(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のディスク状部材を軸方向に重ね合わせて構成されたタービンロータの内部で前記ディスク状部材間のスタッキング面に貫通するよう穿孔され動翼の冷却媒体が流れる冷却媒体流通経路と、各ディスク状部材ごとに分割して前記冷却媒体流通経路に挿入される遮熱パイプとを備えるタービンロータにおいて、
前記ディスク状部材のそれぞれ同じ側のスタッキング面上で各冷却媒体流通経路の開口部にそれよりも大きい内径で同軸的に設けたザグリ穴と、
前記遮熱パイプの端部に前記ザグリ穴へ嵌合可能に設けたリング状突出部とを備え、
前記リング状突出部は、径方向に拘束され軸方向で狭持されるように前記ザグリ孔内に嵌合されかつ隣接するディスク状部材のスタッキング面と対向するよう位置し、
前記リング状突出部の外周部のうちのスタッキング面側に外径を小さくした切り欠き段部が形成され、前記切り欠き段部に環状シール部材を装着し、前記環状シール部材を前記切り欠き段部を形成する面のうち前記隣接するディスク状部材のスタッキング面に対向する面と当該スタッキング面との間に挟んだことを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
請求項１記載のタービンロータにおいて、前記遮熱パイプの材質は、前記ディスク状部材の材質よりも線熱膨張係数が大きいものであることを特徴とするタービンロータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のタービンロータにおいて、前記リング状突出部の外周面上の少なくとも２箇所に突起部を設け、前記ザグリ穴の外周で前記突起部がそれぞれ一致する周方向位置に嵌合可能なザグリ溝を設けたことを特徴とするタービンロータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のタービンロータにおいて、前記ディスク状部材の前記ザグリ穴を設けた側と反対側のスタッキング面上で前記冷却媒体流通経路の開口部に、前記遮熱パイプの前記リング状突出部を備えた側の反対側の端部の外径よりも小さい内径の突出段部を形成したことを特徴とするタービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向にディスク状部材を重ね合わせて形成されたタービンロータに係わり、特にその内部の軸方向に冷却媒体流通経路を貫通穿孔して遮熱パイプを挿入したタービンロータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に火力発電プラントにおけるガスタービンは、空気（大気）を吸入し所定の圧力まで圧縮する圧縮機、圧縮機で圧縮された空気を燃料と混合し燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、高温高圧燃焼ガスが膨張することで動力を発生させるタービン部から構成されており、さらにタービンで発生した動力を電気的エネルギーに変換する発電機を備えてガスタービン発電設備が構成されている。
【０００３】
そのうちタービン部は、主に全体を収容するタービンケース、燃焼器により生成された燃焼ガスが動作・流通する燃焼ガス流路、燃焼ガス流路内に交互に配置された静翼及び動翼、ディスク状部材であるタービンディスク及びスペーサディスクを重ね合わせて形成されたタービンロータから構成されており、静翼はタービンケースの内周に、動翼はタービンロータの外周にそれぞれ固定設置されている。
【０００４】
このタービン部の構成において、高温燃焼ガスが動静翼の配置された燃焼ガス流路を流れることによりタービンロータが高速回転して動力（軸回転力）を発生する。従って、ガスタービンで高出力を得るためには、タービン部入口における燃焼ガスの高温化とガスタービンの高効率化が重要な点となる。
【０００５】
こういったガスタービンの高温・高効率化に伴い、タービン動翼や燃焼ガス流路といったガスタービンの高温部を冷却することはガスタービン設備の信頼性を確保するために必要不可欠である。よって、特にタービン動翼においては、燃焼ガス流路を流れる高温燃焼ガスの熱から翼部材を保護するために動翼冷却システムが採用されている。
【０００６】
この動翼冷却システムには、ガスタービンを構成している圧縮機から所定圧力で抽出した空気や、または近年開発の進むコンバインド発電プラントにおいて蒸気タービンから抽出した蒸気を動翼冷却用の冷却媒体として用いるものがある。このような冷却媒体は、タービンロータ内部に設けた冷却媒体供給経路を通って各タービン動翼へ運ばれ、各動翼の内部に形成された動翼冷却流路を流通することにより動翼を冷却するようになっている。
【０００７】
またこのような動翼冷却システムにおいて、動翼冷却後の冷却媒体の取り扱い方による分類の１つとして、動翼に設けられたスリットや細孔から冷却媒体を燃焼ガス流路へ直接放出するオープン冷却方式がある。このオープン冷却方式は、動翼冷却後の冷却媒体が燃焼ガス流路へ放出されるため、燃焼ガス温度の低下や、冷却媒体と燃焼ガスとの混合損失が生じてタービンの性能低下を招き、ガスタービンの効率を低下させる。
【０００８】
従って、ガスタービンの効率向上を図るために、動翼冷却後の冷却媒体を燃焼ガス流路に放出せず、タービンロータ内部に設けた冷却媒体回収経路を介して燃焼室や蒸気タービンに回収するクローズド冷却方式が提案されている。
【０００９】
このようなクローズド冷却方式による動翼冷却システムの従来の構成としては、例えば特開平１０−２２０２０１号公報に開示されているようなものがあり、これは冷却媒体を動翼に供給する冷却媒体供給経路、及び動翼冷却後の冷却媒体を回収する冷却媒体回収経路（以下、両方合わせて冷却媒体流通経路という）がタービンロータの内部で軸方向に貫通するよう穿孔されており、すなわち各ディスク状部材とそれらの接合面であるスタッキング面に対して直交するように設けられている。
【００１０】
また特開平１０−２２０２０１号公報には、遮熱パイプを冷却媒体流通経路の内部に各ディスク状部材ごと分割して挿入する構成が開示されており、これにより冷却媒体の流通による各ディスク状部材への熱的影響を低減させている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題がある。
【００１２】
前述したようにタービンロータの構成は、外周に動翼を有するタービンディスクとそのタービンディスク間に配置されたスペーサディスクを重ね合わせ、それらのスタッキング面に直交するようスタッキングボルトを貫通して結合されている。また冷却媒体を流通させる冷却媒体流通経路についても、各スタッキング面に対して直交・貫通するよう穿孔されている。従ってタービンロータの結合の確実性および冷却媒体流通経路の気密性の関係から、スタッキング面においてタービンディスクとスペーサディスクが隙間なく密接していることが設計上理想とされている。
【００１３】
しかし、冷却媒体供給経路と冷却媒体回収経路の両方がタービンディスク及びスペーサディスク内に混在するとき、冷却媒体供給経路での冷却媒体の温度が２５０℃前後であるのに対し、動翼冷却後、翼材の温度を奪った冷却媒体回収経路における温度は５００℃にも上昇するため、このような温度差に起因してタービンディスク及びスペーサディスクの構成部材に熱応力が発生し不均一な熱変形を起こす。これがディスク状部材間のスタッキング面に隙間を発生させ、冷却媒体をスタッキング面にリークさせてしまう原因となる。このスタッキング面へのリークによって、タービン動翼へ所定流量の冷却媒体を確保できず動翼材の信頼性と耐久性の低下を招く。
【００１４】
特開平１０−２２０２０１号公報に開示されている遮熱パイプは、このように冷却媒体の供給経路と回収経路の間の温度差に起因して各ディスク状部材に発生する熱応力を低減するためのものであり、各冷却媒体流通経路の内部にそれらの内径より小さい径の遮熱パイプを装着してパイプ内部から外部のディスク状部材への熱的影響を低減させている。
【００１５】
またスタッキング面では、製作精度上、各ディスク状部材間で冷却媒体流通経路の穿孔位置が周方向および径方向にズレが生じてしまうため、各冷却媒体流通経路内にそれぞれ一本の長い遮熱パイプを貫通させて装着する場合には、各遮熱パイプの外径を小さくしておく必要がある。しかし、各ディスク状部材における冷却媒体流通経路内では、このような遮熱パイプの外径と冷却媒体流通経路の内径との間に隙間が発生してしまい、この隙間が運転時において遮熱パイプに余計な応力を発生させ、遮熱パイプの耐久性を低下させてしまう。そのため一本の長い遮熱パイプを貫通させて装着することには問題があった。さらに、遮熱パイプは、翼冷却する冷却媒体を搬送しているため、各ディスク状部材に比べ急速に熱くなり、熱伸びによって遮熱パイプの軸方向に変位を引き起こす。そしてロータ回転の遠心力によって遮熱パイプと各ディスク状部材の冷却媒体流通経路の内径とが接触し、接触面では遮熱パイプの軸方向変位によって遮熱パイプが摩耗する。前記のように一本の長い遮熱パイプを装着した場合には、その端部における遮熱パイプの軸方向変位が大きくなり、各ディスク状部材との接触面で遮熱パイプの摩耗が増大する。この摩耗の増大は遮熱パイプの耐用年数を低減させる要因となる。従って冷媒流通経路に挿入される遮熱パイプについては、特開平１０−２２０２０１号公報の図２等に示されているように、ディスク状部材ごとに分割して挿入する構成が多く採用されている。
【００１６】
しかし、このように遮熱パイプをディスク状部材ごとに分割して挿入する場合、各遮熱パイプは必然的に小さい部材となるため、タービンロータの作動回転時には遮熱パイプがそれ自体の径方向、軸方向及び軸周りに移動・回転しやすいことから摩耗・損傷が激しく、耐久性に問題があった。
【００１７】
また、製作精度の関係からスタッキング面を高い平面度で形成して隙間を完全に取り除くことは困難であり、さらにスタッキング面の平面度のバラツキやスタッキングボルトの締付け力のバラツキによっても、タービンディスク及びスペーサディスク間のスタッキング面に周方向の部分的な隙間が生じてしまう。このようにわずかでも隙間が生じた場合、供給経路側の冷却媒体は回収経路側に比べて圧力が高いため、供給経路から回収経路へ冷却媒体がリークし、スペーサディスクに周方向の熱アンバランスが生じる。この熱アンバランスは、ロータ回転体の振動を増加させてしまう。
【００１８】
上記のように遮熱パイプを分割して備える構成の場合、ディスクの熱応力及び熱変形は多少低減できるが、製作精度の関係によるスタッキング面の平面度のバラツキや、スタッキングボルトの締付け力のバラツキによってスタッキング面に隙間が生じることまでは防ぐことができない。さらに上述したようにタービン部の作動回転時には分割した各遮熱パイプが移動してしまうため、それらの間からスタッキング面の隙間へ冷却媒体がリークし、容易に熱アンバランスを生じさせてしまう問題があった。
【００１９】
また上記２つの問題から、各遮熱パイプごとに固定させる構造と各スタッキング面ごとに冷却媒体のリークを防ぐ構造を設ける必要があるが、これらを個別に設けた場合、各ディスク状部材の表面の加工箇所が増えて複雑な形状となり応力集中が生じやすくなるため強度的に好ましくない。
【００２０】
本発明の第１の目的は、ディスク状部材ごとに分割して備えられた遮熱パイプを簡単な構造で固定して摩耗・損傷を防ぐことのできるタービンロータを提供することにある。
【００２１】
本発明の第２の目的は、遮熱パイプの固定構造を活用することで、冷却媒体がスタッキング面へリークするのを最小限に食い止めることのできるタービンロータを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
（１）上記第１及び第２の目的を達成するために、本発明は、複数のディスク状部材を軸方向に重ね合わせて構成されたタービンロータの内部で前記ディスク状部材間のスタッキング面に貫通するよう穿孔され動翼の冷却媒体が流れる冷却媒体流通経路と、各ディスク状部材ごとに分割して前記冷却媒体流通経路に挿入される遮熱パイプとを備えるタービンロータにおいて、前記ディスク状部材のそれぞれ同じ側のスタッキング面上で各冷却媒体流通経路の開口部にそれよりも大きい内径で同軸的に設けたザグリ穴と、前記遮熱パイプの端部に前記ザグリ穴へ嵌合可能に設けたリング状突出部とを備え、前記リング状突出部は、径方向に拘束され軸方向で狭持されるように前記ザグリ孔内に嵌合されかつ隣接するディスク状部材のスタッキング面と対向するよう位置し、前記リング状突出部の外周部のうちのスタッキング面側に外径を小さくした切り欠き段部が形成され、前記切り欠き段部に環状シール部材を装着し、前記環状シール部材を前記切り欠き段部を形成する面のうち前記隣接するディスク状部材のスタッキング面に対向する面と当該スタッキング面との間に挟んだものとする。
【００２３】
このように冷却媒体流通経路の開口部にザグリ穴を設け、このザグリ穴に嵌合可能なリング状突出部を遮熱パイプの端部に設けることにより、遮熱パイプを冷却媒体流通経路に設置している際にはリング状突出部がザグリ穴に嵌合して径方向に拘束され、さらにディスク状部材を重ね合わせた状態ではリング状突出部が２つのディスク状部材に軸方向に挟持される。従って、タービンロータの作動回転時においても遮熱パイプがその径方向、軸方向に固定され、移動による摩耗・損傷を防ぐことができる。
【００２５】
また、リング状突出部を、径方向に拘束され軸方向で狭持されるようにザグリ孔内に嵌合しかつ隣接するディスク状部材のスタッキング面と対向するよう位置させ、リング状突出部の外周部のうちのスタッキング面側に外径を小さくした切り欠き段部を形成し、この切り欠き段部に環状シール部材を装着し、この環状シール部材を切り欠き段部を形成する面のうち前記隣接するディスク状部材のスタッキング面に対向する面と当該スタッキング面との間に挟むことにより、特別な加工をディスク状部材に施すことなく、専ら遮熱パイプ側の固定構造を活用してさらにシール構造を設けることができるため、加工による応力集中の増加を回避しつつ冷却媒体流通経路からスタッキング面への冷却媒体のリークを低減させることができる。
【００２６】
（２）上記（１）のタービンロータにおいて、好ましくは、前記遮熱パイプの材質は、前記ディスク状部材の材質よりも線熱膨張係数が大きいものとする。
【００２７】
これにより、タービン部作動中の高温時には遮熱パイプが熱膨張してディスク状部材よりも軸方向に伸長し、それによりリング状突出部とそれに対向するスタッキング面との間に挟持されている環状シール部材は圧接されてシール性能を向上し、冷却媒体のリークを最小限に抑えることができる。
【００２８】
（３）上記（１）又は（２）のタービンロータにおいて、好ましくは、前記リング状突出部の外周面上の少なくとも２箇所に突起部を設け、前記ザグリ穴の外周で前記突起部がそれぞれ一致する周方向位置に嵌合可能なザグリ溝を設けたものとする。
【００２９】
これにより、タービンロータの作動回転時においても遮熱パイプがその周方向に固定され、回転による摩耗・損傷を防ぐことができる。
【００３０】
（４）上記（１）〜（３）のタービンロータにおいて、好ましくは、前記ディスク状部材の前記ザグリ穴を設けた側と反対側のスタッキング面上で前記冷却媒体流通経路の開口部に、前記遮熱パイプの前記リング状突出部を備えた側の反対側の端部の外径よりも小さい内径の突出段部を形成したものとする。
【００３１】
これにより、万一遮熱パイプの一部分に亀裂が発生して破断した場合でも、その分離部分がディスク状部材から抜け出るのを防ぐことができ、ディスク重心のずれによるアンバランス振動を回避できる。また抜け出た分離部分による別部材の損傷を防ぐことができ信頼性を向上させることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００３３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるタービンロータの第１段目のタービンディスク内部において、遮熱パイプを備えた冷却媒体供給経路の軸方向断面を拡大して示した図である。なお、以下において軸方向とは、平行の関係にあるタービンロータ全体の軸方向と冷却媒体供給経路自体の軸方向とを共通して称するものとし、また径方向とは冷却媒体供給経路自体の径方向を称するものとする。また、図中の左側（図示しない燃焼ガスの流通方向の上流側）を前方側とし、右側を後方側とする。
【００３４】
図１において、１１は第１段タービンディスクであり、その前方と後方のスタッキング面１１ｆ，１１ｒに結合されている３と１５はそれぞれディスタントピース３と第１段−第２段間スペーサディスク１５である。第１段タービンディスク１１には冷却媒体供給経路７が軸方向に貫通して穿孔されており、その穿孔面７２の内部には遮熱パイプ７０とＥ型シール部材８０を備えている。また第１段−第２段間スペーサディスク１５にも冷却媒体供給経路７がほぼ同一直線上の配置で穿孔されており、その穿孔面９１の内部には遮熱パイプ９２を備えている。
【００３５】
第１段タービンディスク１１は、その外周に後述する第１段動翼２１を備えたディスク状部材であり、また前方と後方にそれぞれ接触するディスタントピース３と第１段−第２段間スペーサディスク１５に挟まれて後述するスタッキングボルトにより強固に結合されている。また軸方向に貫通する冷却媒体供給経路７の前方の開口部には、遮熱パイプ７０の前方端部の外径より小さい内径の突出段部８１が形成されており、反対側の後方の開口部には冷却媒体供給経路７よりも大きい内径のザグリ穴７６が同軸的に形成されている。
【００３６】
遮熱パイプ７０は、その本体の殆どが冷却媒体供給経路７の穿孔面７２の内径よりも小さい外径の略円筒形状のパイプ部材であり、その前方端部および軸方向中間位置の２ヶ所には、冷却媒体供給経路７に密接に嵌合可能な外径の嵌合突出部７５が形成されており、また遮熱パイプ７０の後方端部には第１段タービンディスク１１のザグリ穴７６に密接に嵌合可能なリング状突出部７１が形成されている。さらにリング状突出部７１の外周部のうちの後方側部分には外径を小さくした切り欠き段部７７が形成されている。
【００３７】
また遮熱パイプ７０が第１段タービンディスク１１に完全に挿入された状態では、前方端部が突出段部８１に接触すると共にリング状突出部７１がザグリ穴７６内に密接に嵌合して収容され、さらに第１段タービンディスク１１に第１段−第２段間スペーサディスク１５を重ね合わせた状態では、リング状突出部７１が第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面と近接して対向する配置となる。
【００３８】
Ｅ型シール部材８０は、比較的弾性の大きい金属を材質とする環状シール部材であり、全体の形状が遮熱パイプ７０の切り欠き段部７７に装着可能な環状形状であって、断面形状がアルファベットのＥ字型に加工成形されている。またＥ字型の断面形状は内周側に向けて開いている形状となっており、切り欠き段部７７に装着した状態では軸方向に加えられた力に対して弾力的に伸縮可能となっている。また軸方向に力を与えていない時のＥ型シール部材８０の軸方向の幅（厚み）は、切り欠き段部７７の軸方向幅より多少大きいため、図１に示すようなタービンロータ結合時にはＥ型シール部材８０の後方側部が遮熱パイプ７０の後方端面から少しだけ突出して第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面に接触される状態となる。
【００３９】
第１段−第２段間スペーサディスク１５は、上記第１段タービンディスク１１及び後述する第２段タービンディスクの間に配置されるディスク状部材であり、これらタービンディスク等と共に軸方向に重ねられてスタッキングボルトにより強固に結合されている。またこの第１段−第２段間スペーサディスク１５は、冷却媒体供給経路７の前方開口部に突出段部が設けられていない以外、上記第１段タービンディスク１１と同様にリング状突出部７１を有した遮熱パイプ７０とＥ型シール部材８０を備えることのできる構成となっている。
【００４０】
ディスタントピース３は、第１段タービンディスク１１の前方スタッキング面に重ね合わされて結合され、さらにその前方には図示しない圧縮機ロータが連結されている。またその後方スタッキング面には第１段タービンディスク１１の冷却媒体供給通路７と連通するスリット４１が外周方向に伸びるように形成されている。
【００４１】
なお、これらタービンロータを組み立てる手順としては、まずディスタントピース３を基台とし、最も前方側に位置する第１段タービンディスク１１から追って後方に位置するスペーサディスクおよびタービンディスクを順に重ね合わせ、最後にスタブシャフト２を重ね合わせた後に、周方向に均等配置させた複数のスタッキングボルトを貫通させて強固に結合させる。このような組立工程によれば、各ディスク状部材に挿入する遮熱パイプ７０は供給側、回収側にかかわらず常に後方側から挿入されることになり、必然的にザグリ穴７６及びリング状突出部７１は後方側に位置する構成となる。
【００４２】
また本実施の形態ではタービンディスク及びスペーサディスクの材質に高クロム鋼を、遮熱パイプ７０（リング状突出部７１も含む）の材質にニッケル基鍛造超合金を使用している。
【００４３】
図２、図３は本発明の実施の形態に係わるタービンロータであって冷却媒体供給経路及び冷却媒体回収経路の両方（以下、両方合わせて冷却媒体流通経路という）を備えた構成の軸方向断面図であり、図２は冷却媒体供給経路の１つと周方向が一致し、図３は冷却媒体回収経路の１つと周方向が一致した軸方向断面図である。なお、図示の煩雑を避けるために図２、図３中において、遮熱パイプ及びその周囲の構成は省略してある。
【００４４】
図２において、１はタービンロータであり、タービンロータ１は第１段から第４段の４つのタービンディスク１１，１２，１３，１４と、それらタービンディスク間に配置されたスペーサディスク１５，１６，１７と、第４段タービンディスク１４の後方側面に配置されたタービン軸端であるスタブシャフト２と、及び第１段タービンディスク１１の前方側面に配置されて図示しない圧縮機のロータに連結しているディスタントピース３とを備えて構成されており、これらは周方向均等に配置された合計８本のスタッキングボルト４で強固に締結されている。
【００４５】
タービンディスク１１，１２，１３，１４の外周には、それぞれ第１段動翼２１、第２段動翼２２、第３段動翼２３、第４段動翼２４がダブティル２５を介して設置されている。このうち第１段動翼２１及び第２段動翼２２には、翼内部に図示しない動翼冷却流路が形成されている。
【００４６】
冷却媒体供給経路７は、スタブシャフト２の後方端部に設けられた冷却媒体供給口５から連通して、スタブシャフト２、第４段タービンディスク１４、第３段−第４段間スペーサディスク１７、第３段タービンディスク１３、第２段−第３段間スペーサディスク１６、第２段タービンディスク１２、第１段−第２段間スペーサディスク１５、そして第１段タービンディスク１１を軸方向に貫通するよう穿孔され、周方向に均等な配置で合計８本形成されている。
【００４７】
第１段タービンディスク１１を貫通して穿孔された冷却媒体供給経路７は、ディスタントピース３の後方スタッキング面に形成されたスリット４１を介して、第１段タービンディスク１１とディスタントピース３の間の外周側に形成されたキャビティ３１に連通されている。キャビティ３１は、第１段タービンディスク１１の外周に形成された供給孔５１と第１段動翼２１のダブティル２５内に形成された導入口２６を介して、第１段動翼２１の内部に形成された図示しない動翼冷却流路に連通している。
【００４８】
また第２段動翼２２に対しても同様に、第２段−第３段間スペーサディスク１６を貫通して穿孔された冷却媒体供給経路７は、第２段−第３段間スペーサディスク１６の前方スタッキング面に形成されたスリット４２を介して、第２段タービンディスク１２と第２段−第３段スペーサディスク１６の間の外周側に形成されたキャビティ３４に連通されている。キャビティ３４は、第２段タービンディスク１２の外周に形成された供給孔５４と第２段動翼２２のダブティル２５内に形成された導入口２９を介して、第２段動翼２２の内部に形成された図示しない動翼冷却流路に連通している。
【００４９】
この図２において、冷却媒体６１が第１段動翼２１及び第２段動翼２２にまで供給される過程としては、冷却媒体供給口５から供給された冷却媒体６１がスタブシャフト内供給経路９及び冷却媒体供給経路７を通過し、ディスタントピース３の後方スタッキング面に設けられたスリット４１及び第２段−第３段間スペーサディスク１６の前方スタッキング面に設けられたスリット４２からそれぞれキャビティ３１，３４に入る。キャビティ３１，３４から供給孔５１，５４、導入口２６，２９を介し第１段動翼２１、第２段動翼２２内にそれぞれ形成された図示しない動翼冷却流路へと流入し、循環流通することで各動翼を冷却する。
【００５０】
次に図３において、冷却媒体回収経路８は、第１段−第２段間スペーサディスク１５、第２段タービンディスク１２、第２段−第３段間スペーサディスク１６、第３段タービンディスク１３、第３段−第４段間スペーサディスク１７、第４段タービンディスク１４を貫通するよう穿孔され、周方向に均等な配置で合計８本形成されており、図２における冷却媒体供給経路７と周方向に交互に配置されている。その他、図２に示す部分と同等の部分には同じ符号を付し説明を省略する。
【００５１】
第１段動翼２１を冷却した冷却媒体６２は、第１段動翼２１のダブティル２５内部に形成された排出口２７及び第１段タービンディスク１１の回収孔５２を介し、第１段タービンディスク１１と第１段−第２段間スペーサディスク１５の間の外周側に形成されたキャビティ３２へ導かれる。キャビティ３２と冷却媒体回収経路８は、第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面に形成されたスリット４３を介して連通されており、動翼冷却後の冷却媒体６２は、キャビティ３２からスリット４３を経て冷却媒体回収経路８へ流入する。冷却媒体回収経路８を通過した冷却媒体６２は、スタブシャフト２の前方スタッキング面に形成されたスリット４５を介し、スタブシャフト２内の軸中心部に形成されたスタブシャフト内回収経路１０を通過し、冷却媒体回収口６より排出される。
【００５２】
また同様に、第２段動翼２２を冷却した冷却媒体６２は、第２段動翼２２のダブティル２５内の排出口２８及び第２段タービンディスク１２の回収孔５３を介し、第１段−第２段間スペーサディスク１５と第２段タービンディスク１２の間の外周側に形成されたキャビティ３３へ導かれる。キャビティ３３と冷却媒体回収経路８は、第１段−第２段間スペーサディスク１５の後方スタッキング面に形成されたスリット４４を経て冷却媒体回収経路８へ流入し、スタブシャフト２を介して冷却媒体回収口６より排出される。
【００５３】
また図４は図２、図３中のＸ−Ｘ断面を後方から見た側面図である。
【００５４】
各ディスク状部材の比較的外周側には、周方向に均等な配置で８本のスタッキングボルト４が貫通しており、その内周側に冷却媒体供給経路７及び冷却媒体回収経路８が、各８本づつ周方向に交互に配置されてディスク状部材を貫通するように穿孔されている。
【００５５】
また図４においては、冷却媒体流通経路７，８間の温度偏差による熱応力・熱変形を低減するため、ディスク状部材に穿孔された全ての冷却媒体流通経路内に前述の遮熱パイプ７０が挿入されている状態を図示している。
【００５６】
図１に戻り、本実施の形態の動作を説明する。
【００５７】
遮熱パイプ７０の後方端部に一体に形成されたリング状突出部７１は、ザグリ穴７６内に嵌合していることにより径方向に拘束され、またリング状突出部７１はザグリ穴７６の側面７６ｆと第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面との間に密接に挟まれていることにより軸方向に拘束されている。従って、遮熱パイプ７０は径方向・軸方向に固定され、タービンロータ１の作動回転時に大流量の冷却媒体６１が遮熱パイプ７０内を流通した場合でも径方向・軸方向の移動が抑えられる。
【００５８】
また第１段タービンディスク１１の穿孔面７２と遮熱パイプ７０とは、遮熱パイプ７０の前方端部と軸方向中央部の２ヵ所に設けられた嵌合突出部７５により周方向全体に渡って接触しており、遮熱パイプ７０の径方向が固定されている構造になっている。この２カ所の嵌合突出部７５以外のほとんどの部分では、遮熱パイプ７０と穿孔面７２の間に径方向隙間７３を設けることができ、この径方向隙間７３における遮熱作用によって遮熱パイプ７０内部から第１段タービンディスク１１への熱伝導を抑制できる。これにより第１段タービンディスク１１の周方向に不均一な熱応力・熱変形の発生を抑えることができ、冷却媒体供給経路７から第１段タービンディスク１１と第１段−第２段間スペーサディスク１５の間への冷却媒体６１のリーク量が低減される。
【００５９】
またタービンロータ１の作動回転時に万一遮熱パイプ７０が破損し、遮熱パイプ７０の強度的に一番弱いパイプ本体部分とリング状突出部７１の境目で破断したとしても、リング状突出部７１は第１段タービンディスク１１のザグリ孔７６の側面７６ｆと第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面に挟まれていることで移動を抑制され、また遮熱パイプ７０のパイプ本体部分は、冷却媒体供給経路７の前方の開口部に設けた突出段部８１に接触することによって移動が抑制される。
【００６０】
次に図５は図１中のＣ部の拡大図であり、本実施の形態のシール構造をこの図５を参照して詳細に説明する。
【００６１】
第１段タービンディスク１１と第１段−第２段間スペーサディスク１５のスタッキング面の間においては、製作制度上の問題や熱変形によっていくらかの間隙８２が生じてしまうのは避けられない。冷却媒体供給経路７内の圧力は、隣合う冷却媒体回収経路８より高圧なため、この間隙８２を通って冷却媒体６１が冷却媒体供給経路７からスタッキング面の間へ、そして隣の冷却媒体回収経路８へとリーク８３する。これを抑制するために弾性変形可能なＥ型弾性体８０が装備される。
【００６２】
本実施の形態では、上述したようにディスク状部材の材質に高クロム鋼が、遮熱パイプ７０（リング状突出部７１も含む）の材質にニッケル基鍛造超合金が使用されており、またＥ型シール部材８０が、遮熱パイプ７０のリング状突出部７１外周の切り欠き段部７７に装着され、第１段−第２段間スペーサディスク１５との間に軸方向に挟まれて接触している。２５０℃前後の冷却媒体６１が冷却媒体供給経路７内を通過することにより、遮熱パイプ７０（リング状突出部７１を含む）及び第１段タービンディスク１１、第１段−第２段間スペーサディスク１５が熱膨張する。このとき遮熱パイプ７０に用いたニッケル基鍛造超合金は、第１段タービンディスク１１及び第１段−第２段間スペーサディスク１５に使用した高クロム鋼に比べ線熱膨張係数が高いため、遮熱パイプ７０及びリング状突出部７１は第１段タービンディスク１１及び第１段−第２段間スペーサディスク１５よりもさらに熱膨張して伸張する。リング状突出部７１はその前方側面が第１段タービンディスク１１のザグリ穴７６の側面７６ｆと接触しているため、熱膨張により軸方向後方に向けて伸長し、その結果Ｅ型シール部材８０を第１段−第２段間スペーサディスク１５の前方スタッキング面に圧接してさらに密着させる。
【００６３】
以上説明したように本実施の形態によれば、ディスク状部材ごとに分割して備えられた遮熱パイプ７０であっても、タービンロータ１の作動回転時において径方向・軸方向に固定され、移動による摩耗・損傷を防ぐことができる。
【００６４】
また、ディスク状部材の周方向に生じる不均一な熱応力・熱変形の発生を抑え、さらにＥ型シール部材８０をタービンディスクとスペーサディスクの間に圧接密着させることにより、タービンディスクとスペーサディスクの間のシール性能が向上し、冷却媒体のリーク量を最小限に抑えることができる。このように冷却媒体のリーク量を低減できることにより、動翼に所定流量の冷却媒体を供給することを可能にし、また冷却媒体供給経路７から冷却媒体回収経路８への漏れも低減されることでタービンディスク及びスペーサディスクの熱アンバランスを回避することができる。
【００６５】
また、本実施の形態はタービンディスクやスペーサディスクの表面にシール用の溝を特別に設けず、遮熱パイプの固定構造を活用することにより加工箇所の少ない比較的単純な形状のシール構造を形成できるため、それらディスク状部材に余計な応力集中を生じさせることのない強度面での利点も有する。また、遮熱パイプ７０がディスク状部材に比べて容易に加工できることから、製造コストを低減できるメリットもある。
【００６６】
また本実施の形態は、万一遮熱パイプ７０の一部分に亀裂が発生して破断した場合でも、その分離部分が突出段部８１により移動が抑制されてディスク状部材から抜け出るのを防ぐことができ、ディスク重心のずれによるアンバランス振動を回避できる。また抜け出た分離部分による別部材の損傷を防ぐことができ信頼性を向上させることができる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、ディスク状部材と遮熱パイプ７０（リング状突出部７１を含む）に異なる材質を使用したが、同じ材質あるいはタービンディスクの方が線熱膨張係数の高い材質の場合であってもＥ型シール部材８０は適用できる。その場合には、タービンディスクの方がより軸方向後方に伸長したとしても、リング状突出部７１もまた後方に後押しされ、結果的にＥ型シール部材８０をスペーサディスクの前方スタッキング面に圧接密着させてシール性能が向上する。
【００６８】
なお、本実施の形態についての上記説明は、主に第１段タービンディスク１１における冷却媒体供給経路７の周囲の構成についてのみ説明したが、本実施の形態は全てのディスク状部材及び全ての冷却媒体流通経路（冷却媒体回収経路も含む）に同じ構成を適用することが可能であり、また同様の効果が得られる。この場合には、前述したようなタービンロータ１の組立工程の関係上、各ザグリ穴７６は各ディスク状部材の後方スタッキング面に形成され、各リング状突出部７１は遮熱パイプ７０の本体後方側に形成される。
【００６９】
また突出段部８１は第１段タービンディスク１１のみに設ける構成に限られず、どのディスク状部材にも設けることができる。それにより、遮熱パイプ７０の分離部分を各ディスク状部材ごとに確実に固定し、信頼性をより向上させることができる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、環状シール部材に断面形状がアルファベットのＥ字型に成形されたものを使用しているが、本発明はこれに限られず、他の断面形状の環状シール部材を使用することも可能である。
【００７１】
例えば図６は図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部材に断面形状が中実丸形のワイヤ１０１を用いた場合のものである。
【００７２】
この構成によってもある程度のシール機能は得られるが、この中実丸形のワイヤ１０１は、軸方向に加えられた力に対する弾力性に乏しく、剛性が高いため、ワイヤ１０１とリング状突出部７１との間の強度上の問題から予めリング状突出部７１との間に軸方向の隙間２０１を設ける必要があり、冷却媒体６１がその隙間２０１を通過する分だけシール性能の低い構成となっている。
【００７３】
また図７は図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部材に断面形状がＯ型（中空丸形）のものを用いた場合のものである。
【００７４】
このようなＯ型シール部材１０２は軸方向に対する弾力性を有しているため、強度上の問題なくリング状突出部７１と第１段−第２段間スペーサディスク１５の間に密着させて装着することができ、また遮熱パイプ７０の熱膨張時にも追従して弾性変形することで高いシール性能を維持できる構成となっている。
【００７５】
また図８は図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部材に断面形状がＣ型のものを用いた場合のものである。
【００７６】
このようなＣ型シール部材１０３もまた弾力性を有しているため、密着させて装着することができ、遮熱パイプ７０の熱膨張時にも弾性変形して高いシール性能を維持できる構成となっている。
【００７７】
さらにこのＣ型シール部材１０３を用いる場合は、例えば図１に示す冷却媒体供給経路７に備える時、その断面形状の開口部を内周側に向けて開く形状とすることにより、リング突出部７１と第１段−第２段間スペーサディスク１５との間を通過してリークしてきた冷却媒体８３がＣ型シール部材１０３の内部に流入し、内部を押し広げられることによってさらなる弾性力が与えられる。従って、Ｃ型シール部材１０３は、第１段−第２段間スペーサディスク１５及びリング状突出部７１に対してより密着するようになり、シール性能が向上する。
【００７８】
またこのＣ型シール部材を冷却媒体回収経路に備えて上記のようなシール性能を得る場合には、図９に示すように断面形状の開口部の向きを外周側に向けて開く形状とする必要がある。これは、冷却媒体回収経路８における冷却媒体６２の圧力が、冷却媒体供給経路７における冷却媒体６１より低圧であることから、スタッキング面における冷却媒体のリーク８４の方向が常に冷却媒体供給経路７から冷却媒体回収経路８へ向かっているためである。
【００７９】
同様にＥ型シール部材を冷却媒体回収経路８に備える場合においても、上記のように内部に冷却媒体を流入させるには、図１０に示すようにリーク方向を考慮して、Ｅ型シール部材１０５の断面形状を外周側に向けて開いている形状とするのが望ましい。
【００８０】
本発明の第２の実施の形態を図１１により説明する。図１１は本実施の形態のタービンロータにおいて、第１段タービンディスクの冷却媒体供給経路７の１つに、環状シール部材及び遮熱パイプを装着した状態を後方側からみた側面図である。図中、図１に示す部分と同等の部分には同じ符号を付し説明を省略する。本実施の形態は、遮熱パイプ自体の周方向の回転を防止するための構造を備えたものである。
【００８１】
図１１において、遮熱パイプ７０Ａのリング状突出部７１Ａの外周面上には、中心軸に対して対称な２ヶ所に同じ形状の突起部７４が形成されており、また第１段タービンディスク１１Ａの後方スタッキング面には、ザグリ穴７６Ａの外周で２つの突起部７４がそれぞれ一致する周方向位置に各突起部７４が嵌合可能なザグリ溝７８が設けられている。
【００８２】
以上のように構成した本実施の形態によると、タービンロータの作動回転時において遮熱パイプ７０Ａに遠心力が働いても、突起部７４がザグリ溝７８に嵌合されていることにより、遮熱パイプ７０Ａ全体が周方向に固定されてズレや回転を防ぐことができる。従って、遮熱パイプ７０Ａのズレや回転による遮熱パイプ７０Ａ（リング状突出部７１Ａを含む）と環状シール部材８０の摩耗・損傷を抑制でき、シール性能の信頼性を向上させることができる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、リング状突出部がザグリ穴に嵌合して径方向に拘束され、リング状突出部が２つのディスク状部材に軸方向に挟持されることにより、タービンロータの作動回転時においても遮熱パイプがその径方向、軸方向に固定され、移動による摩耗・損傷を防ぐことができる。
【００８４】
また本発明によれば、特別な加工をディスク状部材に施すことなく、専ら遮熱パイプ側の固定構造を活用してシール構造を設けることができるため、加工による応力集中の増加を回避しつつ冷却媒体流通経路からスタッキング面への冷却媒体のリークを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるビンロータの第１段タービンディスク内部において、遮熱パイプを備えた冷却媒体供給経路の軸方向断面を拡大して示した図である。
【図２】第１の実施の形態によるタービンロータであって、冷却媒体供給経路の１つと周方向が一致した軸方向断面図である。
【図３】第１の実施の形態によるタービンロータであって、冷却媒体回収経路の１つと周方向が一致した軸方向断面図である。
【図４】図２、図３中のＸ−Ｘ断面を後方から見た側面図である。
【図５】図１中のＣ部の拡大図である。
【図６】図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部材に断面形状が中実丸形のワイヤを用いた場合のものである。
【図７】図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部材に断面形状がＯ型（中空丸形）のものを用いた場合のものである。
【図８】図１中のＣ部の拡大図であって、環状シール部材に断面形状がＣ型のものを用いた場合のものである。
【図９】冷却媒体回収経路にＣ型シール部材を用いた場合の拡大図である。
【図１０】冷却媒体回収経路にＥ型シール部材を用いた場合の拡大図である。
【図１１】第２の実施の形態のタービンロータにおいて、冷却媒体供給経路の１つに、環状シール部材及び遮熱パイプを設置した状態を後方側から見た側面図である。
【符号の説明】
１  タービンロータ
２  スタブシャフト
３  ディスタントピース
４  スタッキングボルト
５  冷却媒体供給口
６  冷却媒体回収口
７  冷却媒体供給経路
８  冷却媒体回収経路
９  スタブシャフト内供給経路
１０  スタブシャフト内回収経路
１１〜１４  タービンディスク
１５〜１７  スペーサディスク
２２〜２４  動翼
２５  タブティル
２６，２９  導入口
２７，２８  排出口
３１〜３４  キャビティ
４１〜４４  スリット
５１，５４  供給孔
５２，５３  回収孔
６１  冷却媒体（冷却前）
６２  冷却媒体（冷却後）
７０  遮熱パイプ
７１  リング状突出部
７２  穿孔面
７３  径方向隙間
７４  突起部
７５  嵌合突出部
７６  ザグリ穴
７７  切り欠き段部
７８  ザグリ溝
８０  Ｅ型シール部材（内周向き）
８１  突出段部
８２  隙間（スタッキング面間）
８３  供給側からのリーク
８４  回収側へ向かうリーク
１０１  ワイヤ（中実丸形シール部材）
１０２  Ｏ型シール部材（中空丸形）
１０３  Ｃ型シール部材（内周向き）
１０４  Ｃ型シール部材（外周向き）
１０５  Ｅ型シール部材（外周向き）
２０１  隙間（ワイヤとリング状突出部の間）
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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