JP4935435B2 - ガスタービンの焼ばめ締結構造 - Google Patents

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（ロート状ないしラッパ状）または段付き筒状の支持部材の大径部に形成された筒状の嵌合締結部を内周側とし、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形成された筒状アームなどの筒状の焼ばめ締結部を外周側として、筒状の嵌合締結部に筒状の焼ばめ締結部を焼ばめ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、シャフト側の筒状支持部材の嵌合締結部や、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アームなど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筒状支持部材に形成された筒状の嵌合締結部と、ガスタービンの少なくともタービンディスクに形成された筒状の焼ばめ締結部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筒状支持部材に形成された筒状の嵌合締結部を内周側とし、ガスタービンの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に形成された筒状の焼ばめ締結部を外周側として、嵌合締結部に焼ばめ締結部を焼ばめする焼ばめ締結構造であって、焼ばめ締結部の遠心方向への剛性が筒状支持部材の遠心方向への剛性よりも相対的に大きく設定されており、焼ばめ締結部は、筒状支持部材の材料よりもヤング率の大きい材料で構成されており、筒状支持部材は、シャフト側の基端部に向かって漸次薄肉化されている。

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、遠心方向への剛性の小さい内周側の筒状支持部材が遠心方向への剛性の大きい外周側の焼ばめ締結部に対し、相対的に大きく遠心方向に撓む。このため、内周側の筒状支持部材の嵌合締結部が外周側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。

ここで、焼ばめ締結部は、その遠心方向への剛性が増大するように、突出長が筒状支持部材の嵌合締結部の突出長よりも短く設定されているのが好ましい。

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、焼ばめ締結構造の内周側の筒状支持部材を外周側の焼ばめ締結部に対して相対的に大きく遠心方向に撓ませてその嵌合締結部を外周側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、その前面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アームからなる筒状の焼ばめ締結部４Ａと、その後面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム４Ｂとが形成されている。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が形成されている。そして、この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が形成されている。そして、このタービンディスク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、その前面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム７Ａと、その後面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アームからなる筒状の焼ばめ締結部７Ｂとが形成されている。そして、このタービンディスク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焼ばめ締結部４Ａを支持する筒状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焼ばめ締結部７Ｂを支持する筒状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、大径部に焼ばめ締結部４Ａが焼ばめされるテーパ筒状（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、大径部に焼ばめ締結部７Ｂが焼ばめされるテーパ筒状（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および図３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の焼ばめ締結部７Ｂの内周側にインロー嵌合する嵌合締結部１１Ａが形成されており、この嵌合締結部１１Ａには外周嵌合面１１Ｂが形成されている。

一方、後段のタービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂには、リヤシャフト１１の大径部の嵌合締結部１１Ａに形成された外周嵌合面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）により求めることができ、また、リヤシャフト１１の遠心方向への剛性は、次の式（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、Ｋｒはリヤシャフト１１の遠心方向への剛性である。
（１）……ｙｒ＝（ＦｒＬｒ^４）／（８ＥｒＩｒ）
（２）……Ｋｒ＝Ｆｒ／ｙｒ＝８Ｅｒ／Ｌｒ^４

同様に、後段のタービンディスク７の焼ばめ締結部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）により求めることができ、また、焼ばめ締結部７Ｂの遠心方向への剛性は、次の式（４）により求めることができる。なお、式（３）において、ｙｄは焼ばめ締結部７Ｂの遠心方向への撓み量、Ｆｄは焼ばめ締結部７Ｂが受ける遠心力、Ｌｄは焼ばめ締結部７Ｂの片持ち梁としての長さ、Ｅｄは焼ばめ締結部７Ｂのヤング率、Ｉｄは焼ばめ締結部７Ｂの断面２次モーメントである。また、式（４）において、Ｋｄは焼ばめ締結部７Ｂの遠心方向への剛性である。
（３）……ｙｄ＝（ＦｄＬｄ^４）／（８ＥｄＩｄ）
（４）……Ｋｄ＝Ｆｄ／ｙｄ＝８Ｅｄ／Ｌｄ^４

ここで、リヤシャフト１１に形成された嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと、後段のタービンディスク７に形成された焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を防止するには、ｙｄ＜ｙｒとなるようにＫｄ＞Ｋｒとすればよい。そして、Ｋｄ＞Ｋｒとするには、Ｅｄ＞ＥｒおよびＬｄ＜Ｌｒの一方または両方の構成を採用するればよい。

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、Ｌｄ＜ＬｒおよびＥｄ＞Ｅｒの両方の構成が採用されている。すなわち、焼ばめ締結部７Ｂの片持ち梁としての長さＬｄは、リヤシャフト１１の片持ち梁としての長さＬｒの例えば１／４程度に短く設定されている（図２参照）。

そして、特に、焼ばめ締結部７Ｂの材料は、リヤシャフト１１の材料よりもヤング率の大きい材料で構成されている。すなわち、焼ばめ締結部７Ｂを含む後段のタービンディスク７は、例えばヤング率Ｅｄが２００〜２２０（ＧＰａ）程度のニッケル合金で構成され、リヤシャフト１１は、例えばヤング率Ｅｒが７０（ＧＰａ）程度のアルミニウム合金で構成されている。

なお、図１に示したフロントシャフト１０および焼ばめ締結部４Ａを含む前段のコンプレッサディスク４も前述したリヤシャフト１１および焼ばめ締結部７Ｂと同様に構成されている。

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側のフロントシャフト１０およびリヤシャフト１１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の大径部の嵌合締結部１１Ａが後段のタービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂ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の嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂがタービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１に押圧されるようになり、嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１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の大径部の嵌合締結部(符号省略)が前段のコンプレッサディスク４の焼ばめ締結部４Ａ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の嵌合締結部の外周嵌合面(符号省略)が前段のコンプレッサディスク４の焼ばめ締結部４Ａ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の焼ばめ締結部７Ｂ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の焼ばめ締結部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に示した焼ばめ締結部７Ｂを含む後段のタービンディスク７は、ヤング率Ｅｄが２０６（ＧＰａ）の鋼鉄などで構成し、リヤシャフト１１は、ヤング率Ｅｒが１００〜１３０（ＧＰａ）程度の銅合金などで構成してもよい。図１に示したフロントシャフト１０および前段のコンプレッサディスク４も同様である。

また、図２に示したリヤシャフト１１は、図４に示すように、嵌合締結部１１Ａ側の大径部からシャフト１に嵌合固定される基端部の小径部に向かって肉厚が漸次薄肉化された形状に変更してもよい。

図４に示したリヤシャフト１１は、前述した式（１）において、断面２次モーメントＩｒが小さくなるため、その分、遠心方向への撓み量ｙｒが増大する。このため、図１に示したシャフト１と共にリヤシャフト１１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の嵌合締結部１１Ａがタービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂ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の嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂがタービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１に強く押圧されるようになり、嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１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に示したタービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂの片持ち梁としての長さは、図５に示すように短縮してもよい。この場合、前述した式（４）のＬｄが小さくなることで焼ばめ締結部７Ｂの剛性Ｋｄが大幅に増大し、焼ばめ締結部７Ｂの遠心方向への撓み量ｙｄが大幅に減少する。このため、嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１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、図示省略するが、タービンディスク７の焼ばめ締結部７Ｂの基端部の内周側に肉盛りしてもよい。この場合、焼ばめ締結部７Ｂの剛性Ｋｄが増大して遠心方向への撓み量ｙｄが減少するため、嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１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。

また、図示省略するが、リヤシャフト１１の嵌合締結部１１Ａの突出長を増大してもよい。この場合、嵌合締結部１１Ａの剛性が低下して遠心方向への撓み量が増大するため、嵌合締結部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと焼ばめ締結部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１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。

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焼ばめ締結部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２に示した焼ばめ締結部の変形例を示す図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…焼ばめ締結部、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…筒状アーム、７Ｂ…焼ばめ締結部、７Ｂ１…内周嵌合面、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…嵌合締結部、１１Ｂ…外周嵌合面、１２，１３…ベアリング。

Claims (2)

1. ガスタービンのシャフト側の筒状支持部材に形成された筒状の嵌合締結部を内周側とし、ガスタービンの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に形成された筒状の焼ばめ締結部を外周側として、前記嵌合締結部に前記焼ばめ締結部を焼ばめする焼ばめ締結構造であって、
   前記焼ばめ締結部の遠心方向への剛性が前記筒状支持部材の遠心方向への剛性よりも相対的に大きく設定されており、
   前記焼ばめ締結部は、前記筒状支持部材の材料よりもヤング率の大きい材料で構成されており、
   前記筒状支持部材は、前記シャフト側の基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ガスタービンの焼ばめ締結構造。
2. 前記焼ばめ締結部は、突出長が前記筒状支持部材の嵌合締結部の突出長よりも短く設定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。

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