JP7242597B2 - タービンロータ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービンロータに関する。

近年、発電プラントの高効率化を図るために、燃焼器で生成した燃焼ガスの一部を超臨界の作動流体として系統に循環させるガスタービン設備（以下、ＣＯ_２ガスタービン設備という。）が検討されている。燃焼器では、炭化水素系の燃料と酸素が燃焼する。

ここで、ＣＯ_２ガスタービン設備の燃焼器では、燃料および酸素の流量は、例えば、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。そのため、系統には、燃焼ガスから水蒸気が除去された二酸化炭素（ＣＯ_２）が循環する。

なお、ここでいう当量比は、燃料流量および酸素流量に基づいて算出した当量比である。換言すれば、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。

循環される二酸化炭素は、圧縮機によって臨界圧力以上に昇圧され、燃焼器やタービンに供給される。タービンに供給される超臨界二酸化炭素は、例えば、冷却媒体として機能する。タービンは、導入された超臨界二酸化炭素（冷却媒体）によってタービンロータ、静翼および動翼を冷却する冷却機構を備えている。

ここで、図５は、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン３００の子午断面を示した図である。なお、図５において、タービン３００の一部の構成は省略されている。

図５に示すように、タービン３００は、外部ケーシング３１０と、外部ケーシング３１０の内部に内部ケーシング３１１とを備える。また、内部ケーシング３１１および外部ケーシング３１０を貫通してタービンロータ３４０が設けられている。

内部ケーシング３１１の内周には、外側シュラウド３２０が周方向に亘って設けられ、この外側シュラウド３２０の内側には、内側シュラウド３２１が周方向に亘って設けられている。そして、外側シュラウド３２０と内側シュラウド３２１との間には、周方向に複数の静翼３２２が支持され、静翼翼列を構成している。

ここで、周方向とは、タービンロータの中心軸Ｏを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｏの軸周りである。内側シュラウド３２１の内側には、シール部３２５が構成されている。

ここで、タービンロータ３４０は、冷却機構として、後述する、タービンロータの中心軸に沿って形成された中央通路３７０を備える。このタービンロータ３４０においては、中央通路の状態を定期的に点検する必要がある。そのため、タービンロータとして、複数のロータ構成部材をタービンロータの中心軸方向（以下、軸方向という。）に接合したタービンロータが使用されている。

また、このような接合タービンロータを採用する場合、点検時に各ロータ構成部材を容易に分離できることが好ましい。そこで、各ロータ構成部材をボルト締結によって接合したタービンロータが採用される。

タービンロータ３４０は、図５に示すように、ロータ構成部材３４０Ａと、ロータ構成部材３４０Ｂとを備える。ロータ構成部材３４０Ａは、ロータ構成部材３４０Ｂよりも排気側に配置される。ここで、排気側とは、軸方向の排気室（図示しない）側であり、図５では軸方向右側である。なお、説明の便宜上、軸方向の排気室側を排気側といい、軸方向の、排気室側と逆側を圧縮機側という。

ロータ構成部材３４０Ａとロータ構成部材３４０Ｂは、一端面３４３と、一端面３４４とを当接させ、ボルト３４５とナット３４６によってボルト締結されている。

ロータ構成部材３４０Ａは、周方向に亘って半径方向外側に突出するロータホイール３４１を備える。ロータホイール３４１は、軸方向に複数段設けられている。そして、各ロータホイール３４１には、周方向に複数の動翼３５０が植設され、動翼翼列を構成している。

静翼翼列と動翼翼列は、軸方向に交互に設けられている。そして、静翼翼列と、この静翼翼列の直下流の動翼翼列とでタービン段落を構成している。なお、下流とは、作動流体の主流の流れ方向に対する下流を意味する。

ロータ構成部材３４０Ａには、タービンロータ３４０を冷却媒体によって冷却するための冷却機構が備えられている。

冷却機構は、例えば、中央通路３７０と、導入通路３７１と、排出通路３７２とを備える。

中央通路３７０は、図５に示すように、タービンロータ３４０の中心軸Ｏを中心軸として軸方向に延びる円筒状の穴で構成される。中央通路３７０の一端３７０ａは、ロータ構成部材３４０Ａの一端面３４３に位置している。すなわち、中央通路３７０は、ロータ構成部材３４０Ａの一端面３４３から排気側に向かって形成されている。

中央通路３７０の一端３７０ａは、ロータ構成部材３４０Ｂの一端面３４４によって封鎖されている。

冷却媒体を中央通路３７０に導く導入通路３７１は、半径方向に形成され、中央通路３７０の上流部に連通している。

排出通路３７２は、半径方向に形成され、中央通路３７０に連通している。各タービン段落における内側シュラウド３２１とタービンロータ３４０との間の空間３６３に冷却媒体を排出できるように、軸方向に複数の排出通路３７２が設けられている。なお、半径方向は、中心軸Ｏを基点とする、中心軸Ｏに垂直な方向である。

図５に示すように、燃焼器（図示しない）で生成された燃焼ガスを初段の静翼３２２に導くトランジションピース３６０は、外部ケーシング３１０および内部ケーシング３１１を貫通して設けられている。トランジションピース３６０の外周には、冷却媒体を内部ケーシング３１１内の空間３６１に供給する冷却媒体供給管３６２が設けられている。

空間３６１よりも圧縮機側において、内部ケーシング３１１とタービンロータ３４０との間には、グランドシール部３８０を備える。また、グランドシール部３８０よりも圧縮機側において、外部ケーシング３１０とタービンロータ３４０との間には、グランドシール部３９０を備える。

なお、ロータ構成部材３４０Ａとロータ構成部材３４０Ｂとの接合部は、グランドシール部３８０が設けられた軸方向位置にある。

ここで、冷却媒体供給管３６２とトランジションピース３６０との間の環状通路から空間３６１に供給された冷却媒体は、導入通路３７１を通り中央通路３７０に導かれる。そして、中央通路３７０を流れる冷却媒体は、排出通路３７２を通り空間３６３に排出される。

特開２００７－３２１６３０号公報

上記したタービン３００において、空間３６１から中央通路３７０に導かれた冷却媒体の圧力は、例えば、３０ＭＰａ程度の超高圧である。一方、ロータ構成部材３４０Ａとロータ構成部材３４０Ｂとの接合部の周囲のグランドシール部３８０の圧力は、例えば、５ＭＰａ程度である。

このように、中央通路３７０内の圧力とグランドシール部３８０内の圧力の差は大きい。そこで、中央通路３７０の一端３７０ａからの冷却媒体の漏洩を防止するために、ロータ構成部材３４０Ａとロータ構成部材３４０Ｂとの接合部には、優れたシール性が要求される。

すなわち、ロータ構成部材３４０Ａとロータ構成部材３４０Ｂとの接合部は、軸動力を伝達する機能とともに、ロータ構成部材３４０Ａとロータ構成部材３４０Ｂとの当接面からの超高圧の冷却媒体の漏洩を防止する機能とを兼ね備える必要がある。そのため、ボルト締結構造は、過剰設計となる。

また、ロータ構成部材３４０Ｂの一端面３４４における、中央通路３７０の一端３７０ａを封鎖する面は、冷却媒体の圧力を受ける。そのため、ロータ構成部材３４０Ｂは、圧縮機側に向かって力を受ける。これによって、圧縮機側に向かう力がボルト３４５やナット３４６に負荷される。そのため、ボルト締結構造の損傷が懸念される。また、ボルト締結構造の損傷を防止すために、過剰な設計が必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、ボルト締結構造を備え、締結部において冷却媒体の通路のシール機能を有するタービンロータにおいて、締結部における軸動力伝達機能とシール機能とをそれぞれ別個の構造体で分担することができるとともに、高い信頼性を有するボルト締結部を構成することができるタービンロータを提供するものである。

実施形態のタービンロータは、第１のロータ構成部材の第１の端面と第２のロータ構成部材の第２の端面とを当接させて、前記第１のロータ構成部材と前記第２のロータ構成部材をボルト締結によって接合して構成される。

このタービンロータは、前記第１の端面に形成され、前記タービンロータの中心軸方向に凹む筒状凹部と、前記筒状凹部の底面から前記タービンロータの中心軸方向に穿孔され、冷却媒体を流す軸方向通路と、前記軸方向通路に冷却媒体を導入する導入通路と、前記軸方向通路から前記タービンロータの外周面に貫通し、冷却媒体を排出する排出通路と、前記筒状凹部に配置され、前記軸方向通路の一端を封鎖する封鎖部材とを備える。

実施の形態のタービンロータを備える軸流タービンの子午断面を示した図である。 実施の形態のタービンロータの接合部の子午断面を示した図である。 図２のＡ－Ａ断面を示す図である。 実施の形態のタービンロータの他の構成の接合部の子午断面を示した図である。 ＣＯ_２ガスタービン設備のタービンの子午断面を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態のタービンロータ１０を備える軸流タービン１の子午断面を示した図である。なお、図１には、ガスタービンのタービン構造を示している。

図１に示すように、軸流タービン１は、外部ケーシング２０と、外部ケーシング２０の内部に内部ケーシング２１を備える。また、内部ケーシング２１および外部ケーシング２０を貫通してタービンロータ１０が設けられている。

内部ケーシング２１の内周には、外側シュラウド３０が周方向に亘って設けられている。この外側シュラウド３０の内側（半径方向内側）には、内側シュラウド３１が周方向に亘って設けられている。そして、外側シュラウド３０と内側シュラウド３１との間には、周方向に複数の静翼３２が支持され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、軸方向（タービンロータ１０の中心軸Ｏ方向）に複数段設けられている。

ここで、半径方向内側とは、半径方向における中心軸Ｏに近づく側（中心軸Ｏ側）である。

内側シュラウド３１の内側には、例えば、内側シュラウド３１に対向して周方向に亘って遮熱ピース３３が設けられている。遮熱ピース３３は、例えば、タービンロータ１０に植設される。内側シュラウド３１と遮熱ピース３３との間には、シール部３４が構成されている。

タービンロータ１０は、ロータ構成部材４０と、ロータ構成部材５０とを備える。タービンロータ１０は、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０とをボルト締結によって接合して構成される。タービンロータ１０の両端は、軸受（図示しない）によって回転可能に支持されている。

なお、ロータ構成部材４０は、第１のロータ構成部材として機能し、ロータ構成部材５０は、第２のロータ構成部材として機能する。

ロータ構成部材４０は、円柱状の部材で構成されている。ロータ構成部材４０は、ロータホイール４５と、冷却構造部６０とを備える。

ロータホイール４５は、ロータ構成部材４０の外周面から周方向に亘って半径方向外側に突出している。この環状の突出体で構成されるロータホイール４５は、軸方向に複数段設けられている。ここで、半径方向外側とは、半径方向における中心軸Ｏから遠ざかる側である。

各ロータホイール４５の先端部には、周方向に複数の動翼８０が植設され、動翼翼列を構成している。動翼８０の外周は、例えば、シュラウドセグメント８１で包囲されている。シュラウドセグメント８１は、外側シュラウド３０によって支持されている。

なお、静翼翼列と動翼翼列は、軸方向に交互に設けられている。そして、静翼翼列と、この静翼翼列の直下流の動翼翼列とでタービン段落を構成している。

冷却構造部６０は、冷却媒体によってタービンロータ１０を冷却する構造を備える。この構造については、後に詳しく説明する。

ロータ構成部材５０は、円柱状の部材で構成されている。ロータ構成部材５０は、ロータ構成部材４０よりも圧縮機側に配置されている。

ここで、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０との接合部の構成であるボルト締結構造について説明する。図２は、実施の形態のタービンロータ１０の接合部の子午断面を示した図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面を示す図である。

図２および図３に示すように、ロータ構成部材４０の端面（圧縮機側の端面）４１における外縁側（半径方向外側）において、周方向に亘って軸方向に凹む環状溝部４２を備える。すなわち、ロータ構成部材４０の端面の外縁側は、周方向に亘って軸方向の排気側に凹んだ段部からなる環状溝部４２を備えている。

一方、ロータ構成部材５０の端面（排気側の端面）５１における外縁側（半径方向外側）において、周方向に亘って軸方向に突出する環状突部５２を備える。すなわち、ロータ構成部材５０の端面の外縁側は、周方向に亘って軸方向の排気側に突出する段部からなる環状突部５２を備えている。

また、環状突部５２の端面の内縁側（半径方向内側）には、周方向に亘って軸方向の圧縮機側に凹んだ段部からなる環状凹部５３が形成されている。

そして、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０は、環状溝部４２と環状突部５２とを嵌め合わせて連結されている。環状溝部４２と環状突部５２とを嵌め合わせて連結することで、軸方向に垂直な方向の位置合わせを容易に行うことができる。

環状溝部４２と環状突部５２とを嵌め合わせた際、環状溝部４２の環状の底面である当接端面４３と、環状突部５２における環状凹部５３よりも外縁側の当接端面５４とが当接する。

当接端面４３は、環状溝部４２の環状の底面のうちの外縁側（半径方向外側）の環状の端面である。当接端面５４は、環状突部５２における環状凹部５３よりも外縁側の環状の端面である。

なお、当接端面４３は、第１の端面として機能し、当接端面５４は、第２の端面として機能する。

ここで、図２に示すように、中心軸Ｏを中心とする中央部において、ロータ構成部材４０の端面４１とロータ構成部材５０の端面５１との間には、軸方向に間隙を有する。これによって、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０との接合部の中央部には、間隙に形成される筒状空間５５を有する。筒状空間５５は、後述する筒状凹部６４に対向して形成されている。なお、筒状空間５５は、空間部として機能する。

ロータ構成部材４０およびロータ構成部材５０において、当接端面４３、５４を有する外縁側に、ボルト９０を貫通させるボルト孔４４、５６が形成されている。ボルト９０は、このボルト孔４４、５６を貫通してナット９１に螺合されている。このボルト締結による接合部は、図３に示すように、周方向に均等に複数設けられている。

このように、軸流タービン１のタービンロータ１０は、上記したボルト締結構造を有する。

また、軸流タービン１において、図１に示すように、タービンロータ１０と内部ケーシング２１との間、タービンロータ１０と外部ケーシング２０との間、タービンロータ１０とパッキンヘッド２２との間には、作動流体の外部への漏洩を抑制するグランドシール部２３、２４、２５が備えられている。

ここで、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０との接合部は、グランドシール部２４が位置する軸方向位置にある。

さらに、軸流タービン１には、外部ケーシング２０および内部ケーシング２１を貫通してトランジションピース８５が備えられている。トランジションピース８５の下流端は、初段の静翼３２を支持する内側シュラウド３１および外側シュラウド３０の上流端に当接している。そして、トランジションピース８５は、燃焼器（図示しない）で生成された燃焼ガスを初段の静翼３２に導く。

トランジションピース８５が外部ケーシング２０および内部ケーシング２１を貫通する貫通領域において、トランジションピース８５の外周は、冷却媒体を導入する冷却媒体供給管８６で覆われている。すなわち、貫通領域において、トランジションピース８５と、その外周側に設けられた冷却媒体供給管８６とからなる二重管構造を備える。

トランジションピース８５と冷却媒体供給管８６との間の環状の通路を流れる冷却媒体が外部ケーシング２０と内部ケーシング２１との間の空間８７に流れ込まないように、冷却媒体供給管８６の下流端は、内部ケーシング２１に形成された貫通口８８内まで延設されている。なお、貫通口８８は、トランジションピース８５および冷却媒体供給管８６を内部ケーシング２１内に貫通させるための開口である。

冷却媒体供給管８６の出口は、トランジションピース８５が挿入された内部ケーシング２１内の空間８９に連通している。すなわち、冷却媒体供給管８６から導入された冷却媒体は、空間８９に流入する。

ここで、空間８９へ冷却媒体を供給する構成は、この構成に限られない。すなわち、冷却媒体供給管８６は、トランジションピース８５の周囲に備えられる構成に限られない。冷却媒体供給管８６の構成は、例えば、外部ケーシング２０および内部ケーシング２１を貫通して空間８９へ冷却媒体を供給できる構成であればよい。

次に、タービンロータ１０の冷却構造部６０について詳しく説明する。

図１に示すように、冷却構造部６０は、導入通路６１と、軸方向通路６２と、排出通路６３と、封鎖部材６５とを備える。導入通路６１、軸方向通路６２および排出通路６３は連通している。

導入通路６１は、軸方向通路６２に冷却媒体を導入する。導入通路６１は、例えば、ロータ構成部材４０の外周面４０ａから軸方向通路６２に貫通する貫通孔で構成される。導入通路６１は、例えば、半径方向に形成される。

なお、導入通路６１は、半径方向に対して軸方向に傾斜を有するように形成されてもよい。また、導入通路６１は、半径方向に対して周方向に傾斜を有するように形成されてもよい。

導入通路６１の入口６１ａは、冷却媒体が導入される内部ケーシング２１内の空間８９に開口している。すなわち、空間８９と軸方向通路６２は、導入通路６１を介して連通している。

なお、導入通路６１は、例えば、軸方向や周方向に複数備えられてもよい。この場合、空間８９に導入された冷却媒体は、複数の導入通路６１を通り軸方向通路６２に流れる。

軸方向通路６２は、冷却媒体を軸方向に導く。軸方向通路６２は、タービンロータ１０の中心軸Ｏに沿って軸方向に形成されている。ここで、図２に示すように、中心軸Ｏを中心とする、ロータ構成部材４０の端面４１の中央に、軸方向の排気側に凹んだ筒状凹部６４が形成されている。筒状凹部６４は、中心軸Ｏを中心とする円筒状溝で構成されている。

軸方向通路６２は、この筒状凹部６４の底面６４ａから軸方向に穿孔された孔で構成されている。すなわち、軸方向通路６２の一端６２ａは、筒状凹部６４の底面６４ａに開口している。

封鎖部材６５は、図２および図３に示すように、筒状凹部６４の形状に合わせて外形が形成された板状部材で構成される。ここで、封鎖部材６５は、円形の板状部材で構成されている。封鎖部材６５は、筒状凹部６４内に配置される。封鎖部材６５の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、封鎖部材６５が筒状凹部６４から圧縮機側（端面５１側）に突出しない程度に設定される。

封鎖部材６５の一端面６５ａ（排気側の端面）は、筒状凹部６４の底面６４ａに当接している。そして、封鎖部材６５は、ロータ構成部材４０の筒状凹部６４にねじ締結されている。具体的には、封鎖部材６５は、筒状凹部６４の底面６４ａにねじ６６によってねじ締結されている。図３に示すように、封鎖部材６５は、周方向に等間隔で複数個所ねじ締結されている。

これによって、封鎖部材６５は、軸方向通路６２の一端６２ａを封鎖する。換言すれば、封鎖部材６５は、軸方向通路６２と筒状空間５５とを遮断している。そのため、軸方向通路６２内に供給された冷却媒体は、筒状空間５５側へ流出しない。

排出通路６３は、軸方向通路６２を流れる冷却媒体をロータ構成部材４０内から外部に排出する。排出通路６３は、図１に示すように、軸方向通路６２からロータ構成部材４０の外周面４０ａに貫通する貫通孔で構成される。具体的には、図１に示すように、排出通路６３は、軸方向通路６２と、遮熱ピース３３と外周面４０ａとの間の空間３５とを連通させる。

排出通路６３は、各タービン段落に応じて軸方向に複数備えられている。換言すると、排出通路６３は、初段のロータホイール４５の上流側におけるロータ構成部材４０の外周面４０ａ、および各ロータホイール４５間におけるロータ構成部材４０の外周面４０ａに、出口６３ａを有する。

排出通路６３は、例えば、半径方向に形成される。なお、排出通路６３は、半径方向に対して軸方向に傾斜を有するように形成されてもよい。また、排出通路６３は、半径方向に対して周方向に傾斜を有するように形成されてもよい。

ここで、冷却媒体としては、例えば、ガスタービンの作動流体の一部を温度調整して使用することができる。すなわち、ガスタービンの系統から抽気して所定の温度に調整した作動流体を冷却媒体として使用することができる。

例えば、超臨界ＣＯ_２タービンの場合、作動流体である超臨界二酸化炭素を冷却媒体として利用する。具体的には、系統から抽気された循環する超臨界二酸化炭素が軸流タービンに供給される。そして、軸流タービンに供給された超臨界二酸化炭素は、冷却媒体として軸方向通路６２に導入される。

ここで、図２に示すように、環状突部５２の端面の内縁側（半径方向内側）に形成された環状凹部５３と当接端面４３との間には環状の隙間５８を有する。この隙間５８は、筒状空間５５に連通している。

そして、当接端面４３と当接端面５４との当接部に、隙間５８とタービンロータ１０の外部とを連通させる連通溝１００を備えてもよい。これによって、筒状空間５５は、隙間５８および連通溝１００を介してタービンロータ１０の外部に連通する。

連通溝１００は、例えば、半径方向に形成される。具体的には、連通溝１００は、当接端面４３または当接端面５４に形成された、隙間５８とタービンロータ１０の外部とを連通させるスリットなどで構成される。

また、当接端面４３および当接端面５４の双方に、連通溝１００を設けてもよい。なお、連通溝１００は、当接部において周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。

連通溝１００を備えることで、例えば、封鎖部材６５が損傷して筒状空間５５内に軸方向通路６２内の冷却媒体が流出したときでも、連通溝１００を介して冷却媒体をタービンロータ１０の外部に排出することができる。これによって、ロータ構成部材５０の端面５１には、圧縮機側への力がかからないため、ボルト締結部の損傷を防止できる。

次に、軸流タービン１およびタービンロータ１０の冷却構造部６０の作用について、図１を参照して説明する。

まず、軸流タービン１の作用について説明する。

燃焼器（図示しない）で生成された燃焼ガスは、トランジションピース８５を通り軸流タービン１内に導入される。軸流タービン１内に導入された燃焼ガスは、初段の静翼３２に導かれる。そして、燃焼ガスは、初段の静翼３２から初段の動翼８０に向けて噴出される。

このようにして、燃焼ガスは、第２段以降の静翼３２および動翼８０を備える燃焼ガス流路１１０を流動し、膨張仕事をしながらタービンロータ１０を回転させる。最終段の動翼８０を通過した燃焼ガスは、排気室１１１を通り軸流タービン１から排出される。

次に、タービンロータ１０の冷却構造部６０の作用について説明する。

冷却媒体は、冷却媒体供給管８６を通り、トランジションピース８５が挿入された内部ケーシング２１内の空間８９に導かれる。この際、冷却媒体は、トランジションピース８５と冷却媒体供給管８６との間の環状の通路を通り空間８９に導かれる。

ここで、ロータ構成部材４０の外周面４０ａは、空間８９に導かれた冷却媒体によって冷却される。また、空間８９に導入される冷却媒体の圧力は、トランジションピース８５から噴出される燃焼ガスの圧力よりも高い。

空間８９に導かれた冷却媒体の一部は、入口６１ａから導入通路６１に流入する。導入通路６１に流入した冷却媒体は、導入通路６１を通り軸方向通路６２に流入する。軸方向通路６２に導く冷却媒体の流量は、例えば、導入通路６１の口径などによって調整される。

軸方向通路６２に導かれた冷却媒体は、軸方向通路６２を軸方向の排気側に向かって流れる。この際、軸方向通路６２の一端６２ａは、封鎖部材６５によって封鎖されているため、冷却媒体は、軸方向通路６２を一方の方向（排気側方向）に流れる。

また、軸方向通路６２一端６２ａは封鎖されているため、軸方向通路６２内の冷却媒体の圧力が筒状空間５５に及ぶこともない。

軸方向通路６２を軸方向の下流側に向かって流れる冷却媒体は、各タービン段落に対応して形成された各排出通路６３に流れ込む。排出通路６３に流れ込んだ冷却媒体は、排出通路６３を通り出口６３ａから、各タービン段落における遮熱ピース３３と外周面４０ａとの間の空間３５に噴出される。

なお、排出通路６３から排出される冷却媒体の圧力は、空間３５内の圧力よりも高い。ここで、ロータ構成部材４０（タービンロータ１０）は、導入通路６１、軸方向通路６２および排出通路６３に冷却媒体を流すことによって、内部から冷却される。

空間３５に噴出された冷却媒体は、遮熱ピース３３とロータホイール４５との隙間および内側シュラウド３１とロータホイール４５との隙間から、燃焼ガス流路１１０に流入する。燃焼ガス流路１１０に流入した冷却媒体は、燃焼ガスとともに燃焼ガス流路１１０を流れ、排気室１１１に排出される。

ここで、空間３５に面するロータ構成部材４０の外周面４０ａ、ロータホイール４５は、空間３５に流入する冷却媒体、および燃焼ガス流路１１０に流出する冷却媒体によって冷却される。

一方、空間８９に導かれた冷却媒体の残部は、外側シュラウド３０内、シール部３４、グランドシール部２３、２４に流れる。なお、例えば、冷却媒体は、外側シュラウド３０内に導かれて静翼３２の冷却に利用される。

上記した実施の形態のタービンロータ１０によれば、ボルト締結の接合部において、開口する軸方向通路６２の一端６２ａを封鎖部材６５によって封鎖することができる。これによって、軸動力を伝達する機能をボルト締結部が担い、軸方向通路６２の一端６２ａを封鎖する機能を封鎖部材６５が担う。

このように、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０との接合部において、軸動力伝達機能と、軸方向通路６２の封鎖機能とをそれぞれ別個の構造体で分担することができる。これによって、ロータ構成部材４０およびロータ構成部材５０の当接端面４３、５４は、超高圧の冷却媒体をシールするための機能を備えなくてよい。そのため、ボルト締結構造の過剰設計を回避し、ボルト締結部の構造を簡易な構造とすることができる。

また、軸方向通路６２の一端６２ａを封鎖部材６５によって封鎖することで、軸方向通路６２内の冷却媒体の圧力が筒状空間５５に及ばず、ロータ構成部材５０の端面５１には、圧縮機側への力がかからない。そのため、ボルト９０やナット９１に圧縮機側への力がかからない。これによって、ボルト締結構造の過剰設計を回避し、ボルト締結部の損傷を防止できる。

このように、実施の形態のタービンロータ１０においては、高い信頼性を有するボルト締結部を構成することができる。

ここで、上記したタービンロータ１０では、ロータ構成部材４０の端面４１の外縁側に環状溝部４２を備え、ロータ構成部材５０の端面５１の外縁側に環状突部５２を備える一例を示した。ボルト締結部におけるロータ構成部材４０の端面４１とロータ構成部材５０の端面５１との嵌め合い構造は、この構成に限られない。

図４は、実施の形態のタービンロータ１０の他の構成の接合部の子午断面を示した図である。

図４に示すように、ロータ構成部材４０の端面４１の外縁側に周方向に亘って軸方向に突出する環状突部１２０を備え、ロータ構成部材５０の端面５１の外縁側に周方向に亘って軸方向に凹んだ環状溝部１３０を備えてもよい。

具体的には、ロータ構成部材４０の端面（圧縮機側の端面）４１における外縁側（半径方向外側）において、周方向に亘って軸方向に突出する環状突部１２０を備える。すなわち、ロータ構成部材４０の端面の外縁側は、周方向に亘って軸方向の圧縮機側に突出する段部からなる環状突部１２０を備えている。

一方、ロータ構成部材５０の端面（排気側の端面）５１における外縁側（半径方向外側）において、周方向に亘って軸方向に凹んだ環状溝部１３０を備える。すなわち、ロータ構成部材５０の端面の外縁側は、周方向に亘って軸方向の圧縮機側に凹んだ段部からなる環状溝部１３０を備えている。

また、環状突部１２０の端面の内縁側（半径方向外側）には、周方向に亘って軸方向の排気側に凹んだ段部からなる環状凹部１２１が形成されている。

そして、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０は、環状溝部１３０と環状突部１２０とを嵌め合わせて連結されている。環状溝部１３０と環状突部１２０とを嵌め合わせて連結することで、軸方向に垂直な方向の位置合わせを容易に行うことができる。

環状溝部１３０と環状突部１２０とを嵌め合わせた際、環状溝部１３０の環状の底面である当接端面１３１と、環状突部１２０における環状凹部１２１よりも外縁側の当接端面１２２とが当接する。

当接端面１３１は、環状溝部１３０の環状の底面のうちの外縁側（半径方向外側）の環状の端面である。当接端面１２２は、環状突部１２０における環状凹部１２１よりも外縁側の環状の端面である。

なお、当接端面１２２は、第１の端面として機能し、当接端面１３１は、第２の端面として機能する。

ここで、図２に示した構成と同様に、ロータ構成部材４０とロータ構成部材５０との接合部の中央部には、間隙に形成される筒状空間５５を有する。また、図４に示すように、環状突部１２０の端面の内縁側（半径方向内側）に形成された環状凹部１２１と当接端面１２２との間には環状の隙間１４０を有する。この隙間１４０は、筒状空間５５に連通している。

この構成においても、当接端面１２２と当接端面１３１との当接部に、隙間１４０とタービンロータ１０の外部とを連通させる連通溝１００を備えてもよい。これによって、筒状空間５５は、隙間１４０および連通溝１００を介してタービンロータ１０の外部に連通する。なお、連通溝１００を備えることの作用効果は、前述したとおりである。

また、上記した軸流タービン１では、内側シュラウド３１の内側に遮熱ピース３３を備える一例を示したが、この構成に限られない。例えば、内側シュラウド３１の内側に遮熱ピース３３を備えなくてもよい。この場合、シール部は、内側シュラウド３１とロータ構成部材４０の外周面４０ａとの間に備えられる。

また、上記した実施の形態では、冷却構造部６０の軸方向通路６２が、タービンロータ１０の中心軸Ｏに沿って軸方向に形成されている一例を示したが、この構成に限られない。

軸方向通路６２は、例えば、ロータ構成部材４０の、タービンロータ１０の中心軸Ｏよりも半径方向外側かつロータ構成部材４０の外周面４０ａよりも半径方向内側に、軸方向に形成されてもよい。すなわち、軸方向通路６２は、中心軸Ｏとロータ構成部材４０の外周面４０ａとの間に形成されてもよい。

この場合においても、ボルト締結の接合部において、開口する軸方向通路６２の一端６２ａは封鎖部材６５によって封鎖される。そして、この場合においても、軸方向通路６２をタービンロータ１０の中心軸Ｏに沿って形成された場合のボルト締結構造における作用効果と同様の作用効果が得られる。

以上説明した実施形態によれば、ボルト締結構造を備え、締結部において冷却媒体の通路のシール機能を有するタービンロータにおいて、締結部における軸動力伝達機能とシール機能とをそれぞれ別個の構造体で分担することができるとともに、高い信頼性を有するボルト締結部を構成することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…軸流タービン、１０…タービンロータ、２０…外部ケーシング、２１…内部ケーシング、２２…パッキンヘッド、２３、２４、２５…グランドシール部、３０…外側シュラウド、３１…内側シュラウド、３２…静翼、３３…遮熱ピース、３４…シール部、３５、８７、８９…空間、４０、５０…ロータ構成部材、４０ａ…外周面、４１、５１…端面、４２、１３０…環状溝部、４３、５４、１２２、１３１…当接端面、４４、５６…ボルト孔、４５…ロータホイール、５２、１２０…環状突部、５３、１２１…環状凹部、５５…筒状空間、５８、１４０…隙間、６０…冷却構造部、６１…導入通路、６１ａ…入口、６２…軸方向通路、６２ａ…一端、６３…排出通路、６３ａ…出口、６４…筒状凹部、６４ａ…底面、６５…封鎖部材、６５ａ…一端面、６６…ねじ、８０…動翼、８１…シュラウドセグメント、８５…トランジションピース、８６…冷却媒体供給管、８８…貫通口、９０…ボルト、９１…ナット、１００…連通溝、１１０…燃焼ガス流路、１１１…排気室。

Claims (5)

1. 第１のロータ構成部材の第１の端面と第２のロータ構成部材の第２の端面とを当接させて、前記第１のロータ構成部材と前記第２のロータ構成部材をボルト締結によって接合して構成されるタービンロータであって、
   前記第１の端面に形成され、前記タービンロータの中心軸方向に凹む筒状凹部と、
   前記筒状凹部の底面から前記タービンロータの中心軸方向に穿孔され、冷却媒体を流す軸方向通路と、
   前記軸方向通路に冷却媒体を導入する導入通路と、
   前記軸方向通路から前記タービンロータの外周面に貫通し、冷却媒体を排出する排出通路と、
   前記筒状凹部に配置され、前記軸方向通路の一端を封鎖する封鎖部材と
   を具備することを特徴とするタービンロータ。
2. 前記第１の端面と前記第２の端面とが当接する当接部において、
   前記第１の端面が、
   前記第１の端面における外縁側において周方向に亘って形成され、前記タービンロータの中心軸方向に凹む環状溝部を備え、
   前記第２の端面が、
   前記第２の端面における外縁側において周方向に亘って形成され、前記タービンロータの中心軸方向に突出し、前記環状溝部と嵌り合う環状突部を備えることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
3. 前記第１の端面と前記第２の端面とが当接する当接部において、
   前記第１の端面における外縁側において周方向に亘って形成され、前記タービンロータの中心軸方向に突出する環状突部を備え、
   前記第２の端面が、
   前記第２の端面における外縁側において周方向に亘って形成され、前記タービンロータの中心軸方向に凹み、前記環状突部と嵌り合う環状溝部を備えることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
4. 前記封鎖部材は、前記第１のロータ構成部材にねじ締結されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービンロータ。
5. 前記筒状凹部が備えられた前記第１の端面と、前記筒状凹部に対向する前記第２の端面との間の間隙に形成される空間部と、
   前記第１の端面と前記第２の端面とが当接する当接部に形成され、前記空間部と前記タービンロータの外部とを連通させる連通溝と
   を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のタービンロータ。

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