(57)【要約】【課題】ガスタービンのシャフト側の筒状支持部材に形成された筒状支持部と、ガスタービンの少なくともタービンディスクに形成された筒状接続部との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができるガスタービンの焼ばめ締結構造を提供する。【解決手段】シャフト１と共にリヤシャフト１１および後段のタービンディスク７が高速回転する際、炭素線維製のロープ１４の巻装により遠心方向に補剛されている焼ばめ締結構造の外周側の筒状接続部７Ｂは、遠心方向への撓みが抑制され、内周側の筒状支持部１１Ａは、遠心方向への撓みが許容される。このため、内周側の筒状支持部１１Ａが遠心方向に撓んでその外周嵌合面１１Ｂが外周側の筒状接続部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１に押圧され、焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。【選択図】図２
2008223539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンのシャフト側の筒状支持部材に形成された筒状支持部と、ガスタービンのコンプレッサディスクおよびタービンディスクの少なくともタービンディスクに形成された筒状接続部とを焼ばめする焼ばめ締結構造であって、
前記焼ばめ締結構造の外周側を構成する前記筒状接続部または前記筒状支持部が遠心方向への撓みに対し高張力繊維により補剛されていることを特徴とするガスタービンの焼きばめ締結構造。
【請求項２】
前記高張力繊維からなるコード、ロープまたはケーブルが前記焼ばめ締結構造の外周側を構成する前記筒状接続部または筒状支持部の外周に巻装されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの焼きばめ締結構造。
【請求項３】
前記高張力繊維を有する帯材が前記焼ばめ締結構造の外周側を構成する前記筒状接続部または筒状支持部の外周に巻装されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの焼きばめ締結構造。
【請求項４】
前記高張力繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のガスタービンの焼きばめ締結構造。
【請求項５】
前記筒状接続部が前記焼ばめ締結構造の外周側を構成していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のガスタービンの焼きばめ締結構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの焼ばめ締結構造に関し、詳しくは、ガスタービンのシャフト側と少なくともタービンディスク側との間の焼ばめ締結構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、コンプレッサで加圧した気体を燃焼器で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンによりコンプレッサを駆動するように構成されている。
【０００３】
このようなガスタービンとして、タービンのシャフトとコンプレッサのシャフトとが同軸の一体構造または連結構造とされたものがある。そして、この種のガスタービンのシャフトに、例えば、複数のインペラを有する少なくとも２段のコンプレッサディスクと、複数のブレードを有する少なくとも２段のタービンディスクとが装着されたものがある。
【０００４】
ここで、各コンプレッサディスクおよび各タービンディスクは、相互に所定間隔を開けた状態で一体に回転するように、筒状アームや筒状スペーサなどを介して相互に連結されている（例えば特許文献１、２参照）。そして、これらの一体化されたコンプレッサディスクおよびタービンディスクは、前端側のコンプレッサディスクと後端側のタービンディスクとがそれぞれ支持構造を介してシャフトに同心状に支持されることで、シャフトと一体に回転するようになっている。
【０００５】
ここで、支持構造としては、シャフトの前後にそれぞれ設けられたテーパ筒状（ラッパ状ないしロート状）または段付き筒状の支持部材の大径部に形成された筒状支持部と、コンプレッサディスクおよびタービンディスクの側面に形成された筒状アームなどの筒状接続部とを焼ばめにより締結する構造が一般的である。
【特許文献１】特開平０７−３２４６３２号公報
【特許文献２】特開２００６−１３８３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述したような支持構造の焼ばめ締結構造においては、シャフト側の筒状支持部材の筒状支持部や、コンプレッサディスクおよびタービンディスク側の筒状アームなどの筒状接続部の寸法のバラツキにより、焼ばめ力が不足する場合がある。この場合、シャフトと共に各コンプレッサディスクおよび各タービンディスクが高速回転すると、焼ばめ締結構造の外周側を構成する筒状接続部または筒状支持部が遠心力により大きく撓んで焼ばめ締結構造が緩む恐れがある。
【０００７】
殊に、高温の燃焼ガスが流通するタービンディスク側の焼ばめ締結構造においては、高温となった外周側の筒状接続部または筒状支持部が遠心方向に撓み易くなるため、焼ばめ締結構造に緩みが発生し易くなる。そして、焼ばめ締結構造に緩みが発生すると、シャフトの回転バランスが崩れてシャフトが大きく振動する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、ガスタービンのシャフト側の筒状支持部材に形成された筒状支持部と、ガスタービンの少なくともタービンディスクに形成された筒状接続部との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができるガスタービンの焼ばめ締結構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造は、ガスタービンのシャフト側の筒状支持部材に形成された筒状支持部と、ガスタービンのコンプレッサディスクおよびタービンディスクの少なくともタービンディスクに形成された筒状接続部とを焼ばめする焼ばめ締結構造であって、焼ばめ締結構造の外周側を構成する筒状接続部または筒状支持部が遠心方向への撓みに対し高張力繊維により補剛されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造では、シャフトと共にコンプレッサディスクおよびタービンディスクが高速回転する際、高張力繊維により遠心方向に補剛されている焼ばめ締結構造の外周側の筒状接続部または筒状支持部は、遠心方向への撓みが抑制され、内周側の筒状支持部または筒状接続部は、遠心方向への撓みが許容される。
【００１１】
ここで、筒状接続部が焼ばめ締結構造の外周側を構成している場合、内周側の筒状支持部が遠心方向に撓んで外周側の筒状接続部に押圧されるため、焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。反対に、筒状支持部が焼ばめ締結構造の外周側を構成している場合、内周側の筒状接続部が遠心方向に撓んで外周側の筒状支持部に押圧されるため、焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。
【００１２】
本発明のガスタービンの焼ばめ締結構造においては、焼ばめ締結構造の外周側を構成する筒状接続部または筒状支持部の外周に高張力繊維からなるコード、ロープまたはケーブルを巻装して外周側の筒状接続部または筒状支持部を補剛してもよいし、高張力繊維を有する帯材を巻装して外周側の筒状接続部または筒状支持部を補剛してもよい。
【００１３】
ここで、高張力繊維は、軽量でありながら引張強度の大きい炭素繊維とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造によれば、シャフトと共にコンプレッサディスクおよびタービンディスクが高速回転する際、焼ばめ締結構造の外周側を構成する例えば筒状接続部の遠心方向への撓みを抑制し、内周側を構成する例えば筒状支持部の遠心方向への撓みを許容することができる。従って、焼ばめ締結構造の内周側の例えば筒状支持部を遠心方向に撓ませて外周側の例えば筒状接続部に押圧させることができ、焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができる。その結果、シャフトの回転バランスが崩れてシャフトが大きく振動する事態を未然に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係るガスタービンの焼ばめ締結構造が適用されたガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。
【００１６】
一実施形態に係るガスタービンの焼ばめ締結構造は、図１に示すようなガスタービンに適用されている。このガスタービンは、出力軸となる１本のシャフト１がコンプレッサ２のシャフトとタービン３のシャフトとを兼用した１軸の軸流式ガスタービンである。
【００１７】
シャフト１の前部には、コンプレッサ２を構成する前段のコンプレッサディスク４および後段のコンプレッサディスク５が遊嵌されている。また、シャフト１の後部には、タービン３を構成する前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が遊嵌されている。
【００１８】
前段のコンプレッサディスク４には、その前面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アームからなる筒状接続部４Ａと、その後面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム４Ｂとが形成されている。そして、コンプレッサディスク４の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のインペラ４Ｃが配列されている。
【００１９】
後段のコンプレッサディスク５には、その前後の面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム５Ａ，５Ｂが形成されている。そして、このコンプレッサディスク５の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のインペラ５Ｃが配列されている。
【００２０】
前段のタービンディスク６には、その前後の面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム６Ａ，６Ｂが形成されている。そして、このタービンディスク６の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のブレード６Ｃが配列されている。
【００２１】
後段のタービンディスク７には、その前面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アーム７Ａと、その後面からシャフト１の軸方向に突出する筒状アームからなる筒状接続部７Ｂとが形成されている。そして、このタービンディスク７の外周には、ケーシング８の内壁面に沿って回転する複数のブレード７Ｃが配列されている。
【００２２】
そして、ケーシング８には、燃焼器９の燃料噴射ノズル９Ａが貫通して装着されている。この燃料噴射ノズル９Ａは、前段のコンプレッサディスク４のインペラ４Ｃおよび後段のコンプレッサディスク５のインペラ５Ｃの回転により吸入されて加圧された圧縮空気に燃料を噴射し、これを着火させて燃焼させる。
【００２３】
ここで、前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７は、相対回転することなく一体に回転するように、相互に同心状に連結されている。
【００２４】
すなわち、前段のコンプレッサディスク４の筒状アーム４Ｂの先端面と後段のコンプレッサディスク５の筒状アーム５Ａの先端面との間、後段のコンプレッサディスク５の筒状アーム５Ｂの先端面と前段のタービンディスク６の筒状アーム６Ａの先端面との間、前段のタービンディスク６の筒状アーム６Ｂの先端面と後段のタービンディスク７の筒状アーム７Ａの先端面との間がそれぞれ凹凸係合により同心状に連結されている。
【００２５】
一方、シャフト１の前部には、前段のコンプレッサディスク４の前面から前方に突出する筒状接続部４Ａを支持する筒状支持部材としてのフロントシャフト１０が固定され、シャフト１の後部には、後段のタービンディスク７の後面から後方に突出する筒状接続部７Ｂを支持する筒状支持部材としてのリヤシャフト１１が固定されている。
【００２６】
フロントシャフト１０は、大径部に筒状接続部４Ａが焼ばめされるテーパ筒状（ラッパ状ないしロート状）に形成されており、その大径部よりシャフト１の軸方向前方に位置する小径部がシャフト１の前部に例えば螺合して固定されている。同様に、リヤシャフト１１は、大径部に筒状接続部７Ｂが焼ばめされるテーパ筒状（ラッパ状ないしロート状）に形成されており、その大径部よりシャフト１の軸方向後方に位置する小径部がシャフト１の後部に例えば螺合して固定されている。
【００２７】
そして、フロントシャフト１０の小径部およびリヤシャフト１１の小径部がそれぞれベアリング１２、１３を介してケーシング８側の図示しない不動部材に回転自在に支持されることで、シャフト１と共に前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が同心状に一体に回転できるようになっている。
【００２８】
ここで、フロントシャフト１０およびリヤシャフト１１は、略同様の形状を有するため、両者を代表してリヤシャフト１１の形状を説明する。図２および図３に示すようにテーパ筒状に形成されたリヤシャフト１１の大径部には、後段のタービンディスク７の筒状接続部７Ｂの内周側にインロー嵌合する筒状支持部１１Ａが形成されており、この筒状支持部１１Ａには外周嵌合面１１Ｂが形成されている。
【００２９】
一方、後段のタービンディスク７の筒状接続部７Ｂには、リヤシャフト１１の大径部の筒状支持部１１Ａに形成された外周嵌合面１１Ｂに焼ばめされる内周嵌合面７Ｂ１が形成されている。
【００３０】
ここで、リヤシャフト１１の遠心方向への撓み量は、遠心力による等分布荷重を受ける片持ち梁の撓み量として、次の式（１）により求めることができ、また、リヤシャフト１１の遠心方向への剛性は、次の式（２）により求めることができる。なお、式（１）において、ｙｒはリヤシャフト１１の遠心方向への撓み量、Ｆｒはリヤシャフト１１が受ける遠心力、Ｌｒはリヤシャフト１１の片持ち梁としての長さ、Ｅｒはリヤシャフト１１のヤング率、Ｉｒはリヤシャフト１１の断面２次モーメントである。また、式（２）において、Ｋｒはリヤシャフト１１の遠心方向への剛性である。
（１）……ｙｒ＝（ＦｒＬｒ４）／（８ＥｒＩｒ）
（２）……Ｋｒ＝Ｆｒ／ｙｒ＝８Ｅｒ／Ｌｒ４
【００３１】
同様に、後段のタービンディスク７の筒状接続部７Ｂの遠心方向への撓み量は、遠心力による等分布荷重を受ける片持ち梁の撓み量として、次の式（３）により求めることができ、また、筒状接続部７Ｂの遠心方向への剛性は、次の式（４）により求めることができる。なお、式（３）において、ｙｄは筒状接続部７Ｂの遠心方向への撓み量、Ｆｄは筒状接続部７Ｂが受ける遠心力、Ｌｄは筒状接続部７Ｂの片持ち梁としての長さ、Ｅｄは筒状接続部７Ｂのヤング率、Ｉｄは筒状接続部７Ｂの断面２次モーメントである。また、式（４）において、Ｋｄは筒状接続部７Ｂの遠心方向への剛性である。
（３）……ｙｄ＝（ＦｄＬｄ４）／（８ＥｄＩｄ）
（４）……Ｋｄ＝Ｆｄ／ｙｄ＝８Ｅｄ／Ｌｄ４
【００３２】
ここで、リヤシャフト１１に形成された筒状支持部１１Ａの外周嵌合面１１Ｂと、後段のタービンディスク７に形成された筒状接続部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１との間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を防止するには、ｙｄ＜ｙｒとなるようにＫｄ＞Ｋｒとすればよい。そして、Ｋｄ＞Ｋｒとするには、タービンディスク７の筒状接続部７Ｂのみを遠心方向への撓みに対し補剛すればよい。
【００３３】
そこで、一実施形態のガスタービンの焼ばめ締結構造においては、図２に示すように、タービンディスク７の筒状接続部７Ｂの外周面７Ｂ２の略全域にわたり、炭素線維製のロープ１４を緊締状態で複数回巻き付け固定して巻装している。なお、図１に示したコンプレッサディスク４の筒状接続部４Ａの外周面にも同様に炭素線維製のロープが巻装されている。
【００３４】
この炭素線維製のロープ１４は、軽量であって引張強度が極めて大きい特性を有し、筒状接続部７Ｂに作用する遠心力Ｆｄの増大を極力小さくした状態で筒状接続部７Ｂを遠心方向への撓みに対して補剛することで、筒状接続部７Ｂの遠心方向への撓みを確実に抑制する。
【００３５】
以上のように構成された本実施形態のガスタービンの焼ばめ締結構造では、図１に示したシャフト１側のフロントシャフト１０およびリヤシャフト１１と共に、前段のコンプレッサディスク４、後段のコンプレッサディスク５、前段のタービンディスク６および後段のタービンディスク７が高速回転する際、リヤシャフト１１の筒状支持部１１Ａの外周側に焼ばめされるタービンディスク７の筒状接続部７Ｂは、その外周面７Ｂ２に炭素線維製のロープ１４が巻装されて遠心方向に補剛されているため、遠心方向への撓みが抑制される。一方、リヤシャフト１１の筒状支持部１１Ａは、遠心方向への撓みが許容される。
【００３６】
このため、焼ばめ締結構造の内周側を構成するリヤシャフト１１の筒状支持部１１Ａが遠心方向に撓み、その外周嵌合面１１Ｂがタービンディスク７の筒状接続部７Ｂの内周嵌合面７Ｂ１に押圧されることにより、リヤシャフト１１の筒状支持部１１Ａと後段のタービンディスク７の筒状接続部７Ｂとの間の焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。
【００３７】
同様に、フロントシャフト１０の大径部の筒状支持部(符号省略)が遠心方向に撓み、その外周嵌合面(符号省略)が前段のコンプレッサディスク４の筒状接続部４Ａの内周嵌合面(符号省略)に押圧されることにより、フロントシャフト１０の筒状支持部(符号省略)と前段のコンプレッサディスク４の筒状接続部４Ａとの間の焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。
【００３８】
すなわち、本実施形態のガスタービンの焼ばめ締結構造によれば、リヤシャフト１１の筒状支持部１１Ａと後段のタービンディスク７の筒状接続部７Ｂとの間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができ、同様に、フロントシャフト１０の筒状支持部と前段のコンプレッサディスク４の筒状接続部４Ａとの間の焼ばめ締結構造の緩みの発生を確実に防止することができる。その結果、シャフト１の回転バランスが崩れてシャフト１が大きく振動する事態を未然に防止することができる。
【００３９】
本発明に係るガスタービンの焼ばめ締結構造は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図２に示した炭素線維製のロープ１４は、コードやケーブルの形態であってもよい。また、この炭素線維製のロープ１４は、図４に示すような炭素線維製の帯状シート１５に変更してもよい。
【００４０】
炭素線維製の帯状シート１５は、例えば炭素繊維強化プラスチックスの帯状のプリプレグを筒状接続部７Ｂの外周面７Ｂ２に巻装し、これを加熱により硬化させたものである。この炭素線維製の帯状シート１５も炭素線維製のロープ１４と同様に引張強度が極めて大きい特性を有するため、炭素線維製のロープ１４と同様の作用効果を発揮する。
【００４１】
また、図示省略するが、リヤシャフト１１の筒状支持部１１Ａと後段のタービンディスク７の筒状接続部７Ｂとの間の焼ばめ締結構造は、筒状接続部７Ｂが内周側を構成し、筒状支持部１１Ａが外周側を構成するようにしてもよい。この場合、筒状支持部１１Ａの外周に炭素線維製のロープ１４や炭素線維製の帯状シート１５を巻装する。
【００４２】
なお、フロントシャフト１０の筒状支持部と前段のコンプレッサディスク４の筒状接続部４Ａとの間の焼ばめ締結構造についても同様である。そして、これら場合にも、炭素線維製のロープ１４や炭素線維製の帯状シート１５により、焼ばめ締結構造の緩みの発生が確実に防止される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービンの焼ばめ締結構造が適用されたガスタービンの概略構造を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示した後段のタービンディスクの筒状接続部をシャフトに支持するリヤシャフトの拡大断面図である。
【図３】図２に示したリヤシャフトの大径側から見た斜視図である。
【図４】図２に示した炭素線維製ロープを炭素線維製帯状シートに変更した例を示す図２に対応した拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…シャフト、２…コンプレッサ、３…タービン、４…前段のコンプレッサディスク、４Ａ…筒状接続部、４Ｂ…筒状アーム、４Ｃ…インペラ、５…後段のコンプレッサディスク、５Ａ，５Ｂ…筒状アーム、５Ｃ…インペラ、６…前段のタービンディスク、６Ａ，６Ｂ…筒状アーム、６Ｃ…ブレード、７…後段のタービンディスク、７Ａ…筒状アーム、７Ｂ…筒状接続部、７Ｂ１…内周嵌合面、７Ｃ…ブレード、８…ケーシング、９…燃焼器、１０…フロントシャフト、１１…リヤシャフト、１１Ａ…筒状支持部、１１Ｂ…外周嵌合面、１２，１３…ベアリング、１４…炭素線維製のロープ、１５…炭素線維製の帯状シート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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