JP2009203926A - ガスタービン及びディスク並びにディスクの径方向通路形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスクの径方向に形成された径方向通路に発生する応力分布の偏りを低減すること。
【解決手段】ガスタービン１は、側周部に燃料が燃焼した燃焼ガスを受けるタービン側動翼が連結されることでタービン側動翼が受けた前記燃焼ガスのエネルギーが伝えられて回転軸ＲＬを中心に回転するディスク１１４と、回転軸ＲＬを軸心とする曲面であって前記曲面上の全ての点から回転軸ＲＬまでの距離が全て等しい仮想曲面Ｖ０３での断面において、回転軸ＲＬと平行な方向の長さよりもディスク１１４の周方向の長さのほうが大きい形状となる部分を含んで形成される孔であって、ディスク１１４に回転軸ＲＬ側からディスク１１４の外側へ向かって形成される径方向通路１３とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービン及びディスク並びにディスクの径方向通路形成方法に関し、さらに詳しくは、動翼を空気によって冷却するガスタービン及びディスク並びにディスクの径方向通路形成方法に関する。

従来、燃料を燃焼させた燃焼ガスからエネルギーを取り出す装置としてガスタービンがある。ガスタービンは、例えば、燃料を圧縮した空気に対して噴射し、前記燃料を燃焼させることで発生する燃焼ガスのエネルギーを用いてタービンを回転させてロータから回転エネルギーを出力する。

例えば、特許文献１には、タービン構造の外から供給された動翼冷却用媒体が、ディスクの中心孔内に配置された中空シャフト内を冷却前の状態で通り、スペーサに設けられた径方向孔を介してディスクの外周側へ導かれることで動翼を冷却するタービン冷却システムを搭載するガスタービンが開示されている。

特開平９−２４２５６３号公報（段落番号００１２）

ここで、特許文献１に開示されているガスタービンにおいて、回転体であるディスクの径方向に形成される径方向孔には、ディスクが回転すると慣性力によって周方向に力が負荷される。このとき、前記径方向孔の形状によっては、特定の部分に応力が集中するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ディスクの径方向に形成された径方向通路に発生する応力分布の偏りを低減することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るガスタービンは、側周部に燃料が燃焼した燃焼ガスを受ける動翼が連結されることで前記動翼が受けた前記燃焼ガスのエネルギーが伝えられて回転軸を中心に回転するディスクと、前記回転軸を軸心とする曲面であって前記曲面上の全ての点から前記回転軸までの距離が全て等しい仮想曲面での断面において、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さのほうが大きい形状となる部分を含んで形成される孔であって、前記ディスクに前記回転軸側から前記ディスクの外側へ向かって形成される径方向通路と、を備えることを特徴とする。

前記ディスクが回転軸を軸に回転すると、前記径方向通路は、前記ディスクの周方向に力が負荷される。ここで、本発明に係るガスタービンは、上記構成により、前記径方向通路の前記仮想曲面での断面が、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さの方が大きい楕円状に形成される。よって、前記ガスタービンは、前記断面の図心を通り前記力と直交する部位に発生する応力が低減される。これにより、ガスタービンは、前記径方向通路に発生する応力分布の偏りが低減される。

本発明の好ましい態様としては、前記径方向通路は前記回転軸を含む仮想平面に含まれない部分を備えることが望ましい。

上記構成により、本発明に係るガスタービンは、前記径方向通路の前記仮想曲面での断面が自然と前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さの方が大きい楕円状となる部分を有する。よって、前記ガスタービンは、前記断面の図心を通り前記力と直交する部位に発生する応力が低減される。これにより、ガスタービンは、前記径方向通路に発生する応力分布の偏りが低減される。

また、前記ガスタービンは、前記径方向通路が前記基準仮想平面に対して傾いて形成される分、前記冷却用空気が流れる通路が長くなる。よって、前記ガスタービンは、前記冷却用空気と冷却対象との熱交換が促進される。これにより、前記ガスタービンは、冷却性能が向上する。

本発明の好ましい態様としては、前記径方向通路は、一方の開口端が前記ディスクの前記側周部よりも内側に形成される空間に開口し、他方の開口端が前記ディスクの前記側周部に開口すると共に、前記回転軸と直交する面に前記回転軸方向から投影されたときに、前記一方の開口端と前記回転軸とを含む基準仮想平面に対して１０度以上４５度以下の角度を有することが望ましい。

上記構成により、本発明に係るガスタービンは、前記断面の図心を通り前記力と直交する部位に発生する応力がより良好に低減される。これにより、ガスタービンは、前記径方向通路に発生する応力分布の偏りがより良好に低減される。

本発明の好ましい態様としては、前記ディスクは所定の回転方向に向かって回転し、前記径方向通路は、前記一方の開口端部分において前記基準仮想平面を境に前記回転方向とは反対側の領域に傾いていることが望ましい。

上記構成により、本発明に係るガスタービンは、前記径方向通路に導かれる冷却用空気と一方の開口端の壁面との衝突が緩和されて前記冷却用空気が前記径方向通路に流入する。つまり、前記ガスタービンは、前記冷却用空気が前記径方向通路に流入しやすい。よって、前記ガスタービンは、前記径方向通路に供給される前記冷却用空気の流量が増大する。これにより、前記ガスタービンは、前記冷却用空気と冷却対象との熱交換が促進される。よって、前記ガスタービンは、前記冷却用空気による冷却性能が向上する。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るディスクは、回転軸を軸心とする曲面であって前記曲面上の全ての点から前記回転軸までの距離が全て等しい仮想曲面での断面において、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さのほうが大きい形状となる部分を含んで形成される孔であって、前記ディスクに前記回転軸側から前記ディスクの外側へ向かって形成される径方向通路と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るディスクが回転軸を軸に回転すると、前記径方向通路は、前記ディスクの周方向に力が負荷される。ここで、前記ディスクは、上記構成により、前記径方向通路の前記仮想曲面での断面が、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さの方が大きい楕円状に形成される。よって、前記ディスクは、前記断面の図心を通り前記力と直交する部位に発生する応力が低減される。これにより、前記ディスクは、前記径方向通路に発生する応力分布の偏りが低減される。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るディスクの径方向通路形成方法は、ドリル刃が円盤状のディスクの回転軸を含む仮想平面と平行かつ、前記仮想平面から所定距離ずらされて設置されるボール盤に前記ディスクを取り付ける第１手順と、前記ドリル刃を前記仮想平面と平行に移動させて前記ディスクに孔である１個目の径方向通路を形成する第２手順と、前記ディスクを前記回転軸を軸に所定角度回転させる第３手順と、前記ドリル刃を前記仮想平面と平行に移動させて前記ディスクに孔である２個目の径方向通路を形成する第４手順と、前記第３手順と前記第４手順とを前記ディスクに所望の個数前記径方向通路が形成されるまで反復する第５手順と、を備えることを特徴とする。

上記構成により、本発明に係るディスクの径方向通路形成方法は、従来の工作機械を用いて容易に前記径方向通路を加工できる。このとき、前記径方向通路を備えるガスタービンは、前記径方向通路の前記仮想曲面での断面が、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さの方が大きい楕円状に形成される。よって、前記ガスタービンは、前記断面の図心を通り前記力と直交する部位に発生する応力が低減される。これにより、ガスタービンは、前記径方向通路に発生する応力分布の偏りが低減される。

また、前記ガスタービンは、前記径方向通路に導かれる冷却用空気と一方の開口端の壁面との衝突が緩和されて前記冷却用空気が前記径方向通路に流入する。つまり、前記ガスタービンは、前記冷却用空気が前記径方向通路に流入しやすい。よって、前記ガスタービンは、前記径方向通路に供給される前記冷却用空気の流量が増大する。これにより、前記ガスタービンは、前記冷却用空気による冷却性能が向上する。

また、前記ガスタービンは、前記径方向通路が前記基準仮想平面に対して傾いて形成される分、前記冷却用空気が流れる通路が長くなる。よって、前記ガスタービンは、前記冷却用空気と冷却対象との熱交換が促進される。これにより、前記ガスタービンは、冷却性能が向上する。

本発明は、ディスクの径方向に形成された径方向通路に発生する応力分布の偏りを低減できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係るガスタービンの構成を示す模式図である。本実施形態に係るガスタービン１は、床ＧＮＤに設置される。ガスタービン１は、流体の流れの上流側から下流側に向けて順に、圧縮部１２０と、燃焼部１３０と、タービン部１１０と、排気部１４０とを含んで構成される。

圧縮部１２０は空気を加圧して、燃焼部１３０へ加圧された空気を送り出す。燃焼部１３０は、前記加圧された空気に燃料を供給する。そして、燃焼部１３０は、圧縮された空気に燃料を噴射して前記燃料を燃焼させる。タービン部１１０は、燃焼部１３０から送り出された前記燃焼ガスが持つエネルギーを回転エネルギーに変換する。排気部１４０は、前記燃焼ガスを大気へと排出する。

圧縮部１２０は、空気吸入口１２１と、圧縮機筐体１２２と、圧縮機側静翼１２３と、圧縮機側動翼１２４とを含んで構成される。空気吸入口１２１は、大気から空気を圧縮機筐体１２２に取り込む。複数の圧縮機側静翼１２３と複数の圧縮機側動翼１２４とは、圧縮機筐体１２２内に交互に設けられる。

タービン部１１０は、図１に示すように、タービン部車室１１１と、タービン側静翼１１２と、タービン側動翼１１３とを含んで構成される。複数のタービン側静翼１１２と複数のタービン側動翼１１３とは、タービン部車室１１１内に燃焼ガスの流れの方向に沿って交互に配設される。排気部１４０は、タービン部１１０に連続する排気ディフューザ１４１を有する。排気ディフューザ１４１は、タービン部１１０を通過した排気ガスの動圧を静圧に変換する。

ガスタービン１は、回転体としてのロータ１５０を有する。ロータ１５０は、圧縮部１２０、燃焼部１３０、タービン部１１０、排気部１４０の中心部を貫通するように設けられる。ロータ１５０は、圧縮部１２０側の端部が軸受１５１により回転自在に支持され、排気部１４０側の端部が軸受１５２により回転自在に支持される。

また、ロータ１５０には、複数のディスク１１４が固定される。ディスク１１４には、圧縮機側動翼１２４及びタービン側動翼１１３が連結される。ロータ１５０の圧縮部１２０側の端部には、発電機の発電機用入力軸が連結される。

ガスタービン１は、まず、圧縮部１２０の空気吸入口１２１から空気を取り込む。取り込まれた空気は、複数の圧縮機側静翼１２３と圧縮機側動翼１２４とによって圧縮される。これにより、前記空気は、大気よりも高温・高圧の圧縮空気となる。続いて、燃焼部１３０は、前記圧縮空気に対して所定の燃料を供給して前記燃料を燃焼させる。

続いて、タービン部１１０を構成する複数のタービン側静翼１１２と複数のタービン側動翼１１３とは、燃焼部１３０で生成された燃焼ガスが有するエネルギーを回転エネルギーに変換する。タービン側動翼１１３は、前記回転エネルギーをロータ１５０に伝える。これにより、ロータ１５０が回転運動する。

上記構成により、ガスタービン１は、ロータ１５０に連結された図示しない発電機を駆動する。なお、タービン部１１０を通過後の排気ガスは、排気部１４０の排気ディフューザ１４１で動圧が静圧に変換された後、大気に放出される。

図２は、本実施形態に係るガスタービンのタービン部を拡大して模式的に示す断面図である。図２に示すように、ロータ１５０は、ディスク１１４とタービン側動翼１１３とを含んで構成される。ディスク１１４は、図１及び図２に示す回転軸ＲＬを軸に回転する。タービン側動翼１１３は、円盤状に形成されるディスク１１４の径方向外側の側周部に周方向に沿って複数連結される。これにより、タービン側動翼１１３もディスク１１４と共に回転軸ＲＬを軸に回転する。

ここで、タービン部１１０には、燃焼部１３０で生成された大気よりも高温・高圧な燃焼ガスが供給される。これにより、燃焼ガスから熱を受け取り、タービン側動翼１１３やディスク１１４の温度が上昇する。よって、ガスタービン１は、タービン側動翼１１３及びディスク１１４よりも低温な冷却用空気をタービン側動翼１１３及びディスク１１４に供給して、タービン側動翼１１３及びディスク１１４を冷却する。

ここで、ディスク１１４及びタービン側動翼１１３は、燃焼ガスの流れに沿って複数段設けられる。ディスク１１４は、複数設けられるディスク１１４のうち、燃焼ガスの流れの上流側から第１ディスク１１４ａ、第２ディスク１１４ｂとする。また、タービン側動翼１１３は、複数設けられるタービン側動翼１１３のうち、燃焼ガスの流れの上流側から第１タービン側動翼１１３ａ、第２タービン側動翼１１３ｂとする。第１タービン側動翼１１３ａは第１ディスク１１４ａに連結され、第２タービン側動翼１１３ｂは、第２ディスク１１４ｂに連結される。

タービン部１１０は、第１供給通路１１と、第１空間１２と、径方向通路１３と、第２空間１４と、冷却通路１５と、第２供給通路１６と、第３空間１７とを含んで構成される。第１供給通路１１は、冷却用空気が流れる通路である。冷却用空気は、図１に示す圧縮部１２０から図示しない通路と圧縮部１２０から導かれた空気を冷却する冷却機を経て図２に示す第１供給通路１１に供給される。

第１空間１２は、ロータ１５０に形成される。径方向通路１３は、円盤状に形成される第１ディスク１１４ａの内側から第１ディスク１１４ａの径方向外側に向かって第１ディスク１１４ａに複数形成される。第２空間１４は、第１ディスク１１４ａと第１タービン側動翼１１３ａとの間に形成される。冷却通路１５は、第１タービン側動翼１１３ａに複数形成される。

第１供給通路１１は、一方の開口端から冷却用空気が供給され、他方の端部が第１空間１２に開口する。これにより、冷却用空気は第１供給通路１１を介して第１空間１２に供給される。径方向通路１３は、一方の開口端１３ａが第１空間１２に開口し、他方の開口端１３ｂが第２空間１４に開口する。これにより、第１空間１２内の冷却用空気は、径方向通路１３を介して第２空間１４に供給される。この時、冷却用空気は、径方向通路１３の内部を通過しながら冷却用空気よりも高温な第１ディスク１１４ａと熱交換を行う。これにより、冷却用空気は、径方向通路１３を通過しながら第１ディスク１１４ａを冷却する。

冷却通路１５は、一方の端部が第２空間１４に開口し、他方の端部がタービン部車室１１１に開口する。これにより、第２空間１４内の冷却用空気は、冷却通路１５を介してタービン部車室１１１に排出される。この時、冷却用空気は、冷却通路１５の内部を通過しながら冷却用空気よりも高温な第１タービン側動翼１１３ａと熱交換を行う。これにより、冷却用空気は、冷却通路１５を通過しながら第１タービン側動翼１１３ａを冷却する。

第２供給通路１６は、第１ディスク１１４ａに回転軸ＲＬ方向に形成される。第３空間１７は、第１ディスク１１４ａと第２ディスク１１４ｂとの間に形成される。第２供給通路１６は、一方の端部が第１空間１２に開口し、他方の端部が第３空間１７に開口する。これにより、第１空間１２内の冷却空気のうち、径方向通路１３に供給されなかった冷却用空気は、第２供給通路１６を介して第３空間１７に導かれる。

第３空間１７内の冷却用空気は、第１ディスク１１４ａ及び第１タービン側動翼１１３ａとほぼ同様に第２ディスク１１４ｂ及び第２タービン側動翼１１３ｂに形成された通路、空間、冷却用通路を流れて第２ディスク１１４ｂ及び第２タービン側動翼１１３ｂを冷却する。図２に示すように径方向通路１３は回転軸ＲＬと直交する面と平行に形成される。なお、径方向通路１３は回転軸ＲＬと直交する面に対して傾いて形成されてもよい。

図３は、本実施形態に係るディスクに形成される径方向通路を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。ここで、ガスタービン１は、ディスク１１４に形成される径方向通路１３に特徴がある。

図３に示すように、仮想平面Ｖ０１を、回転軸ＲＬを含んだ任意の平面とする。径方向通路１３は、ディスク１１４の径方向内側から径方向外側に向かって複数設けられる。ここで、径方向通路１３は、回転軸ＲＬを通る仮想平面Ｖ０１と交差する、または仮想平面Ｖ０１と平行になることはあっても、仮想平面Ｖ０１に完全に含まれることはない。つまり、径方向通路１３は、径方向通路１３をディスク１１４の径方向内側へ延長した仮想の線が回転軸ＲＬと交わることはない。

ここで、径方向通路１３の一方の開口端１３ａと回転軸ＲＬとを含む仮想の面を基準仮想平面Ｖ０２とする。ガスタービン１は、基準仮想平面Ｖ０２と径方向通路１３とが成す角度θが、例えば、３０度となるように形成される。

なお、ディスク１１４に複数設けられる全ての径方向通路１３は、基準仮想平面Ｖ０２と径方向通路１３とが成す角度θがそれぞれ等しく３０度に設定されるが、本実施形態はこれに限定されない。ディスク１１４に複数設けられる全ての径方向通路１３は、基準仮想平面Ｖ０２と径方向通路１３とが成す角度θがそれぞれ異なって設定されてもよい。

なお、図３に示す嵌合部１８は、タービン側動翼１１３の端部が嵌め込まれる部分である。嵌合部１８は、タービン側動翼１１３の端部に形成される嵌合部と嵌め合わされることで、タービン側動翼１１３をディスク１１４の側周部に支持する。

径方向通路１３は、ディスク１１４の側周部に複数形成される嵌合部１８の間を避けて、例えばドリルによって、ディスク１１４の径方向外側からディスク１１４の径方向内側へ向かって形成される。これにより、他方の開口端１３ｂは、複数設けられる嵌合部１８の間に開口する。

図４は、従来のディスクに形成される径方向通路を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。図５は、従来のディスクの側周部を平面に展開して示す模式図である。従来のガスタービン２は、図４に示すように、ディスク２１４と、ディスク２１４に形成される径方向通路２３とを備える。また、ディスク２１４の側周部には、径方向通路２３の他方の開口端２３ｂが開口する。

図４に示すように、径方向通路２３の角度θが０度の場合、径方向通路２３の他方の開口端２３ｂは、図５に示すように略真円状になる。ここで、ディスク２１４が図４に示す回転軸ＲＬを軸に回転すると、他方の開口端２３ｂには、慣性力によってディスク２１４に周方向に力Ｆが負荷される。これにより、他方の開口端２３ｂに応力が発生する。この時、他方の開口端２３ｂの略真円状の縁のうち、他方の開口端２３ｂの図心を通り力Ｆと直交する部位Ｐの応力が最大となる。つまり、ガスタービン２は、部位Ｐに応力が集中する。

図６は、本実施形態に係るディスクの側周部を平面に展開して示す模式図である。しかしながら、図３に示すように、角度θが０度以外に設定されると、径方向通路１３がドリルによって形成されても、径方向通路１３の他方の開口端１３ｂは、図６に示すようにディスク１１４の周方向により長い楕円状となる。つまり、他方の開口端１３ｂは、回転軸ＲＬと平行な方向の長さｈよりも、ディスク１１４の周方向の長さｗの方が大きくなる。

径方向通路１３は、ディスク１１４が図３に示す回転軸ＲＬを軸に回転すると、ディスク１１４の周方向に力Ｆが負荷される。このとき、図３に示すディスク１１４と図４に示すディスク２１４が同条件で回転すれば、他方の開口端１３ｂに働く力Ｆと他方の開口端２３ｂに働く力Ｆとは等しくなる。しかしながら、開口の形状が異なれば、同じ力Ｆが前記開口に負荷されたとしても特定の部位Ｐに発生する応力の大きさが異なる。

具体的には、真円状に形成される他方の開口端２３ｂの部位Ｐに発生する応力よりも、楕円状に形成される他方の開口端１３ｂの図心を通り力Ｆと直交する部位Ｐに発生する応力の方が小さい。つまり、ガスタービン１は、他方の開口端１３ｂの部位Ｐに発生する応力が低減され、他方の開口端１３ｂに発生する応力分布の偏りが低減される。

なお、他方の開口端１３ｂの形状が、例えば、周方向の長さｗが回転軸ＲＬと平行な方向の長さｈよりも小さい場合は、ディスク１１４の周方向の長さｗが回転軸ＲＬと平行な方向の長さｈよりも大きい場合とは異なって、部位Ｐに発生する応力は増大する。

ここで、ガスタービン１は、図３に示す径方向通路１３が回転軸ＲＬと直交する面に対して傾いて形成されると、他方の開口端１３ｂの形状において回転軸ＲＬと平行な方向の長さｈが増大する。つまり、径方向通路１３が回転軸ＲＬと直交する面に対して傾いて形成されると、部位Ｐに発生する応力は増加する。

なお、ガスタービン１は、図３に示す径方向通路１３の一方の開口端１３ａにおいても、他方の開口端１３ｂと同様に形状が楕円状に形成される。これにより、他方の開口端１３ｂと同様に一方の開口端１３ａにおいても、ガスタービン１は、一方の開口端１３ａの部位Ｐに発生する応力が低減される。これにより、ガスタービン１は、一方の開口端１３ａに発生する応力分布の偏りが低減される。

ここで、図３において、回転軸ＲＬを軸心とする曲面であって前記曲面上の全ての点から回転軸ＲＬまでの所定距離αが全て等しい仮想の曲面を仮想曲面Ｖ０３とする。つまり、仮想曲面Ｖ０３は、回転軸ＲＬを軸心とし、底面と上面の半径が所定距離αである円柱の側面である。なお、所定距離αは、回転軸ＲＬから一方の開口端１３ａまでの距離以上であって、回転軸ＲＬから他方の開口端１３ｂまでの距離以下の距離である。

径方向通路１３は、仮想曲面Ｖ０３での断面の形状が、一方の開口端１３ａ及び他方の開口端１３ｂと同様に、回転軸ＲＬと平行な方向の長さｈよりも、ディスク１１４の周方向の長さｗの方が大きくなる。これにより、ガスタービン１は、一方の開口端１３ａ及び他方の開口端１３ｂと同様に、前記断面の図心を通り断面の縁に働く力Ｆと直交する部位に発生する応力が低減される。

よって、ガスタービン１は、前記断面に発生する応力分布の偏りが低減される。つまり、ガスタービン１は、一方の開口端１３ａ及び他方の開口端１３ｂに限定されずに径方向通路１３に発生する応力分布の偏りが低減される。

図７は、従来のディスクに形成される径方向通路の内側開口端近傍を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。図８は、本実施形態に係るディスクに形成される径方向通路の内側開口端近傍を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。

冷却用空気は、図２に示す第１空間１２から径方向通路１３へ一方の開口端１３ａを介して導かれる。この時、ディスク１１４は、図３の矢印ＲＤが示すように、所定の回転方向に回転する。これにより、径方向通路１３から見ると、冷却用空気が図８の矢印ＦＬが示すように、一方の開口端１３ａに流入するように見える。

ここで、ガスタービン２は、図４に示すように、角度θが０度である。よって、冷却用空気は、図７の矢印ＦＬが示すように、一方の開口端２３ａの壁面に衝突し、径方向通路２３に流入しにくい。

一方、ガスタービン１は、図８に示すように、径方向通路１３が基準仮想平面Ｖ０２と角度θを成す。つまり、径方向通路１３が基準仮想平面Ｖ０２から傾いて形成される。さらに、径方向通路１３は、基準仮想平面Ｖ０２を境に、図３及び図８の矢印ＲＤが示すディスク１１４の回転方向と反対側の領域に傾いて形成される。

これにより、図８の矢印ＦＬが示すように、冷却用空気は一方の開口端１３ａの壁面との衝突が緩和されて径方向通路１３に流入する。つまり、冷却用空気は、径方向通路２３よりも径方向通路１３の方が流入しやすい。

さらに、一方の開口端１３ａは、図６及び図８に示すように、一方の開口端１３ａの形状が楕円状に形成されることによって、ディスク１１４の周方向の長さｗが図５及び図７に示す一方の開口端２３ａのディスク２１４の周方向の長さｗよりも大きくなる。よって、図８の矢印ＦＬが示すように、冷却用空気は、一方の開口端２３ａよりも一方の開口端１３ａの方がさらに流入しやすい。

これにより、ガスタービン１は、径方向通路１３に供給される冷却用空気の流量が増大する。また、これにともなって、ガスタービン１は、図２に示す冷却通路１５に供給される冷却用空気の流量も増大する。よって、ガスタービン１は、冷却用空気とタービン側動翼１１３及びディスク１１４との熱交換が促進される。つまり、ガスタービン１は、ディスク１１４及びタービン側動翼１１３がより冷却される。

さらに、図３に示すように、径方向通路１３は、基準仮想平面Ｖ０２に対して傾いて形成される分、図４に示す径方向通路２３よりも冷却用空気が流れる通路が長い。よって、径方向通路１３を備えるガスタービン１は、冷却用空気とタービン側動翼１１３との接触面積が増大する。これによって、ガスタービン１は、冷却用空気とタービン側動翼１１３との熱交換がさらに促進される。つまり、ガスタービン１は、タービン側動翼１１３がさらに冷却される。

なお、角度θは例えば３０度に設定されたが、本実施形態はこれに限定されない。ガスタービン１は、角度θが１０度以上４５度以下に設定されれば、径方向通路１３に発生する応力分布の偏りが低減される。また、ガスタービン１は、冷却空気による冷却性能が向上する。

ここで、上述のように、径方向通路１３は、例えばドリルによって、ディスク１１４の径方向外側からディスク１１４の径方向内側へ向かって形成される。以下に、径方向通路１３の加工方法の一実施形態を説明する。

通常、図４に示す径方向通路２３のように、延長線が回転軸ＲＬと交わるような通路を形成する場合、ドリル刃の刃先は回転軸ＲＬを向いている。しかしながら、本実施形態では、図３に示すように、ドリル刃Ｄは、仮想平面Ｖ０１から所定距離β離れた位置にずらされて、径方向通路１３の加工時には、仮想平面Ｖ０１と平行に移動される。

図９は、本実施形態に係る径方向通路の加工時にドリル刃を仮想平面からずらす量を説明する図である。所定距離βは、図９に示すように、回転軸ＲＬから一方の開口端１３ａまでの距離ｒと、角度θによって求められる。具体的には、所定距離βは、距離ｒとｓｉｎθとの積である。

径方向通路１３を加工する作業員は、まず、円盤状のディスク１１４をボール盤に取り付ける。この時、ドリル刃Ｄは、仮想平面Ｖ０１と平行かつ、仮想平面Ｖ０１から所定距離βずらされて設置される。作業員は、この条件で、１個目の径方向通路１３を加工する。

次に、作業員は、ディスク１１４を回転軸ＲＬを軸に所定角度回転させる。なお、所定角度は、ディスク１１４に設ける径方向通路１３の数から求められる。例えば、径方向通路１３がディスク１１４に所定数γ形成される場合、ディスク１１４は、３６０を所定数γで除算した角度回転される。この状態で、作業員は、２個目の径方向通路１３を加工する。以降、作業員は、ディスク１１４に径方向通路１３を所望の個数形成するまで、ディスクを所定角度回転させる手順と加工の手順とを繰り返す。

このように、ガスタービン１は、従来の工作機械を用いて容易に径方向通路１３を加工できる。これにより、径方向通路１３を備えたガスタービン１は、上述のように、径方向通路１３に発生する応力分布の偏りが低減される。また、径方向通路１３を備えたガスタービン１は、上述のように、ディスク１１４及びタービン側動翼１１３がより好適に冷却される。

なお、径方向通路１３は、例えば直線状に形成されるが、本実施形態はこれに限定されない。径方向通路１３は、例えば複数の直線が複合された、つまり折れ曲がった形状に形成されてもよい。この場合、角度θを有する部分は、径方向通路１３の一方の開口端１３ａまたは他方の開口端１３ｂ近傍に形成されると好ましい。

角度θを有する部分が、径方向通路１３の一方の開口端１３ａ近傍に形成されると、上述のように、冷却用空気は傾いた径方向通路１３の一方の開口端１３ａに流入しやすい。よって、ガスタービン１は、ディスク１１４及びタービン側動翼１１３がより冷却される。

また、他方の開口端１３ｂは、ディスク１１４に形成される径方向通路１３の中で最も回転軸ＲＬから離れている。よって、他方の開口端１３ｂ近傍部分は、径方向通路１３の中で最も大きい力Ｆが負荷される。よって、角度θを有する部分が、径方向通路１３の他方の開口端１３ｂ近傍に形成されると、ガスタービン１は、径方向通路１３の中で最も大きい力Ｆが負荷される部分に発生する応力分布の偏りが低減される。

なお、ガスタービン１は、図４に示すように、角度θが０度に設定されてもよい。但し、この場合、径方向通路１３は、図４及び図５に示す径方向通路２３とは異なって、径方向通路１３の仮想曲面Ｖ０３での断面が楕円状に形成される。例えば、ガスタービン１は、径方向通路１３が放電加工によって加工される。

これにより、径方向通路１３は、角度θを有さずとも、図６に示すように、径方向通路１３の仮想曲面Ｖ０３での断面が、回転軸ＲＬと平行な方向の長さｈよりもディスク１１４の周方向の長さｗの方が大きい楕円状に形成される。これにより、ガスタービン１は、上述のように、径方向通路１３に発生する応力分布の偏りが低減される。

なお、本実施形態での「楕円状」とは、必ずしも正確な楕円に限定されない。つまり、径方向通路１３の仮想曲面Ｖ０３での断面の形状は、平面上の特定の２点からの距離の和が一定となるような点の集合から成る曲線に限定されない。径方向通路１３の仮想曲面Ｖ０３での断面の形状は、角部を有さない略楕円形状であればよい。

以上のように、本実施形態に係るガスタービン及びディスク並びにディスクの径方向通路形成方法は、ディスクの径方向に冷却用空気が流れる径方向通路が形成されるガスタービンに有用であり、特に、前記径方向通路に発生する応力分布の偏りを低減するガスタービンに適している。

本実施形態に係るガスタービンの構成を示す模式図である。 本実施形態に係るガスタービンのタービン部を拡大して模式的に示す断面図である。 本実施形態に係るディスクに形成される径方向通路を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。 従来のディスクに形成される径方向通路を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。 従来のディスクの側周部を平面に展開して示す模式図である。 本実施形態に係るディスクの側周部を平面に展開して示す模式図である。 従来のディスクに形成される径方向通路の内側開口端近傍を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。 本実施形態に係るディスクに形成される径方向通路の内側開口端近傍を回転軸と直交する面に回転軸方向から投影する投影図である。 本実施形態に係る径方向通路の加工時にドリル刃を仮想平面からずらす量を説明する図である。

符号の説明

１、２ ガスタービン
１１ 第１供給通路
１２ 第１空間
１３、２３ 径方向通路
１３ａ、２３ａ 一方の開口端
１３ｂ、２３ｂ 他方の開口端
１４ 第２空間
１５ 冷却通路
１６ 第２供給通路
１７ 第３空間
１８ 嵌合部
１１０ タービン部
１１１ タービン部車室
１１２ タービン側静翼
１１３ タービン側動翼
１１４、２１４ ディスク
１２０ 圧縮部
１２１ 空気吸入口
１２２ 圧縮機筐体
１２３ 圧縮機側静翼
１２４ 圧縮機側動翼
１３０ 燃焼部
１４０ 排気部
１４１ 排気ディフューザ
１５０ ロータ
１５１、１５２ 軸受
Ｄ ドリル刃
ＧＮＤ 床
ＲＬ 回転軸
Ｖ０１ 仮想平面
Ｖ０２ 基準仮想平面
Ｖ０３ 仮想曲面

Claims (6)

1. 側周部に燃料が燃焼した燃焼ガスを受ける動翼が連結されることで前記動翼が受けた前記燃焼ガスのエネルギーが伝えられて回転軸を中心に回転するディスクと、
   前記回転軸を軸心とする曲面であって前記曲面上の全ての点から前記回転軸までの距離が全て等しい仮想曲面での断面において、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さのほうが大きい形状となる部分を含んで形成される孔であって、前記ディスクに前記回転軸側から前記ディスクの外側へ向かって形成される径方向通路と、
   を備えることを特徴とするガスタービン。
2. 前記径方向通路は前記回転軸を含む仮想平面に含まれない部分を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記径方向通路は、一方の開口端が前記ディスクの前記側周部よりも内側に形成される空間に開口し、他方の開口端が前記ディスクの前記側周部に開口すると共に、前記回転軸と直交する面に前記回転軸方向から投影されたときに、前記一方の開口端と前記回転軸とを含む基準仮想平面に対して１０度以上４５度以下の角度を有することを特徴とする請求項２に記載のガスタービン。
4. 前記ディスクは所定の回転方向に向かって回転し、前記径方向通路は、前記一方の開口端部分において前記基準仮想平面を境に前記回転方向とは反対側の領域に傾いていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン。
5. 回転軸を軸心とする曲面であって前記曲面上の全ての点から前記回転軸までの距離が全て等しい仮想曲面での断面において、前記回転軸と平行な方向の長さよりも前記ディスクの周方向の長さのほうが大きい形状となる部分を含んで形成される孔であって、前記ディスクに前記回転軸側から前記ディスクの外側へ向かって形成される径方向通路と、
   を備えることを特徴とするディスク。
6. ドリル刃が円盤状のディスクの回転軸を含む仮想平面と平行かつ、前記仮想平面から所定距離ずらされて設置されるボール盤に前記ディスクを取り付ける第１手順と、
   前記ドリル刃を前記仮想平面と平行に移動させて前記ディスクに孔である１個目の径方向通路を形成する第２手順と、
   前記ディスクを前記回転軸を軸に所定角度回転させる第３手順と、
   前記ドリル刃を前記仮想平面と平行に移動させて前記ディスクに孔である２個目の径方向通路を形成する第４手順と、
   前記第３手順と前記第４手順とを前記ディスクに所望の個数前記径方向通路が形成されるまで反復する第５手順と、
   を備えることを特徴とするディスクの径方向通路形成方法。

Images