JP2016525642A - 熱ターボ機械のためのロータ - Google Patents

Abstract

本発明は、熱ターボ機械、特にガスタービンのためのロータ（１０）に関するものであり、当該ロータは、その内部に媒体を誘導するように構成されている。当該媒体を、流れ損失を少量に抑えて内部に誘導するために、互いに接触しているロータディスク（３４、４２）の対（２５）が設けられており、対（２５）の両方のロータディスクのうち第１のロータディスク（３４）は、媒体を外側からロータ内部に供給するための開口部（３６）と、当該媒体をさらに回転軸（１３）の方向に誘導するためのリブ状のリブ（４０）とを有しており、対（２５）の第２のロータディスク（３４、４２）は、補助ウェブ（４６）を用いて、周方向に見てリブ（４０）の間に形成された流路が、少なくともリブ（４０）の径方向の延在部分の大部分に亘って軸方向に区切られているように構成されている。

Description

本発明は、熱ターボ機械のための、内部に媒体を誘導するために構成されているロータに関する。

軸流圧縮機及びガスタービン等の熱ターボ機械のためのロータは、大量に存在する先行技術から、様々な型のものが知られている。例えば、ガスタービンに関しては、溶接されたロータが知られており、当該ロータの場合、様々な幅のドラムが互いに溶接されて一体的なロータを形成している。他方、ロータディスクとしても知られている、複数のディスク状の要素を積層し、１つ又は複数のタイロッドを用いて引き締めて、固定的な構造を形成することが知られている。これらの型を組み合わせることも知られている。全てのロータには、外側にロータブレードが取り付けられており、当該ロータブレードは、ガスタービンの場合、例えば圧縮機か、又は、タービンユニットに配設されている。型とは無関係に、ロータカバー内の開口部を通じて、媒体がロータの内部に誘導され得る。それによって、当該媒体は、供給位置から第２の軸位置へ誘導され、当該軸位置において、媒体はロータから再び取り出される。この手法は、特にガスタービンにおいて、ロータ側で冷却空気をガスタービンの圧縮機の主要流路から取り出し、タービンユニットに誘導するために用いられ、当該タービンユニットでは、冷却空気は再びロータ内部から取り出され、空冷目的及び／又は気密目的で用いられ得る。

ガスタービンの圧縮機から空気を空気力学的に効率的に取り出すこと、及び、当該空気をロータ内部に効率的に誘導すること、を可能にするために、様々な構造が知られている。

例えば特許文献１からは、ロータの回転ゆえに旋回しながらロータの空洞に流入する空気を、径方向に延在するリブを通じて、ロータの中心に誘導することが知られている。誘導することによって、開口部から流出する空気の円周速度が、半径が小さくなるのと共に小さくなり、その結果、許容できない大きさの旋回が生じることが防止される。この理由から、リブは英語に由来して「旋回抑制装置（deswirler）」と呼ばれる。

独国特許出願公開第１９６１７５３９号明細書

本発明の課題は、ロータ内部における圧力損失及び流れ損失をさらに削減するための、代替的な解決法を提供することにある。

本発明の課題は、請求項４の特徴部分に基づくロータと、請求項１の特徴部分に基づくロータディスクとによって解決される。本発明に係るロータは、請求項１に係るロータディスクを少なくとも１つ含んでいる。

有利な構成は、従属請求項に記載されており、その特徴部分を相互参照によって互いに組み合わせることができる。

発明者は、先行技術では、径方向リブの領域において流れ損失が生じ得ることを認識している。なぜなら、これらのリブは、周方向においてはむしろ、互いに比較的離れて立っており、従って、当該位置には、ターボ機械から取り出された媒体のための大きな流れ断面が存在しているからである。これは、既知のリブの間の流路も、比較的大きな軸方向の延在部分を有しているので、より一層当てはまる。この欠点を取り除くために、本発明によって初めて、リブ間の流路の流れ断面を軸方向にも区切ることが提案される。この軸方向の境界は、好ましくは少なくともリブの径方向の延在部分の大部分に亘って形成されるべきである。この理由から、リブに直接対向しているロータディスクは、そのディスクウェブの幅よりも大きな幅を有するハブ領域に、外側を向いた、自由に終端する環状の補助ウェブを有しており、当該補助ウェブは、リブの間に形成された、開口部を通って流れる媒体のための流路を、リブの径方向の延在部分全体に亘って軸方向に区切っている。これによって、ロータ内部に流入する媒体をリブの領域で供給する際の空気力学的な流れ損失が減少し、取り出された媒体のリブに沿った外側から内側への空気力学的な誘導が改善する。

「軸方向」及び「径方向」、並びに、「外側」及び「内側」という概念は、つねに、ロータディスク又はロータの回転軸に関係していることを指摘しておく。加えて、ロータ内部とは、ロータの内側の、ロータディスクからは区切られている空洞であると理解される。言い換えれば、第１のロータディスクの開口部は、ロータ内部には含まれない。

ディスクから組み立てられたロータの場合、当該ディスクが後で互いに溶接されるか、又は、１つ若しくは複数のタイロッドによって互いに引き締められるかどうかに関わらず、以下で第１のロータディスクと呼ばれる、両方のロータディスクのうちの１つは、媒体を外側からロータ内部に移送するための開口部と、当該開口部を通って流れることができる媒体の流れを転送するための複数のリブとを含んでいる。この開口部は、ロータの内側において、径方向に対して斜めに配置されたロータの環状面に開口している。リブは、径方向内側において直接隣接して終端している。

以下で第２のロータディスクと呼ばれる、本発明に係るロータのための両方のロータディスクのうちのもう一方は、無限に（軸の全周にわたって）延在するディスクウェブを含んでおり、当該ディスクウェブは、その回転軸に対して径方向内側の端部に、回転軸と同心の中央開口部を備えたハブ領域を有しており、その径方向外側の端部に、隣接するディスクに対して支承するため、及び、ロータブレードを受容するための軸方向に拡大された環状領域を有しており、当該ハブ領域は、ディスクウェブの厚さに対して、軸方向において両側が拡大されているので、このように形成された突出長さのうち少なくとも１つには、外側を向いた、自由に終端する環状の補助ウェブが、環状の凹部を形成しながら、ディスクウェブと補助ウェブとの間に設けられている。

リブの径方向に検出可能な延在部分と、突出長さを含む補助ウェブの径方向に検出可能な延在部分とは、これらが略同じ大きさになるように、すなわち好ましくはリブと補助ウェブ又は突出長さとが、外側でも内側でも同じ半径で終端するように、互いに調整されている。

第１のロータディスクでは、リブが、径方向に沿って内側から外側へ延在している。それによって、外側から流入する媒体の旋回が特に効率的に抑制され、流れ損失が減少する。

さらに、好ましくは、リブのうち少なくとも１つ、好ましくは全てのリブは、その径方向外側を向いている端部において、自由に終端する延長部分を有しており、それによって、ロータ内側の開口部の開口部分と各リブの径方向外側端部との間の間隔をさらに削減することができる。この間隔の削減によって、開口部から流出する媒体の誘導が改善され、流れ損失はさらに減少する。

好ましくは、両方のロータディスクは、環状領域において、両方のディスク面に、横方向に突出したカラーを含んでおり、当該カラーは、回転軸の軸方向において検出可能な高さを有しており、この高さは、同様に検出可能な、関連する突出長さ又はリブの高さよりもわずかに大きい。わずかに大きなカラーによって、ロータディスクは、その径方向外側の領域に、径方向内側よりも大きな軸方向の幅を有しており、それによって、両方のロータディスクが互いに接している場合、補助ウェブがリブと接触することが防止される。後者は、機械的摩耗につながり得るが、回避することができる。好ましくは、環状領域におけるロータディスクの高さ及び軸方向の幅は、リブと補助ウェブの対向する側面との間における軸方向の間隔が、動作中に生じる熱膨張を考慮して、可能な限り小さく保持されているように選択されている。

さらに好ましくは、ディスクウェブを通って延在する開口部は、環状領域において、開口部が、ターボ機械の主要流路における媒体の貫流方向に関して、第１のロータディスクの下流側に開口するように傾斜している。それによって、抽出されるべき媒体のための取り出し位置は、該当するロータディスクによって支持されているロータブレードの下流に位置している。言い換えると、開口部は、その内側端部に関して下流側で傾斜している。

傾斜した開口部は、ロータディスクの一様な加熱を支援し、それによって、ロータディスク内の熱応力が減少する。同時に、ターボ機械の主流からの媒体の取り出しは、媒体の円周速度がターボ機械の主要流路においてロータの円周速度に略一致する、軸方向の位置において行われる。それによって、媒体の開口部への流入が容易になり、空気力学的損失が減少する。従って、主流から取り出されるべき媒体のためのポジティブな流入条件が創出される。

両方のロータディスクは、好ましくは圧縮機ディスクとして、又は、タービンディスクとして構成され得る。圧縮機ディスクの場合、開口部は、好ましくは外側でカラーに開口しており、タービンディスクの場合、開口部は、外側でロータブレードの固定ノッチに開口している。

総じて、本発明は、熱ターボ機械、特にガスタービンのためのロータに関するものであり、当該ロータは、その内部に媒体、例えば圧縮機空気を誘導するように構成されている。当該媒体を、流れ損失を少量に抑えて内部に誘導するために、互いに接触している一対のロータディスクが設けられており、当該対の両方のロータディスクのうち第１のロータディスクは、媒体を外側からロータ内部に供給するための開口部と、当該媒体をさらに回転軸の方向に誘導するためのリブ状のリブとを有しており、当該対の第２のロータディスクは、補助ウェブを用いて、周方向に見てリブの間に形成された流路が、少なくともリブの径方向の延在部分の大部分に亘って軸方向に区切られているように構成されている。

本発明のさらなる利点及び特徴を、唯一の実施例を用いて説明する。示されているのは以下の図である。

ターボ機械のロータの縦断面を示す図である。 実質的に２つのロータディスクを有する、本発明に係るターボ機械のロータの縦断面の一部を示す図である。

両方の図において、同一の特徴には同じ参照符号が付されている。

図１は、熱ターボ機械のロータ１０の原則的な構造を概略的に示しており、当該熱ターボ機械は、組み立てられた状態で、その回転軸１３の周りを回転できるように取り付けられている。これは、図示された実施例では、固定型ガスタービンのロータ１０である。ロータ１０は、航空機のガスタービンでも用いることが可能であろう。ロータ１０は、ガスタービン内で用いられるので、圧縮機部分１２とタービン部分１４とを含んでいる。両方の部分１２、１４の間には、管１６が設けられている。圧縮機部分１２もタービン部分１４も、ディスク状に構成されている。圧縮機部分１２は、図示された実施例では、１６のロータディスク１８を含んでおり、タービン部分１４は、４つのロータディスク１８を含んでいる。全てのロータディスク１８及び管１６を通ってタイロッド２０が延在しており、タイロッド２０の両端部には、いわゆる前方中空シャフト２２といわゆる後方中空シャフト２４とがネジで取り付けられている。両方の中空シャフト２２、２４は、全てのロータディスク１８及び管１６を互いに引き締めるので、周方向における相対運動は大幅に回避される。詳細には、これは、接触面２３に配置されたヒルト歯（Hirth-Verzahnung）によるものである。しかしながら、ヒルト歯は詳細には図示されていない。

本発明に係る特徴は、図１には示されていない。これに関しては、図２が参照される。図２は、図１の圧縮機部分１２の、２つの任意の、しかしながらディスク対２５を形成しているロータディスク１８の一部を拡大して示している。

ロータ１０の外側では、動作状態において、詳細には図示されていない主要流路内を、空気が媒体として矢印方向２７に流れており、その間に、当該空気は圧縮機によって圧縮される。

各ロータディスク１８は、回転軸１３の周囲を無限に延在するディスクウェブ２６を有している。ディスクウェブ２６は、その径方向内側の端部に、回転軸と同心の中央開口部３０を備えたハブ領域２８を、その径方向外側の端部に、環状領域３２を有している。当該環状領域は、ロータブレード３１（図１）の固定に用いられると共に、両側に配置されたカラー３３を含んでおり、カラー３３では、隣接するロータディスク１８が互いに接している。図２の中央より右側に示されているロータディスク１８は、以下において第１のロータディスク３４と表記される。第１のロータディスク３４は、さらに、ディスクウェブ２６を通って環状領域から内側に延在する開口部を有しており、当該開口部は、ディスクウェブ２６の円周に沿って均等に分配されている。複数の開口部のうち、１つのみが図示されており、参照符号３６が付されている。開口部３６は、当該開口部がディスクウェブ２６を一方の側から他方の側に突き抜けるように、径方向に対して傾斜している。開口部３６は、その径方向内側の端部で、環状面３８に開口しており、環状面３８は、ロータディスク３４の径方向に対して斜めに配置されている。環状面３８に直接隣接して、ハブ領域２８には、多数のリブ４０が設けられている。リブ４０は、外側端部から内側端部へと延在している。さらに、リブ４０は、円周に沿って均等に分配されている。リブ４０は、第１のロータディスク３４のハブ領域２８に溶接されているか、又は、同時にロータディスク３４と共に形成されていても良い。リブ４０の固定された部分に関して、それぞれが、リブ４０の外側端部に延長部分を有しており、それによって、環状面３８の４１と開口部３６の開口位置との間の間隔を可能な限り小さく保持することができる。構造力学的には、リブ４０が周方向の溝５０内に固定されることを回避することが重要であるが、構造力学的には、環状面３８とハブ領域２８との間も同様に必要である。

リブ４０は、開口部３６から流れる、ロータ１０の内部に流入すべき空気の流れを誘導するために用いられる。第１のロータディスク３４の、リブ４０が設けられている側には、第２のロータディスク４２が接している。従来の各ロータディスク１８のように、第２のロータディスク４２もハブ領域２８を有しており、その軸方向の延在部分は、２つの突出長さ４４ゆえに、付属するディスクウェブ２６の延在部分よりも幅が大きい。対称性の理由で、リブ４０に直接対向する補助ウェブ４６のみが必要であろうにも関わらず、両方の突出長さ４４に、外側を向いた自由に終端する環状の補助ウェブ４６が、ディスクウェブ２６と補助ウェブ４６との間に環状の凹部４８を形成するように設けられている。補助ウェブ４６は、突出長さ４４と共に、リブ４０の径方向の延在部分全体に亘って、流路を区切っており、当該流路には、開口部３６から流出する冷却空気が流入し、タイロッド２０まで誘導される。これによって、各流路の流入部における空気の旋回が回避され、空気の誘導の効率が改善する。

ロータディスク１８の中央開口部３０は、タイロッド２０の直径よりも大きいので、それぞれのハブ領域２８とタイロッド２０との間には環状空間が形成され、当該環状空間を通って、タイロッド２０に誘導される空気は、軸方向において、タイロッド２０に沿って、圧縮機部分１２からタービン部分１４に誘導され得る。

自明のことながら、上述したディスク対２５を、タイロッド２０に沿って誘導された空気を外側へ誘導するために用いることも可能であり、これは、タービン部分１４におけるロータディスク１８の場合に必要である。

１０ ロータ
１２ 圧縮機部分
１３ 回転軸
１４ タービン部分
１６ 管
１８ ロータディスク
２０ タイロッド
２２ 前方中空シャフト
２３ 接触面
２４ 後方中空シャフト
２５ ディスク対
２６ ディスクウェブ
２７ 矢印方向
２８ ハブ領域
３０ 中央開口部
３１ ロータブレード
３２ 環状領域
３３ カラー
３４ 第１のロータディスク
３６ 開口部
３８ 環状面
４０ リブ
４２ 第２のロータディスク
４４ 突出長さ
４６ 補助ウェブ
４８ 凹部
５０ 溝

Claims (8)

1. ターボ機械のロータ（１０）のためのロータディスク（４２）であって、前記ロータディスク（４２）は、前記ロータディスク（４２）の回転軸（１３）周りで無限に延在するディスクウェブ（２６）を有しており、
   前記ディスクウェブは、前記回転軸（１３）に対してその径方向内側の端部において、中央開口部（３０）を備えたハブ領域（２８）と、その径方向外側の端部において、ロータブレード（３１）を受容するための環状領域（３２）と、を有しており、
   前記ハブ領域（２８）は、軸方向において両側に突出長さ（４４）を有しており、
   前記ハブ領域（２８）の２つの突出長さ（４４）のうち少なくとも１つは、外側を向いた、自由に終端する環状の補助ウェブ（４６）を含んでおり、それによって環状の凹部（４８）が形成されていることを特徴とするロータディスク（４２）。
2. 前記環状領域（３２）において、両方のディスク面に、横方向に突出したカラー（３３）が配置されており、前記カラー（３３）のカラー高さは、関連する前記突出長さ（４４）の高さよりもわずかに大きい、請求項１に記載のロータディスク（４２）。
3. 圧縮機ディスク（１８）又はタービンディスク（１８）として構成されている請求項１又は２に記載のロータディスク（４２）。
4. 互いに接触しているロータディスク（１８）の対（２５）を少なくとも１つ有する、ターボ機械のためのロータ（１０）であって、
   前記対（２５）の両方のロータディスクのうち第１のロータディスク（３４）は、前記ロータディスク（３４）の回転軸（１３）の周囲を無限に延在するディスクウェブ（２６）を有しており、前記ディスクウェブは、前記回転軸（１３）に対してその径方向内側の端部において、中央開口部（３０）を備えたハブ領域（２８）と、その径方向外側の端部において、ロータブレード（３１）を受容するための環状領域（３２）とを有しており、
   前記環状領域（３２）から、円周に沿って分散するよう配置された開口部（３６）が、内側に向かって前記ディスクウェブ（２６）を貫通しており、前記開口部は、前記ロータディスク（３４）の、径方向に対して斜めに配置された環状面（３８）に開口しており、
   前記ハブ領域（２８）は、前記環状面（３８）に対して径方向内側に隣接する様式で、前記開口部（３６）を通って流れることができる空気の流れをさらに誘導するための多数のリブ（４０）を有しており、
   前記対（２５）の２つのロータディスクのうち第２のロータディスク（４２）は、請求項１から３のいずれか一項に従って構成されており、
   前記対（２５）の前記第１及び前記第２のロータディスク（３４、４２）の配置は、リブ（４０）及び補助ウェブ（４６）が対向するように選択されている、ロータ（１０）。
5. 前記リブ（４０）の径方向に検出可能な延在部分と、前記補助ウェブ（４６）及び前記突出長さ（４４）の径方向に検出可能な延在部分とが、前記リブ（４０）及び前記補助ウェブ（６）又は前記突出長さ（４４）が外側でも内側でも同じ半径で終端するように、互いに調整されている、請求項４に記載のロータ（１０）。
6. 各案内要素（４０）が、内側から外側へ、径方向に沿って延在している、請求項４又は５に記載のロータ（１０）。
7. 前記リブ（４０）のうち少なくとも１つ、好ましくは全てのリブ（４０）が、その径方向外側を向いた端部において、自由に終端する延長部分（４１）を有している、請求項４から６のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
8. 前記第１のロータディスク（３４）が、前記第２のロータディスク（４２）に対応する様式で、圧縮機ディスク（１８）又はタービンディスク（１８）として構成されている、請求項４から７のいずれか一項に記載のロータ（１０）。

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