(57)【要約】本発明は、軸方向に貫通して延びる少なくとも１個の孔を備えた流体機械の回転円板に関する。長い寿命の流体機械に対する回転円板を提供するために、孔が、圧縮内部応力を増大するためおよび接線方向応力を減少するために、少なくとも部分的に球面状に中央部位が大きな直径をしていることを提案する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体機械（１）のロータ（５）における軸方向に貫通して延びる少なくとも１個の孔（１５）を備えた回転円板（１４）において、孔（１５）が軸方向における中央部位において少なくとも部分的に球面状となっていることを特徴とする流体機械（１）のロータ（５）における回転円板（１４）。
【請求項２】
回転円板（１４）が圧縮機の圧縮機回転円板として、あるいはタービンのタービン円板として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転円板（１４）。
【請求項３】
孔（１５）が中心におよび／又は偏心して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転円板（１４）。
【請求項４】
球面状孔（１５）の最大内径（１７）が軸方向において中央に位置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回転円板（１４）。
【請求項５】
軸流式のタービン、圧縮機、ガスタービンあるいは蒸気タービンに利用されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の流体機械（１）のロータ（５）における回転円板（１４）の利用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向に貫通して延びる少なくとも１個の孔が設けられた少なくとも１個の回転円板を有する、回転軸線を中心に回転可能に支持されたロータを備えた流体機械に関する。また本発明は、流体機械のロータと、軸方向に貫通する少なくとも１個の孔を有する回転円板に関する。
【０００２】
複数の回転円板（タービン円板）で構成されたロータを備えた定置形ガスタービンおよび航空機用タービンは一般に知られている。１本の中央タイロッドあるいは複数の偏心タイロッドは、回転円板を相互に締付け固定している。そのために、回転円板はタイロッドが貫通して延びる少なくとも１個の円筒状孔を有している。
【０００３】
かかる回転円板は例えば米国特許第２５７９７４５号明細書で知られている。その各回転円板は断面Ｉ形に形成され、その回転軸線に対して平行に配置された外側フランジに、タービンあるいは圧縮機の動翼が取り付けられる。半径方向内側フランジは同様に回転軸線に対して平行に延び、その内側フランジの軸方向両外側端に、半径方向内側に突出した突起が設けられている。これにより、回転円板の内側フランジは、両側突起間に位置する凹所を有し、その凹所のロータの回転軸線の側の円周面は、両外側突起間の中央部位が円筒状に延びている。
【０００４】
さらに、英国特許第２１９０６５５号明細書で、中央孔付き回転円板が知られている。そのハブ側に軸方向に見て片側が自由な弾性アームが設けられている。そのアームは、その弾性作用を向上するために、軸方向広がりの中央部位が細くされている。
【０００５】
また、特開昭６２−２５１４０３号公報で、双流式蒸気タービンにおける中央孔を有する単体ロータが知られている。接線方向における材料応力の密度を減少するために、ロータ中央孔は、内周面に、等応力線に対してほぼ平行に延びる断面環状凹所を有している。
【０００６】
各回転円板は、その外周に動翼を輪の形に配置して支持し、それらの動翼は、流れ媒体を圧縮するために、あるいは流れ媒体から回転エネルギを受けるために、流れ媒体で貫流される。回転円板に取り付けられた動翼は、運転中にかなりの遠心力が引き起こされ、このために、各回転円板は大きな荷重を受ける。
【０００７】
この荷重に耐えるために、回転円板は無欠陥でなければならない。このために、流体機械の最低寿命および従って安全運転を保証するため、回転円板が初めて利用される前に、また定期点検の際に、傷と欠陥箇所について検査する適当な検査法が知られている。
【０００８】
孔空き回転円板がますます大きくされることによって、あるいは粗粒子材料を利用する際、探傷試験時における傷の認識可能性がますます制限される。
【０００９】
必要な寿命を保証するための一つの方法は、回転円板の材料へ的確に圧縮内部応力を与えることである。その圧縮内部応力は、将来の運転中において欠陥箇所、即ち、傷の成長を遅らせる。そのために、孔空き回転円板の製造中、回転円板に目的に合わせて過負荷がかけられ、即ち、ロータの定格回転数を超える回転数で回転される。これは孔の部位に塑性変形を引き起こさせ、この塑性変形が圧縮内部応力を生じさせる。しかし、円板材料における圧縮内部応力の大きさは、過速度試験機の最大回転数と回転時における温度とによって制限され、このために、所望よりも小さな圧縮内部応力しか発生できない。
【００１０】
回転円板において認識できない欠陥箇所ないし許容できない欠陥箇所は、大きな荷重および限られた大きさの圧縮内部応力のために、一層の割れ（クラック）を発生させ成長させ、これは、回転円板の寿命および従って流体機械の寿命を縮める。
【００１１】
本発明の課題は、構造的処置によって寿命が延ばされている、流体機械におけるロータの回転円板、流体機械のロータおよび流体機械を提供することにある。
【００１２】
流体機械に向けられた課題は、請求項１に記載の特徴によって解決され、ロータに向けられた課題は、請求項３に記載の特徴によって解決され、回転円板に向けられた課題は、請求項４に記載の特徴によって解決される。有利な実施態様は従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明によれば、回転円板における孔は、軸方向において少なくとも部分的に中央部位が最大直径をして球面状となっている。孔において球面状幾何学形状で形成された追加的凹所は、従って、円筒状部位を有していない。
【００１４】
本発明の考えは、軸方向において少なくとも部分的に球面状となっている孔によって、孔部位におけるミーゼス等価応力が増大し、接線方向応力の一様化が引き起こされる、という解決策に基づいている。等価応力の増大は、孔の球面状幾何学形状、即ち、その凸面状断面形状による軸方向応力成分および接線方向応力成分への影響に起因している。増大された等価応力によって、回転時にハブ部位に大きな塑性変形が生じ、このために、圧縮内部応力の値が、幾何学形状の理由から、回転数の増大なしに、上昇する。大きな圧縮内部応力は、将来の運転中における亀裂進行の遅延と脆性破壊の恐れの低減を意味する。
【００１５】
従って、特開昭６２−２５１４０３号公報に対する進歩性は特に、回転円板における横収縮が公知の単体ロータ軸よりも非常に小さい、という認識にある。公知のロータ軸に比べて、本発明に基づく回転円板の場合にはまず、非常に小さな横収縮に基づいて、等価応力の特に大きな増大が達成され、これは、大きな圧縮内部応力の付与を可能にする。そのようにして得られた等価応力の増大は従来知られていなかった。
【００１６】
また、軸方向において球面状をした孔によって、接線方向応力が減少する。接線方向応力は流体機械の運転中に同様に割れ発生と割れ成長を助長するので、球面形状によって、それは抑制され、亀裂成長が大幅に適度に遅らされる。
【００１７】
目的に応じて、この流体機械は、タービンとして、圧縮機として、あるいは蒸気タービンとして形成される。それが単段式あるいは多段式に形成されるか、軸方向にあるいは半径方向に貫流されるかは、問題でない。
【００１８】
有利な実施態様において、孔は中心に、即ち、回転円板の中心に配置され、および／又は偏心して、即ち、回転円板の中心から離れて配置されている。球面状形状によって得られる作用効果は、孔が中央あるいは偏心位置に設けられるか否かに左右されない。
【００１９】
有利な実施態様において、球面状孔の最大内径は軸方向において回転円板の両側端面間の中央に位置されている。これによって、増大された等価応力の対称的分布が得られる。
【００２０】
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２１】
ガスタービンおよびその運転方法は一般に知られている。図１はガスタービン１として形成された流体機械を示し、ガスタービン１は回転軸線３を中心として回転可能に支持されたロータ５を有している。その長手方向に沿って圧縮機７にバーナ１１付き燃焼器９が続いている。燃焼器９にタービン装置１３が後置接続されている。ロータ５は圧縮機７並びにタービン装置１３において連続して位置する複数の回転円板（タービン円板）２０を有している。各回転円板２０にはそれぞれ、タイロッド２１が貫通して延びる中央孔１６が設けられている。
【００２２】
図２は中央に孔１５が設けられた本発明に基づく回転円板１４を側面図で示している。その孔１５は軸方向において部分的に球面状をなし、即ち、外側に膨らんでいる。
【００２３】
図３は図２における本発明に基づく回転円板１４を断面図で示している。孔１５はロータ５の軸方向にはじめは円筒状に延び、続いて球面状部位に移行し、円筒状部位で終えている。孔１５の直径１７は球面状部位において回転円板１４の両側端面１９の中央で最も大きく、両側端面１９ないし両側円筒形部位の方向に一様に減少している。孔１５の軸方向における部分的な球面形状によって、回転円板１４は円筒状でない凸面状凹所を有している。従って、この凹所を取り囲む回転円板の材料は凹面輪郭を有している。
【００２４】
図４は回転円板２０を貫通する従来公知の円筒状孔１６を示している。
【００２５】
図５は従来における回転円板の応力σの変化を半径応力線図で示している。一点鎖線で示された曲線２２は、孔１６の内周面からの半径方向距離ｘに対する接線方向応力の変化を示している。また、実線で示された曲線２４はミーゼス等価応力を示している。これらの両応力は、回転円板２０の円筒状孔１６の内周面からの半径方向距離ｘの増大と共に低下する。回転円板２０はその旋回後、圧縮内部応力を有し、その変化は破線で示された曲線２６で表されている。圧縮内部応力の値は半径方向距離ｘの増大と共に低下する。
【００２６】
図６は、軸方向に沿って完全に凸面状に形成された孔１５を備えた本発明に基づく回転円板１４を示している。その孔１５の形状は球面形とも呼ばれる。
【００２７】
図７は、本発明に基づく回転円板１４の応力σの変化を半径応力線図で示している。本発明に基づく回転円板１４の接線方向応力２８は一点鎖線で示され、ミーゼス等価応力３０は実線で示されている。これらの両応力は、回転円板１４の球面状孔１５の内周面からの距離ｘの増大と共に低下する。回転円板１４はその回転後、実線で示された圧縮内部応力３２を有し、その値は距離ｘの増大と共に低下する。
【００２８】
図８は、図５と図７の線図における曲線２２、２４、２６、２８、３０、３２を対比して示している。
【００２９】
従来得られた接線方向応力２２は、凸面状孔１５によって矢印３４に応じ接線方向応力２８まで減少された。これに対して、ミーゼス等価応力２４、３０は、孔１５の球面形状によって矢印３６に応じ増大され、このために、同一回転数による回転後、球面状孔１５の少なくとも半径方向内側に位置する部位に、値的に矢印３８に応じ増大された圧縮内部応力が生じさせられる。
【００３０】
流体機械の運転中、各孔の周りに位置する部位、特に中央孔の場合にハブ近くの部位は、比較的大きな荷重を受け、これによって、圧縮応力の増大および接線方向応力の減少が、この箇所における割れ成長を遅らせ、これにより、回転円板、ロータおよび流体機械の寿命が延長される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の流体機械の概略図。
【図２】球面状に延びる孔を備えた本発明に基づく回転円板の側面図。
【図３】図２における回転円板の断面図。
【図４】従来における回転円板の断面図。
【図５】従来における回転円板の半径応力線図。
【図６】本発明に基づく回転円板の断面図。
【図７】本発明に基づく回転円板の半径応力線図。
【図８】図５と図７の線図を対比した線図。
【符号の説明】
【００３２】
１    ガスタービン
５    ロータ
１４    回転円板
１５    孔
１７    直径
【図１】
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【図２】
2008505270.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008505270.tif 000006
【図５】
2008505270.tif 000007
【図６】
2008505270.tif 000008
【図７】
2008505270.tif 000009
【図８】
2008505270.tif 000010
【国際調査報告】
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