JP6258733B2 - 軸流機 - Google Patents

Description

本発明は請求項１のおいて書き部に記載の軸流機、すなわち軸流タービンまたは軸流コンプレッサに関する。

実務から知られている軸流機はステータとロータとを有している。軸流機のステータはハウジングを含んでおり、当該ハウジングは圧縮すべき作動媒体または膨張させるべき作動媒体のための流路を提供しており、当該流路内にはステータ側のガイド翼が突出している。このような軸流機のロータは典型的に多段式ロータとして実施されており、このようなロータの各段は径方向内側のロータディスクと、流路内に突出しているとともに個々のロータディスクと結合されている、径方向外側の動翼とを有している。ロータはタイロッドを介して締め付けられており、当該タイロッドはロータの径方向内側の空隙部において軸方向に延在している。特に作動媒体が腐食性の媒体、例えば酸を含む作動媒体である場合、当該作動媒体は、相応に耐性を有する材料から製造されている、もしくはそのような材料で被覆されている軸流機の構成ユニットのみと接触することが保証されなければならない。特に腐食性の作動媒体がロータの結合箇所の領域に至り、径方向内側のタイロッドに向かって流れ得ることは回避されなければならない。

上記の点に鑑み、本発明は新式の軸流機を創出することを課題とする。当該課題は請求項１に記載の軸流機によって解決される。

本発明によればタイロッドと単独または個々のロータディスクとの間にブロック圧力経路が形成されており、流路とブロック圧力経路との間にバランス圧力経路が形成されており、ブロック圧力経路における圧力はバランス圧力経路における圧力よりも大きく、かつ、流路における圧力は同様にバランス圧力経路におけるよりも大きく、それによって作動媒体は流路からバランス圧力経路内のみに到達するものの、ブロック圧力経路内には到達しない。

流路と、バランス圧力経路と、ブロック圧力経路との相互作用は軸流機に対して全く新式かつ有効なシールコンセプトを提供する。作動媒体はバランス圧力経路のみに流入し、従ってロータの結合箇所の領域内には到達しない。作動媒体に対抗しているのはブロック圧力経路であって、当該ブロック圧力経路においてはバランス圧力経路におけるよりも大きな圧力がかかっている。従って、ブロック圧力経路に提供されるシール媒体はバランス圧力経路に流入する。しかしながら、作動媒体がバランス圧力経路からブロック圧力経路内に到達することは防止される。作動媒体と、バランス圧力経路内に到達するシール媒体は、当該バランス圧力経路内で流路に対して平行にガイドされ得、好ましくは流路の低圧側部分において当該流路に導入され得る。

一の好適なさらなる構成によれば、バランス圧力経路はロータの高圧側部分からロータの低圧側部分まで延在している。流路からバランス圧力経路に流入する作動媒体は、好ましくはバイパスを形成し、それによって作動媒体をロータの低圧側部分の領域において、流路に戻すようにガイドする。ブロック圧力経路もロータの高圧側部分からロータの低圧側部分まで延在しており、しかも軸方向においてタイロッドと単独または個々のロータディスクとの間に延在している。

本発明の好適なさらなる構成は従属請求項と、以下の詳細な説明に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示すのは以下の通りである。

本発明に係る軸流機を部分的な断面において示す図である。

本発明は軸流機、特に軸流タービンまたは軸流コンプレッサに関する。図１は本発明に係る軸流機１の実施の形態の細部を概略的に示しており、当該軸流機はステータ２とロータ３を含んでいる。

軸流機１のステータ２はハウジング４を有しており、当該ハウジングは膨張させるべき作動媒体または圧縮すべき作動媒体のための流路５を画定している。軸流コンプレッサにおいてハウジング４は、圧縮すべき作動媒体のための流路５を提供し、軸流タービンにおいてハウジングは、膨張させるべき作動媒体のための流路を提供している。ステータ２はさらに、ステータ側のガイド翼６を有しており、当該ガイド翼は作動媒体のための流路５内に突出している。

軸流機の図１に示されている実施の形態のロータ３は多段式に、すなわち図１では二段式に実施されており、ロータ３の各段は径方向内側のロータディスク７を有しており、当該ロータディスクに、作動媒体のための流路５内に突出している、径方向外側の動翼８が固定されている。二つの段の二つのロータディスク７は、軸方向で見て連続的に配置されており、結合箇所９の領域においていわゆるヒルト・セレーション１０を介して互いに連結されている。

ロータ３のハブ側の軸断端１１は同様に、結合箇所９の領域においていわゆるヒルト・セレーション１０を介して二つのロータ段のうちの一つと、すなわち高圧側のロータ段７のロータディスク７と結合されている。

軸流機１のロータ３であって、図に示す実施の形態では二つのロータディスク７と軸断端１１を含んでいるロータは、タイロッド１２を介して締め付けられ、タイロッド１２は軸方向においてロータディスク７および軸断端１１の径方向内側の空隙部内に延在している。ロータ３を締め付けるために、ナット１３およびシーリングキャップ１４がタイロッド１２と協働する。

本発明において、タイロッド１２とロータディスク７との間にブロック圧力経路１５が延在している。ブロック圧力経路１５には、好ましくはステータ側のシーリング担体１６を介して、流れ１７の方向においてシール媒体が供給され得る。作動媒体のための流路５とブロック圧力経路１５との間にバランス圧力経路１８が形成されており、当該バランス圧力経路は好ましくはロータディスク７における貫通空隙部１９を介して提供されている。

ブロック圧力経路１５における圧力は、バランス圧力経路１９における圧力よりも大きい。同様に流路５における圧力は、バランス圧力経路１９における圧力よりも大きい。流路５から流れ２０の方向においてシール２２を介してバランス圧力経路１９の領域内に到達する作動媒体は、バランス圧力経路１９内にとどまり、それ以上径方向内側に向かって、ブロック圧力経路１５の領域内には到達し得ない。作動媒体に対抗しているのは、バランス圧力経路１９に比べて高くなっているブロック圧力経路１５におけるブロック圧力である。従って流路５を貫流すべき作動媒体は、バランス圧力経路１８の領域内のみに到達し得るものの、ブロック圧力経路１５の領域内には到達し得ず、それによってロータ３の結合箇所９の領域内には到達し得ない。

バランス圧力経路１８はロータ３もしくは軸流機１の高圧側部分からロータ３もしくは軸流機１の低圧側部分に向かって延在している。ブロック圧力経路１５も同様に、ロータ３もしくは軸流機１の高圧側部分からロータもしくは軸流機の低圧側部分に向かって延在している。バランス圧力経路１８全体にほぼ一定のバランス圧力がかかっている。ブロック圧力経路１５全体にほぼ一定のブロック圧力がかかっている。

図１は矢印２１で、矢印１７の方向においてシーリング担体１６を介して供給されるシール媒体の流れを可視化しており、図１によればシール媒体の第一の部分は流路１５を通過して、すなわちタイロッド１２とロータディスク７との間を流れ、それに対してシール媒体の第二の部分はシーリング担体１６のシール２３を介して流れる。シール媒体流れの当該第二の部分の一部は、流れ２４に従ってシーリング担体１６を介して排出される。

バランス圧力経路１８の形成に役立っている、ロータ３のロータディスク７における貫通空隙部１９は、ロータ３の軸方向においてロータディスク７を貫通している。すでに述べたようにバランス圧力経路１８は、ロータ３の高圧側部分もしくは高圧側端部を起点としてロータ３の低圧側部分もしくは低圧側端部に向かって延在しており、バランス圧力経路１８は、流路５のシール２２を介してバランス圧力経路１８内に到達する作動媒体に対してバイパスを形成し、それによってバランス圧力経路１８内に到達する作動媒体を、ロータ３の最も低圧側の段の領域もしくはロータ３の低圧側端部の領域において、流路５内に戻すようにガイドする。従ってブロック圧力経路１５にかかっている圧力は、流路５内の作動媒体の最低圧力よりも大きい。

すでに述べたように、ブロック圧力経路１５内に到達するシール媒体はバランス圧力経路１８の領域にも流入し得、そのためにロータ３の結合箇所９の領域において、およびタイロッド１２と協働するナット１３の領域において、さらなる貫通空隙部が装入されており、当該貫通空隙部はロータ３の径方向に延在しており、それによってシール媒体がブロック圧力経路１５からバランス圧力経路１８内へと通過することを可能にする。

このように本発明は軸流機のための全く新式のシールコンセプトを提案する。本発明によれば三つの異なる圧力領域、すなわち流路５における第一の圧力領域、ブロック圧力経路１５における第二の圧力領域、バランス圧力経路１８における第三の圧力領域が形成されており、バランス圧力経路１８の圧力は流路５における圧力よりも小さく、ブロック圧力経路１５における圧力よりも小さい。

流路５からシール２２を介してバランス圧力経路１８の領域に流入する作動媒体はバランス圧力経路１８内に捕捉され、バランス圧力経路１８を介して軸流機１の低圧側端部の領域内に排出され、それによって好ましくは軸流機１の当該低圧側領域において、作動媒体のための流路５内に戻るようにガイドされる。ブロック圧力経路１５内にあるシール媒体であって、当該シール媒体の圧力はバランス圧力経路１８における圧力よりも大きいシール媒体は、作動媒体がロータ３の結合箇所９の領域内、特に当該ロータのヒルト・セレーション１０の領域内に到達することを防止する。

本発明によって保証され得るのは、作動媒体が、作動媒体に対する耐性を有する材料から製造されている、もしくはこのような材料で被覆されている、軸流機１の領域もしくは表面とのみ接触することである。

本発明のさらなる有利点は、ロータ３が軸方向においてわずかなせん断力にしか、曝されていないことである。ロータ３が径方向内側のハブ領域においてせん断力に関して平衡が保たれているからである。

バランス圧力経路１８全体において比較的小さな圧力がかかっているので、軸流機１に対するシール作用を提供するためにほんのわずかなシール媒体しか必要としない。

全ての静的密閉箇所および動的密閉箇所は有効にシールされ得る。全ての漏れ流れはバランス圧力経路１８に流入する。バランス圧力経路１８は好ましくは当該バランス圧力経路の下流端部において、流路５の低圧側部分に出口を有する。当該流路５の低圧側部分は、軸流タービンでは出口側に配置され、軸流コンプレッサでは入口側に配置されている。

ブロック圧力経路１５には中央においてシーリング担体１６を介してシール媒体が供給される。これにより軸流機１の特に簡単な実施が可能となる。

１ 軸流機
２ ステータ
３ ロータ
４ ハウジング
５ 流路
６ ガイド翼
７ ロータディスク
８ 動翼
９ 結合箇所
１０ ヒルト・セレーション
１１ 軸断端
１２ タイロッド
１３ ナット
１４ シーリングキャップ
１５ ブロック圧力経路
１６ シーリング担体
１７ 流れ
１８ バランス圧力経路
１９ 貫通間隙部
２０ 流れ
２１ 流れ
２２ シール
２３ シール
２４ 流れ

Claims (8)

1. 軸流機、すなわち軸流タービンまたは軸流コンプレッサであって、膨張させるべき作動媒体または圧縮すべき作動媒体のための流路（５）を画定するハウジング（４）と、当該流路（５）内に突出するガイド翼（６）とを有するステータ（２）を備えるとともに、少なくとも一段式のロータ（３）を備える軸流機であり、前記ロータ（３）の単独または個々の段は、それぞれ径方向内側のロータディスク（７）と、前記流路（５）内に突出する径方向外側の動翼（８）とを有しており、前記ロータ（３）は、当該ロータ（３）の径方向内側の空隙部内に延在するタイロッド（１２）を介して軸方向において締め付けられている軸流機において、
   前記タイロッド（１２）と単独または個々のロータディスク（７）との間にブロック圧力経路（１５）が形成されており、前記流路（５）と前記ブロック圧力経路（１５）との間にバランス圧力経路（１８）が形成されており、前記ブロック圧力経路（１５）における圧力は、前記バランス圧力経路（１８）における圧力よりも大きく、前記流路（５）における圧力は同様に前記バランス圧力経路（１８）におけるよりも大きく、それによって作動媒体は、前記流路（５）から前記バランス圧力経路（１８）内のみに到達するものの、前記ブロック圧力経路（１５）内には到達せず、
   前記ロータ（３）の結合箇所（９）の領域において、および前記タイロッド（１２）と協働するナット（１３）の領域において、単独または個々のロータディスク（７）および前記ナット（１３）を介して貫通空隙部が形成されており、それによってシール媒体が前記ブロック圧力経路（１５）から前記バランス圧力経路（１８）内へと通過することを可能にすることを特徴とする軸流機。
2. 前記バランス圧力経路（１８）は、単独または個々のロータディスク（７）を貫通する貫通空隙部（１９）を介して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流機。
3. 前記個々のロータディスク（７）を貫通する前記貫通空隙部（１９）は、前記ロータ（３）の軸方向において延在することを特徴とする請求項２に記載の軸流機。
4. 前記バランス圧力経路（１８）は前記ロータ（３）の高圧側部分から前記ロータ（３）の低圧側部分まで延在していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流機。
5. 前記バランス圧力経路（１８）は、前記流路（５）から前記バランス圧力経路（１８）に流入する前記作動媒体に対してバイパスを形成し、それによって前記作動媒体を前記ロータ（３）の前記低圧側部分の領域において、前記流路（５）内に戻すようにガイドすることを特徴とする請求項４に記載の軸流機。
6. 前記シール媒体が前記ブロック圧力経路（１５）から前記バランス圧力経路（１８）内へと通過することを可能にする前記貫通空隙部は、前記ロータ（３）の径方向において延在することを特徴とする請求項１に記載の軸流機。
7. 前記ブロック圧力経路（１５）は、軸方向において前記ロータ（３）の高圧側部分から前記ロータ（３）の低圧側部分まで前記タイロッド（１２）と単独または個々のロータディスク（７）との間に延在していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の軸流機。
8. 前記ブロック圧力経路（１５）にはステータ側のシーリング担体（１６）を介してシール媒体が供給可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の軸流機。