WO1998057040A1 - Rotor pour turbines a gaz - Google Patents

Description

明 細 書 ガスタービンロータ 技術分野

本発明はガス夕一ビン口一夕に関するものである。 背景技術

図 4は従来のガスタービンの一例を示す縦断面図、 図 5は同ガスタービ ンの部分拡大縦断面図、 図 6は図 5の V部拡大図である。

これらの図において、 1 2は口一夕の円板、 1 3は各円板を接続するボル ト、 1 4は隣り合う円板を嚙み合わせるために設けられている歯、 1 5は 隣り合う円板の対向部に設けられている環状の腕、 1 6は上記の一対の腕 の間に装着されているシール板、 1 7は円板に設けられている空気通路、 1 8は空気入口、 1 9は流入する冷却用空気、 2 0は円板の間を流れる冷 却用空気の流れである。

一般のガスタービンでは動翼 1 1を植えた円板 1 2を複数個軸方向に積 重ねてボルト 1 3で一体に締付けてロータとすると共に、 接合面に頂角 1 8 0 ° の傘歯車に相当する歯 1 4を形成し、 互いに嚙合せその歯の嚙み合 いでトルクの伝達及び互の円板の芯合わせを行っている。 各円板には空気 通路 1 7が設けてあり、 空気流 2 0を流すことによって円板 1 2や動翼 1 1の付け根部を冷却している。

図 6は円板 1 2に設けられている歯 1 4の加工説明図であり、 （a ) は 円板の縦断面図、 （b ) は （a ) の B— B断面図、 （c ) は （b ) のじ— C断面図である。 図 （b ) ， （c ) には歯 1 4を加工するための円板状砥 石 2 5が描いてある。 2 6はこの砥石に設けられている歯創成面である。 Hは歯 1 4と腕 1 5との間の距離、 Rは砥石 2 5の半径である。

一般に砥石 2 5は研削 1サイクル中の摩耗量を出来るだけ小として精度 を維持するために、 大径の円板状砥石 2 5が用いられており、 その半径 R は、 歯 1 4と腕 1 5との距離 Hより大きいものである。 腕 1 5の突出高さ はこの大径の砥石の回転を阻害しない高さとなってレ、る必要がある。 図 7は一対の円板の腕の先端部、 即ち図 5の V部の拡大図である。 前記 のような大径の砥石の歯創成面 2 6が回転し、 歯 1 4の歯底を加工してい る時に、 砥石が腕の端面 1 5 aに接触しないよう、 腕の端面 1 5 aは砥石 の逃げ 2 2に相当する寸法だけ歯のピッチ線 2 1から後退させてある。 こ れによって、 一対の腕の端面 1 5 aの間には少なくとも間隔 2 3に相当す る隙間が生じる。 前記のシール板 1 6は、 冷却空気がこの隙間から外周方 向へ流出することを防ぐために設けられているものであり、 一対の腕の両 端面間の隙間を塞ぐ蓋である。 このシール板 1 6は、 対向する腕 1 5の端 面 1 5 aにそれぞれ溝を設け、 この溝に嵌め込んである。 シール板 1 6は 装着後は円輪状となるが、 加工の都合上円輪を 2または 4分割した形のも のを製作し、 それぞれを嵌め込んである。

従来の他の例について図 9および図 1 0に基づいて説明する。

図 9に示すものでは、 静翼 4 0を経由した冷却空気 4 1は、 矢印で示す ように静翼 4 0の内端上流側に設けた孔 4 2から流出し、 静翼翼頂のラビ リンス 4 3を通り抜けて動翼 4 4の翼根部 4 5に供給され、 冷却に供され るようになっている。

すなわち、 この形式のものにあっては、 前記翼根部 4 5に冷却空気を流 すのは、 同翼根部 4 5の上流側と下流側の静圧差に依存することになるの で、 動翼 4 4の前で高くするかもしくは動翼 4 4の後で低くすることが必 要である。

また図 1 0に示す他の形式のものは、 前記図 9のものの構成に加えて、 静翼 4 0の内周部に後流方向に向けて開口するノズル 4 6を設け、 同ノズ ル 4 6からも冷却空気を噴出させ、 同冷却空気が動翼 4 4の翼根部 4 5へ 入り易くなるようにしたものである。

このノズル 4 6から噴出する冷却空気の流れは、 図 1 0 ( a ) の D— D 断面をとつて図 1 0 ( b ) に示すように、 ノズル 4 6の噴出角を 0、 動翼 4 4の周速度を u、 冷却空気の噴出速度を cとすると、 図 1 0 ( b ) 中に 記入した速度三角形ができ、 流入速度 wが求められることになる。

しかし、 この流入速度 wが加重されるとはいうものの、 この形式のもの にあっても翼根部 4 5へ供給される冷却空気の流動は、 動翼 4 4の翼根部 4 5における上流側と下流側との静圧差によることが基本である。 発明の開示

上記した従来の第 1例のガスタービン構造においては横置きロータであ るので、 図 8に示すようにロータ中心線 2 4は自重のために撓む。 このた め、 各円板の外周部では互の間隔が上側と下側で異なり、 従って或る周上 の一点に注目すると一回転毎に間隔がその差だけ変化する。 即ち量は僅か であるが腕の嵌込溝とシ一ル板は一回転毎に軸方向に摺動する。 シ一ル板 は溝に遠心力で押し付けられながら摺動を続けるので長年の運転の間に摩 耗する。

また加工上の都合でシ一ル板は円輪状のものを 2又は 4分割しているの で分割部で洩れを生ずる。 分割部での洩れは接目なしの円輪とすれば解決 できるが、 大径で薄肉の円輪の高精度の加工はコスト上の問題があるので 実用には適していない。 本発明はこの様な従来例のものにおける欠点を解消したもので、 シール 部の摩耗および空気洩れの無レ、シ一ル手段を備えたガスタービンロー夕を 提供しょうとするものである。

また、 前記従来の第 2例におけるタービン後方段の長い動翼では、 流体 の速度の周方向成分は遠心力を発生させ、 流れが外周へ片寄る傾向がある ので、 通路面積内をできるだけ一様流れにし、 流体が軸方向に滑らかに流 れるように、 動翼へ入る時の圧力を外周寄りで高く、 内周で低くなるよう に動翼の通路面積と出入口角度を調整した設計とするのが普通である。 その結果、 このような長い動翼の根本近くではその段の圧力降下の大部 分が静翼中で発生し、 動翼前後の圧力差は極くわずかなものとなってしま ラ α

従つて前記した図 9の形式のものでは、 翼根部へ冷却空気を導入して所 定の冷却空気量を確保することがむづかしくなつてしまうものである。 同様に図 1 0のものでも、 ラビリンス 4 3を通った冷却空気による動翼 前後の圧力差での冷却空気の導入は期待できず、 ノズル 4 6の噴出に多く を依存することとなり、 冷却空気量の確保は大巾に低下せざるをえないも のである。

本発明はこのような従来例のものにおける不具合を解消し、 動翼の翼根 部に対して確実に冷却空気を供給しうるようにしたものを提供することを 課題とするものである。

本出願の各発明は上記課題を解決したものであって、 第 1の発明は傘歯 車状の歯を有する複数個の円板を、 上記の歯を嚙み合わせて重ね、 それら の円板を貫通するボルトで締結して一体化したガスタービンロータにおい て、 上記の隣り合う円板面に、 上記歯の歯底より低く環状に突出してそれ ぞれ対向する腕を設け、 その一方の腕の先端部は弾性変形可能な厚さで且 つ内方或いは外方へ折れ曲がった断面形状とし、 他方の腕には先端部が弾 性変形可能な厚さで且つ内方或いは外方へ折れ曲がつた断面形状の延長部 材を溶接し、 上記一方の腕の先端部の端面と、 上記他方の腕の延長部材の 先端部の端面とを突き合わせ、 複数の円板が一体化された時、 上記両端面 が圧接状態となるようにして、 冷却用空気の洩れを防止することを特徴と するガスタービンロータに関するものである。

また、 第 2の発明は前記一方の腕と前記他方の腕との間に生じた空間を 閉塞するシール部材を備え、 同腕の外側で動翼の上流側端部底位置に形成 した動翼翼溝キヤビティと、 静翼の内周端上流側に対向して形成した静翼 上流側キヤビティを有し、 前記シール部材の内方で前記一方の腕と前記他 方の腕を軸方向に貫通して前記静翼上流側キヤビティと動翼翼溝キヤビテ ィとを連通する連通孔を設けたことを特徴とするガスタービンロータに関 するものである。

すなわち、 動翼の上流側端部底位置の動翼翼溝キヤビティと、 静翼の内 周端上流側の静翼上流側キャビティとは、 ディスク腕を貫通した連通孔で 連通されているので、 動翼翼溝キヤビティの圧力は静翼上流側キヤビティ の圧力をほぼ確保することとなり、 この動翼翼溝キャビティに続く動翼翼 根部へ確実に冷却空気の供給を行うことができるものである。 図面の簡単な説明

図 1は本発明の実施の第 1形態に係るガスタービンの部分拡大縦断面図。 図 2は図 1の I I部の拡大図。

図 3は本発明の実施の第 2形態に係るガスタービンロータの要部を示し、 ( a ) はディスク腕の接合部の拡大図、 （b ) は （a ) の A - A部分断面 図。 図 4は従来のガス夕一ビンの縦断面図。

図 5は上記ガスタービンの部分拡大縦断面図。

図 6は上記ガスタービンの円板に設けられる歯の加工説明図であり、 ( a ) は円板の縦断面図、 （b ) は （a ) の B— B断面図、 （c ) は （b ) の C— C断面図。

図 7は上記ガスタービンの円板シール部 （図 4の V部） の拡大図。

図 8は上記シール部の変形状態説明図。

図 9は従来のガス夕一ビン口一夕の要部の他の例を示す説明図。

図 1 0は従来のガスタービン口一夕の要部の更に他の例を示し、 （a ) は同要部の説明図、 （b ) は （a ) の D— D断面図。 発明を実施するための最良の形態

図 1は本発明の実施の第 1形態に係るガスタービンの部分拡大縦断面図 である。 図において、 円板 1 2の主要部の構造、 円板相互のトルク伝達の ための歯 1 4、 円板相互のボルト 1 3による結合、 空気通路 1 7等の構造 は従来の技術と同じである。 従来技術と異る点は図の I ί部の構造である。 図 2は図 1の I I部の拡大図である。 図において 1は一方の円板に設けて ある腕である。 この腕の先端部 2は内方へ折れ曲つた断面形状をなしてい る。 3は他方の円板に設けてある腕である。 この腕には内方へ折れ曲った 断面形状の延長部材 4が溶接によって取付けてある。 5はその溶接材であ る。 一方の腕の先端部 2の端面と、 他方の腕の延長部材 4の端面とは互に 接して圧接面 6を構成している。 なお上記折れ曲り部の厚さは弾性変形可 能な厚さである。 また、 上記先端部 2および延長部材 4の折れ曲りは外方 へ折れ曲っていてもよい。

この図において、 実線で描いてあるのは、 実際の使用状態を示すもので、 圧接面 6において両方の腕は互に圧接されている。 破線で示してあるのは、 それぞれ相手側の腕が無い状態、 即ち無荷重状態、 即ち製作時の元の形状 である。 腕 1の先端部と延長部材 4とは相互に圧接されることによって、 弾性変形している。 7は、 元の形状の端面間の距離であり、 製作時に考慮 される押付代である。 8は、 図 1 (あるいは従来技術の図 4 ) で示したト ルク伝達用に嚙み合わせてある歯車のピッチ線であり、 9はこの歯の歯底 加工に必要な砥石の逃げである。 前記一方の腕 1の端面 1 aおよび他方の 腕 3の端面 3 aは砥石の逃げ 9の限界線より十分に後退した位置に設けて あるので、 歯の加工は可能である。 中間に生じる間隔 1 0は溶接された他 方の腕の延長部材 4が埋めていることになる。

以上に説明したように前記実施の第 1形態におけるガスタービン口一夕 の構造においては、 圧接面 6では摺動はほとんど無レ、ので摩耗は生じない。 また、 口一夕が回転すると、 その自重によって中心線が撓み、 中心線の上 下では円板の間隔が変化し、 上記の腕の先端の圧接面 6では周期的に圧接 力に変化が生じるが、 圧接されていることに変りはないので、 空気洩れは 防止される。

また、 図 3に基づいて本発明の実施の第 2形態を説明する。

図 3は （a ) , ( b ) 図に区分して本実施の形態の要部構成を示すもので ある。

ここで隣接する一対のディスク 3 2、 3 2同志を当接させて相互の位置 決めを行っている。

図におレ、て左側が作動流体の上流側であり、 この上流側でデイスク腕 3 2の張り出し部に当る位置に静翼上流側キヤビティ 3 4が形成されている。 右側の作動流体下流側においては、 前記静翼上流側キヤビティ 3 4に対 向して、 動翼の上流側端部底位置に動翼翼溝キヤビティ 3 5が形成されて いる。

そして軸方向で対向方向に張り出して延び、 その先端を当接した前記 1 対のディスク腕 3 2、 3 2には、 同ディスク腕 3 2、 3 2中を軸方向に貫 通する連通孔 3 6が設けられ、 同連通孔 3 6により前記静翼上流側キヤビ ティ 3 4と動翼翼溝キヤビティ 3 5とが連通されている。

なお、 前記 1対のディスク腕 3 2、 3 2の当接部は弾性的当接を狙って 図示のように一部空間 3 9を持って当接する形態としているので、 同空間 3 9を通って前記連通孔 3 6が開放されないようにここには円周方向に亘 つてシール板 3 7が配設されている。

本実施の形態は前記のように構成されているので、 図示省略の静翼を経 由して静翼上流側キヤビティ 3 4に運ばれた冷却空気は、 連通孔 3 6を経 て動翼翼溝キヤビティ 3 5に送られる。

連通孔 3 6は、 格別の障害物もなく冷却空気はさしたる圧力損失もなく 流れるので、 動翼翼溝キヤビティ 3 5内には静翼上流側キヤビティ 3 4内 とほぼ等圧の冷却空気が供給されることになる。

換言すれば図示省略の静翼の上流側と下流側で圧力損失はなく、 静翼上 流側の圧力が次位に配置された動翼上流側の圧力としてほぼそのまま持ち 越されることになる。

従って前記動翼翼溝キヤビティ 3 5から図示省略の動翼翼根部への冷却 空気の供給に際しては、 静翼上流側キヤビティの圧力にほぼ相当する圧力 を以つて動翼翼根部入口圧力とするので、 冷却空気の送給は、 確実に行う ことができるものである。

以上、 本発明を図示の実施の形態について説明したが、 本発明はかかる 実施の形態に限定されず、 本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更 を加えてよいことはいうまでもない。 産業上の利用可能性

以上第 1の発明のガスタービンロータにおいては、 隣り合う円板面に、 歯の歯底より低く環状に突出してそれぞれ対向する腕を設け、 その一方の 腕の先端部は弾性変形可能な厚さで且つ内方或いは外方へ折れ曲がった断 面形状とし、 他方の腕には先端部が弾性変形可能な厚さで且つ内方或いは 外方へ折れ曲がつた断面形状の延長部材を溶接し、 上記一方の腕の先端部 の端面と、 上記他方の腕の延長部材の先端部の端面とを突き合わせ、 複数 の円板が一体化された時、 上記両端面が圧接状態となるようにしてある。 上記両端面の圧接面はほとんど摺動しないので摩耗せず、 また、 上記両端 面は圧接されているので空気洩れを防止することができたものである。 また、 第 2の発明によれば、 前記一方の腕と前記他方の腕との間に生じ た空間を閉塞するシール部材を備え、 同腕の外側で動翼の上流側端部底位 置に形成した動翼翼溝キヤビティと、 静翼の内周端上流側に対向して形成 した静翼上流側キヤビティを有し、 前記シール部材の内方で前記一方の腕 と前記他方の腕を軸方向に貫通して前記静翼上流側キヤビティと動翼翼溝 キヤビティとを連通する連通孔を設けてガスタービンロータを構成してい るので、 動翼翼溝キヤビティに前記静翼上流側キヤビティの圧力に相当す る圧力を確保し、 これを動翼上流側の圧力として動翼翼溝キヤビティに続 く翼根部への冷却空気を流す力として用いることができ、 冷却空気の供給 を確実に、 かつ、 安定的に行い得、 以つてガスタービンの高温化対応を大 巾に前進させることができたものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 傘歯車状の歯を有する複数個の円板を、 上記の歯を嚙み合わせて重ね、 それらの円板を貫通するボルトで締結して一体化したガスタービンロータ において、 上記の隣り合う円板面に、 上記歯の歯底より低く環状に突出し てそれぞれ対向する腕を設け、 その一方の腕の先端部は弾性変形可能な厚 さで且つ内方或いは外方へ折れ曲がった断面形状とし、 他方の腕には先端 部が弾性変形可能な厚さで且つ内方或いは外方へ折れ曲がつた断面形状の 延長部材を溶接し、 上記一方の腕の先端部の端面と、 上記他方の腕の延長 部材の先端部の端面とを突き合わせ、 複数の円板が一体化された時、 上記 両端面が圧接状態となるようにして、 冷却用空気の洩れを防止することを 特徴とするガス夕一ビンロータ。

2 . 前記一方の腕と前記他方の腕との間に生じた空間を閉塞するシ一ル部 材を備え、 同腕の外側で動翼の上流側端部底位置に形成した動翼翼溝キャ ビティと、 静翼の内周端上流側に対向して形成した静翼上流側キヤビティ を有し、 前記シ一ル部材の内方で前記一方の腕と前記他方の腕を軸方向に 貫通して前記静翼上流側キヤビティと動翼翼溝キヤビティとを連通する連 通孔を設けたことを特徴とする第 1項に記載のガス夕一ビン口一夕。