JPH11247603A - 流体機械のロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体機械のロータ軸の表面範囲ならびに回転
羽根を直接に冷却媒体で冷却する。 【解決手段】 ロータ軸１の表面６に設けられた回転羽
根２の基部７が、表面６を通じてロータ軸１内に突入し
ており、ロータ軸１が、表面６の下方の範囲で基部７の
近くに、閉じられた中空室５を有しており、該中空室５
が、少なくとも１つの貫通案内通路９を介して、基部７
の、ロータ軸側に面した端部に冷却目的のために接続さ
れており、さらに冷却システム４が設けられていて、該
冷却システム４によって前記中空室５に冷却媒体が供給
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体機械のロータ
であって、該ロータのロータ軸の表面に、一列または複
数列の回転羽根および／または別の構成部分、たとえば
熱シールドまたは熱滞留セグメントが設けられており、
該回転羽根および／または別の構成部分が、それぞれ固
定のための基部を介して、ロータ軸の表面を通じてロー
タ軸内に突入している形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】個々のコンポーネントが極めて大きな熱
負荷にさらされるような最近のガスタービンの出力向上
および寿命向上の観点から、高度に熱負荷されるユニッ
トの冷却はますます重要となりつつある。特にこの場合
には、ガスタービンのロータおよび回転羽根の冷却が考
えられる。ガスタービンのロータと回転羽根は、燃焼器
から到来する熱ガスに直接さらされており、したがって
大きな冷却強さを必要とする。

【０００３】公知の冷却手段、たとえば予め圧縮された
空気の一部を冷却目的のために分岐させる、という手段
は、最近のガスタービンにおける制限された空気バラン
スに基づき、必然的にある程度の効率損失を伴う。この
ような手段の他に択一的に、ガスタービンの熱負荷され
るユニットの冷却を別の冷却媒体で行うことが提案され
ている。このような手段では、たとえば熱負荷されるユ
ニットが冷却蒸気で負荷される。この冷却蒸気はロータ
内部の冷却循環路内に、全ての高温領域を冷却するため
に導入される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前で述べた冷却装置に
対して補足的または択一的に、本発明の課題は、できる
だけ簡単な手段を用いて、流体機械のロータおよび特に
ロータ軸の表面範囲ならびにロータ軸に半径方向で配置
された回転羽根をできるだけ直接に、ただし穏やかな冷
却媒体、有利には空気の使用下に冷却することである。
特に、公知のロータにおいてもともと存在している輪郭
を冷却目的のために利用して、冷却手段を構造上僅かな
手間をかけるだけで、しかも僅かな財政投入を行うだけ
で実施することができると望ましい。本発明による手段
を、既に使用されている流体機械にあとから装備するこ
とができることが望ましい。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、冒頭で述べた形式のロータにおい
て、ロータ軸が、表面の下方の少なくとも１つの範囲
で、少なくとも１つの基部の近くに、少なくとも１つの
閉じられた中空室を有しており、該中空室が、少なくと
も１つの貫通案内通路を介して、基部の、ロータ軸側に
面した端部に冷却目的のために接続されており、さらに
冷却システムが設けられていて、該冷却システムによっ
て前記中空室に冷却媒体が供給可能であるようにした。

【０００６】

【発明の効果】本発明によれば、流体機械のロータ、有
利にはロータ軸の周縁部に各１つの羽根基部を有する回
転羽根を備えたガスタービンのロータであって、しかも
羽根基部が、回転羽根をロータ軸に固定する目的で周縁
部を介してロータ軸内に突入していて、ロータ軸が、周
縁部の少なくとも１つの範囲で羽根基部の近傍にロータ
軸内の中空室を有しているようなロータにおいて、ロー
タ軸が、表面の下方の少なくとも１つの範囲で、少なく
とも１つの基部の近くに、少なくとも１つの閉じられた
中空室を有しており、該中空室が、少なくとも１つの貫
通案内通路を介して、基部の、ロータ軸側に面した端部
に冷却目的のために接続されており、さらに冷却システ
ムが設けられていて、該冷却システムによって中空室に
冷却媒体が供給可能である。

【０００７】本発明の根底を成す理念は、ロータ材料の
温度ならびに回転羽根基部の温度を低下させるために
は、ロータの周囲を流れる熱ガスの、ロータ軸の表面と
回転羽根とに作用する熱を、ロータ軸の周縁部のできる
だけ近傍において適当な冷却空気供給によって直接に導
出することが望ましい、という思想から出発する。

【０００８】このためには、ロータ軸の周縁部のすぐ下
方に中空室を有するロータにおいて、半径方向および／
または斜め半径方向の貫通案内通路が設けられる。これ
により、熱ガスによって加熱された周縁部ならびに回転
羽根を、冷却システムを介して冷却媒体、有利には冷却
空気が供給される中空室の側から冷却することができ
る。

【０００９】図４には、本発明による手段を実施するた
めに適した自体公知のロータ軸輪郭が示されている。

【００１０】図４に概略的に図示した横断面図には、ロ
ータ軸の軸線Ａを中心にして回転するロータ軸１の上側
の区分が示されている。ロータ軸の周縁部には、ロータ
軸の軸線Ａに対して半径方向で複数の回転羽根２が配置
されている。構造を分かり易くする目的で、各回転羽根
２の間には、ステータに固定的に取り付けられた案内羽
根３が示されており、これらの案内羽根３は、それぞれ
連続する２つの回転羽根２の間の間隙に突入している。
羽根輪郭の上に示した矢印は、タービンを通る熱ガスの
貫流方向を表している。

【００１１】しかし、図４に「Ｅ」で示した円で囲まれ
た個所を見れば判るように、ロータ軸の中央の区分Ｅ
が、案内羽根の羽根基部の近くでロータ軸の周縁部に中
空室を有している。

【００１２】本発明の思想では原則的に、中空室上方の
ロータ軸の範囲を穿孔し、これによりロータ軸の上側
と、中空室内に存在する冷却空気との間で空気交換を行
うことができるようになる。特に、ロータ軸のこの範囲
には、中空室内に存在する冷却空気が回転羽根の羽根基
部範囲を直接に冷却し得るように穿孔を設けることがで
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。

【００１４】単にロータ横断面の一部しか示していない
図１の横断面図は、本発明により装備されたロータの中
央区分に相当している。この中央区分は図４において
「Ｅ」で示した円で取り囲んだ範囲に相当する個所を想
定したものである。この円は有利には、本発明による
「穿孔」によって捕捉またはカバーすることのできる全
ての回転羽根基部を包含している。

【００１５】ロータ軸１の表面６には、ロータの周囲を
流れる熱ガスによる定常の熱流Ｑが作用する。付加的
に、図１に示していない回転羽根の根元を成す羽根基部
７を介して、付加的な熱流Ｑｓがロータ軸１に流入す
る。回転羽根のその他の部分は、ロータ軸１の表面６を
半径方向で越えて突出している。

【００１６】ロータ軸１に導入された熱をできるだけ迅
速に導出するために、本発明によれば第１に、ロータ軸
１の内部に設けられた環状の周方向溝８内に固定された
回転羽根の羽根基部７が、貫通案内通路９によって直接
に冷却空気で負荷されるようになっている。このために
は、ロータ軸１の内部で回転羽根の近くに中空室５が設
けられ、この中空室５が貫通案内通路９に接続され、こ
の場合、貫通案内通路９はロータ軸の軸線Ａに対してほ
ぼ半径方向で中空室５から羽根基部７にまで延びてい
る。さらに、この中空室５は冷却システム４に接続され
ており、この冷却システム４を介して、中空室５に冷却
媒体を供給することができる。図１に示した実施例で
は、この冷却システム４は単に、冷却媒体のための供給
通路４ａと導出通路もしくは戻し通路４ｂとから成って
いる（冷却媒体の流れ方向を示す矢印参照）。もちろ
ん、１つの中空室から複数の貫通案内通路を介して複数
の羽根基部、たとえば図１に示した実施例の場合のよう
に２つの羽根基部に冷却媒体を供給することもできる。

【００１７】供給通路４ａによる中空室５内への冷却媒
体の供給は、中空室５内にロータに対して相対的にスワ
ールが生じるように行われると有利である。加熱された
冷却媒体の、戻し通路４ｂによる中空室５からの戻し
は、中空室５の内側の表面において行われると有利であ
る。なぜならば、中空室５の内側の表面には、加熱され
た冷却媒体が溜まるからである。供給通路４ａの、中空
室５への開口部は、たとえば大きな半径または斜め面取
り部または案内羽根を付与することにより、冷却媒体が
良好に流入し得るように形成されていなければならな
い。冷却媒体がロータにとっては暖かすぎる場合には、
たとえばライニングチューブまたは断熱層によって戻し
通路４ｂを常に断熱することができる。

【００１８】羽根基部７が固定されている周方向溝８
は、さらに中空通路１０を有しており、この中空通路１
０には、中空室５内に存在する冷却空気が貫通案内通路
９を介して流入し得る。

【００１９】周方向溝８は、多数の回転羽根が相前後し
て配置されているロータ軸１を全周にわたって取り囲む
ように延びている。回転羽根の各羽根基部の下に設けら
れた個々の中空通路１０は一緒になって、１つの周方向
通路１０´を形成している。貫通案内通路９を介して導
入された冷却空気は、この周方向通路１０´を通じて循
環することができる。こうして、羽根基部を冷却する、
ロータ軸内部に組み込まれた冷却システムが実現可能と
なる。

【００２０】さらに、羽根基部７を直接に冷却する貫通
案内通路９に対して補足的に、別の貫通案内通路９´も
設けられている。これらの貫通案内通路９´はロータ軸
の周縁範囲を完全に貫通しているか、または部分的にの
み貫通している。こうして、周縁部もしくは表面６に作
用する熱流Ｑは、直接に貫通案内通路９´によって、冷
却空気が存在している中空室５の方向に導出される。

【００２１】半径方向に延在するように配向された貫通
案内通路９，９´の他に、択一的または補足的に、ロー
タ軸内に斜め半径方向に延びる貫通案内通路を設けるこ
ともできる。

【００２２】有利には回転羽根を冷却するためにそれぞ
れロータ中央部に設けられている、図１に示した本発明
による冷却装置の構成は種々様々に構成され得る。これ
により、冷却空気は羽根基部に存在する熱を搬出するた
めに働くようになる。

【００２３】原則的に、羽根基部の近くで中空通路１０
内に存在する冷却空気は大きな熱導入量Ｑｓに基づき加
熱され、そしてロータの回転によって形成される遠心力
領域の存在で大きな浮力を受ける。この場合、暖かい空
気は半径方向内側に向けられて貫通案内通路を貫流し、
こうして、後続する冷たい空気流にスペースを与えるの
で、この冷たい空気は熱い羽根基部を冷却することがで
きる。遠心力領域に形成されるこのような対流は、温度
勾配に基づき自動的に生じる。しかし、貫通案内通路は
相応して大きく形成されていなければならないので、１
つの貫通案内通路の内部では前で述べたような向流シス
テムが形成され得る。

【００２４】中空室５に開口する貫通案内通路の開口部
は、ロータの回転軸線から測定して、熱が供給される側
のロータ軸範囲よりも小さな半径に位置していると望ま
しい。

【００２５】さらに、中空室の構成も任意に行うことが
できる。すなわち、貫通案内通路９の起点となる中空室
の上側の輪郭がロータ軸の軸線Ａに対して斜めに延びて
いることは必ずしも必要ではない。また、貫通案内通路
９は、ロータ軸の軸線Ａに対して直角に延びる中空室壁
区分から分岐していてもよい。ただし、貫通案内通路を
配置する場合に重要となるのは、中空室に対する貫通案
内通路の開口部が、ロータ軸の軸線Ａに対して、貫通案
内通路の、熱が供給される側の範囲よりも小さな半径に
位置していることである。これにより、いわゆる「熱サ
イホン」の原理が使用可能となる。この場合には、ロー
タ軸が、冷たい冷却空気のためのポンプ出力と、暖かい
冷却空気のタービン出力との間の差を確立しなければな
らない。

【００２６】また、開口部１１，１１′が、ロータ軸の
軸線Ａに対して相対的に同じ半径に位置していることも
有利である。すなわち、開口部１１，１１′がロータ軸
の軸線に対して相対的に同じ半径に位置していないと、
半径方向の圧力差、つまり圧力差に基づき生じる中空室
内のスワールが、冷却作用に影響を与えてしまう。

【００２７】さらに、貫通案内通路内で、前で述べた
「熱サイホン」の原理に基づき自動的に形成される冷却
流の他に、意図的に冷却流を貫通案内通路に流入させる
こともできる。貫通案内通路の、ロータ軸側に面した開
口部１１は、ロータの回転運動に基づき、中空室５内に
存在する冷却媒体に対して相対的に運動するので、各貫
通案内通路に対する開口ジオメトリを意図的に形成する
ことによって、通路内の流れ方向を規定することができ
る。

【００２８】図２には、図１に示したＡ―Ａ線に沿った
断面図が示されている。図２に示した、回転軸線に対し
て直角に断面した断面図には、互いに隣接した２つの貫
通案内通路９が示されている。両貫通案内通路９はそれ
ぞれロータ軸側に面した開口部１１，１１′を有してい
て、互いに異なる大きさに設定された曲率半径Ｒおよび
ｒを有する入口丸みを有している。中空室５内の冷却媒
体はロータに対して相対的に、大きな矢印で示した方向
に流れる。両開口部１１，１１′を横断するこのような
横方向流は、大きな曲率半径Ｒを有する開口部１１にお
いて、小さな曲率半径ｒを有する開口部１１′における
よりも高い圧力を発生させる。これにより、大きな曲率
半径Ｒを有する開口部１１に続く貫通案内通路９には、
半径方向外側に向けられた冷却流が導入される。この流
れは引き続き周方向通路１０′を介して、小さな曲率半
径ｒを有する隣接の貫通案内通路９に流入して、再び中
空室５に戻る。

【００２９】また、図２に示した、それぞれ互いに隣接
した貫通案内通路の間で交互に設定された、互いに異な
る大きさの曲率半径Ｒおよびｒを有する、貫通案内通路
の開口部の構成に対して択一的に、貫通案内通路の開口
範囲を、１つの開口部が２つの異なる大きさの曲率半径
Ｒおよびｒを有するように形成することも可能である。
すなわち、この場合に前で説明した流れ方向を規定する
ためには、図３に示したように、それぞれ互いに隣接し
た２つの貫通案内通路の、互いに接近して位置する側の
開口範囲を、互いに同じ曲率半径で形成することが必要
である。

【００３０】図２および図３に部分的に示したような冷
却システムが作動し得るようにするためには、貫通案内
通路の数が、自然の整数をとらなければならないので、
１つの流入用貫通案内通路には、それぞれ１つの流出用
貫通案内通路が対応している。

【００３１】図２および図３ に示した開口輪郭に対し
て択一的または補足的に、貫通案内通路の開口部の各個
所に正規の汲み上げ縁部を設けることもできる。しか
し、このことは付加的な構造上の手間を伴い、このよう
な手間をかけることは、前で説明した「熱サイホン」の
機能形式では必ずしも必要とされない。

【００３２】羽根基部の下方に意図的に導入された冷却
媒体、有利には冷却空気、によって回転羽根の羽根基部
を直接に冷却することは、冷却システム内部でのダスト
粒子によって生じる恐れのある汚染危険の理由からも有
利である。たとえばダスト粒子が貫通案内通路を通じて
取付けレールの周方向溝に流入した場合、これらのダス
ト粒子は原則的に周方向溝の閉塞を生ぜしめ、ひいては
冷却効果のかなりの低下を招く恐れがある。第１に、こ
のような汚染を防止するためには、冷却された羽根にお
いて使用されるような「ダスト孔」を設けることがで
き、第２に保守作業において別の手間をかけることなし
に、回転羽根を取付けレールから取り外すことによっ
て、周方向溝内に沈積した不純物を容易に除去すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】閉じられた中空室を備えたロータ軸の周縁部の
一部を断面した断面図である。

【図２】図１のＡ―Ａ線に沿った断面図である。

【図３】図２に示した実施例に対する変化実施例を示す
断面図である。

【図４】自体公知のロータ配置を示す原理的な横断面図
である。

【符号の説明】 １ ロータ、 ２ 回転羽根、 ３ 案内羽根、 ４
冷却システム、 ４ａ供給通路、 ４ｂ 戻し通路、
５ 中空室、 ６ 表面、 ７ 羽根基部、８ 周方向
溝、 ９，９′ 貫通案内通路、 １０ 中空通路、
１０′ 周方向通路、 １１，１１′ 開口部、 Ａ
ロータ軸の軸線

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体機械のロータであって、該ロータの
   ロータ軸（１）の表面（６）に、一列または複数列の回
   転羽根（２）および／または別の構成部分が設けられて
   おり、該回転羽根（２）および／または別の構成部分
   が、それぞれ固定のための基部（７）を介して、ロータ
   軸（１）の表面（６）を通じてロータ軸（１）内に突入
   している形式のものにおいて、ロータ軸（１）が、表面
   （６）の下方の少なくとも１つの範囲で、少なくとも１
   つの基部（７）の近くに、少なくとも１つの閉じられた
   中空室（５）を有しており、該中空室（５）が、少なく
   とも１つの貫通案内通路（９）を介して、基部（７）
   の、ロータ軸側に面した端部に冷却目的のために接続さ
   れており、さらに冷却システム（４）が設けられてい
   て、該冷却システム（４）によって前記中空室（５）に
   冷却媒体が供給可能であることを特徴とする、流体機械
   のロータ。
2. 【請求項２】 中空室（５）を起点として、ロータ軸
   （１）内に少なくとも１つの貫通案内通路（９）が延び
   ており、該貫通案内通路（９）が、ロータ軸（１）を少
   なくとも部分的に貫通している、請求項１記載のロー
   タ。
3. 【請求項３】 冷却媒体として冷却空気が使用される、
   請求項１または２記載のロータ。
4. 【請求項４】 中空室（５）が、ロータ軸（１）の両端
   部から間隔を置いて配置されている、請求項１から３ま
   でのいずれか１項記載のロータ。
5. 【請求項５】 貫通案内通路（９）が、ロータ軸（１）
   に対して半径方向または斜め半径方向に配置されてい
   る、請求項１から４までのいずれか１項記載のロータ。
6. 【請求項６】 基部（７）が、ロータ軸（１）内部に設
   けられた周方向溝（８）に嵌め込まれており、該周方向
   溝（８）が、挿入された基部（７）の半径方向下方に中
   空通路（１０）を形成しており、該中空通路（１０）が
   貫通案内通路（９）に接続されている、請求項１から５
   までのいずれか１項記載のロータ。
7. 【請求項７】 基部（７）が、ロータ軸（１）の内部
   で、ロータ軸（１）の表面（６）に軸方向または斜め軸
   方向に延びる軸方向溝内に嵌め込まれており、該軸方向
   溝が、挿入された基部（７）の半径方向下方に中空通路
   （１０）を形成しており、該中空通路（１０）が、貫通
   案内通路（９）に接続されている、請求項１から６まで
   のいずれか１項記載のロータ。
8. 【請求項８】 前記周方向溝および／または前記軸方向
   溝と、基部とが、互いに相互に固定するためのギザ歯を
   有している、請求項６または７記載のロータ。
9. 【請求項９】 多数の回転羽根（２）または多数の構成
   部分が、ロータ軸（１）の表面（６）に半径方向で相並
   んで配置されており、これらの回転羽根または構成部分
   の基部（７）に、それぞれ１つの貫通案内通路（９）が
   対応している、請求項１から６までのいずれか１項記載
   のロータ。
10. 【請求項１０】 貫通案内通路（９）の、中空室（５）
    に対する開口部（１１，１１′）の開口曲率半径が、そ
    れぞれ、互いに直接に隣接した２つの貫通案内通路の開
    口部が互いに異なる開口曲率半径を有するように設定さ
    れている、請求項９記載のロータ。
11. 【請求項１１】 前記開口部（１１，１１′）が、大き
    な開口曲率半径（Ｒ）か、または小さな開口曲率半径
    （ｒ）を有している、請求項１０記載のロータ。
12. 【請求項１２】 個々の貫通案内通路（９）の開口部
    （１１，１１′）が、互いに異なる大きさに形成された
    ２つの開口曲率半径（Ｒ，ｒ）を有していて、しかも１
    つの開口部の、該開口部にそれぞれ直接に隣接した２つ
    の開口部のうちの一方の開口部の近くに位置する開口範
    囲と、他方の開口部の近くに位置する開口範囲とが、互
    いに異なる開口曲率半径（Ｒ，ｒ）を備えている、請求
    項９記載のロータ。
13. 【請求項１３】 互いに直接に隣接した２つの開口部の
    互いに隣接した開口範囲（１１，１１′）が、同じ開口
    曲率半径を有している、請求項１２記載のロータ。
14. 【請求項１４】 前記中空通路（１０）が、ロータ軸
    （１）を取り囲むように分配されて取り付けられた全て
    の基部の下で互いに接続されて、１つの周方向通路（１
    ０′）を形成している、請求項６から１３までのいずれ
    か１項記載のロータ。
15. 【請求項１５】 半径方向および／または斜め半径方向
    の整数個の貫通案内通路（９）が、１つの周方向通路
    （１０′）に開口している、請求項１４記載のロータ。
16. 【請求項１６】 流体機械が、タービン、ガスタービン
    の圧縮段または蒸気タービンの圧縮段である、請求項１
    から１５までのいずれか１項記載のロータ。
17. 【請求項１７】 当該ロータが、前記中空室（５）内に
    存在する冷却媒体に対して相対的に運動するようになっ
    ている、請求項１から１６までのいずれか１項記載のロ
    ータ。
18. 【請求項１８】 回転羽根（２）または別の構成部分の
    基部（７）が、半径方向で前記中空室（５）の上に配置
    されている、請求項１から１７までのいずれか１項記載
    のロータ。
19. 【請求項１９】 前記別の構成部分が、熱セグメントま
    たは熱シールドである、請求項１から１８までのいずれ
    か１項記載のロータ。
20. 【請求項２０】 冷却システム（４）が、ロータ軸内に
    延びる複数の冷却通路を有しており、該冷却通路に冷却
    空気が供給可能である、請求項１から１９までのいずれ
    か１項記載のロータ。
21. 【請求項２１】 冷却システム（４）の冷却通路（４
    ａ，４ｂ）が、中空室（５）内の冷却媒体に、ロータの
    周方向でロータに対して相対的なスワールを付与するよ
    うになっていて、該相対的なスワールが、ロータの回転
    方向と同じ方向または反対の方向で流れるようになって
    いる、請求項１から２０までのいずれか１項記載のロー
    タ。
22. 【請求項２２】 加熱された冷却媒体を中空室（５）か
    ら導出する戻し通路として形成された冷却通路（４ｂ）
    が、中空室の最も内側の曲率半径に開口している、請求
    項１から２１までのいずれか１項記載のロータ。
23. 【請求項２３】 加熱された冷却媒体を中空室（５）か
    ら導出する冷却通路（４ｂ）が、ロータ材料に対して断
    熱されている、請求項１から２２までのいずれか１項記
    載のロータ。
24. 【請求項２４】 中空室（５）が、ロータ軸の軸線
    （Ａ）にまで延びている、請求項１から２３までのいず
    れか１項記載のロータ。