(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方に延びる回転中心軸を中心に有し、外周に複数の動翼をダブテイル溝を介して取り付けられた最前段ロータディスクと、外周に複数の動翼をダブテイル溝を介して取り付けられたロータディスク群と、後方に延びる回転軸を有する最後段ロータディスクとを、順次に吸入空気の上流側から下流方向に配置し、各ロータディスクの外周部を形成する環状ハブ部の側面を密着させて各ロータディスクをスタッキングボルトで締結し、かつ隣接するロータディスクのうち、一方のロータディスクの片面に環状ハブ部の内周に沿って円形へこみ部を設け、他方のロータディスクには相対する面の環状ハブ部の内周近傍に環状突起部を設け、該環状突起部を該円形へこみ部に嵌入し、両ロータディスクを径方向に拘束してなる圧縮機ロータディスクにおいて、環状ハブ部に回転中心軸と平行に設けられた、複数のロータディスクを連続して貫通する円孔と、前記円孔と交差すべく環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝を用いることで、作動流体の抽気を可能とすることを特徴とする圧縮機ロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの構成要素である圧縮機ロータにかかり、特に作動流体の一部をロータ中心部分の空間を経てタービン側へ抽気をする圧縮機ロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２にガスタービンの一般的な構造断面図を示す。ガスタービンは大きくわけて圧縮機１′，燃焼器２′およびタービン３′から構成されている。圧縮機１′は大気からガスパス４′へ吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２′は圧縮機１′から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３′は燃焼器２′から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービンからの排気は大気中に放出される。タービン３′にて発生した回転動力から圧縮機１を駆動する動力を差し引いた残りの動力が、ガスタービンの発生動力となり発電機を駆動する。
【０００３】
圧縮機のロータは作動流体（空気）の上流から下流にかけて多段に積層されたロータディスクから構成される。すなわち、前方に延びる回転軸を有する最前段のロータディスク５′，後方に延びる回転軸を有する最後段のロータディスク６′、及び最前段と最後段のロータディスクに挟まれた中間のロータディスク７′から構成されている。
【０００４】
前方から後方へとガスパス４を通じて流れる作動流体は、圧縮機１′による断熱圧縮によりロータディスクを１段通過するごとに昇温するために、圧縮機後段側のロータディスク外周部は高温環境にさらされる。そのため、圧縮機後段側ロータディスクの材料には高温環境下で高強度を有する材料を使用する必要がある。しかしこの種の高温高強度材料は例えばＮｉ基合金のような高価な合金材料であるため、低合金鋼を使用することでコストダウンを図るべく、ロータディスクを冷却することが求められる。
【０００５】
一方、タービンロータディスクはその外周部に、圧縮機動翼と比べて大きな動翼が嵌合されるため、動翼が発生する遠心力に耐えるべくロータディスクの寸法も、圧縮機よりも大きくなる。したがって必然的に熱容量も大きくなり、ガスタービン起動後もタービンロータディスクは中心部が外周部と比べて低温側となり、中心部に大きな引張の熱応力が作用する。この現象は程度の差こそあれ圧縮機ロータディスクにも発生する。
【０００６】
以上２点の課題を解決するには、ガスパスを流れる低温側の作動流体の一部を圧縮機ロータディスク内部へ抽気し、圧縮機ロータディスク内部からタービンロータディスク内部へ導き、タービンロータディスク内部から外部へ排出することで、起動時にはロータディスクの暖機を、定格時には冷却を行う構造が効果的である。
【０００７】
このようなロータディスク内部抽気構造の１例としては、Siemens 社のガスタービンＶ６４.３ のガスタービンロータ構造がある。図３は該公知例のタービン部の構造断面図である。このガスタービンロータは、複数枚の動翼が外周部に取り付けられたロータディスクを、多段単位で回転軸方向に重ね合わせるスタックドロータであり、図中、左側が上流前段側，右側が下流後段側であり、１はロータディスク、２は動翼でロータディスク１の外周に取り付けられており、３は静翼、４はシュラウドで静翼３の先端を拘束している。
【０００８】
構成上、圧縮機ロータディスク外周部から中心部へ抽気孔群５が設けられ、該孔群５を通じて抽気された作動流体がロータディスク中心部へ導かれる。中心部へ導かれた媒体は、圧縮機およびタービンのロータディスク１を起動時には暖機、定格時には冷却した後にロータディスク外部へ排出され、かくして低合金鋼採用によるコストダウン、および熱応力低減による高信頼性構造を実現している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年ガスタービン設備においては、省エネルギーおよび環境保全を目的としてシステムの高効率化が、また市場競争に対応するためにコストダウンが求められるようになってきた。
【００１０】
高効率化の手段としては圧縮機の高圧力比化、およびタービン入口温度の上昇が採用される傾向にある。
【００１１】
従来のガスタービンと比較して、圧縮機の高圧力比化によって圧縮機ロータディスク外周部の温度は上昇し、またタービン入口温度の上昇によりタービンロータディスク外周部の温度も上昇する傾向にある。したがってロータディスクは、今後更に高温環境にさらされることが予想され、必然的に冷却能力の向上が求められることが予想される。
【００１２】
また圧縮機ロータディスク外周部の温度上昇により、起動時におけるロータディスク内外周間における温度差が大きくなり、過大な熱応力が発生する傾向にある。したがって起動時においてはロータ内部を暖機することで、ロータディスク内外部間の温度差を低減し、熱応力を抑制することが求められることが予想される。
【００１３】
上記の課題に対して、図３に示される従来の技術のように、ガスパスを流れる作動流体の一部を、ロータディスク外周表面から内部へ直線で結んだ穴を用いて抽気を行う構造では、抽気孔が設けられるロータディスクとそうでないディスクの温度差が大きくなり、熱膨張差に起因する応力の発生要因となる。また抽気された作動流体は全てロータディスクの中心孔内を流れることは、ロータディスクに半径方向の温度分布が生じ、熱応力の発生要因となる。
【００１４】
本発明の目的は、上記課題を解決し、定格時における冷却の強化による低合金鋼採用に伴うコストダウン、さらに起動時における熱応力低減による高信頼性構造、の実現を可能とする圧縮機ロータを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の圧縮機ロータは、前方に延びる回転軸を中心に有し外周に複数の動翼を取り付けられた最前段ロータディスクと、外周に複数の動翼を取り付けられたロータディスク群と、後方に延びる回転軸を有し外周に複数の動翼を取り付けられた最後段ロータディスクを有している。
【００１６】
上記の各ロータディスクは順次に吸入空気の上流側から下流方向に配置され、各ロータディスクの外周部を形成する環状ハブ部の側面は互いに密着され、スタッキングボルトで貫通，締結されている。
【００１７】
さらに隣り合うロータディスクのうち、一方のロータディスクは片面に環状ハブ部の内周に沿って円形へこみ部を有し、他方のロータディスクは相対する面に環状ハブ部の内周近傍で環状突起部を有しており、円形へこみ部に嵌入されることで両ロータディスクが径方向に拘束されている。
【００１８】
上記第１の圧縮機ロータディスクにおいては、環状ハブ部に回転中心軸と平行に複数のロータディスクを連続して貫通する円孔を設け、当該円孔と交差すべく環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝を設けることで、圧縮機のガスパスを流れる低温側の作動流体の一部を、圧縮機ロータディスクの環状ハブ部から内部にかけて、複数段にわたり均一に抽気することを可能とし、起動時の暖機運転、定格時の冷却による信頼性の向上を可能としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明による圧縮機ロータは、それぞれ流体から仕事を受け取る複数枚の動翼と、これら動翼が外周に沿って植え込まれ、多段に積層された複数のロータディスクと、これらロータディスクを貫通して締結するスタッキングボルトとから構成されている。そして最前段のロータディスクは前方に延びる回転軸を、最後段のロータディスクは後方に延びる回転軸を有している。
【００２０】
動翼は、翼部の根元から両横に張り出したダブテールを有し、ロータディスクは、動翼のダブテールを嵌入するために、その外周部に回転軸方向もしくは周方向に適宜の角度を持って溝が切られている。
【００２１】
各ロータディスクは、それぞれ内周部が外周部より肉厚になっており、さらに外周近傍の内周側に環状のハブ部を形成しており、このハブ部の側面を密着させて隣り合わせのロータディスクと重ね合わせるとともに、隣り合わせの一方のハブ部側面に形成された円形へこみ部と他方のハブ部側面に形成された環状突起部が軸穴方式で嵌合している。
【００２２】
さらに各ロータディスクは、それぞれ回転中心軸から等しく周方向に等間隔にあけられた孔群を有しており、この孔群にそれぞれスタッキングボルトを貫通させ、ハブ部を介して締結することによって、複数段のロータディスクがスタックされて軸方向に固定されている。以下本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態１として、本発明の特徴を最も良く表わしているガスタービン用圧縮機のロータディスク単段の回転軸方向断面図および側面図であり、図４は従来のロータディスク単段の回転軸方向断面図および側面図であり、図５はロータディスクを複数段重ね合わせた構造断面図である。図中矢印は抽気された流体の流れを示す。
【００２４】
図１，図４に示すように、動翼２は根元部に設けられたダブテール６をロータディスク１の外周部にあけられたダブテール溝７に植え込まれることによって固定される。
【００２５】
図１，図４および図５に示すように、各ロータディスク１の外周部は環状のハブ部８によって形成され、各ロータディスク１とそれに隣接するロータディスク１′とは、環状ハブ部８の側面９を接触させて重ね合わされる。一方のロータディスク１の環状ハブ部８の内周に沿って円形へこみ部１０（円内径Ｄ）が設けられ、他方のロータディスク１′の環状ハブ部８内周近傍にハブ部側面９から突出する環状突起部１１（環外径ｄ）が設けられている。
【００２６】
両ロータディスク１，１′は、一方のロータディスク１の円形へこみ部１０  （円内径Ｄ）に他方のロータディスク１′の環状突起部１１（環外径ｄ）が嵌合することによって、互いに径方向に拘束される。また各ロータディスク１の環状ハブ部８には、回転中心軸１２からの半径位置が等しいボルト孔１３があけられ、そこへスタッキングボルト１４が貫通し、ナット１５により両端を締め付けられることで全段が締結され、ロータディスク１が回転軸方向に拘束されている。
【００２７】
本発明の圧縮機ロータの構造は、図５に示すように圧縮機のガスパスを流れる作動流体の一部を、圧縮機ロータディスクの内部へ抽気するための複数種の流路を有している。
【００２８】
図１および図５に示すように、圧縮機のガスパスを流れる作動流体の一部は、ロータディスク最外周部１６と隣接する１６′間にギャップを設けることでできる間隙１７からロータディスク外周部キャビティ１８へ導かれる。さらに環状ハブ部の側面に設けられた溝１９へ導かれることで環状ハブ部へと到達する。環状ハブ部において、一部は環状ハブ部に回転中心軸と平行に複数のロータディスクを連続して貫通する円孔２０へ導かれ、残部が当該円孔２０と交差すべく環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２１から、ロータディスク内部へと導かれる。
【００２９】
図６に示すように、円孔２０へ導かれた抽気流体は、当該円孔２０と交差すべく環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２１において順次分岐され、最終的に抽気流体は全て、ロータディスク内部へ一旦集められた後、タービン側へ導かれていく。
【００３０】
なお図７に示すように、環状ハブ部の側面に設けられた溝１９、および円孔２０と交差すべく環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２１は、ロータディスクが回転していることを考慮して渦巻状に加工することで、抽気流体の圧力損失を低減し、ガスタービン全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００３１】
以上より、圧縮機のガスパスを流れる作動流体の圧縮機ロータディスク内部への均一な抽気が可能となり、起動時には暖機運転の役割を、定格時には冷却の役割を行うことにより、ロータディスクの信頼性の向上を可能としている。
【００３２】
さらに本発明の実施の形態２を図８に示す。図中矢印は抽気された流体の流れを示す。
【００３３】
図５および図８に示すように、圧縮機のガスパスを流れる作動流体の一部は、ロータディスク最外周部１６と隣接する１６′間にギャップを設けることでできる間隙１７からロータディスク外周部キャビティ１８へ導かれる。外周部キャビティ１８において、一部は回転中心軸と平行に複数のロータディスクを連続して貫通する円孔２２へ導かれ、残部が環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２３から、ロータディスク内部へと導かれる。
【００３４】
円孔２２へ導かれた抽気流体は各外周部キャビティにおいて順次分岐され、環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２３を経て、最終的に抽気流体は全て、ロータディスク内部へ一旦集められた後、タービン側へ導かれていく。
【００３５】
なお図９に示すように、環状ハブ部の側面に設けられた溝２３は、ロータディスクが回転していることを考慮して渦巻状に加工することで、抽気流体の圧力損失を低減し、ガスタービン全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００３６】
以上より、圧縮機のガスパスを流れる作動流体の圧縮機ロータディスク内部への均一な抽気が可能となり、起動時には暖機運転の役割を、定格時には冷却の役割を行うことにより、ロータディスクの信頼性の向上を可能としている。
【００３７】
さらに本発明の実施の形態３を図１０に示す。図中矢印は抽気された流体の流れを示す。
【００３８】
図５および図１０に示すように、圧縮機のガスパスを流れる作動流体の一部は、ロータディスク最外周部１６と隣接する１６′間にギャップを設けることでできる間隙１７からロータディスク外周部キャビティ１８へ導かれる。外周部キャビティ１８において、一部はダブテール溝７へ導かれ、残部が環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２３から、ロータディスク内部へと導かれる。
【００３９】
ダブテール溝７へ導かれた抽気流体は各外周部キャビティにおいて順次分岐され、環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝２３を経て、最終的に抽気流体は全て、ロータディスク内部へ一旦集められた後、タービン側へ導かれていく。
【００４０】
なお図９に示すように、環状ハブ部の側面に設けられた溝２３は、ロータディスクが回転していることを考慮して渦巻状に加工することで、抽気流体の圧力損失を低減し、ガスタービン全体の熱効率の向上を図ることができる。
【００４１】
以上より、圧縮機のガスパスを流れる作動流体の圧縮機ロータディスク内部への均一な抽気が可能となり、起動時には暖機運転の役割を、定格時には冷却の役割を行うことにより、ロータディスクの信頼性の向上を可能としている。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、本発明の圧縮機ロータディスクは、環状ハブ部に回転中心軸と平行に複数のロータディスクを連続して貫通する円孔を設け、当該円孔と交差すべく環状ハブ部に回転中心軸から放射状に設けられた溝を設けることで、圧縮機のガスパスを流れる低温側の作動流体の圧縮機ロータディスク内部への均一な抽気を可能とし、起動時の暖機運転、定格時の冷却による信頼性の向上を可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の圧縮機ロータの構造を最も良く示す図である。
【図２】一般的なガスタービンの構造断面図である。
【図３】従来のロータ内部抽気を可能とするガスタービンの構造断面図である。
【図４】ロータディスク単段の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の圧縮機ロータを複数段積層した構造を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１の圧縮機ロータの構造を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１の圧縮機ロータの構造の他例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２の圧縮機ロータの構造を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２の圧縮機ロータの構造の他例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３の圧縮機ロータの構造を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３の圧縮機ロータの構造の他例を示す図である。
【符号の説明】
１…ロータディスク、２…動翼、３…静翼、４…シュラウド、５…抽気孔群、６…ダブテール、７…ダブテール溝、８…環状ハブ部、９…環状ハブ部側面、
１０…円形へこみ部、１１…環状突起部、１２…回転中心軸、１３…ボルト孔、１４…スタッキングボルト、１５…ナット、１６…ロータディスク最外周部、
１７…ロータディスク外周間隙、１８…ロータディスク外周キャビティ、１９…外周側環状ハブ部側面溝、２０…環状ハブ部貫通円孔、２１…内周側環状ハブ部側面溝、２２…貫通円孔、２３…環状ハブ部側面溝。
【図１】
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【図２】
0003858445.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003858445.tif 000008
【図８】
0003858445.tif 000009
【図９】
0003858445.tif 000010
【図１０】
0003858445.tif 000011
【図１１】
0003858445.tif 000012