JP2002357101A - タービンロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】タービンロータにおいて、ディスク状部材ごと
に分割して備えられた遮熱パイプを簡単な構造で固定し
て摩耗・損傷を防ぎ、かつシール構造を備える。 【解決手段】第１段タービンディスク１１には冷却媒体
供給経路７が穿孔されており、その後方開口部には大き
い内径のザグリ穴７６が形成されている。遮熱パイプ７
０の後方端部にはザグリ穴７６に密接に嵌合可能なリン
グ状突出部７１が形成されており、さらにリング状突出
部７１の外周後方部には比較的弾性の大きいＥ型シール
部材が装着されており、第１段−第２段間スペーサディ
スク１５の前方スタッキング面に接触されている。リン
グ状突出部が径方向・軸方向に拘束されていることによ
り、移動による摩耗・損傷を防ぐことができる。また加
工による応力集中の増加を回避したシール構造を備える
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸方向にディスク
状部材を重ね合わせて形成されたタービンロータに係わ
り、特にその内部の軸方向に冷却媒体流通経路を貫通穿
孔して遮熱パイプを挿入したタービンロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に火力発電プラントにおけるガス
タービンは、空気（大気）を吸入し所定の圧力まで圧縮
する圧縮機、圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合し燃
焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、高温高圧燃焼ガスが
膨張することで動力を発生させるタービン部から構成さ
れており、さらにタービンで発生した動力を電気的エネ
ルギーに変換する発電機を備えてガスタービン発電設備
が構成されている。

【０００３】そのうちタービン部は、主に全体を収容す
るタービンケース、燃焼器により生成された燃焼ガスが
動作・流通する燃焼ガス流路、燃焼ガス流路内に交互に
配置された静翼及び動翼、ディスク状部材であるタービ
ンディスク及びスペーサディスクを重ね合わせて形成さ
れたタービンロータから構成されており、静翼はタービ
ンケースの内周に、動翼はタービンロータの外周にそれ
ぞれ固定設置されている。

【０００４】このタービン部の構成において、高温燃焼
ガスが動静翼の配置された燃焼ガス流路を流れることに
よりタービンロータが高速回転して動力（軸回転力）を
発生する。従って、ガスタービンで高出力を得るために
は、タービン部入口における燃焼ガスの高温化とガスタ
ービンの高効率化が重要な点となる。

【０００５】こういったガスタービンの高温・高効率化
に伴い、タービン動翼や燃焼ガス流路といったガスター
ビンの高温部を冷却することはガスタービン設備の信頼
性を確保するために必要不可欠である。よって、特にタ
ービン動翼においては、燃焼ガス流路を流れる高温燃焼
ガスの熱から翼部材を保護するために動翼冷却システム
が採用されている。

【０００６】この動翼冷却システムには、ガスタービン
を構成している圧縮機から所定圧力で抽出した空気や、
または近年開発の進むコンバインド発電プラントにおい
て蒸気タービンから抽出した蒸気を動翼冷却用の冷却媒
体として用いるものがある。このような冷却媒体は、タ
ービンロータ内部に設けた冷却媒体供給経路を通って各
タービン動翼へ運ばれ、各動翼の内部に形成された動翼
冷却流路を流通することにより動翼を冷却するようにな
っている。

【０００７】またこのような動翼冷却システムにおい
て、動翼冷却後の冷却媒体の取り扱い方による分類の１
つとして、動翼に設けられたスリットや細孔から冷却媒
体を燃焼ガス流路へ直接放出するオープン冷却方式があ
る。このオープン冷却方式は、動翼冷却後の冷却媒体が
燃焼ガス流路へ放出されるため、燃焼ガス温度の低下
や、冷却媒体と燃焼ガスとの混合損失が生じてタービン
の性能低下を招き、ガスタービンの効率を低下させる。

【０００８】従って、ガスタービンの効率向上を図るた
めに、動翼冷却後の冷却媒体を燃焼ガス流路に放出せ
ず、タービンロータ内部に設けた冷却媒体回収経路を介
して燃焼室や蒸気タービンに回収するクローズド冷却方
式が提案されている。

【０００９】このようなクローズド冷却方式による動翼
冷却システムの従来の構成としては、例えば特開平１０
−２２０２０１号公報に開示されているようなものがあ
り、これは冷却媒体を動翼に供給する冷却媒体供給経
路、及び動翼冷却後の冷却媒体を回収する冷却媒体回収
経路（以下、両方合わせて冷却媒体流通経路という）が
タービンロータの内部で軸方向に貫通するよう穿孔され
ており、すなわち各ディスク状部材とそれらの接合面で
あるスタッキング面に対して直交するように設けられて
いる。

【００１０】また特開平１０−２２０２０１号公報に
は、遮熱パイプを冷却媒体流通経路の内部に各ディスク
状部材ごと分割して挿入する構成が開示されており、こ
れにより冷却媒体の流通による各ディスク状部材への熱
的影響を低減させている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題がある。

【００１２】前述したようにタービンロータの構成は、
外周に動翼を有するタービンディスクとそのタービンデ
ィスク間に配置されたスペーサディスクを重ね合わせ、
それらのスタッキング面に直交するようスタッキングボ
ルトを貫通して結合されている。また冷却媒体を流通さ
せる冷却媒体流通経路についても、各スタッキング面に
対して直交・貫通するよう穿孔されている。従ってター
ビンロータの結合の確実性および冷却媒体流通経路の気
密性の関係から、スタッキング面においてタービンディ
スクとスペーサディスクが隙間なく密接していることが
設計上理想とされている。

【００１３】しかし、冷却媒体供給経路と冷却媒体回収
経路の両方がタービンディスク及びスペーサディスク内
に混在するとき、冷却媒体供給経路での冷却媒体の温度
が２５０℃前後であるのに対し、動翼冷却後、翼材の温
度を奪った冷却媒体回収経路における温度は５００℃に
も上昇するため、このような温度差に起因してタービン
ディスク及びスペーサディスクの構成部材に熱応力が発
生し不均一な熱変形を起こす。これがディスク状部材間
のスタッキング面に隙間を発生させ、冷却媒体をスタッ
キング面にリークさせてしまう原因となる。このスタッ
キング面へのリークによって、タービン動翼へ所定流量
の冷却媒体を確保できず動翼材の信頼性と耐久性の低下
を招く。

【００１４】特開平１０−２２０２０１号公報に開示さ
れている遮熱パイプは、このように冷却媒体の供給経路
と回収経路の間の温度差に起因して各ディスク状部材に
発生する熱応力を低減するためのものであり、各冷却媒
体流通経路の内部にそれらの内径より小さい径の遮熱パ
イプを装着してパイプ内部から外部のディスク状部材へ
の熱的影響を低減させている。

【００１５】またスタッキング面では、製作精度上、各
ディスク状部材間で冷却媒体流通経路の穿孔位置が周方
向および径方向にズレが生じてしまうため、各冷却媒体
流通経路内にそれぞれ一本の長い遮熱パイプを貫通させ
て装着する場合には、各遮熱パイプの外径を小さくして
おく必要がある。しかし、各ディスク状部材における冷
却媒体流通経路内では、このような遮熱パイプの外径と
冷却媒体流通経路の内径との間に隙間が発生してしま
い、この隙間が運転時において遮熱パイプに余計な応力
を発生させ、遮熱パイプの耐久性を低下させてしまう。
そのため一本の長い遮熱パイプを貫通させて装着するこ
とには問題があった。さらに、遮熱パイプは、翼冷却す
る冷却媒体を搬送しているため、各ディスク状部材に比
べ急速に熱くなり、熱伸びによって遮熱パイプの軸方向
に変位を引き起こす。そしてロータ回転の遠心力によっ
て遮熱パイプと各ディスク状部材の冷却媒体流通経路の
内径とが接触し、接触面では遮熱パイプの軸方向変位に
よって遮熱パイプが摩耗する。前記のように一本の長い
遮熱パイプを装着した場合には、その端部における遮熱
パイプの軸方向変位が大きくなり、各ディスク状部材と
の接触面で遮熱パイプの摩耗が増大する。この摩耗の増
大は遮熱パイプの耐用年数を低減させる要因となる。従
って冷媒流通経路に挿入される遮熱パイプについては、
特開平１０−２２０２０１号公報の図２等に示されてい
るように、ディスク状部材ごとに分割して挿入する構成
が多く採用されている。

【００１６】しかし、このように遮熱パイプをディスク
状部材ごとに分割して挿入する場合、各遮熱パイプは必
然的に小さい部材となるため、タービンロータの作動回
転時には遮熱パイプがそれ自体の径方向、軸方向及び軸
周りに移動・回転しやすいことから摩耗・損傷が激し
く、耐久性に問題があった。

【００１７】また、製作精度の関係からスタッキング面
を高い平面度で形成して隙間を完全に取り除くことは困
難であり、さらにスタッキング面の平面度のバラツキや
スタッキングボルトの締付け力のバラツキによっても、
タービンディスク及びスペーサディスク間のスタッキン
グ面に周方向の部分的な隙間が生じてしまう。このよう
にわずかでも隙間が生じた場合、供給経路側の冷却媒体
は回収経路側に比べて圧力が高いため、供給経路から回
収経路へ冷却媒体がリークし、スペーサディスクに周方
向の熱アンバランスが生じる。この熱アンバランスは、
ロータ回転体の振動を増加させてしまう。

【００１８】上記のように遮熱パイプを分割して備える
構成の場合、ディスクの熱応力及び熱変形は多少低減で
きるが、製作精度の関係によるスタッキング面の平面度
のバラツキや、スタッキングボルトの締付け力のバラツ
キによってスタッキング面に隙間が生じることまでは防
ぐことができない。さらに上述したようにタービン部の
作動回転時には分割した各遮熱パイプが移動してしまう
ため、それらの間からスタッキング面の隙間へ冷却媒体
がリークし、容易に熱アンバランスを生じさせてしまう
問題があった。

【００１９】また上記２つの問題から、各遮熱パイプご
とに固定させる構造と各スタッキング面ごとに冷却媒体
のリークを防ぐ構造を設ける必要があるが、これらを個
別に設けた場合、各ディスク状部材の表面の加工箇所が
増えて複雑な形状となり応力集中が生じやすくなるため
強度的に好ましくない。

【００２０】本発明の第１の目的は、ディスク状部材ご
とに分割して備えられた遮熱パイプを簡単な構造で固定
して摩耗・損傷を防ぐことのできるタービンロータを提
供することにある。

【００２１】本発明の第２の目的は、遮熱パイプの固定
構造を活用することで、冷却媒体がスタッキング面へリ
ークするのを最小限に食い止めることのできるタービン
ロータを提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】（１）上記第１の目的を
達成するために、本発明は、複数のディスク状部材を軸
方向に重ね合わせて構成されたタービンロータの内部で
前記ディスク状部材間のスタッキング面に貫通するよう
穿孔された冷却媒体流通経路と、各ディスク状部材ごと
に分割して前記冷却媒体流通経路に挿入される遮熱パイ
プとを備えるタービンロータにおいて、前記ディスク状
部材のそれぞれ同じ側のスタッキング面上で各冷却媒体
流通経路の開口部にそれよりも大きい内径で同軸的に設
けたザグリ穴と、前記遮熱パイプの端部に前記ザグリ穴
へ嵌合可能に設けたリング状突出部とを備える。

【００２３】このように冷却媒体流通経路の開口部にザ
グリ穴を設け、このザグリ穴に嵌合可能なリング状突出
部を遮熱パイプの端部に設けることにより、遮熱パイプ
を冷却媒体流通経路に設置している際にはリング状突出
部がザグリ穴に嵌合して径方向に拘束され、さらにディ
スク状部材を重ね合わせた状態ではリング状突出部が２
つのディスク状部材に軸方向に挟持される。従って、タ
ービンロータの作動回転時においても遮熱パイプがその
径方向、軸方向に固定され、移動による摩耗・損傷を防
ぐことができる。

【００２４】（２）上記第１及び第２の目的を達成する
ために、上記（１）のタービンロータにおいて、前記リ
ング状突出部の外周部のうちのスタッキング面側に外径
を小さくした切り欠き段部が形成され、前記切り欠き段
部に環状シール部材を装着したものとする。

【００２５】これにより、特別な加工をディスク状部材
に施すことなく、専ら遮熱パイプ側の固定構造を活用し
てさらにシール構造を設けることができるため、加工に
よる応力集中の増加を回避しつつ冷却媒体流通経路から
スタッキング面への冷却媒体のリークを低減させること
ができる。

【００２６】（３）上記（２）のタービンロータにおい
て、好ましくは、前記遮熱パイプの材質は、前記ディス
ク状部材の材質よりも線熱膨張係数が大きいものとす
る。

【００２７】これにより、タービン部作動中の高温時に
は遮熱パイプが熱膨張してディスク状部材よりも軸方向
に伸長し、それによりリング状突出部とそれに対向する
スタッキング面との間に挟持されている環状シール部材
は圧接されてシール性能を向上し、冷却媒体のリークを
最小限に抑えることができる。

【００２８】（４）上記（１）〜（３）のタービンロー
タにおいて、好ましくは、前記リング状突出部の外周面
上の少なくとも２箇所に突起部を設け、前記ザグリ穴の
外周で前記突起部がそれぞれ一致する周方向位置に嵌合
可能なザグリ溝を設けたものとする。

【００２９】これにより、タービンロータの作動回転時
においても遮熱パイプがその周方向に固定され、回転に
よる摩耗・損傷を防ぐことができる。

【００３０】（５）上記（１）〜（４）のタービンロー
タにおいて、好ましくは、前記ディスク状部材の前記ザ
グリ穴を設けた側と反対側のスタッキング面上で前記冷
却媒体流通経路の開口部に、前記遮熱パイプの前記リン
グ状突出部を備えた側の反対側の端部の外径よりも小さ
い内径の突出段部を形成したものとする。

【００３１】これにより、万一遮熱パイプの一部分に亀
裂が発生して破断した場合でも、その分離部分がディス
ク状部材から抜け出るのを防ぐことができ、ディスク重
心のずれによるアンバランス振動を回避できる。また抜
け出た分離部分による別部材の損傷を防ぐことができ信
頼性を向上させることができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従い説明する。

【００３３】図１は、本発明の第１の実施の形態に係わ
るタービンロータの第１段目のタービンディスク内部に
おいて、遮熱パイプを備えた冷却媒体供給経路の軸方向
断面を拡大して示した図である。なお、以下において軸
方向とは、平行の関係にあるタービンロータ全体の軸方
向と冷却媒体供給経路自体の軸方向とを共通して称する
ものとし、また径方向とは冷却媒体供給経路自体の径方
向を称するものとする。また、図中の左側（図示しない
燃焼ガスの流通方向の上流側）を前方側とし、右側を後
方側とする。

【００３４】図１において、１１は第１段タービンディ
スクであり、その前方と後方のスタッキング面１１ｆ，
１１ｒに結合されている３と１５はそれぞれディスタン
トピース３と第１段−第２段間スペーサディスク１５で
ある。第１段タービンディスク１１には冷却媒体供給経
路７が軸方向に貫通して穿孔されており、その穿孔面７
２の内部には遮熱パイプ７０とＥ型シール部材８０を備
えている。また第１段−第２段間スペーサディスク１５
にも冷却媒体供給経路７がほぼ同一直線上の配置で穿孔
されており、その穿孔面９１の内部には遮熱パイプ９２
を備えている。

【００３５】第１段タービンディスク１１は、その外周
に後述する第１段動翼２１を備えたディスク状部材であ
り、また前方と後方にそれぞれ接触するディスタントピ
ース３と第１段−第２段間スペーサディスク１５に挟ま
れて後述するスタッキングボルトにより強固に結合され
ている。また軸方向に貫通する冷却媒体供給経路７の前
方の開口部には、遮熱パイプ７０の前方端部の外径より
小さい内径の突出段部８１が形成されており、反対側の
後方の開口部には冷却媒体供給経路７よりも大きい内径
のザグリ穴７６が同軸的に形成されている。

【００３６】遮熱パイプ７０は、その本体の殆どが冷却
媒体供給経路７の穿孔面７２の内径よりも小さい外径の
略円筒形状のパイプ部材であり、その前方端部および軸
方向中間位置の２ヶ所には、冷却媒体供給経路７に密接
に嵌合可能な外径の嵌合突出部７５が形成されており、
また遮熱パイプ７０の後方端部には第１段タービンディ
スク１１のザグリ穴７６に密接に嵌合可能なリング状突
出部７１が形成されている。さらにリング状突出部７１
の外周部のうちの後方側部分には外径を小さくした切り
欠き段部７７が形成されている。

【００３７】また遮熱パイプ７０が第１段タービンディ
スク１１に完全に挿入された状態では、前方端部が突出
段部８１に接触すると共にリング状突出部７１がザグリ
穴７６内に密接に嵌合して収容され、さらに第１段ター
ビンディスク１１に第１段−第２段間スペーサディスク
１５を重ね合わせた状態では、リング状突出部７１が第
１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキン
グ面と近接して対向する配置となる。

【００３８】Ｅ型シール部材８０は、比較的弾性の大き
い金属を材質とする環状シール部材であり、全体の形状
が遮熱パイプ７０の切り欠き段部７７に装着可能な環状
形状であって、断面形状がアルファベットのＥ字型に加
工成形されている。またＥ字型の断面形状は内周側に向
けて開いている形状となっており、切り欠き段部７７に
装着した状態では軸方向に加えられた力に対して弾力的
に伸縮可能となっている。また軸方向に力を与えていな
い時のＥ型シール部材８０の軸方向の幅（厚み）は、切
り欠き段部７７の軸方向幅より多少大きいため、図１に
示すようなタービンロータ結合時にはＥ型シール部材８
０の後方側部が遮熱パイプ７０の後方端面から少しだけ
突出して第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方
スタッキング面に接触される状態となる。

【００３９】第１段−第２段間スペーサディスク１５
は、上記第１段タービンディスク１１及び後述する第２
段タービンディスクの間に配置されるディスク状部材で
あり、これらタービンディスク等と共に軸方向に重ねら
れてスタッキングボルトにより強固に結合されている。
またこの第１段−第２段間スペーサディスク１５は、冷
却媒体供給経路７の前方開口部に突出段部が設けられて
いない以外、上記第１段タービンディスク１１と同様に
リング状突出部７１を有した遮熱パイプ７０とＥ型シー
ル部材８０を備えることのできる構成となっている。

【００４０】ディスタントピース３は、第１段タービン
ディスク１１の前方スタッキング面に重ね合わされて結
合され、さらにその前方には図示しない圧縮機ロータが
連結されている。またその後方スタッキング面には第１
段タービンディスク１１の冷却媒体供給通路７と連通す
るスリット４１が外周方向に伸びるように形成されてい
る。

【００４１】なお、これらタービンロータを組み立てる
手順としては、まずディスタントピース３を基台とし、
最も前方側に位置する第１段タービンディスク１１から
追って後方に位置するスペーサディスクおよびタービン
ディスクを順に重ね合わせ、最後にスタブシャフト２を
重ね合わせた後に、周方向に均等配置させた複数のスタ
ッキングボルトを貫通させて強固に結合させる。このよ
うな組立工程によれば、各ディスク状部材に挿入する遮
熱パイプ７０は供給側、回収側にかかわらず常に後方側
から挿入されることになり、必然的にザグリ穴７６及び
リング状突出部７１は後方側に位置する構成となる。

【００４２】また本実施の形態ではタービンディスク及
びスペーサディスクの材質に高クロム鋼を、遮熱パイプ
７０（リング状突出部７１も含む）の材質にニッケル基
鍛造超合金を使用している。

【００４３】図２、図３は本発明の実施の形態に係わる
タービンロータであって冷却媒体供給経路及び冷却媒体
回収経路の両方（以下、両方合わせて冷却媒体流通経路
という）を備えた構成の軸方向断面図であり、図２は冷
却媒体供給経路の１つと周方向が一致し、図３は冷却媒
体回収経路の１つと周方向が一致した軸方向断面図であ
る。なお、図示の煩雑を避けるために図２、図３中にお
いて、遮熱パイプ及びその周囲の構成は省略してある。

【００４４】図２において、１はタービンロータであ
り、タービンロータ１は第１段から第４段の４つのター
ビンディスク１１，１２，１３，１４と、それらタービ
ンディスク間に配置されたスペーサディスク１５，１
６，１７と、第４段タービンディスク１４の後方側面に
配置されたタービン軸端であるスタブシャフト２と、及
び第１段タービンディスク１１の前方側面に配置されて
図示しない圧縮機のロータに連結しているディスタント
ピース３とを備えて構成されており、これらは周方向均
等に配置された合計８本のスタッキングボルト４で強固
に締結されている。

【００４５】タービンディスク１１，１２，１３，１４
の外周には、それぞれ第１段動翼２１、第２段動翼２
２、第３段動翼２３、第４段動翼２４がダブティル２５
を介して設置されている。このうち第１段動翼２１及び
第２段動翼２２には、翼内部に図示しない動翼冷却流路
が形成されている。

【００４６】冷却媒体供給経路７は、スタブシャフト２
の後方端部に設けられた冷却媒体供給口５から連通し
て、スタブシャフト２、第４段タービンディスク１４、
第３段−第４段間スペーサディスク１７、第３段タービ
ンディスク１３、第２段−第３段間スペーサディスク１
６、第２段タービンディスク１２、第１段−第２段間ス
ペーサディスク１５、そして第１段タービンディスク１
１を軸方向に貫通するよう穿孔され、周方向に均等な配
置で合計８本形成されている。

【００４７】第１段タービンディスク１１を貫通して穿
孔された冷却媒体供給経路７は、ディスタントピース３
の後方スタッキング面に形成されたスリット４１を介し
て、第１段タービンディスク１１とディスタントピース
３の間の外周側に形成されたキャビティ３１に連通され
ている。キャビティ３１は、第１段タービンディスク１
１の外周に形成された供給孔５１と第１段動翼２１のダ
ブティル２５内に形成された導入口２６を介して、第１
段動翼２１の内部に形成された図示しない動翼冷却流路
に連通している。

【００４８】また第２段動翼２２に対しても同様に、第
２段−第３段間スペーサディスク１６を貫通して穿孔さ
れた冷却媒体供給経路７は、第２段−第３段間スペーサ
ディスク１６の前方スタッキング面に形成されたスリッ
ト４２を介して、第２段タービンディスク１２と第２段
−第３段スペーサディスク１６の間の外周側に形成され
たキャビティ３４に連通されている。キャビティ３４
は、第２段タービンディスク１２の外周に形成された供
給孔５４と第２段動翼２２のダブティル２５内に形成さ
れた導入口２９を介して、第２段動翼２２の内部に形成
された図示しない動翼冷却流路に連通している。

【００４９】この図２において、冷却媒体６１が第１段
動翼２１及び第２段動翼２２にまで供給される過程とし
ては、冷却媒体供給口５から供給された冷却媒体６１が
スタブシャフト内供給経路９及び冷却媒体供給経路７を
通過し、ディスタントピース３の後方スタッキング面に
設けられたスリット４１及び第２段−第３段間スペーサ
ディスク１６の前方スタッキング面に設けられたスリッ
ト４２からそれぞれキャビティ３１，３４に入る。キャ
ビティ３１，３４から供給孔５１，５４、導入口２６，
２９を介し第１段動翼２１、第２段動翼２２内にそれぞ
れ形成された図示しない動翼冷却流路へと流入し、循環
流通することで各動翼を冷却する。

【００５０】次に図３において、冷却媒体回収経路８
は、第１段−第２段間スペーサディスク１５、第２段タ
ービンディスク１２、第２段−第３段間スペーサディス
ク１６、第３段タービンディスク１３、第３段−第４段
間スペーサディスク１７、第４段タービンディスク１４
を貫通するよう穿孔され、周方向に均等な配置で合計８
本形成されており、図２における冷却媒体供給経路７と
周方向に交互に配置されている。その他、図２に示す部
分と同等の部分には同じ符号を付し説明を省略する。

【００５１】第１段動翼２１を冷却した冷却媒体６２
は、第１段動翼２１のダブティル２５内部に形成された
排出口２７及び第１段タービンディスク１１の回収孔５
２を介し、第１段タービンディスク１１と第１段−第２
段間スペーサディスク１５の間の外周側に形成されたキ
ャビティ３２へ導かれる。キャビティ３２と冷却媒体回
収経路８は、第１段−第２段間スペーサディスク１５の
前方スタッキング面に形成されたスリット４３を介して
連通されており、動翼冷却後の冷却媒体６２は、キャビ
ティ３２からスリット４３を経て冷却媒体回収経路８へ
流入する。冷却媒体回収経路８を通過した冷却媒体６２
は、スタブシャフト２の前方スタッキング面に形成され
たスリット４５を介し、スタブシャフト２内の軸中心部
に形成されたスタブシャフト内回収経路１０を通過し、
冷却媒体回収口６より排出される。

【００５２】また同様に、第２段動翼２２を冷却した冷
却媒体６２は、第２段動翼２２のダブティル２５内の排
出口２８及び第２段タービンディスク１２の回収孔５３
を介し、第１段−第２段間スペーサディスク１５と第２
段タービンディスク１２の間の外周側に形成されたキャ
ビティ３３へ導かれる。キャビティ３３と冷却媒体回収
経路８は、第１段−第２段間スペーサディスク１５の後
方スタッキング面に形成されたスリット４４を経て冷却
媒体回収経路８へ流入し、スタブシャフト２を介して冷
却媒体回収口６より排出される。

【００５３】また図４は図２、図３中のＸ−Ｘ断面を後
方から見た側面図である。

【００５４】各ディスク状部材の比較的外周側には、周
方向に均等な配置で８本のスタッキングボルト４が貫通
しており、その内周側に冷却媒体供給経路７及び冷却媒
体回収経路８が、各８本づつ周方向に交互に配置されて
ディスク状部材を貫通するように穿孔されている。

【００５５】また図４においては、冷却媒体流通経路
７，８間の温度偏差による熱応力・熱変形を低減するた
め、ディスク状部材に穿孔された全ての冷却媒体流通経
路内に前述の遮熱パイプ７０が挿入されている状態を図
示している。

【００５６】図１に戻り、本実施の形態の動作を説明す
る。

【００５７】遮熱パイプ７０の後方端部に一体に形成さ
れたリング状突出部７１は、ザグリ穴７６内に嵌合して
いることにより径方向に拘束され、またリング状突出部
７１はザグリ穴７６の側面７６ｆと第１段−第２段間ス
ペーサディスク１５の前方スタッキング面との間に密接
に挟まれていることにより軸方向に拘束されている。従
って、遮熱パイプ７０は径方向・軸方向に固定され、タ
ービンロータ１の作動回転時に大流量の冷却媒体６１が
遮熱パイプ７０内を流通した場合でも径方向・軸方向の
移動が抑えられる。

【００５８】また第１段タービンディスク１１の穿孔面
７２と遮熱パイプ７０とは、遮熱パイプ７０の前方端部
と軸方向中央部の２ヵ所に設けられた嵌合突出部７５に
より周方向全体に渡って接触しており、遮熱パイプ７０
の径方向が固定されている構造になっている。この２カ
所の嵌合突出部７５以外のほとんどの部分では、遮熱パ
イプ７０と穿孔面７２の間に径方向隙間７３を設けるこ
とができ、この径方向隙間７３における遮熱作用によっ
て遮熱パイプ７０内部から第１段タービンディスク１１
への熱伝導を抑制できる。これにより第１段タービンデ
ィスク１１の周方向に不均一な熱応力・熱変形の発生を
抑えることができ、冷却媒体供給経路７から第１段ター
ビンディスク１１と第１段−第２段間スペーサディスク
１５の間への冷却媒体６１のリーク量が低減される。

【００５９】またタービンロータ１の作動回転時に万一
遮熱パイプ７０が破損し、遮熱パイプ７０の強度的に一
番弱いパイプ本体部分とリング状突出部７１の境目で破
断したとしても、リング状突出部７１は第１段タービン
ディスク１１のザグリ孔７６の側面７６ｆと第１段−第
２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面に挟
まれていることで移動を抑制され、また遮熱パイプ７０
のパイプ本体部分は、冷却媒体供給経路７の前方の開口
部に設けた突出段部８１に接触することによって移動が
抑制される。

【００６０】次に図５は図１中のＣ部の拡大図であり、
本実施の形態のシール構造をこの図５を参照して詳細に
説明する。

【００６１】第１段タービンディスク１１と第１段−第
２段間スペーサディスク１５のスタッキング面の間にお
いては、製作制度上の問題や熱変形によっていくらかの
間隙８２が生じてしまうのは避けられない。冷却媒体供
給経路７内の圧力は、隣合う冷却媒体回収経路８より高
圧なため、この間隙８２を通って冷却媒体６１が冷却媒
体供給経路７からスタッキング面の間へ、そして隣の冷
却媒体回収経路８へとリーク８３する。これを抑制する
ために弾性変形可能なＥ型弾性体８０が装備される。

【００６２】本実施の形態では、上述したようにディス
ク状部材の材質に高クロム鋼が、遮熱パイプ７０（リン
グ状突出部７１も含む）の材質にニッケル基鍛造超合金
が使用されており、またＥ型シール部材８０が、遮熱パ
イプ７０のリング状突出部７１外周の切り欠き段部７７
に装着され、第１段−第２段間スペーサディスク１５と
の間に軸方向に挟まれて接触している。２５０℃前後の
冷却媒体６１が冷却媒体供給経路７内を通過することに
より、遮熱パイプ７０（リング状突出部７１を含む）及
び第１段タービンディスク１１、第１段−第２段間スペ
ーサディスク１５が熱膨張する。このとき遮熱パイプ７
０に用いたニッケル基鍛造超合金は、第１段タービンデ
ィスク１１及び第１段−第２段間スペーサディスク１５
に使用した高クロム鋼に比べ線熱膨張係数が高いため、
遮熱パイプ７０及びリング状突出部７１は第１段タービ
ンディスク１１及び第１段−第２段間スペーサディスク
１５よりもさらに熱膨張して伸張する。リング状突出部
７１はその前方側面が第１段タービンディスク１１のザ
グリ穴７６の側面７６ｆと接触しているため、熱膨張に
より軸方向後方に向けて伸長し、その結果Ｅ型シール部
材８０を第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方
スタッキング面に圧接してさらに密着させる。

【００６３】以上説明したように本実施の形態によれ
ば、ディスク状部材ごとに分割して備えられた遮熱パイ
プ７０であっても、タービンロータ１の作動回転時にお
いて径方向・軸方向に固定され、移動による摩耗・損傷
を防ぐことができる。

【００６４】また、ディスク状部材の周方向に生じる不
均一な熱応力・熱変形の発生を抑え、さらにＥ型シール
部材８０をタービンディスクとスペーサディスクの間に
圧接密着させることにより、タービンディスクとスペー
サディスクの間のシール性能が向上し、冷却媒体のリー
ク量を最小限に抑えることができる。このように冷却媒
体のリーク量を低減できることにより、動翼に所定流量
の冷却媒体を供給することを可能にし、また冷却媒体供
給経路７から冷却媒体回収経路８への漏れも低減される
ことでタービンディスク及びスペーサディスクの熱アン
バランスを回避することができる。

【００６５】また、本実施の形態はタービンディスクや
スペーサディスクの表面にシール用の溝を特別に設け
ず、遮熱パイプの固定構造を活用することにより加工箇
所の少ない比較的単純な形状のシール構造を形成できる
ため、それらディスク状部材に余計な応力集中を生じさ
せることのない強度面での利点も有する。また、遮熱パ
イプ７０がディスク状部材に比べて容易に加工できるこ
とから、製造コストを低減できるメリットもある。

【００６６】また本実施の形態は、万一遮熱パイプ７０
の一部分に亀裂が発生して破断した場合でも、その分離
部分が突出段部８１により移動が抑制されてディスク状
部材から抜け出るのを防ぐことができ、ディスク重心の
ずれによるアンバランス振動を回避できる。また抜け出
た分離部分による別部材の損傷を防ぐことができ信頼性
を向上させることができる。

【００６７】なお、本実施の形態では、ディスク状部材
と遮熱パイプ７０（リング状突出部７１を含む）に異な
る材質を使用したが、同じ材質あるいはタービンディス
クの方が線熱膨張係数の高い材質の場合であってもＥ型
シール部材８０は適用できる。その場合には、タービン
ディスクの方がより軸方向後方に伸長したとしても、リ
ング状突出部７１もまた後方に後押しされ、結果的にＥ
型シール部材８０をスペーサディスクの前方スタッキン
グ面に圧接密着させてシール性能が向上する。

【００６８】なお、本実施の形態についての上記説明
は、主に第１段タービンディスク１１における冷却媒体
供給経路７の周囲の構成についてのみ説明したが、本実
施の形態は全てのディスク状部材及び全ての冷却媒体流
通経路（冷却媒体回収経路も含む）に同じ構成を適用す
ることが可能であり、また同様の効果が得られる。この
場合には、前述したようなタービンロータ１の組立工程
の関係上、各ザグリ穴７６は各ディスク状部材の後方ス
タッキング面に形成され、各リング状突出部７１は遮熱
パイプ７０の本体後方側に形成される。

【００６９】また突出段部８１は第１段タービンディス
ク１１のみに設ける構成に限られず、どのディスク状部
材にも設けることができる。それにより、遮熱パイプ７
０の分離部分を各ディスク状部材ごとに確実に固定し、
信頼性をより向上させることができる。

【００７０】なお、本実施の形態では、環状シール部材
に断面形状がアルファベットのＥ字型に成形されたもの
を使用しているが、本発明はこれに限られず、他の断面
形状の環状シール部材を使用することも可能である。

【００７１】例えば図６は図１中のＣ部の拡大図であっ
て、環状シール部材に断面形状が中実丸形のワイヤ１０
１を用いた場合のものである。

【００７２】この構成によってもある程度のシール機能
は得られるが、この中実丸形のワイヤ１０１は、軸方向
に加えられた力に対する弾力性に乏しく、剛性が高いた
め、ワイヤ１０１とリング状突出部７１との間の強度上
の問題から予めリング状突出部７１との間に軸方向の隙
間２０１を設ける必要があり、冷却媒体６１がその隙間
２０１を通過する分だけシール性能の低い構成となって
いる。

【００７３】また図７は図１中のＣ部の拡大図であっ
て、環状シール部材に断面形状がＯ型（中空丸形）のも
のを用いた場合のものである。

【００７４】このようなＯ型シール部材１０２は軸方向
に対する弾力性を有しているため、強度上の問題なくリ
ング状突出部７１と第１段−第２段間スペーサディスク
１５の間に密着させて装着することができ、また遮熱パ
イプ７０の熱膨張時にも追従して弾性変形することで高
いシール性能を維持できる構成となっている。

【００７５】また図８は図１中のＣ部の拡大図であっ
て、環状シール部材に断面形状がＣ型のものを用いた場
合のものである。

【００７６】このようなＣ型シール部材１０３もまた弾
力性を有しているため、密着させて装着することがで
き、遮熱パイプ７０の熱膨張時にも弾性変形して高いシ
ール性能を維持できる構成となっている。

【００７７】さらにこのＣ型シール部材１０３を用いる
場合は、例えば図１に示す冷却媒体供給経路７に備える
時、その断面形状の開口部を内周側に向けて開く形状と
することにより、リング突出部７１と第１段−第２段間
スペーサディスク１５との間を通過してリークしてきた
冷却媒体８３がＣ型シール部材１０３の内部に流入し、
内部を押し広げられることによってさらなる弾性力が与
えられる。従って、Ｃ型シール部材１０３は、第１段−
第２段間スペーサディスク１５及びリング状突出部７１
に対してより密着するようになり、シール性能が向上す
る。

【００７８】またこのＣ型シール部材を冷却媒体回収経
路に備えて上記のようなシール性能を得る場合には、図
９に示すように断面形状の開口部の向きを外周側に向け
て開く形状とする必要がある。これは、冷却媒体回収経
路８における冷却媒体６２の圧力が、冷却媒体供給経路
７における冷却媒体６１より低圧であることから、スタ
ッキング面における冷却媒体のリーク８４の方向が常に
冷却媒体供給経路７から冷却媒体回収経路８へ向かって
いるためである。

【００７９】同様にＥ型シール部材を冷却媒体回収経路
８に備える場合においても、上記のように内部に冷却媒
体を流入させるには、図１０に示すようにリーク方向を
考慮して、Ｅ型シール部材１０５の断面形状を外周側に
向けて開いている形状とするのが望ましい。

【００８０】本発明の第２の実施の形態を図１１により
説明する。図１１は本実施の形態のタービンロータにお
いて、第１段タービンディスクの冷却媒体供給経路７の
１つに、環状シール部材及び遮熱パイプを装着した状態
を後方側からみた側面図である。図中、図１に示す部分
と同等の部分には同じ符号を付し説明を省略する。本実
施の形態は、遮熱パイプ自体の周方向の回転を防止する
ための構造を備えたものである。

【００８１】図１１において、遮熱パイプ７０Ａのリン
グ状突出部７１Ａの外周面上には、中心軸に対して対称
な２ヶ所に同じ形状の突起部７４が形成されており、ま
た第１段タービンディスク１１Ａの後方スタッキング面
には、ザグリ穴７６Ａの外周で２つの突起部７４がそれ
ぞれ一致する周方向位置に各突起部７４が嵌合可能なザ
グリ溝７８が設けられている。

【００８２】以上のように構成した本実施の形態による
と、タービンロータの作動回転時において遮熱パイプ７
０Ａに遠心力が働いても、突起部７４がザグリ溝７８に
嵌合されていることにより、遮熱パイプ７０Ａ全体が周
方向に固定されてズレや回転を防ぐことができる。従っ
て、遮熱パイプ７０Ａのズレや回転による遮熱パイプ７
０Ａ（リング状突出部７１Ａを含む）と環状シール部材
８０の摩耗・損傷を抑制でき、シール性能の信頼性を向
上させることができる。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、リング状突出部がザグ
リ穴に嵌合して径方向に拘束され、リング状突出部が２
つのディスク状部材に軸方向に挟持されることにより、
タービンロータの作動回転時においても遮熱パイプがそ
の径方向、軸方向に固定され、移動による摩耗・損傷を
防ぐことができる。

【００８４】また本発明によれば、特別な加工をディス
ク状部材に施すことなく、専ら遮熱パイプ側の固定構造
を活用してシール構造を設けることができるため、加工
による応力集中の増加を回避しつつ冷却媒体流通経路か
らスタッキング面への冷却媒体のリークを低減させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるビンロータの
第１段タービンディスク内部において、遮熱パイプを備
えた冷却媒体供給経路の軸方向断面を拡大して示した図
である。

【図２】第１の実施の形態によるタービンロータであっ
て、冷却媒体供給経路の１つと周方向が一致した軸方向
断面図である。

【図３】第１の実施の形態によるタービンロータであっ
て、冷却媒体回収経路の１つと周方向が一致した軸方向
断面図である。

【図４】図２、図３中のＸ−Ｘ断面を後方から見た側面
図である。

【図５】図１中のＣ部の拡大図である。

【図６】図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部
材に断面形状が中実丸形のワイヤを用いた場合のもので
ある。

【図７】図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部
材に断面形状がＯ型（中空丸形）のものを用いた場合の
ものである。

【図８】図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部
材に断面形状がＣ型のものを用いた場合のものである。

【図９】冷却媒体回収経路にＣ型シール部材を用いた場
合の拡大図である。

【図１０】冷却媒体回収経路にＥ型シール部材を用いた
場合の拡大図である。

【図１１】第２の実施の形態のタービンロータにおい
て、冷却媒体供給経路の１つに、環状シール部材及び遮
熱パイプを設置した状態を後方側から見た側面図であ
る。

【符号の説明】

１ タービンロータ ２ スタブシャフト ３ ディスタントピース ４ スタッキングボルト ５ 冷却媒体供給口 ６ 冷却媒体回収口 ７ 冷却媒体供給経路 ８ 冷却媒体回収経路 ９ スタブシャフト内供給経路 １０ スタブシャフト内回収経路 １１〜１４ タービンディスク １５〜１７ スペーサディスク ２２〜２４ 動翼 ２５ タブティル ２６，２９ 導入口 ２７，２８ 排出口 ３１〜３４ キャビティ ４１〜４４ スリット ５１，５４ 供給孔 ５２，５３ 回収孔 ６１ 冷却媒体（冷却前） ６２ 冷却媒体（冷却後） ７０ 遮熱パイプ ７１ リング状突出部 ７２ 穿孔面 ７３ 径方向隙間 ７４ 突起部 ７５ 嵌合突出部 ７６ ザグリ穴 ７７ 切り欠き段部 ７８ ザグリ溝 ８０ Ｅ型シール部材（内周向き） ８１ 突出段部 ８２ 隙間（スタッキング面間） ８３ 供給側からのリーク ８４ 回収側へ向かうリーク １０１ ワイヤ（中実丸形シール部材） １０２ Ｏ型シール部材（中空丸形） １０３ Ｃ型シール部材（内周向き） １０４ Ｃ型シール部材（外周向き） １０５ Ｅ型シール部材（外周向き） ２０１ 隙間（ワイヤとリング状突出部の間）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 眞一 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 高野 剛 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 AA05 AA06 AA11 AB00 AB02

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のディスク状部材を軸方向に重ね合わ
   せて構成されたタービンロータの内部で前記ディスク状
   部材間のスタッキング面に貫通するよう穿孔された冷却
   媒体流通経路と、各ディスク状部材ごとに分割して前記
   冷却媒体流通経路に挿入される遮熱パイプとを備えるタ
   ービンロータにおいて、 前記ディスク状部材のそれぞれ同じ側のスタッキング面
   上で各冷却媒体流通経路の開口部にそれよりも大きい内
   径で同軸的に設けたザグリ穴と、 前記遮熱パイプの端部に前記ザグリ穴へ嵌合可能に設け
   たリング状突出部とを備えることを特徴とするタービン
   ロータ。
2. 【請求項２】請求項１記載のタービンロータにおいて、
   前記リング状突出部の外周部のうちのスタッキング面側
   に外径を小さくした切り欠き段部が形成され、前記切り
   欠き段部に環状シール部材を装着したことを特徴とする
   タービンロータ。
3. 【請求項３】請求項２記載のタービンロータにおいて、
   前記遮熱パイプの材質は、前記ディスク状部材の材質よ
   りも線熱膨張係数が大きいものであることを特徴とする
   タービンロータ。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項記載のタービ
   ンロータにおいて、前記リング状突出部の外周面上の少
   なくとも２箇所に突起部を設け、前記ザグリ穴の外周で
   前記突起部がそれぞれ一致する周方向位置に嵌合可能な
   ザグリ溝を設けたことを特徴とするタービンロータ。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項記載のタービ
   ンロータにおいて、前記ディスク状部材の前記ザグリ穴
   を設けた側と反対側のスタッキング面上で前記冷却媒体
   流通経路の開口部に、前記遮熱パイプの前記リング状突
   出部を備えた側の反対側の端部の外径よりも小さい内径
   の突出段部を形成したことを特徴とするタービンロー
   タ。