JP5765918B2 - 軸流ターボ機械のためのロータ及びロータのための動翼 - Google Patents

Description

本発明は、軸流ターボ機械の技術分野に関する。本発明は、請求項１の前提部による軸流ターボ機械のためのロータと、このようなロータのための動翼とに関する。

高い電力出力を有する定置ガスタービンは、従来、発電所、特に複合サイクル発電所の基本的な構成部分である。図１は、本出願人によって供給された、形式名ＧＴ２６^(R)によって知られるこのようなガスタービンの一例の斜視図であり、部分的に断面で示されている。

図１に示されたガスタービン１０には、順次燃焼として知られるものが装備されている。順次燃焼は、空気入口１５から空気を吸入してこの空気を圧縮する多段圧縮機１２を有している。圧縮された空気は、後続の第１の環状の燃焼室１４ａにおいて、噴射された燃料の燃焼のために部分的に使用される。生じる高温ガスは、第１のタービン１３ａを流過し、次いで、第２の燃焼室１４ｂに進入し、この第２の燃焼室１４ｂにおいて、残りの空気は、再び噴射される燃料の燃焼のために用いられる。第２の燃焼室１４ｂからの高温ガス流は、仕事を行うために第２のタービン１３ｂにおいて膨張させられ、外部へ放出されるために、又は複合サイクル発電所において蒸気の発生のために使用されるために、ガスタービン１０から排気ガス出口１６を通って排出される。

圧縮機１２と、２つのタービン１３ａ，１３ｂとは、複数組の動翼を有しており、これらの翼は、軸線３０を中心に回転し、包囲しているステータに固定された案内翼とともに、機械の翼列を形成している。全ての動翼は、軸線を中心に回転可能な共通のロータ１１に配置されており、この目的のために提供されたロータ溝によって、ロータ軸に解放可能に固定されている。この場合、圧縮空気が摂氏数百度の温度に達する圧縮機１２の最終段１２ａに特に注意が向けられる。

従来技術（例えば国際公開第２００５／０５４６８２号パンフレット参照）から、図２を参照すると、圧縮機１２の最終段１２ａの動翼１２に、ハンマーヘッド形の根元部として設計された翼根元部１８を提供し、翼のハンマーヘッド形の根元部を、軸線を中心に延びたロータ溝１９に押し込み、翼をロータ溝に保持することが知られている。翼根元部１８は、動翼１７に作用する遠心力に対抗して、半径方向でさらに外方に位置したロータ溝１９の半径方向停止面２５に対して支持される。前記翼根元部は、同様に、動翼１７に作用する軸方向力に対抗して、半径方向でさらに内方に位置した軸方向停止面２０に対して支持される。この場合、それぞれの半径方向停止面２５と、それぞれの軸方向停止面２０との間には、アンダカットが提供されている。ばね２２は、ロータ溝１９の底部に設けられており、組み立て中に、動翼１７を半径方向で固定する。

エネルギ及び環境に関する現在の議論において、このタイプの機械の電力、効率、燃焼温度及び／又は質量流量を高めるという不変の要求が存在する。電力出力の増大は、特に、圧縮機を改良することによって達成することができる。

ガスタービンの改良は、圧縮機最終段１２ａにおけるより高いガス温度につながる、圧縮機を通る質量流量の増大を伴う。圧縮機のための翼枚葉の現在の漸進空力設計は、より大きな軸方向翼弦長を必要とし、このことは、ロータ溝１９の間の距離を大きくする。

２つは相俟って、機械が始動される時に、後方の圧縮段におけるロータ溝の底部に設けられた切欠において熱応力を著しく増大させる。なぜならば、ロータ本体の中心は依然として低温である（図２におけるＴ１）のに対し、外側領域は既に高い全負荷温度（図２におけるＴ２）に曝されており、これにより、高い熱応力が材料に生じるからである。

別の関連において、つまり、ロータ溝における斜めの停止面に対して当接しかつ摩擦によりせん断力を溝の側壁に加える鳩尾状の翼根元部を備えたガスタービンの動翼において、摩擦により誘発された応力を低減するために、停止面の下方においてロータ溝にフィレットを導入することが提案されてきた（米国特許第５１４１４０１号明細書参照）。この場合、しかしながら、熱応力は役割を果たさない。

ロータ溝の領域における応力を減じるための手段に関連して、欧州特許出願公開第１７０３０８０号明細書は、ロータにおける応力分布に対する、溝の断面形状の決定的な影響を繰り返している。ここでは、これに関して、溝の底部にだ円形の横断面を提供することが提案されている。

このように設計されたロータ溝は、底部において、熱応力を減じるために、軸方向及び半径方向で拡大した底部領域２３を有しており、この底部領域２３は、中央平面３３の領域における大きな曲率半径によって特徴付けられかつ中央平面３３に関して鏡映対称であるように設計された連続的に湾曲した断面形状を備えている。

動翼１７のロータ根元部１８の設計が、このように変更されたロータ溝形状の場合に保たれるならば、図３に示した翼根元部１８のハンマーヘッド部は、斜線によって示された付加的な体積２４の分だけ拡大されなければならず、このことは、動翼１７の質量の著しい増大、ひいてはロータ溝２１に作用する遠心力の増大を生じる。

国際公開第２００５／０５４６８２号パンフレット 米国特許第５１４１４０１号明細書 欧州特許出願公開第１７０３０８０号明細書

したがって、本発明の課題は、拡大した底部領域と大きな曲率半径とを備えたロータ溝形状の利点を、好適にはいかなる欠点も生じることなく引き出すことができるように、ロータ又はロータにおいて使用される動翼を設計することである。

前記課題は、請求項１及び８の特徴の全てによって達成される。発明の基本的概念は、この場合、ロータ溝が、自体公知の形式で、熱応力を減じるために、底部において、連続的に湾曲した断面形状を備えた軸方向及び半径方向に拡大した底部領域を有しており、動翼の翼根元部が、半径方向で、拡大した底部領域に適応させられているということである。

本発明の１つの実施態様によれば、拡大した底部領域は、ロータ溝を通過しかつ軸線に対して垂直に延びた中央平面に関して鏡映対称であり、底部領域の断面形状の曲率半径が、この場合、中央平面から縁部に向かって減少している。

発明の別の実施態様は、拡大した底部領域が、軸方向で所定の最大幅を有しており、半径方向停止面が、軸方向で所定の最小間隔を有しており、最大幅に対する最小間隔の比が、０．１〜０．６、すなわち０．１＜ｄ₅／ｄ₁＜０．６である。

この場合、拡大した底部領域が、半径方向停止面に関して所定の第１の最大深さを有しており、拡大した底部領域が、軸方向停止面の内縁部に関して所定の第２の最大深さを有しており、第１の最大深さに対する第２の最大深さの比が、０．４〜０．９、すなわち０．４＜ｄ₃／ｄ₄＜０．９である。

複数の同じロータ溝が、軸方向に、所定の距離だけずれて設けられており、距離に対する最大幅の比が０．５〜０．８、すなわち０．５＜ｄ₁／ｄ₂＜０．８であると特に有利である。

発明の別の実施態様によれば、翼根元部は、拡大した底部領域の半径方向拡大をブリッジするために、ハンマーヘッド部の下方において半径方向に延長されている。

好適には、翼根元部を延長するために、半径方向に延びた延長ボルトが提供されている。比較的細い延長ボルトは、質量が不必要に動翼に付加されることなく、間隔をブリッジする。

この場合、製造の観点から、延長ボルトがハンマーヘッド部に一体に形成されていると有利である。

さらに、連続した移行を保証するために、延長ボルトとハンマーヘッド部との間の移行部に、湾曲した移行面が設けられていると有利である。

択一的に、延長ボルトを別個の部品として製造し、延長ボルトをハンマーヘッド部に結合してもよい。

この場合、延長ボルトを螺合又は溶接によってハンマーヘッド部に固定することが有利であると分かった。

さらに、動翼の質量は、翼根元部に質量減少凹所が設けられているとさらに減じられる。

好適には、凹所は、ハンマーヘッド部及び延長ボルトに亘って延びている。

好適には周方向に延びているが、これらの凹所は、別の方向、例えば半径方向に延びていてもよい。

本発明によるロータの改良は、延長ボルトの下端部と拡大した底部領域の底部との間の空間が自由なままであり、この自由な空間にばねが配置されており、このばねが、翼根元部を備えた動翼を半径方向に半径方向停止面に対して押し付けることを特徴とする。

別の改良は、ハンマーヘッド部が所定の高さを有しており、延長ボルトが所定の半径方向長さを有しており、長さに対する高さの比が０．２〜０．８、すなわち０．２＜ｄ₂／ｄ₁＜０．８である。

別の改良は、ハンマーヘッド部が所定の第１の軸方向幅を有しており、延長ボルトが所定の第２の軸方向幅を有しており、第１の軸方向幅に対する第２の軸方向幅の比が０．２〜０．６、すなわち０．２＜ｄ₄／ｄ₃＜０．６であることを特徴とする。

以下に発明を図面に関連した典型的な実施態様によって説明する。

発明を実施するのに適しているような、順次燃焼を備えたガスタービンの斜視図であり、部分的に断面図で示されている。 圧縮機の最終段の領域における公知のガスタービンのロータの長手方向断面図であり、動翼の関連する固定も示されている。 拡大した底部領域と、連続して湾曲した横断面形状とを有する２つの隣接した同じロータ溝を、関連する寸法とともに拡大して示す図である。 変更されたロータ溝形状に対する翼根元部の可能な適応を示す図である。 発明の典型的な実施態様による、図３に示した変更されたロータ溝形状のための適応された動翼を示す図である。 図５に示した適応された動翼が図３に示したロータ溝に挿入された状態を示す図である。 図５の設計形式に代わる設計形式の、図３に示した変更されたロータ溝形状のための適応された動翼を示す図である。

図４は、本発明による圧縮機の最終段の領域におけるガスタービンのロータ１１の、図２と同様の長手方向断面図を示している。図２と図４とを比較すると、ロータ溝２１の上側部分は、図２に示した公知のロータ溝形状と比較して変更されないままである。従って、半径方向及び軸方向の停止面２５及び２０は、実質的に変更されないままである。その結果、検証済みの設計をこの領域において使用することができる。

しかしながら、ロータ溝２１の拡大した底部領域２３は新規である。拡大した底部領域は、底部領域２３の断面形状が連続して湾曲しており、底部領域２３の断面形状の曲率半径が、中央平面の領域において極めて大きく、中央平面から縁部に向かって急激に減少していることを特徴としている。断面形状は、中央平面に対して鏡像である。

拡大した底部領域２３は、軸方向停止面２０のすぐ下方において、両側に、レリーフの形式で軸方向に拡大している。拡大した底部領域２３は、図３に示されているように、軸方向で所定の最大幅ｄ₁を有しているのに対し、半径方向停止面２５は、軸方向で所定の最小間隔ｄ₅を有している。最大幅ｄ₁に対する最小間隔ｄ₅の比は０．１〜０．６であると特に有利であり、すなわち不等式０．１＜ｄ₅／ｄ₁＜０．６が当てはまる。

拡大した底部領域２３は、半径方向停止面２５に対して所定の第１の最大深さｄ₄を有している。拡大した底部領域２３は、軸方向停止面２０の内縁部に対して所定の第２の最大深さｄ₃を有している。第１の最大深さｄ₄に対する第２の最大深さｄ₃の比は０．４〜０．９であると特に有利であり、すなわち不等式０．４＜ｄ₃／ｄ₄＜０．９が当てはまる。

別の不等式は、互いに対するロータ溝のずれに関する。複数の同じロータ溝２１が、軸方向で互いに対して所定の距離ｄ₂だけずれて設けられているならば、距離ｄ₂に対する最大幅ｄ₁の比は０．５〜０．８であると有利であり、すなわち不等式０．５＜ｄ₁／ｄ₂＜０．８が当てはまる。

基本的に、翼根元部１８を備えた従来の動翼は、不変のまま引き継がれ、拡大したロータ溝２１において使用することができる。しかしながら、拡大した底部領域２３により、羽根根元部１８には従って、図４に示されているように、付加的な体積２４が提供されなければならず、このことは、望ましくない二次的な効果につながる。

従って、変更されたロータ溝形状に対する翼根元部の適応が好ましく、このことは例えば図５、図６、及び図７によって示されている。図５及び図６の動翼２６は、翼根元部を有しており、この翼根元部は、軸方向停止面まで達する上側部分においては、図２に示された翼根元部１８と実質的に全く同じように設計されている。これに対して、ハンマーヘッド部３２を起点とする半径方向下方への延長部が新規であり、この延長部は、ハンマーヘッド部３２に一体に形成されかつハンマーヘッド部３２の幅ｄ₃よりも狭い幅ｄ₄の延長ボルト２９によって提供されている。延長ボルト２９の半径方向長さ（ｄ₁）は、ハンマーヘッド部３２の高さ（ｄ₂）よりも著しく大きい。

延長ボルト２９がハンマーヘッド部３２に直接に一体に形成されているならば、連続的な移行を保証するために、湾曲した移行面２８が好適には延長ボルト２９とハンマーヘッド部３２との移行部に設けられている。

翼根元部１８の軸方向延長のための費用対効果の高い択一例として、延長ボルト２９を別個の部品として製造し、延長ボルトをハンマーヘッド部３２に結合することが適切である。螺合又は溶接は、この場合、実用的な作動の要求を満たす結合方法であることが分かった。従って、ハンマーヘッド部３２は、底部３４に、中央平面３３の領域において、ねじ穴３５が設けられていてよい。一体に形成されたねじ山付きボルト３６を用いて、例えば図７に示されているように、延長ボルト２９は翼根元部１８に螺合させられる。

さらに、１つ又は２つ以上の質量減少凹所３１が、翼根元部１８，２７に設けられており、円形、だ円形、又はその他の形状の穴か、１つ又は複数のスロットとして設計されていてよい。１つ又は複数の凹所３１は、好適には半径方向でハンマーヘッド部３２及び延長ボルト２９に亘って延びている。この場合、この凹所又はこれらの凹所３１は、好適には、必ずしもそうではないが、図５、図６及び図７に示されているように、周方向に延びている。しかしながら、質量減少凹所３１のその他の適切な方向の延び及び実施態様は、同様に、例えば翼根元部２７に半径方向に形成されたボアの形式で考えられてもよい。

延長ボルト２９の長さ（ｄ₁）に対するハンマーヘッド部３２の高さ（ｄ₂）の比は、好適には０．２〜０．８であり、すなわち不等式０．２＜ｄ₂／ｄ₁＜０．８が適用できる。

ハンマーヘッド部３２の軸方向幅（ｄ₃）に対する延長ボルト２９の軸方向幅（ｄ₄）の比は、好適には０．２〜０．６であり、すなわち不等式０．２＜ｄ₄／ｄ₃＜０．６が適用できる。

本発明は、全体として、以下の特徴及び利点によって特徴付けられる：
・翼根元部は、半径方向延長部として、０．２＜ｄ₂／ｄ₁＜０．８及び０．２＜ｄ₄／ｄ₃＜０．６の寸法を有する延長ボルトを有しており、これにより、ばね２２をアセンブリのために使用することができる。延長ボルト２９は、付加的な重量を節約するために縁部において面取りされていてよい
・延長ボルトとハンマーヘッド部との間の移行面は、好適には、機械的な応力を減じるために湾曲されている
・ハンマーヘッド部及び延長ボルトの領域において、凹所、特に穴又はスロットは、重量若しくは質量を減じるために設けられている。

１０ ガスタービン、 １１ ロータ、 １２ 圧縮機、 １２ａ 圧縮機の最終段、 １３ａ，１３ｂ タービン、 １４ａ，１４ｂ 燃焼室、 １５ 空気入口、 １６ 排気ガス出口、 １７，２６ 動翼、 １８，２７ 翼根元部、 １９，２１ ロータ溝、 ２０ 軸方向停止面、 ２２ ばね、 ２３ 底部領域、 ２４ 付加的な体積、 ２５ 半径方向停止面、 ２８ 湾曲したい後面、 ２９ 延長ボルト、 ３０ ロータ軸線、 ３１ 凹所、 ３２ ハンマーヘッド部、 ３３ 中間平面、 ３４ 翼根元部の底部、 ３５ ねじ穴、 ３６ ねじ山付きボルト、 ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，ｄ₄ 距離

Claims (20)

1. 軸流ターボ機械のためのロータ（１１）であって、該ロータ（１１）が複数の動翼（２６）を支持しており、該動翼が、それぞれ、翼根元部（２７）によって、軸線（３０）を中心に延びたロータ溝（２１）に押し込まれかつ該ロータ溝に保持されており、前記翼根元部（２７）が、ハンマーヘッド部（３２）を備えたハンマー根元部を有していて、かつ動翼（２６）に作用する遠心力に対抗して、さらに半径方向外方に位置したロータ溝（２１）の半径方向停止面（２５）に支持されているとともに、動翼（２６）に作用する軸方向に力に対抗して、さらに半径方向内方に位置した軸方向停止面（２０）に支持されており、ロータ溝（２１）が、底部において、熱応力を減じるために、連続的に湾曲した断面形状を備えた底部領域（２３）を有している形式のものにおいて、動翼（２６）の翼根元部（２７）の少なくとも一部が、前記軸線（３０）方向で、該底部領域（２３）に突出していることを特徴とする、軸流ターボ機械のためのロータ。
2. 前記拡大した底部領域（２３）が、ロータ溝（２１）を通過しかつ軸線（３０）に対して垂直に延びた中央平面に対して鏡像対称に形成されており、底部領域（２３）の断面形状の曲率半径が、中央平面から縁部に向かって減少している、請求項１記載のロータ。
3. 拡大した底部領域（２３）が、軸方向で所定の最大幅（図３のｄ₁）を有しており、半径方向停止面（２５）が、軸方向で所定の最小間隔（図３のｄ₅）を有しており、最大幅（ｄ₁）に対する最小間隔（ｄ₅）の比が０．１〜０．６、すなわち０．１＜ｄ₅／ｄ₁＜０．６であり、拡大した底部領域（２３）が、半径方向停止面（２５）に対して所定の第１の最大深さ（図３のｄ₄）を有しており、拡大した底部領域（２３）が、軸方向停止面（２０）の内縁部に対して所定の第２の最大深さ（図３のｄ₃）を有しており、第１の最大深さ（ｄ₄）に対する第２の最大深さ（ｄ₃）の比が０．４〜０．９、すなわち０．４＜ｄ₃／ｄ₄＜０．９である、請求項１又は２記載のロータ。
4. 複数の同じロータ溝（２１）が、軸方向に所定の距離（図３のｄ₂）だけずらされて設けられており、距離（ｄ₂）に対する最大幅（図３のｄ₁）の比が０．５〜０．８、すなわち０．５＜ｄ₁／ｄ₂＜０．８である、請求項３記載のロータ。
5. 拡大した底部領域（２３）の半径方向拡大をブリッジするために、ハンマーヘッド部（３２）の下方において翼根元部（２７）に、半径方向に延びた延長ボルト（２９）が一体に形成されている、請求項１記載のロータ。
6. 延長ボルト（２９）の下端部と拡大した底部領域（２３）の底部との間の空間が自由なままであり、自由な空間にばね（２２）が配置されており、該ばねが、翼根元部（２７）を備えた動翼（２６）を半径方向で半径方向停止面（２５）に対して押し付けている、請求項５記載のロータ。
7. ハンマーヘッド部（３２）が所定の高さ（図６のｄ₂）を有しており、延長ボルト（２９）が所定の半径方向長さ（図６のｄ₁）を有しており、長さに対する高さの比（ｄ₂／ｄ₁）が０．２〜０．８、すなわち０．２＜ｄ₂／ｄ₁＜０．８であり、ハンマーヘッド部（３２）が所定の第１の軸方向幅（図６のｄ₃）を有しており、延長ボルト（２９）が所定の第２の軸方向幅（図６のｄ₄）を有しており、第１の軸方向幅に対する第２の軸方向幅の比が０．２〜０．６、すなわち０．２＜ｄ₄／ｄ₃＜０．６である、請求項５記載のロータ。
8. 請求項１記載のロータのための動翼（２６）であって、該動翼（２６）が、ハンマーヘッド部（３２）を備えたハンマー根元部として設計された翼根元部（２７）を有する形式のものにおいて、ロータ溝（２１）の拡大した底部領域（２３）の半径方向拡大をブリッジするために、翼根元部（２７）が、ハンマーヘッド部（３２）の下方に半径方向に延長されていることを特徴とする、請求項１記載のロータのための動翼。
9. 半径方向に延びた延長ボルト（２９）が、翼根元部（２７）を延長するために設けられている、請求項８記載の動翼。
10. 延長ボルト（２９）が、ハンマーヘッド部（３２）に一体に形成されている、請求項９記載の動翼。
11. 連続的な移行を保証するために延長ボルト（２９）とハンマーヘッド部（３２）との間に湾曲した移行面（２８）が設けられている、請求項９又は１０記載の動翼。
12. 延長ボルト（２９）が、別個の部品として製造され、ハンマーヘッド部（３２）に結合されている、請求項９記載の動翼。
13. 延長ボルト（２９）が、ハンマーヘッド部（３２）に螺合されている、請求項１２記載の動翼。
14. 延長ボルト（２９）が、ハンマーヘッド部（３２）に溶接されている、請求項１２記載の動翼。
15. 翼根元部（２７）に質量減少凹所（３１）が設けられている、請求項８から１４までのいずれか１項記載の動翼。
16. 凹所（３１）が、ハンマーヘッド部（３２）と延長ボルト（２９）とに亘って延びている、請求項１５記載の動翼。
17. 凹所（３１）が、周方向に延びている、請求項１５又は１６記載の動翼。
18. 凹所（３１）が、半径方向に延びている、請求項１５又は１６記載の動翼。
19. ハンマーヘッド部（３２）が、所定の高さ（図６のｄ₂）を有しており、延長ボルト（２９）が、所定の半径方向長さ（図６のｄ₁）を有しており、長さに対する高さの比（ｄ₂／ｄ₁）が０．２〜０．８、すなわち０．２＜ｄ₂／ｄ₁＜０．８である、請求項９から１８までのいずれか１項記載の動翼。
20. ハンマーヘッド部（３２）が、所定の第１の軸方向幅（図６のｄ₃）を有しており、延長ボルト（２９）が、所定の第２の軸方向幅（図６のｄ₄）を有しており、第１の軸方向幅に対する第２の軸方向幅の比（ｄ₄／ｄ₃）が０．２〜０．６、すなわち０．２＜ｄ₄／ｄ₃＜０．６である、請求項１９記載の動翼。