JP5314188B2 - ブレードを冷却する軸流式ターボ機械のロータ - Google Patents

Description

本発明は、ブレードを冷却する軸流式ターボ機械のロータ、特に衝突冷却を利用することによって冷却可能な多数のロータブレードから形成されたブレードリングを備えている、軸流式ターボ機械のロータに関する。

例えばガスタービンのようなターボ機械は、ロータを介して結合されているコンプレッサ及びタービンを有している。ロータは、コンプレッサのためのロータブレードと、タービンのためのロータブレードとを有しており、仕事がコンプレッサ内の作動媒体に作用し、タービン内の作動媒体から仕事が生み出される。作動媒体がタービンの上流において加熱されるので、タービンの構成部品には高い温度荷重が作用する。従来、ロータはシャフトに直列配置されたディスクを備えており、いずれの場合においても、ロータの外縁部にロータブレードを有し、ブレードリングを形成している。高い機械的負荷及び温度負荷のために、ディスク及びロータブレードの耐用寿命が制限されている。耐用寿命を延ばすための手段として、ロータブレード及びディスクを冷却するための冷却装置が知られている。該冷却装置によって、ガスタービンの動作中における脆弱性、特にディスクを構成する材料の脆弱性の増大を制限することができる。さらに、ディスク及びロータブレードのクリープ挙動が非危険領域にあるので、耐用寿命（すなわちＬＣＦ：“ライフサイクル疲労”）が長くなる。

この目的を達成するために、特許文献１に開示されるように、２つの直接隣り合うロータブレードの頚部同士の間に配置された独立した部品を利用することによって、ブレード土台の衝突冷却を可能にすることが知られている。

しかしながら、さらなる部品の製造及び据付は非常にコスト高である。

国際公報第２００９／００８９４４号

本発明の目的は、ロータディスク及びロータブレードの耐用寿命が長い軸流式ターボ機械のロータを創出することである。

本発明における軸流式ターボ機械のロータは、ロータディスクとロータブレードリングとを有しており、それぞれがブレード基端部を備えている多数のロータブレードを有している軸流式ターボ機械のロータであって、ロータブレードが、ブレード基端部によってロータディスクにラジアル方向外方に延在するように固定されている軸流式ターボ機械のロータにおいて、軸流式ターボ機械のロータの動作中に、間隙が、ロータディスクの所定の表面領域においてロータブレードとロータディスクとの間に形成されるように、ブレード基端部が、ロータディスクの外側縁部においてロータディスクと嵌合しており、冷媒がロータディスクの内部から間隙内に流れる際に通過する、多数の衝突冷却用開口部が間隙内に配置されており、その結果として、ロータブレードが、衝突冷却を利用して冷媒によって冷却され、ロータディスクが、対流冷却を利用して冷媒によって冷却される。

結果として、ロータディスク及びロータブレードを効果的に冷却可能となり、その結果として、ロータディスク及びロータブレードの耐用寿命が長くなる。特にロータディスクがロータブレードそれぞれのために凹状保持部を有している場合には、衝突冷却用開口部として開口している冷却用通路の本発明における配置を利用することによって、凹状保持部同士の間に設けられている尖端部が特に効果的に冷却される。さらに、本発明におけるターボ機械のロータでは、冷媒が効果的に利用されるので、その結果として、軸流式ターボ機械のロータが資源を経済的に活用して動作可能となる。

好ましくは、各ロータブレードについて、ロータディスクが、ロータディスクの外側縁部において、ラジアル方向内方に突出しているロータディスクの基端頚部を介してブレード基端部が係合する凹状保持部を有しており、周方向及び／又はアキシアル方向において基端頚部から突出していると共にラジアル方向外側フランク及びラジアル方向内側フランクを有している、少なくとも１つの基端歯部を有しており、軸流式ターボ機械のロータの動作中に、ブレード基端部がラジアル方向外側フランクを介して基端歯部の凹所に当接するように、且つ、間隙がラジアル方向内側フランクと基端歯部の凹所との間に形成されるように、基端歯部が、凹状保持部に設けられている基端歯部の凹所によって囲まれており、ラジアル方向内側フランクに面している基端歯部の凹所の表面領域には、衝突冷却用開口部のうち少なくとも１つの衝突冷却用開口部が設けられており、これによりブレード基端部が、衝突冷却用開口部を通じて流れる冷媒によってラジアル方向内側フランク側において衝突冷却される。結果として、ロータディスクが冷媒の貫流に対して曝露されているので、軸流式ターボ機械のロータの動作中に応力のピークが発生する凹状保持部の近傍において冷却される点において優位である。さらに、ブレード基端部は衝突冷却によって冷却されるので、その結果として、ブレード基端部からの冷媒によって熱が効果的に分散する。その結果として、優位には、ロータディスクの温度が凹状保持部の近傍において低減され、ロータブレードの温度も低減されるので、ロータディスク及びロータブレードの耐用寿命が長くなる。

好ましくは、ブレード基端部が鋸歯状の形態となるように、基端歯部が基端頚部に配置及び形成されており、基端歯部の凹所が、溝として形成されている。好ましくは、基端歯部と溝とがアキシアル方向に延在している。さらに好ましくは、冷媒が間隙からロータディスクの外部に流れるように、間隙が外向きに開口している。その結果として、常に冷媒が衝突冷却用開口部を通じて流れるので、ロータディスク及びロータブレードを連続的に冷却することができる。

好ましくは、ロータブレードが、空気力学的効果を有しているブレード翼と、空気力学的効果を有しているブレード土台とを備えており、ブレード土台が、ブレード翼とブレード基端部との間においてラジアル方向に配置されており、ブレード土台のラジアル方向内側面によってロータディスクの外側縁部からラジアル方向に離隔して配置され、これにより間隙を形成しており、ラジアル方向内側面に面している外側縁部の表面領域には、衝突冷却用開口部のうち少なくとも１つの衝突冷却用開口部が設けられており、これによりブレード土台が、衝突冷却用開口部を通じて流れる冷媒によって、ラジアル方向内側面側において衝突冷却される。結果として、ブレード基端部及びブレード土台の両方が冷媒によって冷却されるので、ロータブレードを効果的に冷却することができる点において優位である。好ましくは、衝突冷却用開口部から流出する冷媒がロータブレードの表面に対して略垂直に衝突するように、衝突冷却用開口部が形成されている。結果として、衝突冷却の熱効率が効果的に高くなる。好ましくは、ロータディスクが、衝突冷却用開口部を介して間隙に連通している多数の冷却用通路を有している。また、好ましくは軸流式ターボ機械のロータが軸流式タービンロータであり、好ましくは冷媒が冷却用空気である。

本発明における軸流式タービンロータについて、添付の概略図を参照して以下に説明する。

本発明における軸流式ターボ機械のロータのディスクの斜視詳細図である。 本発明における軸流式ターボ機械のロータのロータブレードを備えた、ディスクの斜視詳細図である。

図１及び図２から明らかなように、軸流式タービンロータ１は、軸流式タービンロータ１の回転軸線を中心として対称且つ円状に配置されているディスクを有している。ディスク２の周囲を囲んで互いに隣り合って位置している多数のロータブレード３が、ディスク２の外縁１３に配置されており、ロータブレードリングを形成している。ロータブレード３それぞれがブレード翼４を有しており、該ブレード翼によって、ロータブレード３が軸流式タービンロータ１の作動媒体（operating medium）と相互作用する。ブレード翼４はディスク２上に配置されており、ラジアル方向外方に延在している。ロータブレード３はブレード翼４のラジアル方向内側端部にブレード基端部５を有しており、該ブレード基端部によって、ブレード翼４がディスク２上に固定されている。ブレード翼４とブレード基端部５との間においては、ブレード土台６がロータブレード３に形成されており、軸流式タービンロータ１のアキシアル方向及び周方向に延在している。ブレード土台６のラジアル方向外側面が作動媒体に面して配置されており、ブレード土台６のラジアル方向内側面１８がディスク２に面して配置されている。

ブレード基端部５は、ブレード土台６からラジアル方向内方に延在している基端頚部７を有している。基端頚部７には多数の基端歯部８が形成されており、軸流式ターボ機械ロータ１の周方向に向かって突出している。基端歯部８は、基端頚部７の長手方向軸線に関して対称に配置されている。凹状保持部９は、ブレード基端部５それぞれのためにディスク２の外周に形成されており、基端歯部８と係合する溝１０を有している。溝１０が形成された凹状保持部９は、ブレード基端部５が凹状保持部９と嵌合するように、基端歯部８が形成されたブレード基端部５の輪郭に適合するように形成されている。基端歯部８それぞれが自身に割り当てられた溝１０内に係合し、ディスク２の材料によって包囲されているので、ブレード基端部５は、ラジアル方向において凹状保持部９内に固定されている。２つの直接隣り合っている凹状保持部９の間に位置するロータディスク２の外側領域は、この場合には尖端部（steeple）とも呼称される。

基端歯部８は、軸流式タービンロータ１のアキシアル方向に延在している状態で基端頚部７に配置されている。従って、溝１０も同様に、軸流式タービンロータ１のアキシアル方向に延在している。さらに、複数の基端歯部８が互いに対して平行に配置されているので、複数の溝１０も互いに対して平行に配置されている。従って、ロータブレード３は、ディスク２に取り付けるために又はディスク２から取り外すために、そのブレード基端部５を介して、アキシアル方向において凹状保持部９内に挿入可能とされるか、又は凹状保持部９から脱離可能とされる。さらに、ノッチ効果（notch stress effect）によって、軸流式タービンロータ１の動作中にディスク２及びブレード基端部５の応力が小さくなるように、基端歯部８の外形が丸められていると共に、溝１０の外形も同様に対応して丸められている。

基端歯部８それぞれが、ラジアル方向内側フランク１６とラジアル方向外側フランク１７とを有している。ここで、ラジアル方向内側フランク１６及びラジアル方向外側フランク１７は、互いに対して傾斜して形成されている。特に、ラジアル方向外側フランク１７は、基端頚部７から離隔するにつれてラジアル方向外側フランク１７の丸み（radius）が小さくなるように、ディスク２の周方向に対して傾斜している。軸流式タービンロータ１の動作中には、ラジアル方向外方に作用する遠心力がロータブレード３に作用する。ラジアル方向外側フランク１７の傾斜と溝１０の対応する外形とによって、凹状保持部９内におけるブレード基端部５の自動調心効果が発生する。この場合には、ラジアル方向外側フランク１７の外側に向かってラジアル方向において基端歯部８が溝１０内で支持されるように、ラジアル方向外側フランク１７が溝１０に当接している。溝１０が基端歯部８の周囲に間隔を空けて形成されているので、ブレード基端部５が凹状保持部９内に偶発的に捕捉され、その結果として、基端歯部８及び溝１０による自動調心効果が阻害されることはない。軸流式タービンロータ１の動作中に基端歯部８がラジアル方向外側フランク１７を介して溝１０と接触しているので、ラジアル方向内側フランク１６側に間隔が生じ、これにより間隙１１が形成される。間隙１１が形成された結果として自由になった溝１０の近傍には、冷却用空気が流通する際に通過する多数の衝突冷却用開口部１２が設けられている。冷却用空気が衝突冷却用開口部１２から排出された場合には、冷却用空気が間隙１１に流入し、衝突冷却によってラジアル方向内側フランク１６側の基端歯部８を冷却する。ディスク２に形成されている凹状保持部９が端面側において開口しているので、間隙１１がラジアル方向内側フランク１６に形成され、その結果として、外向きに開口している冷却用通路が形成される。冷却用空気が、衝突冷却用開口部１２を通じて冷却用通路に入り、冷却用通路を通じて流れ、ディスク２の端面側に排出される。

ブレード土台６が、ディスク２の外側縁部１３側にラジアル方向に離隔した状態で配置されている。従って、ラジアル方向内側面１８の下方に、且つ、ディスクの外側縁部１３とブレード土台６のラジアル方向内側面１８との間に、間隙１４が形成されている。冷却用空気が流通する際に通過する多数の衝突冷却用開口部１５が、ディスクの外縁部１３に且つ間隙１４の近傍に形成されている。冷却用空気がラジアル方向内側面１８に衝突するので、冷却用空気を利用した衝突冷却によってブレード土台６が冷却される。間隙１４が形成された結果として、冷却用通路が、ディスクの外側縁部１３に形成され、ブレード土台６の周辺において外向きに開口している。その結果として、冷却用空気が、ディスクの外側縁部１３の衝突冷却用開口部１５からブレード土台６を通過して外部に排出可能とされる。軸流式タービンロータ１の動作中に、ブレード土台６のラジアル方向外側面が比較的高温のガスと接触しており、その結果として、ブレード土台６が軸流式タービンロータ１の動作中に高温に起因して降伏する。ブレード土台６のラジアル方向内側面１８側の冷却用空気に伝導される熱は、対流を利用して、ブレード土台６から離隔するように輸送される。

１ 軸流式タービンロータ
２ ディスク
３ ロータブレード
４ ブレード翼
５ ブレード基端部
６ ブレード土台
７ 基端頚部
８ 基端歯部
９ 凹状保持部
１０ 溝
１１ 間隙
１２ 衝突冷却用開口部
１３ 外側端部
１４ 間隙
１５ 衝突冷却用開口部
１６ ラジアル方向内側フランク
１７ ラジアル方向外側フランク
１８ （ブレード土台６）のラジアル方向内側面

Claims (8)

1. ロータディスク（２）とロータブレードリングとを有しており、それぞれがブレード基端部（５）を備えている多数のロータブレード（３）を有している軸流式ターボ機械のロータであって、
   前記ロータブレード（３）が、前記ブレード基端部（５）によって前記ロータディスク（２）にラジアル方向外方に延在するように固定されている前記軸流式ターボ機械の前記ロータにおいて、
   前記軸流式ターボ機械の前記ロータ（１）の動作中に、間隙が、前記ロータディスク（２）の所定の表面領域において前記ロータブレード（３）と前記ロータディスク（２）との間に形成されるように、前記ブレード基端部（５）が、前記ロータディスクの外側縁部（１３）において前記ロータディスク（２）と嵌合しており、
   冷媒が前記ロータディスク（２）の内部から前記間隙（１１，１４）内に流れる際に通過する、多数の衝突冷却用開口部（１２，１５）が前記間隙内に配置されており、
   その結果として、前記ロータブレード（２）が、衝突冷却を利用して前記冷媒によって冷却され、前記ロータディスクが、対流冷却を利用して前記冷媒によって冷却され、
   前記ロータディスク（２）が、前記ロータディスクの前記外側縁部（１３）において、ラジアル方向内方に突出している前記ロータディスクの基端頚部（７）を介して前記ブレード基端部（５）が係合する凹状保持部（９）を有しており、周方向及び／又はアキシアル方向において前記基端頚部（７）から突出していると共にラジアル方向外側フランク（１７）及びラジアル方向内側フランク（１６）を有している、少なくとも１つの基端歯部（８）を有しており、
   前記軸流式ターボ機械の前記ロータ（１）の動作中に、前記ブレード基端部（５）が前記ラジアル方向外側フランク（１７）を介して前記基端歯部の凹所（１０）に当接するように、且つ、前記間隙（１１）がラジアル方向内側フランク（１６）と前記基端歯部の前記凹所（１０）との間に形成されるように、前記基端歯部（８）が、前記凹状保持部（９）に設けられている前記基端歯部の前記凹所（１０）によって囲まれており、
   前記ラジアル方向内側フランク（１６）に面している前記基端歯部の前記凹所（１０）の表面領域には、前記衝突冷却用開口部（１２）のうち少なくとも１つの衝突冷却用開口部が設けられており、これにより前記ブレード基端部（５）が、前記衝突冷却用開口部（１２）を通じて流れる前記冷媒によって前記ラジアル方向内側フランク（１６）側において衝突冷却されることを特徴とする、軸流式ターボ機械のロータ。
2. 前記ブレード基端部（５）が鋸歯状の形態となるように、前記基端歯部（８）が前記基端頚部（７）に配置及び形成されており、
   前記基端歯部の前記凹所が、溝（１０）として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流式ターボ機械のロータ。
3. 前記基端歯部（８）と前記溝（１０）とが、アキシアル方向に延在していることを特徴とする請求項２に記載の軸流式ターボ機械のロータ。
4. 前記冷媒が前記間隙（１１，１４）から前記ロータディスクの外部に流れるように、前記間隙（１１，１４）がアキシアル方向外方に開口していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流式ターボ機械のロータ。
5. 前記ロータブレード（３）が、空気力学的効果を有しているブレード翼（４）と、空気力学的効果を有しているブレード土台（６）とを備えており、
   前記ブレード土台（６）が、前記ブレード翼（４）と前記ブレード基端部（５）との間においてラジアル方向に配置されており、前記ブレード土台の前記ラジアル方向内側面（１８）によって前記ロータディスク（２）の前記外側縁部（１３）からラジアル方向に離隔して配置され、これにより前記間隙（１４）を形成しており、
   前記ラジアル方向内側面（１８）に面している前記外側縁部（１３）の表面領域には、前記衝突冷却用開口部（１５）のうち少なくとも１つの衝突冷却用開口部が設けられており、これにより前記ブレード土台（６）が、前記衝突冷却用開口部（１５）を通じて流れる前記冷媒によって、前記ラジアル方向内側面（１８）側において衝突冷却されることを特徴とする請求項１に記載の軸流式ターボ機械のロータ。
6. 前記衝突冷却用開口部（１２，１５）から流出する前記冷媒が前記ロータブレード（２）の表面に対して略垂直に衝突するように、前記衝突冷却用開口部（１２，１５）が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流式ターボ機械のロータ。
7. 前記ロータディスク（２）が、前記衝突冷却用開口部（１２，１５）を介して前記間隙（１１，１４）に連通している多数の冷却用通路を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸流式ターボ機械のロータ。
8. 前記軸流式ターボ機械の前記ロータが、軸流式タービンのロータ（１）であり、
   前記冷媒が、冷却用空気であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の軸流式ターボ機械のロータ。

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