JP2010535973A - 軸流流体機械におけるロータ - Google Patents

Abstract

本発明は、積層して配置され少なくとも１本のタイロッド（５８）で互いに締付け結合され、それぞれが或る外径を有する複数のロータ円板（１０、１４、１６、２４、２６）を備えた軸流流体機械におけるロータ（１２）に関する。比較的大きな圧縮機質量流量において特別高い圧力比に対して特に設計されたコンパクトな構造の特に安価なロータ１２を提供するために、本発明に基づいて、ロータ（１２）の少なくとも１つのロータ円板（２４、２６）がその隣のロータ円板（１６）より小さな外径を有し、その際に存在する直径差が、小さな外径のロータ円板（２４、２６）を環状に取り囲むドラム（２８）によって補償されている。その場合、ドラム（２８）だけが耐熱性材料で作られる。これに対して、ドラム（２８）で取り囲まれたロータ円板（２４、２６）はより安価な材料で作られ、これはコスト削減を生じさせる。またドラム（２８）はドラム（２８）で取り囲まれたロータ円板（２４、２６）の数よりも少なくとも１つ多くの動翼輪を支える。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層して配置され少なくとも１本のタイロッドで互いに締付け結合され、それぞれが或る外径を有する複数のロータ円板を備えた軸流流体機械におけるロータに関する。

上述のロータは従来古くから知られている。ロータに利用されるロータ円板は公知のようにその外周面に動翼が動翼輪の形で配置されている。それらの動翼によって、作動流れ媒体が圧縮される、すなわち、作動流れ媒体に含まれるエネルギがロータの回転運動に変換される。相互に接して積層された複数のロータ円板は少なくとも１本のタイロッドによって締付け固定されている。そのために、タイロッドはロータ円板を貫通して延び、その両端にねじ込まれたナットによって固定されている。そのタイロッドはロータ円板相互の固い接触を保証している。

また特許文献１で、溶接結合構造のロータがそのロータ内部領域を保護するための外側円胴状防熱外被を有することが知られている。

また特許文献２でガスタービンの冷却形ロータが知られている。そのロータ外周部は互い違いに圧着されたロータ円板外周部とそのロータ円板外周部間の翼保持体により形成され、そのロータ円板外周部は翼保持体の両側面から突出する環状リブに被さるように形成され、これによって、それぞれの翼保持体が２つのロータ円板間にかみ合い結合で締付け固定されている。

さらに特許文献３で、複数の部品から構成されたガスタービンのドラム形ロータが知られている。そのドラム形ロータは複数のリングを軸方向に結合して構成されたドラムを有し、それらのドラムはその外周部における相互の突合せ箇所で互いに溶接されている。ロータ円板の外周縁が隣り合うリング間の突合せ箇所の部分でかみ合い結合で縁（ふち）取られている。

エネルギの発生に利用されるガスタービンの効率を高めるためおよび出力を高めるための一般的な努力によれば、大きな圧縮機圧力比と同時に比較的大きな圧縮機質量流量が必要とされる。その大きな圧縮機質量流量は、例えばガスタービンの圧縮機の場合、５０ＭＷより大きな定格出力を生ずる。その大きな圧縮機圧力比は１：１６より大きくなる。その大きな圧力比のために、圧縮された空気の温度が数１００℃となる。高い空気温度は特に圧縮機後方段の範囲において圧縮機の隣の構成要素を加熱し、そのために、今日において増大した圧力比のために、従来利用されていた材料ではそこで生ずる温度に十分に耐えることができない。しかし、ロータ円板に対して耐熱性材料を利用する場合、大きな質量流量の圧縮機の構造的大きさのために、強度上および作業上の欠点が生じ、このために、そのロータ円板は限られた範囲でしか適用できず、限られた範囲でしか使用できない。また耐熱性材料は高価である。

独国特許出願公告第１９９１４２２７号明細書 独国特許第８９８１００号明細書 スイス特許第２３８２０７号明細書

本発明の課題は、積層して互いに接する複数のロータ円板から成る構想を維持した状態で、特に圧力比が１：１６より大きく質量流量が比較的大きい軸流流体機械、即ち、高圧圧縮機におけるロータを、コスト的に有利な構造で提供することにある。同時にそのロータが特に長い寿命を有するようにすることにある。またその圧縮機の効率を一層高めることにある。

この課題は冒頭に述べた形式のロータにおいて、ロータの少なくとも１つのロータ円板がその隣のロータ円板より小さな外径を有し、その際に存在する直径差が、小さな外径のロータ円板を環状に取り囲むドラムによって補償されていることによって解決される。

従って本発明に基づいて、（半径方向に見て）多分割形のロータが提案され、その半径方向内側に位置するロータ円板は半径方向外側に位置するドラムと異なった材料で作られる。それらの最も適した材料はドラムとロータ円板の異なった負荷に合わせて選定される。これによって、ドラム並びにそれにより取り囲まれた小さな直径のロータ円板は、それぞれの構成要素の特に長い寿命が達成される材料で作られる。同時にドラムを小さな直径のロータ円板に回り止め結合する方式を提案する。これによって、半径方向外側に位置するドラムと半径方向内側に位置するロータ円板との間のすべり性相対移動ができず、これによって、全体として関連構成要素間で伝達すべきトルクおよび力が損失なしに伝達される。また、ドラムは両ロータ円板間の隙間の漏れ止めを可能とし、これによって、従来その箇所に場合により存在した漏洩流がここでは防止される。これは圧縮機の効率を高める。

また、それらのロータ円板は直径が小さいために場合により存在する材料介在物（不純物）、欠陥箇所やクラック（亀裂）について、従来公知の大きな直径のロータ円板より良好に公知の超音波探傷法で検査できる。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

第１の有利な実施態様において、大きな外径のロータ円板が小さな外径のロータ円板の直ぐ隣に配置されている。動翼は大きな外径のロータ円板に直接取り付けられ、これに対して、小さな外径のロータ円板が配置されたロータの軸方向領域において、動翼はドラムに直接取り付けられている。すなわちロータは円板ロータ（動翼付きロータ円板）を備えた第１領域とドラム状ロータ（動翼付きドラム）を備えた第２領域とを有し、そのドラムロータは特にその全軸方向長にわたってドラムで取り囲まれたロータ円板を備えている。

他の有利な実施態様において、ドラムの環状のブリッジ部が小さな外径のロータ円板より半径方向内側に延び、この環状ブリッジ部は少なくとも部分的に小さな外径のロータ円板のハブ開口の中まで延びるような軸方向寸法を有している。この形態は機械的並びに熱的に特に大きく負荷できるドラムを生ずる。

好適には、ドラムで取り囲まれた（ロータの軸方向に見て）外側の両方のロータ円板が遠心力負荷を受けるためにドラムに鉤止めされている。従って、ドラムは少なくとも２つのロータ円板を取り囲み、その（軸方向に見て）両外側ロータ円板がそれらの外周部にそれぞれ軸方向に延びる環状フックを備え、これらの環状フックをこれに対応してドラムの内周面に設けられたフックあるいは溝に係合することができる。その鉤止め方向は、ドラムに作用する遠心力負荷が少なくとも部分的にロータ円板により受けられるように選定されている。これによって、ロータのその領域に生ずる遠心力負荷はドラムから半径方向内側に位置するロータ円板に一様に分配される。半径方向内側に配置されたロータ円板と半径方向外側に配置されたドラムを備えた積層可能な構造物を組み立てるために、少なくとも両外側ロータ円板がドラムに鉤止めされることが必要である。従って、ドラムが２つのロータ円板しか取り囲んでいない配置構造の場合、両ロータ円板がドラムに鉤止めされる。

本発明の特に有利な実施態様において、ドラムはロータ円板より耐熱性の大きい材料で形成されている。特にこれによって、耐熱性の高価な材料がドラムにしか使われないので、より安価なロータが得られる。本発明に基づく構造は、好適には、軸流圧縮機における圧縮過程中に特に４００℃よりも高い高温領域が生ずる後方段に利用される。耐熱性ドラムによって、ロータの寿命が少なくとも維持され、それどころか延長される。ドラム材料内の温度勾配に基づいてロータの内部に圧縮すべき空気より低い温度が生ずるので、ロータ円板は耐熱性に関してより低い要件で足る材料で作ればよい。それに応じて、ロータ円板の材料はドラムの材料より価格的に有利とすることができる。例えばドラムはニッケル基合金で作られ、このドラムで取り囲まれたロータ円板は耐熱鋼や合金で作られる。

ドラムとロータ円板とを特に固く確実に結合するために、環状のブリッジ部はそれぞれ隣のロータ円板のフランジ状の側面に接するフランジ状の両側側面を有している。好適には、ロータ円板の側面は環状ブリッジ部の側面にかみ合い結合で接している。例えばそのかみ合い結合はハース歯で形成される。他の実施態様において、ドラムが少なくとも１つの動翼を受けるための少なくとも１つの翼取付け溝を有している。好適には、その翼取付け溝は周溝として形成され、これによって、その周溝に動翼輪のすべての動翼をはめ込むことができる。その周溝の利用は動翼輪ごとの動翼数を特に多くすることを可能とする。また、周溝は軸方向に延びる動翼取付け溝より安価に製造できる。

本発明の特に有利な実施態様において、その周溝の数はドラムで取り囲まれたロータ円板の数より多い。従来技術では、各動翼段ごとに周溝付きの１つのロータ円板が利用されていた。これはロータに動翼を固定するために比較的大きな軸方向構造空間を必要とした。ここで提案された本発明の方式によれば、ロータ円板によるロータのモジュール構想を利用する場合でも、例えば２つのロータ円板を利用する際にドラムの外周面に別々の動翼輪の動翼をはめ込むことができる３つの周溝を設けることができるので、ロータおよび車室に対してそれぞれ比較的短い軸方向構造空間が得られる。これによって、軸方向空間が節約され、これは特に車室材料費を低減する。またロータの質量が減少される。従って全体として、ドラムの外周面が動翼輪の形に配置された動翼を受けるべく形成され、据付け可能な動翼輪の数をドラムで取り囲まれたロータ円板の数より多くできる。

本発明は、１：１６より大きな圧力比の圧縮機にこのロータを利用することが特に目的に適っており、その圧縮機は、好適には、エネルギ発生に利用される定置形ガスタービンの圧縮機である。好適には、そのガスタービンの定格出力は５０ＭＷより大きい。本発明は原理的に圧縮機のあらゆる領域で利用できる。従来技術で述べた問題は、特に外径が１２００ｍｍ以上の大きなロータ円板の場合に生ずるので、特にそのような大きなロータ円板が、本発明に基づく構造によって、より小さな外径の圧縮機ロータ円板とこのロータ円板を取り囲むドラムとで置き換えられることが特に有利である。従って特に好適には、本発明に基づくドラムはまた１２００ｍｍ以上の外径を有する。しかし本発明は勿論、（通常ならばドラムなしに圧縮機ロータ円板しか採用されないような場合にも）圧縮機ロータ円板が１２００ｍｍより小さな外径を有する圧縮機における部分領域に採用することもできる。従ってそのドラム外径も１２００ｍｍより小さくできる。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。本発明の他の特徴および利点は以下の図を参照した説明から理解できる。

本発明に基づくロータの一部縦断面図。 本発明に基づくロータの異なった実施例の図１に相応した一部縦断面図。 本発明に基づくロータのさらに異なった実施例の図１に相応した一部縦断面図。

図１にガスタービン（図示せず）における複数のロータ円板１０から成るロータ１２の一部を縦断面図で示している。ここではガスタービン用軸流圧縮機の高圧範囲に位置するロータ１２の部位が選択図示されている。軸流圧縮機の搬送方向は紙面左側から紙面右側に向いている。

ロータ円板１４、１６は公知の形態で形成され、その外周面１８にそれぞれ圧縮機の動翼を収容するために利用される円周方向に延びる周溝（動翼取付け溝）２０を有している。ロータ円板１４、１６はフランジ状に接触面２２で互いに接し、その接触面２２にかみ合い結合用のハース歯が設けられている。

ロータ円板１６の直ぐ下流に、即ち、図１においてもっと右側に示された領域に、２つの別のロータ円板２４、２６が設けられている。これらのロータ円板２４、２６はより小さな外径を有している。ここで用語「下流」および「上流」は軸流圧縮機内を流れる空気の流れ方向に関する。

その両ロータ円板２４、２６は縦断面Ｔ形で横断面円形の１つのドラム２８で取り囲まれている。このドラム２８はその内周面３０に半径方向内側に向いて突出した環状に連続したブリッジ部３２を有し、この環状に連続したブリッジ部３２は両側に側面３４を備えている。それらの側面３４は片側ではロータ円板２４に、反対側ではロータ円板２６にそれぞれ接触面３６、３８で接している。またそれらの側面３４はハース歯の形態のかみ合い継手が用意されるような構造となっている。

各ロータ円板２４、２６はその外周部位に軸方向に延びるフック４０、４２を有している。これによって、それぞれ側面に向いて開いた環状溝４１、４３が生じている。環状フック４０、４２はそれぞれドラム２８に形成されドラム２８の側面に向いて開いた無端環状溝４４、４６に係合している。これによって、環状溝４４、４６はロータ円板２４、２６に設けられたフック４０、４２に対する空所を形成している。

またドラム２８はその外周面に、動翼列の動翼がそれぞれはめ込まれる円周方向に延びる翼取付け溝４８、５０、５２を有している。そのために動翼は翼取付け溝４８、５０、５２に対応して形成された翼取付け脚を有している。翼取付け溝４８、５０、５２にはめ込まれる動翼は圧縮すべき媒体の最後の圧力増大を実行する翼段に属している。それに応じて、翼取付け溝４８、５０、５２には圧縮機の最終段の３つの圧縮機動翼輪が配置される。媒体（空気）の圧縮時に生ずるドラム２８の範囲における高温のために、ドラム２８はこのドラム２８で取り囲まれ従って半径方向内側に位置するロータ円板２４、２６より大きな耐熱性の材料で作られている。従って、ロータ円板２４、２６はその範囲ではドラム２８の範囲よりも低い温度しか生じないので耐熱性のより低い材料で作ることができる。また翼取付け溝４８と翼取付け溝５０との軸方向距離並びに翼取付け溝５０と翼取付け溝５２との軸方向距離は、ドラム２８の代わりに３つの個々のロータ円板を利用する場合の距離より小さい。これによって、圧縮機における軸方向構造空間が節約される。その軸方向構造空間の節約は全体としてガスタービンの安価な構造ないし圧縮機のより安価な構造を可能とする。

ドラム２８が一体に形成され、それに応じて、ドラム２８で取り囲まれたロータ円板２４、２６が心出しされるけれども、各タービンロータ２４、２６がドラム２８の内側面３０に鉤止めされていることが有利である。従って、ドラム２８の軸方向両側端５４、５６の僅かなアラインメントさえも不要となる。同時に動翼に由来するドラム２８の機械的遠心力負荷がロータ円板２４、２６に少なくとも部分的に伝達され、これにより、ドラム２８の周縁部における機械的負荷がドラム材料の許容限度内にとどめられる。

ロータ円板１０のハブ開口５７の中心を貫通して延びるタイロッド５８の代わりに、複数のロータ円板を互いに固く押着するために、機械軸線６０の周りに同心的に分散して配置された複数のタイロッドを利用することも勿論できる。

図２はガスタービンにおける図１と同じ部分を示し、図１と同一部分には同一符号が付されている。

図２に示されたドラム２８は図１の実施例と異なった環状ブリッジ部３２を有している。図２に示された第２実施例のドラム２８の環状ブリッジ部３２は、隣のロータ円板２４、２６の接触面２２に接する側面３４までしか半径方向内側に延びているのではなく、その部位から突出している。これによって、環状ブリッジ部３２はその半径方向端がロータ円板２４、２６の接触面２２より半径方向内側に位置するハブ部位６２も有している。これによって、ドラム２８のより大きな負荷容量が得られる。

図３に本発明の異なった実施例が示され、なお先の実施例と同一部分には同一符号が付されている。なお同一符号の部分は同じ機能を有するので、前述の説明は図３における同一の構造的特徴に対しても当てはまる。従って以下において図２との構造的相違点についてのみ詳述する。

図３におけるドラム２８は図２の場合と異なって、半径方向内側に更に大きく突出したハブ部位６３を有している。このハブ部位６３はこのハブ部位６３が半径方向においてロータ円板２４、２６のハブ部位６４の内側に位置するように軸方向に幅広く延びている。換言すれば、環状ブリッジ部３２のハブ部位６３は、このハブ部位６３が小さな外径のロータ円板２４、２６のハブ開口５７の中まで部分的に延びるように軸方向に広がっている。このようなハブ部位６３によって、ドラムの機械的応力は比較的小さくなり、これによって、ドラムは熱的負荷にもより良好に耐える。

従って本発明は全体として、少なくとも１本のタイロッド５８で互いに締付け結合され、それぞれが或る外径を有する積層構造で配置された複数のロータ円板１０、１４、１６、２４、２６を備えた軸流流体機械におけるロータ１２に関する。比較的大きな圧縮機質量流量において特別高い圧力比に対して特に設計されたコンパクトな構造の特に安価なロータ１２を提供するために、本発明に基づいて、ロータ１２の少なくとも１つのロータ円板２４、２６がその隣のロータ円板１６より小さな外径を有し、その際に存在する直径差が、小さな外径のロータ円板２４、２６を環状に取り囲むドラム２８によって補償されている。そのドラム２８だけが耐熱性材料で作られる。これに対して、ドラム２８で取り囲まれたロータ円板２４、２６はより安価な材料で作られ、これは経費の節減を生ずる。またドラム２８はそのドラム２８で取り囲まれたロータ円板２４、２６の数よりも少なくとも１つ多い動翼輪を支えることができる。

１０ ロータ円板
１２ ロータ
１４ ロータ円板
１６ ロータ円板
２４ ロータ円板
２６ ロータ円板
２８ ドラム
３２ 環状のブリッジ部
３４ 環状のブリッジ部の側面
３６ ロータ円板側面
３８ ロータ円板側面
４０ フック
４２ フック
４４ 環状溝
４６ 環状溝
４８ 翼取付け溝（周溝）
５０ 翼取付け溝（周溝）
５２ 翼取付け溝（周溝）
５７ ハブ開口

Claims (17)

1. 積層して配置され少なくとも１本のタイロッド（５８）で互いに締付け結合され、それぞれが或る外径を有する複数のロータ円板（１０、１４、１６、２４、２６）を備えた軸流流体機械におけるロータ（１２）であって、
   ロータ（１２）の少なくとも１つのロータ円板（２４、２６）がその隣のロータ円板（１６）より小さな外径を有し、その際に存在する直径差が、小さな外径のロータ円板（２４、２６）を環状に取り囲むドラム（２８）によって補償されていることを特徴とする軸流流体機械におけるロータ。
2. 少なくとも２つのロータ円板（２４、２６）がより小さな外径を有し、ドラム（２８）がその内周面（３０）に連続した環状のブリッジ部（３２）を有し、該環状ブリッジ部（３２）がドラム（２８）で取り囲まれた２つのロータ円板（２４、２６）間に軸方向に挟み付け固定されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 大きな外径のロータ円板（１４、１６）が小さな外径のロータ円板（２４、２６）の直ぐ隣に配置され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。
4. ロータ円板（２４、２６）がその全軸方向範囲にわたってドラム（２８）で取り囲ま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。
5. ドラム（２８）の環状ブリッジ部（３２）が小さな外径のロータ円板（２４、２６）より半径方向内側に延び、該環状ブリッジ部（３２）が少なくとも部分的に小さな外径のロータ円板（２４、２６）のハブ開口（５７）の中まで延びるような軸方向寸法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。
6. ドラム（２８）で取り囲まれた（ロータ（１２）の軸方向に見て）外側の両方のロータ円板（２４、２６）が遠心力負荷を受けるべくドラム（２８）に鉤止めされ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。
7. 両ロータ円板（２４、２６）がそれらの外周部に軸方向に延びる環状フック（４０、４２）を有し、これらの環状フック（４０、４２）がドラム（２８）に設けられた溝（４４、４６）に係合していることを特徴とする請求項６に記載のロータ。
8. ドラム（２８）が小さな直径のロータ円板（２４、２６）よりも耐熱性の大きい材料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。
9. 環状ブリッジ部（３２）がフランジ状の両側側面（３４）を有し、該両側側面（３４）がそれぞれ隣のロータ円板（２４、２６）のフランジ状の側面（３６、３８）に接していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のロータ。
10. ロータ円板（２４、２６）の側面（３６、３８）と環状ブリッジ部（３２）の側面（３４）が互いにかみ合い結合で接していることを特徴とする請求項９に記載のロータ。
11. かみ合い結合がハース歯で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のロータ。
12. ドラム（２８）が少なくとも１つの動翼を受けるための少なくとも１つの翼取付け溝（４８、５０、５２）を有していることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のロータ。
13. 翼取付け溝（４８、５０、５２）が周溝として形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のロータ。
14. ドラム（２８）で取り囲まれたロータ円板（２４、２６）の数よりも多い周溝（４８、５０、５２）が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載のロータ。
15. ドラム（２８）の外周面が動翼輪の形に配置された動翼を受けるために形成され、据付け可能な動翼輪の数がドラム（２８）で取り囲まれたロータ円板（２４、２６）の数より多いことを特徴とする請求項１４に記載のロータ。
16. 請求項１ないし１５のいずれか１つに記載のロータ（１２）を備えていることを特徴とする圧縮機。
17. 請求項１６に記載の圧縮機を備えていることを特徴とするガスタービン。

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