JP2010527421A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

タービンロータ、シャフト及びコンプレッサロータを包含するロータを有するガスタービンであって、タービンロータは少なくとも１つのロータディスク及びロータディスクからシャフトに進むロータコーンを有し、シャフトの下流末端はベアリングチャンバーを有するベアリング内に回転可能に支持され、シャフトの内部空間はベアリングチャンバー密封空気のための流路として設計されており、同上流のロータコーンを包囲する空間は冷却空気のための流動空間として設計されている。ロータ連結部の領域において、シャフトは拡張部分を呈しており、その上流末端においては冷却空気を流入可能とするために開口部が配設され、その下流末端においてはベアリングチャンバーとロータコーンの間の空間内に冷却空気を流出可能とするために開口部が配設されており、壁部がシャフト内部の冷却空気及び密封空気の流れを相互から分離している。

Description

本発明は請求項１に記載する種の定義に従って、タービンロータ、シャフト及びコンプレッサロータを包含し、マルチシャフトガスタービンの場合は低圧系の部分であるロータを有するガスタービンに関し、タービンロータは少なくとも１つのブレード付ロータディスク及びロータディスクからシャフトに進むロータコーンを有し、シャフトの下流末端はベアリングチャンバーを有するベアリング内に回転可能に支持されている。

必要とされる仕様を満足するためには、将来のエンジンの概念は高いＡＮ²値、高いタービン入口温度及び短小設計を有する高速低圧タービンを必要とする。主流からの高温ガス入来を回避するために、そして低圧系の固定ベアリングにおけるベアリング推力を調節するために、最終タービン段とタービン排気ケース（ＴＥＣ）の間のキャビティーに空気を指向させなければならない。このタービンディスクを最適に設計するためには、熱補償設計（軸方向の温度勾配の回避）が必須である。実際に使用されている低圧タービンの場合は、この空気は典型的には低圧コンプレッサーにおいて引き出され、低圧タービンシャフトを通過して後方のＴＥＣベアリングチャンバーまで回送される。この空気はベアリングにおける密封空気として、および後方のキャビティーを換気するために使用される。制限された密封空気温度（油発火、コーキング等）のためにこの密封空気の温度は、ロータディスクの反対側に作用する冷却空気よりも実質的に低温となる。その結果、軸方向の温度勾配がディスク全体に渡って生じ、これがロータ連結のロータディスクに関わる重量最適化設計を実現するという作業を複雑化させている。高速エンジンの概念のために必要とされる実質的に内側に向かって引かれるディスク本体、及び小型設計が原因となって、きわめて短いロータコーンのみがシャフト連結のために使用可能となる。この低減された減衰長が機械的設計（ＬＣＦ寿命）を困難にしている。特にシャフト連結部のロータコーンに渡る、そして相当するディスクにおける急な温度勾配はもはや許容されない。

従来の低圧タービンの場合の空気の回送を図１に例示する。異なる温度の空気がロータ連結部のコーンの両側に作用する。シャフト連結部の上流にはロータブレード冷却空気の温度が支配的であり；タービン排気ケース（ＴＥＣ）におけるシャフト連結部の下流ではベアリング密封空気の温度が支配的となる。これがロータコーンにおける、そして相当するロータディスクにおける高い熱ストレスを伴った温度差をもたらす。

これとは対照的に、本発明の目的は、タービンロータ、シャフト及びコンプレッサロータを包含し、マルチシャフトガスタービンの場合は低圧系の部分であるロータを有するガスタービンを考案することでありタービンロータ及びそのシャフト連結部の領域において熱的に補償された設計を提供することにより長い作業寿命が達成される。

この目的は請求項１において特性化した特徴及びその前文において言及した包括的な特徴により達成される。ロータコーン連結部の領域において、シャフトは拡大した内外径を有する拡張部分を呈しており、その上流末端においてはシャフトの拡張された内部空間に冷却空気を進入可能とするために開口部が配設され、そしてその下流末端においてはベアリングチャンバーとロータコーンの間の空間内に冷却空気を退出可能とするために開口部が配設されている。シャフトの拡張された内部空間は冷却空気及び密封空気を分離するための壁部によりシャフトの横断内部空間から密封されている。その結果、概ね同じ温度の冷却空気が熱的補償の意味においてロータコーン及び相当するロータディスクの両側に作用する。ベアリングチャンバーから発生し、冷却空気と混合するより低い温度を有する密封空気の如何なる少量も有意な作用を有さない。

本発明の好ましい実施形態は従属請求項において特性化されている。

記載した型の関連技術及び本発明を、図面を参照しながら下記でより詳細に説明する。正確な縮尺ではない簡略化された表示において、図は以下の通り示す。

従来の空気回送によるシャフト連結部及びベアリング組み立て物を有するタービンロータを通過する部分的長手方向の断面図。 本発明に従った空気回送によるシャフト連結部及びベアリング組み立て物を有するタービンロータを通過する部分的長手方向の断面図。

図１におけるタービンロータ２は３つのブレード付きディスク６、７及び８を有する。中央のロータディスク７から、ロータコーン１０が相当するシャフト１２まで進み、これにフランジ接合している。その下流末端において、シャフト１２はベアリング１４内に回転可能に支持されている。ベアリング１４はベアリングチャンバー１６内に搭載され、これはタービン排気ケース１８の部分である。シャフト進入部において、ベアリングチャンバー１６は２つの軸方向に間隔をおいた密封部４１、４２により非気密に密封されている。冷却空気２２はシャフト１２の半径方向外側でありロータコーン１０の上流の空間内を流動する。これは、高温及び高圧の範囲にあるブレードを冷却するために使用されることから、冷却目的のためにはなお適している高温を有する。冷却空気２２よりも有意に低値である温度を有する密封空気２０はシャフト１２の内部を通過して回送される。密封空気２０はシャフト１２から引き出され、密封部４１、４２の間に指向され、次に部分的にはベアリングチャンバー１６内に、そして部分的にはタービンロータ２及びタービン排気ケース１８の間の空間内に流動する。即ち、異なる気体温度がロータコーン１０の上流とその下流で支配的となり、これが熱ストレスをもたらし、そしてロータ連結部の作業寿命を短縮する。

これとは対照的に、図２に従った本発明による手法は改変された温度分布をもたらす設計変更により区別される。タービンロータ１において、３つのロータディスク３、４及び５が識別される。相当するシャフト１１に延在するロータコーン９は最後方のロータディスク５に一体的に連結されている。ロータコーン９はシャフト１１に脱着可能に連結されている。図示した場合においては、連結部３３（矢印）は歯合系３４、２つの圧着連結部３５、３６及び軸方向停止部３７並びに螺子連結部３８により具現化されている。連結部３３の領域において、シャフト１１は拡大された内外径を有する拡張部分２７を呈している。高温を有する冷却空気２１は空間２３上流側、それぞれロータコーン９の外側及びシャフトの半径方向外側に位置する。一方、より低い温度を有する密封空気１９はシャフト１１の内部空間２５内を流動する。冷却空気２１は拡張部分２７の上流末端における開口部２８を通過してシャフト内部に流入してよい。拡張部分２７の下流末端における開口部２９を通過して、同じ冷却空気２１が再度シャフト内部から流出し、そしてロータコーン９の下流の空間２４内に流入してよい。ここではシャフトインサートの形態の分離壁部３１がシャフト内部に搭載されることにより、密封空気１９と冷却空気２１が混合されないようにしている。即ち、壁部３１と拡張部分２７の間に位置する環状の内部空間２６は空間２３及び２４と直接連絡しているのみである。図示した場合においては、密封空気１９の流れは、必須ではない内部空間２５の周辺における中央パイプ３２により濃縮される。密封空気１９は開口部３０を経由してシャフト外に一般的に知られた態様において引き出され、ここではブラシシールの形態の２つの軸方向に間隔をおいた密封部３９，４０の間に導かれる。ここから、密封空気１９の一部分がベアリング１３のベアリングチャンバー１５の内部に達する。密封空気１９の別の部分は非機密密封部３９を経由して空間２４内に進入し、冷却空気２１と混合される。開口部２９から流出している冷却空気の流れは密封部３９から流出している密封空気の流れよりも十分に多量であるため、結果として空間２４内の混合温度は冷却空気２１の初期温度から無視できる程度にのみ変温する。その結果ロータコーン９、連結部３３並びにロータディスク５の両側上には概ね同じ温度が支配的となる。即ち、本発明によるロータ連結部における熱ストレスは最小限にまで低減され；既知の方策と比較すれば作業寿命が実質的に延長される。機械的に高度に厳密なロータコーン９は排気弁、内腔等を伴うことなく設計してよい。一方、シャフト１１の安定な拡張部分２７の領域における開口部２８及び２９は重要ではない。

最後に、タービン排気ケース１７は図２に概略的にのみ示すことを明記しておく。

Claims (5)

1. タービンロータ（１）、シャフト（１１）及びコンプレッサロータを包含し、マルチシャフトガスタービンの場合は、低圧系の部分であるロータを有するガスタービンであって、タービンロータ（１）は少なくとも１つのブレード付ロータディスク（３、４、５）及びロータディスク（５）からシャフト（１１）に進むロータコーン（９）を有し、シャフト（１１）の下流末端はベアリングチャンバー（１５）を有するベアリング（１３）内に回転可能に支持され、シャフト（１１）の内部空間（２５）はベアリングチャンバー（１５）に進む密封空気（１９）のための流路として設計されており、同上流のロータコーン（９）を包囲する空間（２３）はロータブレードを冷却するために使用される冷却空気（２１）のための流動空間として設計され、ロータコーン（９）の連結部（３３）の領域において、シャフト（１１）は拡大された内外径を有する拡張部分（２７）を呈しており、その上流末端においてはベアリングチャンバー（１５）の拡張された内部空間（２６）内に冷却空気（２１）を流入可能とするために開口部（２８）が配設され、その下流末端においてはベアリングチャンバー（１５）とロータコーン（９）の間の空間（２４）内に冷却空気（２１）を流出可能とするために開口部（２９）が配設されており、拡張された内部空間（２６）は冷却空気（２１）と密封空気（１９）を分離するための壁部（３１）によりシャフト（１１）の横断内部空間（２５）から密封されている、ガスタービン。
2. ベアリングチャンバー（１５）がタービンロータ（１）の下流に構成されたタービン排気ケース（１７）の部分である請求項１記載のガスタービン。
3. 密封空気（１９）のための環状流路を形成するためのパイプ（３２）がシャフト（１１）の内部空間（２５）内に半径距離において同軸に構成されている請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 密封空気（１９）のための流路が、例えばブラシシールの形態の２つの軸方向に間隔をおいた非気密性密封部（３９、４０）の間において半径方向外側に向けてシャフト（１１）内の開口部（３０）を通過しながらベアリングチャンバー（１５）まで進んでいる請求項１〜３の１項に記載のガスタービン。
5. ロータコーン（９）が形態ロック状態で周辺契合している歯合系（３４）を介して、歯合系（３４）の両側に軸方向に配置された圧着連結部（３５、３６）を介して、軸方向停止部（３７）を介して、並びに、軸方向に作用する螺子連結部（３８）を介して、シャフト（１１）の拡張部分（２７）において結合されている、請求項１〜４の１項に記載のガスタービン。