JP4954299B2 - タービン円板と連結棒から成る少なくとも１つのロータを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本発明は特許請求の範囲の請求項１の前文に記載のガスタービンに関する。

複数のラジアル平面にそれぞれ配置されたタービン円板の外周にそれぞれ設けられた多数の動翼を有する少なくとも１つの回転子ないしロータを備えた多段ガスタービンは、基本的に種々の実施形態で知られている。

また少なくともガスタービンにおいて、個々のタービン円板がそれらのタービン円板を貫通して延びる連結棒（タイロッド）によって単一体として集合結合されるように、個々のタービン円板を端面側でかみ合い結合するように形成することが知られている。もっとも、構造長の増大に伴って、自由振動長が、即ち、連結棒の非支持長が増大する。これによって、固有振動周波数がロータの回転周波数に近いレベルに遷移し、このために、運転中ないし加速中に許容できない大きな振動振幅が生ずることがある。これは連結棒を損傷するだけでなく、ガスタービン全体も損傷することになる。これは特に連結棒が圧縮機を貫通して延びるガスタービンにも当てはまる。そのガスタービンの場合、連結棒は中間中空軸を通して延び、最終的にタービンを通して延びる。その中間中空軸の半径方向外側に燃焼器が存在する。

さらに、同様に構成された二重ラジアル圧縮機の回転子が特許文献１に開示されている。そこで公知の回転子は複数のタービン円板と中間に配置された中空軸を有している。中空軸およびタービン円板の中央を通して連結棒が延び、その連結棒は両側端にねじ結合された終端部材によってタービン円板および中空軸を互いに固く締付け結合している。ロータの内部において連結棒の位置を固定するために、片側ばね固定支え付きスリーブが連結棒に設けられ、そのスリーブにおける弾性自由端部（支え部）がボルトにより中空軸に当接支持されている。

米国特許第３７４９５１６号明細書

本発明の課題は、特に連結棒の固有振動を定置形ガスタービンの運転中における一定の回転数と無関係に防止する処置を講ずることにある。その場合、ガスタービンの全回転部品はできるだけ剛性の高い単一体に形成しなければならない。

この課題を解決するために、請求項１に記載の特徴部分に基づいて、冷却材を貫流するためのダクトが環状に形成され、このダクトが冷却材分離管によって半径方向外側を境界づけられ、スペーサの複数の切欠き部が冷却材の貫流開口として用いられることを提案する。

基本的には本発明に基づくスペーサは、同軸的に延びる複数の貫流開口を備えた１つのばねリングである。このばねリングは、回転子／ロータにおける連結棒の減衰ないし強度を高め、回転数に無関係に連結棒をそのあるべき位置に保持するために十分安定している。そのばねリングは単純に組み立てることができ、そのばね特性にもかかわらず、十分なバイアス（予圧）が与えられている。従って、高速回転中もその機能が保証される。

さらに、これらスペーサの利用は連結棒自体の固有周波数を高めるだけでなく、全部品の固有強度を高める。

また、本発明に基づくこれらのスペーサは、基本的に、この連結棒を所定の軸長にわたり空間を隔てて取り囲む冷却材分離管の範囲においても利用される。ここではこれらのスペーサは連結棒と冷却材を案内する環状ダクトの外側を境界づける分離管との間に存在する。場合によっては、同様にこの関係において、もう１つの環状ダクトを内部分離管あるいは第１分離管と外部分離管あるいは第２分離管との間に形成することができ、これによって、一方では、第１スペーサが連結棒と内部分離管との間に設けられ、他方では、場合によって第２スペーサが内部分離管と外部分離管との間に設けられている。それらのスペーサによって、連結棒を半径方向においてもっと外側に位置するロータ構成要素に対して所々で当接支持することができる。ロータ構成要素の広がりにわたる、必要に応じて複数の当接支持によって、この連結棒の自由振動長が著しく短くされる。この処置によって、連結棒の固有振動周波数とロータの回転周波数との間隔が増大され、これによって、その振動し易さが非常に低減される。これによって、ガスタービンの安全運転が保証される。

従って、単純な手段によって、上述の課題を効果的に解決することができる。

本発明の他の特徴は従属請求項および以下の実施例の説明から理解できる。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

多段ガスタービンの回転子／ロータの一部の縦断面図。 スペーサの斜め下から見た実寸に則していない斜視図。 図２のスペーサの僅か斜め上から見た斜視図。 連結棒の外周面上並びに冷却材用環状ダクトを形成するための内外冷却材分離管の外周面上のスペーサの横断面図。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図。

多段ガスタービン１のロータ２は図１の断面図において複数のラジアル平面３にそれぞれ配置されたタービン円板５を有し、これらのタービン円板５の外周に多数の動翼４が設けられている。連結棒（タイロッド）６は、タービン円板５における中心部に配置された孔７に沿って、ガスタービン１の図１の左側に存在する圧縮機部分を通って延びている。また、その連結棒６は図示されていないタービン円板ないし適切なロータ部分に図示されていない様式で固定されている。

予め張力をかけられた連結棒６は、基本的に公知の様式で、タービン円板５およびタービン装置の他のロータ部分を噛合い結合で押し付けている。

ガスタービンの圧縮機に属する複数のタービン円板５のそばに軸方向に中間中空軸９が存在している。この中間中空軸９は図示されていない反対側端がタービン装置のロータ部分の１つに接している。この中間中空軸９の半径方向外側にガスタービンの車室内部に燃焼器が存在している。

中間中空軸９と連結棒６との間に少なくとも１つの環状ダクト１０、１１が存在している。その環状ダクト１０、１１はそれぞれ冷却材１２をロータ２の圧縮機側部位からタービン側部位に案内するために用いられる。その冷却材１２は図１に矢印で記号的に示されている。

冷却材１２を案内する横断面環状ダクト１１は第１（冷却材）分離管すなわち内部分離管１３で取り囲むことができ、その中を通して連結棒６が延びている。さらに、冷却材１２を案内するためのもう１つの環状ダクト１０を、第１分離管すなわち内部分離管１３と外部分離管１４との間に形成することができる。内部分離管１３において連結棒６の位置を精確に固定するために、少なくとも１つのスペーサ１５が設けられている。このスペーサ１５はばね弾性を有するリング要素であり、少なくとも１個の支持リング１６から成っている。この支持リング１６は、図１と関連して図２〜図５から理解できるように、半径方向に延びる複数の支え腕１７とそれらの先端の支え脚１８を有している。

これらの図に示された実施例において、スペーサ１５ないしばね弾性リング要素は単一体であり、その複数の支え腕１７は半径方向に支持リング１６に向けて延び、複数の支え脚１８で終端している。この実施例において、各支え脚１８はその先端に支え面２０を有し、スペーサ１５ないしその支え腕１７はその支え面２０でそれぞれ分離管１３の内周面に接している。

複数の支え腕１７はロータ２の中心軸線Ｍに対して傾斜して支持リング１６から複数の支え脚１８まで延びている。これによって、支え腕１７のリング側端に仮想ヒンジ点が形成され、支え腕１７が遠心力によって曲げられたとき、支え腕１７はそのヒンジ点を中心として半径方向に旋回することができる。これによって遠心力は、支え脚１８が遠心力によってその接触当接面から離れず、ロータ２の回転数が高くなればなるほどその接触当接面に開き力で接するように働く。その場合同時に、支持リング１６とこれらの支え脚１８との間の半径方向広がり距離は決して小さくならない。これは少なくとも、組立状態において支持リングが半径方向内側に存在し、支え脚１８が半径方向外側に存在するときに当てはまる。

図１から理解できるように、冷却材の環状ダクト１０を決定するためにも、基本的に同じ構造を有し場合によってただ幾分寸法が異なったスペーサ１５′を利用することができる。その支持リング１６′は第１分離管すなわち内部分離管１３の外周面に接し、その複数の支え脚１８′で第２分離管すなわち外部分離管１４の内周面に接する。

またその第２分離管１４は、図１から理解できるように、中間中空軸９に対する半径方向内側境界部として用いられている。

スペーサ１５は複数の支え腕１７を形成するために複数の切欠き２１を有し、これらの切欠き２１は組立状態において連結棒６ないしその中心軸線Ｍに対して半径方向に、並びに連結棒６に対して同軸的に延びている。これによって、これらのスペーサ１５はロータ２および連結棒６の中心軸線Ｍに対して連結棒６および／又は両分離管１３、１４を固定するだけでなく、冷却材１２の自由な支障のない同軸方向の流れを可能としている。組立状態において、これらの切欠き２１はそれぞれ貫流開口を形成している。

基本的には、スペーサ１５、１５′は単一体であるだけでなく、その形状と利用される材料に基づいてばね弾性も有する。

図４に示された実施例において、スペーサ１５とその支え腕１７と支え脚１８によって、自由貫流開口２１として環状横断面のほぼ半分が利用される。これによって、冷却ダクトの横断面積のほぼ半分がなお冷却材の貫流に用立てられる。

それと無関係に、スペーサ１５、１５′は連結棒６の外周面２２に、ないし分離管１３の外周面に、半径方向に不動に固定されている。そのために、スペーサ１５、１５′はその支持リング１６、１６′がそれを支持する連結棒６や分離管１３に焼きばめられているのが目的に適っている。

また、スペーサ１５を支持する連結棒６および場合によってはスペーサ１５′を支持する内部分離管１３は、スペーサ１５、１５′に対するストッパ２４、２５を有することができる。これらのストッパ２４、２５は図示された実施例においてそれぞれ環状膨出部であり、焼きばめ時にスペーサ１５、１５′が接する箇所の軸方向位置を精確に規定する。

スペーサ１５、１５′と基本的に同形の複数のスペーサを、外周に動翼４が設けられた複数のタービン円板５と連結棒６との間に配置することもできる。これは図１において孔７の範囲に破線十字記号で示されている。特に中間中空軸のすぐそばの第１タービン円板は、ここで挙げた様式の１つあるいは複数のスペーサ１５に実際に結合されるのが目的に適っている。同じことは基本的に他のタービン円板５に対しても当てはまり、このために、それらのタービン円板は連結棒６に直結されるか、第１分離管ないし内部分離管１３に直結される。

１ ガスタービン
２ ロータ
５ タービン円板
６ 連結棒
７ 孔
８ 単一体
９ 中間中空軸
１０ ダクト
１１ ダクト
１２ 冷却材
１３ 内部分離管
１４ 外部分離管
１５ スペーサ
１５′ スペーサ
１６ 支持リング
１７ 支え腕
１８ 支え脚
２０ 支え面
２１ 切欠き（貫流開口）
２２ 外周面
２３ 外周面
２４ ストッパ
２５ ストッパ

Claims (17)

1. 複数のラジアル平面（３）にそれぞれ配置されたタービン円板（５）の外周にそれぞれ設けられた多数の動翼（４）を有する少なくとも１つのロータ（２）を備え、それらのタービン円板（５）における孔（７）に沿って1本の連結棒（６）が延び、この連結棒（６）が全タービン円板（５）を単一体（８）として集合結合し、ロータ（２）が連結棒（６）を環状に包囲する少なくとも１つのダクト（１０、１１）を含む他のロータ構成要素を基本的に有し、ロータ（２）の中心軸線（Ｍ）に対して連結棒（６）の位置を固定するために環状に形成された少なくとも１つのスペーサ（１５、１５′）が少なくとも１つの前記ダクト（１０、１１）に設けられ、そのスペーサ（１５、１５′）が、連結棒（６）に向けてないし中心軸線（Ｍ）に向けて半径方向に配置され同軸方向に延びる複数の切欠き（２１）を有しているガスタービン（１）であって、
   １つないし複数のダクト（１０、１１）が冷却材（１２）を貫流するために形成され、冷却材分離管（１３、１４）によって半径方向外側が境界づけられ、前記複数の切欠き（２１）が冷却材（１２）の貫流開口として用いられることを特徴とするガスタービン。
2. スペーサ（１５、１５′）が単一体であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン。
3. スペーサ（１５、１５′）がばね弾性を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. ロータ（２）に複数のダクト（１０、１１）が配置され、各ダクト（１０、１１）がそれぞれ分離管（１３、１４）あるいは中間中空軸（９）によって半径方向外側を境界づけられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスタービン。
5. スペーサ（１５、１５′）が、連結棒（６）および冷却材用ダクト（１０、１１）を境界づける分離管（１３、１４）の外周面（２２、２３）に、少なくとも半径方向に不動に固定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のガスタービン。
6. スペーサ（１５、１５′）の軸方向位置を固定するために、連結棒（６）および分離管（１３、１４）に少なくとも１つのストッパ（２４、２５）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガスタービン。
7. 連結棒（６）および内部分離管（１３）に位置固定用のストッパ（２４、２５）として膨出部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のガスタービン。
8. 連結棒（６）が内側環状ダクト（１１）の半径方向内側を境界づけ、第１分離管すなわち内部分離管（１３）がそのダクト（１１）の外側を境界づけていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のガスタービン。
9. 外側環状ダクト（１０）が第１分離管すなわち内部分離管（１３）を取り囲み、第２分離管すなわち外部分離管（１４）によって外側を境界づけられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のガスタービン。
10. 連結棒（６）用と同形のスペーサ（１５、１５′）が内部分離管（１３）と環状冷却路（１０）の外部分離管（１４）との間にも配置されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のガスタービン。
11. スペーサ（１５′）が環状冷却ダクト（１０）の内部分離管側に配置され位置を固定されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のガスタービン。
12. スペーサ（１５）がリング状要素であり、半径方向に延びる複数の支え腕（１７）を備えた支持リング（１６）を有し、それらの支え腕（１７）の先端にそれぞれ支え面（２０）を有していることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のガスタービン。
13. 支持リング（１６）の隣り合う支え腕（１７）間に、冷却材（１２）の貫流のためにダクト（１０、１１）面積の半分の環状横断面が用立てられるように、冷却材（１２）用の複数の貫流開口（２１）が配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービン。
14. 複数の支え腕（１７）の自由端における複数の支え面（２０）が複数の支え脚（１８）に配置されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のガスタービン。
15. 複数の支え腕（１７）がロータ（２）の中心軸線（Ｍ）に対して傾斜して支持リング（１６）から複数の支え脚（１８）まで延びていることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか１つに記載のガスタービン。
16. スペーサ（１５、１５′）がそれを支持する連結棒（６）および分離管（１３）に焼きばめられていることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１つに記載のガスタービン。
17. 少なくとも１つのスペーサ（１５）が、連結棒（６）と外周に動翼（４）が設けられた少なくとも１つのタービン円板（５）との間に設けられていることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１つに記載のガスタービン。

Images