JP5990639B2 - ガスタービンの軸ローター部分 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのローターの軸ローター部分に関し、端部にて２つの第１側面に隣接する外周面を有し、外周にわたって分配され、かつ軸方向に沿って延在するローターブレード保持溝がタービンのローターブレードのために設けられている。

タービンのための一般的なタイプの軸ローター部分は、例えば公開された特許文献１から既知である。ローター円盤によって形成されたローター部分には、端面に設けられているシールプレートのためのエンドエスに取り囲む位置決め溝とともに、タービンのローターブレードのための軸方向に通る保持溝が装備される。その中に載置されるシールプレートは、保持溝に沿ったローターブレードの移動をブロックし、それによりブレードを固定する。この場合各シールプレートは、外れないようにネジによって固定される。

シールプレートはさらに、円周方向に見てシールリングを形成するシールリングは、シールプレートおよびローター円盤の端面の間の第１空間をシールプレートの他側に位置する第２空間から分離する。運転中、冷却空気は第１空間を通り流れ、翼根元部およびローター円盤の外縁の熱過負荷を防止する。

既知の装置の欠点は、円周方向の移動に対してシールプレートを固定するためにネジを使用することである。運転および静止状態の間に発生する交互の熱負荷のため、およびタービンを通り流れる高温ガスのため、腐食およびネジの締め付け強度に関する課題が生じ得る。特定の条件下では、これらは、特定の方法で解決することができない。この場合、ネジは穴が開けられるが、この作業は、ガスタービンのハウジング下半分に依然としてあるローターで原則として実行される。工程中にハウジングの下半分に切りくずが落ちることがあり、次の作業中に望ましくない汚染をもたらすことがある。

さらに特許文献２は、軸方向移動に対してローターブレードを固定することを開示し、これらのローターブレードは、円周方向に移動可能な板によって保持される。しかしここに示される装置は、板の他側に存在する空間に対して円盤に近い空間をシールするには適切ではない。したがって、翼根元部およびローター円盤縁に対して熱誘導性の損傷をもたらす危険性がある。

さらに、公開された特許文献３は、タービンのローター円盤のためのローターサブアセンブリを開示し、それはローターブレードを軸方向に固定するための単一部品のシールリングを有する。しかし、シールリングが単一部品構造を有するという事実により、ローターおよびステータ部品を軸方向に交互に重ねることによりこれらが組み立てられるため、航空機ガスタービンに対してのみ適している。これに対して、定置ガスタービンは、完全に取り付けられたローターを取り囲む２つのハウジング半体から組み立てられる。特許文献３の単一部品のシールリングは、バヨネット連結方法にてタービンディスクに引掛けられる。

さらに、特許文献４は、翼根元部、プラットフォームおよびメインブレード部を有する一般的なタイプのガスタービンブレードを開示している。プラットフォームは、ガスタービンを通り軸方向に流れる高温ガスに対して前縁から後縁に延在する。プラットフォームは、タービンディスクの円周方向を通り、かつ軒のようにタービンディスクの軸方向幅を越えて突出する後縁を有する。冷却空気流に影響を及ぼす複数の構造部材がプラットフォームの後縁の下面に設けられる。
その他に、特許文献５からは、プラットフォームの径方向内側に、プラットフォーム冷却ダクトのための出口孔を有しているタービンブレードが知られている。特許文献６は、類似の装置を開示している。これらは、単に暖められた冷却空気の放出に用いられるものに過ぎない。
さらに、特許文献７は、冷却された圧縮機ロータを開示している。ロータブレード及びロータブレードを支持する圧縮機ドラムを冷却するために、外周にわたって分配された冷却ダクトが設けられており、前記冷却ダクトは、圧縮機ブレードの根元部を通って、又は、圧縮機ドラムを通って、それぞれ複数の圧縮機段を介して軸方向に延在している。これによって、圧縮機の寿命を延ばすことができる。

独国特許出願公開第１ ９６３ ３６４号明細 仏国特許出願公開第２ ５２４ ９３３号明細書 独国特許出願公開第３０ ３３ ７６８号明細 米国特許出願公開第２００４／００８１５５６号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２３２６６０号明細書 欧州特許出願公開第２３８８４３５号明細書 欧州特許出願公開第２４１８３５２号明細書

技術の進歩、およびガスタービンの効率および耐用年数に対する新しい要求により、技術的にはより厳しい境界条件にもかかわらず、所望の耐用年数を有し続ける新しい設計を提供する必要がある。

したがって本発明の課題は、前述の要求を満足することができる軸ローター部分を提供することである。

軸ローター部分に関する課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本発明によれば、複数の側面の内少なくとも１つには、シール部材を面的に衝突冷却するための複数の出口孔が設けられている。

本発明は、２つの直接隣接する保持溝の間でローター円盤の外縁を形成する、いわゆる爪部が、その側面において、出口孔も有することができるという認識に基づく。前記出口孔は、冷却剤を供給するために用いられると共に、冷却装置の一部であり、冷却される部品は、タービンローターブレードに属さず、シール部材に属しており、取り付けられた状態で爪部の側面に隣接している。一方で、シール部材は、それぞれのタービンローターブレードをローターブレード保持溝に軸方向に固定し、他方で軸ローター部分の側面の表面および翼根元部の端面近くに冷却剤を導く。同時に、通過する冷却剤のこの流れはまた、シール部材を冷却する。

本発明によるローター部分を使用することにより、シール部材の対流冷却から離れ、この目的のために特に単純な設計を用いた衝突冷却（ｉｍｐａｃｔ ｃｏｏｌｉｎｇ）を確立することが可能となる。複雑な方法で固定された衝突冷却部材なしで済ますことができることが特に好都合である。この代わりに、供給穴が衝突冷却剤のための爪部の内部に設けられている。冷却剤は、出口孔と呼ばれる爪部の側面の孔を通るジェットの形で現れることができ、その後前記冷却剤は、爪部の側面に向かって面するシール部材の表面に衝突する。それによりシール部材は、従来より効果的に冷却される。同時に、翼根元部およびローター部分またはローター円盤の外縁のより効率的な熱遮断を達成することが可能である。これにより、運転条件が変わらない場合に耐用年数を延ばすことができるか、またはより厳しい運転条件、すなわちより高い局所運転温度の場合には従来と同様の耐用年数を達成することが可能となる。

この点において、シール部材の可能な最大領域を衝突冷却するために、出口孔の長手方向軸は、翼根元部またはローターブレード保持溝の長手方向範囲に対して任意の所望の角度とすることができる。

さらなる利点は、ブレードシステムにおける強化されたシール作用である。これは衝突冷却ジェットのため、冷却空気がローター部分の側面に沿って流れないためである。シール部材が翼根元部の両端面のガスタービンの軸ローター部分に設けられている場合、冷却ダクトおよび翼根元部の両端面に配置された出口孔を有する本発明による装置を使用することは、同様に有益である。

例えばレーザー穴あけまたは浸食を用いて冷却ダクトおよび／または出口孔を導入することができる。この場合、出口孔が均一のグリッドで領域に分配されることが好都合である。他の製造工程、例えば端面の冷却ダクト溝への衝突冷却板の締め付けも同様に考えられる。

第１の有利な構成によると、タービンローターブレードにおける軸ローター部分と類似の方法で、シール部材の衝突冷却のための出口孔が、翼根元部の端面に設けられる。

この点において、本発明によるローター部分の使用と同じ利点が同様に生じる。

好都合な構成がそれぞれの従属請求項に示され、それらの特徴は、必要に応じて組み合わすことができる。

タービンローターブレードの翼根元部およびシール部材のそれぞれの端面間の所定の距離を守るために、それぞれの端面に少なくとも１つのスペーサを設けることができる。

ほとんどの場合、タービンローターブレードのために翼根元部の下面に冷却剤が提供されるため、冷却ダクトの開口部が翼根元部の下面に配置される場合、冷却剤またはシール部材に対して圧力損失を生成する要素が開口部およびそれに関連する翼根元部の端面の間の翼根元部の下面に配置されることが好都合である。このタイプの要素を用いて、冷却剤が冷却ダクトに流入し、出口孔を通り流出するように圧力勾配を設定することができる。

しかし、これらの要素は、ローターブレードとともに、または軸ローター部分とともに１つの部品として形成されなければならないことはない。それらはまた、個別に作られたシールまたは流れ障壁として形成することができる。

外周に沿って見た場合に、軸ローター部分のシール部材リングの全てのシール部材の特に均一な冷却をもたらすために、本発明による軸ローター部分に本発明によるタービンローターブレードを使用することが推奨される。

本発明のさらなる利点、および特徴は、例示的な実施形態に基づきより詳細に説明される。全ての図において、同一の機構は、同じ 参照符号が設けられている。

外周に配置されたタービンローターブレードを有する軸ローター部分を示す。 図１の断面ラインＩＩ−ＩＩに沿った横断面図を示す。 本発明によるタービンローターブレードの根元部分を通る縦断面図を示す。 本発明によるタービンローターブレードの翼根元部の斜視図を示す。

図１は、軸ローター部分１０の側面図で示し、図２は、軸ローター部分１０の図１に示す断面ラインＩＩ−ＩＩによる断面で示している。以下ローターブレードと略する各タービンローターブレード１４に対して、ローターブレード保持溝１２内における軸方向移動に対して固定されるように、それぞれのローターブレード保持溝１２の端面の開口部をそれぞれが等しくカバーする２つの隣接するシール部材１６が設けられている。各シール部材１６は、ローター円盤１９の端面に設けられた溝２０に半径方向内側端部１８がくるように、かつローターブレード１４のプラットフォーム２８の下面２６に設けられた固定溝２４に半径方向外側端部２２がくるように載置される。円周方向Ｕの移動に対して各シール部材１６を固定するために、半径方向直線シート金属ストリップ３０がそれぞれに固定される。各シート金属ストリップ３０は、半径方向外側端部３２で均一収束先端部３４に終端する。斜角端部３６がローターブレード１４のプラットフォーム２８に存在し、それぞれ直接隣接するローターブレード１４の２つの対向端部３６は、とがった凹所３８を形成し、その中にシート金属ストリップ３０の先端部３４が突出することができ、シール部材１６を円周方向Ｕの移動に対して固定することができる。

シール部材１６は、第一に冷却剤、および第二に冷却剤および熱いガス流の混合物を生じることができる２つの空間３７，３９の分離をさらに確実にする。

シート金属ストリップ３０をシール部材１６に固定するために、シール部材に２つの平行スロット４０が設けられ、それを通り、Ｕ形に予め曲げられたシート金属ストリップ３０が挿入される。シール部材１６がローター円盤１９に取り付けられる前に、先端部３４の反対にあるシート金属ストリップ３０の端部４１は、シート金属ストリップ３０を固定するために図２に示す位置に既に曲げられている。

ローターブレードがローター円盤１９に取り付けられた後、予め組み立てられたシート金属ストリップ３０と共にシール部材１６は、ローター円盤１９に位置するエンドレスに取り囲む溝２０およびプラットフォーム２８の下面２６に位置する固定溝２４に連続してねじ込まれる。シール部材１６は、各シート金属ストリップ３０が凹所３８と対向して位置するように、溝２０の周辺に沿って配置される。シール部材１６の円周方向Ｕへの移動を不可能にするために、シート金属ストリップ３０の先端部３４は、凹所３８内へ曲がっている。

出口孔５８が翼根元部５４の端面５２、および爪部５６と呼ばれるところの側面５３に設けられ、該側面は２つの直接隣接する保持溝１２の間でローター円盤１９の外縁を形成する。図２から明らかなように、翼根元部５４に配置された出口孔５８は、冷却ダクト６０に接続され、その流入側開口部６２は、冷却剤の供給のために翼根元部５４の下面６４に配置される。

このようなローター部分１０が装備されたガスタービンの運転中、冷却剤６６は、ローター円盤１９に配置された冷却ダクト６５を通り、翼根元部の下面６４および保持溝１２の溝基部の間の間隔６７へ流れる。ここから、いくらかの冷却剤６６が開口部６２へ通過し、その後冷却ダクト６０内へ入る。存在する圧力勾配のため、冷却剤６６は、出口孔５８を通り衝突冷却ジェットの形で流れ出て、衝突冷却作用を伴ってシール部材１６に衝突する。

所望の圧力勾配を設定するために、翼根元部５４の下面６４に圧力損失を生成する要素６８を開口部６２および端面５２の間に配置することが好都合である。前記要素もシール部材の形とすることができる。

翼根元部５４の端面５２およびシール部材１６の間の所定の距離を達成するために、スペーサ要素７０を端面５２に設けることができる。

ローター円盤１９の適切な穴（図示せず）を用いて、爪部５６に配置された出口孔５８への冷却空気の供給を達成することができる。

図３および図４は、翼根元部５４、プラットフォーム２８およびそこに配置されたメインブレード部分１５を備える本発明によるタービンローターブレード１４を示す。メインブレード部は一部のみが示されている。供給開口部６２および出口孔５８も示されている。翼根元部５４の端面５２および開口部６２の間の距離は、比較的小さいため、図３の断面に示される冷却ダクト６０は、関連する端面５２の比較的近くに配置されている。冷却ダクト６０は、翼根元部５４の実質的に平らな端面５２に平行に延在する。

したがって全体として、本発明は、端部にて２つの第１側面５３と隣接する外周面を有する、タービンのローター２３のための軸ローター部分１０に関連し、外周にわたって分配され、かつ軸方向に延在するローターブレード保持溝１２がタービンのローターブレード１４のために設けられ、タービンローターブレード１４は、各保持溝１２に配置され、複数のシール部材１６がローター部分１０の側面５３の一側に設けられ、間隙を形成するように翼根元部５４の端面５２に対向して載置される。耐用年数を延ばす、またはより高い周囲温度に適用させるようなシール部材１６の冷却の向上を達成するために、シール部材１６の衝突冷却のための複数の出口孔５８を側面５３に設けることが提案される。

１０ 軸ローター部分
１２ ローターブレード保持溝
１４ タービンローターブレード
１５ メインブレード部分
１６ シール部材
１８ 半径方向内側端部
１９ ローター円盤
２０ 溝
２３ ローター
２４ 固定溝
２８ プラットフォーム
３０ シート金属ストリップ
３４ 先端部
３６ 斜角端部
３８ 凹所
４０ 平行スロット
５２ 端面
５３ 側面
５４ 翼根元部
５６ 爪部
５８ 出口孔
６０ 冷却ダクト
６２ 開口部
６５ 冷却ダクト
６７ 間隔
６８ 要素
７０ スペーサ要素

Claims (7)

1. タービンのローター（２３）のための軸ローター部分（１０）であって、該軸ローター部分は、端部で２つの第１側面（５３）に隣接する外周面と、該外周面において外周にわたって分配され、かつ軸方向に沿って延在する、前記タービンのローターブレード（１４）のためのローターブレード保持溝（１２）と、各保持溝（１２）内に配置されたタービンローターブレード（１４）とを有し、
   前記軸ローター部分（１０）の側面（５３）の側に設けられ、かつ間隙を形成するように翼根元部（５４）の端面（５２） に対向して載置された複数のシール部材（１６）をさらに備える軸ローター部分において、
   前記側面（５３）の少なくとも１つに設けられた前記シール部材（１６）の面的な衝突冷却のための複数の出口孔（５８）によって特徴づけられる、軸ローター部分（１０）。
2. 前記タービンローターブレード（１４）が、翼根元部（５４）と、隣接するプラットフォーム（２８）と、前記翼根元部から離れた側の前記プラットフォーム（２８）に配置されたメインブレード部分（１５）とを有しており、
   冷却剤（６６）を前記タービンローターブレードの内部に供給するための少なくとも１つの開口部（６２）が前記翼根元部（５４）に設けられ、かつ冷却ダクト（６０）に合流し、
   隣接する構成要素の面的な衝突冷却のための複数の出口孔（５８）が、前記翼根元部の２つの端面（５２）の少なくとも１つに設けられ、かつそれぞれの前記冷却ダクト（６０）に開口している、請求項１に記載の軸ローター部分（１０）。
3. 前記開口部（６２）が前記翼根元部の下面に配置されている、請求項２に記載の軸ローター部分（１０）。
4. 前記それぞれの冷却ダクト（６０）が前記翼根元部（５４）の前記それぞれの端面（５２）に直接隣接している、請求項２または３に記載の軸ローター部分（１０）。
5. シール部材（１６）に当接する少なくとも１つのスペーサ（７０）が前記それぞれの端面（５２）に設けられている、請求項２、３または４に記載の軸ローター部分（１０）。
6. 冷却剤のための圧力損失を生成する要素（６８）が、前記開口部（６２）およびそれに関連する前記端面（５２）の間における前記翼根元部の下面（６４） に配置される、請求項３〜５のいずれか一項に記載の軸ローター部分（１０）。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸ローター部分（１０）のシール部材（１６）を冷却する方法であって、前記シール部材（１６）の前記面的な衝突冷却のための冷却空気が前記出口孔（５８）を通って流出する、方法。

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