JP2010520967A - ガスタービンのロータ - Google Patents

Abstract

熱流体機械特にガスタービンのロータ（２）は複数のロータ部分（６）を備え、これらのロータ部分（６）はそれらの中央を通して導かれた連結棒（４）によってロータ単一体の形に集合結合されている。ガスタービンの構造長が増大された場合でも、確実で安全な運転が保証されねばならない。その場合、連結棒（４）の固有振動周波数をタービンの回転数に比べて高い周波数に遷移するようにしなければならない。そのために連結棒（４）は、それを取り囲むロータ構成要素に支持輪（１４）によって当接支持され、その支持輪（１４）は、２分割構造の中間中空軸（１１）の両管部分（１１ａ、１１ｂ）間に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は特許請求の範囲の請求項１の前文に記載のガスタービンのロータに関する。また本発明はかかるロータを備えた熱流体機械に関する。

熱流体機械には蒸気タービン、ガスタービン並びに圧縮機が属する。これらの熱流体機械は、通常、静止ハウジング（車室）で取り囲まれ回転可能に支持されたロータを有している。熱流体機械の静止構造物はまとめてステータとも呼ばれる。ロータとステータとの間に、流体機械の軸方向に延びる圧縮性作動媒体の流路が形成されている。通常、その流路の中に突出し翼輪や翼列の形に結合された多数の動翼がロータに取り付けられている。例えばガスタービンのような動力機械の場合、それらの動翼は加圧高温作動媒体による衝撃伝達によってロータ軸を駆動するために用いられる。即ち、作動媒体の熱エネルギはその膨張時に機械エネルギに転換され、例えば発電機を駆動するために利用される。

作業機械に属する回転圧縮機の場合、ロータ軸は逆に例えば電動機や内燃機関によってあるいは他の様式で駆動される。そのロータ側に配置された動翼は流路内に存在する作動媒体を圧縮するために用いられ、その作動媒体はこの過程中に同時に熱くなる。即ち、機械エネルギが作動媒体の熱エネルギに転換される。

回転子とも呼ばれるガスタービンのロータは、通常、大きな機械的および熱的負荷を受ける。ガスタービンの運転中において殊に作動媒体の高い温度およびロータに作用する力によって、ロータを形成するロータ構成要素は大きく負荷される。それにもかかわらず、一方では運転安全性を保証するために、他方ではロータの製造費を許容限度内に抑えるために、かかるタービンロータに対して種々の構造方式が過去に提案されている。

ロータの提案済みの或る形態は例えば単一品からの製造によって実現される。かかる製造方式はしかし製造工程に比較的手間がかかる。特に標準的な前加工も並行加工もできないので、長い製造時間がかかる。また、翼を取り付けるために必要な輪郭をそれに応じた工具で製造するために、隣り合う動翼輪間のより大きな軸方向間隔が甘受されねばならない。しかし、隣り合う動翼輪間の製造上生ずる大きな軸方向間隔はロータ動特性を害する。

さらに、ガスタービンロータを個々のロータ部分（タービン円板）から構成することも知られ、その個々のロータ部分は連結棒（タイロッド）を介して集合結合されている。そのために、各ロータ部分は連結棒が貫通する軸方向に延びる孔を有している。連結棒の両端にねじ結合されたナットによって、連結棒が締付けられ、これによって、端面で相互に接するロータ部分は互いに締付け結合される。その場合、ロータ部分は連結棒によって互いに押し合わされ、それに作用する回転力を、それぞれ端面側に配置され互いに隣り合うロータ部分間にかみ合い継手を形成するいわゆるハース歯（リングギヤ）を介して伝達する。

ガスタービンのロータはタービンの車室内に配置され、両端が適切な軸受によって支持されている。ナットを利用する代わりに、外被側が複雑に形成された部品を連結棒端にねじ込むこともでき、その部品はロータ部分の締付け結合のほかに、例えばラジアル軸受および／又はスラスト軸受におけるロータの支持のような他の機能を果たすことも可能とする。

しかし、ガスタービンの運転中、ロータに振動が生じ、その振動周波数は（そのような構造様式の場合）特に両側スラスト軸受間の距離、即ち、ロータの自由振動長および特に連結棒の自由振動長に関係する。ガスタービンの構造長が増大するにつれて、連結棒の自由振動長も増大し、これは、その固有振動周波数をロータ構成要素の回転周波数近くの低いレベルに遷移させる。この周波数の遷移はガスタービンの運転中に許容できない大きな振動振幅を生じさせ、これはロータの機能を害し、タービンを損傷させる。

従って、構造長が増大された場合も、特に連結棒の固有振動周波数を運転回転周波数のかなり上に保つことが望ましい。これによって、一方では、ガスタービンの運転安全性が保証され、他方では、これによって、例えばガスタービンの構造長の拡大を必要とする、増大した出力需要に応えられる。

本発明の課題は、構造長が増大された場合でもガスタービンの安全運転を保証する冒頭に述べた形式のロータを提供することにある。また、連結棒の振動振幅が特に（ロータの中間部位に配置された）中間中空軸の範囲においてできるだけ小さいようにすることにある。

この課題は本発明に基づいて、連結棒がその中間部位において当接支持されることによって解決される。その場合、ロータのタービン側部位と圧縮機側部位との間に配置された支持輪が連結棒を当接支持するロータ構成要素となっている。

本発明は、連結棒の振動を減少するために連結棒がロータ構成要素に当接支持されるという考えから出発している。その場合、熱的条件上に起因する複数のロータ構成要素の異なった膨張が補償可能にされねばならない。その際に、特にタービン出力を増大するという要求に基づいてその構造長が増大し、このために連結棒の固有振動周波数がガスタービンの運転回転周波数に近づくことを考慮されねばならない。連結棒振動の減少は、連結棒が支持輪によって当接支持されることによって達成される。その支持輪はロータ構成要素の１つであり、その支持輪は、好適には（ロータの軸方向に見て）、タービンの運転中に生ずる振動の振幅がその最大値に達する部位で連結棒に結合されている。

連結棒の固有振動周波数を回転周波数のかなり上に維持するために、ロータ構成要素のできるだけ大きな剛性が必要である。そのために、ロータのタービン側部位と圧縮機側部位との間に、即ち、場合により生ずる連結棒振動時における連結棒の最大変位箇所に、この支持輪が配置されている。ガスタービンにおいてその部位は例えばロータの圧縮機側部位とタービン側部位との間に位置する。これによって、振動技術上において特に効果的位置での連結棒の当接支持が可能となる。

連結棒の当接支持は、好適には、支持輪が連結棒に摩擦結合および／又はかみ合い結合されていることによって達成される。例えば支持輪を連結棒上に焼きばめすることができる。この結合方式は、それによって簡単な様式で支持輪と連結棒との特に固い結合が可能となるので、特に適している。ガスタービンの運転中に生ずる熱的条件に起因する複数のロータ構成要素の異なった膨張、特に支持輪と連結棒との異なった膨張は、有利な様式で、特に少なくとも１つのロータ構成要素がある形状（Profile）を備えていることによって補償される。

例えば支持輪のハブの前記形状（Profile）によって、連結棒と支持輪との結合を、複数のロータ構成要素の異なった加熱に基づく体積差が十分に補償されるように、弾性的に形成することができる。そのために特に、支持輪のハブはロータの縦断面に見て球面形状を備えている。このように形成されたハブの結合側における柔軟な形状によって、ロータ構成要素の応力および割れの発生を防止することができる。支持輪ハブの球面形状は次のように換言することもできる。即ち、連結棒の円筒状外周面に対向する支持輪の連結棒貫通孔の内周面が（軸方向に見て）湾曲され、その湾曲が連結棒外周面に向けられている。

目的に適った他の実施態様において、この支持輪は両側に隣接して配置された２つのロータ部分にハース歯（ハース継手）によって結合されている。かかる軸方向に作用する継手の利用のもとで、ロータに作用するトルクはこの支持輪を介して伝達される。また、ハース歯によって、異なった熱膨張変形および遠心力変形を受けるための半径方向のガイドが保証される。これによって特に、熱的条件に起因する支持輪の不均一な膨張に基づいてガスタービンの運転中に発生する振動を減少することができる。

特に有利な実施態様において、支持輪に複数の冷却開口が設けられ、それらの冷却開口は、好適には、ハブの周りに一様に分配して配置されている。これによって有利に、冷却のために支持輪に設けられた切欠き開口に基づいてリブ構造が形成され、このリブ構造は、ロータの軸方向における冷却材の貫流を可能とする。さらに一方では、それらの切欠き開口設置によって支持輪の表面積が増大され、このように形成された冷却空気開口によって、ロータの内部における冷却空気の支障ない搬送が可能とされる。

連結棒とロータ部分との間におけるロータの軸方向の冷却材特に冷却空気の貫流を保証するために、冷却開口として用いられる切欠き開口が支持輪にハブの近くで始まって設けられていると有利である。これによって、支持輪の冷却並びに冷却材の流れ方向に見て下流に配置された複数のロータ構成要素に対する冷却空気の供給が可能となる。連結棒は冷却材の適切な案内のために同心的に配置された複数の冷却材分離管によって取り囲むことができ、これらの冷却材分離管は、連結棒とこれを取り囲む複数のロータ構成要素との間に形成されたダクトを半径方向に隣接する複数の部分冷却ダクトに分割している。これによって、特にそれぞれのタービン段の冷却需要に応じたロータ構成要素の冷却を達成することができる。即ち、このように形成された複数の冷却空気開口によって、ロータの内部における冷却空気の支障ない搬送が可能となる。それらの冷却空気分離管は支持輪を収容するために軸方向において２つの部材に、それらの両部材の支持輪の方向に向いた端部が支持輪にそのために設けられた受け溝に案内されるように、分割されている。

従って、これらの冷却材分離管は、一方では、改善された熱排出路を実現し、他方では、このロータ構成要素の熱容量が減少される。

通常、冒頭に述べた形式のロータにおいて、ロータの圧縮機側部位とタービン側部位との間にいわゆる中間中空軸が配置されている。この中間中空軸は、本発明に基づく支持輪を利用する際、軸方向において少なくとも２つの管部材に分割されている。好適には、それらの管部材は同じ長さを有している。

本発明によって得られる利点は特に、連結棒に結合された支持輪によって、増大された構造長の場合でもガスタービンの特に安全な運転が可能とされることにある。特に、連結棒の適切な当接支持によって、その振動振幅を特に小さく保持することができる。また、この構成により、比較的僅かな経費で連結棒の固有振動周波数の的確な増大が実現できる。さらに、連結棒と支持輪として形成されたロータ部分との間の熱的条件に起因する相対運動が特に良好に相殺される。しかも同時に、ロータ構成要素の大きな熱的負荷のために必要な冷却も、圧力と温度が異なった冷却空気が冷却材分離管で分離されて案内される場合でも、ロータの軸方向に延びる冷却空気案内によって保証される。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号が付されている。

本発明に基づくタービンロータの縦断面図。 タービンロータの部分拡大縦断面図。 支持輪の概略斜視図。 支持輪の部分縦断面図。 図４のＩＶ部の拡大詳細図。

連結棒（タイロッド）４によって集合保持され単一体の形に結合された複数のロータ部分６を備えたガスタービンのロータ２が図１に縦断面図で示されている。

そのロータ２は圧縮機側部位１とタービン側部位３を有し、その両部位１、３はそれぞれ複数のロータ部分６を備えている。タービン円板として形成された各ロータ部分６には結合側に、即ち、端面側に、ロータ２の中心軸線Ｍに対して対称なハース歯の形態の複数の切り欠きが設けられている。その切り欠きによる輪郭は隣り合うロータ部分６の輪郭に一致して形成され、これによって、中心軸線Ｍに対して複数のロータ部分６が同心的に整列される。

各ロータ部分６には中央に軸方向に延びる孔１０が設けられ、この孔１０を通して連結棒４がこれらのロータ部分６に対して空間を隔てて貫通している。また、圧縮機側ロータ部分６とタービン側ロータ部分６の間に中間中空軸１１が配置されている。連結棒４は両側端がそれぞれ１つのロータ部分７、９にねじ結合され、これによって、その両ロータ部分間に位置するすべてのロータ部分６は相互に集合保持され締付け結合される。ロータ部分６間に存在する空所８は複数のロータ構成要素を冷却するために冷却材を案内するために用いられ、その冷却空気は連結棒４とロータ部分６との間に形成された冷却ダクトを通して導かれる。

連結棒４をそれを取り囲む複数のロータ構成要素、即ち、ロータ部分６によって適切な様式で当接支持するために、２つのロータ部分６間に、好適には、ロータ２の圧縮機側部位１とタービン側部位３との間に、支持輪１４として形成されたもう１つのロータ部分６が挿入されている。そのために、従来において単一体であった中間中空軸１１が２つの管部分１１ａ、１１ｂに分割され、その両管部分１１ａ、１１ｂ間に支持輪１４が好適には締付け固定されている。その支持輪１４はロータ構成要素の１つとなっている。その場合、複数のロータ部分６と支持輪１４は連結棒４によって互いに締付け結合され、その支持輪１４は連結棒４に、その他のロータ部分６とは異なって、追加的に摩擦結合および／又はかみ合い結合されている。

詳しくは、タービン側部位３に最も近く配置された圧縮機側ロータ部分６ａと圧縮機側部位１に最も近く配置されたロータ部分６ｂとの間に、少なくとも２つの管部分１１ａ、１１ｂを含む中間中空軸１１が配置され、その両管部分１１ａ、１１ｂ間に支持輪１４が締付け固定されている。

連結棒４を中間中空軸１１の部位で当接支持するほかに、追加的に圧縮機側部位１あるいはタービン側部位３において円錐形ダンパのような適切な減衰要素によって連結棒４をその振動に対して防護することもできる。これらの減衰要素は連結棒４と連結棒貫通孔１０との間に通常存在する隙間を埋め合わせる。

図２はロータ２の圧縮機側部位を縦断面図で詳細に示している。図２にロータ２の圧縮機側部位のタービン円板として形成された全部で３個のロータ部分６が示されている。タービン側部位３（図示せず）に最も近い圧縮機側ロータ部分に符号６ａが付されている。そのロータ部分６ａの端面側に中間中空軸１１の一方の管部分１１ａが接している。また半径方向内側に２つの別個の冷却空気分離管１３が設けられている。それらの冷却空気分離管１３も支持輪１４を収容するために軸方向に２つの部分に、その両部分の支持輪１４の方向に向いた端部が支持輪１４にそのために設けられた受け溝に案内されるように、分割されている。

図３は複数の冷却開口１２を備えた支持輪１４を示し、その冷却開口１２として用いる複数の切欠き開口１２の深さはこの箇所における支持輪１４の材料厚さに相当している。これらの切欠き開口１２は支持輪１４の横断面にわたり一様に分布して設けられ、これによって、支持輪１４の一様な冷却が行われ、従って、応力および不均一な変形の発生が防止される。また、支持輪本体１５に設けられた複数の切欠き開口１２により増大された冷却面積に基づき多量の熱が搬出されるので、冷却材への熱伝達が特に効果的に行われる。

ガスタービンの運転中にロータ２に作用する力を良好に受け伝達するために、支持輪１４のリムの両側端面にハース歯１８が設けられている。２つの管部分から成る中間中空軸１１は対応したハース歯で支持輪１４の両側面に接している。このように形成されたかみ合い継手によって、コンパクトな構造で大きなトルクを伝達することができるほかに、ハブ１６内を導かれた連結棒の自動調心作用を実現することができる。また、異なった熱膨張変形および遠心力変形を受けるための半径方向のガイドが保証され、従ってガスタービンの安全運転が保証される。

図４と図５から明らかに理解できるように、支持輪１４のハブ１６は連結棒側が球面形状を有している。この球面形状は特に簡単な様式で、ハブ１６の中央部に設けられた周状の溝２０並びに端面側が連結棒の周りを延びる縁の丸みによって実現することができる。ハブ１６のこの連結棒側の形状は、ガスタービンの運転中に生ずる連結棒４と支持輪１４との間の変形差の補償を可能とする。さらに、この特殊な形状によって、ハブ１６の中心から支持輪１４の両端面に向けた応力の分配が行われる。しかし、これにより生ずる端面側部位における増大した応力はほとんど問題なく、これによって、連結棒側の柔軟な形状によって、ガスタービンの運転安全性が著しく高められる。

１ ロータの圧縮機側部位
２ ロータ
３ ロータのタービン側部位
４ 連結棒
６ ロータ部分
１１ 中空軸
１２ 開口
１４ 支持輪
１８ ハース歯（リングギヤ）

Claims (9)

1. 圧縮機側部位（１）とタービン側部位（３）を備え、その両部位にそれぞれ複数の個々のロータ部分（６）が設けられ、これらのロータ部分（６）が少なくとも１本の連結棒（４）によって相互に押し合わされロータ単一体（２）の形に集合結合され、各ロータ部分（６）が連結棒（４）のためにそれぞれロータ（２）の軸方向に延びる連結棒貫通孔を有し、この連結棒貫通孔を通して少なくとも１本の連結棒（４）がそれぞれのロータ部分（６）から空間を隔てて延びているガスタービンのロータ（２）であって、
   ロータ（２）のタービン側部位と圧縮機側部位との間に、支持輪（１４）として連結棒（４）を支持する少なくとも１つの他のロータ部分（６）が配置されていることを特徴とするガスタービンのロータ（２）。
2. 支持輪（１４）が連結棒（４）に摩擦結合および／又はかみ合い結合されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ（２）。
3. 支持輪（１４）が連結棒（４）との結合側に好ましくは特殊な球面形状を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ（２）。
4. 支持輪（１４）が連結棒（４）上に焼きばめられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のロータ（２）。
5. 支持輪（１４）がその両側に隣接して配置されたロータ部分（６）にそれぞれハース歯（１８）によって結合され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（２）。
6. 支持輪（１４）が冷却材貫流用の複数の開口（１２）を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のロータ（２）。
7. ロータ（２）のタービン側部位に最も近く配置された圧縮機側ロータ部分（６）と圧縮機側部位に最も近く配置されたタービン側ロータ部分（６）との間に、少なくとも２つの管部分（１１ａ、１１ｂ）から成る中間中空軸（１１）が配置され、その両管部分（１１ａ、１１ｂ）間に支持輪（１４）が配置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（２）。
8. タービン側ロータ部分（６）および／又は圧縮機側ロータ部分（６）がそれぞれタービン円板で形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のロータ（２）。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載のロータ（２）を備えていることを特徴とする熱流体機械。

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