JPH09105306A

JPH09105306A - サーマルターボ機械のためのロータ

Info

Publication number: JPH09105306A
Application number: JP8214831A
Authority: JP
Inventors: Claudio Pollini; ポリーニクラウディオ; Cornelis Strizenou; ストリーゼノウコルネリス
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 1997-04-22
Also published as: US5639209A; DE19531290A1; EP0761929A1; CN1148134A

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術の欠点を回避し、かつきわめて短時
間で運転状態に達し、かつ容易に熱的に調整可能であ
る、すなわち要求に応じて比較的僅かな手間で加熱ない
しは冷却可能であるように、ターボ機械のロータを構成
する。【解決手段】互いに異なる直径および長さを持つ少な
くとも２つの管（８，９）が円筒状の中空部（７）内に
配置されており、これらの管が少なくとも部分的に一定
の長さにおいて重なっており、異なる管（８，９）の開
口（１３）が高温の運転状態時にタービン部（４）内で
重なり、低温状態時に圧縮部（２）および中央部（３）
内で重なるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内部が中空に構成さ
れたサーマルターボ機械のためのロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンおよびガスタービン、圧縮
機並びにターボ発電機のためのロータを中空部を持つ個
々の回転体から構成することは公知である。ドイツ特許
第２６３３８２９号明細書から例えばディスク形または
中空円筒形の鍛造部材から構成されたロータが公知であ
り、これではロータの中央部の個々のディスクないしは
ドラム（中空シリンダ）は有利には一定の厚さを有して
いる。ディスクないしはドラムは低容量溶接シーム（vo
lumenarme Schweissnaehte ）によって互いに結合され
ている。

【０００３】全負荷運転中ガスタービンロータの例えば
運転温度をほぼ一定に保持するためにはロータは冷却さ
れなければならない。そのためには、排気側の軸端から
ロータ内へ冷却空気を導入するのが一般的である。その
ためにロータ内には中央孔が存在し、この孔は排気側の
軸端から最後のタービンディスクまで延びている。この
孔はロータ冷却空気通路を形成する。冷却空気は特定の
圧縮段から取出され、特別な管路を介してロータの排気
側の端部で中央孔内へ導入される。管路とロータとの移
行部はラビリンスシールでもってシールされている。冷
却空気は、タービン翼を通過する前、ないしは半径方向
の中空部を通ってロータ表面に達し、かつ排気流と混合
する前にロータ冷却通路、引続き２つのタービンディス
ク間の中空部を貫流する。

【０００４】この公知の装置では一度全負荷に達すると
ロータの冷却が可能であり、それによって翼の小さな遊
びおよび高い効率が実現可能であるが、過渡的な運転条
件（ロータとステータとの異なる熱的な挙動のために特
に重大である）下ではロータに確実な影響を与えること
は可能ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
の欠点を回避し、かつきわめて短時間で運転状態に達
し、かつ容易に熱的に調整可能である、すなわち要求に
応じて比較的僅かな手間で加熱ないしは冷却可能である
ように、ターボ機械のロータを構成することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の手段は、請求項１の上位概念によるロータ
において、ロータの中心軸線の周囲に延びた、ロータの
下流側の端部から上流側の最後の中空部へ達するもう１
つの円筒状の中空部が設けられており、互いに異なる直
径および長さを持つ少なくとも２つの管が円筒状の中空
部内に配置されており、これらの管が少なくとも部分的
に一定の長さにおいて重なっており、これらの管がそれ
ぞれ少なくとも１つの固定点において不動に固定されて
おり、これらの管の固定点が軸方向において異なる箇所
に位置しており、これらの管が全長にわたって分配され
た開口を有しており、かつ異なる管の開口が少なくとも
部分的に重なるようになっていることである。

【０００７】

【発明の効果】本発明の利点は、ロータが異なる運転条
件下で選択的に加熱または冷却可能であり、ロータがき
わめて迅速に応動し、かつロータ冷却空気が機械内で引
続き、例えばタービン翼基部の冷却に使用することがで
きることである。

【０００８】一方のロータおよび他方の管ができる限り
大きな熱膨張係数の差を持つ異なる材料から形成されて
いると、特に有利である。この場合には調整は特に良好
に実施可能である。

【０００９】さらに開口がそれぞれ管の全周にわたって
分配されて配置されており、かつ周の小さい方の管の開
口が外周面にみぞを有していると有利である。これによ
ってロータ内へ組付ける際に管の正確な調節が不要であ
る。

【００１０】さらに最初と最後の中空部間の領域内の円
筒状の中空部の直径ｄ_Ｈ１が周の大きい方の管の外径ｄ
_２ａより大きく、かつ管またはロータに中央部をタービ
ン部からシールするための手段、例えば特別に構成され
たセンタリング部材が配置されており、該手段が温度の
高い運転状態時にのみシール部材として有効となるよう
に構成されていると有利である。これによって上記の利
点に加えて空気の貫流が保証される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明が実施例と図面に基づ
いて詳説される。

【００１２】図面には本発明の理解に必要な部材のみが
示されている。例えば可動翼およびロータの軸受、並び
に翼支持体、燃焼室およびガスタービンの排気ケーシン
グは省略されている。空気の流れ方向は矢印で示されて
いる。

【００１３】図１は１軸形軸流ガスタービンの本発明に
よるロータ１の縦断面図である。ロータ１は圧縮部２、
中央部３およびタービン部４を持つ。ロータは個別の回
転体形のディスクから低容量溶接シームを用いて構成さ
れている（ドイツ国特許第２６３３８２９号明細書よ
り）。これらのディスクはロータ１の内部に複数の、こ
の実施例では８つの回転対称の中空部５ａ〜５ｈを形成
しており、中空部５ａと５ｂはタービン部４内に、中空
部５ｃは中央部３内に、かつ中空部５ｄ〜５ｈは圧縮部
２内にある。ロータ軸線６の周囲にほぼ全長にわたって
延びた円筒状の中空部７は最初と最後の中空部５ａ，５
ｈ間の領域、すなわち第１の圧縮部ディスクと第２の、
この実施例では最後のタービンディスクとの間の領域内
では最後のタービンディスクからロータ１の下流側端部
までの領域における（ｄ_Ｈ２）よりも大きな直径ｄ_Ｈ１
を持つ。

【００１４】円筒状の中空部７内には互いに異なる直径
と異なる長さを有する２つの管８、９が配置されてい
る。短い方の管８は長さＬ_１、内径ｄ_１ｉを有し、中空
部７の圧縮部側の端部でロータ１の圧縮部２に不動に固
定されており、他方長い方の管９は長さＬ_２、外径ｄ
_２ａを有し、中空部７の他端に、すなわちタービン部４
の排気側の端部に不動に固定されている。およそ式：ｄ
_Ｈ２＝ｄ_２ａ＝ｄ_１ｉが成立つ。

【００１５】図２〜図６にはロータ１の種々の領域にお
ける管８，９（管は調整ロッドの作用を持つ）の拡大部
分縦断面図が示されている。図の上側部分はそれぞれ温
度の低い時の状態を、かつ図面の下側部分は温度の高い
時の状態を示す。

【００１６】図２は図１の領域のＡロータ１の排気側の
端部を示す。管９はねじ込まれたフランジ１０を用いて
ねじ１１を介してロータ１と不動に結合されている。こ
の領域では１個の管のみが、すなわち管９がロータ１の
内部に存在している。

【００１７】領域Ｂでは事情は異なる（図３）。中央部
３からタービン部４への移行部であるこの領域では両方
の管８，９が重なっている。外側の管８に中央部３をタ
ービン部４からシールするための手段１２が設けられて
おり、この手段は温度の高い運転状態においてのみシー
ル作用が有効となる。手段１２はセンタリング部材であ
り、ねじ１１を介してロータ１とねじ結合されている。
このセンタリング部材は同時に調整部材としても働き、
温度の低い状態の時には空気を邪魔せずに通過させ、か
つ温度の高い時には中央部３とタービン部４とを互いに
シールする。

【００１８】管８，９は全周にわたって分配された開口
１３を備えており、温度の低い状態では領域Ｂにおいて
は開口１３は軸方向長さの異なる箇所にあるが、温度の
高い状態では開口はぴったりと重なり、したがって１つ
の一貫した開口１３を形成する。

【００１９】図４はそれぞれ中空部５ｃ〜５ｇの中央に
おける、すなわち領域Ｃにおける２つの管８，９を示
す。ここでは管８，９内の開口１３は、これらがこの装
置の低温時の状態では厳密に重なり、かつ一貫した開口
を形成するように設けられている。それに対して高温時
の状態では開口１３は互いにずらされる。

【００２０】図５には領域Ｄが示されている。これは圧
縮部２から中央部３への移行部である。この領域では管
８，９に開口１３は存在しない。管８，９にはもう１つ
のセンタリング部材１４が嵌込まれており、センタリン
グ部材はねじ１１によって圧縮部２に不動に結合されて
いる。センタリング部材１４は管８，９の支持として働
く。

【００２１】図６は領域Ｅ、すなわちより大きな直径を
持つ管８が圧縮部２に固定されている領域を示す。管８
はフランジ１０でもってストッパにねじ込まれ、かつね
じ１１でもって圧縮部ロータ２に固定されている。管
８，９の固定は他の実施例ではもちろん他の形式と方法
で、例えば溶接、収縮または締付けによって実施するこ
とができる。

【００２２】熱的な調整の作用形式は次のようである：
ガスタービンの始動時、すなわち温度の低い状態ではロ
ータ１はできるだけ迅速に運転状態に達するように加熱
されなければならない。そのために空気１５が一定の圧
縮段から取出され、かつロータ１の下流側端部でロータ
の中空部７内へ導入される。２つの管８，９ないしはロ
ータ１はまだ冷たいので、タービンの領域内の管８，９
の開口１３は互いにずらされており（領域Ｂ、図３の上
側部分）、他方領域ＣおよびＥ、すなわち圧縮部２およ
び中央部３内では開口は重なり、したがって一貫した開
口１３を形成している。このことは、空気１５がロータ
１の下流側端部から管９内を沿って流れてタービン部４
を越え、かつ領域ＣおよびＥ内のこの実施例では６つの
開口１３を介して圧縮空間内へ導かれることを意味する
（図１、図４および図６）。ここから空気はロータ全体
を通過し、次いでタービン翼の冷却に使用される。

【００２３】ロータ１は今や均一に加熱されて膨張して
おり、調整ロッドとして働く管８，９も同様である。効
果的な調整のためには管１と調整ロッド８，９の熱膨張
係数が大きな差違を有するべきであるので、ロータ１の
材料に溶接可能な鋼が、かつ管８，９にはアルミニウム
またはプラスティックが選択される。

【００２４】所で高温状態の時にロータが冷却されるべ
き場合には空気１５はタービン部４内にのみ導入され、
空気はタービン領域を冷却すればよい。この調整は熱的
に行われる、それというのも２つの管８，９の熱膨張が
それぞれ異なる箇所で実施されたそれぞれの固定のため
に互いに逆方向に働くことにより、領域ＣおよびＥ内の
両管８，９内の開口１３が今度は互いにずらされてお
り、他方領域Ｂ内では開口１３は重なっているので、空
気１５はこの一貫した開口を問題なく通過してタービン
部４内へ達するからである（図３の下側部分）。

【００２５】管８，９は互いに角度において一致しなく
てもよい、それというのも管は開口の所にみぞを設けら
れているからである。さらに種々の図示されていない箇
所に耐熱性のシール部材が配置されており、シール部材
は管８，９の安定化にも役立つ。

【００２６】ロータ１の組立は一定の順序で行わなけれ
ばならない：１．直径の大きな方の調整ロッド（管８）がフランジ１
０でもってストッパに対してねじ込まれ、かつ確保され
る。次いで管８はねじ１１によって圧縮部ロータへ固定
されかつ同様に確保される。管は今や支持されている。

【００２７】２．次に個々の圧縮部ロータディスクが個
々にロータ部材と溶接される。

【００２８】３．管８上へセンタリング部材１４が嵌込
まれ、かつ圧縮部ディスクへねじ１１によって固定され
る。

【００２９】４．次に中央部３および第１のタービン部
ディスクがロータと溶接される。

【００３０】５．引続きもう１つのセンタリング部材１
２（これは調整部材としても働く）が管８上へ嵌込ま
れ、かつロータとねじ結合される。

【００３１】６．次いで残りのロータ部分が溶接され
る。

【００３２】７．最後に第２の管９がロータ１内へ挿入
され、かつねじ込まれたフランジ１０でもってロータ１
とねじ結合される。

【００３３】本発明は一連の利点を有している。ロータ
の簡単な熱的な調整が行われ、冷却空気が引続きタービ
ン内で使用され、空気の貫流が行われ、かつロータは効
果的に反応する。

【００３４】図７にはもう１つの実施例が示されてお
り、図面の上側部分はやはりロータの低温時の状態を、
かつ下側部分は高温時の状態を示す。第１の実施例と
は、外側の管８がタービン部４と圧縮部２内に各１つの
開口１３のみを有し、かつ内側の管９がタービン部４内
に１つの開口１３のみを有している点で異なっており、
低温時の状態では圧縮部２内の開口のみが空気を通過さ
せ、空気は次に中空部５を介して中央部３内へ、次いで
タービン部４内へ、最後に図示されていないタービン翼
まで流れる。高温時の状態では（図面の下側部分）生じ
た熱膨張により圧縮部２内の開口１３が閉じられ、他方
タービン部４内の開口１３は重なり、したがって冷却空
気のための通過口を形成する。管８に固定された閉止部
材（シール部材）１２が高温状態の時には中央部３およ
び圧縮部２内への空気の流通を阻止する。

【００３５】図８に示された実施例は、円筒状の中央の
中空部７の直径が管８，９の直径に適合せしめられてい
るために上記の実施例とは異なり、ロータ１の中央部３
および圧縮部２内の空気がもはや引続き導かれない（領
域５ｈを除き）という欠点を有している。空気はロータ
１から、例えば中央部３および圧縮部２内の付加的な開
口を通って導出可能であるが、しかしこれは高損失に導
く。

【００３６】もちろん本発明は上記の実施例に限定され
ない。本発明は他のターボ機械、例えば蒸気タービンお
よびターボ過給機に使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータの縦断面図である。

【図２】図１の領域Ａの拡大部分図である。

【図３】図１の領域Ｂの拡大部分図である。

【図４】図１の領域Ｃの拡大部分図である。

【図５】図１の領域Ｄの拡大部分図である。

【図６】図１の領域Ｅの拡大部分図である。

【図７】第２の実施例のロータの縦断面図である。

【図８】第３の実施例のロータの縦断面図である。

【符号の説明】

１ロータ、２圧縮部、３中央部、４ター
ビン部、５ａ〜５ｈ中空部、６中心軸線、７
中空部、８，９管、１０フランジ、１２シー
ル部材、１３開口、１４センタリング部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サーマルターボ機械のためのロータであ
って、ロータ（１）が主に互いに溶接された個別の回転
体から成っており、これらの回転体の幾何学的な形状が
各隣接する回転体間に軸対称の中空部（５）を形成する
ようになっている形式のものにおいて、ａ）ロータ（１）の中心軸線（６）の周囲に延びた、ロ
ータ（１）の下流側の端部から上流側の最後の中空部
（５ｈ）へ達するもう１つの円筒状の中空部（７）が設
けられており、ｂ）互いに異なる直径および長さを持つ少なくとも２つ
の管（８，９）が円筒状の中空部（７）内に配置されて
おり、これらの管が少なくとも部分的に一定の長さにお
いて重なっており、ｃ）これらの管（８，９）がそれぞれ少なくとも１つの
固定点において不動に固定されており、ｄ）これらの管（８，９）の固定点が軸方向において異
なる箇所に位置しており、ｅ）これらの管（８，９）が周壁内に少なくとも２つの
貫通開口（１３）を有しており、少なくとも１つの開口
（１３）がタービン部（４）内に、かつ少なくとも１つ
の開口（１３）が圧縮部（２）ないしは中央部（３）内
に配置されており、かつｆ）異なる管（８，９）の開口（１３）が高温の運転状
態時にタービン部（４）内で重なり、低温状態時に圧縮
部（２）および中央部（３）内で重なるようになってい
ることを特徴とする、サーマルターボ機械のためのロー
タ。
【請求項２】一方のロータ（１）および他方の管
（８，９）ができる限り大きな熱膨張係数の差を持つ異
なる材料から形成されている、請求項１記載のロータ。
【請求項３】開口（１３）がそれぞれ管（８，９）の
全周にわたって分配されて配置されている、請求項１ま
たは２記載のロータ。
【請求項４】周の小さい方の管（９）の開口（１３）
が外周面にみぞを有している、請求項３記載のロータ。
【請求項５】最初と最後の中空部（５ａ，５ｈ）間の
領域内の円筒状の中空部（７）の直径（ｄ_Ｈ１）が周の
大きい方の管（８）の外径（ｄ_２ａ）より大きく、かつ
管（８）またはロータ（１）に中央部（３）をタービン
部（４）からシールするための手段（１２）が配置され
ており、該手段が温度の高い運転状態時にのみシール部
材として有効となるように構成されている、請求項１か
ら４までのいずれか１項記載のロータ。