JP2013510259A - ガスタービン式動力装置圧縮機の溶接されたロータ - Google Patents

Abstract

本発明によって、溶接結合された複数のロータディスク（３ａ，３ｂ，４，５）を有する、冷却可能なガスタービン圧縮機のロータ（１）と、該ロータ（１）の製造方法とが提案される。ロータディスク（３ａ，３ｂ，４，５）のうち２つまたは２つよりも多いロータディスク（３ａ，３ｂ）が、半径方向外側の領域（９’）で溶接結合されていて、半径方向内側の中央領域（９）で互いに突き合わせられている。２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）突合せ接合部を解して、ロータ（１）の中心からの半径方向外側への熱の流れ（８）が達成されるので、ロータ（１）の運転中の材料温度を規定されたレベルよりも下に維持することができる。これによって、ロータの耐用寿命が高められる。本発明により溶接され、互いに突き合わせられたロータディスク（３ａ，３）は、圧縮機の流れ方向で見て最後の箇所において使用可能である。この場合、ロータディスク（３ａ）は、その表面に外部から冷却可能な１つの切欠き（７）を有している。

Description

本発明は、ガスタービンの圧縮機に用いられる溶接されたロータと、該ロータを製造する方法とに関する。

従来技術
ガスタービンに用いられるロータは、通常は複数のディスクから成っている。これらのディスクは、ねじ締結によって接合されるか、または溶接される。運転中の過熱と、該過熱により生じるロータの耐用寿命の低下とを阻止するために、ロータは積極的に冷却される。この場合、ねじにより結合されたロータのための冷却方法と、溶接されたロータのための冷却方法とは、互いに異なっている。ねじ締結されたロータのための冷却方法は、溶接されたロータにおいては条件付きでしか使用可能ではない。なぜならば、溶接されたロータのロータディスクは、ねじ締結されたロータディスクに比べて詰まっている、つまり中実であり、孔による内部冷却は実現が困難であり得るからである。

溶接されたロータのために、ロータの内部または外部に冷却通路または冷却室を備えた種々異なる冷却装置が公知である。たとえば、欧州特許第９８４１３８号明細書はガスタービン、特に圧縮機に用いられるロータを開示しており、該ロータの表面には冷却流が供給されている。冷却流は、空気通路を介して、ガイド翼を通じて、かつ翼先端の開口を通じて直接にロータ表面に案内される。欧州特許第８４４３６７号明細書は、複数のロータディスクを有する、流体機械に用いられる溶接されたロータを開示している。これらのロータディスクは、冷却蒸気を貫流させるために、溶接シーム間にそれぞれ１つの環状の中空室を有している。冷却媒体は、ロータ自体によって、半径方向外側に翼基部に向かって案内される。欧州特許第１７０５３３９号明細書は、ガスタービンに用いられるロータを開示している。ロータは半径方向に延びる冷却空気通路を有していて、この場合、冷却空気通路は、楕円形の横断面を有している。

ガスタービンに用いられるロータでは、特に、コンプレッサもしくは圧縮機内の、圧縮される空気の流れ方向で見て最後のロータディスクが、空気の圧縮に基づいて、高い運転温度にさらされる。その際、温度は、コンプレッサの長さに沿って上昇し続け、熱は半径方向にロータ内へ侵入する。いわゆる最後（つまり最も下流側）のロータディスクにおいて、材料温度をある程度のレベルに維持し、相応してロータの期待され得る耐用寿命を達成するために、積極的な冷却が必要となる。

圧縮機の最後のロータディスクを冷却するための公知の技術は、図１に示されている。

ロータ軸線２を備えたガスタービンに用いられるロータ１は、複数のロータディスク３，４および５を有している。これらのロータディスク３，４および５は、該ロータディスクを軸方向に接合することによって形成される内側の中空室ＨおよびＨ’と、ロータ表面との間で、溶接シーム６によって互いに結合されている。さらに、最後のロータディスク３は表面に切欠き７を有している。この切欠き７には、冷却空気がロータの外側から供給される。コンプレッサロータの最後のディスク３の中心領域からの熱は、矢印８の方向に、かつ最終的には冷却された切欠きを介して取り除かれる。この際に、排熱８は、ロータディスクが軸方向で詰まって、つまり中実に形成されていることによって促進される。しかし、軸方向で中実の構成には、このような形式のロータの製造技術と、かつこのロータが鍛造プロセス中に検査され得る必要性とに基づいて、制限が与えられている。

欧州特許第１９３１６１１５号明細書は、蒸気タービンに用いられる、溶接されたディスクから成るロータを開示している。ロータディスクは、それぞれ切欠きを有している。これらの切欠きは、ロータ軸線における中心から、半径方向外方に延びているので、ディスクの溶接後に、１つの中空室が、ロータ軸線においてかつロータ軸線を取り囲んで形成される。ロータは、ロータ表面において、供給される蒸気流によって冷却される。

発明の開示
本発明の課題は、ガスタービン圧縮機に用いられる、複数のロータディスクから溶接されたロータを提供することであり、この場合、コンプレッサロータディスクの材料温度を運転中に所定のレベルに、または所定のレベルより下に維持するようになっていて、これにより所定の運転寿命を期待することができるようにすることである。同時に、ロータが、公知先行技術によるロータに比べて、製造と、鍛造プロセス中に該ロータを検査する可能性とに関して改善されていることが望ましい。さらに本発明の課題は、このようなロータを製造する方法を提案することである。

軸方向に互いに隣り合って配置され溶接された複数のロータディスクを備える、冷却可能な溶接されたガスタービン圧縮機ロータが提示される。この場合、各ロータディスクは、少なくとも３つの動翼段にわたって延びている。本発明によれば、ロータは、溶接されたロータディスクに対して付加的に、ロータディスクの回転軸線を取り囲む、回転軸線における中心領域で互いに突き合わせられた２つまたは２つ以上のロータディスクを有している。この場合、中心領域は、ロータ軸線を含んでいて、該軸線から半径方向外方に延びている。さらに、流れ方向で見て最後の２つのロータディスクは、半径方向外側の領域で溶接されている。この場合に、この半径方向外側の領域は、中心領域の半径方向で外側にあり、ロータ表面を含み、この表面から半径方向内方に延びている。突合せ接合部を備えた中心領域と、溶接された半径方向外側の領域との間に、環状室が延びている。流れ方向で見て、最後から２番目のロータディスクに突き合わせられた最後のロータディスクは、ロータディスクの中心領域からの熱を表面に導出するために、半径方向外側の表面に切欠きを有している。この切欠きは、ロータディスクの全周にわたって延びていて、外側から供給された冷却媒体によって冷却可能である。

有利には、切欠きは、最も高い温度にさらされる最後のロータディスクに設けられている。冷却可能な切欠きは、中心領域におけるロータディスクの突合せ接合部と相俟って、特にロータの中心領域からロータ表面に向かう高められた熱の流れを保証する。本発明は、特に圧縮機の最後のロータディスクにおいて、または比較的高い温度にさらされているロータディスクにおいて有利である。

ロータは、最も高い温度の領域に、公知先行技術のロータディスクに比べて小さな、つまり肉厚ではなく形成されている２つまたは２つより多いロータディスクを有している。しかし、これらのロータディスクは、少なくとも３つの動翼段にわたって延びている。その比較的小さなサイズに基づいて、これらのロータディスクは簡単に製造され得る。特にその鍛造可能性が改善され、達成可能な変形度が高められる。

さらに、個別のロータディスクは、鍛造プロセスにおいて簡単に検査され得る。なぜならば、ディスクの比較的小さな厚さによって、検査時の音波経路が短縮されていて、これにより高い解像度を有する測定結果が達成され得るからである。

流れ方向で見て最後の２つのロータディスクの半径方向内側の中心領域にわたる、互いに突き合わせられた接合部は、ロータの中心領域から、ロータの半径方向外側の表面への熱の流れを生ぜしめる。半径方向外側の表面において、熱は、切欠きを介して導出され得る。これによって、特にガスタービン圧縮機において発生する、ロータの、流れ方向で見て最後の箇所におけるロータの過剰な加熱の問題が解決される。これによって、運転中のロータの材料温度を、所定のレベルより下に維持することができ、ひいてはロータの耐用寿命を高めることができる。本発明によって冷却可能なロータの実施形態は、ロータの、最も高い温度にさらされる最後の箇所において最も効果的である。

本発明によるロータディスクは、冷却が温度状況に基づいて同じように必須であるかまたは効果的である、ロータの全ての適当な箇所に配置することができる。

本発明の別の実施形態では、ロータが、付加的に、互いに突き合わせられた２つのロータディスクの間に、ディスクの中心領域で、熱伝導性の材料を有する層を有している。たとえば、この層は、両ロータディスクのうち一方のロータディスクの表面に設けられている。熱伝導性の材料のためには、たとえば、ロータ鋼よりも高い熱伝導率を有する金属が適している。

熱伝導性の構成部材の使用により、ロータディスクの中心からの熱の流れ、つまり回転軸線を取り囲む領域から、かつ第２のロータディスクに対して突き合わせられた第１のロータディスクから、ロータの外側の表面への熱の流れはさらに促進され、ロータの期待され得る寿命はさらに高められる。

本発明によるロータの提示された実施の形態の全ては、単に２つのロータディスクに制限されるものではなく、好適な形式でロータの複数のロータディスクに使用され得る。

冷却可能なガスタービン圧縮機ロータを製造する方法では、複数のロータディスクが溶接結合される。本発明によれば、ディスクの回転軸線を取り囲んで延びる環状のそれぞれ１つの切欠きを有する少なくとも２つのロータディスクが提供されるので、ロータディスクが軸方向で互いに隣り合って配置されると、ロータディスクの間に１つの環状室が形成される。ロータディスクは、ロータの、流れ方向で最後および最後から２番目の箇所に配置されていて、環状室から半径方向で外方に向かってディスクの外側表面にまで延びる半径方向外側の領域で溶接され、かつロータディスク中心またはディスクの回転軸線から半径方向外方に向かって環状室にまで延びる半径方向の中心領域で、互いに突き合わせられて接合されている。さらに、流れ方向で最後の箇所に配置されたロータディスクは、冷却可能な切欠きを設けられている。この切欠きはロータディスクの全周にわたって延びている。

このためには、本発明による方法の１態様において、２つのロータディスクは半径方向外側の領域で溶接され、次いで溶接収縮によって収縮させられる。

溶接収縮によって、ロータの高められた運転寿命を可能にする圧力内部応力が生じる。

本発明の１態様では、突き合わせられたロータディスクが、ロータの、最も高い材料温度が予想され得る箇所に配置される。

本発明による方法の別の態様では、中心領域に、流れ方向で最後の２つのロータディスクの少なくとも一方が、熱伝導性の材料を被着されている。その後に、両方のロータディスクは、半径方向外側の領域で溶接される。ディスクの回転軸線を取り囲む中心領域において、両ロータディスクはやはり互いに突き合わせて接合される。

以下に本発明を図面につき詳しく説明する。

公知先行技術による溶接されたガスタービン圧縮機ロータの横断面を示す図である。 本発明による溶接されたガスタービン圧縮機ロータ、特にロータディスクの一部の第１の実施形態を横断面で示す図である。 本発明による溶接されたガスタービン圧縮機ロータの一部の第２の実施形態を横断面で示す図である。 本発明による溶接されたガスタービン圧縮機ロータの一部の第３の実施形態を横断面で示す図である。

異なる図面における同一の符号は、それぞれ同一の構成部材を示している。

発明の実施の形態
図２は、ロータ軸線２を備えたガスタービン圧縮機ロータ１を長手方向横断面で示している。ロータ１は、複数のロータディスクを有している。複数のロータディスクのうち、図面には、ロータディスク３，４，および５のみが図示されている。これらのロータディスクはそれぞれ、該ロータディスクが圧縮機の少なくとも３つの動翼段を収容することができるように、形成されている。これによって、これらのロータディスクは、唯１つの動翼段にわたって延びる、いわゆる「層状」に形成されたロータのロータディスクとは異なる。ロータディスク４，５は、それぞれその中心に切欠きを有している。これらの切欠きは、ディスクの接合後に１つの中空室Ｈを形成する。ロータディスク４，５は、中空室Ｈと、ディスク４および５の半径方向外側の表面との間で、溶接シーム６によって互いに結合されている。公知先行技術のロータのロータディスク３は、本発明により、比較的に詰まっていないように形成された個別の２つのロータディスク３ａ，３ｂにより実現されている。図示された例示的な実施の形態では、ロータディスク３ａおよび３ｂは、圧縮機の、流れ方向で最後および最後から２番目の箇所に配置されたロータディスクである。これらのロータディスク３ａ，３ｂは、その中心領域において、軸方向に互いに向かい合った側にそれぞれ１つの切欠きを有している。これらの切欠きは、ロータディスクの接合時に１つの環状室Ｈ''を形成する。ロータディスク３ｂは、ロータディスク４，５と同じように、隣接するロータディスク４に溶接シーム６’によって接合されている。ロータディスク３ｂは、上流側にも同じく１つの切欠きを有している。この切欠きは、ディスク４との接合時に、中空室Ｈと類似の中空室Ｈ’を形成する。

ロータディスク３ａおよび３ｂは、半径方向外側の領域９’において、溶接シーム１０によって互いに結合されている。この溶接シーム１０は、環状室Ｈ''からロータの表面にまで延びている。ロータディスク３ａおよび３ｂの回転軸線２を取り囲む中心領域９で、ロータディスクの互いに向かい合った表面が突き合わせられている。ロータの中心領域９は、たとえば、回転軸線を含み、かつディスクの回転軸線を中心として半径方向内側の領域にわたって延びる領域であり、この領域は、ロータディスク３ａおよび３ｂの互いに向かい合った側に設けられた環状の切欠きによって取り囲まれている。この中心領域からの熱も導出することができ、これによりロータの過熱を阻止することができる。ロータディスク３ａおよび３ｂの接合後に、ロータディスクの環状の切欠きは、環状室Ｈ''を形成する。半径方向外側の領域９’は、たとえば、ロータディスクの内側の切欠きまたは環状室Ｈ''と、ロータ表面との間に延びている。突合せ接合部は、ロータディスク３ｂの中心領域９からロータディスク３ａを介して、かつ半径方向外方に向かってロータ表面への熱の流れ８を保証する。この場合、ロータ表面において熱が導出され得る。

図３は、図２に示したロータと同様のロータを示しているが、流れ方向でロータにおいて最後の箇所に配置されたロータディスク３ａに付加的な特徴を有している。ロータディスク３ａは、表面に切欠き７または環状溝を有している。この切欠き７または環状溝は、ロータディスクの全周にわたって延びていて、外側から適当な冷却媒体、たとえば冷却空気または冷却蒸気によって冷却され得る。ロータディスク３ａおよび３ｂの中心領域９から表面へと案内される熱は、より高められた効果を伴って切欠き７を介して導出される。本発明の特に効果的な実施の形態では、ロータディスク３ａの切欠き７は、楕円形の横断面輪郭を有して形成されている。

図４は、本発明によるロータ１のさらに改良された実施の形態を示している。ロータ１は、同様に複数のロータディスク３ａ，３ｂ，４，５を有している。ロータディスク３ａおよび３ｂは、互いに軸方向で面した側に、それぞれ１つの環状の切欠きを有している。これらの環状の切欠きは、接合時に１つの環状室Ｈ''を形成する。ロータディスク３ａ，３ｂの互いに面した表面の中心領域９は、環状室Ｈ''によって取り囲まれた領域にわたって延びている。この改良された実施形態は、図２および図３に示したロータとは、ロータディスク３ａおよび３ｂの中心領域９における熱伝達の実現において異なっている。ロータディスク３ａまたは３ｂは、該ロータディスクの中心領域９に、熱伝導性の材料から成る層１１を有している。この層１１と、ロータディスク３ｂの中心領域９の表面とは、同様に互いに突き合わせられて接合されている。

層１１は、たとえばロータ材料よりも大きな熱伝導率を備えた適当な金属から成っている。

１ ロータ
２ ロータ軸線
４，５ 溶接されたロータディスク
３ 最後のロータディスク
３ａ，３ｂ 互いに突き合わせて接合され、溶接されたロータディスク
６，６’ 溶接シーム
７ 切欠き
８ 熱の流れ
９ 中心領域
９’ 半径方向外側の領域
１０ 溶接シーム
１１ 熱伝導性の層
Ｈ，Ｈ’ 中空室
Ｈ'' 環状室

Claims (8)

1. 溶接結合された複数のロータディスク（３ａ，３ｂ，４，５）を有する、冷却可能なガスタービン圧縮機ロータ（１）であって、各ロータディスク（３ａ，３ｂ，４，５）が、少なくとも３つの動翼段にわたって延びていて、該ロータディスクのうち少なくとも２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）が、軸方向に隣り合って、ロータ（１）の、流れ方向で見て最後および最後から２番目の箇所に配置されており、
   流れ方向で最後のロータディスク（３ａ）が、該ロータディスク（３ａ）の半径方向外側の表面に切欠き（７）を有していて、該切欠き（７）が、外部から供給される冷却媒体によって冷却可能であり、かつロータディスク（３ａ）の全周にわたって延びており、
   流れ方向で最後のロータディスク（３ａ）と、流れ方向で最後から２番目のロータディスク（３ｂ）とが、互いに面した側に、ディスクの回転軸線を取り囲んで延びる環状のそれぞれ１つの切欠きを有しており、軸方向で互いに面した切欠きが、最後のロータディスク（３ａ）と、最後から２番目のロータディスク（３ｂ）との間に１つの環状室（Ｈ''）を形成しており、
   流れ方向で最後のロータディスク（３ａ）と、流れ方向で最後から２番目のロータディスク（３ｂ）とが、中心領域（９）を有しており、該中心領域（９）が、それぞれロータ（１）の回転軸線（２）を含んでいて、かつ回転軸線（２）から半径方向外方に向かって環状室（Ｈ''）にまで延びていて、
   最後のロータディスク（３ａ）と、最後から２番目のロータディスク（３ｂ）とが、それぞれ１つの半径方向外側の領域（９’）を有していて、この半径方向外側の領域（９’）が、ロータの半径方向外側の表面を含んでいて、かつ半径方向内方に向かって環状室（Ｈ''）にまで延びている形式の、冷却可能なガスタービン圧縮機ロータ（１）において、
   流れ方向で最後の２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）の中心領域（９）から熱を導出するために、流れ方向で最後の２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）が、その中心領域（９）で互いに突き合わせられており、かつ該ロータディスク（３ａ，３ｂ）の半径方向外側の領域（９’）で溶接結合されていることを特徴とする、冷却可能なガスタービン圧縮機ロータ（１）。
2. 流れ方向で最後および最後から２番目の箇所において互いに突き合わせられたロータディスク（３ａ，３ｂ）の間で、該ロータディスク（３ａ，３ｂ）の中心領域（９）に、熱伝導性の材料を有する層（１１）が配置されている、請求項１記載のガスタービン圧縮機ロータ。
3. 前記層（１１）が、流れ方向で最後または最後から２番目の箇所において互いに突き合わせられたロータディスク（３ａ，３ｂ）の一方の表面に被着されている、請求項２記載のガスタービン圧縮機ロータ。
4. 前記切欠き（７）が、楕円形の横断面輪郭を有している、請求項２または３記載のガスタービン圧縮機ロータ。
5. 流れ方向で最後および最後から２番目の箇所において互いに突き合わせられたロータディスク（３ａ，３ｂ）が、ロータ全体で最も高い材料温度を有するロータの箇所に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスタービン圧縮機ロータ。
6. ガスタービン圧縮機ロータ（１）を製造する方法であって、それぞれ圧縮機の少なくとも３つの動翼段にわたって延びる複数のロータディスク（４，５）を溶接結合し、
   別の少なくとも２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）を提供し、該別のロータディスクのうち２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）が、ロータにおける流れ方向で最後および最後から２番目の箇所のためのものであり、
   流れ方向でロータの最後の箇所のためのロータディスク（３ａ）の外側の表面に切欠き（７）を形成し、
   流れ方向でロータの最後および最後から２番目の箇所のための両ロータディスク（３ａ，３ｂ）が、それぞれ互いに面した軸方向の側に、ディスクの回転軸線を取り囲んで延びる環状の１つの切欠きを有していて、該別の２つのロータディスク（３ａ，３ｂ）を軸方向で互いに隣り合わせて配置し、これにより該ロータディスク（３ａ，３ｂ）の間に１つの環状室（Ｈ''）を生ぜしめ、
   該ロータディスク（３ａ，３ｂ）を、ロータ（１）の流れ方向で最後および最後から２番目の箇所に配置する方法において、
   環状室（Ｈ''）から半径方向外方に向かってディスク（３ａ，３ｂ）の外側の表面にまで延びる半径方向外側の領域（９’）を溶接し、最後および最後から２番目のロータディスク（３ａ，３ｂ）を、ロータディスクの中心またはディスク（３ａ，３ｂ）の回転軸線（２）から半径方向外方に向かって環状室（Ｈ''）にまで延びる中心領域（９）において、互いに突き合わせて接合することを特徴とする、ガスタービン圧縮機ロータ（１）を製造する方法。
7. 流れ方向で最後および最後から２番目の箇所において互いに突き合わせられたロータディスク（３ａ，３ｂ）を溶接収縮によって収縮させる、請求項６記載の方法。
8. 流れ方向で最後および最後から２番目の箇所におけるロータディスク（３ａ，３ｂ）の互いに対する突合せおよび溶接の前に、ロータディスク（３ａ，３ｂ）の回転軸線（２）を取り囲む中心領域（９）において、ロータディスク（３ａ，３ｂ）の間に、熱伝導性の材料を有する層（１１）を配置する、請求項６または７記載の方法。

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