(57)【要約】【課題】半径方向に延在する複数の冷却孔を備える、ガスタービンのような高い熱負荷に曝されるターボ機械用のロータシャフトを改良して、特にその耐用期間に関して技術的現状を超える好適なものを提供する。【解決手段】冷却孔１３０の少なくとも１つの入口部分１３２は、ロータ空洞部１２０の外周輪郭１２２を越えて突出する隆起平坦部１２４として形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンのような、熱応力を受けるターボ機械用のロータシャフト（１００）であって、少なくとも、
該ロータシャフト（１００）の内側に配置され、ロータ軸線（１１０）に対して略平行に延在する冷却空気供給部（１６）と、
前記ロータシャフト（１００）の内側で前記ロータ軸線（１１０）に対して同心に配置された少なくとも１つのロータ空洞部（１２０）であって、該少なくとも１つの該ロータ空洞部（１２０）に前記冷却空気供給部（１６）が開口する、ロータ空洞部（１２０）と、
少なくとも１つの前記ロータ空洞部（１２０）に結合され、該ロータ空洞部（１２０）から半径方向外向きに延在する複数の冷却孔（１３０）であって、各該冷却孔（１３０）は、入口部分（１３２）と遠位の出口部分（１３４）とを有し、それぞれの孔の前記入口部分（１３２）は、少なくとも１つの前記ロータ空洞部（１２０）の外周に接するように適合されている、冷却孔（１３０）と、
を備える、ターボ機械用のロータシャフトにおいて、
前記冷却孔（１３０）の少なくとも１つの前記入口部分（１３２）は、前記ロータ空洞部（１２０）の外周輪郭（１２２）を越えて突出する隆起平坦部（１２４）として形成されていることを特徴とする、ターボ機械用のロータシャフト。
【請求項２】
前記冷却孔（１３０）の各前記入口部分（１３２）は、前記ロータ空洞部（１２０）の前記外周輪郭（１２２）を越えて突出する個別の隆起平坦部（１２４）を形成する、請求項１記載のロータシャフト。
【請求項３】
前記冷却孔（１３０）の少なくとも２つの前記入口部分（１３２）は、１つの共通の隆起平坦部（１２４）を形成する、請求項１記載のロータシャフト。
【請求項４】
前記隆起平坦部（１２４）は、前記ロータ空洞部（１２０）において連続的な周方向の１つの隆起平坦部として形成されており、前記冷却孔（１３０）の全ての前記入口部分（１３２）は、周方向の前記隆起平坦部（１２４）で終端している、請求項１記載のロータシャフト。
【請求項５】
少なくとも１つの前記隆起平坦部（１２４）は、真っ直ぐな表面（１２５）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のロータシャフト。
【請求項６】
前記真っ直ぐな表面（１２５）は、前記冷却孔（１３０）の長手方向軸線に対して略直交している、請求項５記載のロータシャフト。
【請求項７】
前記隆起平坦部（１２４）は、前記ロータ軸線（１１０）に向かう方向に空洞部壁（１２３）への接線方向の滑らかな移行部（１２６）を有する、請求項１記載のロータシャフト。
【請求項８】
前記隆起平坦部（１２４）の半径方向外側部分は、空洞部壁（１２３）への段部を形成する、請求項１記載のロータシャフト。
【請求項９】
前記空洞部壁（１２３）から前記隆起平坦部（１２４）に延在する前記段部は、移行半径（１２７）を有する丸み付けされた縁部として構成されている、請求項８記載のロータシャフト。
【請求項１０】
外側の移行半径（１２７）は、内側の移行部分（１２６）における半径よりも小さい、請求項７から９までのいずれか１項記載のロータシャフト。
【請求項１１】
当該ロータシャフト（１００）は、溶接により相互に結合された複数のロータディスク（１３）を備える、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロータシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い熱負荷を掛けられるターボ機械、特にガスタービンの技術分野に関し、とりわけ本発明は、そのようなターボ機械用のロータシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、ガスタービン又は蒸気タービンのような、ターボ機械の要素は、これらの要素の耐用期間を短縮する高い熱応力及び機械応力に曝されている。運転中の熱応力を低減するために、これらの要素は、冷却媒体、例えば蒸気又は空気により冷却される。
【０００３】
ガスタービンでは、翼が冷却空気により対流式に冷却される。冷却空気は、圧縮機から分岐され、ロータシャフトの内側における中央冷却空気供給孔に配向される。この中央孔から、冷却空気は、半径方向外向きに、ロータ空洞部と個別に半径方向に延在する複数の冷却孔を通して翼の内部冷却通路内に配向される。
【０００４】
欧州特許出願公開第１７０５３３９号明細書において、ガスタービン用のロータシャフトが開示されている。このロータシャフトは、軸方向に延在する中央孔の構成をした、ロータシャフトの内側に配置された冷却空気供給部と、複数の個別の冷却空気管路とを備える。冷却空気管路は、中央冷却空気供給部から外方へ略半径方向で冷却されるべき翼に向けて延在している。これらの冷却空気管路は、翼の内部冷却通路内に冷却空気を供給する。好適な態様によれば、冷却空気管路は、ロータ軸線に関して同心に配置された空洞部から導出している。この構造の重要な域は、ロータ空洞部の外周に設けられた冷却空気管路入口部分である。複数の冷却孔は、ロータ空洞部のカーブした外側部分で始端している。冷却孔は、ロータ空洞部の外周に沿って対称的に分配されている。要求される高い冷却空気質量流量により冷却空気孔の数及び大きさが与えられ、個々の冷却空気孔の間に極めて小さな壁厚さが残ることになる。その結果としてロータシャフト剛性が脆弱化する。この域における高い作用応力により、ロータの耐用期間が制限される。
【０００５】
最低限の壁厚さを増やすために、冷却孔の数及び大きさの変化が要求される。又は、択一的に、作用する機械（遠心翼）負荷及び熱負荷の低減が要求される。しかし、これらのあらゆる選択は、翼冷却及び／又はエンジン性能に不都合な影響を有する。
【０００６】
従って、熱負荷を掛けられるターボ機械において、機械応力を低減し、ロータシャフトの耐用期間を増やすように改良されたロータシャフト構成の要求が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１７０５３３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、半径方向に延在する複数の冷却孔を備える、ガスタービンのような高い熱負荷を掛けられるターボ機械用のロータシャフトを改良して、特にその耐用期間に関して従来技術よりも有利なものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、独立請求項に記載されたロータシャフトにより解決される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るロータシャフトは、少なくとも、ロータシャフトの内側に配置され、ロータ軸線に対して略平行に延在する冷却空気供給部と、ロータシャフトの内側でロータ軸線に対して同心に配置された少なくとも１つのロータ空洞部であって、少なくとも１つのロータ空洞部に冷却空気供給部が開口する、ロータ空洞部と、少なくとも１つのロータ空洞部に結合され、ロータ空洞部から半径方向外向きに延在する複数の冷却孔であって、各冷却孔は、入口部分と遠位の出口部分とを有し、入口部分は、それぞれ少なくとも１つのロータ空洞部の外周に接するように適合されている、冷却孔と、を備える。このロータシャフトは、少なくとも１つの冷却孔の入口部分がロータ空洞部壁の外周輪郭を越えて突出する（ロータ空洞部に入り込む）隆起平坦部として形成されていることを特徴とする。
【００１１】
この寸法設定の好適な効果は、冷却孔が、これにより更にロータ空洞部内に延在し、冷却孔入口が本来の空洞部輪郭から離れて低応力域に変位されていることにある。その結果、ロータの機械応力は著しく低減され、ロータの低減された機械応力は、その耐用期間を増やす要因となっている。
【００１２】
本発明の好適な態様によれば、各冷却孔の入口部分は、個別の隆起平坦部に配置されている。
【００１３】
択一的な態様によれば、複数の冷却孔の入口部分は、１つの共通の隆起平坦部に配置されている。
【００１４】
別の態様によれば、周方向の隆起平坦部は、ロータ空洞部内に形成されており、全ての冷却孔の入口部分は、この周方向の隆起平坦部で終端している。
【００１５】
周方向の隆起平坦部の利点は、その簡単な製作にある。
【００１６】
その半径方向外側部分で、隆起平坦部は、比較的小さな半径を介して本来の輪郭から離れて変位されており、空洞部壁に段部を形成している。
【００１７】
形成されたこの段部は、本来の応力分布の如何なる変化も阻止する。
【００１８】
この半径方向内側部分で、ロータ軸線に向けて、隆起平坦部は、空洞部壁への接線方向の滑らかな移行部を有する。
【００１９】
隆起平坦部自体はカーブした表面を有してよい。しかし簡単な製作の理由から、真っ直ぐな表面を有する隆起平坦部が好適である。真っ直ぐな隆起平坦部の表面は、冷却孔の長手軸線に対して直交するように向けられている。
【００２０】
以下に、添付の図面を参照して、様々な態様を用いて本発明をより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の例示的な態様によるロータシャフト（翼列を含まない）の斜視図である。
【図２】内側の冷却空気管路を含む領域における図１ロータシャフトの概略的な長手方向断面図である。
【図３】本発明におけるロータ空洞部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に本発明の実施の形態を、図示の態様を用いて詳しく説明する。
【００２３】
同一の参照符号は、幾つかの態様の説明を通じて同一の構成要素を表している。
【００２４】
本開示の完全な理解のために、図面に関する以下の詳細な説明が参照される。
【００２５】
図１には、ガスタービンのロータシャフト１００（翼列は図示されていない）の斜視図が再現されている。ロータ軸線１１０に関して回転対称であるロータシャフト１００は、圧縮機部分１１とタービン部分１２とに分割されている。２つの部分１１，１２の間でガスタービンの内側に、燃焼チャンバを配置してよい。燃焼チャンバに、圧縮機部分１１において圧縮された空気が導入され、燃焼チャンバから、高温のガスがタービン部分１２を通流する。ロータシャフト１００は、溶接により相互に結合された複数のロータディスク１３により組み立てられてよい。タービン部分１２は、周にわたって分配された、対応する動翼を収容するための収容スロットを備える。翼の翼根元（ルート）は、モミの木（ファーツリー）状の横断面輪郭による、凹凸による確実な結合による通例の態様で収容スロットに保持されている。
【００２６】
図２には、高い熱負荷を掛けられるタービン部分１２が示されている。図２によれば、ロータシャフト１００は、冷却空気供給部１６を備える。冷却空気供給部１６は、ロータ軸線１１０に対して略平行に延在していて、ロータ空洞部１２０で終端している。ロータ空洞部１２０は、ロータシャフト１００の内側でロータ軸線１１０に対して同心に構成されている。複数の冷却孔１３０が、ロータシャフト１００に結合された個々の翼（図示されていない）の内部冷却通路に冷却空気を供給するために、半径方向外向きにロータ空洞部１２０からロータシャフト１００の外側に延在している。各冷却孔１３０は、孔入口部分１３２と遠位の孔出口部分１３４とを備える。孔入口部分１３２は、それぞれロータ空洞部１２０に接するように適合されている。「接する」の用語は、孔入口部分１３２と、孔入口部分１３２が通じるロータ空洞部１２０とが同一平面を共有することを意味するように、定義されている。ロータ空洞部１２０は、中央冷却空気供給部１４に結合されている。中央冷却空気供給部１４は、冷却空気をロータ空洞部１２０に供給し、そこから複数の冷却孔１３０に供給する。
【００２７】
図３に示されているように、環状のロータ空洞部１２０は、軸方向及び周方向で空洞部壁１２３により画定されている。参照符号１４０が、隣り合うロータディスク１３の間の溶接シームに付されている。ロータ空洞部１２０の半径方向外側部分（「半径方向外側」、「半径方向内側」、「半径方向外向き」の用語は、本願においてはロータ軸線１１０に基く）から、複数の冷却孔１３０が半径方向外向きに延在している。冷却孔１３０の入口１３２は、本来の空洞部輪郭１２２から変位されていて、本来の空洞部輪郭１２２から距離を置いて、追加的な材料の隆起平坦部１２４上に位置決めされている。理想的には、材料は、各冷却孔入口１３２の周りにだけ追加されていて、そうして個々の各冷却孔入口１３２の周りに隆起平坦部１２４が形成される。これにより、冷却孔１３０は、更にロータ空洞部１２０内に延在しており、その入口１３２は、本来の空洞部輪郭１２２から変位されている。好適には、隆起平坦部１２４は、冷却孔１３０の長手方向軸線に対して直交するように向けられた真っ直ぐな表面１２５を備える。その半径方向内側部分で、つまり、ロータ軸線１１０に向かう方向に、隆起平坦部１２４は、空洞部壁１２３への接線方向の滑らかな移行部１２６を備え、これに対してその半径方向外側部分で、空洞部壁１２３から隆起平坦部１２４への移行部は、空洞部壁１２３から隆起平坦部１２４への比較的小さな移行半径１２７を有する段部により形成されている。「比較的小さい」という表現は、移行部半径１２６との比較において意味している。追加的な材料により、冷却孔入口１３２は、更に空洞部１２０内に、本来の輪郭１２２から離れて変位されている。形成された段部１２７は、本来の応力分布のあらゆる変化を阻止する。従って、冷却孔入口１３２は、低応力域に変位されている。
【００２８】
冷却孔１３０の数に応じて個別の複数の隆起平坦部１２４を形成する代わりに、択一的に、ロータ空洞部１２０の全周に沿った同一高さの連続的な１つの隆起平坦部１２４を形成することが好ましい。この態様の利点は、簡単な製作である。
【００２９】
本開示の改良されたロータシャフトは、様々な観点において有利である。ロータシャフトは、その関連において使用される機械又はタービンが運転状態にある間にロータシャフトに生じる熱応力及び機械応力の低減効果に関して適合可能である。更に、本開示のロータシャフトが単一の部品から又は複数の部品から製造されているかの要因に拘わらず、本開示のロータシャフトは、温度、遠心力又はスラスト力の作用に対する耐性又は低減において有利である。このような横断面形状を有する改良されたロータシャフトは、考慮された状況において従来慣用のロータの２〜５倍だけ全体のライフサイクルが増加されるように構成することができる。本開示のロータシャフトは、同時に、孔入口の域において１０％〜４０％だけ作用応力を低減することにおいて有利である。作用応力は、機械応力と熱応力との組み合わせである。更に、ロータシャフトは、効率的で経済的な方法で使用するために便利である。本開示の様々な別の利点及び特徴は、上述の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲から明らかである。
【００３０】
本開示の特定の態様の前述の説明は、例示及び説明を目的として提示されたものである。本開示の特定の態様の説明は、網羅的であること又は本開示を開示されたまさにその態様に限定することを意図したものではなく、もちろん、上述の開示に照らして多くの改良形態及び変形態も実施可能である。特定の態様は、本開示の原理及びその実用的な用途を最も良好に説明して、これにより当業者が、本開示及び意図した特定の使用に適した様々な改良態様を含む様々な態様を最も良好に利用することを可能にするために、選択及び説明されたものである。状況が示唆する又は好適であるとするように、様々な省略及び均等物の代用が想定されているが、それらは、本開示の特許請求の範囲の思想又は考察から逸脱することなく適用及び実施を網羅することが意図されている。
【符号の説明】
【００３１】
１００  ロータシャフト
１１０  ロータ軸線
１２０  ロータ空洞部
１２２  冷却孔入口における空洞部の本来の輪郭
１２３  空洞部壁
１２４  隆起平坦部
１２５  隆起平坦部１２４の表面
１２６  空洞部壁と隆起平坦部との間の半径方向内側の移行部
１２７  空洞部壁と隆起平坦部との間の半径方向外側の移行部
１３０  複数の冷却孔
１３２  冷却孔入口部分
１３４  冷却孔出口部分
１４０  溶接シーム
１１  圧縮機部分
１２  タービン部分
１３  ロータディスク
１４  中央冷却空気供給部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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