JP2015178832A - 冷却孔入口を備えるロータ軸 - Google Patents

Abstract

【課題】改良されたロータ軸を提供する。
【解決手段】本発明は、ロータ軸のロータ軸を中心にして回転するよう適応されているロータ軸に関する。ロータ軸は、ロータ軸内にロータ軸線１１０に対して同心状またはほぼ同心状に構成されたロータ空洞部１２０と、ロータ軸１００の内側から外側へ半径方向またはほぼ半径方向で外方に延びる複数の冷却孔１３０とを有する。各冷却孔１３０は、孔入口位置１６０と、遠位の孔出口部分１３４とを有しており、それぞれの孔入口位置１６０は、ロータ空洞部１２０に隣接するように適応されている。冷却孔入口位置の少なくとも一方の側または部分側には、２つの隣接する冷却孔１３０の間の壁厚をできるだけ大きくするために非対称なエッジフィレット１５０が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転機械、特に、ターボ機械用の、特にガスタービンまたは蒸気タービン用のロータ軸の分野に関する。ロータ軸は、ロータ軸内にロータ軸線に対して同心状またはほぼ同心状に構成されたロータ空洞部と、ロータ軸の内側から外側へ半径方向またはほぼ半径方向で外方に延びる複数の冷却孔とを有する。各冷却孔は、孔入口位置と、遠位の孔出口部分とを有する。それぞれの孔入口位置は、ロータ空洞部に隣接するように適応されている。

基本的に、圧縮機、ガスタービン、蒸気タービンおよびその他の熱機械は、高い熱的および機械的応力に曝される。したがって、このような熱的および機械的応力を低減することは不可欠である。

ガスタービンにおいては、ロータブレードおよびステータベーンなどの様々な他の部材の中でも特にロータ軸は、高い熱的および機械的応力に曝される。中でも特に、決定的な位置は、ロータ軸のロータ空洞部における冷却孔入口であり得る。一般的に、ロータ空洞部はロータ軸の内部に形成されており、冷却孔入口は、このようなロータ空洞部の外周に配置されている。冷却孔は、ロータ軸の内部から主に半径方向に延びている。このような冷却孔およびロータ空洞部が関係するところでは、ロータ空洞部において生じる応力は、決定的にロータ空洞部の横断面輪郭に依存する。

冷却孔は通常、冷却孔がロータ空洞部から延びている領域においてロータ軸の機械的な弱体化を構成し、これは、高い熱的および機械的応力の場合に不利な効果を生じ得る。

したがって、熱的および機械的応力の効果を低減するために既に考えられている複数の手段が存在する。すなわち：
孔直径の減少、およびより高い段を実現するための圧縮機内のブリード位置の変更である。しかしながら、この影響は、冷却空気圧力を増大させ、これにより、所要の流れ横断面を減じる。欠点に関して、これは、不利な性能影響を生じ、付加的に、これは冷却空気温度を上昇させる。

ＳＡＦシステムの変更、例えば、底部の代わりにブレードの前部へのブレード供給の変更である。欠点に関して、これは、ロータおよび／またはロータブレードおよび／またはステータベーンの再設計を必要とする。加えて、圧力損失をその他の構成により回復させなければならない。

ロータの内部遠心圧縮機は、ロータ空洞部壁におけるリブの形態で提供されている。内部リブは、空気流を周方向で加速させ、これにより、空気流の旋回を高める。欠点に関して、これは、リブが、極めて大きな表面積対体積比を有しており、これにより、極めて迅速な熱的動作を有するのに対し、極めて小さい表面積対体積比を有するロータディスクは、極めて低速の熱的動作を有するようにふるまう。これは、ロータディスク内へ極めて高い熱的応力を導入する可能性があり、これにより、このようなリブの設計は困難を生じる。

要するに、多数の大きな穴は、隣接する孔の間の小さな残留壁厚により、制限されたロータ寿命につながると言うことができる。さらに、冷却孔の入口における冷却空気の相対速度の大きな飛躍は、圧力損失、および再循環によるより大きな所要の孔直径につながる。

発明の概要
本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、または一般的にターボ機械の改良されたロータ軸に関し、このロータ軸は、検討された欠点を克服することが意図された開示の１つ以上の態様の基本的な理解を提供するために、しかしながら、幾つかの付加的な利点を提供するとともに、その全ての利点を含むために、以下の単純化された概要において説明される。

この概要は、発明の広範囲な概略ではない。概要は、発明の主要なまたは決定的な要素を特定することも、本開示の範囲を画定することも意図されていない。むしろ、この概要の唯一の目的は、発明の幾つかの概念、その態様および利点を単純化された形式で、以下に示されるより詳細な記載への序章として示すことである。

本発明の課題は、改良されたロータ軸を提供することである。ロータ軸は、ロータ軸が使用されている機械またはタービンが作動条件にあるときに、ロータ軸において生じる熱的および機械的応力の低減効果の観点から適応され得る。

さらに、本発明のロータ軸が単独の部品から形成されているか、複数の部品から形成されているかにかかわらず、本発明のロータ軸は、熱的および機械的な応力の効果に耐えるまたはこれを低減するという課題を有する。

本発明の別の課題は、有効かつ経済的な方法で使用するために便利な改良されたロータ軸を提供することである。本発明の様々な他の課題および特徴は以下の詳細な説明および請求項から明らかになるであろう。

概して、独立請求項の特徴部によれば、本発明のステップの主な態様は、冷却孔入口位置の少なくとも一方の側または部分側に、２つの隣接する冷却孔の間の壁厚を最大化するために非対称なエッジフィレットが提供されている第１の実施の形態を含む。

前記課題およびその他の課題は、１つの態様において、発電プラントのガスタービンエンジン用の改良されたロータ軸によって達成されてもよい。ロータ軸は、ロータ軸のロータ軸線を中心にして回転するよう適応されている。ロータ軸は、ロータ軸内にロータ軸線に対して同心状またはほぼ同心状に形成されたロータ空洞部を有する。本発明は、同心状の空洞部構成に厳しく制限されるわけではないことが理解されるべきである。

ロータ軸は、さらに、ロータ軸の内側から外側へ半径方向またはほぼ半径方向に外方へ延びる複数の冷却孔を有する。本発明は、半径方向の構成に厳しく制限されるわけではないことが理解されるべきである。各冷却孔は、孔入口部分と、遠位の孔出口部分とを有する。それぞれの孔入口部分は、ロータ空洞部に隣接するように適応されている。孔自体は（入口部分と出口部分との間において）、一定の孔直径を有する“通常の”直線的な孔である。

ロータ軸は、１つの実施の形態においては単独部品構成であるか、または別の実施の形態では、少なくとも１つの溶接継目に沿って組み立てられるように溶接された２つ以上の部品構成であってもよい。ロータ軸を、ボルト締結することもできる。

さらに、本発明は、ロータの空洞部において冷却孔の入口に非対称のエッジフィレットを提供する。冷却空気は、中心またはほぼ中心またはその他の位置に配置された孔を通ってロータ空洞部内へ流れ、冷却空気孔に進入し、冷却空気孔は冷却空気をロータブレードに向かって案内する。

冷却空気の回転速度は、ロータ空洞部においては小さい。空洞部から冷却孔への移行部において、冷却空気の回転速度は著しく増大し、これは、孔入口における圧力損失および再循環領域につながる。

非対称のエッジフィレットの提供により、ロータ空洞部から冷却孔への移行部がより滑らかとなり、これにより、孔入口における流れ条件が改良される。冷却穴の開示された入口設計は、空気を加圧するためではなく、ロータディスクを通過するように空気を案内するために使用される。

再循環領域が減じられ、これにより、冷却孔入口における有効流れ横断面が増大される。これは、最高速度をより小さな値に制限し、圧力損失を大幅に低減する。

そのため、冷却孔の直径を減じることができる一方で、冷却空気速度および圧力損失は、同じままであるかまたは少しだけ高まる。

冷却孔の数が多いことにより、隣接する孔の間の残留壁厚は小さく、この位置におけるロータ寿命を制限する。最小壁厚をできるだけ大きく保つために、エッジフィレットが孔の一方の側のみに提供され、ひいては非対称であるのに対し、他方の側は、基本的にフィレットなしのままであるが、この基本的にとは、絶対的にそうであることを意味するのではなく、ある程度の幅を持たせる意味であり、フィレットなしで利用される側には、優勢な基礎をなす非対称性を犠牲にすることなく、減じられたエッジフィレットを提供することができる。

非対称性に関して、エッジフィレットを有する側は、ロータの回転方向で見て、孔の前側に提供されている。

本発明の特徴は、ロータ寿命を別の形式で最適化するために付加的な特徴と組み合わせることができる。すなわち：
ロータ軸は、ロータ軸内にロータ軸線に対して同心状に形成されたロータ空洞部と、ロータ軸の内側から外側へ半径方向で外方に延びる複数の冷却孔とを有する。各冷却孔は、孔入口部分と、遠位の孔出口部分とを有しており、それぞれの孔入口部分は、ロータ空洞部に隣接するように適応されている。さらに、ロータ空洞部は、所定の位置において周方向に直線的であるように適応された横断面輪郭を有するのに対して、各孔入口部分はロータ空洞部に隣接しており、ロータ空洞部の大部分の横断面輪郭にわたって少なくとも熱的および機械的な応力の低減を可能にしている。

さらに、ロータ軸は、単独部品構成として構成することができるか、または１つの溶接継目に沿って組み立てられるように溶接された２つ以上の部品で構成されている。

孔の非対称側に関するエッジフィレットは、理想的には冷却孔直径のファクタ０．３〜０．７の半径を備える円形のフィレットとして形成される。製造上の制限により、円形のフィレットは、間に均一な角度の段部を備える３つ以上の直線部によって近似することができる。フィレットが直線部によって近似されている場合、エッジフィレットの全体の幅Ｗおよび全体の深さＤも、冷却孔直径のファクタ０．３〜０．７である。

したがって、本発明の最終的な目標は、ロータディスクにおける回転冷却孔の入口において非対称なエッジフィレットを提供し、これにより、入口における流れ条件を改良し、ひいては、入口圧力損失を低減し、任意の質量流量のために孔直径を小さくすることである。したがって、隣接する孔の間の残留壁厚が改良され、これは、ロータ寿命にとって有利である。

上記説明は、本開示の他の態様とともに、本発明を特徴付ける様々な特徴と相まって、特に本開示によって指摘される。本開示、その作動の利点、およびその使用をより理解するために、本開示の典型的な実施の形態が例示されている添付の図面および説明が参照されるべきである。

本開示の利点および特徴は、同一の要素が同一の符号によって特定されている添付の図面に関連した以下の詳細な説明および請求項に関してより理解されるであろう。

ガスタービンのロータ軸の透視側面図を示している。 図１に示したロータ軸の縦断面図を示しており、複数の冷却孔を有するロータ空洞部に関する一例を例示している。 ロータ空洞部の部分図を示しており、図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見た従来のロータ空洞部上の、冷却孔の非対称な構成を備える本発明の実施の形態を示している。 図２の部分的な断面ＩＶ−ＩＶに沿って見た冷却孔の非対称な構成を示している。

典型的な実施の形態の詳細な説明
図１は、ブレードを省略したガスタービンのロータ軸１００の透視側面図を示しており、図２に関連して説明される。ロータ軸線１１０に関して回転対称なロータ軸１００は、圧縮機部分１０１と、タービン部分１０２とに分割されている。２つの部分１０１および１０２の間において、ガスタービンドーム内には、燃焼室が配置されてよく、この燃焼室内に、圧縮機部分１０１において圧縮された空気が導入され、燃焼室から、高温ガスがタービン部分１０２を通って流出する。軸方向で相前後して配置されたタービン部分１０２は、複数のロータディスク１０３を有しており、ロータディスク１０３には、対応する動翼ブレードを受容するための軸方向に向けられた受容スロットが、円周にわたって分配されるように形成されている。ブレードのブレード根元部は、もみの木状の断面輪郭によるはめあい結合によって従来の形式で受容スロットに保持される。ロータ空洞部（図２参照）は、ロータ軸１００内に軸方向に延びる中心冷却空気供給部１０４に接続されており、冷却空気を中心冷却空気供給部からロータ空洞部へ供給し、そこで複数の冷却孔（図２参照）へ供給する。

基本的に、図２によれば、ロータ軸は、ロータ軸内にロータ軸線に対して同心状に構成されたロータ空洞部と、ロータ軸の内側から外側へ半径方向で外方に延びる複数の冷却孔とを有する。各冷却孔は、孔入口部分と、遠位の孔出口部分とを有しており、それぞれの孔入口部分は、ロータ空洞部に隣接するように適応されている。さらに、ロータ空洞部は、所定の位置において周方向に直線的であるように適応された横断面輪郭を有するのに対して、各孔入口部分はロータ空洞部に隣接しており、ロータ空洞部の大部分の横断面輪郭にわたって少なくとも熱的および機械的な応力の低減を可能にしている。

図２に関連して、ロータ空洞部１２０は、図１および図２によれば、ロータ軸１００内にロータ軸線１１０に対して同心状に形成されている。さらに、複数の冷却孔１３０は、ロータ軸１００の内側から外側へ半径方向外方に延びる形式で形成されている。各冷却孔１３０は、孔入口部分１３２と、遠位の孔出口部分１３４とを有する。それぞれの孔入口部分１３２は、ロータ空洞部１２０に隣接するように適応されている。“隣接する”という用語は、孔入口部分１３２と、孔入口部分１３２が接続するところにおけるロータ空洞部１２０とが、同じ平面を共有していることを意味する。一方の部分において、ロータ空洞部１２０は、ロータ軸１００内に軸方向に延びる中心冷却空気供給部１０４に接続されており、冷却空気を中心冷却空気供給部からロータ空洞部１２０へ供給し、そこで複数の冷却孔１３０へ供給する。他方の部分において、空気を空洞部へ異なって搬送することができる。複数の冷却孔１３０から冷却空気は、冷却のためにブレードとブレード根元部１０３との間においてロータ軸１００の外面に達する。

図３は、本発明の最も好適な実施の形態を、図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って示している。この実施の形態は、ロータ空洞部１２０において冷却孔１３０の入口位置に非対称なエッジフィレット１５０を提供する。冷却空気は、様々に配置された孔を通ってロータ空洞部内へ流れ、冷却空気孔に進入し、冷却空気孔は冷却空気をロータブレードに向かって案内する（図２参照）。

冷却空気の回転速度は、ロータ空洞部においては極めて小さい。空洞部から冷却孔への移行部において、冷却空気の回転速度は著しく増大し、これは、孔入口位置１６０における圧力損失および再循環領域につながる。

非対称のエッジフィレット１５０の提供により、ロータ空洞部１２０から冷却孔１３０への移行部がより滑らかとなり、これにより、孔入口位置における流れ条件が改良される。

再循環領域が減じられ、これにより、冷却孔入口位置１６０における有効流れ横断面が増大される。これは、マッハ数をより小さな値に制限し、圧力損失を大幅に低減する。

そのため、冷却孔の直径Ｄ（図４も参照）をも減じることができる一方で、冷却空気速度および圧力損失は、同じままであるかまたは少しだけ高まる。

冷却孔１３０の数が多いことにより、隣接する孔の間の残留壁厚Ｌ（図４も参照）は小さく、この位置におけるロータ寿命を制限する。最小壁厚をできるだけ大きく保つために、エッジフィレット１５０は、孔の一方の側のみに提供されており、これにより、他方の側が基本的にエッジフィレットを有さないまま、非対称であり、これにより、最小壁厚をできるだけ大きく保ち、すなわち、冷却孔入口１６０の周方向領域の少なくとも一方の側または部分側に、２つの隣接する冷却孔の間の、エッジフィレットの下流の壁厚を最大にするために、非対称のエッジフィレット１５０が提供されている。

非対称性に関して、エッジフィレット１５０を有する側は、ロータの回転方向で冷却孔１３０の前側に提供されている。

孔１３０の非対称側に関するエッジフィレット１５０は、理想的にはミリングされ、冷却孔直径Ｄのファクタ０．３〜０．７の半径Ｒ（符号１７０）を備える円形のフィレットとして、互いの製造も可能である。冷却孔１３０は、孔出口部分１３４への方向に配置された前記孔入口位置１６０の第１の端部と、前記孔出口部分１３４との間の領域における一定の冷却孔直径Ｄを有する。上述のように、孔入口位置１６０の反対側の第２の端部は、ロータ空洞部１２０に隣接している。

製造上の制限により、円形のフィレットは、間に均一な角度段部を備える３つ以上のミリングされた面によって近似することができる。フィレットが面によって近似されている場合、エッジフィレットの全体の幅Ｗ（図４参照）および全体の深さｄも、冷却孔直径Ｄのファクタ０．３〜０．７である。

したがって、本発明の最終的な目標は、ロータディスクにおける回転冷却孔の入口において非対称なエッジフィレットを提供し、これにより、入口における流れ条件を改良し、これにより、入口圧力損失を低減し、任意の質量流量のためにより小さな孔直径を可能にすることである。したがって、隣接する孔の間の残留壁厚が改良され、これは、ロータ寿命にとって有利である。

図４は、多数の冷却孔１３０に関して最小壁厚をできるだけ大きく保つために、図２の断面ＩＶ−ＩＶに沿った本発明の実施の形態を示しており、最小壁厚をできるだけ大きく保つために、エッジフィレット１５０は、孔の一方の側または部分側のみに提供されており、これにより、非対称であるのに対し、他方の側は基本的にエッジフィレットなしのままである。

孔１３０の非対称側に関するエッジフィレット（図３に関する説明も参照）は、理想的には冷却孔直径Ｄのファクタ０．３〜０．７の半径を備える円形のフィレットとしてミリングされている。製造上の制限により、円形のフィレットは、間に均一な角度段部を備える３つ以上のミリングされた面によって近似することができる。フィレットが面によって近似されている場合、エッジフィレットの全体の幅Ｗおよび全体の深さｄ（図４参照）も、冷却孔直径Ｄのファクタ０．３〜０．７である。

特に両方の説明された実施の形態に関して、本発明の改良されたロータ軸は、様々な範囲において有利である。ロータ軸は、ロータ軸が使用されている機械またはタービンが作動条件にあるときに、ロータ軸において生じる熱的および機械的応力の低減効果の観点から適応可能であり得る。さらに、本開示のロータ軸が単独の部品または複数の部品から形成されているかどうかの要因とは関係なく、本開示のロータ軸は、温度および遠心力または軸方向の力に耐えるまたはこれを低減する効果において有利である。このような横断面輪郭を有する改良されたロータ軸は、論じられた位置における従来のローラの２〜５倍だけ増大された全寿命サイクルを有することができる。本開示のロータ軸は、孔入口の領域に作用する応力を１０〜４０％だけ減じるという点でも有利である。作用する応力は、機械的応力と熱的応力の合計である。さらに、ロータ軸は、有効かつ経済的な形式で使用するために便利である。本開示の様々なその他の利点および特徴は、上記の詳細な説明および添付の請求項から明らかである。

本発明は、現時点で最も実用的かつ好適な実施の形態であると考えられるものに関して説明されているが、本発明は、開示された実施の形態に限定されるのではなく、それとは反対に、添付の請求項の思想および範囲内に含まれる様々な変更および均等な配列を網羅することが意図されており、その範囲は、法律により許可された全てのこのような変更および均等な構造を包含するように最も広い解釈に従う。さらに、上記の説明における、好適な、好適には、好適のまたは有利にはという用語は、このように説明された特徴が、より望ましいことを示しているが、しかしながら、それは必要ではなく、その特徴を欠くあらゆる実施の形態が、発明の範囲内のものとして考えられ、その範囲は、以下の請求項によって規定される。請求項を読むに当たって、単数での記載や、“少なくとも１つ”および“少なくとも一部”などの文言が用いられている場合、請求項においてそれに反することが明示的に述べられていない限り、請求項を１つのアイテムのみに限定しようと意図するものではない。さらに、“少なくとも一部”および／または“一部”という文言が用いられている場合、アイテムは、それに反することが明示的に述べられていない限り、アイテムの一部および／または全体を含む。

１００ ロータ軸
１０１ 圧縮機部分
１０２ タービン部分
１０３ ロータディスク
１０４ 中心冷却空気供給部
１１０ ロータ軸線
１２０ ロータ空洞部
１３０ 冷却孔
１３２ 孔入口部分
１３４ 孔出口部分
１５０ エッジフィレット
１６０ 孔入口位置
１７０ 半径若しくは面

Claims (7)

1. ロータ軸線（１１０）を中心に回転するように適応されたロータ軸（１００）であって、該ロータ軸（１００）は、
   該ロータ軸（１００）の内部に前記ロータ軸線（１１０）に対して同心状またはほぼ同心状に形成されたロータ空洞部（１２）と、
   前記ロータ軸（１００）の内側から外側へ半径方向またはほぼ半径方向に外方へ延びる複数の冷却孔（１３０）と、を備え、
   各冷却孔（１３０）は、孔入口位置（１６０）と、遠位の孔出口部分（１３４）とを有しており、前記冷却孔（１３０）は、前記孔出口部分（１３４）への方向で配置された前記孔入口位置（１４０）の第１の端部と、前記孔出口部分（１３４）との間の領域において、一定の冷却孔直径（Ｄ）を有しており、
   それぞれの孔入口位置（１６０）は、該孔入口位置の第２の端部において前記ロータ空洞部（１２）に隣接するように適応されており、
   ２つの隣接する冷却孔（１３０）の間のエッジフィレットの下流の壁厚をできるだけ大きくするために、冷却孔入口（１６０）の周方向領域の少なくとも一方の側または部分側に、非対称なエッジフィレット（１５０）が設けられていることを特徴とする、ロータ軸（１００）。
2. 前記冷却孔（１３０）の流れ能力を高めるために、前記冷却孔入口（１６０）に、非対称なエッジフィレットが設けられている、請求項１記載のロータ軸。
3. 前記冷却孔（１３０）の前記非対称なエッジフィレット（１５０）は、前記冷却孔の直径（Ｄ）のファクタ０．３〜０．７の半径を有する円形のフィレットとして形成されている、請求項１記載のロータ軸。
4. 前記冷却孔（１３０）の前記非対称なフィレット（１５０）は、ミリングされている、請求項３記載のロータ軸。
5. 前記非対称なエッジフィレット（１５０）の面は、前記冷却孔の直径（Ｄ）のファクタ０．３〜０．７の全体的な幅（Ｗ）および全体的な深さ（ｄ）を有する、請求項１記載のロータ軸。
6. 前記非対称なエッジフィレット（１５０）の面は、均一なまたは漸進的な角度段部を有する、請求項１記載のロータ軸。
7. 前記ロータ軸（１００）は、ガスタービン、蒸気タービンまたはターボ機械の部材である、請求項１から６までのいずれか１項記載のロータ軸。

Images