JP6995217B2 - 遠心力が最適化された接触面を有するロータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータディスクと、円周方向においてロータディスクに固定される複数のロータ部材とを備えるロータにおいて、ロータディスクは、ロータ軸に向く支持面を有し、各ロータ部材は、支持面に対して相補的な保持面を有する、ロータに関する。

ロータ部材をロータディスクに取り付けるための様々な可能性は、従来技術から知られている。例えば、特許文献１は、端面側に複数のシール要素が配置されたロータディスクを有するロータを記載している。ここで、ロータディスクは、動翼を収容するように構成される、円周方向に分布する複数のブレード保持溝を有する。ロータディスクの端面側のブレード保持溝を覆うために、そこには円周方向に分布して配置されるシール要素が存在する。ここでは、シール要素は、ロータ回転時の遠心力の作用下で、直接的に、ロータ軸に向くシール要素の端部においてロータディスクに支持される。この目的のために、ロータディスクは、環状の軸方向端面側前方に延在する突起を有し、その各々に、シール要素においてロータディスクに向かって延在する固定肩部が支持される。ここで、ロータ軸に向くロータディスクの突起における支持面は、ロータ軸の周りを回転する回転面によって略強制的に形成されている。支持面と接触する固定肩部の保持面は、相当する半径を有する支持面に対して基本的に相補的に構成されている。

さらなる同様の構成が特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８および特許文献９からも知られており、さらに、代替のロータディスクへの固定が特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５および特許文献１６に開示されている。

ロータディスクの保持突起とのシール要素の固定肩部の接触を介したロータディスクへのシール要素の固定は広く認められていれるが、高出力のターボ機械においては、許容材料パラメータ近傍の負荷が保持突起と固定肩部で生じる。

シール要素をロータディスクに均一に接触させるため、特許文献１７において、ロータディスクの接触面の半径を、シール要素の相補的な接触面の半径よりも僅かに大きく構成することが提案されている。遠心力により、有利な均一の圧力荷重が生じることになる。しかしここでは、大きな柔軟性をもたらすことになる、提案された解決手段の屈曲形状を考慮する必要がある。その一方、シール要素が比較的直線的に構成されている場合には、必要とされる柔軟性を欠くため、部材の中央部においてより高い負荷がかかるという逆効果が生じる可能性がある。

欧州特許第１９４４４７１号明細書 欧州特許第２３４４７２３号明細書 欧州特許第２４１４６４１号明細書 欧州特許第３０７７６２７号明細書 欧州特許第３０９０１３５号明細書 欧州特許第３１２９５９９号明細書 欧州特許第３１２９６００号明細書 欧州特許第３１６７１６３号明細書 欧州特許出願公開第３２２７５３２号明細書 欧州特許第２３９９００４号明細書 欧州特許第２４２６３１５号明細書 米国特許第９１０９４５７号明細書 欧州特許出願公開第３０７１７９５号明細書 欧州特許第３０１９７０６号明細書 国際公開第２０１７／１７４３５５号 国際公開第２０１７／１７４７２３号 米国特許出願公開第４３０４５２３号明細書

従って、本発明の課題は、生じる大きな遠心力によってロータディスクへのロータ部材の固定を実現することであって、ロータ部材の支持部に可能な限り均一な押圧をなすような固定を実現することである。

記載の課題は、請求項１に記載の教示に係る本発明に係る実施形態によって達成される。請求項１０には、本発明に係るロータにおいて使用される本発明に係るロータ部材が記載されている。有利な実施形態は従属請求項の主題である。

上位概念のロータは、特にガスタービンでの使用に役立つ。その一方、実施形態は、他のタイプのロータ、例えば、蒸気タービンにも使用することができる。少なくとも、ロータは、複数のロータ部材が円周方向に分布して配置される少なくとも1つのロータディスクを有する。ここでロータは、ロータ軸、従って軸方向を定義する。

この目的のために、ロータディスクは、環状の軸方向に延在する固定肩部を有する。ここで、環状の固定肩部は、ロータ軸に向く側に支持面を形成する。支持面は、ロータ軸の周りを回転する回転面である。軸方向から見ると、支持面は、ロータ部材の固定肩部との接触が設けられるその長さにわたって延在している。回転体としての実施形態によれば、支持面は、各軸方向位置においてロータ軸に対する距離として特定の支持半径を有する。さらに、支持面の中央支持半径は、軸方向の支持面の中央部において求められるその半径として定義することができる。

その一方、ロータ部材は各々、円周方向とロータディスクに向かって軸方向に延在する保持肩部を有し、保持肩部は、固定肩部の、ロータ軸に向く側で下方に配置される。ここで、保持肩部は、支持面に対して相補的な保持面を有する。支持面と同様に、保持面も回転面の一部をなす。従って、保持面は、ロータディスクの固定肩部と接触する保持肩部自体の面と定義される。ここで、回転面としての保持面は、同様に、各軸方向位置において保持半径を有する。さらに、軸方向の保持面の中央部において求められる、保持面の中央保持半径を決定することができる。

従って、規定される目的によれば、ロータ部材において生じる遠心力を、少なくとも部分的に保持肩部を介して、固定肩部の支持面との保持面の接触において伝達することができる。

従来技術においては通常、保持面と支持面は一致する回転面により形成され、その場合には保持半径と支持半径が一致する一方で、本発明においては、いまや保持半径は支持半径よりも小さく構成されている。この場合、最大負荷能力の達成に関して、保持半径が支持半径の少なくとも０．９９倍であると同時に支持半径の最大０．９９９５倍であることが、従来技術による既知の構成に比べて特に有利であることが示されている。つまり、小さい保持半径の大きい支持半径に対する誤差は最大１％許容される一方、誤差は少なくとも０．５％である。

支持半径と保持半径の比較は、各々同一の軸方向位置、言い換えれば、従って保持面の支持面との接触状態において行われる。

さらに、本発明によると、半径方向と円周方向におけるロータ部材の略直線的な構成を可能にするために、ロータ部材は、軸方向にロータ部材を貫通して延在する開口部を備えるように構成される。ここで、開口部は、保持肩部の半径方向外側、言い換えれば、従ってまた保持面の半径方向外側に配置される。また、開口部は、円周方向のロータ部材の幅の略半分にわたって延在するように構成される。これは、開口部の幅が円周方向のロータ部材の幅の少なくとも０．２５倍である一方、開口部の幅が円周方向のロータ部材の幅の０．７５倍以下に選択されると考えられる。ここでは、同一の半径方向位置での幅が考慮される。

本発明による、開口部を導入した、支持半径よりも僅かに小さく選択される保持半径を有するロータ部材の構成により、特に有利には、その組み合わせにおいて、本発明による保持肩部と固定肩部との間の接続が高負荷能力を有することになる。一方では、開口部はロータ部材の大きな変形を可能にし、他方では、変形は保持面と支持面の相異なる半径により補償される。この結果、開口部を備えずに適当な幾何学的形状を決定する場合と比較して、均一な圧縮応力で、支持面の保持面とのより均一な接触を達成できる。

本発明による、ロータディスクの固定肩部の支持面とは異なってより小さい半径を有する保持肩部を有するロータ部材の構成を用い、かつ開口部が導入される、本発明によるロータの実現によって、上記特性を有する、新規な本発明によるロータ部材が同時にもたらされる。

保持半径が支持半径の少なくとも０．９９９倍に選択される場合、ロータ部材の保持肩部の構成は特に有利である。これは、特にガスタービンのロータに使用される場合に有利な構成となる。

開口部が円周方向のロータ部材の幅の少なくとも０．４倍にわたって延在する場合に、ロータ部材の幅の略半分に相当する開口部の幅は特に有利に達成される。ここで同様に、開口部がロータ部材の幅の最大で０．６倍にわたって延在する場合は特に有利である。

半径の拡大と共に開口部が拡大する場合に有利な応力分布が達成される。例えば、ロータ部材を軸方向から見て、円周方向の対向する両側面が約４５°の角度をなすように構成することができる。従って有利には、第１半径の位置からより大きな第２半径の位置までの幅は、第２半径と第１半径との差の少なくとも０．７５倍だけ拡大し、すなわち、Ｂ２≧Ｂ１＋０．７５×（Ｒ２－ＲＩ）である。その一方、幅の拡大は急激過ぎないことが望ましい。この目的のために、第１半径の位置からより大きな第２半径の位置までの幅は、第２半径と第１半径との差の最大で１．２５倍だけ拡大することが望ましく、すなわち、Ｂ２≦Ｂ１＋１．２５×（Ｒ２－ＲＩ）が望ましい。この点に関して、開口部の角部における大きい丸み付けは無視してよい。

支持面および相補的な保持面は、縦断面視において異なって構成することができる。最も単純な場合、各々は円筒面である。これにより、製造が簡素化され、定義された部材の位置が互いに対して確保される。しかし、この構成の不利な点は、固定肩部と保持肩部における応力分布である。また、支持面および相補的な保持面を球状または（軸方向に沿って）湾曲状に構成することが考えられる。しかし、この場合の不利な点は、最小の公差を守って面を製造することである。従って、支持面および相補的な保持面が円錐面の一部として、すなわち円錐状に構成される場合が特に有利であることが分かっている。

また、円錐状の支持面と円錐状の保持面が用いられる場合、有利には、定義される円錐の開口角度は３０～９０°である。つまり、有利には、支持面または保持面とロータ軸との間の角度は１５～４５°である。支持面を有する固定肩部と保持面を有する保持肩部の構成が特に有利であるのは、少なくとも４５°の開口角度が選択される場合である。さらに、特に有利には、開口角度は最大７５°である。

また、有利には、開口部傍らの残りのブリッジ部の幅と比較して、保持肩部から開口部までの距離は大き過ぎることはない。従って、円周方向における開口部から、最も近い側縁部までの距離としてのブリッジ幅と、保持面の中央部の基準点とにより、有利には、保持面から開口部までの半径方向の距離がブリッジ幅よりも大きくない。特に有利には、半径方向の距離はブリッジ幅の０．２５～０．７５倍である。

本発明による、支持面よりも僅かに小さな半径を有する保持面を有するロータ部材の構成を、開口部との組み合わせにおいて特に有利に使用できるのは、ロータ部材が略平坦な円周方向と半径方向に延在する形状を有する場合である。この場合、ロータ部材に遠心力が作用するとき、ロータ部材内において主として引張応力と副次的に過ぎない曲げ応力が生じる。例えば、この場合の引張応力は、曲げ応力の少なくとも２倍の大きさである。また、保持肩部は略軸方向に延在する。

また、保持肩部から固定肩部への遠心力による支持を介してロータ部材をロータに固定するために、有利には、ロータ部材を、保持肩部に対向して、ロータ軸に向く内側縁部を用いてロータに支持させてよい。この目的のために、ロータディスクは、環状でロータディスクの端面側から、または固定肩部から離間したリング突起を任意に有する。あるいは、相当するリング突起が、ロータディスクに隣接する第２ロータディスクに配置されるように構成されてもよい。少なくとも、ロータディスクまたは第２ロータディスク上の相当するリング突起は、固定肩部に対向する接触面を形成し、ロータ部材の内側縁部は接触面と接触し、軸方向において支持されることができる。

本発明による実施形態は、特に有利には、円周方向に分布して配置される動翼を取り付けることができる複数のロータディスクに適している。この目的のために、ロータディスクは、円周方向に分布して複数のロータディスクを軸方向に貫通するブレード保持溝を有する。ここで、ブレード保持溝は、ロータディスクの端面側において、円周方向に分布して配置されるロータ部材によって少なくとも部分的に覆われる。

以下の図では、ロータ部材とロータディスクとの接続領域におけるロータの例示的な実施形態が示される。

図１において、ロータディスクとそれに固定されるロータ部材が部分的に断面図で示される。 図２は、ロータディスクとロータ部材との配置を、ロータ軸を横切る断面で示す。

図１において、ロータ部材１１とロータディスク０１との接続領域におけるロータディスク０１およびロータ部材１１によって、ロータ軸を通る縦断面を概略的に示す。半径方向外側の円周方向に位置するブレード保持溝０２を有するロータディスク０１を見ることができる。この０２は、動翼（ここでは不図示）を収容するように構成されている。ここで、ロータディスク０１は、円周方向と軸方向に延在してロータ軸に向く側に支持面０５を有する固定肩部０４を有する。純粋に例示として、この実施形態例では、支持面０５は、若干傾斜し、若干球状に構成されて示されている。一般に、簡素で好適な構成として、円錐形状の支持面を選択できる。さらに、ロータディスク０１は、固定肩部０４から離間した、環状の半径方向外側に延在するリング突起０７を有する。ここで、この実施形態例においては、固定肩部０４の下方で、リング突起０７の後方に環状の溝が形成される。

また、ロータディスク０１に固定されているロータ部材１１を見ることができる。この目的のために、ロータ部材１１は、同様に円周方向と軸方向に延在する保持肩部１４を有する。同様に、保持肩部１４は、半径方向外側に向く側に配置された保持面１５を形成している。ここで、保持面１５と支持面０５は、互いに相補的に構成されている。保持肩部１４は、ロータ軸に向くロータ部材１１の端部近傍に配置され、ロータ軸に向く側の端部に内側縁部１７が位置している。ここで、この１７は、軸方向においてロータディスク０１のリング突起０７と接触する。ロータの回転による相当の遠心力により、保持面１５を有する保持肩部１４を介して固定肩部０４の支持面０５によりロータ部材１１を支持することで、内側縁部１７のリング突起０７との接触を介して支持されるロータ部材１１におけるモーメントが生じる。

本質的に重要なのは、支持面０５および保持面１５の幾何学的形状であり、これらは軸方向から見て支持幅１０にわたって互いに接触する。すなわち、支持幅１０にわたって互いに接触することになる固定肩部０４または保持肩部１４自体の面は、各々支持面０５および保持面１５と見なされる。ここで、ロータ軸周りの回転面としての支持面０５は支持半径０６を有する。その一方、ロータ部材１１の保持面１５も回転面の一部として構成され、従って保持半径１６を有する。支持半径０６と保持半径１６は同一の軸方向位置で決定され、各々比較される。ここで本質的に重要なのは、保持半径１６は支持半径０６よりも小さく、従って保持面１５の回転軸はロータ軸に対して離間して位置することである。

また、ロータ部材１１は、解決手段に不可欠なものとして、ロータ部材１１を軸方向に貫通する開口部１２を有する。この１２は、保持肩部１４の半径方向外側に配置されている。ここで有利には、開口部１２は、保持面１５の中央部から所定の半径方向の中心距離２３をとって配置される。

また、図２は、ロータディスク０１からの方向を基準として見た、ロータディスク０１とロータ部材１１との配置を、固定肩部０４と保持肩部１４を通ってロータ軸を横切る断面においてさらに示す。ここで、軸方向においてリング突起０７と接触する内側縁部１７を有するロータ部材１１を見ることができる。

ここで、本発明にとって重要なことは、ここで図示される支持半径０６を有する、ロータ軸に向く側の固定肩部０４に配置される支持面０５を、半径方向外側向きに保持半径１６を有する保持面１５を有する保持肩部１４と関連して考慮することである。ここでは、保持半径１６が、対向して対応する支持半径０６に相当するよりも低い値を有するように構成されていることが分かる（誇張して図示されている）。

まず円周方向から見ると全面的ではない、支持面０５との保持面１５の接触を有するこの構成は、ロータの相当する回転による大きい遠心力により、両面０５、１５間に均一な支持応力をもたらす。

保持肩部１４の半径方向外側には開口部１２が位置し、それに伴い開口部１２の両側にはロータ部材に２つのブリッジ部が残る。一方で、開口部１２は、保持面１５と支持面０５との間の均一な支持応力に寄与する。このために、開口部１２は、ロータ部材１１の幅２１の略半分に相当する円周方向の幅２２を有する。このように、ブリッジ幅２４を有するブリッジ部が両側に残る。ここで、開口部の位置決めに関しては、保持面１５の中央部から開口部１２までの半径方向距離２３がブリッジ幅２４よりも大きくないことを考慮することは有利である。

また、拡大する半径とともに開口部１２が拡幅することが分かる。最適な応力分布のためには、有利には、開口部の円周方向の側部と半径方向の中央軸との角度は約２０°である。さらに、有利には、側部の上端と側部の下端において大きい丸みが設けられるように構成されてよい。

Claims (16)

1. ロータ軸と、前記ロータ軸に対向し前記ロータ軸の周りを回転する支持面（０５）を有する環状の固定肩部（０４）を有するロータディスク（０１）と、円周方向に分布して配置され、前記支持面（０５）に対して相補的であり回転面の一部を形成する保持面（１５）を有する保持肩部（１４）を各々が有する複数のロータ部材（１１）とを備え、前記ロータ軸に対して垂直な各断面において前記支持面（０５）は支持半径（０６）を有し、前記保持面（１５）は保持半径（１６）を有するロータであって、
   前記保持半径（１６）は前記支持半径（０６）の少なくとも０．９９倍かつ最大で０．９９９５倍に相当し、前記ロータ部材（１１）は前記保持面（１５）の半径方向外側に開口部（１２）を有し、前記開口部（１２）は、円周方向において前記ロータ部材（１１）の幅（２１）の少なくとも０．２５倍かつ最大で０．７５倍の幅（２２）を有することを特徴とするロータ。
2. 前記保持半径（１６）は、前記支持半径（０６）の少なくとも０．９９９倍に相当することを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記開口部（１２）の前記幅（２２）は、円周方向の前記ロータ部材（１１）の前記幅（２１）の少なくとも０．４倍、および／または、最大で０．６倍に相当することを特徴とする請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記開口部（１２）は、半径の拡大と共に拡大し、円周方向の幅の差は半径方向の差の０．７５～１．２５倍であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロータ。
5. 前記支持面（０５）および前記保持面（１５）は円錐状に構成され、開口角度は３０～９０°であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロータ。
6. 前記保持面（１５）の中央部から前記開口部（１２）までの半径方向の距離（２３）は、最大で、前記開口部（１２）から前記ロータ部材（１１）の円周方向の縁部までの距離（２４）に相当することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のロータ。
7. 前記ロータ部材（１１）は略円周方向と略半径方向に延在する構成を有し、前記保持肩部（１４）は軸方向に延在することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のロータ。
8. 前記ロータディスク（０１）および／または前記ロータディスク（０１）に隣接する第２ロータディスクは前記ロータディスク（０１）の端面側から離間した環状のリング突起を有し、前記ロータ部材（１１）は前記ロータ軸に向く側に内側縁部（１７）を有し、前記内側縁部（１７）は、前記保持肩部（１４）に対向して、前記リング突起（０７）に軸方向において支持されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のロータ。
9. 前記ロータディスク（０１）は、円周方向に分布して配置されて軸方向に貫通する複数のブレード保持溝（０２）を有し、前記ロータ部材（１１）は、前記ブレード保持溝（０２）を前記ロータディスクの端面側において少なくとも部分的に覆うことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のロータ。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載のロータにおいて使用されるロータ部材（１１）において、前記ロータディスク（０１）の前記支持面（０５）に対して相補的であり回転面の一部を形成する保持面（１５）を有する保持肩部（１４）を備え、前記ロータ軸に対して垂直な各断面において前記保持面（１５）は保持半径（１６）を有するロータ部材（１１）であって、
    前記保持面（１５）の半径方向外側に配置される開口部（１２）を有し、前記開口部（１２）は、円周方向において前記ロータ部材（１１）の前記幅（２１）の少なくとも０．２５倍かつ最大で０．７５倍の幅（２２）を有し、
    前記保持半径（１６）は規定される前記支持半径（０６）の少なくとも０．９９倍かつ最大で０．９９９５倍に相当することを特徴とするロータ部材（１１）。
11. 前記保持半径（１６）は、規定の前記支持半径（０６）の少なくとも０．９９９倍に相当することを特徴とする請求項１０に記載のロータ部材（１１）。
12. 前記開口部（１２）の前記幅（２２）は、円周方向の前記幅（２１）の少なくとも０．４倍、および／または、最大で０．６倍に相当することを特徴とする請求項１０または１１に記載のロータ部材（１１）。
13. 前記開口部（１２）は、半径の拡大と共に拡大しており、円周方向の幅の差は半径方向の幅の差の０．７５～１．２５倍であることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載のロータ部材（１１）。
14. 前記保持面（１５）は円錐状に構成され、開口角度は３０～９０°であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載のロータ部材（１１）。
15. 前記保持面（１５）の中央部から前記開口部（１２）までの半径方向の距離（２３）は、最大で、前記開口部（１２）から円周方向の縁部までの距離（２４）に相当することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載のロータ部材（１１）。
16. 前記ロータ部材（１１）は略円周方向と略半径方向に延在する形状を有し、前記保持肩部（１４）は軸方向に延在することを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１項に記載のロータ部材（１１）。
    

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