JP2007529668A - 流体機械とそのロータ - Google Patents

Abstract

回転軸線に対して同軸的に配置された中空軸（１３）を備え、該中空軸（１３）が、その両側端面が軸方向に対向して位置するロータ（３）の２つの断面で支持され、内側空洞（５１）を取り囲む流体機械のロータ（３）に関する。ほとんど機械的損傷を生じない大きな寿命を有する流体機械のロータ（３）を提供するために、中空軸がロータ（３）の軸方向において互いに接する複数のリング（４３）で形成され、リング（４３）が相互におよび対向するロータ断面で空洞（５１）を外に対して漏れ止めすることを提案する。各リング（４３）が断面Ｉ形に形成され、このＩ形のウェブ（４７）がロータ（３）の半径方向に延びている。

Description

本発明は、回転軸線に対して同軸的に配置された中空軸を備え、該中空軸の両側端面がそれぞれ軸方向に対向して位置するロータの２つの断面で支持され、前記中空軸が、ロータの軸方向において互いに接して位置する複数のリングで形成され、内側空洞を取り囲み、これにより、互いに接して位置するリングおよび前記ロータ断面に接するリングが、空洞を外に対して境界づけている流体機械のロータに関する。また本発明はかかるロータを備えた流体機械に関する。

ガスタービンおよびその運転様式は一般に知られている。このために、図４は、回転軸線２を中心に回転可能に支持されたロータ３を有し、ロータ３に沿って順々に、圧縮機５と、燃焼器６と、タービン装置１１を有するガスタービン１を示す。圧縮機５並びにタービン装置１１においてそれぞれ、車室に静翼１２、３５が、ロータ３に動翼１５、３７が翼列（翼輪）１７、１９、３６、３８を形成して取り付けられている。静翼列１９、３６は動翼列１７、３８と共に圧縮機段２１ないしタービン段３４を形成し、その複数の段が直列配置されている。翼列１７、３８の動翼１５および３７はそれぞれ、中央に孔が開けられた環状円板２６、３９によりロータ３に取り付けられている。その中央開口を通して軸方向に、タービン円板３９と圧縮機円板２６を互いに締付け結合する中央タイロッド（連結棒）７が延びている。また、燃焼器６によって生ずる圧縮機５とタービン装置１１との間における間隔を橋渡しするために、圧縮機最終段２１の圧縮機円板２６と第１タービン段３４のタービン円板３９との間に、中空軸１３が配置されている。

ガスタービンの運転中、圧縮機５が大気を吸い込み、これを圧縮する。その圧縮空気は燃料と混合され、燃焼器６に導かれ、燃焼器６で燃焼されて高温作動媒体Ｍが発生する。作動媒体Ｍは燃焼器６からタービン装置１１に導かれ、動翼１５によってガスタービン１のロータ３を駆動する。ロータ３は圧縮機５および作業機械例えば発電機を駆動する。

作動媒体で発生されタービン装置の動翼に作用するトルクは、発電機に有効エネルギとして伝えられ、圧縮機に大気を圧縮するための駆動エネルギとして伝えられる。従って、中空軸は、圧縮機において大気を圧縮するために必要な駆動エネルギを、第１タービン段のタービン円板から最終圧縮機段の圧縮機円板に伝えねばならない。

ガスタービンの内部におけるこの配置構造は、中空軸が特に大きな機械的負荷を受けることを前提とする。この負荷はクリープ変形を生じさせ、損傷を生じさせ、このことは、ロータの寿命を短縮させる。

また、ガスタービンの燃焼器が中空軸に半径方向に隣接して位置し、運転中、燃焼器がロータのその軸方向部位を許容できないほどに加熱する。このため、熱的負荷も生じ、この熱的負荷は中空軸の強度並びに剛性を弱め、これにより、発生する機械的負荷は、中空軸の材料を早期に疲労させる。

また、英国特許第８３６９２０号明細書で、軸方向に互いに接して位置して締付け結合された複数の圧縮機円板で形成された圧縮機用ロータが知られている。その圧縮機円板は中央開口を有し、中空軸を形成している。さらに、英国特許第６６１０７８号明細書には、燃焼器の半径方向内側に互いに接して位置する２個の管部材で形成されたガスタービンロータ用の中空軸が示されている。

本発明の課題は、ほとんど機械的損傷を生じない長い寿命を有する流体機械用ロータを提供することにある。また、そのための流体機械を提供することにある。

ロータに向けられた課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。有利な実施態様はその従属請求項に記載されている。
ロータに関しては、本発明は冒頭に記載した如く、各々のリングがＩ字形断面に形成され、このＩ字形ウェブがロータの半径方向に延びている。

本発明は、燃焼器の領域における機械的並びに熱的に大きく負荷される中空軸が、互いに接して位置し軸方向に比較的短いリングによって置き換えられる、という考えから出発している。この基礎となる構造的変更によって、機械的負荷がかなり減少される。これにより、もっと半径方向外側に配置された燃焼器のために高い材料温度となるリング部位における応力およびそれにより恐らく生ずるクリープ変形が減少される。これにより、各リングの寿命が増大される。

従来、中空軸は、圧縮機で必要とされるエネルギを伝達するために、その軸長にわたって特にねじれ荷重を受ける。本発明によれば、リングの軸長が従来の中空軸の構造長に比べてかなり短縮され、これにより、各リングは僅かしかねじれ荷重を受けない。従って、本発明によれば、機械的負荷が一層減少される。

さらに、半径方向に延びるウェブを備えたリングは、その内外スリーブ間の空洞によって、中央空洞をもっと半径方向外側に位置する外側部位に対して良好に熱絶縁する。これにより、中央空洞内における冷たい空気が構造部品の表面に当てられる。その結果、流体機械の運転中、特に大きな機械的負荷を受ける部位は、クリープにとって必要な遷移温度（活性化エネルギ）以下で運転され、これにより、特にこの箇所においてクリープ変形が防止される。即ち、リングの熱的負荷は一層減少され、このリングは大きな機械的負荷を受けることができる。

また、リングの断面Ｉ形は、リングの特に堅固で、軽量で且つ機械的負荷可能な形成を可能にする。

また、低減した負荷のために、従来における単一構造中空軸に対する材料に比べて安価な材料例えば２６ＮｉＣｒＭｏ２６１４５ｍｏｄが利用できるので、製造費削減の全般的努力が考慮できる。

本発明の実施態様において、ロータは回転軸線に対して平行に延びる少なくとも１本のタイロッドを有する。ロータのロータ断面はそれぞれ円板で形成され、少なくとも１本のタイロッドが、円板とリングを締付け結合するために円板とリングを貫通して延びている。ロータのかかる構成要素状構造は、リングあるいは円板のほとんど起こらない破損時、当該部品の交換を可能にする。

本発明の特に有利な実施態様において、タイロッドは円板とリングを中央で貫通して延びている。これにより、回転軸線に対して同心的に配置されたタイロッドは、重ね合わされたリングおよび圧縮機とタービン装置の円板を締め付け結合し、同時に、ロータを軸方向および半径方向に支持するために利用される。

有利な実施態様の枠内で、ロータは回転軸線に対して間隔を隔てられた複数のタイロッドを有し、各タイロッドは円板とリングを貫通して延びている。これにより、多分割構造に形成された中空軸の利用は、複数のタイロッドによる締付け結合を実施するロータにも利用できる。

特に有利な実施態様において、各リングおよび各ロータ断面は、ロータのトルクを一方のロータ断面から反対側のロータ断面に伝達するために、かみ合い結合手段を有している。これにより、直接隣り合うリング間ないしリングと断面との間の円周方向における滑りとして知られた損失を伴う相対運動が、効果的に防止される。

目的に適って、トルクを伝達する手段は、リングおよびロータ断面の端面にセレーションの形で形成されている。このかみ合い結合は、ロータの滑りなし運転を可能にする。特に、両ロータ断面の一方が圧縮機円板として、他方のロータ断面がタービン円板として形成されていることによって、圧縮機における吸引された大気を圧縮するために必要な動力は、タービン装置から圧縮機に、両者間に配置されたリングにより損失なしに伝達される。

特に有利な実施態様において、ウェブの両端にそれぞれ軸方向に延びるスリーブが配置され、これにより、互いに隣り合うリング間で且つ半径方向内側スリーブと半径方向外側スリーブとの間に空洞が形成される。これは、燃焼器の領域において半径方向外側に位置する比較的高温の外側領域を、リングにより閉じ込められた中央空洞から空間的に分離することを可能にする。内外スリーブ間の空洞が中央空洞を外側領域に対して絶縁し、これにより、中央空洞内における冷たい空気が構造部品の表面に当てられるので、外側領域からリングへの入熱、特にリングの半径方向内側スリーブへの入熱が減少される。

内外スリーブ間の空洞が非貫流絶縁室として形成されるか、他の冷却流体を案内するために利用されるかに無関係に、この内外スリーブ間の空洞は少なくとも部分的に、ウェブに存在する通路を介して互いに連通されている。隣り合う内外スリーブ間の空洞間の接続は、急速で一様な絶縁作用を生じさせ、あるいは、冷却媒体が圧縮機空気の形で圧縮機側で内外スリーブ間の空洞の中に導入され、タービン側で取り出されるとき、冷却媒体に対する接続通路として用いられる。圧縮機空気は、圧縮機においてロータに配置された抽出開口を通して、あるいは圧縮機の下流で適当な装置により流れる。

この実施態様はそれぞれ、リング材料の温度を低下させ、これにより、有害なクリープ変形が防止される。

さらに、空洞は軸方向に冷却媒体で貫流される。リングと各断面は、空洞を漏れ止めするためにラビリンス状パッキンを有している。リングが相互に、および対向するロータ断面を介して空洞を外に対して漏れ止めするので、冷却空気が圧縮機から空洞を通してタービン装置に、漏れを生ずることなしに、損失なしに導かれる。その漏れ止め手段は、トルクを伝達するための手段が設けられていないリングのスリーブに設けられる。これにより、トルクを伝達するリングの一方のスリーブは、その半径方向材料厚さが比較的大きく設計され、単に空洞を外向きに漏れ止めするために使われ内外スリーブ間の空洞を形成するために使われる他方のスリーブは、非常に薄く設計される。

さらに、冷却空気はリングを冷却し、これにより、平均部品温度が低下する。

本発明は、冒頭に述べた形式の流体機械に向けられた課題を解決するために、ロータが請求項１ないし１１のいずれかに応じて形成されている、ことを提案する。

特に有利な実施態様において、流体機械はガスタービンとして形成され、そのガスタービンはロータに沿って順々に圧縮機と少なくとも１つの燃焼器とタービン装置を有し、両ロータ断面の一方が、圧縮機に配置された圧縮機円板により、他方のロータ断面が、タービン装置に配置されたタービン円板により形成されている。

また、ロータに対して述べた利点は、流体機械に対しても同じように生ずる。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。

上述した従来技術に応じて形成されたガスタービン１は図４に示されている。

図１は、圧縮機５とタービン装置１１との間の領域に中央タイロッド（連結棒）７を備えたガスタービン１のロータ３を示す。圧縮機５について流路２３における最終圧縮機段２１しか示されていない。回転軸線２を中心に回転可能なロータ３に沿って、圧縮機出口２５にディフューザ２７および燃焼器２９が続いている。燃焼器２９はタービン装置１１の燃焼ガス通路３３に連通する燃焼室３１を有する。

圧縮機５の流路２３内に翼列１９の形で静翼１２が取り付けられている。これらの静翼１２に動翼１５が前置されている。これらの静翼１５は圧縮機円板２６によってロータ３に取り付けられている。

燃焼ガス通路３３は静翼３５とその下流の動翼３７を有する。静翼３５はガスタービン１の車室に結合され、動翼３７はタービン円板３９に取り付けられている。

ロータ３は、圧縮機円板２６とタービン円板３９との間に、従来公知の単一構造の中空軸の代わりに、軸方向に連続する３個のリング４３を有する。その各リング４３は断面Ｉ形を有し、これにより、タイロッド７の軸方向に延びる２つのスリーブ４５、４６が、半径方向に延びるウェブ４７により互いに結合されている。

中央タイロッド７の外周面と半径方向内側のスリーブ４６で形成された内周面４９との間に、軸方向に延びる中央空洞５１が形成されている。この中央空洞５１は冷却流体例えば圧縮空気を案内するために適用される。図１に示された中央タイロッド７を備えたロータ３の場合、空洞５１は環状の断面をしている。

半径方向外側スリーブ４５の端面５５にセレーションが設けられ、このセレーションにより、ロータ３のトルクがタービン円板３９からリング４３を介して圧縮機円板２６に伝えられる。そのために、タービン円板３９および圧縮機円板２６の端面５７も同様にセレーションを有する。

リング４３の半径方向内側スリーブ４６はその端面５９に、空洞５１をその外側領域６１に対して漏れ止めするラビリンス状パッキン６２を有する。

外側スリーブ４５はトルクを片側端面５５から反対側端面５５に伝えるので、外側スリーブ４５は、パッキン６２を支えるだけの内側スリーブ４６より大きな半径方向幅（厚さ）を有する。

ガスタービン１の運転中、空気が圧縮機５により圧縮機５の流路２３内において圧縮され、その圧縮空気の一部分は冷却空気として、圧縮機円板孔２４を通して取り出され、矢印６３に応じてタイロッド７に沿って、空洞５１の圧縮機側端からタービン側端に導かれる。タービン円板３９においてその内周から外周まで延びる円板孔２４を通して、冷却空気が第１タービン段３４の動翼３７に導かれる。その冷却空気は動翼３７を冷却し、続いて燃焼ガス通路３３に流出する。

タイロッド７と円板２６、３９との間に設けられたラビリンスパッキン６５および前記パッキング６２は、空洞５１からの冷却空気の漏れを防止する。

図２は、圧縮機５とタービン装置１１との間の領域に複数のタイロッド８を備えたガスタービン１のロータ３を示す。

図２は、図１と同様に、圧縮機５、燃焼器６、タービン装置１１、および圧縮機円板２６とタービン円板３９とリング４３から構成されたロータ３を示す。図２では、図１に示された中央タイロッド７の代わりに、回転軸線２に対して間隔を隔てられた複数の分散タイロッド８が示されている。これらの分散タイロッド８は回転軸線２に対して、リング４３のウェブ４７が分散タイロッド８で貫通されるように間隔を隔てられている。また、その間隔は、タイロッド８がリングのスリーブ４５を貫通するように定めることもできる。

図３は、図１の実施例と異なって、例えば圧縮機側に配置されたリング４３の半径方向外側スリーブ４５に孔７１が設けられた中央タイロッド付きロータを示す。その孔７１を通して比較的冷たい圧縮空気が、半径方向内側スリーブ４６と半径方向外側スリーブ４５との間に形成された空洞６６″に導かれる。これは、ロータ３の温度をより一様に且つより迅速に低下させ、これは、動翼と案内輪で形成されたラジアル隙間に好ましい影響を与えるために利用される。その空洞６６″に流入する冷却空気は、ウェブ４７に存在する通路７２を通してタービン装置の方向に流れ、さらにタービン円板孔２４を通して第１タービン段のタービン翼３７に導かれ、そこで、冷却空気として利用される。

この場合、中央空洞５１は、第２タービン段３４のタービン翼３７に対する冷却空気の供給路として使われる。

また付加的に、圧縮機円板２６とそれに接するリング４３の半径方向内側スリーブ４６との間の隙間６９が、内外スリーブ４５、４６で半径方向に境界づけられた空洞６６′に冷却空気を目的に合わせて導入することを可能にする。

圧縮機とタービン装置との間の領域に中央タイロッドを備えたガスタービンのロータの部分縦断面図。 圧縮機とタービン装置との間の領域に複数のタイロッドを備えたガスタービンのロータの部分縦断面図。 圧縮機とタービン装置との間の領域に中央タイロッドを備えたガスタービンのロータの異なった実施例の部分縦断面図。 従来におけるガスタービンの縦断面図。

符号の説明

１ ガスタービン
３ ロータ
７ タイロッド
８ タイロッド
１３ ロータ
２６ 圧縮機円板
３９ タービン円板
４３ リング
４５ 半径方向外側スリーブ
４６ 半径方向内側スリーブ
４７ ウェブ
５１ 空洞
６６ 空洞

Claims (14)

1. 回転軸線に対して同軸的に配置された中空軸（１３）を備え、該中空軸（１３）の両側端面が軸方向に対向して位置するロータ（３）の２つの断面で支持され、内側空洞（５１）を取り囲み、前記中空軸（１３）が、ロータ（３）の軸方向において互いに接して位置する複数のリング（４３）で形成され、これにより、互いに接して位置し、且つ前記ロータ断面に接するリング（４３）が、空洞（５１）を外に対して境界づけている流体機械のロータ（３）において、各リング（４３）が断面Ｉ形に形成され、該Ｉ形のウェブ（４７）がロータ（３）の半径方向に延びていることを特徴とする流体機械のロータ（３）。
2. ロータ（３）が回転軸線に対して平行に延びる少なくとも１本のタイロッド（７、８）を有し、ロータ（３）の前記ロータ断面がそれぞれ円板（２６、３９）、特に圧縮機円板（２６）およびタービン円板（３９）で形成され、少なくとも１本のタイロッド（７、８）が、円板（２６、３９）とリング（４３）を締付け結合するために円板（２６、３９）とリング（４３）を貫通して延びていることを特徴とする請求項１に記載のロータ（３）。
3. タイロッド（７）が円板（２６、３９）とリング（４３）を中央で貫通して延びていることを特徴とする請求項２に記載のロータ（３）。
4. ロータ（３）が回転軸線に対して間隔を隔てられた複数のタイロッド（８）を有し、各タイロッド（８）が円板（２６、３９）とリング（４３）を貫通して延びていることを特徴とする請求項２に記載のロータ（３）。
5. 各リング（４３）および各断面が、ロータ（３）のトルクを一方のロータ断面からそれと反対側のロータ断面に伝達するために、かみ合い結合手段を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のロータ（３）。
6. トルクを伝達する手段が、リング（４３）および断面の端面（５５）にセレーションの形で形成されていることを特徴とする請求項５に記載のロータ（３）。
7. ウェブ（４７）の両端にそれぞれ軸方向に延びるスリーブ（４５、４６）が配置され、これにより、互いに隣り合うリング（４３）間で且つ半径方向内側スリーブ（４６）と半径方向外側スリーブ（４５）との間に冷却流体を流すための空洞（６６）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のロータ（３）。
8. 前記空洞（６６）が少なくとも部分的に、ウェブ（４７）に存在する通路（７２）を介して連通されていることを特徴とする請求項７に記載のロータ。
9. 冷却流体として圧縮機空気が更なる空洞（６６）に導かれ、タービン段の領域において取り出されることを特徴とする請求項７又は８に記載のロータ。
10. リング（４３）がそれらの互いに対向するスリーブ（４５）に、セレーションが設けられた部位を有していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のロータ（３）。
11. 空洞（５１）が軸方向に冷却流体で貫流され、リング（４３）と各ロータ断面が、空洞（５１）を漏れ止めするためにラビリンス状パッキンを有していることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のロータ（３）。
12. ロータ（３）が請求項１ないし１１のいずれかに応じて形成されていることを特徴とする流体機械。
13. 流体機械がガスタービン（１）として形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の流体機械。
14. ガスタービン（１）がロータ（３）に沿って順々に圧縮機（５）と少なくとも１つの燃焼器（６）とタービン装置（１１）を有し、両ロータ断面の一方が、圧縮機（５）に配置された圧縮機円板（２６）により、他方のロータ断面が、タービン装置（１１）に配置されたタービン円板（３９）により形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の流体機械。

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