JP2012510580A - ブレードルートとディスクとの間にロック用プレートを有したガスタービン - Google Patents

Abstract

タービンディスク（３６）上に多数の冷却可能な動翼（１２）を備え、各動翼が、タービンディスクの、軸線方向に延在した動翼保持スロット（３０）内に配設されたブレードルート（３２）を有し、各ブレードルートと動翼保持スロットのベースとの間に、動翼に動翼保持スロットに沿ったズレが生じないよう固定するためのロック用プレート（５６）が配設されており、ロック用プレートが折り込み部（５８）によってタービンディスクに取り付けられてなるガスタービン用タービンローター（８）において、冷却媒体供給用の冷却空気供給通路（４８）が動翼保持スロットのベースに通じており、ロック用プレートは冷却媒体を通すための冷却空気孔（６２）を有し、ブレードルートはタービン軸線に対して実質的に方位角方向に延在した２つのスロット（５２）を備え、ロック用プレートは該スロットに形状接続的に接続可能となるよう配設された２つの舌部（５４）を備える。

Description

本発明は、ガスタービン用タービンローターに係り、詳しくは、複数の動翼を備え、これら動翼が、動翼列を形成するよう組み付けられ、かつタービンディスク上に配設されるとともに、それぞれブレードルートを有しており、各ブレードルートが前記タービンディスクの、軸線方向に延在した動翼保持スロット内に配設されており、各ブレードルートと前記動翼保持スロットのベースとの間にはロック用プレートが配設されており、動翼が前記動翼保持スロットに沿って移動しないよう固定するために、該ロック用プレートが折り込み部によって前記タービンディスクに取り付けられてなる、タービンローターに関する。

ガスタービンは発電機あるいは被駆動装置を駆動するために多くの分野で用いられている。この場合、タービンローターの回転運動を生むために燃料のエネルギー内容物が使用される。このため、燃料が燃焼室にて燃焼される。燃焼室には空気圧縮機より圧縮空気が送り込まれる。燃料が燃焼することによって前記燃焼室にて生成された高圧高温とされた作動媒体はこの場合タービンユニットを通るように向けられる。タービンユニットは前記燃焼室の下流側に接続されており、ここにおいて作動媒体は膨張し、仕事をする。

タービンローターの回転運動を発生させるために、この場合多数の動翼がこのタービンローターに配設されている。それら動翼は、一般に、ブレード群あるいはブレード列として組み立てられている。この場合、各タービンにあっては、一般に、タービンディスクのためにステージが準備されており、前記タービンディスクに、多数の動翼がそれぞれのブレードルートによって固定されている。タービンユニットにおいて前記作動媒体の流れをガイドするため、さらに通常は、隣接した動翼列の間に静翼が配設されている。これら静翼は、タービンケーシングに接続され、かつ静翼列を形成するよう組み付けられている。

ガスタービンの燃焼室は、いわゆる環状燃焼室として構成することができ、そこにおいて多数のバーナーが、耐熱囲繞壁によって囲まれた共通の燃焼室空間の内部に導かれている。それらバーナーは、前記タービンローターの周囲に円周方向に沿って配設されている。このため、燃焼室は全体として環状構造とされている。単一の燃焼室に加え、複数の燃焼室を設けることもある。

一般に、タービンユニットの第１の静翼列は、前記燃焼室に直接接合しており、かつ、作動媒体の流れ方向で見て直ぐ後段の動翼列と共にタービンユニットの第１のタービン段 (turbine stage) を形成する。通常は、この第１のタービン段に対して下流側にさらなるタービン段が接続されている。

このようなガスタービンの設計においては、通常、所定の出力を達成することに加え、特に高い効率がその目的とされる。この場合の効率の向上は、熱力学的な見地から、基本的には、作動媒体が燃焼室から流れ出かつタービンユニットへと入り込むところの出口温度を上昇させることによって達成可能である。この場合、ガスタービンでは略１２００℃〜１５００℃を目標とされており、そして実行されている。

しかしながら、作動媒体のこのような高温は、これに曝される部品や部位がこれによる高い熱負荷を受けることになる。タービンディスク及びタービンローターを熱い作動媒体の侵入から守るために、従来よりタービンディスクはシールプレートが設けられる構成とされている。これらシールプレートは、タービンディスクの、タービン軸線に対して垂直となる表面に、円形状に取り囲むように取り付けられる。この場合シールプレートは、通常、タービンディスクのそれそれの側に、各タービンブレードに対して設けられる。これらシールプレートはこけら状方式 (shingle-like manner) で重なり合わされ、また通常、シールウィングを有している。シールウィングは、熱い作動媒体がタービンローターの方向に侵入しなよう、静翼にできる限り近づくように延在したものとされている。

前記シールプレートは別の機能をも満足させる。それらシールプレートは、対応の固定手段によってタービンブレードの軸線方向の固定に寄与する。さらにシールプレートは、タービンディスクを外部からの熱ガスの侵入に対してシールするだけでなく、冷却空気の漏洩をも防止する。この冷却空気は、タービンディスクの内部に案内され、かつ通常はさらに、タービンブレードそのものを冷却するよう向けられるものである。

しかしながら、上述の、分割されかつこけら状方式とされたシールプレートを備えたタービンディスクの構成は概して複雑である。かなり多数のシールプレートが必要となり、このことがタービンディスクの製造コストを相対的に引き上げ、かつこれによりガスタービン全体としてのコスト高となる。さらに、この構成がため、タービンディスク部分のに必要とされる補修費も概ね高価なものとなる。

冒頭で述べたタービンローターは、それぞれ特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４から公知のものである。加えて、特許文献５から、動翼内部に流れる冷却空気の量を複数のプレートによって調節することが知られている。ここでのプレートは、そのためのみに設けられたものである。

欧州特許第１７０３０７８号公開公報 (EP 1 703 078 A1) 独国特許第１９９２５７７４号公開公報 (DE 199 25 774 A1) 英国特許第６４３９１４号公報 (GB 643,914) 独国特許第１００３１１１６号公開公報 (DE 100 31 116 A1) 米国特許第４４７０７５７明細書 (US 4,470,757)

従って本発明は、最も高い運転信頼性、及びガスタービンの可能な限りの最高効率を保持しつつ単純な構造を可能とする、ガスタービン内に装着されるガスタービン用タービンローターを開示することを目的とするものである。

上記の目的は、本発明により、冷却媒体を送るため動翼保持スロットのベースに至る冷却空気送り通路によって、また、冷却媒体が通るための多数の冷却空気案孔を有した各ロック用プレートによって、及び、実質的にタービン軸線に対して方位角方向に延在する２つのスロットを持った各ブレードルートによって、そして、シールのために形状接続的に (form-fitting manner) 前記ブレードルートの前記スロットに接続可能に配設された２つの舌部を持った各ロック用プレートによって、達成される。

本発明は、シールプレートがこけら状に配設された従来の構造が単純化されれば、ガスタービンの構造、とりわけタービンディスク部分の構造の単純化は可能であろうとの見地からスタートしている。特にシールプレートを完全になくすことができれば特別な単純化が可能となるであろう。しかしながら、その結果タービンブレードの軸線方向の固定をなくすことには問題がある。このため、各ブレードとタービンローターとの間にロック用プレートが配設される。このロック用プレートは、ブレードルートのタービンディスクへの固定を特に単純化し、かつ、固定に関する各幾何学的要求に柔軟に適応できるものである。

各ロック用プレートはこの場合、タービンディスクへの固定のためにいくつかの折り込み部 (fold) を有している。それらはタービンディスクを軸線方向に取り囲んでおり、それにより確実な固定がなされるようになっている。また、折り込み部による固定は、未だ折り込まれていない平らなロック用プレートが最初にタービンブレードのブレードルートに取り付けられ、ブレードルートがロック用プレートと共に挿入され、次いでロック用プレートが軸方向に折り重ね合わされるといったことにより、とりわけ製造の面からも好都合である。その結果、確実な固定といったことに加え、組付けを単純化することが可能となる。

ロック用プレートに対するブレードルートの確実な軸線方向取付けを保証するために、各ブレードルートは、まず、本質的にタービンローターに対して方位角方向に延在したいくつかのスロットを有しており、かつ、各ロック用プレートはさらに、前記ブレードルートのスロットに接続できるように形状接続的に配設されたいくつかの舌部を備えている。従って、前記スロットが、ロック用プレートの舌部に対応するソケットして機能する。このように、形状接続による溝内舌部接続 (tongue-in-groove connection) の結果、ブレードルートに対するロック用プレートの確実な軸線方向の接続が実現される。

さらに、各ロック用プレートはいくつかの冷却空気孔を備えている。その結果、冷却空気が、タービンディスクの内部を介しかつロック用プレート内の対応する冷却空気孔を介して、ブレードルートの内部すなわちタービンブレードの内部に向けられ、その結果タービンブレードの確実な冷却が可能となる。

動翼を冷却することを考慮して、保持スロットのベースに至る冷却空気送出通路を介して動翼に冷却空気を供給することができる。この場合、冷却空気送出通路から動翼内部への冷却空気ができるだけ少ないロスで移動できるようにするため、ブレードルート及びロック用プレートの前記溝内舌部接続、及び、ロック用プレートにおけるブレードルートの下側とスロットベースとの間の組み付けもまたシールとして構成されている。

上記従来のシールプレートは、動翼の軸線方向固定に寄与するのみならず、内部空間からタービンローターの方向に侵入して損傷を与えるおそれのある熱ガスに対してもブレードルートをシールする。シールプレートが存在しないにも拘わらず、熱い作動媒体の侵入に対するタービンディスク及びタービンローターの充分なシールを達成するためには、他の構成部品によって相応のシールがなされるべきである。この場合、要求される構造の単純化のため、プロセス内に新たな構成部品を付加すべきでなく、既に利用可能な部品の相応の改良によりシール機能を達成すべきである。このため、この場合、隣接する静翼列にまで延在するシールウィングが、動翼のブレードルートに好都合に固定される。

各シールウィングは、好都合に、タービンローターに対し、本質的に軸線方向にかつ方位角方向に延在している。従って、高温の作動媒体の侵入する可能性のある方向に対して垂直となる面でのシールが実現されている。その結果、ブレードルートの下方における領域において、ガスタービンの内部に流れる熱いガスに対して、タービンローターの方向における完全なシールが実現されている。

さらに有利な改良では、各ブレードルートが両軸線方向にシールウィングを有している。これにより、熱いガスの侵入に対するシールが、タービンブレードの両側において可能となる。

このようなガスタービンは、ガスタービンプラント及びスチームタービンプラントに好適に用いられる。

本発明に関連する優位点は、特にガスタービンのブレードルートとタービンディスクとの間にロック用プレートを導入したことにより、従来のシールプレートを不要とし、ガスタービンを事実上単純化し、より好ましい構成とすることが可能であることである。動翼列の全体構成が結果的に単純化され、重量を軽減でき、機械的負荷をより少なくし、タービンディスクをより小型に、好都合な構成とできる。さらに、シールプレートをタービンディスク内に取り付けるために従来必要であった複雑なスロットを不要とできる。ブレードルートを溝内舌部接続によってタービンディスクに取り付ける結果、とりわけ軸線方向取付けが確実に保証され、シールプレート無しでも運転中の摩滅を比較的低く維持できる。

ガスタービンの全体を示す半断面図である。 シールプレートを備えたガスタービン用タービンディスクの外周部を示す半断面図である。 シールプレートを持たないガスタービン用タービンディスクの外周部を示す半断面図である。 ロック用プレートの拡大図である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照してより詳細に説明する。

全図において、同様の構成要素には同一の符号を付してある。

図１に示すガスタービン１は、燃焼空気のためのコンプレッサー２と、燃焼室４と、前記コンプレッサー、発電機、及び被駆動装置を駆動するためのタービンユニット６と、を備える。さらに、タービンユニット６及びコンプレッサー２は共通のタービンローター８に設けられている。タービンローターはタービン回転コンポーネントとも称される。該タービンロータは、これに前記発電機又は前記被駆動装置が接続され、かつ中心軸線９回り回転可能に設けられている。燃焼室４は環状燃焼室の形式とされたもので、液体燃料あるいは気体燃料を燃焼させるための複数のバーナー１０を備えている。

タービンユニット６は、回転可能な動翼１２を複数有している。これら動翼はタービンローター８に接続されている。これら動翼１２は、タービンローター８に環状に配設されており、これにより複数の動翼列を形成している。さらに、タービンユニット６は固定された複数の静翼１４を備えている。これら静翼もまた、タービンユニット６の静翼支持体１６に環状に固定され、静翼列を形成している。ここで、動翼１２は、タービンユニット６を流れる作動媒体Ｍからの衝撃エネルギーの変換の結果タービンローターを駆動するためのものとして機能する。他方、静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に連続した２つの動翼列間あるいは動翼リング間における作動媒体Ｍの流れガイドとして機能する。静翼１４又は静翼列のリング、及び、動翼１２又は動翼列のリングから成る連続した対は、タービン段とも称される。

各静翼１４はプラットフォーム１８を有す。該プラットフォーム１８は、各静翼１４をタービンユニット６の静翼支持体１６へ固定するための壁要素として配設されている。この場合プラットフォーム１８は、比較的高い熱負荷を与えられた構成部品であり、タービンユニット６を流れる作動媒体Ｍのための熱ガス通路の外側限界を形成している。各動翼１２は、同様に、プラットフォーム１９を介してタービンローター８に固定されている。

隣接した２つの静翼列の各静翼１４における、離間配置されたプラットフォーム１８同士の間には、ガイドリング１２が配設されている。ガイドリング１２は、この場合タービンユニット６の静翼支持体１６に設けられている。この場合、各ガイドリング２１の外面も、タービンユニット６を流れる熱い作動媒体Ｍに曝されており、かつ、ギャップを介して、対向する動翼１２の外端から放射方向所定距離に位置している。

隣接した静翼列の間に配設されたガイドリング２１は、この場合特にカバー部材として機能し、静翼支持体内の内部ケーシング１６あるいは該ケーシングのその他の装備部品を、タービン６を流れる熱い作動媒体Ｍによってもたらされる過熱負荷から保護する。

本実施形態による燃焼室４はいわゆる環状燃焼室として構成され、多数のバーナー１０が共通の燃焼室空間内に設けられている。それらバーナー１０は、タービンローター８を囲むようにタービンローターの周囲に配設されている。このため燃焼室４は、全体として、タービンローター８を囲むように位置する環状構造とされている。

図２は、従来技術に係るタービンユニット６の動翼段を、タービンローター８に取り付けられているタービンディスクの外周に沿って詳細に示す断面図である。

動翼１２は、ブレードルート (blade root) ３２によって動翼保持スロット３０内に配設されている。動翼１２のブレードルート３２は断面形状‘もみの木’形状で、動翼保持スロット３０の‘もみの木’形状に対応している。動翼ルート３２及び動翼保持スロット３０の概略外形は、図２をタービンローター軸線回りに回転させることにより再現される。従って、図示の動翼保持スロット３０は、タービンディスク３６の両側面３４の間に延在している。

さらに、静翼１４の先端側端部が、概略的に示すように、ガスタービンの作動媒体の流れ方向に対し、動翼１２の上流側及び下流側に配設されている。これら静翼１４は、リング状に放射方向に配設されている。各リングの静翼１４は、ここでは、先端側に設けられた固定リング３８によって安定的に取り付けられている。

タービンディスク３６の両側には、シールプレート４０が、囲い込みこけら板方式 (encompassing shingle-like manner) で側壁３４に挿入されている。これらシールプレートは、上側を動翼１２内部に延びるスロット４２内に保持され、かつ下側をロック用ボルト４４によって固定されている。

この場合シールプレート４０はいくつかのタスクを満足する。一つは、本質的に軸線方向及び方位角方向に延在するよう取り付けられたシールウィング４６によって、タービンディスク３６と隣接する静翼との間のギャップが、タービンからの作動媒体Ｍの侵入に対してシールされる。シールプレート４０はまた、ブレードルートスロット３０内のブレードルート３２の軸線方向の固定を保証して、これらが軸線方向にズレないようにする。放射方向及び方位角方向の固定は、動翼保持スロット３０の‘もみの木’形状によって既になされている。さらに、シールプレート４０は、タービンディスク３６を介して冷却空気通路４８によってブレードルート３２及び動翼１２内に導入された冷却空気の漏れを防止する。

ガスタービン１の製造における単純化、容易化、及び低コスト化を図るため、前記シールプレート４０を用いないように改良されるべきである。図３には、そのような構成が、図２に対応させて示してある。

この場合も、対応する付属の構成要素とともに動翼１２及び隣接する静翼１４を示してある。シールプレートを不要とできるように、シールウィング５０がブレードルート３２の側方に直接取り付けられている。これらシールウィングは、ガスタービン１からの熱い作動媒体がタービンローターの近接領域内部に入り込むことを防止する。さらに、動翼スロット３０内の動翼１２のブレードルート３２の軸線方向の固定を確実にするために、タービンローターに対し実質的に方位角方向に延びるスロット５２がブレードルート内に導入されている。これらのスロット５２には、ロック用プレート５６の舌部５４が係合する。

ロック用プレート５６には折り込み部５８が設けられ、この折り込み部は、タービンディスク３６における対応する凹所６０に係合する。この結果、ロック用プレートのタービンディスク３６に対する軸線方向の固定、及びブレードルート３０のロック用プレート５６に対する固定が確実となっている。

このような構成はまた特に製造面で有利である。このためロック用プレート５６は、装着前には未だ折り込まれておらず、すなわち折り込み部５８を有していない。装着時には、ロック用プレート５６の舌部５４が最初にスロット５２内に挿入される。次いで、ブレードルート３２が動翼保持スロット３０内にスライド挿入され、ロック用プレートが折り込まれ、固定される。

図４にはロック用プレート５６を拡大して示した。動翼１２のブレードルートを固定するための舌部５４、及びタービンディスク３６への固定のための折り込み部５８が明確に見て取れる。ロック用プレート５６はさらに、タービンディスク３６の内部からブレードルート３２の内部及び動翼１２の内部への冷却空気の通路が確保されるようにいくつかの冷却空気孔６２を有している。

上述した構成により、従来必要であったシールプレート４０を完全に排除することが可能である。従来のシールプレート４０によってなされてきたタスクの全ては、対応するその他の適合構成部品によってなされる。その結果、製造時にコストの掛かるシールプレート４０を排除でき、全体として軽量でありかつガスタービン１の好ましい構成が実現される。

８ タービンローター
１２ 動翼
３０ 動翼保持スロット
３２ ブレードルート
３６ タービンディスク
４８ 冷却空気供給通路
５０ シールウィング
５２ スロット
５４ 舌部
５６ ロック用プレート
５８ 折り込み部
６２ 冷却空気孔

Claims (5)

1. 動翼の列を形成するよう組み付けられてタービンディスク（３６）上に配設された多数の冷却可能な動翼（１２）を備え、これら動翼の各々が、前記タービンディスク（３６）の、軸線方向に延在した動翼保持スロット（３０）内に配設されているブレードルート（３２）を有し、
   前記各ブレードルート（３２）と前記動翼保持スロット（３０）のベースとの間に、動翼（１２）に前記動翼保持スロット（３０）に沿ったズレが生じないよう固定するためのロック用プレート（５６）が配設されており、
   該ロック用プレートが折り込み部（５８）によって前記タービンディスク（３６）に取り付けられてなる、ガスタービン用のタービンローター（８）において、
   冷却媒体を供給するための冷却空気供給通路（４８）が前記動翼保持スロット（３０）の前記ベースに通じており、
   前記ロック用プレート（５６）はそれぞれ、冷却媒体を通すための複数の冷却空気孔（６２）を有し、
   前記ブレードルート（３２）はそれぞれ、タービン軸線に対して実質的に方位角方向に延在した２つのスロットを備え、
   前記ロック用プレート（５６）は２つの舌部（５４）を備え、
   それら舌部は、シールのために、前記ブレードルート（３２）の前記スロット（５２）に形状接続的に接続可能となるよう配設されている
   ことを特徴するタービンローター。
2. 請求項１記載のタービンローター（８）において、
   前記ブレードルート（３２）の各々がシールウィング（５０）を備えてなるタービンローター。
3. 請求項２記載のタービンローター（８）において、
   前記シールウィング（５０）の各々が、前記タービン軸線に対して、実質的に軸線方向かつ方位角方向に延在しているタービンローター。
4. 請求項２又は３記載のタービンローター（８）において、
   前記タービンルート（３２）の各々が軸線方向の双方にシールウィング（５０）を備えているタービンローター。
5. 請求項１ないし４の何れか一項記載のタービンローターを備えたガス及びスチームタービンプラント。

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