JPH1193602A

JPH1193602A - 流体機械用のロータ

Info

Publication number: JPH1193602A
Application number: JP10210997A
Authority: JP
Inventors: Endoresu Uiruherumu; エンドレスウィルヘルム
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 1999-04-06
Also published as: DE59709507D1; EP0894941A1; EP0894941B1

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却装置を補完してまたはこれに代わって、で
きる限り簡単な手段を用いて流体機械のロータおよび特
にロータ軸の表面領域並びにロータ軸に配置された動翼
をできる限り直接、しかし穏やかな冷却媒体、有利に空
気を使用して冷却する。【解決手段】突出した軸部分（４）が少なくとも１つの
供給貫通路（９）によって、供給貫通路（９）が冷却の
ために切欠（５）を根部（７）のロータ軸側の端部と結
合するように、貫通されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体機械のロータ
であって、ロータ軸の表面に単列または多列の動翼およ
びまたは他の部材、例えばヒートシールドまたは蓄熱セ
グメントを有しており、これらがそれぞれ固定のための
根部を介して表面を通ってロータ軸内に突入しており、
ロータ軸がその表面の少なくとも１領域において根部近
くに、ロータ軸内の切欠上に突出した軸部分を備え、軸
部分が切欠をロータ軸の表面に対して半径方向に隔てて
いる形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】個々の部材がきわめて大きな熱的な負荷
に曝される今日のガスタービンの出力および寿命の増大
に関しては、熱的に高負荷されるユニットの冷却がます
ます重要な役割を果たすようになっている。燃焼室から
来る高温ガスに直接曝され、したがってかなりの集中的
な冷却を必要とする、ガスタービンのロータおよび動翼
の冷却が特に本発明で考慮される。

【０００３】公知の冷却手段、例えば前圧縮された空気
を冷却のために分岐すること（しかしこれは制限された
空気バランスのために今日のガスタービンでは否応なし
に一定の効率損失を伴う）の他に、熱的に負荷されるガ
スタービンのユニットの冷却を他の冷却媒体で行う、例
えば冷却水を負荷することが提案されており、冷却水は
ロータ内部の冷却循環内へ導かれ、すべての熱ゾーンを
冷却する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
の冷却装置を補完してまたはこれに代わって、できる限
り簡単な手段を用いて流体機械のロータおよび特にロー
タ軸の表面領域並びにロータ軸に配置された動翼をでき
る限り直接、しかし穏やかな冷却媒体、有利に空気を使
用して冷却することである。特に特に公知のロータで存
在する輪郭が冷却目的のために利用されるべきであり、
その結果冷却手段が僅かな構造的並びに財政的な投入で
実施され得る。本発明による手段はまた既に使用中にあ
る流体機械でも後装備することができる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、本発明に
よれば、流体機械のロータであって、ロータ軸の表面に
単列または多列の動翼およびまたは他の部材、例えばヒ
ートシールドまたは熱交換セグメントを有しており、こ
れらがそれぞれ固定のための根部を介して表面を通って
ロータ軸内に突入しており、ロータ軸がその表面の少な
くとも１領域において根部近くに、ロータ軸内の切欠上
に突出した軸部分を備え、軸部分が切欠をロータ軸の表
面から半径方向に隔てている形式のものにおいて、少な
くとも１つの供給貫通路が、供給貫通路が切欠を根部の
ロータ軸側に向いた端部と結合するかまたは突出した軸
部分を少なくとも部分的に貫通するように、突出した軸
部分を貫通していることによって解決される。

【０００６】

【発明の効果】本発明の基礎を成す思想は、ロータ材料
の温度並びに動翼の温度を低下させるには、動翼を含む
ロータ軸の表面に作用する、ロータの周囲を流れる高温
ガスの熱ができる限りロータ軸の周縁部で適切な空気供
給によって直接排出されるべきであるとの考えから出発
する。

【０００７】そのために、ロータ軸の周縁部に切欠を有
し、したがってオーバーハング軸部分（突出区分）を備
えたロータにおいて、半径方向およびまたは斜め半径方
向の供給貫通路が備えられており、これにより高温ガス
によって加熱された動翼を含む周縁部がオーバーハング
軸部分あるいは突出区分の下側から冷却される。

【０００８】本発明による手段を実施するために好適で
ある公知のロータ軸輪郭が従来技術として図２に示す。

【０００９】図２によるきわめて略示された横断面図は
ロータ軸１の上方の区分を示し、ロータ軸はロータ軸軸
線Ａを中心にして回転する。ロータ軸１の周縁部にはロ
ータ軸軸線Ａに対して半径方向に動翼２が配置されてい
る。動翼２相互間には完全を期すだけの目的で案内翼３
が示されており、案内翼はステータに不動に取り付けら
れ、かつ２つの互いに連続した動翼間の空間に突入して
いる。翼の外郭の上に示された矢印はタービンを通過す
る高温ガスの流れ方向を示す。

【００１０】しかし図２に示されたオーバーハング軸部
分４に注目すべきである。軸部分４は案内翼２の根部近
くのロータ軸１周縁部に設けられている。もちろんすべ
ての他の比較可能な構成を持つオーバーハング軸部分が
本発明による“パーフォレーション（Perforierung）”
に好適であり、比較的冷たい空気が流体機械の流体出力
側端部に配置されているだけかまたは冷却空気の供給を
この領域に妨げられずに行うことができる。

【００１１】本発明の思想は基本的には、オーバーハン
グ軸部分に穴明けすることであり、その結果オーバーハ
ング軸部分４の上面とその下方に位置する空気容積５と
の間の空気交換が起こり得る。特にオーバーハング部分
にこのようなパーフォレーションを設けると、領域５内
に存在する冷却空気は動翼の根部領域を直接冷却するこ
とができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】単にロータ横断面の１区分を示す
にすぎない図１の横断面図は、ロータの本発明による構
成の端部に相当する。ロータ端部は図２の助けを借りる
と、図２でＥによって指示された円形部分に相当すると
考えられる。円は、本発明による“パーフォレーショ
ン”によってカバーされた各動翼根部の有利にすべてを
包含する。

【００１３】ロータ軸１の表面６にはロータの周囲を流
れた高温ガスによる一定の熱流Ｑが作用する。さらに図
１に示されない動翼（動翼はロータ軸１の表面６よりも
上方へ半径方向に延びている）の根部７を介して付加的
な熱Ｑ_ｓがロータ軸１内へ侵入する。

【００１４】一方で、ロータ軸１内へ入った熱をできる
限り迅速に排出するためには、本発明によればロータ軸
１内部の環状のみぞ８内に固定された動翼の根部７に供
給貫通路９を用いて直接冷却空気を負荷することが提案
される。そのために動翼を支持したオーバーハング軸部
分４が、供給貫通路９が軸軸線Ａに対してほぼ半径方向
に切欠５から翼根部７へ向かって延びるように、供給貫
通路によって貫通されている。さらに環状みぞ８（この
中で翼根部７が固定されている）は空所１０を有し、切
欠５内に存在した冷却空気は供給貫通路９を介して空所
１０内へ達することができる。

【００１５】環状みぞ８は角度的に完全にロータ軸１の
周囲に延び、ロータ軸には複数の動翼が前後に配置され
ている。動翼の各根部の下方の個々の空所１０は一緒に
１つの環状路１０´を形成し、供給貫通路９を介して導
入した冷却空気はこの環状路を通って循環することがで
きる。このようにして翼足部を冷却する統合的な冷却系
がロータ軸内で実現可能である。

【００１６】翼根部７を直接冷却する供給貫通路に補完
的に別の供給貫通路９´も設けられておりこの供給貫通
路はオーバーハング軸部分４を完全に貫通する。このよ
うにして周縁部６に作用する熱流Ｑは直接供給貫通路９
´を通って冷却空気が供給された切欠５の方向に排出さ
れる。

【００１７】半径方向に向けられた供給貫通路９，９´
の他に、これらの代わりにまたはこれらに補完的に斜め
半径方向の供給貫通路をオーバーハング軸部分４内へ形
成することができる。

【００１８】ロータ軸１のオーバーハング軸部分の本発
明によるパーフォレーションは上記のように、有利にロ
ータの端部で実施すべきであり、特にここでは冷却空気
を所期通りに切欠５の領域内へ供給することができる。
しかしこれが必要ではない場合には、比較的暖かい冷却
空気でも所望のロータ温度（既に熱力学的観点から有利
である）が達成可能であるという効果を本発明によるパ
ーフォレーションによって達成することができる。

【００１９】有利には動翼の冷却のためにそれぞれロー
タ端部に設けられた、図１に示された本発明による冷却
系については異なる形式に構成することができ、例えば
冷却空気は翼根部に存在する熱の排出に使用される。

【００２０】原則的には空所１０内の翼根部近くにある
冷却空気は大きな熱入力量Ｑ_ｓに基づいて加熱され、か
つロータの回転によって生じる遠心分離フィールドの存
在で浮力（Auftrieb）を受け、そのためより暖かい空気
は半径方向に内方へ供給貫通路を通って流れ、かつこう
して後に流れるより冷たい空気のためにスペースを作る
ので、冷たい空気は熱い翼根部を冷却することができ
る。この遠心分離フィールド内で形成される対流は温度
勾配により自然に発生する。しかし供給貫通路は適当な
大きさに構成されなければならず、したがって通路内に
上記の形式の向流系（Gegenstromsystem）を形成するこ
とができる。

【００２１】しかし比較するといわゆる“サーモサイホ
ンThermosyphon”の形式のように供給貫通路内部に自然
に形成される冷却流の他に、冷却系内に所期通りに冷却
流を発生することもできる。供給貫通孔のロータ軸側の
開口１１はロータの回転運動によって切欠５内に存在す
る冷却媒体に対して相対的に回転するので、通路内の流
れ方向は各供給貫通路の開口のジオメトリーと所期通り
の構成によって予め決めることができる。

【００２２】図１（ｂ）には図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿
った断面図が示されている。回転軸線に対する角度方向
で示された図１（ｂ）による横断面図は２つの隣接の供
給貫通路９を示し、これらはそれぞれロータ軸側に開口
１１，１１´を有し、かつ異なる寸法の入り口湾曲部Ｒ
およびｒを持つ。ロータの回転によって決められる回転
方向（大矢印）により相対的に小さなもしくは鋭角の開
口部曲率半径（Oeffnungsradien）ｒがスクープ作用を
生じ、かつ半径方向外方へ向いた冷却流を冷却系内へ導
き入れる。このようにして冷却空気が流入する供給貫通
路が形成される。次いで冷却流は、個々の供給貫通路が
すべての空所１０の全体から構成された環状みぞ１０´
を介して接続されているので直ぐ隣りの供給貫通路から
再び出る。

【００２３】あるいは、それぞれ異なる寸法の開口部曲
率半径Ｒ、ｒを持ち、それぞれ隣接の供給貫通路間で交
互にこれらの異なる開口部曲率半径で形成された、図１
（ｂ）に示された供給貫通路の構成に代わって、供給貫
通路の開口部領域を、１つの開口が２つの異なる曲率半
径Ｒとｒを持つように構成することも可能である。上記
のように流れの方向を予め決めるためには、２つの隣り
合った供給貫通路の、互いに一番近い開口部領域を同一
の曲率半径の湾曲に形成することが必要である（図１
（ｃ）参照）。

【００２４】図１（ｂ）、図１（ｃ）に一部示されたよ
うな冷却系が働き得るためには供給貫通路の数が自然数
の偶数でなければならず、これにより流入路に対して各
１つの流出路が配設される。

【００２５】図１（ｂ）、図１（ｃ）に示された開口輪
郭の代わりにまたはこれに補足して、正規のスクープ縁
を供給貫通路の開口の各箇所に設けることができる。し
かしこれは、上記の“サーモサイフォン”の作用形式に
よっては必ずしも必要ではない、付加的な構造費用を伴
う。

【００２６】所期通りに根部の下方へ導入される冷却媒
体、有利に冷却空気による動翼の根部の直接冷却はまた
冷却系内のダスト粒子による起こる可能性のある汚染の
危険の点からも有利である。例えばダスト粒子が供給貫
通路を通って受容レールの環状みぞ内へ達すると、粒子
は原則的に環状みぞの閉塞、したがって冷却効果の著し
い低下をもたらす。一方でこのような汚染に対して冷却
される翼で使用されるような、いわゆるダストホールを
設けることができるが、他方動翼を受容レールから取り
外すことによって環状みぞ内に沈着した不純物を簡単に
除去することが保守作業で余分の費用なしで可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ａは突出軸部分を持つロータ軸の周縁部の部分
横断面図、ｂはａのＡ−Ａ線に沿った断面図、ｃはｂと
は別の断面図である。

【図２】公知のロータ構成の原理横断面図である。

【符号の説明】

１ロータ軸、２動翼、３案内翼、４突出
軸部分、５切欠もしくは切欠によって区切られた容
積、６ロータ軸の表面、７根部、８環状み
ぞ、９，９´ 供給貫通路、１０空所、１０´
環状みぞ、１１，１１´ 供給貫通路の開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体機械のロータであって、ロータ軸
（１）の表面（６）に単列または多列の動翼（２）およ
びまたは他の部材を有しており、これらがそれぞれ固定
のための根部（７）を介して表面（６）を通ってロータ
軸（１）内に突入しており、ロータ軸（１）がその表面
（６）の少なくとも１領域において根部（７）近くに、
ロータ軸（１）内の切欠（５）上に突出した軸部分
（４）を備え、軸部分が切欠（５）をロータ軸（１）の
表面（６）に対して半径方向に隔てている形式のものに
おいて、突出した軸部分（４）が少なくとも１つの供給
貫通路（９）によって、供給貫通路（９）が冷却のため
に切欠（５）を根部（７）のロータ軸側の端部と結合す
るように、貫通されていることを特徴とする、流体機械
用のロータ。
【請求項２】突出した軸部分（４）が少なくとも１つ
の供給貫通路（９）によって少なくとも部分的に貫通さ
れている、請求項１記載のロータ。
【請求項３】切欠（５）内に冷却媒体が設けられてい
る、請求項１または２記載のロータ。
【請求項４】突出した軸部分（４）がロータ軸（１）
の端部、すなわち流体機械の１部分の端部に取り付けら
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。
【請求項５】供給貫通路（９）がロータ軸（１）に対
して半径方向に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。
【請求項６】根部（７）がロータ軸（１）内の環状み
ぞ（８）内に配置されており、環状みぞが半径方向で見
て挿入された根部（７）の下方に空所（１０）を有し、
空所が供給貫通路（９）と結合されている、請求項１か
ら５までのいずれか１項記載のロータ。
【請求項７】根部（７）がロータ軸（１）の表面にお
いて軸方向または斜め軸方向に延びる、ロータ軸（１）
内のアキシャルみぞ内に配置されており、アキシャルみ
ぞが半径方向で見て挿入根部（７）の下方に空所（１
０）を有し、空所が供給貫通路（９）と結合されてい
る、請求項１から６までのいずれか１項記載のロータ。
【請求項８】環状みぞおよびまたはアキシャルみぞ並
びに根部が相互の固定のために刻み目を有している、請
求項６または７記載のロータ。
【請求項９】複数の動翼（２）または部材が半径方向
に、ロータ軸（１）の表面（６）に並置されており、こ
れらの根部（７）に各１つの供給貫通路（９）が配設さ
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。
【請求項１０】供給貫通路が突出した軸部分（４）の
ロータ軸側に向いた側に開口（１１，１１´）を有して
おり、これらの開口部の曲率半径がそれぞれ、２つの直
接隣り合った供給貫通路が異なる開口部曲率半径を持つ
ように、設計されている、請求項９記載のロータ。
【請求項１１】開口が大きい開口部曲率半径（Ｒ）ま
たは小さい開口部曲率半径（ｒ）を持つ、請求項１０記
載のロータ。
【請求項１２】供給貫通路（９）のロータ軸側に向い
た開口（１１，１１´）が、１つの開口の、それぞれ直
接隣り合った開口に一番近い２つの開口領域が異なる曲
率半径を持つように、２つの異なる大きさに形成された
曲率半径（Ｒ、ｒ）を持つ、請求項９記載のロータ。
【請求項１３】２つの直接隣り合った開口の開口領域
（１１，１１´）が等しい曲率半径を持つ、請求項１２
記載のロータ。
【請求項１４】ロータ軸（１）の周囲に分配されて取
り付けられたすべての根部の下方の空所（１０）が互い
に結合されて１つの環状通路（１０´）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。
【請求項１５】偶数個の半径方向およびまたは斜め半
径方向の供給貫通路（９）が環状通路（１０´）内へ開
口している、請求項１４記載のロータ。
【請求項１６】流体機械がタービン、ガスタービンま
たは上記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。
【請求項１７】複数の供給貫通路（９，９´）が半径
方向およびまたは斜め半径方向に延びていて、かつ開口
（１１，１１´）を有しており、開口が供給貫通路
（９，９´）の他の領域よりもロータ軸軸線近くに配置
されている、請求項１から１６までのいずれか１項記載
のロータ。
【請求項１８】ロータが切欠（５）内に含まれた媒体
に対して相対的に移動する、請求項１から１７までのい
ずれか１項記載のロータ。
【請求項１９】動翼または部材の根部（７）が半径方
向で見て切欠（５）の上方に配置されている、請求項１
から１８までのいずれか１項記載のロータ。
【請求項２０】部材が熱セグメントまたは熱シールド
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。