JP7092938B2 - ２つのロータディスクの間にロータ組立要素を配置したロータ - Google Patents

Description

本発明はガスタービンのロータに関し、このロータは少なくとも２つの相互に結合されたロータディスクを有し、これらのロータディスクの間に環状のロータ組立要素が配置されている。

従来技術から、ガスタービンに使用するための互いに結合されたロータディスクを有するロータの種々の構造が知られており、ガスタービンを通って流れる高温ガスからロータの内部領域を遮蔽するための環状のロータ組立要素がロータディスク間に配置されている。この場合、２つのロータディスクはそれぞれ外周部に分布している複数の動翼を有する。２列の動翼の間には外周部に分散配置された１列の静翼があり、それぞれの静翼は固定ハウジングに取り付けられている。この場合、ロータが回転するので、必然的に静翼と動翼の間にはギャップがある。このことは本質的に、高温ガスが静翼の半径方向内側の領域に侵入することを許容する。高温ガスをロータ内部から離しておくために、いくつかのガスタービンでは２つの隣接するロータディスクの間に１つの環状のロータ組立要素が配置される。この目的のために、このロータ組立要素はロータディスクの両側で支承される。

このロータ組立要素の目的は、基本的に高温ガスの侵入を防ぐことだけである。通常、他の機能はない。従って、ロータ組立要素の支承は通常の方法で簡単に保持され、この場合、環状の、軸方向に延びる１つの突出部だけが、対応する１つの環状溝に係合する。

ロータディスクに対するロータ組立要素の意図しない回転は、一般的には、ロータ組立要素と一方のロータディスクとの間の少なくとも１箇所で環状溝内における環状段付部の係合部において圧入嵌めが行われることにより、阻止される。

この公知の実施形態が一般的には有用であると実証されているにしても、圧入嵌めがロータ組立要素の相対的回転を十分には阻止できないような運転状態が生じることがある。このことは、この場合、どんな損傷も発生しない限りは、回転形のロータ組立要素では、一般的に許容される。

しかしながら、ロータの耐用年数を増加させる要求により、ロータ組立要素とロータディスクとの間の意図しない相対的な動きは、それが耐用年数を増加させるという目標を危険にさらしてはならないので、重大問題であると見做される。

そこで、本発明の課題は、ロータ組立要素と両ロータディスクとの間の相対的な動きを、少なくともロータの寿命を制限しない程度まで取り除くことにある。

この課題は、本発明に係る実施形態により請求項１に記載の教示によって解決される。有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

この類のロータは、先ず第１にガスタービンのために使用される。しかしながら、これとは無関係に、ロータのこの実施形態を別の流体機械、例えば蒸気タービンで使用することも可能である。

少なくとも、このロータは、第１ロータディスクと、第１ロータディスクと直接にかつ固定結合された第２ロータディスクとを有する。この場合、これらのロータディスクはそれぞれ、外周部に分布しそれぞれのロータディスクを軸方向に貫通する複数の翼保持溝を有する。これらの翼保持溝は動翼を保持する役割を果たす。

さらに、第１ロータディスクは、翼保持溝の半径方向下側に、周回し第２ロータディスクに向かって軸方向に延びている第１環状突起を有する。同様に、第２ロータディスクは翼保持溝の下側に、周回し第１ロータディスクに向かって軸方向に延びている第２環状突起を有する。

２つのロータディスクの間で複数の翼保持溝の領域に、および／または、複数の翼保持溝の半径方向下側に、１つの環状のロータ組立要素が配置されている。これは、ロータ組立要素の内部にあるロータ部分、または、両方のロータディスクの一部を取り囲んでいる。このロータ組立要素を両ロータディスクに対して中心合わせし、同時に、固定するために、ロータ組立要素はその軸方向両端にそれぞれ周回している支持部を有する。ここで、第１支持部は第１環状突起の下側でロータ軸側に位置し、第２支持部は第２環状突起の半径方向下側に位置する。この場合、それぞれの支持部は、圧入嵌めによって環状突起にぴったり当接するか、または、芯出しが保証されている場合には、環状突起に対してわずかな隙間を許容するようにすることができる。

ロータ組立要素と両ロータディスクとの結合部における耐用年数を保証するために、環状突起の半径方向外側でロータ組立要素と第１ロータディスクとの連結が行われ、これにより、円周方向の相対的なずれが防止される。

この目的のために、第１実施形態では、第１ロータディスクが円周上に分散配置された少なくとも２つの第１切欠き部を有する。これに対して、ロータ組立要素は相補的な第２係合用突出部（Ｅｉｎｇｒｉｆｆｓａｂｓａｅｔｚｅ）を複数有し、これらがそれぞれ対応する第１切欠き部に係合する。

第２実施形態では、第１ロータディスクが円周上に分散配置された少なくとも２つの第１係合用突出部を有する。これに対して、ロータ組立要素は相補的な第２切欠き部を複数有し、その結果、第１係合用突出部が第２切欠き部に係合する。

本実施形態は、ロータ組立要素と両ロータディスクとの確実な連結をもたらし、その結果、圧入嵌めが損失した場合でも相対的な動きが阻止される。その限りにおいて、部品間で摩擦が発生することはなく、耐用年数に悪影響を及ぼすことはない。
本発明によれば、高温ガスに対する遮蔽は、ロータ組立要素がさらに少なくとも１つの周回し半径方向に延びる円盤部を有すると、改善される。この場合、これは軸方向の一端部に配置され、ロータディスクおよび翼保持溝を部分的に覆うことができる。
ロータ組立要素、特に円盤部の有利な安定化、および、ロータ組立要素と両ロータディスクとの結合の有利な保証は次のようにして達成される。すなわち、円盤部が、第１の軸方向材料厚さを有する第１領域と、この第１領域の半径方向外側においてより厚い材料厚さ、この場合、少なくとも２倍の材料厚さを有する第２領域とを備えている、ことにより達成される。

ロータ組立要素と両ロータディスクとの有利な結合のために、ロータ組立要素は、一方の軸方向端部に軸方向に開口し第１環状突起を包み込む第１環状溝を有し、これと反対側で他方の軸方向端部に軸方向に開口し第２環状突起を包み込む第２環状溝を有する。この場合、各環状溝のロータ軸側に位置する縁部は支持部によって形成されている。

さらに、第１環状溝の半径方向外側の縁部が第１環状突起にぴったり当接し、ないし、第２環状溝の半径方向外側の縁部が第２環状突起にぴったり当接するならば、異なる運転状態の下で両ロータディスクに対するロータ組立要素の中心合わせを改善することができる。

第１ロータディスクにおける第１切欠き部、および／または、ロータ組立要素における第２切欠き部は、異なる方法で実現することができる。簡単な一実施形態では、この目的のために、第１ロータディスクまたはロータ組立要素は周回する１つの環状突出部を有する。これに対応して、この場合、切欠き部が、周回している環状突出部を分割する。

代替的な一実施形態では、切欠き部の両側が、円周方向に部分的に延びる複数の突起によって区切られる。

この場合、それぞれの切欠き部の両側に係合用突出部が配置されていると、特に有利である。こうして、第１ロータディスクの第１係合用突出部はロータ組立要素の第２切欠き部に、ロータ組立要素の第２係合用突出部は第１ロータディスクの第１切欠き部に、円周方向に交互に隣接して係合する。

第１ロータディスクにおける複数の第１係合用突出部の有利な配置のために、これらはそれぞれ、２つの翼保持溝の間の中央に配置される。これに対応して、複数の第１切欠き部がそれぞれ、翼保持溝の延長線上に配置されていると有利である。

第１係合用突出部の半径方向の位置決めとは無関係に、これらの円周方向の長さが２つの翼保持溝の間の最小間隔よりも小さいと有利である。

代替の一実施形態では、結合部が環状突起の直ぐ上に配置される。この目的のために、第１ロータディスクは、その環状突起の半径方向外側に第１係合用突出部を複数有する。これに相補的に、ロータ組立要素には複数の第２切欠き部が必要である。この実施形態では、ロータ組立要素が、第１環状突起が係合する第１環状溝を有すると有利である。したがって、この切欠き部は、環状溝の半径方向外側にある縁部に配置されている。この場合、第１係合用突出部、および、これと共に第２切欠き部が、環状突起の軸方向自由端から離れて配置されていると有利である。これにより、第１環状溝の溝基底部領域における第２切欠き部による付加的な負荷が回避される。

係合用突出部は異なる方法で実現することができる。これらが第１ロータディスクと一体に、または、ロータ組立要素と一体に形成されていると、これらの係合用突出部との確実な結合が得られる。

しかし、代替の一実施形態では、係合用突出部を、溶接もしくはろう付けによって取り外し不可能に、または、取り外し可能に取り付けることも考えられる。ただし、取り付けられた係合用突出部の位置がいかなる場合においても確保されることを考慮しなければならない。更に、場合によっては、係合用突出部により構成部（第１ロータディスクまたはロータ組立要素）の弱化が生じることがある。さらに、取り付けられた係合用突出部により、遠心力下で、一体的に形成された係合用突出部とは異なる負荷を引き起こすことに留意すべきである。

この目的のために有利に、上記第２領域を形成するために、直接隣接するロータディスクとは反対側に肉厚部が配置される。これにより、遠心力が発生したときに、第１領域と第２領域との間に不均一な質量分布があるので、円盤部自由端の直接隣接するロータディスクを向く曲げモーメントが非常に小さくなる。

この場合、ロータ組立要素上の第２切欠き部、および／または、第２係合用突出部の配置は、特に好都合に、円盤部の第２領域で行われる。

以下の図では、本発明によるロータのための２つの実施例が、ロータ組立要素の領域内で部分的に概略図示されている。

第１実施形態における、ロータ組立要素の領域におけるロータの部分的縦断面を示す概略図である。 図１の実施形態のための第１ロータディスクを示す図である。 図１の実施形態のためのロータ組立要素を示す図である。 第２実施形態でのロータ組立要素の領域におけるロータの縦断面を示す概略図である。 図４の実施形態のためのロータ組立要素を示す図である。 図４の実施形態のための第１ロータディスクを示す図である。

図１には、第１の例示的な実施形態におけるロータの縦断面がロータ組立要素１１の領域のみで模式的に図示されている。ロータのさらなる設計は、通常の実施形態に基づいて選択することができる。このロータには少なくとも第１ロータディスク０１および第２ロータディスク０６がある。これらの０１、０６の各々に、周回して軸方向に延びる環状突起０３、０８が配置されている。

ロータディスク０１と０６の間にはロータ組立要素１１があり、このロータ組立要素１１はロータディスク０１、０６に取り付けるための周回する環状溝１２、１７を有し、第１環状突起０３が第１環状溝１２に、第２環状突起０８が第２環状溝１７に係合する。それぞれの環状突起０３、０８の半径方向下側に、ロータ組立要素１１によって形成された支持部１３、１８が位置している。これら１３、１８は、少なくとも遠心力が働く場合にはそれぞれの環状突起０３、０８に支えられる。

さらに、ロータ組立要素１１が、周回して半径方向に延びる円盤部２０を有していることが分かる。

ロータ組立要素１１と第１ロータディスク０１との結合部は、この実施例では半径方向外側の領域にある。

さらに、図２は第１ロータディスク０１の概略を斜視図で示す。周回している環状突起０３、および、第１ロータディスク０１を軸方向に貫通する複数の翼保持溝０２が半径方向外側に見られる。２つの翼保持溝０２の間に第１係合用突出部０５が位置している。それぞれの２つの係合用突出部０５の間に、対応する第１切欠き部がある。

図３はこれに対して相補的なロータ組立要素１１を示す。ここでも周回している環状溝１２、１７を見ることができ、これら環状溝のロータ軸側に支持部１３、１８が配置されている。軸方向の１端部において第１ロータディスク０１に直接隣接し半径方向に延びる円盤部２０は、半径方向内側の第１領域と半径方向外側の第２領域とに区分され、この第２領域は肉厚部１９を有し、それにより、第１領域の少なくとも２倍の材料厚さが得られる。遠心力が発生したときにロータ組立要素１１と第１ロータディスク０１との確実な結合を保証するために、この実施例では、ロータ組立要素１１上に配置された複数の第２係合用突出部１５、および、それらの間にある複数の第２切欠き部１４は、半径方向外側領域の肉厚部１９の反対側に配置されている。

図１と同様に、図４は第２の例示的な実施形態におけるロータを示す。この場合、このロータは第１ロータディスク２１と第２ロータディスク２６とを有する。これら２１、２６の各々には周回して軸方向に延びる環状突起２３、２８が配置されている。

ロータディスク２１、２６の間にはロータ組立要素３１があり、このロータ組立要素３１はロータディスク２１、２６に取り付けるための周回している環状溝３２、３７を有する。

さらに、このロータ組立要素３１が、周回して半径方向に延びる円盤部４０を有していることが分かる。

ロータ組立要素３１と第１ロータディスク２１の連結部は、第１環状突起２３の半径方向で直ぐ外側に位置している。

図５はロータ組立要素３１を斜視図で示す。ここでも、周回している第１環状溝３２が見られ、そのロータ軸側に支持部が配置されている。第２ロータディスク２６に軸方向の１端部で直接に隣接して半径方向に延びている円盤部４０は、前述したものと同様である。

先の形態とは異なり、この場合には、ロータ組立要素が、第１環状溝３２の半径方向外側の縁部のロータ軸側に、周回している環状突出部３５を有するようになっている。この３５は円周部に分散配置された複数の第２切欠き部３４によって幾つにも分割される。

図６はさらに第１ロータディスク２１を斜視図で示す。周回している環状突起２３および複数の翼保持溝０２が分かる。結合を実施するために、第１ロータディスク２１は、第１環状突起２３の半径方向外側に、第２切欠き部３４に対して相補的な複数の第１係合用突出部２５を有する。

Claims (9)

1. ロータ、特にガスタービンのロータであって、
   前記ロータが第１ロータディスク（０１、２１）、前記第１ロータディスク（０１、２１）に固定された第２ロータディスク（０６、２６）、および、両ロータディスク（０１、０６、２１、２６）の間に配置され周回しているロータ組立要素（１１、３１）を備え、
   前記第１ロータディスク（０１、２１）が、複数の動翼を保持するための、外周部に分布し、前記ロータディスク（０１、２１）を軸方向に貫通する複数の翼保持溝（０２、２２）、および、前記翼保持溝（０２、２２）の半径方向下側に、軸方向に延びて周回する第１環状突起（０３、２３）を有し、
   前記第２ロータディスク（０６、２６）が、複数の動翼を保持するための、外周部に分布し、前記ロータディスク（０６、２６）を軸方向に貫通する複数の翼保持溝、および、前記翼保持溝の半径方向下側に、前記第１環状突起（０３、２３）に向かって軸方向に延びて周回する第２環状突起（０８、２８）を有し、
   前記ロータ組立要素（１１、３１）が、前記第１環状突起（０３、２３）のロータ軸側に支承のための第１支持部（１３）、および、前記第２環状突起（０８、２８）のロータ軸側に支承のための第２支持部（１８）を有する、ように構成されたロータであって、
   前記第１ロータディスク（０１）が半径方向外側に、および／または、前記第１環状突起（０３）の半径方向外側に、円周上に分散配置された少なくとも２つの第１切欠き部を有し、前記ロータ組立要素（１１）が前記複数の第１切欠き部にそれぞれ係合する複数の第２係合用突出部（１５）を有する、
   および／または、
   前記ロータ組立要素（１１、３１）が半径方向外側に、および／または、前記第１環状突起（０３、２３）の半径方向外側に、円周上に分散配置された少なくとも２つの第２切欠き部（１４、３４）を有し、前記第１ロータディスク（０１、２１）が前記複数の第２切欠き部（１４、３４）に係合する複数の第１係合用突出部（０５、２５）を有する、
   ロータにおいて、
   前記ロータ組立要素（１１，３１）の少なくとも１つの軸方向端部が半径方向に延びる円盤部（２０，４０）を有し、前記円盤部（２０，４０）が前記ロータディスク（０１，２６）の前記複数の翼保持溝（０２，２２）を少なくとも部分的に覆っており、
   前記円盤部（２０、４０）が、第１の材料厚さを有する第１領域、および、前記第１領域の半径方向外側に前記第１の材料厚さの少なくとも２倍の材料厚さを有する第２領域を有する、
   ことを特徴とするロータ。
2. 前記ロータ組立要素（１１，３１）が、軸方向に開口し前記第１環状突起（０３，２３）を包み込む第１環状溝（１２，３２）、および／または、軸方向に開口し第２環状突起（０８，２８）を包み込む第２環状溝（１７，３７）を有することを特徴とする請求項１に記載のロータ。
3. 前記第１環状溝（１２，３２）の半径方向外側の縁部が前記第１環状突起（０３，２３）にぴったり当接する、および／または、前記第２環状溝（１７、３７）の半径方向外側の縁部が前記第２環状突起（０８、２８）にぴったり当接する、ことを特徴とする請求項２に記載のロータ。
4. 前記複数の切欠き部の両側には、軸方向に、かつ、部分的に円周方向に延びる複数の突出部が、配置されていること、
   および／または、
   前記複数の切欠き部（３４）が、周回する１つの環状突出部（３５）に配置されていること、
   を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のロータ。
5. 前記第１ロータディスク（０１）に前記複数の第１係合用突出部（０５）がそれぞれ周方向に２つの動翼保持溝（０２）の間に配置されていること、
   および／または、
   前記第１ロータディスク（０１）に前記複数の第１切欠き部がそれぞれ前記複数の翼保持溝（０２）の延長線上に配置されていること、を特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のロータ。
6. 前記複数の第１係合用突出部（０５）の円周方向の長さが、２つの翼保持溝（０２）間の最小間隔以下であることを特徴とする、請求項５に記載のロータ。
7. 前記複数の第１係合用突出部（２５）が前記第１ロータディスクの前記環状突起（２３）の半径方向外側に、前記環状突起（２３）の軸方向自由端から離れて配置されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のロータ。
8. 前記第２領域は肉厚部（１９）によって、直接隣接する前記ロータディスク（０１、２６）とは反対側に形成されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のロータ。
9. 前記複数の係合用突出部（１５）、および／または、前記複数の切欠き部（１４）が前記第２領域に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載のロータ。

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