(57)【要約】  本発明は総じて、熱ターボ機械、特にガスタービンのためのロータ（１０）に関するものであり、当該ロータは、その内部に、圧縮空気等の媒体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、及び、同時に比較的容易かつ安価に製造可能なロータ（１０）を記載するために、２つのロータディスク（３４、４２）の互いに隣接するハブ領域の間には、別個に製造されたインペラ（５０）が配置されており、その第１の面（５４）は、第２のロータディスク（４２）のハブ領域（２８）に接しており、その第１の面（５４）に対向する第２の面（５６）は、径方向外側から径方向内側へ延在する複数のリブ（４０）を有していることが規定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱ターボ機械のためのロータ（１０）であって、直接隣接するロータディスク（１８）の対（２５）を少なくとも１つ有しており、
各ロータディスク（１８）は、その回転軸の全周にわたって延在するディスクウェブ（２６）を有しており、前記ディスクウェブは、その前記回転軸（１３）に対して径方向内側の端部に、前記回転軸（１３）と同心の中央開口部（３０）を備えた、前記ディスクウェブ（２６）よりも軸方向において拡幅されたハブ領域（２８）を有していると共に、その径方向外側の端部に、隣接するロータディスク（１８、３４、４２）に接するため、及び、ロータブレード（３１）を受容するための、軸方向において拡幅されたリム領域（３２）を有しており、
２つのロータディスクの内、第１のロータディスク（３４）は、円周に沿って分散した、前記リム領域（３２）から内側へ延在する、前記ディスクウェブ（２６）を貫通する複数の開口部（３６）を有しており、前記開口部は、前記ロータディスク（３４）の、径方向に対して斜めに配置された環状面（３８）に開口しているロータにおいて、
２つのロータディスク（３４、４２）の互いに隣接する前記ハブ領域（２８）の間には、インペラ（５０）が配置されており、前記インペラ（５０）の第１の面（５４）は、第２のロータディスク（３４）の前記ハブ領域（２８）に接しており、前記第１の面（５４）に対向する前記インペラ（５０）の第２の面（５６）は、径方向外側から径方向内側へ延在する複数のリブ（４０）を有していることを特徴とするロータ（１０）。
【請求項２】
前記インペラ（５０）が、プレート状のリブ担体（５２）を含んでおり、該リブ担体（５２）の外側縁部（６０）は、前記リブ（４０）の外側端部よりも大きな半径上に位置する、請求項１に記載のロータ（１０）。
【請求項３】
前記リブ（４０）のそれぞれが、前記第１のロータディスク（１８）に対向する縁部（４３）を有しており、該縁部（４３）の径方向輪郭は、前記第１のロータディスク（３４）の径方向輪郭に対応する、請求項１又は２に記載のロータ（１０）。
【請求項４】
前記インペラ（５０）が、前記第２のロータディスク（４２）に固定されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ（１０）。
【請求項５】
前記インペラが、焼き嵌めによって、前記第２のロータディスクに固定されている、請求項４に記載のロータ（１０）。
【請求項６】
前記インペラ（５０）が、前記第２のロータディスク（４２）に対する周方向の相対移動に対して固定されている、請求項４又は５に記載のロータ（１０）。
【請求項７】
前記第２のロータディスクがハブ領域において、少なくとも１つの周方向側で区切られた凹部を有しており、前記凹部には、該凹部に対応する、前記インペラに配置されたカムが係合している、請求項６に記載のロータ（１０）。
【請求項８】
前記インペラ（５０）は、流れを方向転換させるために、前記第２の面（５６）の径方向内側において、前記リブ（４０）の間が中空溝のように形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のロータ（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】
軸流圧縮機及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つ又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、又は、タービンユニットに配設されている。型とは無関係に、ロータカバー内の開口部を通じて、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、空冷目的及び／又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、及び、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】
例えば特許文献１からは、ロータの回転ゆえに旋回しながらロータの空洞に流入する空気を、径方向に延在するリブを通じて、ロータの中心に誘導することが知られている。誘導することによって、開口部から流出する空気の円周速度が、半径が小さくなるのと共に小さくなり、その結果、許容できない大きさの旋回が生じることが防止される。この理由から、リブは英語に由来して「旋回抑制装置（deswirler）」と呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９６１７５３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、ロータ内部での圧力損失及び流れ損失をさらに削減する一方で、容易に実施され、従って安価な、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】
【０００７】
本発明の課題は、請求項１に記載の特徴を有するロータによって解決される。有利な態様は従属請求項に記載されており、その特徴を相互参照によって互いに組み合わせることができる。
【０００８】
発明者は、先行技術では、径方向リブの領域において流れ損失が生じ得ることを認識している。なぜなら、これらのリブは、周方向においてはむしろ、互いに比較的離れて立っており、従って、当該位置には、ターボ機械から取り出された媒体のための比較的大きな流れ断面が存在しているからである。これは、既知のリブの間の流路も、比較的大きな軸方向の延在部分を有しているので、より一層当てはまる。この欠点を取り除くために、リブ間の流路の流れ断面を軸方向にも区切ることが提案される。この軸方向の境界は、好ましくは少なくともリブの径方向の延在部分の大部分に亘って形成されるべきである。
【０００９】
この理由から、別個に製造されたインペラが、互いに隣接するロータディスクのハブ領域の間に配置されており、２つのロータディスクの内１つは、ロータ内部に媒体を誘導するための開口部を有しており、当該インペラは、第１の面で、第２のロータディスクのハブ領域に接しており、その第１の面に対向する第２の面は、外側から内側へ延在する複数のリブを有している。
【００１０】
従来の解決法とは異なり、本発明では、リブは２つのロータディスクの一体的な部材ではなく、インペラの部材であり、当該インペラはリブ担体として、プレート状のリングを含んでおり、当該リングにはリブが固定されていることが初めて提案されている。
【００１１】
従って、上述した態様は、リブがロータディスクの一体的な構成要素であるロータディスクよりもはるかに容易かつ安価に実施され得る。さらに、インペラを、ロータディスク自体とは異なる材料で製造しても良い。なぜなら、最高使用温度等の境界条件が異なる可能性があるからである。従って、ロータディスクのリブの比較的複雑なジオメトリは、後者から分離される。なぜなら、発明者によって、リブは、インペラのような、別個の部材にも配置され得ることが明らかにされているからである。インペラは、中実のリングから、機械によって製造され得る。代替的に、インペラを、リング及び複数のリブという個別の部材を溶接によって接合して形成することも可能である。リブのジオメトリが複雑である場合には、インペラを製造するために、鋳造という手法も考えられる。
【００１２】
「軸方向」及び「径方向」、並びに、「外側」及び「内側」という概念は、つねに、ロータディスク又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、ロータディスクによって区切られている空洞であると理解される。言い換えれば、第１のロータディスクの開口部は、ロータ内部には含まれない。
【００１３】
インペラの第１の有利なさらなる構成によると、リブ担体の外側縁部は、リブの外側端部よりも大きな半径上に位置しているので、取り付けられた状態において、インペラが該当するロータディスクのハブ領域の間に取り付けられている場合、開口部から流出する媒体は、径方向外側にさらに導かれたリブ担体ゆえに、より良好に内側に誘導され得る。それによって、流路の流入領域における旋回は回避され、媒体を誘導する際の圧力損失が減少する。
【００１４】
本発明のさらなる有利な態様では、リブはそれぞれ、第１のロータディスクに対向する縁部を有しており、その径方向輪郭は、ハブ領域における第１のロータディスクの径方向輪郭と一致する。これによって、リブの縁部と第１のロータディスクのハブ輪郭との間の間隙を、リブの径方向延在部分全体に亘って、比較的小さく保つことが可能であり、それによって、リブとハブ領域とによって形成された間隙を通る横断流が発生することなく、リブに沿って媒体を効率的に誘導することが可能になる。
【００１５】
さらなる有利な態様によると、インペラは、第２のロータディスクに対する周方向の相対移動に対して固定されている。そのために、リブ担体におけるインペラは、１つ又は複数の穴を有していても良く、当該穴には、隣接する第２のロータディスクにおいてノッチに係合するボルトが位置している。代替的に、インペラを、第２のロータディスクにネジで固定しても良い。
【００１６】
好ましくは、インペラは、第２のロータディスクに焼き嵌めされている（aufgeschrumpft）。そのために、インペラは、その第２のロータディスクに対向する面に、横に突出した環状ビードを有している。この点では、当該面は、もはや完全には平らではないが、いずれにしてもリブは有していない。環状ビードに対応して、ハブ領域における第２のロータディスクは、シリンダ状の、外側を向いたシート（Sitz）を有しており、当該シートには環状ビードが焼き嵌めされ得る。焼き嵌め（Schrumpfsitz）によって、容易かつ確実な固定がもたらされる。摩耗によって引き起こされる、第２のロータディスクとインペラとの間の相対移動を回避するために、焼き嵌めに関与している２つの部材の内１つの部材には、カムを配置することが可能であり、当該カムは、焼き嵌めの２つの部材の内もう一方の部材に配置されている凹部に、可能な限り形状接続的に係合している。形状接続的なカム‐凹部対の代わりに、相対移動に対する保護として、保護ネジ等の異なる保護手段を用いることも可能である。
【００１７】
特に好ましいのは、インペラが、第２の面において、径方向内側に、リブの間に、流れの方向を変えるための中空溝のように形成されている構成である。これによって、媒体が、主に径方向における流れから、主に軸方向における流れに変更されなければならない場合に、媒体における空気力学的損失が減少する。これは、自明のことながら、逆の流れの方向にも当てはまる。
【００１８】
総じて、本発明によって複数の利点がもたらされる：まず、製造が単純化される。つまり、部材の複雑性が減少することによって、製造時に起こり得るエラーが減少する。加えて、複雑なジオメトリは、もはや比較的高価な部材であるロータディスクには配置されず、別個に製造された部材であるインペラにおいて実現される。さらに、複雑なジオメトリの分離によって、媒体を主要流路から取り出す際に用いられるロータディスクの費用が削減される。もう一方の、第２のロータディスクは、従来通りに構成され得る。なぜなら、インペラが、改善された、ロータの内部に流れを誘導する機能を担っているからである。構造的に分離することによって、様々な原材料を用いること、及び、組み合わせることができる。
【００１９】
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、及び、同時に比較的容易かつ安価に製造可能なロータを記載するために、２つのロータディスクの互いに隣接するハブ領域の間には、別個に製造されたインペラが配置されており、その平らな第１の面は、第２のロータディスクのハブ領域に接しており、その第１の面に対向する第２の面は、外側から内側へ延在する複数のリブを有していることが規定されている。
【００２０】
本発明のさらなる利点及び特徴を、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】
【００２１】
【図１】ターボ機械のロータの縦断面の図である。
【図２】２つのロータディスクの間に配置されたインペラを有する、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。
【図３】インペラの斜視図である。
【図４】第２のロータディスク上のインペラの焼き嵌めを横断面で示す図である。
【図５】第２のロータディスクのハブ領域を部分的に断面で示す斜視図である。
【図６】インペラの背面を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
全ての図において、同一の特徴には同じ参照符号が付されている。
【００２３】
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の周りに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及び管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及び管１６を互いに引き締めるので、周方向における相対移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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
各ロータディスク１８は、回転軸１３の全周にわたって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、リム領域３２を有している。当該リム領域は、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、左側に示されているロータディスクは、第２のロータディスク４２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を通ってリム領域から内側に延在する開口部を有しており、当該開口部は、ディスクウェブ２６の円周に沿って均等に分散している。複数の開口部の内、１つのみが図示されており、参照符号３６が付されている。開口部３６は、当該開口部がディスクウェブ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。開口部３６は、その径方向内側の端部で、環状面３８に開口しており、当該環状面は、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。
【００２７】
直接隣接するロータディスク３４、４２の２つのハブ領域２８の間には、インペラ５０が配置されている。インペラ５０は、プレート状のリブ担体５２を含んでおり、リブ担体５２は、略平らに形成されている第１の面５４と、第１の面５４に対向する第２の面５６とを有している。
【００２８】
図４に示すように、インペラ５０は、第２のロータディスク４２のハブ領域２８のシリンダ状部分３７に載置されている。そのために、インペラ５０は、その第１の面５４に環状ビード３９を含んでいる。環状ビード３９は、図６において完全に図示されている。図示された実施例によると、環状ビード３９の内面には、円周に沿って均等に分散した４つのカム４１が設けられている。これらのカムは、インペラ５０が焼き嵌めされている場合、凹部４３（図５）に係合しており、当該凹部は、第２のロータディスク４２のハブ領域２８において、径方向外側にも横方向にも開かれているが、周方向には開かれていない。同時に、第１の面５４の、環状ビード３９の内部に配置された面は、横方向のハブ領域２８に面的に接している。従って、インペラ５０は、部分的にのみ焼き嵌めされている。
【００２９】
第２の面５６では、円周に沿って、リブ４０（図３）が均等に分散している。これらのリブは、開口部３６から流出する空気のための案内要素として用いられる。その際、当該リブは、直線的か、若しくは、軽く湾曲して、径方向において外側から内側へ、又は、わずかに径方向に対して傾斜して延在し得る。第１のロータディスク３４のハブ領域２８に対向する、リブ４０の縁部４３はそれぞれ、その径方向輪郭が第１のロータディスク３４の径方向輪郭に一致するように輪郭付けられている。しかしながら、摩耗を防止するために、縁部４３とハブ領域２８との間には、それぞれわずかな間隙が存在している。別のロータディスク１８と同様に、インペラ５０も中央開口部５８を有しており、当該中央開口部を通ってタイロッド２０が延在し得る。
【００３０】
リブ４０は、径方向外側において、環状面３８のすぐ内側で終端するように構成されている。開口部３６から流出する空気を、リブ４０の間に存在する流路に、確実かつ流れ損失を抑えて流入させるために、リブ担体５２の外側縁部６０は、回転軸１３に対して、リブ４０の外側端部よりも大きい半径上に位置している。
【００３１】
リブ４０は、開口部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、及び、その旋回を抑制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が設けられている面には、第２のロータディスク４２が接している。インペラ５０を用いるので、ハブ領域２８における第２のロータディスク４２は、従来通りの構成を有し得る。
【００３２】
インペラ５０の使用によって、リブ４０の径方向の延在部分全体に亘って、流路を軸方向に区切ることが可能であり、当該流路には、開口部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。
【００３３】
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。
【００３４】
自明のことながら、上述した、間にインペラ５０が配置されているディスク対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】
【００３５】
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  中央開口部
３１  ロータブレード
３２  リム領域
３３  カラー
３４  第１のロータディスク
３６  開口部
３７  シリンダ状部分
３８  環状面
３９  環状ビード
４０  リブ
４１  カム
４２  第２のロータディスク
４３  縁部
５０  インペラ
５２  リブ担体
５４  第１の面
５６  第２の面
５８  中央開口部
６０  外側縁部
【図１】
2016530436.tif 000003
【図２】
2016530436.tif 000004
【図３】
2016530436.tif 000005
【図４】
2016530436.tif 000006
【図５】
2016530436.tif 000007
【図６】
2016530436.tif 000008
【国際調査報告】
2016530436.tif 000009
2016530436.tif 000010
2016530436.tif 000011
2016530436.tif 000012