JP5465186B2 - ガスタービン用タービンロータ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン用タービンロータ、該タービンロータを備えているガスタービン、該タービンロータ用のタイバー、及びガスタービン内に該タービンロータを取り付ける方法に関する。

ガスタービンロータ（Gasturbinenrotor又はGasturinenlaeufer）は、コンプレッサ領域及びタービン領域を有しており、少なくともコンプレッサ領域は、しばしばタービン領域も、それぞれ少なくとも２つのコンプレッサディスク又はタービンディスクからなる複数の部分をプレート構造状に組み合わせて構成されている。この場合、これらのディスクは、望ましくはセンタリング装置によって互いに対して位置決めされており、また、いわゆるタイバーを介してロータアセンブリに取り付けられている。

ガスタービンのハウジングが例えば全体的に水平に分割されている場合には、ガスタービンロータ全体をハウジング内に配置する前に、該ガスタービンロータは、予め完全に組み立てて、バランス調整を実施する必要がある。

図１に図示された既知のガスタービンは、コンプレッサ領域において、水平方向に分割されたハウジングを有しており、タービン領域において、一体化されたハウジングを有している。該ガスタービンにおいては、ガスタービンロータ１′は、事前に完全に組み立てた後には取り付けることができない。この場合には、従来技術では、最初に、コンプレッサ領域が複数の周辺タイバーによって取り付けられて、コンプレッサハウジング内に収納される。次に、該コンプレッサハウジングが閉じられ、前記一体化されたタービンハウジングが取り付けられる。このとき、タービン領域では、各タービンディスク１３．１′、１３．２′が交互にタービンハウジングと共にガスタービンロータに固定される。タービンディスク１３．１′、１３．２′を互いに対して固定し且つ該タービンディスクをコンプレッサ領域に固定するためには、別の周辺タイバー５を用いる。

この構成では、コストが高くなり、タイバー４、５が軸線方向に分割されているので、強度がより低くなる。

従って、本発明の課題は、ガスタービン用タービンロータを改善することである。

上記課題は、請求項１に記載の特徴を備えているタービンロータによって解決される。請求項９には、該タービンロータを備えているガスタービンが記載され、請求項１０には、該タービンロータのためのタイバーが記載され、請求項１１には、該タービンロータをガスタービンに取り付ける方法が記載されている。従属請求項は、望ましい発展形態に関する。

本発明におけるガスタービン用タービンロータには、２つ以上のコンプレッサディスクからなる１つのコンプレッサ領域と、１つ以上の、望ましくは２つ以上のタービンディスクからなる１つのタービン領域とが設けられている。この場合には、コンプレッサディスク及びタービンディスクが、一列のロータブレード列（シングルディスク）又は複数列のロータブレード列（マルチディスク）を備えている場合がある。該コンプレッサディスク及び該タービンディスクは、１つのタイバー装置によって互いに対して取り付けられており、該タイバー装置は、望ましくは該タービンロータの長軸と同軸に配置された、１つの中心タイバーを有しているか、又は該タービンロータの長軸に平行に且つ周方向に等間隔に配置された、複数の周辺タイバーを有している。

前記タイバー装置の１つ以上のタイバー、望ましくはすべてのタイバーには、第１の固定領域及び第２の固定領域が設けられている。第１の固定領域と第２の固定領域との間には、コンプレッサ領域の２つ以上のコンプレッサディスク、望ましくはすべてのコンプレッサディスクが取り付けられている。好ましくは、軸線方向に一体に構成された該タイバーのうち少なくとも１つのタイバー、望ましくは複数のタイバー、特に望ましくはすべてのタイバーには、該タービン領域の１つ以上のタービンディスク、望ましくはすべてのタービンディスクを取り付けるために、第３の固定領域がさらに設けられている。

言い換えれば、本発明では、コンプレッサディスク及びタービンディスクが、１つのタイバー又は複数の同一のタイバーを介して取り付けられている。この場合には、以下に詳述するように、コンプレッサ領域の部分組立用に第２の固定領域が設けられており、該第２の固定領域によってコンプレッサディスク同士にプリテンションをかけることができる。

従って、本発明の一の実施形態によるタービンロータは、全体的に分割されていないガスタービンのハウジング内に取り付け可能である。この場合には、前記コンプレッサ領域の２つ以上のコンプレッサディスク、特にすべてのコンプレッサディスクが、１つ以上のタイバーによって、第１の固定領域と第２の固定領域との間において互いに対して取り付け可能である。このような取り付けを可能とするために、例えば、望ましくは流れ方向において１つ以上のタイバーの前端面に形成された、第１の固定領域の第１のネジが、前方のコンプレッサディスク、特に最前方のコンプレッサディスクにねじ込まれるか、又は流れ方向において該コンプレッサディスクの前方に配置され且つ該コンプレッサディスク上に支持されている、第１のナットにねじ込まれる。

次に、後方のコンプレッサディスク、特に最後方のコンプレッサディスク、又は流れ方向において該コンプレッサディスクの後方に配置され且つ該コンプレッサディスク上に支持されている、第２のナットが、望ましくは１つ以上のタイバーの両端面の間に形成された、第２の固定領域の第２のネジにねじ込まれる。

このようにタービンロータが第１の固定領域と第２の固定領域との間に取り付け可能となり、従来はコンプレッサ領域のみを有していたタービンロータを好適にバランス調整することができる。

次に、さらなる中間ステップにおいて、１つ以上のタイバーによって、該タービン領域の１つ以上のタービンディスク、特にすべてのタービンディスクを互いに対して取り付けるか又は軸線方向のストッパに取り付けることができる。このような取り付けをするために、タービンディスクが、タイバー装置上に載置されていると共に、望ましくは流れ方向において１つ以上のタイバーの後端面に形成された、第３の固定領域の第３のネジが、後方のタービンディスクに、望ましくは最後方のタービンディスクに、又は流れ方向において該タービンディスクの後方に配置され且つ該タービンディスク上に支持されている、第３のナットにねじ込まれる。このように取り付けられた完全なタービンロータは、コンプレッサ領域及びタービン領域を有しており、再度バランス調整可能となる。その後に、タービンディスクが再びタイバー装置から取り外される。

該さらなる中間ステップの後に、コンプレッサ領域のみを有していると共にプリテンションがかけられたタービンロータが、例えば水平に分割可能なコンプレッサハウジング内に配置される。但し、さらなる中間ステップを実施しなくても良い。

単一の、例えば一体のタービンハウジングが載置され、コンプレッサハウジングに接続されている。この場合には、タービンディスクが再びタイバー装置上に載置され、第３のネジが後方のタービンディスク又は第３のナットにねじ込まれる。同様に、各タービンディスクが、タービンハウジングと交互に載置され、第３の固定領域によって互いに対して取り付け可能とされる。このように取り付け可能とするために、タービンハウジングは、長手軸線に対して横方向において２つ以上に分割可能である。

この場合には、上述の螺合に加えて又は該螺合の代わりに、コンプレッサディスク又はタービンディスクを軸線方向において対向するように取り付け可能な他の取付要素を用いることによって、固定領域における取り付けが実現可能とされる。例えば第１の固定領域及び／又は第２の固定領域及び／又は第３の固定領域には、ネジに加えて又は該ネジの代わりに、複数の径方向の切欠が形成されている場合がある。該切欠には楔を差し込むことができるので、ディスクが、該楔による楔効果によって軸線方向に取り付けられる。同様に、第１の固定領域及び／又は第２の固定領域及び／又は第３の固定領域には、軸線方向の止めリングを収容するための溝が、付加的又は代替的に形成されており、該溝によって、ディスクが、プリテンションが軸線方向にかけられた状態で固定される。

従って、１つの固定領域は、特にタイバー又はタイバー装置の一部分であると言える。該部分には、例えば前方又は後方のコンプレッサディスク、タービンディスクやナットのような、タービンロータの１つ以上の取付要素が、軸線方向において少なくとも一方の側に固定可能であり、これにより軸線方向の力が、該取付要素によって、タイバー又はタイバー装置に作用される。その結果として、コンプレッサディスク又はタービンディスクが軸線方向において互いに対して取り付けられる。

この場合には、例えば１つのナットによって一方の側において支持されている後方のコンプレッサディスクや最後方のコンプレッサディスクと同様に、コンプレッサ領域にプリテンションをかけるための取付要素は、プリテンション方向に対向して軸線方向の一方の側においてのみ固定可能である。従って、タービンディスクが設けられたタービンロータが、第３の固定領域を通じて完全に取り付けられている場合には、コンプレッサ領域の取り付けが、第２の固定領域及びタービンディスクを通じても、部分的又は完全に実施可能とされる。一方、第２の固定領域と協働し且つ軸線方向で一方の側においてのみ固定された取付要素に対して、第１の固定領域と第２の固定領域との間において作用するプリテンションが、タービン領域内の取付力より大きい場合には、又は該取付要素が軸線方向の両側で固定可能とされ、これにより例えば後方のコンプレッサディスク又は最後方のコンプレッサディスクのように、１つのナットによって軸線方向のストッパに対して支持されている場合には、コンプレッサ領域及びタービン領域の取付が互いから大幅に独立して実施可能となる。その際、コンプレッサディスクが第１の固定領域と第２の固定領域との間に取り付けられ、タービンディスクが第２の固定領域と第３の固定領域との間に取り付けられる。この場合には、例えば軸線方向で一方の側のみが１つのナットによって固定された最後方のコンプレッサディスクは、タービンディスクが設けられ且つ完全に取り付けられたタービンロータにおいても、該ナットから持ち上がることはない。

従って、望ましくは、これら固定領域は、タービン領域が取り付けられていても、コンプレッサディスクを互いに対して取り付けるプリテンションがコンプレッサ領域内に残留するように構成することができる。これにより、例えば、固定領域同士の軸線方向の距離が適切に設定可能となる。このとき、第１の固定領域と第２の固定領域との間、すなわちコンプレッサ領域内のプリテンションは、望ましくは、第２の固定領域と第３の固定領域との間、すなわちタービン領域内のプリテンションの最大１０倍、特に望ましくは最大５倍、さらに望ましくは最大３倍とすることができる。また、コンプレッサ領域内のプリテンションをタービン領域内のプリテンションより高くすることができる。

上述のように、本発明のタービンロータは、特に全体が分割されていないハウジングを有しているガスタービンに適している。言い換えれば、本発明のタービンロータは、一体化されたコンプレッサハウジング、又は例えば水平の第１の面で分割されたコンプレッサハウジングと、該コンプレッサハウジングに接続されている一体化されたタービンハウジング、又は前記第１の面と異なる第２の面で分割された、例えば長手軸線に対して横方向若しくは垂直に分割されたタービンハウジングと、を有しているガスタービンに適している。

既知のガスタービンの上半分の縦断面図である。 本発明における一の実施形態のガスタービンの上半分の縦断面図である。

さらなる特徴及び利点は、従属請求項と部分的に表わされた図面とを用いることによぅって、以下に詳述する実施形態から理解される。

図２は、本発明における一の実施形態によるガスタービンの上半分の縦断面図である。図２は本発明の一の実施形態によるタービンロータ１を表わし、タービンロータ１は、複数のコンプレッサディスク２．１〜２．５及び複数のタービンディスク１３．１，１３．２からプレート構造状に構成されている。

すべてのディスク２．１〜２．５，１３．１，１３．２は、唯一の中心タイバー６によって互いに対して取り付けられている。そのために、タイバー６の前端面（図２の左側）には、第１のネジ７が設けられており、タイバー６の後端面（図２の右側）には、第３のネジ９が設けられており、該前端面と該後端面との間における最後方のコンプレッサディスク２．５の領域内には、第２のネジ８が設けられている。第１のネジ７が、ガスタービンの流れ方向（図２において、左側から右側）において、最前方のコンプレッサディスク２．１にねじ込まれている。一方、第２のネジ８及び第３のネジ９には、流れ方向において後方から２番目のナット１０と３番目のナット１４とがそれぞれ、油圧取付装置（図示しない）によってネジ止めされているので、コンプレッサ領域が第２のナット１０によって取り付けられており、タービン領域が第３のナット１４によって取り付けられている。

この場合には、プリテンションは、第３のナット１４が取り付けられた状態であっても、依然として第２のナット１０にプリテンションがかかっており、第２のナット１０が最後方のコンプレッサディスク２．５から持ち上がらないように選定される。

コンプレッサディスク２．１〜２．５それぞれが、ハースカップリング３によって互いに芯出しされている。

組立のために、最初にコンプレッサディスク２．１〜２．５が組み合わせられ、ハースカップリング３によって互いに対して芯出しされる。次に、第１のネジ７を用いることによって、タイバー６が最前方のコンプレッサディスク２．１に取り付けられる。この取り付けを実現するために、第１のネジは、対応する中心内ネジを有している。第２のネジにねじ込まれる第２のナット１０を介して、タイバー６には、第１のネジ７と第２のネジ８との間の領域においてプリテンションがかけられる。

次に、ロータのバランス調整が行われる。従来のコンプレッサ領域のみを有しているロータのバランスを調整した後に、タービンディスク１３．１，１３．２が、タイバー６上に載置され、第３のネジ９にねじ込まれた第３のナット１４を介して固定される。そして、タービンロータ１全体のバランスを調整することができる。

次に、タービンディスク１３．１，１３．２は、第３のナット１４がタイバー６から取り外された後に引き抜かれ、これによりコンプレッサ領域のみを有しているロータは、水平に分割されたコンプレッサハウジング１１内に上方から収容される。その後、コンプレッサハウジング１１が閉じられる。

タービンディスク１３．１、１３．２が、交互に次々にタイバー６に差し込まれ、一体のタービンハウジング１２と共に取り付けられる。最後方のタービンディスク１３．２が取り付けられた後に、第３のネジ９にねじ込まれている第３のナット１４を介して、タイバー６も第２のネジ８と第３のネジ９との間の領域に取り付けられる。

このとき、第３のナット１４の締付トルクは、第２のナット１０に継続してプリテンションがかかるように、すなわち最後方のコンプレッサディスク２．５に対して垂直力を及ぼすように選定される。ここで、第３のナット１４のプリテンション力によって、第２のナット１０のプリテンション力が相応に低下することに留意すべきである。これは、第３のナット１４も同様に第１のネジ７に対して取り付けられているからである。言い換えれば、第３のナット１４によってタイバー６全体に引張力が作用するからである。しかしながら、第２のナット１０及び第３のナット１４の締付トルクを相応に選択することによって、コンプレッサ領域においてタービン領域より大きなプリテンションを実現することができる。

図面から理解されるように、共通のタイバーを用いてタービンロータ全体を上述のように好適に取り付けることができる。その際には、ハウジングの構造上の問題のために、ガスタービンの外側でロータを完全に組み立てることができない場合であっても、付加的なツールを用いてコンプレッサ領域を固定する必要はない。

コンプレッサディスクには常時プリテンションがかかっているので、別個に予めバランス調整されたコンプレッサ領域のバランス状態が好適に保たれる。

１ タービンロータ
１′ タービンロータ
２．１ コンプレッサディスク
２．２ コンプレッサディスク
２．３ コンプレッサディスク
２．４ コンプレッサディスク
２．５ コンプレッサディスク
３ センタリング要素
４ コンプレッサ領域タイバー
５ タービン領域タイバー
６ 中心タイバー
７ 第１のネジ
８ 第２のネジ
９ 第３のネジ
１０ 第２のナット
１１ コンプレッサハウジング
１２ タービンハウジング
１３．１ タービンディスク
１３．２ タービンディスク
１４ 第３のナット

Claims (6)

1. 少なくとも２つのコンプレッサディスク（２．１〜２．５）から構成されている１つのコンプレッサ領域と、少なくとも１つのタービンディスク（１３．１，１３．２）から構成されている１つのタービン領域と、を備えているガスタービン用のタービンロータ（１）において、
   前記コンプレッサディスクと前記タービンディスクとが、少なくとも１つのタイバー（６）を備えている１つのタイバー装置によって取り付けられており、
   前記タイバー（６）が、第１の固定領域（７）と第２の固定領域（８）との間に少なくとも２つの前記コンプレッサディスクを取り付けるための、前記第１の固定領域（７）及び前記第２の固定領域（８）と、少なくとも１つの前記タービンディスクを取り付けるための第３の固定領域（９）と、を備え、前記タイバー装置の少なくとも１つの前記タイバー（６）が、前記第１の固定領域（７）と前記第３の固定領域（９）との間に一部品として構成されており、
   前記第１の固定領域（７）が、１つの前方の前記コンプレッサディスク（２．１）又は第１のナットをネジ止めするための第１のネジ（７）であって、流れ方向において前記タイバー装置の前端面に配置された１つの前記第１のネジ（７）を備えており、
   前記第１のナットが、流れ方向において前方の１つのコンプレッサディスクの前に配置されており、かつ前方の前記コンプレッサディスク上に支持されており、
   前記第２の固定領域（８）が、１つの後方の前記コンプレッサディスク又は第２のナット（１０）とネジ止めするための第２のネジ（８）であって、前記タイバー装置の両端面の間に配置された１つの前記第２のネジ（８）を備えており、
   前記第２のナット（１０）が、流れ方向において後方の１つの前記コンプレッサディスク（２．５）の後方に配置されており、且つ後方の前記コンプレッサディスク上に支持されており、
   前記第３の固定領域（９）が、１つの後方の前記タービンディスク又は第３のナット（１４）とネジ止めするための第３のネジ（９）であって、流れ方向において前記タイバー装置の後端面に配置された１つの前記第３のネジ（９）を備えており、
   前記第３のナット（１４）が、流れ方向において後方の１つのタービンディスク（１３．２）の後方に配置されており、且つ後方の前記タービンディスク上に支持されているタービンロータ（１）と、
   一体化されたコンプレッサハウジング（１１）、又は第１の面で分割されたコンプレッサハウジング（１１）と、前記コンプレッサハウジング（１１）に接続され一体化されたタービンハウジング（１２）、又は前記第１の面と異なる第２の面で分割されたタービンハウジング（１２）と、
   を備えたガスタービン内において、前記タービンロータ（１）を取り付けるための方法であって、
   ａ）前記タイバー装置を用いて、前記第１の固定領域（７）と前記第２の固定領域（８）との間に少なくとも２つの前記コンプレッサディスク（２．１〜２．５）を取り付けるステップと、
   ｃ）少なくとも１つの前記タービンディスク（１３．１，１３．２）を取り付けるステップと、
   ｄ）前記タービンロータ（１）のバランスを調整するステップと、
   ｅ）取り付けられた前記コンプレッサディスク（２．１〜２．５）を前記コンプレッサハウジング（１１）内に配置する前に、前記タイバー装置から前記タービンディスク（１３．１，１３．２）を取外すステップと、
   ｆ）取り付けられた前記コンプレッサディスク（２．１〜２．５）を前記コンプレッサハウジング（１１）内に配置するステップと、
   ｇ）少なくとも１つの前記タービンディスク（１３．１，１３．２）を取り付けるステップと、
   を備えていることを特徴とする方法。
2. ｂ）前記タービンディスク（１３．１，１３．２）を取り付ける前に、前記タービンロータ（１）のバランスを調整するステップを備えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも２つの前記コンプレッサディスク（２．１〜２．５）及び／又は少なくとも１つの前記タービンディスク（１３．１、１３．２）が、油圧式取付装置を用いることによって及び／又はトルク制御されることによって取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の固定領域と前記第２の固定領域との間のプリテンションが、前記タービンディスクの取付力より大きく、且つ、前記タービンディスクの取付力の１０倍、５倍、又は３倍より小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも２つの前記コンプレッサディスク（２．１〜２．５）及び／又は少なくとも２つの前記タービンディスク（１３．１，１３．２）がそれぞれ、１つの芯出し要素（３）を用いて互いに対して芯出しされることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記センタリング要素が、歯車装置、ハースカップリング（３）又はグリーソンカップリングを有していることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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