JP4372250B2 - 流体機械のロータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体機械のロータであって、該ロータのロータ軸の表面に、一列または複数列の回転羽根および／または別の構成部分、たとえば熱シールドまたは熱滞留セグメントが設けられており、該回転羽根および／または別の構成部分が、それぞれ固定のための基部を介して、ロータ軸の表面を通じてロータ軸内に突入している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
個々のコンポーネントが極めて大きな熱負荷にさらされるような最近のガスタービンの出力向上および寿命向上の観点から、高度に熱負荷されるユニットの冷却はますます重要となりつつある。特にこの場合には、ガスタービンのロータおよび回転羽根の冷却が考えられる。ガスタービンのロータと回転羽根は、燃焼器から到来する熱ガスに直接さらされており、したがって大きな冷却強さを必要とする。
【０００３】
公知の冷却手段、たとえば予め圧縮された空気の一部を冷却目的のために分岐させる、という手段は、最近のガスタービンにおける制限された空気バランスに基づき、必然的にある程度の効率損失を伴う。このような手段の他に択一的に、ガスタービンの熱負荷されるユニットの冷却を別の冷却媒体で行うことが提案されている。このような手段では、たとえば熱負荷されるユニットが冷却蒸気で負荷される。この冷却蒸気はロータ内部の冷却循環路内に、全ての高温領域を冷却するために導入される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前で述べた冷却装置に対して補足的または択一的に、本発明の課題は、できるだけ簡単な手段を用いて、流体機械のロータおよび特にロータ軸の表面範囲ならびにロータ軸に半径方向で配置された回転羽根をできるだけ直接に、ただし穏やかな冷却媒体、有利には空気の使用下に冷却することである。特に、公知のロータにおいてもともと存在している輪郭を冷却目的のために利用して、冷却手段を構造上僅かな手間をかけるだけで、しかも僅かな財政投入を行うだけで実施することができると望ましい。本発明による手段を、既に使用されている流体機械にあとから装備することができることが望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭で述べた形式のロータにおいて、ロータ軸が、表面の下方の少なくとも１つの範囲で、少なくとも１つの基部の近くに、少なくとも１つの閉じられた中空室を有しており、該中空室が、少なくとも１つの貫通案内通路を介して、基部の、ロータ軸側に面した端部に冷却目的のために接続されており、さらに冷却システムが設けられていて、該冷却システムによって前記中空室に冷却媒体が供給可能であるようにした。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、流体機械のロータ、有利にはロータ軸の周縁部に各１つの羽根基部を有する回転羽根を備えたガスタービンのロータであって、しかも羽根基部が、回転羽根をロータ軸に固定する目的で周縁部を介してロータ軸内に突入していて、ロータ軸が、周縁部の少なくとも１つの範囲で羽根基部の近傍にロータ軸内の中空室を有しているようなロータにおいて、ロータ軸が、表面の下方の少なくとも１つの範囲で、少なくとも１つの基部の近くに、少なくとも１つの閉じられた中空室を有しており、該中空室が、少なくとも１つの貫通案内通路を介して、基部の、ロータ軸側に面した端部に冷却目的のために接続されており、さらに冷却システムが設けられていて、該冷却システムによって中空室に冷却媒体が供給可能である。
【０００７】
本発明の根底を成す理念は、ロータ材料の温度ならびに回転羽根基部の温度を低下させるためには、ロータの周囲を流れる熱ガスの、ロータ軸の表面と回転羽根とに作用する熱を、ロータ軸の周縁部のできるだけ近傍において適当な冷却空気供給によって直接に導出することが望ましい、という思想から出発する。
【０００８】
このためには、ロータ軸の周縁部のすぐ下方に中空室を有するロータにおいて、半径方向および／または斜め半径方向の貫通案内通路が設けられる。これにより、熱ガスによって加熱された周縁部ならびに回転羽根を、冷却システムを介して冷却媒体、有利には冷却空気が供給される中空室の側から冷却することができる。
【０００９】
図４には、本発明による手段を実施するために適した自体公知のロータ軸輪郭が示されている。
【００１０】
図４に概略的に図示した横断面図には、ロータ軸の軸線Ａを中心にして回転するロータ軸１の上側の区分が示されている。ロータ軸の周縁部には、ロータ軸の軸線Ａに対して半径方向で複数の回転羽根２が配置されている。構造を分かり易くする目的で、各回転羽根２の間には、ステータに固定的に取り付けられた案内羽根３が示されており、これらの案内羽根３は、それぞれ連続する２つの回転羽根２の間の間隙に突入している。羽根輪郭の上に示した矢印は、タービンを通る熱ガスの貫流方向を表している。
【００１１】
しかし、図４に「Ｅ」で示した円で囲まれた個所を見れば判るように、ロータ軸の中央の区分Ｅが、案内羽根の羽根基部の近くでロータ軸の周縁部に中空室を有している。
【００１２】
本発明の思想では原則的に、中空室上方のロータ軸の範囲を穿孔し、これによりロータ軸の上側と、中空室内に存在する冷却空気との間で空気交換を行うことができるようになる。特に、ロータ軸のこの範囲には、中空室内に存在する冷却空気が回転羽根の羽根基部範囲を直接に冷却し得るように穿孔を設けることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１４】
単にロータ横断面の一部しか示していない図１の横断面図は、本発明により装備されたロータの中央区分に相当している。この中央区分は図４において「Ｅ」で示した円で取り囲んだ範囲に相当する個所を想定したものである。この円は有利には、本発明による「穿孔」によって捕捉またはカバーすることのできる全ての回転羽根基部を包含している。
【００１５】
ロータ軸１の表面６には、ロータの周囲を流れる熱ガスによる定常の熱流Ｑが作用する。付加的に、図１に示していない回転羽根の根元を成す羽根基部７を介して、付加的な熱流Ｑｓがロータ軸１に流入する。回転羽根のその他の部分は、ロータ軸１の表面６を半径方向で越えて突出している。
【００１６】
ロータ軸１に導入された熱をできるだけ迅速に導出するために、本発明によれば第１に、ロータ軸１の内部に設けられた環状の周方向溝８内に固定された回転羽根の羽根基部７が、貫通案内通路９によって直接に冷却空気で負荷されるようになっている。このためには、ロータ軸１の内部で回転羽根の近くに中空室５が設けられ、この中空室５が貫通案内通路９に接続され、この場合、貫通案内通路９はロータ軸の軸線Ａに対してほぼ半径方向で中空室５から羽根基部７にまで延びている。さらに、この中空室５は冷却システム４に接続されており、この冷却システム４を介して、中空室５に冷却媒体を供給することができる。図１に示した実施例では、この冷却システム４は単に、冷却媒体のための供給通路４ａと導出通路もしくは戻し通路４ｂとから成っている（冷却媒体の流れ方向を示す矢印参照）。もちろん、１つの中空室から複数の貫通案内通路を介して複数の羽根基部、たとえば図１に示した実施例の場合のように２つの羽根基部に冷却媒体を供給することもできる。
【００１７】
供給通路４ａによる中空室５内への冷却媒体の供給は、中空室５内にロータに対して相対的にスワールが生じるように行われると有利である。加熱された冷却媒体の、戻し通路４ｂによる中空室５からの戻しは、中空室５の内側の表面において行われると有利である。なぜならば、中空室５の内側の表面には、加熱された冷却媒体が溜まるからである。供給通路４ａの、中空室５への開口部は、たとえば大きな半径または斜め面取り部または案内羽根を付与することにより、冷却媒体が良好に流入し得るように形成されていなければならない。冷却媒体がロータにとっては暖かすぎる場合には、たとえばライニングチューブまたは断熱層によって戻し通路４ｂを常に断熱することができる。
【００１８】
羽根基部７が固定されている周方向溝８は、さらに中空通路１０を有しており、この中空通路１０には、中空室５内に存在する冷却空気が貫通案内通路９を介して流入し得る。
【００１９】
周方向溝８は、多数の回転羽根が相前後して配置されているロータ軸１を全周にわたって取り囲むように延びている。回転羽根の各羽根基部の下に設けられた個々の中空通路１０は一緒になって、１つの周方向通路１０´を形成している。貫通案内通路９を介して導入された冷却空気は、この周方向通路１０´を通じて循環することができる。こうして、羽根基部を冷却する、ロータ軸内部に組み込まれた冷却システムが実現可能となる。
【００２０】
さらに、羽根基部７を直接に冷却する貫通案内通路９に対して補足的に、別の貫通案内通路９´も設けられている。これらの貫通案内通路９´はロータ軸の周縁範囲を完全に貫通しているか、または部分的にのみ貫通している。こうして、周縁部もしくは表面６に作用する熱流Ｑは、直接に貫通案内通路９´によって、冷却空気が存在している中空室５の方向に導出される。
【００２１】
半径方向に延在するように配向された貫通案内通路９，９´の他に、択一的または補足的に、ロータ軸内に斜め半径方向に延びる貫通案内通路を設けることもできる。
【００２２】
有利には回転羽根を冷却するためにそれぞれロータ中央部に設けられている、図１に示した本発明による冷却装置の構成は種々様々に構成され得る。これにより、冷却空気は羽根基部に存在する熱を搬出するために働くようになる。
【００２３】
原則的に、羽根基部の近くで中空通路１０内に存在する冷却空気は大きな熱導入量Ｑｓに基づき加熱され、そしてロータの回転によって形成される遠心力領域の存在で大きな浮力を受ける。この場合、暖かい空気は半径方向内側に向けられて貫通案内通路を貫流し、こうして、後続する冷たい空気流にスペースを与えるので、この冷たい空気は熱い羽根基部を冷却することができる。遠心力領域に形成されるこのような対流は、温度勾配に基づき自動的に生じる。しかし、貫通案内通路は相応して大きく形成されていなければならないので、１つの貫通案内通路の内部では前で述べたような向流システムが形成され得る。
【００２４】
中空室５に開口する貫通案内通路の開口部は、ロータの回転軸線から測定して、熱が供給される側のロータ軸範囲よりも小さな半径に位置していると望ましい。
【００２５】
さらに、中空室の構成も任意に行うことができる。すなわち、貫通案内通路９の起点となる中空室の上側の輪郭がロータ軸の軸線Ａに対して斜めに延びていることは必ずしも必要ではない。また、貫通案内通路９は、ロータ軸の軸線Ａに対して直角に延びる中空室壁区分から分岐していてもよい。ただし、貫通案内通路を配置する場合に重要となるのは、中空室に対する貫通案内通路の開口部が、ロータ軸の軸線Ａに対して、貫通案内通路の、熱が供給される側の範囲よりも小さな半径に位置していることである。これにより、いわゆる「熱サイホン」の原理が使用可能となる。この場合には、ロータ軸が、冷たい冷却空気のためのポンプ出力と、暖かい冷却空気のタービン出力との間の差を確立しなければならない。
【００２６】
また、開口部１１，１１′が、ロータ軸の軸線Ａに対して相対的に同じ半径に位置していることも有利である。すなわち、開口部１１，１１′がロータ軸の軸線に対して相対的に同じ半径に位置していないと、半径方向の圧力差、つまり圧力差に基づき生じる中空室内のスワールが、冷却作用に影響を与えてしまう。
【００２７】
さらに、貫通案内通路内で、前で述べた「熱サイホン」の原理に基づき自動的に形成される冷却流の他に、意図的に冷却流を貫通案内通路に流入させることもできる。貫通案内通路の、ロータ軸側に面した開口部１１は、ロータの回転運動に基づき、中空室５内に存在する冷却媒体に対して相対的に運動するので、各貫通案内通路に対する開口ジオメトリを意図的に形成することによって、通路内の流れ方向を規定することができる。
【００２８】
図２には、図１に示したＡ―Ａ線に沿った断面図が示されている。図２に示した、回転軸線に対して直角に断面した断面図には、互いに隣接した２つの貫通案内通路９が示されている。両貫通案内通路９はそれぞれロータ軸側に面した開口部１１，１１′を有していて、互いに異なる大きさに設定された曲率半径Ｒおよびｒを有する入口丸みを有している。中空室５内の冷却媒体はロータに対して相対的に、大きな矢印で示した方向に流れる。両開口部１１，１１′を横断するこのような横方向流は、大きな曲率半径Ｒを有する開口部１１において、小さな曲率半径ｒを有する開口部１１′におけるよりも高い圧力を発生させる。これにより、大きな曲率半径Ｒを有する開口部１１に続く貫通案内通路９には、半径方向外側に向けられた冷却流が導入される。この流れは引き続き周方向通路１０′を介して、小さな曲率半径ｒを有する隣接の貫通案内通路９に流入して、再び中空室５に戻る。
【００２９】
また、図２に示した、それぞれ互いに隣接した貫通案内通路の間で交互に設定された、互いに異なる大きさの曲率半径Ｒおよびｒを有する、貫通案内通路の開口部の構成に対して択一的に、貫通案内通路の開口範囲を、１つの開口部が２つの異なる大きさの曲率半径Ｒおよびｒを有するように形成することも可能である。すなわち、この場合に前で説明した流れ方向を規定するためには、図３に示したように、それぞれ互いに隣接した２つの貫通案内通路の、互いに接近して位置する側の開口範囲を、互いに同じ曲率半径で形成することが必要である。
【００３０】
図２および図３に部分的に示したような冷却システムが作動し得るようにするためには、貫通案内通路の数が、自然の整数をとらなければならないので、１つの流入用貫通案内通路には、それぞれ１つの流出用貫通案内通路が対応している。
【００３１】
図２および図３ に示した開口輪郭に対して択一的または補足的に、貫通案内通路の開口部の各個所に正規の汲み上げ縁部を設けることもできる。しかし、このことは付加的な構造上の手間を伴い、このような手間をかけることは、前で説明した「熱サイホン」の機能形式では必ずしも必要とされない。
【００３２】
羽根基部の下方に意図的に導入された冷却媒体、有利には冷却空気、によって回転羽根の羽根基部を直接に冷却することは、冷却システム内部でのダスト粒子によって生じる恐れのある汚染危険の理由からも有利である。たとえばダスト粒子が貫通案内通路を通じて取付けレールの周方向溝に流入した場合、これらのダスト粒子は原則的に周方向溝の閉塞を生ぜしめ、ひいては冷却効果のかなりの低下を招く恐れがある。第１に、このような汚染を防止するためには、冷却された羽根において使用されるような「ダスト孔」を設けることができ、第２に保守作業において別の手間をかけることなしに、回転羽根を取付けレールから取り外すことによって、周方向溝内に沈積した不純物を容易に除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】閉じられた中空室を備えたロータ軸の周縁部の一部を断面した断面図である。
【図２】図１のＡ―Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図２に示した実施例に対する変化実施例を示す断面図である。
【図４】自体公知のロータ配置を示す原理的な横断面図である。
【符号の説明】
１ ロータ、 ２ 回転羽根、 ３ 案内羽根、 ４ 冷却システム、 ４ａ供給通路、 ４ｂ 戻し通路、 ５ 中空室、 ６ 表面、 ７ 羽根基部、８ 周方向溝、 ９，９′ 貫通案内通路、 １０ 中空通路、 １０′ 周方向通路、 １１，１１′ 開口部、 Ａ ロータ軸の軸線

Claims (7)

1. 流体機械のロータであって、該ロータのロータ軸（１）の表面（６）に、一列または複数列の回転羽根（２）および／または別の構成部分が設けられており、該回転羽根（２）および／または別の構成部分が、それぞれ固定のための基部（７）を介して、ロータ軸（１）の表面（６）を通じてロータ軸（１）内に突入している形式のものにおいて、ロータ軸（１）が、表面（６）の下方の少なくとも１つの範囲で、少なくとも１つの基部（７）の近くに、少なくとも１つの閉じられた中空室（５）を有しており、該中空室（５）が、少なくとも１つの貫通案内通路（９）を介して、基部（７）の、ロータ軸側に面した端部に冷却目的のために接続されており、さらに冷却システム（４）が設けられていて、該冷却システム（４）によって前記中空室（５）に冷却媒体が供給可能であり、ロータ軸（１）の全周にわたって互いに隣接して少なくとも２つの貫通案内通路（９）が配置されており、１つの貫通案内通路（９）内で冷却媒体が、前記中空室（５）から半径方向外側に中空通路（１０）内へ循環するようになっており、周方向で隣接した貫通案内通路（９）が、冷却媒体を前記中空通路（１０）から半径方向内側に前記中空室（５）内へ再循環させるようになっており、互いに隣接した２つの貫通案内通路（９）が、それぞれロータ軸側に面した開口部（１１，１１′）を有していて、該開口部（１１，１１´）が、互いに異なる大きさに設定された曲率半径（Ｒ，ｒ）を有する入口丸みを有していることを特徴とする、流体機械のロータ。
2. 前記開口部（１１，１１′）が、大きな開口曲率半径（Ｒ）か、または小さな開口曲率半径（ｒ）を有している、請求項１記載のロータ。
3. 貫通案内通路（９）の、中空室（５）に対する開口部（１１，１１′）の開口曲率半径は、それぞれ、互いに直接に隣接した２つの貫通案内通路の開口部が互いに異なる開口曲率半径を有するように設定されている、請求項１記載のロータ。
4. 互いに直接に隣接した２つの開口部の互いに隣接した開口範囲（１１，１１′）が、同じ開口曲率半径を有している、請求項３記載のロータ。
5. 冷却媒体として冷却空気が使用される、請求項１記載のロータ。
6. 基部（７）が、ロータ軸（１）内部に設けられた周方向溝（８）に嵌め込まれており、該周方向溝（８）が、挿入された基部（７）の半径方向下方に中空通路（１０）を形成しており、該中空通路（１０）が貫通案内通路（９）に接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のロータ。
7. 流体機械が、タービン、ガスタービンの圧縮段または蒸気タービンである、請求項１から６までのいずれか１項記載のロータ。

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