JP4591047B2 - タービンロータ及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、タービンロータ及びガスタービンに係る。

特許文献１（ＵＳＰ５,６２８,６２１）に、ガスタービンのギヤカップリング構造が開示され、特許文献２（特開平５−１０６４６６号公報）には、ギヤカップリングによるロータ組立構造を有するタービンロータが開示されている。この文献技術では、タービンロータを構成するインペラ及び動翼をギヤカップリングによって接続し、テンションバーによって締結することでこれらを固定保持する構造が開示されている。

ＵＳＰ５,６２８,６２１ 特開平５−１０６４６６号公報

ギヤカップリングは、その外周側空間と内周側空間が連通するような無数の隙間を有する為、ギヤカップリングの外周側と内周側に圧力差が生じると、隙間からリーク流れが発生する可能性がある。例えば、圧縮機の前段側と後段側にギヤカップリングを設けると、高圧である圧縮機後段側の作動流体が、ギヤカップリングの隙間からギヤカップリング内周側へ混入し、ロータ内の中心孔などをすり抜けて、低圧である圧縮機前段側に流れ、前段側のギヤカップリングの隙間を通してギヤカップリング外周側へ流出する。つまり、圧縮機後段側の作動流体がギヤカップリングを通して圧縮機前段側へ流出することとなり、その結果、圧縮機の効率が低下するという課題がある。

上記では圧縮機部分について詳しく記述したが、その他にも作動流体がカービック部からロータ内に進入して、ロータ内部をすり抜けて前記カービック以外のカービック部から外部に流出して、ガスタービン効率が低下するという課題がある。さらに、作動流体中に水分を含む時は、その水分がギヤカップリングの隙間を通ってロータ内へ進入して停留し、アンバランスの原因となって過大な軸振動を誘発したり、ロータ内部の腐食の原因になって、信頼性が低下するという課題もある。

本発明の目的は、効率向上を図るとともに、信頼性向上が図れるタービンロータ及びガスタービンを提供することにある。

ギヤカップリング式のタービンロータで、ロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、該ギヤカップリング部の空気の漏れを抑制するシール手段と、シール手段の軸心側移動を拘束する拘束手段を設けることを特徴とする。

本発明によると、効率向上を図るとともに、信頼性向上が図れるタービンロータ及びガスタービンを提供することができる。

複数のロータ部材を環状のギヤカップリングにより接続し、ロータ軸方向でボルト締結されたタービンロータにおいて、ロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、ギヤカップリング部の空気の漏れを抑制するシール手段と、シール手段の軸心側移動を拘束する拘束手段とを設け、設備の効率向上及び信頼性向上を図る。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１を示すタービンロータ構造を示す。本実施例では、複数のロータ部材として、前側軸７，一段インペラ１，二段インペラ２，中間軸３，一段タービンロータ４，二段タービンロータ５を備え、それらを締結し固定保持する締結ボルト６を備えている。

これらは、それぞれの軸方向端部に設けられたギヤカップリングで接続され、ボルト締結される。図１に示すように、隣接する一段インペラ１，二段インペラ２との間のギヤカップリング２１，二段インペラ２と中間軸３の間のギヤカップリング２２，中間軸３と一段タービンロータ４の間のギヤカップリング２３，一段タービンロータ４と二段タービンロータ５の間のギヤカップリング２４によって接続している。締結ボルト６の前側に設けられたおねじ部を前側軸７の内周側に設けられためねじ８にねじ止めし、締結ボルトの後側に設けられたねじ部をナット９で所定のトルクで締付けることによって一段インペラ１，二段インペラ２，中間軸３，一段タービンロータ４，二段タービンロータ５を夫々固定保持している。運転中、タービンロータは中心線１０の周りに高速回転する。

作動流体は、一段インペラ１の入口から矢印１１方向に流入して、一段インペラ１で圧縮されて一段インペラ１の出口から矢印１２方向に流出する。続いて、二段インペラ２の入口から矢印１３方向に流入して、二段インペラ２で圧縮されて二段インペラ２の出口から矢印１４方向に流出する。その後、燃焼器１５へ流入して燃焼したあと、タービンへ導入されて仕事をした後、矢印１６へ排出される。作動流体は一段インペラ１，二段インペラ２によって圧縮される為、矢印１２の位置における圧力は矢印１１の位置における圧力より高く、矢印１４の位置における圧力は矢印１３の位置における圧力より高い。矢印
１２と矢印１３の位置の圧力は同等である。

次に、ギヤカップリングのかみ合い状態について図２（ａ），図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）は、ギヤカップリング面の斜視図を示す。図２（ｂ）は、ギヤカップリング２０のかみ合い状態をロータ横（矢印２５方向）から見た図を示す。

ギヤカップリングには、隣接するロータと接触する面の周上に凸部２７ａと凹部２７ｂが交互に存在する。このギヤカップリング面と接合される隣接するロータの接触面にも、同様のギヤカップリング面が形成されており、隣接するギヤカップリング同士がかみ合うことで隣接するロータ同士が接続，結合される。図２（ｂ）に示すように、ギヤカップリングには隙間２６が無数に存在する。このためギヤカップリングの外周側と内周側に圧力差が生じれば、隙間２６に作動流体のリークが生じる。ギヤカップリング２１〜２４についても図２（ｂ）と同様の構造となっている。ギヤカップリング２１〜２４は、上記のような隙間２６を有する為、矢印１３を流れる作動流体は、ギヤカップリング２１を通ってロータ内へ混入し、ロータ中心孔，ギヤカップリング２０をすり抜けて圧力の低い矢印
１１部へ流れる。このようなすりぬけが生じると圧縮機の効率が低下するという課題がある。さらに、作動流体中に水分を含む時は、その水分がギヤカップリングの隙間を通ってロータ内へ進入して停留し、アンバランスの原因となって過大な軸振動を誘発したり、ロータ内部の腐食の原因になって、信頼性が低下するという課題もある。特に、作動流体中に湿分や水分を混入させるガスタービンシステムについては、作動流体中の水分がロータ内へ進入する問題が発生しやすい。

本実施例１では、各ギヤカップリング２０，２１，２２，２３，２４部に、シール手段として、シールプレート３０，３１，３２，３３，３４を設けている。シール手段は、ロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、ギヤカップリング部の空気の流れを抑制する。つまり、シール手段は、ロータ外部からロータ内部への作動流体の侵入（作動流体の漏れ）を抑制することができ、作動流体を効率良く利用でき、全体効率向上が図れる。

図３（ａ）に、本実施例１におけるギヤカップリング部の拡大図を示す。シールプレート３１は、図３（ｂ）のような円筒状の形状をしている。運転中は、シールプレート３１が遠心力によってギヤカップリング内周側３９に押し付けられて接触する。これによって、隙間２６からのリークを抑制でき、作動流体がロータ内へ進入することを抑制することができる。

さらに、作動流体中に水分を含む時でも、その水分がギヤカップリングの隙間を通ってロータ内へ進入して停留し、アンバランスの原因となって過大な軸振動を誘発したり、ロータ内部の腐食の原因になって、信頼性が低下するという課題をこのシール手段によって解決することができる。

シールプレートの形状としては、図３（ｂ）のように周方向に切れ目のない円筒状の形状とすることや、図３（ｃ）のように周方向に１箇所の切れ目３７を入れた形状とすることや、図３（ｄ）のように複数箇所に切れ目３７ａを入れた形状（周方向で分割形状）とすることが考えられる。

周方向に切れ目を入れると、運転時に遠心力が作用した時、周方向に発生する応力がなくなるため、シールプレートの破壊に対する信頼性が向上する。又、シールプレートの温度が上昇して熱伸びした際、図３（ａ）の周方向に切れ目のない円筒形状のものは、円筒の外径が大きくなるような変形をするが、図３（ｂ），図３（ｃ）の周方向に切れ目のあるものは、切れ目部分の隙間が狭くなることでシールプレートの熱伸びを吸収できる為、円筒の外径が大きくならない。その反面、図３（ｂ），図３（ｃ）のシールプレートは切れ目部分からのリークが発生するという問題もある。図３（ａ），図３ｂ，図３（ｃ）は、信頼性，シール性能より総合的に判断して選定するべきである。３９はギヤカップリング内周側、３８はギヤカップリング外周側である。

本実施例１では、シール手段が半径方向内方に移動（軸心側移動）するのを拘束する拘束手段を設けている。例えば、本実施例１では、ロータに溝部３５ａ，３５ｂを設け、シールプレート３１をその溝部３５ａ，３５ｂに挿入するよう配置しているロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、ギヤカップリング部の空気の漏れを抑制するシール手段であるシールプレート３１が、シール手段と係合する係合部である溝部３５ａ，３５ｂに取り付けている。そして、ギヤカップリングの軸心側でロータ部材に、シール手段と係合可能な係合部である溝部３５ａ，３５ｂを設けたものであって、その係合部にシール手段を取り付けてロータの軸心側移動（半径方向内方への移動）を拘束する。この為、仮にシールプレートが破損した場合でも、シールプレート３１がロータ内部へ脱落することがない。この為、シールプレートがロータ内へ脱落して、ロータのアンバランスが変化して過大な軸振動を発生させるという課題を解決でき、信頼性向上が図れる。

図４（ａ），図４（ｂ）に、シール手段としてシールリングを適用したギヤカップリング部の拡大図を示す。本実施例２のタービンロータ構造の１〜２４は、実施例１と同一である。実施例２では、図４（ａ）に示すように、隙間２６からのリークを防止する為に、シール手段として、シールリング４０ａを挿入している。ギヤカップリングを組立てる際、シールリング４０ａを挟み込む左右のロータと、シールリング４０ａの接触部４１，
４２部分が接触するように組立てることによって、隙間２６からロータ内部へのリークが発生しないようにしている。シール性を高める為、組立ての際に、挟み込む左右のロータでシールリング４０ａを押しつぶすことによって接触部４１，４２部分における接触力を高めても良い。又、前述のシールプレート３１のように、周方向に切れ目のない円筒状の形状とすることや、周方向に１箇所の切れ目を入れた形状としても良い。

シールリング４０ａの断面形状としては、図４（ｂ）のシールリング４０ｂのように１箇所に切れ目を入れることも考えられる。１箇所に切れ目があるためシールリング４０ｂの剛性はシールリング４０ａの剛性よりも低い。このため、組立時に、図４（ｂ）のシールリング４０ｂを左右のロータで押しつぶす時、押しつぶす力は図４（ａ）に示すシールリング４０ａよりも小さくて済む。

また、シールリングの断面形状を、中実円形状とすることも考えられる。この時は、シールリングの材料としてゴムなどの弾性体を利用することが考えられ、ロータとの密着度が上昇して、よりシール性が向上すると言う利点がある。

図５に、実施例３であるタービンロータ断面図を示す。前側軸５７，一段インペラ５１，二段インペラ５２，中間軸５３，一段タービンロータ５４，二段タービンロータ５５，締結ボルト５６，ギヤカップリング７０〜７１を備えている。これらは、実施例１におけるタービンロータと同様に、ギヤカップリング７０〜７４，締結ボルト５６，ナット５９，めねじ５８によって固定保持されている。運転中タービンロータは中心線１０の周りに高速回転している。

本実施例３におけるギヤカップリングには、隣接するロータとの接合面の内径が大きくなるような傾きを設けている。又、一段インペラ５１，二段インペラ５２，中間軸５３，一段タービンロータ５４のように、ロータ中心孔の両端が開放されているロータは、中心孔の軸方向中央付近の穴径が小さく、両端部の穴径が大きくなるような傾きをつけている。二段タービンロータ５５のように片側が閉止された中心孔を持つロータに関しては、閉止部分の穴径が小さく、開放部分の穴径が大きくなるような傾きを設けている。両端が開放されている中心孔に関しては、その中央付近に、締結ボルト５６と中心孔の間のリークをなくすような中心孔シール８１，８２，８３，８４を備えている。

次に図６（ａ），図６（ｂ），図６（ｃ）を用い、中心孔シール８１〜８４を説明する。本図は中心孔シール８１の拡大図を示す。一段インペラ５１の中心孔に矩形の溝８５を設けて、その中に中心孔シール８１を設けている。中心孔シールの材質としては、温度が低い領域においてはゴム系の材質にすることや、温度の高い領域においては金属系の材料とすることが考えられる。

中心孔シールは８６の部分で締結ボルト５６と、８７の部分で一段インペラ５１と接触するように設けられている。このため、一段インペラ５１と締結ボルト５６の間の隙間からのリークを防止できる。これによって、矢印１３を流れる作動流体が、ギヤカップリング７１を通ってロータ内へ混入し、ロータ中心孔，ギヤカップリング７０をすり抜けて圧力の低い矢印１１部へ流れることを抑制でき、圧縮機の効率が低下する課題を解決できる。

中心孔シールの形状としては、図６（ａ）に示す断面形状が円筒状のもののほかに、図６（ｂ）の中心孔シール８１ｂように断面形状が周方向に１箇所で切れ目を持つものや、ゴム系の材料を選定した時には図６（ｃ）の中心孔シール８１ｃのように中実形状とすることが考えられる。

又、図７に図６における中心孔シール部分の別の形態を示す。図７においては中心孔シール８６を挿入する矩形の溝は締結ボルト５６に設けられている。矩形溝を締結ボルトに設けるか、一段インペラに設けるか、強度設計の結果などから総合的に判断する。本実施例においても、一段インペラ５１と締結ボルト５６の間の隙間からのリークを防止できるため、図６における実施例と同様の効果を期待できる。又、図７における実施例においても、中心孔シールとしては８１ａのほかに、８１ｂや８１ｃのようなものを使用することが考えられる。

又、実施例３における一段インペラ５１，二段インペラ５２，中間軸５３，一段タービンロータ５４，二段タービンロータ５４の中心孔には傾きが付いている為、ギヤカップリングの隙間から水分がロータ中心孔付近へ混入しても、運転中にはロータ回転による遠心力の為に、傾きに沿って水分はロータ中心孔外部へ放出される。

又、ギヤカップリングにも、接合面の内径が大きくなるような傾きが付いている為、ギヤカップリング付近の内周側に混入した水分も、運転中にはロータ回転による遠心力の為に、傾きに沿って水分はギヤカップリングの隙間を通して、ロータ外部へ放出される。このため、水分がロータ内部へ停留することがなく、水分の停留によって過大な軸振動が誘発されたり、ロータ内部の腐食の原因になって、信頼性が低下するという課題を解決できる。

図８（ａ）に本発明におけるタービンロータの実施例４を示す。前側軸，一段インペラ９１，二段インペラ９２，中間軸９３，一段タービンロータ９４，二段タービンロータ
９５，締結ボルト９６，ギヤカップリング７０〜７１を備えている。これらは、実施例１におけるタービンロータと同様に、ギヤカップリング７０〜７４，締結ボルト９６，ナット５９，めねじ５８によって固定保持されている。運転中タービンロータは中心線１０の周りに高速回転している。１１１，１１２，１１３はシールナットである。

次にシールナット部分を図８（ｂ）を用いて説明する。例として、図８（ｂ）にシールナット１１１ａの拡大図を示す。シールナット１１１ｂを取り付ける部分の締結ボルト
９６にはおねじが設けられており、シールナット１１１ｂの内周にはめねじが切られている。シールナット１１１ｂを締付けることによってシールナット１１１ｂは一段インペラ９１に接触して、一段インペラ９１と締結ボルト９６の間の隙間がシールされる。締結ボルト９６は、シールナット１１１ｂを取り付けるおねじ部分で、外径を少なくともねじの山高さ分小さくすることで、シールナット１１１ｂを軸方向に挿入できるようにしている。

実施例４では、一段インペラ９１と締結ボルト９６の間の隙間をシールナット１１１ｂによってシールしているため、矢印１３を流れる作動流体が、ギヤカップリング７１を通ってロータ内へ混入し、ロータ中心孔，ギヤカップリング７０をすり抜けて圧力の低い矢印１１部へ流れることを防止でき、圧縮機の効率が低下する課題を解決できる。同様に、二段インペラ９２と締結ボルト９６の間の隙間をシールナット１１２によってシールしており、中間軸９３と締結ボルト９６の間の隙間をシールナット１１３によってシールしている。これによって、作動流体がカービック部からロータ内へ進入して、ロータ中心孔をすり抜けることを防止でき、ガスタービンの効率低下を防止できる。

図８（ｃ）に、シールナットの別の形態の図を示す。図８（ｃ）では、一段インペラ
９１とシールナット１１１ｃの間に、シールリング１１５を挿入している。本実施例では、シールリング１１５をシールナット１１１ｃの締付けによって押しつぶすようにしている。これによって、シールリング１１５と一段インペラ９１，シールナット１１１ｃとの接触面圧を高めて、接触を確実にし、リーク量をより低減している。

使用するシールリングの形状としては、断面形状が図６（ａ）のように中空のものや、図６（ｂ）のように断面形状が周方向に１箇所で切れ目を持つものや、ゴム系の材料を選定した時には図６（ｃ）のように中実形状とすることなどが考えられる。

又、図３（ａ）のように周方向に切れ目のない円筒状の形状とすることや、図３（ｂ）のように周方向に１箇所の切れ目を入れた形状とすることや、図３（ｃ）のように複数箇所に切れ目を入れた形状とすることが考えられる。これらは、図３（ａ），図３（ｂ），図３（ｃ），図３（ｄ）を説明した時と同様の効果が考えられる。

実施例１であるタービンロータの断面図を示す。 ギヤカップリング面の斜視図。 ギヤカップリングをロータ横から見た図。 実施例１のギヤカップリングの拡大図。 シールプレートの斜視図。 シールプレートの斜視図。 シールプレートの斜視図。 実施例２のギヤカップリングの拡大図を示す。 実施例２のギヤカップリングの拡大図を示す。 実施例３であるタービンロータの断面図を示す。 中心孔シールの拡大図。 中心孔シールの別の形態。 中心孔シール部分の別の形態の拡大図。 中心孔シール部分の別の形態の拡大図。 実施例４であるタービンロータの断面図を示す。 シールナット拡大図。 シールナットの別の形態の拡大図。

符号の説明

１…一段インペラ、２…二段インペラ、３…中間軸、４…一段タービンロータ、５…二段タービンロータ、６…締結ボルト、８…めねじ、９…ナット、１５…燃焼器、２０，
２１，２２，２３，２４…ギヤカップリング、２６…隙間、３１，３２，３３，３４…シールプレート、３５ａ，３５ｂ…溝部、４０ａ，４０ｂ…シールリング、４１…接触部、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ…中心孔シール。

Claims (10)

1. 複数のロータ部材を環状のギヤカップリングにより接続し、ロータ軸方向でボルト締結されたタービンロータにおいて、
   該ロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、該ギヤカップリング部の空気の漏れを抑制するシール手段と、
   前記シール手段の軸心側移動を拘束する拘束手段とを設けたことを特徴とするタービンロータ。
2. 締結ボルトを通す為のボルト穴とギヤカップリングを有する複数のロータで構成され、隣接するロータのギヤカップリングをかみ合わせて、締結ボルトで締付けることで複数のロータが固定保持されるタービンロータにおいて、
   前記ギヤカップリングの内周側に、その外周側がギヤカップリングの内周側と接触するような円筒状部材を設け、前記部材の軸心側移動を拘束する拘束手段を設けることを特徴としたタービンロータ。
3. 締結ボルトを通す為のボルト穴とギヤカップリングを有する複数のロータで構成され、隣接するロータのギヤカップリングをかみ合わせて、締結ボルトで締付けることで複数のロータが固定保持されるタービンロータにおいて、
   ギヤカップリングの内周側に、その外周側がギヤカップリングの内周側と接触し、周方向に１箇所又は数箇所に切れ目を有する円筒状部材を設け、前記部材の軸心側移動を拘束する拘束手段を設けることを特徴としたタービンロータ。
4. 請求項１に記載のタービンロータにおいて、
   前記拘束手段は、該ギヤカップリングの軸心側で該ロータ部材に、該シール手段と係合可能な係合部を設けたものであって、前記係合部に該シール手段を取り付け軸心側移動を拘束することを特徴とするタービンロータ。
5. 請求項２又は請求項３に記載のタービンロータにおいて、
   円筒状部材の断面形状が中実円又は中空円であることを特徴とするタービンロータ。
6. 締結ボルトを通す為のボルト穴とギヤカップリングを有する複数のロータで構成され、隣接するロータのギヤカップリングをかみ合わせて、締結ボルトで締付けることで複数のロータ部材が固定保持されるタービンロータにおいて、
   ボルト穴の中央付近の穴径が小さく、ボルト穴の両端の穴径が大きくなるような傾きを持つことを特徴とするタービンロータ。
7. 隣接するロータ部材のギヤカップリングをかみ合わせて、締結ボルトで締付けて複数のロータ部材が固定保持されることによって構成され、締結ボルトを通すボルト穴を有するタービンロータにおいて、
   ボルト穴端部の片側の穴径が小さく、もう一方のボルト穴の穴径が大きくなるような傾きを持つことを特徴とするタービンロータ。
8. 締結ボルトを通す為のボルト穴とギヤカップリングを有する複数のロータで構成され、隣接するロータのギヤカップリングをかみ合わせて、締結ボルトで締付けることで複数のロータ部材が固定保持されるタービンロータにおいて、
   該ギヤカップリングが隣接するロータとの接合面において、ギヤカップリング内周側の径が大きくなるような傾きを持つことを特徴とするタービンロータ。
9. 複数のロータ部材を環状のギヤカップリングにより接続し、ロータ軸方向でボルト締結されたタービンロータを有するガスタービンにおいて、
   該ロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、該ギヤカップリング部の空気の漏れを抑制するシール手段と、
   前記シール手段の軸心側移動を拘束する拘束手段とを設けたことを特徴とするガスタービン。
10. 複数のロータ部材を環状のギヤカップリングにより接続し、ロータ軸方向でボルト締結されたタービンロータを有するガスタービンにおいて、
    該ロータ部材の接続部であるギヤカップリングの軸心側に配置され、該ギヤカップリング部の空気の漏れを抑制するシール手段と、
    前記シール手段の軸心側移動を拘束する拘束手段とを備え、
    前記拘束手段は、該ギヤカップリングの軸心側で該ロータ部材に、該シール手段と係合可能な係合部を設けたものであって、前記係合部に該シール手段を取り付け軸心側移動を拘束することを特徴とするガスタービン。

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