(57)【要約】【課題】ガスタービン用ロータ及びガスタービンにおいて、締結ボルトに作用する応力を低減して信頼性の向上を図る。【解決手段】複数のロータディスク３２が軸方向に配列すると共に、スピンドルボルト３３がこの複数のロータディスク３２を貫通し、ねじ部４１にナット３４を螺合することで締結されるように構成し、スピンドルボルト３３に、ねじ部４１に隣接してねじ部４１より小径のねじ加工用のネック部４２と、ネック部４２に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径の応力集中低減部４３と、ロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合する応力受け部４４とを設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部に動翼を有する複数のロータディスクがロータ回転軸の軸方向に配列されると共に、締結ボルトが前記複数のロータディスクを貫通し、前記締結ボルトの端部に形成されたねじ部にナットが螺合することで締結されたガスタービン用ロータにおいて、
前記締結ボルトは、前記ねじ部に隣接して該ねじ部より小径のねじ加工用のネック部と、該ネック部に隣接して前記ロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部と、前記ロータディスクの貫通孔に嵌合する応力受け部とを有する、
ことを特徴とするガスタービン用ロータ。
【請求項２】
前記ロータディスクの貫通孔は、軸方向の一方側に前記ねじ部及び前記ネック部が位置し、軸方向の他方側に前記応力受け部が位置し、軸方向の中間部に前記応力集中低減部が位置することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用ロータ。
【請求項３】
前記ネック部と前記応力集中低減部は、同径であり、前記ロータディスクの貫通孔よりも小径であることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン用ロータ。
【請求項４】
前記応力集中低減部は、前記ネック部から前記ロータディスクの貫通孔における軸方向の中間位置を越えて延設されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のガスタービン用ロータ。
【請求項５】
圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
前記圧縮機のロータは、外周部に動翼を有する複数のロータディスクがロータ回転軸の軸方向に配列されると共に、締結ボルトが前記複数のロータディスクを貫通し、前記締結ボルトの端部に形成されたねじ部にナットが螺合することで締結され、
前記締結ボルトは、前記ねじ部に隣接して該ねじ部より小径のねじ加工用のネック部と、該ネック部に隣接して前記ロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部と、前記ロータディスクの貫通孔に嵌合する応力受け部とを有する、
ことを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、複数のロータディスクがボルト締結されたガスタービン用ロータ及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。
【０００３】
このように構成されるガスタービンの圧縮機にて、ガスタービン用ロータは、外周部に動翼が配列されたロータディスクが圧縮機の回転軸心方向に複数配列されると共に、スピンドルボルトによりボルト締結されて構成されている。即ち、複数配列されたロータディスクに対して、ロータ中心から径方向にずれた位置をスピンドルボルトが貫通し、このスピンドルボルトの各端部にナットが螺合することで、複数のロータディスクがスピンドルボルト及びナットにより挟持されるように締結される。この場合、複数のロータディスクは、周方向の複数位置でスピンドルボルト及びナットにより締結されている。
【０００４】
このような構成の圧縮機のスピンドルボルト取付構造としては、下記特許文献１に記載されたものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−００５０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、動翼を有するロータディスクを複数重ねてスピンドルボルトにより締結したガスタービン用ロータでは、このロータの回転時に、スピンドルボルトに対して、ロータディスクやスピンドルボルトの荷重が作用し、このスピンドルボルトは中間部が下方に湾曲するように変形する。すると、ロータの回転に伴って、スピンドルボルトは、軸方向の端部に形成されたねじ部が圧縮応力と引張応力を繰り返し受けることとなりフレッティング疲労が発生しやすくなり、寿命が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するものであり、締結ボルトに作用する応力を低減して信頼性の向上を図るガスタービン用ロータ及びガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための請求項１の発明のガスタービン用ロータは、外周部に動翼を有する複数のロータディスクがロータ回転軸の軸方向に配列されると共に、締結ボルトが前記複数のロータディスクを貫通し、前記締結ボルトの端部に形成されたねじ部にナットが螺合することで締結されたガスタービン用ロータにおいて、前記締結ボルトは、前記ねじ部に隣接して該ねじ部より小径のねじ加工用のネック部と、該ネック部に隣接して前記ロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部と、前記ロータディスクの貫通孔に嵌合する応力受け部とを有する、ことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明のガスタービン用ロータでは、前記ロータディスクの貫通孔は、軸方向の一方側に前記ねじ部及び前記ネック部が位置し、軸方向の他方側に前記応力受け部が位置し、軸方向の中間部に前記応力集中低減部が位置することを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明のガスタービン用ロータでは、前記ネック部と前記応力集中低減部は、同径であり、前記ロータディスクの貫通孔よりも小径であることを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明のガスタービン用ロータでは、前記応力集中低減部は、前記ネック部から前記ロータディスクの貫通孔における軸方向の中間位置を越えて延設されることを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明のガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、前記圧縮機のロータは、外周部に動翼を有する複数のロータディスクがロータ回転軸の軸方向に配列されると共に、締結ボルトが前記複数のロータディスクを貫通し、前記締結ボルトの端部に形成されたねじ部にナットが螺合することで締結され、前記締結ボルトは、前記ねじ部に隣接して該ねじ部より小径のねじ加工用のネック部と、該ネック部に隣接して前記ロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部と、前記ロータディスクの貫通孔に嵌合する応力受け部とを有する、ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明のガスタービン用ロータによれば、複数のロータディスクが軸方向に配列されると共に、締結ボルトが複数のロータディスクを貫通し、ねじ部にナットが螺合することで締結されるように構成し、締結ボルトに、ねじ部に隣接してねじ部より小径のねじ加工用のネック部と、ネック部に隣接してロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部と、ロータディスクの貫通孔に嵌合する応力受け部とを設けている。従って、ロータの回転時に、ロータディスクや締結ボルトの重量によりこの締結ボルトが湾曲変形し、この締結ボルトとロータディスクとの接触部分に変動応力が作用するが、締結ボルトはねじ部から離れた応力受け部で応力を受けることとなり、応力の応答を緩慢にし、締結ボルトに作用する応力を低減して信頼性の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項２の発明のガスタービン用ロータによれば、ロータディスクの貫通孔にて、軸方向の一方側にねじ部及びネック部が位置し、軸方向の他方側に応力受け部が位置し、軸方向の中間部に応力集中低減部が位置するので、貫通孔における軸方向の中間部に応力集中低減部を設けることで、締結ボルトのねじ部近傍での応力集中を軽減することができる。
【００１５】
請求項３の発明のガスタービン用ロータによれば、ネック部と応力集中低減部を同径とし、ロータディスクの貫通孔よりも小径とするので、ネック部と応力集中低減部を同径とすることで、締結ボルトの加工を容易として加工性を向上することができる。
【００１６】
請求項４の発明のガスタービン用ロータによれば、応力集中低減部をネック部からロータディスクの貫通孔における軸方向の中間位置を越えて延設するので、締結ボルトは、応力集中低減部によりねじ部から離れた位置にある応力受け部で応力を受けることとなり、応力集中を低減することができる。
【００１７】
請求項５の発明のガスタービンによれば、複数のロータディスクが軸方向に配列されると共に、締結ボルトが複数のロータディスクを貫通し、ねじ部にナットが螺合して締結することで圧縮機ロータを構成し、締結ボルトに、ねじ部に隣接してねじ部より小径のねじ加工用のネック部と、ネック部に隣接してロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部と、ロータディスクの貫通孔に嵌合する応力受け部とを設けている。従って、圧縮機ロータの回転時に、ロータディスクや締結ボルトの重量によりこの締結ボルトが湾曲変形し、この締結ボルトとロータディスクとの接触部分に変動応力が作用するが、締結ボルトはねじ部から離れた応力受け部で応力を受けることとなり、応力の応答を緩慢にし、締結ボルトに作用する応力を低減して信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービン用ロータ及びガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービン用ロータとしての圧縮機ロータの要部を表す断面図、図２は、スピンドルボルトの端部を表す拡大図、図３は、実施例１のガスタービンを表す概略構成図、図４は、実施例１のガスタービン用ロータを表す断面図である。
【００２０】
実施例１のガスタービンは、図３に示すように、圧縮機１１と燃焼器（ガスタービン燃焼器）１２とタービン１３と排気室１４により構成され、このタービン１３に図示しない発電機が連結されている。この圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド１９が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２が交互に配設されている。排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）２４が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により回転自在に支持される一方、排気室１４側の端部が軸受部２６により回転自在に支持されている。そして、このロータ２４に複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８，２２が連結されると共に、排気室１４側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
【００２１】
従って、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気が、複数の静翼２１と動翼２２を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２を通過することでロータ２４を駆動回転し、このロータ２４に連結された発電機を駆動する一方、排気ガスは排気室１４の排気ディフューザ２３で静圧に変換されてから大気に放出される。
【００２２】
上述した圧縮機１１において、図４に示すように、ガスタービン用ロータとしての圧縮機ロータ３１は、複数のロータディスク３２がスピンドルボルト（締結ボルト）３３及びナット３４により締結されて構成されている。即ち、ロータディスク３２は、外周部に上述した動翼１８が設けられており、ロータ回転軸の軸方向に沿って複数接触した状態で配列されている。スピンドルボルト３３は、ロータ回転軸の軸方向に沿って延設され、複数のロータディスク３２を貫通し、各端部にナット３４が螺合している。また、このスピンドルボルト３３は、ロータ回転軸の周方向に沿って等間隔で複数配設されている。
【００２３】
このように圧縮機ロータ３１は、スピンドルボルト３３が複数のロータディスク３２を貫通し、その各端部にナット３４が螺合することで、一体に回転可能となっている。
【００２４】
ところで、複数のロータディスク３２を複数重ねて締結するスピンドルボルト３３は、圧縮機ロータ３１の回転時に、ロータディスク３２やスピンドルボルト３３の荷重により中間部が下方に湾曲するように変形する。すると、スピンドルボルト３３は、ねじ部がナット３４によりロータディスク３２の端面に支持されていることから、ここに圧縮応力と引張応力が繰り返し作用し、フレッティング疲労が発生しやすくなる。
【００２５】
そこで、本実施例では、図１及び図２に示すように、スピンドルボルト３３にて、端部にナット３４が螺合するねじ部４１と、このねじ部４１に隣接してねじ部４１より小径のねじ加工用のネック部４２と、ネック部４２に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径の応力集中低減部４３と、ロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合する応力受け部４４とを設けている。
【００２６】
この場合、ロータディスク３２の貫通孔３２ａは、軸方向の一方側にねじ部４１及びネック部４２が位置し、軸方向の他方側に応力受け部４４が位置し、軸方向の中間部に応力集中低減部４３が位置している。
【００２７】
また、ネック部４２と応力集中低減部４３を同径とし、ロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径としている。更に、応力集中低減部４３を、ネック部４２からロータディスク３２の貫通孔３２ａにおける軸方向の中間位置を越えて延設している。
【００２８】
即ち、スピンドルボルト３３は、上述したように、軸方向における端部が複数のロータディスク３２の貫通孔３２ａを貫通し、端部がこの貫通孔３２ａから突出し、ねじ部４１にナット３４が螺合し、このナット３４をロータディスク３２の端面（座面）に密着することで、複数のロータディスク３２を締結している。
【００２９】
一般に、スピンドルボルト３３を製作する場合、外径の小さいネック部４２を加工してからねじ部を加工することで、ねじ部の加工時における工具の刃先の抜けが良く、ねじ部を高精度に形成することができる。本実施例では、このネック部４２に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径の応力集中低減部４３を設けている。この場合、加工性を考慮し、ネック部４２の外径と応力集中低減部４３の外径を同径としている。そして、応力集中低減部４３に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合する応力受け部４４を設けている。この場合、応力受け部４４は、ロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合できるように、外径をロータディスク３２の貫通孔３２ａより若干小径に形成されている。
【００３０】
そのため、図２に詳細に示すように、ロータディスク３２の貫通孔３２ａの長さＡに対して、ネック部４２の長さＢ１を設定すると共に、応力集中低減部４３の長さＢ２を設定し、応力受け部４４の長さＢ３を設定している。従って、ロータディスク３２の貫通孔３２ａにて、軸方向の一方側、つまり、ナット３４側にねじ部４１及びネック部４２が位置し、軸方向の他方側に応力受け部４４が位置し、その中間部に応力集中低減部４３が位置することとなる。この場合、応力集中低減部４３は、ネック部４２からロータディスク３２の貫通孔３２ａにおける軸方向の中間位置Ｃを越えて応力受け部４４側まで延ばして設けることが望ましい。
【００３１】
このように実施例１の圧縮機ロータ３１にあっては、複数のロータディスク３２が軸方向に配列すると共に、スピンドルボルト３３がこの複数のロータディスク３２を貫通し、ねじ部４１にナット３４を螺合することで締結されるように構成し、スピンドルボルト３３に、ねじ部４１に隣接してねじ部４１より小径のねじ加工用のネック部４２と、ネック部４２に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径の応力集中低減部４３と、ロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合する応力受け部４４とを設けている。
【００３２】
従って、ガスタービンが作動し、圧縮機ロータ３１が回転すると、ロータディスク３２やスピンドルボルト３３の重量などにより、このスピンドルボルト３３の中央部が湾曲変形し、このスピンドルボルト３３とロータディスク３２における貫通孔３２ａとの接触部分に変動応力が作用する。ところが、本実施例では、スピンドルボルト３３は、ねじ部４１に対してネック部４２及び応力集中低減部４３が設けられているため、このねじ部４１から所定距離だけ離れた応力受け部４４で応力を受ける。そのため、スピンドルボルト３３は、応力受け部４４からねじ部４１に伝達される応力の応答が緩慢となり、スピンドルボルト３３に作用する応力を低減して信頼性の向上を図ることができる。
【００３３】
また、実施例１のガスタービン用ロータでは、ロータディスク３２の貫通孔３２ａにて、軸方向の一方側にねじ部４１及びネック部４２を位置し、軸方向の他方側に応力受け部４４を位置し、軸方向の中間部に応力集中低減部４３を位置している。従って、貫通孔３２ａにおける軸方向の中間部に応力集中低減部４３を設けることで、スピンドルボルト３３のねじ部４１の近傍での応力集中を軽減することができる。
【００３４】
また、実施例１のガスタービン用ロータでは、ネック部４２と応力集中低減部４３を同径とし、ロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径としている。従って、ネック部４２と応力集中低減部４３を同径とすることで、スピンドルボルト３３の加工を容易として加工性を向上することができる。
【００３５】
また、実施例１のガスタービン用ロータでは、応力集中低減部４３をネック部４２からロータディスク３２の貫通孔３２ａにおける軸方向の中間位置を越えて延設している。従って、スピンドルボルト３３は、応力集中低減部４３によりねじ部４１から離れた位置にある応力受け部４４で応力を受けることとなり、応力集中を低減することができる。
【実施例２】
【００３６】
図５は、本発明の実施例２に係るガスタービン用ロータとしての圧縮機ロータの要部を表す断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００３７】
本実施例では、図５に示すように、スピンドルボルト５０にて、端部にナット３４が螺合するねじ部５１と、このねじ部５１に隣接してねじ部５１より小径のねじ加工用のネック部５２と、ネック部５２に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径の応力集中低減部５３と、ロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合する応力受け部５４とを設けている。
【００３８】
この場合、ロータディスク３２の貫通孔３２ａは、軸方向の一方側にねじ部５１及びネック部５２が位置し、軸方向の他方側に応力受け部５４が位置し、軸方向の中間部に応力集中低減部５３が位置している。また、ネック部５２と応力集中低減部５３を同径とし、ロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径としている。更に、応力集中低減部５３を、ネック部５２からロータディスク３２の貫通孔３２ａにおける軸方向の中間位置を越え、この中間位置の近傍まで延設している。
【００３９】
このように実施例２の圧縮機ロータ３１にあっては、複数のロータディスク３２が軸方向に配列すると共に、スピンドルボルト５０がこの複数のロータディスク３２を貫通し、ねじ部５１にナット３４を螺合することで締結されるように構成し、スピンドルボルト５０に、ねじ部５１に隣接してねじ部５１より小径のねじ加工用のネック部５２と、ネック部５２に隣接してロータディスク３２の貫通孔３２ａよりも小径の応力集中低減部５３と、ロータディスク３２の貫通孔３２ａに嵌合する応力受け部５４とを設けている。
【００４０】
従って、圧縮機ロータが回転すると、スピンドルボルト５０は、ねじ部５１に対してネック部５２及び応力集中低減部５３を介して所定距離だけ離れた応力受け部５４で応力を受ける。そのため、スピンドルボルト５０は、応力受け部５４からねじ部５１に伝達される応力の応答が緩慢となり、スピンドルボルト５０に作用する応力を低減して信頼性の向上を図ることができる。
【００４１】
なお、上述した各実施例では、複数のロータディスク３２における中心からずれた位置を複数のスピンドルボルト３３が貫通し、端部にナット３４を螺合して締結することで、圧縮機ロータ３１を構成したが、この構成に限定されるものではない。即ち、複数のロータディスクにおける中心位置を一つのスピンドルボルトが貫通し、端部にナットを螺合して締結することで、圧縮機ロータを構成してもよい。
【００４２】
また、上述した各実施例では、ガスタービン用ロータとして、圧縮機１１の圧縮機ロータ３１を適用して説明したが、タービン１３のタービンロータに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係るガスタービン用ロータ及びガスタービンは、ロータディスクを締結する締結ボルトにねじ加工用のネック部に隣接してロータディスクの貫通孔よりも小径の応力集中低減部を設けることで、締結ボルトに作用する応力を低減して信頼性の向上を図るものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１に係るガスタービン用ロータとしての圧縮機ロータの要部を表す断面図である。
【図２】スピンドルボルトの端部を表す拡大図である。
【図３】実施例１のガスタービンを表す概略構成図である。
【図４】実施例１のガスタービン用ロータを表す断面図である。
【図５】本発明の実施例２に係るガスタービン用ロータとしての圧縮機ロータの要部を表す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  圧縮機
１２  燃焼器
１３  タービン
３１  圧縮機ロータ（ガスタービン用ロータ）
３２  ロータディスク
３２ａ  貫通孔
３３，５０  スピンドルボルト（締結ボルト）
３４  ナット
４１，５１  ねじ部
４２，５２  ネック部
４３，５３  応力集中低減部
４４，５４  応力受け部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010112316.tif 000007