(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１０）のための圧縮機に使用するためのロータディスク（３４）であって、
前記ロータディスク（３４）は、前記ロータ（１０）の回転軸（１３）周りに延在するディスクウェブ（２６）と前記ディスクウェブ（２６）に隣接するハブ領域（２８）とを、前記回転軸（１３）へ向く側における中央開口部（３０）と、ロータブレード（３１）を受容するための半径方向外側を向く環状領域（３２）と、前記ディスクウェブ（２６）と前記環状領域（３２）との間で軸方向において両側に突出するカラー（３３）とともに、有しており、
前記ディスクウェブ（２６）の円周に沿って分散するよう配置された複数のホール（３６）が、前記カラー（３３）および前記環状領域（３２）の少なくとも１つを起点として、半径方向に対して傾斜する様式で、内側に向かって前記ディスクウェブ（２６）を貫通しており、
前記ホール（３６）は、前記環状領域（３２）の下流側から前記ディスクウェブ（２６）の上流側へ延在することを特徴とするロータディスク（３４）。
【請求項２】
前記ロータ（１０）はガスタービンのためのロータであることを特徴とする請求項１に記載のロータディスク（３４）。
【請求項３】
前記ホール（３６）は、前記ロータディスク（３４）の環状面（３８）に開口しており、前記環状面（３８）は、前記半径方向に対して斜めに配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロータディスク（３４）。
【請求項４】
前記ホール（３６）は、前記ロータディスク（３４）の環状面（３８）に開口しており、前記環状面（３８）は、前記半径方向に対して斜めに配置されており、
前記環状面（３８）に対して半径方向内側に隣接する様式で、前記ハブ領域（２８）は、前記ハブ領域（２８）の上流側において、前記ホール（３６）を通って流動可能な空気の流れを転送するための複数のリブ（４０）を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のロータディスク（３４）。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の第１のロータディスク（３４）を有するガスタービンのためのロータ（１０）。
【請求項６】
前記上流側において前記第１のロータディスク（３４）に隣接する第２のロータディスク（４２）であって、前記第２のロータディスク（４２）は、周方向ディスクウェブ（２６）と、前記回転軸（１３）へ向く側において中央開口部（３０）を備えるハブ領域（２８）と、前記ディスクウェブ（２６）の半径方向外側端部における、ロータブレード（３１）を受容するための環状領域（３２）と、を備えており、前記ハブ領域（２８）は、前記軸方向において両側に突出長さ（４４）を有しており、少なくとも上流の突出長さ（４４）は、環状の凹部（４８）の形成を伴う、経方向外側を向く自由端を有する環状の補助ウェブ（４６）を有する、第２のロータディスク（４２）によって特徴付けられる請求項５に記載のロータ（１０）。
【請求項７】
前記ホール（３６）は、前記ロータディスク（３４）の環状面（３８）に開口しており、前記環状面（３８）は、前記半径方向に対して斜めに配置されており、
前記環状面（３８）に対して半径方向内側に隣接する様式で、前記ハブ領域（２８）は、前記ハブ領域（２８）の上流側において、前記ホール（３６）を通って流動可能な空気の流れを転送するための複数のリブ（４０）を有しており、
前記リブ（４０）および前記補助ウェブ（４６）は、互いに対向するよう配置されていることを特徴とする請求項６に記載のロータ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱ターボ機械のための、内部に媒体を誘導するために構成されているロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流圧縮機およびガスタービン等の熱ターボ機械のためのロータは、大量に存在する先行技術から、様々な型のものが知られている。例えば、ガスタービンに関しては、溶接されたロータが知られており、当該ロータの場合、様々な幅のドラムが互いに溶接されて一体的なロータを形成している。他方、ロータディスクとしても知られている、複数のディスク状の要素を積層し、１つまたは複数のタイロッドを用いて引き締めて、固定的な構造を形成することが知られている。これらの型を組み合わせることも知られている。全てのロータには、外側にロータブレードが取り付けられており、当該ロータブレードは、ガスタービンの場合、例えば圧縮機か、または、タービンユニットに配設されている。型とは無関係に、ロータカバー内のホールを通じて、媒体がロータの内部に誘導され得る。それによって、当該媒体は、供給位置から第２の軸位置へ誘導され、当該軸位置において、媒体はロータから再び取り出される。この手法は、特にガスタービンにおいて、ロータ側で冷却空気をガスタービンの圧縮機の主要流路から取り出し、タービンユニットに誘導するために用いられ、当該タービンユニットでは、冷却空気は再びロータ内部から取り出され、空冷目的および／または気密目的で用いられ得る。
【０００３】
ガスタービンの圧縮機から空気を空気力学的に効率的に取り出すこと、および、当該空気をロータ内部に効率的に誘導すること、を可能にするために、様々な構造が知られている。
【０００４】
まず第一に圧縮機内の流路からの冷却空気をロータ内部へ誘導することが目的とされている。そのため一般的に取り出しホールが圧縮機の少なくとも１つのロータディスクに設けられており、これら取り出しホールは、もっとも単純な場合には、ロータ軸に対して直交するようにロータディスクを通って半径方向に延在する。代替的に例えば特許文献１から、取り出しホールが半径方向に対して傾斜する様式でロータディスクに設けられる実施形態が知られており、冷却空気が、ロータディスクに配置された圧縮機ブレードの上流における上流側から取り出されて、ロータ軸付近の下流側において再びロータ内部でロータディスクから離れる。
【０００５】
ロータディスクを通って導入される主要流路からの冷却空気を用いることで、ロータディスクの温度制御が向上され、熱平衡がより迅速に実現される。
【０００６】
ロータディスクを通る公知の冷却空気経路は、冷却空気経路のための適切な解決法を提供すると同時にロータディスクの温度制御のための適切な解決法を提供するが、ガスタービンにおける全体的なパフォーマンスを高めるためにより効率的な冷却空気経路を実現することが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８５２６０４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、ロータ内部における圧力損失および流れ損失をさらに削減するための、代替的な解決法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の課題は、請求項４の特徴部分に基づくロータと、請求項１の特徴部分に基づくロータディスクとによって解決される。本発明に係るロータは、請求項１に係るロータディスクを少なくとも１つ含んでいる。
【００１０】
有利な構成は、従属請求項に記載されており、その特徴部分を相互参照によって互いに組み合わせることができる。
【００１１】
「軸方向」および「径方向」、ならびに、「外側」および「内側」という概念は、つねに、ロータディスクまたはロータの回転軸に関係していることを指摘しておく。加えて、ロータ内部とは、ロータの内側の、ロータディスクからは区切られている空洞であると理解される。
【００１２】
ディスクから組み立てられたロータは、当該ディスクが後で互いに溶接されるかまたは１つもしくは複数のタイロッドによって互いに引き締められるかどうかに関わらず、周方向ディスクウェブを有する少なくとも１つの第１のロータディスクと、その半径方向外側端部における、ロータブレードを受容するための環状領域と、当該環状領域とディスクウェブとの間の両側における、隣接するディスクを支持するための軸方向に拡張されたカラーと、を備える。回転軸に対するその半径方向内側端部において、ディスクウェブは、回転軸について同心状の中央開口部を備えるハブ領域を備える。さらに回転ディスクは、媒体を外側からロータ内部に移送するためのホールを有する。
【００１３】
本発明によれば、ディスクウェブを通って延在するホールは、ターボ機械の主要流路内の媒体の貫流方向に対して、これらホールが環状領域において第１のロータディスクの下流側で開放される様式で、傾斜されている。そのため、抽出すべき媒体のための取り出し位置は、関連するロータディスクによって支持されるロータブレードの下流に存在する。言い換えると：ホールは、下流様式でかつそれらの内側端部に関連して、傾斜される。
【００１４】
傾斜したホールは、ロータディスクの均一な加熱に役立ち、ロータディスクにおける熱応力を低減させる。同時にターボ機械の主流からの媒体の取り出しは、ターボ機械の主要流路内の媒体の周方向速度がロータの周方向速度に実質的に対応する軸方向ポジションで行われる。これによってホールへの媒体の流動が促進され、空気力学的な損失が低減される。したがって、主流から取り出されるべき媒体のためのポジティブな流入条件が提供される。有利な方法では、第１のロータディスクは、ホールを通って流動可能な媒体の流れを転送するための複数のリブを含んでいる。これらホールは、ロータの内側において、径方向に対して斜めに配置されたロータの環状面に開口している。リブは、径方向内側において直接隣接して終端している。
【００１５】
有利な様式では、本発明に係るロータのための第２のロータディスクは、円を描くように延在するディスクウェブを含んでおり、当該ディスクウェブは、その回転軸に対して径方向内側の端部に、回転軸と同心の中央開口部を備えたハブ領域を有しており、その径方向外側の端部に、隣接するディスクに対する支承のためかつロータブレードの受容のための軸方向に拡大された環状領域を有しており、当該ハブ領域は、ディスクウェブの厚さに対して、軸方向において両側が拡大されているので、このように形成された突出長さのうち少なくとも１つには、外側を向いた、自由に終端する環状の補助ウェブが、環状の凹部を形成しながら、ディスクウェブと補助ウェブとの間に設けられている。
【００１６】
リブの径方向に検出可能な延在部分と、突出長さを含む補助ウェブの径方向に検出可能な延在部分とは、これらが実質的に同じ大きさになるように、すなわち好ましくはリブと補助ウェブまたは突出長さとが、外側でも内側でも同じ半径で終端するように、互いに調整されている。
【００１７】
第１のロータディスクでは、リブが、径方向に沿って内側から外側へ延在している。それによって外側から流入する媒体の旋回が特に効率的に抑制され、流れ損失が減少する。
【００１８】
さらに、好ましくは、リブのうち少なくとも１つ、好ましくは全てのリブは、その径方向外側を向いている端部において、自由に終端する延長部分を有しており、それによって、ロータ内側のホール開口部と各リブの径方向外側端部との間の間隔をさらに削減することができる。この間隔の削減によって、ホールから流出する媒体の誘導が改善され、流れ損失はさらに減少する。
【００１９】
好ましくは、両方のロータディスクは、環状領域において、両方のディスク面に、横方向に突出したカラーを含んでおり、当該カラーは、回転軸の軸方向において検出可能な高さを有しており、この高さは、同様に検出可能な、関連する突出長さまたはリブの高さよりもわずかに大きい。わずかに大きなカラーによって、ロータディスクは、その径方向外側の領域に、径方向内側よりも大きな軸方向の幅を有しており、それによって、両方のロータディスクが互いに接している場合、補助ウェブがリブと接触することが防止される。後者は、機械的摩耗につながり得るが、回避することができる。好ましくは、環状領域におけるロータディスクの高さおよび軸方向の幅は、リブと補助ウェブの対向する側面との間における軸方向の間隔が、動作中に生じる熱膨張を考慮して、可能な限り小さく保持されているように選択されている。
【００２０】
総じて、本発明は、熱ターボ機械、特にガスタービンのためのロータに関するものであり、当該ロータは、その内部に媒体、例えば圧縮機空気を誘導するように構成されている。当該媒体を、流れ損失を少量に抑えて内部に誘導するために、互いに接触している一対のロータディスクが設けられており、当該対の両方のロータディスクのうち第１のロータディスクは、媒体を外側からロータ内部に供給するためのホールを有する。有利な様式では、第１のロータディスクは、当該媒体をさらに回転軸の方向に誘導するためのリブ状のリブを有しており、当該第２のロータディスクは、補助ウェブを用いて、周方向に見てリブの間に形成された流路が、少なくともリブの径方向の延在部分の大部分に亘って軸方向に区切られているように構成されている。
【００２１】
本発明のさらなる利点および特徴を、唯一の実施例を用いて説明する。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ターボ機械のロータの縦断面を示す図である。
【図２】実質的に２つのロータディスクを有する、本発明に係るターボ機械のロータの縦断面の一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
両方の図において、同一の特徴には同じ参照符号が付されている。
【００２４】
図１は、熱ターボ機械のロータ１０の原則的な構造を概略的に示しており、当該熱ターボ機械は、組み立てられた状態で、その回転軸１３の周りを回転できるように取り付けられている。これは、図示された実施例では、固定型ガスタービンのロータ１０である。ロータ１０は、航空機のガスタービンでも用いることが可能であろう。ロータ１０は、ガスタービン内で用いられるので、圧縮機部分１２とタービン部分１４とを含んでいる。両方の部分１２、１４の間には、管１６が設けられている。圧縮機部分１２もタービン部分１４も、ディスク状に構成されている。圧縮機部分１２は、図示された実施例では、１６のロータディスク１８を含んでおり、タービン部分１４は、４つのロータディスク１８を含んでいる。全てのロータディスク１８および管１６を通ってタイロッド２０が延在しており、タイロッド２０の両端部には、いわゆる前方中空シャフト２２といわゆる後方中空シャフト２４とがネジで取り付けられている。両方の中空シャフト２２、２４は、全てのロータディスク１８および管１６を互いに引き締めるので、周方向における相対運動は大幅に回避される。詳細には、これは、接触面２３に配置されたヒルト歯（Hirth-Verzahnung）によるものである。しかしながら、ヒルト歯は詳細には図示されていない。
【００２５】
本発明に係る特徴は、図１には示されていない。これに関しては、図２が参照される。図２は、図１の圧縮機部分１２の、２つの任意の、しかしながらディスク対２５を形成しているロータディスク１８の一部を拡大して示している。
【００２６】
ロータ１０の外側では、動作状態において、詳細には図示されていない主要流路内を、空気が媒体として矢印方向２７に流れており、その間に、当該空気は圧縮機によって圧縮される。
【００２７】
各ロータディスク１８は、回転軸１３の周囲を無限に延在するディスクウェブ２６を有している。ディスクウェブ２６は、その径方向内側の端部に、回転軸と同心の中央開口部３０を備えたハブ領域２８を、その径方向外側の端部に、環状領域３２を有している。当該環状領域は、ロータブレード３１（図１）の固定に用いられると共に、両側に配置されたカラー３３を含んでおり、カラー３３では、隣接するロータディスク１８が互いに接している。図２の中央より右側に示されているロータディスク１８は、以下において第１のロータディスク３４と表記される。第１のロータディスク３４は、さらに、ディスクウェブ２６を通って環状領域から内側に延在するホールを有しており、当該ホールは、ディスクウェブ２６の円周に沿って均等に分配されている。複数のホールのうち、１つのみが図示されており、参照符号３６が付されている。ホール３６は、当該ホールがディスクウェブ２６を一方の側から他方の側に突き抜けるように、径方向に対して傾斜している。ホール３６は、その径方向内側の端部で、環状面３８に開口しており、環状面３８は、ロータディスク３４の径方向に対して斜めに配置されている。環状面３８に直接隣接して、ハブ領域２８には、多数のリブ４０が設けられている。リブ４０は、外側端部から内側端部へと延在している。さらに、リブ４０は、円周に沿って均等に分配されている。リブ４０は、第１のロータディスク３４のハブ領域２８に溶接されているか、または、同時にロータディスク３４と共に形成されていても良い。リブ４０の固定された部分に関して、それぞれが、リブ４０の外側端部に延長部分を有しており、それによって、環状面３８の４１とホール３６の開口部の位置との間の間隔を可能な限り小さく保持することができる。構造力学的には、リブ４０が周方向の溝５０内に固定されることを回避することが重要であるが、構造力学的には、環状面３８とハブ領域２８との間も同様に必要である。
【００２８】
リブ４０は、ホール３６から流れる、ロータ１０の内部に流入すべき空気の流れを誘導するために用いられる。第１のロータディスク３４の、リブ４０が設けられている側には、第２のロータディスク４２が接している。従来の各ロータディスク１８のように、第２のロータディスク４２もハブ領域２８を有しており、その軸方向の延在部分は、２つの突出長さ４４ゆえに、付属するディスクウェブ２６の延在部分よりも幅が大きい。対称性の理由で、リブ４０に直接対向する補助ウェブ４６のみが必要であろうにも関わらず、両方の突出長さ４４に、外側を向いた自由に終端する環状の補助ウェブ４６が、ディスクウェブ２６と補助ウェブ４６との間に環状の凹部４８を形成するように設けられている。補助ウェブ４６は、突出長さ４４と共に、リブ４０の径方向の延在部分全体に亘って、流路を区切っており、当該流路には、ホール３６から流出する冷却空気が流入し、タイロッド２０まで誘導される。これによって、各流路の流入部における空気の旋回が回避され、空気の誘導の効率が改善する。
【００２９】
ロータディスク１８の中央開口部３０は、タイロッド２０の直径よりも大きいので、それぞれのハブ領域２８とタイロッド２０との間には環状空間が形成され、当該環状空間を通って、タイロッド２０に誘導される空気は、軸方向において、タイロッド２０に沿って、圧縮機部分１２からタービン部分１４に誘導され得る。
【００３０】
自明のことながら、上述したディスク対２５を、タイロッド２０に沿って誘導された空気を外側へ誘導するために用いることも可能であり、これは、タービン部分１４におけるロータディスク１８の場合に必要である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  ロータ
１２  圧縮機部分
１３  回転軸
１４  タービン部分
１６  管
１８  ロータディスク
２０  タイロッド
２２  前方中空シャフト
２３  接触面
２４  後方中空シャフト
２５  ディスク対
２６  ディスクウェブ
２７  矢印方向
２８  ハブ領域
３０  中央ホール
３１  ロータブレード
３２  環状領域
３３  カラー
３４  第１のロータディスク
３６  ホール
３８  環状面
４０  リブ
４２  第２のロータディスク
４４  突出長さ
４６  補助ウェブ
４８  凹部
５０  溝
【図１】
0006400627.tif 000002
【図２】
0006400627.tif 000003