(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンのためのロータ装置（１）であって、前記ロータ装置（１）は、ロータディスク（３）を有するリング状ロータを備え、前記ロータディスク（３）は、回転軸と外周部とを備え、さらに前記ロータ装置（１）は、一組のタービンブレード（１１）を備え、前記それぞれのタービンブレード（１１）は、エアホイルとブレードルート（１５）とを備え、前記ブレード（１１）は、前記タービンブレード（１１）のルート（１５）により前記ロータディスク（３）の外周部（１３）に取り付けてあり、前記それぞれのブレード（１１）は、ブレード冷却通路（２３）と通路入口（２１）とを、前記ルート（１５）に備えており、さらに前記ロータ装置（１）は、メイン冷却通路（５５）を備えており、前記メイン冷却通路（５５）は、半径方向にロータディスクの回転軸の近くから、ブレード（１１）のルート（１５）にある通路入口（２１）まで通じており、さらに前記ロータ装置（１）はロータカバー（３１）を備え、前記ロータカバー（３１）は、前記ロータディスク（３）に隣接して前記ロータディスク（３）とともに回転するように取り付けてあり、前記ロータカバー（３１）は、冷却空気を半径方向外向きに前記通路入口（２１）に導くためのメイン冷却通路（５５）を画定するように、前記ロータディスク（３）から間隔をとってある、ガスタービンのためのロータ装置（１）であって、前記メイン冷却通路（５５）の半径方向内側部（５７）は、前記半径方向内側部（５７）の入口から、前記メイン冷却通路（５５）の前記半径方向内側部の全体に亘って、その幅が先細りになっており、前記ロータカバー（３１）は、自由リング直径（５８ａ、５８ｂ、５８ｃ）を備え、比較的厚い中間壁部（３７）が前記自由リング直径（５８ａ、５８ｂ、５８ｃ）の内側にあり、比較的薄い外側壁部（３９）が前記自由リング直径（５８ａ、５８ｂ、５８ｃ）の外側寄りにあり、前記ロータディスク（３）から、また前記外側壁部（３９）が前記内側部（３７）に結合している位置から、前記外側壁部（３９）の重心が離れて位置するように、前記外側壁部（３９）は、前記ロータディスク（３）から、また前記前記外側壁部（３９）が前記内側部（３７）に結合している位置から、離れて曲がっており、半径方向に延びるベーン（６１）が、前記ロータカバー（３１）のロータ側に位置し、前記ベーン（６１）は、前記内側壁部（３７）の部分と前記外側壁部（３９）の部分とに亘って延びており、これにより、前記ロータディスク（３）と前記カバー（３１）が回転する際、遠心力により前記外側壁部（３９）が直線状になりやすくなり、前記ベーン（６１）による前記メイン冷却通路（５５）を通る前記冷却空気のポンプ作用を高めることを特徴とするガスタービンのためのロータ装置（１）。
【請求項２】
前記メイン冷却通路（５５）の前記半径方向内側部（５７）は、前記通路の長さの約半分であることを特徴とする請求項１記載のロータ装置（１）。
【請求項３】
前記外側壁部（３９）は、前記外側壁部（３９）の外縁部に、前記ロータディスク（３）の方に延びるリップ（４１）を備え、前記リップ（４１）は、前記メイン冷却通路（５５）から半径方向外向きに位置し、前記リップ（４１）は、前記ロータ（１）とカバー（３１）が回転する際、前記メイン冷却通路（５５）をシールするように、前記ロータディスク（３）に接触することを特徴とする請求項１記載のロータ装置。
【請求項４】
ガスタービンのためのロータ装置（１）であって、前記ロータ装置（１）は、リング状のリム（１３）を有するロータ（３）を備え、さらに前記ロータ装置（１）は、一組のタービンブレード（１１）を備え、前記タービンブレード（１１）は、前記タービンブレード（１１）のルート（１５）により前記ロータ（３）の前記リム（１３）に取り付けてあり、前記ブレード（１１）は、ブレード冷却通路（２３）と通路入口（２１）とを、前記それぞれのルート（１５）に備えている、ガスタービンのためのロータ装置（１）であって、前記ロータ装置（１）は、ロータカバー（３１）を備え、前記ロータカバー（３１）は、自由リング直径（５８ａ、５８ｂ、５８ｃ）と半径方向最外側部（３９）とを備え、前記ロータカバー（３１）は、前記ロータ（３）に前記ロータ（３）の上流側に隣接して前記ロータ（３）とともに回転するように取り付けてあり、前記カバー（３１）は、冷却空気を半径方向外向きに前記通路入口（２１）に導くためのメイン冷却通路（５５）を画定するように、前記ロータ（３）から間隔をとってあり、前記カバー（３１）は半径方向外側部（３９）を備え、前記半径方向外側部（３９）は、前記自由リング直径（５８ａ、５８ｂ、５８ｃ）の外側寄りにあり、前記半径方向外側部（３９）は、前記半径方向外側部（３９）が前記カバー（３１）の残りの部分に結合している位置から上流側に前記半径方向外側部（３９）の重心が位置するように、少し上流側に湾曲させてあり、さらに前記カバー（３１）は、前記ロータカバー（３１）の下流側に、半径方向に延びるベーン（６１）を備え、前記最外側部は、リップ（４１）を備え、前記リップ（４１）は、前記ロータ（３）に隣接するように下流側に向きを変えてあり、これによって、前記カバー（３１）が前記ロータ（３）とともに回転すると、遠心力により前記カバー（３１）の前記半径方向外側部（３９）が直線状になりやすく、これによって、前記メイン冷却通路（５５）をシールするように、前記リップ（４１）は、しっかりと前記ロータ（３）に当ることができ、よって前記ベーン（６１）が、前記メイン冷却通路（５５）を通る前記冷却空気のポンプ作用を高めることを特徴とするガスタービンのためのロータ装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【技術分野】
本発明は、ガスタービンのための改良を施したロータアッセンブリを目的とする。本発明は、さらに詳しくは、ガスタービンに使用するロータアッセンブリのための改良を施した冷却装置を目的とする。
【０００３】
【背景技術】
ガスタービンエンジンに使用するロータアッセンブリのための冷却装置は、知られている。しかしながら、常に、ガスタービンが高温で、より効率よく動作するように冷却装置を改良する余地がある。既知の冷却装置は、ロータアッセンブリのロータにロータカバーを備える。このカバーは、ディスク状の冷却通路を形成するために、ロータの上流側から少し間隔をとってある。このディスク状の冷却通路が、冷却空気を、ロータとカバーの回転軸の近くのリング状エリアから、ロータカバーの周縁部に導く。このロータカバーの周縁部から、冷却空気は、ロータ上に取り付けてあるブレードのルートへと導かれる。そのような冷却装置の例は、ハウによる１９８７年６月２３日に発行された米国特許第４，６７４，９５５号、ホヴァンによる１９８９年４月１１日に発行された米国特許第４，８２０，１１６号に、実施例として示されている。しかしながら、冷却通路は、冷却空気を最大圧力でブレードに伝えるようには、うまく形成されていない。
【０００４】
【発明の開示】
本発明の目的は、ガスタービンに使用するロータのための冷却装置を提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、最適化したディスクとカバープレートの組み合わせを提供することである。この組み合わせにおいて、タービンがより高温で、より効率よく動作できるように、カバープレートの形状とし、湾曲したフィンをカバープレートに設けてある。
【０００６】
この冷却装置は、冷却空気をブレード冷却通路に供給する際に、冷却空気の圧力を最大限に上げる新しい設計原理を備えている。従って、空気は効率よくブレードに送られる。空気は、より低温のままであり、この空気によってブレード金属の温度が効率的に下げられる。これにより、エンジンはより高温で動作することができる。
【０００７】
さらに、改良を施した冷却装置によって、より軽量で、より強度のあるロータアッセンブリが得られ、より効率的なタービンとなる。
【０００８】
本発明によれば、ガスタービンに使用するブレードロータのための改良を施した冷却装置は、冷却空気入口を形成するために、ロータに隣接させるがロータから間隔をとって、ロータとともに回転するように取り付けたカバーを備える。ここでは、ブレードは冷却空気通路を備えている。本発明は、カバーとロータの間に形成した冷却通路に、テーパ付きの入口を備える。この入口は、通路を通してブレードに到達する。本発明は、カバーに半径方向のフィンを備える。このフィンは、入り口の空気の相対速度に適合し、冷却流の圧力が効率よく上がるように、周囲を湾曲させてある。テーパ付きの入口によって、フィン前縁に付随する損失を抑えるように、通路を通して冷却空気の速度を上げる。
【０００９】
本発明は、さらに、カバーに半径方向外側部を備える。この半径方向外側部は、カバーが回転する際、遠心力によって直線状になりやすい形状にする。直線状になる作用により、カバーの外縁部は、しっかりとロータに当ることができる。これにより、冷却通路から冷却空気が漏れるのを抑え、ブレードへの冷却空気流を確実に増やし、ブレードをよりいっそう冷却することができる。
【００１０】
一実施態様において、本発明は、特にガスタービンのためのロータ装置を目的とする。このロータ装置は、ロータと一組のタービンブレードとを備える。このタービンブレードは、タービンブレードのルートによりロータのリムに取り付けてある。さらにこのロータ装置は、ロータ冷却通路を備える。このロータ冷却通路は、ロータの穴からブレードのルートに通じる。ロータカバーが、ロータの上流側にロータに隣接してロータとともに回転するように取り付けてある。このカバーは、冷却空気を半径方向外向きにロータ冷却通路に導くためのメイン冷却通路を画定するように、ロータから間隔をとってある。メイン冷却通路の半径方向内側部は、半径方向内側部の入口からその幅が先細りになっている。
【００１１】
別の実施態様において、本発明は、特にガスタービンのためのロータ装置を目的とする。このロータ装置は、ロータと一組のタービンブレードとを備える。このタービンブレードは、タービンブレードのルートによりロータのリムに取り付けてある。さらにこのロータ装置は、ロータ冷却通路を備える。このロータ冷却通路は、ロータの穴からブレードのルートに通じる。ロータカバーが、ロータの上流側にロータに隣接してロータとともに回転するように取り付けてある。このカバーは、冷却空気を半径方向外向きにロータ冷却通路に導くためのメイン冷却通路を画定するように、ロータから間隔をとってある。カバーの半径方向外側部は、少し湾曲させてある。カバーの半径方向外側部は、カバーの半径方向外側部がカバーの残りの部分に結合している位置から上流側にカバーの半径方向外側部の重心が位置するように、つち形上流部を備える。半径方向外側部の最外側部は、リップを備える。このリップは、ロータに隣接するように下流側に向きを変えてある。これによって、カバーがロータとともに回転する際、遠心力によりカバーの外側部が直線状になりやすく、これによって、メイン冷却通路をシールするように、リップは、しっかりとロータに当ることができる。
【００１２】
以上のように本発明の性質を一般的に説明したので、次に本発明の好ましい実施態様を図によって示している添付図面を参照する。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
図１と図3に示すように、ロータ装置１は、ロータ３を備える。このロータ３は、半径方向に延びる上流面７と下流面９との間に画定されたメインボディ５を備える。一組のタービンブレード１１（１つだけ示す）が、ロータ３のリム１３の周囲から半径方向外向きに延びるように、ロータ３のリム１３の周囲に取り付けてある。それぞれのブレード１１のルート１５が、よく知られるように、ロータ２のリムにあるスロット１７に取り付けてある。ルート１５は、ブレードプラットホーム１６で終わっている。
【００１４】
ロータ３のリム１３に隣接してロータ３の中にあるロータ冷却通路２１が、冷却空気を、それぞれのタービンブレード１１に導く。それぞれのブレードに対して、１つのロータ冷却通路２１がある。この通路２１は、スロット１７の底部に位置する。ロータ３の中にある通路２１は、ロータ３の回転軸からの半径線に対して垂直方向に、ロータ３の上流面７と下流面９との間に、延びている。ブレード冷却通路２３が、ブレードを冷却するために、冷却空気をロータ冷却通路２１からブレードの中に導くように、ブレードルート１５のルートエンド２５からブレードの中に半径方向に延びる。フランジ２６が、ロータ３の下流面９付近でロータ冷却通路２１をシールするために、ブレードルート１５から延びる。
【００１５】
ロータカバー３１が、ロータ３とともに回転するように、ロータ３の上流に取り付けてある。カバー３１は、ロータ３の上流に延びる円筒部３３に取り付けてある。この円筒部３３は、ロータのメインボディ５の半径に比較して小さい半径を有する。カバー３１は、比較的薄い内側壁部３５を備える。この内側壁部３５は、ロータの上流面７から上流方向に間隔をとって、円筒部３３から半径方向に延びている。
【００１６】
要素の半径方向の膨張が、同一の材料特性、温度、回転速度を備える薄い自由リングの自然膨張と等しくなる場合の直径を、自由リング直径と呼ぶ。カバー３１は、この自由リング直径により、半径方向に２つの領域Ａ、Ｂに分かれる。下部領域Ａは、半径方向の強度が大きくなるように、まわりのハードウェアが許す限り大きな形状とする。上部領域Ｂは、遠心力による負荷と熱的な負荷ができる限り小さくなるように薄く作製する。
【００１７】
カバーのこの第１の領域Ａは、カバーの内側壁部３５と中間壁部３７とを備える。穴の応力を小さくするように、遠心応力によるカバー内部の曲げが小さくなるように、半径方向の強度が大きくなるように、第１の領域Ａの中間壁部３７は、できる限り厚くなるように形成し、ガスタービンの中のまわりのハードウェアだけが制約となる。
【００１８】
カバーの第２の領域Ｂは、外側壁部３９を備える。この外側壁部は、外側壁部の長さの主要部分に亘り、できる限り薄く形成する。これによって、通路をシールするように、遠心力による負荷と熱的な負荷が小さくなるように、この外側壁部３９は、遠心力のもとで曲がることができる。外側壁部３９の重量の減少量は、中間壁部３７の重量の増加量より、かなり大きい。これにより、カバーの全体重量が減少する。外側壁部３９の曲げによっても、確実に湾曲したフィン６１（以下に詳述する）が通路内にしっかりと適合する。これによって、ブレードへの冷却空気の供給圧力を高めることができる。
【００１９】
自由リング直径５８ａ、５８ｂ、５８ｃに対応する自立半径を決定するために、まず、以下の式を使って、自由リングについて、半径に対する半径方向の膨張のプロットを得る必要がある。
【００２０】
δrad  ＝  ρｒ3ω2／（Ｅｇ）  ＋  ｒαΔＴ
ここで、
δrad    ＝  半径方向の膨張  （インチ）
ρ＝  密度  （ポンド／インチ3）
ｒ＝  半径  （インチ）
ω＝  回転速度  （ラジアン／秒）
Ｅ＝  弾性率  （ポンド／インチ2）
ｇ＝  重力定数  （インチ／秒2）
α＝  熱膨張係数  （°F-1）
Ｔ＝  温度  （°F）
である。
【００２１】
それぞれの半径において温度に対応する半径方向の熱による膨張を、自由リング膨張等式に加える必要がある。外部から掛けられた負荷の存在または半径方向の熱勾配による負荷の存在が、自由リング膨張等式に影響しないことも留意される。自由リングについての、半径に対する半径方向の膨張のプロットは、解析されるディスクについての、半径に対する半径方向の膨張のプロットと、比較する必要がある。これらの２つの曲線が交わる半径（すなわち、半径方向の膨張が等しくなる半径）が、自立半径すなわち自由リング直径５８ａ、５８ｂ、５８ｃである。自立半径は、カバー部分の回転軸に沿って一定ではない。第１と第２の部分ＡとＢは、全ての局部的な自立半径を合計した曲線によって分かれる。
【００２２】
先に述べたように、カバー３１は、比較的厚い、中間壁部３７を備える。この中間壁部３７は、軸方向にロータのメインボディに、内側壁部３５の外側端部から半径方向外向きに、自由リング直径の内側に、延びている。さらに、カバーは、比較的薄い外側壁部３９を備える。この外側壁部は、中間壁部３７の上部下流側部から、半径方向に延びている。薄い部分３９は、自由リング直径５８ｃの外側寄りにある。リップを有するつち形部４０を、外側壁部３９の外縁部に設ける。つち形部４０は、４３に示すように、上流方向に大きくなっている。リップ４１は、ロータ３の上流面７の近くに隣接して、ロータ冷却通路２１のちょうど上方に位置するようにおおよそ軸方向、下流方向に延びている。
【００２３】
ロータカバー３１は、円周方向に間隔をとった円形の冷却空気入口穴４５を、内側壁部３５に備える。入口穴４５は、冷却空気を、リング状の穴つまりチャンバ４７に導く。このチャンバ４７は、ロータ３の円筒部の一部、内側壁部３５の下流面、中間壁部３７の内面、ロータ３の上流面７によって画定される。チャンバ４７は、カバー３１の中間壁部３７、外側壁部３９と、ロータ３の上流面の主要部とにより画定されたメイン冷却通路５５に通じる。このメイン冷却通路５５は、内側部５７を備える。この内側部５７は、少し下流方向に、半径方向外向きに、延びている。この内側部５７は、通路の長さのおおよそ半分である。さらに、このメイン冷却通路５５は、外側部５９を備える。この外側部５９は、少し上流方向に湾曲し、さらに逆に下流方向に湾曲し、ロータ冷却通路２１に通じている。
【００２４】
湾曲したフィン６１が、中間壁部３７と外側壁部３９との間の部分に亘るロータカバー３１の下流面に、設けてある。この湾曲したフィンは、主に、冷却通路５５の外側部５９に位置する。湾曲したフィン６１は、円周方向に間隔をとってある。より小さいリブ６３が、湾曲したフィン６１の隣接したそれぞれの対の間に、設けられる。湾曲したフィン６１とリブ６３により、メイン冷却通路５５を流れる空気に、ポンプ作用が生じる。
【００２５】
本発明によれば、冷却通路５５の内側部５７は、リング状チャンバ４７から
外側部５９に、徐々に内側にテーパが付いている。この構成により、冷却空気のための通路を通るエリアが減少する。これによって、冷却空気の速度が増加し、従って、結局、確実にブレード５をよりよく冷却することができる。
【００２６】
図４は、円錐状の通路５５に垂直な断面積を、チャンバ４７からの半径方向の距離に対してプロットしたグラフである。理解されるように、通路は、半径が大きくなるにつれ、より細くなっているが、それから、湾曲したフィン６１の端部に向かってディフューザを形成している。
【００２７】
さらに、本発明によれば、カバー３１の外側壁部３９は、自由リング直径５８ｃから上流方向に湾曲している。従って、外側壁部３９が中間壁部３７に結合している位置から少し下流側に重心が位置する。この構成によって、遠心力により外側壁部３９が直線上になりやすくなり、外側壁部３９はロータの方に曲がる。従って、メイン冷却通路５５の上端部をシールするように、リップの自由端部は、ロータ冷却通路の上において、しっかりとロータに当たることができる。これを、より明確に、しかし誇張して、図５に示す。つち形部４０とリップ４１がロータの方に曲がっているのを、点線で示してある。従って、冷却空気の漏れるのが抑えられ、圧力が維持される。
【００２８】
運転中は、冷却空気は、ロータ３の方に入口穴４５を通り、リング状チャンバつまり穴４７の中に導かれ、それから、メイン冷却通路５５の内側部５７の中に導かれる。ここで、冷却空気は圧縮され、圧力が上がる。冷却空気は、メイン冷却通路５５を通り、ロータ冷却通路２１に流れる。湾曲したフィン６１とリブ６３が、空気が通路を移動するのに役立つ。ロータと取り付けてあるカバーが回転する際、遠心力により、カバー３１の外側壁部３９が直線状になる。これにより、メイン冷却通路５５の上端部をシールするように、冷却空気の漏れを抑えるように、ロータ冷却通路２１の上において、つち形部４０のリップ４１がロータと接触するようになる。冷却空気の圧力は、維持され、より効率よく冷却するように、冷却空気は、ロータ冷却通路２１の中を、さらにブレード１１の冷却通路２３の中を通過する。
【００２９】
カバーの構成により、応力を抑え、重量を減少させて、高いポンプ効果が得られる。これは、カバー３１を半径方向に第１の部分と第２の部分とに分けることにより達成される。ここで、第１の部分は、カバーの自由リング自然直径の内側に位置し、第２の部分は、カバーの自由リング自然直径の外側に位置する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  空気冷却流路を示す、カバーを取り付けたガスタービンロータの軸方向の一部断面図。
【図２】  ロータカバーの下流側部の詳細斜視図。
【図３】  ブレード装置の詳細の、一部拡大した半径方向の断面図。
【図４】  通路の断面積を、通路の半径方向の距離に対してプロットした線図。
【図５】  ディスクと関連してカバープレートを示す、図１と同様の断面図。
【図１】
0004098473.tif 000002
【図２】
0004098473.tif 000003
【図３】
0004098473.tif 000004
【図４】
0004098473.tif 000005
【図５】
0004098473.tif 000006