JP4835475B2

JP4835475B2 - ガスタービンの焼ばめ締結構造

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Publication number: JP4835475B2
Application number: JP2007060471A
Authority: JP
Inventors: 幸治春口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008223541A

Description

本発明は、ガスタービンの焼ばめ締結構造に関し、詳しくは、ガスタービンのシャフト側と少なくともタービンディスク側との間の焼ばめ締結構造に関するものである。

ガスタービンは、コンプレッサで加圧した気体を燃焼器で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンによりコンプレッサを駆動するように構成されている。

このようなガスタービンとして、タービンのシャフトとコンプレッサのシャフトとが同軸の一体構造または連結構造とされたものがある。そして、この種のガスタービンのシャフトに、例えば、複数のインペラを有する少なくとも２段のコンプレッサディスクと、複数のブレードを有する少なくとも２段のタービンディスクとが装着されたものがある。

ここで、各コンプレッサディスクおよび各タービンディスクは、相互に所定間隔を開けた状態で一体に回転するように、筒状アームや筒状スペーサなどを介して相互に連結されている（例えば特許文献１、２参照）。そして、これらの一体化されたコンプレッサディスクおよびタービンディスクは、前端側のコンプレッサディスクと後端側のタービンディスクとがそれぞれ支持構造を介してシャフトに同心状に支持されることで、シャフトと一体に回転するようになっている。

ここで、支持構造としては、シャフトの前後にそれぞれ設けられたテーパ筒状（ラッパ状ないしロート状）または段付き筒状の支持部材の大径部に形成された焼ばめ締結部と、コンプレッサディスクおよびタービンディスクの側面に設けられた筒状アームなどの筒状接続部または筒状支持部材の焼ばめ締結部とを焼ばめ締結する構造が一般的である。
特開平０７−３２４６３２号公報特開２００６−１３８３１９号公報

ところで、前述したような支持構造の焼ばめ締結構造においては、シャフト側の支持部材の焼ばめ締結部や、コンプレッサディスクおよびタービンディスク側の筒状接続部または筒状支持部材の焼ばめ締結部の寸法のバラツキにより、焼ばめ力が不足する場合がある。この場合、シャフトと共に各コンプレッサディスクおよび各タービンディスクが高速回転すると、焼ばめ締結構造の外周側の焼ばめ締結部が遠心力により大きく撓んで焼ばめ締結構造が緩む恐れがある。

殊に、高温の燃焼ガスが流通するタービンディスク側の焼ばめ締結構造においては、高温となった外周側の焼ばめ締結部が遠心方向に撓み易くなるため、焼ばめ締結構造に緩みが発生し易くなる。そして、焼ばめ締結構造に緩みが発生すると、シャフトの回転バランスが崩れてシャフトが大きく振動する恐れがある。

そこで、本発明は、ガスタービンのシャフト側の支持部材と、コンプレッサディスクおよびタービンディスクの少なくともタービンディスク側の筒状接続部または筒状支持部材との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができるガスタービンの焼ばめ締結構造を提供することを課題とする。

本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造は、ガスタービンのシャフト側の支持部材に設けられた第１の焼ばめ締結部と、コンプレッサディスクおよびタービンディスクの少なくともタービンディスク側の筒状接続部または筒状接続部材に設けられた第２の焼ばめ締結部とを焼ばめする焼ばめ締結構造であって、第１、第２の焼ばめ締結部のうち、内周側に配置される一方の焼ばめ締結部は、外周側に配置される他方の焼ばめ締結部に較べて遠心方向への撓み量が相対的に大きく設定されており、支持部材の第１の焼ばめ締結部が一方の焼ばめ締結部として内周側に配置されており、この第１の焼ばめ締結部にはマスが付加されており、マスが付加された前記第１の焼ばめ締結部には、切込みまたはすり割りが形成されている。

本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造では、シャフトと共にコンプレッサディスクおよびタービンディスクが高速回転する際、内周側に配置される一方の焼ばめ締結部が外周側に配置される他方の焼ばめ締結部に対し相対的に大きく遠心方向へ撓む。また、外周側の第２の焼ばめ締結部の遠心方向への撓み量に対する内周側の第１の焼ばめ締結部の遠心方向への撓み量が確実に大きくなり、内周側の第１の焼ばめ締結部は、切込みまたはすり割りにより遠心方向に容易に撓む。このため、内周側の一方の焼ばめ締結部が外周側の他方の焼ばめ締結部に押圧されるのであり、焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。

一方、本発明のガスタービンの焼ばめ締結構造において、第２の焼ばめ締結部が他方の焼ばめ締結部として外周側に配置されている場合、第２の焼ばめ締結部が設けられた筒状接続部または筒状接続部材は、第２の焼ばめ締結部の遠心方向への撓み量が減少するように先端部に向かって漸次薄肉化されているのが好ましい。この場合、外周側の第２の焼ばめ締結部の遠心方向への撓み量に対する内周側の第１の焼ばめ締結部の遠心方向への撓み量が相対的に大きくなる。

本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造によれば、シャフトと共にコンプレッサディスクおよびタービンディスクが高速回転する際、内周側の一方の焼ばめ締結部を外周側の他方の焼ばめ締結部に対し相対的に大きく遠心方向へ撓ませて外周側の他方の焼ばめ締結部に押圧させることができ、焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができる。その結果、シャフトの回転バランスが崩れてシャフトが大きく振動する事態を未然に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係るガスタービンの焼ばめ締結構造が適用されたガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。

一実施形態に係るガスタービンの焼ばめ締結構造は、図１に示すようなガスタービンに適用されている。このガスタービンは、出力軸となる１本のシャフト１がコンプレッサ２のシャフトとタービン３のシャフトとを兼用した１軸の軸流式ガスタービンである。

シャフト１の前部には、コンプレッサ２を構成する前段のコンプレッサディスク４および後段のコンプレッサディスク５が遊嵌されている。また、シャフト１の後部には、タービン３を構成する前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が遊嵌されている。

前段のコンプレッサディスク４には、その前後の面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム４Ａ，４Ｂが筒状接続部として形成されている。そして、コンプレッサディスク４の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のインペラ４Ｃが配列されている。

後段のコンプレッサディスク５には、その前後の面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム５Ａ，５Ｂが筒状接続部として形成されている。そして、コンプレッサディスク５の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のインペラ５Ｃが配列されている。

前段のタービンディスク６には、その前後の面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム６Ａ，６Ｂが筒状接続部として形成されている。そして、タービンディスク６の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のブレード６Ｃが配列されている。

後段のタービンディスク７には、その前後の面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム７Ａ，７Ｂが筒状接続部として形成されている。そして、タービンディスク７の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のブレード７Ｃが配列されている。

そして、ケーシング８には、燃焼器９の燃料噴射ノズル９Ａが貫通して装着されている。この燃料噴射ノズル９Ａは、前段のコンプレッサディスク４のインペラ４Ｃおよび後段のコンプレッサディスク５のインペラ５Ｃの回転により吸入されて加圧された圧縮空気に燃料を噴射し、これを着火させて燃焼させる。

ここで、前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７は、相対回転することなく一体に回転するように、相互に同心状に連結されている。

すなわち、前段のコンプレッサディスク４の筒状アーム４Ｂの先端面と後段のコンプレッサディスク５の筒状アーム５Ａの先端面との間、後段のコンプレッサディスク５の筒状アーム５Ｂの先端面と前段のタービンディスク６の筒状アーム６Ａの先端面との間、前段のタービンディスク６の筒状アーム６Ｂの先端面と後段のタービンディスク７の筒状アーム７Ａの先端面との間がそれぞれ凹凸係合により同心状に連結されている。

一方、シャフト１の前部には、前段のコンプレッサディスク４の前面から前方に突出する筒状アーム（筒状接続部）４Ａを支持する支持部材としてのフロントシャフト１０が固定され、シャフト１の後部には、後段のタービンディスク７の後面から後方に突出する筒状アーム（筒状接続部）７Ｂを支持する支持部材としてのリヤシャフト１１が固定されている。

フロントシャフト１０は、大径部に筒状アーム４Ａが焼ばめ締結されるテーパ筒状（ラッパ状ないしロート状）に形成されており、その大径部よりシャフト１の軸方向前方に位置する小径部がシャフト１の前部に例えば螺合して固定されている。同様に、リヤシャフト１１は、大径部に筒状アーム７Ｂが焼ばめ締結されるテーパ筒状（ラッパ状ないしロート状）に形成されており、その大径部よりシャフト１の軸方向後方に位置する小径部がシャフト１の後部に例えば螺合して固定されている。

そして、フロントシャフト１０の小径部およびリヤシャフト１１の小径部がそれぞれベアリング１２、１３を介してケーシング８側の図示しない不動部材に回転自在に支持されることで、シャフト１と共に前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が同心状に一体に回転できるようになっている。

ここで、フロントシャフト１０およびリヤシャフト１１は、略同様の形状を有するため、両者を代表してリヤシャフト１１の形状を説明する。図２に示すようにテーパ筒状に形成されたリヤシャフト１１の大径部には、後段のタービンディスク７の筒状アーム（筒状接続部）７Ｂの内周側にインロー嵌合する第１の焼ばめ締結部１１Ａが形成されており、この第１の焼ばめ締結部１１Ａには、外周嵌合面１１Ｂが形成されている。

一方、筒状アーム（筒状接続部）７Ｂの先端側には、第１の焼ばめ締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂに焼ばめされる内周嵌合面７Ｂ１が形成されており、この内周嵌合面７Ｂ１を有する筒状アーム（筒状接続部）７Ｂの先端側が第２の焼ばめ締結部７Ｂ２を構成している。

ここで、リヤシャフト１１の遠心方向への撓み量は、遠心力による等分布荷重を受ける片持ち梁の撓み量として、次の式（１）および式（２）により求めることができる。なお、式（１）において、ｙｒはリヤシャフト１１の遠心方向への撓み量、Ｆｒはリヤシャフト１１が受ける遠心力、Ｌｒはリヤシャフト１１の片持ち梁としての長さ、Ｅｒはリヤシャフト１１のヤング率、Ｉｒはリヤシャフト１１の断面２次モーメントである。また、式（２）において、ｍｒはリヤシャフト１１の質量、Ｒｒはリヤシャフト１１の重心半径、ωｒはリヤシャフト１１の回転角速度である。
（１）……ｙｒ＝（Ｆｒ）（Ｌｒ）^４／８（Ｅｒ）（Ｉｒ）
（２）……Ｆｒ＝（ｍｒ）（Ｒｒ）（ωｒ）^２

同様に、筒状アーム（筒状接続部）７Ｂの遠心方向への撓み量は、遠心力による等分布荷重を受ける片持ち梁の撓み量として、次の式（３）および式（４）により求めることができる。なお、式（３）において、ｙｄは筒状アーム７Ｂの遠心方向への撓み量、Ｆｄは筒状アーム７Ｂが受ける遠心力、Ｌｄは筒状アーム７Ｂの片持ち梁としての長さ、Ｅｄは筒状アーム７Ｂのヤング率、Ｉｄは筒状アーム７Ｂの断面２次モーメントである。また、式（４）において、ｍｄは筒状アーム７Ｂの質量、Ｒｄは筒状アーム７Ｂの重心半径、ωｄは筒状アーム７Ｂの回転角速度である。
（３）……ｙｄ＝（Ｆｄ）（Ｌｄ）^４／８（Ｅｄ）（Ｉｄ）
（４）……Ｆｄ＝（ｍｄ）（Ｒｄ）（ωｄ）^２

ここで、ｙｒ＞ｙｄとすれば、リヤシャフト１１の第１の焼ばめ締結部１１Ａと筒状アーム７Ｂの第２の焼ばめ締結部７Ｂ２との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を防止することができる。そして、ｙｒ＞ｙｄとするには、例えばＦｒ＞Ｆｄとなるようにｍｒ＞ｍｄとすればよい。そこで、一実施形態のガスタービンの焼ばめ締結構造においては、ｍｒ＞ｍｄとすることでｙｒ＞ｙｄとなるようにしている。

すなわち、図３に示すように、リヤシャフト１１の第１の焼ばめ締結部１１Ａの内周側には、第１の焼ばめ締結部１１Ａの遠心方向への撓み量を増大させる手段として、ｍｒ＞ｍｄとするための複数のマス１１Ｃ，１１Ｃ…が付加されている。これらのマス１１Ｃ，１１Ｃ…は、第１の焼ばめ締結部１１Ａの内周側に肉盛りされた厚肉部をその内周側から放射方向（遠心方向）に形成された複数の切込み（またはすり割り）１１Ｄ，１１Ｄ…により円周方向に複数に分割することで形成されている。

そして、これらのマス１１Ｃ，１１Ｃ…が付加されることにより、リヤシャフト１１側の第１の焼ばめ締結部１１Ａは、筒状アーム７Ｂ側の第２の焼ばめ締結部７Ｂ２に較べて遠心方向への撓み量が相対的に大きく設定されている。なお、図１に示したフロントシャフト１０もリヤシャフト１１と同様に構成されており、フロントシャフト１０側の第１の焼ばめ締結部は、前段のコンプレッサディスク４の筒状アーム４Ａ側の第２の焼ばめ締結部に較べて遠心方向への撓み量が相対的に大きく設定されている。

以上のように構成された本実施形態のガスタービンの焼ばめ締結構造では、図１に示したシャフト１と共に前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が高速回転する際、リヤシャフト１１側の第１の焼ばめ締結部１１Ａが筒状アーム７Ｂ側の第２の焼ばめ締結部７Ｂ２に対し相対的に大きく遠心方向へ撓む。

このため、リヤシャフト１１側の第１の焼ばめ締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂが筒状アーム７Ｂ側の第２の焼ばめ締結部７Ｂ２の内周嵌合面７Ｂ１に押圧されるようになり、第１の焼ばめ締結部１１Ａと第２の焼ばめ締結部７Ｂ２との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。

同様に、フロントシャフト１０側の第１の焼ばめ締結部(符号省略)が前段のコンプレッサディスク４の筒状アーム４Ａ側の第２の焼ばめ締結部(符号省略)に対し相対的に大きく遠心方向へ撓むため、フロントシャフト１０側の第１の焼ばめ締結部の外周嵌合面(符号省略)が筒状アーム４Ａ側の第２の焼ばめ締結部の内周嵌合面(符号省略)に押圧されるようになり、両者の間の焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。

すなわち、本実施形態のガスタービンの焼ばめ締結構造によれば、シャフト１側のリヤシャフト１１と後段のタービンディスク７側の筒状アーム７Ａとの間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができ、同様に、シャフト１側のフロントシャフト１０と前段のコンプレッサディスク４側の筒状アーム４Ａとの間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができる。その結果、シャフト１の回転バランスが崩れてシャフト１が大きく振動する事態を未然に防止することができる。

本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図２および図３に示したリヤシャフト１１は、図４および図５に示す形状に変更してもよい。

図４および図５に示すリヤシャフト１１は、第１の焼ばめ締結部１１Ａの外周側に複数のマス１１Ｅ，１１Ｅ…を付加したものである。これらのマス１１Ｅ，１１Ｅ…は、第１の焼ばめ締結部１１Ａの外周側に肉盛りされた厚肉部をその外周側から放射方向（遠心方向）に形成された複数の切込み（またはすり割り）１１Ｆ，１１Ｆ…により円周方向に複数に分割することで形成されている。

図４および図５に示したリヤシャフト１１は、前述したｍｒ＞ｍｄの関係を満足すると共に、Ｒｒ＞Ｒｄの関係も満足する。このため、図１に示したシャフト１と共に前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が高速回転する際、リヤシャフト１１側の第１の焼ばめ締結部１１Ａが筒状アーム７Ｂ側の第２の焼ばめ締結部７Ｂ２に対し相対的に一層大きく遠心方向へ撓む。

そして、リヤシャフト１１側の第１の焼ばめ締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂが筒状アーム７Ｂ側の第２の焼ばめ締結部７Ｂ２の内周嵌合面７Ｂ１に強く押圧されるようになり、第１の焼ばめ締結部１１Ａと第２の焼ばめ締結部７Ｂ２との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生が一層確実に防止される。なお、図４および図５に示したリヤシャフト１１と同様に構成されたフロントシャフト１０も、同様の作用効果を奏する。

一方、図２に示した後段のタービンディスク７の筒状アーム７Ｂは、図６に示すように変形してもよい。すなわち、筒状アーム７Ｂは、第２の焼ばめ締結部７Ｂ２の遠心方向への撓み量が減少するように、外径を先端部に向かって漸次減少させることで肉厚を先端部に向かって漸次薄肉化してもよい。

この場合、前述したｍｒ＞ｍｄにおけるｍｄが減少し、後段のタービンディスク７の筒状アーム７Ｂ側の第２の焼ばめ締結部７Ｂ２の遠心方向への撓み量に対するリヤシャフト１１側の第１の焼ばめ締結部１１Ａの遠心方向への撓み量が相対的に大きくなる。このため、第１の焼ばめ締結部１１Ａと第２の焼ばめ締結部７Ｂ２との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生が一層確実に防止される。

なお、後段のタービンディスク７に筒状接続部として一体に形成された筒状アーム７Ｂは、筒状接続部材としてタービンディスク７に適宜の手段で固定される別部材であってもよい。前段のコンプレッサディスク４の筒状アーム４Ａも同様である。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの焼ばめ締結構造が適用されたガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。図１に示した後段のタービンディスクの筒状アームをシャフトに支持するリヤシャフトの拡大断面図である。図２に示したリヤシャフトの大径側から見た斜視図である。図２に示したリヤシャフトの変形例を示す図２に対応した拡大断面図である。図４に示したリヤシャフトの大径側から見た斜視図である。図２に示した筒状アームの変形例を示す図２に対応した拡大断面図である。

符号の説明

１…シャフト、２…コンプレッサ、３…タービン、４…前段のコンプレッサディスク、４Ａ，４Ｂ…筒状アーム、４Ｃ…インペラ、５…後段のコンプレッサディスク、５Ａ，５Ｂ…筒状アーム、５Ｃ…インペラ、６…前段のタービンディスク、６Ａ，６Ｂ…筒状アーム、６Ｃ…ブレード、７…後段のタービンディスク、７Ａ，７Ｂ…筒状アーム、７Ｂ１…内周嵌合面、７Ｂ２…第２の焼ばめ締結部、７Ｃ…ブレード、８…ケーシング、９…燃焼器、１０…フロントシャフト、１１…リヤシャフト、１１Ａ…第１の焼ばめ締結部、１１Ｂ…外周嵌合面、１１Ｃ…マス、１１Ｄ…切込み、１２，１３…ベアリング。

Claims

ガスタービンのシャフト側の支持部材に設けられた第１の焼ばめ締結部と、コンプレッサディスクおよびタービンディスクの少なくともタービンディスク側の筒状接続部または筒状接続部材に設けられた第２の焼ばめ締結部とを焼ばめする焼ばめ締結構造であって、
前記第１、第２の焼ばめ締結部のうち、内周側に配置される一方の焼ばめ締結部は、外周側に配置される他方の焼ばめ締結部に較べて遠心方向への撓み量が相対的に大きく設定されており、
前記支持部材の第１の焼ばめ締結部が一方の焼ばめ締結部として内周側に配置されており、この第１の焼ばめ締結部にはマスが付加されており、
前記マスが付加された前記第１の焼ばめ締結部には、切込みまたはすり割りが形成されていることを特徴とするガスタービンの焼ばめ締結構造。
前記第２の焼ばめ締結部が設けられた前記筒状接続部または筒状接続部材は、先端部に向かって漸次薄肉化されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの焼ばめ締結構造。