JP2012522169A - シールプレートを備えた軸流ターボ機械のロータ - Google Patents

Abstract

本発明は軸流ターボ機械のロータに関し、そのロータは、回転軸の周りに回転対称にデザインされたロータボディ（３）と、ロータボディ（３）に対してブレード根（５）によって各々が固定された複数のロータブレード（２）を備えたロータブレードリングと、径方向内側に外側端（１０）を備え且つブレード根（５）の突起（６）に隣接してロータ軸の周りに回転対称にデザインされたシールディスク（７）であって、ブレード根（５）とシールディスク（７）との間に中空の空間（９）が形成されたシールディスクと、を備えており、径方向に外側端に至る溝が外側端（１０）に存在し、シールリング（１４）が組み付けられて、遠心力（１５）の影響の下でロータ（１）の作動の際に溝（１２）内において外側端に径方向にシールリングに当たるまで移動可能であり、突起の内側に径方向に接触子、これによってブレード根（５）の中空空間（９）をシールしている。

Description

本発明はシールプレートを備えた軸流ターボ機械に関する。

例えばガスタービンのような軸流ターボ機械はタービンを備えており、高温ガスが膨張される。ガスタービンの高い高温効率を達成するために、タービン流入口における高温ガスの温度は可能な限り高温に選択されている。高温ガスの達成可能な最高レベルの温度は、タービンの構成部品の構造および材料の選択によって決定されたタービンの要求強度によって限定される。構成部品の温度負荷および機械応力は、現実的なサービスライフを決定し、経済性は特定の限度の上に存在しなければならない。

従来のタービンロータはシャフトと、回転対称にシャフトの外側端に取り付けられたディスクと、を備え、ディスクには多数のロータブレードが固定され、ロータブレードは外周上において互いに隣り合っている。ロータブレードとディスクとはタービン内において時々最も厳しく応力を受ける部品であり、結果的にガスタービンのメンテナンスサイクルはこれらの部品によって原則的に決定されている。ロータブレードとディスクとの運転時間を引き延ばすために、月並みにガスタービンのコンプレッサから供給された冷却空気によってロータブレードとディスクとを冷却することが知られている。ロータブレードは特に複雑な構造から製造されており、ロータブレードを冷却するための冷却空気を流す冷却通路が横断している。冷却通路は、ロータブレード根内に開口しており、そこで冷却通路に冷却空気が供給される。

慣習的に、特許文献１によるデザインの場合におけるような提案が、冷却空気の流入通路のためにブレード根の領域内のディスクに形成されており、その流入通路はディスクと、それに隣接したシールプレートと、の間に形成され、ブレード根に径方向に直接隣接して配置されている。デザインの要求は位置部品であること、可能な限り冷却空気の漏れを最小にするのに効果的な、シールプレートのようなプラットフォーム、および冷却通路内への高温ガスの侵入防止である。この理由のために、径方向外側のシールプレートにはシールリングが設けられており、遠心力はブレードのプラットフォームの下側に対して当てられる。

シールリングの代わりに、シールポイントが設けられても良い。しかしながら、部品の熱膨張の差によって、および軸流ターボ機械のロータの作動中のシールプレートとブレード根との互いの相対位置にもよって、シールポイントの磨耗が結果として起こる。その結果、シールポイントのシール効果は低下し、シールプレート冷却空気はタービンの高温ガス領域内に流入し得る。さらに、シールポイントをバイパスした高温ガスが冷却通路内に突き抜け、結果的にロータブレードの熱負荷を増大させる危険性が存在し、その結果、ロータブレードの早期の損傷の危険性が増大する。

さらに、冷却空気流入通路の端面シールは、一部品の代わりに、環状シールプレートがシールリングを結合して形成する多数のシールプレートセグメントで形成されており、それは特許文献２から知られている。遠心力によって、これらはロータブレードのプラットフォームの下側に対して当たる。したがって、シールリングを利用した分離シールは必要ない。

米国特許出願公開第２００５／０２６５８４９号明細書 国際公開第２００７／０２８７０３号パンフレット

本発明の目的は、長いサービスライフを有する軸流ターボ機械のロータを提供することである。

本発明による軸流ターボ機械のロータは、回転軸の周りに回転対称に形成されたロータボディと、ロータボディ上にブレード根によって各々が固定された複数のロータブレードを備えたロータブレードリングと、回転軸の周りに回転対称に形成され、外側端が径方向内側且つ軸方向に延在したブレード根の突起に隣接したシールプレートであって、ブレード根とシールプレートとの間にはキャビティが形成されたシールプレートと、を備え、外側端上には径方向外向きに開口した溝が形成され、溝内にはシールリングが支持されており、ロータの作動の際にシールリングは遠心力の作用によって溝内において径方向外向きにシールリングが突起の内側に対して径方向に当たるまでスライドし、結果的にブレード根においてキャビティをシールすることが可能である。

軸流ターボ機械のロータの作動の際、突起とシールリングとの間の径方向の相対移動が結果として起こる。結果的に、シールリングには磨耗が発生し、そのシールリングのシール効果を損ない得る。正確なシール効果がもはや提供できないほどにシールリングが激しく磨耗した場合、シールリングは例えば軸流ターボ機械のロータのメンテナンスサイクルの際にシールプレート上で交換され得る。結果的に、シールプレート全体は有利に交換される必要なく、結果的に軸流ターボ機械の簡単且つ効果的なメンテナンスが達成される。軸流ターボ機械のロータが作動している際にシールリングは遠心力に起因して突起に押し付けられるので、シールリングは全周囲にわたって予備張力の態様で突起に対して当たっている。したがって、シールリングと突起との間の接触部は十分にシールされ、その結果として突起とシールプレートの間のシール効果は高くなる。キャビティが例えば、ガスタービンのタービン内に設けられえるように、ブレード根に冷却空気を供給するための通路であれば、シールリングにおける冷却空気の漏れは小さくなる。結果的に、冷却空気によるロータブレードの冷却は効果的であり、その結果、軸流ターボ機械のロータのサービス寿命は長くなっている。

シールプレートは多数のシールプレートセグメントを具備し、セグメントは、静止ガスタービンの（ロータディスクから溶接および積み重ねられた）ロータを製造した後に、ロータブレードとシールプレートとの取り付けを可能にしている。好適に、シールプレートセグメントは凹端部によって周方向に置いて各々について相互結合されている。結果的に、ロータボディ上のシールプレートの取り付けは容易であり、互いに関するシールプレートセグメントの凹端部ギャップの補助は個別のシールプレートセグメントの周方向におけるそれぞれの不一致を防止している。さらに、シールリングは多数のシールリングセグメントから形成されており、それらは周方向において連続して配列されており、各々が関連したシールプレートセグメントの外側端の溝内に挿入されている。結果的に、シールリングまたはそのセグメントのみがプラットフォーム上に支持され、それはシール効果を改善している。それと同時に、シールプレートセグメントはここではロータディスク上に径方向に直接的に支持されている。結果的に、個々のロータブレードを固定する遠心力の負荷は減少され、ロータディスクおよびロータブレードのサービスライフが増加する。

シールリングセグメントは互いに離れる向きに向いた２つの長端を好適に備え、それらはそれぞれ溝内に設けられた凹部と係合する曲げ部を形成し、シールリングセグメントは周方向において外側上に合致する形態において固定されている。結果的に、周方向におけるシールリングセグメントの変位は、有利に防止されている。曲げ部は軸方向においてＬ字形状に形成された脚として好適にデザインされている。この場合、各々の脚は、対象となる脚の長手方向の範囲の少なくとも半分よりも大きい曲率半径を好適に有している。結果的に、シールリングセグメントが長端によって気密の態様においてシールプレートセグメントに当たることの効果が達成される。さらに、脚が互いに反対の向きを指し、シールリングセグメントはＺ形状となっていることは好適である。

突起は径方向内向きに開口した溝を好適に備え、その中に外側端が径方向に移動可能且つシールリングが当たるベースに対向した態様で係合している。結果的に、シールプレートは有利に突起の溝内に収容されており、その結果、シールリングへの悪影響、特に機械的および／または熱的負荷が減少されている。さらに、シールリングの横方向の圧力差が減少され、シールリングのシール効果が高くなる。

シールリングセグメントは長円の断面を備えたバンドとして好適にデザインされており、その長辺は径方向に延在し、その短辺がブレード根に対して当たる。シールリングセグメントの長辺側が径方向に延在しているために、シールリングセグメントは、径方向の移動の際に、シールプレートセグメントの溝内においてガイドされている。したがって、シールプレートセグメントの溝内におけるシールリングセグメントのねじりおよび傾きが防止されている。軸流ターボ機械のロータは好適に軸流タービンロータであり、ロータブレードはブレード根においてキャビティ内に開口した空気通路を好適に備えており、キャビティは冷却空気経路のための冷却空気供給および／または冷却空気放出のために設けられている。

以下の文章において、本発明による軸流タービンロータの好ましい例示的な実施形態が、添付した概略図を参照して説明されている。

軸流タービンロータの本発明による例示的な実施形態の縦断面の詳細を示した図である。 図１のＡの詳細を示した図である。 図１のＢの詳細を示した図である。 シールプレートセグメントの斜視図を示している。 図４のＤの詳細を示した図である。 図４のＣの詳細を示した図である。

図１〜６から明確であるように、軸流タービンロータ１は複数のロータブレード２を備え、それらはタービンロータ１の周囲に一列に配列されており、結果的にロータブレード翼列を形成している。軸流タービンロータ１はディスク３も備え、その上にロータブレード２は固定されている。各ロータブレード２は空気力学的に効率的である。ロータブレード２の固定のために、ロータブレードはブレード根５を備え、ブレード根はディスク３に合致する形態において維持されており、ブレード根５によってロータブレード２は径方向に固定されている。翼４とブレード根５との間において、ロータブレード２の根板６のために対策が形成されており、根板は軸方向および周方向に延在して、その径方向外側において空気力学的に効率的である。

ディスク３は、その端面において、軸流タービンロータの軸に直交して延在した面によって区切られている。シールプレート７はこの面から軸方向に少し離れて配列されており、結果的にキャビティがシールプレート７とディスク３との間に形成されている。その結果、キャビティは軸流タービンロータの高温ガス側８からシールプレート７によって区切られている。キャビティは冷却空気供給通路９であり、冷却空気をブレード根５に供給するために設けられている。シールプレート７の内側端２２は、そのシールプレート７の平均壁厚さに対して厚くなっており、ディスク３内に径方向にフックされて、結果的にシールプレート７は、作動の間、ディスク３によって径方向に直接的に維持されている。

シールプレート７の外側端１０は根板６の径方向内側に径方向に隣接して配列されており、シールプレート７の外側端１０は子板の径方向内側に設けられた周囲溝１１内に係合されている。シールプレート７の外側端１０内において外周溝１２が形成されており、その溝は根板６の周囲溝１１内に径方向外向きに開口している。シールプレート７の外側端１０は根板６内において溝１１の基部から径方向に離れて配置され、径方向クリアランス１３が設けられている。

シールリング１４は径方向において長円または長方形の断面を有し、シールプレート７の溝１２内に挿入されている。シールプレート７内の溝１２にはシールプレート７内に深さが設けられており、シールリング１４が溝１２内に受け入れられて、シールプレート７の外側端１０と同一平面で重なるようになっている。

軸流タービンロータ１の作動の際、遠心力はシールリング１４に作用し、そのシールリングの径方向の移動１５を誘導する。径方向の移動１５は、シールリング１４が根板６内の溝１１の基部に当たるまでシールリング１４によって実行される。径方向クリアランス１３はシールリング１４の径方向の伸びに適合されており、シールリング１４が根板６の溝１１の基部に当たった場合に、シールリング１４はシールプレート７の外側端１０において溝１２と係合しているようになっている。

シールプレート７は多数のシールプレートセグメント１６から形成されており、それらのセグメントは周上に互いに隣接して列を成すように配列されている。それらのエッジにおいて、シールプレートセグメント１６は互いに隣接して配列されており、埋め込まれたエッジ１７がその都度形成され、埋め込まれたエッジは１つのシールプレートセグメント１６の停止部１８と、その停止部１８に対応した他の隣接したシールプレートセグメントの段１９と、によって形成されている。

シールプレート７のシールプレートセグメント１６への分割に類似して、シールリング１４はシールリングセグメント２０に分割されており、各シールリングセグメント２０は周方向において対応したシールプレートセグメント１６の外側端１０に架かっている。各シールリングセグメント２０は、互いに離間して対面した２つの長端２１を備えている。シールリングセグメントの各長端は径方向に曲げられ、結果的に脚２２がシールリングセグメントの各長端２１に形成され、脚とともにシールリングセグメントの長端２１はＬ字形状とされている。半径２３を有する湾曲は各脚２２に設けられ、シールプレートセグメント１６の外側端１０において、対応した切り欠き２４が形成されている。脚２２と切り欠き２４とはシールプレートセグメント１６の外側端１０に配置されており、脚２２は軸方向において停止部１８または段１９から離れる向きを指している。したがって、受け入れ端部１７の領域におけるシールプレートセグメント１６の剛性は、切り欠き２４を設けた結果として過剰に損なわれるものではない。

１ ・・・軸流タービンロータ、 ２ ・・・ロータブレード、 ３ ・・・ディスク、 ４ ・・・翼、 ５ ・・・ブレード根、 ６ ・・・根板、 ７ ・・・シールプレート、 ８ ・・・高温ガス側、 ９ ・・・冷却空気供給通路、 １１ ・・・周囲溝、 １２ ・・・外周溝、 １３ ・・・径方向クリアランス、 １４ ・・・シールリング、 １５ ・・・径方向の移動、 １６ ・・・シールプレートセグメント、 ２０ ・・・シールリングセグメント、 ２２ ・・・脚、 ２３ ・・・半径、 ２４ ・・・切り欠き

Claims (9)

1. 回転軸の周りに回転対称に形成されたロータボディ（３）と、
   該ロータボディ（３）上にブレード根（５）によって各々が固定された複数のロータブレード（２）を備えたロータブレードリングと、
   前記回転軸の周りに回転対称に形成され、外側端（１０）が径方向内側且つ軸方向に延在した前記ブレード根（５）の突起（６）に隣接したシールプレート（７）であって、前記ブレード根（５）と前記シールプレート（７）との間にはキャビティ（９）が形成されたシールプレートと、
   を備えた軸流ターボ機械のロータであって、
   前記外側端（１０）上には径方向外向きに開口した溝（１２）が形成され、該溝内にはシールリング（１４）が支持されており、前記ロータ（１）の作動の際に前記シールリングは遠心力（１５）の作用によって前記溝（１２）内において径方向外向きに前記シールリング（１４）が前記突起（６）の内側に対して径方向に当たるまでスライドし、結果的に前記ブレード根（５）において前記キャビティ（９）をシールすることが可能である軸流ターボ機械のロータにおいて、
   前記シールプレート（７）は複数のシールプレートセグメント（１６）から形成され、前記シールリング（１４）は周方向に連続して配列された複数のシールリングセグメント（２０）から形成され、
   個々の前記シールリングセグメント（２０）は、該シールリングセグメントに対応した前記シールプレートセグメント（１６）の外側端（１０）の溝内に挿入されていることを特徴とする軸流ターボ機械のロータ。
2. 前記シールリングセグメント（２０）は互いに離れる向きに向いた２つの長端（２１）を備え、該長端は前記溝（１２）内に設けられた切り欠き（２４）と係合する曲げ部（２２）を形成し、前記シールリングセグメント（２０）は周方向において前記外側（１０）上に合致する形態において固定されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流ターボ機械のロータ。
3. 前記突起は径方向内向きに開口した溝（１１）を備え、該溝内において前記外側端（１０）は径方向に移動可能な態様且つ前記シールリングが当たる基部に対して係合することを特徴とする請求項１または２に記載の軸流ターボ機械のロータ。
4. 前記シールプレートセグメント（１６）は、周方向において受け入れ端部（１７）によって各々について相互結合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械のロータ。
5. 前記曲げ部は、軸方向においてＬ字形状に形成された脚（２２）としてデザインされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械のロータ。
6. 各々の前記脚（２２）は、対象となる脚（２２）の長手方向の範囲の少なくとも半分よりも大きい曲率半径（２３）を有していることを特徴とする請求項５に記載の軸流ターボ機械のロータ。
7. 前記脚（２２）は互いに反対の向きを指し、前記シールリングセグメント（２０）はＺ形状となっていることを特徴とする請求項５または６に記載の軸流ターボ機械のロータ。
8. 前記シールリングセグメント（２０）は、長円の断面、好適に長方形断面のバンドとしてデザインされており、その長辺が径方向に延在し、外側の短辺は前記ブレード根（５）に対して当たることが可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械のロータ。
9. 前記軸流ターボ機械のロータは軸流タービンロータ（１）であり、前記ロータブレード（２）は前記ブレード根（５）のキャビティ（９）内に開口した冷却空気経路を備え、
   前記キャビティ（９）は前記冷却空気経路のための冷却空気供給および／または冷却空気放出のために設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の軸流ターボ機械のロータ。

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