(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線に沿って軸方向に延びるロータ本体と、
前記ロータ本体の外周側に周方向に間隔をあけて複数設けられて、前記ロータ本体とともに軸線回りに回転することで流体を圧送する動翼と、を備え、
前記ロータ本体内に形成されて、前記動翼の高圧側の空気が導入される第１外側キャビティと、
前記ロータ本体内における前記第１外側キャビティの径方向内側に形成された第１内側キャビティと、
前記第１外側キャビティと前記第１内側キャビティとを径方向に連通させる第１連通路と、
を備え、
前記第１連通路は、延在方向の全域にわたって、前記第１外側キャビティから前記第１内側キャビティに向かうに従って前記ロータ本体の回転方向前方側に向かって傾斜している圧縮機ロータ。
【請求項２】
前記ロータ本体内において、
前記第１外側キャビティより前記軸方向の低圧側に形成された第２外側キャビティと、
前記第２外側キャビティの径方向内側に形成された第２内側キャビティと、
前記第２内側キャビティと前記第２外側キャビティとを径方向に連通させる第２連通路と、
前記第１内側キャビティと前記第２内側キャビティとを前記軸方向に連通させる軸方向流路と、がさらに形成された請求項１に記載の圧縮機ロータ。
【請求項３】
前記第２連通路は、延在方向の全域にわたって、前記第２内側キャビティから前記第２外側キャビティに向かうに従って前記ロータ本体の回転方向後方側に向かって傾斜している請求項２に記載の圧縮機ロータ。
【請求項４】
前記軸方向流路を軸方向に貫通するスピンドルボルトをさらに有し、
前記スピンドルボルトが、前記第１連通路の延在方向の中心軸の延長線と重ならない位置に設けられている請求項２または３に記載の圧縮機ロータ。
【請求項５】
前記第１連通路の延在方向に対して垂直な断面が円形である請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項６】
前記第２連通路の延在方向に対して垂直な断面が円形である請求項２〜４のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項７】
前記第１連通路の延在方向の中心軸が直線である請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項８】
前記第２連通路の延在方向の中心軸が直線である請求項２〜４、６のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項９】
前記第１連通路の前記第１外側キャビティとの接点である第１流入面の径が、前記第１連通路の前記第１内側キャビティとの接点である第１流出面の径より大きい請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項１０】
前記第２連通路の前記第２内側キャビティとの接点である第２流入面の径が、前記第２連通路の前記第２外側キャビティとの接点である第２流出面の径より大きい請求項２〜４、６、８のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項１１】
前記第１連通路の中心軸が、前記ロータ本体の径方向に対して１０°以上８０°以下の傾斜角度で傾いている請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項１２】
前記第２連通路の中心軸が、前記ロータ本体の径方向に対して１０°以上８０°以下の傾斜角度で傾いている請求項２〜４、６、８、１０のいずれか一項に記載の圧縮機ロータ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の圧縮機ロータと、
前記圧縮機ロータを覆う圧縮機ケーシングと、
を備える圧縮機。
【請求項１４】
請求項１３に記載の圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスで駆動するタービンと、
を備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機ロータ、圧縮機、及びガスタービンに関する。
本願は、２０１６年３月３０日に、日本に出願された特願２０１６−０６８１９１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機は、ケーシングと、ケーシング内で軸線を中心として回転するロータと、を備える。軸流圧縮機のロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ本体と、ロータ本体の外周に固定され軸方向に配列された複数の動翼列と、を有する。【０００３】
特許文献１には、回転する動翼を冷却する空気流を流すための流路と、流路に流れる空気流を制御するチャンバ（キャビティ）が設けられた圧縮機ロータが開示されている。流路は、圧縮機ロータの圧力損失を避けるために、流路沿って流れる空気流と機械部品（ロータ）との回転速度が一致するように、互いに分離されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２０８６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のロータは、空気流を流路に沿って流すことにより、タービンの回転ブレードの温度を制御している。タービン冷却用の空気が圧縮機ロータ内を通過するため、ロータも加熱もしくは冷却されるが、流路への空気流の流入及び流出が十分制御されておらず、圧縮機ロータの温度制御性が十分とはいえない。【０００６】
そこで、本発明は、動翼により圧送される空気の温度変化に対するロータ本体の熱応答性を十分に高めることの可能な圧縮機ロータ、圧縮機、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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様における圧縮機ロータは、軸線に沿って軸方向に延びるロータ本体と、前記ロータ本体の外周側に周方向に間隔をあけて複数設けられて、前記ロータ本体とともに軸線回りに回転することで流体を圧送する動翼と、を備え、前記ロータ本体内に形成されて、前記動翼の高圧側の空気が導入される第１外側キャビティと、前記ロータ本体内における前記第１外側キャビティの径方向内側に形成された第１内側キャビティと、前記第１外側キャビティと前記第１内側キャビティとを径方向に連通させる第１連通路と、を備え、前記第１連通路は、延在方向の全域にわたって、前記第１外側キャビティから前記第１内側キャビティに向かうに従って前記ロータ本体の回転方向前方側に向かって傾斜している。【０００８】
このような構成とすることで、第１外側キャビティに導入された空気を、第１連通路を介して第１内側キャビティに流入させることができる。【０００９】
また、第１連通路が所定の方向に傾斜しているため、第１連通路から第１内側キャビティへ流出する空気の方向と、ロータ本体の回転により第１内側キャビティ内を流れる空気の方向と、が一致する。その結果、第１内側キャビティ内のスワール流速が、ロータ本体の周速に対して相対的に早くなる。【００１０】
一般的に、壁面に対する空気の相対速度が大きくなると、壁への熱伝達率が大きくなることが知られている。すなわち、ロータ本体の周速と、第１内側キャビティ内のスワール流速との相対速度差を大きくすることで、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。従って、当該圧縮機ロータでは、空気圧縮流路を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータの熱応答性を十分に高めることができる。【００１１】
本発明の第二の態様における圧縮機ロータでは、前記ロータ本体内において、前記第１外側キャビティより前記軸方向の低圧側に形成された第２外側キャビティと、前記第２外側キャビティの径方向内側に形成された第２内側キャビティと、前記第２内側キャビティと前記第２外側キャビティとを径方向に連通させる第２連通路と、前記第１内側キャビティと前記第２内側キャビティとを前記軸方向に連通させる軸方向流路と、がさらに形成されていてもよい。【００１２】
このような構成とすることで、動翼により圧送される空気が流通する空気圧縮流路内の軸方向における圧力差をドライビングフォースとして、ロータ本体内に空気の流れを形成することができる。空気圧縮流路から第１外側キャビティに流入した空気は、第１連通路、第１内側キャビティ、軸方向流路、第２内側キャビティ、第２外側キャビティの順に流れ、最後に空気圧縮流路へ還流する。すなわち、当該圧縮機ロータは、空気圧縮流路中の空気を用いて効率的に熱応答性を高めることができる。【００１３】
本発明の第三の態様における圧縮機ロータでは、前記第２連通路は、延在方向の全域にわたって、前記第２内側キャビティから前記第２外側キャビティに向かうに従って前記ロータ本体の回転方向後方側に向かって傾斜している構成であってもよい。【００１４】
このような構成とすることで、第２連通路から第２外側キャビティへ流出する空気の方向と、ロータの回転により第２外側キャビティ内を流れる空気の方向と、が逆向きになる。そのため、第２外側キャビティ内のスワール流速が、ロータ本体の周速に対して相対的に低下する。すなわち、ロータ本体の周速と第２外側キャビティ内のスワール流速との相対速度差が大きくなり、第２外側キャビティ内の空気からキャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。従って、当該圧縮機ロータでは、空気圧縮流路を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータの熱応答性をより高めることができる。【００１５】
本発明の第四の態様における圧縮機ロータでは、前記軸方向流路を軸方向に貫通するスピンドルボルトをさらに有し、前記スピンドルボルトが、前記第１連通路の延在方向の中心軸の延長線と重ならない位置に設けられていてもよい。【００１６】
このような構成とすることで、第１連通路から流出した空気が、スピンドルボルトと衝突して減速することを避けることができる。すなわち、第１内側キャビティ内を流れる空気のスワール流速が低下することを避けることができ、キャビティを画定する壁面への熱伝達率をより高めることができる。【００１７】
本発明の第五の態様における圧縮機ロータでは、第１連通路の延在方向に対して垂直な断面が円形であってもよい。【００１８】
このような構成とすることで、第１連通路に空気が流入する際の圧力損失が低下する。すなわち、より効率的に、空気圧縮流路を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータの熱応答性を高めることができる。【００１９】
本発明の第六の態様における圧縮機ロータでは、第２連通路の延在方向に対して垂直な断面が円形であってもよい。【００２０】
このような構成とすることで、第２連通路に空気が流入する際の圧力損失が低下する。すなわち、より効率的に、空気圧縮流路を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータの熱応答性を高めることができる。【００２１】
本発明の第七の態様における圧縮機ロータでは、前記第１連通路の延在方向の中心軸が直線であってもよい。【００２２】
このような構成とすることで、第１外側キャビティと第１内側キャビティとを繋ぐ第１連通路を容易に加工することが可能となる。これにより、圧縮機ロータの製造コストを抑制することができる。【００２３】
本発明の第八の態様における圧縮機ロータでは、前記第２連通路の延在方向の中心軸が直線であってもよい。【００２４】
このような構成とすることで、第２外側キャビティと第２内側キャビティとを繋ぐ第２連通路の加工が容易になる。すなわち、圧縮機ロータの製造コストを抑えることができる。【００２５】
本発明の第九の態様における圧縮機ロータでは、前記第１連通路の前記第１外側キャビティとの接点である第１流入面の径が、前記第１連通路の前記第１内側キャビティとの接点である第１流出面の径より大きくてもよい。【００２６】
このように、流入面の径を流出面の径よりも大きくすることで、第１流入面から流入した空気の流速に比べて第１流出面から流出する空気の流速が増大する。そのため、第１内側キャビティ内を流れる空気のスワール流速と第１内側キャビティ自体の周速との相対速度差が大きくなり、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。【００２７】
本発明の第十の態様における圧縮機ロータでは、前記第２連通路の前記第２内側キャビティとの接点である第２流入面の径が、前記第２連通路の前記第２外側キャビティとの接点である第２流出面の径より大きくてもよい。【００２８】
このように、流入面の径を流出面の径よりも大きくすることで、第２流入面から流入した空気の流速に比べて第２流出面から流出する空気の流速を速くすることが可能となる。これにより、第２外側キャビティ内を流れる空気のスワール流速と第２外側キャビティ自体の周速との相対速度差が大きくなるので、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。【００２９】
本発明の第十一の態様における圧縮機ロータでは、前記第１連通路の中心軸が、前記ロータ本体の径方向に対して１０°以上８０°以下の傾斜角度で傾斜してもよい。【００３０】
このような構成とすることで、第１連通路から第１内側キャビティへ流出する空気のロータ本体に対する相対速度を高めることができる。ロータ本体の径方向に対する傾斜角度が大きくなると、第１連通路から第１内側キャビティに流出する空気の方向と第１内側キャビティ内を流れる空気の方向との一致度が高まる。すなわち、第１内側キャビティ内を流れる空気のスワール流速と第１内側キャビティ自体の周速との相対速度差が大きくなるため、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。【００３１】
本発明の第十二の態様における圧縮機ロータでは、前記第２連通路の中心軸が、前記ロータ本体の径方向に対して１０°以上８０°以下の傾斜角度で傾斜してもよい。【００３２】
このような構成とすることで、第２連通路から第２外側キャビティへ流出する空気のスワール流速とロータ本体の周速の相対速度差を大きくすることが可能となる。ロータ本体の径方向に対する傾斜角度が大きくなると、第２連通路から第２外側キャビティに流出する空気の方向と、第２外側キャビティ内を流れる空気の方向とが、逆向きになる。すなわち、第２外側キャビティ内を流れる空気のスワール流速が、第２外側キャビティ自体の周速に対して相対的に低下し、両者の相対速度差が大きくなる。その結果、第２外側キャビティ内の空気がキャビティを画定する壁面に及ぼす熱伝達率が高まる。【００３３】
本発明の第十三の態様にかかる圧縮機は、上述の圧縮機ロータと、前記圧縮機ロータを覆う圧縮機ケーシングと、を備えてもよい。【００３４】
このような構成とすることで、圧縮機ロータと圧縮機ケーシングの熱容量の違いに起因して生じる熱伸びの影響を避けることができるとともに、定常クリアランスを小さくすることができる。その結果、高い圧縮効率を有する圧縮機を実現できる。【００３５】
本発明の第十四の態様にかかるガスタービンは、上述の圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスで駆動するタービンと、を備えてもよい。【００３６】
このような構成とすることで、圧縮効率の高いガスタービンを実現できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、圧縮機におけるロータ本体の熱応答性を十分に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービンの要部切欠側面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る圧縮機の動翼及び静翼周りの要部断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るロータディスクを示す図であり、（Ａ）はロータディスクの断面図、（Ｂ）はロータディスクの上流側の面を軸方向から見た平面図をそれぞれ示している。
【図５】本発明の第一実施形態に係るトルクピンの斜視図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係るロータディスクの要部を軸方向から平面視した平面図である。
【図７】本発明の第一実施形態に係る圧縮機内での空気の流れを示す説明図である。
【図８】（Ａ）は第一実施形態のロータディスクの平面図であり、（Ｂ）はロータ内での空気の周速変化を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は比較例のロータディスクの平面図であり、（Ｂ）はロータ内での空気の周速変化を示すグラフである。
【図１０】図８及び図９のグラフから第１内側キャビティの部分のみを抜き出して比較したグラフである。
【図１１】第１連通路の傾斜角度θを６０°にした場合と、第１連通路の傾斜角度θを０°にした場合の熱伝達特性とスワール流速のシミュレーション結果を示す。
【図１２】（Ａ）は第一実施形態のロータディスクの平面図であり、（Ｂ）はロータ内での空気の周速変化を示すグラフである。
【図１３】（Ａ）は比較例のロータディスクの平面図であり、（Ｂ）はロータ内での空気の周速変化を示すグラフである。
【図１４】図１２及び図１３のグラフから第２外側キャビティ２３Ｂの部分のみを抜き出して比較したグラフである。
【図１５Ａ】連通路の形状及び空気の流れの違いを模式的に示す図（その１）である。
【図１５Ｂ】連通路の形状及び空気の流れの違いを模式的に示す図（その２）である。
【図１５Ｃ】連通路の形状及び空気の流れの違いを模式的に示す図（その３）である。
【図１５Ｄ】連通路の形状及び空気の流れの違いを模式的に示す図（その４）である。
【図１６】本発明の第一実施形態に係るトルクピンの変形例の斜視図である。
【図１７】本発明の第二実施形態に係るロータディスクの要部を軸方向から平面視した図である。
【図１８】本発明の第三実施形態に係るロータディスクの要部を軸方向から平面視した図である。
【図１９】第三実施形態に係る第１連通路の斜視図である。
【図２０】第三実施形態に係る第２連通路の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のガスタービンの寸法関係とは異なる場合がある。
【００４０】
〔第一実施形態〕
図１は、本発明の第一実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。図１に示すように、第一実施形態のガスタービンは、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２と、燃焼ガスにより駆動するタービン３と、を備える。
【００４１】
圧縮機１は、軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ２０と、この圧縮機ロータ２０を覆う筒状の圧縮機ケーシング１０と、を有する。圧縮機ケーシング１０の上流側は、開口が形成されている。開口は、圧縮機１が外部から空気を取り込む取込口１１ｉを成す。
【００４２】
ここで、圧縮機１における各方向を定義する。本発明において、軸線Ａｒが延びる方向（延在方向）を軸方向Ｄａという。また、軸方向Ｄａの取込口１１ｉ側を上流側といい、軸方向の取込口１１ｉと反対側を下流側という。軸線Ａｒを基準にした径方向を径方向Ｄｒという。また、径方向Ｄｒで軸線Ａｒから遠ざかる側を径方向外側といい、径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側という。さらに、軸線Ａｒを中心軸とした周方向を周方向Ｄｃという。
【００４３】
タービン３は、圧縮機１の下流側に配置されている。タービン３は、軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ４と、タービンロータ４を覆う筒状のタービンケーシング５と、を有する。圧縮機ロータ２０及びタービンロータ４は、同一の軸線Ａｒを中心として回転するもので、相互に連結され、ガスタービンロータ８を成している。圧縮機ケーシング１０及びタービンケーシング５は、相互に連結されてガスタービンケーシング９を成している。燃焼器２は、ガスタービンケーシング９に固定されている。
【００４４】
図２は、本発明の第一実施形態に係る圧縮機の要部断面図である。図２において、図１と同一構成部分には、同一符号を付す。
【００４５】
図２を参照するに、圧縮機１は、軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ２０と、圧縮機ロータ２０を覆う筒状の圧縮機ケーシング１０と、を有する。なお、圧縮機１の一例として、軸流圧縮機を例に挙げて以下の説明を行う。
【００４６】
圧縮機ロータ２０は、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びているロータ本体２１と、ロータ本体２１の外周に固定され軸方向Ｄａに並んでいる複数の動翼列８１と、を有する。１つの動翼列８１は、複数の動翼８２を有している。複数の動翼８２は、軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで、１つの動翼列８１を構成する。
【００４７】
圧縮機ケーシング１０は、内周側に静翼列１１を有する。静翼列１１は、各動翼列８１の下流側の位置に固定されている。１つの静翼列１１は、複数の静翼１２を有する。複数の静翼１２は、軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで、１つの静翼列１１を構成している。
【００４８】
図３は、本発明の第一実施形態に係る圧縮機の動翼及び静翼周りの要部断面図である。図３において、図２と同一構成部分には同一符号を付す。
【００４９】
図２及び図３を参照するに、静翼１２は、径方向Ｄｒに延びる翼体１３と、翼体１３の径方向Ｄｒ外側に設けられている外側シュラウド１４と、翼体１３の径方向Ｄｒ内側に設けられている内側シュラウド１５と、を有する。外側シュラウド１４は、圧縮機ケーシング１０の内周側に取り付けられている。内側シュラウド１５には、その径方向Ｄｒ内側にシールリング１６が設けられている。
【００５０】
動翼８２は、径方向Ｄｒに延びる翼体８３と、翼体８３の径方向Ｄｒ内側に設けられているプラットフォーム８４と、プラットフォーム８４の径方向Ｄｒ内側に設けられている翼根８５と、を有する。翼根８５はロータ本体２１に埋め込まれている。
【００５１】
圧縮機ロータ２０と圧縮機ケーシング１０の間には、空気圧縮流路１９が形成されている。空気圧縮流路１９は、軸線Ａｒを中心に環状に形成されている。空気は、圧縮機ロータ２０の回転により、この空気圧縮流路１９内を圧縮されつつ上流側から下流側に流れる。
【００５２】
圧縮機ロータ２０を構成するロータ本体２１は、複数のロータディスク４１と、スピンドルボルト５１と、トルクピン５５と、を有する。
【００５３】
複数のロータディスク４１は、軸方向Ｄａに積層されている。各ロータディスク４１は、積層面に凹部を有し、積層されることで軸方向Ｄａに互いに離間した複数のキャビティ２２が形成されている。
【００５４】
複数のキャビティ２２は、複数の外側キャビティ２３と、複数の内側キャビティ２４とを有する。また、内側キャビティ２４よりさらに内側に設けられた軸心側キャビティ２５を有してもよい。
【００５５】
外側キャビティ２３は、複数の動翼列８１の軸方向Ｄａ間の位置に設けられている。すなわち、外側キャビティ２３は、複数の静翼列１１と軸方向Ｄａの対向する位置に設けられている。外側キャビティ２３は、空気圧縮流路１９に対して開口２３ａ有する。外側キャビティ２３は、軸線Ａｒを中心に環状に形成されている。
【００５６】
外側キャビティ２３は、第１外側キャビティ２３Ａと、第２外側キャビティ２３Ｂを有する。第１外側キャビティ２３Ａと第２外側キャビティ２３Ｂは、後述する使用態様における空気の流れる向きが異なるが、構造上の大きな違いはない。図２では、最も下流（高圧）側の外側キャビティ２３を第１外側キャビティ２３Ａとし、第１外側キャビティ２３Ａより上流（低圧）側の外側キャビティ２３を全て第２外側キャビティ２３Ｂとしている。
【００５７】
実際の使用態様において、外側キャビティ２３のうちのどの範囲までが第１外側キャビティ２３Ａとなるかは、外側キャビティ２３に空気圧縮流路１９から流入する空気の圧力と、外側キャビティ２３から空気圧縮流路１９に流出する空気の圧力と、大小関係によって決定される。
【００５８】
内側キャビティ２４は、それぞれの外側キャビティ２３の径方向Ｄｒ内側に、外側キャビティ２３と離間して形成されている。内側キャビティ２４は、軸線Ａｒを中心に環状に形成されている。
【００５９】
内側キャビティ２４は、第１内側キャビティ２４Ａと、第２内側キャビティ２４Ｂを有する。第１内側キャビティ２４Ａは、第１外側キャビティ２３Ａの径方向Ｄｒ内側に位置する内側キャビティ２４である。
【００６０】
第２内側キャビティ２４Ｂは、第２外側キャビティ２３Ｂの径方向Ｄｒ内側に位置する内側キャビティ２４である。第１内側キャビティ２４Ａと第２内側キャビティ２４Ｂは、後述する使用態様における空気の流れる向きが異なるが、構造上の大きな違いはない。
【００６１】
図４は、本発明の第一実施形態に係るロータディスクを示す図であり、（Ａ）はロータディスクの断面図、（Ｂ）はロータディスクの上流側の面を軸方向から見た平面図をそれぞれ示している。図４において、図２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【００６２】
図４を参照するに、キャビティ２２は、１つのロータディスク４１の上流側の面と、該ロータディスク４１の上流側に隣り合うように配置された他のロータディスク４１の下流側の面と、で区画される。以下、説明の都合上、任意の１つのロータディスク４１を上流ディスク４１Ａといい、上流ディスク４１Ａの下流側に隣接するロータディスク４１を下流ディスク４１Ｂという。
【００６３】
上流ディスク４１Ａの下流側の面には、上流側に向かって凹む下流面第１凹部４３ｄと、下流面第２凹部４５ｄと、下流面第３凹部４７ｄと、が形成されている。また、これらの凹部に対して相対的に下流側に向かって突出する下流面第１アーム部４２ｄと、下流面第２アーム部４４ｄと、下流面第３アーム部４６ｄが形成されている。それぞれの部分は、軸線Ａｒを中心に環状に形成されている。
【００６４】
一方で、下流ディスク４１Ｂの上流側の面には、下流側に向かって凹む上流面第１凹部４３ｕと、上流面第２凹部４５ｕと、上流面第３凹部４７ｕとが形成されている。また、これらの凹部に対して相対的に上流側に向かって突出する上流面第１アーム部４２ｕと、上流面第２アーム部４４ｕと、上流面第３アーム部４６ｕが形成されている。それぞれの部分は、軸線Ａｒを中心に環状に形成されている。
【００６５】
下流面第１凹部４３ｄと上流面第１凹部４３ｕ、下流面第２凹部４５ｄと上流面第２凹部４５ｕ、下流面第３凹部４７ｄと上流面第３凹部４７ｕ、下流面第１アーム部４２ｄと上流面第１アーム部４２ｕ、下流面第２アーム部４４ｄと上流面第２アーム部４４ｕ、及び下流面第３アーム部４６ｄと上流面第３アーム部４６ｕは、それぞれ径方向Ｄｒに対して同一の位置にあり、互いに軸方向Ｄａに対向している。
【００６６】
実際の使用態様における上流ディスク４１Ａの下流側の面と下流ディスク４１Ｂの上流側の面とが密着した状態では、下流面第２アーム部４４ｄと上流面第２アーム部４４ｕ、及び、下流面第３アーム部４６ｄと上流面第３アーム部４６ｕが互いに密着する。下流面第１アーム部４２ｄと上流面第１アーム部４２ｕは、軸方向Ｄａに一定の隙間をもって離間している。
【００６７】
外側キャビティ２３は、下流面第１アーム部４２ｄ、上流面第１アーム部４２ｕ、下流面第１凹部４３ｄ、上流面第１凹部４３ｕ、下流面第２アーム部４４ｄ及び上流面第２アーム部４４ｕによって画成される。また、下流面第１アーム部４２ｄと上流面第１アーム部４２ｕの間の隙間は、外側キャビティ２３の空気圧縮流路１９に対する開口２３ａとなる。
【００６８】
内側キャビティ２４は、下流面第２アーム部４４ｄ、上流面第２アーム部４４ｕ、下流面第２凹部４５ｄ、上流面第２凹部４５ｕ、下流面第３アーム部４６ｄ及び上流面第３アーム部４６ｕによって区画されている。
【００６９】
軸心側キャビティ２５は、下流面第３アーム部４６ｄ、上流面第３アーム部４６ｕ、下流面第３凹部４７ｄ及び上流面第３凹部４７ｕによって区画されている。
【００７０】
次に、図２及び図４を参照して、ロータ本体２１を構成するトルクピン５５について説明する。トルクピン５５は、隣り合うロータディスク４１相互の相対回転を規制する円柱状の部材である。トルクピン５５は、隣り合うロータディスク４１の間に、軸線Ａｒを中心として周方向Ｄｃに並んで複数形成されている。
【００７１】
トルクピン５５は、密着する下流面第２アーム部４４ｄと上流面第２アーム部４４ｕとの間に、周方向Ｄｃ間隔をあけて設けられたピン孔に装着される。
【００７２】
ピン孔は、互いに対向する複数の下流面ピン溝４４ｄｐと複数の上流面ピン溝４４ｕｐにより区画されている。
【００７３】
下流面ピン溝４４ｄｐは、環状の下流面第２アーム部４４ｄに、上流側に向かって凹んで設けられ、下流面第１凹部４３ｄと下流面第２凹部４５ｄとを連通させる。上流面ピン溝４４ｕｐは、環状の上流面第２アーム部４４ｕに、下流側に向かって凹んで設けられ、上流面第１凹部４３ｕと上流面第２凹部４５ｕとを連通させる。
【００７４】
ピン孔は、ロータディスク４１を軸方向Ｄａから平面視した際に、径方向Ｄｒに対して延在方向の全域にわたって所定の方向に傾斜している。そのため、ピン孔に装着されるトルクピン５５も、軸方向Ｄａから平面視した際に、径方向Ｄｒに対して延在方向の全域にわたって所定の方向に傾斜する。
【００７５】
傾斜方向は、ロータディスク４１の駆動時の回転方向Ｒに従って設計されており、外側キャビティ２３から内側キャビティ２４に向かうに従って、回転方向Ｒ前方側に向かって傾斜している。内側キャビティ２４を基準に見ると、内側キャビティ２４から外側キャビティ２３に向かうに従ってロータ本体２１の回転方向Ｒ後方側に向かって傾斜している。
【００７６】
図５は、本発明の第一実施形態に係るトルクピンの斜視図である。図５において、図２及び図４に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【００７７】
図５を参照するに、トルクピン５５は、円柱とされている。トルクピン５５は、一方の端面から他方の端面に貫通する連通路２６を有する。連通路２６は、外側キャビティ２３と内側キャビティ２４を径方向Ｄｒに連通する。
【００７８】
第１外側キャビティ２３Ａと第１内側キャビティ２４Ａとを径方向Ｄｒに連通する連通路２６を第１連通路２６Ａといい、第２外側キャビティ２３Ｂと第２内側キャビティ２４Ｂとを径方向Ｄｒに連通する連通路２６を第２連通路２６Ｂという（図２参照）。なお、第１連通路２６Ａ及び第２連通路２６Ｂは、構造上の差異はない。ここで、図６では、貫通孔４８の形状の一例として、卵型の場合を例に挙げて図示したが、貫通孔４８は、スピンドルボルト５１が隙間２７を有して貫通できる形状であればよい。具体的には、貫通孔４８の形状は、例えば、円形としてもよい。
【００７９】
連通路２６は、トルクピン５５の延在方向に沿って設けられている。そのため、連通路２６は、延在方向の全域にわたって、外側キャビティ２３から内側キャビティ２４に向かうに従ってロータ本体２１の回転方向Ｒ前方側に向かって傾斜している。
【００８０】
図６は、本発明の第一実施形態に係るロータディスクの要部を軸方向から平面視した平面図である。図６では、図４に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【００８１】
図６に示すように、連通路２６の中心軸２６ｃは、径方向Ｄｒに対して傾斜角度θで傾斜している。連通路２６の中心軸２６ｃは直線状である。トルクピン５５を中心軸２６ｃに垂直な面で切断した断面における連通路２６は、円形とされている。
【００８２】
次いで、図６を参照して、ロータ本体２１を構成するスピンドルボルト５１について説明する。スピンドルボルト５１は、軸線Ａｒを中心に周方向Ｄｃに並んで複数設けられている。スピンドルボルト５１は、複数のロータディスク４１を積層方向に貫通する。スピンドルボルト５１は、複数のロータディスク４１を積層し、ロータ本体２１を組み立てる。
【００８３】
スピンドルボルト５１は、複数のロータディスク４１に設けられた貫通孔４８内を軸方向Ｄａに貫通する。貫通孔４８において、スピンドルボルト５１とロータディスク４１の間の隙間が、軸方向流路２７となる。
【００８４】
軸方向流路２７は、隣接する内側キャビティ２４同士を軸方向Ｄａに連通している。軸方向流路２７は、内側キャビティ２４の径方向Ｄｒにおける中央位置よりも径方向Ｄｒ内側に位置している。
【００８５】
図７は、本発明の第一実施形態に係る圧縮機内での空気の流れを示す説明図である。図７において、図２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。図７に示す矢印は、空気の流れを示している。
【００８６】
次に、図７を参照して、圧縮機ケーシング１０内での空気の流れについて説明する。圧縮機ケーシング１０の取込口１１ｉ（図１参照）から供給された空気は、空気圧縮流路１９内に流入する。空気は、空気圧縮流路１９内を下流側に流れつつ、次第に圧縮される。従って、空気圧縮流路１９内の圧力は、下流側の方が高い。このため、一の動翼列８１を基準にして下流側の空気圧縮流路１９に連通する第１外側キャビティ２３Ａの圧力は、この一の動翼列８１を基準にして上流側の空気圧縮流路１９に連通する第２外側キャビティ２３Ｂの圧力より高い。したがって、第１外側キャビティ２３Ａには、開口２３ａを介して空気圧縮流路１９内の空気が流入する。
【００８７】
開口２３ａから第１外側キャビティ２３Ａに流入した空気は、トルクピン５５に形成されている第１連通路２６Ａを経て、第１内側キャビティ２４Ａに流入する。第１内側キャビティ２４Ａに流入した空気は、ロータディスク４１を軸方向に貫通する軸方向流路２７を経て、各第２内側キャビティ２４Ｂに流入する。第２内側キャビティ２４Ｂに流入した空気は、第２外側キャビティ２３Ｂを経て、開口２３ａから空気圧縮流路１９に流出する。
【００８８】
すなわち、第一実施形態では、空気圧縮流路１９内の軸方向Ｄａにおける圧力差をドライビングフォースとして、空気圧縮流路１９中の空気の一部が、ロータ本体２１内を循環する。この循環流は、ロータ本体２１中のキャビティ２２内の換気を促進する。
【００８９】
ところで、図３に示すように、動翼８２の径方向外側端と、この径方向外側端と径方向Ｄｒで対向する圧縮機ケーシング１０の内周面との間には、クリアランスがある。このクリアランスは、一般的にチップクリアランスＣＣと呼ばれ、圧縮機性能の観点から、できる限り小さいことが好ましい。
【００９０】
圧縮機ロータ２０は、径方向Ｄｒの寸法が、圧縮機ケーシング１０の径方向Ｄｒの厚さ寸法に比べて大きい。このため、圧縮機ロータ２０は、圧縮機ケーシング１０に対して熱容量が大きく、空気圧縮流路１９を流れる空気の温度変化に対する熱応答性が圧縮機ケーシング１０よりも低い。よって、空気圧縮流路１９を流れる空気が温度変化した場合に、圧縮機ロータ２０と圧縮機ケーシング１０との熱応答性の差により、チップクリアランスＣＣに変化が生じる。
【００９１】
チップクリアランスＣＣの変化が大きい場合、定常クリアランスを大きくする必要がある。なお、定常クリアランスとは、ガスタービンの安定運転が継続し、且つ圧縮機ロータ２０及び圧縮機ケーシング１０が共に継続して同じ温度になっているときのチップクリアランスＣＣである。定常クリアランスが大きいと、ガスタービンの定常運転時、動翼８２の径方向外側端と圧縮機ケーシング１０の内周面との間を通過する空気が多くなる。このため、定常クリアランスが大きいと、ガスタービンの定常運転時における圧縮機性能が低くなるばかりか、ガスタービン性能も低くなる。
【００９２】
これに対し、第一実施形態では、前述したように、ロータ本体２１中に空気圧縮流路１９内の空気を流すことで、空気圧縮流路１９を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータ２０の熱応答性を高めている。そのため、圧縮機ケーシング１０と圧縮機ロータ２０の熱伸び量の差が小さくなる。すなわち、チップクリアランスＣＣの変化量が小さくなる。
【００９３】
第一実施形態では、チップクリアランスＣＣの変化量が小さいので、定常クリアランスを小さすることができる。よって、第一実施形態では、ガスタービンの定常運転時時における圧縮機性能を高めることができ、結果としてガスタービン性能を高めることができる。
【００９４】
ここで、第一実施形態において、圧縮機ロータ２０の熱応答性が向上する理由について、説明する。
【００９５】
まず、第１外側キャビティ２３Ａ、第１連通路２６Ａ及び第１内側キャビティ２４Ａにおける空気の流入について説明する。
【００９６】
図８は、第一実施形態にかかるロータディスクの平面図（Ａ）と、ロータ内での空気の周速変化（Ｂ）を示す。図８（Ｂ）において、横軸は空気又はロータ本体の周速ｖ，Ｖを示し、縦軸は軸線Ａｒからの距離ｒを示す。また図８において、太破線はロータ本体２１の周速を示し、細実線はロータ本体２１内の空気のスワール流速を示す。
【００９７】
まずロータ本体２１の周速について説明する。ロータ本体２１は、軸線Ａｒを中心に周方向Ｄｃに回転する。そのため、ロータ本体２１の中心における速度はゼロであり、軸線Ａｒからの距離に比例してロータ本体２１の周速は増加する。ロータ本体２１の周速は、外周面において最大であり、その最大周速をＶ１とする。
【００９８】
次に、ロータ本体２１内の空気のスワール流速について説明する。空気圧縮流路１９の空気は、図７を用いて前述したように、開口２３ａを経て第１外側キャビティ２３Ａに流入する。第１外側キャビティ２３Ａに流入した直後の空気のスワール流速をｖ１とする。
【００９９】
第１外側キャビティ２３Ａに流入した空気は、第１外側キャビティ２３Ａ内を第１外側キャビティ２３Ａに対して相対的に周方向Ｄｃに流れつつ径方向Ｄｒ内側に流れる。
【０１００】
第１外側キャビティ２３Ａ内における空気のスワール流速は、角運動量保存の法則により、軸線Ａｒに近づくにつれて増加する。そのため、空気のスワール流速は、第１外側キャビティ２３Ａに流入直後のスワール流速ｖ１から第１外側キャビティ２３Ａの径方向Ｄｒ内側端に向かって徐々に増加する。第１外側キャビティ２３Ａの径方向Ｄｒ内側端における空気のスワール流速はｖ２となる。
【０１０１】
第１外側キャビティ２３Ａの径方向Ｄｒ内側端に至った空気は、複数の第１連通路２６Ａのうちのいずれかに流入する。第１連通路２６Ａは周方向Ｄｃに分離され、第１連通路２６Ａ内の空気はロータ本体２１と一体に回転する。そのため、ロータ本体２１の第１連通路２６Ａの第１流入面２６Ａｉの位置における周速Ｖ２とほぼ同じになる。
【０１０２】
ここで、第１外側キャビティ２３Ａの径方向Ｄｒ内側端に至ったときの空気の周速ｖ２と、第１連通路２６Ａの第１流入面２６Ａｉにおける周速Ｖ２との間には、周速差（＝ｖ２−Ｖ２）がある。そのため、相対速度の関係上、第１連通路２６Ａから見ると回転方向Ｒと反対方向から空気が第１連通路２６Ａに流入する。
【０１０３】
第１連通路２６Ａを通過した空気は、第１流出面２６Ａｏから第１内側キャビティ２４Ａに流入する。第１連通路２６Ａは延在方向の全域にわたって、第１外側キャビティ２３Ａから第１内側キャビティ２４Ａに向かうに従って回転方向Ｒ前方に傾斜している。そのため、第１連通路２６Ａから流出する空気は、ロータ本体２１の周方向Ｄｃ成分を含む。すなわち、第１連通路２６Ａから流出する空気の方向とロータ本体２１の回転方向とが一致するため、第１内側キャビティ２４Ａに流入した直後の空気のスワール流速ｖ３は、第１連通路２６Ａの第１流出面２６Ａｏの位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ３と第１連通路２６Ａの第１流出面２６Ａｏから流出する空気の流速の周方向Ｄｃ成分を加えたものとなる。
【０１０４】
そして、第１内側キャビティ２４Ａ内に流入した空気は、第１内側キャビティ２４Ａに対して相対的に周方向Ｄｃに流れつつ径方向Ｄｒ内側に流れる。第１内側キャビティ２４Ａ内においても、空気のスワール流速は、角運動量保存の法則により、第１内側キャビティ２４Ａ内を径方向Ｄｒ内側に流れるに連れて増加する。そして、複数の軸方向流路２７に至る直前で、空気のスワール流速はｖ４になる。
【０１０５】
軸方向流路２７に至った空気は上流側に向かって流れ、第２内側キャビティ２４Ｂに流入する。軸方向流路２７は、軸線Ａｒを中心としてロータ本体２１と一体に回転するため、軸方向流路２７内と一体に回転する空気の周速は、軸方向流路２７の位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ４とほぼ同じになる。
【０１０６】
これに対し、比較例の圧縮機ロータにおける空気の流入について説明する。図９は、比較例にかかるロータディスクの平面図（Ａ）と、ロータ内での空気の周速変化（Ｂ）を示す。図９において、太破線はロータ本体２１の周速を示し、細実線はロータ本体２１内の空気のスワール流速を示す。
【０１０７】
比較例にかかるロータディスク４１’は、トルクピン５５’が径方向Ｄｒに延在し、第１連通路２６Ａ’が径方向Ｄｒに対して傾斜していない点が、第一実施形態の第１連通路２６Ａと異なる。そのため、第１連通路の形状の違いに起因して、第１内側キャビティ２４Ａ内に空気が流入する条件が変化する。
【０１０８】
図９に示すように、第１連通路２６Ａ’から流出する空気の流出方向は径方向Ｄｒと一致しており、第１連通路２６Ａ’から流出する空気は周方向Ｄｃ成分を含まない。すなわち、第１内側キャビティ２４Ａに流入した直後の空気のスワール流速ｖ３’は、第１連通路２６Ａ’の流出面の位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ３とほぼ一致する。そして、第１内側キャビティ２４Ａ内を径方向Ｄｒ内側に流れるに連れて増加したスワール流速は、複数の軸方向流路２７に至る直前で、空気のスワール流速はｖ４’になる。
【０１０９】
図１０は、図８及び図９のグラフから第１内側キャビティ２４Ａの部分のみを抜き出して比較したグラフである。図１０において、横軸は空気又はロータ本体の周速ｖ，Ｖを示し、縦軸は軸線Ａｒからの距離ｒを示す。また、図１０において、太破線はロータ本体２１の周速を示し、細実線は第一実施形態における第１内側キャビティ２４Ａ内の空気のスワール流速を示し、一点鎖線は比較例における第１内側キャビティ２４Ａ内の空気のスワール流速を示す。
【０１１０】
図１０に示すように、第一実施形態における第１内側キャビティ２４Ａ内における空気のスワール流速とロータ本体２１の周速との相対速度差は、比較例における第１内側キャビティ２４Ａ内における空気のスワール流速とロータ本体２１の周速との相対速度差より大きい。すなわち、第１連通路２６Ａを所定の方向に傾斜させることで、第１内側キャビティ２４Ａ内における空気のスワール流速とロータ本体２１の周速との相対速度差を大きくすることができる。
【０１１１】
壁面に対する空気の相対速度が大きくなると、壁への熱伝達率が大きくなることが知られている。すなわち、第一実施形態にかかる圧縮機ロータ２０によれば、ロータ本体２１の周速と、第１内側キャビティ２４Ａ内のスワール流速との相対速度差を大きくし、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。
【０１１２】
図１１は、第１連通路の傾斜角度θを６０°にした場合と、第１連通路の傾斜角度θを０°にした場合の熱伝達特性とスワール流速のシミュレーション結果を示す。図１１において、（Ａ）の横軸は空気とキャビティ壁面との熱伝達率を示し、（Ｂ）の横軸は空気のスワール流速を示し、縦軸は共通して軸線Ａｒからの距離を示す。傾斜角度θが６０°の場合が第一実施形態に対応し、傾斜角度θが０°の場合が比較例に対応する。
【０１１３】
図１１に示すように、シミュレーションの結果からも第１連通路２６Ａを傾斜させることで、第１内側キャビティ２４Ａにおける空気のスワール流速が速くなることが確認された。また第１連通路２６Ａを傾斜させる（θ＝６０°）ことで、第１内側キャビティ２４Ａにおける熱伝達率が、傾斜させない場合（θ＝０°）と比較して２倍程度になる。
【０１１４】
ここまで、第１外側キャビティ２３Ａ、第１連通路２６Ａ及び第１内側キャビティ２４Ａにおける空気の流入について説明した。以下、第２内側キャビティ２４Ｂ、第２連通路２６Ｂ及び第２外側キャビティ２３Ｂの順に流れる空気の流出について説明する。
【０１１５】
図１２は、第一実施形態にかかるロータディスクの平面図（Ａ）と、ロータ内での空気の周速変化（Ｂ）を示す。図１２（Ｂ）において、横軸は空気又はロータ本体の周速ｖ，Ｖを示し、縦軸は軸線Ａｒからの距離ｒを示す。また、図１２において、太破線はロータ本体２１の周速を示し、細実線はロータ本体２１内の空気のスワール流速を示す。図１２において、図４に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
【０１１６】
上述のように、軸方向流路２７は、軸線Ａｒを中心としてロータ本体２１と一体に回転するため、軸方向流路２７内と一体に回転する空気の周速は、軸方向流路２７の位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ４とほぼ同じである。
【０１１７】
軸方向流路２７から第２内側キャビティ２４Ｂ内に流入した空気は、第２内側キャビティ２４Ｂに対して相対的に周方向Ｄｃに流れつつ径方向Ｄｒ外側に流れる。空気のスワール流速は、角運動量保存の法則により、第２内側キャビティ２４Ｂ内を径方向Ｄｒ外側に流れるに連れて減少する。そして、複数の第２連通路２６Ｂの第２流入面２６Ｂｉに至る直前で、空気のスワール流速はｖ５になる。
【０１１８】
第２内側キャビティ２４Ｂの径方向Ｄｒ外側端に至った空気は、複数の第２連通路２６Ｂのうちのいずれかに流入する。第２連通路２６Ｂは周方向Ｄｃに分離され、第２連通路２６Ｂ内の空気はロータ本体２１と一体に回転する。そのため、第２連通路２６Ｂ内の空気の周速は、第２連通路２６Ｂの第２流入面２６Ｂｉの位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ３とほぼ同じになる。
【０１１９】
ここで、第２内側キャビティ２４Ｂの第２流入面２６Ｂｉに至ったときの空気の周速ｖ５と、第２連通路２６Ｂの第２流入面２６Ｂｉの位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ３との間には、周速差（＝ｖ５−Ｖ３）がある。そのため、相対速度の関係上、第２連通路２６Ｂから見ると回転方向Ｒと反対方向から空気が第２連通路２６Ｂに流入する。
【０１２０】
第２連通路２６Ｂを通過した空気は、第２外側キャビティ２３Ｂに流入する。第２連通路２６Ｂは延在方向の全域にわたって、第２内側キャビティ２４Ｂから第２外側キャビティ２３Ｂに向かうに従ってロータ本体２１の回転方向Ｒ後方側に向かって傾斜している。そのため、第２連通路２６Ｂから流出する空気は、ロータ本体２１の周方向Ｄｃ成分を有する。第２連通路２６Ｂから流出する空気の方向とロータ本体２１の回転方向とは反対である。そのため、第２外側キャビティ２３Ｂに流入した直後の空気のスワール流速ｖ６は、第２連通路２６Ｂの第２流出面２６Ｂｏの位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ２から第２連通路２６Ｂから流出する空気の流速の周方向成分を減じたものとなる。
【０１２１】
そして、第２外側キャビティ２３Ｂ内に流入した空気は、第２外側キャビティ２３Ｂに対して相対的に周方向Ｄｃに流れつつ径方向Ｄｒ内側に流れる。第２外側キャビティ２３Ｂ内においても、空気のスワール流速は、角運動量保存の法則により、第２外側キャビティ２３Ｂ内を径方向Ｄｒ外側に流れるに連れて減少する。空気のスワール流速は、空気圧縮流路１９との開口２３ａに至る直前でｖ７になる。そして、空気は開口２３ａを経て空気圧縮流路１９に戻る。
【０１２２】
図１３は、比較例にかかるロータディスクの平面図（Ａ）と、ロータ内での空気の周速変化（Ｂ）を示す。図１３において、太破線はロータ本体２１の周速を示し、細実線はロータ本体２１内の空気のスワール流速を示す。図１３において、図１２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【０１２３】
次に、図１３を参照して、比較例の圧縮機ロータにおける空気の流出について説明する。比較例にかかるロータディスク４１’は、トルクピン５５’が径方向Ｄｒに延在し、第２連通路２６Ｂ’が径方向Ｄｒに対して傾斜していない点が、第一実施形態の第２連通路２６Ｂと異なる。そのため、第２連通路の形状の違いに起因して、第２外側キャビティ２３Ｂ内に空気が流入する条件が変化する。
【０１２４】
図１３に示すように、第２連通路２６Ｂ’から流出する空気の流出方向は径方向Ｄｒと一致しており、第２連通路２６Ｂ’から流出する空気は周方向Ｄｃ成分を有さない。すなわち、第２外側キャビティ２３Ｂに流入した直後の空気のスワール流速ｖ６’は、第２連通路２６Ｂ’の流出面の位置におけるロータ本体２１の周速Ｖ２とほぼ一致する。そして、第２外側キャビティ２３Ｂ内を径方向Ｄｒ外側に流れるに連れて増加したスワール流速は、空気圧縮流路１９との開口２３ａに至る直前で、空気のスワール流速はｖ７’になる。
【０１２５】
図１４は、図１２及び図１３のグラフから第２外側キャビティ２３Ｂの部分のみを抜き出して比較したグラフである。図１４において、横軸は空気又はロータ本体の周速ｖ，Ｖを示し、縦軸は軸線Ａｒからの距離ｒを示す。また図１４において、太破線はロータ本体２１の周速を示し、細実線は第一実施形態における第２外側キャビティ２３Ｂ内の空気のスワール流速を示し、一点鎖線は比較例における第２外側キャビティ２３Ｂ内の空気のスワール流速を示す。
【０１２６】
図１４に示すように、第一実施形態における第２外側キャビティ２３Ｂ内における空気のスワール流速とロータ本体２１の周速との相対速度差は、比較例における第２外側キャビティ２３Ｂ内における空気のスワール流速とロータ本体２１の周速との相対速度差より大きい。すなわち、第２連通路２６Ｂを所定の方向に傾斜させることで、第２外側キャビティ２３Ｂ内における空気のスワール流速とロータ本体２１の周速との相対速度差を大きくすることができる。
【０１２７】
したがって、第一実施形態にかかる圧縮機ロータ２０によれば、ロータ本体２１の周速と、第２外側キャビティ２３Ｂ内のスワール流速との相対速度差を大きくし、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。
【０１２８】
このように、第一実施形態では、空気圧縮流路１９内の軸方向Ｄａにおける圧力差をドライビングフォースとして、ロータ本体２１内に循環流を生じさせている。そのため、第一実施形態では、ロータ本体２１が回転している限り、第１外側キャビティ２３Ａ、第１内側キャビティ２４Ａ、第２内側キャビティ２４Ｂ、第２外側キャビティ２３Ｂ内を流れる空気の循環流により、これらのキャビティ内を換気することができる。
【０１２９】
また、第一実施形態では、空気圧縮流路１９からの空気が流れる各キャビティ２２内において、空気とキャビティ２２との間の周速差を大きくすることができる。このため、キャビティ２２を画定するロータディスク４１の表面の熱伝達率を高めることができる。すなわち、第一実施形態にかかる圧縮機ロータ２０は、空気圧縮流路を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータの熱応答性を十分に高めることができる。
【０１３０】
また、第一実施形態では、内側キャビティ２４を連通させる軸方向流路２７を内側キャビティ２４の径方向Ｄｒにおける中央位置よりも径方向Ｄｒ内側の位置に形成している。そのため、空気が内側キャビティ２４の径方向Ｄｒ内側まで循環し、より熱伝達効率を高めることができる。
【０１３１】
また、第一実施形態では、連通路２６内部を流れる空気の圧力損失を低減することができる。図５に示すように、第一実施形態にかかる連通路２６は、断面が円形であるためである。
【０１３２】
ここで中心軸が直線状とは、連通路２６の一方の端部の開口面の中心と、他方の端部の開口面の中心とを繋ぐ直線が、連通路２６の中心軸と略一致することを意味する。なお、連通路の一方の端部は、第１連通路２６Ａにおける第１流入面２６Ａｉまたは第２連通路２６Ｂにおける第２流出面２６Ｂｏに対応し、連通路の他方の端部は、第１連通路２６Ａにおける第１流出面２６Ａｏまたは第２連通路２６Ｂにおける第２流入面２６Ｂｉに対応する。
【０１３３】
図１５Ａ〜図１５Ｄは、連通路の形状及び空気の流れの違いを模式的に示す図（その１〜４）である。図１５Ａでは、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が円形の場合を例に挙げて図示している。図１５Ｂでは、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が楕円（長軸が周方向と一致する楕円）の場合を例に挙げて図示している。図１５Ｃでは、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が楕円（長軸が周方向と直交する楕円）の場合を例に挙げて図示している。図１５Ｄでは、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が四角形である場合を例に挙げて図示している。
【０１３４】
第１連通路２６Ａに空気が流入する場合を例に説明する。上述のように、第１連通路２６Ａに流入する空気は、第１連通路２６Ａから見ると回転方向Ｒと反対方向から空気が第１連通路２６Ａに流入する。
【０１３５】
図１５Ｃに示すように、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が、長軸が周方向と直交する楕円の場合、空気が流入する方向が楕円の短軸方向になる。そのため、空気が流入し難く、入口部ではく離が生じやすくなるため、入口損失が大きくなる。また、図１５Ｄに示すように、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が四角形の場合、角部でコーナー渦が生じやすくなるため、入口損失が大きくなる。
【０１３６】
一方、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が図１５Ａ及び図１５Ｂに示す形状の場合には、入口部でのはく離が比較的小さいため、入口損失が小さい。特に、図１５Ａに示すように、連通路の延在方向に対して垂直な断面形状が円形の場合は、対称性が高く、最も圧力損失が小さい。
【０１３７】
また、図１５Ａ〜図１５Ｄに示す連通路の例は、いずれも中心軸は直線状である。すなわち、連通路の加工が容易な形状とされている。これにより、連通路を有する圧縮機ロータの製造コストを抑制することができる。
【０１３８】
また、第一実施形態では、連通路２６の径方向Ｄｒに対する傾斜角度θを所定の範囲にすることで、圧力損失の低減と、空気圧縮流路を流れる空気の温度変化に対する圧縮機ロータの熱応答性の向上との両立を図ることができる。ここで、連通路２６の径方向Ｄｒに対する傾斜角度θは、１０°以上８０°以下とすることが好ましい。
【０１３９】
なお、連通路２６は、キャビティ２２と比較して狭い。そのため、連通路２６内は、壁面と流通する空気との摩擦損失により圧力損失が生じやすい。すなわち、傾斜角度θを４５°以下とすることで、連通路２６の長さが長くなりすぎることを避けることができ、圧力損失が増大することを避けることができる。
【０１４０】
また、上述のように、ロータ本体の径方向に対する傾斜角度が大きくすると、キャビティ２２内を流れる空気のスワール流速とキャビティ２２自体の周速との相対速度差を大きくできる。第１内側キャビティ２４Ａにおいては、第１連通路２６Ａから流出する空気の向きとロータ本体２１の回転方向の一致度が高まるからであり、第２外側キャビティ２３Ｂにおいては、第２連通路２６Ｂから流出する空気の向きとロータ本体２１の回転方向がより対向するようになるからである。すなわち、傾斜角度θを１０°以上とすることで、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。
【０１４１】
図１６は、本発明の第一実施形態のトルクピンの変形例の斜視図である。図５に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【０１４２】
図１６を参照して、トルクピンの変形例について説明する。図１６に示すように、トルクピン５５の延在方向と、トルクピン５５内部に設けられた連通路２６の延在方向が一致しないように構成してもよい。連通路２６が径方向Ｄｒに対して傾斜していれば、キャビティを画定する壁面への熱伝達率を高めることができる。
【０１４３】
〔第二実施形態〕
図１７は、本発明の第二実施形態に係るロータディスクの要部を軸方向から平面視した図である。図１７において、図６に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【０１４４】
図１７を参照して、第二実施形態の圧縮機ロータについて説明する。第二実施形態の圧縮機ロータは、ロータディスク４１におけるスピンドルボルト５１が、第１連通路２６Ａの延在方向の中心軸２６ｃの延長線と重ならない位置に設けられている点が、第一実施形態にかかる圧縮機ロータと異なる。よって、以下の説明では、第一実施形態にかかる圧縮機ロータと共通な構成要素についての説明は省略する。
【０１４５】
スピンドルボルト５１は、第１連通路２６Ａの延在方向の中心軸２６ｃの延長線と重ならない位置に設けられている。そのため、第１連通路２６Ａから流出した空気が、スピンドルボルト５１と衝突して減速することを避けることができる。すなわち、第１内側キャビティ２４Ａ内を流れる空気のスワール流速が低下することを避けることができ、キャビティを区画する壁面への熱伝達率をより高めることができる。
【０１４６】
また、ロータディスク４１を軸方向から平面視した状態において、スピンドルボルト５１の軸方向Ｄａの中心と、トルクピン５５の径方向Ｄｒ中央部とは、径方向Ｄｒに重なる位置に存在している。トルクピン５５内に形成される第１連通路２６Ａは、所定の方向に傾斜しているため、スピンドルボルト５１とトルクピン５５を上記の配置とすることで、簡便に第１連通路２６Ａの延在方向の中心軸２６ｃの延長線とスピンドルボルト５１とが重ならない配置とすることができる。
【０１４７】
なお、第２連通路２６Ｂにおいては、第２内側キャビティ２４Ｂから第２外側キャビティ２３Ｂに向けて空気が流れるため、第２連通路２６Ｂに対するスピンドルボルト５１の配置は、特に限定されない。
【０１４８】
〔第三実施形態〕
図１８は、本発明の第三実施形態に係るロータディスクの要部を軸方向から平面視した図である。図１８において、図６に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【０１４９】
図１８を参照するに、第三実施形態の圧縮機ロータは、連通路２６の流入面の径が、連通路２６の流出面の径より大きい点が、第一実施形態の圧縮機ロータとは異なる。なお、以下の説明では、第一実施形態の圧縮機ロータの構成要素と共通の構成要素についての説明は省略する。
【０１５０】
図１９は、第三実施形態に係る第１連通路の斜視図である。図１９を参照して、第三実施形態に係る第１連通路２６Ａについて説明する。図１９において、図１８に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【０１５１】
第１連通路２６Ａにおいて、第１連通路２６Ａの第１外側キャビティ２３Ａとの接点である第１流入面２６Ａｉの径は、第１連通路２６Ａの第１内側キャビティ２４Ａとの接点である第１流出面２６Ａｏの径より大きい。そのため、第１連通路２６Ａを第１連通路２６Ａの延在方向に対して垂直な断面で切断した面において、断面の径が空気の流入側から流出側に向かって狭まっている。
【０１５２】
第１流出面２６Ａｏの断面積は第１流入面２６Ａｉの断面積よりも小さいため、第１流出面２６Ａｏから流出する空気の流速は流入面Ａｉ通過後よりも増大する。そのため、第１内側キャビティ２４Ａ内を流れる空気のスワール流速と第１内側キャビティ２４Ａ自体の周速との相対速度差が大きくなり、キャビティを画定する壁面への熱伝達率をより高めることができる。
【０１５３】
図２０は、第三実施形態に係る第２連通路の斜視図である。図２０において、図１９に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
【０１５４】
図２０を参照して、第三実施形態の第２連通路２６Ｂについて説明する。第２連通路２６Ｂにおいては、第２内側キャビティ２４Ｂから第２外側キャビティ２３Ｂに向けて空気が流れる。そのため、第２連通路２６Ｂにおいて、第２連通路２６Ｂの第２内側キャビティ２４Ｂとの接点である第２流入面２６Ｂｉの径は、第２連通路２６Ｂの第２外側キャビティ２３Ｂとの接点である第２流出面２６Ｂｏの径より大きい。
【０１５５】
第２連通路２６Ｂから流出する空気の周方向成分の向きは、ロータ本体２１の回転方向Ｒと逆向きである。そのため、第２連通路２６Ｂから流出する空気の速度が早まると、第２外側キャビティ２３Ｂ内のスワール流速は遅くなる。そのため、第２外側キャビティ２３Ｂ内を流れる空気のスワール流速と第２外側キャビティ２３Ｂ自体の周速との相対速度差が大きくなり、キャビティを画定する壁面への熱伝達率をより高めることができる。
【０１５６】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明は、圧縮機ロータ、圧縮機、及びガスタービンに適用可能である。
【符号の説明】
【０１５８】
１    圧縮機
２    燃焼器
３    タービン
４    タービンロータ
５    タービンケーシング
８    ガスタービンロータ
９    ガスタービンケーシング
１０    圧縮機ケーシング
１１ｉ    取込口
１１    静翼列
１２    静翼
１３    翼体
１４    外側シュラウド
１５    内側シュラウド
１６    シールリング
１９    空気圧縮流路
２０    圧縮機ロータ
２２    キャビティ
２３    外側キャビティ
２３Ａ    第１外側キャビティ
２３Ｂ    第２外側キャビティ
２３ａ    開口
２４    内側キャビティ
２４Ａ    第１内側キャビティ
２４Ｂ    第２内側キャビティ
２５    軸心側キャビティ
２６    連通路
２６Ａ    第１連通路
２６Ｂ    第２連通路
２６ｃ    中心軸
２６Ａｉ    第１流入面
２６Ａｏ    第１流出面
２６Ｂｉ    第２流入面
２６Ｂｏ    第２流出面
２７    軸方向流路
４１    ロータディスク
４１Ａ    上流ディスク
４１Ｂ    下流ディスク
４３ｄ    下流面第１凹部
４５ｄ    下流面第２凹部
４７ｄ    下流面第３凹部
４２ｄ    下流面第１アーム部
４４ｄ    下流面第２アーム部
４６ｄ    下流面第３アーム部
４３ｕ    上流面第１凹部
４５ｕ    上流面第２凹部
４７ｕ    上流面第３凹部
４２ｕ    上流面第１アーム部
４４ｕ    上流面第２アーム部
４６ｕ    上流面第３アーム部
４８    貫通孔
４４ｄｐ    下流面ピン溝
４４ｕｐ    上流面ピン溝
５１    スピンドルボルト
５５    トルクピン
８１    動翼列
８２    動翼
８３    翼体
８４    プラットフォーム
８５    翼根
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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