行抽吸，将该被抽吸的压缩空气作为冷却空气导入涡轮部的静叶片及动叶片中。

动叶片的冷却如下所述：在安装有动叶片的盘形转子上，在以其旋转轴线为中心的圆周上以一定间隔(例如等角度间隔，但也包括非等角度间隔的情况)形成有多个圆盘孔。使通过冷却器而被冷却的所述抽吸的压缩空气作为冷却空气(或者不使用冷却器，直接将所述抽吸的压缩空气作为冷却空气)，通过这些圆盘孔，从而分别向沿旋转轴线设置的多级盘形转子供应冷却空气。使供应给盘形转子的冷却空气通过盘形转子内的流道，向动叶片内导入，从内侧对动叶片进行冷却。

关于冷却动叶片的技术，提议有经由被称为tobi喷嘴(tangentialonboardinjectionnozzle，切向注入喷嘴)的喷嘴，将冷却空气向转子的圆盘孔供应的技术(参照专利文献1等)。tobi喷嘴使冷却空气成为沿转子旋转方向的旋流，并向圆盘孔供应，从而能够降低泵气损失。

也就是说，如果向圆盘孔供应不具有圆盘旋转方向流速分量的冷却空气，在该冷却空气流入圆盘内部时，会发生能量损失(泵气损失)，导致燃气轮机性能降低。对此，向冷却空气赋予转子旋转方向的流速分量，形成旋流，从而可以减小冷却空气的旋转方向流速分量和转子的旋转速度之差，抑制发生泵气损失。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特许4146257号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，上述技术会对作为燃烧空气供应给燃烧器的一部分压缩空气进行抽吸，将该被抽吸的压缩空气作为冷却空气使用，因此，相应于作为冷却空气而被抽吸的量，供应给燃烧器的压缩空气量乃至燃烧器的燃烧量会减少，涡轮机的输出会降低。此外，抽吸的压缩空气通过冷却器而被冷却后，将该抽吸的压缩空气用作冷却空气时，需要准备动力以便利用冷却器进行冷却，从而会造成能量损失。

另外，使用tobi喷嘴时，虽然可以抑制发生泵气损失，提高涡轮机的输出，但业者希望能更进一步提高涡轮机的输出。

本发明鉴于上述问题开发而成，目的在于提供一种可以提高涡轮机输出的涡轮机的冷却结构以及燃气轮机。

技术方案

(1)为了实现上述目的，本发明的涡轮机的冷却结构沿旋转轴线配置有多级与动叶片一体地以所述旋转轴线为中心、沿规定的旋转方向旋转的圆盘，并且在所述圆盘上，沿圆周方向形成有多个用于将冷却所述动叶片的冷却空气供应给下游侧圆盘的圆盘孔，该涡轮机的冷却结构特征在于，所述圆盘中的至少一个为动力回收型圆盘，其中所述圆盘孔中的至少一个设定为，在将所述圆盘的所述旋转方向规定为正方向，将所述旋转方向的相反方向规定为负方向时，所述圆盘孔的出口处所述冷却空气的速度向量在所述旋转方向上的分量即出口绝对周速度向量小于所述圆盘孔的入口处所述冷却空气的速度向量在所述旋转方向上的分量即入口绝对周速度向量。

(2)优选所述动力回收型圆盘的所述圆盘孔中所述冷却空气的出口相较于所述冷却空气的入口，配置在所述旋转方向的上游侧。

(3)优选所述动力回收型圆盘的所述圆盘孔在沿所述圆周方向切断的剖面上，为朝向所述冷却空气的流通方向下游侧，向所述动力回收型圆盘旋转方向的相反方向弯曲的叶片形状。

(4)优选所述动力回收型圆盘的所述圆盘孔在所述冷却空气的流通方向下游侧收缩。

(5)优选所述动力回收型圆盘的所述圆盘孔形成为，在沿所述圆周方向切断的剖面上，画出所述圆盘孔的壁面为直线。

(6)优选具备tobi喷嘴，从所述tobi喷嘴向所述动力回收型圆盘供应冷却空气，所述tobi喷嘴会形成沿与所述动力回收型圆盘旋转方向相同的方向旋转的冷却空气的旋流。

(7)优选在所述多个圆盘彼此之间的至少一个上设置所述tobi喷嘴。

(8)可以将所述冷却空气的流通方向上从上游侧开始第2个以后的圆盘中的至少一个构成为所述动力回收型圆盘，从相较于所述动力回收型圆盘配置在所述冷却空气的流通方向上游侧的圆盘，将所述冷却空气直接供应给所述动力回收型圆盘。

(9)该情况下，优选针对所述动力回收型圆盘和相较于所述动力回收型圆盘配置在所述冷却空气的流通方向上游侧的圆盘，将圆盘孔的倾斜角度设定为不同的角度，从而使所述动力回收型圆盘中所述出口绝对周速度向量小于所述入口绝对周速度向量。

(10)或者，优选针对所述动力回收型圆盘和相较于所述动力回收型圆盘配置在所述冷却空气的流通方向上游侧的圆盘，将所述圆盘孔与所述旋转轴线之间的距离设定为不同的距离，从而使所述动力回收型圆盘中所述出口绝对周速度向量小于所述入口绝对周速度向量。

(11)为了实现上述目的，本发明的燃气轮机特征在于，具备：吸入空气并压缩的压缩部，使被压缩的空气及从外部供应的燃料所构成的混合气体进行燃烧，生成燃烧气体的燃烧部，以及从所生成的燃烧气体提取旋转驱动力的涡轮部；所述涡轮部中设有所述涡轮机的冷却结构。

发明效果

根据本发明，圆盘孔出口处冷却空气的出口绝对周速度向量小于圆盘孔入口处冷却空气的入口绝对周速度向量的部分会作为驱动盘形转子的动力(动力能量)而被回收，从而可以利用冷却空气的流动来提高涡轮机的输出。

进而，进行该回收时冷却空气做功，其温度会降低，可以相应于该降低量来减少冷却空气量，提高涡轮机效率。

附图说明

图1是表示本发明第1～4实施方式的燃气轮机的整体构成的模式图。

图2是本发明第1实施方式的涡轮部及其冷却结构的模式性局部剖面图。

图3是用于说明本发明第1实施方式所涉及的tobi喷嘴及圆盘孔的结构的模式图，是在沿圆周方向切断tobi喷嘴及盘形转子的剖面图上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子的旋转速度向量的图。

图4是用于说明本发明第1实施方式的改进例所涉及的tobi喷嘴及圆盘孔的结构的模式图，是在沿圆周方向切断tobi喷嘴及盘形转子的剖面图上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子的旋转速度向量的图。

图5是用于说明本发明第2实施方式所涉及的tobi喷嘴及圆盘孔的结构的模式图，是在沿圆周方向切断tobi喷嘴及盘形转子的剖面图上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子的旋转速度向量的图。

图6是用于说明本发明第2实施方式的改进例所涉及的tobi喷嘴及圆盘孔的结构的模式图，是在沿圆周方向切断tobi喷嘴及盘形转子的剖面图上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子的旋转速度向量的图。

图7是本发明第3实施方式的涡轮机及其冷却结构的模式性局部剖面图。

图8是用于说明本发明第3实施方式所涉及的tobi喷嘴及圆盘孔的结构的模式图，是在沿圆周方向切断tobi喷嘴及盘形转子的剖面图上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子的旋转速度向量的图。

图9是本发明第4实施方式的涡轮部及其冷却结构的模式性局部剖面图。

图10是用于说明本发明第4实施方式所涉及的tobi喷嘴及圆盘孔的结构的模式图，是在沿圆周方向切断tobi喷嘴及盘形转子的剖面图上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子的旋转速度向量的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。另外，以下所示实施方式仅为例示，并非要排除以下实施方式中未明示的各种变形及技术的应用。以下实施方式的构成在不脱离其主旨的范围内可以进行各种变形。

[1.第1实施方式]

作为本发明的第1实施方式，参照图1～图3对燃气轮机及涡轮机的冷却结构进行说明。

[1-1.燃气轮机的构成]

如图1所示，本实施方式的燃气轮机1是驱动例如发电机(省略图示)等机器的设备，具备压缩机(压缩部)2、燃烧器(燃烧部)3、涡轮部(涡轮机)4、旋转轴5以及用于向涡轮部4供应冷却空气的冷却供给管线6。

压缩机2吸入外部空气即大气进行压缩，将压缩后的空气供应给燃烧器3。燃烧器3对由压缩机2压缩的空气和从外部供应的燃料混合，对混合气体进行燃烧，从而生成高温气体(燃烧气体)。旋转轴5是以旋转轴线(轴线)l为中心，被可旋转地支撑的圆柱状构件，将通过涡轮部4所产生的旋转驱动力传递给压缩机2及发电机等机器。

另外，以下简单记载为圆周方向、径向、内周侧及外周侧时，是指以旋转轴线l为中心时的圆周方向、径向、内周侧及外周侧。

涡轮部4接受由燃烧器3生成的高温气体的供应，产生旋转驱动力，并将所产生的旋转驱动力传递给旋转轴5。

冷却供给管线6用于冷却涡轮部4，从压缩机2抽吸一部分压缩空气，并将该抽吸的压缩空气作为冷却空气，供应给涡轮部4的动叶片。该冷却供给管线6由管线61和管线62构成，管线61利用冷却器7对上述抽吸的压缩空气进行冷却，并供应给涡轮部4，管线62绕过冷却器7，将上述抽吸的压缩空气供应给涡轮部4。另外，也可以只由具备冷却器7的管线61及不具备冷却器7的管线62中的任一个构成冷却供给管线6。

[1-2.涡轮部及其冷却结构]

参照图2，对涡轮部4及其冷却结构进行说明。

在涡轮部4中，在由燃烧器3(参照图1)产生的燃烧气体g的通道(以下，有时也会称为气体通道)上，从燃烧气体g的流动方向上游侧开始依次配设有第1级静叶片20、第1级动叶片30、第2级静叶片40及第2级动叶片50。也就是说，在气体通道上交替地配设有多个静叶片和动叶片。

另外，第1级静叶片20是最靠近燃烧器3的静叶片，第1级动叶片30是最靠近燃烧器3的动叶片。图2是表示部分涡轮部4的图，因此，仅例示了配置在燃烧器3附近的叶片20～50，相较于这些叶片20～50，在燃烧气体g的流动方向下游侧(以下，有时也会称为后段)也交替地配设有静叶片和动叶片。

各静叶片20、40是在以旋转轴线l为中心、形成为圆筒形的壳体10的内周侧垂下设置的叶片，在气体通道内，沿圆周方向等间隔地排列、配置。

在第1级静叶片20的内周侧的端部设置有内侧覆环21。内侧覆环21是沿圆周方向延伸的板状构件，形成气体通道的一部分。这里，该内侧覆环21由未被分割的单一构件构成，并且固定在内部形成有用于供应冷却空气的空腔(省略图示)的壳部22上，但也可以由沿圆周方向分割的多个构件构成，固定方法也不限定于上述形态(固定于壳部22上)。

此外，在该壳部22上设置有与上述用于供应冷却空气的空腔连通、连接的冷却通道23，该冷却通道23的出口处设置有后述tobi喷嘴(tangentialonboardinjectionnozzle)24。

在第2级静叶片40的内周侧的端部设置有内侧覆环41。和内侧覆环21一样，内侧覆环41也是沿圆周方向延伸的板状构件，形成气体通道的一部分。在该内侧覆环41的内周侧，经由沿圆周方向等间隔地排列、配置的支撑构件42，安装有轮毂43。这里，内侧覆环41由未被分割的单一构件构成，但也可以由沿圆周方向分割的多个构件构成。此外，支撑轮毂43的多个支撑构件42也不需要等间隔地排列，轮毂43的支撑方法也并不限定于上述形态。

轮毂43构成为内部具有环状空间的双重环状体。也就是说，沿径向以一定间隔将沿圆周方向延伸的板状外周侧圆环构件43a和沿圆周方向延伸的板状内周侧圆环构件43b配置在同一轴线(旋转轴线l)上，构成轮毂43。并且，在外周侧圆环构件43a和内周侧圆环构件43b之间的环状空间内设置有后述tobi喷嘴44。

这里，外周侧圆环构件43a及内周侧圆环构件43b分别由未被分割的单一构件构成，但也可以由沿圆周方向分割的多个构件构成。

第1级动叶片30是在形成为圆板状的第1级盘形转子31的外周面上立起设置的叶片，在气体通道内，沿圆周方向等间隔地排列、配置。第1级动叶片30经由平台34及叶片根部(省略图示)安装到第1级盘形转子31上，该平台34沿圆周方向延伸，形成气体流道的一部分。

第1级盘形转子31是以旋转轴线l为中心的圆板状构件，安装为可以向旋转轴5(参照图1)传递旋转驱动力，第1级动叶片30接受燃烧气体g，从而对第1级盘形转子31进行旋转驱动，进而对旋转轴5进行旋转驱动。

在该第1级盘形转子31上形成有圆盘孔32以及冷却流道33。

沿旋转轴线l方向贯穿第1级盘形转子31，形成圆盘孔32，在同一径向位置上沿圆周方向等间隔地配置有多个圆盘孔32。各圆盘孔32的径向位置设定为和tobi喷嘴24、44相同的径向位置，各圆盘孔32构成用于将从tobi喷嘴24喷出的冷却空气的一部分供应给配置在第1级动叶片30下游侧(以下，有时也称为后段)的第2级动叶片50的流道。另外，也可以不将多个圆盘孔32配置在同一径向位置上，也可以不等间隔地配置，进而，也可以不配置在和tobi喷嘴24、44相同的径向位置上。

冷却流道33是贯穿第1级盘形转子31的内部、叶片根部以及平台34，将从tobi喷嘴24喷出的冷却空气的一部分如箭头a1所示导入第1级动叶片30的内部的流道。该冷却流道33沿圆周方向等间隔地排列有多个，配置在和第1级动叶片30相同的圆周方向位置上。另外，冷却流道33也可以不等间隔地排列，也可以不配置在和第1级动叶片30相同的圆周方向位置上(也可以不针对每一个第1级动叶片30配置)，进而，设置数量也可以和第1级动叶片30不同。

第2级动叶片50及第2级盘形转子51的构成和第1级动叶片30及第1及盘形转子31相同。

也就是说，第2级动叶片50是在圆板状的第2级盘形转子51的外周面上立起设置的叶片，在气体通道内，沿圆周方向等间隔地排列、配置，经由沿圆周方向延伸的平台54及叶片根部(省略图示)，安装到第2级盘形转子51上。

第2级盘形转子51是以旋转轴线l为中心的圆板状构件，安装为可以向旋转轴5传递旋转驱动力，在该第2级盘形转子51上形成有圆盘孔52及冷却流道53。

沿旋转轴线l方向贯穿第2级盘形转子51，形成圆盘孔52，在同一径向位置上沿圆周方向等间隔地配置有多个圆盘孔52。各圆盘孔52的径向位置设定为和tobi喷嘴44相同的径向位置，各圆盘孔52构成用于将从tobi喷嘴44喷出的冷却空气的一部分供应给下游侧未图示的动叶片的流道。另外，也可以不将多个圆盘孔52配置在同一径向位置上，也可以不等间隔地配置，进而，也可以不配置在和tobi喷嘴44相同的径向位置上。

冷却流道53是贯穿第2级盘形转子51的内部、叶片根部以及平台54，将从tobi喷嘴44喷出的冷却空气的一部分如箭头a2所示导入第2级动叶片50的内部的流道，配置在和各第2级动叶片50相同的圆周方向位置上。冷却流道53也可以不等间隔地排列，也可以不配置在和第2级动叶片50相同的圆周方向位置上(也可以不针对每一个第2级动叶片50配置)，进而，设置数量也可以和第2级动叶片50不同。

另外，安装于盘形转子31上的密封构件35以及安装于盘形转子51上的密封构件55、56是在与静叶片40上所安装的内周侧圆环构件43b及静叶片40后段未图示的静叶片上所安装的内周侧圆环构件之间，以微小间隙设置的构件，是用于防止冷却空气泄漏的密封用构件。

进而，对tobi喷嘴24、44及圆盘孔32、52进行说明。tobi喷嘴24和tobi喷嘴44的构成大致相同，并且圆盘孔32和圆盘孔52的构成大致相同，因此，以tobi喷嘴24及圆盘孔32为例，参照图2及图3进行说明。另外，图3是在沿圆周方向切断tobi喷嘴24及盘形转子31的模式性剖面图(其中，仅显示一部分)上标记有冷却空气的速度向量及盘形转子31的旋转速度向量的图。

tobi喷嘴24是对流过冷却通道23的冷却空气赋予和盘形转子31的旋转方向(以下，有时也会称为圆盘旋转方向)u相同方向的回旋分量者。

具体说明为，tobi喷嘴24具备：以旋转轴线l为中心形成为圆环状的外圈部24a，以旋转轴线l为中心形成为圆环状且在外圈部24a(参照图2)的径向内侧以一定间隔配置的内圈部24b，以及配置在外圈部24a和内圈部24b之间、沿圆周方向等间隔地排列的多个叶片形状部24c。外圈部24a及内圈部24b经由叶片形状部24c固定为一体。

并且，在沿圆周方向相邻的叶片形状部24c之间形成有喷嘴部24d。各喷嘴部24d沿其圆周方向切断的剖面形状如图3所示，是朝向冷却空气的流通方向a1，向圆盘旋转方向u侧逐渐倾斜且流道宽度逐渐变小的形状，相对于径向(垂直于图3的纸面的方向)而言，该剖面形状为固定的剖面形状。也就是说，喷嘴部24d形成为弯曲形状，在上述流通方向a1上随着趋向下游侧而愈发面向圆盘旋转方向u，并且形成为流道剖面积逐渐变小的收缩形状。

通过这种构成的tobi喷嘴24的构成，可以一边对冷却空气进行加速一边形成沿圆盘旋转方向u回旋的旋流，并从tobi喷嘴24喷出。

此外，各圆盘孔32沿其圆周方向切断的剖面形状如图3所示，在入口部(冷却空气的流通方向a2的上游部)为大致沿着与圆盘旋转方向u垂直相交的方向的形状，随着靠近出口部(冷却空气的流通方向a2的下游部)而逐渐向圆盘旋转方向u的相反方向倾斜的形状，相对于径向(垂直于图3的纸面的方向)而言，该剖面形状为固定的剖面形状。也就是说，各圆盘孔32形成为方向与tobi喷嘴24的喷嘴部24d相反的叶片形状，并形成为弯曲形状，在上述流通方向a2上随着趋向下游侧而愈发面向圆盘旋转方向u的相反方向，并且形成为流道剖面积逐渐变小的收缩形状。

接下来，参照图3，以tobi喷嘴24及圆盘孔32为例，对本发明的一大特征即tobi喷嘴24的喷嘴部24d的冷却空气出口(以下，有时也会称为喷嘴出口)24e处的流道剖面积及喷出角度、以及圆盘孔32的冷却空气出口(以下，有时也会称为孔出口)32a处的流道剖面积及喷出角度的设定方法进行说明。

在图3中，符号c1表示喷嘴出口24e处冷却空气的速度向量[换言之，圆盘孔32的冷却空气入口(以下，有时也会称为孔入口)32b处冷却空气的速度向量]，符号c2表示孔出口32a处冷却空气的速度向量。

喷嘴出口24e的速度向量c1是根据流入喷嘴部24d的冷却空气的单位时间体积流量、喷嘴出口24e处的流道剖面积及喷出角度计算出的速度向量。

由于设置有tobi喷嘴24(即，配置有喷嘴出口24e)的壳部22为静止状态，因此速度向量c1为绝对速度向量，该绝对速度向量c1在圆盘旋转方向u上的分量为喷嘴出口24e处绝对周速度向量(即，孔入口32b处的入口绝对周速度向量，以下，有时也会称为入口绝对周速度向量)vt。

孔出口32a的速度向量c2是根据流入圆盘孔32的冷却空气的单位时间体积流量、孔出口32a处的流道剖面积及喷出角度计算出的速度向量，是以盘形转子31为基准的相对速度向量。如图3所示，对相对速度向量c2和孔出口32a处的盘形转子31的周速度向量vu合成而获得孔出口32a处的冷却空气的绝对速度向量c_d，该绝对速度向量c_d在圆盘旋转方向u上的分量是孔出口32a处的冷却空气的绝对周速度向量vt_d(以下，有时也会称为出口绝对周速度向量vt_d)。

并且，在将圆盘旋转方向u设为正侧(plus侧)时，对喷嘴出口24e处的流道剖面积及喷出角度、以及孔出口32a处的流道剖面积及喷出角度进行设定，使得孔出口32a处的冷却空气的绝对周速度向量vt_d小于喷嘴出口24e处的冷却空气的绝对周速度向量vt。

如上所述，喷嘴出口24e处的冷却空气的绝对周速度向量vt是流入孔入口32的冷却空气的入口绝对周速度向量。此外，入口绝对周速度向量vt和出口绝对周速度向量vt_d之差δvt(＝vt-vt_d)会被作为如下动力(动力能量)而回收，即在冷却空气如箭头a2所示通过圆盘孔32的过程中，朝向圆盘旋转方向u，对由燃烧气体g驱动的盘形转子31进行辅助驱动的动力。也就是说，盘形转子31构成为动力回收型圆盘。

这里，入口绝对周速度向量vt及出口绝对周速度向量vt_d中的“绝对”不同于以盘形转子31为基准的相对周速度向量，是指以固定系统为基准的绝对系统中的周速度向量，并非表示绝对值(大小)。进一步说明为，出口绝对周速度向量vt_d小于入口绝对周速度向量vt并非用表示两个绝对周速度向量vt、vt_d大小(绝对值)的标量进行的比较，而是将圆盘旋转方向u规定为正侧(plus侧)，将圆盘旋转方向u的相反方向规定为负侧(minus侧)时的向量比较。因此，例如如果入口绝对周速度向量vt的方向和圆盘旋转方向u为同一方向(plus侧)，出口绝对周速度向量vt_d的方向为圆盘旋转方向u的相反方向(minus侧)，则无论绝对周速度向量vt、vt_d的大小(绝对值)如何，出口绝对周速度向量vt_d都小于入口绝对周速度向量vt。

此外，对安装于静叶片40上的tobi喷嘴44的喷嘴出口处的流道剖面积及喷出角度、以及盘形转子51的圆盘孔52的出口处的流道剖面积及喷出角度也一样进行设定，使得出口绝对周速度向量小于圆盘孔52的入口绝对周速度向量。因此，如图2所示，冷却空气如箭头a3所示通过tobi喷嘴44，方向再次变为圆盘旋转方向u侧，然后如箭头a4所示在通过圆盘孔52的过程中，本次方向变化为圆盘旋转方向u的相反侧，此时，朝向圆盘旋转方向u对盘形转子51进行辅助驱动。也就是说，盘形转子51也构成为动力回收型圆盘。

另外，如果出口绝对周速度向量小于入口绝对周速度向量，则第2级盘形转子51的圆盘孔52的出口处的流道剖面积及喷出角度可以和第1级盘形转子31的圆盘孔32的出口处的流道剖面积及喷出角度不同。

[1-3.作用与效果]

根据本发明第1实施方式的燃气轮机及涡轮机的冷却结构，如上所述，盘形转子31、51构成为动力回收型圆盘，其各圆盘孔32、52设定为出口周速度向量小于入口绝对周速度向量，因此，冷却空气在通过圆盘孔32、52的过程中做功，对由燃烧气体g驱动的盘形转子31、51进行辅助驱动。

进而，本实施方式使用tobi喷嘴24、44，通过其收缩，可以向圆盘旋转方向u侧加速冷却空气，因此，能够增大盘形转子31、51的圆盘孔32、52的入口绝对周速度向量。另一方面，使圆盘孔32、52的冷却空气喷出方向和圆盘旋转方向u相反，并且收缩圆盘孔32、52的出口，从而能够减小圆盘旋转方向u的分量即出口绝对周速度向量。因此，可以大幅度地增大入口绝对周速度向量和出口绝对周速度向量之差(＝入口绝对周速度向量-出口绝对周速度向量)，可以从冷却空气回收到更多的动力。

此外，在第1级盘形转子31和第2级盘形转子51之间(即第2级盘形转子51的冷却空气流通方向上游侧)也配置有tobi喷嘴44，因此，可以通过tobi喷嘴44，对通过圆盘孔31后的、具有圆盘旋转方向u相反侧的周速度向量的冷却空气赋予圆盘旋转方向u侧的周速度向量。因此，可以增大第2级盘形转子51的圆盘孔52的入口绝对周速度向量，除第1级盘形转子31以外，第2级盘形转子51也可以构成为动力回收型圆盘，从而能够多阶段地从冷却空气回收动力。

进而，本实施方式的圆盘孔32、52为光滑的弯曲、叶片形状，越靠近出口部，愈发面向圆盘旋转方向u的相反方向。因此，能够有效地对从tobi喷嘴24、44朝向圆盘旋转方向u喷出的冷却空气的流动进行回收，作为驱动盘形转子31、51的动力，并且冷却空气的流向朝向出口平滑地变化，从而能够减少压力损失。

另外，从冷却空气回收动力时，冷却空气做功，其温度会降低。因此，可以相应于该降低量，减少冷却器7(参照图1)的负载，从而能够降低对冷却空气进行冷却所需要的动力。并且，由于冷却空气的温度会降低，可以相应地削减冷却空气即压缩空气的抽吸量。削减抽吸量后，就可以相应地增加供应给燃烧器的燃烧空气即压缩空气量，从而能够增加燃烧器的燃烧量，提高涡轮机的输出。

[1-4.改进例]

参照图4，对本实施方式的改进例的燃气轮机及涡轮机的冷却结构进行说明。另外，对于和上述实施方式相同的要素标记相同符号，省略其说明。

本改进例的涡轮机的冷却结构和上述实施方式相同，但相较于上述实施方式，可以将孔入口32b处的冷却空气的速度向量c1设定为更小，并且可以将盘形转子31的周速度向量vu设定为更小。

其结果为，虽然出口绝对周速度向量vt_d的大小(绝对值)大于入口绝对周速度向量vt的大小(绝对值)，但入口绝对周速度向量vt的方向和圆盘旋转方向u相同(plus侧)，而出口绝对周速度向量vt_d的方向和圆盘旋转方向u相反(minus侧)。因此，在将圆盘旋转方向u规定为正方向(plus)，将圆盘旋转方向u的相反方向规定为负方向(minus)时，出口绝对周速度向量vt_d小于入口绝对周速度向量vt，盘形转子31和上述实施方式一样，构成为动力回收型圆盘。

[1-5.其他]

在所述实施方式中，对于安装于静叶片40上的tobi喷嘴44，供应通过前段的第1级盘形转子31的圆盘孔32后的冷却空气，如图2中的双点划线所示，也可以由从壳体10的外侧插通静叶片40内部的配管45供应冷却空气。

[2.第2实施方式]

参照图1、图2及图5，对本发明的第2实施方式的燃气轮机及涡轮机的冷却结构进行说明。另外，对于和第1实施方式相同的要素标记相同符号，省略其说明。

[2-1.涡轮部及其冷却结构的构成]

相对于图2及图3所示的第1实施方式的结构而言，本实施方式的涡轮部4(参照图1)及其冷却结构使用图5所示的tobi喷嘴124及盘形转子131分别代替tobi喷嘴24、44及盘形转子31、51。

tobi喷嘴124具备配置在外圈部和内圈部之间、沿圆周方向等间隔地排列的多个柱状构件124c，在沿圆周方向相邻的柱状构件124c之间形成有喷嘴部124d。该喷嘴部124d沿其圆周方向切断的剖面形状如图5所示，是朝向冷却空气的流通方向a5，向圆盘旋转方向u侧倾斜的梯形，前端逐渐变细，相对于径向(垂直于图5的纸面的方向)而言，该剖面形状为固定的剖面形状。也就是说，喷嘴部124d形成为在沿圆周方向切断的剖面上，画出喷嘴部124d的壁面为直线，并形成为收缩形状，在上述流通方向a5上越靠近下游侧流道剖面积就越小。

和第1实施方式的盘形转子31相比，盘形转子131仪圆盘孔132的形状不同，因此，只对圆盘孔132进行说明。

各圆盘孔132沿其圆周方向切断的剖面形状如图5所示，是朝向冷却空气的流通方向a6，向圆盘旋转方向u的相反方向倾斜的梯形，前端逐渐变细，相对于径向而言，该剖面形状为固定的剖面形状。也就是说，圆盘孔132形成为在沿圆周方向切断的剖面上，画出圆盘孔的壁面为直线，并且形成为收缩形状，在上述流通方向a6上越靠近下游侧流道剖面积就越小。

并且，对喷嘴出口124e处的流道剖面积及喷出角度、以及孔出口132a处的流道剖面积及喷出角度进行设定，使得孔出口132a处的出口绝对周速度向量vt_d小于孔入口132b处的冷却空气的入口绝对周速度向量(喷嘴出口124e处的冷却空气的绝对周速度向量)vt。也就是说，盘形转子131构成为动力回收型圆盘。

另外，可以使第1级盘形转子的圆盘孔出口处的流道剖面积及喷出角度和第2级盘形转子的圆盘孔出口处的流道剖面积及喷出角度不同。[2-2.作用与效果]

本发明第2实施方式的燃气轮机及其冷却结构的构成如上所述，因此，可以获得和第1实施方式相同的效果，此外，喷嘴部124d及圆盘孔132的形状为，在沿圆周方向切断的剖面上画出喷嘴部124d及圆盘孔132的壁面为直线，因此，容易开展用于成型喷嘴部124d及圆盘孔132的加工，可以降低制造费用，缩短制造时间。

[2-3.其他]

在上述第2实施方式中，使圆盘孔132形成为越靠近孔出口132a侧流道剖面积越小的收缩形状，但如果能够设定为孔出口132a处的出口绝对周速度向量vt_d小于孔入口132b处的冷却空气的入口绝对周速度向量vt，则如图5中的双点划线所示，圆盘孔132也可以为相对于冷却空气的流通方向，流道剖面积固定的形状。该情况下，成型圆盘孔132的加工更加容易。

进而，在上述第2实施方式中，将圆盘孔132构成为朝向冷却空气的流通方向a6，向圆盘旋转方向u的相反方向倾斜，除了这种倾斜的圆盘孔132以外，如图6所示，也可以采用朝向冷却空气的流通方向a6的下游侧，向圆盘旋转方向u侧倾斜的圆盘孔232。沿圆盘旋转方向u的旋转相对较慢时，即便采用这种倾斜的圆盘孔，也能使冷却空气的出口绝对周速度向量vt_d小于入口绝对周速度向量vt。另外，像这样使圆盘孔向圆盘旋转方向u侧倾斜时，如果收缩孔出口232a，出口绝对周速度向量vt_d会变大，因此，在这里圆盘孔232设计为图6所示无收缩的形状，但也可以设计为从孔入口232b朝向孔出口232a增大流道剖面积的形状。

[3.第3实施方式]

参照图1、图7及图8，对本发明的第3实施方式的燃气轮机及涡轮机的冷却结构进行说明。另外，对于和上述实施方式相同的要素标记相同符号，省略其说明。另外，图8是沿圆周方向切断tobi喷嘴24、第1级盘形转子331及第2级盘形转子351的模式性剖面图(其中，仅显示一部分)，是标记有冷却空气及盘形转子331、351的速度向量的图。

[3-1.涡轮机及其冷却结构的构成]

本实施方式的涡轮部4(参照图1)及其冷却结构的构成如图7所示。和图2所示的第1实施方式相比，该冷却结构的不同之处在于，在配置于动叶片30、50彼此之间的静叶片40上未设置tobi喷嘴44(详细而言，进而未设置用于安装tobi喷嘴44的构件42、43及密封构件35、55、56)，并且第1级盘形转子331及第2级盘形转子351的构成(详细而言，该等盘形转子的圆盘孔的构成)也不同。

以下，针对第1级盘形转子331及第2级盘形转子351进行说明。

第1级盘形转子331上设置有圆盘孔332，沿旋转轴线l方向贯穿第1级盘形转子331，形成圆盘孔332，在同一径向位置上沿圆周方向等间隔地配置有多个圆盘孔332。此外，相对于冷却空气的流通方向a2而言，圆盘孔332的流道剖面(垂直于冷却空气的流通方向a2切割而成的剖面)形状为固定的形状(例如正方形、长方形、圆形、椭圆形等)。

同样，第2级盘形转子351上也设置有圆盘孔352，沿旋转轴线l方向贯穿第2级盘形转子351，形成圆盘孔352，在同一径向位置上沿圆周方向等间隔地配置有多个圆盘孔352。此外，圆盘孔352为相对于冷却空气的流通方向a4而言，流道剖面积固定的形状(例如正方形、长方形、圆形、椭圆形等)。

如图7所示，各圆盘孔332及各圆盘孔352均配置在和tobi喷嘴24相同的径向位置上，并且，其个数也相同，其孔出口332a和孔出口352a的流道剖面积设定为相同。并且，相对于径向(垂直于图8的纸面的方向)而言，圆盘孔332、352的沿圆周方向的剖面形状可以固定，也可以不固定。

另外，也可以不将多个圆盘孔332配置在同一径向位置上，也可以不等间隔地配置，进而，也可以不配置在和tobi喷嘴24相同的径向位置上。同样，也可以不将多个圆盘孔352配置在同一径向位置上，也可以不等间隔地配置，进而，也可以不配置在和tobi喷嘴24相同的径向位置上。此外，圆盘孔332的个数和圆盘孔352的个数可以不同，圆盘孔332和圆盘孔352中的流道剖面形状及流道剖面积也可以不同。进而，相对于流通方向而言，圆盘孔332、352的各流道剖面形状可以不是固定的剖面形状。

如图8所示，对喷嘴出口24e处的流道剖面积及喷出角度、以及第1级盘形转子331各圆盘孔332的孔出口332a处的流道剖面积及喷出角度进行设定，使得孔出口332a处的出口绝对周速度向量vt_d小于孔入口332b处的冷却空气的入口绝对周速度向量(即，tobi喷嘴24的喷嘴出口24e处的冷却空气的绝对周速度向量)vt。也就是说，盘形转子131构成为动力回收型圆盘。

此外，本实施方式的特征在于，相较于第1级盘形转子331的圆盘孔332，第2级盘形转子351的各圆盘孔352使冷却空气更进一步地向圆盘旋转方向u的相反侧倾斜地喷出。

也就是说，向圆盘旋转方向u的相反方向倾斜地设定圆盘孔352，使各圆盘孔352的朝向冷却空气流通方向下游侧的倾斜角度θ2大于圆盘孔332的同一倾斜角度θ1。

借此，如图8所示，即便在后段的圆盘孔352中，也能从冷却空气回收动力。

也就是说，相较于前段圆盘孔332，从后段圆盘孔352向圆盘旋转方向u的相反侧更大地倾斜并喷出冷却空气，从而在将圆盘旋转方向u规定为正方向，将圆盘旋转方向u的相反方向规定为负方向时，可以使孔出口352a处的冷却空气绝对速度向量c_d′(对冷却空气的速度向量c3和圆盘周速度向量vu合成而获得的速度向量)的周速度分量即出口绝对周速度向量vt_d′比前段孔出口332a处的冷却空气出口绝对周速度向量(即，孔入口352b处的冷却空气入口绝对周速度向量)vt_d小δvt′。借此，即便在后段的盘形转子351中，也能从冷却空气回收动力。也就是说，除前段的盘形转子331外，后段的盘形转子351也构成为动力回收型圆盘。

另外，这里例示的是圆盘孔332和圆盘孔352中孔出口的流道剖面积及个数相同的示例，但是，如上所述，圆盘孔332和圆盘孔352中孔出口的流道剖面积及个数也可以不同。在该情况下，相较于前段圆盘孔332，从后段圆盘孔352向圆盘旋转方向u的相反侧更大地倾斜并喷出冷却空气，自然也可以减小圆盘孔352的出口绝对周速度向量vt_d′。

这里，和入口绝对周速度向量vt及出口绝对周速度向量vt_d一样，出口绝对周速度向量vt_d′是以固定系统为基准的绝对系统中的速度向量，出口绝对周速度向量vt_d′小于入口绝对周速度向量vt_d是将圆盘旋转方向u规定为正方向(plus)，将圆盘旋转方向u的相反方向规定为负方向(minus)时的向量比较。

[3-2.作用与效果]

根据本发明第3实施方式的燃气轮机及其冷却结构，后段盘形转子351也构成为动力回收型圆盘，因此，能够更进一步有效地实现燃气轮机输出的提高以及伴随动力回收而出现的冷却空气的低温化。

[3-3.其他]

在上述第3实施方式中，使圆盘孔332、352的各流道剖面形状相对于冷却空气的流通方向为固定的形状，但圆盘孔332、352也可以使用第1实施方式(参照图3)或第2实施方式(参照图5)所述的收缩形状的圆盘孔。

[4.第4实施方式]

参照图1、图9及图10，对本发明的第4实施方式的燃气轮机及涡轮机的冷却结构进行说明。另外，对于和上述实施方式相同的要素标记相同符号，省略其说明。另外，图10是沿圆周方向切断tobi喷嘴24、第1级盘形转子331及第2级盘形转子451的模式性剖面图(其中，仅显示一部分)，是标记有冷却空气及盘形转子331、451的速度向量的图。

[4-1.涡轮机及其冷却结构的构成]

本实施方式的涡轮部4(参照图1)及其冷却结构的构成如图9及图10所示，和图7及图8所示的第3实施方式相比，第2级盘形转子的构成(详细为圆盘孔的配置)不同。

以下，针对第2级盘形转子451进行说明。

在第2级盘形转子451上，在同一径向位置上沿圆周方向等间隔地配置有多个圆盘孔452，沿旋转轴线l方向贯穿第2级盘形转子451，形成各圆盘孔452。

此外，各圆盘孔452构成为和第1级盘形转子331的圆盘孔332相同个数及相同形状，其倾斜角度(喷出角度)θ1、个数及孔出口452a的流道剖面积和圆盘孔332相同，但是，如图9所示，圆盘孔452配置在相较于圆盘孔332更靠近旋转轴线l的位置(内周侧)上，其旋转半径设定为较小值。另外，如果多个圆盘孔452相较于圆盘孔332配置在内周侧，则也可以不配置在同一径向位置上，也可以不等间隔地配置。进而，圆盘孔452的形状(倾斜角度及孔出口452a的流道剖面积等)及个数也可以和圆盘孔332不同。

通过将圆盘孔452相较于圆盘孔332配置在内周侧，如图10所示，即便在后段的圆盘孔452中，也能从冷却空气回收动力。

也就是说，各圆盘孔452的旋转半径设定为较小值，因此，圆盘孔452的径向位置上的圆盘周速度向量vu′小于圆盘孔332的径向位置上的圆盘周速度向量vu。相应于圆盘周速度向量vu′的变小量，使孔出口452a处的冷却空气绝对速度向量c_d′(对冷却空气的速度向量c2和圆盘周速度向量vu′合成而获得的速度向量)的周速度分量即出口绝对周速度向量vt_d′比前段孔出口332a处的冷却空气出口绝对周速度向量(即，孔入口452b处的冷却空气入口绝对周速度向量)vt_d小δvt′，从冷却空气回收动力。

也就是说，除前段的盘形转子331外，后段的盘形转子451也构成为动力回收型圆盘。

另外，这里例示的是圆盘孔332和圆盘孔452中倾斜角度、孔出口的流道剖面积及个数相同的示例，但是，如上所述，圆盘孔332和圆盘孔452中倾斜角度、孔出口的流道剖面积或个数也可以不同。在该情况下，通过将后段的圆盘孔452相较于圆盘孔332配置在内周侧，自然也可以减小圆盘孔452的出口绝对周速度向量vt_d′。

[4-2.作用与效果]

根据本发明第4实施方式的燃气轮机及其冷却结构，和第3实施方式一样，后段盘形转子451也构成为动力回收型圆盘，因此，能够更进一步有效地实现燃气轮机输出的提高以及伴随动力回收而出现的冷却空气的低温化。

[4-3.其他]

在上述第4实施方式中，使外周侧的圆盘孔332和内周侧的圆盘孔452为相同形状，但也可以为不同形状。例如，可以如上述第3实施方式的圆盘孔352(参照图8)所示，使内周侧的圆盘孔452相较于圆盘孔332更加朝向圆盘旋转方向u的相反侧喷出冷却空气。从而可以进一步减小圆盘孔452中冷却空气的出口绝对周速度向量vt_d′，从冷却空气更多地回收动力。

[5.其他]

(1)在上述各实施方式中将盘形转子构成为动力回收型圆盘，但动力回收型圆盘的应用并不仅限于盘形转子。例如，要在盘形转子的前段设置与该盘形转子一体旋转(即，与动叶片一体旋转)的密封盘时，可以对密封盘的圆盘孔应用各实施方式及其改进例所记载的盘形转子的圆盘孔构成(例如第1实施方式及第2实施方式中具有收缩形状的圆盘孔的构成)，并将其设定为冷却空气的出口绝对周速度向量小于冷却空气的入口绝对周速度向量。从而可以将密封盘构成为动力回收型圆盘。

(2)在上述各实施方式中，在第1级盘形转子的前段设置tobi喷嘴24，利用tobi喷嘴24将冷却空气形成旋流，并从壳部22内部的空腔供应给第1级盘形转子，但也可以采用不设置tobi喷嘴24(不形成旋流)，而将冷却空气直接从空腔供应给第1级盘形转子的构成。

(3)在上述各实施方式中，tobi喷嘴如图3所示使用的是叶片型喷嘴，沿圆周方向排列多个叶片形状部24c，并在叶片形状部24c彼此之间形成喷嘴部24d，但也可以使用管状喷嘴代替叶片型喷嘴，利用沿圆周方向排列的管状喷嘴使冷却空气回旋并供应。

(4)在上述第1实施方式中，如图2所示，利用静叶片40支撑设置在盘形转子31、51彼此之间的tobi喷嘴44，但设置于盘形转子彼此之间的tobi喷嘴并不一定需要用静叶片支撑，例如也可以将tobi喷嘴构成为管状喷嘴，利用壳体10支撑管状喷嘴。

(5)用于使圆盘孔的出口绝对周速度比入口绝对周速度慢的设定方法并不仅限于上述各实施方式的设定方法。

例如，在上述第1及第2实施方式中，使圆盘孔配置在相较于tobi喷嘴更靠旋转轴线l侧，从而可以使圆盘孔的旋转半径比tobi喷嘴小，可以适当地组合上述各实施方式所采用的方法。

或者，在图8所示的上述第3实施方式中，也可以采用以下设计，代替将前段圆盘孔332和后段圆盘孔352的倾斜角度设定为不同角度的操作。

即，使后段圆盘孔352的出口处收缩，增大冷却空气的速度向量，从而可以减小出口绝对周速度向量vt_d′。

(6)在上述各实施方式中，喷嘴部或圆盘孔沿圆周方向切断的剖面形状相对于径向而言固定，但并不仅限于此，沿径向的剖面形状也可以为圆形(圆孔)或圆锥形(圆锥孔)等，相对于径向而言，剖面形状不固定。进而，如图2中的双点划线所示的圆盘孔32、52，可以使圆盘孔沿圆周方向的剖面形状相对于径向而言固定(或者沿圆周方向的剖面形状相对于径向而言发生变化)，并向径向倾斜，使入口和出口为不同的径向位置，或者沿径向收缩的形状。此外，在可以通过圆盘孔回收动力的范围内，可以使圆盘孔和tobi喷嘴的径向位置为不同的位置。

(7)在上述各实施方式中，各圆盘孔在具有其的圆盘内形状(倾斜角度或流道剖面积)或径向位置相同，但并不仅限于此，也可以使其形状、径向位置有一部分不同。

(8)在上述各实施方式中，对于盘形转子上所设置的多个圆盘孔，分别设定为冷却空气的出口绝对周速度向量小于入口绝对周速度向量，但也可以将盘形转子上所设置的多个圆盘孔中的至少一个设定为冷却空气的出口绝对周速度向量小于入口绝对周速度向量。此外，可以将盘形转子或密封盘等多个圆盘中的至少一个构成为动力回收型圆盘。

(9)在上述各实施方式中，例示了将本发明的燃气轮机应用于发电用燃气轮机的示例，但本发明的燃气轮机并不仅限于适用于发电用燃气轮机，例如也可以应用于航空用燃气轮机。

符号说明

1燃气轮机

2压缩机(压缩部)

3燃烧器(燃烧部)

4涡轮部(涡轮机)

5旋转轴

20、40静叶片

24、44、124tobi喷嘴

30、50动叶片

31、51、131、331、351、451盘形转子(动力回收型圆盘)

32、52、132、232、332、352、452圆盘孔

32a、52a、132a、232a、332a、352a、452a孔出口

32b、52b、132b、232b、332b、352b、452b孔入口

c1、c2、c3冷却空气的速度向量

l旋转轴线

u圆盘旋转方向

vt、vt_d、vt_d′绝对周速度向量

θ1、θ2圆盘孔的倾斜角度(喷出角度)