JP2001123802A

JP2001123802A - タービンロータ

Info

Publication number: JP2001123802A
Application number: JP30747799A
Authority: JP
Inventors: Shinya Ento; 信也圓島; Takeshi Takano; 剛高野; Manabu Matsumoto; 学松本; Saneyuki Ueno; 実行上野; Ryo Akiyama; 陵秋山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】熱応力の上昇を抑制することができることは勿
論のこと、極度に応力の集中する部分がなく堅牢なター
ビンロータを提供する。【解決手段】外周部にタービン動翼５を有するととも
に、内周部に冷媒流通孔が設けられている複数個のホイ
ール１を備え、前記ホイールが軸方向に重ね合わされて
形成されるとともに、前記動翼を冷却する冷却媒体が、
前記ホイールの冷媒流通孔を介して供給されるように形
成されているタービンロータにおいて、前記冷媒流通孔
を、前記ホイールの中心部とその周囲とに設けるととも
に、前記中心部の冷媒流通孔と前記周囲の冷媒流通孔と
に別系統の冷媒を流通させ、かつ前記中心部の冷媒流通
孔に供給される冷媒がタービン作動ガスの上流側から供
給され、かつ前記周囲の冷媒流通孔に供給される冷媒が
タービン作動ガスの下流側から供給され、かつ前記中心
部の冷媒流通孔は、タービン作動ガスの最下流側に位置
するホイールが中実に形成されて前記周囲の冷媒流通孔
に供給される冷媒と仕切られるように形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はタービンロータに係
わり、特に内周部に冷媒流通孔が設けられている複数個
のホイールを備え、このホイールが軸方向に重ね合わさ
れて形成されるとともに、ホイール外周部の動翼を冷却
する冷却媒体（冷媒）が、ホイールに設けられている冷
媒流通孔を介して供給されるように形成されているター
ビンロータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されている例えばガスタ
ービンなどのロータは、外周部に動翼を有する複数個の
ホイールがスペーサを介して重ね合わされて形成され、
そして動翼を冷却するための冷媒の供給が、ホイール内
に設けられている冷媒流通孔を介して行なわれるように
形成されているのが普通である。

【０００３】なお、この種のタービンロータに関連する
ものとしては、例えば特開平８−１４０６４号公報ある
いは特開平９−１３９０２号公報などが挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように複数個のホ
イールが軸方向に重ね合わされて形成されたタービンロ
ータの熱伸縮および熱応力は、ロータ中心部の温度環境
に大きく影響を受ける。ロータ中心部の温度雰囲気が不
確定の場合、タービンの定常運転のみならず起動時や停
止時にロータ中心部のメタル温度を見積もることが困難
となる。すなわち、ロータの熱伸びおよびロータに作用
する熱応力の予測精度の低下を招き、場合によっては、
ロータと静止部とが接触したり、またホイールとスペー
サ間の嵌め合い部が外れたり、また逆にきつい嵌め合い
となり許容応力以上の熱応力が発生してしまう恐れがあ
る。

【０００５】このため、ロータ中心部には温度の明確な
流体の雰囲気にしてロータ中心部のメタル温度を明確す
ることが必要である。さらにホイール、スペーサ間の熱
伸び差のむらを小さくするために中心部は均一の温度雰
囲気が望ましい。

【０００６】ロータ内部に供給される流体として、動翼
の冷却媒体がある。ガスタービン燃焼温度が１４００℃
以上のガスタービンでは、動翼の冷却を強化するために
冷却媒体の温度を従来のガスタービンに比べて低温にす
る必要がある。また、動翼を冷却した後の冷媒を動翼か
ら主流ガス中に放出することなくロータ内に再び回収す
るガスタービンでは、回収冷媒の温度をロータの許容メ
タル温度以下にするために供給時の温度を下げる必要が
ある。

【０００７】この場合、ロータ中心部を温度の低い動翼
冷媒の雰囲気にすると、ロータに生じる径方向の温度差
が大きくなり熱応力が過大になるという問題が生じる。
特に作動ガス温度の高い上流側のロータでは熱応力の過
大が顕著となる。

【０００８】最近のようにガスタービンの燃焼温度が１
４００℃の機械ともなると、ロータに生じる径方向の温
度差が大きくなり熱応力が過大となり易い。一般にはロ
ータ内部の冷却としてホイールやスペーサ全体を冷却す
ることが考えられるが、しかしこの場合、ホイール全体
を一様、特に径方向に一様に冷却できれば特に問題にな
ることはないのであるが、ホイール全体を径方向全体
に、すなわち隣接部材の接合部の関係から隅から隅まで
一様に冷却することは非常に難しく、冷却される部分と
されない部分が隣接すると、その部分で温度的に大きな
落差が生じ、その部分に応力が集中し、弱体なロータと
なってしまう恐れがあった。

【０００９】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、熱応力の上昇を抑制することがで
きることは勿論のこと、その熱応力分布がホイールの径
方向に円滑に変化し、極度に応力の集中する部分がなく
堅牢なこの種のタービンロータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、外周
部にタービン動翼を有するとともに、内周部に冷媒流通
孔が設けられている複数個のホイールを備え、前記ホイ
ールが軸方向に重ね合わされて形成されるとともに、前
記動翼を冷却する冷却媒体が、前記ホイールの冷媒流通
孔を介して供給されるように形成されているタービンロ
ータにおいて、前記冷媒流通孔を、前記ホイールの中心
部とその周囲とに設けるとともに、前記中心部の冷媒流
通孔と前記周囲の冷媒流通孔とに別系統の冷媒を流通さ
せ、かつ前記中心部の冷媒流通孔に供給される冷媒がタ
ービン作動ガスの上流側から供給され、かつ前記周囲の
冷媒流通孔に供給される冷媒がタービン作動ガスの下流
側から供給され、かつ前記中心部の冷媒流通孔は、ター
ビン作動ガスの最下流側に位置するホイールが中実に形
成されて前記周囲の冷媒流通孔に供給される冷媒と仕切
られるように形成し所期の目的を達成するようにしたも
のである。

【００１１】またこの場合、前記中心部の冷媒流通孔に
供給される冷媒を、前記周囲の冷媒流通孔に供給される
冷媒より高い温度の冷媒としたものである。また、前記
中心部の冷媒流通孔に供給される冷媒を、前記周囲の冷
媒流通孔に供給される冷媒より低い圧力の冷媒としたも
のである。また、前記中心部の冷媒流通孔および前記周
囲の冷媒流通孔を流通した冷媒を、それぞれ異なるター
ビン動翼を冷却した後にタービン作動ガスパス部に排出
するように形成したものである。また、前記周囲の冷媒
流通孔を流通した冷媒が、前記タービン動翼のうち前段
部の動翼の冷却を行い、かつ前記中心部の冷媒流通孔を
流通した冷媒が、後段部動翼の冷却を行うように形成し
たものである。

【００１２】すなわちこのように形成されたタービンロ
ータであると、冷媒流通孔が、ホイールの中心部とその
周囲とに設けられるとともに、この中心部の冷媒流通孔
と周囲の冷媒流通孔とに別系統の冷媒が流通するように
形成され、かつ中心部の冷媒流通孔は、タービン作動ガ
スの最下流側に位置するホイールが中実に形成されて周
囲の冷媒流通孔に供給される冷媒と仕切られるように形
成されていることから、ホイールは、その中心部近傍で
冷媒と熱交換され、ホイールの径方向温度分布は円滑な
曲線を描いた温度変化となり、すなわち熱応力もホイー
ル径方向になだらかな変化となり、極度に応力集中が生
ずることはなく、堅牢にして信頼性の高いロータとする
ことができるのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはそのタービンロータが
断面で示されている。１〜４が中空ホイールであり、５
〜８が動翼、１２が中空ディスタントピース、１３が中
空スタブシャフトである。なお、矢印は冷却媒体（冷
媒）の流れ方向を示し、また羽根矢印はガスパス部の作
動ガス（燃焼器からの高温高圧ガス）の流通方向を示し
ている。

【００１４】このロータ内部を流れる冷媒，特に動翼５
〜８の冷媒としては、蒸気や圧縮空気，あるいは圧縮窒
素などがあるが、ここでは圧縮空気を冷媒とした場合に
ついて説明する。なお、本発明は、動翼冷却後の冷媒を
作動ガス中に放出する場合や冷却後の冷媒を作動ガス中
に放出せずに再びロータ内部へ回収する場合のいずれに
も適用可能である。

【００１５】このタービンロータは、主として次の構成
部品から構成されている。すなわち、第１段中空ホイー
ル１、第２段中空ホイール２、第３段中空ホイール３、
第４段中実ホイール４と、それらの外周部に位置する第
１段動翼５、第２段動翼６、第３段動翼７、第４段動翼
８、およびホイール側面に位置する中空スペーサ９、１
０、１１とを備え、さらにこれらを圧縮機と連結するデ
ィスタントピース１２、第４段中実ホイール４の側面に
位置するスタブシャフト１３を備え構成されている。

【００１６】この場合、ディスタント１３と第１段中空
ホイールから第４段中実ホイールおよびこれらの間に位
置するスペーサ９、１０、１１とスタブシャフト１３
は、嵌め合い部１５から２２で位置決めされ、ホイール
およびスペーサの接合面に設けられたスタッキングボル
ト１４によって強固に連結されている。なお、作動ガス
は、図中左側から右側，すなわち第１段動翼５側から第
４段動翼８側の方向（羽根矢印方向）へ流れる。

【００１７】次に、動翼への冷却空気供給経路について
説明する。冷却空気は、スタブシャフト１３の軸受け部
２３側（タービン作動ガスの下流側）、すなわちスタブ
シャフト１３の中心孔２４から供給され、スタブシャフ
ト１３と第４段中実ホイール４とで形成されるキャビテ
ィ２５に導かれる。キャビティ２５に導かれた空気は、
第４段中実ホイール４とスタブシャフト１３の接合面２
６に半径方向に設けたスリット２７を経由して、接合面
２６から軸方向に第４段中実ホイール４を貫通する供給
孔２８、スペーサ１１を貫通する供給孔２９、第３段中
空ホイール３を貫通する供給孔３０内を流通し、スペー
サ１０を貫通する供給孔３１に達する。

【００１８】そして、この供給孔３１に達した冷却空気
は、供給孔３１を通過後、分岐され流通する。すなわ
ち、一方は、第２段ホイール２を貫通する供給孔３２側
に供給され、また他方は、スペーサ１０と第２段ホイー
ル２の接合面３３に半径方向に設けられたスリット３４
側に供給される。

【００１９】スリット３４に供給された冷却空気は、第
２段ホイール２とスペーサ１０で構成されるキャビティ
３５に達し、第２段ホイール外周側に設けられた半径方
向穴３６を通して第２段動翼６に供給される。一方、第
２段ホイール２を貫通する供給孔３２に供給された冷却
空気は、スペーサ９を貫通する供給孔３７、第１段ホイ
ール１を貫通する供給孔３８を通って、第１段ホイール
１とディスタントピース１２の接合面３９に半径方向に
設けられたスリット４０に供給される。

【００２０】スリット４０に供給された冷却空気は、第
１段ホイール１とディスタントピース１２で構成される
キャビティ４１に達し、第１段ホイール外周側に設けら
れた半径方向穴４２を通して第１段動翼５に供給され
る。

【００２１】一方、第３段動翼７の冷却空気は、圧縮機
側（タービン作動ガスの上流側）からディスタントピー
ス１２の中心孔４３、第１段ホイール１の中心孔４４、
スペーサ９の中心孔４５、第２段ホイール２の中心孔４
６を通過してスペーサ１０の中心孔４７に達する。中心
孔４７に達した冷却空気は、スペーサ１０と第３段ホイ
ール３の接合面４８に半径方向に設けられたスリット４
９に供給される。

【００２２】スリット４９に供給された冷却空気は、ス
ペーサ１０と第３段ホイール３で構成されるキャビティ
５０に達し、第３段動翼７に供給される。第３段ホイー
ル３の中心孔５１とスペーサ１１の中心孔５２はスペー
サ１１の中心孔４７と連通している。

【００２３】この場合、高温にさらされる第１段動翼５
および第２段動翼６に供給されるスタブシャフト１３の
中心孔２４を通過した冷却空気は、ガスタービン燃焼温
度が１４００℃以上になると動翼の冷却を強化するため
に冷却媒体の温度を３００℃以下にすることが望まし
い。

【００２４】また、ロータ中心部には温度の明確な流体
の雰囲気にしてロータ中心部のメタル温度を明確するこ
とが必要であることから、ディスタントピース１２から
スタブシャフト１３の中心部を第１段動翼５、第２段動
翼６の冷却空気で満たすことが考えられる。しかし第１
段動翼５、第２段動翼６の冷却空気温度は従来の冷却空
気温度よりも下げているためロータに径方向の温度差が
大きくなり、熱応力が増加してしまう。よって、ディス
タントピース１２からスペーサ１１までの中心部を中空
として、第１段動翼５、第２段動翼６の冷却空気よりは
温度の高い別系統の空気を導入し、かつロータ中心部で
熱交換することにより熱応力の上昇を抑制している。

【００２５】また、第４段ホイールを中実にすることに
より、第１段動翼５、第２段動翼６の冷却空気とディス
タントピース１２からスペーサ１１までの中心部を満た
す空気とを分離することを可能にしている。

【００２６】ディスタントピース１２からスペーサ１１
までの中心部を満たす別系統の空気として、圧縮機の途
中あるいは最終段からの抽気，またはガスタービン外か
らの供給が考えられる。圧縮機途中あるいは最終段から
の抽気であれば、抽気段に応じてその空気温度を推定で
きる。また、ガスタービン外からの供給であれば配管上
で温度計測可能であり、ディスタントピース１２からス
ペーサ１１までの中心部の温度環境を明確にすることが
できる。よって、半径方向の熱伸びの推定精度が上がる
ためロータと静止側が接触しないための隙間の余裕を小
さくでき、隙間を漏れるガス量が少なくなりガスタービ
ンの熱効率向上につながる。

【００２７】また、ディスタントピース１２からスペー
サ１１までの中心部が均一温度となり、嵌め合い部１５
〜２２の径方向の伸びが均一化し見積もり精度も向上す
るので、運転時に嵌め合い部が外れてロータ振動が増大
する可能性も小さくなり信頼性が向上する。

【００２８】第３段動翼７を通過する作動ガスは第１段
動翼５、第２段動翼６で仕事をしているので温度低下し
ている。よって、第３段動翼７は第１段動翼５、第２段
動翼６を冷却した低温空気ではなく、より温度の高いデ
ィスタントピース１２からスペーサ１１までの中心部を
満たす別系統の空気でも冷却可能である。

【００２９】第３段動翼７を通過する作動ガスは、第１
段動翼５、第２段動翼６で仕事をしているので圧力は低
下している。したがって、第３段動翼７は、第１段動翼
５、第２段動翼６を冷却した空気よりも低圧の空気で十
分な空気量を供給することができる。また、圧力を下げ
ることにより、昇圧動力を軽減できるのでガスタービン
熱効率が向上する。

【００３０】図２には、もう一つの実施例が示されてい
る。なお、同一部品には同一符号を付したので、それら
の詳細説明は省略する。この実施例が前述の実施例と異
なる点は、スペーサ１０の中心孔４７を通過した空気が
第３段ホイール３の中心孔５１に分岐してスペーサ１１
の中心孔５２を通過し、スペーサ１１と第４段ホイール
４との接合面５３に設けたスリットを通って主流ガス中
に放出している点である。

【００３１】この実施例であると、前述の実施例と同様
な効果を奏することは勿論のこと、さらに、中心孔５
１、５２が中心孔４７に連通しているだけでなく、空気
の流れを生成するようにしているので、タービンロータ
中心部の温度を均一にする効果がさらに向上する。

【００３２】以上説明してきたようにこのように形成さ
れたタービンロータであると、ディスタントピース１２
からスペーサ１１までの中心部を中空として、第１段動
翼５、第２段動翼６の冷却空気よりは温度の高い別系統
の空気を導入することにより熱応力の上昇を抑制するこ
とができ、かつホイールは、その中心部近傍で冷媒と熱
交換され、ホイールの径方向温度分布は円滑な曲線を描
いた温度変化となり、すなわち熱応力もホイール径方向
になだらかな変化となり、極度に応力集中が生ずること
はないのである。

【００３３】また、第４段ホイールを中実にすることに
より、第１段動翼５、第２段動翼６の冷却空気とディス
タントピース１２からスペーサ１１までの中心部を満た
す空気とを分離することが容易にできる。また、第４段
ホイール４を中実にすることによりディスタントピース
１２からスペーサ１１までの広範囲を均一温度にするこ
とができる。なお、第４段ホイール４の中心部の上流と
下流には温度差が生じるが、第４段ホイール４は外周部
の作動ガス温度も比較的低温で定常運転時の熱応力が比
較的小さいことから、上流と下流の温度差による熱応力
の影響は小さく、特に問題になることはない。

【００３４】また、本発明によれば、ディスタントピー
ス１２からスペーサ１１までの中心部の温度環境を明確
にすることができ、したがって、半径方向の熱伸びの推
定精度が上がるためロータと静止側が接触しないための
隙間の余裕を小さくでき、隙間を漏れるガス量が少なく
なりガスタービンの熱効率を向上させることができる。
また、ディスタントピース１２からスペーサ１１までの
中心部が均一温度となり、嵌め合い部１５〜２２の径方
向の伸びが均一化し見積もり精度も向上することから、
運転時に嵌め合い部が外れてロータ振動が増大する可能
性を小さくすることができ、タービンの信頼性を向上さ
せることができるのである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、熱応力の上昇を抑制することができることは勿論の
こと、その熱応力分布がホイールの径方向に円滑に変化
し、極度に応力の集中する部分がなく、堅牢なこの種の
タービンロータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタービンロータの一実施例を示す縦断
側面図である。

【図２】本発明のタービンロータの他の実施例を示す縦
断側面図である。

【符号の説明】

１…第１段中空ホイール、２…第２段中空ホイール、３
…第３段中空ホイール、４…第４段中実ホイール、５…
第１段動翼、６…第２段動翼、７…第３段動翼、８…第
４段動翼、１２…中空ディスタントピース、１３…中空
スタブシャフト、１４…スタッキングボルト。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者上野実行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 (72)発明者秋山陵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 AA06 AA10 AB01 CA06 CA08 CB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周部にタービン動翼を有するととも
に、内周部に冷媒流通孔が設けられている複数個のホイ
ールを備え、前記ホイールが軸方向に重ね合わされて形
成されるとともに、前記動翼を冷却する冷却媒体が、前
記ホイールの冷媒流通孔を介して供給されるように形成
されているタービンロータにおいて、前記冷媒流通孔を、前記ホイールの中心部とその周囲と
に設けるとともに、前記中心部の冷媒流通孔と前記周囲
の冷媒流通孔とに別系統の冷媒を流通させ、かつ前記中
心部の冷媒流通孔に供給される冷媒がタービン作動ガス
の上流側から供給され、かつ前記周囲の冷媒流通孔に供
給される冷媒がタービン作動ガスの下流側から供給さ
れ、かつ前記中心部の冷媒流通孔は、タービン作動ガス
の最下流側に位置するホイールが中実に形成されて前記
周囲の冷媒流通孔に供給される冷媒と仕切られるように
形成されていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】前記中心部の冷媒流通孔に供給される冷
媒が、前記周囲の冷媒流通孔に供給される冷媒より高い
温度の冷媒である請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】前記中心部の冷媒流通孔に供給される冷
媒が、前記周囲の冷媒流通孔に供給される冷媒より低い
圧力の冷媒である請求項１または２記載のタービンロー
タ。
【請求項４】前記中心部の冷媒流通孔および前記周囲
の冷媒流通孔を流通した冷媒が、それぞれ異なるタービ
ン動翼を冷却した後にタービン作動ガスパス部に排出さ
れるように形成されている請求項１，２または３記載の
タービンロータ。
【請求項５】前記周囲の冷媒流通孔を流通した冷媒
が、前記タービン動翼のうち前段部の動翼の冷却を行
い、かつ前記中心部の冷媒流通孔を流通した冷媒が、後
段部動翼の冷却を行うように形成されている請求項１，
２，３または４記載のタービンロータ。
【請求項６】外周部にタービン動翼を有するととも
に、内周部に冷媒流通孔が設けられている複数個のホイ
ールを備え、前記ホイールが軸方向に重ね合わされて形
成されるとともに、前記動翼を冷却する冷媒が、前記ホ
イールの冷媒流通孔を介して供給されるように形成され
ているタービンロータにおいて、前記冷媒流通孔を、前記ホイールの中心部とその周囲に
設けるとともに、前記周囲の冷媒流通孔を流通した冷媒
が、前記タービン動翼のうち前段部の冷却を行い、かつ
中心部の冷媒流通孔流通した冷媒が、前記タービン動翼
のうち前段部の冷却を行い、かつ前記中心部の冷媒流通
孔に前記周囲の冷媒流通孔を流通する冷媒より高い温度
の冷媒が流通するように形成したことを特徴とするター
ビンロータ。