JP7328794B2

JP7328794B2 - ロータディスク、ロータ軸、タービンロータ、及びガスタービン

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Publication number: JP7328794B2
Application number: JP2019097549A
Authority: JP
Inventors: 和樹北川; 真也橋本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2039-05-24
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Description

本発明は、ロータディスク、ロータ軸、タービンロータ、及びガスタービンに関する。

ガスタービンは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスにより駆動するタービンと、を有する。タービンは、軸線を中心として回転するタービンロータと、このタービンロータを覆うタービンケーシングと、を有する。タービンロータは、軸線を中心として回転し且つ軸線方向に延びているロータ軸と、複数の動翼列と、を有する。複数の動翼列は、軸線方向に並んでいる。複数の動翼列は、いずれも、軸線に対する周方向に並ぶ複数の動翼を有する。ロータ軸は、例えば、複数のロータディスクが軸線方向に積層されて構成されている。

以下の特許文献１には、ロータディスクの構成について開示されている。このロータディスクは、径方向外側を向く径方向外側面と、径方向内側を向く径方向内側面と、径方向外側面から径方向内側に凹み、周方向に並んでいる複数の翼根溝と、径方向内側面から径方向外側に凹んでいる複数の穴と、を有する。複数の翼根溝のそれぞれには、動翼の翼根が装着される。複数の穴は、複数の第一冷却孔と複数の第二冷却孔とを有する。第一冷却孔は、複数の翼根溝毎に設けられている。この第一冷却孔は、翼根溝に連通している。第一冷却孔には、ロータディスクの径方向内側面よりも径方向内側の空間を通ってきた空気が流れる。この空気は、翼根溝を経て、動翼の冷却空気流路内に流入し、動翼を冷却する。複数の第一冷却孔の間のそれぞれには、第二冷却孔が設けられている。

ロータディスクには、軸線を中心として回転しているときに、引張応力が発生する。ロータディスクに発生する引張応力は、冷却孔の開口近傍に集中する。冷却孔の開口近傍で応力が集中し、応力集中係数（＝最大応力／平均応力）が高くなると、ロータディスクの耐久性が低下する。そこで、特許文献１では、第一冷却孔の開口近傍での応力集中を緩和させるために、周方向で隣り合っている二つの第一冷却孔の間に第二冷却孔を形成することで、第一冷却孔の開口近傍での応力集中を緩和している。

特開２００９-２０３８７０号公報

本発明は、冷却孔の開口近傍での応力集中を緩和させ、ロータディスクの耐久性を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明に係る一態様のロータディスクは、
軸線に対する径方向であって、前記軸線から遠ざかる側である径方向外側を向く径方向外側面と、前記径方向であって、前記径方向外側とは反対側である径方向内側を向き、前記径方向外側面よりも前記径方向内側に位置している径方向内側面と、前記径方向外側面から前記径方向内側に凹み、前記軸線に対する周方向に並んでいる複数の翼根溝と、前記複数の翼根溝毎に形成されている穴群と、を有する。前記複数の翼根溝毎の穴群は、前記径方向内側面から前記径方向外側面に向かって凹み、前記周方向に並んでいる複数の穴を有する。前記複数の穴のうち、少なくとも一の穴は、前記径方向内側面から前記径方向外側面に貫通している冷却孔である。前記径方向における、前記複数の穴の両端の位置で、前記穴群の前記周方向における幅は、前記穴群の前記軸線が延びる軸線方向の幅より大きく、且つ前記複数の翼根溝毎の穴群相互間の前記周方向における間隔のうちで最小間隔よりも小さい。前記冷却孔は、前記翼根溝内に連通している。

本態様のロータディスクでは、径方向内側面よりも径方向内側の空間内の冷却媒体を、冷却孔及び翼根溝内を介して、動翼に導くことができる。このロータディスクには、軸線を中心として回転しているときに、引張応力が発生する。ロータディスクに発生する引張応力は、冷却孔の開口近傍に集中する。応力集中係数は、二つの穴の開口の間隔が小さくなるに連れて、小さくなる。これは、一つの穴の開口周りに発生する応力が、隣接する穴の開口周りに分散されるためである。

本態様では、穴群の周方向における幅である周方向群幅は、穴群の軸線方向の幅である軸線方向群幅より大きく、且つ複数の穴群相互間の周方向における間隔のうちで最小間隔である最小群間隔よりも小さい。穴群が、仮に、冷却孔を含めて複数の穴を有するとする。この場合、一つの穴群が有する二つの穴における周方向の穴間隔は最小群間隔よりも小さくなる。このため、この場合、一つの穴群が有する複数の穴における穴間隔が、ロータディスクに形成されている全穴が周方向に等間隔で並んでいる場合よりも、小さくなる。従って、この場合、冷却孔の開口近傍で応力集中が緩和し、ロータディスクの耐久性を向上させることができる。

また、仮に、穴群に含まれる冷却孔の断面における軸線方向の幅に対して、この冷却孔の断面における周方向の幅が大きいとする。前述したように、応力集中係数は、二つの穴の開口の間隔が小さくなるに連れて、小さくなる。従って、二つの穴の開口の間隔が小さくなり、二つの穴の開口が連なって、一つの開口になると、穴の開口周りに発生する応力が小さくなる。これは、二つの穴が連なっている方向に応力が分散されるためである。この場合の冷却孔は、二つの穴が周方向で連なった形状である。このため、この場合、冷却孔の開口周りに発生する応力が周方向に分散される。従って、この場合も、冷却孔の開口近傍で応力集中が緩和し、ロータディスクの耐久性を向上させることができる。

前記態様のロータディスクにおいて、前記径方向における、前記複数の穴の両端の位置で、前記穴群が有する前記複数の穴相互間の前記周方向における間隔のうちで最大穴間隔は、前記複数の翼根溝毎の穴群相互間の前記周方向における間隔のうちで最小間隔よりも小さくてもよい。

穴群が複数の穴を有している、以上のいずれかの態様のロータディスクにおいて、前記穴群が有する前記複数の穴の全てが前記冷却孔であってもよい。

以上のいずれかの前記態様のロータディスクにおいて、前記冷却孔の前記径方向外側面における開口の前記周方向の位置は、前記翼根溝の溝底面が存在する前記周方向の領域内であってもよい。

以上のいずれかの前記態様のロータディスクにおいて、前記径方向内側面のうち、前記穴群が有する前記穴の前記径方向内側面における開口周りの領域は、前記軸線及び前記穴を含む仮想平面上で前記穴が延びている方向に対して垂直であってもよい。

径方向内側面のうち、穴の径方向内側面における開口周りの領域が、仮に、軸線及び穴を含む仮想平面上で穴が延びている方向に対して傾斜した傾斜面（領域内面）であるとする。この場合、円柱状の穴の軸線下流側の母線と傾斜面との角における角度が鈍角になる一方で、円柱状の穴の軸線上流側の母線と傾斜面との角における角度が鋭角になる。このため、内側開口の縁のうちで、軸線上流側の位置の縁に応力が集中する。本態様では、円柱状の穴の軸線下流側の母線と領域内面との角における角度も、円柱状の穴の軸線上流側の母線と領域内面との角における角度も９０°になり、内側開口の縁のうちで、軸線上流側の位置の縁に応力が集中することを回避することができる。

上記目的を達成するための発明に係る一態様のロータ軸は、
以上のいずれかの前記態様の複数のロータディスクと、前記軸線方向に並べられた前記複数のロータディスクを前記軸線方向に貫通して、前記複数のロータディスクを接続するスピンドルボルトと、を有する。

上記目的を達成するための発明に係る一態様のタービンロータは、
前記態様のロータ軸と、前記複数のロータディスクのそれぞれの前記翼根溝に装着されている動翼と、を備える。

上記目的を達成するための発明に係る一態様のガスタービンは、
前記態様のタービンロータと、前記タービンロータの外周を覆うタービンケーシングと、を備える。

本発明の一態様によれば、冷却孔の開口近傍での応力集中を緩和させ、ロータディスクの耐久性を向上させることができる。

本発明に係る一実施形態としてのガスタービンの構成を示す模式図である。本発明に係る一実施形態としてのタービンの要部断面図である。本発明に係る一実施形態としてのタービンディスクの要部斜視図である。本発明に係る第一実施形態としてのディスク本体及び動翼を軸線上流側から見た図である。図４におけるディスク本体のＶ－Ｖ線断面図である。本発明に係る第一実施形態としてのロータディスクの要部断面図である。本発明に係る第一実施形態としてのディスク本体を径方向外側から見た図である。応力集中係数と穴の開口間隔との関係を示すグラフである。本発明に係る第二実施形態としてのディスク本体を径方向外側から見た図である。図９におけるＸ－Ｘ線断面図である。本発明に係る第三実施形態としてのタービンディスクの要部断面図である。本発明に係る第三実施形態としてのディスク本体を径方向外側から見た図である。図１１におけるＸIII－ＸIII線断面図である。本発明に係る第三実施形態の第一変形例としてのディスク本体を径方向外側から見た図である。本発明に係る第三実施形態の第二変形例としてのディスク本体を径方向外側から見た図である。本発明に係る第一実施形態の変形例としてのロータディスクの要部断面図である。

以下、本発明に係るロータディスクを含むガスタービンの実施形態、さらに、ロータディスクの各種実施形態について、図面を参照して説明する。

「ガスタービンの実施形態」
本発明に係るガスタービンの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態のガスタービン１０は、空気Ａを圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された空気Ａ中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスＧを生成する燃焼器３０と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン４０と、を備える。

圧縮機２０は、軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ２１と、圧縮機ロータ２１を覆う圧縮機ケーシング２５と、複数の静翼列２６と、を有する。タービン４０は、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ４１と、タービンロータ４１を覆うタービンケーシング４５と、複数の静翼列４６と、を有する。なお、以下では、軸線Ａｒが延びる方向を軸線方向Ｄａ、この軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとし、軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。また、軸線方向Ｄａに一方側を軸線上流側Ｄａｕ、その反対側を軸線下流側Ｄａｄとする。また、径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉ、その反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。

本実施形態のガスタービン１０は、さらに、中間ケーシング１６を備える。圧縮機２０は、タービン４０に対して軸線上流側Ｄａｕに配置されている。中間ケーシング１６は、軸線方向Ｄａで、圧縮機ケーシング２５とタービンケーシング４５との間に配置され、圧縮機ケーシング２５とタービンケーシング４５とを接続する。圧縮機ロータ２１とタービンロータ４１とは、同一軸線Ａｒ上に位置し、互いに接続されてガスタービンロータ１１を成す。このガスタービンロータ１１には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが接続されている。また、圧縮機ケーシング２５と中間ケーシング１６とタービンケーシング４５とは、互いに接続されてガスタービンケーシング１５を成す。

圧縮機ロータ２１は、軸線Ａｒを中心として軸線方向Ｄａに延びるロータ軸２２と、このロータ軸２２に取り付けられている複数の動翼列２３と、を有する。複数の動翼列２３は、軸線方向Ｄａに並んでいる。各動翼列２３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成されている。複数の動翼列２３の各軸線下流側Ｄａｄには、静翼列２６が配置されている。各静翼列２６は、圧縮機ケーシング２５の内側に設けられている。各静翼列２６は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼で構成されている。

タービンロータ４１は、軸線Ａｒを中心として軸線方向Ｄａに延びるロータ軸４２と、このロータ軸４２に取り付けられている複数の動翼列４３と、を有する。複数の動翼列４３は、軸線方向Ｄａに並んでいる。各動翼列４３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼４４で構成されている。複数の動翼列４３の各軸線上流側Ｄａｕには、静翼列４６が配置されている。各静翼列４６は、タービンケーシング４５の径方向内側に設けられている。各静翼列４６は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼４７で構成されている。

図２に示すように、タービンケーシング４５は、その外殻を構成する筒状の外側ケーシング４５ａと、外側ケーシング４５ａの径方向内側に固定されている内側ケーシング４５ｂと、内側ケーシング４５ｂの径方向内側に固定されている複数の遮熱環４５ｃと、複数の遮熱環４５ｃのそれぞれの径方向内側に固定されている分割環４５ｄと、を有する。複数の分割環４５ｄは、いずれも、複数の静翼列４６の相互の間の位置に設けられている。従って、各分割環４５ｄの径方向内側Ｄｒｉには、動翼列４３が配置されている。また、複数の遮熱環４５ｃのぞれぞれの径方向内側Ｄｒｉには、静翼４７も固定されている。

ロータ軸４２の外周側とタービンケーシング４５の内周側との間であって、軸線方向Ｄａで静翼４７及び動翼４４が配置されている環状の空間は、燃焼器３０からの燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路４９を成す。

本実施形態のガスタービン１０には、図１に示すように、冷却装置５０が設けられている。この冷却装置５０は、ガスタービン部品のうちで、高温の燃焼ガスに接する高温部品を冷却する装置である。冷却装置５０は、中間ケーシング１６内の圧縮空気を抽気する抽気ライン５１と、この抽気ライン５１に設けられている冷却器５２と、冷却器５２で冷却された圧縮空気を冷却空気として高温部品の一つであるタービンロータ４１に導く冷却空気ライン５３と、冷却空気ライン５３に設けられ冷却空気を昇圧する昇圧機５４と、を有する。タービン４０のロータ軸４２には、冷却空気流路４２ｐが形成されている。冷却空気流路４２ｐは、ロータ軸４２に取り付けられている複数の動翼４４のところまで延びている。

ロータ軸４２は、図２に示すように、軸線方向Ｄａに並ぶ複数のロータディスク４２ｄと、複数のロータディスク４２ｄを軸線方向Ｄａに貫通して、複数のロータディスク４２ｄ相互を接続するスピンドルボルト４２ｓと、を有する。一の動翼列４３を構成する複数の動翼４４は、一のロータディスク４２ｄに取り付けられている。動翼４４は、翼形を成している翼体４４ｂと、この翼体４４ｂの径方向内側Ｄｒｉに形成されているプラットフォーム４４ｆと、プラットフォーム４４ｆの径方向内側Ｄｒｉに形成されている翼根４４ｒと、を有する。動翼４４には、冷却空気が流れる冷却空気通路４４ｐが形成されている。翼根４４ｒで、径方向内側Ｄｒｉを向く底面には、この冷却空気通路４４ｐの入口開口が形成されている。

図１に示すように、圧縮機２０は、空気Ａを圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮空気は、圧縮機２０から中間ケーシング１６内に流入する。中間ケーシング１６内に流入した圧縮空気の一部は、燃焼器３０内に流入する。燃焼器３０には、燃料Ｆが供給される。燃焼器３０内では、圧縮空気中で燃料Ｆが燃焼して、高温高圧の燃焼ガスＧが生成される。この燃焼ガスＧは、燃焼器３０からタービン４０内の燃焼ガス流路４９に送られる。燃焼ガスＧは、燃焼ガス流路４９を軸線下流側Ｄａｄへ流れる過程で、タービンロータ４１を回転させる。このタービンロータ４１の回転で、ガスタービンロータ１１に接続されている発電機ＧＥＮのロータが回転する。この結果、発電機ＧＥＮは発電する。

タービン４０の動翼４４や静翼４７は、高温の燃焼ガスＧに晒される。このため、動翼４４や静翼４７は、冷却媒体で冷却される。本実施形態の動翼４４は、冷却装置５０からの冷却空気により冷却される。圧縮機２０で生成された圧縮空気の一部は、中間ケーシング１６から抽気される。この圧縮空気は、抽気ライン５１を経て、冷却器５２に流入し、ここで冷却される。冷却器５２で冷却された圧縮空気は、昇圧機５４で昇圧されてから、冷却空気ライン５３を経て、冷却空気Ａｃとして、ロータ軸４２の冷却空気流路４２ｐ内に流入する。この冷却空気Ａｃは、ロータ軸４２の冷却空気流路４２ｐから動翼４４の冷却空気通路４４ｐ内に流入し、動翼４４を冷却する。

以上で説明したロータディスク４２ｄは、以下のいずれかの実施形態及び変形例で説明するロータディスクである。

「ロータディスクの第一実施形態」
以下、図２～図８を参照して、本実施形態のロータディスクについて説明する。

図２及び図３に示すように、本実施形態のロータディスク６０は、ディスク本体６１と、シールリング８５と、シールキャップ８８と、を有する。

ディスク本体６１は、大径部６２と、小径部７２と、複数の張出部８１，８３と、を有する。大径部６２及び小径部７２は、いずれも、軸線Ａｒを中心としてほぼ円柱状である。大径部６２の半径は、小径部７２の半径よりも大きい。小径部７２は、大径部６２の軸線上流側Ｄａｕに設けられている。張出部８１，８３は、小径部７２の軸線上流側Ｄａｕの面から軸線上流側Ｄａｕに張り出している上流側張出部８１と、大径部６２の軸線下流側Ｄａｄの面から軸線下流側Ｄａｄに張り出している下流側張出部８３と、を有する。

大径部６２は、径方向外側Ｄｒｏを向いている外周面６３と、この外周面６３から径方向内側Ｄｒｉに向かって凹んでいる複数の翼根溝６４と、を有する。複数の翼根溝６４は、周方向Ｄｃに等間隔で並んでいる。複数の翼根溝６４のそれぞれには、動翼４４の翼根４４ｒが装着される。

小径部７２は、図３～図６に示すように、径方向外側Ｄｒｏを向いている外周面７３と、軸線上流側Ｄａｕを向いている前面７４と、外周面７３から径方向外側Ｄｒｏに凹んでいる複数の連通溝７５と、前面７４から軸線下流側Ｄａｄに凹み且つ軸線Ａｒに対して周方向Ｄｃに延びている環状溝７６と、を有する。複数の連通溝７５のそれぞれは、周方向Ｄｃで、複数の翼根溝６４のうちのいずれか一の翼根溝６４と同じ位置に形成されている。軸線Ａｒから連通溝７５の溝底面７５ｂまでの距離は、軸線Ａｒから翼根溝６４の溝底面６４ｂまでの距離とほぼ等しい。このため、複数の連通溝７５のそれぞれは、複数の翼根溝６４のうちのいずれか一の翼根溝６４と連通している。環状溝７６は、径方向外側Ｄｒｏを向く内側溝側面７６ｉと、径方向内側Ｄｒｉを向く外側溝側面７６ｏと、軸線上流側Ｄａｕを向く溝底面７６ｂと、を有する。内側溝側面７６ｉは、外側溝側面７６ｏよりも径方向内側Ｄｒｉに位置している。環状溝７６の内側溝側面７６ｉの一部は、連通溝７５の溝底面７５ｂを形成する。このため、環状溝７６は、複数の連通溝７５と連通している。環状溝７６の内側溝側面７６ｉ、連通溝７５の溝底面７５ｂ、及び翼根溝６４の溝底面６４ｂは、いずれも径方向外側Ｄｒｏを向く径方向外側面である。

小径部７２は、さらに、周方向Ｄｃに並んでいる複数の穴群７７を有する。複数の穴群７７は、複数の翼根溝６４毎に設けられている。つまり、一の翼根溝６４に対して、一の穴群７７が設けられている。一の穴群７７は、上流側張出部８１の径方向内側面８２から径方向外側Ｄｒｏに向かって凹んでいる複数の穴、本実施形態では２つの穴を有する。なお、上流側張出部８１の径方向内側面８２は、小径部７２の径方向外側面７６ｉ，７５ｂ及び大径部６２の溝底面６４ｂよりも径方向内側Ｄｒｉに位置している。本実施形態において、複数の穴は、いずれも、上流側張出部８１の径方向内側面８２から連通溝７５の溝底面７５ｂ（環状溝７６の内側溝側面７６ｉ）である径方向外側面に貫通した冷却孔７８を形成する。一の連通溝７５の溝底面７５ｂには、二の冷却孔７８が開口している。以下、この開口を外側開口７８ｏとする。前述したように、連通溝７５は、翼根溝６４と連通している。従って、冷却孔７８は、連通溝７５内の空間を介して、翼根溝６４内の空間と連通している。冷却孔７８の断面形状は、円である。なお、ここでの断面は、冷却孔７８が延びている方向に対して垂直な方向に広がる面である。複数の冷却孔７８は、周方向Ｄｃに並んでいる。

上流側張出部８１の径方向内側Ｄｒｉは、冷却装置５０からの冷却空気が流入する冷却空気空間（図２参照）になる。よって、この冷却空気空間に流入した冷却空気は、冷却孔７８、連通溝７５内の空間を経て、翼根溝６４内に流入する。翼根溝６４内の空間に流入した冷却空気は、動翼４４の冷却空気通路４４ｐ内に流入する。よって、本実施形態において、図２を用いて説明したロータ軸４２の冷却空気流路４２ｐは、冷却空気空間、冷却孔７８、連通溝７５内の空間、翼根溝６４内の空間を有している。

シールリング８５は、周方向Ｄｃに延びるリング片８６と、複数の仕切片８７と、を有する。リング片８６は、環状溝７６の開口における周方向Ｄｃの一部を塞ぐ。仕切片８７は、リング片８６の軸線下流側Ｄａｄの面から軸線下流側Ｄａｄに突出して、環状溝７６内を周方向Ｄｃで仕切る。

シールキャップ８８は、図３及び図６に示すように、連通溝７５の開口を塞ぐ。このシールキャップ８８は、シールリング８５及び翼根４４ｒに接して、両者の隙間を埋める。

図３及び図７に示すように、冷却孔７８の外側開口７８ｏにおける周方向Ｄｃの位置は、翼根溝６４の溝底面６４ｂが存在する周方向Ｄｃの領域Ｒｂ内である。シールリング８５の複数の仕切片８７のそれぞれは、周方向Ｄｃにおいて、この領域Ｒｂと、この翼根溝６４に隣接する他の翼根溝６４の溝底面６４ｂが存在する周方向Ｄｃの領域Ｒｂとの間に位置する。このため、環状溝７６内の空間は、仕切片８７により、周方向Ｄｃにおいて、ある翼根溝６４が存在する部分の空間と、この翼根溝６４に周方向Ｄｃで隣接する他の翼根溝６４が存在する部分の空間とが仕切られる。

複数の穴群７７のそれぞれの周方向Ｄｃにおける幅である周方向群幅ｄｇｃは、複数の穴群７７のそれぞれの軸線方向Ｄａの幅である軸線方向群幅ｄｇａより大きく、且つ複数の穴群７７相互間の周方向Ｄｃにおける間隔である群間隔のうちで最小群間隔ｄｇよりも小さい。軸線方向群幅ｄｇａは、冷却孔７８の円形の外側開口７８ｏの直径に一致する。複数の穴群７７のそれぞれの周方向Ｄｃにおける幅である周方向群幅ｄｇｃは、互いに同じである。周方向Ｄｃの隣り合う二つの穴群７７の群間隔ｄｇは、周方向Ｄｃで隣り合う他の二つの穴群７７の群間隔ｄｇと同じである。すなわち、各群間隔ｄｇは、互いに同じである。よって、本実施形態において、各群間隔ｄｇは、最小群間隔ｄｇでもある。一つの穴群７７を構成する二つの冷却孔７８における周方向Ｄｃの間隔である穴間隔ｄｈは、周方向群幅ｄｇｃから冷却孔７８の直径（＝ｄｇａ）の２倍を引いた寸法（＝ｄｇｃ－２・ｄｇａ）である。よって、各寸法の大小関係は、以下の通りである。
ｄｇ＞ｄｇｃ＞（ｄｇａ，ｄｈ）
ｄｇａとｄｈとの大小関係は問わない。

なお、以上で説明した各寸法の大小関係は、冷却孔７８の外側開口７８ｏが形成されている径方向外側面７６ｉでの大小関係である。但し、本実施形態において、冷却孔７８の内側開口７８ｉが形成されている径方向内側面８２での各寸法の大小関係、及び、径方向外側面７６ｉと径方向内側面８２との間の位置での各寸法の大小関係は、径方向外側面７６ｉでの各寸法の大小関係と同じである。

図８に示すように、応力集中係数は、二つの穴の開口の間隔が小さくなるに連れて、小さくなる。これは、一つの穴の開口周りに発生する応力が、隣接する穴の開口周りに分散されるためである。なお、応力集中係数とは、部材に発生する最大応力σmaxをその部材に発生する平均応力σaveで割った値（＝σmax／σave）である。

本実施形態では、前述したように、周方向群幅ｄｇｃが最小群間隔ｄｇよりも小さい。よって、一つの穴群７７を構成する二つの冷却孔７８における穴間隔ｄｈは最小群間隔ｄｇよりも小さい。このため、本実施形態では、一つの穴群７７を構成する二つの冷却孔７８における穴間隔ｄｈが、小径部７２に形成される全冷却孔７８が周方向Ｄｃに等間隔で並んでいる場合よりも、小さくなる。従って、本実施形態では、冷却孔７８の開口近傍で応力集中が緩和し、ロータディスク６０の耐久性を向上させることができる。

「ロータディスクの第二実施形態」
以下、図９及び図１０を参照して、本実施形態のロータディスクについて説明する。

本実施形態のロータディスク６０ａは、第一実施形態のロータディスク６０に対して、複数の穴群の構成が異なっており、その他の構成は第一実施形態のロータディスク６０と基本的に同じである。そこで、以下では、本実施形態のロータディスク６０ａにおける複数の穴群について主として説明する。

図９に示すように、本実施形態において、複数の穴群７７ａのそれぞれは、上流側張出部８１の径方向内側面８２から径方向底側に向かって凹んでいる３つの穴を有する。３つの穴のうち、二つの穴は、いずれも、上流側張出部８１の径方向内側面８２から連通溝７５の溝底面７５ｂ（環状溝７６の内側溝側面７６ｉ）である径方向外側面に貫通した冷却孔７８を形成する。残りの一つの穴７９も、冷却孔７８と同様、上流側張出部８１の径方向内側面８２から環状溝７６の内側溝側面７６ｉである径方向外側面に貫通している。この穴７９は、さらに、環状溝７６の外側溝側面７６ｏから小径部７２の外周面７３に貫通している。この穴７９は、冷却空気Ａｃが通る孔として機能しない捨て穴である。小径部７２の外周面７３における捨て穴７９の開口は、図１０に示すように、プラグ８９で塞がれている。

冷却孔７８の外側開口７８ｏにおける周方向Ｄｃの位置は、第一実施形態の冷却孔７８と同様、翼根溝６４の溝底面６４ｂが存在する周方向Ｄｃの領域Ｒｂ内である。環状溝７６の内側溝側面７６ｉ（径方向外側面）における捨て穴７９の外側開口７９ｏの周方向Ｄｃの位置は、翼根溝６４の溝底面６４ｂが存在する周方向Ｄｃの領域Ｒｂからズレている。シールリング８５の複数の仕切片８７のうち、一の仕切片８７は、周方向Ｄｃにおいて、一つの穴群７７ａが有する二つの冷却孔７８のうち、この穴群７７ａが有する捨て穴７９に最も近い冷却孔７８とこの捨て穴７９との間に位置する。また、他の一の仕切片８７は、周方向Ｄｃにおいて、この穴群７７ａと、この穴群７７ａに隣接する他の穴群７７ａとの間に位置する。このため、環状溝７６内の空間は、仕切片８７により、周方向Ｄｃにおいて、翼根溝６４が存在する部分（二つの冷却孔７８の外側開口７８ｏが存在する部分）の空間と、この翼根溝６４が存在しない部分の空間とが仕切られる。よって、捨て穴７９と翼根溝６４内とは連通していない。このため、仮に、捨て穴７９内に冷却空気Ａｃが流入したとしても、この冷却空気Ａｃは、翼根溝６４を介して、動翼４４の冷却空気通路４４ｐには流入できない。

複数の穴群７７ａのそれぞれの周方向群幅ｄｇｃは、第一実施形態と同様、複数の穴群７７ａのそれぞれの軸線方向群幅ｄｇａより大きく、且つ複数の穴群７７ａ相互間の最小群間隔ｄｇ１よりも小さい。軸線方向群幅ｄｇａは、冷却孔７８の円形の外側開口７８ｏの直径に一致する。本実施形態においても、複数の穴群７７ａのそれぞれの周方向群幅ｄｇｃは、互いに同じである。周方向Ｄｃの隣り合う二つの穴群７７ａの群間隔ｄｇ１は、周方向Ｄｃで隣り合う他の二つの穴群７７ａの群間隔ｄｇ１と同じである。すなわち、各群間隔ｄｇ１は、互いに同じである。よって、本実施形態において、各群間隔ｄｇ１は、最小群間隔ｄｇ１でもある。一つの穴群７７ａが有する二つの冷却孔７８における周方向Ｄｃの穴間隔は、第一穴間隔ｄｈ１である。また、この穴群７７ａが有する二つの冷却孔７８のうち、この穴群７７ａが有する捨て穴７９に最も近い冷却孔７８とこの捨て穴７９との周方向Ｄｃの穴間隔は、第二穴間隔ｄｈ２である。第一穴間隔ｄｈ１と第二穴間隔ｄｈ２とのうち、一方が最大穴間隔であり、他方が最小穴間隔である。
ｄｇ１＞ｄｇｃ＞（ｄｇａ，ｄｈ１，ｄｈ２）
ｄｇａとｄｈ１とｄｈ２との大小関係は問わない。

なお、以上で説明した各寸法の大小関係は、冷却孔７８の外側開口７８ｏ及び捨て穴７９の外側開口７８ｏが形成されている径方向外側面７６ｉでの大小関係である。但し、本実施形態において、冷却孔７８の内側開口７８ｉ及び捨て穴７９の内側開口７８ｉが形成されている径方向内側面８２での各寸法の大小関係、及び、径方向外側面７６ｉと径方向内側面８２との間の位置での各寸法の大小関係は、径方向外側面７６ｉでの各寸法の大小関係と同じである。

本実施形態では、以上のように、周方向群幅ｄｇｃが最小群間隔ｄｇ１よりも小さい。
よって、一つの穴群７７ａを構成する三つ穴における穴間隔ｄｈ１，ｄｈ２は最小群間隔ｄｇ１よりも小さい。このため、本実施形態でも、冷却孔７８の開口近傍で応力集中が緩和し、ロータディスク６０ａの耐久性を向上させることができる。特に、本実施形態では、穴群７７ａを構成する穴の数が第一実施形態の穴群７７を構成する穴の数より一つ多いので、第一実施形態よりも、冷却孔７８の開口近傍での応力集中を緩和させることができる。

なお、本実施形態の穴群７７ａ及び第一実施形態の穴群７７は、二つの冷却孔７８を有するが、一つの冷却孔７８でも動翼４４を冷却するための冷却空気の流量が必要十分な量である場合には、二つの冷却孔７８のうちの一つを捨て穴７９にしてもよい。また、本実施形態の穴群７７ａは、三つの穴のうちの一つを捨て穴７９にしているが、三つの穴の全てを冷却孔７８にしてもよい。さらに、本実施形態の穴群７７ａは、三つの穴を有するが、四つ以上の穴を有してもよい。この場合、四つ以上の穴のうち、少なくとも一つが冷却孔７８である必要がある。

ロータディスク６０ａに発生する前述の引張応力は、小径部７２の径方向外側面７６ｉ，よりも径方向内側面８２の方が大きい。このため、冷却孔７８の内側開口７８ｉ周りに発生する応力も、冷却孔７８の外側開口７８ｏ周りに発生する応力より大きい。よって、穴群７７ａが有する複数の穴の全ては、小径部７２の径方向内側面８２で開口している必要がある。一方、穴群７７ａが有する複数の穴の全ては、小径部７２の径方向外側面７６ｉで開口している必要がない。このため、穴群７７ａが有する複数の穴のうちの一つである捨て穴７９は、小径部７２の径方向外側面７６ｉで開口していなくてもよい。

「ロータディスクの第三実施形態」
以下、図１１～図１３を参照して、本実施形態のロータディスクについて説明する。

本実施形態のロータディスク６０ｂは、第一実施形態のロータディスク６０に対して、複数の穴群の構成が異なっており、その他の構成は第一実施形態のロータディスク６０と基本的に同じである。そこで、以下では、本実施形態のロータディスク６０における複数の穴群７７ａについて主として説明する。

図１１～図１３に示すように、本実施形態において、複数の穴群７７ｂのそれぞれは、上流側張出部８１の径方向内側面８２から径方向底側に向かって凹んでいる一つの穴を有する。この穴は、上流側張出部８１の径方向内側面８２から連通溝７５の溝底面７５ｂ（環状溝７６の内側溝側面７６ｉ）である径方向外側面に貫通した冷却孔７８ｂを形成する。この冷却孔７８ｂは、この冷却孔７８ｂが延びる径方向Ｄｒに対して垂直な面での断面形状が長円である。よって、図１２に示すように、この冷却孔７８ｂの内側開口７８ｉの形状も、図１３に示すように、この冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏの形状も、長円である。なお、長円とは、陸上トラックの形状であり、互いに間隔をあけて対向する二つの半円弧を互いに平行な二本の直線で接続した形状である。本実施形態において、この長円の長手方向は、周方向Ｄｃである。このため、冷却孔７８ｂの内側開口７８ｉにおける周方向Ｄｃの幅である周方向開口幅ｄｈｃは、この内側開口７８ｉの軸線方向Ｄａの幅である軸線方向開口幅ｄｈａより大きい。また、冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏにおける周方向Ｄｃの幅である周方向開口幅ｄｈｃも、この外側開口７８ｏの軸線方向Ｄａの幅である軸線方向開口幅ｄｈａより大きい。

冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏにおける周方向Ｄｃの位置は、第一実施形態の冷却孔７８と同様、翼根溝６４の溝底面６４ｂが存在する周方向Ｄｃの領域Ｒｂ内である。シールリング８５の複数の仕切片８７のそれぞれは、周方向Ｄｃにおいて、この領域Ｒｂと、この翼根溝６４に隣接する他の翼根溝６４の溝底面６４ｂが存在する周方向Ｄｃの領域Ｒｂとの間に位置する。このため、環状溝７６内の空間は、仕切片８７により、周方向Ｄｃにおいて、ある翼根溝６４が存在する部分の空間と、この翼根溝６４に周方向Ｄｃで隣接する他の翼根溝６４が存在する部分の空間とが仕切られる。

複数の穴群７７ｂのそれぞれの周方向群幅ｄｇｃは、冷却孔７８ｂの周方向開口幅ｄｈｃと等しい。周方向群幅ｄｇｃ及び周方向開口幅ｄｈｃは、複数の穴群７７ｂのそれぞれの軸線方向群幅ｄｇａより大きく、且つ複数の穴群７７ｂ相互間の周方向Ｄｃにおける間隔である群間隔のうちで最小群間隔ｄｇ２よりも小さい。軸線方向群幅ｄｇａは、冷却孔７８ｂの軸線方向開口幅ｄｈａと等しい。複数の穴群７７ｂのそれぞれの周方向群幅ｄｇｃは、互いに同じである。周方向Ｄｃの隣り合う二つの穴群７７ｂの群間隔ｄｇ２は、周方向Ｄｃで隣り合う他の二つの穴群７７ｂの群間隔ｄｇ２と同じである。すなわち、各群間隔ｄｇ２は、互いに同じである。よって、本実施形態において、各群間隔ｄｇ２は、最小群間隔ｄｇ２でもある。各寸法の大小関係は、以下の通りである。
ｄｇ２＞ｄｇｃ＝ｄｈｃ＞ｄｇａ＝ｄｈａ

なお、以上で説明した各寸法の大小関係は、冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏが形成されている径方向外側面７５ｂでの大小関係である。但し、本実施形態において、冷却孔７８ｂの内側開口７８ｉが形成されている径方向内側面８２での各寸法の大小関係、及び、径方向外側面７５ｂと径方向内側面８２との間の位置での各寸法の大小関係は、径方向外側面７５ｂでの各寸法の大小関係と同じである。

本実施形態において、冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏ及び内側開口７８ｉは、二つの穴の開口が周方向Ｄｃで連なった形状である。このため、本実施形態において、冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏ周りに発生する応力及び内側開口７８ｉ周りに発生する応力は、周方向Ｄｃに分散される。従って、本実施形態でも、冷却孔７８ｂの開口近傍で応力集中が緩和し、ロータディスク６０の耐久性を向上させることができる。

本実施形態の冷却孔７８ｂは、内側開口７８ｉの形状も外側開口７８ｏの形状も長円である。前述したように、冷却孔７８ｂの内側開口７８ｉ周りに発生する応力は、冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏ周りに発生する応力より大きい。このため、冷却孔７８ｂの内側開口７８ｉの形状が長円で、この冷却孔７８ｂの外側開口７８ｏの形状が円であってもよい。また、冷却孔７８ｂの開口は、冷却孔７８ｂの周方向開口幅ｄｈｃが軸線方向開口幅ｄｈａより大きければ、周方向Ｄｃに長い長円である必要はない。具体的に、図１４に示すように、冷却孔７８ｃの開口の形状は、二つの円の一部が周方向Ｄｃで重なり合った形状でもよい。また、図１５に示すように、冷却孔７８ｄの開口の形状は、周方向Ｄｃに長い楕円形状でもよい。

また、本実施形態の穴群７７ｂも、第二実施形態と同様に、冷却孔７８ｂの他に、捨て穴７９を有してもよい。

「各種変形例」
第一実施形態及び第三実施形態のロータディスクは、環状溝７６を有する。しかしながら、第一実施形態及び第三実施形態のロータディスクは、環状溝７６がなくてもよい。環状溝７６がない場合、この環状溝７６の開口を塞ぐシールリング８５は、不要になる。

以上で説明した各実施形態において、複数の穴群は、周方向Ｄｃに等間隔で並んでいる。しかしながら、複数の穴群は、周方向Ｄｃに並びつつも、等間隔でなくてもよい。

以上で説明した各実施形態において、径方向内側面８２のうち、穴の内側開口周りの領域は、軸線Ａｒ及び穴を含む仮想平面上で穴が延びている方向に対して、つまり径方向に対して傾斜している。言い換えると、径方向内側面８２における内側開口周りの領域は、図６等に示すように、軸線下流側Ｄａｄに向かうに連れて次第に径方向内側Ｄｒｉに向かう傾斜面である。この場合、円柱状の穴の軸線下流側Ｄａｄの母線と傾斜面との角における角度θｄが鈍角になる一方で、円柱状の穴の軸線上流側Ｄａｕの母線と傾斜面との角における角度θｕが鋭角になる。このため、内側開口の縁のうちで、軸線上流側Ｄａｕの位置の縁に応力が集中する。そこで、図１６に示すように、径方向内側面８２のうち、穴の内側開口周りの領域内面８２ａは、軸線Ａｒ及び穴を含む仮想平面上で穴が延びている方向に対して、垂直であることが好ましい。このようにすることで、円柱状の穴の軸線下流側Ｄａｄの母線と領域内面８２ａとの角における角度も、円柱状の穴の軸線上流側Ｄａｕの母線と領域内面８２ａとの角における角度も９０°になり、内側開口７８ｉの縁のうちで、軸線上流側Ｄａｕの位置の縁に応力が集中することを回避することができる。

以上で説明した各実施形態において、穴が延びる方向は、軸線Ａｒに対して垂直な径方向である。しかしながら、穴が延びる方向は、径方向外側Ｄｒｏに向かうに連れて次第に軸線下流側Ｄａｄに向かう方向に傾斜していてもよい。このように穴が延びる方向を傾斜させると、径方向内側面８２のうちで内側開口７８ｉ周りの領域が、前述したように、軸線下流側Ｄａｄに向かうに連れて次第に径方向内側Ｄｒｉに向かう傾斜面であっても、この傾斜面に対して穴が延びている方向を垂直にすることができる。また、このように穴が延びる方向を傾斜させると、連通溝７５内の空間を介することなく、冷却孔７８ｂを翼根溝６４内の空間に直接連通させることができる。

１０：ガスタービン
１１：ガスタービンロータ
１５：ガスタービンケーシング
１６：中間ケーシング
２０：圧縮機
２１：圧縮機ロータ
２２：ロータ軸
２３：動翼列
２５：圧縮機ケーシング
２６：静翼列
３０：燃焼器
４０：タービン
４１：タービンロータ
４２：ロータ軸
４２ｐ：冷却空気流路
４２ｄ，６０，６０ａ，６０ｂ：ロータディスク
４２ｓ：スピンドルボルト
４３：動翼列
４４：動翼
４４ｂ：翼体
４４ｆ：プラットフォーム
４４ｒ：翼根
４４ｐ：冷却空気通路
４５：タービンケーシング
４５ａ：外側ケーシング
４５ｂ：内側ケーシング
４５ｃ：遮熱環
４５ｄ：分割環
４６：静翼列
４７：静翼
４９：燃焼ガス流路
５０：冷却装置
５１：抽気ライン
５２：冷却器
５３：冷却空気ライン
５４：昇圧機
６１：ディスク本体
６２：大径部
６３：外周面（又は径方向外側面）
６４：翼根溝
６４ｂ：溝底面（又は径方向外側面）
７２：小径部
７３：外周面
７４：前面
７５：連通溝
７５ｂ：溝底面（又は径方向外側面）
７６：環状溝
７６ｉ：内側溝側面（又は径方向外側面）
７６ｏ；外側溝側面
７６ｂ：溝底面
７７，７７ａ，７７ｂ：穴群
７８，７８ｂ，７８ｃ，７８ｄ：冷却孔
７８ｉ：内側開口
７８ｏ：外側開口
７９：捨て穴
８１：上流側張出部
８２：径方向内側面
８２ａ：領域内面
８３：下流側張出部
８５：シールリング
８６：リング片
８７：仕切片
８８：シールキャップ
８９：プラグ
Ａ：空気
Ａｃ：冷却空気
Ｆ：燃料
Ｇ：燃焼ガス
ｄｈ：穴間隔
ｄｈｃ：周方向開口幅
ｄｈａ：軸線方向開口幅
ｄｇｃ：周方向群幅
ｄｇａ：軸線方向群幅
ｄｇ：最小群間隔
Ａｒ：軸線
Ｄａ：軸線方向
Ｄａｕ：軸線上流側
Ｄａｄ：軸線下流側
Ｄｃ：周方向
Ｄｒ：径方向
Ｄｒｉ：径方向内側
Ｄｒｏ：径方向外側

Claims

軸線に対する径方向であって、前記軸線から遠ざかる側である径方向外側を向く径方向外側面と、
前記径方向であって、前記径方向外側とは反対側である径方向内側を向き、前記径方向外側面よりも前記径方向内側に位置している径方向内側面と、
前記径方向外側面から前記径方向内側に凹み、前記軸線に対する周方向に並んでいる複数の翼根溝と、
前記複数の翼根溝毎に形成されている穴群と、
を有し、
前記複数の翼根溝毎の穴群は、前記径方向内側面から前記径方向外側面に向かって凹み、前記周方向に並んでいる複数の穴を有し、
前記複数の穴のうち、少なくとも一の穴は、前記径方向内側面から前記径方向外側面に貫通している冷却孔であり、
前記径方向における、前記複数の穴の両端の位置で、前記穴群の前記周方向における幅は、前記穴群の前記軸線が延びる軸線方向の幅より大きく、且つ前記複数の翼根溝毎の穴群相互間の前記周方向における間隔のうちで最小間隔よりも小さく、
前記冷却孔は、前記翼根溝内に連通している、
ロータディスク。
請求項１に記載のロータディスクにおいて、
前記径方向における、前記複数の穴の両端の位置で、前記穴群が有する前記複数の穴相互間の前記周方向における間隔のうちで最大穴間隔は、前記複数の翼根溝毎の穴群相互間の前記周方向における間隔のうちで最小間隔よりも小さい、
ロータディスク。
請求項１又は２に記載のロータディスクにおいて、
前記穴群が有する前記複数の穴の全てが前記冷却孔である、
ロータディスク。
請求項１から３のいずれか一項に記載のロータディスクにおいて、
前記冷却孔の前記径方向外側面における開口の前記周方向の位置は、前記翼根溝の溝底面が存在する前記周方向の領域内である、
ロータディスク。
請求項１から４のいずれか一項に記載のロータディスクにおいて、
前記径方向内側面のうち、前記穴群が有する前記穴の前記径方向内側面における開口周りの領域は、前記軸線及び前記穴を含む仮想平面上で前記穴が延びている方向に対して垂直である、
ロータディスク。
請求項１から５のいずれか一項に記載のロータディスクを複数有すると共に、
前記軸線方向に並べられた複数の前記ロータディスクを前記軸線方向に貫通して、複数の前記ロータディスクを接続するスピンドルボルトと、
を有するロータ軸。
請求項６に記載のロータ軸と、
複数の前記ロータディスクのそれぞれの前記翼根溝に装着されている動翼と、
を備えるタービンロータ。
請求項７に記載のタービンロータと、
前記タービンロータの外周を覆うタービンケーシングと、
を備えるガスタービン。