(57)【要約】  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（１０）であって、例えば圧縮空気のような媒体をロータの内部に導くように構成されているロータに関する。流れ損失が低い状態で当該媒体を内部に導くために、同時に比較的単純かつ経済的に製造可能なロータ（１０）を特定するために、本発明における別体で製造された羽根車（５０）が、２つのロータディスク（３４，４２）の相互に隣り合っているハブ領域の間に配置されており、スリーブ（６２）が、羽根車（５０）を２つのロータディスク（３４，４２）のうち一方に固定するために設けられており、一方のロータディスク（３４，４２）の中央開口部（３０）を貫通して延在しており、スリーブの第１の端部（６３）においてストッパとして機能するカラー（６４）を備えており、第１の端部（６３）の反対側に位置する第２の端部（６５）を備えており、第２の端部（６５）には羽根車（５０）が固定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接隣り合っているロータディスク（１８）から成る少なくとも１つのペア（２５）を有している、熱ターボ機械のためのロータ（１０）であって、
前記ロータディスク（１８）の回転軸線（１３）に関するラジアル方向内側端部において前記回転軸線（１３）の周りに全周に亘って延在しているディスクウエブ（２６）を有している、前記ロータディスク（１８）それぞれが、前記ディスクウエブ（２６）に関するアキシアル方向において拡開しているハブ領域（２８）であって、前記回転軸線（１３）に対して同軸に配置されている中央開口部（３０）を備えている前記ハブ領域（２８）を有しており、前記ハブ領域（２８）が、隣り合っている前記ロータディスク（１８，３４，４２）に当接するために、且つ、ロータブレード（３１）を受容するために、前記ハブ領域（２８）のラジアル方向外側端部において、アキシアル方向に拡開されているリム領域（３２）を有しており、
２つの前記ロータディスク（３４，４２）のうち第１のロータディスク（３４）が、周方向に沿って配置されている複数のボア（３６）を有しており、前記ボア（３６）が、前記リム領域（３２）から内方に延在しており、前記ディスクウエブ（２６）から突出しており、前記第１のロータディスク（３４）のリング面（３８）において開口しており、前記リング面（３８）が、ラジアル方向に対して傾斜して配置されている、前記ロータ（１０）において、
羽根車（５０）が、２つの前記ロータディスク（３４，４２）の相互に隣り合っている前記ハブ領域（２８）の間に配置されており、前記羽根車（５０）の第１の側面（５４）が、第２のロータディスク（４２）の前記ハブ領域（２８）に当接しており、前記第１の側面（５４）の反対側に位置する前記羽根車（５０）の第２の側面（５６）が、外方から内方に向かって延在している複数のリブ（４０）を有しており、
スリーブ（６２）が、前記羽根車（５０）を２つの前記ロータディスク（３４，４２）のうち一方のロータディスクに固定するために設けられており、前記スリーブ（６２）が、関連する前記ロータディスク（３４，４２）の前記中央開口部（３０）を貫通して延在しており、前記スリーブ（６２）の第１の端部（６３）には、ストッパとして機能するカラー（６４）を備えており、前記第１の端部（６３）の反対側に位置する第２の端部（６５）には、前記羽根車（５０）が固定されていることを特徴とするロータ（１０）。
【請求項２】
前記羽根車（５０）が、プレート状のリブキャリア（５２）を備えており、
前記前記リブキャリア（５２）の外縁部（６０）が、前記リブ（４０）の外側端部よりラジアル方向外方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロータ（１０）。
【請求項３】
前記羽根車（５０）を前記スリーブ（６２）に固定するために、前記スリーブ（６２）が、前記スリーブ（６２）の前記第２の端部（６５）に雄ネジ部を有しており、
前記羽根車（５０）が、前記羽根車（５０）が前記第２のロータディスク（４２）を補剛するように前記雄ネジ部に螺合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータ（１０）。
【請求項４】
前記羽根車（５０）が、流れを偏向するために、前記リブ（４０）同士の間においてラジアル方向内方に、且つ、フィレット付チャネル状に前記第２の側面（５６）に構成されている請求項１〜３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、ロータが媒体を導くために内部に構成されている熱ターボ機械のためのロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば軸流式圧縮機やガスタービンのような熱ターボ機械のためのロータが、包括的に利用可能とされる従来技術とは異なる構成で知られている。例えば、溶接されたロータは、異なる幅の溶接されたロータドラムが一体的なロータを形成するために互いに溶接されているガスタービンのために知られている。第二に、（ロータディスクとしても知られている）複数のディスク状要素を積層すること、及び固定された構造体を形成するために１つ以上のタイロッドを利用して当該ディスク状要素を補剛することが知られている。これら構成の組み合わせであっても知られている。ロータブレードはすべてのロータの外側に取り付けられており、例えばガスタービンの場合には、圧縮機又はタービンユニットに割り当てられている。構造には関係なく、媒体は、媒体をフィード位置から媒体がロータから再び除去される第２のアキシアル方向位置に導くために、ロータシェルに配置されている開口部を介して、ロータの内部に導かれる。当該方法は、ロータ側において冷却空気をガスタービンの圧縮器の主流路から除去するために、且つ、当該方法が空気を冷却するために及び／又は空気を密封するために利用されるタービンユニットに冷却空気を導くために、特にガスタービンで利用される。
【０００３】
空気をガスタービンの圧縮機から空気力学的に有効に除去するために、且つ、空気をロータの内部に有効に導くために、様々な構成が知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１は、ロータの回転に起因して、ロータの中央に向かってラジアル方向に延在しているリブを介してロータキャビティの内部に旋回して流れる空気を導くことを開示しています。導くことによって、開口部から排出された空気の周方向速度が、半径が小さくなるに従って小さくなるので、許容できない大きい旋回の形成が防止される。このために、リブが英語で“deswirlers”と呼称される。
【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】
本発明の目的は、第一にロータ内部における圧力損失及び流れ損失をさらに低減すると共に第二に単純に信頼を以って清掃可能であり高価ではない、代替的な解決手段を提供することである。
【０００７】
本発明の目的は、請求項１の特徴に従ったロータによって達成される。優位な改善点は、従属請求項に特定されており、その特徴は、以下の内容を参照することによって互いに組み合わせることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は、従来技術において、ラジアル方向リブの領域において流れ損失が発生することを認識している。ラジアル方向リブは、周方向において互いから比較的大きく離隔配置されている傾向があるので、ターボ機械から除去される媒体のための当該箇所における流路断面積が相対的に大きくなるからである。既知のリブ同士の間における流路がアキシアル方向において比較的長いので、このことはなおさら真実である。このような欠点を解消するために、リブ同士の間における流路の流路断面積をアキシアル方向において限定することが提案されている。好ましくは、アキシアル方向における限定は、少なくともリブのラジアル方向長さの大部分に亘って構成されている。
【０００９】
このために、別体で製造された羽根車が、相互に隣り合っているロータディスクのハブ領域同士の間に配置されており、２つのロータディスクのうち一方のロータディスクが、媒体をロータ内部に導くための開口部を有しており、羽根車が、第１の側面において第２のロータディスクのハブ領域に当接しており、第１の側面の反対側に配置されている羽根車の第２の側面が、外側から内側に延在している多数のリブを有している。
【００１０】
従って、既知の解決手段とは対照的に、本発明では、リブが、２つのロータディスクの一方のロータディスクの一体的部分ではなく、リブを固定するためのプレート状のリングをリブキャリアとして備えている羽根車の一部分であることが提案されている。
【００１１】
従って、上述の解決策は、リブがロータディスクの一体的な構成部分であるロータディスクより実質的に単純且つ低コストで製造可能とされる。さらに、羽根車は、ロータディスク自体の材料とは異なる材料から製造可能とされる。例えば最大利用温度のような境界条件が異なるからである。従って、ロータディスクの比較的複雑な形状のリブがロータディスクから分離される。発明者は、リブが例えば羽根車のような別体の構成部品に配置可能であることを認識しているからである。羽根車は、中実のリングから機械的に製造可能とされる。代替的には、羽根車は、溶接によって個々の部品（リング及び複数のリブ）から組み立て可能とされる。また、羽根車を製造するための鋳造方法は、リブの形状が複雑な場合に適している。
【００１２】
さらに、羽根車をロータの内部に特に確実に固定するために、羽根車を２つのロータディスクのうち一のロータディスクに固定するためのスリーブを設けることが提案される。当該スリーブは、関連するロータディスクの中央開口部を貫通して延在しており、第１の端部においてストッパとして機能するカラーを備えており、第１の端部の反対側に位置する第２の端部には羽根車が固定されている。これにより、ディスクペアの２つのロータディスクのうち一方のロータディスクとロータの組立の際に一般的な積層プロセスによって結合された状態で取り付け可能とされる羽根車とを備えている、モジュールを製造することができる。その結果として、ロータの組立が確実に単純化され、ロータの構成部品は常に意図した位置に配置されるようになる。
【００１３】
“アキシアル方向”、“ラジアル方向”、“外方”、及び“内方”との用語が、常にロータディスク又はロータの回転軸線に関連することに留意すべきである。さらに、ロータ内部は、ロータディスクによってその境界が形成されているロータの内部のキャビティであることに留意すべきである。言い換えれば、第１のロータディスクの開口部は、ロータ内部の一部分ではない。
【００１４】
羽根車の第１の優位な発展形態では、リブキャリアの外縁部がリブの外側端部よりラジアル方向外方に配置されており、その結果として、羽根車が関連するロータディスクのハブ領域同士の間に取り付けられた据付状態において、開口部から流出した媒体が、ラジアル方向外方にさらに案内されるリブキャリアに起因して、さらに良好に内方に導かれる。従って、流路の流入領域に渦が発生しなくなるので、媒体を導く際における圧力損失が低減される。
【００１５】
本発明のさらなる優位な解決策では、リブそれぞれが、第１のロータディスクに面している縁部を有しており、リブのラジアル方向輪郭が、ハブ領域内のロータディスクのラジアル方向輪郭に一致している。その結果として、リブの縁部と第１のロータディスクのハブ輪郭との間における間隙が、ラジアル方向におけるリブの長さ全体に亘って比較的小さく維持可能となるので、リブ及びハブ領域によって形成される間隙を通じて横方向の流れを発生させずに、媒体をリブに沿って有効に導くことができる。
【００１６】
さらなる優位な解決策では、羽根車がスリーブに螺合されている。このために、羽根車が自身の中央開口部に雌ネジ部を有しており、当該雌ネジ部はスリーブの第２の端部に設けられている雄ネジ部に螺合されている。羽根車をロータに特に確実に固定するために、スリーブのすべてのネジ部側端部のうち第１のネジ部側端部が、スリーブのカラーがハブ領域の側面に当接するまで、２つのロータディスクのうち一方のロータディスクに、好ましくは第２のロータディスクに押し込まれる。その後に、羽根車は、ネジ付ナットであるかのように、ネジ部側端部に螺合される。羽根車を締め付ける際に、スリーブの円筒状部分が膨張するので、その結果として、固定機能が確実に且つ十分に発揮される。このようにして補剛された組立体は、ロータを積み重ねる際に通常タイロッドに螺合される。必要に応じて、組立体は、中央ネジ部の領域に滑り止め金具を取り付けることによって、解除されないように固定される。
【００１７】
流れを偏向するために羽根車がリブ同士の間においてラジアル方向内方に、且つ、フィレット付チャネル状に第２の側面に構成されている、発展形態が特に好ましい。これにより、媒体が主にラジアル方向に方向づけられた流れから主にアキシアル方向に方向づけられた流れに偏向される必要がある場合であっても、媒体の空気力学的損失が低減される。言うまでもなく、このことは逆流方向にも適用可能である。同時に、螺合接続及び当該解決手段によって、アキシアル方向のネジ長さを比較的大きくすると共に、リブキャリアの厚さを小さくすることができる。中央開口部においてリブキャリアをフィレット付チャネル状に構成した結果として、中央開口部に配置されている雌ネジ部をフィレット付チャネルが設けられていない場合より結果的に長くすることができるので、螺合接続がさらに改善される一方、羽根車の重量を小さく維持することができる。
【００１８】
概して、本発明は複数の利点を有している。第一に、構成部品の複雑さが低減されるので、製造が単純化される。すなわち、潜在的な製造上の不良を低減することができる。さらに、例えば羽根車のような別体として製造される構成部品ではなく、例えばロータディスクのような比較的コスト高の構成部品は、複雑な形状に形成されない。さらに、複雑な形状を分離することによって、ロータディスクのコストを低減させることができる。これにより、媒体を主流路から除去することができる。他方の第２のロータディスクは、従来技術に基づく構造とすることができる。羽根車がロータの内部に導かれる流れを改善するように機能すると考えられるからである。構造的に分離可能とすることによって、その結果として、異なる材料の利用及び組み合わせが可能となる。
【００１９】
従って、本発明は、概略的に、ロータが例えば圧縮空気のような媒体をその内部に導くように構成されている、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。流れ損失が小さい状態で媒体を内部に導くために、且つ、同時に信頼性を有すると共にコスト安でロータを製造可能とするために、別体で製造された羽根車が２つのロータディスクの相互に隣り合っているハブ領域同士の間に配置されていること、スリーブが羽根車を２つのロータディスクのうち一方のロータディスクに固定するために設けられていること、スリーブが第１の端部において関連するロータディスクの中央開口部を貫通して延在していること、並びに、スリーブが第１の端部にストッパとして機能するカラーを備えており、第１端部の反対側に位置する第２の端部には羽根車が固定されていることが提案されている。
【００２０】
本発明のさらなる優位点及び特徴については、単一の例示的な実施例を利用して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ターボ機械のロータの長手方向断面図である。
【図２】２つのロータディスクの間に配置されている羽根車を具備するターボ機械の、本発明におけるロータの長手方向断面の詳細図である。
【図３】第２のロータディスク、羽根車、及びスリーブを備えている組立体の分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
すべての図面において、同一の形体には同一の参照符号が付されている。
【００２３】
図１は、組立状態において回転軸線１３の周りに回転可能とされるように取り付けられている熱ターボ機械のロータ１０の主要構成の概略図である。図示の例示的な実施例では、これは、定置式ガスタービンのロータ１０とされる。また、ロータ１０は、航空機用ガスタービンで利用可能とされる。ガスタービンでの利用を考慮して、ロータ１０は、圧縮セクション１２とタービンセクション１４とを備えている。チューブ１６が、圧縮セクション１２とタービンセクション１４との間に設けられている。圧縮セッション１２及びタービンセクション１４の両方は、ディスク式として構成されている。図示の例示的な実施例では、圧縮セクション１２は１６枚のロータディスク１８を備えており、タービンセクション１４は４枚のロータディスク１８を備えている。タイロッド２０は、すべてのロータディスク１８及びチューブ１６を貫通して延在しており、タイロッド２０の一方の端部には、いわゆる前方中空シャフト２２が螺合されており、タイロッド２０の他方の端部には、いわゆる後方中空シャフト２４が螺合されている。前方中空シャフト２２及び後方中空シャフト２４は、すべてのロータディスク１８及びチューブ１６を互いに補剛しており、その結果として、周方向における相対的移動が可能な限り抑制されている。具体的には、このことは、接触面２３に配置されているヒルト式平歯システムによって実現されている。しかしながら、ヒルト式平歯システムについては詳述しない。
【００２４】
本発明における特徴は、図１には表わされていない。これに関連して図２及び図３を参照すると、図２は、図１に表わす圧縮セクション１２の、ディスクペア２５を形成している２つの任意のロータディスク１８の拡大詳細図であり、図３は、ロータ１０の組立体の分解図である。
【００２５】
動作状態では、空気はロータ１０の外側において主流路（さらに詳細には図示しない）内で矢印方向２７に媒体として流れるが、この間に、空気は圧縮機によって圧縮される。
【００２６】
ロータディスク１８それぞれが、回転軸線１３の周りに全周に亘って延在しているディスクウエブ２６を有している。ディスクウエブ２６は、ディスクウエブ２６のラジアル方向内側端部において、回転軸線１３と同軸配置されている中央開口部３０を具備するハブ領域２８を有しており、ディスクウエブ２６のラジアル方向外側端部において、リム領域３２を有している。リム領域３２は、ロータブレード３１（図１参照）を固定するために利用され、両側に配置されているカラー３３を備えている。その両側において、隣り合うロータディスク１８同士が互いに当接している。以下において、図２の右側に表わされるロータディスク１８は第１のロータディスク３４と呼称され、図２の左側に表わされるロータディスク１８は第２のロータディスク４２と呼称される。さらに、第１のロータディスク３４は、リム領域３２からディスクウエブ２６を貫通して内方に延在している開口部３６を有しており、開口部３６は、ディスクウエブ２６の周に沿って等間隔で配置されている。開口部３６は、一方の側から他方の側にディスクウエブ２６を貫通するように、ラジアル方向に対して傾斜している。開口部３６は、第１のロータディスク３４のラジアル方向に対して傾斜して配置されているリング面３８に位置する開口部３６のラジアル方向内側端部において開口している。
【００２７】
羽根車５０は、直接隣り合っている第１のロータディスク３４及び第２のロータディスク４２の２つのハブ領域２８の間に配置されている。羽根車５０は、プレート状のリブキャリア５２を備えており、リブキャリア５２は、平坦に構成されている第１の側面５４と、第１の側面５４の反対側に配置されている第２の側面５６とを備えている。リブ４０は、第２の側面５６に周に沿って等間隔で配置されている。リブ４０は、開口部３６から流出する空気のための案内要素として機能する。
【００２８】
リブ４０の縁部４３それぞれが、第１のロータディスク３４のハブ領域２８に面しており、縁部４３のラジアル方向の輪郭が第１のロータディスク３４のラジアル方向の輪郭に一致するように形成されている輪郭を有している。それにも関わらず、摩耗を防止するために、縁部４３とハブ領域２８との間には、それぞれ僅かな間隙が形成されている。また、他のロータディスク１８と同様に、羽根車５０は、タイロッド２０が貫通して延在している中央開口部５８を有している。
【００２９】
スリーブ６２は、羽根車５０を確実に固定するために設けられている。スリーブ６２は、第２のロータディスク４２の中央開口部３０の中に配置されており、アキシアル方向における第１の端部６３にカラーを有しているので、横方向においてスリーブ６２を第２のロータディスク４２に支持することができる。雄ネジ部が、スリーブ６２の第２の端部６５に設けられている。羽根車５０は、当該雄ネジ部に螺合されており、当該螺合のために、羽根車５０は、羽根車５０の中央開口部５８に雌ネジ部を有している。スリーブ６２は、中央開口部３０に嵌合可能とされる、又は小さい遊嵌を以って嵌め込まれる大きさとされる。スリーブ６２の内径は、タイロッド２０の外径より僅かに大きいことを要する。
【００３０】
リブ４０は、ラジアル方向外方においてリング面３８の内側に近接して終端するように構成されている。許容可能な流入であって、開口部３６から流出してリブ４０同士の間に形成された流路に流入する空気の小さい流れ損失を実現する流入を確実にするために、リブキャリア５２の外縁部６０が、リブ４０の外側端部より回転軸線１３に関してラジアル方向外方に配置されている。
【００３１】
リブ４０は、開口部３６から流れる空気を旋回させないように、且つ、ロータ１０の内部に流入するように、流れを案内するために機能する。リブ４０が設けられている第１のロータディスク３４の側面は、第２のロータディスク４２に隣接している。羽根車５０を利用することによって、第２のロータディスク４２のハブ領域２８を従来技術に基づいて構成させることができる。
【００３２】
羽根車５０を利用した結果として、開口部３６から流出した冷却空気が流入すると共にタイロッド２０に至るまで導かれる、リブ４０のラジアル方向長さ全体に亘って、流路が、アキシアル方向に形成される。これにより、流路それぞれの入口における空気の旋回が防止されるので、空気の伝達効率が改善される。空気力学的に好ましい流体伝達が、ラジアル方向内側においてリブキャリア５２に形成されているフィレット付チャネル６６を介して、タイロッド２０の近傍において実現される。
【００３３】
ロータディスク１８の中央開口部３０がタイロッド２０の直径より大きいので、環状の空間がハブ領域２８それぞれとタイロッド２０との間に形成されており、タイロッド２０に導かれた空気は、圧縮セクション１２からタービンセクション１４に至るまで、環状の空間を通じて、タイロッド２０に沿ってアキシアル方向に導かれる。
【００３４】
言うまでもなく、タービンセクション１４のロータディスク１８の場合には、必要に応じて、上述のディスクペア２５の間に接続されている羽根車５０を備えているディスクペア２５も、タイロッド２０に沿って外部に向かって導かれた空気を導くために利用可能とされる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ロータ
１２  圧縮セクション
１３  回転軸線
１４  タービンセクション
１６  チューブ
１８  ロータディスク
２０  タイロッド
２２  前方中空シャフト
２４  後方中空シャフト
２５  ディスクペア
２６  ディスクウエブ
２７  矢印方向
２８  ハブ領域
３０  （第２のロータディスク４２の）中央開口部
３２  リム領域
３３  カラー
３４  第１のロータディスク
３６  開口部
３８  リング面
４０  リブ
４２  第２のロータディスク
４３  （リブ４０の）縁部
５０  羽根車
５８  （羽根車５０の）中央開口部
６０  （リブキャリア５２の）外縁
６２  スリーブ
６３  （スリーブ６２の）第１の端部
６４  カラー
６５  （スリーブ６２の）第２の端部
６６  フィレット付チャネル
【図１】
2016524095.tif 000003
【図２】
2016524095.tif 000004
【図３】
2016524095.tif 000005
【国際調査報告】
2016524095.tif 000006
2016524095.tif 000007
2016524095.tif 000008
2016524095.tif 000009